JP7430376B2 - スパイラルインダクタ及びパッシブ集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に渦巻き配線が設けられた高周波用のスパイラルインダクタと、スパイラルインダクタを使用したパッシブ集積回路に関する。

高周波帯のフィルタには、ＳＡＷフィルタ又はＢＡＷフィルタ等の弾性波フィルタと、インダクタとキャパシタとで構成されたパッシブフィルタとが用いられる。しかしながら、５ＧＨｚ前後の高周波帯の広帯域フィルタには、主として、弾性波フィルタの代わりに、パッシブフィルタが用いられる。その理由は、弾性波フィルタはＱ値が高く、阻止域特性の急峻性に優れるものの、本質的に広域化が困難であるからである。

パッシブフィルタの物理的形状としては、ＬＴＣＣ（低温焼成積層セラミック基板）等の厚膜技術を用いて構成要素を積層した構造のものがある。他の構造として、半導体プロセスと類似の技術を用いて、ウエーハ平面上に構成要素を形成したものがある。後者をＩＰＤ（インテグレーテッド・パッシブ・デバイス）と呼ぶことが多い。

このＩＰＤにおいては、構成要素であるインダクタとキャパシタのＱ値が高いことが、低ロス化と、阻止域特性の向上には必須となる。通常、キャパシタのＱ値は、インダクタのＱ値に比べて数倍以上高いので、低ロス化と阻止域特性の向上には、インダクタのＱ値を高くすることが重要である。

ＩＰＤで使用される金属膜は、厚さがＬＴＣＣにより形成されたものより薄く、かつ積層数が少ない。そのため、スパイラルインダクタと呼ぶ構造のものが通常用いられる。

図７ａ～図７ｃは従来より広く用いられてきたスパイラルインダクタであり、基板５０上に渦巻き配線５１が形成されて構成される（例えば特許文献１参照）。なお、この例のスパイラルインダクタにおいて、配線を２層とする場合には、図７ｂ及び図７ｃに示すように、基板５０上に第１の絶縁層５２を介して２重構造の渦巻き配線５１が形成される。この例の渦巻き配線５１は、最外側の配線部５１ａと、最内側の配線部５１ｃと、中間の配線部５１ｂとからなる３回巻きのものについて示す。各配線部５１ａ～５１ｃは第２の絶縁層５３により電気的に絶縁され、かつ保持される。渦巻き配線５１の内端は、他の回路に接続するための引き出し線５４に接続部５５で接続される。渦巻き配線５１の外端は、別の回路に接続するための引き出し線５６に接続される。

このようなスパイラルインダクタにおいては、高周波帯域における表皮効果と近接効果とが課題となる。ここで、表皮効果とは、配線の表面にのみ電流が集中する現象である。近接効果を図８により説明する。最も内側の配線部５１ｃよりも外側の配線部５１ａ及び配線部５１ｂにそれぞれ電流ＩａとＩｂが流れると、発生する磁束Φは、内側の配線部５１ｃに作用する。この磁束Φにより、内側の配線部５１ｃでは、渦電流Ｉｘが発生する。この渦電流Ｉｘは、配線部５１ｃの内側５１ｃ１では、本来配線部５１ｃに流れる電流Ｉｃと同方向であるが、配線部５１ｃの外側５１ｃ２では反対方向である。このため、内側の配線部５１ｃでは、ハッチングで示すように、集中的に電流Ｉｃが流れることになる。この結果、配線部５１ｃにおいては、電流の流れる断面積が実質的に狭いことになり、直列抵抗が高くなる。このように、スパイラルインダクタにおいては、表皮効果のみならず、近接効果も配線の直列抵抗の増大を招くという不具合を生じる。この直列抵抗の増大は、Ｑ値の向上を図る場合の障害となる。

このような課題を解決するため、従来より、図９に示すように、最内周の配線部５１ｃの幅ｔ１を、他の配線部５１ｂの幅ｔ２及び配線部５１ａの幅ｔ３より狭く（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３）したものが知られている。この場合、渦巻き配線５１の中心に向かう程、配線間隔が広くなる（Ｗ１＜Ｗ２）構造が採用されることもある。

表皮効果及び近接効果をさらに良好に抑制する他の従来例として、図１０ａ～図１０ｃに示す構造がある。この図１０ａ～図１０ｃに示す構造は、特許文献２に開示された構造を簡略化して示すものである。これは、基板５０上に形成する渦巻き配線５７を、全周にわたり、平面視において（すなわち渦巻き配線５７の形成面に対して垂直方向に見て）分割したものである。これらの図示例は、３回巻きの渦巻き配線について示す。すなわち、渦巻き配線５７は、最外側の分割配線部５７ａの配線５７ａ１及び配線５７ａ２と、その内側の分割配線部５７ｂの配線５７ｂ１及び配線５７ｂ２と、最内側の分割配線部５７ｃの配線５７ｃ１及び配線５７ｃ２とを有する。最外側の分割配線部５７ａの配線５７ａ１と配線５７ａ２は、交差部５７ｘ１において互いに電気的に絶縁されて交差する。同様に、その内側の分割配線部５７ｂの配線５７ｂ１と配線５７ｂ２は、交差部５７ｘ２において互いに電気的に絶縁されて交差する。また、最内側の分割配線部５７ｃの配線５７ｃ１と配線５７ｃ２も、交差部５７ｘ３において互いに電気的に絶縁されて交差する。最内側の分割配線部５７ｃの配線５７ｃ１及び５７ｃ２の内端は、引き出し線５８に接続される。また、最外側の分割配線部５７ａの配線５７ａ１及び配線５７ａ２の外端は、別の回路に接続するための引き出し線５９に接続される。

