JP2014120543A - コモンモードフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜型でありながら広帯域に亘ってコモンモードノイズを減衰させることのできるコモンモードフィルタを構成する。
【解決手段】誘電体基体に薄膜形成されて互いに電磁界結合する第１コイルおよび第２コイルを含み、第１コイル、第２コイル、および浮遊容量による共振でコモンモード信号を減衰させる。誘電体基材には磁性体の層が設けられていて、その磁性体の透磁率が大きい第１の周波数帯で、第１コイル、第２コイルの相互インダクタンスおよび浮遊容量による共振で第１の減衰極Ａ１が生じる。そして、第１の周波数帯より高くスネークの限界を超える第２の周波数帯（磁性体の比透磁率≒１）での第１コイル、第２コイルの相互インダクタンスおよび浮遊容量による共振で第２の減衰極Ａ２が生じるように、磁性体の初透磁率μiが選定されている。
【選択図】図５

Description

本発明は高周波信号の伝送線路に適用されるコモンモードフィルタに関し、特に薄膜プロセスにより製造されるコモンモードフィルタに関する。

例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）やＨＤＭＩ（High Definition Multimedia Interface）等の高速インターフェースでは、一対の信号線路（＝平衡線路）にて位相が１８０°異なる信号を伝送する「差動伝送方式」が用いられている。差動伝送方式では、平衡線路にて放射ノイズや外来ノイズが相殺されるため、これらノイズによる影響を受けにくい。しかし、例えば高周波信号の位相がずれてしまうと、コモンモードの成分が生じて、これがノイズとして輻射されてしまう。このようなコモンモードノイズを抑制するため、コモンモードフィルタが用いられる。

通常、コモンモードフィルタは、特許文献１の図１や特許文献２の図２等に開示されているように、同方向に巻回された２つのコイル（一次コイル、二次コイル）を備えた小型の積層型チップ部品として構成されている。このようなコモンモードフィルタは、互いに電磁界結合した２つのコイル素子によって構成されたフィルタであり、差動信号（ディファレンシャルモードの信号電流）は通過させるが、コモンモードノイズ（コモンモードノイズ電流）は減衰させることができる。

特許文献１，２に示されているように、複数の磁性体シートを積層してなる多層基板に２つのコイル素子を内蔵してなるシート多層型のコモンモードフィルタが一般的である。

また、特許文献３に開示されているように、シリコン基板上に薄膜プロセスを利用してコイルパターンを形成してなる薄膜プロセス型のフィルタも知られている。

特開２００３−０６８５２８号公報 特開２００８−０９８６２５号公報 特開２００７−５３２５４号公報

前記薄膜プロセス型のコモンモードフィルタは、微細なコイルパターンを加工できるため、小型・薄型の部品を構成する上で有利である。

薄膜型のコモンモードフィルタでは、すなわち薄膜プロセスを利用した微細なコイルパターンを有するフィルタでは、コイルパターンを構成する電極間のギャップも狭くなるため、巻線型のコモンモードフィルタに比べて線間容量が増える傾向にある。コモンモードフィルタが使用される高周波伝送路に応じた所定の差動インピーダンス（例えばＵＳＢやＨＤＭＩ等の高速インターフェースでは１００Ω）に規定されているが、前記大きな線間容量は適正な差動インピーダンスに定めるためには不要である。

しかし、本来、コモンモードフィルタは２つのコイル（一次コイル、二次コイル）を強く磁界結合させることが重要であるので、一次コイル・二次コイル間の間隔をある程度は狭くすることも必要になる。薄膜型コモンモードフィルタにはこのようなジレンマがある。

そこで、コイルのインダクタンスとコイルに生じる浮遊容量とで共振回路を構成することによって、その共振周波数でコモンモードノイズを減衰させることは有効である。しかし、薄膜型のコモンモードフィルタでは磁性体が無く、２つのコイルが形成される支持部の比透磁率が１であるので、コイルのインダクタンスは小さい。その結果、前記共振回路で減衰できるコモンモードノイズの周波数帯域幅は狭い。

本発明の目的は、薄膜型でありながら広帯域に亘ってコモンモードノイズを減衰させることのできるコモンモードフィルタを提供することにある。

本発明のコモンモードフィルタは次のように構成される。

（１）誘電体基体に薄膜形成されて互いに電磁界結合する第１コイルおよび第２コイルを含み、前記第１コイル、前記第２コイル、並びに前記第１コイル及び前記第２コイルに生じる浮遊容量による共振でコモンモード信号を減衰させるコモンモードフィルタにおいて、
前記誘電体基体に磁性体の層が設けられていて、
前記磁性体は、コモンモード信号を減衰させる周波数帯内で、前記磁性体により高まる前記第１コイル、第２コイルの相互インダクタンスおよび前記浮遊容量による共振で減衰極を生じさせる透磁率を有することを特徴とする。

