Grundstruktur und Funktionsprinzipien integrierter Induktoren
Während sich elektronische Geräte weiter in Richtung Miniaturisierung und höher entwickeln Aufgrund der Integration können herkömmliche diskrete Induktivitäten die Anforderungen von System-on-Chip- (SoC) und System-in-Package- (SiP) Lösungen nicht mehr erfüllen. Integrierte Induktoren werden als aufkommende Induktortechnologie nach und nach zu Schlüsselkomponenten in integrierten Hochfrequenzschaltkreisen und integrierten Schaltkreisen für das Energiemanagement.
Definition und Klassifizierung integrierter Induktoren
Integrierte Induktoren beziehen sich auf induktive Komponenten, die direkt auf Halbleiterchips oder in Verpackungssubstraten hergestellt werden, sodass keine externen Komponenten erforderlich sind diskrete Komponenten, um induktive Funktionalität zu erreichen. Basierend auf Herstellungsprozessen und Integrationsorten werden integrierte Induktoren hauptsächlich in die folgenden Kategorien eingeteilt:
- On-Chip-Induktivitäten:
- Direkt auf Halbleiterchips unter Verwendung von Standard-CMOS-Prozessen hergestellt
- Nutzen Sie die metallischen Verbindungsschichten des Chips, um spiralförmige oder andere Leiterstrukturen zu bilden
- Vollständig in den Chip integriert, erfordert keinen zusätzlichen Bauraum
- In-Package-Induktivitäten:
- Hergestellt innerhalb oder auf der Oberfläche von Chip-Verpackungssubstraten
- Nutzen Sie die Metallschichten des Verpackungssubstrats zur Bildung induktiver Strukturen
- Gleichzeitig mit dem Chip verpackt, jedoch nicht im Chip selbst
- MEMS-Induktivitäten:
- Hergestellt mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS).
- Kann dreidimensionale und schwebende Strukturen realisieren
- Typischerweise mit höheren Q-Faktoren und überlegener Leistung
- Substrat-eingebettete Induktoren:
- Eingebettet in PCB- oder Keramiksubstrate
- Nutzen Sie die mehrschichtige Struktur des Substrats zur Bildung von Induktoren
- Kann relativ große Induktivitätswerte und eine höhere Belastbarkeit erreichen
Grundstrukturen integrierter Induktoren
Das strukturelle Design integrierter Induktoren wirkt sich direkt auf deren Leistungsparameter aus. Zu den gängigen integrierten Induktorstrukturen gehören:
1. Planare Spiralstrukturen
Planare Spiralstrukturen sind die häufigste Form integrierter Induktoren und umfassen hauptsächlich:
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Quadratische Spiralen:
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Einfache Struktur, einfache Herstellung
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Magnetfeldkonzentration an den Ecken, dadurch höhere Verluste
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Hohe Raumnutzungseffizienz
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Kreisförmige Spiralen:
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Gleichmäßige Magnetfeldverteilung, geringere Verluste
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Höhere Komplexität des Herstellungsprozesses
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Q-Faktor typischerweise höher als bei quadratischen Spiralen
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Achteckige Spiralen:
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Vereint die Vorteile von quadratischem und kreisförmigem Design
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Einfache Implementierung in Standard-CMOS-Prozessen
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Gute Balance zwischen Leistung und Flächeneffizienz
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Polygonale Spiralen:
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Anzahl der Seiten kann je nach Bedarf optimiert werden
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Kann für bestimmte Anwendungen eine bessere Leistung erzielen
2. Mehrschichtige gestapelte Strukturen
Mehrschichtige gestapelte Strukturen nutzen mehrere Metallschichten des Chips oder Gehäuses, um dreidimensionale Induktorstrukturen zu bilden:
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Serie Stapeln:
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Mehrere spiralförmige Induktorschichten, die in Reihe geschaltet sind
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Kann größere Induktivitätswerte erreichen
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Höhere parasitäre Kapazität
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Parallele Stapelung:
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Mehrere parallel geschaltete spiralförmige Induktorschichten
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Reduziert den Gleichstromwiderstand
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Geeignet für Hochstromanwendungen
