(57)【要約】【課題】電気信号を送信する１次側コイル２と電気信号を受信する２次側コイル３とを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなる磁気結合素子１において、十分な性能を確保したうえで、比較的簡単かつ安価に製造できる構造とする。【解決手段】多数枚の絶縁性の基板５〜９を積層した構成とされ、各コイル２，３が、各基板５〜９のうちの適宜の基板に形成される導電性の配線で形成されている。要するに、一般的な配線基板を積層した単純な構成として、従来例のような半導体プロセスを使用しないようにしている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を送信する１次側コイルと電気信号を受信する２次側コイルとを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなる磁気結合素子であって、
多数枚の絶縁性の基板を積層した構成とされ、前記各コイルが、前記各基板のうちの適宜の基板に形成される導電性の配線で形成されていることを特徴とする磁気結合素子。
【請求項２】
前記１次側コイルと２次側コイルとは、各基板の積層方向に対向配置する状態とされていることを特徴とする請求項１に記載の磁気結合素子。
【請求項３】
前記１次側コイルと２次側コイルとは、各基板の積層方向と直交する方向で対向する状態とされていて、各コイルの中心に環状導線を通したトランス型構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の磁気結合素子。
【請求項４】
前記１次側コイルと２次側コイルとは、２ｋＶ以上の絶縁耐圧が確保されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気結合素子。
【請求項５】
前記１次側コイルおよび２次側コイルを形成する配線は、銅とされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁気結合素子。
【請求項６】
電気信号を送信する１次側コイルと電気信号を受信する２次側コイルとを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなる磁気結合素子と、
磁気結合素子の１次側コイルに信号を与える送信側ＩＣチップと、
磁気結合素子の２次側コイルに発生する信号を受ける受信側ＩＣチップとを有し、
前記磁気結合素子が、請求項１から５のいずれかに記載の構成とされていることを特徴とする送受信装置。
【請求項７】
前記送信側ＩＣチップと受信側ＩＣチップとの少なくともいずれか一方が、前記磁気結合素子上に実装されていることを特徴とする請求項６に記載の送受信装置。
【請求項８】
前記磁気結合素子におけるＩＣチップの実装領域に、磁気遮蔽膜が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の送受信装置。
【請求項９】
前記磁気結合素子の上面において１次側コイルから発生する磁力線を避ける領域に、ＩＣチップが実装されていることを特徴とする請求項７に記載の送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つのコイルを磁気結合して電気信号を送受信可能とする磁気結合素子、この磁気結合素子を用いた送受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電気信号を送受信するデバイスとして、フォトカプラが知られている。
【０００３】
フォトカプラとは、発光素子（例えばＬＥＤ）と受光素子（例えばフォトダイオード）とを用い、送信用ＩＣチップから出力された電気信号を発光素子で光信号に変換し、変換された光信号を受光素子で受光して電気信号へと変換し、受信用ＩＣチップにて電気出力されるデバイスである。
【０００４】
このフォトカプラは、電気信号を一旦光信号へと変換して伝送するため、電気信号を送信する１次側と、電気信号を受信する２次側とを電気的に絶縁した状態で光結合可能とする必要があり、電気的に高い絶縁耐圧を確保する必要がある。
【０００５】
近年、フォトカプラのように光を利用する方法以外に、磁気を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この提案技術には、磁気を利用する方法は、フォトカプラに対し高速動作が可能で、且つ小さな電流で駆動できるという高効率な伝送が可能であり、また、小型化にも適しているという優位性が記載されているものの、具体的な構造や構成は言及されていない。
【０００７】
