ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ СЕРДЕЧНИК С АНИЗОТРОПИЕЙ ФОРМЫ, КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ И ТРАНСФОРМАТОР, ЕГО СОДЕРЖАЩИЕ
THIN-FILM TOROIDAL CORE WITH SHAPE ANISOTROPY, INDUCTANCE COIL AND TRANSFORMER, CONTAINING THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[1] Заявленное изобретение относится к области электротехники и электротехнического оборудования, в частности, к тонкопленочным интегрированным катушкам индуктивности и трансформаторам, совместимыми с технологией кремниевой микроэлектроники, которые могут применяться в интегрированной микроэлектронике различного назначения, как, например, в фильтрах высокочастотных гармоник, усилителей, встроенных стабилизаторов напряжения и многих других.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] Катушки индуктивности (или индукторы) и трансформаторы являются одними из основных широко используемых компонент в цифровой электронике, например, в таких схемах как радиочастотные, микроволновые приборы, регуляторы напряжения и схемы питания. С постоянным движением в сторону миниатюризации электронных продуктов и компонент, с увеличивающейся функциональностью и производительностью, от портативной электроники до современных вычислительных систем, индукторы и трансформаторы постоянно эволюционировали от ранних дискретных компонент на печатных платах до интегрированных в корпус или на кремниевом чипе. Такие интегрированные индукторы и трансформаторы, совместимые с технологиями кремниевой микроэлектроники и КМОП, являются важным обязательным элементом для имплементации Систем в Корпусе (System in Package or SiP), Систем на Чипе (System on Chip or SoC), Питание в Корпусе (Power Supply in Package or PwrSiP) и Питание на Чипе (Power Supply on Chip or PwrSoC), в дизайне компьютеров и коммуникационных технологий, таких как многоядерные процессоры и портативные маломощные беспроводные приборы.
[3] Тем не менее, среди всех базовых компонент, индукторы и трансформаторы наименее совместимы с кремниевой интеграцией с несколькими существенными недостатками, такими как большая площадь, занимаемая на кремниевой подложке, высокое сопротивление постоянному току и высокая стоимость. Большие интегрированные планарные спиральные индукторы и трансформаторы с воздушным (или, точнее, диэлектрическим) сердечником используемые сегодня занимают большую часть ценной площади чипа, при этом характеристики не эффективно изменяются с изменением числа витков. Кроме того, из-за электромагнитной связи с проводящей кремниевой подложкой, интегрированные индукторы и трансформаторы работают плохо, за частую с добротностью Q порядка 3.
[4] Высокая добротность необходима так как она напрямую влияет на фазовые шумы генераторов частот и, соответственно, ширину беспроводных частотных каналов. Чтобы одновременно достичь высокой плотности индуктивности и добротности, используется ферромагнитный сердечник. Использование магнитного сердечника становится все более привлекательным, в особенности для радиочастотных/микроволновых интегрированных микросхем и элементов питания. Более того, с ферромагнитным материалом интегрированные индукторы на чипе вызывают меньше электромагнитных помех (electromagnetic interference - EMI) на другие аналоговые и цифровые блоки микросхем, расположенные в непосредственной близости.
[5] Тороидальные индуктор и трансформатор позволяют еще больше улучшить характеристики устройств, так как тороидальная форма позволяет создать замкнутое магнитное поле внутри сердечника, что делает магнитное поле внутри сердечника более сильным, позволяя достичь больших значений индуктивности и добротности, и при этом сводит практически до нуля поле вне устройства, генерируя меньше электромагнитных помех в окружающее пространство.
[6] Кроме того, поскольку обмотки относительно короткие и намотаны в замкнутом магнитном поле, тороидальные трансформатор и индуктор будут иметь более низкий вторичный импеданс, что повысит эффективность, электрические характеристики и уменьшит такие эффекты как дисторсия. Кроме индукторов и трансформаторов на чипе, корпусированные индукторы и трансформаторы также притягивают внимание многих исследователей и изобретателей, так как перемещение этих элементов из матрицы (поверхности микросхемы) на подложку корпуса позволит уменьшить размер матрицы (поверхности микросхемы) и, соответственно, стоимость.
