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JP2002050520A - マイクロインダクタあるいはマイクロトランスタイプのマイクロ要素 - Google Patents

マイクロインダクタあるいはマイクロトランスタイプのマイクロ要素

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Publication number
JP2002050520A
JP2002050520A JP2001197086A JP2001197086A JP2002050520A JP 2002050520 A JP2002050520 A JP 2002050520A JP 2001197086 A JP2001197086 A JP 2001197086A JP 2001197086 A JP2001197086 A JP 2001197086A JP 2002050520 A JP2002050520 A JP 2002050520A
Authority
JP
Japan
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micro
core
solenoid
magnetic
inductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001197086A
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Marc Fedeli
ジャン−マルク・フェデリ
Bertrand Guillon
ベルトラン・ギヨン
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Memscap SA
Original Assignee
Memscap SA
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00Fixed inductances of the signal type
    • H01F17/0006Printed inductances
    • H01F17/0033Printed inductances with the coil helically wound around a magnetic core
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
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  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特定の高周波で作動可能な磁気コアを装備し
た誘導マイクロ要素を提供することである。 【解決手段】 ソレノイドの形状を有する金属巻線
(2)とソレノイド(2)の中心に位置する強磁性材料
から成る磁気コア(4)とを備えたマイクロインダクタ
あるいはマイクロトランスのような誘導マイクロ要素
(1)であって、 コア(4)は、ソレノイド(4)の
主軸(20)に垂直に配向したカットアウト(17−1
9)によって分離された複数のセクション(13−1
6)から成ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロエレクト
ロニクスの分野、さらに詳細にはマイクロ要素を製造す
るセクターにおいて、特に無線周波数応用製品に使用す
ることを意図した要素に関するものである。さらに詳細
には、特定の高周波で作動可能な磁気コアを装備したマ
イクロインダクタあるいはマイクロトランス(マイクロ
変圧器)のようなマイクロ要素に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】周知の
ように、特に携帯電話のような無線周波数応用製品で使
用される電子回路は、キャパシタ及びインダクタを含む
振動回路を備える。
【0003】微小化へのトレンドでは、マイクロインダ
クタのようなマイクロ要素は、十分に高いインダクタン
ス値及び質の高い係数を保持しながら、占有面積を益々
小さくするのが本質である。
【0004】さらに、トレンドは動作周波数を高くする
方向に向かっている。GSM標準で使用される周波数は
900から1800メガヘルツであるが、新しいUMTS標準
で使用する周波数の例、2.4ギガヘルツの領域について
記載する。
【0005】動作周波数の増加は、マイクロインダクタ
の磁気コアの挙動に関する問題を生ずる。
【0006】このため、優れた品質ファクタを得るため
には、マイクロインダクタのインダクタンスの増加が通
常求められている。このため、幾何学的配置及び寸法が
