一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器
阅读说明：本技术 一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器 (On-chip transformer based on annular glass through hole structure ) 是由 刘阳 刘晓贤 卢启军 尹湘坤 朱樟明 杨银堂 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器,其特征在于,包括自上而下依次设置的第一金属层、第二金属层、玻璃通孔衬底层、第三金属层以及第四金属层,其中,第一金属层包括第一金属框以及设置在第一金属框内的多个第一连接件；第二金属层包括第二金属框以及设置在第二金属框内的多个第二连接件；玻璃通孔衬底层包括衬底和穿透衬底的多个玻璃通孔结构；第三金属层包括多个第三连接件；第四金属层包括多个第四连接件；多个玻璃通孔结构通过多个第一连接件、多个第二连接件、多个第三连接件以及多个第四连接件依次首尾连接,形成三维螺旋结构。本发明的片上变压器的集成度高、Q值性能好、耦合度高。(The invention relates to an on-chip transformer based on an annular glass through hole structure, which is characterized by comprising a first metal layer, a second metal layer, a glass through hole substrate layer, a third metal layer and a fourth metal layer which are sequentially arranged from top to bottom, wherein the first metal layer comprises a first metal frame and a plurality of first connecting pieces arranged in the first metal frame; the second metal layer comprises a second metal frame and a plurality of second connecting pieces arranged in the second metal frame; the glass through hole substrate layer comprises a substrate and a plurality of glass through hole structures penetrating through the substrate; the third metal layer comprises a plurality of third connecting pieces; the fourth metal layer comprises a plurality of fourth connecting pieces; the plurality of glass through hole structures are sequentially connected end to end through the plurality of first connecting pieces, the plurality of second connecting pieces, the plurality of third connecting pieces and the plurality of fourth connecting pieces to form a three-dimensional spiral structure. The on-chip transformer has the advantages of high integration level, good Q value performance and high coupling degree.)
技术领域
本发明属于射频/微波集成电路中无源器件技术领域，具体涉及一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器。
背景技术
随着集成电路的发展，无线产品的体积越来越小，功能越来越丰富，涉及到民用和军事应用的各个方面。微波单片集成电路与射频集成电路的水平在很大程度上决定着各种微波和射频无线系统的技术水平。射频是指无线通信所用的频段，在250MHz～30GHz的范围内，随着半导体制造技术的发展，射频集成电路受到了人们越来越多的重视，并逐渐成为学术界和工业界的一大热点。
在无源器件中，片上变压器是射频设计的重要组成部分，被广泛应用于低噪声放大器、电压控制振荡器、阻抗匹配电路、直流隔离电路、功率传输电路以及单端到差分电路转换的巴伦元件中，此外，使用片上变压器替代传输线、电感等，会在很大程度上减小芯片面积，降低成本。
目前，单片变压器大多采用基于交错布局的平面方式建造，然而平面几何结构中衬底磁损耗及欧姆损耗较大，并且平面变压器占用芯片面积过大，很难实现系统重量的降低。随着人们对高速无线移动通信和高性能芯片的需求日益增长，变压器小体积化、轻重量化发展十分迫切。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器，包括自上而下依次设置的第一金属层、第二金属层、玻璃通孔衬底层、第三金属层以及第四金属层，其中，
所述第一金属层包括第一金属框以及设置在所述第一金属框内的多个第一连接件；
所述第二金属层包括第二金属框以及设置在所述第二金属框内的多个第二连接件；
所述玻璃通孔衬底层包括衬底和穿透所述衬底的多个玻璃通孔结构；
所述第三金属层包括多个第三连接件；
所述第四金属层包括多个第四连接件；
所述多个玻璃通孔结构通过所述多个第一连接件、所述多个第二连接件、所述多个第三连接件以及所述多个第四连接件依次首尾连接，形成三维螺旋结构。
在本发明的一个实施例中，多个所述玻璃通孔结构排列成2*N的阵列结构，包括第一行玻璃通孔结构和第二行玻璃通孔结构，其中，N≥2。
在本发明的一个实施例中，每个所述玻璃通孔结构沿径向方向从外向内依次包括外层金属环、中间介质环和内层金属柱。
