DE19741302A1

DE19741302A1 - Geometrie für planare Induktivitäten

Info

Publication number: DE19741302A1
Application number: DE1997141302
Authority: DE
Inventors: Paul Marczinski; Michael Dr Eichler
Original assignee: Institut fuer Halbleiterphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Halbleiterphysik GmbH
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-03-25
Also published as: WO1999016091A1

Description

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 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.

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 (Fig. 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:

Fig. 1 bekannte Induktivität als Rechteckspule,

Fig. 1a bekannte Induktivität als runde Spule,

Fig. 2 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um Windungen in bekannter Anordnung,

Fig. 3 qualitativer Verlauf des Magnetfeldes um mehrere lange schmale Windungen mit gegen sinniger Polung der Magnetfelder um Einzelwindungen,

Fig. 4 bekannte kurze breite Windung,

Fig. 4a lange schmale Windung,

Fig. 4b zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder,

Fig. 5 Ausschnitt aus der Fläche einer Induktivität entsprechend dem Erfindungsvorschlag,

Fig. 6 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form von zwei ineinandergreifenden Kämmen,

Fig. 7 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in der Form einer rechteckigen Spirale,

Fig. 8 zwei lange schmale Windungen mit gegensinniger Polung der Magnetfelder in runder Form.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Fig. 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 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.

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.

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.

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

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