JP5837708B1 - 高周波用チョークコイルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域な特性を有し、製造、実装が容易な高周波チョークコイルを実現する。【解決手段】基板２１と、その基板２１の一面２１ａ側に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体２５と、コイル本体２５の異なる周の導体間を接続するようにパターン形成され、その導体間の線間容量、浮遊容量に起因する共振を抑圧する抵抗体３０、４０とを有しており、さらに基板２１の下面側２１ｂに基板設置用の脚部２２を突設し、コイル本体２５と設置面との間の浮遊容量を減少させている。【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域な特性を有し、製造および実装が容易な高周波用チョークコイル（以下、ＲＦＣと記す）を実現するための技術に関する。

ＲＦＣは、直流を通過させ、周波数の高い交流（高周波）に対して高インピーダンスを示す特性を有し、主に高周波の増幅器やドライバ等の電源供給回路やバイアス供給回路等に用いられている。

上記のように交流と直流の分離を行なうためのＲＦＣで広帯域に渡って平坦な特性を得るためには使用帯域内での共振を抑える必要があり、そのための構造として、従来から磁性体や電波吸収体をコア材として用い、そのコアの外周に導線を巻いた円錐構造のものが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００４−２６６０４７号公報

しかしながら、上記のようにコアに導線を巻いた円錐構造のＲＦＣでは、導線をほどけないように隙間なく密に巻く必要があるため製造しにくく、導線の先端を別の回路に接続する場合、ハンダ材や接着剤を用いて配線するが、絶縁体の被覆を予め剥がしておく必要があり、部品の固定も含めた実装の作業は大変面倒であった。

本発明は、この問題を解決し、広帯域な特性を有し、製造および実装が容易なＲＦＣを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の高周波用チョークコイルは、
絶縁体からなる基板（２１）と、
該基板の一面側に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体（２５）と、
前記基板の一面側で、前記コイル本体の最内端と最外端にパターン形成されたワイヤボンディング用の端子部（２５ａ、２５ｂ）と、
前記基板の一面側で、前記コイル本体の異なる周の導体間を等価的に抵抗成分で接続するようにパターン形成され、該導体間の線間容量、浮遊容量に起因する共振を抑圧する抵抗体（３０、４０、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０、６０）とを有している。
また、本発明の請求項２の高周波チョークコイルは、請求項１記載の高周波用チョークコイルにおいて、
前記抵抗体は、前記異なる周の導体間を等価的に数１００Ωの抵抗成分で接続していることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の高周波用チョークコイルは、請求項１または請求項２記載の高周波用チョークコイルにおいて、
前記基板の前記一面側と反対の面に基板設置用の脚部（２２）を突設させている。

また、本発明の請求項４の高周波用チョークコイルの製造方法は、
絶縁体からなる基板（２１）の一面側に抵抗体（３０、４０、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０、６０）をパターン形成する段階と、
前記基板の一面側に、導体を渦巻き状に複数周パターン形成したコイル本体（２５）と、該コイル本体の最内端と最外端にパターン形成したワイヤボンディング用の端子部（２５ａ、２５ｂ）とを設けるとともに、前記コイル本体の異なる周の導体間を前記抵抗体によって等価的に抵抗成分で接続する段階とを含むことを特徴としている。

このように本発明の高周波用チョークコイルは、基板の一面側に導体を渦巻き状に複数周パターン形成したコイル本体の異なる周の導体間を抵抗体で接続して、導体間の線間容量、浮遊容量による共振を抑圧した構造であるから、基板に対する薄膜パターン処理のみで簡単に製造でき、しかも、基板上にパターン形成されたコイル本体の両端と他回路との間をワイヤボンディングで接続することができ、実装も極めて容易に行なえる。

また、基板の反対面側に基板設置用の脚部を突設しているので、基板の反対面と設置面の間に空気の層が形成され、コイル本体と設置面との間の浮遊容量を減少させることができ、浮遊容量による使用帯域内での共振をさらに効果的に防ぐことができる。

