[发明专利]芯片上具有磁性的小尺寸和全集成的功率转换器

说明书

优先权请求

本申请享有于2011年9月6日提交的临时申请s.n.61/531,459的优先权，该申请的公开内容并入本文。

技术领域

本申请的主题涉及一种在集成电路上实现的磁性电路，用于提供源自磁性电路的功能，例如，电阻-电感-电容器（通常，“RLC”）电路的应用。

背景技术

传统的开关电源转换器需要大型和昂贵的分立电感。对于许多便携式应用（诸如，手机），尺寸和成本是关键。对于单电池系统，通常有许多电压域，以便电源对于每个电压域进行优化。这种系统需要从源电池的电压到另一个电压域的高效率电源转换，以优化功耗并从而延长电池寿命。可使用线性稳压器，而不需要电感器，但它们是非常低效的，特别对于大型降低比率。使用用于降压和增压转换的开关转换器用于高效功率传输是理想的，但是，开关功率转换器所需的的分立电感又大又重，对于便携式应用并不理想。另外，对于便携式应用，期望该转换器具有良好的负载瞬态响应并从而快速切换频率。分立电感对于这些应用是不利的，因为他们在高频率易损失。期望电感器体积小、重量轻并具有良好的频率利用效率。

空芯电感器在某种程度上由于高电阻和低电感而具有限制。例如，功率可以被辐射回可影响电磁干扰（EMI）的电厂或地平面。设计者必须集中大量努力以利用高频信号和开关，以减轻EMI的影响。EMI与频率成正比。由于所产生的大电流，印刷电路板（PCB）设计师必须关注EMI影响。辐射功率也是一个问题，因为它可以与未连接到PCB的其它电路产生干扰。

此外，当在集成电路管芯（“IC”）中制造时，空气芯电感器的小电感和高电阻是效率不高，由于包装的热限制，这导致用户限制可使用功率。芯片上的功耗限制了可被提供给片上电感器的功率。这些影响可限制其中可使用空气芯IC电感器的应用。

向电感器增加磁芯以增加绕组电感和功率转换效率，导致较低的电感峰值电流、降低功耗以及对其他组件的减少干扰。它可以导致在驱动信号之间使用较低的切换频率。另外，磁通更受磁芯的限制，该磁芯限制与磁芯电感器共同位于的电路元件的EMI破坏。提高单位面积的电感也导致高的能量密度和设备小型化。

基于磁芯的电感器已仅有限成功地用于集成电路晶片。通过在之上或之下增加单一磁性层而使用一般平面螺旋线圈。对于这些实现，通过空中芯螺旋电感的增强是非常有限的，至多100％。为了实现所需电感，它占有相当大的芯片面积。与电源开关电路的大小不匹配使得整合在经济上不可行。当在集成电路芯片上布局，基于磁芯的电感器往往会占据郊区面积，其干扰制造较小芯片的设计尝试。当设计者试图找到配置以允许该集成电路安装在更大组件（例如，印刷电路板（PCB））上时，该布局问题变得加剧。没有已知的电感器配置充分满足这些设计需求。

附图说明

图1是根据本发明实施例的集成电路的示意图。

图2示出了根据本发明实施例的集成电路的示例性的电介质层。

图3是根据本发明的一个实施例应用具有集成电路的示例性电路。

图4是根据本发明实施例的集成电路的剖视图。

图5-9示出了根据本发明各种实施例的电感器和磁芯的配置。

图10是根据本发明另一实施例的集成电路的剖视图。

具体实施方式

本发明的实施例可提供具有在第一IC上提供的半导体管芯（die）和在第二IC层上制造的电感器的一种集成电路。电感器可以具有绕组和磁芯，其被定向成与平行于半导体管芯的表面的方向传导磁通。该半导体管芯可以具有装配在管芯的第一层中并电感层下提供的有源电路元件。该集成电路可以包括在与第一层相对的管芯一侧上提供的磁通导体。该集成电路还可以包括多个芯片连接器（诸如，焊球），以将集成电路装入芯片级封装（CSP）配置中的较大结构（例如，PCB），以减少设备所需要的PCB面积，从而使它们更加紧凑和较轻重量。必要时，PCB连接到半导体管芯上的有源元件可通过电感层进行。

该磁芯可以是周围设置绕组的实心棒。可替换地，所述磁芯可以由多个磁性棒的形成，该磁性棒由电介质隔离层隔离于围绕磁性棒集合提供的绕组。在进一步的实施例中，磁芯可以被提供为一对磁芯，绕组提供在第一子绕组中的第一磁芯周围并然后延伸并缠绕第二磁芯。