特開２０１０－１６２４０号公報 中国実用新案第２０４３９１１０２号明細書

図９に示したような渦巻き配線の構造にすれば、狭幅の配線部５１ｃを導体電流路として有効利用することができ、Ｑ値の向上に寄与することができる。しかしながら、最内側の配線部５１ｃを狭幅にしただけでは近接効果を抑制する上で不十分であり、Ｑ値の向上には限界がある。

一方、図１０ａ～図１０ｃに示すように、渦巻き配線５７を平面視上で分割したものでは、渦巻き配線５７の内側に生じる渦電流を低減して、図９のインダクタよりもＱ値の向上を実現できる。しかしながら、分割配線部５７ａ、分割配線部５７ｂ及び分割配線部５７ｃの間に、それぞれ一定以上の幅を確保する必要がある。さらに、各分割配線部の配線５７ａ１と配線５７ａ２との間、配線５７ｂ１と配線５７ｂ２との間、及び配線５７ｃ１と配線５７ｃ２との間には、それぞれ一定以上の幅を確保する必要がある。このため、この幅を確保しようとすると、インダクタの全体のサイズが大きくなり、さらに外側の分割配線部５７ａにおける線幅が細くなるので、直列抵抗も増大し、Ｑ値の向上に限界が生じる。

本発明は、上記問題点に鑑み、Ｑ値の向上が達成できるスパイラルインダクタとそのスパイラルインダクタを使用したパッシブ集積回路を提供することを目的とする。

本発明のスパイラルインダクタの１つの態様は、高周波帯のフィルタに用いられる、基板上に渦巻き配線が配置されたスパイラルインダクタであって、
前記渦巻き配線の一部に分割配線部を有し、
前記分割配線部は、平面視において配線が複数に分割され、かつ分割された配線どうしが並列接続された構造を有し、
前記分割配線部は、前記渦巻き配線の内側に配置されており、
前記分割配線部は、配線の途中において、分割配線部に含まれる内周側の配線が外周側の配線となり、外周側の配線が内周側の配線になるように、内外の配線が絶縁層を介して交差状に配置されており、
前記渦巻き配線は、最も外側の１周目の配線部と、前記渦巻き配線の外側から２周目の分割配線部と、前記渦巻き配線の外側から3周目の分割配線部を有し、
前記渦巻き配線の前記１周目の配線部は、その配線が分割されておらず、
前記渦巻き配線の前記２周目の分割配線部は、前記１周目の配線の内側の端部から分割され、並列接続される２本の配線により構成され、前記２周目の分割配線部の分割された前記２本の配線のそれぞれの幅は、前記１周目の配線部の配線の幅よりも、平面視において狭く、
前記3周目の分割配線部は、前記２周目の分割配線部の前記２本の配線のそれぞれの内側の端部から各々分割され、その分割された配線同士が並列接続される、合計で4本の配線により構成され、前記３周目の分割配線部の前記４本の配線のそれぞれの幅は、前記２周目の分割配線部の前記２本の配線のそれぞれの幅よりも、平面視において狭い、
ものである。

このように、この態様においては、最も外側である1周目の配線部は非分割構造とし、外側から２周目の分割配線部は２分割とし、外側から３周目の分割配線部は４分割にしたので、分割巻線部の各位置に適合した近接効果の抑制が可能となる。即ち、渦巻き配線の内側は磁束密度が高く、近接効果が強く出るところ、内側の分割配線部ほど、平面視における分割数を増やすことにより、各分割巻線部の位置に適合させて近接効果を低減させ、近接効果による直列抵抗の増大を抑制することができる。又、外側の1周目の配線部は非分割配線構造とするため、外側の配線部における直列抵抗は増大しない。
また、２周目、３周目の分割配線部は、内外の配線を絶縁層を介して交差させることにより、分割配線部に含まれる各配線の直列抵抗をほぼ等しくすることができる。これにより、巻線全体の直列抵抗を低減することができる。
さらに、分割配線の分割数は、近接効果の影響の度合が小さくなる程少なくすることにより、面積効率の良いパターンを形成するため、スペース拡大による直列抵抗の増大も抑制される。
これらの直列抵抗の抑制によって、この態様によれば、従来のスパイラルインダクタより高いＱ値を得ることができる。

本発明のスパイラルインダクタの他の態様は、上述の態様において、前記渦巻き配線は、少なくともその一部が、下配線と上配線とを備え、前記下配線と前記上配線は、絶縁層により分けられて、並列に接続されるものである。

このように、渦巻き配線を、並列に接続される上配線と下巻線とを絶縁層を介して分けて構成することにより、さらに表皮効果が緩和され、実質的な電流流路断面積を増加させ、直列抵抗を低減することができる。このため、さらなるＱ値の向上が可能となる。

本発明のスパイラルインダクタの他の態様は、上述の態様において、前記渦巻き配線のうち、最も外側の配線部は、絶縁層を介して積層された複数の配線を有し、前記積層された複数の配線が、互いに直列に接続されているものである。

このように、最も外側の配線部は、積層方向には電気的に絶縁された複数の配線を直列に接続することにより、より狭いスペースと短い金属長で高いインダクタンスを得ることができ、Ｑ値が向上する。

