JP2009267207A - 信号伝送装置および信号伝送装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号伝送の品質を向上させることを可能にしつつ、装置全体の厚みを小さくすることができる信号伝送装置を提供する。
【解決手段】受信コイル１０および送信コイル１２を、ＳＯＩ基板２を構成するシリコン基板５および６内に埋め込んで形成し、受信コイル１０と電気的に接続される受信ＩＣ３と送信コイル１２と電気的に接続される送信ＩＣ４との間において、受信コイル１０および送信コイル１２間の磁気結合を利用してデジタル信号の伝送を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持基板に設けられたコイル間の磁気結合により信号伝送を行うように構成された信号伝送装置およびこの信号伝送装置の製造方法に関する。

電気的に絶縁しながらデジタル信号を伝送する手段として、コイル間の磁気結合を利用するものがある。例えば、特許文献１には、送信回路と受信回路とともコイルが配置され、磁気結合により絶縁しながらデジタル信号を伝送する構成が開示されている。このものによれば、高い周波数の信号伝達が可能になる。しかし、特許文献１に記載の構成では、リンクコアにワイヤを巻く必要があり、またベアチップＩＣを別途用意した配線基板に実装する必要があるため、小型化および集積化が困難である。

そこで、近年では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）と呼ばれる半導体製造プロセスを用いて信号入出力用のコイルを形成する技術が考案されている（例えば特許文献２〜４参照）。この技術では、支持基板上に導体膜により送信用および受信用コイルを形成するとともに、それらコイル間に絶縁膜を形成することにより、各コイル同士が対向した信号伝送回路を形成している。また、コイルの外周に保護リングを設けることで漏れ磁束による信号ノイズを低減したり、コイルを多層化することで各コイル間やコイルと支持基板間などにおける浮遊容量を低減している。この技術を用いれば、電気的に絶縁しながらデジタル信号を伝送する信号伝送装置を集積化することが可能となる。
特表２００１−５１３２７６号公報 米国特許出願公開第２００５／０２３０８３７号明細書 米国特許出願公開第２００６／００２８３１３号明細書 米国特許第６８７３０６５号明細書

上記従来技術の信号伝送装置において、信号伝送の品質（信号の伝送効率、絶縁性能など）を高めるためには、コイルの特性を向上させたり、コイル間の絶縁距離を大きくすることが必要である。しかし、このためには、コイルを形成する導体膜やコイル間に形成される絶縁膜を厚くしなければならない。このように導体膜や絶縁膜の厚さを大きくすると装置全体の厚みも大きくなってしまう。つまり、上記従来技術では、信号伝送の品質向上と装置全体の薄型化とを両立させることが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号伝送の品質を向上させることを可能にしつつ、装置全体の厚みを小さくすることができる信号伝送装置およびこの信号伝送装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の信号伝送装置は、溝部が両面に対向して形成された支持基板と、前記対向した溝部内にそれぞれ埋め込まれた導電材料により形成された第１および第２コイルと、前記第１コイルと電気的に接続される受信回路と、前記第２コイルと電気的に接続される送信回路とを備え、前記受信回路および送信回路は、前記第１および第２コイル間の磁気結合により信号伝送を行うように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の信号伝送装置の製造方法は、支持基板の両面にそれぞれが対向した溝部を形成する工程と、前記支持基板の対向した溝部内にそれぞれ導電材料を埋め込むことにより第１および第２コイルを形成する工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、第１および第２コイルを厚く形成して各コイル間の磁気結合による信号の伝送効率を向上させても、各コイルは支持基板に形成された溝部内に埋め込まれているので装置全体の厚さを小さくできる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図４を参照しながら説明する。
図１および図２は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されたコイル間の磁気結合により信号伝送を行う信号伝送装置の構成を概略的に示している。図２は上面図であり、図１は図２のＡ領域の斜視図を示しており、特にコイル部分の断面をも示している。図１に示すように、信号伝送装置１は、支持基板としてのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板２と、そのＳＯＩ基板２の両面（図１における上面および下面）に配置された受信ＩＣ３および送信ＩＣ４とを備えている。

ＳＯＩ基板２は、２つのシリコン基板（Ｓｉ基板）５、６の間に絶縁膜７（シリコン酸化膜、ＳｉＯ２）が挿入された構造のものである。本実施形態の信号伝送装置１は、このＳＯＩ基板２の絶縁膜７を挟んで、図１における上側に受信部８が形成され、図１における下側に送信部９が形成されている。

