DE19741302A1 - Planar inductor geometry for integrated circuit or printed circuit - Google Patents
Planar inductor geometry for integrated circuit or printed circuitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Geometrie von planaren Induktivitäten in integrierten Schaltungen der Mikroelektronik und gedruckten Schaltungen.The invention relates to the geometry of planar inductors in integrated circuits Microelectronics and printed circuits.
Es ist bekannt, in Schaltungen der Mikroelektronik Induktivitäten, insbesondere für 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 (Fig. 1 und 1a). Die Windungen sind so angeordnet, daß benachbarte Leiterzüge der Windungen von Strömen in gleicher Richtung durchflossen werden.It is known to form inductances in circuits in microelectronics, in particular for use at very high frequencies, as individual turns or spirals with a few turns in one plane. The turns are in the chip surface or in a parallel plane and are geometrically shaped as rectangles, polygons or rounded. Each of the windings encloses as large a part as possible of the area provided for the entire inductance ( FIGS. 1 and 1a). The turns are arranged in such a way that adjacent conductor tracks of the turns are traversed by currents in the same direction.
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.If the chip material (carrier material) for the inductors due to its material properties caused losses under the action of the alternating magnetic field of the inductance and so the Decreasing the quality of the inductance can reduce the spatial losses Area of effect of the magnetic field can be filled with a material whose properties are better.
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 (Fig. 2). Außerdem werden bei Windungen mit großem Durchmesser unerwünschte magnetische Verkopplungen von Signalen und Hochfrequenzabstrahlungen begünstigt.It is disadvantageous that, in the inductors used to date, the volume to be filled with such a material is considerable owing to the relatively large diameter of the windings and the resulting large spatial expansion of the magnetic field and causes technological difficulties ( FIG. 2). In addition, unwanted magnetic coupling of signals and high-frequency radiation are favored in windings with a large diameter.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und je nach Wahl
The object of the invention is to eliminate the aforementioned disadvantages and depending on the choice
- a) bei vorgegebenem Wert der Induktivität mit deutlich geringerer Fläche als herkömmliche Anordnungen auszukommen odera) at a given value of the inductance with a significantly smaller area than conventional Orders to get by or
- b) bei gleicher Fläche eine höhere Induktivität zu erreichen oderb) to achieve a higher inductance with the same area or
- c) bei gleicher Fläche und gleicher Induktivität eine höhere Güte zu liefernc) to deliver a higher quality with the same area and the same inductance
und in allen Fällen den räumlichen Wirkungsbereich des Magnetfeldes herabzusetzen, um so Verluste, Verkopplung von Signalen und Hochfrequenzabstrahlung zu verringern.and in all cases to reduce the spatial range of action of the magnetic field, so Reduce losses, coupling of signals and high-frequency radiation.
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.The invention takes advantage of the well known fact that a long narrow turn against a short width under otherwise identical conditions, in particular the same enclosed by the winding Surface has a significantly larger inductance and reinforces this effect by magnetic coupling by making several long narrow turns parallel to each other in one Can be arranged on the condition that the adjacent turns at Current flow each have a different polarity of the magnetic field. According to the invention that is, the entire area provided for the inductance with long narrow turns filled out. Electrically, the turns form parallel or series connections to either high To achieve inductance or high quality.
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.The width of the turns results as an optimum from the increasing inductance decreasing width, on the other hand the limit, which is set by the width of the conductor tracks, the increasing parasitic capacitances of the conductor tracks and the increasing ohmic resistance of the total inductance with finer subdivision.
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.It is within the scope of the invention to arrange the inductance one above the other in several planes. Then the same geometries are preferably perpendicular one above the other in the different Arranged levels and then electrically connected in parallel or in series.
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.The features of the invention go beyond the claims also from the description and the Drawings, the individual features each individually or in several in In the form of sub-combinations represent protective designs, for which protection here is claimed.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described below explained in more detail.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig. 1 bekannte Induktivität als Rechteckspule, Fig. 1 inductance known as a rectangular coil,
Fig. 1a bekannte Induktivität als runde Spule, Fig. 1a known as round inductance coil
Fig. 2 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um Windungen in bekannter Anordnung, Fig. 2 qualitative course of the magnetic field around turns in a known arrangement,
Fig. 3 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um mehrere lange schmale Windungen mit gegen sinniger Polung der Magnetfelder um Einzelwindungen, Figure 3 qualitative course. The magnetic field to a plurality of long narrow windings with opposite sinniger polarity of the magnetic fields around individual windings
Fig. 4 bekannte kurze breite Windung, Fig. 4 known short wide turn,
Fig. 4a lange schmale Windung, FIG. 4a long narrow turn,
Fig. 4b zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder, FIG. 4b, two long narrow turns having opposite directions polarity of the magnetic fields,
Fig. 5 Ausschnitt aus der Fläche einer Induktivität entsprechend dem Erfindungsvorschlag, Fig. 5 section from the surface of an inductor in accordance with the proposed invention,
Fig. 6 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form von zwei ineinandergreifenden Kämmen, Fig. 6, two long narrow turns having opposite directions polarity of the magnetic fields in the form of two interdigitated combs,
Fig. 7 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form einer rechteckigen Spirale, Fig. 7, two long narrow turns having opposite directions polarity of the magnetic fields in the form of a rectangular spiral,
Fig. 8 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in runder Form. Fig. 8 two long narrow turns with opposite polarity of the magnetic fields in a round shape.
