《一種變壓器及其製作方法和晶片》是深圳市中興微電子技術有限公司於2013年12月19日申請的專利，該專利的公布號為CN104733452A，授權公布日為2015年6月24日，發明人是謝豪律、吳章彬。
《一種變壓器及其製作方法和晶片》公開了一種變壓器及其製作方法和晶片，所述方法包括：將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；其中所述第一初級調諧電容包括一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括一個以上的第二次級調諧電容；並聯連線一個以上的所述第二初級調諧電容、和並聯連線一個以上的所述第二次級調諧電容；一個以上的所述第二初級調諧電容及其連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
2020年7月14日，《一種變壓器及其製作方法和晶片》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種變壓器及其製作方法和晶片》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種變壓器及其製作方法和晶片
- 申請人：深圳市中興微電子技術有限公司
- 申請日：2013年12月19日
- 申請號：2013107042621
- 公布號：CN104733452A
- 公布日：2015年6月24日
- 發明人：謝豪律、吳章彬
- 地址：廣東省深圳市鹽田區大梅沙1號廠房
- Int. Cl.：H01L27/02(2006.01)I、H01F27/28(2006.01)I、H01F41/02(2006.01)I
- 代理機構：北京派特恩智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張振偉、王黎延
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
由於差分電路對電磁干擾、電源噪聲和地噪聲具有良好的免疫作用，以及對偶次諧波良好的抑制性能，差分結構的電路在射頻電路中使用越來越普遍，如低噪聲放大器、混頻器和功率放大器。射頻通信系統中，天線傳送和接收的信號都是單端信號，因此變壓器或者變壓器式巴倫（balun，balanced to unbalanced）作為單端信號與差分信號相互轉換的模組是現今射頻電路系統中不可或缺的。在接收機中，變壓器將天線接收到的單端信號轉換為差分信號，然後傳輸給差分結構的低噪聲放大器進行放大；在發射機中，變壓器將差分結構功率放大器輸出的差分信號轉換為單端信號，然後傳輸給天線進行發射。從晶片成本以及面積等方面考慮，通常將變壓器和接收傳送模組集成在同一塊晶片上。
片上變壓器作為無源功率傳輸模組，其最重要性能之一是插入損耗。當變壓器作為單端與差分信號轉換模組位於接收機低噪放的前端時，變壓器的插入損耗等同於噪聲係數。如果變壓器的插入損耗過大，則整個接收機的靈敏度會大大的降低。當變壓器作為差分與單端信號轉換模組位於發射機的前端時，變壓器的插入損耗等同於發射信號的功率損耗。如需滿足發射信號的功率要求，則插入損耗越小越好。
變壓器的插入損耗主要由三個方面來決定：線圈之間的耦合係數、線圈電感的品質因子（Q值）和輸入輸出回波損耗。其中耦合係數可通過最佳化變壓器線圈的繞線方式來得到大幅度的改善，如採用疊層結構已可使耦合係數達到0.9以上；輸入輸出回波損耗可通過調諧電容和最佳化線圈的匝數比來改善。在現今的工藝條件下影響變壓器的插入損耗性能最為嚴重的是線圈電感的品質因子。
影響片上繞線電感品質因子的因素有很多，其中之一是電感的渦流損耗。渦流是電感的磁場在導體上所生成的感應環形電流，如襯底、金屬導線和元器件上的感應環形電流。一般來說導體離變壓器線圈的距離越近，引入的渦流損耗越嚴重。為了減小導體對變壓器線圈自感品質因子的影響，2013年前大部分晶片上金屬導線和元器件離線圈一般都較遠，所以變壓器以及其周圍空白區域在晶片上所占據的面積比較的大，整個晶片面積的利用率較低。
多模多帶系統是當今移動通信系統發展的趨勢，不同頻帶的傳送和接收模組共用一根或者幾根天線，每一個頻帶的傳送和接收模組必然對應有一個變壓器。從現今的工藝條件以及晶片的成本等多方面考慮，片上變壓器的面積不宜過大，其面積通常保持在400微米*400微米以下，因此變壓器線圈的自感值比較小。當變壓器工作在低頻帶範圍時，如工作在幾百兆赫茲頻帶，其輸入輸出連線埠需分別並聯一個大的調諧電容才能使整個變壓器諧振在低頻工作頻帶。
另外，如果每個頻帶的接收或者傳送模組都對應一個變壓器巴倫，則整個晶片的面積會非常的大，從而使晶片的成本大大的增加。為了減少變壓器在晶片上的使用個數，現今常採用的方法是在變壓器的輸入端和輸出端分別並聯調諧電容，通過改變調諧電容的值可使同一個變壓器工作在不同的頻帶，從而實現同一個變壓器在不同頻帶的復用。
總的來說，多模多帶系統中變壓器和調諧電容所占據的晶片面積非常的大，且變壓器的線圈電感Q值較小；因此為了減小變壓器及其調諧電容所占的晶片面積，以及提高變壓器線圈電感的Q值，必須採用一些方法使這兩者都得到改善。
發明內容
專利目的
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例提供一種變壓器及其製作方法和晶片，能夠使變壓器具有高的Q值，而且結構尺寸小。
技術方案
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例的技術方案是這樣實現的：
一種變壓器的製作方法，所述變壓器包括初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容，所述方法包括：
將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；其中所述第一初級調諧電容包括一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括一個以上的第二次級調諧電容；並聯連線一個以上的所述第二初級調諧電容，和並聯連線一個以上的所述第二次級調諧電容；一個以上的所述第二初級調諧電容及其連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
