JP2008159618A

JP2008159618A - インダクタンス素子

Info

Publication number: JP2008159618A
Application number: JP2006343226A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Mashino; 直寛真篠
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-10
Also published as: TW200830335A; US20080164967A1

Abstract

【課題】専有面積が小さく、かつ、大きなインダクタンス値を有するインダクタンス素子を提供する。
【解決手段】四角形のスパイラル状に形成された第１の導体と、誘電層を挟んで前記第１の導体に対応する四角形のスパイラル状に形成された第２の導体と、を有し、前記第１の導体の内周端と前記第２の導体の内周端とが、前記第１の導体および前記第２の導体が形成する四角形の角部の近傍で電気的に接続されていることを特徴とするインダクタンス素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパイラル状の導体を用いて形成されるインダクタンス素子に関する。

導体をスパイラル状に構成することで形成されるインダクタンス素子は、例えば電源（スイッチング電源）や、フィルタ回路などに用いられてきた。上記のインダクタンス素子のインダクタンス値は、スパイラル状に形成される導体の長さに実質的に比例する。このため、高いインダクタンス値を得るためには、スパイラル状に形成される導体の長さを長くする必要がある。

しかし、上記のインダクタンス素子は、近年は通信機器などのいわゆるモバイル機器に搭載する必要性から小型化・軽量化が要求されている。このため、インダクタンス素子を小型化する必要性から導体の長さには制限が生じてしまう場合がある。このため、例えばスパイラル状に形成された導体を積層することで高いインダクタンス値を得る構造が提案されていた（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−３１９７６３号公報

しかし、インダクタンス素子が用いられる通信機器などのさらなる小型化に伴い、インダクタンス素子はさらに小型化することが要求されている。このため、インダクタンス素子は、その占有面積（占有体積）をさらに小さくし、かつ小さい占有面積でさらに高いインダクタンス値を得ることが要求されている。

そこで、本発明では上記の問題を解決した、新規で有用なインダクタンス素子を提供することを統括的課題としている。

本発明の具体的な課題は、専有面積が小さく、かつ、大きなインダクタンス値を有するインダクタンス素子を提供することである。

本発明は、上記の課題を、四角形のスパイラル状に形成された第１の導体と、誘電層を挟んで前記第１の導体に対応する四角形のスパイラル状に形成された第２の導体と、を有し、前記第１の導体の内周端と前記第２の導体の内周端とが、前記第１の導体および前記第２の導体が形成する四角形の角部の近傍で電気的に接続されていることを特徴とするインダクタンス素子により、解決する。

本発明によれば、専有面積が小さく、かつ、大きなインダクタンス値を有するインダクタンス素子を提供することが可能となる。

本発明によるインダクタンス素子は、四角形のスパイラル状に形成された第１の導体と、誘電層を挟んで前記第１の導体に対応する四角形のスパイラル状に形成された第２の導体と、を有し、前記第１の導体の内周端と前記第２の導体の内周端とが、前記第１の導体および前記第２の導体が形成する四角形の角部の近傍で電気的に接続されていることを特徴としている。

上記のインダクタンス素子では、スパイラル形状を丸（円）ではなく四角とすることで、インダクタンス素子の実質的な専有面積に対して形成可能な導体の長さを長くすることが可能となっている。例えば、素子が円形の場合には、素子の実質的な占有面積は、当該円形の直径（いわゆる長尺）を一辺とする正方形の面積に近くなってしまう。

このため、丸いスパイラル形状では素子が実質的に占有している領域において、スパイラルが形成されない領域（正方形の四隅）が多く存在してしまう。したがって、スパイラル形状を四角形とすることで、インダクタンス素子の専有面積に対して形成可能なスパイラルの長さを長くすることが可能となる。

また、上記のインダクタンス素子では、前記第１の導体と前記第２の導体とが誘電層を介して対応するように設置されているために、お互いの導体の相互の影響によってインダクタンス値が高くなる効果を奏する。例えば、前記第１の導体と前記第２の導体とを流れる電流の方向が同じ方向となる場合、該第１の導体と該第２の導体との相互の影響によってインダクタンス値は大きくなる。

この場合、前記第１の導体の内周端と前記第２の導体の内周端とが、前記第１の導体および前記第２の導体が形成する四角形の角部の近傍で電気的に接続されることが好ましい。この場合、前記第１の導体と前記第２の導体とが前記誘電層を挟んで対向する部分の長さをより長く形成することが可能となり、該第１の導体と該第２の導体との相互の影響によるインダクタンス値の増大の効果を大きくすることができる。

