(57)【要約】  集積回路ダイシステムが、第１の集積回路ダイ、第２の集積回路ダイ、及び、誘電体（例えばクォーツ）上に形成され、第１の集積回路ダイと第２の集積回路ダイとの間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続される変圧器を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路システムであって、
その上に形成される第１の集積回路を有する第１の集積回路ダイ、
その上に形成される第２の集積回路を有する第２の集積回路ダイ、及び
誘電体基板上に形成され、前記第１の集積回路と前記第２の集積回路との間に電気的に接続される変圧器、
を含む、集積回路システム。
【請求項２】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記誘電体基板がクォーツ基板を含む、集積回路システム。
【請求項３】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記誘電体基板がガラス基板を含む、集積回路システム。
【請求項４】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記変圧器が空心変圧器を含む、集積回路システム。
【請求項５】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記変圧器が磁心を含む、集積回路システム。
【請求項６】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記第１の集積回路ダイ及び前記第２の集積回路ダイが前記誘電体基板に取り付けられる、集積回路システム。
【請求項７】
請求項１に記載の集積回路システムであって、前記第１の集積回路がそれに関連付けられる５ｋＶより高い又は５ｋＶに等しい電圧を有する、集積回路システム。
【請求項８】
集積回路システムであって、
クォーツ基板、
前記クォーツ基板に取り付けられ、その上に形成される第１の集積回路を有する第１の集積回路ダイであって、前記第１の集積回路がそれに関連付けられる第１の電圧を有する、前記第１の集積回路ダイ、
前記クォーツ基板に取り付けられ、その上に形成される第２の集積回路を有する第２の集積回路ダイであって、前記第２の集積回路がそれに関連付けられる第２の電圧を有し、前記第２の電圧が前記第１の電圧より低い、前記第２の集積回路ダイ、及び
前記クォーツ基板上に形成され、前記第１の集積回路と前記第２の集積回路との間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続される変圧器システム、
を含む、集積回路システム。
【請求項９】
請求項８に記載の集積回路システムであって、前記第１の集積回路ダイ及び前記第２の集積回路ダイが前記クォーツ基板上に形成される、集積回路システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の集積回路システムであって、前記第１の電圧が５ｋＶより高い又は５ｋＶに等しい、集積回路システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の集積回路システムであって、前記変圧器システムが相互巻型（inter-wound）変圧器を含む、集積回路システム。
【請求項１２】
請求項８に記載の集積回路システムであって、前記変圧器システムが積層変圧器を含む、集積回路システム。
【請求項１３】
請求項８に記載の集積回路システムであって、前記変圧器システムが、前記第１の集積回路と前記第２の集積回路との間にマルチチャネル信号通信を提供するように複数の相互巻型変圧器を含む、集積回路システム。
【請求項１４】
請求項８に記載の集積回路システムであって、
前記第１の集積回路が、前記第１の集積回路によって生成されるデータをエンコードし、前記エンコードされたデータを前記変圧器を介して前記第２の集積回路に伝送する、第１のエンコーダ／デコーダを含み、
前記第２の集積回路が、前記第１の集積回路によって伝送された前記エンコードされたデータをデコードし、前記第２の集積回路による利用のために前記データを抽出する、第２のエンコーダ／デコーダを含む、
集積回路システム。
【請求項１５】
集積回路システムを形成する方法であって、
その上に形成される第１の集積回路を有する第１の集積回路ダイを提供すること、
その上に形成される第２の集積回路を有する第２の集積回路ダイを提供すること、及び、
誘電体基板上に形成される変圧器システムを、前記第１の集積回路と前記第２の集積回路との間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続すること、
