JPH06124843A

JPH06124843A - 高周波用薄膜トランス

Info

Publication number: JPH06124843A
Application number: JP4274715A
Authority: JP
Inventors: Masato Mino; 正人三野; Toshiaki Yanai; 利明谷内
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-10-14
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1994-05-06

Abstract

(57)【要約】【目的】高周波用薄膜トランスにおいて、小形化・高
性能化するために、インダクタンスの減少ならびに高周
波における導体抵抗の急増を抑え、かつ、１次側・２次
側導体間の結合を向上させる。【構成】上下磁性層８，１４をスルーホール部１５で
連続させて、１次側・２次側導体１０，１２が長手方向
の上下左右において閉磁路構造を持つ磁性体に包まれる
構造を持たせる。この閉磁路構造により、インダクタン
ス低下の原因である磁性層８，１４中での反磁界を著し
く減少させ、隣接導体間隔を極端に小さくして、薄膜ト
ランスの小形化を可能にする。同時に、漏れ磁束を減少
させ、漏れ磁束と導体１０，１２の錯交で発生する渦電
流による高周波での導体抵抗急増を抑え、高いＱ値の実
現を可能にする。さらに、閉磁路構造の磁性体中に１次
側・２次側導体８，１４を設置することで、高い結合係
数を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンバータやスイッチ
ング電源等に好適で、小形に構成された高周波特性に優
れるインダクタ・トランスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器構成部品の小形化・軽量
化の要請は厳しく、高品質な電力が得られるスイッチン
グ電源等においても小形化は必須の課題であり、スイッ
チング周波数の高周波化により、トランス、コンデンサ
等の部品を小さくすることで小形化が進められてきた。
半導体部品やコンデンサ部品では、ＬＳＩや積層セラミ
ックコンデンサに代表されるように、早くから薄膜技術
が用いられ、構成部品小形化の要請に十分応えてきた。
一方、トランスはこれまでに最も小形化しにくく、また
高周波化に伴う損失増加を抑えることが難しいため、電
源の小形化を妨げる第一の原因であった。このため、現
在、高周波スイッチング電源の体積は、トランスによっ
て決定されると言っても過言ではない。そこで近年、高
周波化に対応すべく薄膜形成技術を用いた薄膜トランス
の研究が進められ、スイッチング周波数をＭＨｚ帯域ま
で高めた小形電源の開発が強く望まれるようになった。
（例えば、Ｔ．ＹＡＣＨＩ，Ｍ．ＭＩＮＯ，Ａ．ＴＡＧ
Ｏ，ａｎｄＫ．ＹＡＮＡＧＩＳＡＷＡ，ＰＥＳＣ’９
１ＲＥＣＯＲＤＳ，ｐｐ．２０−２６，１９９１や、
山口，大沼，今川，鳥生，電気学会研究会資料，ＭＡＧ
−９１−６２，１９９１．）図８に従来の薄膜形成技術
で作製されたつづら折れ形薄膜トランスの平面図（ａ）
およびその平面図のＸ−Ｘ′断面構造模式図（ｂ）を示
す。図中、１は基板、２は下部磁性層、３は１次側導
体、４は２次側導体、５は上部磁性層であり、各層とも
絶縁層を介して成膜されており、互いに絶縁されてい
る。従来、この種の薄膜トランスの作製は、以下のよう
に行われていた。すなわち、表面が絶縁性である基板１
上に、パーマロイ，ＣｏＺｒＲｅ，ＣｏＺｒＮｂ，Ｃｏ
ＦｅＳｉＢ等の磁性層をスパッタ法等の薄膜形成手法で
成膜し、これをパターニングして平板状の下部磁性層２
を形成し、この上に絶縁層をフォトレジスト，Ｓｉ
Ｏ₂，ＳｉＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ポリイミド樹脂等で形成し、
これを平坦化したのちＣｕ，Ａｇ，Ａｌ等の導体層を電
子ビーム蒸着法やスパッタ法等で形成し、パターニング
してつづら折れ形状の１次側導体３とする。さらにこの
上にふたたび絶縁層を形成し平坦化を行う。そして、１
次側導体３の外部接続用端子部分にイオンビームエッチ
ング法等によりスルーホールを形成し、端子部の窓開け
を行う。さらに、導体層を電子ビーム蒸着法やスパッタ
法等で形成し、上記スルーホール部を充填するととも
に、パターニングしてつづら折れ形状の２次側導体４と
する。そして、この上に絶縁層を形成し、平坦化したの
ち、磁性層を形成し、パターニングで平板状の上部磁性
層５を作製する。最後に１次側、２次側導体層の外部端
子部分にイオンビームエッチング法等により窓開けを行
い完成する。こうして作製された薄膜トランスでは、１
次側導体３と２次側導体４との結合は、上下磁性層２，
５間の漏れ磁束によって結合する構造となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図９は、上記の従来例
のつづら折れ形薄膜トランスの磁界分布を示す断面図で
あり、１次側導体３に電流を流した時に発生する磁束分
布を矢印で示したものである。なお、図中の

