RU2710201C1

RU2710201C1 - Planar scalable microtransformer (versions)

Info

Publication number: RU2710201C1
Application number: RU2019115092A
Authority: RU
Inventors: Алексей Викторович Трофимов; Никита Юрьевич Дмитриев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Крокус Наноэлектроника" (Ооо "Крокус Наноэлектроника")
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2019-12-25

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: thin-film transformer contains M=2n metallization layers, where n is an integer greater than or equal to 1, primary and secondary windings with contact sites at the ends, and dielectric layer. On each metallization layer there is at least one coil of embedded primary and secondary windings, connected by corresponding through interconnections (via) to primary and secondary windings of another metallization layer, on which said windings are formed by turning through 180° of the previous layer windings.EFFECT: reduction of planar size at high inductance of windings.8 cl, 13 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[1] Заявленное решение относится к области электротехники, в частности к конструкциям тонкопленочных трансформаторов. [1] The claimed solution relates to the field of electrical engineering, in particular to the design of thin-film transformers.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

[2] Одними из основных тенденций индустрии микроэлектроники являются миниатюризация и снижение электропотребления. За последние годы размеры микросхем значительно уменьшились, а требования к энергоэффективности существенно возросли. Микротрансформаторы и микроиндуктивности являются неотъемлемой частью большинства радиоэлектронных устройств. Однако трансформаторы и индуктивности не смогли идти в ногу с темпами миниатюризации и улучшения активных компонентов, что на сегодняшний день делает их значительным фактором ограничений размеров и производительности радиоэлектронной аппаратуры. Помимо проблемы миниатюризации, компактной интеграции и упаковки микротрансформаторов, существует сложная задача расчета их электрических свойств [1-4]. Сложность задачи заключается, с одной стороны, в невозможности аналитического расчета из-за значительного количества влияющих факторов [5,6] и, с другой стороны, в крайне малых размерах устройства относительно длины волны передаваемого сигнала, что вызывает трудности применения численных методов [1,7,8].[2] One of the main trends in the microelectronics industry is miniaturization and reduced power consumption. In recent years, the size of microcircuits has decreased significantly, and the requirements for energy efficiency have increased significantly. Microtransformers and microinductances are an integral part of most electronic devices. However, transformers and inductors could not keep up with the pace of miniaturization and improvement of active components, which today makes them a significant factor in limiting the size and performance of electronic equipment. In addition to the problems of miniaturization, compact integration and packaging of microtransformers, there is a difficult task of calculating their electrical properties [1-4]. The complexity of the problem lies, on the one hand, in the impossibility of analytical calculation due to the significant number of influencing factors [5,6] and, on the other hand, in the extremely small size of the device relative to the wavelength of the transmitted signal, which causes difficulties in the application of numerical methods [1, 7.8].

[3] Микротрансформаторы для цепей питания микросхемы, как правило, имеют форму соленоида, изготавливаются из более широкого проводника и занимают большую площадь, чем трансформаторы для развязки цифровых интерфейсов.[3] Microtransformers for microcircuit power circuits, as a rule, have the form of a solenoid, are made of a wider conductor and occupy a larger area than transformers for decoupling digital interfaces.

[4] Самой классической и хорошо изученной топологией трансформатора является соленоид. Соленоидальная топология обладает следующими преимуществами: высокой однородностью поля внутри соленоида и простотой внедрения магнитного сердечника. Однако на сегодняшний день при производстве на кремниевых пластинах топологию классического соленоида с круглым сечением реализовать не представляется возможным. В связи с необходимостью адаптации к существующим технологическим процессам производства соленоид будет получаться слишком плоским и будет иметь прямоугольное сечение с большим соотношением сторон (Фиг. 1). [4] The most classic and well-studied transformer topology is a solenoid. The solenoidal topology has the following advantages: high uniformity of the field inside the solenoid and ease of implementation of the magnetic core. However, today in the production of silicon wafers the topology of the classical solenoid with a circular cross section is not possible to implement. Due to the need to adapt to existing manufacturing processes, the solenoid will turn out to be too flat and will have a rectangular cross section with a large aspect ratio (Fig. 1).

[5] При переходе от соленоида с круглым сечением к плоскому соленоиду с прямоугольным сечением той же площади значительно падает площадь сечения катушки. Это в свою очередь вызывает сильное снижение индуктивности, так как индуктивность соленоидальной катушки напрямую зависит от площади ее сечения. В связи с этим значительно снижается добротность катушки, которая пропорциональна отношению мнимой части импеданса к ее омическому сопротивлению.[5] When switching from a solenoid with a circular cross section to a flat solenoid with a rectangular cross section of the same area, the coil section area significantly decreases. This in turn causes a strong decrease in inductance, since the inductance of a solenoidal coil directly depends on its cross-sectional area. In this regard, the quality factor of the coil is significantly reduced, which is proportional to the ratio of the imaginary part of the impedance to its ohmic resistance.

