KR100411983B1 - 인덕터소자 - Google Patents

Abstract

기판상에 형성한 경우에 있어서도 유효하게 가능하는 인덕터소자(inductor element:10)를 제공하는 것을 목적으로 한다. 인덕터소자(10)는 반도체기판(3)의 표면에 형성된 와권형상(渦卷形狀:소용돌이형상)의 두 개의 도체(1,2)을 가지고 있다. 상층의 도체(1)와 하층의 도체(2)는, 거의 동일한 형상을 가지고 있으며, 반도체기판(3)의 표면측에서 보았을 때에, 상층의 도체(1)와 하층의 도체(2)가 거의 겹쳐지도록 형성된다. 또한, 상층 도체(1)의 외주단(외측가장자리 끝)과 내주단(중심 끝)의 각각에는 인출선(6a,6b)이 접속되어 있으며, 상층 도체(1)의 외주단과 하층 도체(2)의 내주단이 접속선(6c)에 의해 접속되어 있다. 상층의 도체(1)는, 인덕터도체로 기능하며, 그 양단에 접속된 인출선(6a,6b)를 개재하여, 반도체기판(3)상에 형성된 회로에 접속된다.

Description

인덕터소자{Inductor Element}

반도체기판 상에 박막성형기술을 이용하여 와권형상(渦卷形狀:소용돌이형상)의 패턴을 형성하고, 이 패턴을 인덕터소자로서 이용하는 반도체회로가 알려져 있다. 이러한 반도체기판 상에 형성된 인덕터소자에 전류가 흐르면, 와권형상의 패턴에 수직방향으로 자속(磁束)이 발생하는데, 이 자속에 의해 반도체기판 표면에 와전류(渦電流)가 발생하여 유효자속을 제거하기 때문에 인덕터소자로서 유효하게 기능하지 않게 되는 문제점이 있다. 특히, 인덕터소자에 흐르는 신호의 주파수가 높을수록 이러한 경향이 현저하여, 인덕터소자를 포함하는 고주파회로를 반도체기판 상에 형성하는 것이 어렵다.

본 발명은 반도체기판 등의 각종 기판 상에 형성되는 인덕터소자에 관한 것이다.

도 1은 본 실시형태의 인덕터소자의 평면구조를 도시한 도,

도 2는 도 1에 도시된 2개의 도체의 접속상태를 도시한 도,

도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 확대단면도,

도 4는 실험결과를 나타내는 도,

도 5는 실험결과를 나타내는 도,

도 6은 실험결과를 나타내는 도,

도 7은 실험결과를 나타내는 도,

도 8은 인덕터소자를 포함하는 발진회로의 회로도,

도 9는 도 8에 나타난 발진회로의 출력특성을 나타내는 도,

도 10은 도 8에 나타난 발진회로의 출력특성을 나타내는 도,

도 11은 인덕터소자에 포함되는 도체의 변형예를 도시한 도이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은, 기판 상에 형성한 경우에도 유효하게 기능하는 인덕터소자를 제공함에 있다.

본 발명의 인덕터소자는 기판 상에 2개의 도체를 절연층을 끼워 겹쳐 형성하고, 각각의 한 쪽단들을 접속함과 동시에, 상층의 도체를 인덕터도체로 이용한다.이러한 구조를 가지는 인덕터소자는, 기판 상에 형성하여도 와전류 등에 의해 인덕턴스 성분이 소실되지 않고 소정의 인덕턴스를 가지는 것이 실험에 의해 확인되어 있으며, 인덕터소자로서 유효하게 기능한다.

특히, 상술한 2개의 도체는, 거의 동일 형상의 장척(長尺: 긴 필름)형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 동일한 형상으로 함으로써, 상층의 도체가 기판표면과 직접 대향하는 경우가 없기 때문에, 직접 대향시켰을 때에 기판 상에 생기는 와전류를 저감시킬 수 있다.