これに対し、近年では、磁気を利用する方法として磁気結合素子を用いたデバイスが提案されている。その一例を挙げると、電気信号を送信する送信側ＩＣチップと、電気信号を受信する受信側ＩＣチップ上に磁気結合素子（コイル）を形成したチップとを備えた構造である。
【０００８】
つまり、フォトカプラの場合、送信用ＩＣチップ、発光素子、受光素子、受信用ＩＣチップの４チップが必要であったが、磁気結合素子を用いるデバイスの場合には上述したように２チップでフォトカプラと同一機能を達成することができる。このように磁気結合素子を用いるデバイスでは、小型化、低コスト化という点においてメリットがあるものの、次のような点で改善の余地がある。
【０００９】
すなわち、受信側ＩＣチップ上に磁気結合素子（コイル）を形成するには、それほど微細な加工を必要としないにもかかわらず、高価な露光装置やエッチング装置を使用する半導体プロセスを利用しているために、製造コストが高くなっている。
【００１０】
また、磁気結合素子を構成する１次側コイルと２次側コイルとの絶縁耐圧を確保するには、両コイル間の層間膜を厚膜化する必要があるが、半導体プロセスではせいぜい５μｍ程度にしかできず、それ以上の厚膜化には限界があり、一定量以上の絶縁耐圧を確保することは難しい。
【００１１】
また、コイルのＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）値を高くするためには、コイルの配線膜厚を厚くすることが有効であるが、半導体プロセスでは、せいぜい２μｍ程度にしかできず、それ以上の厚膜化には限界があり、Ｑ値を向上することは難しい。
【００１２】
また、コイルの配線材料としては、配線抵抗成分が小さいＣｕが好ましいのであるが、このＣｕは半導体プロセスにおいては工程汚染元素、つまり半導体デバイスのライフタイムキラー（不純物）となるため、半導体プロセスでは使用しにくい。
【特許文献１】特表２００１−５１３２７６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この発明は、十分な性能を確保した磁気結合素子を比較的簡単かつ安価に製造できる構造とすることを目的としている。また、この発明は、小型化および低コスト化が可能な送受信装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係る磁気結合素子は、電気信号を送信する１次側コイルと電気信号を受信する２次側コイルとを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなるものであって、多数枚の絶縁性の基板を積層した構成とされ、前記各コイルが、前記各基板のうちの適宜の基板に形成される導電性の配線で形成されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成では、磁気結合素子を、コイルとなる配線を形成した基板を多数積層した構成にしているから、半導体プロセスを用いる従来例に比べて簡単な設備でかつ簡単な作業で磁気結合素子を製造することができる。
【００１６】
しかも、半導体プロセスでは限界であった１次側コイルと２次側コイルとの間の絶縁部材の厚膜化、ならびにコイルとなる配線の厚膜化が容易に実現できるので、十分な電気特性を確保することができる。
【００１７】
また、基板上に形成する配線でコイルを形成しているから、その膜厚を従来例のような半導体プロセスに比べて大幅に厚くすることが可能であり、Ｑ値を高くすることが容易である。
【００１８】
上記磁気結合素子において、前記１次側コイルと２次側コイルとは、各基板の積層方向に対向配置する状態とされたものが好ましい。
【００１９】
上記磁気結合素子において、前記１次側コイルと２次側コイルとは、各基板の積層方向と直交する方向で対向する状態とされていて、各コイルの中心に環状導線を通したトランス型構造とされたものが好ましい。
【００２０】
このように、１次側コイルと２次側コイルを比較的近づけて配置すれば、効率良く信号を伝達することが可能となる。
【００２１】
上記磁気結合素子において、前記１次側コイルと２次側コイルとは、２ｋＶ以上の絶縁耐圧が確保されたものが好ましい。
【００２２】
この構成では、絶縁耐圧を数値的に特定することにより、十分な耐圧特性を確保することが可能になる。ちなみに、２ｋＶとはフォトカプラで可能な絶縁耐圧であり、例えば積層する基板の板厚調整によって容易に確保可能となる。
【００２３】
上記磁気結合素子において、前記１次側コイルおよび２次側コイルを形成する配線は、銅とされたものが好ましい。
【００２４】