[6] Также стоит отметить, что соленоид будет обладать достаточно большим омическим сопротивлением, так как имеет много вертикальных участков в обмотке. Это связано с тем, что в связи со спецификой производства вертикальные участи имеют гораздо большее сопротивление, чем горизонтальные.[6] It is also worth noting that the solenoid will have a sufficiently large ohmic resistance, since it has many vertical sections in the winding. This is due to the fact that, due to the specifics of production, the vertical plots have much greater resistance than the horizontal ones.

[7] Таким образом, становится понятно, что топология соленоида обладает рядом существенных недостатков и не является оптимальным решением. Большинство современных микроэлектронных устройств и их компонентов производится на кремниевых пластинах с применением технологических процессов напыления, травления и полировки. В связи с этим при разработке и проектировании таких устройств их стараются по возможности делать планарными, чтобы не вызывать дополнительных трудностей при реализации и минимизировать производственные риски.[7] Thus, it becomes clear that the topology of the solenoid has a number of significant drawbacks and is not an optimal solution. Most modern microelectronic devices and their components are made on silicon wafers using technological processes of deposition, etching and polishing. In this regard, when developing and designing such devices, they try to make them planar whenever possible so as not to cause additional difficulties in implementation and minimize production risks.

[8] Среди большинства планарных топологий одной из самых оптимальных является планарная спираль (Фиг. 2). Данная топология обладает рядом существенных преимуществ. Во-первых, такой тип топологии эффективно расходует площадь. Это происходит благодаря высокой взаимной индуктивности соседних витков, направление тока в которых параллельно в каждой паре ближайших точек. За счет этого достигается высокая индуктивность подобных катушек и, как следствие, высокое значение отношения индуктивности устройства к его площади [1, 9]. [8] Among most planar topologies, one of the most optimal is a planar spiral (Fig. 2). This topology has a number of significant advantages. Firstly, this type of topology efficiently consumes space. This is due to the high mutual inductance of adjacent turns, the current direction in which is parallel in each pair of nearest points. Due to this, a high inductance of such coils and, as a result, a high ratio of the inductance of the device to its area is achieved [1, 9].

[9] Эффективный расход площади, в свою очередь, гарантирует компактность устройства. Во-вторых, плоская спираль не содержит вертикальных участков. Удельное сопротивление вертикальных участков существенно выше удельного сопротивления горизонтальных участков. В силу перечисленных выше аргументов рассматриваемая топология обладает довольно высоким отношением индуктивности к омическому сопротивлению. Таким образом, катушка индуктивности в форме плоской спирали обладает высокой добротностью. Также данная топология не вызывает трудностей с точки зрения производственного процесса, так как не содержит каких-либо нетипичных для планарной технологии элементов.[9] The effective consumption of space, in turn, guarantees the compactness of the device. Secondly, a flat spiral does not contain vertical sections. The resistivity of the vertical sections is significantly higher than the resistivity of the horizontal sections. By virtue of the above arguments, the topology under consideration has a rather high ratio of inductance to ohmic resistance. Thus, a flat helix inductance coil has a high Q factor. Also, this topology does not cause difficulties from the point of view of the production process, since it does not contain any elements atypical for planar technology.

[10] Таким образом, планарная спиралевидная топология является самой оптимальной. Так как, с одной стороны, позволяет достичь высокой добротности при минимальных размерах и, с другой стороны, не требует существенной адаптации к технологическому процессу производства.[10] Thus, the planar spiral topology is the most optimal. Since, on the one hand, it allows to achieve high quality factor with minimum dimensions and, on the other hand, does not require significant adaptation to the technological process of production.

[11] Планарная спираль – это довольно общее понятие, обозначающее целый ряд более частных случаев (см. Фиг. 2). В ряде работ по данной тематике утверждается, что спираль, закручивающаяся по окружности, обладает более высокой добротностью, нежели квадратная или многоугольная. Например, в источнике [10], были проведено сравнение двух типов катушек индуктивности. Одни из них были выполнены в форме круглой плоской спирали, другие – в форме восьмиугольной плоской спирали. [11] A planar spiral is a fairly general concept, indicating a number of more special cases (see Fig. 2). In a number of works on this subject, it is argued that a spiral twisting in a circle has a higher quality factor than a square or polygonal one. For example, in the source [10], two types of inductors were compared. Some of them were made in the form of a round flat spiral, others in the form of an octagonal flat spiral.

[12] Известные решения в области создания микротрансформаторов, как правило, используют следующую топологи: две металлические восьмиугольные спирали (они же первичная и вторичная обмотки трансформатора), расположенные друг над другом и разделенные слоем диэлектрика (Фиг. 3). Такое решения является вполне классическим при производстве трансформаторов с использованием планарных технологий. Например, такое решение известно из патентной заявки США US 20080174396 (Samsung Electronics Co Ltd, 24.07.2008). [12] Known solutions in the field of microtransformers, as a rule, use the following topologists: two metal octagonal spirals (they are the primary and secondary windings of the transformer) located one above the other and separated by a dielectric layer (Fig. 3). Such a solution is quite classic in the manufacture of transformers using planar technologies. For example, such a solution is known from US patent application US 20080174396 (Samsung Electronics Co Ltd, July 24, 2008).

