JPH1140438A

JPH1140438A - 平面型磁気素子

Info

Publication number: JPH1140438A
Application number: JP9188823A
Authority: JP
Inventors: Kiyoto Yamazawa; 清人山沢; Toshiro Sato; 敏郎佐藤; Kazuo Matsuzaki; 一夫松崎; Masaharu Edo; 雅晴江戸
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】銅損を低減し、高いＱ値をもつインダクタを
得られるようにする。【解決手段】スパイラル状のコイルを磁性膜で挟んで
形成される平面型インダクタにおけるコイル導体の幅
を、これに鎖交する渡り磁束密度に応じて変えることに
より、高周波領域における銅損を低減させる。図１はそ
の具体例を示すもので、例えば（ａ）は、コイル最内周
部とコイル最外周部から数ターン（例えば第１，第２，
第１１，第１２の各ターン）のコイル導体の導体幅を狭
くし、その他の導体幅を広くするようにしたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＩＣ製造技術を
活用することにより平面型に製作される薄膜インダクタ
（平面型インダクタ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノート型パソコンや携帯電話に代
表されるマルチメディア機器を始め、各種電子機器の小
型化が盛んにすすめられている。それに伴い、その電源
部の小型化の研究も活発に行なわれており、その主要部
品であるインダクタやトランスなどの磁気素子の小型化
実現のために、これらの磁気素子をＩＣ製造技術を利用
して平面型，薄膜型に製造する試みが多くなされてい
る。

【０００３】平面型のインダクタの最も一般的な構造と
して例えば図５に示すような積層型のものが知られてい
る。この構造は、シリコン基板上に絶縁膜を形成し、そ
の上に図５（ａ）のように下部磁性膜３２，平面コイル
１，絶縁膜２（２２，２１）および上部磁性膜３１の順
に形成し、平面コイルを磁性膜で図５（ｂ）のようにい
わばサンドウィッチ状に挟み込んだものであり、積層平
面型インダクタと呼ばれる。また、磁性体がコイルより
も外側にあり、コイルが磁性体の中にあることから、外
鉄型、または内部コイル型インダクタと呼ぶこともあ
る。

【０００４】このような平面型インダクタは、使用する
周波数帯域において十分高いＱ値をもつことが必要であ
る。平面型インダクタのＱ値は、コイル抵抗をＲ、イン
ダクタンスをＬ、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）とすると、Ｑ＝ωＬ／Ｒで表わされる。インダクタのＱ値を高くするためには、
コイルの抵抗を低くし（小さくし）、インダクタンスを
大きくすることが必要である。

【０００５】平面型コイルの形状としては、つづら折れ
型，ミアンダー型，スパイラル型など様々なパターンが
用いられる。これらのコイルパターンのうち、単位面積
当たりのインダクタンス値を最も大きくできるのはスパ
イラル型であることから、同じインダクタンス値を得る
ためには、より小型化が可能であるスパイラル型が最も
適していると言える。近年、コイルの直流抵抗を低減す
るために、スパイラル型に電解メッキで銅を成膜し、３
０ミクロン（μｍ）以上の厚いコイル導体を持ったメッ
キ方式のインダクタが多く報告されている（例えば、特
開平４−３６３００６号，信学技報ＰＥ９６−１４など
参照）。

【０００６】スパイラル型の平面コイルを持った外鉄型
インダクタとして大きさ３ｍｍ角、ターン数１２、コイ
ル導体が２７μｍ厚の平面コイルを、３μｍ厚のＣｏ
（コバルト）系アモルファス磁性膜で挟み込んだ構造の
ものを例にあげると、そのインダクタンスＬ（マイクロ
ヘンリー：μＨ）および抵抗Ｒ（オーム：Ω）の周波数
特性は図６に示すようになる。ここで、コイルの直流抵
抗は０．７Ω程度であるが、周波数が高くなるにつれ
て、特に高周波領域で急激に抵抗分が増加する傾向を示
すことが分かる。インダクタにおける抵抗は、鉄損と銅
損とに分類される。鉄損は磁性膜中に発生する渦電流に
よる損失である。銅損は直流抵抗およびコイル導体を垂
直に鎖交する渡り磁束によってもたらされる損失であ
る。