最大の透磁率を得ることを可能にする磁気材料が選択さ
れる。
【0007】しかしながら、磁気回転現象において、透
磁率が周波数に従って変化し、さらに詳細には、それ以
上ではインダクタが容量性の挙動を有する共鳴周波数が
あることが周知である。言い換えると、マイクロインダ
クタは絶対的に、この共鳴周波数以下の周波数で使用し
なければならない。
【0008】しかしながら、所定の幾何学的配置に対し
て、インダクタが最適な形で使用可能な周波数範囲を制
限する磁気回転共鳴現象に反して使用周波数が増加して
くる。
【0009】本発明が解決することが提案する問題は、
磁気回転現象の存在に固有の使用周波数の制限に関する
ものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ソレノ
イドの形状を有する金属巻線と巻線の中心に位置する強
磁性材料から成る磁気コアとを備えた、マイクロインダ
クタあるいはマイクロトランスのような誘導マイクロ要
素を提供することである。
【0011】本発明では、このマイクロ要素のコアは、
ソレノイドの主軸に垂直に配向したカットアウトによっ
て分離された複数のセクションから成る。
【0012】言い換えると、磁気コアは、ソレノイドの
軸に沿って位置合わせされたモノリシック部を形成しな
いで、逆に、ソレノイドの方向でセグメントに分けられ
ている。
【0013】磁気コアの分割は各セクションの磁気透磁
率の低下、従って、マイクロ要素のインダクタンス値の
低下を招来する。にもかかわらず、この欠点は、マイク
ロ要素におけるその誘導挙動を保持する最大周波数の増
加によって補償されることに注目されたい。
【0014】磁気回転共鳴周波数は、以下のランダウ−
リフシッツの式によって決定される:
【数1】 ここで、Mは磁気モーメント、Hはこのモーメントが置
かれた磁場、γは磁気回転定数、αは減衰因子である。
【0015】ソレノイドの主軸に対応する強磁性材料の
磁化困難軸に沿った透磁率を決定するために、材料が置
かれる様々な磁場を決定する必要がある。従って、所定
形状の材料を磁場(Hext)に置いたときに、磁化は整
列しようとする。
【0016】従って、材料の中性は失われ、外部磁場に
反対の磁場を形成する電荷が現れ、その結果によって内
部磁場(Hint)を低下させる。外部磁場に反する磁場
は通常“反磁場”(Hd)と呼ばれ、幾何学的配置に強
く依存する。さらに詳細には、反磁場係数は以下の式で
示されるNである:
【数2】
【0017】この係数は、幾何学的配置にだけ依存す
る。磁化困難軸の方向における磁気成分によって形成さ
れるこの反磁場はその結果生ずる内部磁場を低下し、そ
のため、フラックス線の通過を拒絶する。言い換える
と、この反磁場は透磁率を低下する結果を有する。
【0018】このモデルを用いると、困難軸に沿った透
磁率の値を決定するために、ランダウ−リフシッツの式
を解くことが可能である。周知のように、透磁率は、実
部が有効透磁率を表し、虚部が損失を表す複素数の量で
ある。そのため、これらの式を解くことは、周波数の関
数としての実部(μ’)及び虚部(μ”)の値、及び、
Nの値、材料の固有値の値を与える。
【0019】μ”の値が最大となる共鳴周波数は以下の
ように与えられる:
【数3】 ここで、Nは反磁場係数、γは磁気磁気定数、Hkは飽
和磁場の値、Msは飽和における磁気モーメントの値で
ある。
【0020】従って、共鳴周波数は反磁場係数Nととも
に増加することがわかっている。平行六面体について
は、反磁場係数は次の値に依存する: ・困難軸、すなわち、ソレノイド軸に沿って測定された
平行六面体の長さ ・平行六面体の厚さ ・容易アクセスに沿った幅
【0021】従って、本発明によるコアに対して選択し
た幾何学的配置のため、磁場係数ははソレノイドの全長
を占めるモノリシックコアに対してよりかなり大きい。
そのため、反磁場もより強く、困難軸に沿った磁場透磁
率はより小さくなっている。
【0022】その代わりに、磁気回転効果についての共
鳴周波数はより大きく、大きめの周波数でマイクロイン
ダクタあるいはマイクロトランスを使用することが可能
となる。
【0023】好都合なことには、実際、ソレノイド軸の
方向で測定されたコアのセクションに分離するカットア
ウトの幅がコアの厚さの4倍以上のとき、コアの様々な
セクション間の結合現象は無視できるか、又は、ほとん
ど効果がないことがわかっている。
【0024】この幅はこの値よりかなり小さいときは、
すでに述べた共鳴周波数に関連した制限と共に、種々の
セクション間の磁気結合現象は、一群のセクションにモ
ノリシックコアの挙動に類似する挙動を与えるのに寄与
する。反対に、セクションの分離が大きすぎると、イン
ダクタンスの値は磁気体積の減少により低下する。
【0025】好都合なことには、実際、コアの厚さは0.