すなわち、前記第１の導体と前記第２の導体とが前記角部の近傍で接続されることで、該第１の導体と該第２の導体とが前記誘電層を介して対向する距離が長くなることになる。上記のインダクタンス値を大きくすることが可能となる構造の詳細については後述する。

次に、上記のインダクタンス素子の構造の具体的な一例について図面に基づき、以下に説明する。

図１は、本発明の実施例１によるインダクタンス素子１００を模式的に示した図である。図１を参照するに、本図に示すインダクタンス素子１００の概略は、四角形のスパイラル状に形成された第１の導体１０１と、第１の導体１０１に対応する四角形のスパイラル状に形成された第２の導体２０１とを有する構造になっている。

上記の第１の導体１０１と第２の導体２０１とは、本図では図示を省略する誘電層を挟んで対向するように設置されている。すなわち、第１の導体１０１の四角のスパイラル形状と第２の導体２０１の四角のスパイラル形状とが当該誘電層を挟んで対向するように設置されている。

また、第１の導体の内周端１０２と第２の導体の内周端２０２とは、第１の導体１０１および第２の導体２０１が形成する四角形の角部の近傍で、例えばプラグ３０１により、電気的に接続されている。

また、第１の導体１０１と同一平面上に、プラグ２０３を介して第２の導体２０１の外周端に接続される接続部２０４が設置されており、インダクタンス素子への電気的な接続が容易となる構成とされている。

上記のインダクタンス素子１００は、例えば、配線基板や半導体パッケージの配線層、ウェハレベルパッケージやチップサイズパッケージサイズの再配線層に造り込まれて用いられる。例えば、上記のインダクタンス素子１００を、配線基板（多層配線基板）に造り込む場合、配線基板に造り込まれるパターン配線と同時に第１の導電パターン１０１、第２の導電パターン２０１などがパターニングされ、配線基板に造り込まれるビアプラグと同時にプラグ３０１が造り込まれ、配線基板に造り込まれる絶縁層が、上記の誘電層に相当する。

また、上記のインダクタンス素子１００に流れる電流は、第１の導体１０１の外周端から第１の導体１０１の内周端１０２に向かって時計回りに流れる。なお、図中の矢印は電流の流れる方向を示している（以下の図についても同様）。

さらに、電流は、第１の導体１０１から、先に説明したプラグ３０１を介して第２の導体２０１側に流れることになる。第２の導体２０１においては、プラグが接続される内周端２０２から、外周端に向かって時計回りに、すなわちスパイラルに対して電流の流れが回転する方向が第１の導体１０１と同じとなるように流れる。

図２は、図１に示したインダクタンス素子１００の平面図である。ただし、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する（以下の図においても同様）。

図２を参照するに、本実施例によるインダクタンス素子１００においては、平面視した場合に第１の導体１０１のスパイラル形状と第２の導体２０１のスパイラル形状とが対応して重なるように構成されていることが特徴である。また、本実施例では、第１の導体１０１（第２の導体２０１）の四角形の外周の１辺Ｓ１の長さと、Ｓ１に直交する外周の１辺Ｓ２の長さが同じとなるように構成されている。すなわち、本実施例では上記の四角形が正方形となるように構成されているが、本発明はこれに限定されず、Ｓ１とＳ２が異なるように構成してもよい。

また、図３は、図２のＡ−Ａ'断面図を示したものである。図３を参照するに、本実施例によるインダクタンス素子１００では、第１の導体１０１と第２の導体２０１とが、誘電層４０１（図１では図示を省略）を挟んで対向していることがわかる。

また、上記の構成において、第１の導体１０１を覆う誘電層（絶縁層）や、または、第２の導体２０１を覆う誘電層がさらに形成されていてもよい。また、第１の導体１０１を覆う誘電層と第２の導体を覆う誘電層、および誘電層４０１とが一体的に形成されていてもよい。すなわち、所定の誘電層の中に第１の導体１０１と第２の導体２０１が埋設されている構成であってもよい。

上記のインダクタンス素子１００では、スパイラル形状を丸（円）ではなく四角とすることで、インダクタンス素子の実質的な専有面積に対して形成可能な第１の導体１０１の長さ（第２の導体２０１の長さ）を長くすることが可能となっている。

例えば、配線基板は四角形であることが一般的であり、配線基板に搭載される電子部品は、平面形状（配線基板に配置した場合の専有面積）が四角形である場合が一般的である。このため、配線基板に電子部品を配置する場合には、搭載される部品が四角形であることを前提として配置の設計が行われる。