本発明のパッシブ集積回路の一態様は、上述のスパイラルインダクタを１個以上含むと共に、メタル・絶縁体・メタル構造のキャパシタを含んで構成されているものである。

このように、パッシブ集積回路が本発明のＱ値の高いスパイラルインダクタを含むことにより、挿入損失の低い回路を実現することができる。パッシブ集積回路が例えばフィルタであれば低い挿入損失と急峻な阻止域特性を実現することができる。

本発明のスパイラルインダクタは、表皮効果及び近接効果を抑制し、面積効率を向上させて直列抵抗を低減することが可能となる。その上、分割配線部は、内外の配線を絶縁層を介して交差させることにより、分割配線部に含まれる各配線の直列抵抗をほぼ等しくすることができる。このため、Ｑ値を向上させることができる。また、本発明のスパイラルインダクタを用いたパッシブ集積回路は、挿入損失を低減した回路を実現することができる。

本発明によるスパイラルインダクタの第１の実施の形態を示す平面図である。 図１ａのＡ－Ａ断面図である。 図１ａのＢ－Ｂ断面図である。 図１ａのＣ－Ｃ断面図である。 図１ａの分割配線部における内外配線の長さを示す図である。 図１ａのスパイラルインダクタにおける他の配線構造例を示す断面図である。 図１ｆの配線構造を採用した場合の分割配線の交差部の構造を示す断面図である。 本発明によるスパイラルインダクタの第２の実施の形態を示す平面図である。 図２ａのＤ－Ｄ断面図である。 図２ａのＥ－Ｅ断面図である。 図２ａのＦ－Ｆ断面図である。 図２ａの分割配線部における内外配線の長さを示す図である。 図２ａのスパイラルインダクタにおける他の配線構造例を示す断面図である。 図２ｆの配線構造を採用した場合の分割配線の交差部の構造を示す断面図である。 本発明によるスパイラルインダクタの第３の実施の形態を示す平面図である。 図３ａのＧ－Ｇ断面図である。 図３ａのＨ－Ｈ断面図である。 図３ａのＩ－Ｉ断面図である。 図３ａのスパイラルインダクタにおける他の配線構造例を示す断面図である。 図３ｅの配線構造を採用した場合の分割配線の交差部の構造を示す断面図である。 本発明の実施例、比較例及び２つの従来例の巻線パターンを示す図である。 図４の各巻線パターンを有するインダクタの周波数に対するＱ値の変化を示すグラフである。 本発明のスパイラルインダクタを用いて構成されたパッシブ集積回路の一実施の形態を示す平面図である。 従来のスパイラルインダクタの一例を示す平面図である。 図７ａのＪ－Ｊ断面図である。 図７ａのＫ－Ｋ断面図である。 スパイラルインダクタにおける近接効果の説明図である。 従来のスパイラルインダクタの他の例を示す平面図である。 従来のスパイラルインダクタの他の例をさらに示す平面図である。 図１０ａのＬ－Ｌ断面図である。 図１０ａのＭ－Ｍ断面図である。

本発明によるスパイラルインダクタを実施の形態により説明する。図１ａ～図１ｇは本発明によるスパイラルインダクタの第１の実施の形態を示す。この実施の形態のスパイラルインダクタは、基板１上に渦巻き配線２を形成して構成される。基板１には１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗値を有する材質を用いることが好ましい。基板１の具体例としては、高抵抗シリコン、ガリウム砒素、サファイヤ、多結晶アルミナ又はガラス等を用いることができる。ただし本発明において用いられる基板１はこれらの材質のものに限定されない。

この実施の形態においては、基板１上に第１の絶縁層３を介して渦巻き配線２が形成されている。第１の絶縁層３には例えば酸化ケイ素が用いられる。この第１の絶縁層３は、基板１として比誘電率が高い材質のものを用いる場合に、渦巻き配線２の配線間のキャパシタンスを低減させる目的で用いられる。したがって、基板１の材質によっては、この第１の絶縁層３は必ずしも必要としない。渦巻き配線２は、第１の絶縁層３上の第２の絶縁層４により絶縁、保持されて形成される。この第２の絶縁層４には、例えばポリイミド樹脂が用いられるが、他の絶縁材を用いてもよい。

渦巻き配線２は一般的には金又は銅等を層状に設けてもよいが、他の金属を用いて、別の形状にしてもよい。この実施の形態においては、渦巻き配線２が３回の巻き数を有するものを示している。すなわち、渦巻き配線２は最も外側の配線部２ａと、中間部の配線部２ｂと、最も内側の分割配線部２ｃとからなる。渦巻き配線２の巻き数は、２回の巻き数又は４回以上の巻き数であってもよい。また、本例では、渦巻き配線２の巻線パターンを４角形に形成しているが、他の多角形あるいは円形等の形状とすることもできる。

最も内側の分割配線部２ｃは、渦巻き配線２の一部であり、平面視において、配線が複数に分割されている。本例の分割配線部２ｃは、第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２とからなる２つの配線に分割された例を示す。また、本例においては、分割配線部２ｃを構成する第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２の線幅は、分割配線部２ｃより外側の配線部２ａ及び中間部の配線部２ｂの線幅より狭く形成されている。分割配線部２ｃの分割数は３分割または４分割であってもよい。他の配線部２ａ及び配線部２ｂは、非分割構造である。また、配線部２ａと配線部２ｂの間、配線部２ｂと分割配線部２ｃとの間、分割配線部２ｃにおける第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２との間の間隔は最適値になるように適宜選ぶことができ、図示の例に限定されない。

