專利名稱：變壓器器件和用于制造變壓器器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此處描述的實(shí)施例涉及變壓器器件，且尤其涉及集成到玻璃基板中的變壓器器件、無芯變壓器、具有鐵磁芯的變壓器及其制造方法。
背景技術(shù)：
電感器和變壓器用于信號(hào)處理，諸如用于功率器件的柵極信號(hào)的處理。在很多應(yīng)用中，尤其在高功率應(yīng)用中，變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈可以以不同的電壓操作。這種變壓器需要初級(jí)和次級(jí)線圈之間的可靠的電學(xué)絕緣以防止功率器件的電學(xué)擊穿和故障。例如，變壓器可以用于將用于控制高壓器件的低壓控制單元與高壓器件直接耦合。用于耦合低壓器件和高壓器件的其他選項(xiàng)是光纖設(shè)備或SOI技術(shù)上的集成電路。變壓器通常通過使用用于形成初級(jí)線圈的IC的上金屬化層集成到控制單元的集成電路(IC)。上金屬化層被酰亞胺層覆蓋，在該酰亞胺層上形成次級(jí)線圈。這種變壓器需要附加層且由于酰亞胺絕緣具有有限的介電強(qiáng)度。再者，厚酰亞胺層可能彎曲IC的半導(dǎo)體基板。此外，用作絕緣的酰亞胺或其他合成材料可能在用于形成次級(jí)線圈的濺射工具中脫氣，這導(dǎo)致濺射工具的附加清潔。

發(fā)明內(nèi)容
此處描述的特定實(shí)施例涉及但是不限于這種變壓器器件其具有至少玻璃基板的第一側(cè)的第一線圈以及玻璃基板的第二側(cè)的第二線圈，其中玻璃基板形成第一線圈和第二線圈之間的電學(xué)絕緣。此處描述的其他實(shí)施例涉及但是不限于使用玻璃基板以將次級(jí)線圈與初級(jí)線圈絕緣的無芯變壓器。此處描述的其他實(shí)施例涉及但是不限于具有鐵磁芯和將次級(jí)線圈與初級(jí)線圈絕緣的玻璃基板的變壓器。此處描述的其他特定實(shí)施例涉及用于制造變壓器器件的方法。根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，提供一種變壓器器件。該變壓器器件包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)的玻璃基板。在玻璃基板的第一側(cè)在玻璃基板中形成第一凹陷。在玻璃基板的第二側(cè)在玻璃基板中形成第二凹陷。第一凹陷和第二凹陷彼此相對(duì)布置。第一線圈布置在第一凹陷中且第二線圈布置在第二凹陷中。根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，提供一種變壓器器件。變壓器器件包括玻璃基板，該玻璃基板包含具有第一厚度的第一部分和具有小于第一厚度的第二厚度的第二部分。第一部分橫向地環(huán)繞第二部分。第二部分具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)。平面初級(jí)線圈布置在玻璃基板的第二部分的第一側(cè)。平面次級(jí)線圈布置在與初級(jí)線圈相對(duì)的玻璃基板第二部分的第二側(cè)。初級(jí)線圈和次級(jí)線圈通過玻璃基板的第二部分彼此電學(xué)絕緣。根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，提供一種變壓器器件。該變壓器器件包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)的玻璃基板。第一平面線圈包括布置在玻璃基板的第一側(cè)的導(dǎo)體。 該導(dǎo)體具有遠(yuǎn)離玻璃基板的第一側(cè)布置的端部和側(cè)壁。第二平面線圈包括布置在玻璃基板的第二側(cè)的導(dǎo)體。第一和第二平面線圈彼此相對(duì)布置。第二平面線圈的導(dǎo)體具有遠(yuǎn)離玻璃基板的第二側(cè)布置的端部和側(cè)壁。第一鐵磁蓋子在玻璃基板的第一側(cè)在第一平面線圈上。 第一鐵磁蓋子與第一平面線圈電學(xué)絕緣且覆蓋第一平面線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和端部。第二鐵磁蓋子在玻璃基板的第二側(cè)在第二平面線圈上。第二鐵磁蓋子與第二平面線圈電學(xué)絕緣且覆蓋第二平面線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和端部。玻璃基板布置在第一蓋子和第二鐵磁蓋子之間。根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，提供一種用于制造變壓器器件的方法。該方法包括提供具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)的玻璃基板；在玻璃基板的第一側(cè)，在玻璃基板中形成第一凹陷；與第一凹陷相對(duì)在玻璃基板的第二側(cè)在玻璃基板中形成第二凹陷；在第一凹陷中形成第一線圈；以及在第二凹陷中形成第二線圈。根據(jù)一個(gè)或更多實(shí)施例，提供一種用于制造變壓器器件的方法。該方法包括提供具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)的玻璃基板；在玻璃基板的第一側(cè)形成具有導(dǎo)體的第一平面線圈；在第一平面線圈上形成第一絕緣層；在第一平面線圈上方形成第一鐵磁蓋子；在玻璃基板的第二側(cè)形成具有導(dǎo)體的第二平面線圈；在第二平面線圈上形成第二絕緣層；以及在第二平面線圈之上形成第二鐵磁蓋子。當(dāng)閱讀下面的詳細(xì)描述且當(dāng)查看附圖時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到附加特征和優(yōu)