受信部８は、シリコン基板５の第１溝部５ｂ内に埋め込まれた受信コイル１０と、シリコン基板５の上面を覆うように形成された軟磁性体膜１１と、この軟磁性体膜１１の上に配置された受信ＩＣ３とを備えて構成されている。送信部９は、シリコン基板６の第２溝部６ｂ内に埋め込まれた送信コイル１２と、シリコン基板６の下面を覆うように形成された軟磁性体膜１３と、この軟磁性体膜１３の下に配置された送信ＩＣ４とを備えて構成されている。また、第１溝部５ｂと第２溝部６ｂとは、互いに対向するように位置している。これにより、受信コイル１０（第１コイルに相当）と送信コイル１２（第２コイルに相当）とは絶縁膜７を挟んで互いに対向するように位置している。

図２に破線で示すように、シリコン基板５中に設けられた受信コイル１０は、上面から見た形状つまり平面形状が渦巻き状（例えば矩形渦巻き状）をなしている。また、図示しないが、送信コイル１２は、受信コイル１０と同様の形状をなしている。これら受信コイル１０および送信コイル１２の巻数は、例えば１〜数１０ターンとしている。なお、対向する各コイル１０、１２間を磁束が通過でき、受信コイル１０に数１０ｍＶ程度の誘起電圧が発生すれば、受信コイル１０および送信コイル１２の平面形状を、矩形枠状、渦巻き状またはそれらの組み合わせ形状などにしてもよい。

受信ＩＣ３の裏面（図１における下側の面）には、受信コイル１０の両端（貫通電極１４、１５）と接続するための接続電極２０、２１が設けられている。また、送信ＩＣの裏面（図１における上側の面）には、送信コイル１２の両端（貫通電極１６、１７）と接続するための接続電極２２、２３が設けられている。

次に、上記構成の製造方法について図３を参照しながら説明する。
図３（ａ）〜（ｆ）は、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。まず、支持基板としてのＳＯＩ基板２を用意する（図３（ａ）参照）。このＳＯＩ基板２の厚さは、例えば５００μｍである。また、絶縁膜７の厚さは、受信コイル１０および送信コイル１２間における信号伝送効率や絶縁耐圧などに応じて設定されるものであり、例えば数１０μｍである。なお、これらの厚さは、信号伝送装置１の仕様に応じて適宜変更すればよい。

続いて、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板５の図３における上面（第１主面５ａ）側から絶縁膜７の上面上まで深堀するともに、シリコン基板６の図３における下面（第２主面６ａ）側から絶縁膜７の下面上まで深堀する。これにより、シリコン基板５およびシリコン基板６にそれぞれが対向した第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂ（いずれも溝部に相当）が形成される。これら第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂの平面形状は、後の工程にて形成する受信コイル１０および送信コイル１２の平面形状を渦巻き状にするために、同様の渦巻き形状となっている。

また、深堀の方法としては、半導体ウエットプロセス（ウエットエッチング）を用いてもよいし、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）のような半導体ドライプロセス（ドライエッチング）を用いてもよい。ウエットエッチングの場合、アスペクト比の高い溝を形成することはできないため、深堀する溝の幅を数１０μｍ程度とすると、その高さ（深さ）は１００μｍ程度となるが、第１溝部５ｂと第２溝部６ｂとを同時に形成することができる。これに対し、ドライエッチングの場合、深堀する溝の幅を数μｍ（５μｍ）程度とすると、その高さ（深さ）を２００μｍ程度とすることができる。すなわち、ドライプロセスを用いれば、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂのアスペクト比を高めることができる。ただし、この場合、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂのうちいずれか一方を形成した後、他方を形成することになる。

続いて、図３（ｃ）に示すように、銅、アルミ、金などの導電性材料を用いてスパッタ、蒸着またはメッキ法により、受信コイル１０および送信コイル１２をそれぞれ第１溝部５ｂ内および第２溝部６ｂ内に埋め込むように形成する。なお、各コイル１０、１２を形成する工程は、それぞれ別工程で行ってもよいし、同一工程で行ってもよい。同一工程で行えばその分の製造工程が削減されることになる。また、各コイル１０、１２を形成する前に、熱酸化等の製造プロセスを施し、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂを含むシリコン基板５および６の表面に絶縁膜（ＳｉＯ２）を形成することが望ましい。これにより、信号伝送装置１における浮遊容量成分が低減される。