よって、電子部品の配置の関係から、円形のインダクタンス素子を配線基板に造り込んだ場合、その実質的な占有面積は、当該円形の直径を一辺とする四角形となってしまう。

例えば、スパイラル形状の違いによって生じる形成可能なスパイラルの長さの違いについて、一辺が４ｍｍの正方形となる領域に形成する場合を例にとって比較してみる。導体の幅とスペースをそれぞれ０．１ｍｍとすると、スパイラル形状が円形の場合にはスパイラルの長さは約６６ｍｍ、スパイラル形状が四角形の場合にはスパイラルの長さは約８４ｍｍとなる。

このように、スパイラルの形状を四角形とすると、素子の占有面積に対して形成可能なスパイラルの長さを長くすることが可能となる。

また、上記のインダクタンス素子１００では、第１の導体１０１と第２の導体２０１とが誘電層４０１を介して対向するように設置されているため、お互いの導電体が影響し合うことによってインダクタンス値が高くなる効果を奏している。例えば、先に説明したように、第１の導体１０１と第２の導体２０１とを流れる電流の方向（スパイラルの方向）が同じ方向となる場合、第１の導体１０１と第２の導体２０１との相互の影響によってインダクタンス値は大きくなるように作用する。

図４は、上記のインダクタンス素子１００を作成してインダクタンス値を測定した結果を示す図である。インダクタンス素子１００を作成するにあたって、図２に示した正方形の一辺（Ｓ１，Ｓ２）を４ｍｍ、図３に示した第１の導体１０１（第２の導体２０１）の幅Ｌ１を０．１ｍｍ、隣接する導体のスペースＳ１を０．１ｍｍとした。また、第１の導体１０１と第２の導体２０１はＣｕにより形成した。また、誘電層（絶縁層）４０１は、例えばエポキシ系の樹脂材料により形成した。厚さＨ１は、０．８ｍｍとした。当該誘電層の比誘電率は４．８、誘電正接（ｔａｎδ）は０．０１５であった。

図４を参照するに、インダクタンス素子１００のインダクタンス値（図中スパイラル２層と表記）は約１７７．７ｎＨであった。また、比較のために、導体（スパイラル）を積層せず、１層のみ（第１の導体１０１のみ）形成した場合のインダクタンス値を測定したところ、６８．３ｎＨであった。すなわち、スパイラルが１層のインダクタンス値を単に２倍した値（１３３．６ｎＨ）に対して、本実施例ではインダクタンス値が３３％大きくなっている。

上記の結果から、本実施例によるインダクタンス素子１００では、導体（スパイラル形状）を積層することによって、積層された導体の間に相互に作用する影響により、単に線長を２倍にする以上の高いインダクタンス値が得られることが確認された。

また、本実施例によるインダクタンス１００では、第１の導体１０１の内周端１０２と、第２の導体２０１の内周端２０２とが、第１の導体１０１および第２の導体２０１が形成する四角形の角部の近傍でプラグ３０１により電気的に接続されていることが特徴である。

上記の構成とすることで、誘電層４０１を挟んで対向する第１の導体１０１と第２の導体２０１の長さをより長く形成することが可能となり、先に説明したインダクタンス値を大きくする効果をより良好とすることができる。

上記の構造について、図５〜図７を用いて説明する。図５は、第１の導体１０１の内周端１０２近傍の一部を拡大して示した平面図である。また、図６は、第２の導体２０１の内周端２０２近傍の一部を拡大して示した平面図である。また、図７は、図５の第１の導体１０１と図６の第２の導体２０１を重ね合わせて示したものであり、インダクタンス素子１００において、第１の導体１０１と第２の導体２０２とが接続される角部近傍を拡大した平面図に相当する。

図５を参照するに、第１の導体１０１を流れる電流は、先に説明したように第１の導体１０１の外周側から内周側に向かって時計回りに流れる。さらに、電流は第１の導体１０１が形成する四角形の角部近傍の内周端１０２からプラグ３０１（図１に図示）を介して第２の導体２０１側に流れることになる。

図６を参照するに、第２の導体２０１を流れる電流は、先に説明したように第２の導体２０１の内周側から外周側に向かって時計回りに、すなわち、第１の導体１０１の電流の流れと同じ回転方向に流れる。

次に、図７を参照するに、第１の導体１０１を流れる電流と第２の導体２０１を流れる電流の方向は、スパイラルを構成する四角形の角部近傍を除いては同じとなり、全体としては実質的に同じ方向に流れることになる。