[13] Однако такому решению, как и ряду других аналогичных топологий, известных из уровня техники, присущи некоторые недостатки, в частности отсутствие/нарушение симметрии устройства, что влияет на однородность передаточных характеристик, а также неэффективность использования площади слоя металлизации, поскольку длинные прямые подводящие линии никак не улучшают, а в частности и ухудшают характеристики устройства. [13] However, this solution, as well as a number of other similar topologies known from the prior art, has some drawbacks, in particular the absence / violation of the symmetry of the device, which affects the uniformity of the transfer characteristics, as well as the inefficiency of using the metallization layer area, since long direct supply the lines do not improve, and in particular, degrade the characteristics of the device.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION

[14] Решаемой технической проблемой является создание усовершенствованной топологии планарного трансформатора малых размеров, предназначенного для интеграции в микросхемы, обладающего высокой степенью добротности обмоток.[14] The technical problem to be solved is the creation of an improved topology of a small-sized planar transformer designed for integration into microcircuits with a high degree of quality factor of the windings.

[15] Техническим результатом при реализации заявленного решения является обеспечение малого планарного размера устройства и высокой индуктивности его обмоток. [15] The technical result in the implementation of the claimed solution is to ensure a small planar size of the device and high inductance of its windings.

[16] Также при реализации заявленного решения достигается высокая добротность обмоток трансформатора и коэффициента их связи.[16] Also, when implementing the claimed solution, a high quality factor of the transformer windings and their coupling coefficient is achieved.

[17] Особенность предложенного решения заключается в реализации принципа вложенных обмоток трансформатора одновременно на нескольких слоях металлизации, что обеспечивает также следующие преимущества: [17] A feature of the proposed solution is the implementation of the principle of embedded transformer windings simultaneously on several metallization layers, which also provides the following advantages:

• Полная геометрическая симметрия;• Full geometric symmetry;

• Эффективное расходование площади, отведенной под устройство;• Effective use of the area allotted for the device;

• Широкая вариативность;• Wide variety;

• Высокий коэффициент связи обмоток.• High winding coupling coefficient.

[18] Одним из важнейших показателей эффективности трансформатора является добротность его обмоток. В общем случае добротность – это отношение количества запасаемой в устройстве энергии к количеству рассеиваемой этим же устройством энергии за период. Запасание первичной цепью энергии и эффективности её передачи во вторичную цепь является основным показателем трансформатора, т.к. задачей трансформатора является передача энергии.[18] One of the most important indicators of the efficiency of a transformer is the quality factor of its windings. In the general case, the quality factor is the ratio of the amount of energy stored in a device to the amount of energy dissipated by the same device over a period. The storage of energy and the efficiency of its transmission to the secondary circuit by the primary circuit is the main indicator of the transformer, as The task of the transformer is to transfer energy.

[19] Коэффициент связи обмоток показывает насколько эффективно осуществляется передача энергии от первичной обмотки устройства ко вторичной. Для идеального трансформатора k = 1, что говорит о том, что у трансформатора отсутствуют потери при передаче энергии, при этом k определяется по формуле (1): [19] The coupling coefficient of the windings shows how efficiently the energy is transferred from the primary winding of the device to the secondary. For an ideal transformer, k = 1, which means that the transformer has no loss in energy transfer, while k is determined by the formula (1):

(1),

где М – взаимная индуктивность обмоток трансформатора, 1, 2 – индуктивности первичной и вторичной обмотки трансформатора.where M is the mutual inductance of the transformer windings, 1, 2 is the inductance of the primary and secondary windings of the transformer.

[20] В первом предпочтительном варианте осуществления заявленного решения представлена конструкция тонкопленочного трансформатора, который содержит по меньшей мере два слоя металлизации, первичную и вторичную обмотки, содержащие на своих концах контактные площадки, и слой диэлектрика, характеризующийся тем, что содержит M=2n слоев металлизации, где n – целое число, большее или равное 1, при этом на каждом из слоев металлизации содержится по меньшей мере по одному витку вложенных первичной и вторичной обмотки, соединенных соответствующими сквозными межсоединениями (via) с первичной и вторичной обмотками другого слоя металлизации, на котором упомянутые обмотки образованы поворотом на 180° витков обмоток предыдущего слоя. [20] In a first preferred embodiment of the claimed solution, a thin-film transformer is provided which comprises at least two metallization layers, primary and secondary windings containing contact pads at their ends, and a dielectric layer characterized in that it contains M = 2n metallization layers , where n is an integer greater than or equal to 1, while each of the metallization layers contains at least one turn of embedded primary and secondary windings connected by corresponding through wiring (via) with the primary and secondary windings of another metallization layer, on which the said windings are formed by turning 180 ° of the turns of the windings of the previous layer.

[21] В одном из частных примеров осуществления представленного варианта изобретения каждая из обмоток имеет форму спирали или многоугольника.[21] In one particular embodiment of the present embodiment, each of the windings is in the form of a spiral or polygon.

