JP2011124250A - スパイラルインダクタおよびこれを用いたトランス - Google Patents

Abstract

【課題】周辺に拡がる磁束を削減し、機器周辺に干渉する電磁誘導雑音を軽減するとともに小型でインダクタンス値の大きいインダクタを安価に実現する。
【解決手段】シリコン基板の表面に形成されたスパイラルコイルと、
該スパイラルコイルの中央部に前記シリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
前記スパイラルコイルの外周に環状に形成された第２磁性体を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体プロセスを利用して作製されたスパイラルインダクタに関し、スパイラルインダクタの周辺に拡がる磁束を削減し、周辺に干渉する電磁誘導雑音を軽減させたスパイラルインダクタに関するものである。

図５（ａ〜ｃ）は半導体プロセスを利用して作成されたスパイラルインダクタの基本構成を示すもので、（ａ）は斜視図、図（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、図（ｃ）は磁力線の様子を示す断面図である。

これらの図において、１はシリコン基板、２は配線を形成する金属導体を絶縁するための絶縁膜、３は金属導体からなるインダクタ本体でシリコン基板平面にスパイラル状にコイルを形成したものである。

上述の構成において、スパイラルコイル３の両端に交流電圧や電流を印加すると、図（ｃ）に示すようにシリコン基板１の平面に対して垂直方向に磁界を発生し、インダクタンスとして作用する。

図６（ａ〜ｃ）はUnited States Patent Application Publication US 2009/0140383 A1にて公開されている構成例で、図５のスパイラルコイルの中心部に透磁率の高い磁性体４をコアとして埋め込んだものである。図中の符号は図５と同様なのでここでの説明は省略する。

シリコン基板上に形成されるスパイラルインダクタは直径数１００ｕｍ前後のものが多いが、シリコン基板に直径１００ｕｍ前後の貫通穴を形成することは容易ではないため、小径の貫通ビアを複数形成し、ビア内部を磁性体で充填することによりコアを形成している。このような構成によれば、磁性体コア４により磁束を増加させインダクタンス値を増加させることができる。

ＵＳ２００９／０１４０３８３Ａ１ 特開平４−３５２３０５号公報 特開２００５−３２９７６号公報

しかしながら、上記従来技術においては次のような問題があった。
１）磁路が開磁路構造となっているため磁束が外部に出てしまう。そのため、周辺機器に電磁誘導雑音を引き起こす。
２）また、閉磁路の場合と比較して実効透磁率が小さくなるためインダクタンス値が低下する。
従って本発明の目的は、
１）周辺に拡がる磁束を削減し、周辺機器に干渉する電磁誘導雑音を軽減する。
２）小型でインダクタンス値の大きいインダクタを安価に実現する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１のスパイラルインダクタにおいては、
シリコン基板の表面に形成されたスパイラルコイルと、
該スパイラルコイルの中央部に前記シリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
前記スパイラルコイルの外周に形成された第２磁性体を有することを特徴とする。

請求項２においては請求項１に記載のスパイラルインダクタにおいて、
前記第１磁性体は前記スパイラルコイルの中央部に複数本形成され、前記第２磁性体は前記スパイラルコイルの外周に複数本形成されていることを特徴とする。

請求項３においては請求項１または２に記載のスパイラルインダクタにおいて、
前記第１、第２磁性体は小径の貫通ビアＴＳＶ(Through Silicon Via)技術を利用して形成したことを特徴とする。

請求項４においては請求項１乃至３に記載のスパイラルインダクタにおいて、
前記スパイラルインダクタ及び第１、第２磁性体を含むシリコン基板の両面に磁性体膜を形成したことを特徴とする。

請求項５においては、
シリコン基板の表面に形成された第１スパイラルコイルと、
該第１スパイラルコイルに絶縁状態で重ねて形成された第２スパイラルコイルと
該スパイラルコイルの中央部に前記シリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
前記スパイラルコイルの外周に形成された第２磁性体を有することを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明の請求項１、２によれば、
シリコン基板の表面に形成されたスパイラルコイルと、
このスパイラルコイルの中央部にシリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
スパイラルコイルの外周に形成された第２磁性体を備え、第１磁性体は前記スパイラルコイルの中央部に複数本形成され、前記第２磁性体は前記スパイラルコイルの外周部に複数本形成されているので、周辺に拡がる磁束が減少し周辺に干渉する電磁誘導雑音が軽減される。

また、実効磁路長が減少し、実効透磁率も増加するためインダクタンス値を大きくすることができる。
本発明の請求項３によれば、
小径の貫通ビアを近年低コスト化が進行中のTSV(Through Silicon Via)技術を利用して形成すれば、低コストで形成することが可能となり、安価に高性能のインダクタを作製することができる。

請求項４によれば、磁性体により閉磁路を形成するため、磁束の周辺への漏れをなくすことができ、周辺機器に干渉する電磁誘導雑音をなくすことができる。
また、実効磁路長が更に減少し、実効透磁率は更に増加することにより、ほぼ磁性体の透磁率となるためインダクタンス値を更に大きくすることができる。

請求項５によれば、本発明のスパイラルインダクタと同様、磁性体により閉磁路を形成するため、磁束の周辺への漏れをなくすことができ、周辺機器に干渉する電磁誘導雑音をなくすことができる。
また、実効磁路長が更に減少し、実効透磁率は更に増加することにより、ほぼ磁性体の透磁率となるためインダクタンス値を更に大きくすることができる。

