JP3114392B2 - 薄膜形磁気誘導素子 - Google Patents
薄膜形磁気誘導素子Info
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Description
れた薄膜導体とコイル電流による発生磁束に対する磁路
を形成する磁性薄膜等を積層してなる薄膜積層構造をも
ち、集積回路装置等のチップ上に変圧器やインダクタと
して組み込むに適するごく小形の磁気誘導素子に関す
る。
形電子装置は変圧器やインダクタ等の磁気誘導素子と半
導体装置とを組み合わせて構成されるが、半導体技術に
比べて磁気誘導素子側の進歩が立ち遅れていて電子装置
を小形化する上で隘路になっている。このため、最近で
は磁気誘導素子を薄膜構造にしかつ装置の動作周波数を
高めることにより小形化し、集積回路装置のチップ上に
搭載ないしは組み込んで電子装置をワンチップ化する試
みがなされるようになって来た。
を単一のコイルを備える最も簡単なインダクタについて
断面図で示す。この磁気誘導素子20は図ではごく簡略に
示す集積回路装置の数〜数十mm角のチップ10を覆う保護
膜等である絶縁膜11の上に、磁性薄膜21，絶縁膜22，薄
膜導体23，絶縁膜24および磁性薄膜25を順次積層してな
る。例えば10μｍ程度の膜厚の銅からなる薄膜導体23は
図示の例では渦巻き状コイルのパターンに形成され、こ
れを上下から挟み込む１対の磁性薄膜21と25は軟磁性で
高比透磁率の強磁性体金属を非晶質状態で10μｍ程度の
膜厚に成膜してなり、絶縁膜22と24は例えば１〜２μｍ
の膜厚の酸化シリコン膜であり、これらから全体高さが
数十μｍ程度とごく薄く外形サイズが数〜20mm角に小形
化された薄膜積層体が構成される。
ルのパターンにも形成され、図では省略されているがそ
れを作り込む際に下側の磁性薄膜21に設けた窓や切り欠
きを介してチップ10内の半導体回路と接続される。図４
に示す磁気誘導素子20は薄膜導体23のコイルを１対の磁
性薄膜21と25により両側から挟み込むいわゆる外鉄形構
造であるが、逆に磁性薄膜を両側から１対の薄膜導体の
コイルにより挟み込むいわゆる内鉄形構造とされる場合
もある。磁気誘導素子20を変圧器とする場合は薄膜導体
23から複数個のコイルを形成し、あるいは各単一のコイ
ルに形成された薄膜導体23を複数段に積層することでよ
い。また、このように磁気誘導素子20を小形化するため
に、それと組み合わせるチップ10内の半導体回路のスイ
ッチング周波数は最低でも数百ｋHz，ふつう１ＭHz以上
とされる。
素子を薄膜積層構造としかつそれと組み合わせる半導体
回路の動作周波数をできるだけ高めることにより、集積
回路装置のチップの上に容易に作り込める程度にまで小
形化できる反面、薄膜構造としたための逆効果として寄
生キャパシタンスが内部に分布して発生しやすく、等価
回路上これが磁気誘導素子が本来もつインダクタンスに
対して並列に入るので動作周波数を高めて行くにつれて
その実効インダクタンス値が低下し、その磁気的な蓄積
エネルギ,従って出力電力を大きくとれない問題があ
る。図５にこの寄生キャパシタンスが発生する様子を磁
気誘導素子の等価回路により示す。
一部に相当する等価回路図であり、薄膜導体23から形成
されたコイルの各導体23ａと磁性薄膜21や25の間にそれ
ぞれキャパシタンスｃが寄生している様子を示す。薄膜
積層構造の磁気誘導層20では図３の絶縁膜22や24がかな
り薄いのでこの寄生キャパシタンスｃがとくに大きくな
りやすい。また、寄生キャパシタンスｃはいわゆる分布
静電容量であり、かつ磁性薄膜21や25の金属の比抵抗が
数十〜数百μΩcmと低くてキャパシタンスｃに直列に入
る抵抗ｒの値がごく小さいので、隣合う２個の導体23ａ
の相互間だけでなく、互いに離れた２個の導体23ａの相
互間にもキャパシタンスｃがほぼ同等に入ることにな
る。
クタンスに対し並列にかなり大な，ふつうは数百pF〜数
nF程度のキャパシタンスが等価的に入りことになる。例
えば８mm角の外形サイズのインダクタについて実測した
結果では、 400nHのインダクタンスに対し 250pFもの等
価キャパシタンスが並列に入るので、高周波，とくに５
ＭHz以上の周波数領域では磁気誘導素子の等価インダク
タンスが低下してそれから取り出し得る出力電力が落
ち、同時にそのＱ値も 100以下に下がって来る。本発明
の目的はかかる問題点を解決して、性能が寄生キャパシ
タンスにより影響されることが少ない薄膜形磁気誘導素
子を得ることにある。
的は、前述のように平板状のコイルに形成された薄膜導