この構成では、一般的な配線基板で使用するアルミ配線の代わりに、抵抗成分が小さいＣｕ配線でコイルを形成しているから、Ｑ値を高くすることが可能になる。
【００２５】
この発明に係る送受信装置は、電気信号を送信する１次側コイルと電気信号を受信する２次側コイルとを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなる磁気結合素子と、磁気結合素子の１次側コイルに信号を与える送信側ＩＣチップと、磁気結合素子の２次側コイルに発生する信号を受ける受信側ＩＣチップとを有し、前記磁気結合素子が、上述したいずれかの構成とされていることを特徴としている。
【００２６】
上記送受信装置において、前記送信側ＩＣチップと受信側ＩＣチップとの少なくともいずれか一方が、前記磁気結合素子上に実装されたものが好ましい。
【００２７】
この構成では、送信側ＩＣチップと受信側ＩＣチップとの少なくともいずれか一方の実装スペースを別途確保せずに済むから、小型化が可能となる。
【００２８】
なお、磁気結合素子におけるＩＣチップの実装領域に、磁気遮蔽膜を形成することができる。また、前記磁気結合素子の上面において１次側コイルから発生する磁力線を避ける領域に、ＩＣチップを実装することができる。
【発明の効果】
【００２９】
この発明によれば、十分な性能を確保した磁気結合素子を比較的簡単かつ安価に提供することが可能になる。また、この発明によれば、小型化および低コスト化を図った送受信装置を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
(第１の実施の形態)
この発明に係る磁気結合素子の第１実施形態を図１及び図２に示している。図１は、磁気結合素子を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す磁気結合素子の断面図である。
【００３２】
図例の磁気結合素子１は、１次側コイル２と２次側コイル３とを電気的に絶縁分離した状態で対向配置してなる構成であり、五つの基板５〜９を積層した構造である。
【００３３】
図中、下から上へ順に、第１基板５、第２基板６、第３基板７、第４基板８、第５基板９としている。１次側コイル２と２次側コイル３とは、平面螺旋形とされており、基板５〜９の積層方向に対向配置された状態になっている。
【００３４】
具体的に、１次側コイル２は、第４基板８の下面に、また、２次側コイル３は、第３基板７の下面に、それぞれ表面のみ露出する状態で埋め込み形成されている。
【００３５】
そして、１次側コイル２の中心端および最外端は、引き出し線２ａ，２ｂを介して、また、２次側コイル３の中心端および最外端は、引き出し線３ａ，３ｂを介して、それぞれ第５基板９の上面に露出されている。
【００３６】
１次側コイル２の中心側引き出し線２ａは、第４基板８の下面側から上面側に貫通するとともに第４基板８の上面に沿って１次側コイル２の最外側にまで延出して、さらに第５基板９を貫通するように設けられている。
【００３７】
１次側コイル２の最外端側引き出し線２ｂは、第４基板８の下面側から第４基板８、第５基板９それぞれを貫通するように設けられている。
【００３８】
２次側コイル３の中心側引き出し線３ａは、第２基板６の上面側から下面側に貫通するとともに第２基板６の下面に沿って２次側コイル３の最外側にまで直線状に延出して、さらに第２基板６、第３基板７、第４基板８、第５基板９それぞれを貫通するように設けられている。
【００３９】
２次側コイル３の最外端側引き出し線３ｂは、第３基板７の下面側から第４基板８、第５基板９それぞれを貫通するように設けられている。
【００４０】
なお、各基板５〜９は、合成樹脂やセラミックス等の絶縁材料からなり、各コイル２，３は、金属等の導電性材料からなる。例えば、各基板５〜９は、公知のフレキシブル基板やセラミックス基板とすることができる。仮に、各基板５〜９を、柔軟性の高いフレキシブル基板とすれば、形状を自由に変化することができるので、製品設計の自由度が増し、一方、硬質なセラミックス基板とすれば、信頼性の向上に貢献できる。
【００４１】
ここで、上記磁気結合素子１の動作としては、まず、１次側コイル２に電気信号として電流を流すと、周知の右ねじの法則に従って１次側コイル２に磁界が発生し、この磁界により２次側コイル３に誘導電流が流れることになり、この誘導電流が出力信号として取り出される。
【００４２】
以上説明した磁気結合素子１は、互いに別々に製造した多数の基板５〜９を単純に積層した構成であるから、従来例の半導体プロセスに比べて簡単な設備でかつ簡単な作業で製造することができ、半導体プロセスを用いる従来例に比べて製造コストを低減できる。
【００４３】
