Eine herkömmliche planare Spule ist in Fig. 1 dargestellt und umfaßt einen Spulenleiter 10, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 2 4 rechteckige Wicklungen aufweist.

Der Spulenleiter 10 umfaßt einen Leiteranfang 12 und ein Leiterende 14. Um das Leiterende 14 aus dem Inneren der Spule herauszuführen, ist dasselbe in einem Unterführungs- bereich 16 auf einer anderen Metallebene unter dem restli- chen Spulenleiter 10 durchgeführt, so daß kein Kurzschluß entsteht. In der Technik ist eine Vielzahl von Spulenformen bekannt, wobei die gezeigte unsymmetrische, viereckige Spu- le lediglich ein willkürlich gewähltes Beispiel darstellt, während beliebige andere Formen möglich sind, beispielswei- se oktagonale, runde, symmetrische oder auch gestapelte Spulenformen.

Wird eine planare Spule, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, bei hohen Frequenzen betrieben, so werden durch das Magnetfeld der Spule in den Spulenleitungen Wir- belströme induziert. Die Verluste dieser Wirbelströme erhö- hen den Widerstand der Spule und das durch die Wirbelströme erzeugte Magnetfeld erniedrigt die Induktivität der Spule.

Diese Verluste sind frequenzabhängig. Beginnend bei niedri- gen Frequenzen wächst die durch sie verursachte Wider- standserhöhung in dem im allgemeinen interessierenden Fre- quenzbereich näherungsweise linear mit der Frequenz an.

Auch die genannte durch die Wirbelströme verursachte Induk- tivitätserniedrigung wächst mit der Frequenz an, ist jedoch meist noch zu vernachlässigen. Durch beide genannten Effek- te wird jedoch die Qualität der Spule gemindert. Insbeson- dere stört diese Qualitätsminderung bei planaren Spulen, die in integrierten Schaltungen verwendet werden sollen.

Bei makroskopischen, nicht-planaren Spulen ist es bekannt, zur Verringerung der Wirbelstromverluste ein Transformator- blech für den magnetischen Kern vorzusehen und statt dicker Drähte mehradrige, verzwirbelte Drähte zu verwenden.

Wirbelstromverluste von planaren Spulen in integrierten Schaltungen wurden lange Zeit nicht ausreichend wahrgenom- men, da der Schwerpunkt von Untersuchungen zunächst auf den parasitären Kapazitäten solcher planarer Spulen lag. In jüngerer Zeit wurden jedoch einige Maßnahmen vorgenommen, um die Wirbelstromverluste bei der Spulenentwicklung zu be- rücksichtigen und einzudämmen.

Eine gebräuchliche Maßnahme besteht darin, eine innen offe- ne Spule mit größerem Radius und weniger Wicklungen zu ver- wenden, da durch die verringerte Anzahl der Wicklungen das Magnetfeld geringer ist und somit auch die Wirbelströme.

Nachteilig ist jedoch der erhöhte Platzbedarf. Ab einem op- timalen Radius nimmt ferner mit wachsendem Radius der Wi- derstand wieder zu, da wegen der geringeren magnetischen Kopplung ein längerer Spulenleiter benötigt wird.

Ferner besteht eine gebräuchliche Maßnahme darin, Spulen mit vergrößertem Leiterbahnabstand herzustellen, wodurch ebenfalls das magnetische Feld verringert wird, jedoch wie- derum ein längerer Spulenleiter benötigt wird. Überdies können dünnere Leiterbahnen verwendet werden, da mit der Leiterbahnbreite die Wirbelstromverluste stark abnehmen.

Jedoch nimmt der Gleichstromwiderstand mit abnehmender Lei- terbahnbreite ab, so daß wiederum ein Optimum existiert.

Schließlich gehen bekannte Lösungsansätze dahin, Spulen mit variabler Leiterbahnbreite zu verwenden, wobei für die in- neren Wicklungen dünnere und für die äußeren Wicklungen breitere Leiter verwendet werden. Da im Inneren die Magnet- felder am stärksten sind, werden-hier die dünnsten Leiter- bahnen verwendet, um die Wirbelstromverluste einzugrenzen.

Diesbezüglich sei beispielsweise auf den Artikel von J. M.

Lopez-Villegas u. a., Improvement of the Quality Factor of RF Integrated Inductors by Layout Optimization", IEEE RFIC Symp. Dig. 1998, S. 169-172, verwiesen. Ferner ist eine solche Technik, bei der innere Wicklungen eine geringere Leiterbahnbreite aufweisen, in der EP 1085538 Al beschrie- ben.

Aus der WO 98/43258 ist ein Streifenleitungsinduktor be- kannt, der eine oder mehrere Streifenleitungswicklungen aufweist, wobei verringerte Wirbelstromverluste durch Auf- teilen des Leiters in mehrere Teilleiter erreicht werden.

Ferner sind Vertauschungen der Teilleiter vorgesehen, um die Wirbelstromverluste weiter zu reduzieren. Eine Reduzie- rung des Skin-Effekts wird bei dem Streifenleitungsinduktor gemäß der WO 98/43258 nicht erreicht.

Aus der DE 19727758 AI ist eine nicht-planare Struktur ei- nes Mehrfachparallel-Leiters für Wicklungen elektrischer Geräte und Maschinen bekannt, bei dem eine Mehrzahl von je- weils einzeln elektrisch isolierten Teilleitern vorgesehen ist. Die Teilleiter sind in vorbestimmten Abständen durch Abbiegen flach gekröpft, so dass sich ihre Lage im Gesamt- querschnitt des Mehrfachparallel-Leiters in vergleichsweise kurzen Abständen regelmäßig ändert.

Aus der DE 2520934 B2 ist eine gedruckte Spule bekannt, de- ren innere Wicklungen geringere Leiterbreiten aufweisen als deren äußere Wicklungen.

