DE102006022785A1

DE102006022785A1 - Induktives Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bau-elements

Info

Publication number: DE102006022785A1
Application number: DE102006022785A
Authority: DE
Inventors: Dieter GÖTSCH; Richard Dr. Matz; Ruth MÄNNER
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-22
Also published as: TW200802436A; JP4971432B2; US7973631B2; CN101443863B; DE502007005763D1; EP2018643A1; JP2009537976A; KR20090015975A; KR101433838B1; US20090102591A1; CN101443863A; EP2018643B1; WO2007131884A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements, welches aus mehreren Schichten ausgebildet wird, bei dem nachfolgende Schritte durchgeführt werden: a) Anordnen eines elektrisch leitenden Materials (511 bis 514; 521 bis 524) als Wicklung des Bauelements (I, II, III, IV) an einer ersten nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h); b) Ausbilden zumindest einer durchgängen Aussparung (53, 53', 53'', 53''') in der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h); c) Anordnen einer ersten magnetischen Keramikschicht (6) an einer Oberseite und einer zweiten magnetischen Keramikschicht (7) an einer Unterseite der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) und d) Durchführen eines Prozessschrittes, bei dem zumindest eine der magnetischen Keramikschichten (6, 7) plastisch verformt wird, derart, dass die beiden magnetischen Keramikschichten (6, 7) im Bereich der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') kontaktiert werden und einen magnetischen Kern des Bauelements (I, II, III, IV) ausbilden. Die Erfindung betrifft auch ein derartiges induktives Bauelement.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements, welches aus mehreren Schichten ausgebildet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein derartiges induktives Bauelement.
Stand der Technik
Statische Magnetvorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren und Induktoren, sind wesentliche Elemente von Schaltkreisen, welche zur Speicherung und Umwandlung von Energie, zur Impedanzanpassung, zur Filterung, zur Unterdrückung elektromagnetischer Störstrahlung oder aber auch zur Spannungs- oder Stromumwandlung konzipiert sind. Darüber hinaus sind diese Bauelemente auch wesentliche Komponenten von Resonanzkreisen. Induktive Bauelemente beruhen auf der Erzeugung magnetischer Wechselfelder durch Primärströme, die ihrerseits Sekundärströme induzieren. Bei hohen Frequenzen können sie deshalb mit akzeptabler Kompaktheit und Effizienz ohne magnetische Werkstoffe durch geeignete Anordnung der Strompfade hergestellt werden. Für eine Miniaturisierung haben sich gegenüber den drahtgewickelten, relativ kostenintensiven Bauteilen, teilweise planare Wicklungen bewährt, die sich in konventionelle mehrlagige Schaltungsträger aus organischen oder keramischen Werkstoffen integrieren lassen. Insbesondere sind hier die weit verbreiteten Schaltungsträger aus FR4-Material oder die LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)-Technologie zu nennen. Bei dieser Technologie werden ungesinterte keramische Grünfolien unter Verwendung metallgefüllter, elektrisch leitfähiger Pasten in Stanz- und Siebdruckverfahren mit Durchkontaktierungen und planaren Leitungsstrukturen versehen und anschließend im Stapel zusammen gesintert. Dabei ent stehen thermisch belastbare, verlustarme, hermetisch dichte Substrate, die konventionell weiter bestückt werden können.
Für das weite Anwendungsfeld der Strom- und Spannungstransformation sowie der Tiefpassfilter in leistungselektronischen Schaltungen sind wegen der niedrigen Frequenzen Bauelemente mit verbesserter magnetischer Kopplung auf Basis magnetischer Werkstoffe erforderlich, die den magnetischen Fluss verstärken und formen können. Hierfür sind eine Vielzahl von Varianten von Spulen- und Transformatorkernen aus ferritischer Keramik kommerziell verfügbar, die sich nachträglich mit Hilfe von Metallklammern an den erwähnten planaren Schaltungsträgern befestigen lassen.
