一种电感结构及射频模块的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种电感结构及射频模块。


背景技术：

2.传统的绕线电感如图1、图2所示。图1示出的电感结构是第一类型的绕线电感，其由第一线圈101和第二线圈102构成，第一线圈 101通过金属通孔103与第二线圈102进行连接。图2示出的电感结构是第二类型的绕线电感，其包括第一端口201、第二端口202以及连接所述第一端口201和所述第二端口202的线圈组件204。其中，该线圈组件204中的线圈在其延伸路径的至少一个节点处通过连接件203改变其绕线路径。
3.由于射频(radio frequency，rf)电路的高速发展，拓宽了射频电路在实际生活中的应用场景。与此同时，也对常用射频模块，例如功率放大器模块，低噪放模块和射频前端模块等的设计提出了更高的挑战。搭建起这些射频模块的基础就是一些被动元器件，例如绕线电感。因此，有必要提供一种具有更高q值的电感结构。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种电感结构及射频模块，用以解决现有技术中电感结构品质因素q的值较低的问题。
5.第一方面，本实用新型提供一种电感结构，包括第一端口、第二端口以及连接所述第一端口和所述第二端口的线圈组件，所述线圈组件包括：
6.至少一个内线圈，每个所述内线圈均由多条并行排列的金属细线构成，并且每个所述内线圈均呈环状；
7.至少一个外线圈，每个所述外线圈均环绕与其同层的内线圈，并且位于同一层的内线圈和外线圈依序电连接。
8.在本实用新型一个实施例中，所述至少一个内线圈和所述至少一个外线圈位于同一层。
9.在本实用新型的另一个实施例中，所述至少一个内线圈包括第一内线圈和第二内线圈并且所述至少一个外线圈包括第一外线圈和第二外线圈，所述第一内线圈和所述第二内线圈位于不同层并且所述第一外线圈和所述第二外线圈也位于不同层，其中，同一层中均包括内线圈和外线圈，并且不同层的线圈依序通过导电结构电连接。
10.在本实用新型一个实施例中，至少一个所述外线圈在其延伸路径的至少一个节点处通过第二连接件改变其绕线路径，并且每个所述内线圈中的每条金属细线均在其延伸路径的至少一个节点处通过第一连接件改变其绕线路径。
11.在本实用新型一个实施例中，所述金属细线之间的间距大于或等于第一预设阈值。
12.在本实用新型一个实施例中，所述第一预设阈值是4μm或10μm。
13.在本实用新型一个实施例中，每个所述内线圈由四条金属细线构成，每条金属细
线分别在所述内线圈的四分之一处、二分之一处以及四分之三处通过所述第一连接件改变其绕线路径。
14.在本实用新型一个实施例中，每个所述内线圈在其延展平面上呈多边形、或方形、或圆形，每个所述外线圈在其延展平面上呈多边形、或方形、或圆形。
15.在本实用新型一个实施例中，所述内线圈的宽度与所述外线圈的宽度相等。
16.在本实用新型一个实施例中，所述金属细线的宽度小于或等于第二预设阈值。
17.在本实用新型一个实施例中，所述第二预设阈值是所述外线圈的宽度的三分之一。
18.第二方面，本实用新型还提供了一种射频模块，包括如上所述的任一种电感结构。
19.本实用新型提供的电感结构及射频模块，采用至少一条以上的金属细线构成内线圈，由此使得通过所述金属细线的电流分布更加均匀，并且通过的有效电流更多，从而能有效缓解涡流电流对电感的影响，使得本实用新型所提出的电感结构的品质因素得到提高。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以依据这些附图获得其他的实施方式。
21.图1是传统的电感结构示意图之一；
22.图2是传统的电感结构示意图之二；
23.图3是本实用新型一实施例提供的电感结构的俯视图；
24.图4是图3示出的电感结构的立体图；
25.图5是本实用新型另一实施例提供的电感结构的立体图；
26.图6是传统的电感结构的趋肤效应的示意图；
27.图7是soi芯片的叠层示意图；
28.图8是基板的叠层示意图；
29.图9是传统的电感结构的仿真示意图；
30.图10是本实用新型提供的电感结构的仿真示意图。
31.附图标记：
32.101：第一线圈；102：第二线圈；201：第一端口；202：第二端口；203：连接件；204：线圈组件；301：内线圈；3011：第一内线圈；3012：第二内线圈；302：外线圈；303：金属细线；304：第一连接件；305：第二连接件；3031：第一金属细线；3032：第二金属细线；3033：第三金属细线；3034：第四金属细线；3023：第一外线圈；3024：第二外线圈；501：电流；502：涡流电流；503：磁场； 504：趋肤效应；701：金属层；702：介质；703：中心介质。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人
