螺旋电感元件和电子设备

摘要

本发明提供了一种螺旋电感元件和电子设备。该螺旋电感元件包括：衬底；绝缘层，设置于所述衬底上；以及螺旋导线，设置于该绝缘层内或设置于该绝缘层上，并螺旋缠绕构成多个线圈。

权利要求

1.一种螺旋电感元件，包括：

衬底；

绝缘层，设置于所述衬底上；以及

螺旋导线，设置于该绝缘层内或设置于该绝缘层上，并螺旋缠绕构成多个线圈，其中，所述螺旋导线具有预定形状截面，该预定形状截面的电磁场分布比矩形截面的电磁场分布更均匀，所述预定形状截面为环形。

2.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述预定形状截面为类圆形或圆形。

3.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述预定形状截面为正N边形，N为大于4的正整数。

4.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述预定形状截面的外周为锯齿状。

5.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述环形内部为空气。

6.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述环形内部填充有介电材料。

7.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，先将所述导线自身进行立体螺旋缠绕，然后将立体螺旋缠绕后的导线在所述绝缘层内或所述绝缘层上进行平面螺旋缠绕构成多个线圈，以形成所述螺旋导线。

8.如权利要求1所述的螺旋电感元件，其中，所述螺旋导线通过喷溅导体在所述绝缘层内或所述绝缘层上形成。

9.一种电子设备，包括如权利要求1-8的任一所述的螺旋电感元件。

说明书

螺旋电感元件和电子设备

技术领域

[0001] 本申请涉及元器件领域，特别涉及螺旋电感元件以及使用该螺旋电感元件的电子设备。

背景技术

[0002] 平面螺旋电感是射频集成电路中的关键元件，是电路中最难设计和掌握的元件，它的性能参数直接影响着射频集成电路的性能。典型的半导体集成电路包含硅基底、设置于基底上的一层以上的介电层、以及设置于介电层中及介电层上的一层以上的金属层。

[0003] 在集成电路中，片上平面螺旋电感等射频无源器件的主要损耗有两种：衬底损耗和金属导体损耗。

[0004] 针对于降低衬底损耗，已经提出几种解决方法：1.使用离子注入或其它技术选择性实现半绝缘硅衬底；2.在电感线圈和硅衬底之间插入图形式接地屏蔽层，或在硅衬底中形成PN结隔离以减少衬底损耗。

[0005] 关于金属导体损耗，其是由欧姆损耗和磁感应损耗组成，前者由传导电流引起，后者由涡流电流引起。当传导电流流过金属导体时，它所产生的欧姆损耗与金属导体的电阻阻值有关，而该电阻阻值与金属导线的电阻率和总长度成正比，与金属导线的宽度和厚度成反比。因此，为了减少欧姆损耗，一般选用低电阻率的金属导体材料并适当增加金属层厚度，而不改变电感的几何结构，因为金属导线总长度与电感线圈圈数密切相关，而金属导线宽度与电感线圈的内、外径大小密切相关，这些都将影响电感的品质因子(Q值)。

[0006] 由于集成电路装置的性能取决于电感元件的电感元件的品质因子，因此有必要寻求一种新的电感元件结构以增加电感元件的品质因子。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种具有高品质因子的螺旋电感元件以及使用该螺旋电感元件的电子设备。