[7] В качестве аналога предложенного технического решения можно рассматривать тороидальный индуктор, раскрытый в патенте США 9,991,040 (Ferric Inc., 05.06.2018). Основным недостатком известного решения является то, что сердечник индуктора выполнен сплошным. При этом важно отметить, что использование сплошного сердечника в тороидальных трансформаторах и индукторах не эффективно из-за того, что тонкопленочные ферромагнитные сердечники имеют тензорную природу магнитной проницаемости, что приводит к тому, что сердечник усиливает магнитное поле не вдоль всех линий магнитного поля, а только вдоль выделенного тензорной природой магнитной проницаемости направления, уменьшая вплоть до 1 коэффициент усиления магнитного поля в перпендикулярном выделенному направлении.
[8] В отличие от вышеуказанного решения по патенту США 9,991,040, заявленное техническое решение является полностью энергонезависимым, то есть не требует использования электрического тока для поддержания направления намагниченности сердечника перпендикулярно направлению магнитного поля.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[9] Решаемой технической проблемой с помощью предложенной конструкции индуктора и трансформатора, содержащего такой индуктор, является исключение недостатков присущих известным решениям из уровня техники и создать эффективные тонкопленочные индукторы и трансформаторы.
[10] Исключение существующих недостатков, присущих аналогу, позволяют улучшить характеристику интегрированных тонкопленочных элементов, позволив, с помощью эффекта анизотропии формы, получить в интегрированных катушках индуктивности и трансформаторах преимущества тороидальных трансформаторов с магнитным сердечником.
[11] Техническим результатом является повышение удельной индуктивности и добротности устройств, содержащих тороидальный магнитный сердечник, за счет обеспечения направления намагниченности сердечника перпендикулярно направлению магнитного поля, обеспечиваемой паттерном блоков магнитных элементов с анизотропией формы.
[12] В предпочтительном варианте осуществления заявленного решения представлен тонкопленочный сердечник, выполненный преимущественно в виде тороидальной формы из набора магнитных блоков с анизотропией формы, в котором каждый из блоков содержит легкую и тяжелую оси, причем по меньшей мере часть блоков разделены между собой слоем немагнитного материала, и направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль легкой оси магнитных блоков, которая располагается преимущественно перпендикулярно магнитному полю сердечника.
[13] В одном из частных примеров реализации сердечника форма блоков выбирается из группы: прямоугольная, полигональная, эллиптическая, цилиндрическая или их сочетания.
[14] В другом частном примере реализации сердечника по меньшей мере часть магнитных блоков соприкасается с соседствующими блоками.
[15] В другом частном примере реализации сердечника толщина слоя разделяющего немагнитного материала выбирается в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм.
[16] В другом частном примере реализации сердечника магнитные блоки разделены на магнитные слои.
[17] В другом частном примере реализации сердечника наборы магнитных блоков в каждом из магнитных слоев являются идентичными или отличаются формой блоков, и/или размерами блоков, и/или расположением блоков.
[18] В другом предпочтительном примере реализации представлена катушка индуктивности, содержащая сердечник, выполненный по любому из вышеуказанных вариантов, и обмотку.
[19] В частном примере реализации катушки, обмотка равномерно распределена по сердечнику или концентрирована на отдельных частях сердечника.
[20] В другом предпочтительном примере реализации представлен трансформатор, содержащий сердечник, выполненный по любому из вышеуказанных вариантов, и по меньшей мере одну первичную и вторичную обмотки.
[21] В частном примере реализации трансформатора по меньшей мере одна первичная и по меньшей мере одна вторичная обмотки равномерно распределены по сердечнику.
[22] В другом частном примере реализации трансформатора по меньшей мере одна из обмоток, первичная и вторичная, расположена концентрировано в области магнитных блоков сердечника.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[23] Фиг. 1 иллюстрирует общий вид магнитного сердечника, вид сверху.
[24] Фиг. 2 иллюстрирует пример форм изготовления магнитных блоков.
[25] Фиг. 3 иллюстрирует пример расположение магнитных блоков с анизотропией формы в сердечнике индуктора, объемный вид.
[26] Фиг. 4 – Фиг. 6 иллюстрируют пример расстояния между магнитными блоками сердечника, часть сердечника, вид сверху.
[27] Фиг. 7 – Фиг. 10 иллюстрируют пример выполнения части сердечника в виде многослойной структуры.
[28] Фиг. 11 иллюстрирует пример выполнения катушки индуктивности, вид сверху.