在本发明的一个实施例中，所述多个第一连接件平行设置，分别连接相应所述玻璃通孔结构的内层金属柱的上端；所述多个第四连接件平行设置，分别连接相应所述玻璃通孔结构的内层金属柱的下端，以形成内部三维螺旋结构。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属层还包括设置在所述第一金属框内的第一馈电件和第一接地件，其中，
所述第一馈电件连接所述内部三维螺旋结构的第一端；
所述第一接地件的一端连接所述内部三维螺旋结构的第二端，另一端连接所述第一金属框。
在本发明的一个实施例中，所述多个第二连接件平行设置，分别连接相应所述玻璃通孔结构的外层金属环的上端；所述多个第三连接件平行设置分别连接相应所述玻璃通孔结构的外层金属环的下端，以形成外部三维螺旋结构。
在本发明的一个实施例中，所述第二金属层还包括设置在所述第二金属框内的第二馈电件和第二接地件，其中，
所述第二金属框连接所述外部三维螺旋结构的第一端；
所述第二接地件的一端连接所述外部三维螺旋结构的第二端，另一端连接所述第二金属框。
在本发明的一个实施例中，所述玻璃通孔结构的中间介质环与内层金属柱的高度相等，所述外层金属环与所述衬底的高度相等。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有第一介质层。
在本发明的一个实施例中，所述第三金属层与所述第四金属层之间设置有第二介质层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器，基于TGV技术，有效地利用了玻璃衬底上巨大的闲置空间，进一步缩小集成无源器件占用的转接板面积，提高集成度，另外，利用玻璃衬底天然高阻率的特点，可以提高无缘变压器的Q值性能；
2、本发明的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器，由于初级线圈完全包裹次级线圈，制备得到的片上变压器具有较高的耦合度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的立体透视图；
图2是本发明实施例提供的一种玻璃通孔衬底层的主视图；
图3是本发明实施例提供的一种第一金属层主视图；
图4是本发明实施例提供的一种第二金属层主视图；
图5是本发明实施例提供的一种第三金属层主视图；
图6是本发明实施例提供的一种第四金属层主视图；
图7是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的Q值曲线图；
图8是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的耦合系数曲线图；
图9是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的电感值曲线图。
附图标记说明
1-第一金属层；101-第一金属框；102-第一连接件；103-第一馈电件；104-第一接地件；2-第二金属层；201-第二金属框；202-第二连接件；203-第二馈电件；204-第二接地件；3-玻璃通孔衬底层；301-衬底；4-第三金属层；401-第三连接件；5-第四金属层；501-第四连接件；6-玻璃通孔结构；601-外层金属环；602-中间介质环；603-内层金属柱；7-第一介质层；8-第二介质层。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的立体透视图，如图所示，本实施例的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器包括自上而下依次设置的第一金属层1、第二金属层2、玻璃通孔衬底层3、第三金属层4以及第四金属层5。玻璃通孔衬底层3包括衬底301和穿透衬底301的多个玻璃通孔结构6，多个玻璃通孔结构6排列成2*N的阵列结构，其中，N≥2。可选地，第二行第一列的玻璃通孔结构6与第一行第二列的玻璃通孔结构6对齐，依次类推，第二行第n列的玻璃通孔结构6与第一行第n-1列的玻璃通孔结构6对齐。
请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种玻璃通孔衬底层的主视图，如图所示，在本实施例中，玻璃通孔衬底层3中设置有4个玻璃通孔结构6，排列成2*2的阵列结构，其中，第二行第一列的玻璃通孔结构6与第一行第二列的玻璃通孔结构6对齐，每个玻璃通孔结构6沿径向方向从外向内依次包括外层金属环601、中间介质环602和内层金属柱603，外层金属环601与衬底301的高度相等，中间介质环602与内层金属柱603的高度相等，且大于外层金属环601的高度。优选地，外层金属环601与内层金属柱603由金属铜或铝形成，中间介质环602由聚酰亚胺形成，中间介质环602作为外层金属环601与内层金属柱603之间的电学隔离介质。
请结合参见图3和图6，图3是本发明实施例提供的一种第一金属层主视图，图6是本发明实施例提供的一种第四金属层主视图。如图所示，第一金属层1包括第一金属框101以及设置在第一金属框101内的多个第一连接件102，多个第一连接件102平行设置，以实现相应玻璃通孔结构6的内层金属柱603的上端互连。第四金属层5包括多个第四连接件501，多个第四连接件501平行设置，以实现相应玻璃通孔结构6的内层金属柱603的下端互连。多个第一连接件102、多个玻璃通孔结构6的内层金属柱603以及多个第四连接件501依次首尾连接，形成内部三维螺旋结构，内部三维螺旋结构作为本实施例的片上变压器的次级线圈。优选地，第一金属框101、第一连接件102以及第四连接件501由金属铜或铝形成，第一金属框101接地。
进一步地，本实施例的第一金属层还包括设置在第一金属框101内的第一馈电件103和第一接地件104，其中，第一馈电件103连接内部三维螺旋结构的第一端；第一接地件104的一端连接内部三维螺旋结构的第二端，另一端连接第一金属框101。优选地，第一馈电件103和第一接地件104由金属铜或铝形成。在本实施例中，与第一馈电件103和第一接地件104连接的第一连接件102的长度是其余的第一连接件102长度的一半。通过第一接地件104与第一金属框101的连接，使得片上变压器的次级线圈连接至接地端。