を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記誘電体基板がクォーツを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記第１の集積回路ダイシステム及び前記第２の集積回路ダイシステムが前記クォーツ基板に取り付けられる、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、前記変圧器システムが相互巻型変圧器を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、前記変圧器システムが積層変圧器を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、前記変圧器システムが、前記第１の集積回路と前記第２の集積回路との間にマルチチャネル信号通信を提供するように複数の相互巻型変圧器を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気システムにおけるガルバニック絶縁に関し、具体的には、誘電体（例えばクォーツ又はガラス）基板上のガルバニック絶縁の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
システム及びユーザの両方を保護するためのガルバニック絶縁を組み込むために、異なる接地基準を有する又は電流サージを生成する能力を有するシステムを含む任意の電気システムが求められている。
【０００３】
集積回路用のガルバニック絶縁は、例えば５ｋＶなどの、高ターゲット絶縁電圧に対して２つのシステムを電気的に絶縁するが、異なる接地電位にあるシステム間でデータを伝送する、デバイスを必要とする。２つのシステム間のガルバニック絶縁を提供するために利用可能なソリューションがいくつか存在する。１つのソリューションは、互いに絶縁されるダイ間に変圧器を用いるマルチダイ方式であり、１つのダイシステム上に生成される短いパルスが、変圧器を越えて伝送されて第２のダイシステムによって復号される。別のソリューションは上述のソリューションと同様であるが、２つのダイシステムを絶縁するために変圧器ではなくキャパシタを用いる。さらに別のソリューションは光結合を使い、これによって、１つのダイシステム上の発光ダイオード（ＬＥＤ）が光を放出し、第２のダイシステム上のフォトダイオードがその光を検出し、対応する電流を生成する。
【０００４】
図１はマルチダイ・ガルバニック絶縁設計１００を示す。設計１００は、単一シリコン基板１０４上に形成される変圧器１０２を用いて、第１のシリコンダイ１０８上に形成される第１の集積回路１０６と、第２のシリコンダイ１１２上に形成される第２の集積回路１１０との間にガルバニック絶縁を作成する。図１は、第１の集積回路１０６と第２の集積回路１１０との間に、ワイヤボンド１１４によって接続される変圧器１０２を示し、ワイヤボンド１１４は、第１のシリコンダイ１０８及び第２のシリコンダイ１１２を「変圧器」基板１０４に電気的に接続する。変圧器１０２の巻線間に形成される誘電体１１６（図１内に概略的に図示）は、第１の集積回路１０６と第２の集積回路１１０との間の電圧差を隔てるのに充分な厚さでなければならない。図１の集積回路システム１００では、データを伝送するために、第１の集積回路１０６内に含まれるアナログ又はデジタル・エンコーダ／デコーダが、第１の集積回路１０６によって生成されるデータを受け取り、これをエンコードし、変圧器１０２を横切って伝送する。例えば、非常に短い矩形パルス又は高周波のＲＦ周波数搬送正弦波を介して、変圧器を横切って電圧又は電流を伝達するために用いる既存の方法がいくつかある。第２の集積回路１１０に含まれるアナログ又はデジタル・エンコーダ／デコーダが、伝送されたエンコード・データを検出し、それらをデコードし、第２の集積回路１１０が使用するためのデータを抽出する。
【０００５】
半導体ＩＣ業界で一般的に用いられる集積回路（ＩＣ）変圧器には、相互巻型（inter-wound）平面タイプと積層タイプの２つの基本タイプがある。相互巻型タイプは単一金属層を用い、巻線はレイアウト設計に基づいて分離される。積層タイプは、２本の巻線内の電圧差を隔てるのに充分な距離だけ分離された二層の金属を用いる。
【０００６】
例えば、関連付けられた５ｋＶ等の絶縁ターゲット電圧より高い又はこれに等しい電圧を有するＩＣのガルバニック絶縁を提供するには、少なくとも４つのタイプの絶縁、すなわち、巻線間絶縁、巻線対基板絶縁、ボンドワイヤ間絶縁、及びダイ間絶縁、が必要である。巻線間絶縁のための最小距離は、巻線間に使用される絶縁体の絶縁耐力から決定される。下記表１は、半導体のプロセス及びパッケージ業界で一般に用いられるいくつかの誘電材料と５ｋＶの絶縁に必要な距離の概要を示している。典型的に、誘電体の品質及び均一性における差異を安全に提供するために、実際のデバイスで用いられる距離はさらに長くなっている。