[29] Фиг. 12 иллюстрирует поперечный, частичный, срез заявленной катушки.
[30] Фиг. 13 иллюстрирует пример выполнения катушки индуктивности с не идеальной тороидальной формой. В данном конкретном примере часть участков области сердечника является спрямленной.
[31] Фиг. 14 – Фиг. 16 иллюстрируют примеры выполнения катушки индуктивности с различным расположением обмотки, вид сверху.
[32] Фиг. 17 иллюстрирует пример выполнения индуктора с неидеальной тороидальной формой, в котором часть области сердечника выполнена в виде сплошного сердечника.
[33] Фиг. 18 – Фиг. 19 иллюстрируют пример выполнения тонкопленочных трансформаторов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[34] На Фиг. 1 представлен пример выполнения сердечника (10) согласно заявленной реализации решения. Магнитный сердечник или магнитопровод, который может применяться в различных устройствах, например, катушках индуктивности, трансформаторах и т.д., выполняется тороидальной или близкой к тороидальной форме и состоит из набора магнитных блоков (11). Каждый из блоков (11) содержит легкую (111) и тяжелую (112) оси намагниченности.
[35] На Фиг. 2 представлен пример формы выполнения магнитных блоков (11). Блоки (11) могут выполняться различной формы, например, эллиптической, цилиндрической, ромбовидной, прямоугольной и т.п. Легкая ось (111) блоков (11) является их длинной осью. Для представленной на Фиг. 1 реализации сердечника (10) легкая ось (111) блоков (11) лежит в плоскости сердечника (10). В других возможных реализациях легкая ось блоков может частично или полностью быть направлена вне плоскости сердечника, однако во всех видах реализации должно выполняться условие примерной перпендикулярности направления намагниченности, задаваемой направлением легкой оси блоков, направлению магнитного поля, порождаемого током обмотки в области сердечника (10) устройства.
[36] В качестве магнитного материала для изготовления блоков (11) могут быть использованы ферро- или ферри-магнетики, а также ферро- или ферри-магнитные сплавы, в частности: Co, Fe, Ni, NiFe, FeCoB, CoZrTa и т.д.
[37] Пространство между блоками (11) может быть заполнено диэлектрическим материалом.  В этом случае набор блоков (11) разделяется посредством немагнитного материала (17). Слой разделяющего материала (17) может выбираться в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм. В частности, для улучшения магнитной активности толщина слоя немагнитного материала (17) должна быть минимальной, но достаточной, чтобы не разрушаться при ее изготовлении.  В качестве немагнитного материала (17) (диэлектриков) наиболее часто применяется такой материал, как: Polyimide, также часто используются нитриды и оксиды кремния. (так как они хорошо совместимы с технологией кремниевой микроэлектроники) или их сочетания и другие.
[38]  Направление намагниченности сердечника (10) вдоль легкой оси (111) блоков (11) является энергетически выгодным для спонтанной намагниченности. Вдоль легкой оси (111) материал проявляет большую коэрцитивность и высокое нелинейное отношение между приложенным магнитным полем и намагниченностью. Вдоль тяжелой (112) оси материал проявляет меньшую коэрцитивную силу и относительно линейную зависимость между приложенным магнитным полем и намагниченностью.
[39] На Фиг. 3 представлен вид примерного расположения набора магнитных блоков (11) в теле сердечника (10). Блоки (11) располагаются достаточно плотно друг к другу, образуя паттерн, чтобы сформировать тело сердечника (10). Блоки (11) располагаются таким образом, чтобы легкие оси (111) блоков (11) были преимущественно перпендикулярно направлению магнитного поля (15), возникающего вследствие протекания тока через обмотку. Использование блоков (11) с анизотропией формы, содержащих легкую (111) и тяжелую оси (112), позволяет автоматически установить направление намагниченности вдоль их легких осей (111), что в совокупности с заданным расположением блоков (11) позволяет задать надлежащее направление намагниченности всего сердечника (10), без необходимости дополнительного применения магнитного отжига, позволяя при этом задавать направление намагниченности в области сердечника не общее интегральное, а локальное, что позволяет сохранять перпендикулярность направления намагниченности и направления магнитного поля в каждой точке в области сердечника (10), что является критически важным для конструкции устройства с замкнутым магнитным полем, например, катушек индуктивностей (индукторов) и трансформаторов. Сердечник (10) может выполняться из различной совокупности блоков (11), различной формы, формирующих его конструкцию.