Vollkommen monolithische Lösungen, die eine kostengünstigere Herstellung im Nutzen versprechen, haben sich aufgrund tiefer gehender Ansprüche an Material- und Prozesstechnik noch nicht etablieren können. Ein Problempunkt hierbei ist, dass eine Steigerung der magnetischen Leistungsfähigkeit von Ferriten, d. h. der Permeabilität des Materials, mit Hilfe keramischer Technologien erfahrungsgemäß mit einer Abnahme ihres spezifischen Widerstands und damit der wichtigen Gleichspannungsisolation zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators einhergeht. Um dem entgegenzutreten kann prinzipiell eine Einbettung der Strom führenden Windungen in gut isolierendes Material geringer Permeabilität vorgesehen werden. Es entspricht der Drahtisolation und der Luft bei den drahtgewickelten Bauelementen.
Die beiden räumlichen Gebiete mit hoher magnetischer Permeabilität einerseits und guter Isolation der Windungen andererseits sind in grundlegender Form in 1 dargestellt. Dort ist ein Ringkern 1 gezeigt, welcher einerseits von einer Primärwicklung 2 und andererseits von einer Sekundärwicklung 3 umringt ist. Eine weitere grundlegende Ausgestaltung ist in 2 gezeigt. Dort sind zwei Ringkerne 1a und 1b vorgesehen, welche in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei beide Ringkerne 1a und 1b durch eine Primärwicklung 2 und eine Sekundärwicklung 3, welche horizontal übereinander angeordnet sind, umringt sind.
In 3 ist eine Schnittdarstellung in der Ebene der Primärwicklung 2 gemäß der Darstellung 2 gezeigt. In gestrichelter Ausführung ist dabei die Wicklung 2 zu erkennen, welche einen Zentralbereich 11 des Ferrit-Kerns, welcher durch die Ringkerne 1a und 1b gebildet wird, umgibt. Durch die Ringkerne 1a und 1b wird ein Ferrit-Kern des induktiven Bauelements gebildet. Die in der Schnittdarstellung erfassten vertikalen Ferrit-Schenkel werden durch Ferrit-Deckschichten auf der Ober- und Unterseite zu diesen Ringkernen 1a und 1b geschlossen. Die Wicklungen 2 und 3 sowie die Ringkerne 1a und 1b sind in ein Dielektrikum 4 eingebettet.
In 4 ist eine weitere Schnittdarstellung dargestellt, welche eine Approximation an einen Topfkern mit fünf vertikalen Schenkeln aus Ferrit-Material zeigt. Die Schenkel sind durch den Zentralbereich 11 und den vertikalen äußeren Schenkeln 1a, 1b, 1c und 1d charakterisiert. Auch hier ist die Anordnung in ein isolierendes dielektrisches Medium eingebettet.
Aus der US 5,349,743 ist ein Verfahren zum Herstellen eines monolithisch integrierten Planartransformators auf Basis der LTCC-Technologie bekannt. Die in den 1 und 2 gezeigten Grundstrukturen werden dabei durch Verbindung eines Werkstoffs mit niedriger Permeabilität bei höherem spezifischen Widerstand und eines Werkstoffs mit höherer Permeabilität bei geringerem spezifischen Widerstand hergestellt. Die Integration dieser beiden Werkstoffe erfolgt durch Ausstanzen von Öffnungen in den Folien des einen Werkstoffs, Füllen der Öffnungen mit Folienstücken oder Folienstapeln des anderen Werkstoffs und anschließendes gemeinsames Sintern. Dieser Intarsien-Prozess ist selbst bei gut aufeinander abgestimmten Werkstoffen aufwändig und fehleranfällig und somit auch relativ teuer, da die Folien auf Stoß verarbeitet werden müssen.
