專利名稱:適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的混合集成電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種適混合集成電感。采用該電感的電路可以應(yīng)用于諸如手機、平板電腦、MP3等電池供電的便攜式設(shè)備中。
背景技術(shù):
在當今消費類電子市場中,電池供電的便攜式設(shè)備諸如智能手機、平板電腦、MP3 等在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在便攜式設(shè)備的管理控制芯片中,直流電壓轉(zhuǎn)換器將單一的電池電壓轉(zhuǎn)換為各種模塊電路需要的工作電壓,而無線通訊收發(fā)機則負責無線信號的發(fā)送與接收,實現(xiàn)移動通訊。因此,這兩者是兩個必不可少的模塊電路。然而, 傳統(tǒng)開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機中的電感需要占據(jù)印刷電路板上相當大部分面積, 因此不利于減小便攜式設(shè)備的體積和系統(tǒng)集成。為了進一步減小便攜式設(shè)備的體積,集成電感被嘗試應(yīng)用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機中。然而,由于芯片上的集成電感為空心結(jié)構(gòu),且繞線的金屬厚度小,因此電感值小,寄生電阻較大,品質(zhì)因素低。這將增大電壓轉(zhuǎn)換器和無線收發(fā)機的電能損耗,惡化它們的整體效率。因此,目前在商業(yè)產(chǎn)品中幾乎沒有將電感直接集成在這兩部分芯片內(nèi)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明針對應(yīng)用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機需要高品質(zhì)因素混合集成電感,通過連接印刷電路板焊盤的鍵合線,電路板下層金屬線和片狀磁性材料,得到高品質(zhì)因素的電感,從而實現(xiàn)在印刷電路板上的高性能電感集成。由于采用了鍵合線與印刷電路板上連接金屬組成電感的線圈部分,其電阻率很小,而線圈中的磁性材料可以將電感的感值提高到百納亨量級,大大提高品質(zhì)因素。因此只需要很小的印刷電路板面積就可以得到低寄生電阻,高品質(zhì)因素的高性能集成電感,從而大大降低的集成電感所需的電壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率,提高了轉(zhuǎn)換器效率,使得集成電感在商業(yè)化產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用成為可能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面積小,電阻率小,性能高的適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的高品質(zhì)因素混合集成電感。本發(fā)明所提供的適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的混合集成電感,其由印刷電路板1、焊盤2、鍵合線3、金屬線4和片狀磁性材料5組成。其中
將一組多個焊盤2排成兩行,且交錯排列,設(shè)置在印刷電路板1上,所述鍵合線3在電路板外,以兩個焊盤2為一小組,分別連接兩行中一個錯位排列的焊盤2 ;所述金屬線4設(shè)置在印刷電路板1下層,以兩個焊盤2為一小組,連接前述焊盤2,使焊盤2通過鍵合線3和金屬線4形成之字型的依次連接,即形成電感的線圈部分;再將這組焊盤2的首尾焊盤2通過鍵合線3分別連接到集成電路芯片上的焊盤。所述片狀磁性材料5設(shè)置于印刷電路板1 上、鍵合線3下,且在兩行焊盤2的中心位置,即在上述線圈的中心部位。如圖2所示。從而實現(xiàn)與集成電路芯片上功率開關(guān)與控制電路的連接。
其中,鍵合線與印刷電路板下層金屬線組成該電感線圈的主體部分,而片狀磁性材料則作為電感的磁芯。由于鍵合線與印刷電路板上連接金屬的電阻率很小,而線圈中磁性材料可以大大增加電感的感值和品質(zhì)因素,因此采用這樣的電感結(jié)構(gòu)可以解決傳統(tǒng)的電感實現(xiàn)方式中片外電感占用印刷電路板面積大,片上電感感值小,品質(zhì)因素低的矛盾。本發(fā)明優(yōu)點在于實現(xiàn)了一種應(yīng)用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機中的低成本,體積小,品質(zhì)因素高的電感結(jié)構(gòu)。
圖1是本發(fā)明應(yīng)用于直流開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換器中的總體電路結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明設(shè)計的高品質(zhì)因素混合集成電感俯視圖。圖3是本發(fā)明設(shè)計的高品質(zhì)因素混合集成電感剖面圖。圖中編號1為印刷電路板,2為焊盤,3為鍵合線,4為金屬線,5為片狀磁性材料。