また、１次側コイル２と２次側コイル３とを絶縁材料からなる第３基板７で絶縁分離するようにしているから、第３基板７の板厚を調整するだけで、従来例の半導体プロセスでは不可能なレベルの絶縁耐圧を容易に確保することが可能になる。
【００４４】
さらに、１次側コイル２を第４基板８に、また、２次側コイル３を第３基板７にそれぞれ埋め込みまたは接着によって形成しているから、各コイル２，３を容易に厚膜とすることができる等、従来例の半導体プロセスでは不可能なレベルのＱ値を容易に確保することが可能になる。
【００４５】
これらのことから、十分な性能を有する磁気結合素子１を比較的簡単かつ安価に提供することが可能になる。
【００４６】
(第２の実施の形態)
この発明に係る磁気結合素子の第２実施形態を図３から図５に示している。図３は、磁気結合素子を模式的に示す斜視図であり、図４は、図３の磁気結合素子を上方から見た図であり、図５は、図３に示す磁気結合素子の断面図である。
【００４７】
この第２実施形態の磁気結合素子１は、１次側コイル２と２次側コイル３とを基板５〜８の積層方向と直交する方向で対向させるように形成したうえで、両コイル２，３の中心に環状導線４を通したトランス型構造としている。
【００４８】
そして、この第２実施形態では、四つの基板５〜８を積層した構成にし、さらに、１次側コイル２および２次側コイル３を螺旋角筒形にするとともに、第２基板６から第４基板８に跨るように形成している。
【００４９】
詳しくは、螺旋角筒形の１次側コイル２および２次側コイル３は、その周方向所定長さずつに分割されて、第２基板６から第４基板８に板厚方向や面方向に延ばすような状態で形成されている。
【００５０】
環状導線４は、第３基板７の下面に、表面が露出する状態で埋め込み形成されている。
【００５１】
そして、１次側コイル２の一端および他端は、引き出し線２ａ，２ｂを介して、また、２次側コイル３の一端および他端は、引き出し線３ａ，３ｂを介して、それぞれ第４基板８の上面に露出されている。
【００５２】
１次側コイル２の一端側引き出し線２ａおよび２次側コイル３の一端側引き出し線３ａは、共に、第２基板６の下面に沿って径方向外向きに延出されてから、第２基板６、第３基板７および第４基板８を貫通されて第４基板８の上面に露出するように設けられている。
【００５３】
１次側コイル２の他端側引き出し線２ｂおよび２次側コイル３の他端側引き出し線３ｂは、共に、第４基板６の下面に沿って径方向外向きに延出されてから、第４基板８を貫通してその上面に露出するように設けられている。
【００５４】
このような第２実施形態の場合、上記第１実施形態と同様の作用、効果が得られる。そのことに加えて、１次側コイル２および２次側コイル３の中心に挿通される環状導線４が第２基板６の下面に形成されるため、１次側コイル２と２次側コイル３とが万一位置ずれ（アライメントずれ）しても磁気結合効率のばらつきが回避される等、量産性に優れた構造と言える。
【００５５】
次に、上述した各実施形態の磁気結合素子１を用いて送受信装置１０を構成することができるので、いくつかの例を図面に示して順に説明する。
【００５６】
まず、図６に示す送受信装置は、第１リードフレーム１１上に磁気結合素子１を実装したうえで、この磁気結合素子１の上面に送信側ＩＣチップ２０を実装し、第２リードフレーム１２上に受信側ＩＣチップ３０を実装して、この受信側ＩＣチップ３０の図示していない電極と磁気結合素子１の２次側コイル３の各引き出し線３ａ，３ｂの端部とをボンディングワイヤ１５で電気的に接続した構成になっている。
【００５７】
なお、磁気結合素子１に対する送信側ＩＣチップ２０の実装形態は、バンプ技術により行われており、このバンプ１６によって磁気結合素子１の１次側コイル２の引き出し線２ａ，２ｂの端部と送信側ＩＣチップ２０の図示しない電極とが電気的に接続されるようになっている。
【００５８】
一方の受信側ＩＣチップ３０は、第２リードフレーム１２上に接着剤などにより実装されていて、この受信側ＩＣチップ３０の図示していない接地電極がボンディングワイヤ１５により第２リードフレーム１２に接続されるようになっている。
【００５９】
このように、磁気結合素子１と送信側ＩＣチップ２０とを周知のバンプ１６で接続した場合には、送受信装置１０を小型化することが可能となり、しかも、ワイヤボンディング技術で接続する場合のようにボンディングワイヤのＬ成分が無視できるので、高い周波数特性の送受信装置１０を得ることが可能となる。
【００６０】
ところで、上述した実装形態においては、図７および図８に示すように、１次側コイル２で発生する磁力が、送信側ＩＣチップ２０に影響しないように工夫するのが好ましい。
【００６１】