Die DE 19944741 AI offenbart einen monolithisch integrier- ten Transformator, dessen Primärwicklung und/oder Sekundär-

wicklung jeweils durhc mehrere Unterleiter gebildet sind, wobei zwischen jeweiligen Unterleitern der Primärwicklung Unterleiter der Sekundärwicklung angeordnet sind. Ferner sind die Positionen jeweiliger Unterleiter durch jeweilige Überkreuzungen vertauscht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine leitfähige Struktur mit verbesserten Wechselstromeigen- schaften zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine leitfähige Struktur gemäß An- spruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine leitfähige Struktur mit folgenden Merkmalen : einem Strukturanfang und einem Strukturende ; einer Mehrzahl von planaren Teilstrukturen zwischen dem Strukturanfang und dem Strukturende, die auf zumindest ei- nem isolierenden Substrat zumindest abschnittsweise paral- lel zueinander verlaufend angeordnet sind, wobei abschnittsweise die Positionen der Teilstrukturen durch Überkreuzungen vertauscht sind, so daß die einen Wechselstromfluß durch die leitfähigen Teilstrukturen be- einträchtigende Wirkung des von dem Wechselstromfluß er- zeugten Magnetfelds reduziert wird, oder so daß die den Wechselstromfluß durch einen externen Leiter beeinträchti- gende, durch die leitfähige Struktur bedingte Wirkung des von dem Wechselstromfluß durch den externen Leiter erzeug- ten Magnetfelds reduziert wird, und wobei die leitfähige Struktur eine Mehrzahl von zumindest drei Teilstrukturpositionen entsprechend der Anzahl von zu- mindest drei Teilstrukturen aufweist und wobei die Positio- nen der Teilstrukturen abschnittsweise derart vertauscht

sind, daß jede Teilstruktur zumindest einmal jede Teil- strukturposition einnimmt.

Die leitfähige Struktur kann ein wechselstromdurchflossener Leiter mit einem Leiteranfang und einem Leiterende sein, wobei die Teilstrukturen Unterleiter darstellen.

Vorzugsweise sind die Unterleiter am Leiteranfang und am Leiterende elektrisch leitfähig verbunden. Jedoch können die Unterleiter auch beabstandet vom Leiteranfang und vom Leiterende elektrisch leitfähig verbunden sein, beispiels- weise über Verbindungsleitungen und dergleichen. Gleiches gilt für die Teilstrukturen der erfindungsgemäßen leitfähi- gen Struktur.

Durch die abschnittsweise Vertauschung der Positionen der Unterleiter durch Überkreuzungen wird der magnetische Fluß durch den Leiter verringert und im Idealfall ausgelöscht.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß durch ein Unterteilen eines Leiters, beispielsweise eines Spulenleiters, in Unterleiter eine deutliche Reduktion von Wirbelstromverlusten erreicht werden kann, da die Summe der Verluste der schmalen Unterleiter geringer ist als der Ver- lust im/durch den ursprünglichen breiten Leiter. Durch das entsprechende Vertauschen der Unterleiter, d. h. ein abschnittsweises Vertauschen der Positionen derselben, wird ferner ein magnetischer Fluß durch die durch die Unterlei- ter eingeschlossenen Flächen reduziert bzw. ausgelöscht, so dass Wirbelströme zwischen den Unterleitern reduziert bzw. verhindert werden können, wodurch negative Effekte durch die Verbindung der Unterleiter zu einem Gesamtleiter redu- ziert bzw. verhindert werden.

Die erfindungsgemäßen Leiter eignen sich insbesondere für hochfrequente Anwendungen, wobei sich die vorliegende Er- findung insbesondere zur Erzeugung planer Spulen und Trans- formatoren eignet.

Durch die vorliegende Erfindung können Wirbelstromverluste auch bei breiten Leitern deutlich reduziert werden. Dadurch sind planare Spulen mit geringerem Widerstand bei hohen Frequenzen und damit Spulen mit-besserem Qualitätsfaktor möglich. Darüberhinaus wird die durch die Wirbelströme mit der Frequenz zunehmende Abnahme der Induktivität verrin- gert, was ebenfalls den Qualitätsfaktor verbessert. Durch die Verringerung der Wirbelstromverluste ist es möglich, Spulen mit mehr Wicklungen und damit kleinerem Radius zu realisieren. Somit sinkt der erforderliche Platzbedarf.

Ferner wird erfindungsgemäß die Stromverteilung im Gesamt- leiter homogener, womit die maximale Stromdichte im Leiter geringer wird, so daß bei vorgegebener maximaler Stromdich- te ein höherer Strom zulässig ist.

Werden planare Spulen unter Verwendung des erfindungsgemä- ßen Leiters realisiert, ist es ferner möglich, die Leiter- bahnbreite der Unterleitungen für die inneren Wicklungen zu verringern. Da das Magnetfeld der Spule im Innern derselben stärker ist, haben die inneren Wicklungen eine größere In- duktivität pro Länge, wodurch es auch unter Berücksichti- gung des steigenden Gleichstromwiderstands sinnvoll ist, hier etwas dünnere Leiter zu verwenden. Somit können Wir- belstromverluste im Falle einer planaren Spule noch weiter reduziert werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfin- dung eine Möglichkeit, den Einfluß einer leitfähigen Struk- tur, d. h. einer leitfähigen Fläche, auf einen in der Nähe derselben befindlichen wechselstromdurchflossenen Leiter zu reduzieren. Durch das durch einen Wechselstromfluß in einem Leiter erzeugte Magnetfeld werden in der benachbarten leit- fähigen Struktur Wirbelströme erzeugt, die wiederum eine Erhöhung des Widerstands in dem wechselstromdurchflossenen Leiter erhöhen. Durch die erfindungsgemäße Strukturierung einer solchen leitfähigen Struktur durch Unterteilungen und Vertauschungen kann dieser Widerstandserhöhung in dem wech-

selstromdurchflossenen Leiter reduziert bzw. verhindert werden.