【０００４】

【数１】

【０００５】は、前者が紙面の鉛直方向に紙面の裏側か
ら表側に流れる電流の向きを表わし、後者がその逆の向
きを表わしている。このような薄膜トランスにおいて
は、図中に示すように、隣合う導体には互いに反平行な
電流が流れるため、導体３，４からの磁界によって、磁
性層２，５中は、互いに反平行な磁界が発生する領域に
分割され、そのため、反磁界によるインダクタンス低下
が現出する。したがって、導体間隔が大きい場合には問
題は比較的小さいが、小形化するために隣接導体の間隔
を狭めていくと、インダクタンスは著しく低下し、小形
のつづら折れ形薄膜トランスを開発する上で極めて大き
な問題となっていた。また、上下の磁性層２，５間を漏
れる磁束が導体３，４と錯交することにより、導体３，
４中に渦電流が発生し、高周波における導体抵抗の急増
をまねき、性能特性値Ｑ値（ωＬ／Ｒ）を減少させる要
因となっていた。さらに、ギャップの大きい上下磁性層
２，５間を流れる磁束により、１次側導体３と２次側導
体４が結合するため、トランスとしての結合が小さい欠
点を持っている。そのため、小形薄膜トランスにはつづ
ら折れ構造は適さず、研究開発は小形化効果の大きい螺
旋構造薄膜トランスやスパイラルコイル形薄膜トランス
を中心として進められているのが、現状である。（例え
ば、Ｔ．ＹＡＣＨＩ，Ｍ．ＭＩＮＯ，ａｎｄＫ．ＹＡ
ＮＡＧＩＳＡＷＡ，ＰＥＳＣ’９１ＲＥＣＯＲＤＳ，
ｐｐ．２０−２６，１９９１．や、山口，大沼，今川，
鳥生，電気学会研究会資料，ＭＡＧ−９１−６２，１９
９１．）。

【０００６】本発明は、上記問題点を克服し、薄膜トラ
ンスを小形化・高性能化するために、インダクタンスの
減少ならびに高周波における導体抵抗の急増を抑え、か
つ、１次側・２次側導体間の結合を向上でき、特につづ
ら折れ形薄膜トランスに好適な新規の構造を提案するこ
とを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高周波用薄膜トランスにおいては、トラン
スを構成する磁性体すなわち磁性層の形状に凹凸を付
け、上下の磁性層により導体長手方向の上下左右を取り
囲み、導体が閉磁路構造を持つ磁性体に包まれる構造を
持たせることを特徴とするとともに、さらに、上記の構
成において、１次側・２次側導体間の結合を高めるため
に、１次側導体あるいは２次側導体が、２次側導体ある
いは１次側導体の長手方向の上下左右を取り囲む矩形の
同軸断面構造を持つことを特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明の高周波用薄膜トランスにおいては、構
成する磁性層の形状に凹凸を付け、上下の磁性層により
導体長手方向の上下左右を取り囲み、導体が閉磁路構造
を持つ磁性体に包まれている構造を持たせる。これによ
り、これまでインダクタンス低下の原因となっていた磁
性層中での反磁界を、閉磁路構造とすることで著しく減
少させ、隣接導体間隔を極端に小さくして、つづら折れ
形薄膜トランスの小形化を可能にする。同時に、磁性体
を閉磁路構造とすることで、漏れ磁束を減少させ、漏れ
磁束と導体が錯交することにより発生した渦電流による
高周波での導体抵抗急増を抑えて、高いＱ値を持つトラ
ンスを提供可能とする。一方、開磁路構造を持つ上下の
磁性層間の漏れ磁束によりトランスの１次側・２次側導
体間を結合させていた従来の薄膜トランスに比べて、閉
磁路構造の磁性体中に１次側・２次側導体を設置する構
造とすることで、薄膜トランスの結合係数を向上させ
る。さらに、導体の構造を矩形の同軸断面形状とするこ
とにより、１次側・２次側間の結合をより一層向上させ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図面を参照して
詳細に説明する。