優選地，所述將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中，包括：
將所有的或部分的一個以上的所述第二初級調諧電容和/或一個以上的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方。
優選地，所述變壓器包括片上無源變壓器或片上變壓器式巴倫。
優選地，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等；
和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等。
優選地，所述方法還包括：
所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡。
一種變壓器，所述變壓器包括：初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容；其中，所述第一初級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二次級調諧電容；
所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；且一個以上的所述第二初級調諧電容及其之間的連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
優選地，所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡。
優選地，所有的或部分的所述第二初級調諧電容、和/或所有的或部分的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域或所述空白區域的正下方的正下方。
優選地，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等；
和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等。
一種晶片，所述晶片包括上述任一項所述的變壓器。
改善效果
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例一種變壓器及其製作方法和晶片，將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；其中所述第一初級調諧電容包括一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括一個以上的第二次級調諧電容；並聯連線一個以上的所述第二初級調諧電容，和並聯連線一個以上的所述第二次級調諧電容；一個以上的所述第二初級調諧電容及其連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分；如此，能夠使變壓器具有高的Q值，而且結構尺寸小。
附圖說明
圖1為相關技術中LC諧振電路的結構示意圖；
圖2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例變壓器的製作方法的實現流程示意圖；
圖3-1為相關技術中匝數比為1:2的四連線埠變壓器電路的結構示意圖；
圖3-2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例圖3-1的版圖實現結構示意圖；
圖4-1為相關技術中匝數比為1:2的四連線埠頻率可調的變壓器式巴倫電路的結構示意圖；
圖4-2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例圖4-1的一種版圖實現結構示意圖；
圖4-3是圖4-2中局部禁止網路去除調諧電容後的金屬互連線的網路結構示意圖。
技術領域
《一種變壓器及其製作方法和晶片》涉及無線通信系統的接收和發射技術，尤其涉及一種變壓器及其製作方法和晶片。
權利要求
1.一種變壓器的製作方法，其特徵在於，所述變壓器包括初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容，所述方法包括：將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；其中所述第一初級調諧電容包括一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括一個以上的第二次級調諧電容；並聯連線一個以上的所述第二初級調諧電容，和並聯連線一個以上的所述第二次級調諧電容；一個以上的所述第二初級調諧電容及其連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中，包括：將所有的或部分的一個以上的所述第二初級調諧電容和/或一個以上的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述變壓器包括片上無源變壓器或片上變壓器式巴倫。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等；和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等。
5.根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括：所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡。
6.一種變壓器，其特徵在於，所述變壓器包括：初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容；其中，所述第一初級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二次級調諧電容；所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；且一個以上的所述第二初級調諧電容及其之間的連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
7.根據權利要求6所述的變壓器，其特徵在於，所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡。