Bei derartigen leitfähigen Strukturen kann es sich bei- spielsweise um in integrierten Schaltungen bzw. MMICs vor- liegende Masseflächen und breite bzw. dicke Spannungszulei- tungen handeln.

Die erfindungsgemäßen Leiter bzw. leitfähigen Strukturen eignen sich darüber hinaus zur Verwendung in hochfrequenten externen Magnetfeldern, da dann erstens das externe Magnet- feld weniger gestört wird und zweitens keine durch das ex- terne Magnetfeld verursachte erhöhte Stromdichte an den Leiterrändern auftritt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit nicht nur eine Verringerung des Widerstands in wechselstromdurchflossenen Leitern durch eine entsprechende Strukturierung derselben, sondern ermöglicht ferner eine Strukturierung von nicht wechselstromdurchflossenen leitfähigen Flächen, um deren Einfluß auf einen wechselstromdurchflossenen Leiter zu ver- ringern bzw. zu beseitigen, wenn sich eine solche leitfähi- ge Fläche innerhalb des durch den wechselstromdurchflosse- nen Leiter erzeugten Magnetfelds befindet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 Schematisch eine Draufsicht einer bekannten pla- naren Spule ; Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines erfindungsge- mäßen Ausführungsbeispiels einer planaren Spule ; Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines Transformators gemäß dem Stand der Technik ;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht eines Ausführungs- beispiels eines erfindungsgemäßen Transformators ; Fig. 5 eine schematische Draufsicht eines bekannten Lei- ters ; Fig. 6 und 7 schematische Draufsichten von Ausführungs- beispielen erfindungsgemäßer Leiter ; Fig. 8a und 8b schematische Querschnittsansichten erfin- dungsgemäßer Leiter ; Fig. 9 eine schematische Draufsicht eines weiteren Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen plana- ren Spule ; Fig. 10 eine schematische Draufsicht eines weiteren Aus- führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leiters bzw. einer erfindungsgemäßen leitfähigen Struk- tur ; und Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen planaren Spule.

Bevor bezugnehmend auf die Zeichnungen nun bevorzugte Aus- führungsbeispiele näher beschrieben werden, sei darauf hin- gewiesen, daß erfindungsgemäß unter dem Ausdruck"planarer Unterleiter'insbesondere unter Verwendung der Planartech- nik hergestellte Leiterstrukturen zu verstehen sind. Derar- tige planare Leiterstrukturen können nach Bedarf in einer Mehrzahl von Metallisierungsebenen realisiert sein, um Kreuzungen zwischen Leitern bewirken zu können, ohne Kurz- schlüsse zwischen denselben zu verursachen.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß, da Wirbelströme durch zeitlich veränderliche Magnetfelder hervorgerufen werden, im folgenden nur solche Magnetfelder betrachtet werden. So- mit sind im folgenden Formulierungen wie"konstantes Mag-

netfeld"als örtlich konstant und nicht zeitlich konstant zu verstehen.

In Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht einer erfin- dungsgemäßen Spule gezeigt, deren. Wicklungszahl und Spulen- form im wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Spule ent- spricht. Erfindungsgemäß ist der Spulenleiter in einen ers- ten Unterleiter 22 und einen zweiten Unterleiter 24 unter- teilt. Zwischen den Unterleitern 22 und 24 ist ein Spalt 26 gebildet, wobei es vorteilhaft ist, einen möglichst kleinen Spalt zwischen den Unterleitern 22 und 24 zu belassen. Die beiden Unterleiter und der Spalt können zusammen eine Ge- samtbreite aufweisen, die im wesentlichen der eines ent- sprechenden Leiters ohne Unterteilung entspricht, so dass keine Raumverluste auftreten. Dies ist besonders bei moder- nen Halbleiterprozessen gut möglich, da hier die minimal realisierbaren Abstände sehr gering sind, weshalb die Ge- samtbreite des Spulenleiters durch die Unterteilung nur ge- ringfügig verringert wird. Durch diese Verringerung der Ge- samtbreite erhöht sich der Gleichstromwiderstand der Spule, was jedoch durch die erfindungsgemäß erreichte Verringerung der Wirbelstromverluste überkompensiert wird. Die Unterlei- ter 22 und 24 verlaufen wie dargestellt abschnittsweise pa- rallel zueinander, wobei darunter hierin zu verstehen ist, dass die Unterleiter an sich parallel zueinander verlaufen, wobei die einander zugewandten Ränder derselben nicht zwin- gend parallel zueinander verlaufen müssen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Unterleiter 22 und 24 an einem Spulenende 28 und an einem Spulenanfang 30 elekt- risch leitfähig miteinander verbunden. Ferner sind die Un- terleiter 22 und 24 hinsichtlich ihrer Position bezüglich einer gedachten Mittellinie des durch dieselben gebildeten "Gesamtleiters", dort wo die Unterleiter 22 und 24 im we- sentlichen parallel zueinander verlaufen, abschnittsweise vertauscht. Zu diesem Zweck sind bei dem in Fig. 2 gezeig- ten Ausführungsbeispiel an jeder Ecke der Spule Überkreu- zungen vorgesehen, von denen vier beispielhaft mit den Be-

zugszeichen 32a, 32b, 32c und 32d bezeichnet sind. Die Ü- berkreüzungen, die ein jeweiliges Vertauschen der Unterlei- ter implementieren, sind durch jeweilige Unterführungen ü- ber eine andere Metallebene, damit kein Kurzschluß ent- steht, realisiert. An den Kreuzungspunkten 32a und 32c ist der Unterleiter 22 unter dem Unterleiter 24 durchgeführt, während an den Kreuzungspunkten 32b und 32d der Unterleiter 24 unter dem Unterleiter 22 hindurchgeführt ist. Ferner ist wiederum ein Unterführungsbereich 34 für eine Unterführung über eine andere Metallebene vorgesehen, um das Spulenende 30 ohne eine Kurzschlussbildung aus dem Spuleninneren her- auszuführen.