上記構成により、磁性体層の比透磁率が１になる高周波側帯域での一つの共振と、磁性体層の比透磁率が１を超える低周波側帯域でのいま一つの共振とによってコモンモードノイズが減衰されるので、広帯域でコモンモードノイズを減衰させることができる。

（２）前記第１コイルおよび前記第２コイルは、誘電体基体の第１主面に形成されていて、前記磁性体の層は前記誘電体基体の第２主面に形成されていることが好ましい。この構成により、薄膜型でありながら磁性体層を有するコモンモードフィルタを構成できる。

（３）前記誘電体基体は半導体基板であり、前記磁性体は前記半導体基板に塗布形成された磁性体ペーストによる層であることが好ましい。この構成により、磁性体層の形成が容易となって、小型のコモンモードフィルタを容易に構成できる。

（４）前記磁性体は、第１の周波数帯での透磁率による前記共振で第１の減衰極を生じさせ、前記第１の周波数帯より高いスネークの限界を超える第２の周波数帯での前記共振で第２の減衰極を生じさせるように初透磁率μiが選定されていることが好ましい。この構成により、磁性体の比透磁率が１を超える周波数帯での共振と、磁性体の比透磁率が１になる周波数帯での共振とがそれぞれ生じて、広帯域でコモンモードノイズを減衰させることができる。

本発明によれば、磁性体層の比透磁率が１を超える周波数帯での共振と、磁性体層の比透磁率が概ね１になる周波数帯での共振とによってコモンモードノイズが減衰され、薄膜型でありながら、広帯域でコモンモードノイズを減衰させることのできるコモンモードフィルタが構成される。

図１は本発明の実施形態に係るコモンモードフィルタ１０１の外観斜視図である。 図２はコモンモードフィルタ１０１の等価回路図である。 図３はコイル形成層１２に形成されている導体パターンを示す分解斜視図である。 図４はコモンモードフィルタ１０１の製造過程における断面図である。 図５（Ａ）はコモンモードフィルタ１０１のコモンモードノイズの減衰特性を示す図である。図５（Ｂ）は磁性体層の透磁率の特性を示す図である。 図６は磁性体のスネークの限界の例を示す図である。 図７は図５における減衰極Ａ１の周波数帯域および減衰極Ａ２の周波数帯域での磁界分布を示す図である。 図８は別のコモンモードフィルタのコモンモードノイズの減衰特性を示す図である。

図１は本発明の実施形態に係るコモンモードフィルタ１０１の外観斜視図である。このコモンモードフィルタ１０１は、シリコン基板１１、コイル形成層１２および磁性体層１３を備えている。後に示すように、コイル形成層１２はエポキシ系樹脂等の誘電体（非磁性体）からなる複数の絶縁体層とそれらの絶縁体層に形成されたＣｕ等の導電体からなる第１コイル導体および第２コイル導体で構成されている。コイル形成層１２はシリコン基板１１の第１主面に形成されていて、磁性体層１３はシリコン基板１１の第２主面に形成されている。図１に表れていないが、コイル形成層１２の外面には４つの端子電極が形成されている。シリコン基板１１は、必要に応じてセラミック基板やガラス基板等の絶縁基板であってもよい。

図２はコモンモードフィルタ１０１の等価回路図である。第１コイルＬ１と第２コイルＬ２はコモンモード電流が流れることにより互いの磁界を高めるように磁界結合する。第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との間には浮遊容量が生じる。図２において、この浮遊容量を集中定数回路としてキャパシタＣ１，Ｃ２で表している。また、第１コイルＬ１の線間および第２コイルＬ２の線間にも浮遊容量が生じる。図２において、この浮遊容量を集中定数回路としてキャパシタＣ３，Ｃ４で表している。

このコモンモードフィルタ１０１において、コモンモード電流が流れているときの第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との相互インダクタンス、およびキャパシタＣ１，Ｃ２により、コモンモードノイズの減衰極が生じる。

規定の差動インピーダンスを得るため、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との間の容量Ｃ１，Ｃ２が必要となる場合もあるが、Ｃ１，Ｃ２の容量が大きくなりすぎると、差動インピーダンスを規定値まで高められない。そこで、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との間隔は、前記差動インピーダンスが規定値になる程度に広く定めている。

