[发明专利]电隔离变压器

说明书

技术领域

本发明关于电气系统中的电隔离，并且，尤其关于在电介质（例如石英，或者玻璃）衬底上的电隔离变压器的构成。

背景技术

具有不同接地参考，又或具有产生冲击电流能力的任何电气系统需要加入电隔离以保障系统和使用者的安全。

集成电路的电隔离要求器件把两个系统电气隔离开在高目标隔离电压，例如5千伏，但要求在不同的接地电位的系统之间进行数据传输。有很多提供两系统之间电隔离的解决方法存在。一种是多管芯的方法，该方法在要彼此隔离的管芯之间利用变压器；在一个管芯系统上产生的短脉冲经过变压器传输以供第二个管芯系统解码。另一种解决方法类似刚才所述，只是使用电容器取代变压器来隔离两个管芯系统。然而还有一种解决方法就是采用光耦合，其通过一个管芯系统上的发光二极管（LED）发射光和第二个管芯系统上的光电二极管检测光并产生相应的电气电流。

图1示出多管芯电隔离的设计100，其利用在单个硅衬底104上形成的变压器102以在第一个硅管芯108上形成的第一集成电路106和第二个硅管芯112上形成的第二集成电路110之间产生电隔离。图1示出在第一集成电路106和第二集成电路110之间通过焊线114连接的变压器102，该焊线114电气相连第一个硅管芯108和第二个硅管芯116到“变压器”的衬底104。在变压器102各绕组之间形成的电介质116（如图1示意显示）必须足够厚以抵挡第一个集成电路106和第二个集成电路110之间的电压差。在图1的集成电路系统100中，为传输数据，被包括在第一个集成电路106里的模拟或者数字编码/解码器获取第一集成电路106产生的数据，对其编码，并将其传输通过变压器102。用于传输电压/电流通过变压器有很多现有方法，例如，很短的方波脉冲，或者通过高频射频载波正弦波。包括在第二个集成电路110里的模拟或者数字编码/解码器检测传输到的经过编码的数据，对其解码并提取数据以供第二个集成电路110使用。

通常用于半导体IC工业的集成电路变压器有两种基本类型:内绕线平面型和堆叠型。内绕线型采用单金属层，并且各绕组因布局设计而分开。堆叠型采用两层金属，所述两层金属之间分开足够大以抵挡两绕组之间的电压差的距离。

为了提供电隔离，例如，具有大于或等于隔离目标电压（例如5千伏）的电压的集成电路（IC）的电隔离，则至少需要四种类型隔离的方法：绕组到绕组隔离，绕组到衬底隔离，焊线到焊线隔离，以及管芯到管芯隔离。绕组到绕组隔离方式的最小距离由各绕组之间所使用的绝缘体的介电强度来决定。下方表格1提供了在半导体加工和封装工业中普遍使用的几种介电材料和隔离5千伏电压所需的距离的一览。通常情况下，考虑到电介质质量的不同和不均匀性，为了安全，在实际器件里使用的距离会更大。

表1

对于堆叠式变压器和内绕线变压器，绕组到衬底隔离方式的最小距离以不同方式确定。对于堆叠式变压器，高电压侧在顶金属层，通过设计，该顶金属层位于距衬底足够远的距离以避免电介质击穿到衬底。然而，对于内绕线变压器来说，金属层，即变压器的两绕组，都必须离硅衬底有足够的距离以使在隔离电压下不会发生电介质击穿。这个距离类似于表格1所示的距离并取决于金属层和衬底之间的材料堆叠。

焊线到焊线的间距是由最后封装注入的模塑料或模塑化合物决定。通常的模塑料可以是所列出的介电强度为15V/μm的Sumitomo G700系列的模塑料。焊垫片或盘和线路间的间距必须足够大以保证在模塑料里面永远不会发生击穿。模塑料是封装里面的所有材料中最不好控制的，因此，会带来很多的变化。

管芯到管芯的击穿电压类似地由模塑料限定。一般来说，集成电路是建立在铜引线框架上的衬底上，这意味着两个硅管芯不能同时放在相同的管芯粘接垫上（DAP）。这迫使使用具有间距的两个DAP引线框架，该间距之间随后被填充模塑料。同样的对于焊线来说，两个DAP之间的距离必须足够大以超过额定的电介质耐受电压。

发明内容

在本文要求保护的主题的一个实施例中，集成电路系统包含第一集成电路管芯或裸芯，所述第一集成电路管芯具有形成在其上的第一集成电路；和第二集成电路管芯或裸芯，所述第二集成电路管芯具有形成在其上的第二集成电路；以及在电介质衬底（例如石英或者玻璃）上形成的并且电气连接在第一集成电路和第二集成电路之间以提供其间电隔离的变压器。