Durch die Vertauschungen der Unterleiter, kann ein magneti- scher Fluß durch die Unterleiter stark reduziert werden, so daß neben der Aufteilung des Gesamtleiters in Unterleiter zusätzliche Wirbelströme zwischen den Unterleitern redu- ziert bzw. verhindert werden.

Durch die Vertauschung der Unterleiter wird der magnetische Fluß durch die durch die Unterleiter 22 und 24 umschlosse- nen Flächen reduziert. Im Sinne einer vereinfachten Be- trachtungsweise sei davon ausgegangen, daß eine zu betrach- tende Fläche dabei jeweils von zwei Unterleitermitten und aufeinanderfolgenden Überkreuzungen zwischen Unterleitern bzw. elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen denselben gebildet ist. Um nun den magnetischen Fluß durch die durch die Unterleiter gebildete Gesamtfläche zu verringern, wer- den erfindungsgemäß die Unterleiter vertauscht, so daß sich die Vorzeichen der umschlossenen Flächen umdrehen und damit der magnetische Fluß durch die Gesamtfläche, die durch die Unterleiter umschlossen wird, abnimmt. Die parasitäre Kapa- zität, die an den Überkreuzungen zwischen den Unterleitern entsteht, ist kaum nachteilig, da die Unterleiter auf nahe- zu gleichem Potential sind.

Durch die beschriebene Umkehr der Vorzeichen der von den Unterleitern umschlossenen Flächen kann in jedem Fall eine

Reduzierung des magnetischen Flusses durch die Gesamtfläche erreicht werden. Es ist dabei gleichgültig, ob die Vertau- schung an einer Ecke oder in einer Geraden erfolgt. Bei ei- ner Spule, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, ändert sich das magnetische Feld von innen nach außen, so daß es sinnvoll ist, die Abstände zwischen den Vertauschungen relativ kurz zu wählen. Beispielsweise sollte pro Wicklung, d. h. Umdre- hung, mindestens eine"komplette Vertauschung"vorgesehen sein, wobei unter dem Ausdruck"komplette Vertauschung". ei- ne solche Anordnung der Unterleiter zueinander verstanden wird, die eine näherungsweise Aufhebung des magnetischen Flusses bewirkt. Da bei jeder kompletten Vertauschung in erster Näherung der magnetische Fluß aufgehoben wird, ist es optional möglich, bei jeder kompletten Vertauschung eine elektrische Verbindung zwischen den Unterleitern herzustel- len.

Obwohl in Fig. 2 eine Spule mit zwei Unterleitern darge- stellt ist, kann erfindungsgemäß ein Spulenleiter in Nu pa- rallele Unterleiter aufgeteilt werden, wobei Nu eine natür- liche Zahl größer als 1 ist. Nu wird möglichst klein, aber so groß gewählt, daß die Breite jedes Unterleiters so schmal wird, daß keine wesentlichen Wirbelstromverluste mehr auftreten. Für einen Leiter bei 1 GHz wären dies bei- spielsweise 5 um, was jedoch lediglich einen groben Richt- wert darstellt, der darüber hinaus vom jeweilig verwendeten Prozeß abhängig ist. Für höhere Frequenzen eignen sich ent- sprechend schmälere Unterleiter. Im Idealfall liegt die Un- terleiterbreite in der Größenordnung der Skintiefe, wobei jedoch deutliche Verbesserungen auch bereits für breitere Unterleiter erhalten werden können. Ferner kann es vorteil- haft sein, den Leiter einer erfindungsgemäßen planaren Spu- le im Bereich der inneren Wicklungen öfter zu unterteilen als im Bereich der äußeren Wicklungen, da dort das magneti- sche Feld stärker ist. Eine Veränderung der Anzahl von Un- terleitern, d. h. eine Nu-Veränderung, kann an den oben be- schriebenen optionalen Verbindungspunkten zwischen den Un-

terleitern bei einer jeweiligen kompletten Vertauschung er- folgen.

Wie oben dargelegt wurde, wird unter dem Ausdruck"komplet- te Vertauschung'eine solche Anordnung von Unterleitern verstanden, nach der in erster Näherung der magnetische Fluß aufgehoben ist bzw. sich durch die umgekehrten Vorzei- chen der Teilflächen ausgelöscht hat. Im Falle eines erfin- dungsgemäßen Leiters der Länge 1, der zwei Unterleiter auf- weist, kann eine komplette Vertauschung folglich erreicht werden, indem ein Positionswechsel zwischen den Unterlei- tern bei halber Länge 1/2 erfolgt, so daß die dann jeweils umschlossenen Teilflächen mit umgekehrtem Vorzeichen eine identische Größe besitzen. Somit kann durch eine einzige symmetrische Vertauschung bei zwei Unterleitern eine kom- plette Vertauschung mit einer Auslöschung des magnetischen Flusses durch die von den Unterleitern eingeschlossene Ge- samtfläche bewirkt werden, wenn ein örtlich konstantes Mag- netfeld vorliegt. Unterscheidet sich das Magnetfeld in den Teilbereichen des geraden Leiters, so kann die Position des Unterleiterwechsels, d. h. des Unterleiterpositionswech- sels, entsprechend angepaßt werden, um wiederum eine Auslö- schung des magnetischen Flusses zu erreichen.