ディファレンシャルモード（ノーマルモード）で電流が流れているときは、その電流による第１コイルＬ１、第２コイルＬ２のインダクタンスおよび前記線間容量Ｃ３，Ｃ４による共振で、ディファレンシャルノイズ（ノーマルノイズ）に対する減衰極を生じさせることになる。ただし、ディファレンシャルモードでは、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２が互いに磁界を弱めるように結合しているので、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２、線間容量Ｃ３，Ｃ４で形成される減衰極は非常に高周波帯域でのみ形成されることになる（磁界結合係数が１の場合は、そもそも減衰極が形成されない）。すなわち、ノーマルモードで電流が流れている場合には、使用する周波数帯域より十分に高い周波数帯域においてディファレンシャルノイズに対する減衰極を形成するか、減衰極自体形成しないことになるため、ノーマルモード信号を減衰させることはない。

図３は前記コイル形成層１２に形成されている導体パターンを示す分解斜視図である。ここでは導体部分のみを描いている。図３において上方がシリコン基板１１に近接する側、下方がコイル形成層１２の外面側である。

図３に表れているように、４層に亘って形成されているコイル導体Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ１ｄによって第１コイル（Ｌ１）が構成されている。同様に、４層に亘って形成されているコイル導体Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｃ，Ｌ２ｄによって第２コイル（Ｌ２）が構成されている。そして、第１コイルＬ１の第１端が端子電極Ｐ１に接続され、第１コイルＬ１の第２端が端子電極Ｐ２に接続され、第２コイルＬ２の第１端が端子電極Ｐ３に接続され、第２コイルＬ２の第２端が端子電極Ｐ４に接続されている。

このように、コイル導体がフェライト基体上ではなく誘電体基体上に形成されているので、同じ層に第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とを形成でき、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との磁界結合の結合係数をより高めることができる。

図４はコモンモードフィルタ１０１の製造過程における断面図である。但し、この図では、個片化した１つの部品について表している。実際には、ウェハ状態でのプロセスであり、最後に個片化される。

先ず、（１）（２）に示すように、シリコン基板１１にエポキシ系樹脂の絶縁体層１２ａを形成し、さらにＣｕ薄膜を薄膜プロセスによってパターニングすることにより、第１コイル導体Ｌ１ａおよび第２コイル導体Ｌ２ａを形成する。（３）に示すように、コイル導体を形成した面にさらに絶縁体層１２ｂを形成した後、第１コイル導体Ｌ１ｂおよび第２コイル導体Ｌ２ｂを形成する。その後、同様のプロセスを繰り返し、（４）に示すように、４層のコイル導体および５層の絶縁体層１２ａ〜１２ｅを形成することでコイル形成層１２を形成する。さらに、このコイル形成層１２の外面（絶縁体層１２ｅの表面に）端子電極Ｐ１〜Ｐ４（図３参照）を形成する。続いて、（５）（６）に示すように、シリコン基板１１側を上面にしてシリコン基板１１に磁性体層１３を形成する。具体的には、フェライト粉を樹脂成分と溶剤とでペースト状にした磁性体ペーストをスピンコートし、その後、加熱硬化させる。図４中の（６）は図１に示したＸ−Ｘ部分での断面図に相当する。

図５（Ａ）は前記コモンモードフィルタ１０１のコモンモードノイズの減衰特性を示す図である。図５（Ｂ）は磁性体層の透磁率の特性を示す図である。図５（Ａ）において、実線はコモンモードフィルタ１０１のコモンモードノイズに対する減衰特性、破線は磁性体の透磁率に周波数依存性が無いと仮定した場合の減衰特性をそれぞれ表している。図５（Ａ）において、囲みＡ１で示す８００ＭＨｚの減衰極は、磁性体層１３の透磁率に応じて高まる第１コイルＬ１、第２コイルＬ２の相互インダクタンスおよび浮遊容量による共振によって生じたものである。一方、囲みＡ２で示す２．４ＧＨｚの減衰極は、磁性体層１３の透磁率が低い（比透磁率μ≒１）での第１コイルＬ１、第２コイルＬ２の相互インダクタンスおよび浮遊容量による共振によって生じたものである。

磁性体の透磁率は複素透磁率で表すことができ、その虚部をμ′、実部をμ″で表すと、図５（Ｂ）に示す例では、Ｌ成分（μ′）は８００ＭＨｚを超えると急激に減少し、Ｒ成分（μ″）は８００ＭＨｚでピークとなる。

一般に、磁性材料であるフェライトにおいては、高い透磁率を持つ（初透磁率μi が高い）材料ほど、周波数の上昇にともない、より低周波帯域でμ′が低下する現象がある。これはスネークの限界と言われる。図６はこのスネークの限界の例を示す図である。図６にはスネークの限界線SBLとともに、幾つかの磁性体材料について初透磁率μi の周波数依存性を示している。図５に示した例では、８００ＭＨｚ以上がスネークの限界を超える周波数である。