【００１０】〔実施例１〕図１は本発明の第１の実施例
を示す薄膜トランスの平面図（ａ）およびその平面図の
Ｙ−Ｙ′断面構造模式図（ｂ）である。図中、６は基
板、７は絶縁層、８は下部磁性層、９は絶縁層、１０は
１次側導体、１１は絶縁層、１２は２次側導体、１３は
絶縁層、１４は上部磁性層、１５は磁性層のスルーホー
ル部、１６，１７は１次側外部接続用端子、１８，１９
は２次側外部接続用端子である。

【００１１】引き続き本実施例の作製方法について詳細
に述べる。初めに基板６上にスパッタ法等によりＳｉＯ
₂等の絶縁層７を形成する。その上にパーマロイ，Ｃｏ
ＺｒＲｅ，ＣｏＦｅＳｉＢ等の磁性膜をスパッタ法等で
堆積し、イオンビームエッチング法等でパターニングし
て下部磁性層８を作製する。その後、上記と同様にＳｉ
Ｏ₂等を堆積し、平坦化処理を行い絶縁層９を作製す
る。引き続いて絶縁層９上にＣｕ等の導体層を電子ビー
ム蒸着法等で成膜し、この導体層をイオンビームエッチ
ング法等でパターニングしてつづら折れ形状の１次側導
体１０を形成する。この時、１次側外部接続用端子１
６，１７を同時に作製する。その後、上記と同様にＳｉ
Ｏ₂等を堆積し、平坦化処理を行い絶縁層１１とする。
この時、１次側導体１０の外部接続用端子１６，１７部
分に絶縁層１１を貫通するスルーホールをイオンビーム
エッチング法等により作製する。その後、絶縁層１１上
にＣｕ等の導体層を電子ビーム蒸着法等で成膜し、前記
スルーホールを充填するとともに、この導体層をイオン
ビームエッチング法等でパターンニングしてつづら折れ
形状の２次側導体１２を形成する。この時、２次側導体
の外部接続用端子１８，１９を同時に作製する。さら
に、上記と同様にＳｉＯ₂等を堆積し、平坦化処理を行
い絶縁層１３とする。そして、上下の磁性層を接続する
ために、導体１２の隣接する空隙部分ならび導体外周部
に絶縁層９，１１，１３を貫通するスルーホール部１５
をイオンビームエッチング等により形成する。図２に上
記スルーホール部１５のパターン図を示す。さらに、磁
性膜をスパッタリング法等により成膜し、上記スルーホ
ール部１５中に磁性層を形成するとともに、磁性層をパ
ターンニングして上部磁性層１４とする。最後に、つづ
ら折れ形状の導体１０，１２の端子１６〜１９部分に絶
縁層１３を貫通するスルーホールを開けて外部端子と
し、本発明の薄膜トランスを得る。

【００１２】以上のように構成した実施例の作用を図８
の従来例と比較して述べる。本実施例では、スルーホー
ル部１５によって１次側・２次側導体の長手方向の上下
左右を囲うように、上下磁性層８，１４が連続し、閉磁
路構造が形成される。図３は薄膜トランスを構成する磁
性層の磁性膜透磁率、導体幅、導体厚さ、磁性膜厚さを
一定とし、左右に隣接する１次側あるいは２次側の導体
間隔を変化させたときのインダクタンス値と導体間隔の
関係を計算により求めた図で、本実施例と従来例の場合
を併せて示している。

