一種差分螺線管電感的製作方法
2023-11-07 03:50:17 2
一種差分螺線管電感的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種差分螺線管電感，包括三層金屬線圈，三層金屬線圈寬度相同，三層金屬線圈的厚度不相等；所述上下層金屬線圈圖形對稱；所述金屬線圈上有電感埠；所述上下層金屬線圈通過層間通孔互連；第一層金屬線圈從電感的一個埠開始，經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第三層金屬線連接；第三層金屬經過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和第二層金屬線連接；第二層金屬經過一圈走線，通過一層層間通孔和第三層金屬線連接；第三層金屬線圈經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第一層金屬線連接；第一層金屬線圈經過半圈金屬走線，從另一個埠引出。該電感具有更好的品質因數和自諧振頻率特性。
【專利說明】一種差分螺線管電感
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電感，尤其涉及一種差分螺線管電感。
【背景技術】
[0002]目前，在CMOS射頻集成電路(RFIC)的發展中，最迫切和最困難的是要生產出高性能的新器件和新的單元電路，它們是實現單片CMOS集成射頻前端的基礎。片上螺旋電感作為射頻集成電路中的關鍵元件，在射頻前端的各個模塊中均有廣泛的應用，如射頻預選迴路、低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)以及LC迴路等模塊，也是電路中最難設計和掌握的元件，它的性能參數直接影響著射頻集成電路的性能。片上螺旋電感能實現射頻集成電路中電感的集成化問題，從而有助於射頻集成電路的片上系統實現。
[0003]傳統的螺線管(Helical)電感每層只有一圈，電感的總圈數就等於電感所使用的金屬層數。由於受鄰近效應和寄生電容的影響較小，螺線管電感在所有類型多層電感中具有相對較高的品質因數和自諧振頻率。螺線管電感兩個埠位置的差異使得電感表現出強烈的不對稱性。差分電感多用於對稱結構的電路中，對稱特性較好。傳統的差分電感所有線圈都位於同一金屬層上，其連線方式使得電壓差較大的線圈相鄰，增大了線圈間的寄生電容，使得電感的品質因數和自諧振頻率較低。
[0004]因此，本領域的技術人員致力於開發一種新型螺線管電感。
【發明內容】
[0005]有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種品質因數和自諧振頻率特性更好的螺線管電感。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種差分螺線管電感，其特徵在於，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感埠 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感埠開始，經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經過半圈金屬走線，從另一個電感埠引出。
[0007]進一步地，每個電感單元中所述金屬線圈寬度相同。
[0008]進一步地，每個電感單元中所述金屬線圈的厚度均不相等。
[0009]進一步地，每個電感單元中上下層金屬線圈圖形對稱。
[0010]進一步地，每個電感單元中所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。所述垂直方向是指通孔連接的方向。
[0011]進一步地，每個電感單元中所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0012]進一步地，每個電感單元中所述金屬線圈為四邊形、多邊形或圓形。
[0013]進一步地,所述多個電感單元依次連接。
[0014]本發明提供了一種差分螺線管電感，該電感通過改變多層線圈的連線方式使得層間線圈的寄生電容降低，對稱特性較好。與傳統的差分電感相比，其高頻寄生電阻降低，實現相同的電感值所需的電感面積較小。從而使電感獲得更好的品質因數和自諧振頻率特性。
[0015]本發明提供的差分螺線管電感，通過改變多層線圈的連線方式，電位差相差較大的電感線圈在垂直方向上的間距加大，從而降低了層間線圈的寄生電容。由於該電感採用差分的連線方式，電感的對稱特性較好。由於將傳統的差分電感線圈分布在多層上實現，減小了相鄰線圈的高頻臨近效應，降低了高頻寄生電阻。對於相同圈數的電感，本發明電感可以採用較小的面積，由於本發明的電感線圈在垂直方向有較大部分相互重疊，從而該電感具有較大的電感值，從而使電感獲得更好的品質因數和自諧振頻率特性。
[0016]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是傳統的螺線管電感立體圖；
[0018]圖2是傳統的三維差分電感立體圖；
[0019]圖3是傳統的三維差分電感電位分布圖；
[0020]圖4是本發明實施例差分螺線管電感的立體圖；
[0021]圖5是本發明實施例差分螺線管電感的電流路徑及線圈電壓的分布情況圖；
[0022]圖6是本發明實施例差分螺線管電感的金屬6層電感線圈的俯視圖；
[0023]圖7是本發明實施例差分螺線管電感的金屬4層電感線圈的俯視圖；
[0024]圖8是本發明實施例差分螺線管電感的金屬5層電感線圈的俯視圖；
[0025]圖9是本發明實施例差分螺線管電感Q值的仿真結果。
[0026]圖10是本發明實施例差分螺線管電感L值的仿真結果。
[0027]圖11是傳統差分螺線管電感Q值的仿真結果。
[0028]圖12是傳統差分螺線管電感L值的仿真結果。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
