JP2008187166A - らせん形の閉じた磁気コア、及び前記閉じた磁気コアを備えた集積マイクロインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】所与の全体的な寸法に対して、集積マイクロインダクタの磁気コアのコンパクト性を高め、かつ、インダクタンス値を増大させる。
【解決手段】閉じた磁気コア（１）は集積マイクロインダクタ用途に設計される。前記磁気コアはらせん形、好ましくは、略長方形のらせんを有する。このらせんは、クロージングセグメント（３）によって互いに結合される２つの端部（２）を備える。複数のブランチ（４，５）によって、前記磁気コア（１）を形成することができ、そして少なくとも２つのブランチを異なる平行な面に形成することができる。加えて、２つのブランチは異なる厚さとすることができる。前記磁気コアは空隙を備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積マイクロインダクタ用の閉じた磁気コアに関する。

本発明は、パワーエレクトロニクス用途の集積マイクロインダクタの分野に関するものである。本発明は、より一般的には、高電力密度を要求する全ての誘導システム（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ）（インダクタ、変圧器、磁気記憶ヘッド、アクチュエータ、センサ等）に適用可能である。

らせん形のコイル又はソレノイドタイプのコイルを用いた様々な種類のマイクロインダクタが多年の間存在してきた。しかしながら、主に高電力密度を用いる用途において、個別部品（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）が非常に広範囲に使用されているままである。というのは、個別部品はインダクタンスと飽和電流の間の最も良いトレードオフを提供するからである。

磁気面を有するらせんタイプのコイルは集積しやすく、大電流が動作することを可能にする。しかし、この種のデバイスは、高いインダクタンス値（ＬがμＨ（マイクロヘンリー）くらい）が求められると、非常に扱いにくくなる。なぜなら、多数のターンが要求されるからである。加えて、そのようなデバイスの抵抗は高い。

ソレノイドコイルを有するドーナツ型（Ｔｏｒｏｉｄａｌ）の集積マイクロインダクタ、及びその紆余曲折の進歩（Ｊ．Ｙ．Ｐａｒｋらによる論文“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２３，ｎ^ｏ．１，２０００を参照）は、個別部品によって直接的に鼓舞され、抵抗とインダクタンスの水準との間に、なし得る最も良いトレードオフを示している。というのは、ソレノイドコイルを有するドーナツ型の集積マイクロインダクタは、無限のソレノイドという理想的な場合に近づくからである。しかしながら、シミュレーションは、コア内部の磁束が非常に不均一な方法で分配されることを示している。磁場は、最短の力線に沿って、より強力である。最も強力な場に晒される磁気コアの領域は非常に早く飽和し、非常に弱い電流ですぐにインダクタンスの減少を引き起こす。一方、他の領域はずっと弱い場に晒されており、ほんのわずかに誘導現象に関与するか、又は全く誘導現象に関与しない。即ち、他の領域はインダクタンス値に全く寄与しない。従って、磁気コアの有用な領域は非常に早く飽和し、一方、他の領域は応答しないままである。

さらに、集積部品（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）の場合、インダクタ内の最大電力潮流は、使用される磁性体の体積によって決まる。この体積は、磁性体の厚さ（集積部品に対しては１００ミクロン未満の厚さ）と、この磁気コアにより占められる表面とによって決まる。

Ｅ又はＥ−Ｉの形をした磁気コアを有する変圧器及びインダクタは、電気工学、本質的には個別の変圧器において（そして個別のＤＣ／ＤＣデバイスにおいて）広く使用されており、インダクタの組み立て及びコイリング（ｃｏｉｌｉｎｇ）を容易にし、又は各ブランチの３つの巻き線（ｗｉｎｄｉｎｇｓ）間の変換係数を調整することができ、又は各ブランチの異なる巻き線間に相互インダクタンスをもたらす（Ｓ．Ｃｕｋによる論文“Ｎｅｗ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１９，ｎ^Ｏ２，１９８３を参照）。これらのデバイスにおいては、コイリングは、一つのブランチから他のブランチに連続しているのではなく、異なるワイヤによって達成される。

市場で用いられるマイクロインダクタのほとんどは、マイクロマシーニング（ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）、スティッキング（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）、マイクロワインディング（ｍｉｃｒｏ−ｗｉｎｄｉｎｇ）等のマイクロメカニカルな方法で製造された個別部品である。これらの方法は、実施する上で扱いにくく、個別の取り扱いを要し、設計の点から決してフレキシブルではなく、そして電力回路の小型化を非常に制限する。特に、個別のマイクロインダクタの厚さ（典型的には０．５ｍｍより大きい）のせいで、例えば携帯電話に現在使用されている電力供給回路を、チップの中に適切に内蔵することができない。