【表１】
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【０００７】
巻線対基板絶縁のための最小距離は、積層変圧器と相互巻型変圧器とで異なって決定される。積層変圧器の場合、高電圧側は頂部金属層内にあり、この金属層は、意図的に、基板に対する誘電破壊を避けるために基板から充分な距離に配置される。しかしながら相互巻型変圧器の場合、金属層、すなわち変圧器の両方の巻線、は、絶縁電圧で誘電破壊が生じないようにシリコン基板から充分な距離を置かなければならない。この距離は表１に示した距離と同様であり、金属層と基板との間の材料スタックに依存する。
【０００８】
ボンドワイヤ間の間隔は、最終パッケージに注入される成形化合物によって決定される。典型的な化合物は、１５Ｖ／μｍの所望の絶縁耐力を有するＳｕｍｉｔｏｍｏ  Ｇ７００シリーズの成形化合物であってよい。ボンドパッドとワイヤとの間の間隔は、成形化合物内に破壊が決して生じない充分な距離でなければならない。成形化合物は、パッケージ内のすべての材料のうちで良好に制御されることが最も少ない材料であり、そのため、変動が多すぎる場合がある。
【０００９】
ダイ間破壊電圧は、成形化合物を通じて同様に定義される。典型的に、集積回路は、銅リードフレーム上のシリコン基板上に構築され、これは、２つのシリコンダイを同じダイ取付けパッド（ＤＡＰ）上に取り付けることが不可能であることを意味する。そのため、間にその後成形化合物で充填される空間がある、２つのＤＡＰリードフレームを用いることになる。ワイヤボンドと同様に、２つのＤＡＰ間の距離は、定格絶縁耐電圧を超えるのに充分な距離でなければならない。
【発明の概要】
【００１０】
本明細書において請求される対象の一実施形態において、集積回路システムが、その上に形成される第１の集積回路を有する第１の集積回路ダイ、その上に形成される第２の集積回路を有する第２の集積回路ダイ、及び誘電体基板（例えばクォーツ又はガラス）上に形成され、第１の集積回路と第２の集積回路との間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続される変圧器を含む。
【００１１】
本明細書において請求される対象の別の実施形態において、集積回路システムが、クォーツ又はガラスの基板、基板に取り付けられ、それに関連付けられる第１の電圧を有する第１の集積回路ダイシステム、基板に取り付けられ、それに関連付けられる、第１の電圧より低い第２の電圧を有する第２の集積回路ダイシステム、及び、基板上に形成され、第１の集積回路ダイシステムと第２の集積回路ダイシステムとの間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続される変圧器を含む。
【００１２】
本明細書において請求される対象の別の実施形態において、集積回路システムを形成する方法が、その上に形成される第１の集積回路を有する第１の集積回路ダイを提供すること、その上に形成される第２の集積回路を有する第２の集積回路ダイを提供すること、及び、誘電体基板（例えばクォーツ又はガラス）上に形成される変圧器を、第１の集積回路と第２の集積回路との間にガルバニック絶縁を提供するようにそれらの間に電気的に接続することを含む。
【００１３】
本明細書で開示される対象の様々な態様の特徴及び利点は、請求される対象の概念が用いられる例示的実施形態を示す、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮することで、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】２つの集積回路間にガルバニック絶縁を提供するための変圧器の利用を示すブロック図である。
【００１５】
【図２】２つの集積回路間にガルバニック絶縁を提供するための誘電体基板上に形成される変圧器の利用を示すブロック図である。
【００１６】
【図３】クォーツ基板上に形成される相互巻型変圧器を示す概略レイアウト図である。
【００１７】
【図４】図３の相互巻型変圧器の断面を示す概略図である。
【００１８】
【図５】シリコン基板上とクォーツ基板上の相互巻型変圧器の周波数全体に関するＱ値の変化の比較を示すグラフである。
【００１９】
【図６】２つのマルチチャネル集積回路間にガルバニック絶縁を提供するために複数の相互巻型変圧器を利用するマルチチャネル・システムの一実施形態を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