[0008] 根据本发明实施例，提供了一种螺旋电感元件，包括：

[0009] 衬底；

[0010] 绝缘层，设置于所述衬底上；以及

[0011] 螺旋导线，设置于该绝缘层内或设置于该绝缘层上，并螺旋缠绕构成多个线圈。

[0012] 优选地，所述螺旋导线具有预定形状截面，该预定形状截面的电磁场分布比矩形截面的电磁场分布更均匀。

[0013] 优选地，所述预定形状截面为类圆形或圆形。

[0014] 优选地，所述预定形状截面为正N边形，N为大于4的正整数。

[0015] 优选地，所述预定形状截面的外周为锯齿状。

[0016] 优选地，所述预定形状截面为环形。

[0017] 优选地，所述环形内部为空气。

[0018] 优选地，所述环形内部填充有介电材料。

[0019] 优选地，先将所述导线自身进行立体螺旋缠绕，然后将立体螺旋缠绕后的导线在所述绝缘层内或所述绝缘层上进行平面螺旋缠绕构成多个线圈，以形成所述螺旋导线。

[0020] 优选地，所述螺旋导线通过喷溅导体在所述绝缘层内或所述绝缘层上形成。

[0021] 根据本发明另一实施例，提供了一种电子设备，其使用上面所描述的螺旋电感元件。

[0022] 通过本发明的螺旋电感元件，可以通过结构的优化提高电感元件的品质因子。

附图说明

[0023] 图1A是根据本发明第一实施例的螺旋电感元件的平面示意图；

[0024] 图1B是图示沿图1A中的1B-1B’线的剖面示意图；

[0025] 图2A是根据本发明第二实施例的螺旋电感元件的平面示意图；

[0026] 图2B是图示沿图2A中的2B-2B’线的剖面示意图；

[0027] 图3是示出根据本发明第三实施例的螺旋电感元件中的螺旋导线的形状的示意图；

[0028] 图4是图示本发明的螺旋电感元件的电磁分布的仿真结果；

[0029] 图5是图示现有技术的螺旋电感元件的电磁分布的仿真结果；

[0030] 图6是图示根据本发明第四实施例的螺旋电感元件的制作过程；以及[0031] 图7是图示根据本发明第五实施例的螺旋电感元件的制作过程。

具体实施方式

[0032] <第一实施例>

[0033] 首先参考图1A和图1B描述根据本发明第一实施例的螺旋电感元件100。图1A和1B图示了本发明第一实施例的螺旋电感元件100，其中图1A是图示螺旋电感元件100的平面示意图；图1B是图示沿图1A中的1B-1B’线的剖面示意图。

[0034] 螺旋电感元件100包括：

[0035] 衬底101；

[0036] 绝缘层102，设置于所述衬底101上；以及

[0037] 螺旋导线103，设置于该绝缘层102内，并螺旋缠绕构成多个线圈。

[0038] 衬底101包括硅衬底或其他已知的半导体衬底。衬底101可包含各种不同的元件，例如晶体管、电阻、及其他常用的半导体元件。此外，衬底101还可以包含其他导电层(例如，铜、铝或其合金)。图中为了简化，仅用一个平整衬底表示。

[0039] 绝缘层102例如可以采用氧化硅层、氮化硅层、或其它低介电材料层等。

[0040] 螺旋导线103设置于绝缘层102上，并且在平面上螺旋缠绕成多个线圈，例如三圈。螺旋导线103缠绕而成的线圈的外形可为圆形、矩形、六边形、八边形、或多边形。在图中以矩形作为例进行说明。此外，螺旋导线103的材质可包括铜、铝或其合金等。

[0041] 为了进一步的提高螺旋电感元件的品质因子，根据本实施例的螺旋电感元件采用这样的结构，即，使得所述螺旋导线具有预定形状截面，该预定形状截面的电磁场分布比矩形截面的电磁场分布更均匀，从而使得螺旋电感元件的品质因子Q值能够进一步提高。

[0042] 例如，所述预定形状截面可以为类圆形或圆形。圆形导线对于带状线情况很适合，因为电磁场分布均匀，而对于微带线而言，类圆形更加合适。

[0043] 可替代地，所述预定形状截面可以为正N边形，N为大于4的正整数。现有技术中常常采用矩形或准矩形的导线截面，因为这种形状利于加工制造，但并不利于高频信号的电磁场分布，从而导致Q值的下降。本发明人在经过研究后发现，当采用正N边形的截面时，N为大于4的正整数，即，当截面为正六边形、正八边形、正十六边形等等时，高频信号的电磁场分布更加均匀，从而可以提高Q值。

[0044] 另外，当所述螺旋导线通过喷溅导体在所述绝缘层内或所述绝缘层上形成(下面将详细描述)时，因为通过逐层喷溅导体形成所述螺旋导线，所以所述预定形状截面的外周可以为锯齿状。

[0045] 上面描述的情况都是导线为实心导线的情况，可替代地，还可以采用空心的导线，即，所述导线的预定形状界面为环形。优选地，所述环形内部为空气。可替代地，所述环形内部可以填充有介电材料。在空气中的Q值略好于介质材料的Q值。因为介质材料对泄漏到导线外的电磁场有衰减的作用，造成有用信号的降低。但有时会考虑的工艺等其他因素，需要折中考虑。

[0046] 通过如上所述构造螺旋导线的截面形状，可以使得该螺旋电感元件中的高频信号的电磁场分布更加均匀，从而可以提高Q值。

[0047] <第二实施例>

[0048] 接下来，参考图2A和图2B描述根据本发明第二实施例的螺旋电感元件200。图2A和2B图示了本发明第二实施例的螺旋电感元件200，其中图2A是图示螺旋电感元件200的平面示意图；图2B是图示沿图2A中的2B-2B’线的剖面示意图。

[0049] 螺旋电感元件200包括：

[0050] 衬底201；

[0051] 绝缘层202，设置于所述衬底201上；以及

[0052] 螺旋导线203，设置于该绝缘层202上，并螺旋缠绕构成多个线圈。

[0053] 根据本发明第二实施例的螺旋电感元件200与根据第一实施例的螺旋电感元件100的不同之处在于，在螺旋电感元件200中，螺旋导线203设置于绝缘层202内。也就是说，螺旋电感元件203嵌入在绝缘层202中。