또한, 2개의 도체 형상을 장척형상으로 하는 것에 의해, 상층의 도체에 소정 의 인덕턴스를 가지게 할 수 있다. 특히, 도체를 한 바퀴 이상의 와권형상 또는 사행(蛇行:갈짓자)형상으로 형성한 경우에는 큰 인덕턴스를 가지게 할 수 있으므로, 비교적 낮은 주파수의 회로에 조립하는 경우에 적합하다. 또한, 도체를 한 바퀴 미만의 둘레형상 혹은 거의 직선 형상으로 형성하는 경우에는, 와권형상 등으로 형성한 경우에 비해 인덕턴스를 작게 할 수 있기때문에, 비교적 높은 주파수의 회로에 조립하는 경우에 적합하다.

또, 2개의 도체를 와권(渦卷)형상으로 하는 경우에는, 한 쪽 도체의 내주단과 다른 쪽 도체의 외주단을 접속하는 것이 바람직하다. 이와 같이 접속함으로써, 기판 상에 인덕터도체를 형성한 상태에서 더욱 큰 인덕턴스를 확보할 수 있다는 것이 실험에 의해 확인되어져 있으며, 기판 상에서 유효하게 기능하는 인덕터소자를 실현할 수 있다.

또한, 상술한 인덕터소자는, 인덕턴스 성분과 함께 캐패시턴스 성분을 갖는복합소자로의 사용에 적합하다. 이 인덕터소자는 서로 겹쳐져 합쳐진 2개의 도체를 가지고 있으며, 그 특성에는 캐패시턴스 성분도 포함되어 있기 때문에, 인덕터와 캐패시터를 조합하여 회로의 일부로 하는 용도로 이용할 수 있다.

또한, 상술한 인덕터소자는, 반도체기판 상에 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 유효하게 기능하는 인덕터소자를 반도체기판 상에 형성할 수 있으려면, 인덕터소자를 포함하는 각종 기본적인 부품을 반도체기판상에 형성할 수 있게 되므로 외부 부착 부품을 사용하지 않고 각종 회로 전체를 반도체기판 상에 일체 형성하는 것이 가능하게 된다.

이하, 본 발명을 적용한 일실시형태의 인덕터소자에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 기판 상에 형성된 본 실시형태의 인덕터소자의 평면구조를 나타내는 도이다. 본 실시형태의 인덕터소자(10)는 반도체기판(3)의 표면에 형성된 소용돌이형상(渦卷形狀)의 2개의 도체(1,2)를 가지고 있다.

이들 2개의 도체(1,2)는 거의 동일한 형상을 가지고 있으며, 도 1에 나타난 바와 같이, 반도체기판(3)의 표면 측에서 보았을 때, 상층으로 이루어진 한 쪽의 도체(1)와, 하층으로 이루어진 다른 쪽의 도체(2)가 거의 겹치도록 형성되어 있다. 각 도체(1,2)는 알루미늄이나 금 등의 금속박막 혹은 폴리실리콘 등의 반도체재료로 형성되어 있다.

도 2는 상술한 2개의 도체(1,2)의 접속상태를 도시한 도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상층의 도체(1) 외주단(외측가장자리 끝)과 내주단(중심 끝)의 각각에는 인출선(6a,6b)이 접속되어 있으며, 상층의 도체(1) 내주단과 하층의 도체(2) 외주단이 접속선(6c)에 의해 접속되어 있다. 상층의 도체(1)는 인덕터도체로서 기능하며, 그 양단에 접속된 인출선(6a,6b)을 통하여, 반도체기판(3) 상에 형성된 회로(도시 않음)에 접속된다.

도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선 확대단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체기판(3)의 표면에 절연층(4)이 형성되어 있고, 그 상면의 일부에 와권형상의 도체(2)가 형성되어 있다. 절연층(4)과 도체(2)의 상면에 절연층(5)이 형성되어있으며, 그 상면에는 도체(1)가 형성되어 있다.