本発明のスパイラルインダクタの実施形態の一例を示す斜視図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ断面図（ｂ）、磁力線の様子を示す断面図（ｃ）である。 本発明の他の実施例を示す斜視図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ断面図（ｂ）、磁力線の様子を示す断面図（ｃ）である。 本発明をトランスに応用した実施例を示す断面図である。 スパイラルコイルの他の実施例を示す平面図（ａ〜ｃ）及び斜視図（ｄ，ｅ）である。 従来のスパイラルインダクタの一例を示す斜視図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ断面図（ｂ）、磁力線の様子を示す断面図（ｃ）である。 スパイラルインダクタの他の例を示す斜視図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ断面図（ｂ）、磁力線の様子を示す断面図（ｃ）である。

図１（ａ〜ｃ）は本発明のスパイラルインダクタの斜視図（ａ）、（ａ）図のＡ−Ａ断面図（ｂ）、磁力線の様子を示す断面図（ｃ）である。
これらの図において図５と同一要素には同一符号を付している。図５と異なる点はスパイラルコイルの外周に第２磁生体（コア）５を複数個（図では１６個）形成した点にある。なお、本発明では従来例で示した磁性体４を第１磁性体と呼ぶ。

これら複数の第１，第２磁生体４，５は小径（例えば直径数１０〜１００μm程度）の貫通ビアであって近年低コスト化が進行中のTSV(Through Silicon Via)技術を利用して形成し、そのビア内部に透磁率の高い磁性体を充填したものである。

上述の構成によれば、第２磁性体５を形成することによりスパイラルコイル３の外周直近の磁束密度が上がるため、スパイラルコイルの中心部の磁性体４から出た磁束のうちスパイラルコイル外周直近を通って磁性体４に戻る磁束の割合が増加し、周辺に拡がる磁束が減少する。

図２は図１の構造の表面と裏面に第１、第２磁性体４，５を覆って透磁率の高いの磁性体膜６ａ、６ｂを形成または貼付けたものである。
図２の構成によれば、第１磁性体４から出た磁束の殆どが磁性体膜６ａを通って第２磁性体５に入り、更に磁性体膜６ｂを通って第１磁性体４に戻る。

図２の構成によれば、第１，第２磁性体４，５及び磁性膜６ａ．６ｂにより閉磁路を形成するため、磁束の周辺への漏れをなくすことができ、周辺の機器に干渉する電磁誘導雑音をなくすことができる。
また、実効磁路長が更に減少し、実効透磁率も更に増加し、ほぼ磁性体の透磁率となるためインダクタンス値を更に大きくすることができる。

図（ａ，ｂ）はそれぞれ図１、図２に示す第１スパイラルコイル（インダクタ）３と並行して（絶縁して重ねた状態で）第２スパイラルコイル１３を形成し、トランスを構成したものである。なお、本発明では従来例で示したスパイラルコイルを第１スパイラルコイルと呼ぶ。
インダクタの場合と同様に、周辺に干渉する電磁誘導雑音を軽減できるとともに、トランス巻線の自己インダクタンス、相互インダクタンスを向上でき、トランスの小型化が可能となる。

図４はスパイラルコイルの形状の他の実施例を示すもので、（ａ）は矩形状に形成したもの、（ｂ），（ｃ）は８角状に形成したもので導体が交差する部分は絶縁部材で電気的な導通が遮断されている。（ｄ），（ｅ）は一巻きのコイルを絶縁した状態で複数段重ねて形成し、隣り合うコイルを繋げたものである。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えばコイルの形状は円、矩形、８角の３種類を示したがこれに限るものではない。また、実施例では第２磁性体の数を環状に１６個としたがこの形状および数値に限るものではない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１ シリコン基板
２ 絶縁膜
３ 第１スパイラルコイル（インダクタ）
４ 第１磁性体
５ 第２磁性体（コア）
６ 磁性体膜
１３ 第２スパイラルコイル（インダクタ）

Claims (5)

1. シリコン基板の表面に形成されたスパイラルコイルと、
   該スパイラルコイルの中央部に前記シリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
   前記スパイラルコイルの外周に形成された第２磁性体を有することを特徴とするスパイラルインダクタ。
2. 前記第１磁性体は前記スパイラルコイルの中央部に複数本形成され、前記第２磁性体は前記スパイラルコイルの外周に複数本形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパイラルインダクタ。
3. 請求項３においては請求項１または２に記載のスパイラルインダクタにおいて、
   前記第１、第２磁性体は小径の貫通ビアＴＳＶ(Through Silicon Via)技術を利用して形成したことを特徴とする請求項１または２に記載のスパイラルインダクタ。
4. 前記スパイラルインダクタ及び第１、第２磁性体を含むシリコン基板の両面に磁性体膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパイラルインダクタ。
5. シリコン基板の表面に形成された第１スパイラルコイルと、
   該第１スパイラルコイルに絶縁状態で重ねて形成された第２スパイラルコイルと
   該スパイラルコイルの中央部に前記シリコン基板を貫通して形成された第１磁性体と、
   前記スパイラルコイルの外周に形成された第２磁性体を有することを特徴とするトランス。