點(diǎn)O


附圖被包括在本說明書中以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并結(jié)合到本說明書中且構(gòu)成本說明書的一部分。

了實(shí)施例，且與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。隨著通過參考下面的詳細(xì)描述更好地理解其他實(shí)施例和實(shí)施例的很多潛在優(yōu)勢(shì)，將容易意識(shí)到這些其他實(shí)施例和實(shí)施例的很多潛在優(yōu)勢(shì)。附圖的元件沒有必要彼此成比例。相似的參考標(biāo)號(hào)指示相應(yīng)的類似部件。圖1A-1J說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例制造變壓器器件的方法的工藝。圖2說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的變壓器器件。圖3說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的變壓器器件。圖4說明針對(duì)不同材料渦流的穿透深度與電場(chǎng)的頻率之間的關(guān)系。圖5A-5C說明根據(jù)若干實(shí)施例用于制造壓印掩膜的壓印工藝。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，對(duì)附圖做出參考，附圖形成本說明書的一部分且通過其中可以實(shí)踐本發(fā)明的說明性特定實(shí)施例示出。就這方面而言，參考描述的(多個(gè))附圖的取向使用諸如“頂”、“底”、“前”、“后”、“前列”、“拖尾”等方向術(shù)語。因?yàn)閷?shí)施例的組件可以以很多不同取向布置，方向術(shù)語用于說明性目的而絕非限制。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其他實(shí)施例， 且可以在不偏離本發(fā)明的范圍的條件下做出結(jié)構(gòu)或邏輯變化。因此下面的詳細(xì)描述并不具有限制意義，且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。描述的實(shí)施例使用特定語言，其不應(yīng)被解讀為限制了所附權(quán)利要求的范圍。應(yīng)當(dāng)理解，除非特別聲明，此處描述的各個(gè)示例性實(shí)施例的特征可以彼此組合。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分說明或描述的特征可以與其他實(shí)施例的特征結(jié)合使用以得出另一實(shí)施例。旨在表明，本說明書包括這種修改和變化。
當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“橫向”旨在描述平行于玻璃基板的主表面的取向。當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“垂直”旨在描述垂直于玻璃基板的主表面布置的取向。在本說明書中，認(rèn)為玻璃基板的第二表面由底面或背面形成，而認(rèn)為第一表面由玻璃基板的上面、前面或主表面形成。因此，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“之上”和“之下” 考慮附圖中示出的這種取向描述結(jié)構(gòu)特征與另一結(jié)構(gòu)特征的相對(duì)位置。術(shù)語“軟磁芯”、“磁芯”、“可磁化芯結(jié)構(gòu)，，和“鐵磁蓋子”旨在描述“軟磁，，材料形成的結(jié)構(gòu)，在施加外部磁場(chǎng)時(shí)，該“軟磁”材料容易磁化和重新磁化。軟磁材料的示例是非合金鐵、鎳_鐵合金和鈷_鐵合金。與“硬磁”材料不同，當(dāng)場(chǎng)被去除時(shí)，這種材料不維持磁化、或僅被弱磁化。術(shù)語“剖面圖”旨在描述從第一側(cè)穿過玻璃基板到第二側(cè)以及穿過在玻璃基板的兩側(cè)形成的結(jié)構(gòu)的垂直剖面圖。當(dāng)提到半導(dǎo)體器件時(shí)，意味著至少是兩端器件，示例是二極管。半導(dǎo)體器件還可以是諸如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)以及晶閘管的三端器件等。半導(dǎo)體器件還可以包括多于三個(gè)端子。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體器件是功率器件。集成電路包括多個(gè)集成器件。在下文中被稱為變壓器的此處描述的變壓器器件是與半導(dǎo)體器件或集成電路分離制造的器件，使得用于形成變壓器的制造工藝不與半導(dǎo)體器件或集成電路的制造工藝相干擾且反之亦然。這在根據(jù)特定需要調(diào)節(jié)工藝中提供更多的自由度。如下所述在玻璃基板的兩側(cè)均形成變壓器。玻璃基板形成變壓器的第一線圈和第二線圈之間的電學(xué)絕緣。第一和第二線圈也被稱為初級(jí)和次級(jí)線圈。玻璃基板提供電學(xué)絕緣，該電學(xué)絕緣具有明顯大于通常用于絕緣的酰亞胺材料或其他合成材料的介電強(qiáng)度。