WO1999016091A1

WO1999016091A1 - Geometrie für planare induktivitäten

Info

Publication number: WO1999016091A1
Application number: PCT/DE1998/002794
Authority: WO
Inventors: Paul Marczinski; Michael Eichler
Original assignee: Institut für Halbleiterphysik Frankfurt (Oder) GmbH
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 1999-04-01
Also published as: DE19741302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Geometrie von planaren Induktivitäten in integrierten Schaltungen der Mikroelektronik und gedruckten Schaltungen. Aufgabe der Erfindung ist es bei vorgegebenem Wert der Induktivität mit deutlich geringerer Fläche als herkömmliche Anordnungen auszukommen oder bei gleicher Fläche eine höhere Induktivität zu erreichen oder bei gleicher Fläche und gleicher Induktivität eine höhere Güte zu liefern und in allen Fällen den räumlichen Wirkungsbereich des Magnetfeldes herabzusetzen, um so Verluste, Verkopplung von Signalen und Hochfrequenzabstrahlung zu verringern. Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß eine lange schmale Windung gegen eine kurze breite bei sonst gleichen Bedingungen, insbesondere gleicher durch die Windung eingeschlossener Fläche, eine erheblich größere Induktivität aufweist und verstärkt diesen Effekt noch durch magnetische Kopplung, indem mehrere lange schmale Windungen parallel zueinander in einer Ebene angeordnet werden unter der Bedingung, daß die benachbarten Windungen bei Stromdurchfluß jeweils eine andere Polung des Magnetfeldes aufweisen. Die Breite der Windungen ergibt sich als Optimum aus einerseits der steigenden Induktivität mit abnehmender Breite, andererseits der Grenze, die durch die Breite der Leiterzüge gesetzt ist, der steigenden parasitären Kapazitäten der Leiterzüge und dem steigenden ohmschen Widerstand der gesamten Induktivität mit feinerer Unterteilung.

Description

Geometrie für planare Induktivitäten

Die Erfindung betrifft die Geometrie von planaren Induktivitäten in integrierten Schaltungen

der Mikroelektronik und gedruckten Schaltungen.

Es ist bekannt, in Schaltungen der Mikroelektronik Induktivitäten, insbesondere ftir die

Anwendung bei sehr hohen Frequenzen, als Einzelwindungen oder Spiralen mit wenigen

Windungen in einer Ebene auszubilden. Die Windungen befinden sich in der Chipoberfläche

oder einer parallelen Ebene und sind geometrisch als Rechtecke, Polygone oder abgerundet

geformt. Jede der Windungen umschließt dabei einen möglichst großen Teil der für die ganze

Induktivität bereitgestellten Fläche (Figur 1 und la). Die Windungen sind so angeordnet, daß

benachbarte Leiterzüge der Windungen von Strömen in gleicher Richtung durchflössen

werden.

Wenn das Chipmaterial (Trägermaterial) für die Induktivitäten infolge seiner

Materialeigenschaften unter der Wirkung des magnetischen Wechselfeldes der Induktivität

Verluste verursacht und so die Güte der Induktivität herabsetzt, kann zur Minderung dieser

Verluste der räumliche Wirkungsbereich des Magnetfeldes mit einem Material ausgefüllt

werden, dessen Eigenschaften besser sind.

Nachteilig ist, daß bei den bisher allgemein verwendeten Induktivitäten das mit einem solchen

Material zu verfüllende Volumen infolge des relativ großen Durchmessers der Windungen

und der dadurch bedingten großen räumlichen Ausdehnung des Magnetfeldes erheblich ist und technologische Schwierigkeiten bereitet (Figur 2). Außerdem werden bei Windungen mit

großem Durchmesser unerwünschte magnetische Verkopplungen von Signalen und

Hochfrequenzabstrahlungen begünstigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und je nach Wahl

a) bei vorgegebenem Wert der Induktivität mit deutlich geringerer Fläche als herkömmliche Anordnungen auszukommen oder

b) bei gleicher Fläche eine höhere Induktivität zu erreichen oder

c) bei gleicher Fläche und gleicher Induktivität eine höhere Güte zu liefern

und in allen Fällen den räumlichen Wirkungsbereich des Magnetfeldes herabzusetzen, um so

Verluste, Verkopplung von Signalen und Hochfrequenzabstrahlung zu verringern.

Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache, daß eine lange schmale Windung gegen eine

kurze breite bei sonst gleichen Bedingungen, insbesondere gleicher durch die Windung

eingeschlossener Fläche eine erheblich größere Induktivität aufweist und verstärkt diesen

Effekt noch durch die magnetische Kopplung, indem mehrere lange schmale Windungen

parallel zueinander in einer Ebene angeordnet werden unter der Bedingung, daß die

benachbarten Windungen bei Stromdurchfluß jeweils eine andere Polung des Magnetfeldes

aufweisen. Erfindungsgemäß wird also die gesamte für die Induktivität bereitgestellte Fläche so mit langen schmalen Windungen ausgefüllt. Elektrisch bilden die Windungen Parallel¬

oder Reihenschaltungen, um entweder hohe Induktivität oder hohe Güte zu erreichen.

Die Breite der Windungen ergibt sich als Optimum aus einerseits der steigenden Induktivität

mit abnehmender Breite, andererseits der Grenze, die durch die Breite der Leiterzüge gesetzt

ist, der steigenden parasitären Kapazitäten der Leiterzüge und dem steigenden ohmschen

Widerstand der gesamten Induktivität mit feinerer Unterteilung.

Im Bereich der Erfindung liegt es, die Induktivität in mehreren Ebenen übereinander

anzuordnen. Dann werden vorzugsweise gleiche Geometrien senkrecht übereinander in den

verschiedenen Ebenen angeordnet und anschließend elektrisch parallel oder in Reihe

geschaltet.

Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und

den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu

mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier

Schutz beansprucht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im

folgenden näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 bekannte Induktivität als Rechteckspule

Figur la bekannte Induktivität als runde Spule Figur 2 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um Windungen in bekannter Anordnung

Figur 3 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um mehrere lange schmale Windungen mit

gegensinniger Polung der Magnetfelder um Einzelwindungen

Figur 4 bekannte kurze breite Windung

Figur 4a lange schmale Windung

Figur 4b zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder

Figur 5 Ausschnitt aus der Fläche einer Induktivität entsprechend dem Erfindungsvorschlag

Figur 6 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der

Form von zwei ineinandergreifenden Kämmen

Figur 7 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der

Form einer rechteckigen Spirale

Figur 8 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in

runder Form

Wie bereits eingangs erwähnt, sind die Anordnungen in den Figuren 1, 1a und 2 bekannter Stand der Technik. Die Figur 3 ist insbesondere in der Gegenüberstellung zu Figur 2 zu betrachten und zeigt den qualitativen Verlauf des Magnetfeldes Q um mehrere lange schmale

Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder um Einzelwindungen in

erfindungsgemäßer Anordnung, wobei Figur 2 Windungen in herkömmlicher Anordnung

zeigt. Der unterschiedlich große Wirkungsbereich der Magnetfelder nach Figur 3 wird deutlich. In den Figuren bedeuten X und O die Durchstoßpunkte der Leiterbahnen durch die

Ebene der Figurendarstellung. Die Leiterzüge der Windungen verlaufen senkrecht zur

Zeichenebene. Die Pfeile zeigen die Richtung der magnetischen Feldlinien bzw. den

qualitativen Verlauf des Magnetfeldes Q an.

Zur besseren Veranschaulichung der Begriffe kurze breite Windung, lange schmale Windung

und parallele lange schmale Windungen sind diese in den Figuren 4, 4a und 4b dargestellt.