体とコイル電流による発生磁束に対する磁路を形成する
磁性薄膜とを積層してなる磁気誘導素子において、磁性
薄膜に対しスリットをコイル内で導体が延びる方向と平
行な方向に設けることにより達成される。なお、上述の
スリットを磁性薄膜に設けべきピッチはコイル内の導体
の配列ピッチと同じにするのが原理上は有利であるが、
それにより磁気誘導素子のインダクタンス値が低下する
逆効果が発生し得るので、磁性薄膜による磁路がもつい
わゆる特性長の 0.5〜２倍, より望ましくは 0.8〜1.5
倍のピッチでスリットを設けるのが有利である。特性長
は磁路の構造により若干異なるが、コイルを１対の磁性
薄膜で挟み込む場合、磁性薄膜の比透磁率をμ, その膜
厚をｔM,磁性薄膜の相互間隔をｇとして特性長λはλ＝
(μｇｔM ／２)1/2で与えられる。
ターンが渦巻き状とつづら折れ状のいずれの場合にも適
用でき、後者の場合は磁性薄膜に対しスリットをコイル
内の導体配列と同じピッチで設けるのが有利である。ま
た、本発明は前述のコイルを１対の磁性薄膜で挟み込む
外鉄形構造と逆に磁性薄膜を１対のコイルで挟み込む内
鉄形構造のいずれの磁気誘導素子にも適用でき、もちろ
んそれが変圧器やインダクタであるいずれの場合にも適
用できる。さらに、本発明においても磁路内の高周波損
失を減少させるため磁性薄膜に対し別のスリットを磁束
の方向と平行,つまり上述のスリットに対しほぼ直角方
向に設けるのが望ましい。
かるように薄膜導体23から形成されたコイルの導体23ａ
の相互間に各導体23ａと磁性薄膜21や25の間に分布した
寄生キャパシタンスｃが磁性薄膜21や25の低い抵抗ｒを
介し回り込むように接続され、これが磁気誘導素子20の
全体のインダクタンスに対して並列に大きい等価キャパ
シタンスが入ってしまう従来の問題の原因であることに
着目して、前項にいうように磁性薄膜に対しスリットを
コイルの導体が延びる方向と平行な方向に設けて、導体
の相互間への寄生キャパシタンスの回り込み接続経路を
断つことにより問題を解決するものである。なお、本発
明の場合でも磁気誘導素子内の回り込み路がすべて断た
れるとは限らないが、少なくとも互いに離れた導体間経
路が確実に断たれ、磁気誘導素子全体の等価キャパシタ
ンスに対してはかかる互いに離れた導体相互間，すなわ
ち大きい電位差が掛かる導体相互間への寄生キャパシタ
ンスの接続の影響が支配的なので、本発明により等価キ
ャパシタンスを従来の少なくとも半分以下に，ふつうは
数分の１以下に減少できる。
す、図１は本発明による薄膜形磁気誘導素子の実施例の
構造図で，図２はそれに対応する等価回路図であり、図
３は本発明の異なる実施例の等価回路図である。これら
図中の図４や図５に対応する部分に同じ符号が付けられ
ている。これらの実施例では図の煩雑化を避けるため磁
気誘導素子は便宜上インダクタであるとし，かつ外鉄形
構造のものとするが、本発明はもちろんこれに限定され
るものではない。
導素子20の実施例を図４に対応する断面図により示し、
同図(b) は薄膜導体から形成されたコイルのパターン例
を，同図(c) はスリットが設けられた磁性薄膜のパター
ン例をそれぞれ平面図により示す。図１(a) に示すよう
に、この実施例の磁気誘導素子20は前の図４と同様に集
積回路装置のチップ10の表面を覆う絶縁膜11の上側に磁
性薄膜21，絶縁膜22，薄膜導体23，絶縁膜24および磁性
薄膜25を順次積層してなる。磁性薄膜21と25はパーマロ
イやセンダスト等の軟磁性の強磁性体金属をスパッタ法
等により非晶質状態で例えば10μｍの膜厚に成膜したも
のであり、その比透磁率は数千〜1000である。薄膜導体
23用には銅等の高導電性金属を例えば10μｍの膜厚に成
膜する。絶縁膜22と24には磁性薄膜21等のスリットによ
る凹凸面を平坦化するためにポリイミド樹脂を用い、こ
れを例えば５μｍの膜厚に成膜するのがよい。
膜導体23から渦巻き状に形成され、その導体23ａは例え
ば 200μｍ幅に形成されて25μｍの相互間隔で配列され
る。その両端は端子23ｂと23ｃに形成されて、図１(a)
のように下側の磁性薄膜21の周縁の切り欠きと中央の窓
の個所でチップ10内の配線膜12と接続される。また、本
発明では磁性薄膜21と25に対しコイルの導体23ａが延び
る方向, 図１(a) では図の前後方向に平行にスリット21
ａと25ａを設ける。スリット幅は２〜３μｍと狭くてよ
く、この実施例ではこれらのスリットをコイルの導体23
ａに対して一つ置きのピッチで設ける。図１(c) はこの
様子を上側の磁性薄膜25について示す。図のようにこの