図１ｂに示すように、配線部２ａ、配線部２ｂ及び分割配線部２ｃは、それぞれ積層された下配線２０と、上配線２１とからなる２重構造を有する。ただし、図１ｃに示すように、渦巻き配線２の内端部は、接続部５において引き出し線６に接続される。配線部２ａ及び配線部２ｂにおける、引き出し線６との交差部は、第２の絶縁層４を介在させる関係上、上配線２１のみを設けている。

分割配線部２ｃに含まれる第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２は、図１ａに示すように、交差部２ｃｘを境にして、内外の位置が反転した位置に配置される。すなわち、分割配線部２ｃのうち、交差部２ｃｘよりも引き出し線６との接続部５ａ側においては、第１の配線２ｃ１の一部２ｃ１１は、第２の配線２ｃ２の一部２ｃ２１の外側に位置する。一方、分割配線部２ｃのうち、交差部２ｃｘよりも配線部２ｂとの接続部５ｂ側においては、第１の配線２ｃ１の残部２ｃ１２は、第２の配線２ｃ２の残部２ｃ２２の内側に位置する。

図１ｄに交差部２ｃｘの断面構造を示す。この例においては、第２の配線２ｃ２の内側配線２ｃ２１の下配線２０ｘを外周側に延長し、その延長部に第２の配線２ｃ２の外側配線２ｃ２２の上配線２１を接続している。また、第１の配線２ｃ１の内側配線２ｃ１２は絶縁層４の表面に形成している。これにより、交差部２ｃｘにおける第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２との電気的絶縁を行なっている。なお、配線の交差部２ｃｘの構造は、この構造に限定されない。交差部において、例えば第１の配線２ｃ１を下側に配置し、第２の配線２ｃ２を上に配置する等、種々に変更できる。

この例においては、渦巻き配線２は４角形に形成されている。すなわち、分割配線部２ｃは、引き出し線６との接続部５ａから配線部２ｂとの接続部５ｂとの間に、直角に曲がる３つのコーナー部２６、２７、２８を有する。そして、交差部２ｃｘは、３つのコーナー部２６、２７、２８のうち、中間のコーナー部２７に設けられている。このため、接続部５ａと接続部５ｂとの間の第１の配線２ｃ１の長さをＬ１、第２の配線２ｃ２の長さをＬ２とした場合、下記の理由により、両者の長さはほぼ等しく（Ｌ１≒Ｌ２）なる。

すなわち、図１ｅにおいて、第１の配線２ｃ１の各辺の長さをａ１～ａ４、第２の配線２ｃ２の各辺の長さをｂ１～ｂ４とすると、
Ｌ１＝ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４ …（１）
Ｌ２＝ｂ１＋ｂ２＋ｂ３＋ｂ４ …（２）
となる。なお、各配線の各辺の長さは、配線の線幅の中心線の部分の長さに設定している。ここで、第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２との間隔は分割配線部２ｃの全周にわたってほぼ等しいから、
ａ２≒ｂ２ …（３）
ａ３≒ｂ３ …（４）
ｂ１－ａ１≒ａ４－ｂ４ …（５）
であり、このため、
Ｌ１≒Ｌ２ …（６）
となる。このように、第１の配線２ｃ１の長さＬ１と、第２の配線２ｃ２の長さとほぼ等しいから、配線の長さに比例する直列抵抗はほぼ等しくなる。

この実施の形態に示したように、並列に分割された分割配線部２ｃを、渦巻き配線２の内側に設けることにより、近接効果によって内側配線の内側に集中する渦電流を低減させ、近接効果による直列抵抗の増大を抑制することができる。すなわち、渦巻き配線において磁束密度が高い傾向があるために近接効果を生じやすい内側の配線部を、複数の内側配線２ｃ１及び外側配線２ｃ２に分割することにより、これらの配線に生じる渦電流を低減することができる。

その上、分割配線部２ｃは、第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２を交差部２ｃｘにおいて交差させているので、第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２の各長さをほぼ等しくし、これらの直列抵抗をほぼ等しくすることができる。このため、これらの第１の配線２ｃ１と第２の配線２ｃ２に流れる電流が、いずれか一方に偏ることなく、分割配線部２ｃとしての直列抵抗を低減することができる。

また、外側の配線部２ａおよび配線部２ｂは分割していないため、限られたスペース内で十分は配線幅を確保して直列抵抗を低減することができる。このため、外側の配線部２ａおよび配線部２ｂは平面上で分割した場合に比較して面積効率が上がり、配線部全体を小型化できる。その結果、内側に分割配線部２ｃを配置したこととも相俟って直列抵抗が低下し、スパイラルインダクタとして、従来よりＱ値の高いものを得ることができる。

図１ｆは図１ｂに示した配線構造の変形例である。この、配線構造は、配線部２ａと配線部２ｂ及び分割配線部２ｃの下配線２０と上配線２１との間のほとんどの場所に第２の絶縁層４を設けたものである。しかし渦巻き配線２の内端部が引き出し線６に接続される接続部５ａでは、分割配線部２ｃの下配線２０と上配線２１とが接続される。また、配線部２ａ及び配線部２ｂは、引き出し線６と交差する部分の近傍において、下配線２０と上配線２１とが接続される。また、渦巻き配線２の他方の端部の引き出し線７においても、配線部２ａの下配線２０と上配線２１とが接続される。

