JP2000082621A - 平面トランス - Google Patents

平面トランス

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JP2000082621A
JP2000082621A JP10252206A JP25220698A JP2000082621A JP 2000082621 A JP2000082621 A JP 2000082621A JP 10252206 A JP10252206 A JP 10252206A JP 25220698 A JP25220698 A JP 25220698A JP 2000082621 A JP2000082621 A JP 2000082621A
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coil
primary
magnetic thin
winding
conductor
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Satoshi Sugawara
聡 菅原
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】スパイラル形状の導体を一対の磁性薄膜で挟ん
だ形の平面トランスにおいて、磁性薄膜間の間隔が狭
く、高効率であり、巻数比の選択が自由で、かつ製造の
容易な平面トランスを提供する 【解決手段】スパイラル形状の一次コイル32aの導体
間に二次コイル32bの導体を配置し、一次コイル32
aと二次コイル32bとをほぼ同一平面上に形成し、絶
縁膜を介して上下の磁性薄膜34a、34bで挟んだ構
造とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気的エネルギー
との変換作用を利用して電気的エネルギーの変換をおこ
なうトランス、特にスパイラル形状の導体を一対の磁性
薄膜で挟んだ形の平面トランスに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、コイル、トランスに代表される電
磁誘導部品の小型化要求が高まってきている。その理由
として、電子情報機器、携帯用各種電子機器の小型軽量
化に伴い、電源の小型軽量化が不可欠となってきている
ことが挙げられる。高品質の電源を得るための電源回路
方式や、その中で用いられる制御用IC、スイッチング
素子、整流素子等の能動素子の技術的進歩が著しい中
で、これら電源回路の中に用いられるコイル、トラン
ス、コンデンサ等の受動素子が占める容積の問題が浮き
彫りにされてきている。特にインダクタやトランス等の
電磁誘導部品は、集積回路と比べると体積が非常に大き
いために、電子機器の小形化を図る上で最大の隘路にな
っている。
【0003】これら磁気誘導部品の小型化に対する今後
の方向としては、鉄心に巻線を施した三次元的な形状で
ある従来のトランスそのままでは無理であり、チップ部
品として限りなく小さくし、面実装により電源全体を小
さくする方向と、シリコン基板上に薄膜で形成する方向
の二つが考えられる。小型化の一方向として、コイル導
体を平面上でスパイラル状に形成し、その上下に磁性薄
膜を施して積層構造とした二次元的な形状とした平面イ
ンダクタと称する薄膜インダクタが特開平2−2756
06号公報に開示されている。
【0004】更に、半導体プロセスの適用により平面的
なコイルをシリコン基板上に形成した例も報告されてい
る。発明者の同僚も先に平面型磁気誘導部品を発明した
[特願平8−149626]。図9(a)は、シリコン
基板上に作製した平面インダクタの一例の構造を示す断
面図である。図9(a)において11はシリコン基板、
12はコイル導体、14a、14bは磁性薄膜、13は
絶縁膜である。20は端子電極であり、19は接続導体
である。図9(b)は、平面インダクタのコイル導体1
2の平面図である。コイル導体12は例えばこのような
角形スパイラル状に形成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】シリコン基板11上に
電磁誘導素子を作製する場合、導体損失を小さくするた
めにコイル導体12の厚さを30μm程度と厚くしなけ
ればならない。従来コイル導体12は、ポリイミド等の
樹脂型内に例えばメッキ法で充填していた。このため、
図9(a)に示すように、コイル導体12およびその上
の絶縁膜13の上面の凹凸が大きくなると、半導体プロ
セスでこの上に上磁性薄膜14bを均一に形成すること
が困難であった。
【0006】同様な方法で平面トランスを作製する場
合、コイル導体は一次巻線と二次巻線との二種類が必要
となる。図10は、コイル導体を二層積層した従来の平
面トランスの断面図である。この図のように、例えば厚
さ30μm程度の二つの一次コイル22a、二次コイル
22bを積層すると、二次コイル22bの上の絶縁膜2