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Symmetrische Stapelung:
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Entgegengesetzte Spiralrichtungen in der oberen und unteren Schicht
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Reduziert parasitäre Kapazitäten
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Verbessert die Eigenresonanzfrequenz
3. Aufgehängte Strukturen
Aufgehängte Strukturen werden hauptsächlich in MEMS-Induktoren verwendet und erzeugen aufgehängte Leiterstrukturen durch Mikrofabrikationstechniken:
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Aufgehängte Spiralen:
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Reduzierte Kopplung mit dem Untergrund
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Geringere Substratverluste
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Verbesserter Q-Faktor
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Dreidimensionale Magnetspulen:
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Magnetstrukturen senkrecht zur Chipoberfläche
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Magnetische Flussrichtung senkrecht zum Substrat
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Reduzierte Wirbelstromverluste
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Toroidstrukturen:
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Geschlossener Magnetkreis, minimale Magnetfeldstreuung
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Komplexe Struktur, schwierig herzustellen
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Hervorragende EMI-Leistung
Funktionsprinzipien und physikalische Mechanismen
Das Funktionsprinzip integrierter Induktoren ist identisch mit herkömmlichen Induktoren und basiert auf dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Aufgrund ihrer mikroskaligen Abmessungen und der einzigartigen integrierten Umgebung weisen ihre physikalischen Mechanismen jedoch einige besondere Merkmale auf.
1. Elektromagnetischer Induktionsmechanismus
Wenn Strom durch die Leiterstruktur eines integrierten Induktors fließt:
- Um den Leiter herum wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen magnetische Flussdichte proportional zum Strom ist
- Wenn sich der Strom ändert, ändert sich entsprechend das Magnetfeld
- Das sich ändernde Magnetfeld induziert im Leiter eine gegenelektromotorische Kraft
- Diese gegenelektromotorische Kraft wirkt Änderungen im Strom entgegen und manifestiert sich als induktive Eigenschaften
2. Verlustmechanismen
Die Verlustmechanismen in integrierten Induktoren sind komplexer als in herkömmlichen Induktoren:
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Leiterverluste:
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DC-Widerstandsverluste (I²R)
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Skin-Effekt-Verluste (Stromkonzentration auf der Leiteroberfläche bei hohen Frequenzen)
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Verluste durch Proximitätseffekte (gegenseitige Beeinflussung von Strömen in benachbarten Leitern)
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Substratverluste:
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Kapazitive Kopplungsverluste (kapazitive Kopplung zwischen Leitern und Substrat)
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Wirbelstromverluste (Magnetfeld induziert Wirbelströme im Substrat)
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Verschiebungsstromverluste (Wechselstrom durch Substratkapazität)
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Strahlungsverluste:
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Strahlungsverluste elektromagnetischer Wellen (erheblich bei hohen Frequenzen)
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Bezogen auf Induktorgröße und Betriebsfrequenz
3. Ersatzschaltbild
Das Ersatzschaltbild für integrierte Induktoren umfasst typischerweise:
- Hauptinduktivität L: idealer Induktivitätswert
- Serienwiderstand Rs: Stellt Leiterverluste dar
- Parallelkapazität Cp: Stellt die Kapazität zwischen den Windungen und die Erdungskapazität dar
- Substratkapazität Csub und Substratwiderstand Rsub: repräsentieren die Kopplung mit dem Substrat
- Gegeninduktivität M: Stellt die magnetische Kopplung mit umgebenden Schaltkreisen dar
Diese Parameter bestimmen gemeinsam die Leistungsmerkmale integrierter Induktivitäten, einschließlich Q-Faktor, Eigenresonanzfrequenz und effektiver Induktivitätswert.
Designherausforderungen und Leistungsbeschränkungen von On-Chip Induktivitäten
On-Chip-Induktivitäten sind induktive Komponenten, die direkt auf Halbleiterchips hergestellt werden. Sie bieten zwar den Vorteil einer hohen Integration, stehen aber auch vor großen Designherausforderungen und Leistungseinschränkungen.