実施例ではスリット25ａのほか、磁性薄膜内の高周波損
失を減少させるため別のスリット25ｂを磁束が通る方向
とほぼ平行に, つまり導体23ａの延びる方向と直角に１
〜２μｍのごく狭い幅で設ける。
の説明を終えたので、ついで図２を参照して前の図５に
対応するその等価回路を説明する。この実施例ではコイ
ルの２個の導体23ａごとに磁性薄膜21と25にスリット21
ａと25ａが設けられており、スリット相互間に対応する
２個の導体23ａの相互間には磁性薄膜21や25との間の寄
生キャパシタンスｃが低い抵抗ｒを介して従来と同様に
接続されるが、かかる導体対の相互間を除いてはどの導
体23ａの相互間にも従来のように寄生キャパシタンスｃ
が回り込んで接続されることがない。
寄生キャパシタンスｃが接続されるのはスリットの相互
間にある電位差がごく低い導体23ａの対の相互間に限ら
れており、それよりも電位差が高い導体23ａのどの相互
間にもスリット21ａと25ａにより回り込み接続の経路が
断たれて寄生キャパシタンスｃは接続されない。このた
め、この実施例の磁気誘導素子20では内部に分布した寄
生キャパシタンスｃに起因する等価キャパシタンスを従
来の２〜数分の１に減少させることができる。なお、こ
の等価キャパシタンスを減少させるだけであればスリッ
ト21ａや25ａを導体23ａの配列と同ピッチで設ければよ
いが、磁性薄膜21や25により形成される磁路がもつ特性
がこれに関連して来るので、スリットのピッチをあまり
狭めると不利になる場合が多い。以下、これを図３を流
用して簡単に説明する。
25を経由して図示のような磁束φが形成されるが、図の
左右方向をｘ軸, 上下方向をｙ軸とし、磁束φがｘｙ面
内の二次元分布であるとし、磁束密度のｙ方向成分を便
宜上符号φで表すとこの磁束密度φのｘ方向の分布は次
の方程式で支配される (例えばIEEE Trans. MAG-14,pp.
509, l978を参照) 。
性薄膜の比透磁率, ｇは磁性薄膜の相互間隔, ｔM は磁
性薄膜の厚み, Ｋはコイルの導体寸法等によって決まる
定数、Ｉはコイルの電流である。いま、λ＝ (μｇｔM
／２)1/2と置くと上式の一般解はexp(±x/λ) であるか
ら、磁束φのｘ方向分布は磁路の特性長と呼ばれるこの
λで決まり、各導体23ａの電流による発生磁束φはこの
特性長λの幅をもつ範囲内にほぼ集中して分布する。
ッチを特性長λよりあまり狭めると各導体に鎖交する磁
束φが減少して磁気誘導素子20のインダクタンスが減少
するので不利になり、もちろん逆にあまり広げると上述
の等価キャパシタンスの減少効果が得られなくなる。実
際的には、スリットピッチを特性長λの 0.5〜２倍の範
囲に, より望ましくは 0.8〜1.5 倍の範囲内に設定する
のがよい。特性長λはふつう数百μｍであり、図１の実
施例ではスリット21ａや25ａが導体23ａの配列ピッチの
２倍の約 450μｍのピッチで設けられる。
薄膜21と25のスリット21ａと25a がコイルの導体23ａご
とに設けられる。この実施例は前実施例でスリットピッ
チ，つまり導体23ａの配列ピッチを上述の特性長λの
0.8〜1.5 倍の範囲に設定した場合にも当たるが、薄膜
導体23をつづら折れ状のコイルに形成する場合にとくに
適する。後者の場合にはコイルの導体23ａに電流が交互
に逆方向に流れ、それによる磁束φも図示のように導体
23ａごとに交互に逆方向に発生するので、磁路の特性長
λをとくに考慮することなくスリット21ａや25ａを導体
23ａの配列と同じピッチで設けても導体配列ピッチが非
常に狭くない限り支障がない。この図４の実施例では、
導体23ａのどの相互間も寄生キャパシタンスｃにより影
響されないから、磁気誘導素子20の等価キャパシタンス
を前実施例より減少させてスリットなしの場合の10分の
１以下に抑制することができる。
素子20は集積回路装置のチップ10の上に作り込むに適し
た数〜20mmの外形サイズに容易に形成でき、等価キャパ
シタンスが小さいので１〜10ＭHzの高周波領域内でもイ
ンダクタンス値がほぼ平坦で良好な周波数特性を有す
る。なお、実施例中で述べた構造, 形状, 配列, 寸法，
数値等はもちろんあくまで例示であって、本発明はかか
る特定例に限らず種々な態様で実施をすることができ
る。
に形成した薄膜導体と磁路を形成する磁性薄膜を積層し
た構造の磁気誘導素子では、そのインダクタンスに並列
な等価キャパシタンスが存在して充分な出力電力を取り
出せないのは、コイルの導体の相互間に寄生キャパシタ
ンスが磁性薄膜の低い抵抗を介して回り込み接続される