[22] В другом частном примере осуществления представленного варианта изобретения каждая обмотка имеет по меньшей мере один полный виток W.[22] In another particular embodiment of the present invention, each winding has at least one full turn W.

[23] Во втором предпочтительном варианте осуществления заявленного решения представлена конструкция тонкопленочного трансформатора, который содержит по меньшей мере два слоя металлизации, первичную и вторичную обмотки, содержащие на своих концах контактные площадки, и слой диэлектрика, характеризующийся тем, что содержит M=2n слоев металлизации, где n – целое число большее или равное 1, при этом на каждом из слоев металлизации содержится по меньшей мере по два витка первичной и вторичной обмотки, при этом обмотки на одном слое выполняются вложенными с группировкой соответствующим количеством витков каждого типа обмотки, причем каждый виток одного типа обмотки соединяется соответствующим сквозными межсоединениями (via) с таким же типом обмотки на другом слое металлизации, на котором витки обмотки образованы поворотом на 180° витков обмоток предыдущего слоя. [23] In a second preferred embodiment of the claimed solution, the design of a thin-film transformer is presented, which contains at least two metallization layers, primary and secondary windings containing contact pads at their ends, and a dielectric layer characterized in that it contains M = 2n metallization layers , where n is an integer greater than or equal to 1, while each of the metallization layers contains at least two turns of the primary and secondary windings, while the windings on one layer are made in laid down with grouping by the corresponding number of turns of each type of winding, each turn of one type of winding being connected through corresponding interconnects (via) with the same type of winding on another metallization layer, on which the turns of the winding are formed by turning 180 ° of the turns of the windings of the previous layer.

[24] В одном из частных примеров осуществления представленного варианта изобретения каждая из обмоток имеет форму спирали или многоугольника.[24] In one particular embodiment of the present embodiment, each of the windings is in the form of a spiral or polygon.

[25] В другом частном примере осуществления представленного варианта изобретения каждая обмотка имеет по меньшей мере один полный виток W.[25] In another particular embodiment of the present invention, each winding has at least one full turn W.

[26] В другом частном примере осуществления представленного варианта изобретения на каждом слое металлизации витки одного типа обмотки соединены друг с другом переходами. [26] In another particular embodiment of the present invention, on each metallization layer, turns of one type of winding are connected to each other by junctions.

[27] В другом частном примере осуществления представленного варианта изобретения витки обмотки соединены переходами по всей длине. [27] In another particular embodiment of the present invention, the windings are connected by transitions along the entire length.

[28] Другие частные варианты реализации представленного решения будут раскрыты далее в описании. [28] Other private options for implementing the presented solutions will be disclosed further in the description.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[29] Фиг. 1 иллюстрирует пример соленоида и его адаптация для производственного процесса. [29] FIG. 1 illustrates an example of a solenoid and its adaptation to a manufacturing process.

[30] Фиг. 2 иллюстрирует примеры конструкций обмотки трансформатора. [30] FIG. 2 illustrates examples of transformer winding designs.

[31] Фиг. 3 иллюстрирует пример топологии планарного трансформатора.[31] FIG. 3 illustrates an example topology of a planar transformer.

[32] Фиг. 4 – Фиг. 7 иллюстрируют пример реализации трансформатора согласно первому варианту осуществления.[32] FIG. 4 - FIG. 7 illustrates an example implementation of a transformer according to a first embodiment.

[33] Фиг. 8 иллюстрирует вид трансформатора в разрезе. [33] FIG. 8 illustrates a sectional view of a transformer.

[34] Фиг. 9 иллюстрирует пример выполнения трансформатора согласно первому варианту с четырьмя слоями металлизации. [34] FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of a transformer according to a first embodiment with four plating layers.

[35] Фиг. 10 – Фиг. 13 иллюстрирую пример реализации трансформатора согласно второму варианту. [35] FIG. 10 - FIG. 13 illustrates an example implementation of a transformer according to a second embodiment.

[36] Фиг. 14 иллюстрирует частный пример изготовления микротрансформатора с возможностью изменения распайки контактных площадок. [36] FIG. 14 illustrates a particular example of the manufacture of a microtransformer with the ability to change the wiring of pads.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[37] На Фиг. 4 – Фиг. 7 представлен пример реализации трансформатора (T1) согласно первому варианту реализации. В первом варианте представлен пример топологии трансформатора (Т1), который содержит два слоя металлизации (М1, М2), где на каждом слое содержится минимум по одному витку W вложенных первичных (11, 21) и вторичной обмоток (12, 22). [37] In FIG. 4 - FIG. 7 illustrates an example implementation of a transformer (T1) according to a first embodiment. The first version provides an example of the topology of the transformer (T1), which contains two metallization layers (M1, M2), where each layer contains at least one turn W of embedded primary (11, 21) and secondary windings (12, 22).