【００１３】インダクタンスの計算は、各導体を周回す
る磁路を仮定し、その磁気抵抗Ｒを求め、その和の逆数
から求めている。なお、磁気抵抗Ｒは以下の式で表せ
る。

【００１４】

【数２】

【００１５】ただし、ιは磁性体の長さ、μ₀は真空の
透磁率、

【００１６】

【数３】

【００１７】は磁性体の比透磁率、Ａは磁性体の断面積
である。さらに、計算では１次側導体のみとし、２次側
導体の影響は無視した。

【００１８】まず、従来構造のつづら折れ形薄膜トラン
スで、図１０（ａ）のように磁路を仮定し、磁気抵抗Ｒ
₁〜Ｒ₄を求める。

【００１９】

【数４】

【００２０】となり、導体１０１は２Ｎ本あるため、求
めるインダクタンスＬは、

【００２１】

【数５】

【００２２】であらわせる。ただし、Ｎは導体１０１の
つづら折れターン数、ａは正方形のつづら折れ形薄膜ト
ランスの一辺の長さ、ｔ_mは磁性層１０２の磁性膜の厚
さ、ｇは絶縁層１００を介した上下磁性層１０２のギャ
ップ、μ₀は真空の透磁率、

【００２３】

【数６】

【００２４】は磁性層１０２の比透磁率である。

【００２５】また、本発明構造の場合では、図１０
（ｂ）のように磁路を仮定し、磁性層１０２を被った長
さ２ａＮの導体１０１と近似して計算する。

【００２６】

【数７】

【００２７】となり、

【００２８】

【数８】

【００２９】ただし、Ｎは導体１０１のつづら折れター
ン数、ａは正方形のつづら折れ形薄膜トランスの一辺の
長さ、ｔは磁性層１０２の被り厚さ、ｇ′は導体１０１
と絶縁層１００の厚さの和、μ₀は真空の透磁率、

【００３０】

【数９】

【００３１】は磁性層１０２の比透磁率、ｄは導体１０
１を囲む絶縁層１００の幅である。

【００３２】上記の式により求めた図３の導体間隔〔ｍ
ｍ〕とインダクタンス〔Ｈ〕との関係を示すグラフにお
いて、実線は本発明技術によるインダクタンスの計算値
を示し、●印は実測値を示している。一方、破線は、従
来技術によるインダクタンスの計算値を示している。従
来技術では、隣合う導体には互いに反平行な電流が流
れ、そのため、導体からの磁界によって、磁性層中は互
いに反平行な磁界が発生する領域に分割されるため、イ
ンダクタンスは導体間隔が狭くなるにつれ著しく減少す
る。一方、本実施例では、従来技術に見られる磁性層中
の反磁界に起因するインダクタンスの低下は見られず、
逆に、導体間隔が２０μｍ程度までインダクタンスは増
加する。実測データが計算値よりもやや大きな値を示し
ているのは、計算では空心のインダクタンスを考慮して
いないためである。

【００３３】また、１次側・２次側間の結合係数を比較
した結果、従来技術では０．１〜０．２程度であった
が、本実施例では０．９０〜０．９６という極めて高い
値が得られた。

【００３４】以上のように、測定したすべての範囲で従
来技術に比べ本技術が優れており、従来技術では困難で
あった導体間隔を狭くした狭ピッチ化による小形化が可
能である。また同時に、上下磁性層間の漏れ磁束が著し
く減少するため、漏れ磁束に起因した導体抵抗の急増も
少なく、結合係数が著しく向上する。