ためであることに着目して、磁性薄膜に対しスリットを
コイル内で導体が延びる方向と平行な方向に設けて導体
相互間への寄生キャパシタンスの回り込み接続の経路を
断つことにより、寄生キャパシタンスの影響を減少させ
て磁気誘導素子の等価キャパシタンスを従来の少なくと
も２分の１以下，ふつうは数〜10分の１に減少させるこ
とができる。これにより、薄膜形の磁気誘導素子の欠点
である寄生キャパシタンスの問題を解決してその高周波
性能を高め、ワンチップ形スイッチング電源等の超小形
電子装置の開発に貢献することができる。
造を示し、同図(a) は断面図、同図(b) は薄膜導体のコ
イルのパターン例を示す平面図、同図(c) は磁性薄膜の
スリットのパターン例を示す平面図である。
である。
Claims (5)
- 【請求項１】平板状のコイルに形成された薄膜導体とコ
イル電流による発生磁束に対する磁路を形成する磁性薄
膜とを積層してなる磁気誘導素子であって、磁性薄膜に
対してコイル内で導体が延びる方向と平行な方向にスリ
ットを設けることを特徴とする薄膜形磁気誘導素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の素子において、スリット
を磁性薄膜の磁路がもつ特性長の 0.5〜２倍の相互間の
ピッチで設けるようにしたことを特徴とする薄膜形磁気
誘導素子。 - 【請求項３】請求項２に記載の素子において、スリット
ピッチを磁路がもつ特性長の 0.8〜1.5 倍とすることを
特徴とする薄膜形磁気誘導素子。 - 【請求項４】請求項１に記載の素子において、スリット
をコイル内の導体の配列と同ピッチで設けることを特徴
とする薄膜形磁気誘導素子。 - 【請求項５】請求項１に記載の素子において、磁性薄膜
に対し磁束の方向と平行に別のスリットを設けることを
特徴とする薄膜形磁気誘導素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04276387A JP3114392B2 (ja) | 1992-10-15 | 1992-10-15 | 薄膜形磁気誘導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04276387A JP3114392B2 (ja) | 1992-10-15 | 1992-10-15 | 薄膜形磁気誘導素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06132131A JPH06132131A (ja) | 1994-05-13 |
| JP3114392B2 true JP3114392B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=17568708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04276387A Expired - Lifetime JP3114392B2 (ja) | 1992-10-15 | 1992-10-15 | 薄膜形磁気誘導素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3114392B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP5339974B2 (ja) * | 2009-03-11 | 2013-11-13 | 新光電気工業株式会社 | インダクタ装置及びその製造方法 |
| US10685776B1 (en) * | 2016-04-01 | 2020-06-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Alabama | Integrated magnetic inductors |
| US11348718B2 (en) * | 2018-06-29 | 2022-05-31 | Intel Corporation | Substrate embedded magnetic core inductors and method of making |
-
1992
- 1992-10-15 JP JP04276387A patent/JP3114392B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06132131A (ja) | 1994-05-13 |
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