[0030]本發明提供了 一種差分螺線管電感，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感埠 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感埠開始，經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經過半圈金屬走線，從另一個電感埠引出。本實施例以一個電感單元為例，差分螺線管電感包括:三層金屬線圈，三層金屬線圈寬度相同，三層金屬線圈的厚度不相等；所述上下層金屬線圈圖形對稱；所述金屬線圈上有電感埠 ；所述上下層金屬線圈通過層間通孔互連；第一層金屬線圈從電感的一個埠開始，經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第三層金屬線連接；第三層金屬經過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和第二層金屬線連接；第二層金屬經過一圈走線，通過一層層間通孔和第三層金屬線連接；第三層金屬線圈經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第一層金屬線連接；第一層金屬線圈經過半圈金屬走線，從另一個埠引出。
[0031]本實施例的差分螺線管電感(以三層金屬、四邊形螺線管電感為例)立體結構見圖4。從圖4可以看出，本實施例所述差分的螺線管電感分為上中下三層，分別由第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層構成電感的金屬線圈，第一層有兩個對稱的電感埠。所述差分的螺線管電感電流路徑及線圈上電壓的分布情況(以三層金屬、3圈四邊形電感為例)見附圖5。電流由一個埠流入電感，電感線圈上的電位沿著電感線圈的走線路徑依次降低，以數字I?6表示電感線圈上電位的大小，定義電位依次降低。所述差分的螺線管電感電位差為I和5的半圈線圈分別位於第一層金屬和第三層金屬，其電位差為6和2的半圈線圈分別位於第一層金屬和第三層金屬，第二層金屬上電位分別為3和4，自上到下電感左半線圈上電感的電位分別為1、3、5(對應第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層)，右半金屬線圈上電感的電位分別為6、4、2(對應第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層)。該走線方式將電位差相差較大的電感線圈在垂直方向上的間距加大，從而降低了垂直方向上電感線圈間的寄生電容，且保持了良好的對稱特性。本發明將傳統的差分電感線圈分布在多層上實現，對相同圈數的差分電感，該發明所述電感所需面積更小，且降低了高頻時臨近效應的影響，降低了電感的高頻寄生電阻，從而獲得更高的品質因數。由於本發明的電感線圈在垂直方向有較大部分相互重疊，從而該電感具有較大的電感值。
[0032]差分螺線管電感第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0033]差分螺線管電感第一、三層金屬線圈與第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0034]以三層金屬、四邊形差分螺線管電感為例做仿真，仿真結果如圖9所示。仿真結果表明本發明所述結構電感的自諧振頻率較傳統的差分螺線管有很大的提高，品質因數略有提升。
[0035]圖4中所示上下層金屬有較大部分相互重疊，這可以充分利用層間金屬之間的互感，提聞電感的品質因數Q。
[0036]本發明的一種實施方式是在標準的六層金屬射頻集成電路工藝上製作電感，以外徑為100微米的電感為例。其最上層線圈圖形如附圖6所示，電感線圈寬度為8微米。其中、下層線圈圖形如圖7、8所示，線圈寬度與上層金屬相同。上下層線圈通過層間通孔及層間金屬連接，從而實現上下層之間的連接。[0037]所述金屬線圈可以為四邊形，也可是圓形或其它形狀。所述多層金屬線圈在通孔處的連接方式不局限於本發明示例的連接方式。
[0038]本發明所述的結構不限於三層電感，其他多層電感也可是適用。本發明優先適用於上層金屬線圈為頂層金屬的情況，但其他多層的電感的其他金屬層也可以適用。
[0039]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種差分螺線管電感，其特徵在於，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感埠 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感埠開始，經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經過半圈金屬走線，從另一個電感埠引出。
2.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中所述金屬線圈覽度相問。
3.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中所述金屬線圈的厚度均不相等。
4.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中上下層金屬線圈圖形對稱。
5.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
6.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
7.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，每個電感單元中所述金屬線圈為四邊形、多邊形或圓形。
8.如權利要求1所述的差分螺線管電感，其特徵在於，所述多個電感單元依次連接。
【文檔編號】H01L23/64GK104037165SQ201410247035
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】莊奕琪, 李振榮, 邱肖, 湯華蓮, 李小明, 李聰, 劉偉峰, 曾志斌, 靳剛 申請人:西安電子科技大學