一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器，其包括：上下堆疊在基板上的微型變壓器和集成電路；其中，所述微型變壓器包括第一金屬線圈、第二金屬線圈和位于第一金屬線圈和第二金屬線圈之間的隔離層；所述底層集成電路包括集成化的初級驅動電路和次級接收電路。本發(fā)明將微型變壓器被放置在整個集成電路的頂層。為保證良好的EMC特性，微型變壓器與集成化的電路之間有絕緣層和電磁屏蔽層。本發(fā)明將微型變壓器集成在單芯片之上，不需要單獨的多芯片互連，從而大大減小芯片面積，降低成本。
【專利說明】—種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字隔離器，尤其涉及應用了無芯微型變壓器的數(shù)字隔離電路的單片集成化。
【背景技術】
[0002]數(shù)字隔離器主要用于數(shù)字信號的傳輸，數(shù)字隔離技術常用于工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境的現(xiàn)場總線、軍用電子系統(tǒng)、航空航天電子設備以及醫(yī)療設備中，尤其是一些應用環(huán)境比較惡劣的場合。使用隔離器的一個首要原因是為了消除噪聲；另一個重要原因是保護器件(或人)免受高電壓的危害。變壓器通常用于電流隔離以及隔離電路中的能量或信號傳輸。在高頻背景下，微型變壓器廣泛應用于直流開關電源(DC/DC轉換器)以及各類隔離電路當中。使用了光電耦合的光耦合隔離器一直是隔離電路的首選，但是光耦合器反應慢，功耗大，易老化。因磁隔離反應快，功耗小，隔離能力強的優(yōu)點，所以采用了微型變壓器的數(shù)字隔離器將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光耦合隔離器。美國專利US7545059提出了多種在同一封裝下實現(xiàn)的數(shù)字隔離器，但它沒有真正意義上的實現(xiàn)單片集成數(shù)字隔離器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器，以此來實現(xiàn)數(shù)字隔離器的高度單片集成化，從而提供高性能的隔離式信號和功率傳輸。
[0004]本發(fā)明提出的一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器，其包括:上下堆疊在基板上的微型變壓器和集成電路；
[0005]其中，所述微型變壓器包括第一金屬線圈、第二金屬線圈和位于第一金屬線圈和第二金屬線圈之間的隔離層；所述底層集成電路包括集成化的初級驅動電路和次級接收電路。
[0006]本發(fā)明將微型變壓器堆疊式地放置在芯片頂層，不需要單獨的芯片面積來實現(xiàn)微型變壓器，從而降低成本。單片集成了微型變壓器與其他電路部分，減少了芯片間的金屬鍵合，提聞了工作頻率，從而提聞了集成電路的整體性能。
[0007]本發(fā)明所具有的優(yōu)點:
[0008]芯片面積小。常規(guī)方法，要么把變壓器單獨放置在一塊芯片，要么把變壓器和部分電路水平擺放放置在一塊芯片。相比以上方法，本發(fā)明采用縱向高度集成方案，從而大大減小芯片面積。
[0009]工藝過程互不影響。底層的集成電路部分可采用任何工藝來制造，頂層微型變壓器可采用完全獨立于底層電路的制造工藝來制造。
[0010]工作頻率高。本發(fā)明的數(shù)字隔離器可工作在IOOMHz — 2GHz。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明第一實施例中數(shù)字隔離器的結構示意圖；[0012]圖2本發(fā)明另一實施例中數(shù)字隔離器的結構示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明另一實施例中數(shù)字隔離器的結構示意圖；
[0014]圖4是本發(fā)明另一實施例中數(shù)字隔離器的結構示意圖；
[0015]圖5是本發(fā)明第一實施例中數(shù)字隔離器的電路連接示意圖。
【具體實施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0017]本發(fā)明提出了一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器，其包括:
[0018]上下堆疊在基板上的微型變壓器和集成電路；其中，因為傳統(tǒng)變壓器在微型化過程中存在磁滯，渦流損耗等問題，為適應高頻應用下能單片集成變壓器，所述微型變壓器采用的是無芯微型變壓器，本發(fā)明中的單片集成化的數(shù)字隔離器所采用的無芯微型變壓器結構具體包括第一金屬線圈、第二金屬線圈和位于第一金屬線圈和第二金屬線圈之間的隔離層；所述底層集成電路具體包括集成化的初級驅動電路和次級接收電路。其中，所述微型變壓器用于將來自第一金屬線圈的邏輯信號通過磁性耦合方式傳遞到第二金屬線圈；所述初級驅動電路包括了編碼電路及驅動電路等，用于將輸入邏輯信號編碼后加載到微型變壓器的第一金屬線圈上；所述次級接收電路包括了譯碼電路及輸出電路等，用于將微型變壓器的第二金屬線圈上磁性耦合過來的邏輯信號解碼輸出。
[0019]所述微型變壓器為沒有鐵磁芯的變壓器，即無芯微型變壓器；第一金屬線圈和第二金屬線圈變壓器匝數(shù)為1:1。