3の上面の凹凸は、図9(a)の平面型インダクタの場
合の約二倍大きくなり、その上に上磁性薄膜24bを形
成しても漏洩磁束が多く、効率の良いトランスとならな
い。
【0007】これを避けるには一次コイル22a、二次
コイル22b、または絶縁膜23の上面を平坦化する工
程が必要となり、工数が増してしまう。更に、コイル導
体を二層化することにより、上下の磁性薄膜24a、2
4bの間隔が大きくなり、このため鉄心の空間が広がる
ことになって、漏れ磁束が増加し、インダクタンスの減
少や結合係数の低下を招くことになる。
【0008】また上磁性薄膜24bを形成する面の大き
な凹凸を避けるためには、一次コイル22aと二次コイ
ル22bとの巻数比を1以外に設定することは困難であ
るという問題もある。このような現状に立脚して、本発
明は集積回路等の半導体装置のチップ上に直接作り込む
に適した構造をもち、しかも一次巻線および二次巻線の
二つのコイルを積層しない構造とすることにより、二つ
のコイルを積層した場合の特性の低下等の問題を解決
し、巻数比の選択が自由で、かつ製造の容易な平面トラ
ンスを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題解決のため本発
明は、スパイラル形状の導体を一対の磁性薄膜で挟んだ
形の平面トランスにおいて、スパイラル形状の一次巻線
の導体間に、一次巻線に平行なスパイラル形状の二次巻
線を配置するものとする。そのようにしてコイルの二層
化を回避することによって、導体上面の凹凸も小さくで
き、その上層に磁性薄膜を形成することが容易となる。
また、導体が一層のみで形成されるため、巻数比の選択
が自由になるとともに、上下の磁性薄膜の間隔の増大を
避けることが可能となる。
【0010】特に、隣接する一次巻線の間に一本の二次
巻線を配置すれば、一次巻線と二次巻線との間の結合係
数を増大させることができる。一次巻線と二次巻線との
巻数が同じであれば、一次電圧と同じ二次電圧のトラン
スとすることができ、一次巻線と二次巻線との巻数が異
なるものとすれば、異なる二次電圧のトランスとするこ
とができる。
【0011】隣接する一次巻線または二次巻線の間にそ
れぞれ複数の二次巻線または一次巻線を配置しても、異
なる二次電圧のトランスとすることができる。一次巻線
と二次巻線とをほぼ同一平面上に同じ金属層で形成する
ものとする。そのようにすれば、金属層を形成する工程
が一つで済む。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、実施例の図を参照しながら
本発明の実施の形態を詳細に説明する。 [実施例1]図1(a)は、本発明第一の実施例(以下
実施例1と記す。以下同様)の平面トランスのおよそ半
分の部分断面図、図1(b)はコイル導体の配置を示す
平面図である。
【0013】図1(a)において、シリコンウェハ31
上にポリイミドからなる絶縁膜33aを介して、CoH
fTaPdの下磁性薄膜34aが積層されており、その
下磁性薄膜34aを覆うポリイミドからなる絶縁膜33
bの上に、一次コイル32aと二次コイル32bとが形
成されている。図では、一次コイル32aと二次コイル
32bとの断面が交互に見られ、それらのコイル32
a、32b間にそれらを絶縁するポリイミドの中間絶縁
膜36が見られる。一次、二次コイル32a、32bと
中間絶縁膜36との上には、ポリイミドの絶縁膜33c
を介してCoHfTaPdの上磁性薄膜34bが積層さ
れ、更にその上をポリイミドの絶縁膜33dが覆ってい
る。39a、39bはそれぞれ、コイル導体32a、3
2bと端子電極40a、40bとを接続するリードであ
る。図示されない右側部分は、中心線A−Aについてほ
ぼ対称である。
【0014】図1(b)に見られるように、一次コイル
32aと二次コイル32bとは、共に5ターンの正方形
スパイラルであり、一次コイル32aの導体の間に二次
コイル32bの導体が配置されている。40a、40b
はそれぞれ一次コイル32a、二次コイル32bの端子
電極である。この実施例1の平面トランスは、一次コイ
ル32aと二次コイル32bとをほぼ同一平面上に形成
しているので、従来のようなコイルの二層化が回避さ
れ、コイル導体上面の凹凸も小さく、その上に上磁性薄
膜34bを形成することが容易となる。また、コイル導
体が一層のみで形成されるため、上下の磁性薄膜34
a、34bの間隔の増大および空隙の増加を避けること
が可能となる。
【0015】図10に示した二層コイルのものでは、漏
れ磁束が増加し、インダクタンスの減少および結合係数
の低下を招いたのに比べ、同じ体積の平面トランスとし
たときに、一次コイルおよび二次コイルのインダクタン
スが30%増加した。さらに、結合係数は図10に示し
た二層コイルでは、0.6程度であったが、図1の本実
施例の場合には、0.9以上となった。
【0016】図2(a)〜(f)、図3(a)〜(e)
および図4(a)〜(d)は、実施例1の平面トランス