본 실시형태의 인덕터소자(10)는 상술한 구조를 가지고 있으며, 상층 도체(1)의 양단의 각각에 접속된 두 개의 인출선(6a,6b) 사이에 소정의 인덕턴스가 나타나기 때문에, 이 상층의 도체(1)를 인덕터도체로 사용할 수 있다. 또한, 이 상층 도체(1)의 하측에, 이 도체(1)와 거의 동일한 형상을 가지는 도체(2)를 형성하고, 서로의 한 쪽단들을 접속선(6c)에 접속함으로써, 상층의 도체(1)를 인덕터도체로써 사용했을 때에 반도체기판(3)의 표면의 와전류의 발생을 억제할 수 있으며, 상층의 도체(1)를 인덕터소자로써 유효하게 기능시킬 수 있다. 이에 따라, 인덕터소자를 포함하는 회로 전체를 반도체기판(3) 상에 일체로 형성하여 집적화하는 것이 가능하게 된다.

다음, 상술한 본 실시형태의 인덕터소자(10)의 특성을 유추하기 위한 비교실험을 행한 결과에 대해 설명한다.

도 4는 인덕터소자(10)에 포함된 도체(1)와 동일한 형상의 1층 전극을 가지는 인덕터소자의 순방향이득을 측정한 결과를 나타낸 도이다. 또한, 도 5는 인덕터소자(10)에 포함되는 도체(1)와 동일한 형상의 1층의 전극을 가지는 인덕터소자의 순방향이득이 있으며, 이 인덕터소자에 도체기판을 밀착시킨 경우의 특성이 나타나 있다.

이들의 측정에 사용한 인덕터소자는 두께 0.13㎜, 비유전율(比誘電率) 3.17의 절연부재의 표면에 패턴 폭이 1㎜, 주회(周回: 둘레를 도는)하는 패턴의 인접간격이 0.2㎜, 주회(周回)하는 수가 5턴인 전극이 형성되어진 것이 사용되고 있다.도 4에 나타난 특성은, 이 인덕터소자를 다른 도전성부재로부터 충분하게 떨어드린 상태에서 측정한 것이다. 또한 도 5에 나타낸 특성은, 이 인덕터소자의 반전극측의 절연부재 표면에 동판을 밀착시킨 상태에서 측정한 것이다. 그리고, 도 4 및 도 5(후술하는 도 6 및 도 7도 동일함)의 종축은 대수표시한 감퇴량을 나타내고, 횡축은 대수표시한 입력신호의 주파수를 각각 나타내고 있다.

와권형상을 가지는 1층의 전극으로 이루어진 인덕터소자는, 다른 도전성 부재로부터 충분하게 떨어진 상태에서는 도 4에 나타난 바와 같이, 입력신호의 주파수가 높아지면 높아질수록 그 순방향 이득이 작아진다. 이것은 소정의 인덕턴스(L)을 갖는 인덕터소자의 임피던스는 jωL이고, 입력신호의 주파수에 비례하여 커지기 때문이다.

이에 의해, 인덕터소자를 동판에 밀착시킨 상태에서는, 도 5에 나타나는 바와 같이, 입력신호가 변화해도 높은 순방향 이득을 유지할 수 있다. 이것은 이 인덕터소자가 가지는 인덕턴스가 동판을 접근시키는 것에 의해 작아지기 때문에 본래의 인덕터로서 기능하지 않게 된다는 것을 나타내고 있다. 인덕턴스가 작아지게 되는 원인으로는, 전극에 신호가 입력되었을 때 발생하는 자속에 의해 동판 표면에 와전류가 발생하고 이 자속을 소멸하는 것을 생각할 수 있다. 더우기, 상술한 측정에서는 기판으로서 동판을 사용하였지만, 동판 대신에 반도체기판을 사용한 경우에도 기본적으로는 동일한 현상이 일어난다.

도 6은 인덕터소자(10)에 포함되는 2개의 도체(1,2)와 동일한 형상 및 배치의 2층의 전극을 갖는 인덕터소자의 순방향이득을 측정한 결과를 나타내는 도이다.또한, 도 7은 인덕터소자(10)에 포함되는 2개의 도체(1,2)와 동일한 형상 및 배치의 2개의 전극을 가지는 인덕터소자의 순방향이득으로, 이 인덕터소자에 도체기판을 밀착시킨 경우의 특성이 도시되어 있다.