[38] Как показано на Фиг. 4 первичная обмотка состоит из двух последовательно соединенных спиралей (11) и (12). Спираль (11) находится на первом (нижнем) слое металлизации (М1). Спираль (12) находится на втором слое металлизации (М2). Спираль (12) получается из спирали (11) путем зеркального отражения последней относительно перпендикулярной к поверхности спиралей плоскости, проходящей через прямую AA’, т.е. виток первичной/вторичной спирали на другом слое металлизации получается за счет зеркального отражения (поворота) на 180º витка на предыдущем слое. [38] As shown in FIG. 4, the primary winding consists of two series-connected spirals (11) and (12). The spiral (11) is located on the first (lower) metallization layer (M1). The spiral (12) is located on the second metallization layer (M2). Spiral (12) is obtained from spiral (11) by specular reflection of the latter relative to a plane perpendicular to the surface of spirals passing through straight line AA ’, i.e. the turn of the primary / secondary spiral on another metallization layer is obtained due to mirror reflection (rotation) by 180º of the turn on the previous layer.

[39] Спирали (11) и (12) соединяются между собой вертикальным участком (13) – via, который представляет собой сквозное межсоединение. При этом первичная обмотка, образованная витками спиралей (11, 12) имеет «вход» и «выход», направленные в одну сторону.[39] The spirals (11) and (12) are interconnected by a vertical section (13) - via, which is an end-to-end interconnect. In this case, the primary winding formed by the turns of the spirals (11, 12) has an “input” and “output” directed in one direction.

[40] Аналогично первично обмотке (11, 12) вторичная обмотка микротрансформатора (Т1) состоит из двух спиралей (21, 22), соединенных с помощью вертикального via (23). Спираль (22) получается из спирали (21) путем зеркального отражения последней относительно перпендикулярной к поверхности спиралей плоскости, проходящей через прямую BB’, т.е. виток первичной/вторичной спирали на другом слое металлизации получается за счет зеркального поворота на 180°витка обмотки на предыдущем слое. Таким образом, микротрансформатор (T1) состоит из двух обмоток (11, 21, 12, 22), которые на каждом из уровней металлизации (М1, М2) вложены друг в друга. [40] Similarly to the primary winding (11, 12), the secondary winding of the microtransformer (T1) consists of two coils (21, 22) connected by vertical via (23). The spiral (22) is obtained from the spiral (21) by specular reflection of the latter relative to the plane perpendicular to the spiral surface passing through the straight line BB ’, i.e. turn of the primary / secondary spiral on another metallization layer is obtained by 180 ° mirror rotationwinding winding on the previous layer. Thus, the microtransformer (T1) consists of two windings (11, 21, 12, 22), which are embedded in each other at each of the metallization levels (M1, M2).

[41] Вариация характеристик микротрансформатора (Т1) и каждой из его обмоток можно осуществлять за счет изменения параметров элементов, формирующих его топологию. Например, геометрическая форма спирали может быть круглой или в виде многоугольника (шестиугольник, восьмиугольник и т.п.). Количество витков W в спирали на каждом из слоев металлизации может варьироваться, однако должно быть больше одного. Количество слоев металлизации M=2n, где n – целое число, т.е. слоев металлизации М может быть четное число равное или более двух. Количество параллельно соединенных спиралей в обмотке микротрансформатора - K , K∈N, причем каждая обмотка состоит минимум из одной спирали.[41] Variation of the characteristics of the microtransformer (T1) and each of its windings can be carried out by changing the parameters of the elements that form its topology. For example, the geometric shape of a spiral can be round or in the form of a polygon (hexagon, octagon, etc.). The number of turns W in a spiral on each of the metallization layers can vary, but there must be more than one. The number of metallization layers M = 2n, where n is an integer, i.e. metallization layers M may be an even number equal to or more than two. The number of parallel connected spirals in the microtransformer winding is K, K∈N, and each winding consists of at least one spiral.

[42] На Фиг. 7 представлен вид микротрансформатора (Т1) с контактными площадками (111, 121, 211, 221), каждая из которых соединена с соответствующей спиралью (11, 12, 21, 22). Контактные площадки (111, 121, 211, 221) проходят через все слои металлизации (М1, М2) микротрансформатора (Т1). [42] In FIG. 7 is a view of a microtransformer (T1) with contact pads (111, 121, 211, 221), each of which is connected to a corresponding spiral (11, 12, 21, 22). Contact pads (111, 121, 211, 221) pass through all metallization layers (M1, M2) of the microtransformer (T1).

[43] Применение такой топологии микротрансформатора (Т1), с одной стороны, позволяет увеличить индуктивность за счет добавления к спирали на одном слое металлизации дополнительного уровня, с другой стороны, способствует росту коэффициента связи за счет значительного снижения величины среднего расстояния между спиралями. Благодаря внедрению подобного решения происходит значительное повышение добротности обмоток и их коэффициента связи. Во-первых, при подобном соединении спиралей происходит резкое увеличение добротности каждой из обмоток: сопротивление увеличивается в 2 раза, в то время как индуктивность возрастает практически в 4 раза.[43] The use of such a microtransformer (T1) topology, on the one hand, allows to increase the inductance by adding an additional level to the spiral on one metallization layer, on the other hand, it increases the coupling coefficient due to a significant decrease in the average distance between the helices. Thanks to the introduction of such a solution, a significant increase in the quality factor of the windings and their coupling coefficient occurs. Firstly, with such a connection of the spirals, a sharp increase in the quality factor of each of the windings occurs: the resistance increases by 2 times, while the inductance increases by almost 4 times.