具體實施例方式以下根據(jù)附圖及設(shè)計實例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明設(shè)計的是一種適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的高品質(zhì)因素混合集成電感。其應(yīng)用于降壓型電壓轉(zhuǎn)換器中的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。降壓型電壓轉(zhuǎn)換器由功率級和控制級電路組成。其中功率級由功率管PMOS管、NMOS管和濾波電感L、濾波電容 C、負載電阻R。組成;控制級由反饋分壓電路,誤差放大器,鋸齒波發(fā)生器,驅(qū)動等模塊組成。 控制級電路通過基準電壓VREF與輸出反饋電壓VFB之間的差值經(jīng)誤差放大器放大和補償后的差值ERROR與固定頻率的鋸齒波比較,得到占空比DUTY信號,最后通過驅(qū)動電路產(chǎn)生非重疊的驅(qū)動信號分別控制功率管PMOS管和NMOS管的導通與關(guān)斷,從而實現(xiàn)對于降壓型電壓轉(zhuǎn)換器的固定頻率脈沖寬度調(diào)制。當DUTY信號為低電平時,PMOS管導通而NMOS管關(guān)斷時,電感左端與電源相連接,電源通過電感對輸出電容充電,電感電流上升,輸出電壓上升。 當鋸齒波信號SAW高于補償信號COM時,比較器輸出觸發(fā)控制DUTY信號為高電平,NMOS管導通而PMOS管關(guān)斷時,電感左端直接連地,輸出電容通過電感放電,電感電流下降,輸出電壓下降。而當鋸齒波信號經(jīng)過一個周期后再次低于誤差信號ERROR時,比較器輸出觸發(fā)控制DUTY信號為低電平,再次開啟PMOS管而關(guān)斷NMOS管。而本次發(fā)明所設(shè)計的高品質(zhì)因素混合集成電感的作用是將高性能電感集成于印刷電路板上,在減小電路板面積的同時利用該電感的高感值和低寄生電阻特性,將原先需要提高到上百兆赫茲才能實現(xiàn)電感集成的開關(guān)頻率降低為十兆赫茲左右,從而大大提高電壓轉(zhuǎn)換器的整體工作效率。圖2是高品質(zhì)因素混合集成電感的詳細結(jié)構(gòu)俯視圖。該板上集成電感由連接印刷電路板焊盤的鍵合線,電路板下層金屬線和片狀磁性材料組成,并通過鍵合線與集成電路芯片上的焊盤相連接。其中焊盤間鍵合線和印刷電路板金屬線形成電感的線圈部分,其主要材料是金和銅,其電阻率分別為2. 4*10_8 Ω . m和1. 65*10_8 Ω . m,在常用金屬中屬于電阻率較低的一類,因此其組成電感繞線后的寄生電阻較低。而導線中的磁性材料可以由磁性涂料或磁性微粉組成,由于磁性材料的相對磁導率遠遠大于1,因此相比于空心線圈,加入了磁性材料作為磁芯的混合集成電感其電感值和品質(zhì)因素將大大提升。此外,由于有了磁芯,線圈的整體磁場強度將會主要集中于磁芯處,這樣就減小了該電感產(chǎn)生的磁場對于外界其他電路的影響,因此相比于空心的片上集成電感其電磁干擾c問題更小。
圖3是高品質(zhì)因素混合集成電感的詳細結(jié)構(gòu)剖面圖例,其尺寸可以根據(jù)應(yīng)用場合不同而改變。其中L1為印刷電路板上形成線圈的兩個焊盤之間的間距,LJg離集成電路芯片較近的一側(cè)印刷電路板焊盤與芯片上焊盤的間距。H為印刷電路板的中間介質(zhì)厚度,d為連接印刷電路板上層金屬與下層金屬之前的通孔直徑,h為線圈中心磁性材料厚度,c為磁性材料厚度的寬度。下面估算一下該結(jié)構(gòu)電感的尺寸,可以達到的電感值量級和品質(zhì)因素。 設(shè)電感的匝數(shù)為N,總長度為L3。由于H》h、d,在沒有磁芯的情況下,其電感計算公式可近似表示為
權(quán)利要求
1. 一種適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的混合集成電感,其特征在于由印刷電路板、焊盤、鍵合線、金屬線和片狀磁性材料組成;其中將一組多個焊盤排成兩行,且交錯排列,設(shè)置在印刷電路板上,所述鍵合線在電路板外,以兩個焊盤為一小組,分別連接兩行中一個錯位排列的焊盤;所述金屬線設(shè)置在印刷電路板下層,以兩個焊盤為一小組,連接前述焊盤,使焊盤通過鍵合線和金屬線形成之字型的依次連接,形成電感的線圈部分;再將這組焊盤的首尾焊盤通過鍵合線分別連接到集成電路芯片上的焊盤;所述片狀磁性材料設(shè)置于印刷電路板上、鍵合線下,且在兩行焊盤的中心位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域,具體為一種適用于直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的混合集成電感。該電感由集成電路芯片與印刷電路板的鍵合線和印刷電路板的片上磁性材料組成。由于鍵合線的長度很短,利于集成,而磁性材料則可以大大提高電感的感值與品質(zhì)因素。因此該電感可以實現(xiàn)低成本的大電感集成。相比于傳統(tǒng)的電感集成方式,該結(jié)構(gòu)面積小,寄生電阻低,品質(zhì)因素高,可大大提高直流電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機的工作效率。該電感適用于所需電感為百納亨量級的開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換器和無線通訊收發(fā)機,可應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備中。
文檔編號H01L23/522GK102569252SQ20121006482
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者呂旦竹, 洪志良 申請人:復旦大學