Im folgenden wird eine Auslöschung bezogen nur auf ein ört- lich konstantes Magnetfeld als Auslöschung 0. Ordnung be- zeichnet, während eine Auslöschung mit Beachtung eines Mag- netfeldgradienten als Auslöschung 1. Ordnung bezeichnet wird. An dieser Stelle sein angemerkt, daß in jedem Fall bereits eine Auslöschung 0. Ordnung eine wesentliche Ver- besserung hinsichtlich der Wirbelstromverluste liefert.

Wenn der Leiter in mehr als zwei Unterleiter unterteilt wird, kann eine komplette Vertauschung in mehreren Teil- schritten erfolgen. Soll auch der Gradient des Magnetfelds beachtet werden, d. h. soll eine Auslöschung 1. Ordnung be- wirkt werden, ist eine komplette Vertauschung in Teil- schritten dann sogar notwendig. Bei einem örtlich konstan-

ten Magnetfeld wird eine komplette Auslöschung aller magne- tischen Flüsse durch alle Kombinationen von Unterleitern bereits mit einer einzigen symmetrischen Vertauschung um die Leitermitte erreicht, wenn die Abstände zum Leiteran- fang bzw. Leiterende vor und nach der Vertauschung gleich sind. Gibt es jedoch einen Gradienten im Magnetfeld, der senkrecht auf der Leiterrichtung steht, so kann eine kom- plette Auslöschung aller magnetischen Flüsse durch alle Kombinationen von Unterleitern erreicht werden, indem Nu Teilvertauschungen vorgenommen werden, durch die jeder Un- terleiter genau einmal jede der Nu-Unterleiterpositionen des Leiters einnimmt. Eine komplette Vertauschung ist dann mit der Nu-ten Teilvertauschung erreicht.

Im folgenden werden einige exemplarische Beispiele dafür gegeben, wie eine Vertauschung konkret erfolgen kann. Bei jeder Vertauschung werden die Unterleiter dabei auf ver- schiedene Metallisierungsebenen gebracht, damit keine e- lektrische Verbindung entsteht. Darüber hinaus kann, wie oben angegeben wurde, wahlweise bei jeder kompletten Ver- tauschung eine elektrische Verbindung zwischen den Unter- leitern realisiert sein, so dass an diesen Punkten keine Unterführung über verschiedene Metallisierungsebenen not- wendig ist.

Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Unterleiter in regelmäßigen Abständen zu vertauschen, wobei unter regelmä- ßig hier auch Abstände zu verstehen sind, die durch ein re- gelmäßiges Muster bedingt sind, beispielsweise eine jewei- lige Vertauschung an den Spulenecken, wie sie in Fig. 2 ge- zeigt ist. Die Abstände der Vertauschungen, wie sie in Fig.

2 gezeigt sind, nehmen nach innen hin ab. Eine Vertauschung kann dabei jeweils symmetrisch um die Leitermitte erfolgen, wobei außenliegende Unterleiter nach innen und innenliegen- de Unterleiter nach außen gelegt werden. Bei einer ungera- den Unterteilungszahl braucht der mittlere Leiter dann nicht vertauscht zu werden, wobei sich eine Auslöschung 0.

Ordnung ergibt. Um eine Auslöschung 1. Ordnung zu errei-

chen, kann eine Vertauschung unter Verwendung einer Rotati- on durchgeführt werden, beispielsweise von innen nach au- ßen, wobei der äußerste Unterleiter nach innen kommt, wäh- rend alle anderen um eine Position nach außen geschoben werden. Bei dieser Vorgehensweise ist eine komplette Ver- tauschung nach Nu-Teilvertauschungen erreicht. Eine Auslö- schung l. Ordnung kann jedoch auch durch jede andere Summe aus Vertauschungen erreicht werden, bei der jeder Unterlei- ter jede der Nu Unterleiterpositionen gleich lange besetzt.

Im Falle aufeinandergestapelter Spulen, wobei unter aufein- andergestapelten Spulen planare Spulen zu verstehen sind, bei denen in zwei oder mehr Schichten übereinander seriell verbundene Teilspulen eine Gesamtspule bilden, genügt es, eine Vertauschung beim Schichtwechsel vorzunehmen, um eine Auslöschung 0. Ordnung zu erreichen. Dieser Sonderfall ent- steht dadurch, daß hier der Mittelpunkt der Gesamtspule ausgezeichnet ist.

Auch im Falle symmetrischer Spulen reicht genau eine sym- metrische Vertauschung in der Mitte aus, um eine Auslö- schung 0. Ordnung zu erreichen, da durch die Symmetrie dann die Flächen und damit magnetischen Flüsse auf beiden Seiten umgekehrt gleich groß sind.

Zur Erreichung einer Auslöschung 0. Ordnung kann jeweils genau eine symmetrische Vertauschung gezielt so plaziert werden, daß sich die magnetischen Flüsse aufheben, wie es oben beispielsweise anhand eines geraden Leiters der Länge 1 dargelegt wurde. Um nun eine Auslöschung erster Ordnung zu realisieren, kann es notwendig sein, eine komplette Ver- tauschung nicht in regelmäßigen Abständen, wie es oben be- schrieben wurde, sondern gezielt zu setzten. Somit ist eine wirklich komplette Auslöschung möglich, d. h. sowohl ein Magnetfeldgradient senkrecht zum Leiter als auch ein Mag- netfeldgradient längs zum Leiter kann berücksichtigt wer- den, wobei solche Gradienten insbesondere bei unsymmetri- schen Spulen auftreten. Ist der Magnetfeldgradient nicht

bekannt, so kann das Verhalten bezüglich eines Magnetfeld- gradienten ohne genaue Untersuchung desselben dadurch ver- bessert werden, dass möglichst viele Vertauschungen pla- ziert werden. Darüber hinaus kann durch die angegebene ge- zielte Plazierung unter Berücksichtigung des ortsabhängigen Magnetfelds eine weitere Verbesserung des Verhaltens bis hin zu einer kompletten Auslöschung erreicht werden.

Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 werden nun Ausführungs- beispiele einer Anwendung des erfindungsgemäßen Leiters be- züglich planarer Transformatoren beschrieben. Bei planaren Transformatoren handelt es sich um zwei oder mehr auf ver- schiedene Arten umeinander oder ineinander gewickelte pla- nare Spulen. Auf jede dieser Einzelspulen kann eine erfin- dungsgemäße Leiterbahnunterteilung bzw. eine Vertauschung entsprechend bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorlie- genden Erfindung angewendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel für einen Transformator gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 3 gezeigt, in der ein unter- teilter Primärleiter 36 und ein Sekundärleiter 38 gezeigt sind. Der Sekundärleiter 38 ist zur Verbesserung der magne- tischen Kopplung mit dem unterteilten Primärleiter 36 in- einander gelegt, d. h. zwischen Unterleitern 40 und 42 des Primärleiters 36 angeordnet. An den Primärleiterenden 44 und 46 sind die Unterleiter 40 und 42 des Primärleiters 36 elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Das Leiterende 46 des Primärleiters und das Leiterende 50 des Sekundärlei- ters sind mittels einer Unterführung 51 auf einer anderen Metallebene herausgeführt, damit kein Kurzschluß entsteht.

Nachteilig an der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist jedoch, daß die parasitäre kapazitive Kopplung steigt. Da von der Primärleiterbahn ferner eine große Fläche umschlossen wird, fließt auch ein entsprechend großer magnetischer Fluß hin- durch, der wiederum Wirbelströme induziert.

Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Transformators sind die angegebenen Nachteile hinsichtlich

der Wirbelströme vermindert bzw. verhindert, indem die Un- terleiter 40 und 42 der Primärwicklung, d. h. des Primär- leiters, vertauscht werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Der Unterleiter 40 ist bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungs- beispiel an der mittleren Ecke zwischen den Leiterenden 44 und 46 mit dem Unterleiter 42 vertauscht. Wiederum sind entsprechende Unterführungen 52 vorgesehen, um einen Kurzschluß zu verhindern. Bei diesem Beispiel eines Trans- formators ist es vorteilhaft, möglichst wenige Vertauschun- gen vorzunehmen, beispielsweise eine Vertauschung pro Wick- lung, da die parasitäre Kapazität zur Sekundärwicklung 38 einen negativen Einfluß hat. Allgemein kann jede Einzelspu- le eines Transformators, der einen erfindungsgemäßen Leiter aufweist, getrennt betrachtet werden, wobei jeder in Fig. 4 dargestellte Leiter bzw. Unterleiter in zusätzliche Sublei- ter aufgeteilt werden kann. Es werden dann sowohl die Sub- leiter innerhalb jedes Leiters bzw. Unterleiters als auch die Unterleiter den obigen Vertauschungsregeln unterworfen.

Für eine vollständige Unterdrückung der Wirbelströme wird dann jeder Subleiter jede Position innerhalb seines Leiters zu gleichen Teilen einnehmen. Ein Subleiter bezüglich des Unterleiters 42 würde also alle Subleiterpositionen inner- halb der Unterleiter 40 und 42, die gemeinsam den Primär- leiter bilden, einnehmen.

Bezugnehmend auf die Fig. 5 bis 7 werden nun zwei beispiel- hafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Leiters be- schrieben. Die erfindungsgemäße Aufteilung eines Leiters in Unterleiter und die Vertauschung ist auch für reine Über- tragungsleitungen sinnvoll. Auch in einer reinen Übertra- gungsleitung erzeugt das durch einen in der Leitung flie- ßenden Strom erzeugte Magnetfeld Wirbelströme, die als Skineffekt bekannt sind. Diese Skineffektverluste können durch Aufteilen in Unterleitungen und Vertauschen dieser Unterleitungen stark unterdrückt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß sich das Vorzeichen des magnetischen Flusses bei der Leitermitte umdreht. Es gibt also kein konstantes Magnetfeld und damit ist eine symmetrische Vertauschung,

wie sie für eine Auslöschung 0. Ordnung benutzt wird, wir- kungslos. Allgemein sind die Ausführungen zur Auslöschung 1. Ordnung anzuwenden. Nachfolgend werden Sonderfälle be- schrieben, die Leiterbesonderheiten zur Vereinfachung nut- zen.

Zwei Ausführungsbeispiele eines solchen Leiters mit Skinef- fektverlustunterdrückung sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt, wobei in Fig. 5 ein Abschnitt eines bekannten Leiters dar- gestellt ist, um zu verdeutlichen, daß die erfindungsgemä- ßen Leiter in der Gesamtheit eine Breite aufweisen, die im wesentlichen der des bekannten Leiters entsprechen kann.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der erfindungsgemäße Leiter vier Unterleiter 60,62, 64 und 66, die jeweils an den Leiterenden 68 bzw. 70 elektrisch mit- einander verbunden sind. Ferner ist gemäß Fig. 6 eine Ver- tauschung vorgesehen, um den Skineffekt über das gesamte in Fig. 6 gezeigte Leiterstück auszulöschen. Gemäß dem Ausfüh- rungsbeispiel in Fig. 6 wird eine Vertauschung getrennt für beide Hälften des Leiters vorgenommen, d. h. die Positionen der Unterleiter 60 und 62 werden in der Mitte des Leiter- stücks vertauscht, und die Positionen der Unterleiter 64 und 66 werden in der Mitte des dargestellten Leiterstücks vertauscht. Entsprechende Unterführungen 72 unter Verwen- dung unterschiedlicher Metallisierungsebenen sind ebenfalls schematisch dargestellt. Obwohl in Fig. 6 lediglich zwei Unterleiter pro Leiterhälfte gezeigt sind, können drei oder mehr Unterleiter pro Leiterhälfte vorgesehen sein, die so vertauscht sind, dass jeweils jeder Unterleiter zumindest einmal jede Unterleiterposition der Leiterhälfte, zu der der Unterleiter gehört, einnimmt.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt der erfindungsgemäße Leiter ebenfalls vier Unterleiter 60, 62,64 und 66, die wiederum an den Enden 68 bzw. 70 des Leiters elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden bei der mittig ange-