このように、磁性体の透磁率に周波数依存性があるので、図５（Ａ）において破線で示す特性とはならず、スネークの限界を超える周波数で、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２の相互インダクタンス、および浮遊容量による第２の減衰極Ａ２が生じる。換言すると、磁性体層１３の透磁率（μ′）による、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２の相互インダクタンスおよび浮遊容量による第１の周波数帯で第１の減衰極が生じ、第１の周波数帯より高くスネークの限界を超える第２の周波数帯（μ′≒１となる周波数帯）で第２の減衰極を生じさせるように、磁性体層１３の透磁率（初透磁率μi ）が選定されている。

図７（Ａ）は、図５における減衰極Ａ１またはＡ１付近の周波数帯域での磁界分布を示す図、図７（Ｂ）は、図５における減衰極Ａ２またはＡ２付近の周波数帯域での磁界分布を示す図である。いずれの図においても、コモンモード電流が流れたときの磁界分布を破線の磁力線で表している。減衰極Ａ１またはＡ１付近の周波数帯域では、磁性体層１３の比透磁率が１を超えるので、図７（Ａ）に表しているように、磁性体層１３の作用により、コイル導体周囲の磁界強度が高まる。そのため、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との結合が強くなり、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との相互インダクタンスは高まる。この第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との相互インダクタンス、およびキャパシタＣ１，Ｃ２により、減衰極Ａ１が生じる。

一方、減衰極Ａ２またはＡ２付近の周波数帯域では、磁性体層１３の比透磁率（μ′，μ″）が１であるので、図７（Ｂ）に表しているように、磁性体層１３の磁性体としての作用は無く、コイル導体周囲の磁界強度が低下する。そのため、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との結合が弱くなり、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との相互インダクタンスは低下する。この第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との相互インダクタンス、およびキャパシタＣ１，Ｃ２により、減衰極Ａ２が生じる。したがって、減衰極Ａ１より高い周波数帯域に減衰極Ａ２が生じる。

このように２つの周波数帯で減衰極が生じることによって、この２つの周波数帯に亘る広帯域で所定の減衰量が確保できる。

図５は、第１の減衰極Ａ１と第２の減衰極Ａ２とを含む周波数帯に亘って減衰量が確保した例であるが、この２つの減衰極Ａ１，Ａ２の周波数帯を減衰すべきコモンモードノイズの２つの周波数帯に合わせてもよい。図８に示す例では、第１の減衰極Ａ１で周波数ｆ１帯のコモンモードノイズを減衰させ、第２の減衰極Ａ２で周波数ｆ２帯のコモンモードノイズを減衰させる。

このように、磁性体の透磁率の周波数依存性に応じて生じる２つの減衰極の周波数差が大きい場合に生じる２つの分離した減衰帯域を利用してもよい。

Ａ１…第１の減衰極
Ａ２…第２の減衰極
Ｌ１…第１コイル
Ｌ２…第２コイル
Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄ…第１コイル導体
Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ…第２コイル導体
Ｐ１〜Ｐ４…端子電極
１１…シリコン基板（誘電体基体）
１２…コイル形成層
１２ａ〜１２ｅ…絶縁体層
１３…磁性体層
１０１…コモンモードフィルタ

Claims (4)

1. 誘電体基体に薄膜形成されて互いに電磁界結合する第１コイルおよび第２コイルを含み、前記第１コイル、前記第２コイル、並びに前記第１コイル及び前記第２コイルに生じる浮遊容量による共振でコモンモード信号を減衰させるコモンモードフィルタにおいて、
   前記誘電体基体に磁性体の層が設けられていて、
   前記磁性体は、コモンモード信号を減衰させる周波数帯内で、前記磁性体により高まる前記第１コイル、第２コイルの相互インダクタンスおよび前記浮遊容量による共振で減衰極を生じさせる透磁率を有することを特徴とするコモンモードフィルタ。
2. 前記第１コイルおよび前記第２コイルは、誘電体基体の第１主面に形成されていて、前記磁性体の層は前記誘電体基体の第２主面に形成されている、請求項１に記載のコモンモードフィルタ。
3. 前記誘電体基体は半導体基板であり、前記磁性体は前記半導体基板に塗布形成された磁性体ペーストによる層である、請求項２に記載のコモンモードフィルタ。
4. 前記磁性体は、第１の周波数帯での透磁率による前記共振で第１の減衰極を生じさせ、前記第１の周波数帯より高いスネークの限界を超える第２の周波数帯での前記共振で第２の減衰極を生じさせるように、初透磁率μiが選定されている、請求項１、２または３に記載のコモンモードフィルタ。

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