1μmから10μmの間であってもよい。磁気コアの各セ
クションの厚さをできる限り大きい値に制限することに
よって、使用周波数が高いほど大きくなる誘導電流現象
を克服することが可能であることがわかった。
【0026】しかしながら、透磁率を十分高い値に保持
するために、本発明の実施形態においては、各層が制限
された厚さを有するような複数の積層磁気層からコアを
作ることが可能である。
【0027】実際、コアは、鉄、ニッケル、コバルト、
ジルコニウム、あるいはニオブ母材合金から成るグルー
プから選択された材料から作ることができる。
【0028】最小系列抵抗を有するマイクロインダクタ
及びそのため特に高品質ファクタは、クォーツあるはガ
ラスのような絶縁基板上に堆積可能な電気銅(electrol
yticcopper)からソレノイドを作ることによって得られ
る。ソレノイドは、この基板とソレノイドとの間の絶縁
層を挟んで、導電性基板あるいは半導電性基板上にも堆
積可能である。
【0029】
【発明の実施の形態】本発明及びその利点を実現する方
法は、添付図面を参照して、以下で記載する実施形態か
ら適切に理解されるだろう。
【0030】すでに述べたように、本発明は、磁気コア
が分割されたマイクロインダクタあるいはマイクロトラ
ンスのようなマイクロ要素に係る。
【0031】図1で示したように、本発明に係るマイク
ロインダクタ(1)は、磁気コアのまわりを巻回する複
数のターン(3)から成る巻線(2)を備える。
【0032】さらに詳細には、ソレノイドの各ターン
(3)は、基板(6)の面において挿入された下部
(5)と、隣接下部(5,5’)の端部(8,9)に結
合する複数のアーチ(7)とを備えている。
【0033】このようなインダクタを得るために、複数
の平行チャネル(10)は、絶縁基板又は導電性あるい
は半導体基板(6)上の絶縁層の上面にエッチングされ
る。各ターン(3)の下部(5)は、銅の電解成長によ
って得られ、基板(6)の面は最適面状態を生成するた
めに平坦化される。
【0034】次に、シリカ層(11)は、基板(6)の
上面の頂部上に堆積され、それによってターンの下部
(5)を頂部上に堆積される磁気材料から絶縁する。
【0035】次に、電解堆積物のスパッタリングのよう
な種々の方法によって生成することが可能な磁気コア
(4)を作る。付加技術を用いて、磁気材料の電解堆積
は、ターンの下部を形成する複数のセグメント(5)の
頂部上に位置する所定成長領域の頂部上で行う。
【0036】本発明では、磁気コア(4)は、ソレノイ
ド(2)の長軸(20)に垂直なカットアウト(17−
19)によって互いに分離された複数のセクション(1
3−16)を有する。磁気コア(4)のセクション数
は、使用される磁気材料の種類、インダクタが使用され
ねばならない最大周波数、所望のインダクタンス値及び
磁気材料の層の厚さのような種々のパラメータによって
決定する。
【0037】図示された例では、磁気コア(4)は、3
個のカットアウト(17−19)で分離された4つのセ
クション(13−16)を備える。これらの4つのセク
ション(13−16)は、すでに述べたように、銅セグ
メント(5)上に描いた4つの成長領域上で電解堆積を
行う付加技術によって得られる。
【0038】これら4つのセクション(13−16)
は、第1の段階において、基板全体にわたって均一な磁
気層を堆積し、第2の段階において、種々のセクション
を形成するために磁気材料を除去するという減法技術に
よっても得ることができる。
【0039】磁気層(13−16)の厚さ(e)は、誘
導電流現象を制限しつつ十分高いインダクタンスを得る
ために、0.1μmから10μmの間で選択する。各セクシ
ョンを(13−16)を分離するカットアウト(17−
19)の幅(d)は、磁気材料層の厚さの4倍に近い値
が選択されるのが好ましい。図を明瞭にする目的のため
に、図2ではこの比に従っていない。シリカあるいは窒
化シリコンのような非磁気層を好適には絶縁することに
よって互いに絶縁された、磁気材料の複数の積み重ね層
を堆積することによって、磁気コア(4)の全体の厚さ