因此，取決于使用的玻璃材料以及第一線圈和第二線圈之間所選的玻璃厚度，第一線圈和第二線圈之間的電壓差可以高達(dá)10000V或者更高。這種變壓器為相對(duì)昂貴的其他信號(hào)傳輸器件(諸如光纖設(shè)備或基于SOI技術(shù)的器件)提供合適的備選。參考圖IA至1J，描述用于制造變壓器器件的方法的第一實(shí)施例。如圖IA所示，提供具有約200Mm至約IOOOMffl的初始厚度(I1的玻璃基板或玻璃晶片10。典型地，初始厚度屯可以約為300Mffl。如下面進(jìn)一步描述，玻璃基板10的材料可以選擇為提供所需的介電強(qiáng)度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，玻璃基板10可以包含諸如BF33的硼硅酸鹽玻璃。玻璃基板10具有第一側(cè)或表面11以及與第一側(cè)11相對(duì)布置的第二側(cè)或表面12。 在玻璃基板10的第一側(cè)11形成具有至少一個(gè)開口 15a、典型地多個(gè)開口 15a的蝕刻掩膜 15。每個(gè)開口 15a限定了將要在玻璃基板10中形成的凹陷的位置和大小。蝕刻掩膜15可以是任意合適的材料，例如，是可光學(xué)光刻結(jié)構(gòu)化的抗蝕劑。如圖IB所示，使用蝕刻掩膜15在玻璃基板10的第一側(cè)11蝕刻第一凹陷21。凹陷21可以在例如加熱的HF溶液中被濕法化學(xué)蝕刻。在其他實(shí)施例中，凹陷21可以被干法化學(xué)蝕刻。所得的結(jié)構(gòu)在圖IB中說明。對(duì)第二側(cè)12重復(fù)圖IA和IB中說明的工藝，即在第二側(cè)12形成另一蝕刻掩膜(該另一蝕刻膜具有用于限定將要蝕刻的凹陷的開口)，且然后第二側(cè)12被蝕刻以形成第二凹陷22。去除蝕刻掩膜之后的所得結(jié)構(gòu)在圖IC中說明。第一和第二凹陷21和22布置為使得第一凹陷21相對(duì)第二凹陷22布置，即，第一和第二凹陷21、22在玻璃基板10的相對(duì)側(cè)形成一對(duì)凹陷。典型地，第一和第二凹陷21、22具有基本相同的大小，不過不同大小和深度也是可行的。一對(duì)凹陷的第一凹陷21和第二凹陷22之間的玻璃厚度(12調(diào)節(jié)為在操作變壓器時(shí)提供足以防止變壓器的第一線圈和第二線圈之間的電學(xué)擊穿的介電強(qiáng)度。玻璃厚度屯可以處于約40Mm至約IOOMm的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，玻璃厚度d2約為IOOMm。在如圖ID所示的進(jìn)一步工藝中，在玻璃基板10的第一側(cè)11形成第一種層27。第一種層27為第一凹陷21的襯層且例如可以通過濺射沉積。第一種層27例如可以是Ti或 Ag層?？梢酝瑫r(shí)或隨后在玻璃基板的第二側(cè)12形成第二種層。還可以在后續(xù)步驟中形成第二種層。圖IJ示出最終結(jié)構(gòu)中第二種層28的剩余部分28a。在進(jìn)一步的工藝中，可模壓(moldable)材料24 (典型地?zé)崴懿牧?涂敷于玻璃基板10的第一側(cè)11?？赡翰牧?4至少部分地填充第一凹陷21。典型地，可模壓材料24 完全填充第一凹陷21且覆蓋玻璃基板10的第一側(cè)11。可模壓材料24例如可以是諸如壓克力抗蝕劑的聚合物材料。PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)是一個(gè)示例。在如圖IE所示的進(jìn)一步工藝中，提供具有突出的圖案26a的模板26。圖案26a限定了將要壓印到可模壓材料24中的結(jié)構(gòu)。例如，圖案26a具有限定將要在可模壓材料24 中形成的一個(gè)或更多溝槽的形狀的突出結(jié)構(gòu)。也稱為靠模(master form)的模板26被按壓到可模壓材料24中，使得突出圖案 26a被插入到第一凹陷21中。參考圖IF至11，使用圖IE中虛線環(huán)繞的部分說明下述工藝的細(xì)節(jié)?？赡翰牧?4典型被加熱以變得可流動(dòng)。加熱溫度典型地超過形成可模壓材料 24的聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。如圖IF所示，模板26然后被按壓，直到突出圖案26a到達(dá)或幾乎到達(dá)第一凹陷21的底部。典型地，突出圖案26a不到達(dá)第一種層27。加熱還可以導(dǎo)致聚合物材料的交聯(lián)。在冷卻之后，模板26被去除。在進(jìn)一步的工藝中，可模壓材料24被適當(dāng)?shù)匚g刻以去除在突出圖案26a和第一種層27之間留下的材料以露出因而形成的壓印掩膜25的溝槽25a中的第一種層27。上述工藝是用于通過壓印光刻形成掩膜的一個(gè)選項(xiàng)。其他選項(xiàng)在圖5A至5C中說明。簡(jiǎn)而言之，圖5A說明結(jié)合圖ID至IF描述的所謂的“熱壓成形(hot embossing)”。 可模壓聚合物材料524a被沉積在基板510上且被加熱到其玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上。然后，由相對(duì)硬的材料形成的模板526a被按壓到材料524a上以將模板526a的圖案轉(zhuǎn)移到后續(xù)要被冷卻的聚合物材料524a。在冷卻之后，模板526a被去除且聚合物材料524a被蝕刻以完成壓印掩膜525a。圖5B說明使用對(duì)于UV輻射透明的模板526b的所謂的UV壓印光刻。