マイクロエレクトロニクスで用いられる製造技術は、異なる設計の実施に関する限り、ずっと大きな柔軟性を提供し、全体的な取り扱いがなされることを可能にし、そして、小型化の考えと相性が良い。というのは、厚さ（基板を含む）を容易に３００μｍより小さくすることができるからである。しかしながら、このような製造技術は、磁性材料、誘電体若しくは導電体を、大きな厚さ（１０μｍより大きい）に堆積すること、また、これらの材料をフォトリソグラフィー後にエッチングすることには適さない。

集積部品（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）にとって、製造の技術的な制約は、ある制限を構成する。実際、１００マイクロメータより大きい厚さを持つ導電層を堆積することは、差し当たり、標準的な工業プロセスにおいて想定することはできない。

Ａ．ｖｏｎ ｄｅｒ Ｗｅｔｈらによる論文“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｉｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ”（Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．Ｓｏｃ．Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．５，ｐｐ．３６１−３６６，２００２）は、複数のブランチのタイプの開磁気回路をもつマイクロインダクタについて記載している。 互いに結合されていない複数のターンが、磁気コアのブランチの周りに一つのコイルを形成する。これらのデバイスに対して、インダクタンスの水準を高め、かつ損失を最小にすることが探求されている。

集積マイクロインダクタは、一般的に、マイクロインダクタのターンに加えられる電流が増加すると、たとえ弱電流であっても、大きく減少するインダクタンスを示す。このことは、ある種の場合において、集積されていない個別のインダクタを使用することを強制的なものにする。

小さい寸法（数平方ミリメータ）のマイクロエレクトロニクスのチップは、一般的に正方形の形をしている。したがって、インダクタを集積することは、個別部品では起こらない制約を課す。その結果、提案されている解決策はたいてい複雑である。特にインダクタに対しては、占有面を最小にすることが求められている。薄膜を堆積する技術を使用することは、有用な厚さを非常に制限するのでなおさらである。実際、インダクタのパワーＬＩ_ｓａｔ ^２（Ｌはインダクタンス、Ｉ_ｓａｔは飽和電流）は、使用できる磁性材料の体積に直接的に依存する。

本発明の目的の一つは、予め決められた全体的な寸法において、集積マイクロインダクタのコアのコンパクト性を高め、かつ、インダクタンス値を増大させることである。

本発明によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲に係る磁気コアによって、とりわけ、磁気コアがクロージングセグメントにより互いに結合された２つの端部を有するらせん形であるという事実によって、達成される。

本発明に係る磁気コアを有する集積マイクロインダクタを提供することは、本発明のさらなる目的である。

他の有利な点や特徴は、非限定的な例として与えられ、添付の図面で表される、本発明に係る特有の実施形態の以下の記載から、よりはっきりと明白になるだろう。

図１に示すように、磁気コア１はらせん形である。このらせん形は、クロージングセグメント３によって互いに結合された２つの端部２を有する。かくて、磁気コア１は閉じている。

図１において、磁気コア１は、５つの平行なブランチの第１のセット４と、第１のセット４のブランチと略垂直な４つの平行なブランチの第２のセット５とから形成される。かくて、２つのセット４及び５の全てのブランチにより形成されるらせんは、長方形である。クロージングセグメント３により形成される接続がこのらせんに追加され、磁気コア１を形成する。

図２乃至図４を用いて図示するように、磁気コア１によって、コア１の中心及び対応するマイクロインダクタの中心における空間の占有を、最大化することができる。磁気回路の展開長さに対応する磁気コアの長さＩ、及び磁気コア１を囲む巻きターン数Ｎが定義されている。磁気抵抗モデルを用いて以下の式を示すことができる。
Ｌ〜Ｎ^２／Ｉ
Ｉ_ｓａｔ〜Ｉ／Ｎ
ＬＩ_ｓａｔ ^２〜Ｉ
ここで、Ｌはインダクタンス、Ｉ_ｓａｔは飽和電流である。

かくて、インダクタの飽和パワーＰ_ｓａｔ＝ＬＩ_ｓａｔ ^２を増大させるために、磁気コアの長さＩを増やすことが求められる。したがって、インダクタンスＬ及び飽和電流Ｉ_ｓａｔは、コアの長さＩが大きくなるほど大きくなる巻きターン数Ｎに関するトレードオフによってもたらされる。

図２に示される、従来技術に係る環状インダクタ（ａｎｎｕｌａｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）は、正方形のチップに特に適している。展開ループの長さは、チップの外部の周辺の長さに依存する。この形状は、チップの中心部分が使用されることを可能にしない。