[44] На Фиг. 8 представлен вид микротрансформатора (Т1) в разрезе. На представленном изображении видно принцип расположения витков обмоток (11, 12, 21, 22), соединенных с помощью via (13, 23), в слое диэлектрика (D). В качестве диэлектрического материала может быть использован, например, диоксид кремния (SiO₂), пентаоксид тантала (Ta₂O₅) или любой другой пригодный тип изолирующего материала. [44] In FIG. 8 is a sectional view of a microtransformer (T1). The presented image shows the principle of arrangement of the turns of the windings (11, 12, 21, 22) connected via via (13, 23) in the dielectric layer (D). As the dielectric material, for example, silicon dioxide (SiO ₂ ), tantalum pentoxide (Ta ₂ O ₅ ) or any other suitable type of insulating material can be used.

[45] На Фиг. 9 представлен пример микротрансформатора (Т2), который является частной вариацией топологии микротрансформатора (Т1) и содержит четыре слоя металлизации (М1-М4). На каждом из слоев металлизации (М1-М4) содержится пара витков вложенных первичной и вторичной обмоток, в частности: на слое (М1) – обмотки (31, 41), на втором слое (М2) – обмотки (32, 42), на слое (М3) – обмотки (33, 43), на слое (М4) – обмотки (34, 44). Витки первичной и вторичной обмоток соединяются между слоями металлизации соответствующими via (301, 401, 302, 402, 303, 403). Контактные площадки (311, 411, 341, 441) проходят через все слои (М1-М4) микротрансформатора (Т2) (на фигуре не отображено).[45] In FIG. Figure 9 shows an example of a microtransformer (T2), which is a particular variation of the topology of a microtransformer (T1) and contains four metallization layers (M1-M4). Each of the metallization layers (M1-M4) contains a pair of turns of embedded primary and secondary windings, in particular: on the layer (M1) - windings (31, 41), on the second layer (M2) - windings (32, 42), layer (M3) - windings (33, 43), on the layer (M4) - windings (34, 44). The turns of the primary and secondary windings are connected between the metallization layers corresponding via (301, 401, 302, 402, 303, 403). Contact pads (311, 411, 341, 441) pass through all layers (M1-M4) of the microtransformer (T2) (not shown in the figure).

[46] Представленная на Фиг. 9 топология конструкции микротрансформатора (Т2) имеет следующие параметры: [46] Presented in FIG. 9, the design topology of the microtransformer (T2) has the following parameters:

- Геометрическая форма спирали: круглая;- The geometric shape of the spiral: round;

- Количество витков в спирали, W: 1,25;- The number of turns in the spiral, W: 1.25;

- Количество параллельных спиралей в обмотке, K: 1;- The number of parallel spirals in the winding, K: 1;

- Количество слоев металлизации, M: 4.- The number of layers of metallization, M: 4.

[47] На Фиг. 10 – Фиг. 11 представлен пример осуществления второго варианта реализации. Как и для первого варианта микротрансформатора (Т1) во втором варианте микротрансформатор (Т3) имеет минимум два слоя металлизации (М1, М2) и первичная обмотка, ровно как и вторичная, имеют витки спирали в слоях (М1, М2). [47] In FIG. 10 - FIG. 11 shows an example implementation of a second embodiment. As for the first version of the microtransformer (T1) in the second version, the microtransformer (T3) has at least two metallization layers (M1, M2) and the primary winding, just like the secondary, have spiral turns in the layers (M1, M2).

[48] Как видно на Фиг. 11 в конструкции микротрансформатора (Т3) каждый вид обмотки: первичной (51, 52, 53, 54) и вторичной (61, 62, 63, 64), состоит из двух спиралей с соответствующим числом витков W на каждом из слоев металлизации (М1, М2). Число витков W должно быть равным для каждой спирали и более одного. В приведенном примере число витков W = 1,25 для каждой спирали. Витки каждого типа обмотки на каждом из слоем металлизации (М1, М2) выполняются вложенными. [48] As seen in FIG. 11 in the design of the microtransformer (T3), each type of winding: primary (51, 52, 53, 54) and secondary (61, 62, 63, 64), consists of two spirals with the corresponding number of turns W on each of the metallization layers (M1, M2). The number of turns W must be equal for each spiral and more than one. In the given example, the number of turns W = 1.25 for each spiral. The turns of each type of winding on each of the metallization layer (M1, M2) are made nested.