模板526a 典型地是石英玻璃基板。UV可固化抗蝕劑524b例如逐滴地被沉積到基板510上，且然后模板526b被按壓到可流動(dòng)抗蝕劑524b中以印下模板526b的圖案。UV輻射580然后用于固化抗蝕劑524b，該抗蝕劑524b在去除模板526之后被蝕刻以獲得壓印掩膜525b。圖5C說明使用具有圖案的模板526c的所謂的微接觸印刷(μ-CP)，該模板526c 被浸入要被轉(zhuǎn)移到基板510的表面上的印刷材料的溶液中。模板526c通常由諸如有機(jī)硅(silicone)(例如PDMS (聚二甲基硅氧烷))的彈性材料形成。模板526c然后被輕柔地相對(duì)于基板按壓以轉(zhuǎn)移最后將在基板510上形成壓印掩膜525c的構(gòu)圖的印刷材料524c。通過使用上述或其他合適的壓印工藝其中任意一種，在第一凹陷21中形成具有至少一個(gè)溝槽25a的壓印掩膜25，該溝槽25a延伸到第一種層27且露出第一種層27。上述工藝可以總結(jié)為使用模板的壓印光刻，該模板具有突出圖案，該突出圖案用于在基板上形成壓印掩膜。然而，掩膜層25a的形成不限于壓印光刻。例如，如下所述，光學(xué)光刻可以用于形成具有高長(zhǎng)寬比的掩膜。在進(jìn)一步的工藝中，如圖IG所示，導(dǎo)電材料被沉積到溝槽(或多個(gè)溝槽)25a中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，導(dǎo)電材料是使用第一種層27作為起始層被電解沉積(也被稱為電鍍)的銅或其他合適的高導(dǎo)電材料。例如，CuSO4溶液可以用于電解銅沉積。溝槽25a被部分地填充以保持相鄰溝槽25a的材料彼此分離。此處應(yīng)當(dāng)注意，圖中說明的溝槽25a是包含1個(gè)、2個(gè)或更多繞組的單個(gè)溝槽的部分。圖IF至IJ說明具有兩個(gè)平面螺旋繞組的溝槽。在圖中示出的剖面圖中，這種雙繞組表現(xiàn)為4個(gè)溝槽25a。如圖所示，溝槽25a具有相對(duì)大的長(zhǎng)寬比，S卩，溝槽25a的深度(即高度)大于溝槽 25a的寬度。在一個(gè)實(shí)施例中，長(zhǎng)寬比(高/寬)處于約10至約50的范圍內(nèi)。使用具有這種長(zhǎng)寬比的溝槽25a允許具有相似或稍小長(zhǎng)寬比的導(dǎo)體31a的形成。導(dǎo)體31a由沉積到溝槽25a中的導(dǎo)電材料形成。高長(zhǎng)寬比導(dǎo)體具有大的剖面面積和有益于變壓器的質(zhì)量(或品質(zhì)因子(quality factor) =Q-因子)的減小的電阻。用于形成線圈的工藝也可以描述為使用由掩膜(壓印掩膜)25形成的電鍍掩膜的圖案電鍍工藝。典型地，線圈31、32是平面線圈，S卩，繞組基本在玻璃基板上的相同平面中形成。在進(jìn)一步的工藝中，如圖IH所示，例如通過蝕刻去除壓印掩膜25以露出形成布置在第一凹陷21中的第一線圈31的導(dǎo)體31a。壓印掩膜25的去除露出側(cè)壁部分和遠(yuǎn)離玻璃基板10的端部。在圖IH中，該端部由導(dǎo)體31a的上端形成。使用露出的導(dǎo)體31作為掩膜，第一種層27然后被蝕刻。被導(dǎo)體31a覆蓋的第一種層27的部分27a保留在玻璃基板 10的表面上。最終的導(dǎo)體31a具有第一種層27的剩余部分27a的材料和沉積的導(dǎo)電材料(例如銅)形成的剖面。如圖IH所示，總高度h由第一種層27的厚度和沉積的導(dǎo)電材料的厚度給出。典型地，與電解沉積的導(dǎo)電材料相比，第一種層27很薄，使得最終導(dǎo)體31a的高度h基本對(duì)應(yīng)于電解沉積的導(dǎo)電材料的高度。如圖11所示，在進(jìn)一步工藝中，鈍化層47被沉積到玻璃基板10的第一側(cè)11。鈍化層47完全覆蓋由導(dǎo)體31a形成的第一線圈31。當(dāng)在平面圖中觀看玻璃基板10的第一側(cè)時(shí)，第一線圈31的導(dǎo)體31a可以具有例如單繞組線圈、雙繞組線圈或具有多于兩個(gè)螺旋繞組的線圈的形狀。當(dāng)從平面圖觀看時(shí)，取決于環(huán)境，繞組可以是方形、橢圓形、圓形、矩形或任意其他形狀。壓印掩膜25還限定了形成墊(pad)結(jié)構(gòu)的區(qū)域以提供到第一線圈31的電學(xué)接觸。 圖2說明具有與第一線圈31的導(dǎo)體31a的端部電學(xué)連接的第一墊結(jié)構(gòu)41a和41b的變壓器。這些墊結(jié)構(gòu)41a和41b還典型地在第一凹槽21內(nèi)形成且通過蝕刻鈍化層47露出。
在第二側(cè)12重復(fù)圖ID至II中說明的工藝以形成具有導(dǎo)體32a的第二線圈32，該導(dǎo)體32a由電解沉積的導(dǎo)電材料以及第二種層28的部分28a形成。最后，玻璃基板10被劃片或切割以形成分離的變壓器。所得的結(jié)構(gòu)在圖IJ中說明，71表示劃片邊緣，48表示封裝第二線圈32的鈍化材料，且75表示用于封裝變壓器的絕緣材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到還可以使用用于形成第一和第二線圈31、32的其他工藝，諸如印刷或粘合。當(dāng)希望具有高長(zhǎng)寬比導(dǎo)體的線圈時(shí)，典型地使用利用在玻璃基板10 上形成的掩膜的壓印光刻或光學(xué)光刻，因?yàn)檫@些技術(shù)允許高長(zhǎng)寬比掩膜的簡(jiǎn)單形成。