また、受信コイル１０の表面（図１における上側の面）および送信コイル１２の表面（図１における下側の面）に絶縁膜を形成してもよい。その場合、この絶縁膜は、例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどをスパッタ法やＣＶＤ法で成膜したり、あるいはポリイミドなどの有機膜をスピンコートや蒸着法を用いて成膜すればよい。このような絶縁膜を設ければ、受信コイル１０および送信コイル１２の機械的な保護や絶縁耐圧の向上が期待できる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、各コイル１０、１２が形成されたＳＯＩ基板２の第１主面５ａ側および第２主面６ａ側を覆うように軟磁性体膜１１、１３（いずれも軟磁性体に相当）を形成する。軟磁性体膜１１、１３の材質は、フェライト、鉄・シリコン、鉄・シリコン・アルミニウム合金（センダスト）、ニッケル・鉄合金（パーマロイ）、鉄基やコバルト基のアモルファス合金などであり、スパッタ、蒸着またはメッキ法により形成する。軟磁性体膜１１、１３の膜厚は、磁束が通過する際に磁気飽和を生じない程度の厚さに設定するのが望ましい。本実施形態では、例えば数１０〜数１００μｍとしている。また、シリコン基板５、６と軟磁性体膜１１、１３との間に、それらの密着性の向上および軟磁性体膜１１、１３の拡散防止のため、数１０ｎｍ程度の非導電性の密着向上膜を形成するのが望ましい。

続いて、図３（ｅ）に示すように、受信コイル１０の巻き始めである一端１０ａと、巻き終わりである他端１０ｂとから軟磁性体膜１１を貫通して表面に露出する貫通電極１４、１５を形成する。また、送信コイル１２の巻き始めである一端１２ａと、巻き終わりである他端１２ｂとから軟磁性体膜１３を貫通して表面に露出する貫通電極１６、１７を形成する。これら貫通電極１４〜１７は、各コイル１０、１２と同様の材料を用いて同様の方法により形成する。このような構成により、各コイル１０、１２の両端電極をＳＯＩ基板２の表面に取り出すようにしている。

続いて、図３（ｆ）に示すように、受信回路（図４に符号１８を付して示す）を備えた受信ＩＣ３をＳＯＩ基板２の第１主面５ａ側に実装し、送信回路（図４に符号１９を付して示す）を備えた送信ＩＣ４をＳＯＩ基板２の第２主面６ａ側に実装する。これら受信ＩＣ３および送信ＩＣ４は、それぞれ受信コイル１０および送信コイル１２の構成領域と平面的に同一の領域に配置される。

このとき、受信ＩＣ３の裏面に設けられた接続電極２０、２１と、受信コイル１０の両端（貫通電極１４、１５）とが電気的に接続される。また、送信ＩＣの裏面に設けられた接続電極２２、２３と、送信コイル１２の両端（貫通電極１６、１７）とが電気的に接続される。これら電極間の接続は、例えばはんだなどを用いて行われる。その後、図示しないが、エポキシ樹脂などの外装材により射出成型して全体を覆うようにパッケージすることにより信号伝送装置１が形成される。

図４は、受信部８および送信部９の電気的構成を示している。この図４に示すように、受信部８は、受信回路１８および受信コイル１０から構成され、送信部９は、送信回路１９および送信コイル１２から構成されている。送信回路１９は、複数のバッファ（図示せず）から構成されており、電源端子Ｖｄｄおよび電源端子Ｖｓｓを介して電源の供給を受けて動作する。送信回路１９は、入力端子ＩＮを介して入力されるデジタル信号に応じて送信コイル１２への通電を行うようになっている。

受信回路１８は、複数の抵抗および複数のバッファ（いずれも図示せず）から構成されており、電源端子Ｖｃｃおよびグランド端子Ｇｎｄを介して電源の供給を受けて動作する。受信回路１８は、受信コイル１０に流れる電流を電圧に変換するとともに後段の回路（例えば図示しない制御回路）の規定入力範囲内のレベルに変換したデジタル信号を出力端子ＯＵＴから出力する。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
送信回路１９の入力端子ＩＮにデジタル信号が与えられると、送信コイル１２に電流が流れる。これにより、送信コイル１２の周囲に磁界が発生し、送信コイル１２と対向して位置する受信コイル１０に磁束が鎖交し、受信コイル１０に誘起電圧が発生する。受信回路１８は、受信コイル１０に発生した誘起電圧に応じたデジタル信号を出力端子ＯＵＴから出力する。このように、送信回路１９と受信回路１８との間において、送信コイル１２および受信コイル１０の磁気結合を利用してデジタル信号の伝送が行われる。