이들의 측정에 사용된 인덕터소자는, 도 4 및 도 5에 측정결과를 나타내는 인덕터소자에 대해, 도 1에 도시된 도체(2)에 대응하는 전극을 추가한 구조를 가지고 있다. 더구나 이 인덕터소자에 동판을 밀착시키는 경우에는 충분히 얇은 절연부재를 개재하고 하층의 전극과 동판을 배치시키고 있다.

와권형상을 가지는 2층의 전극을 대향 배치한 인덕터소자는, 다른 도전성부재로부터 충분하게 떨어뜨린 상태에서는, 도 6에 나타난 순방향 이득특성에서 알 수 있듯이, 84MHz 근방에 공진점이 나타난다. 이것은 한 쪽의 전극이 인덕터 도체로서 기능함과 동시에 2개의 전극사이에 캐패시턴스가 발생하는 것으로 인해, 이 인덕터소자 전체로서는 인덕턴스 성분과 캐패시턴스 성분을 가지는 복합소자로서 기능하기 때문이다.

또한 인덕터소자를 동판에 밀착시킨 상태에서는, 도 7에 나타나는 바와 같이 공진점의 위치(135MHz)가 어긋나지만, 유사한 공진점이 나타난다. 이것은 상술한 전극의 2중구조를 가지는 인덕터소자를 이용함으로써, 동판을 밀착시켜도 그 인덕턴스 성분이 소실되는 경우없이고, 인덕터도체로서의 기능을 유지하고 있는 것을 나타내고 있다.

더우기, 2중구조의 전극을 가지는 인덕터소자는, 2개의 전극사이의 캐패시턴스가 반드시 관련되기 때문에, 용도로는 그 공진특성을 이용한 회로의 일부품으로사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 발진회로, 동조회로 등의 인덕터소자(10)로 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 상술한 본 실시형태의 인덕터소자(10)를 실제 회로의 일부품으로 사용한 경우의 구체예를 설명한다.

도 8은 본 실시형태의 인덕터소자(10)를 사용하여 구성한 발진회로의 예로서, 클랩(clap)발진회로의 구성이 나타나 있다. 이 클랩(clap)발진회로에서는 2개의 캐패시터(20,22)의 캐패시턴스가 트랜지스터(24)의 단자간 용량의 수십배가 되도록 설정되어 있으며, 캐패시터(28)를 사이에 두고 인덕터소자(30)가 접속되어 있다.

도 9는 도 8에 나타낸 클랩발진회로의 인덕터소자(30)로서, 도 4의 순방향이득의 측정결과를 나타낸 1층의 전극을 가지는 인덕터소자를 이용한 경우의 발진회로의 출력특성을 나타낸 도이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 119MHz의 발진주파수가 관찰되었다.

또한 도 10은 도 8에 나타낸 클랩(clap)발진회로의 인덕터소자(30)로, 도 7에 순방향 이득의 측정결과를 나타낸 2층의 전극을 동판에 밀착시킨 인덕터소자를 사용한 경우의 발진회로의 출력특성을 나타내는 도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 127MHz의 발진주파수가 관찰되었다.

이와 같이, 전극을 2층 구조로 한 인덕터소자는, 그 한 쪽(인덕터도체로서 사용하는 전극과 반대측)에 동판을 밀착시켜도 그 인덕턴스 성분이 소실되지 않고 인덕터도체로서 기능하고 있는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 기본적으로 동일한구조를 갖는 본 실시형태의 인덕터소자(10)는, 상층의 도체(1)외에 하층의 도체(2)를 구비하는 것으로서, 반도체기판(3) 표면에 밀착하도록 형성한 경우에도 소정의 인덕턴스를 가지는 인덕터소자로 유효하게 기능할 수 있다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지의 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능한 것이다. 예를 들면 도 1 및 도 2에 나타낸 인덕터소자(10)는, 상층 도체(1)의 내주단과 하층 도체(2)의 외주단을 서로 접속선(6c)을 통하여 접속하도록 하였으나, 반대로 상층 도체(1)의 외주단과 하층 도체(2)의 내주단을 서로 접속해도 좋다. 또한 인덕터소자의 인덕턴스가 어느 정도 작아지는 것을 허용하는 경우에는 도체(1,2)의 각 외주단들 혹은 각 내주단들을 접속하도록 해도 좋다.