员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
35.以下对本实用新型涉及的技术术语进行描述：
36.电感是将电能转换为磁能的电子元器件，电感值表示电流产生磁场的能力。电感器在电流中主要起到滤波、振荡、延迟等作用。电感器的工作原理包括两部分：一部分是给电感器通电后电感器的工作过程，此时电感器是由电能产生磁能；另一部分是电感器在通交变磁场中的工作过程，此时电感器由磁能产生交流电。
37.电感品质因素q值是衡量电感器件的主要参数，其是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的q值越高，其损耗越小，效率越高。其计算公式为：
[0038][0039]
其中，q表示品质因素，w表示频率，l表示某一频率下的电感值，rs表示某一频率下的电阻值。
[0040]
射频电感器件是如互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)等集成电路上的重要元件，广泛应用在压控振荡器及低噪声放大器等各种射频电路中。随着电路性能的不断提高，电路结构通常具有平衡、差分的形式，在这些电路中，那些原本在单端电路中一端接地的射频电感就转变成两端分别接入差分信号的差分电感。由于差分电感两端的信号有相同的幅度和相反的相位，这就要求差分电感的电气性能尽量对称，因此差分电感通常具有对称的集合形状，也被成为对称电感。
[0041]
本实用新型提供的电感结构及射频模块，用以解决现有技术中电感结构品质因素q的值较低的问题，通过在内线圈设置至少一条以上的金属细线，使得通过所述金属细线的电流分布更加均匀，并且有效通过的电流更多，能显著缓解涡流电流对电感的影响，使得本实用新型的电感结构的品质因素得到提高。
[0042]
下面结合图3-图10描述本实用新型的绕线电感结构及射频模块。
[0043]
实施例一：
[0044]
图3是本实用新型一实施例提供的电感结构的俯视图，图4是图 3示出的电感结构的立体图，如图3、图4所示。本实用新型所述的电感结构包括第一端口201、第二端口202以及连接所述第一端口201 和所述第二端口202的线圈组件(图中未标示)。其中，所述线圈组件包括至少一个内线圈301和至少一个外线圈302。内线圈301由多条并行排列的金属细线303构成，并且所述内线圈301呈环状。每个外线圈302均环绕与其同层的内线圈301，并且位于同一层的内线圈 301和外线圈302依序电连接。
[0045]
示例性地，在本实施例中，所述至少一个内线圈301和至少一个外线圈302位于同一层。
[0046]
以下对内线圈301和外线圈302进行具体描述：
[0047]
示例性地，图3、图4示出了由四条金属细线构成所述内线圈301，即第一金属细线3031、第二金属细线3032、第三金属细线3033以及第四金属细线3034。所述金属细线303的数量由实际需求而设置，本实用新型对于金属细线303的具体数量不做限制。
[0048]
示例性地，内线圈301中的金属细线303通过第一连接件304改变其绕线路径。比如图4示出的第一金属细线3031在内线圈301的环绕方向的四分之一处通过第一连接件304改变其绕线路径，即第一金属细线3031由内线圈301的最外层绕到最里层；第二金属细线3032 由在内线圈301的环绕方向的四分之一处通过第一连接件304改变其绕线路径，即绕到内线圈301的最外层。
[0049]
示例性地，每条金属细线303分别在内线圈301的环绕方向的四分之一处、二分之一处以及四分之三处通过第一连接件304改变其绕线路径。从图3、图4可以看出，在内线圈301的环绕方向的四分之一、二分之一处以及四分之三处均设有第一连接件304，用于改变每条金属细线303的绕线路径。由此可见，每条金属细线303通过第一连接件304改变其绕线路径使其处于不同的绕线路径中，也使得金属细线303的走线不间断。
[0050]
示例性地，每条金属细线303之间的间距需遵循不同制造工艺的最小尺寸，即内线圈301上设置的金属细线303之间的间距大于或等于第一预设阈值。所述金属细线303之间的间距是指金属细线之间镂空部分的间距，例如第一金属细线3031与第二金属细线3032之间的间距。示例性地，如果使用soi(silicon-on-insulator，硅技术)工艺，则所述第一预设阈值是4μm；如果使用基板工艺，则所述第一预设阈值是10μm。