上記したデジタル信号の伝送効率を高めるためには、受信コイル１０および送信コイル１２の深さ方向（図１における上下方向）の長さ（厚み）を大きくする必要がある。本実施形態の信号伝送装置１は、これら受信コイル１０および送信コイル１２を、ＳＯＩ基板２を構成するシリコン基板５および６内に埋め込んで形成した。従って、各コイル１０、１２の厚みを大きくして信号伝送効率（信号伝送の品質）を高めた場合でも、信号伝送装置１の厚さが大きくなってしまうことを抑制できる。

各コイル１０、１２が形成されたＳＯＩ基板２の第１主面５ａおよび第２主面６ａを覆うように軟磁性体膜１１、１３を形成したので、信号伝送時における漏れ磁束を低減することができる。従って、送信コイル１２により発生した磁束が受信コイル１０に効率よく鎖交することになる。これにより、磁気結合特性を向上させるとともに、外来ノイズの影響を受けにくくすることができる。また、磁気結合特性の向上により、受信コイル１０および送信コイル１２のターン数を減らすことも可能となる。

受信ＩＣ３をＳＯＩ基板２の第１主面５ａ側の受信コイル１０の構成領域と平面的に同一の領域に配置し、送信ＩＣ４を第２主面６ａ側の送信コイル１２の構成領域と平面的に同一の領域に配置した。これにより、ＳＯＩ基板２が平面方向に大きくなることを抑制でき、信号伝送装置１が平面方向に大きくなることを抑制できる。

支持基板としてシリコン基板５、６間に絶縁膜７が挿入された構造のＳＯＩ基板２を用い、その絶縁膜７を挟んでそれぞれが対向するように受信コイル１０および送信コイル１２を配置した。これにより、支持基板上にコイル、絶縁膜およびコイルを順に積層形成することなく、信号伝送装置を構成することができる。また、絶縁膜７の厚さにより、受信コイル１０と送信コイル１２との間の絶縁距離が決定されるので、使用するＳＯＩ基板２の厚さ（ウエハの厚さ）を調整するだけで、上記絶縁距離を調整することができる。

受信コイル１０を埋め込むための第１溝部５ｂをシリコン基板５の第１主面５ａ側から絶縁膜７の上面上まで貫通するように設け、送信コイル１２を埋め込むための第２溝部６ｂをシリコン基板６の第２主面６ａ側から絶縁膜７の下面上まで貫通するように設けた。このような構成において、シリコン基板５、６と絶縁膜７との間で高選択性のあるエッチング条件を用いてシリコン基板５、６をエッチングすれば、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂの高さ調整を容易に行うことができる。また、ウエットエッチングを用いれば、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂを同一工程にて形成することができ、その分の製造工程を削減することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。
本実施形態では、第１の実施形態に対して支持基板を変更した場合について説明する。図５は、第１の実施形態における図１に相当する図であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の信号伝送装置３１は、支持基板としてガラス基板３２（絶縁基板）を用いて構成されている。なお、支持基板は、非磁性体で構成されていればよい。また、この構成の製造方法については、溝部の形成工程のみ第１の実施形態とは若干異なる。すなわち、ガラス基板３２を深堀して溝部を形成する工程では、エッチング時間を調整することにより、各溝部間の距離が必要とする絶縁距離となるように溝部を形成する。これにより、受信コイル１０と送信コイル１２との間の絶縁距離、つまり絶縁耐圧が決定されるようになっている。

上記構成によれば、支持基板としてガラス基板３２を用いたので、ＳＯＩ基板２を用いた第１の実施形態と比べて、寄生容量が低減する効果が得られる。また、受信コイル１０と送信コイル１２との間の絶縁距離（絶縁耐圧）を、ガラス基板３２を深堀する深さを調整することで自由に設定できる。さらに、ＳＯＩ基板２に比べて安価なガラス基板３２を用いることで、装置の製造コスト低減に寄与できる。