ordneten Vertauschung die Positionen der oberen beiden Un- terleiter 60,62 mit den Positionen der unteren beiden Un- terleiter 64 und 66 vertauscht. Zur Realisierung der Ver- tauschungen sind wiederum entsprechende Unterführungen 74 verwendet. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Effekt ausgenutzt, daß sich das Vorzeichen des Ma- gnetfelds in der Leitermitte umdreht. Obwohl in Fig. 7 nur zwei Unterleitergruppen gezeigt sind, die jeweils aus zwei Unterleitern 60 und 62 bzw. 64 und 66 bestehen, können drei oder mehr Unterleitergruppen vorgesehen sein, die derart vertauscht sind, dass jede Unterleitergruppe zumindest einmal jede Unterleiterposition einnimmt.

Beide in den Fig. 6 und 7 beschriebenen Ausführungsbeispie- le vernachlässigen ein von anderen Leitern erzeugtes Mag- netfeld. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Beispielen der vorliegenden Erfindung bei Anwendung auf eine Spule sind für einfache Leitungen auch größere Unterleiterabstän- de bezüglich der magnetischen Eigenschaften eher vorteil- haft. Bei dem erfindungsgemäßen Leiter bzw. der erfindungs- gemäßen Leitung unter Verwendung mehrerer Unterleiter mit entsprechenden Vertauschungen zur Unterdrückung von Skinef- fektverlusten steigt der Leitungswiderstand bei hohen Fre- quenzen geringer an.

Bezugnehmend auf die Fig. 8a und 8b werden nun noch zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Leitungen bei einer vertikalen Verschaltung bzw. Anordnung, d. h. einer plana- ren Anordnung über mehrere Metallisierungsebenen übereinan- der, beschrieben.

In Fig. 8a ist eine schematische Querschnittsansicht eines Leiters gezeigt, der zwei Unterleiter 80 und 82 aufweist, die unterschiedlichen Metallisierungsebenen angehören und somit durch ein isolierendes Substrat, das schematisch bei 84 gezeigt ist, getrennt sind. Bei dem in Fig. 8a gezeigten Beispiel können durch entsprechende Vertauschungen vertika- le Wirbelströme verringert werden, so daß wiederum eine Re-

duzierung von Wirbelstromverlusten erfolgt. Das Beispiel ist jedoch nachteilig dahingehend, daß Wirbelströme in la- teraler Richtung der Unterleiter 80 und 82 nicht wirksam unterdrückt werden.

Ein diesbezüglich bevorzugteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8b gezeigt, bei der die in Fig. 8a gezeigten paralle- len Leiter 80 und 82 nochmals in Unterleiter 80a, 80b bzw.

82a, 82b unterteilt sind. An entsprechenden Vertauschungs- punkten können nun der Leiter 80a mit dem Leiter 80b und der Leiter 82a mit dem Leiter 82b vertauscht sein. Wird die Gesamtdicke einer durch die vier Unterleiter 80a, 80b, 82a, 82b gebildeten Leiterbahn so dick, daß nicht nur Wirbel- ströme in der Horizontalen, sondern auch in der Vertikalen stören, kann analog zu dem oben Beschriebenen eine Vertau- schung nicht nur zwischen den Leitern der einzelnen Metal- lisierungsebenen, sondern auch von oben nach unten, d. h. zwischen den Leitern 80a und 82a bzw. 80b und 82b, erfol- gen. Die möglichen Vertauschungen sind in Fig. 8b durch Pfeile angezeigt. Somit können sowohl vertikale als auch horizontale Wirbelströme verringert werden, wobei die ver- tikale Vertauschung und die horizontale Vertauschung unab- hängig voneinander erfolgen können. Eine vollständige Redu- zierung der Wirbelstromverluste in allen Richtungen wird erreicht, wenn alle Unterleiter durch Vertauschung jeweils gleich lang an jeden Ort gelegt werden, d. h. zu gleichen Teilen jede Unterleiterposition besetzen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anwendung der vor- liegenden Erfindung auf eine planare Spule ist in Fig. 9 gezeigt.

Fig. 9 zeigt eine achteckige planare Spule, bei der der Leiter mit einem Leiteranfang 100 und einem Leiterende 102 zwischen denselben in drei Unterleiter 104,106 und 108 un- terteilt ist. Wie dargestellt ist, ist bei dieser Spule an den Vertauschungsstellen, die wiederum durch Unterführungen gebildet sind, die in Fig. 9 schraffiert dargestellt sind

und von denen drei beispielhaft mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet sind, jeweils der innerste Leiter nach außen ge- führt, um eine Rotationsvertauschung zu erreichen. Wie dar- gestellt ist, sind acht Vertauschungen vorgesehen, so dass jeder der Unterleiter 104,106 und 108 näherungsweise zu gleichen Teilen jede der Unterleiterpositionen besetzt, um eine im wesentlichen vollständige Auslöschung des magneti- schen Flusses durch die von den Unterleitern besetzten Teilflächen zu bewirken.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Spule sind an dem Leiteran- fang 100 bzw. dem Leiterende 102 die Unterleiter wiederum elektrisch leitfähig miteinander verbunden, wobei bei die- sem Beispiel der Leiter im Bereich der Unterführung 112, die vorgesehen ist, um das Leiterende 102 herauszuführen, nicht mehr unterteilt ist.