【００３５】〔実施例２〕以下、本発明の第２の実施例
を、図面を参照して詳細に説明する。図４はその構成を
示す薄膜トランスの平面図（ａ）およびその平面図のＺ
−Ｚ′断面構造模式図（ｂ）である。図中、２０は基
板、２１は絶縁層、２２は下部磁性層、２３は絶縁層、
２４は１次側導体、２５は２次側導体、２６は絶縁層、
２７は上部磁性膜、２８は磁性層のスルーホール部、５
０，５１は１次側外部接続用端子、５２，５３は２次側
外部接続用端子である。第１の実施例と同様に上下磁性
層を接続するためのスルーホール部２８のパターン図を
図５に示す。第１の実施例との差異は、１次側導体と２
次側導体の配置を上下配置から水平配置に変え、導体形
成工程を簡略化したことであり、上下磁性層２２，２７
をスルーホール部２８により連続させて、１次側・２次
側導体２４，２５の長手方向の上下左右を囲う閉磁路構
造とする点は共通である。

【００３６】以上のように構成した実施例では、第１の
実施例に比べ若干インダクタンス値は減少するものの、
トランスの結合係数は第１の実施例と同じく０．９０〜
０．９６の値が得られる。このように、１次側・２次側
導体を水平配置し、工程を簡略しても本発明の効果が得
られ、従来技術では困難であった導体間隔を狭した狭ピ
ッチ化による小形化が可能である。また同時に、上下磁
性層２２，２７間の漏れ磁束が著しく減少するため、漏
れ磁束に起因した導体抵抗の急増も少なく、結合係数が
著しく向上する。

【００３７】〔実施例３〕以下、本発明の第３の実施例
を、図面を参照して詳細に説明する。図６はその構成を
示すつづら折れ薄膜トランスの平面図（ａ）およびその
平面図のα−α′断面模式図（ｂ）である。本実施例
は、第１の実施例と同じ磁性体構造を持つことは共通で
あり、１次側、２次側導体の構造を矩形の同軸断面形状
としていることを特徴としている。図中、３０は基板、
３１は絶縁層、３２は下部磁性層、３３は絶縁層、３４
は１次側導体、３５は２次側導体、３６は絶縁層、３７
は上部磁性層、３８は磁性層スルーホール部、３９，４
２は１次側外部接続用端子、４０，４１は２次側外部接
続用端子である。

【００３８】引き続き本実施例の作製方法について詳細
に述べる。初めに基板３０上にスパッタ法等によりＳｉ
Ｏ₂等の絶縁層３１を形成する。その上にパーマロイ、
ＣｏＺｒＲｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ等の磁性膜をスパッタリ
ング法等で堆積し、イオンビームエッチング法等でパタ
ーンニングして下部磁性層３２を作製する。その後、上
記と同様にＳｉＯ₂等を堆積し、平坦化処理を行い絶縁
層３３を作製する。引き続いて絶縁層３３上にＣｕ等の
導体層を電子ビーム蒸着法等で成膜し、この導体層をイ
オンビームエッチング法等でパターンニングしてつづら
折れ形状の２次側導体３５の矩形下辺部ならびに２次側
外部接続用端子３９，４２を形成する。その後、上記と
同様にＳｉＯ₂等を堆積し、平坦化処理を行い絶縁層３
６とする。次に絶縁層３６において２次側導体３５の、
矩形側壁部を形成する領域と１次側導体部分にイオンビ
ームエッチング法等によりスルーホールを形成する。そ
して、Ｃｕ等の導体層を電子ビーム蒸着法等で成膜した
のち、イオンビームエッチング法等によりパターンニン
グを行い、２次側導体３５の矩形側壁部、１次側導体３
４ならびに１次側外部接続用端子４０、４１を形成す
る。その上に上記と同様に絶縁層を形成し平坦化を行っ
たのち、パターンニングを行い、１次側導体３４上部に
絶縁層を作製したのち、２次側導体３５の矩形側壁部に
イオンビームエッチング法等によりスルーホールを作製
する。その後、Ｃｕ等の導体層を電子ビーム蒸着法等で
成膜したのち、イオンビームエッチング法等によりパタ
ーンニングを行い、２次側導体３５の矩形上辺部を作製
する。そして、隣接する同軸導体の空隙部分ならびに導
体外周部に図７に示すようなスルーホール部３８をイオ
ンビームエッチング法等により形成する。そして、上記
スルーホール部３８中に磁性層を形成するとともに、こ
の磁性層をパターンニングして上部磁性層３７とする。
最後に接続用端子３９〜４２部分に絶縁膜を貫通するス
ルーホールを開けて外部端子とし、本発明薄膜トランス
を得る。