磁気結合特性を向上させるためには、受信コイル１０と送信コイル１２とを対向して配置するための位置合わせの精度を高める必要がある。本実施形態では、透明なガラス基板３２を用いたので、各製造工程（溝部の形成工程、コイルの形成工程）において、上記位置合わせを容易に行うことができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形又は拡張が可能である。
第１の実施形態において、絶縁膜７は必要に応じて設ければよい。この場合、第１溝部５ｂおよび第２溝部６ｂの深さ調整は、エッチング時間を調整することにより行えばよ
受信ＩＣ３は、受信コイル１０の構成領域と平面的に同一の領域に構成されていなくてもよい。また、送信ＩＣ４は、送信コイル１２の構成領域と平面的に同一の領域に構成されていなくてもよい。この場合、受信ＩＣ３と受信コイル１０、送信ＩＣ４と送信コイル１２の電気的接続を行う方法として、半導体製造の後工程における金やアルミなどのワイヤによるワイヤボンディング法を用いればよい。
受信コイル１０および送信コイル１２の磁気結合特性が良好であれば、軟磁性体膜１１および１３を設けなくてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す信号伝送装置の一部断面を示す斜視図 信号伝送装置の上面図 各製造工程における断面構造を示す図 受信部および送信部の電気的構成を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は信号伝送装置、２はＳＯＩ基板（支持基板）、５、６はシリコン基板、５ａは第１主面、５ｂは第１溝部（溝部）、６ａは第２主面、６ｂは第２溝部（溝部）、７は絶縁膜、１０は受信コイル（第１コイル）、１１、１３は軟磁性体膜（軟磁性体）、１２は送信コイル（第２コイル）、１８は受信回路、１９は送信回路、３１は信号伝送装置、３２はガラス基板（支持基板）を示す。

Claims (14)

1. 溝部が両面に対向して形成された支持基板と、
   前記対向した溝部内にそれぞれ埋め込まれた導電材料により形成された第１および第２コイルと、
   前記第１コイルと電気的に接続される受信回路と、
   前記第２コイルと電気的に接続される送信回路とを備え、
   前記受信回路および送信回路は、前記第１および第２コイル間の磁気結合により信号伝送を行うように構成されていることを特徴とする信号伝送装置。
2. 前記支持基板の両面に前記第１および第２コイルを覆うように設けられた軟磁性体を備えていることを特徴とする請求項１記載の信号伝送装置。
3. 前記受信回路は、前記第１コイルの構成領域と平面的に同一の領域に構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の信号伝送装置。
4. 前記送信回路は、前記第２コイルの構成領域と平面的に同一の領域に構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の信号伝送装置。
5. 前記支持基板は、シリコン基板中に絶縁膜が形成されたＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の信号伝送装置。
6. 前記支持基板は、その溝部が前記シリコン基板の第１主面側から前記シリコン基板中の絶縁膜の上面上まで貫通した第１溝部と前記シリコン基板の第１主面の反対面となる第２主面側から前記シリコン基板中の絶縁膜の下面上まで貫通した第２溝部を含んで構成され、
   前記第１コイルは、前記第１溝部内に埋め込まれ、
   前記第２コイルは、前記第２溝部内に埋め込まれていることを特徴とする請求項５記載の信号伝送装置。
7. 前記支持基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の信号伝送装置。
8. 請求項１記載の信号伝送装置を製造する方法であって、
   支持基板の両面にそれぞれが対向した溝部を形成する工程と、
   前記支持基板の対向した溝部内にそれぞれ導電材料を埋め込むことにより第１および第２コイルを形成する工程とを備えていることを特徴とする信号伝送装置の製造方法。
9. 前記支持基板の両面に前記第１および第２コイルを覆うように軟磁性体を形成する工程を備えていることを特徴とする請求項８記載の信号伝送装置の製造方法。
10. 前記第１コイルと電気的に接続される受信回路を、当該第１コイルの構成領域と平面的に同一の領域に形成する工程を備えていることを特徴とする請求項８または９記載の信号伝送装置の製造方法。
11. 前記第２コイルと電気的に接続される送信回路を、当該第２コイルの構成領域と平面的に同一の領域に形成する工程を備えていることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の信号伝送装置の製造方法。
12. 前記支持基板がシリコン基板中に絶縁膜が形成されたＳＯＩ基板であり、
    前記溝部を形成する工程は、前記支持基板の第１主面側から前記シリコン基板中の絶縁膜の上面上まで貫通した第１溝部を形成する工程と、前記支持基板の第１主面の反対面となる第２主面側から前記シリコン基板中の絶縁膜の下面上まで貫通した第２溝部を形成する工程とを含み、
    前記第１および第２コイルを形成する工程では、前記第１溝部内に導電材料を埋め込むことにより第１コイルを形成し、前記第２溝部内に導電材料を埋め込むことにより第２コイルを形成することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の信号伝送装置の製造方法。
13. 前記対向した溝部を形成する工程は、同一工程にて行われることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の信号伝送装置の製造方法。
14. 前記第１および第２コイルを形成する工程は、同一工程にて行われることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれかに記載の信号伝送装置の製造方法。

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