図１ｇは、図１ｆに示した配線構造、すなわち上下の配線を絶縁層を介して分離した構造を採用した場合における、交差部２ｃｘの構造を示す。この交差部２ｃｘの構造においては、第２の配線２ｃ２の内側配線２ｃ２１における上配線２１と下配線２０ｘとを、縦配線２０ｙにより接続している。

図１ｆに示したように、渦巻き配線２を下配線２０と上配線２１とを絶縁層４を介して分けた構造にすれば、渦巻き配線２に流れる電流を下配線２０と上配線２１とに分流させることができる。このため、電流の経路が増えることにより表皮効果が緩和され、実質的な電流流路断面積を増加させ、直列抵抗を低減することができる。このため、さらなるＱ値の向上が可能となる。

図２ａ～図２ｇは本発明によるスパイラルインダクタの第２の実施の形態を示す。この実施の形態は、渦巻き配線２Ａとして、最も外側の配線部２ｄと、中間部の分割配線部２ｅと、最も内側の分割配線部２ｆとを備えたものである。中間部の分割配線部２ｅは、互いに並列接続される第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の２本の配線により構成される。最も内側の分割配線部２ｆは、互いに並列接続される第１～第４の配線２ｆ１～２ｆ４により構成される。

図２ｂに示すように、配線部２ｄ、分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆは、第１の実施の形態と同様に、積層された下配線２０と上配線２１とにより構成される。また、図２ｃに示すように、引き出し線６と接続部５ｃとの接続構造は、第１の実施の形態と同様である。また、引き出し線６と配線部２ｄ及び分割配線部２ｅとの交差部の構造も、第１の実施の形態における、引き出し線６と配線部２ａ及び配線部２ｂとの交差部の構造も、絶縁層４を介在させた構造である。

本例においては、分割配線部２ｅを構成する第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の線幅は、外側の配線部２ｄの線幅より狭く形成される。最も内側の分割配線部２ｆの第１ないし第４の配線４ｆ１～４ｆ４の線幅は、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１及び第２の配線２ｅ２の線幅より狭く形成されている。すなわち、渦巻き配線２Ａは、内側の配線部の配線ほど、線幅が狭い。

分割配線部２ｆに含まれる４本の配線２ｆ１～２ｆ４の各一端は、すべて引き出し線６との接続部５ｃに接続される。これらの４本の配線２ｆ１～２ｆ４のうち、内側の配線である第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２の他端は、分割配線部２ｅを構成する第２の配線２ｅ２に、接続部５ｄにおいて接続される。一方、これらの４本の配線２ｆ１～２ｆ４のうち、外側の配線である第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４の他端は、分割配線部２ｅを構成する第１の配線２ｅ１に、接続部５ｅにおいて接続される。

中間部の分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２は、交差部２ｅｘを境にして、内外の位置が反転した位置に配置される。すなわち、交差部２ｅｘと、分割配線部２ｆとの接続を行なう接続部５ｄ及び５ｅとの間においては、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１の一部２ｅ１１は、第２の配線２ｅ２の一部２ｅ２１の外側に位置する。一方、分割配線部２ｅのうち、交差部２ｅｘと、配線部２ｄとの接続を行なう接続部５ｆとの間においては、第１の配線２ｅ１の残部２ｅ１２は、第２の配線２ｅ２の残部２ｅ２２の内側に位置する。

最も内側の分割配線部２ｆのうち、第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２は、交差部２ｆｘ１を境にして、内外の位置が反転した位置に配置される。すなわち、交差部２ｆｘ１と、引き出し線６との接続部５ｃとの間においては、第１の配線２ｆ１の一部２ｆ１１は、第２の配線２ｆ２の一部２ｆ２１の外側に位置する。一方、交差部２ｆｘ１と、分割配線部２ｅの第２の配線２ｅ２との接続部５ｄとの間においては、第１の配線２ｆ１の残部２ｆ１２は、第２の配線２ｆ２の残部２ｆ２２の内側に位置する。

最も内側の分割配線部２ｆのうち、第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４は、交差部２ｆｘ２を境にして、内外の位置が反転した位置に配置される。すなわち、交差部２ｆｘ２と、引き出し線６との接続部５ｃとの間においては、第３の配線２ｆ３の一部２ｆ３１は、第４の配線２ｆ４の一部２ｆ４１の外側に位置する。一方、交差部２ｆｘ２と、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１との接続部５ｅとの間においては、第３の配線２ｆ３の残部２ｆ３２は、第４の配線２ｆ４の残部２ｆ４２の内側に位置する。

図２ｄは第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との交差部２ｆｘ１の断面構造を示す。この図に示すように、第２の配線２ｆ２の内側配線２ｆ２１の下配線２０ｘを外周側に延長し、その延長部に第２の配線２ｆ２の外側配線２ｆ２２の上配線２１を接続している。また、第１の配線２ｆ１の内側配線２ｆ１２は絶縁層４の表面に形成している。これにより、第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との電気的絶縁を行なっている。交差部交差部２ｆｘ２及び交差部２ｅｘも同様の断面構造で実現しているが、図示を省略する。

図２ａのような交差部２ｆｘ１を有する配線構造では、分割配線部２ｆにおける第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との直列抵抗は、交差部２ｆｘ１の存在により、図１で説明した理由によりほぼ等しくなる。同様に、分割配線部２ｆにおける第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４との直列抵抗も、交差部２ｆｘ２の存在により、図１で説明した理由によりほぼ等しくなる。