【０００７】鉄損を低減する方法としては、磁性体とし
て抵抗率の高い材料を用いたり、磁性体と絶縁膜とを多
層構造にしたり、また、特開平６−７７０５５号に示さ
れるような、磁性体を分割する方法などがある。しか
し、高周波領域における抵抗の増加には、銅損の占める
割合が非常に大きいことが知られており、高いＱ値を持
つインダクタを得るためには、この銅損を低減すること
が不可欠となる。銅損を低減する方法としては、導体を
分割する方法（電気学会資料ＭＡＧ−９６−１６２）
や、導体にスリットを入れる方法（特開平５−４１３２
０号）などが提案されており、より高いＱ値を持つイン
ダクタの製作が試みられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】銅損を低減させる上述
のような従来技術には、共通して下記（１），（２）の
ような問題がある。（１）直流抵抗の増加導体を分割したり、スリットを入れたりする方法は、必
然的に導体の断面積を減少させることになり、直流抵抗
の増加につながる。例えば、３ｍｍ角，１２ターン，コ
イル幅９０μｍ，コイルとコイルの間隔幅２０μｍのイ
ンダクタの場合、導体を３分割すると、９０μｍ幅のコ
イル導体の中に、２０μｍのスリットが２本入ることに
なり、導体断面積は５／９に減少し、直流抵抗は１．８
倍となる。このような関係は、導体にスリットを入れる
方法についても同様である。

【０００９】（２）加工上の制約両者ともターン数が少ない場合や、インダクタの大きさ
がある程度大きい場合は問題ないが、同一面積中でター
ン数が増加するか、同一ターン数でコイルの大きさが小
さくなっていくと、コイル導体幅が減少するため、この
ようなインダクタを製作する際、加工上の制約から、上
記の方法を適用することが困難になってくる。したがっ
て、この発明の課題は直流抵抗を増加させることなく、
かつ、加工上の制約が少なく、高いＱ値を持つインダク
タを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、この発明では、スパイラル平面コイル，絶縁体お
よび軟磁性体を積層して構成される平面型磁気素子にお
いて、下記１）〜３）のようにしている。１）前記コイルの導体線幅を、コイル導体を鎖交する磁
束の密度に応じて段階的に変化させる。２）最外周部と最内周部から数ターンのコイルの導体線
幅を狭くし、その他のコイルの導体線幅を広くすること
で、コイル導体線幅を２段階に変化させる。３）最外周部と最内周部から数ターンのコイルの導体線
幅を狭くし、その他のコイルの導体のうち最外周部と最
内周部から数ターンのコイル導体以外のコイル導体線幅
を広くすることで、コイル導体線幅を３段階に変化させ
る。

【００１１】外鉄型コイルの場合、コイルを垂直に鎖交
する磁束は、コイル導体の場所によって分布があること
が知られている。図７は、図６に特性を示した大きさ３
ｍｍ角、ターン数１２、コイル導体厚２７μｍ、コイル
幅９０μｍ、コイル間隔幅２０μｍ、磁性体にＣｏ系ア
モルファス磁性膜（膜厚３μｍ）の平面型インダクタの
有限要素法を用いた電磁界解析の解析結果を示す。

【００１２】すなわち、図７はコイル導体を垂直に鎖交
する渡り磁束が、コイル外周部（１１，１２ターン目）
と、コイル内周部（電極パッド部：１，２ターン目）に
集中し、その他のコイル導体、特に５〜８ターン目のコ
イル導体には、渡り磁束はほとんどないことを示してい
る。この解析結果から、コイルの銅損増加には、外周部
と内周部のコイル導体が大きく寄与していることが分か
る。また、スパイラル状コイルの場合、上記渡り磁束は
図８の如き分布となることが知られている。したがっ
て、渡り磁束の多い部分のコイル導体の幅を狭くして渡
り磁束の影響を低減することにより、銅損を低減するこ
とができる、というのがこの発明の原理である。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を説
明するための説明図であり、スパイラル状コイルの断面
図を示す。ここに、数字１〜１２はコイルの中心部（最
内周部）からの巻き（ターン）番号を示している。ま
た、ここでは積層型スパイラル形状のインダクタとし
て、例えば大きさが３ｍｍ角，ターン数１２，コイルと
コイル間隔幅２０μｍ，コイル中央部電極パッドの大き
さ２００×２００μｍ，コイル導体厚２７μｍのコイル
を用い、有限要素法を用いた電磁界解析を行なった結果
を示す。解析に用いたパラメータを下記表１に示す。