この場合、第１の導体１０１と第２の導体２０１が、スパイラルの四角形の角部近傍で接続されているため、第１の導体１０１と第２の導体２０１の、誘電層４０１を挟んで対向する部分の長さをより長く形成することが可能となっている。

例えば、第１の導体１０１と第２の導体２０１の接続点（以下単に接続点と表記する）が、第１の導体１０１（第２の導体２０１）の最内周の正方形の一辺の中間付近に設置されたと仮定する。この場合、最内周の第１の導体１０１が第２の導体２０１と対向しない部分（平面視した場合に重ならない部分）と、最内周の第２の導体２０１が第１の導体１０１と対向しない部分（平面視した場合に重ならない部分）とが大きくなってしまう（このような構造の例については図１０，図１１で後述）。

一方で、接続点が角部近傍に形成されている場合には、第１の導体１０１と第２の導体２０１が対向する部分（平面視した場合に重なる部分）を大きくすることができる。このため、本実施例によるインダクタンス素子１００では、第１の導体１０１と第２の導体２０１との相互の影響によるインダクタンス値の増大の効果を大きくすることができる。また、上記の場合の四角形の角部近傍とは、角部から、最内周の導体の１辺の長さの、１０〜２０％以内の距離の範囲であることをいう。

また、第１の導体１０１の内周端１０２は、第１の導体１０１のスパイラルの内側に突出し、第２の導体２０１の内周端２０２は、第２の導体２０１のスパイラルの内側に突出し、それぞれの内周端１０２、２０２が、プラグ３０１により、接続されている。上記の構造とすることで、第１の導体１０１と第２の導体２０１の上下の対向部分の長さをより長くすることができる。

また、本実施例によるインダクタンス素子１００では、第１の導体１０１，第２の導体２０１、およびプラグ３０１は例えばＣｕより、誘電層４０１は例えば樹脂材料により形成されるが、これらの材料は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、第１の導体１０１，第２の導体２０１、およびプラグ３０１は、Ａｕ，Ａｇ，Ａｌなどの金属材料や、またはこれらを含む合金材料を用いて構成してもよい。また、誘電層４０１は、ガラス、セラミックなど他の絶縁材料を用いて構成してもよい。

次に、上記のインダクタンス素子１００（以下実施例１）と、インダクタンス素子１００の構成を変更した比較例１〜比較例３の素子について、それぞれのインダクタンス値をシミュレーションにより比較した例について説明する。まず、図８〜図１３を用いて比較例１〜比較例３の構造の特徴を説明し、図１４でシミュレーション結果の数値について説明する。

図８は、比較例１によるインダクタンス素子（以下比較例１）の構成を示す斜視図であり、図９はその平面図である。なお、比較例を構成する材料（物性値）、線幅、スペースなどは実施例１と同様にしている。なお、以下の図では比較例１〜比較例３の誘電層の図示を省略している。

図８、図９を参照するに、比較例１では、第１の導体１０１Ａと第２の導体２０１Ａとが、ともに円形のスパイラル状に形成されている点で実施例１と相違する。その他の構成は実施例１に準じた構成となっている。この場合、第１の導体１０１Ａの内周端１０２Ａと第２の導体２０１Ａの内周端２０２Ａとが、プラグ３０１で接続されている。
また、スパイラルを形成する円の最外周の直径Ｄ１，Ｄ２は４ｍｍとしている。

図１０は、比較例２によるインダクタンス素子（以下比較例２）の構成を示す斜視図であり、図１１はその平面図である。

図１０、図１１を参照するに、比較例２では、第１の導体１０１Ｂと第２の導体２０１Ｂの接続点が、第１の導体１０１Ｂ（第２の導体２０１Ｂ）の最内周の正方形の一辺の中間付近に設置されている。すなわち、第１の導体１０１Ｂの内周端１０２Ｂと第２の導体２０１Ｂの内周端２０２Ｂ、およびプラグ３０１が、上記の正方形の一辺の中間付近に形成されている。この場合、最内周の第１の導体１０１Ｂが第２の導体２０１Ｂと対向しない部分（平面視した場合に重ならない部分）と、最内周の第２の導体２０１Ｂが第１の導体１０１Ｂと対向しない部分（平面視した場合に重ならない部分）とが、実施例１に比較して大きくなっている。なお、正方形の一辺（Ｓ３，Ｓ４）の長さは実施例１と同じにしている。