以图1中的2*2的玻璃通孔阵列为例，具体说明内部三维螺旋结构的连接关系，如图所示，第一金属框101内平行设置有3个第一连接件102，第四金属层5包括平行设置的2个第四连接件501，第一行第一个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端连接一个第一连接件102，下端通过一个第四连接件501连接至第二行第一个玻璃通孔结构6的内层金属柱603下端，第二行第一个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端通过一个第一连接件102连接至第一行第二个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端，第一行第二个玻璃通孔结构6的内层金属柱603下端通过一个第四连接件501连接至第二行第二个玻璃通孔结构6的内层金属柱603下端，随后第二行第二个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端连接第一连接件102，形成一个螺旋结构。第一馈电件103与第一行第一个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端连接的第一连接件102连接，第一接地件104与第二行第二个玻璃通孔结构6的内层金属柱603上端连接第一连接件102连接。
请结合参见图4和图5，图4是本发明实施例提供的一种第二金属层主视图，图5是本发明实施例提供的一种第三金属层主视图。如图所示，第二金属层2包括第二金属框201以及设置在第二金属框201内的多个第二连接件202，多个第二连接件202平行设置，以实现相应玻璃通孔结构6的外层金属环601的上端互连。第三金属层4包括多个第三连接件401，多个第三连接件401平行设置，以实现相应玻璃通孔结构6的外层金属环601的下端互连。多个第二连接件202、多个玻璃通孔结构6的外层金属环601以及多个第三连接件401依次首尾连接，形成外部三维螺旋结构，外部三维螺旋结构作为本实施例的片上变压器的初级线圈。优选地，第二金属框201、第二连接件202以及第三连接件401由金属铜或铝形成。在本实施例中，第二连接件202与第三连接件401与相应玻璃通孔结构6连接处，刻蚀有与中间介质环602等径的圆孔，用于使玻璃通孔结构6的中间介质环602和内层金属柱603穿过。第二金属框201接地。
进一步地，本实施例的第二金属层2还包括设置在第二金属框201内的第二馈电件203和第二接地件204，其中，第二金属框201连接外部三维螺旋结构的第一端；第二接地件204的一端连接外部三维螺旋结构的第二端，另一端连接第二金属框201。优选地，第二馈电件203和第二接地件204由金属铜或铝形成。在本实施例中，与第二馈电件203和第二接地件204连接的第二连接件202的长度是其余的第二连接件202长度的一半。通过第二接地件204与第二金属框201的连接，使得片上变压器的初级线圈连接至接地端。
以图1中的2*2的玻璃通孔阵列为例，具体说明外部三维螺旋结构的连接关系，如图所示，第二金属框201内平行设置有3个第二连接件202，第三金属层4包括平行设置的2个第三连接件401，第一行第一个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端连接一个第二连接件202，下端通过一个第三连接件401连接至第二行第一个玻璃通孔结构6的外层金属环601下端，第二行第一个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端通过一个第二连接件202连接至第一行第二个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端，第一行第二个玻璃通孔结构6的外层金属环601下端通过一个第三连接件401连接至第二行第二个玻璃通孔结构6的外层金属环601下端，随后第二行第二个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端连接第二连接件202，形成一个螺旋结构。第二馈电件203与第一行第一个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端连接的第二连接件202连接，第二接地件204与第二行第二个玻璃通孔结构6的外层金属环601上端连接第二连接件202连接。
进一步地，本实施例的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器还包括第一介质层7和第二介质层8，其中，第一介质层7设置在第一金属层1与第二金属层2之间，第二介质层8设置在第三金属层4与第四金属层5之间。优选地，第一介质层7和第二介质层8的材料为聚酰亚胺，其作用为实现第一金属层1与第二金属层2之间的电学隔离以及第三金属层4与第四金属层5之间的电学隔离。第一介质层7和第二介质层8上开设有多个通孔，所述多个通孔的位置与所述多个玻璃通孔结构6的位置对应，用于使所述玻璃通孔结构6穿过，通孔的孔径与玻璃通孔结构6的中间介质环602的直径相同，中间介质环602与内层金属柱603的高度，与衬底层301、第一介质层7以及第二介质层8的高度总和相等。
本实施例的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器，基于TGV(Through Glass Via，玻璃通孔)技术，有效地利用了玻璃衬底上巨大的闲置空间，进一步缩小集成无源器件占用的转接板面积，提高集成度，另外，利用玻璃衬底天然高阻率的特点，可以提高无缘变压器的Q值性能，而且本实施例的片上变压器的初级线圈完全包裹次级线圈，使得制备得到的片上变压器具有较高的耦合度。
实施例二
本实施例是对实施例一中的基于环形玻璃通孔结构的片上变压器进行仿真实验。请参见图7、图8和图9，图7是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的Q值曲线图；图8是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的耦合系数曲线图；图9是本发明实施例提供的一种基于环形玻璃通孔结构的片上变压器的电感值曲线图。从图7可以看出，本发明实施例的片上变压器具有较高的Q值，Q值最大为12.2，从图8可以看出，在10GHz内，本发明实施例的片上变压器的耦合系数大于0.70，耦合系数较高，从图9可以看出本发明实施例的片上变压器的共振频率在25GHz。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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