を増加することが可能である。
【0040】磁気材料(4)からコアを作った後、ター
ンの上部(7)から磁気コア(4)を電気的に絶縁する
ことを意図したシリカ層(22)を堆積する。
【0041】続いて、図1で図示したマイクロ要素を形
成するため、隣接下部(5,5”)の反対の端部を接続
するアーチ(7)を形成するために、銅の電解堆積を行
う。接続パッド(23,24)及びパッシベーションを
形成する後続段階を行うことができる。
【0042】前述したように、使用される磁気材料は、
それらが高い磁化及び制御された異方性を有するなら
ば、比較的変更可能である。例えば、CoZrNbのよ
うな結晶あるいはアモルファス材料が使用可能である。
【0043】さらに、ソレノイドは図示したような銅か
ら成ってもよく、又は金のような低抵抗の他の材料が組
み込まれてもよい。
【0044】本発明をマイクロインダクタに関してより
詳細に説明したが、共通のコアの回りに巻回された巻線
を含むマイクロトランスの製造も本発明でカバーされる
こといは言うまでもない。
【0045】本発明によるマイクロ要素が多数の利点を
有し、特に、それらが同一のサイズ及び材料のマイクロ
要素に関して最大周波数を増大することはこれまでの記
載から明らかである。
【0046】これらのマイクロ要素は、無線周波数応用
製品、特に携帯電話において応用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るマイクロインダクタの概略平
面図である。
【図2】 図1のII−II’面に沿った長軸方向断
面図である。
【図3】 図1のIII−III’面に沿った横方向
断面図である。
【符号の説明】
2 金属巻線(ソレノイド) 4 コア 13−16 セクション 17−19 カットアウト 20 主軸 e 厚み
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5E041 AA00 AA06 CA01 HB19 NN01 NN05 5E070 AA01 AA11 AB03 BB01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ソレノイドの形状を有する金属巻線
    (2)とソレノイド(2)の中心に位置する強磁性材料
    から成る磁気コア(4)とを備えたマイクロインダクタ
    あるいはマイクロトランスのような誘導マイクロ要素
    (1)であって、 コア(4)は、ソレノイド(4)の主軸(20)に垂直
    に配向したカットアウト(17−19)によって分離さ
    れた複数のセクション(13−16)から成るマイクロ
    要素。
  2. 【請求項2】 ソレノイドの主軸(20)の方向で測
    定されたコア(4)の各セクションに分離するカットア
    ウト(17−19)の幅がコア(4)の厚み(e)の4
    倍以上の大きさである請求項1に記載のマイクロ要素。
  3. 【請求項3】 ソレノイド(2)が絶縁基板上に堆積
    された電気銅から成る請求項1に記載のマイクロ要素。
  4. 【請求項4】 ソレノイド(2)が導電性あるいは半
    導体基板(6)上に存在する絶縁基板上に堆積された電
    気銅から成る請求項1に記載のマイクロ要素。
  5. 【請求項5】 コアの厚み(e)が0.1μmから10μm
    である請求項2に記載のマイクロ要素。
  6. 【請求項6】 コア(4)が、鉄、ニッケル、コバル
    ト、ジルコニウム、あるいはニオブ母材合金から成るグ
    ループから選択された材料から成る請求項1に記載のマ
    イクロ要素。
  7. 【請求項7】 コアが複数の積層された層から成る請
    求項1に記載のマイクロ要素。
JP2001197086A 2000-06-29 2001-06-28 マイクロインダクタあるいはマイクロトランスタイプのマイクロ要素 Pending JP2002050520A (ja)

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