結(jié)合圖IA至IJ的實(shí)施例描述的變壓器可以關(guān)于第一和第二凹陷21、22的大小和位置以及相應(yīng)凹陷21、22中的第一和第二線圈31、32的位置具有對(duì)稱布置。第一和第二線圈31、32在玻璃基板10的不同側(cè)彼此相對(duì)布置。兩個(gè)線圈31、32之間的電學(xué)絕緣由具有高介電強(qiáng)度且能夠承受高電壓差的玻璃基板10提供。因此，能夠減小第一和第二凹陷21、 22之間的玻璃厚度d2以改善第一和第二線圈31、32之間的電磁耦合。這進(jìn)而改善了變壓器的質(zhì)量。與酰亞胺抗蝕劑或其他合成材料相比，玻璃基板具有相對(duì)高的介電強(qiáng)度。因此，此處描述的變壓器還可以設(shè)計(jì)為在提供線圈之間的足夠的電磁耦合的同時(shí)承受初級(jí)線圈和次級(jí)線圈(第一和第二線圈)之間的高電壓差。玻璃基板的幾何形狀還改善了介電絕緣。如上所述，第一和第二凹陷21、22之間的玻璃基板10的薄部分形成具有第二厚度的第二部分，而第一和第二凹陷21、22外的玻璃基板10的厚區(qū)域(即玻璃基板10的未蝕刻區(qū)域)形成具有第一或初始厚度Cl1的第一部分。 第二厚度4小于第一厚度Cl1。屯/屯之間的比例可以處于約2至約25的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，比例Cl1Al2約為3。第二部分的厚度d2設(shè)計(jì)為在減小第一和第二線圈31、32之間的距離的同時(shí)承受第一和第二線圈31、32之間的高電壓差。例如，第二部分的厚度d2可以選擇為使得第二部分(第一和第二凹陷21、22之間的減薄的玻璃區(qū)域)提供足以承受是所需阻斷電壓的大約3倍的電壓差的介電強(qiáng)度。例如，初始或第一厚度屯可以約為300Mm，且第一和第二凹陷21、22中的每一個(gè)可以具有約IOOMffl的深度，使得d2的厚度約為ΙΟΟμπι。第一和第二凹陷21、22的深度可以大于其中形成的導(dǎo)體31a、32a的高度。橫向于第一和第二線圈31、22的玻璃基板10的“增加”的厚度用于電場(chǎng)強(qiáng)度的受控減小。這在圖IJ中說明，圖IJ示出第一線圈31和第二線圈32之間的等電勢(shì)或等電位線35的路線。等電位線35在指示高電場(chǎng)強(qiáng)度的第一和第二凹陷21、22之間的區(qū)域中彼此比較靠近。橫向于第一和第二線圈31、32，等電位線35可以在厚玻璃部分內(nèi)擴(kuò)展，使得等電位線35之間的距離增加，這種增加對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)強(qiáng)度的減小。電場(chǎng)強(qiáng)度的這種“減小”在電場(chǎng)“到達(dá)”其他絕緣材料之前在玻璃基板10內(nèi)發(fā)生。例如，絕緣材料75經(jīng)歷比第一和第二凹陷21、22之間的玻璃基板10的薄或第二部分明顯更弱的電場(chǎng)。玻璃基板10的大厚度Cl1 因此提供“絕緣匹配”以通過減小的電場(chǎng)強(qiáng)度允許第一和第二線圈21、22之間的電壓差的轉(zhuǎn)移。具有比玻璃基板10低的介電強(qiáng)度的絕緣材料75因而形成可靠的介電絕緣。第一和第二凹陷21、22外的初始或第一厚度Cl1因此可以選擇為允許用于這種轉(zhuǎn)移的等電位線35 的足夠的“擴(kuò)展”。較厚的玻璃區(qū)域因此形成變壓器周圍的橫向絕緣或轉(zhuǎn)變區(qū)域。典型地， 薄玻璃部分(第二部分)橫向地完全被厚玻璃部分(第一部分)環(huán)繞。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，圖IJ中的等電位線35的路線僅是示意性的且僅指示原理路線。第一和第二線圈31、32布置在第一和第二凹陷21、22內(nèi)以保持它們的距離很小。 兩個(gè)線圈之間的“氣隙”由玻璃基板10的厚度d2限定。圖IJ還示意性示出磁場(chǎng)線36的路線。如上所述，兩個(gè)線圈之間的距離在維持足夠的介電強(qiáng)度的同時(shí)保持盡可能小。用于電學(xué)連接相應(yīng)線圈31、32的墊可以布置在相應(yīng)凹陷21、22內(nèi)或者在玻璃基板10的第一部分上在凹陷21、22之外。圖IJ還說明第一和第二線圈31、32的相應(yīng)導(dǎo)體31a、32a具有相對(duì)高的長(zhǎng)寬比的剖面，這在保持導(dǎo)體31a、32a的電阻小的同時(shí)允許橫向小的變壓器的形成。此處描述的變壓器適用于高壓應(yīng)用，例如用于耦合柵極控制信號(hào)與高壓IGBT，該高壓IGBT用于遞送到諸如鐵路引擎或風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率負(fù)荷的電流的PWM(脈沖寬度調(diào)制)。再者，變壓器還可以用于中或低壓應(yīng)用以代替控制單元和傳動(dòng)設(shè)備之間的其他耦合方式。變壓器可以以成本有效的方式制造。尤其是，使用的壓印光刻對(duì)此有貢獻(xiàn)。用于壓印溝槽圖案的模板26可以多次使用。圖2說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的無芯變壓器。類似于圖IJ中說明的無芯變壓器，圖2 的無芯變壓器包括玻璃基板10，該玻璃基板10具有布置在玻璃基板10的相對(duì)側(cè)的兩個(gè)凹陷21、22。