[0051]
示例性地，每条金属细线303的宽度小于或等于第二预设阈值。所述第二预设阈值是外线圈302的宽度的三分之一。例如，外线圈 302的宽度是90μm，那么内线圈301的金属细线303的宽度不超过 30μm。
[0052]
需要说明的是，在本实施例中，示例性地，电感结构只有内线圈 301设置有金属细线303，外线圈302并没有设置金属细线303，并且内线圈301只有一个。但本实用新型对于内线圈以及外线圈的个数不做限制，具体依据实际需求设置即可。
[0053]
示例性地，外线圈302通过第二连接件305与所述内线圈301连接。例如，图3、图4示出的外线圈302通过第二连接件305与内线圈301连接。
[0054]
示例性地，所述外线圈302在其环绕方向的至少一个节点处通过第二连接件305改变其绕线路径。例如，外线圈302在与所述第一端口201和第二端口202相对的节点处通过第二连接件305改变其绕线路径，即从外线圈302的最外层绕进内线圈301。由此可见，外线圈 302通过第二连接件305可改变其绕线路径使其处于不同的绕线路径中，从而使得外线圈302与内线圈301的连接不间断。
[0055]
需要说明的是，本实用新型的绕线方式也可以采用其他绕线方式，比如外线圈302在其他节点处改变其绕线路径，只要满足从绕线最外线圈开始，也从最外线圈结束即可，换句话说，绕线路径需要确保线圈组件204(包括内线圈301和外线圈302)的一端连接第一端口201，另一端连接第二端口202。因此，本实用新型对于绕线方式不做限制。
[0056]
示例性地，所述内线圈301在其延展平面上呈多边形、方形或圆形；所述外线圈302在其延展平面上呈多边形、方形或圆形。例如，图3、图4示出的内线圈301和外线圈302在其延展平面上均呈八边形。
[0057]
示例性地，所述内线圈301的宽度与所述外线圈302的宽度相等。所述内线圈301的宽度是指所有的金属细线303的宽度之和加上每条金属细线303之间的间距之和。当然依据实际制造工艺的需要，所述内线圈301的宽度与所述外线圈302的宽度也可以设置成不相等。
[0058]
需要说明的是，所述第一连接件304和所述第二连接件305为斜线连接件，其均是通过金属通孔(图3、图4中未标出)进行连接的，即不同的线圈均通过金属通孔上的连接件(第一连接件304或第二连接件305)进行连接。
[0059]
综上所述，图3、图4示出的电感结构是由至少一个内线圈301 和至少一个外线圈302构成，内线圈301由四条并行排列的金属细线 303构成，金属细线303可通过第一连接件304改变其绕线路径，内线圈301通过第二连接件305与外线圈302电连接。
[0060]
图3、图4示出的是第一类型的绕线电感结构，下面图5示出的是第二类型的绕线电感结构。以下对第二类型的绕线电感结构进行描述：
[0061]
实施例二：
[0062]
图5是本实用新型另一实施例提供的电感结构的立体图，如图5 所示。本实施例所提出的电感结构包括第一端口201、第二端口202 以及连接所述第一端口201和所述第二端口202的线圈组件。其中，所述线圈组件包括至少一个内线圈和至少一个外线圈。每个内线圈由多条并行排列的金属细线303构成，并且每个所述内线圈均呈环状。每个外线圈302均环绕与其同层的内线圈，并且位于同一层的内线圈和外线圈依序电连接。
[0063]
其中，所述至少一个内线圈包括至少两个内线圈并且所述至少一个外线圈包括至少两个外线圈。所述至少两个内线圈位于不同层并且所述至少两个外线圈也位于不同层，其中，同一层中均包括内线圈和外线圈，并且不同层的线圈依序通过导电结构电连接。
[0064]
示例性地，如图5所示，所述至少一个内线圈包括至少两个内线圈，即第一内线圈3011和第二内线圈3012。所述至少一个外线圈包括至少两个外线圈，即第一外线圈3023和第二外线圈3024。第一内线圈3011和第二内线圈3012位于不同层，并且第一外线圈3023和第二外线圈3024也位于不同层，其中，第一层中包括第一内线圈3011 和第一外线圈3023，第二层中包括第二内线圈3012和第二外线圈 3024，并且不同层的线圈依序通过导电结构(例如金属通孔)电连接。
[0065]
示例性地，图5示出的第一内线圈3011和第二内线圈3012均由四条金属细线303构成，即第一金属细线、第二金属细线、第三金属细线以及第四金属细线。所述金属细线303的数量由实际需求而设置，本实用新型对于金属细线303的具体数量不做限制。
[0066]