本発明の実施形態の構造を示す図 抵抗体を含めたＲＦＣの等価回路 実施形態のＲＦＣと従来構造のＲＦＣの特性を示す図 実施形態のＲＦＣで抵抗体が無い場合の特性を示す図 実施形態のＲＦＣで抵抗体を内側にも設けた場合の特性を示す図 実施形態のＲＦＣの製造方法を説明するための図 抵抗体の本数を減らした構成を示す図 抵抗体の本数を増した構成を示す図 抵抗体を２つの導体単位で設けた例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用したＲＦＣ２０の構造を示している。

このＲＦＣ２０は、数１０ＭＨｚから６０ＧＨｚ程度まで安定した高周波阻止特性を実現するためのものであり、図１の（ａ）の平面図に示しているように、所定厚さで外形がほぼ正方形の基板２１と、基板２１の上面側２１ａの中央に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体２５と、コイル本体２５の異なる周の導体間を接続するようにパターン形成された抵抗体３０、４０とを有している。

基板２１は、絶縁体で、誘電正接（損失）が小さく比誘電率が小さい（３に近い）材料、例えば石英ガラスやテフロン（登録商標）等で、１辺が０．８ｍｍ程度、厚さ０．２ｍｍ程度に形成され、その下面側２１ｂの四隅には、図１の（ｂ）の正面図に示すように、基板設置用の脚部２２が基板２１の厚さと同じ程度の高さで突設されている。

このように、基板２１の下面側２１ｂに基板設置用の脚部２２を突設しているので、基板２１の下面側２１ｂと設置面の間に空気の層が形成され、コイル本体２５と設置面との間の浮遊容量を減少させることができ、浮遊容量による使用帯域内での共振をさらに効果的に防ぐことができる。ここでは脚部２２が基板２１と同一材料で形成されているものとするが、誘電正接（損失）が小さく比誘電率が小さい別の材料で形成してもよい。なお、脚部２２の位置は、コイル本体２５の磁束が集中する基板中央部を避けた位置に設けることが好ましく、理想的には浮遊容量を増加させないようにコイル本体２５と重ならない位置に設けることができれば最良である。

コイル本体２５の導体は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を材料とし、所定幅（例えば２５μｍ）、所定の隙間（例えば１５μｍ）で基板２１の上面２１ａの中心部から外縁まで外形に沿った四角形の渦巻き状に所定周（例えば８周）形成されており、その最内端と最外端には、ワイヤボンディングによる接続を容易にするために幅と長さが広く形成された端子部２５ａ、２５ｂが設けられている。

そして、基板２１の上面２１ａには、コイル本体２５の中心から基板２１の１辺とその対辺に直交するように延びた線に沿ってパターン形成された抵抗体３０、４０が設けられている。抵抗体３０、４０は、例えば窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）等を材料とし、所定幅（例えば１５μｍ）、所定厚さ（例えば０．０１μｍ）で、コイル本体２５の異なる周の導体間を接続する長さにパターン形成されており、ここでは、コイル本体２５の外側の４本の隣合う導体間を所定抵抗（数１００Ω）で接続している。この比較的低い抵抗でコイル本体２５の導体間を接続したことにより、導体のインダクタンスと線間容量や浮遊容量による共振を抑圧することができ、ＲＦＣとして広帯域な特性が得られる。

図２は、このＲＦＣ２０の回路を等価的に示したものであり、コイル本体２５に複数のタップを設け、その間を抵抗体３０、４０の抵抗分Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で接続したものと言え、１周当りの導体長が短い部分より長い部分に集中的に抵抗分が接続されている。これは、１周当りの導体長が短い部分では線間容量や浮遊容量も少なくなりそれによる共振周波数が使用帯域を越えていてその影響を無視できるが、１周当りの導体長が長い部分では線間容量や浮遊容量も多くなりそれによる共振周波数が使用帯域内に入って無視できない影響が現れることを阻止するためである。

図３は、従来構造のＲＦＣと上記構造のＲＦＣ２０の特性を示すものである。この特性は、５０Ωの伝送線路（例えばマイクロストリップ線路）の主線路導体とアース導体の間に測定対象のＲＦＣを並列接続したときの伝送線路の入出力間の損失（Ｓ_２１）を測定した結果である。