Figur 4a zeigt eine lange schmale Windung, und die Figur 4b zeigt zwei lange schmale

Windungen. Die Leiterzüge umschließen jeweils die schraffierte Fläche. In Abhängigkeit von

der Stromflußrichtung bilden sich Magnetfelder aus, welche oberhalb der Zeichenebene Nord-

oder Südpol haben. Die Figur 4a mit ihrer langen schmalen Windung weist eine durch die

Windung eingeschlossene Fläche auf, die der eingeschlossenen Fläche in Figur 4 mit ihrer

kurzen breiten Windung gleich ist. Nach Anordnung Figur 4a wird eine erheblich größere

Induktivität erzielt. Der Effekt, der gegenüber der Anordnung in Figur 4 mit der Anordnung in Figur 4a erreicht

ist, wird noch verstärkt durch die magnetische Kopplung, wie in Figur 4b dargestellt, wenn

mehrere lange schmale Windungen parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind. Dies

geschieht unter der Bedingung, daß die benachbarten Windungen bei Stromdurchfluß jeweils

eine andere Polung des Magnetfeldes aufweisen.

Für das Verhältnis der Breite b zur Länge I der Windungen gilt: kurze breite Windung: b/1 » 1

lange schmale Windung: b/1 < 0,25

Die Breite b der Windungen ergibt sich somit als Optimum aus einerseits steigender

Induktivität mit abnehmender Breite b, andererseits aus der Grenze, die durch die Breite der

Leiterzüge gesetzt ist, der steigenden parasitären Kapazitäten der Leiterzüge und dem

steigenden ohmschen Widerstand der gesamten Induktivität mit feinerer Unterteilung.

In den Figuren 4, 4a und 4b bedeuten die Pfeile die Richtung des Stromflusses in den

Leiterzügen und N und S die Polarität des Magnetfeldes.

Erfindungsgemäß wird die gesamte für die Induktivität bereitgestellte Fläche mit langen

schmalen Windungen ausgefüllt. Ein Ausschnitt aus einer solchen Fläche einer Induktivität ist

in Figur 5 dargestellt. Elektrisch bilden die Windungen Parallel- oder Reihenschaltungen, um

entweder hohe Induktivität oder hohe Güte zu erreichen. Auch hier ergibt sich die Breite b der

Windungen als Optimum aus einerseits steigender Induktivität mit abnehmender Breite und

andererseits der Grenze, die durch die Breite der Leiterzüge gesetzt ist, der steigenden

parasitären Kapazitäten der Leiterzüge und dem steigenden ohmschen Widerstand der

gesamten Induktivität mit feiner Unterteilung.

Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Ausführungsformen nach Figur 5. In Figur 6 sind zwei lange

schmale mäanderformige Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form

von zwei ineinandergreifenden Kämmen dargestellt, in der Figur 7 zwei lange schmale

Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form einer rechteckigen

Spirale und in Figur 8 eine solche in runder Form. In den Figuren 5 bis 8 bedeuten jeweils b

die Breite der Windungen, die eingezeichneten Pfeile die Richtung des Stromflusses in den

Leiterzügen und N und S die Polarität des Magnetfeldes. Im Bereich der Erfindung liegt es, die Induktivität in mehreren Ebenen übereinander

anzuordnen. Es werden vorzugsweise gleiche Geometrien senkrecht übereinander in den

geschaltet.

In der vorliegenden Erfindung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele, insbesondere

dargestellt in den Figuren, die erfindungsgemäße Geometrie für planare Induktivitäten

erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der

Beschreibung in den Ausführungsbeispielen eingeschränkt ist, da im Rahmen der

Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims

Patentansprüche

1. Geometrie von planaren Induktivitäten für integrierte Schaltungen der Mikroelektronik

oder gedruckte Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß schmale lange Windungen so

auf der für die Induktivität vorgesehenen Fläche untergebracht sind, daß sie die gesamte

Fläche ausfüllen, daß benachbarte Windungen Magnetfelder gegensinniger Polung

ausbilden und daß sie elektrisch als Parallel- oder Reihenschaltung betrieben werden.

2. Geometrie von planaren Induktivitäten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die schmalen langen Windungen in einige kürzere Teile unterteilt sind und diese zur

Gewinnung einer höheren Güte elektrisch parallel geschaltet sind.

3. Geometrie von planaren Induktivitäten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

Erzielung einer hohen Induktivität elektrisch in Reihe geschaltet sind.

4. Geometrie von planaren Induktivitäten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß Induktivitäten in mehreren Ebenen übereinander

angeordnet und anschließend elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind.

5. Geometrie von planaren Induktivitäten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

gleiche Geometrien senkrecht übereinander in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.