[0020]所述數(shù)字隔離器還包括電磁屏蔽層，夾在下方集成電路與上方微型變壓器之間，具體位于所述絕緣氧化層和集成電路之間，作用一是用于減弱底層集成電路對頂層變壓器磁場的干擾，作用二是用于減弱頂層變壓器磁場變化對底層集成電路電學特性的影響，從而大大提高該單片數(shù)字隔離器的EMC特性。
[0021]參見圖1。本實施方式中，頂層的微型變壓器的第一金屬線圈和第二金屬線圈位置相對，被放置在頂端，底層為集成化的電路結構，從而構成具有固定連接的堆疊式的集成數(shù)字隔離器，圖中標號11，21的部分為絕緣層，40為基板，通常采用硅晶圓。
[0022]第一金屬線圈12被放置在最頂層，與之相對稱放置的是第二金屬線圈22，第二金屬線圈22放置在用于隔離頂層變壓器和底層電路的絕緣氧化層24之上。第一金屬線圈12和第二金屬線圈22之間為隔離層10，該隔離層用來有效隔離第一金屬線圈和第二金屬線圈，并且具有合適厚度的隔離層可使得上述兩金屬線圈有良好的磁性耦合特性。絕緣氧化層之下具有電磁屏蔽層23，作用如前所述。
[0023]絕緣氧化層24多采用硅氧化物，可通過化學氣相沉積等方法實現(xiàn)。金屬線圈的材料可為金，銅，鋁等，可采用濺射，蒸發(fā)，電鍍等方法實現(xiàn)。初次級線圈之間的隔離層10的材料可以采用聚酰亞胺(PI)等，利用類似于旋涂光刻膠的方法實現(xiàn)等等。金屬線圈可通過硅通孔(TSV)等技術電學連接頂層變壓器與底層集成電路。
[0024]參見圖2，本實施例中底層集成電路30為數(shù)字隔離器的初級驅動電路及次級接收電路，可采用標準CMOS工藝，或BICMOS工藝，Bipolar工藝實現(xiàn)。如圖5所示，頂層微型變壓器的金屬線圈可通過硅通孔(TSV)等技術電學連接它與底層數(shù)字隔離電路。[0025]參見圖3，本發(fā)明另一實施方式中，頂層的微型變壓器的初次級線圈被放置在頂端，構成堆疊式的集成數(shù)字隔離器，圖中標號11，21的部分為絕緣層。
[0026]第一金屬線圈12被放置在最頂層，與之相對放置的是第二金屬線圈22，第二金屬線圈22嵌入在中間隔離氧化層24之中。第一金屬線圈12和第二金屬線圈22之間為隔離層10。
[0027]絕緣氧化層24多采用硅氧化物，可通過化學氣相沉積等方法實現(xiàn)。金屬線圈的材料可為金，銅，鋁等，可采用濺射，蒸發(fā)，電鍍等方法實現(xiàn)。初次級線圈之間的隔離層10的材料可以采用聚酰亞胺(PI)等，利用類似于旋涂光刻膠的方法實現(xiàn)等等。金屬線圈可通過硅通孔(TSV)等技術電學連接頂層變壓器與底層集成電路。
[0028]類似于實施方式一，在中間絕緣氧化層24電阻率較大等情況下，金屬線圈和絕緣氧化層之間可不設置絕緣層。
[0029]參見圖4，本實施例中底層集成電路30為數(shù)字隔離器的初級驅動電路及次級接收電路，可采用標準CMOS工藝，或BICMOS工藝，Bipolar工藝實現(xiàn)。如圖5所示，頂層微型變壓器的金屬線圈可通過硅通孔(TSV)等技術電學連接它與底層數(shù)字隔離電路。
[0030]本文的“頂層”和“底層”的描述方式僅為便于結合附圖區(qū)分說明，并非特定限制。說明書已經(jīng)充分說明本發(fā)明的原理和必要技術內(nèi)容，普通技術人員能夠依據(jù)說明書實施本發(fā)明，故不再贅述更加具體的技術細節(jié)。
[0031]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于微型變壓器的堆疊式數(shù)字隔離器，其包括:上下堆疊在基板上的微型變壓器和集成電路； 其中，所述微型變壓器包括第一金屬線圈、第二金屬線圈和位于第一金屬線圈和第二金屬線圈之間的隔離層；所述底層集成電路包括集成化的初級驅動電路和次級接收電路。
2.如權利要求1所述的數(shù)字隔離器，其中，所述微型變壓器和集成電路之間包括絕緣氧化層。
3.如權利要求2所述的數(shù)字隔離器，其中，所述絕緣氧化層與底層集成電路之間還包括電磁屏蔽層。
4.如權利要求1-3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述微型變壓器為無芯微型變壓器。
5.如權利要求1-3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述第一金屬線圈和第二金屬線圈的變壓器匝數(shù)比為1:1。
6.如權利要求1-3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述第一金屬線圈、第二金屬線圈與底層集成電路通過通孔電連接。
7.如權利要求2- 3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述第二金屬線圈嵌入在所述絕緣氧化層中。
8.如權利要求2-3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述絕緣氧化層與微型變壓器之間包括絕緣層。
9.如權利要求1-3任一項所述的數(shù)字隔離器，其中，所述第一金屬線圈和第二金屬線圈上下對稱設置。
【文檔編號】H01L27/04GK104022113SQ201410266132
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月16日 優(yōu)先權日:2014年6月16日
【發(fā)明者】張鋒, 吳宗國, 李文昌, 李金良 申請人:中國科學院自動化研究所