8.根據權利要求6所述的變壓器，其特徵在於，所有的或部分的所述第二初級調諧電容、和/或所有的或部分的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域或所述空白區域的正下方的正下方。
9.根據權利要求6至8任一項所述的變壓器，其特徵在於，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等；和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等。
10.一種晶片，其特徵在於，所述晶片包括權利要求6至9任一項所述的變壓器。
實施方式
操作內容
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例一種變壓器及其製作方法和晶片，是基於變壓器LC諧振電路結構來提高變壓器的Q值的；其中LC諧振電路如圖1所示，它由一個電感101和一個電容102並聯構成。由電磁感應現象可知，當導體處於變化的磁場中時，導體中會產生感應渦流電流。渦流電流所引起的損耗與導體垂直於磁力線的面積成正比，即導體面積越小在電磁場中生成感應渦流損耗越小；換句話說，如將一塊大導體分成N等分，則分解後導體中的總渦流損耗將是未分解前的1/N倍。
基於此，《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例提供的變壓器的製作方法是：將集成在同一塊襯底上的變壓器LC諧振結構中的第一調諧電容採用許多面積相對較小的第二調諧電容來代替，然後將這些第二調諧電容放置在初級線圈和次級線圈所圍成的中心空白區域或所述空白區域的正下方，並使第二調諧電容以及它們之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的一部分。其中，第一調諧電容包括第一初級調諧電容和第一次級調諧電容，對應地，第二調諧電容包括第二初級調諧電容和第二次級調諧電容，所述第一初級調諧電容與所述初級線圈構成LC諧振電路，所述第一次級調諧電容與所述次級線圈構成LC諧振電路。《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例基於此來提高變壓器的Q值，因為該禁止網路自身的渦流損耗非常小，且可減小襯底的渦流損耗，從而可達到提高電感的Q值和減小LC諧振網路面積的雙重目的。
下面結合附圖和具體實施例對《一種變壓器及其製作方法和晶片》的技術方案進一步詳細闡述。
圖2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例變壓器的製作方法的實現流程示意圖，所述變壓器包括初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容；如圖2所示，所述變壓器的製作方法包括：
步驟201，將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；這裡，所述第一初級調諧電容包括一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括一個以上的第二次級調諧電容；這裡，所述第一初級調諧電容與所述初級線圈構成LC諧振電路，所述第一次級調諧電容與所述初次級線圈分別構成LC諧振電路；這裡，所述將所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中，包括：將所有的或部分的一個以上的所述第二初級調諧電容和/或一個以上的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方。
具體包括：將所有的或部分的一個以上的所述第二初級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方；及，將所有的或部分的一個以上的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方；及，將所有的或部分的一個以上的所述第二初級調諧電容和一個以上的所述第二次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域中或所述空白區域的正下方。
步驟202，並聯連線一個以上的所述第二初級調諧電容，和並聯連線一個以上的第二次級調諧電容；一個以上的所述第二初級調諧電容及其連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
一般對於片上繞線電感、變壓器和巴倫來說，襯底渦流損耗是制約其繞線電感Q值的影響因子之一。為了減小襯底渦流損耗對線圈電感Q值的影響，最常用的方法是線上圈和襯底之間放置一層電阻率較大的條形狀禁止層。《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例中的局部禁止網路，是指禁止層並不是覆蓋在整個線圈的下面，而只是線上圈中心空白區域的正下方放置有禁止層。《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例中所述局部禁止網路的好處可以大幅度的減小了線圈與禁止層之間的寄生電容，從而使線圈的Q值和自諧振頻率得到了較大的提高，所述線圈包括初級線圈和次級線圈。該領域的技術人員可以根據各種2013年之前的技術來實現《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例中的局部禁止網路，這裡不再贅述。
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例中，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值可以完全相等或不完全相等；和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值可以完全相等或不完全相等。在具體實施的過程中，電容可以以面積的大小來表示電容值的大小，因此，一個以上的所述第二初級調諧電容和/或一個以上的所述第二次級調諧電容的面積可以完全相等或者可以不完全相等；
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例中，所述方法還包括：所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡。