在本實(shí)施例中，具有4個(gè)繞組231a的第一線圈231布置在第一凹陷21中而具有4個(gè)繞組232a的第二線圈232布置在第二凹陷22中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，繞組數(shù)目可以根據(jù)環(huán)境選擇，且對(duì)于第一和第二線圈231、232而言，繞組數(shù)目無需相同。第一接觸墊41a、41b橫向于第一線圈231布置在第一凹陷21中，而第二接觸墊42a、42b橫向于第二線圈232布置在第二凹陷22中。如上所述，第一和第二線圈231、232可以通過相同或類似的工藝形成。第二接觸墊42a、42b設(shè)置有用于連接第二線圈232與驅(qū)動(dòng)變壓器的IC的導(dǎo)電膠46，此處第二線圈232可以形成變壓器的初級(jí)線圈(低壓側(cè))。備選地，可以使用焊接材料而不是導(dǎo)電膠。第一線圈231形成次級(jí)線圈(高壓側(cè))。變壓器例如通過膠合、焊接或其他任意合適的工藝安裝到IC。變壓器還可以單獨(dú)地或者與IC 一同被鈍化材料封裝。第一和第二凹陷21、22的寬度A被選擇為提供足夠空間以用于集成線圈231、232 中的每一個(gè)(包括其相應(yīng)接觸墊41a、41b、42a、42b)。接觸墊41a、41b、42a、42b還可以在基板10的厚玻璃部分上在凹陷21、22外形成。第一接觸墊41a、42b通過相應(yīng)結(jié)合引線45接觸。如上所述，多個(gè)變壓器在玻璃基板10中一同形成且最終通過劃片或其他合適的切割方式彼此分離以獲得各個(gè)變壓器。盡管圖IA至IJ和2說明無芯變壓器，圖3說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有鐵磁芯的變壓器。類似于結(jié)合上述實(shí)施例所述，提供具有第一凹陷321和與第一凹陷321相對(duì)布置的第二凹陷322的玻璃基板310。如上所述，第一和第二線圈331和332在第一和第二凹陷321、322中的相應(yīng)一個(gè)中形成。此處為了說明的簡(jiǎn)單，沒有示出用于導(dǎo)電材料的電解沉積的第一和第二種層及其在蝕刻時(shí)候的剩余部分。在進(jìn)一步的工藝中，在玻璃基板310的第一側(cè)11形成第一絕緣層351。第一絕緣層351相對(duì)薄，例如為5Mm，且不需要設(shè)計(jì)為承受第一和第二線圈331、332之間的電壓差。 第一絕緣層351僅提供第一線圈331和后續(xù)形成的鐵磁蓋子之間的電學(xué)絕緣。第一絕緣層351被設(shè)計(jì)為承受由于線圈的自感發(fā)生的電壓。這些電壓明顯低于第一和第二線圈331、 332之間的電壓。例如，第一絕緣層351可以是通過CVD或其他合適的沉積工藝形成的諸如氧化硅層的氧化物層。如圖3所示，第一絕緣層351共形地覆蓋第一線圈331的露出導(dǎo)體331a，使得相鄰導(dǎo)體或布線331a之間的空間不被第一絕緣層351完全填充。第一絕緣層層351的厚度因此明顯小于相鄰導(dǎo)體331之間的距離的一半。此處，相鄰導(dǎo)體331a之間保持空隙以填充鐵磁或軟磁材料。相鄰繞組331之間的剩余空隙被選擇為使得在鐵磁材料中的渦流的形成被減小或避免。在進(jìn)一步的工藝中，例如通過濺射沉積另一種層391。形成由點(diǎn)劃線指示的掩膜 385 (例如光刻膠層)以覆蓋不形成鐵磁蓋子的區(qū)域。隨后，諸如鐵的鐵磁材料被電解沉積到種層391的露出的區(qū)域上。電解沉積的鐵相對(duì)純且具有高磁導(dǎo)率。合適的電鍍?nèi)芤嚎梢园然F(例如375g/l)和氯化鈣(例如 185g/l)。電鍍?nèi)芤旱腜H值被調(diào)節(jié)為在1和2之間，且溶液被加熱到90°和110° C之間的溫度。使用約4至20A/dm2的電流密度，可以形成具有低硬度和好展延性的鐵層。這種材料適于形成第一鐵磁蓋子361。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到也可以使用其他電鍍液或其他鐵磁材料。電解沉積的鐵可以具有足以完全密封導(dǎo)體331a且形成封閉的鐵磁蓋子361的厚度。例如，鐵可以沉積到約IOOMffl的厚度，這對(duì)于很多應(yīng)用是足夠的。其他厚度也是可行的。在進(jìn)一步的工藝中，掩膜385被去除，且使用鐵磁蓋子361作為掩膜，另一種層391 被蝕刻以從鐵磁蓋子361之外的區(qū)域去除。還可以去除部分第一絕緣層351。在第二側(cè)實(shí)施相同的工藝以形成被第二鐵磁蓋子362覆蓋的第二線圈332。如此形成的鐵磁蓋子361、362隨后被退火。其他工藝包括形成鈍化層以及到第一和第二線圈 331,332的合適的電學(xué)連接，這在圖3中沒有示出。第一和第二鐵磁蓋子361、362 —同形成鐵磁芯，其包括由第一和第二凹陷321、 322之間的減薄的玻璃基板310形成的間隙。玻璃基板310將第一鐵磁蓋子361與第二鐵磁蓋子362分離。基本對(duì)應(yīng)于d2的間隙4可以減小變壓器的Q-因子。由玻璃基板310的薄部分和相應(yīng)絕緣層351、352形成的間隙Α例如可以處于約40Mm至約IlOMm的范圍內(nèi)。 然而，對(duì)于很多應(yīng)用，這是可接受的。另一方面，除了面對(duì)玻璃基板310的那側(cè)，第一和第二線圈331、332的導(dǎo)體331a和332a完全被鐵磁蓋子361、362的鐵磁材料圍繞。這種配置改善了變壓器質(zhì)量且至少部分地補(bǔ)償了玻璃基板310形成的間隙。