従来構造のＲＦＣの寸法は、太さ約０．０５ｍｍの被覆銅線をコアの回りに密着巻きで１０回巻いたもので、細い方の径が約０．２ｍｍ、太い方の径が約１ｍｍ、コイル高さ０．５ｍｍとする。

また、上記構造のＲＦＣ２０は、基板２１を、石英ガラス材で外形（横×縦）が０．８×０．７５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとし、コイル本体２５を、導体材料金（Ａｕ）、導体幅２５μｍ、導体間隙間１５μｍ、巻き数８周とし、抵抗体３０、４０として、窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）を材料とし、幅１５μｍ、厚さ０．０１μｍで、コイル本体２５の導体４本分の幅２５μｍ×４とその４本の導体の間の隙間１５μｍ×３の合計１４５μｍの長さを持ち、コイル本体２５の外側４周分の各導体間を約２００Ωの抵抗で接続している。なお、抵抗体３０、４０単独では単位長さ当りの抵抗値は全長に渡って均一とするが、コイル本体２５の導体と重なった部分の抵抗値は導体により０Ωに近い低抵抗となり、導体と導体の間だけが２００Ωの抵抗値を持つことになる。

図３に示しているように、実施形態のＲＦＣ２０の特性Ｇと従来構造のＲＦＣの特性Ｆは、ともに下限周波数４０ＭＨｚから６０ＧＨｚまで−３ｄＢの範囲に入り、ほぼ同等の特性が得られている。したがって、実施形態のＲＦＣ２０は、同等の周波数特性が得られる従来構造のＲＦＣに比べて、基板２１上にコイル本体２５の導体や抵抗体３０、４０をパターン形成するだけで簡単に製造でき、また、コイル本体２５の両端にワイヤボンディングするだけで簡単に実装できるので格段に使いやすくなる。

図４は、実施形態のＲＦＣ２０の特性Ｇと、抵抗体３０、４０を省いたときの特性Ｇ′を示すものであり、抵抗体３０、４０が無い場合、導体間の線間容量と浮遊容量に起因するものと思われる共振による多数の深いディップ点が生じて、特性Ｇのような広帯域特性は得られないことが判る。

また、図５は、抵抗体で接続されるコイル本体２５の周位置を変化（抵抗体３０、４０の長さを変化）させたときのＲＦＣ２０の特性の変化を示すものであり、外側６本の導体間を抵抗体３０、４０で接続した特性Ｇａ、外側５本の導体間を抵抗体３０、４０で接続した特性Ｇｂ、前記同様に外側４本の導体間を抵抗体３０、４０で接続した特性Ｇ、外側３本の導体間を抵抗体３０、４０で接続した特性Ｇｃ、抵抗体３０、４０が無い場合の特性Ｇ′を示している。

この図から明らかなように、コイル本体２５の外側４本の導体間が抵抗体で接続されている状態では、内側の導体間が抵抗で接続されているか否かによる顕著な特性差が生じておらず、抵抗体による共振抑圧作用は、外側の導体間に対する接続が支配的であることが判る。また、外側３本の導体間のみを抵抗体で接続した特性Ｇｃには、浅いディップ点が現れていることから、上記した寸法、材質のＲＦＣ２０の場合、外側３本以上を抵抗体で接続したものが実用上好ましく、外側４本の導体間を抵抗体で接続したものが最良と推定される。

次に、上記構造のＲＦＣ２０の製造方法について図６に基づいて簡単に説明する。
始めに、図６の（ａ）のように、石英ガラス材からなる所定厚さの基板２１を用意し、図６の（ｂ）のように、基板上面２１ａに、抵抗体３０、４０の材料となる窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）の層１００を厚さ０．０１μｍで形成する。なお、図６では、抵抗体３０、４０、コイル本体２５およびその材料の厚さを誇張して示している。