[0054] 螺旋电感元件200与根据第一实施例的螺旋电感元件100在其它各方面都相同，在此省略其重复描述。

[0055] <第三实施例>

[0056] 接下来，将描述根据本发明第三实施例的螺旋电感元件300。

[0057] 螺旋电感元件300包括：

[0058] 衬底301；

[0059] 绝缘层302，设置于所述衬底301上；以及

[0060] 螺旋导线303，设置于该绝缘层302内或该绝缘层303上，并螺旋缠绕构成多个线圈。

[0061] 根据本发明第三实施例的螺旋电感元件300与根据第一实施例的螺旋电感元件100和根据第二实施例的螺旋电感元件200的不同之处在于，在螺旋电感元件300中，在绕制平面上的多个线圈之前，先将所述螺旋导线303自身进行立体螺旋缠绕，举例来说，例如采用像电话机的听筒和主机之间的螺旋缠绕方式或者弹簧装的螺旋缠绕方式，先将螺旋导线
303进行立体缠绕，图3是示出缠绕后的螺旋导线303的示意图。

[0062] 然后将立体螺旋缠绕后的螺旋导线303在所述绝缘层内或所述绝缘层上进行平面螺旋缠绕构成多个线圈，以形成所述螺旋导线。也就是说，在第一实施例的螺旋电感元件100和第二实施例的螺旋电感元件200中，螺旋导线通过金属导线直接在绝缘层内或绝缘层上绕制而成。在第三实施例的螺旋电感元件300中，先将金属导线进行立体螺旋缠绕，形成螺旋状的金属导线，然而用螺旋状的金属导线进行平面上的螺旋线圈的缠绕。通过该结构，可以进一步提高螺旋电感元件的Q值。

[0063] 下面将参考图4描述根据本发明实施例的螺旋电感元件的仿真结果。图5是根据现有技术的螺旋电感元件的仿真结果。在图4中，以圆形截面的螺旋电感元件为例进行仿真，在图5中，以矩形截面的螺旋电感元件为例进行仿真。

[0064] 在图4和图5中，横轴表示输入信号的频率，纵轴表示频率信号的损耗。在图5中，随着频率的增加，损耗增加，基本为线性。在图5中，在0.5GHz频率获得损耗的最小值。相反，在图4中，在1GHz左右获得损耗的最小值，也就是说，对1GHz频率的输入信号损耗最小，而不是0.5GHz损耗最小，这是同图5不同的地方。这说明当前截面对0.5GHz起到了抑制作用，也就是选频作用，提高了1GHz信号的Q值。

[0065] 此外，需要理解的是，可以根据需要优化该截面的半径，从而可以在不同频率处获得损耗的最小值。也就是说，可以选择不同的频率。

[0066] 如图所示，与根据现有技术的螺旋电感元件相比，根据本发明实施例的螺旋电感元件具有良好的选频特性。

[0067] 接下来，参考图6和图7描述根据本发明实施例的螺旋电感元件的制作过程。

[0068] 在图6中，示出了实心的螺旋导线的一个截面的制作过程。在该制作过程中，采用逐层喷溅导体的方式制作螺旋导线。如图所示，根据需要的形状，可以设置喷溅导体的层数，层数越多，最后形成的导体的形状越精细。为了描述简单，在图6中采用了八层的结构。首先，在第一层中，设置掩膜，在掩膜的第一宽度的中间处喷溅导体，然后，在第二层中，在掩膜的第二宽度的中间处喷溅导体，该第二宽度大于第一宽度，类似地，在第三层和第四层喷溅导体，然后，第五层的第五宽度和第四宽度相同，第六层的第六宽度和第三宽度相同，第七层的第七宽度和第二宽度相同，第八层的第八宽度和第一宽度相同，当喷溅完导体后，移除掩膜，可以获得最终的螺旋导线。要注意的是，图6中只示出了螺旋导线的一个截面，应当理解的是，根据预先设置的螺旋导线的多个线圈的形状，可以在整个基底平面上根据螺旋导线的形状喷溅导体，从而在整个基底上得到预先设置形状的螺旋导线。

[0069] 除此以外，还可以利用模具成型的方法制作螺旋导线和螺旋电感元件。

[0070] 在图7中，示出了空心的螺旋导线的一个截面的制作过程。该制作过程与图6所示的制作工作基本相同，除了在第三到6层的中间还设置掩膜，以便在中心处获得空心结构。

[0071] 如图6和图7所示，因为螺旋导线采用逐层喷溅导体的方式形成，所以最后获得的导线的外周为锯齿状。

[0072] 此外，根据本发明实施例的螺旋电感元件可应用于各种电子设备，例如无线通信设备(如手机)、GPS导航设备等等。该电子设备可以利用本发明实施例的螺旋电感元件实现更好的性能。

[0073] 上面已经结合实施例描述了本发明，本领域的技术人员应该理解，取决于设计要求和其他因素，可以出现各种修改、组合、字组合和更替，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。