Grundlegender Widerspruch zwischen Größe und Leistung
Die grundlegendste Herausforderung für On-Chip-Induktivitäten ist der Widerspruch zwischen Größe und Leistung.
1. Beziehung zwischen Induktivitätswert und Fläche
Der Induktivitätswert von On-Chip-Induktivitäten hängt eng mit ihrer belegten Fläche zusammen:
- Ungefähre Formel für die Induktivität eines planaren Spiralinduktors:
L ≈ μ₀ × n² × davg × c₁ × ln(c₂/ρ)
Wobei:
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n ist die Anzahl der Windungen
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davg ist der durchschnittliche Durchmesser
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c₁ und c₂ sind formbezogene Konstanten
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ρ ist das Füllverhältnis (Verhältnis von Leiterbreite zu Abstand)
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Einschränkungen der Flächeneffizienz:
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Der Induktivitätswert ist ungefähr proportional zur Fläche
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Ein 1-nH-Induktor benötigt in Standard-CMOS-Prozessen typischerweise eine Fläche von etwa 100 μm × 100 μm
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Induktivitäten mit mehr als 10 nH lassen sich nur äußerst schwer auf dem Chip implementieren
2. Zusammenhang zwischen Q-Faktor und Größe
Der Q-Faktor ist ein Schlüsselindikator für die Bewertung der Induktorleistung, definiert als das Verhältnis von Energiespeicherung zu Energie Verlust:
Q = ωL/R
Für On-Chip-Induktivitäten:
- Der Q-Faktor steigt mit der Induktorgröße
- Kleine Induktoren haben typischerweise sehr niedrige Q-Faktoren (<10)
- Bei demselben Prozess ist der Q-Faktor ungefähr proportional zum Induktordurchmesser
Prozessbeschränkungen und -herausforderungen
Halbleiterherstellungsprozesse erlegen dem On-Chip-Induktordesign mehrere Einschränkungen auf.
1. Einschränkungen der Metallschichtdicke
Metallverbindungsschichten in CMOS-Prozessen sind normalerweise sehr dünn:
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Standard-CMOS-Prozesse:
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Normale Metallschichtdicke: 0,5~1μm
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Dicke der oberen Metallschicht: 2~3μm
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Kupferverbindungen sind etwas dicker als Aluminiumverbindungen
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Auswirkungen der Dicke auf die Leistung:
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Dünne Metallschichten führen zu einem hohen Gleichstromwiderstand
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Der Skin-Effekt erhöht den effektiven Widerstand bei hohen Frequenzen zusätzlich
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Begrenzt die maximale Stromtragfähigkeit des Induktors
2. Regeln für die Metallfülldichte
Moderne CMOS-Prozesse erfordern eine gleichmäßige Metallfülldichte über die Schichten hinweg, um die Planarität bei chemisch-mechanischen Polierprozessen (CMP) sicherzustellen:
- Typische Anforderungen an die Fülldichte: 20 % ~ 80 %
- Auswirkungen auf das Induktordesign:
- Um die Induktoren muss eine Metallfüllung angebracht werden
- Die Metallfüllung erzeugt eine parasitäre Kopplung mit dem Induktor
- Reduziert den Q-Faktor und ändert den Induktivitätswert
3. Einschränkungen bei Designregeln
Designregeln für Halbleiterprozesse legen strenge Einschränkungen für Induktorstrukturen fest:
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Mindestlinienbreite und Abstand:
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Begrenzt die maximale Anzahl an Windungen pro Flächeneinheit
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Beeinflusst den Induktivitätswert und den Q-Faktor
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Abstand der Metallschichten:
– Beschränkt die Leistung von mehrschichtigen gestapelten Induktoren -
Erhöht die parasitäre Kapazität zwischen den Schichten
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Via Rules:
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Begrenzt die Stromdichte in Zwischenschichtverbindungen
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Erhöht den Serienwiderstand