【００１４】〔表１〕導体の材質Ｃｕコイルの形状スパイラルコイルのサイズ：Ｗ〔ｍｍ〕３．０コイルの巻数：ｎ１２導体厚ｔ_c〔μｍ〕２７導体の抵抗率ρ_c〔μΩｃｍ〕１．７２４磁性膜の材質Ｃｏ−Ｈｆ−Ｔａ−Ｐｄ磁性膜の厚さｔ_m ３磁性膜の比透磁率（上部）μ_s1 １５００磁性膜の比透磁率（下部）μ_s2 １０００磁性膜の抵抗率ρ_m〔μΩｃｍ〕１００シリコンのサイズＷ_s〔ｍｍ〕５．０シリコンの厚さｔ_s〔μｍ〕５４０シリコンの抵抗率ρ_s〔μΩｃｍ〕５．０×１０⁶ 強制電流Ｉ〔Ａ〕１．２１５ダイボンディング無

【００１５】上記のような平面インダクタの場合、すべ
てのコイル導体で導体幅が一定であるとすると、そのコ
イル導体幅は９０μｍとなる。このときのコイル断面図
を図１（ｄ）に示し、その解析結果を＃ａとする。〔実施例１〕図１（ａ）に示すように、ここでは、最外
周部と最内周部から数ターンのコイルの導体線幅を狭く
し、その他のコイルの導体線幅を広くすることで、コイ
ル導体線幅を２段階に変化させる。

【００１６】具体的には、コイルの１，２，１１，１２
ターン目のコイル線幅を４０μｍ、その他のコイル線幅
を１１５μｍとしたり（このときのインダクタ特性を＃
ｂとする）、または、コイルの１，２，１１，１２ター
ン目のコイル線幅を５０μｍ、その他のコイル線幅を１
１０μｍとすることができる（このときのインダクタ特
性を＃ｃとする）。図２に抵抗の＃ａに対する相対値
を、図３にＱ値の＃ａに対する相対値をそれぞれ示す。
図２からは、＃ｂ，＃ｃともに１ＭＨｚ以上で抵抗が＃
ａよりも減少し、図３からは１．５ＭＨｚ以上でＱ値が
ともに＃ａよりも大きくなることが分かる。

【００１７】〔実施例２〕図１（ｂ）に示すように、こ
こでは、最外周部と最内周部から数ターンのコイルの導
体線幅を狭くし、その他のコイルの導体のうち最外周部
と最内周部から数ターンのコイル導体以外のコイル導体
線幅を広くすることで、コイル導体線幅を３段階に変化
させる。具体的には、コイルの１，２，１１，１２ター
ン目のコイル線幅を４０μｍ、５，６，７，８ターン目
のコイル線幅を１４０μｍ、その他のコイル線幅を９０
μｍにしたり（インダクタ特性を＃ｄとする）、コイル
の１，２，１１，１２ターン目のコイル線幅を４５μ
ｍ、５，６，７，８ターン目のコイル線幅を１３５μ
ｍ、その他のコイル線幅を９０μｍにしたり（インダク
タの特性を＃ｅとする）、コイルの１，２，１１，１２
ターン目のコイル線幅を５０μｍ、５，６，７，８ター
ン目のコイル線幅を１３０μｍ、その他のコイル線幅を
９０μｍにしたりできる（インダクタ特性を＃ｆとす
る）。図２，図３を参照すれば明らかなように、実施例
１の場合と同じく、＃ａの場合に比べて、＃ｄ，＃ｅ，
＃ｆのいずれの場合も１ＭＨｚ以上で抵抗が＃ａよりも
減少し、Ｑ値も１．５ＭＨｚ以上で＃ａよりも大きくな
ることが分かる。