磁場(chǎng)線336由圖3中的點(diǎn)線指示，且在經(jīng)過玻璃基板310形成的“間隙”時(shí)基本限制在第一和第二鐵磁蓋子361、362 內(nèi)。具有這種鐵磁芯361、362的變壓器呈現(xiàn)高質(zhì)量(Q-因子)且適合于kHz到MHz區(qū)域的信號(hào)傳輸。鐵磁芯即第一和第二鐵磁蓋子361、362以及導(dǎo)體331a和332a的幾何參數(shù)可以鑒于信號(hào)頻率而調(diào)適。例如，導(dǎo)體331a和332a可以具有高長(zhǎng)寬比且可以具有窄間隔，使得相鄰導(dǎo)體之間的空隙保持很小。在這種情況下，僅形成相應(yīng)鐵磁蓋子361、362的小“指”。這些指形成鐵磁蓋子361、362的疊片，其優(yōu)選地足夠薄以避免渦流的產(chǎn)生。對(duì)于導(dǎo)體的寬度亦是如此。這將結(jié)合圖4予以描述，圖4示出電場(chǎng)進(jìn)入不同材料的穿透深度與頻率的關(guān)系。
圖4說明用于煤(1)、作為銅-錳-鎳合金的錳銅 (2)、鉛(3)、錫(4)、黃銅(5)、 鋁(6)、銅(7)和銀(8)的交流電場(chǎng)的穿透深度δ。進(jìn)入導(dǎo)電材料的交流電場(chǎng)穿透深度δ 可以使用下面的關(guān)系計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種變壓器器件，包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)的玻璃基板； 在玻璃基板的第一側(cè)在玻璃基板中形成的第一凹陷；在玻璃基板的第二側(cè)在玻璃基板中形成的第二凹陷，該第一凹陷和第二凹陷彼此相對(duì)布置；布置在第一凹陷中的第一線圈；以及布置在第二凹陷中的第二線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器器件，其中該玻璃基板在第一和第二凹陷之間具有處于約40Mm至約IOOMffl范圍內(nèi)的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器器件，其中該玻璃基板在該第一和第二凹陷之外的區(qū)域中具有約200Mm至約IOOOMffl范圍內(nèi)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器器件，其中該第一線圈包括第一導(dǎo)體且該第二線圈包括第二導(dǎo)體，其中，導(dǎo)體中的每一個(gè)具有從該玻璃基板向外延伸的高度，該高度大于導(dǎo)體的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包括 該第一線圈之上的第一鐵磁蓋子；以及該第二線圈之上的第二鐵磁蓋子，該第一鐵磁蓋子通過該玻璃基板與該第二鐵磁蓋子電學(xué)絕緣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變壓器器件，其中該第一和第二鐵磁蓋子中的每一個(gè)至少部分地在相應(yīng)第一和第二線圈的相鄰繞組之間延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變壓器器件，還包含該第一鐵磁蓋子和第一線圈之間的第一絕緣層以及該第二鐵磁蓋子和第二線圈之間的第二絕緣層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變壓器器件，其中該絕緣層具有小于在該第一和第二凹槽之間的區(qū)域中的玻璃基板的介電強(qiáng)度的介電強(qiáng)度。
9.一種變壓器器件，包括玻璃基板，包括具有第一厚度的第一部分和具有小于第一厚度的第二厚度的第二部分，該第一部分橫向地環(huán)繞該第二部分，該第二部分具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)；布置在該玻璃基板的第二部分的第一側(cè)的平面初級(jí)線圈；布置在玻璃基板的第二部分的第二側(cè)的與初級(jí)線圈相對(duì)的平面次級(jí)線圈，該初級(jí)線圈和次級(jí)線圈通過玻璃基板的第二部分彼此電學(xué)絕緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變壓器器件，其中該玻璃基板的第一部分橫向地環(huán)繞該初級(jí)和次級(jí)線圈。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變壓器器件，還包括該初級(jí)線圈之上的第一絕緣層以及該初級(jí)線圈之上的第一鐵磁蓋子，其中該第一絕緣層將該初級(jí)線圈與該第一鐵磁蓋子電學(xué)絕緣；該次級(jí)線圈之上的第二絕緣層以及該次級(jí)線圈之上的第二鐵磁蓋子，其中該第二絕緣層將該次級(jí)線圈與該第二鐵磁蓋子電學(xué)絕緣；其中該第一和第二絕緣層中的每一個(gè)具有小于該玻璃基板的第二部分的介電強(qiáng)度的介電強(qiáng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的變壓器器件，其中該第一和第二鐵磁蓋子中的每一個(gè)至少部分地在相應(yīng)初級(jí)和次級(jí)線圈的相鄰繞組之間延伸。