の製造方法を説明するための製造工程順の部分断面図で
ある。以下、その製造方法について工程順に説明する。
シリコン基板(直径4インチ)31上に絶縁膜33aと
してポリイミドを3μm塗布し、キュアする[図2
(a)]。
【0017】CoHfTaPdの下磁性薄膜34aをス
パッタ法で3μm成膜する[同図(b)]。ポジ型フォ
トレジスト30を塗布しパターンを形成する[同図
(c)]。フォトレジスト30をマスクとして王水で下
磁性薄膜34aのエッチングをおこなった後、アセトン
に浸漬してフォトレジスト30を除去する[同図
(d)]。
【0018】層間の絶縁膜33bとしてポリイミドを塗
布し、キュアする[同図(e)]。ポリイミド膜厚は、
10μmである。絶縁膜33b上に無電解メッキの核と
なる白金(Pt)核35をスパッタ法で0.4nm形成
する[同図(f)]。中間絶縁膜36となる感光性ポリ
イミドを塗布、露光し、メッキの型となるコイルパター
ンを形成し、キュアする[図3(a)]。ポリイミドの
膜厚はキュア前で40μm、キュア後で30μmであ
る。メッキ型の寸法は例えば、内寸90μm、間隔20
μmである。
【0019】無電解銅メッキをおこない、メッキの型の
底部に厚さ約0.2μmの無電解メツキ層37を析出さ
せ、電解銅メッキ用の通電層とする[同図(b)]。電
解銅メッキをおこない、一次コイル32a、二次コイル
32bのコイル導体を形成する。コイル導体の厚さは中
間絶縁膜36とほぼ同じく約30μmである[同図
(c)]。
【0020】層間の絶縁膜33cとしてポリイミドを塗
布し、キュアする[同図(d)]。ポリイミド膜厚は、
10μmである。更にCoHfTaPdの上磁性薄膜3
4bをスパッタ法で3μm成膜する[同図(e)]。ポ
ジ型フォトレジスト30を塗布しパターンを形成し、フ
ォトレジストをマスクとして王水で上磁性薄膜34bの
エッチングをおこなった後、アセトンに浸漬してフォト
レジストを除去する。絶縁膜33dとしてポリイミドを
塗布し、キュアする。ポリイミド膜厚は、10μmであ
る[図4(a)]。
【0021】スパッタ法により酸化けい素膜(厚さ3μ
m)38を堆積し、パターニングして絶縁膜のエッチン
グマスクとする[同図(b)]。次にこの酸化けい素膜
38のマスクを用いて、コイル導体32a、32bに達
するスルーホールを形成した後、ふっ酸で酸化けい素膜
38を除去する[同図(c)]。
【0022】そのスルーホールに電解メッキで銅を埋め
込み、接続導体39a、39bとした後、アルミニウム
合金のスパッタにより、接続導体39a、39bと接続
する端子電極40a、40bを形成する[同図
(e)]。このようなプロセスで、実施例1の平面トラ
ンスを形成できる。この例ではコイル形状は5ターンの
正方形スパイラルであるが、更にターン数の多いものも
可能である。
【0023】[実施例2]図5は、実施例1の変形例の
コイル導体と端子電極との配置を示す平面図である。こ
のように一次コイル32aの端子電極40aと二次コイ
ル32bの端子電極40bとを、ほぼ同じ位置に配置す
ると、他の部品との配線時に便利なことがある。
【0024】[実施例3]図6(a)、(b)は、本発
明の第三の実施例の平面型トランスのコイル導体と端子
電極との配置を示す平面図である。一次コイルと二次コ
イルとの巻数を変えた場合であり、ここでは、一次巻
線、二次巻線の巻数をそれぞれ10、5と、一次巻線を
二次巻線よりも多くした。
【0025】図6(a)は、一次コイル42aと二次コ
イル42bとの外側の端子電極50a、50bの位置を
近づけた場合、図6(b)は内側の端子電極50a、5
0bの位置を近づけた場合である。二次コイル42bの
もう一方の端子電極50bは、一次コイル42aの途中
から取り出すことになるが、このような端子電極を幾つ
か設けておけば、それらの適当なものを選ぶことによっ
て、巻数比を変えることができる。
【0026】ここで最も外側のコイルを一巻目とし、最
も内側のコイルをn(n:自然数)巻目とする。kを自
然数(1≦k≦n)とし、二つのコイルの各々のk巻目
の導体において、仮に外側に位置するものを一次コイル
42aとしているが二次コイル42bとすることもでき
る。 [実施例4]図7(a)、(b)は、本発明の第三の実
施例の平面型トランスのコイル導体と端子電極との配置
を示す平面図である。一次コイルの巻数を二次コイルの
それよりも少なくした例である。ここでは、一次コイル
の巻数を5、二次コイルを10としている。
【0027】図7(a)は、一次コイル52aと二次コ
イル52bとの外側の端子電極60a、60bの位置を
近づけた場合、図7(b)は内側の端子電極60a、6
0bの位置を近づけた場合である。この場合も、一次コ
イル52aのもう一方の端子電極60aは、二次コイル
52bの途中から取り出すことになるが、このような端
子電極を幾つか設けておけば、それらの適当なものを選
ぶことによって、巻数比を変えることができる。