ここで、分割配線部２ｆにおける、内側の第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２をまとめた平均長をＬ（ｆ１２）とし、外側の第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４をまとめた平均長をＬ（ｆ３４）とする。第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４は、第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２の外側にあるため、
Ｌ（ｆ１２）＜Ｌ４（ｆ３４） …（７）
となる。このように、長さＬ（ｆ１２）と長さＬ４（ｆ３４）との間に差があるため、内側の配線２ｆ１、２ｆ２と外側の配線２ｆ３、２ｆ４との間で直列抵抗の差が生じる。しかしながら、この直列抵抗の差は、内側の配線２ｆ１、２ｆ２と外側の配線２ｆ３、２ｆ４に、それぞれ接続される分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の長さをの差を調整することにより、小さくするかまたは無くすることができる。次にこの配線の長さの差の調整について説明する。

図２ｅは、分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆの配線の長さを説明する図である。図２ｅにおいて、分割配線部２ｆの内側の第１の配線２ｆ１及び第２の配線２ｆ２をまとめた各辺の長さｃ１～ｃ４は、第１の配線２ｆ１と、第２の配線２ｆ２の間の溝の中心線の長さに設定している。同様に、分割配線部２ｆの外側の第３の配線２ｆ３及び第４の配線２ｆ４をまとめた各辺の長さｄ１～ｄ４は、第３の配線２ｆ３と、第４の配線２ｆ４の間の溝の中心線の長さに設定している。ここで、分割配線部２ｆの内側の第１の配線２ｆ１及び第２の配線２ｆ２をまとめた長さをＬ（ｆ１２）とする。また、外側の第３の配線２ｆ３及び第４の配線２ｆ４をまとめた長さをＬ４（ｆ３４）とする。
これらの長さＬ（ｆ１２）とＬ４（ｆ３４）はそれぞれ次の式で表わされる。
Ｌ（ｆ１２）＝ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４ …（８）
Ｌ（ｆ３４）＝ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４ …（９）

一方、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１の長さＬ（２ｅ１）及び第２の配線２ｅ２の長さＬ（２ｅ２）に関し、各配線２ｅ１及び配線２ｅ２の各辺の長さｅ１～ｅ４及び長さｆ１～ｆ４は、配線の線幅の中心線の部分の長さに設定する。分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１の長さＬ（２ｅ１）及び第２の配線２ｅ２の長さＬ（２ｅ２）は、次式で表わされる。
Ｌ（２ｅ１）＝ｅ１＋ｅ２＋ｅ３＋ｅ４ …（１０）
Ｌ（２ｅ２）＝ｆ１＋ｆ２＋ｆ３＋ｆ４ …（１１）
そして、
Ｌ（ｆ３４）－Ｌ（ｆ１２）≒Ｌ（２ｅ２）－Ｌ（２ｅ１）…（１３）
となるように配線の長さや配線間の溝の間隔を設定している。すなわち、分割配線部２ｆの第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４の平均長と、第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２の平均長との差を、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の長さの差で吸収している。

第２の実施形態のように、配線の分割数が異なる分割配線部を複数設け、内側の分割配線部ほど、平面上における配線の分割数を増やすことにより、近接効果を抑制する上で、配線部の位置に適合して、近接効果を好適に抑制することができる。そのため、近接効果抑制上重要となる内側の分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆにおいて、実質的な直列抵抗の大幅な低減が可能となる。また、分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆの分割数は、近接効果の影響の度合が小さくなる程少なくすることにより、面積効率の良いパターンを形成することができる。このため、スペース拡大による直列抵抗の増大も緩和される。

その上、分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆは、交差部２ｅｘ及び交差部２ｆｘ１，２ｆｘ２において交差させている。このため、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の長さをほぼ等しくし、分割配線部２ｆの第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との長さをほぼ等しくし、第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４との長さをほぼ等しくすることができる。このため、これらの直列抵抗をほぼ等しくすることができる。

また、分割配線部２ｆの第３の配線２ｆ３と第４の配線２ｆ４の平均長と、分割配線部２ｆの第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２の平均長との差を、分割配線部２ｅの第１の配線２ｅ１と第２の配線２ｅ２の長さの差で吸収している。このため、分割配線部２ｆの分割数を４としたことによる、内外配線の長さの差による直列抵抗の差を無くすかあるいは小さくすることができる。

このような理由により、従来のスパイラルインダクタに比較して高いＱ値を得ることができる。

図２ｆは、図２ｂに示した配線部構造の変形例であり、配線部２ｄ、分割配線部２ｅ及び分割配線部２ｆの下配線２０と上配線２１との間のほとんどの場所に第２の絶縁層４を設けたものである。ただし図２ｃに示したように、少なくとも渦巻き配線の内端部が引き出し線６に接続される接続部５ｃでは分割配線部２ｆの下配線２０と上配線２１とが接続される。また、配線部２ｄ及び分割配線部２ｅは、引き出し線６と交差する部分の近傍において、下配線２０と上配線２１とが接続される。また、渦巻き配線の他方の端部の引き出し線７においても、配線部２ｄの下配線２０と上配線２１とが接続される。

図２ｆに示したように、渦巻き配線を下配線２０と上配線２１とを絶縁層４を介して分けた構造にすれば、渦巻き配線に流れる電流を下配線２０と上配線２１とに分流させることができる。このため、表皮効果が緩和され、実質的な電流流路断面積を増加させ、直列抵抗を低減することができる。このため、さらなるＱ値の向上が可能となる。