まず、図７では、磁気結合素子１における送信側ＩＣチップ２０の実装領域に、磁気遮蔽膜１７を形成している。
【００６２】
また、図８では、磁気結合素子１において１次側コイル２および２次側コイル３を全体外形の中央から一辺側へ偏らせて設けておき、この磁気結合素子１の上面において１次側コイル２から発生する磁力線を避ける領域に送信側ＩＣチップ２０を実装するようにしている。
【００６３】
これらの場合、１次側コイル２で発生した磁力が送信側ＩＣチップ２０へ影響するのを避けることができるため、誤動作を防止するうえで有利となるとともに、小型化が可能な送受信装置１０を得ることができる。
【００６４】
これら図６〜図８に示した構造において、磁気結合素子１上に実装するＩＣチップは受信側ＩＣチップ３０であってもかまわない。
【００６５】
また、図９に示すように、磁気結合素子１の上面に送信側ＩＣチップ２０及び受信側ＩＣチップ３０の両方を実装して、送受信装置１０を構成することも可能である。この場合、図６に示した構成に比べてさらに小型化が可能となる。
【００６６】
この図９に示す構成においては、図１０に示すように、各ＩＣチップ２０，３０を適宜の樹脂材料１８でモールドすることが好ましい。
【００６７】
また、図１１に示すように、磁気結合素子１の上面に送信側ＩＣチップ２０を、磁気結合素子１の下面に受信側ＩＣチップ３０をそれぞれ実装して、送受信装置１０を構成することも可能である。この場合も、図６に示した構成に比べてさらに小型化が可能となる。
【００６８】
勿論、図９から図１１に示す構成において、１次側コイル２で発生する磁力がＩＣチップ（２０または３０）に影響しないように、図７や図８に示すような構成を適用することができる。
【００６９】
また、図１２に示すように、磁気結合素子１と送信側ＩＣチップ２０と受信側ＩＣチップ３０とのそれぞれを、個別にリードフレーム１１，１２，１３上に実装して、磁気結合素子１に対して送信側ＩＣチップ２０および受信側ＩＣチップ３０を個別にボンディングワイヤ１５で接続するようにしてもよい。この場合、磁気結合素子１の１次側コイル２により発生する磁力が各ＩＣチップ２０，３０に影響することを確実に防止できるので、各ＩＣチップ２０，３０の誤動作を確実に防止できる等、信頼性の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明に係る磁気結合素子の第１実施形態を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す磁気結合素子の断面図である。
【図３】この発明に係る磁気結合素子の第２実施形態を模式的に示す斜視図である。
【図４】図３の磁気結合素子を上方から見て模式的に示す平面図である。
【図５】図３に示す磁気結合素子の断面図である。
【図６】図１または図３に示す磁気結合素子を用いた送受信装置の構成図である。
【図７】図６の送受信装置の変形例を示す構成図である。
【図８】図６の送受信装置の変形例を示す構成図である。
【図９】図１または図３に示す磁気結合素子を用いた送受信装置の他例となる構成図である。
【図１０】図９の送受信装置の変形例を示す構成図である。
【図１１】図１または図３に示す磁気結合素子を用いた送受信装置のさらに他例となる構成図である。
【図１２】図１または図３に示す磁気結合素子を用いた送受信装置のさらに他例となる構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１      磁気結合素子
２      １次側コイル
２ａ    引き出し線
３      ２次側コイル
３ａ    引き出し線
５      第１基板
６      第２基板
７      第３基板
８      第４基板
９      第５基板
１０      送受信装置
２０      送信側ＩＣチップ
３０      受信側ＩＣチップ
【図１】
2006339257.tif 000003
【図２】
2006339257.tif 000004
【図３】
2006339257.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006339257.tif 000007
【図６】
2006339257.tif 000008
【図７】
2006339257.tif 000009
【図８】
2006339257.tif 000010
【図９】
2006339257.tif 000011
【図１０】
2006339257.tif 000012
【図１１】
2006339257.tif 000013
【図１２】
2006339257.tif 000014