[40] Направление намагниченности за счет исполнения представленной конструкции сердечника (10) будет автоматически выстраиваться вдоль направления намагниченности легкой оси (111) блоков (11), что является более энергоэффективным направлением спонтанной намагниченности.
[41] Блоки (11) могут располагаться таким образом, чтобы соприкасаться друг с другом или на заданном удалении. Как представлено на Фиг. 4 – Фиг. 6, расстояние между блоками (11) (L1, L2) может быть равнозначным для всех блоков (11), или различаться, что обуславливается принципом изготовления сердечника (10) и паттерном расположения блоков (11). Коэффициент заполнения KF сердечника (10) определяется исходя из отношения суммарного объема блоков (11) Vb к объему сердечника (10) VC, согласно приведенной формуле
KF = Vb / VC     (1).
[42] Предпочтительно при создании сердечника (10) стремиться к достижению показателя коэффициента заполнения KF по меньшей мере равному 0.2. Более предпочтительно 0.5 или 0.8.
[43] Предпочтительно, чтобы соотношение сторон набора блоков (11), т.е. соотношение легкой оси (111) к тяжелой оси (112) блоков (11), было не менее 1.4, предпочтительно 3 и более, однако возможны и меньшие значения. В частных вариантах воплощения сердечника (10) диапазон отношения осей может лежать в диапазоне от 1.0 до 100.
[44] На Фиг. 7 – Фиг. 10 представлен еще один предпочтительный вариант изготовления сердечника (10). В данном случае сердечник (10) изготавливается из двух и более слоев магнитных блоков (110, 120). Как представлено на Фиг. 8 каждый слой (110, 120) содержит набор магнитных блоков (1101, 1201) с анизотропией формы, по аналогии как это было указано выше. Блоки (1101, 1201) также, как и блоки (11) выполнены из магнитного материала и содержат легкую и тяжелую оси. Данная форма также способствует направлению намагниченности вдоль легкой (длинной) оси блоков (1101, 1201) каждого слоя (110, 120).
[45] Блоки (1101, 1201) могут иметь различную форму, как это представлено в качестве примера на Фиг. 2, а также располагаться в каждом из слоев сердечника (110, 120) как с соприкосновением с соседними блоками (1101, 1201), так и быть удаленными на равном или различном расстоянии друг от друга. Толщина магнитных слоев (310, 320) выбирается, предпочтительно, в диапазоне от 0.4 нм до 2 мкм.
[46] На Фиг. 9 представлен пример выполнения сердечника (10) с различной формой блоков (1101, 1201) в каждом из магнитных слоев (110, 120). Форма блоков (1101, 1201) в каждом слое (110, 120) может быть одинакова для всех блоков соответствующего магнитного слоя, либо только для части блоков конкретного слоя.
[47] Как представлено на Фиг. 10 блоки (1101, 1201) каждого слоя при такой организации могут располагаться относительно каждого другого слоя (110, 120) с горизонтальным и/или вертикальным смещением, т.е. наборы магнитных блоков в каждом из магнитных слоев являются идентичными или отличаются формой блоков, и/или размерами блоков, и/или расположением блоков. Представленная архитектура сердечника (10) позволяет варьировать структуру слоев (110, 120) в части наборов блоков (1101, 1201), для формирования его требуемой конструкции.
[48] Магнитные слои (110, 120) сердечника (10) разделяются прослойкой из немагнитного материала (130). Прослойка изготавливается толщиной, предпочтительно от 0.4 нм до 2 мкм. Каждый набор блоков (1101, 1201) в каждом слое разделяется также посредством немагнитного материала, как это указывалось выше. Толщина разделяющего материала может выбираться в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм. В частности, для улучшения магнитной активности толщина слоя немагнитного материала должна быть минимальной, но достаточной, чтобы не разрушаться при ее изготовлении.
[49] Прослойка (130) может изготавливаться из диэлектрика или материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями (110, 120). В качестве такого материала может использоваться, например, V, Cr, Mo, Ru, Rh, W, Re, Ir или сочетания данных материалов.
[50] Использование диэлектрического материала позволяет улучшить параметры магнитных сердечников индукторов за счет уменьшения вихревых токов. Использование прослойки из материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями, позволяет надежнее контролировать направление намагниченности сердечника, в том числе и в присутствии внешнего магнитного поля.