図２ｇは図２ｆに示した配線構造において、分割配線部２ｆにおける、第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との交差部２ｆｘ１の断面構造を示す。この図に示すように、第２の配線２ｆ２の内側配線２ｆ２１の下配線２０ｘを外周側に延長し、その延長部に第２の配線２ｆ２の外側配線２ｆ２２の上配線２１を接続している。また、第１の配線２ｆ１の内側配線２ｆ１２は絶縁層４の表面に形成している。これにより、交差部２ｆｘ１における第１の配線２ｆ１と第２の配線２ｆ２との電気的絶縁を行なっている。第２の配線２ｆ２の内側配線２ｆ２１の上配線２１と下配線２０ｘとは、縦配線２０ｙにより接続している。交差部交差部２ｆｘ２及び交差部２ｅｘも同様の断面構造で実現できる。

図３ａ～図３ｆは本発明によるスパイラルインダクタの第３の実施の形態を示す。この実施の形態は、渦巻き配線２Ｂの最も外側の配線部２ｇは、絶縁層４を介して積層された複数の配線を有する。この例においては、この配線が、下配線２２と上配線２３の２本からなる例を示す。下配線２２の端部は、上配線２３の上配線２３の終端部２３ｂと、接続部２４において直列に接続される。図３ｃに示すように、配線部２ｇにおける上配線２３は、最も外側の終端部２３ｂ及びその内側の線部２３ａとが、絶縁層４を介して引き出し線６と交差する。なお、最も外側の配線部２ｇを構成する配線は、この例のように上下２層のみでなく、３層以上としてもよい。

図３ａ及び図３ｂに示すように、渦巻き配線２Ｂの内側の配線部は、分割配線部２ｈとして構成されている。すなわち、内側の分割配線部２ｈは、内側配線２ｈ１と、外側配線２ｈ２とに分割されている。内側配線２ｈ１と外側配線２ｈ２の一端は、引き出し線６との接続部５ａで接続される。内側配線２ｈ１と外側配線２ｈ２の他端は、配線部２ｇの上配線２３と接続部２５で接続される。なお、分割配線部２ｈにおける配線の分割数は、２分割ではなく、３分割以上の分割数にしてもよい。

この渦巻き配線２Ｂの電流ルートは、引き出し線６－接続部５－分割配線部２ｈ（２ｈ１と２ｈ２）－接続部２５－配線部２ｇの上配線２３－接続部２４－配線部２ｇの下配線２２－引き出し線７の順となる。

図３ｄに交差部２ｈｘの断面構造を示す。この例においては、第２の配線２ｈ２２の下配線２０ｘを外周側に延長し、その延長部に第２の配線２ｈ２１の上配線２１を接続している。また、第１の配線２ｈ１１は絶縁層４の表面に形成している。これにより、交差部２ｈｘにおける第１の配線２ｈ１と第２の配線２ｈ２１との電気的絶縁を行なっている。

この実施の形態のように、外側の配線部２ｇを複数の配線２２と配線２３により構成し、これらの配線を直列に接続することにより、より狭いスペースと短い配線長で同じインダクタンスを得ることができ、Ｑ値が向上する。また、この実施の形態においても、分割配線部２ｈに交差部２ｈｘを設けたので、さらなるＱ値の向上が達成できる。

図３ｅは、図３ｂに示した配線部構造の変形例であり、分割配線部２ｈの下配線２０と上配線２１との間に絶縁層４を設けたものである。ただし図３ｃに示したように、少なくとも渦巻き配線２Ｂの内端部が引き出し線６に接続される接続部５では、分割配線部２ｈの下配線２０と上配線２１とが接続される。

図３ｆは交差部２ｈｘの断面構造を示す。この交差部２ｈｘの構造においては、第２の配線２ｈ２の内側配線２ｈ２２の下配線２０ｘと、第２の配線２ｈ２の外側配線の上配線２１とを、縦配線２０ｙにより接続している。

図３ｅに示したように、分割配線部２ｈを下配線２０と上配線２１とを絶縁層４を介して分けた構造にすれば、分割配線部２ｈに流れる電流を下配線２０と上配線２１とに分流させることができる。このため、表皮効果が緩和され、実質的な電流流路断面積を増加させ、直列抵抗を低減することができる。このため、さらなるＱ値の向上が可能となる。

図４は本発明によるＱ値の向上を調べるために、比較に用いた本発明の実施例、比較例及び２つの従来例のインダクタにおける巻線パターンを示す図である。図４において、本発明のＡの実施例は、最も内側を内外の配線を有する分割配線部２ｃとし、この分割配線部２ｃに交差部２ｘを有するものである。このＡ実施例は、図１ａの実施の形態で示した巻線構造のものである。Ｂの比較例は、Ａ実施例と同様の分割配線部２ｃを有するものの、交差部２ｘを有しないものである。Ｃの第１従来例は、図７ａ～図７ｃに示した巻線構造のものに相当する。Ｄの第２従来例は、図１０ａ～図１０ｃに示した巻線構造のものに相当する。

図４において、本発明の実施例、比較例及び２つの従来例における基板にはガリウム－砒素基板を用い、巻線は材質を金とした。また巻線のターン数（但し分割配線部の一巻きは１ターンとする。）は３、巻線部全体の幅Ｗ１は２００μｍ、最も内側の巻線部の幅Ｗ２は１００μｍとした。また、広幅の配線２ａ、２ｂ、５１ａ～５１ｃの幅ｔａ１は２５μｍとした。また、巻線部の間隔ｔａ２は１５μｍとした。また、分割配線部２ｃ、５７ａ～５７ｃにおける配線の幅ｔｂ１は１０μｍ、配線間の間隔ｔｂ２を５μｍとした。また、全配線の厚みは１０μｍとした。