次に、抵抗体３０、４０となる部分をマスク処理して不要な窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）の層を除去し、図６の（ｃ）のように、抵抗体３０、４０を幅１５μｍ、長さ１４５μｍ（２５×４＋１５×３）でパターン形成する。

続いて、図６の（ｄ）のように、コイル本体２５の材料となる金（Ａｕ）の層１０１を厚さ８μｍで形成する。

最後に、コイル本体２５となる渦巻き状の部分をマスク処理して不要な金（Ａｕ）の層を除去し、図６の（ｅ）のように、抵抗体３０、４０の両端を含む４ヶ所に外側４本の導体が交差した状態でコイル本体２５をパターン形成する。なお、実際には、大きな基板上に抵抗体とコイル本体のパターンを複数組形成してから、その基板をカットすることで、一度に多数のＲＦＣ２０を製造する。なお、脚部２２については、基板２１と別部材で製造したものを基板２１の下面側に接着する方法や、基板２１の下面側をその四隅部を残して切削する等の方法で形成することができる。

上記したＲＦＣ２０の基板２１、コイル本体２５、抵抗体３０、４０の材質、形状、幅、厚み等の寸法は一例であって、本発明を限定するものではなく、上記以外の異なる材質や形状の組合せでもよく、幅や厚さ等の寸法変更も任意である。

また、上記実施形態では、２組の抵抗体３０、４０を用いていたが、例えば、コイル本体２５のインダクタンスが小さい（巻き数が少ない場合）には、図７のように、外側３本の導体間を１組の抵抗体３０で接続して共振を抑えることもでき、逆にインダクタンスが大きい（巻き数が多い場合）には、図８のように、外側５本の導体間を４組（３組でもよい）の抵抗体３０、４０、５０、６０で接続して共振を抑えることもできる。

また、上記実施形態では、コイル本体２５の４本の隣り合う導体に直線的に交差する１本の抵抗体３０、４０によって導体間を接続していたが、導体間を接続する抵抗体の配置は任意であり、例えば図９のように、二つの隣り合う導体間を接続単位として、抵抗体３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃで接続してもよい。また、抵抗体は必ずしも隣り合う導体間を結ぶ必要はなく、導体を跨ぐように飛び飛びに接続してもよい。

また、上記実施形態では、コイル本体を四角形の渦巻き状に形成していたが、円形や６角形や８角形等の多角形の渦巻きに形成してもよい。

２０……ＲＦＣ（高周波用チョークコイル）、２１……基板、２２……脚部、２５……コイル本体、２５ａ、２５ｂ……端子部、３０、４０、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０、６０……抵抗体

Claims (4)

1. 絶縁体からなる基板（２１）と、
   該基板の一面側に導体で渦巻き状に複数周パターン形成されたコイル本体（２５）と、
   前記基板の一面側で、前記コイル本体の最内端と最外端にパターン形成されたワイヤボンディング用の端子部（２５ａ、２５ｂ）と、
   前記基板の一面側で、前記コイル本体の異なる周の導体間を等価的に抵抗成分で接続するようにパターン形成され、該導体間の線間容量、浮遊容量に起因する共振を抑圧する抵抗体（３０、４０、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０、６０）とを有する高周波用チョークコイル。
2. 前記抵抗体は、前記異なる周の導体間を等価的に数１００Ωの抵抗成分で接続していることを特徴とする請求項１記載の高周波用チョークコイル。
3. 前記基板の前記一面側と反対の面に基板設置用の脚部（２２）を突設させていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波用チョークコイル。
4. 絶縁体からなる基板（２１）の一面側に抵抗体（３０、４０、３０ａ〜３０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、５０、６０）をパターン形成する段階と、
   前記基板の一面側に、導体を渦巻き状に複数周パターン形成したコイル本体（２５）と、該コイル本体の最内端と最外端にパターン形成したワイヤボンディング用の端子部（２５ａ、２５ｂ）とを設けるとともに、前記コイル本体の異なる周の導体間を前記抵抗体によって等価的に抵抗成分で接続する段階とを含むことを特徴する高周波用チョークコイルの製造方法。

Images