《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例提供的變壓器的製作方法，不局限地套用於任何帶調諧電容的片上無源變壓器中，而且還可以套用於任何帶調諧電容的片上變壓器式的巴倫中。這裡，所述片上無源變壓器和變壓器式的巴倫的形狀以及結構可以是任意的，只要存在初級線圈和次級線圈所圍的中心空白區域，都可以將調諧電容禁止網路放置在所述空白區域中或所述空白區域的正下方。
基於上述的變壓器的製作方法，《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例還提供一種變壓器，所述變壓器包括：初級線圈、次級線圈、第一初級調諧電容和第一次級調諧電容；其中，所述第一初級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二初級調諧電容，所述第一次級調諧電容包括並聯連線的一個以上的第二次級調諧電容；
所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中；且一個以上的所述第二初級調諧電容及其之間的連線、和/或一個以上的所述第二次級調諧電容及其之間的連線構成一個局部禁止網路或一個局部禁止網路的其中一部分。
這裡，所述初級線圈和所述次級線圈採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，且金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬過渡；這裡，所述第一初級調諧電容和/或所述第一次級調諧電容排布在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的區域中，具體包括：所有的或部分的所述第二初級調諧電容、和/或所有的或部分的所述第二次級調諧電容排布在在所述初級線圈和所述次級線圈所圍成的空白區域或所述空白區域的正下方的正下方。這裡，所述一個以上的所述第二初級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等；和/或，所述一個以上的所述第二次級調諧電容的電容值完全相等或不完全相等。
基於上述的變壓器，《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例還提供一種晶片，所述晶片包括通過如圖2所示的變壓器的製作方法製作的所述的變壓器。
實施案例
實施例一
圖3-1為相關技術中匝數比為1:2的四連線埠變壓器電路的結構示意圖，該四連線埠電路由匝數比為1:2的初級電感301和次級電感302互相耦合構成，且初級電感301並聯第一初級調諧電容303，次級電感302並聯第一次級調諧電容304。
圖3-2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例圖3-1的版圖實現結構示意圖，如圖3-2所示，初級線圈301和次級線圈302採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，金屬線之間交叉的地方採用上層金屬或下層金屬305過渡。第一初級調諧電容303和第一次級調諧電容304設定在所述初級線圈301和所述次級線圈302所圍成的中心空白區域下方；其中，第一初級調諧電容303和第一次級調諧電容304都由許多面積較小的小電容並聯構成，小電容作為第二初級調諧電容和第二次級調諧電容。每一個小電容以及它們之間的連線形成了一張鋪滿初級線圈301和次級線圈302中心區域下方的局部禁止網路，從而使襯底渦流損耗減小。另外，由於每一個小電容的面積相對於中心空白區域非常的小，所以整個調諧電容網路的渦流損耗非常小，從而變壓器的初級線圈301和次級線圈302的電感Q值得到提高。
實施例二
圖4-1為相關技術中匝數比為1:2的四連線埠頻率可調變壓器式巴倫電路的結構示意圖；該變壓器式巴倫電路由一個初級線圈401和一個次級線圈402互相耦合而成，初級線圈401與次級線圈402的匝數比為1:2。次級線圈402並聯的一個第一次級調諧電容404，而初級線圈401並聯四個第一初級調諧電容403其中各個第一初級調諧電容403的電容值可以相同，也可以不同，且每一個第一初級調諧電容403串聯一個開關405，通過控制開關405的開與關可改變初級線圈401並聯的調諧電容值。
圖4-2為《一種變壓器及其製作方法和晶片》實施例圖4-1的一種版圖實現結構示意圖，如圖4-2所示，初級線圈401與次級線圈402的匝數比為1:2，採用同層金屬對稱互繞在同一塊襯底上，金屬線之間交叉的地方用上層或下層金屬406過渡。初級線圈401的四個第一初級調諧電容403設定在初級線圈401和次級線圈402所圍成的中心空白區域下方。每個第一初級調諧電容403由許多個小面積的小電容並聯構成，小電容作為第二初級調諧電容，且所有的小電容的上極板連線到雙十字局部禁止網路407上。四個第一初級調諧電容403的下極板分別連線在一起，然後通過一條與初級線圈401和次級線圈402金屬線垂直的下層金屬導線408連線到變壓器外部的開關。每個第一次級調諧電容404也可以由許多個小面積的小電容並聯構成，只是排布位置不是排布在所述初級線圈401和次級線圈402所圍成的中心空白區域下方。
需要說明的是，各第一次級調諧電容404也可以排布在初級線圈401和次級線圈402所圍成的中心空白區域；在具體實施例的過程，主要考慮該中心空白區域的面積能不能排布下各第一次級調諧電容404；基於此，圖4-2隻是圖4-1所示的可調變壓器式巴倫電路的一種版圖實現結構示意圖，該領域的技術人員基於上述的描述，可以對圖4-2所示的版圖實現結構示意圖有適當變化。
圖4-3是圖4-2中局部禁止網路去除調諧電容後的金屬互連線的網路結構示意圖，如圖4-3所示，該網路中的金屬線沒形成任何形狀的環形迴路，因此線與線之間沒有渦流迴路通過。另外，金屬互連線禁止網路中只有有限的幾條金屬線垂直通過金屬線圈的下面，所以線圈與禁止網路之間的寄生電容非常小，變壓器線圈電感的自諧振頻率幾乎不變。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種變壓器及其製作方法和晶片》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