【００１８】〔実施例３〕図１（ｃ）のように、ここで
はコイルの導体線幅を、コイル導体を鎖交する磁束の密
度に応じて段階的に変化させる。このようにする根拠に
ついて、以下に説明する。ところで、外鉄型の薄膜イン
ダクタの場合、磁性膜中の垂直方向の磁束密度は図８に
示すような分布となるのは、上述した通りである。すな
わち、コイルを垂直に通過する磁束（渡り磁束）は、各
ターンごとに異なるが、図４に示すようなコイル導体１
１を流れる電流（強制電流）が１Ａ（アンペア）のと
き、或るターンについての渡り磁束の強さをＢｙとする
と、単位長さ当たりの等価抵抗Ｒｃ（ｆ）は、次の
（１）式のように表わされる。Ｒｃ（ｆ）＝ρ／ｄｔ_c＋ω²Ｂｙ²ｔ_cｄ／２ρ …（１）ただし、ｔ_cはコイルの厚さ、ρはコイル導体材料の抵
抗率、ｄはコイル導体幅、ｆは周波数、ω＝２πｆであ
る。

【００１９】上記（１）式を微分すると、抵抗の変化率
は、 ∂Ｒｃ／∂ｄ＝（ρ／ｄ²ｔ_c）＋（ω²Ｂｙ²ｔ_cｄ²／４ρ）…（２）となる。したがって、抵抗が最小値をとるのは上記
（２）式の右辺＝０なる関係から、 ρ／ｄ²ｔ_c＋ω²Ｂｙ²ｔ_cｄ²／４ρ＝０ …（３）となり、ｄ²＝２ρ／ωＢｙｔ_cより、ｄ＝√（２ρ／ωＢｙｔ_c）＝√（ρ／πｆＢｙｔ_c） …（４）となる。

【００２０】以上のことから、単位長さ当たりの銅損を
最小にする最適コイル導体幅ｄは、使用する周波数ｆと
渡り磁束の強さをＢｙに依存することが分かる。つま
り、周波数が決定されれば、Ｂｙのみに依存するという
ことである。これを各ターンについて行なうことで、各
ターン当たりのコイル導体幅を最適化し、各ターン当た
りの銅損を最小にすることで、渡り磁束によるコイルの
銅損の増加を最小に抑えることができる。なお、上記で
は、大きさが３ｍｍ角，ターン数１２，コイルとコイル
間隔幅２０μｍ，コイル中央部電極パッドの大きさ２０
０×２００μｍ，コイル導体厚２７μｍのコイルを例と
して用いたが、ターン数，コイルの大きさ，電極パッド
の大きさ，コイル導体厚などが変化しても上記と同様の
関係が成立するのは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、コイルを垂直に鎖交
する渡り磁束の分布に応じて、コイル導体幅を変化させ
るようにしたので、高周波領域におけるコイルの抵抗
（銅損）を低減させることができ、Ｑ値の高いインダク
タを得ることができる利点が得られる。また、この発明
はインダクタだけでなく、トランスなどの他の磁気素子
を平面型，薄膜で形成するときにも適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を説明する説明図であ
る。

【図２】この発明による抵抗の電磁界解析結果の説明図
である。

【図３】この発明によるＱ値の電磁界解析結果の説明図
である。

【図４】この発明の実施例での計算に用いるコイルを示
す模式図である。

【図５】積層平面型インダクタの一般的な例を示す構造
図である。

【図６】積層平面型コイルの抵抗，インダクタンスの周
波数特性説明図である。

【図７】積層平面型コイルにおける渡り磁束の電磁界解
析結果の説明図である。

【図８】積層平面型インダクタの渡り磁束分布図であ
る。

【符号の説明】

１…平面コイル、１１…コイル導体、２（２１，２２）
…絶縁膜、３１，３２…磁性膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江戸雅晴神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパイラル平面コイル，絶縁体および軟
磁性体を積層して構成される平面型磁気素子において、前記コイルの導体線幅を、コイル導体を鎖交する磁束の
密度に応じて段階的に変化させることを特徴とする平面
型磁気素子。
【請求項２】スパイラル平面コイル，絶縁体および軟
磁性体を積層して構成される平面型磁気素子において、最外周部と最内周部から数ターンのコイルの導体線幅を
狭くし、その他のコイルの導体線幅を広くすることで、
コイル導体線幅を２段階に変化させることを特徴とする
平面型磁気素子。
【請求項３】スパイラル平面コイル，絶縁体および軟
磁性体を積層して構成される平面型磁気素子において、最外周部と最内周部から数ターンのコイルの導体線幅を
狭くし、その他のコイルの導体のうち最外周部と最内周
部から数ターンのコイル導体以外のコイル導体線幅を広
くすることで、コイル導体線幅を３段階に変化させるこ
とを特徴とする平面型磁気素子。