前述のように、高電圧、例えば５ｋＶに等しい又は５ｋＶより大きい電圧レベル、のガルバニック絶縁のための典型的な集積回路変圧器プロセスは、基板へのリーク又は誘電破壊を避けるために、（相互巻型又は積層）変圧器の高電圧巻線が半導体（例えばシリコン）ウェハ基板の上の充分な距離にあることが要求される。その結果、かなりの追加のプロセス及びコストが生じる。本明細書で開示及び請求される対象は、或るプロセスを提供し、そのプロセスにより、１つ又は複数の金属層内であるがシリコンウェハではなくクォーツウェハの上に、ガルバニック絶縁変圧器が作成され得る。クォーツは、二酸化ケイ素と同様に誘電絶縁体であり、そのため、変圧器の高電圧巻線から基板に対する破壊が除去されることを意味する。
【００２１】
図２は、誘電体基板２０４上に形成され、第１の半導体（例えばシリコン）ダイ２０８上に形成される第１の集積回路２０６と第２の半導体（例えばシリコン）ダイ２１２上に形成される第２の集積回路２１０との間に接続される変圧器２０２を含む、集積回路システム２００を示す。一実施形態において、第１の半導体ダイ２０８及び第２の半導体ダイ２１２の双方も誘電体基板２０４上に形成される。誘電体基板２０４は、クォーツウェハ、或いはガラスウェハ又はそのバージョン、例えば、パイレックス、ソーダ石灰、ホウケイ酸ガラス、又はアルミナホウケイ酸ガラス、など任意の絶縁ウェハを含んでもよいが、これらに限定されない。第１の集積回路２０６は、例えば５ｋＶに等しい又はそれより高い、それに関連付けられる第１の電圧を有し、第２の集積回路２１０は、それに関連付けられる、第１の電圧より低い第２の電圧を有する。図２は、変圧器２０２を第１の集積回路２０６と第２の集積回路２１０との間に電気的に接続するワイヤボンド２１４を示す。図２の集積回路システム２００では、データを伝送するために、第１の集積回路２０６に含まれるアナログ又はデジタル・エンコーダ／デコーダが、第１の集積回路２０６によって生成されるデータを受け取り、これをエンコードし、非常に短い矩形パルス又は高周波数搬送波のいずれかを用いて変圧器１０２を横切ってこれを伝送し、第２の集積回路２１０に含まれるアナログ又はデジタル・エンコーダ／デコーダが、これらのパルスを検出し、それらをデコードし、第２の集積回路２１０による利用のためデータを抽出する。
【００２２】
図２に示す集積回路システム設計は、パッケージ内部の２つのダイ取付けパドル(ＤＡＰ)を用いて実装され得る。ＤＡＰはダイのサポートとして働く。しかしながらその結果、金属の単一レベルのみが利用可能な場合にワイヤボンドが困難となり、コストが高くなる。したがって図２の設計は、単一クォーツ基板２０４上に全体が形成されるシステムを示す。第１のシリコンダイ２０８及び第２のシリコンダイ２１２は、ボンド接着材を用いてクォーツ基板２０４に取り付けられる。クォーツをシリコンに、又は、例えばＣｕを用いて、金属板に、ボンドするために当業者に周知のボンド接着材を用いることが可能であり、金属板がパターニングされ得、その後金属板とシリコンとの間がボンドされ、これはより標準的な手法である。集積回路システム全体をクォーツ基板上に形成することの利点には、これらに限定されないが、３つの回路間の絶縁が達成されること、パッケージ内部に単一ＤＡＰを利用することが可能であり、それによりパッケージ設計が簡略化されること、ＤＡＰは導電性又は非導電性のいずれか、最も低コストのものとすることが可能であること、クォーツ上の銅相互接続のローカル・ルーティングを使用することが可能であり、それによりＤＡＰからリードフレームへのワイヤボンディングのためのボンドパッドの最適な配置が可能となること、パッケージ内で複数のＤＡＰを使用することに比してダイのパッケージングがタイトであること、２つのシリコンダイをクォーツ基板の表面上に画定された銅パッドにバンプ（パッドは金属バンプである）、フリップチップ、及びボンドすることも可能であり、それによりワイヤボンドの数が低減され、それに関連する寄生が低減されること、が含まれる。
【００２３】
変圧器２０２は、単一金属層とレイアウト設計に基づいて誘電材料によって分離された巻線とを用いる相互巻型タイプ、又は２つの巻線間の電圧差を隔てるのに充分大きな距離だけ誘電材料によって分離された二層の金属を用いる積層タイプのいずれかであってよい。相互巻型変圧器タイプ及び積層変圧器タイプのどちらにおいても、誘電材料は、上記表１で識別された誘電材料（しかしこれらに限定されない）から選択されてよい。本明細書で説明する変圧器は空心変圧器であるが、当業者であれば、本明細書において開示する概念を磁心を備える変圧器にも適用し得ることを理解されよう。
【００２４】