[49] Как показано на Фиг. 12 спирали, относящиеся к одному типу обмотки, могут соединяться параллельно друг другу с помощью соответствующих соединений (511, 512, 611, 612) на каждом из слоев металлизации. При этом спирали одного типа обмотки, соединенные параллельно, имеют общие контактные площадки (510, 520, 610, 620) на «вход» и «выход», которые проходят через все слои металлизации трансформатора (Т3).[49] As shown in FIG. 12 spirals belonging to one type of winding can be connected in parallel to each other using the corresponding connections (511, 512, 611, 612) on each of the metallization layers. Moreover, spirals of one type of winding connected in parallel have common contact pads (510, 520, 610, 620) at the “input” and “output”, which pass through all the metallization layers of the transformer (T3).

[50] Аналогично конструкции микротрансформатора (Т1) спирали каждого типа обмотки на различных слоях металлизации получаются из соответствующих витков спиралей обмоток на другом слое металлизации с помощью поворота на 180° последней относительно перпендикулярной к поверхности спиралей плоскости, т.е. виток первичной/вторичной спирали на другом слое металлизации получается за счет поворота на 180° витка на предыдущем слое. Таким образом, микротрансформатор (T3) состоит из минимум четырех обмоток, которые на каждом из уровней металлизации (М1, М2) вложены друг в друга. С помощью реализации конструкции микротрансформатора (Т3) достигается уменьшение сопротивления обмоток и увеличение их предельного тока.[50] Similarly to the design of the microtransformer (T1), the spirals of each type of winding on different metallization layers are obtained from the corresponding turns of the spirals of the windings on the other metallization layer by 180 ° rotation of the last plane relative to the surface of the spirals, ie the turn of the primary / secondary spiral on another metallization layer is obtained by turning 180 ° of the turn on the previous layer. Thus, the microtransformer (T3) consists of at least four windings, which are embedded in each other at each of the metallization levels (M1, M2). By implementing the design of the microtransformer (T3), a decrease in the resistance of the windings and an increase in their maximum current are achieved.

[51] «Внутренние» концы спиралей (51, 52, 53, 54) и (61, 62, 63, 64) соединяются вертикальными via (501, 502, 503, 504), а внешние концы попарно являются «входом» и «выходом» соответствующей обмотки трансформатора (Т3). Таким образом витки спирали на каждом уровне металлизации (М1, М2) являются попарно параллельными.[51] The “inner” ends of the spirals (51, 52, 53, 54) and (61, 62, 63, 64) are connected by vertical via (501, 502, 503, 504), and the outer ends are pairwise “input” and “ output ”of the corresponding transformer winding (T3). Thus, the turns of the spiral at each metallization level (M1, M2) are pairwise parallel.

[52] Как представлено на Фиг. 13, в одном из частных примеров реализации трансформатора (Т3), витки спирали одного типа обмотки, в частности первичной (51, 52, 53, 54) или вторичной (61, 62, 63, 64) могут соединяться между собой переходами. Витки спиралей могут соединяться переходами как частично, так и по всей длине витков спирали. Такая доработка улучшает высокочастотные характеристики обмоток.[52] As shown in FIG. 13, in one particular example of the implementation of a transformer (T3), the spiral coils of one type of winding, in particular the primary (51, 52, 53, 54) or secondary (61, 62, 63, 64) can be connected by transitions. The turns of the spirals can be connected by transitions both partially and along the entire length of the turns of the spiral. This refinement improves the high-frequency characteristics of the windings.

[53] На Фиг. 14 представлен частный пример выполнения микротрансформатора (Т4), в котором в отличие от вышеприведенных примеров каждая из пар спиралей (71, 81), (72, 82), (73, 83), (74, 84) имеет собственные контактные площадки (711, 721, 811, 821, 731, 831, 741, 841), проходящие через соответствующие слои металлизации (в данном примере их два). В представленном примере конструкции микротрансформатора (Т4) каждая из пар спиралей (71, 81), (72, 82), (73, 83), (74, 84) является полноценной обмоткой с собственными «входом» и «выходом». Такое решение позволяет унифицировать устройство и дает право конечному пользователю осуществлять собственные варианты подключения (распайки) микротрансформатора (Т4).[53] In FIG. 14 is a particular example of the implementation of a microtransformer (T4), in which, unlike the above examples, each of the pairs of spirals (71, 81), (72, 82), (73, 83), (74, 84) has its own contact pads (711 , 721, 811, 821, 731, 831, 741, 841) passing through the corresponding metallization layers (in this example there are two of them). In the presented example of the design of the microtransformer (T4), each of the pairs of spirals (71, 81), (72, 82), (73, 83), (74, 84) is a full-fledged winding with its own “input” and “output”. This solution allows you to unify the device and gives the right to the end user to carry out their own options for connecting (desoldering) microtransformer (T4).

[54] Представленные описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.[54] The description of the claimed solution presented provides only preferred examples of its implementation and should not be construed as limiting other, specific examples of its implementation, not going beyond the scope of legal protection, which are obvious to a specialist in the relevant field of technology.

Источники информацииSources of information

[1] Peters J. Design of a high quality factor spiral inductors in RF MCM-D : дис. – Massachusetts Institute of Technology, 2004. [1] Peters J. Design of a high quality factor spiral inductors in RF MCM-D: dis. - Massachusetts Institute of Technology, 2004.