図５は図４の各巻線パターンを有するインダクタの周波数に対するＱ値の変化を示すグラフである。図５に示すように、移動体通信機器に一般的に用いられるかあるいは使用予定のある周波数帯域である２．０～５．５ＧＨｚにおいて、本発明の実施例（Ａ）による場合、比較例（Ｂ）や従来例（Ｃ）、（Ｄ）に比較して優れたＱ値が得られた。

図６は本発明によるスパイラルインダクタ９を用いて構成されたパッシブ集積回路の一実施の形態を示す平面図である。図６において、スパイラルインダクタの巻線は本発明の構造を有する。すなわち、スパイラルインダクタ９の内側配線は、第１の配線９０ａと第２の配線９０ｂとからなる分割配線部９０により構成される。第１の配線９０ａと第２の配線９０ｂは、交差部９０ｘにおいて、絶縁層を介して交差する。図６のパッシブ集積回路としてのフィルタ１２は、スパイラルインダクタ９、スパイラルインダクタ９Ｘ、キャパシタ１０及びキャパシタ１０Ｘを備える。スパイラルインダクタ９の一端は、「メタル・絶縁体・メタル構造」（ＭＩＭ構造）を備えたキャパシタ（ＭＩＭキャパシタ）１０と接続線１１ａを介して接続される。このスパイラルインダクタ９の他端は、他のＭＩＭキャパシタ１０Ｘと接続線１１ｂを介して接続される。スパイラルインダクタ９Ｘの一端はキャパシタ１０と接続線１１ｃを介して接続される。スパイラルインダクタ９Ｘの他端はキャパシタ１０Ｘと接続線１１ｄを介して接続される。

このように、本発明のパッシブ集積回路は、本発明のスパイラルインダクタ９を１個以上備えると共に、キャパシタ１０を含んで構成される。このように、本発明のＱ値の高いスパイラルインダクタ９を含むことにより、低い挿入損失のパッシブ集積回路を実現することができる。図示例のように、本発明のスパイラルインダクタ９を用いたフィルタ１２であれば低い挿入損失と急峻な阻止域特性を実現することができる。パッシブ集積回路としては、フィルタ以外にも、バラン（平衡・不平衡変換）、ダイプレクサ（高周波域と低周波域の信号分離）、インピーダンスマッチング、等の機能の特性向上に有効に用いることができる。

以上、本発明についての説明を行なったが、本発明を実施する場合、上述した例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更、付加が可能である。

１ 基板
２、２Ａ、２Ｂ 渦巻き配線
２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｇ 配線部
２ｃ、２ｅ、２ｆ、２ｈ 分割配線部
２ｃ１、２ｃ２、２ｅ１、２ｅ２、２ｆ１～２ｆ４ 配線
３ 第１の絶縁層
４ 第２の絶縁層
９、９Ｘ スパイラルインダクタ
１０、１０Ｘ キャパシタ
１２ フィルタ

Claims (4)

1. 高周波帯のフィルタに用いられる、基板上に渦巻き配線が配置されたスパイラルインダクタであって、
   前記渦巻き配線の一部に分割配線部を有し、
   前記分割配線部は、平面視において配線が複数に分割され、かつ分割された配線どうしが並列接続された構造を有し、
   前記分割配線部は、前記渦巻き配線の内側に配置されており、
   前記分割配線部は、配線の途中において、分割配線部に含まれる内周側の配線が外周側の配線となり、外周側の配線が内周側の配線になるように、内外の配線が絶縁層を介して交差状に配置されており、
   前記渦巻き配線は、最も外側の１周目の配線部と、前記渦巻き配線の外側から２周目の分割配線部と、前記渦巻き配線の外側から3周目の分割配線部を有し、
   前記渦巻き配線の前記１周目の配線部は、その配線が分割されておらず、
   前記渦巻き配線の前記２周目の分割配線部は、前記１周目の配線の内側の端部から分割され、並列接続される２本の配線により構成され、前記２周目の分割配線部の分割された前記２本の配線のそれぞれの幅は、前記１周目の配線部の配線の幅よりも、平面視において狭く、
   前記3周目の分割配線部は、前記２周目の分割配線部の前記２本の配線のそれぞれの内側の端部から各々分割され、その分割された配線同士が並列接続される、合計で4本の配線により構成され、前記３周目の分割配線部の前記４本の配線のそれぞれの幅は、前記２周目の分割配線部の前記２本の配線のそれぞれの幅よりも、平面視において狭い、
   スパイラルインダクタ。
2. 請求項１に記載のスパイラルインダクタにおいて、
   前記渦巻き配線は、少なくともその一部が、下配線と上配線とを備え、前記下配線と前記上配線は、絶縁層により分けられて、互いに並列に接続される、スパイラルインダクタ。
3. 請求項１に記載のスパイラルインダクタにおいて、
   前記渦巻き配線のうち、最も外側の配線部は、絶縁層を介して積層された複数の配線を有し、
   前記積層された複数の配線が、互いに直列に接続されている、スパイラルインダクタ。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のスパイラルインダクタを１個以上含むと共に、
   メタル・絶縁体・メタル構造のキャパシタを含んで構成されている、パッシブ集積回路。

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