図３は、この環状インダクタを改善したもの、即ち、上述のＰａｒｋによる論文に記載された蛇行インダクタ（ｍｅａｎｄｅｒｅｄ ｉｎｄｕｃｔｏｒ）を示す。この蛇行インダクタは、ループの４つのブランチの一つを伸ばすことによって、中央の領域を用いることを可能にし、中央部分を保護する１つ以上の蛇行を形成する。この解決策によって、一定の表面でコアの長さＩを増大させることができる。従来の設計ルールを用いて、蛇行したコア（図３）により中央の領域を占有することによって、環状のコア（図２）と比較して約３３％のコアの長さＩに関する利得を得ることができる。コアの長さＩに応じて巻きターン数Ｎを増やすことによって、約２０％のインダクタンスに関する利得及び約１０％の飽和電流Ｉ_ｓａｔに関する利得のトレードオフが得られる。しかしながら、蛇行形状のインダクタは、特別な場合、即ち、ループ幅とブランチ幅がある幾何学的条件を立証する場合にのみ最適である。実際には、中央の領域は、整数の蛇行を挿入可能とするために、十分に大きくなくてはならない。

図３に示すように、コアは全体の幅Ｔを持ち、ブランチは幅Ｗを持つ。２つの隣接するブランチを分離する距離は、最小分離距離Ｓよりも大きくなければならない。かくて、所与の蛇行数Ｎｍに対して、コアの全体の幅Ｔは次の条件を満たさなければならない。
中央の領域の表面に対する蛇行数Ｎｍの比は、方程式の左辺と右辺が等しいときに最大となる。即ち、
Ｔ ＝ ２Ｗ＋Ｎｍ＊２Ｗ＋（２Ｎｍ＋１）＊Ｓ
ブランチの幅Ｗと最小分離距離Ｓが等しい（Ｓ＝Ｗ）ことを認めると、条件は次のように簡単になる。
ここで、Ｔ／Ｗはブランチの幅Ｗに対する全体の幅Ｔの比である。よって、Ｔ／Ｗ＝７，１１，１５．．．に対しては、蛇行したコアは中央の領域が最適に満たされることを可能にする。しかしながら、Ｔ／Ｗ＝９，１３，１７．．．に対しては、中央の領域の大部分が未使用のままである。したがって、蛇行したコアを実施することは、実際には限定的である。なぜなら、チップの大きさとブランチの幅は一般的に独立に課せられるからである。かくて、中央の領域の一部分は未使用のままである。

らせん形の閉じた磁気コア１は、寸法の制約に関する限り、非常に独立性を示し、それゆえ、所与の如何なる表面に対しても、コアの長さＩ、インダクタンスＬ及び飽和電流Ｉ_ｓａｔが最適化されることを可能にする。既に述べたように、参照の環状インダクタ（図２）に対して、コアの長さＩに関する利得及びらせん形のコア（図４）のパワーの利得を評価することができる。それから、次の２つの場合を区別しなければならない。
− 比Ｔ／Ｗが本質的に上記の方程式の右辺と等しいとき、即ち、
であるとき、長さに関する利得及びパワーに関する利得が同程度であるので、らせん形の閉じたコアと環状のコアは同程度である。
− 上記の方程式が立証されないとき、閉じたらせん形のコアによって、環状のコアと比較してより大きな長さＩの利得及びパワーの利得を得ることができる。例えば、８乃至１０のＴ／Ｗ（８＜Ｔ／Ｗ＜１０）、又は１２乃至１４のＴ／Ｗ（１２＜Ｔ／Ｗ＜１４）に対してである。

特に、比Ｔ／Ｗ＝９の場合、らせん形のコア（図４）によって、環状の形（図２）と比較して、長さＩ及びパワーに関して５３％の利得を得ることができる。

ブランチとクロージングセグメント３は、磁束の動的な伝搬の好ましい方向を有している。ブランチ及びクロージングセグメント３の磁気軸は、図４の矢印６に示されるような閉ループ状の流れを得るように、互いに対して方向づけられている。

異なる平行な面にブランチを形成することができる。かくて、図５に示すように、平行なブランチの第１のセット４は第１の面に形成され、平行なブランチの第２のセット５は第２の面に形成される。この第２の面は第１の面に平行であり、かつ図５の第１の面の上にある。さらに、ブランチの厚さは異なっていてもよい。かくて、図５では、第１のセット４のブランチは、第２のセット５のブランチよりも薄い。このことは、特に、コアが、使用されるチップ及び隣接する電子部品の局所的な制約に、適合することを可能にする。磁気回路の磁気抵抗を増やすために、１つ以上の空隙が磁気コア１を切断してもよい。図６に示される磁気コア１は、小さい寸法のいくつかの空隙１１（空隙の寸法と磁気回路の全長との間の少なくともファクタ１／１０）を有する。この空隙は１つ以上のブランチに形成することができる。