【００３９】こうして作製した実施例のつづら折れ形薄
膜トランスでは、インダクタンスの値は実施例１とほぼ
同じ値を持ち、従来例と比べて大幅に向上している。一
方、結合係数は、導体構造が同軸断面形状を持つため、
結合係数はさらに向上し、０．９７〜０．９９の値が得
られた。

【００４０】なお、以上の３つの実施例では、つづら折
れ回数Ｎ回の薄膜トランスとして１次側・２次側導体を
設けているが、１次側導体と２次側導体とを外部端子部
分で直列接続し、つづら折れ回数２Ｎの薄膜インダクタ
として使用することも可能である。また、導体構造の同
軸断面形状化による結合係数の向上は、つづら折れ構造
薄膜トランスのみらず、スパイラル構造薄膜トランスに
おいても同等の効果を与えることは言うまでもない。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
高周波用薄膜トランスによれば、従来構造の場合に顕著
に現れた導体間隔の狭間隔化に伴うインダクタンスの減
少は見られず、むしろ狭間隔化によりインダクタンスは
向上する特性を持つ。さらに、本発明構造により、１次
側・２次側導体間の結合係数が大幅に向上し、トランス
としての特性が著しく向上する。従って、本発明構造に
より、狭間隔化・高結合係数化が達成され、小形・高性
能化を同時に確保した薄膜トランスを提供することが可
能となる。なお、請求項２の発明によれば、特に、上記
結合係数をより一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明実施例１の平面図、（ｂ）はそ
の平面図のＹ−Ｙ′断面構造模式図

【図２】本発明実施例１の磁性層のスルーホール部のパ
ターン図

【図３】導体間隔とインダクタンスの関係を示す計算値
ならびに実測値（本発明薄膜トランスと従来技術による
薄膜トランス）を表わすグラフ

【図４】（ａ）は本発明実施例２の平面図、（ｂ）はそ
の平面図のＺ−Ｚ′断面構造模式図

【図５】本発明実施例２の磁性層のスルーホール部のパ
ターン図

【図６】（ａ）は本発明実施例３の平面図、（ｂ）はそ
の平面図のα−α′断面構造模式図

【図７】本発明実施例３の磁性層のスルーホール部のパ
ターン図

【図８】（ａ）は従来技術によるつづら折れ形薄膜トラ
ンスの平面図、（ｂ）はその平面図のＸ−Ｘ′断面構造
模式図

【図９】従来技術によるつづら折れ形薄膜トランスの磁
界分布を示す断面模式図

【図１０】（ａ），（ｂ）は計算に使用した磁路構造モ
デル図

【符号の説明】

６…基板７，９，１１，１３…絶縁層８…下部磁性層１０…１次側導体１２…２次側導体１４…上部磁性層１５…磁性層のスルーホール部１６，１７…１次側外部接続用端子１８，１９…２次側外部接続用端子２０…基板２１，２３，２６…絶縁層２２…下部磁性層２４…１次側導体２５…２次側導体２７…上部磁性層２８…磁性層のスルーホール部５０，５１…１次側外部接続用端子５２，５３…２次側外部接続用端子３０…基板３１，３３，３６…絶縁層３２…下部磁性層３４…１次側導体３５…２次側導体３７…上部磁性層３８…磁性層のスルーホール部３９，４２…１次側外部接続用端子４０，４１…２次側外部接続用端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２本以上の互いに平行に配置
された構造を持つ１次側および２次側導体の上下に磁性
層が配置されて構成される薄膜トランスにおいて、前記
磁性層が前記１次側および２次側導体の長手方向の上下
左右を取り囲む断面構造を持つことを特徴とする高周波
用薄膜トランス。
【請求項２】請求項１記載の高周波用薄膜トランスに
おいて、１次側導体あるいは２次側導体が、前記２次側
導体あるいは１次側導体の長手方向の上下左右を取り囲
む断面構造を持つことを特徴とする高周波用薄膜トラン
ス。