In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß strukturierten Leiter dargestellt. Der ge- zeigte Leiter umfasst vier Unterleiter 120,122, 124 und 126, die am Leiteranfang 128 und am Leiterende 130 elekt- risch leitfähig verbunden sind. Bei diesem Leiter sind drei Rotationsvertauschungen 132 vorgesehen, die vier gleich lange Leiterabschnitte definieren. Somit ergibt sich bei dem dargestellten Leiterabschnitt eine komplette Vertau- schung bei vier Unterleitern, wobei eine elektrisch leitfä- hige Verbindung statt der vierten Vertauschung vorgesehen ist.

Der in Fig. 10 dargestellte Leiter kann nun auch als leit- fähige Struktur betrachtet werden, die an sich nicht strom- durchflossen ist, beispielsweise eine Massefläche oder Spannungszuführungsleitung einer integrierten Schaltung.

Diese leitfähige Struktur kann nun in der Nähe eines wech- selstromdurchflossenen Leiters angeordnet sein, wobei ein solcher Leiter 140 in Fig. 10 angedeutet ist. Der Leiter 140 weist durch die in der leitfähigen Struktur vorgesehe-

nen Unterteilungen und Vertauschungen geringere Wirbel- stromverluste auf.

Der Leiter 140 kann beispielsweise ein Abschnitt einer Spu- le sein. Durch das Spulenfeld werden Wirbelströme in der leitfähigen Struktur, die ein an sich nicht wechselstrom- durchflossener Leiter oder aber auch ein ebenfalls wechsel- stromdurchflossener Leiter sein kann, erzeugt, die wiederum nachteilige Effekte in dem Leiter 140 verursachen. Durch die Anwendung von Unterteilung und Vertauschung auf die leitfähige Struktur können diese unterdrückt werden. Gene- rell können dabei wieder die oben aufgeführten Vertau- schungsregeln beachtet werden, mit denen auch die Skinef- fektverluste des Leiters selbst unterdrückt werden können, beispielsweise eine Vertauschung durch Rotation der Leiter- positionen.

Erfindungsgemäß können somit eine Anzahl von Verbesserungen erreicht werden. Zum einen wird der Qualitätsfaktor des Leiters, beispielsweise der Spule, verbessert und zum ande- ren ist es möglich, Leitungen dichter an Spulen vorbei zu führen, wodurch eine höhere Packungsdichte erreicht wird.

Darüber hinaus können leitfähige Flächen, wie z. B. Masse- ebenen oder Spannungszuführungsleitungen, näher an wechsel- stromführenden Leitungen vorgesehen werden, ohne das Ver- halten in den wechselstromführenden Leitungen wesentlich zu beeinträchtigen. Außerdem ist der Strom gleichmäßiger ver- teilt, wodurch bei vorgegebener maximaler Stromdichte ein größerer Strom zulässig ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Realisierung verlustarmer Leitungen sowohl für die Verwendung als Über- tragungsleitungen durch Reduzierung bzw. Unterdrückung von Skineffektverlusten als auch für die Verwendung in Spulen bzw. Transformatoren durch Reduzierung bzw. Unterdrückung von dort auftretenden Wirbelstromverlusten. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Realisierung von planaren Spulen und Transformatoren, die durch Strukturie-

rung in einer mehrlagigen Schichtstruktur hergestellt wer- den, beispielsweise auch in der MCM-D-Technologie. Ferner eignet sich die vorliegende Erfindung zur Herstellung pla- narer Spulen und Transformatoren in integrierten Schaltun- gen, beispielsweise CMOS-Strukturen, BiCMOS-Strukturen, bi- polaren Strukturen in Silizium, GaAs oder SiGe. Die vorlie- gende Erfindung eignet sich dabei zur Herstellung planarer Spulen und Transformatoren für Hochfrequenzanwendungen, beispielsweise in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 50 GHz. Wie beschrieben, eignet sich die vorliegende Erfindung darüber hinaus für Leitungen, die in mehrlagigen Schicht- strukturen durch Strukturierung hergestellt werden, bei- spielsweise Leitungen in integrierten Schaltungen der oben genannten Technologien, d. h. CMOS-Technologien, BiCMOS- Technologien und bipolaren Technologien in Silizium, GaAs, AlGaAs oder SiGe.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt. Die dort dargestellte planare Spule weist eine Mehrzahl von Wicklungen auf, nämlich 2 3M4t und entspricht diesbezüglich der in Fig. 1 gezeigten bekannten Spule. Jedoch ist gemäß Fig. 11 der Spulenleiter in zwei Unterleiter 200 und 202 unterteilt. Die Unterleiter 200 und 202 sind am Spulenanfang 204 und 206 elektrisch leitfähig verbunden, können jedoch auch extern unter Verwendung von Verbindungsleitern elektrisch leitfähig verbunden sein. Die Unterteilung des Spulenleiters in Unterleiter erfolgt vor- zugsweise so, daß die durch die beiden Unterleiter und den Zwischenraum 208 zwischen denselben definierte Breite im wesentlichen der Breite des ursprünglichen, nicht unter- teilten, Spulenleiters, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, ent- spricht.

Das Magnetfeld der in Fig. 11 gezeigten Spule besitzt in der Mitte derselben eine erste Richtung, während es im äu- ßeren Bereich eine entgegengesetzte Richtung aufweist. Das bedeutet, daß sich das Vorzeichen des magnetischen Flusses von innen nach außen ändert. Somit findet eine Reduzierung des Flusses allein durch eine Unterteilung des Spulenlei- ters ohne Vertauschung und/oder Verbindung zwischen Unter- leitern statt.