図１、４及び６に示すように、ブランチは長方形若しくは略長方形のらせんを形成する。このらせんは、２つの同心の長方形に内接された２つの屈曲（ｗｉｎｄｉｎｇ）を有する。しかしながら、要求に応じて、より複雑ならせんを想定してもよい。異なる形状を実現することができる。例えば、らせんの形状は、長方形、円形、正方形又は八角形である。設計者が、ＣｅｄｒａｔのＦｌｕｘ ｓｏｆｔｗａｒｅ又はＡｎｓｏｆｔのＭａｘｗｅｌｌ ｓｏｆｔｗａｒｅといったシミュレーションソフトを用いて特定の形状を決定する。

図７は、本発明に係る磁気コア１を備えたマイクロインダクタを示す。複数の非結合ターン９が磁気コア１の周りにコイルを形成している。コアの全てのブランチは巻きターンを有することができる。ターンは、好ましくは、磁気コア１の表面のほとんど全てを包み、最小隔離空隙が隣接するターンを分離する。各ターンは底面に平らな底部と、上面に平らな頂部と、２つの立上がり部とを備える。コイルは、好ましくは、一つの電気入力と一つの電気出力とを有する。クロージングセグメント３は、好ましくは、ターン９を全く有さない。

従来の微細加工技術を用いた集積部品に対して、既存の従来システムと比較したとき、このマイクロインダクタは、何ら追加の製造の困難性を示さない。

磁気コア１には、高い透磁率（１０より大きい）の磁性材料が用いられる。典型的には、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）及びホウ素（Ｂ）のうち、１つ以上の元素を含むことができる、鉄（Ｆｅ）ベースの合金、及び／又はニッケル（Ｎｉ）ベースの合金、及び／又はコバルト（Ｃｏ）ベースの合金である。

コアは異成分から成っていてもよく、強磁性体、及び導電体、誘電体（非磁性体）若しくは反磁性体の１つ以上の層を形成する。特に、コアは磁性層と中間層を交互にして形成することができる。例えば、中間層により分離された２つの磁性層を有するスタックである。中間層は、例えば、金属（例えば銅Ｃｕ、チタンＴｉ、ルテニウムＲｕ）、又は、例えば、酸化シリコンＳｉＯ_２又は酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３のような絶縁材料でつくることができる。中間層は、酸化ニッケルＮｉＯ、又は、ニッケル、イリジウム若しくはプラチナを有するマグネシウム（Ｍｎ）合金（ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ）のような反強磁性材料により形成することもできる。

マイクロインダクタは、その使用周波数に制限されず、高周波数での使用に適することもあり得る。このことは、より多くの電力を常に要求する。よって、そのような部品が、マイクロ波の範囲で動作し、そして、磁性材料の有無によらず、通常使用される、集積インダクタ又は個別のインダクタを置き換えることは、非常に容易に想像することができる。さらに、フィルタリング、インピーダンス整合等のタイプの用途が見つけられるだろう。

本発明に係る特有の実施形態の閉じた磁気コアの斜視図である。 従来技術に係る閉じた磁気コアの平面図である。 別の従来技術に係る閉じた磁気コアの平面図である。 本発明に係る特有の実施形態の閉じた磁気コアの平面図である。 図４の本発明の特有の実施形態のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明に係る特有の実施形態の閉じた磁気コアの平面図である。 本発明に係る特有の実施形態の集積マイクロインダクタである。

Claims (9)

1. 集積マイクロインダクタ用の閉じた磁気コア（１）であって、
   前記磁気コアは、クロージングセグメント（３）によって互いに結合された２つの端部（２）を備えたらせん形である、
   ことを特徴とする磁気コア。
2. 請求項１に記載の磁気コア（１）であって、
   前記磁気コアは、長方形のらせん形を有することを特徴とする磁気コア。
3. 請求項１又は２に記載の磁気コア（１）であって、
   前記磁気コア（１）は複数のブランチから形成されることを特徴とする磁気コア。
4. 請求項３に記載の磁気コア（１）であって、
   少なくとも２つの前記ブランチが異なる平行な面に形成されることを特徴とする磁気コア。
5. 請求項４に記載の磁気コア（１）であって、
   平行な前記ブランチからなる第１のセット（４）が第１の面に形成され、平行な前記ブランチからなる第２のセット（５）が第２の面に形成されることを特徴とする磁気コア。
6. 請求項５に記載の磁気コア（１）であって、
   平行な前記ブランチからなる前記第１のセット（４）のブランチは、平行な前記ブランチからなる前記第２のセット（５）のブランチと略垂直であることを特徴とする磁気コア。
7. 請求項３乃至６のいずれか１つに記載の磁気コア（１）であって、
   少なくとも２つの前記ブランチが異なる厚さをもつことを特徴とする磁気コア。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載の磁気コア（１）であって、
   前記磁気コアは少なくとも１つの空隙を備えることを特徴とする磁気コア。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の磁気コア（１）を備えることを特徴とする集積マイクロインダクタ。