【0028】[実施例5、6]図8(a)、(b)は、
本発明の第五、第六の実施例の平面型トランスの平面型
トランスのコイル導体と端子電極との配置を示す平面図
である。図8(a)の例では、隣接する一次コイル62
aの間に二本の二次コイル62bが配置されている。こ
の二本の二次コイル62bを直列に結線すれば、一次コ
イル62aと二次コイル62bとの巻数比は1対2とな
る。しかもこのような配置とすることによって、両側の
端子電極70a、70bはほぼ同じ位置に配置できるの
で、他の部品との配線等に便利である。
【0029】図8(b)の例では、隣接する二次コイル
72bの間に二本の一次コイル72aが配置されてい
る。この二本の一次コイル72aを直列に結線すれば、
一次コイル72aと二次コイル72bとの巻数比は2対
1となる。しかもこのような配置とすることによって、
両側の端子電極80a、80bはほぼ同じ位置に配置で
きるので、他の部品との配線等に便利である。
【0030】一次コイルと二次コイルとの巻数比が簡単
な比になる場合には、このように隣接する一次コイル、
または二次コイルの間にそれぞれ複数の二次コイルまた
は一次コイルを配置した平面トランスとすることができ
る。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、一
次巻線と二次巻線とを同層に配置した平面トランスとす
ることによって、容易にコイル導体上面の凹凸を小さく
でき、しかも、上下の磁性薄膜の間隔の増大が避けられ
た結果、漏れ磁束が減少し、従来のコイル積層型の平面
トランスに比べて、例えば実施例に記したようにインダ
クタンスや結合係数の30%もの増大がもたらされた。
【0032】さらに、コイルパターンの変更により、所
望の巻数比の選択が可能となった効果も重要であり、平
面トランスの発展普及に大きく寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明実施例1の平面トランスの部分
断面図 、(b)はそのコイル導体の平面図
【図2】(a)ないし(f)は実施例1の平面トランス
の製造工程順の部分断面図
【図3】(a)ないし(e)は図2(f)に続く実施例
1の平面トランスの製造工程順の部分断面図
【図4】(a)ないし(d)は図3(e)に続く実施例
1の平面トランスの製造工程順の部分断面図
【図5】実施例2の平面トランスのコイル導体の平面図
(n1 =n2 の場合)
【図6】(a)および(b)は巻数比の異なる平面トラ
ンスのコイル導体の平面図(n 1 >n2 の場合)
【図7】(a)および(b)は巻数比の異なる平面トラ
ンスのコイル導体の平面図(n 1 <n2 の場合)
【図8】実施例5の平面トランスのコイル導体の平面
図、(a)はn1 <n2 の場合、(b)はn1 >n2
場合
【図9】従来の平面インダクタの部分断面図、(b)は
そのコイル導体の平面図
【図10】従来の平面トランスの部分断面図
【符号の説明】
11、31 シリコンウェハ 12 コイル導体 13、23、33a、33b、33c、33d 絶縁膜 14a、24a、34a 下磁性薄膜 14b、24b、34b 上磁性薄膜 19、39a、39b 接続導体 20、40a、40b、50a、50b、60a、60
b、70a、70b、80a、80b 端子電極 22a、32a、42a、52a、62a、72a 一
次コイル 22b、32b、42b、52b、62b、72b 二
次コイル 30 フォトレジスト 35 白金核 36 中間絶縁膜 37 無電解メッキ層 38 酸化けい素膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スパイラル形状の導体を一対の磁性薄膜で
    挟んだ形の平面トランスにおいて、スパイラル形状の一
    次巻線の導体間に、一次巻線に平行なスパイラル形状の
    二次巻線を配置したことを特徴とする平面トランス。
  2. 【請求項2】隣接する一次巻線の間に一本の二次巻線を
    配置したことを特徴とする請求項1記載の平面トラン
    ス。
  3. 【請求項3】一次巻線と二次巻線との巻数が同じである
    ことを特徴とする請求項2に記載の平面トランス。
  4. 【請求項4】一次巻線と二次巻線との巻数が異なること
    を特徴とする請求項2に記載の平面トランス。
  5. 【請求項5】隣接する一次巻線の間に複数の二次巻線を
    配置したことを特徴とする請求項1記載の平面トラン
    ス。
  6. 【請求項6】隣接する二次巻線の間に複数の一次巻線を
    配置したことを特徴とする請求項1記載の平面トラン
    ス。
  7. 【請求項7】一次巻線と二次巻線とがほぼ同一平面上に
    同じ金属層で形成されたことを特徴とする請求項1ない
    し6のいずれかに記載の平面トランス。
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