図１２は、比較例３によるインダクタンス素子（以下比較例３）の構成を示す斜視図であり、図１３はその平面図である。

図１２、図１３を参照するに、比較例３では、第１の導体１０１Ｃと第２の導体２０１Ｃのスパイラル形状が対向していない（平面視した場合にスパイラル形状が対応して重なっていない）点で比較例２と相違している。第２の導体２０１Ｃは、第１の導体１０１Ｃに対して、正方形の中心を回転の中心とした場合に回転角ＡＧが１５°ずれた状態で積層されている。

また、第１の導体１０１Ｃの内周端１０２Ｃと第２の導体２０１Ｃの内周端２０２Ｃ、およびプラグ３０１が、スパイラルの正方形の一辺の中間付近に形成されている点は比較例２に準じている。なお、正方形の一辺（Ｓ５，Ｓ６）の長さは実施例１と同じにしている。

図１４は、上記の実施例１と比較例１〜比較例３のインダクタンス値をシミュレーションよって算出した結果について示した図である。

まず、実施例１と比較例１のインダクタンス値について比べてみる。実施例１と比べて比較例１でインダクタンス値が小さくなっているのは、おもに導体の線長の差が影響していると考えられる。これは、素子の占有面積の観点を考慮して、実施例１のスパイラルの正方形の１辺の長さと比較例１のスパイラルの直径を同じにしているためである。このため、実施例１の方がスパイラルの線長が長くなり、インダクタンス値が大きくなっている。

また、比較例１では、スパイラルが円形のために、図９に示すように平面視した場合に積層される導体が斜めに重ねられる部分が多くなっている。すなわち、積層される導体の間で、電流の流れる方向が一致しない領域がより多く形成されている。このために、対向する導体の間の相互の影響によりインダクタンス値が高められる効果が小さくなっていると考えられる。

また、比較例２においては、先に説明したように、積層される導体が対向しない部分（平面視した場合に重ならない部分）が実施例１に比べて大きくなっている。このため、対向する導体の間の相互の影響によりインダクタンス値が高められる効果が小さくなり、実施例１に比べてインダクタンス値が小さくなっている。

また、比較例３においては、比較例２の影響に加えて積層される導体のそれぞれのスパイラル形状が対向していない（平面視した場合にスパイラル形状が対応して重なっていない）影響により、インダクタンス値が比較例２に比べてさらに小さくなっている。

上記のシミュレーション結果を鑑みると、実施例１は比較例１〜比較例３のいずれよりもインダクタンス値が高く、本発明によるインダクタンス素子によって高いインダクタンス値が得られることが確認された。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

例えば、上記の実施例ではスパイラル状の導体が２層積層される場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されず、さらにスパイラル状の導体が多層に積層される構造としてもよい。

実施例１によるインダクタンス素子を模式的に示した斜視図である。図１のインダクタンス素子の平面図である。図２のインダクタンス素子の断面図である。実施例１によるインダクタンス素子のインダクタンス値の測定結果を示す図である。図１のインダクタンス素子の一部拡大図（その１）である。図１のインダクタンス素子の一部拡大図（その２）である。図１のインダクタンス素子の一部拡大図（その３）である。インダクタンス値の比較用に形成したインダクタンス素子の斜視図（その１）である。図８のインダクタンス素子の平面図である。インダクタンス値の比較用に形成したインダクタンス素子の斜視図（その２）である。図１０のインダクタンス素子の平面図である。インダクタンス値の比較用に形成したインダクタンス素子の斜視図（その３）である。図１２のインダクタンス素子の平面図である。構造の違いによるインダクタンス値の違いをシミュレーションにより比較した図である。

符号の説明

１００インダクタンス素子
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ第１の導体
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ内周端
２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｃ第２の導体
２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ内周端
２０３プラグ
２０４接続部
３０１プラグ

Claims

四角形のスパイラル状に形成された第１の導体と、
誘電層を挟んで前記第１の導体に対応する四角形のスパイラル状に形成された第２の導体と、を有し、
前記第１の導体の内周端と前記第２の導体の内周端とが、前記第１の導体および前記第２の導体が形成する四角形の角部の近傍で電気的に接続されていることを特徴とするインダクタンス素子。
平面視した場合に前記第１の導体のスパイラル形状と前記第２の導体のスパイラル形状が対応して重なるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のインダクタンス素子。
前記第１の導体と前記第２の導体を流れる電流の方向が同一となるように構成されていることを特徴とする請求項２記載のインダクタンス素子。