示例性地，每条金属细线303之间的间距需遵循不同制造工艺的最小尺寸，即构成内线圈的金属细线303之间的间距大于或等于第一预设阈值。所述金属细线303之间的间距是指金属细线之间镂空部分的间距，例如第一金属细线3031与第二金属细线3032之间的间距。例如，如果使用soi工艺，则所述第一预设阈值是4μm；如果使用基板工艺，则所述第一预设阈值是10μm。
[0067]
示例性地，每条金属细线303的宽度小于或等于第二预设阈值。所述第二预设阈值是第一外线圈3023或第二外线圈3024的宽度的三分之一。例如，第一外线圈3023或第二外线圈3024的宽度是90μm，那么第一内线圈3011或第二内线圈3012的金属细线303的宽度不超过30μm。
[0068]
示例性地，所述内线圈在其延展平面上呈多边形、方形或圆形；所述外线圈在其延展平面上呈多边形、方形或圆形。
[0069]
示例性地，所述第一内线圈3011、第二内线圈3012的宽度与所述第一外线圈3023、第二外线圈3024的宽度相等。所述第一内线圈 3011、第二内线圈3012的宽度是指所有的金属细线303的宽度之和加上每条金属细线303之间的间距之和。当然条据实际制造工艺的需要，所述第一内线圈3011、第二内线圈3012的宽度与所述第一外线圈3023、第二外线圈3024的宽度也可以设置成不相等。
[0070]
综上所述，图5示出的电感结构是由两个内线圈(即第一内线圈 3011和第二内线圈3012)和两个外线圈(即第一外线圈3023和第二外线圈3024)构成，第一内线圈3011和第二内线圈3012均由四条并行排列的金属细线303构成。其中，第一内线圈3011和第一外线圈3023位于第一层，第二内线圈3012和第二外线圈3024位于第二层。图5仅示出第一层、第二层，根据实际电路设计需要，还可以设置更多层，本实用新型不限于内线圈和外线圈的层数以及个数。
[0071]
以下结合现有技术对本实用新型所述电感结构的工作原理和有益效果进行说明。
[0072]
图6是传统的电感结构的趋肤效应的示意图，如图6所示。
[0073]
示例性地，内线圈301和外线圈302通过电流501，内线圈301 上的圆圈是涡流电流502，由外线圈302跨到内线圈301的箭头是磁场503。其中，涡流电流502是由垂直于磁场平面的闭合回路中的磁场变化和流动引起的。
[0074]
传统的电感结构由于边上有其他通过电流的导体，所以会导致导体内的电流分布不均匀，即因外线圈302有通过电流501，会导致靠里的绕线(例如内线圈301)通过的电流分布不均匀。因此，传统的电感结构因为邻近效应使得部分电流不均匀通过靠里的线圈组件，并产生大量的涡流电流。高频的时候，电流一般从表面通过，即电流都集中在金属导体的表面附近，称为“趋肤效应”(如图9、图10所示的趋肤效应504)。
[0075]
电感品质因素(q)指的是电感的感抗与其等效损耗电阻之比。如果单位截面积通过的电流越多，损耗电阻就越小，品质因素就越高，而趋肤效应会使得电流能通过的有效的单位截面积减小。因此，传统的电感结构因为趋肤效应会使得电感的性能降低(比如通流能力、品质因素)降低。本实用新型通过采用至少一条以上的金属细线构成内线圈，使得内线圈的电流可以均匀地分布在每条细线上(如图10所示)，并且有效通过的电流会更多，使得本实用新型的绕线电感结构的品质因数得到提高。
[0076]
因此，从图9(传统的电感结构)、图10(本实用新型的电感结构)的仿真效果来看，可以看出电流分布中，图10的内线圈比图9 的内线圈分布更均匀，能有效地缓解涡流电流的影响，并且增加通过电流的截面积从而减小趋肤效应的影响。
[0077]
图7是soi芯片的叠层示意图，图8是基板的叠层示意图。
[0078]
示例性地，如图7所示，am表示顶层铝(al)厚金属，fq表示顶层和次顶层通孔，mr表示中间层薄金属，v1表示通孔1，v2 表示通孔2，ca表示接触通孔，pc表示poly层(多晶硅层)，body 表示体，buried oxide表示埋氧化层，handle wafer表示操作晶圆， m1、m2、mr表示3层金属层。任意金属层均可用作绕线电感的线圈组件。
[0079]
示例性地，图8示出了金属层701、介质702以及中心介质703。其中，任意金属层均可以用作绕线电感的线圈组件。
[0080]
本实用新型还提供了一种射频模块，包括如上所述的任一种电感结构。
[0081]
综上所述，本实用新型所述电感结构以及射频模块，可应用于射频芯片领域，满足射频芯片对于电感结构的高q值的需求。
[0082]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。