[51] Заявленная конструкция сердечника (10) может изготавливаться с помощью процесса фотолитографии.
[52] На Фиг. 11 представлен пример выполнения катушки индуктивности (индуктора) (100) согласно предпочтительному варианту реализации с применением вышеописанной конструкции сердечника (10). Магнитный сердечник (10) катушки (100) выполняется тороидальной или близкой к тороидальной форме и состоит из набора магнитных блоков (11).
[53] Катушка (100) содержит обмотку (12), часть которой располагается в слое металлизации под сердечником (10), часть - в слое металлизации над сердечником (10). Части обмотки, лежащие друг над другом на разных слоях металлизации соединяются вне сердечника вертикальными межслойными соединениями (via) (14), которые в свою очередь тоже являются частью обмотки. Схематично расположение обмотки относительно сердечника в поперечном сечении представлено на Фиг.12. При этом вертикальные межслойные соединения находятся как во внутренней области (98) вне сердечника (10), так и во внешней области (99) вне сердечника (10). Между обмоткой (12) и сердечником (10) располагается слой диэлектрического немагнитного материала (17), который предотвращает их непосредственный электрический контакт.
[54] Тороидальная форма сердечника (10) катушки (100) обеспечивает замкнутое магнитное поле (15), практически не выходящее за пределы обмотки (12) с сердечником (10), что тем самым увеличивает эффективность трансформатора или катушки индуктивности, одновременно снижая воздействие на расположенные рядом элементы.
[55] Обмотка полностью формируется из проводящего материала, преимущественно Медь (Cu). Возможно также применение Алюминия (Al) или Серебра (Ag), а также иных проводящих элементов и их сплавов.
[56]  На Фиг. 13 представлен один из вариантов реализации катушки индуктивности (100), с неидеальной тороидальной формой, которая заключается в том, что часть тора может быть заменена на спрямленные участки. Такой вариант реализации включает зоны обмотки (16), на которых обмотка (12) сконцентрирована на отдельных частях сердечника (10). Обмотка (12) располагается на по меньшей мере двух частях (16) тела сердечника (10), которые располагаются преимущественно параллельно друг другу.
[57] В другом варианте выполнения тонкопленочной катушки (100) обмотка (12) может быть сконцентрирована в области блоков (11) магнитного материала сердечника (10). Такая конструкция обмотки имеет преимущества для случая, когда длинная ось блоков сравнима с шириной D зоны сердечника (10), как показано на Фиг. 14.
[58] В другом варианте исполнения катушки (100) обмотка (12) расположена равномерно вдоль всей области сердечника (10), как показано на Фиг. 15 – Фиг. 16. Данная конструкция обмотки (12) имеет преимущества для случая, когда размер длинной (легкой) оси (111) блоков (11) магнитного материала существенно меньше ширины области сердечника (10).
[59] На Фиг. 17 представлен вариант исполнения индуктора (100), состоящего из двух соленоидов (22, 23) со сплошным сердечником в зоне обмотки (и, соответственно, направлением намагниченности, задаваемым не анизотропией формы магнитных блоков) и замкнутым с помощью элементов сердечника с направлением намагниченности, заданной анизотропией формы. При таком исполнение сплошная часть области сердечника (20)  имеет направление намагниченности перпендикулярное направлению магнитного поля, однако способ задания этого направления может отличаться от применения блоков (21) магнитного материала с анизотропией формы.
[60] На Фиг. 18 представлен пример выполнения трансформатора (300), содержащего вышеописанный сердечник (10). На Фиг. 18 представлен пример трансформатора (300) с равномерно распределенными вдоль поверхности сердечника первичной и вторичной обмотками. Такое расположение обмоток трансформатора (также верно и для катушки индуктивности) обеспечивает практически полную локализацию магнитного поля в области сердечника, что делает устройство более эффективным и позволяет наводить меньше электромагнитных помех.
[61] На Фиг. 19   представлен пример выполнения трансформатора (300), при котором обмотка (301, 302) расположена преимущественно в области магнитных блоков (11) сердечника (11) в слоях металлизации, расположенных ниже и выше области сердечника, и практически отсутствует в областях, заполненных диэлектрическим немагнитным материалом.
[62] Представленные описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.