[2] Zhang W. et al. High-density integration of high-frequency high-current point-of-load (POL) modules with planar inductors //IEEE Transactions on Power Electronics. – 2015. – Т. 30. – №. 3. – С. 1421-1431. [2] Zhang W. et al. High density integration of high-frequency high-current point-of-load (POL) modules with planar inductors // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2015. - T. 30. - No. 3 .-- S. 1421-1431.

[3] Raju S. et al. Modeling of mutual coupling between planar inductors in wireless power applications //IEEE Transactions on Power Electronics. – 2014. – Т. 29. – №. 1. – С. 481-490. [3] Raju S. et al. Modeling of mutual coupling between planar inductors in wireless power applications // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2014. - T. 29. - No. 1 .-- S. 481-490.

[4] Taylor L. et al. Numerical modelling of PCB planar inductors: impact of 3D modelling on high-frequency copper loss evaluation //IET Power Electronics. – 2017. – Т. 10. – №. 14. – С. 1966-1974. [4] Taylor L. et al. Numerical modeling of PCB planar inductors: impact of 3D modeling on high-frequency copper loss evaluation // IET Power Electronics. - 2017. - T. 10. - No. 14. - S. 1966-1974.

[5] Mohan S. S. et al. Simple accurate expressions for planar spiral inductances //IEEE Journal of solid-state circuits. – 1999. – Т. 34. – №. 10. – С. 1419-1424. [5] Mohan S. S. et al. Simple accurate expressions for planar spiral inductances // IEEE Journal of solid-state circuits. - 1999. - T. 34. - No. 10. - S. 1419-1424.

[6] Zhao J. A new calculation for designing multilayer planar spiral inductors //EDN (Electrical Design News). – 2010. – Т. 55. – №. 14. – С. 37. [6] Zhao J. A new calculation for designing multilayer planar spiral inductors // EDN (Electrical Design News). - 2010. - T. 55. - No. 14. - S. 37.

[7] Pereda J. A., Vegas Á., Prieto A. Study on the stability and numerical dispersion of the FDTD technique including lumped inductors //IEEE transactions on microwave theory and techniques. – 2004. – Т. 52. – №. 3. – С. 1052-1058. [7] Pereda J. A., Vegas Á., Prieto A. Study on the stability and numerical dispersion of the FDTD technique including lumped inductors // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 2004. - T. 52. - No. 3 .-- S. 1052-1058.

[8] Gilbert M. J., Philip T. M., Green D. S. Nanoscale high-performance topological inductor : заяв. пат. 15405079 США. – 2017. [8] Gilbert M. J., Philip T. M., Green D. S. Nanoscale high-performance topological inductor: application. US Pat. 15405079 United States. - 2017.

[9] Laurent G. et al. DNA electrical detection based on inductor resonance frequency in standard CMOS technology //Solid-State Circuits Conference, 2003. ESSCIRC'03. Proceedings of the 29^th European. – IEEE, 2003. – С. 337-340.[9] Laurent G. et al. DNA electrical detection based on inductor resonance frequency in standard CMOS technology // Solid-State Circuits Conference, 2003. ESSCIRC'03. Proceedings of the 29 ^th European. - IEEE, 2003 .-- S. 337-340.

[10] Carchon G. J., De Raedt W. Integrated inductors //Integrated Passive Component Technology. – 2003. – С. 191-245.[10] Carchon G. J., De Raedt W. Integrated inductors // Integrated Passive Component Technology. - 2003 .-- S. 191-245.

Claims

1. A thin-film transformer containing at least two metallization layers, the primary and secondary windings containing contact pads at their ends, and a dielectric layer, characterized in that it contains M = 2n metallization layers, where n is an integer greater than or equal to 1 at the same time, each of the metallization layers contains at least one turn of embedded primary and secondary windings connected by corresponding end-to-end interconnects (via) with the primary and secondary windings of another metallization layer, on which The removed windings are formed by turning 180 ° of the turns of the windings of the previous layer.
2. The transformer according to claim 1, characterized in that each of the windings has the shape of a spiral or polygon.
3. The transformer according to claim 2, characterized in that each winding has at least one full turn W.
4. A thin-film transformer containing at least two metallization layers, the primary and secondary windings containing pads at their ends, and a dielectric layer, characterized in that it contains M = 2n metallization layers, where n is an integer greater than or equal to 1 moreover, each of the metallization layers contains at least two spirals of each primary and secondary windings, while the windings on one layer are made nested with a grouping of the corresponding number of turns of spirals of each type of winding, azhdy coil windings connected one type vias (via) with the same type of winding on the other metallization layer, on which the windings are formed by rotating through 180 ° turns of the windings of the previous layer.
5. The transformer according to claim 4, characterized in that each of the windings has the shape of a spiral or polygon.
6. The transformer according to claim 5, characterized in that each winding has at least one full turn W.

7. The transformer according to claim 4, characterized in that on each metallization layer the turns of one type of winding are connected to each other by transitions.

8. The transformer according to claim 7, characterized in that the winding turns are connected by transitions along the entire length.