Wie bereits eingangs erwähnt, sind die Anordnungen in den Fig. 1, 1a und 2 bekannter Stand der Technik. Die Fig. 3 ist insbesondere in der Gegenüberstellung zu Fig. 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 Fig. 2 Windungen in herkömmlicher Anordnung zeigt. Der unterschiedlich große Wirkungsbereich der Magnetfelder nach Fig. 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.As already mentioned at the beginning, the arrangements in FIGS. 1, 1a and 2 are known prior art. FIG. 3 is to be considered in particular in comparison with FIG. 2 and shows the qualitative course of the magnetic field Q around several long narrow turns with opposite polarity of the magnetic fields around individual turns in an arrangement according to the invention, FIG. 2 showing turns in a conventional arrangement. The differently large effective range of the magnetic fields according to FIG. 3 becomes clear. In the figures, X and O represent the intersection points of the conductor tracks through the plane of the figure display. The conductor lines of the turns run perpendicular to the plane of the drawing. The arrows show the direction of the magnetic field lines or the qualitative course of the magnetic field Q.
Zur besseren Veranschaulichung der Begriffe kurze breite Windung, lange schmale Windung und parallele lange schmale Windungen sind diese in den Fig. 4, 4a und 4b dargestellt.To better illustrate the terms short wide turn, long narrow turn and parallel long narrow turns, these are shown in FIGS. 4, 4a and 4b.
Fig. 4a zeigt eine lange schmale Windung, und die Fig. 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 Fig. 4a mit ihrer langen schmalen Windung weist eine durch die Windung eingeschlossene Fläche auf, die der eingeschlossenen Fläche in Fig. 4 mit ihrer kurzen breiten Windung gleich ist. Nach Anordnung Fig. 4a wird eine erheblich größere Induktivität erzielt. Fig. 4a shows a long narrow turn and Fig. 4b shows two long narrow turns. The conductor tracks enclose the hatched area. Depending on the direction of current flow, magnetic fields are formed which have north or south poles above the plane of the drawing. FIGS. 4, with its long narrow turn has an area enclosed by the coil surface with their short wide turn is the enclosed area in Fig. 4 are identical. After assembly Fig. 4a is a considerably greater inductance is achieved.
Der Effekt, der gegenüber der Anordnung in Fig. 4 mit der Anordnung in Fig. 4a erreicht ist, wird noch verstärkt durch die magnetische Kopplung, wie in Fig. 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. The effect achieved compared to the arrangement in FIG. 4 with the arrangement in FIG. 4a is further enhanced by the magnetic coupling, as shown in FIG. 4b, when several long, narrow turns are arranged parallel to one another in one plane. This is done under the condition that the adjacent turns each have a different polarity of the magnetic field when current flows.
Für das Verhältnis der Breite b zur Länge l der Windungen gilt:
kurze breite Windung: b/l ≈ 1
lange schmale Windung: b/l < 0,25.The following applies to the ratio of the width b to the length l of the turns:
short wide turn: b / l ≈ 1
long narrow turn: b / l <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.The width b of the turns thus results as the optimum from on the one hand increasing inductance with decreasing width b, on the other hand from the limit set by the width of the conductor tracks is, the increasing parasitic capacitances of the conductor tracks and the increasing ohmic Resistance of the entire inductance with a finer division.
In den Fig. 4, 4a und 4b bedeuten die Pfeile die Richtung des Stromflusses in den Leiterzügen und N und S die Polarität des Magnetfeldes.In Figs. 4, 4a and 4b, the arrows indicate the direction of current flow in the circuit lines and N, and S, the polarity of the magnetic field.
Erfindungsgemäß wird die gesamte für die Induktivität bereitgestellte Fläche mit langen schmalen Windungen ausgefüllt. Ein Ausschnitt aus einer solchen Fläche einer Induktivität ist in Fig. 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.According to the invention, the entire area provided for the inductance is filled with long narrow turns. A section of such a surface of an inductor is shown in FIG. 5. Electrically, the windings form parallel or series connections in order to achieve either high inductance or high quality. Here, too, the width b of the turns results as the optimum from, on the one hand, increasing inductance with decreasing width and, on the other hand, the limit that is set by the width of the conductor tracks, the increasing parasitic capacitances of the conductor tracks and the increasing ohmic resistance of the entire inductance with fine division.
Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen Ausführungsformen nach Fig. 5. In Fig. 6 sind zwei lange schmale mäanderförmige Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form von zwei ineinandergreifenden Kämmen dargestellt, in der Fig. 7 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form einer rechteckigen Spirale und in Fig. 8 eine solche in runder Form. In den Fig. 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. FIGS. 6, 7 and 8 show embodiments according to Fig. 5. In Fig. 6, two long narrow meander-shaped windings shown with oppositely directed polarities of the magnetic fields in the form of two interdigitated combs, in FIG. 7, two long narrow turns having opposite directions Polarity of the magnetic fields in the form of a rectangular spiral and in Fig. 8 such in a round shape. In FIGS. 5 to 8, b is the width of the turns, the arrows shown the direction of the current flow in the conductor tracks and N and S the polarity of the magnetic field.
Im Bereich der Erfindung liegt es, die Induktivität in mehreren Ebenen übereinander anzuordnen. Es werden vorzugsweise gleiche Geometrien senkrecht übereinander in den verschiedenen Ebenen angeordnet und anschließend elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet.It is within the scope of the invention to arrange the inductance one above the other in several planes. It the same geometries are preferably perpendicular to one another in the different planes arranged and then electrically connected in parallel or in series.
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.In the present invention, based on specific exemplary embodiments, in particular shown in the figures, the geometry according to the invention for planar inductors explained. It however, it should be noted that the present invention is not limited to the details of the description in the Embodiments is limited because changes and within the scope of the claims Variations are claimed.
Claims (5)
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