13.一種變壓器器件，包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)的玻璃基板；第一平面線圈，包括布置在玻璃基板的第一側(cè)的導(dǎo)體，該導(dǎo)體包括遠(yuǎn)離玻璃基板的第一側(cè)布置的端部和側(cè)壁；第二平面線圈，包括布置在玻璃基板的第二側(cè)的導(dǎo)體，該第一和第二平面線圈彼此相對(duì)布置，該第二平面線圈的導(dǎo)體包括遠(yuǎn)離玻璃基板的第二側(cè)布置的端部和側(cè)壁；在玻璃基板的第一側(cè)在第一平面線圈上的第一鐵磁蓋子，該第一鐵磁蓋子與第一平面線圈電學(xué)絕緣且覆蓋第一平面線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和端部；在玻璃基板的第二側(cè)在第二平面線圈上的第二鐵磁蓋子，該第二鐵磁蓋子與第二平面線圈電學(xué)絕緣且覆蓋第二平面線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和端部； 其中，該玻璃基板布置在第一和第二鐵磁蓋子之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變壓器器件，其中該第一和第二鐵磁蓋子彼此空間隔開約 40Mm至約IlOMm范圍內(nèi)的距離。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的變壓器器件，其中該玻璃基板包括玻璃基板的第一側(cè)的第一凹陷以及與第一凹陷相對(duì)的玻璃基板的第二側(cè)的第二凹陷，其中該第一平面線圈布置在該第一凹陷中且該第二平面線圈布置在該第二凹陷中。
16.一種用于制造變壓器器件的方法，包括提供具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)的玻璃基板； 在玻璃基板的第一側(cè)在玻璃基板中形成第一凹陷； 在玻璃基板的第二側(cè)在玻璃基板中形成與第一凹陷相對(duì)的第二凹陷； 在第一凹陷中形成第一線圈；以及在第二凹陷中形成第二線圈。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中該第一和第二線圈中的至少一個(gè)的形成包括 在相應(yīng)凹陷中形成種層；在該種層上形成掩膜，該掩膜包括限定相應(yīng)線圈的導(dǎo)體的位置和寬度的溝槽，該溝槽露出該種層的一部分；以及在溝槽中電解沉積導(dǎo)電材料以形成相應(yīng)線圈的導(dǎo)體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括 在相應(yīng)線圈的導(dǎo)體上形成絕緣層； 在絕緣層上形成另外的種層以及電解沉積鐵磁材料以在相應(yīng)線圈之上形成鐵磁蓋子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括 退火該鐵磁材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中掩膜中的溝槽的深度比溝槽的寬度大。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在導(dǎo)電材料的電解沉積之后去除掩膜；以及使用該導(dǎo)電材料作為掩膜蝕刻種層。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在導(dǎo)電材料的電解沉積之后去除掩膜以露出相應(yīng)線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和上部； 形成共形地覆蓋導(dǎo)體的露出的側(cè)壁和上部的絕緣層； 在絕緣層上形成另外的種層以及電解沉積鐵磁材料以在相應(yīng)線圈的導(dǎo)體的側(cè)壁和上部之上形成鐵磁蓋子。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成掩膜包括 沉積聚合物層；提供具有圖案的模板，該圖案對(duì)應(yīng)于需要形成的溝槽；以及將模板按壓到聚合物層中以壓印圖案到聚合物層中。
24.一種用于制造變壓器器件的方法，包括提供具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)布置的第二側(cè)的玻璃基板； 在玻璃基板的第一側(cè)形成包括導(dǎo)體的第一平面線圈； 在第一平面線圈上形成第一絕緣層； 在第一平面線圈之上形成第一鐵磁蓋子； 在玻璃基板的第二側(cè)形成包括導(dǎo)體的第二平面線圈； 在第二平面線圈上形成第二絕緣層；以及在第二平面線圈之上形成第二鐵磁蓋子。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中形成該第一和第二線圈包括 使用壓印光刻以形成限定相應(yīng)線圈的導(dǎo)體的大小和位置的相應(yīng)掩膜；以及電解沉積導(dǎo)電材料以形成相應(yīng)線圈的導(dǎo)體。
全文摘要
變壓器器件和用于制造變壓器器件的方法。變壓器器件包括具有第一側(cè)和與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)的玻璃基板。第一凹陷在玻璃基板的第一側(cè)形成。第二凹陷在玻璃基板的第二側(cè)形成。該第一凹陷和第二凹陷彼此相對(duì)布置。第一線圈布置在第一凹陷中且第二線圈布置在第二凹陷中。
文檔編號(hào)H01F27/28GK102479605SQ201110367749
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者馮科布林斯基 C., 克勒納 F. 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司