図３は、クォーツ基板３０２上に形成される相互巻型変圧器３００を示す。ワイヤボンド３０４が、第１の半導体ダイ上に形成される（例えば、それに関連付けられる５ｋＶに等しい又はそれより高い電圧を有する）高電圧集積回路と、相互巻型変圧器３００の銅高電圧巻線３０６との間の電気接続を提供する。ワイヤボンド３０８が、第２の半導体ダイ上に形成される「低」電圧集積回路と、相互巻型変圧器３００の銅低電圧巻線３１０との間の電気接続を提供する。前述のように、銅高電圧巻線３０６及び銅低電圧巻線３１０は、レイアウト設計に基づく最小巻線分離厚さを有する誘電体、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、によって分離される。ＢＣＢを用いる一実施形態において、変圧器巻線の銅金属幅は２０μｍであってよく、巻線間の間隔は２５μｍであってよく、巻線の厚さは、７／７巻き（図３の概略図では図示せず）、外寸２１００×２１００μｍ、及び内寸８００×８００μｍを有する変圧器内で５μｍであってよい。図４は、銅高電圧巻線３０６の巻きと銅低電圧巻線３１０の巻きとを分離する１０μｍ厚さのＢＣＢ層を備えた、図３の相互巻型変圧器３００の断面を示す。
【００２５】
図３及び図４に示す相互巻型平面変圧器３００の実施形態のプロセス態様は、銅高電圧巻線３０４と銅低電圧巻線が、当業者に周知の技法に従ってクォーツ基板３０２上に直接めっき又は堆積され得るため、有利である。応力及びウェハ反りが非常に良好であるのと同様、クォーツへの銅接着は非常に良好である。前述のように、クォーツが絶縁体であるため基板３０２に対する誘電破壊は生じない。クォーツの絶縁耐力は２５〜４０Ｖ／μｍであり、これは、７５０μｍ（又はそれより厚い）厚さのクォーツ基板の場合、基板への早期破壊がないことを意味する。クォーツがパッケージングされ得る前に、ウェハは、例えば１６ミルまで、薄化され、基板への破壊電圧が、評価された絶縁レーティングを上回って維持されるように注意を払うべきである。
【００２６】
クォーツ基板を使用することの更なる利点は周波数ドメインにあり、ここで、インダクタに用いられる一般的な良度指数は、「Ｑ値」と呼ばれ、虚部インピーダンスと実部インピーダンスの比として定義される。シリコン基板上に形成されるインダクタ又は変圧器では、周波数が上昇するとシリコン基板内に渦電流が発生する。これは、シリコン内の集積スパイラル・インダクタにおける良く知られた現象である。クォーツ基板の利用により、渦電流の存在が効果的に除去され、インダクタ又は変圧器がその最大可能周波数応答を得ることが可能となる。その結果、最大Ｑが大幅に増加する。（当業者であれば、クォーツ基板上に形成される変圧器に関して本明細書で開示する概念及び対象を、クォーツ基板上に形成されるインダクタに等しく適用し得ることに留意されたい。）
【００２７】
図５は、図３及び図４に示したクォーツ上の相互巻型変圧器３００の周波数応答を示す。前述のように、この設計では、金属は５μｍ厚さの銅であり、スパイラルに対して７つの巻線があり、金属幅は２０μｍ、金属間間隔は２５μｍである。金属はパッシベーション層として１０μｍ厚さのＢＣＢ層で覆われる。図５に示すように、７０ＭＨｚの周波数を達成するシリコンウェハ上の同じ設計に比し、クォーツ基板は周波数４００ＭＨｚで最大Ｑを達成する。シリコンウェハの１０に比し、クォーツ基板の最大Ｑも、図５において１９と、ずっと高い。
【００２８】
図６はマルチチャネル実施形態を示し、ここでは、高電圧シリコンダイ及び低電圧シリコンダイが、４つの相互巻型変圧器と共に、クォーツ基板にボンディングされる。図６では、変圧器は相互巻型八角形設計として示しているが、他の混交設計（例えば図３及び図４に示した設計）又は積層設計も利用可能である。クォーツ上での銅のローカル・ルーティングを利用して、高電圧ダイと低電圧ダイとの間で４つの相互巻型変圧器が相互接続される。図６の実施形態では、４つの変圧器を４４リードＰＬＣＣパッケージに組み込むことができる。これにより、ボンドワイヤ用の金属パッドを、クォーツ基板の端部周辺に分散させ、ローカル銅相互接続を用いて変圧器に接続させることができる。共通のクォーツ基板と、ワイヤボンドパッドを分散させるようクォーツ上で相互接続される銅のローカル・ルーティングとを用いなければ、このマルチチャネル設計を４４リードＰＬＣＣパッケージに適合することはできない。
【００２９】
本明細書で説明された特定の実施形態は例として提供されたものであり、当業者であれば、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物で表されるような請求された対象の範囲から逸脱することなく、他の改変が想起可能であることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2013538442.tif 000011
2013538442.tif 000012