또한 상술한 실시형태에서는, 인덕터소자(10)에 포함되는 2개의 도체(1,2)를 와권형상으로 형성하였기 때문에, 큰 인덕턴스를 가지는 인덕터소자(10)를 실현할 수 있지만, 2개의 도체(1,2)를 사행(蛇行)형상으로 형성하여도 좋다(도 11A). 고주파회로의 일부품으로 이 인덕터소자(10)를 사용하는 경우에는 작은 인덕터스로 충분하기 때문에, 도체(1,2)의 턴 수를 줄여 1턴 미만으로 형성하거나(도 11B), 거의 직선형상으로 형성하도록 해도 좋다.(도 11C)

상술한 실시형태에서는 2개의 도체(1,2)의 형상을 거의 동일하게 설정했지만, 다른 형상으로 설정하도록 해도 좋다. 예를 들면 하층 도체(2)의 턴 수를 상층 도체(1)의 턴 수보다도 많게 설정하여도 좋다. 이처럼, 상층 도체(1)의 하측에 하층 도체(2)의 전부 혹은 일부가 배치되면, 직접 상층의 도체(1)가 반도체기판(3)과 대향하지 않게 되기 때문에 상층의 도체(1)에 의한 와전류의 발생을 유효하게 방지할 수 있다.

또 상술한 실시형태에서는 반도체기판(3) 상에 2개의 도체(1,2)를 형성하는 것에 의해 인덕터소자(10)를 형성했지만, 금속 등의 도체기판 상에 2개의 도체(1,2)를 형성한 인덕터소자(10)를 실현할 수도 있다. 도 5에 나타낸 실험결과로부터 이 경우에 있어서도 인덕터소자(10)로 유효하게 기능한다는 것이 확인되어져 있다. 도체기판 상에 밀착시켜 인덕터소자(10)를 형성할 수 있으면 금속제의 쉴드 케이스 등의 표면에 인덕터소자(10)를 배치하는 것도 가능하게 되며, 인덕터소자의 배치공간의 확보가 용이해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기판 상에 2개의 도체를 겹쳐 형성하고, 각각의 한 쪽단들을 접속함으로서 상층 도체를 소정의 인덕턴스를 가지는 인덕터도체로 사용할 수 있으며, 인덕터소자로 유효하게 기능시킬 수 있다. 특히, 2개의 도체를 와권형상으로 형성하여 한 쪽 도체의 내주단과 다른 쪽 도체의 외주단을 접속함으로써, 큰 인덕턴스를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 반도체기판 상에서 유효하게 기능하는 인덕터소자가 실현되기 때문에 종래 불가능했던 인덕터를 포함하는 전부품의 집적화가 가능하게 된다.

Claims (10)

1. 상호 절연된 상태에서 기판 상에 중첩되어 형성된 2개의 도체를 가지며, 각각의 한쪽 단들을 접속함과 동시에, 상층의 상기 도체를 인덕터도체로서 사용하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 거의 동일 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 장척(長尺: 긴 필름)형상을 가지고 있으며, 각각의 길이 방향의 한 쪽 단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 주회(周回: 둘레를 도는)수가 한바퀴 미만의 주회(周回)형상을 갖고, 각각의 한 쪽 단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 주회(周回)수가 한바퀴 이상의 와권형상(渦卷形狀:소용돌이형상)을 갖고, 각각의 한 쪽단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 거의 직선 형상으로 형성되어 있고, 각각의 한 쪽 단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터 소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 도체는 사행(蛇行: 갈짓자)형상으로 형성되어 있고, 각각의 한 쪽 단들을 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
8. 제5항에 있어서,

   한 쪽의 상기 도체의 내주측 단부와 다른 쪽의 상기 도체의 외주측 단부를 접속하는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
9. 제1항에 있어서,

   상기 상층 도체의 인덕턴스 성분과, 상기 2개의 도체사이의 캐패시턴스 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 인덕터소자.
10. 제1항에 있어서,

    상기 기판은 반도체기판인 것을 특징으로 하는 인덕터소자.