Darüber hinaus ist aus der US 6,198,374 ein Verfahren auf Basis konventioneller LTCC-Technik bekannt. Bei diesem Verfahren wird nur eine Foliensorte, nämlich die aus dem bestgeeigneten Ferrit eingesetzt, um die Leiterbahnen darauf aufzudrucken. Diese werden anschließend beispielsweise durch Siebdruck mit unmagnetischem, dielektrischem Material beschichtet. Dadurch soll in der Umgebung der Windungen einer Wicklung die effektive Permeabilität und die auf der Leckage von Feldlinien beruhende Streuinduktivität reduziert werden. Zusätzlich soll dadurch die elektrische Isolation zwischen den Windungen verbessert werden. Nachteilig ist die zusätzliche Materialschicht im Bereich der Windungen, die zur Vermeidung von Spannungsrissen nicht beliebig dick gewählt werden kann. Insbesondere sind bereits die Leiterbahnen selbst bei leistungselektronischen Anwendungen so dick wie möglich auszulegen, um Widerstandsverluste zu reduzieren. Das bekannte Verfahren bietet somit nur beschränkte Wirksamkeit.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem ein induktives Bauelement mit hoher Spannungsfestigkeit aufwandsarm hergestellt werden kann. Darüber hinaus ist es auch Aufgabe, ein derartiges induktives Bauelement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein induktives Bauelement, welches die Merkmale nach Patentanspruch 20 aufweist, gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements wird dieses aus mehreren Schichten ausgebildet. Dabei wird ein elektrisch leitendes Material als Windung oder Wicklung des Bauelements an einer ersten nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht angeordnet. Des Weiteren wird zumindest eine durchgängige Aussparung in der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht ausgebildet. Eine erste magnetische Keramikschicht oder ein entsprechender Schichtenstapel wird bzw. werden an einer Oberseite dieser nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht angeordnet. Eine separate zweite magnetische Keramikschicht oder ein entsprechender Schichtenstapel wird bzw. werden an einer Unterseite der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht angeordnet. Dieser so geschaffene Zwischenzustand des induktiven Bauelements wird dann zumindest einem weiteren Prozessschritt unterzogen, bei dem zumindest eine der magnetischen Keramikschichten plastisch verformt wird, derart, dass die beiden magnetischen Keramikschichten im Bereich der Aussparung kontaktiert werden und einen magnetischen Kern des Bauelements ausbilden. Durch das Verfahren kann in aufwandsarmer und somit auch kostengünstiger Weise ein induktives Bauelement erzeugt werden. Das induktive Bauelement kann dabei mit einer optimierten Spannungsfestigkeit zwischen den Windungen bzw. den Wicklungen des induktiven Bauelements erzeugt werden. Die Reihenfolge der Prozessschritte ist durch oben genannte Aufzählung nicht festgelegt. Insbesondere die die beiden erstgenannten Schritte können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird das elektrisch leitende Material in die nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht eingebettet oder aufgedruckt. Die nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht und die magnetischen Keramikschichten sind bevorzugt als Folien bereitgestellt.
Die Ausmaße der Aussparung in der Ebene der Keramikschicht werden im Vergleich zur Dicke der Keramikschicht größer ausgebildet.
Im Vergleich zum Stand der Technik werden die Windungen bzw. Wicklungen somit bevorzugt konventionell in die unmagnetische dielektrische Keramiklage eingebettet oder zumindest dort aufgedruckt. Die Erfahrung zeigt, dass Lagenzahlen von 5 bis 10 für eine Vielzahl von Anwendungen hinreichend sind und somit eine relativ geringe Materialstärke des gesamten induktiven Bauelements von einigen wenigen 100 μm resultiert. Um eine magnetische Durchkontaktierung verwirklichen zu können, wird zumindest eine nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht mit bevorzugt gestanzten Öffnungen versehen, deren Ausdehnung groß im Vergleich zur Materialstärke des Multilayers ist. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass eine Aussparung einen Durchmesser zwischen 1 mm und 3 mm, bevorzugt etwa 2 mm, aufweist.
Bevorzugt werden anschließend dann auf die Oberseite und die Unterseite dieser nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht bevorzugt jeweils zumindest eine geschlossene Deckfolie aus Ferrit in vorteilhafter Weise auflaminiert.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass diese magnetischen Keramikschichten unmittelbar auf die elektrisch leitenden Materialien und somit auf die Verbindungen bzw. Wicklungen und auf die Oberseite und die Unterseite der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht aufgebracht werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Windungen bzw. Wicklungen durch eine weitere nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht bedeckt sind und somit im Wesentlichen vollständig von nicht-magnetischem, dielektrischem Material umgeben ist. Eine unmittelbare Verbindung mit den magnetischen Keramikschichten ist bei dieser Ausgestaltung nicht vorgesehen.
In vorteilhafter Weise wird der Prozessschritt zum plastischen Verformen zumindest einer magnetischen Keramikschicht als Sinterprozess durchgeführt. Dieser Sinterprozess wird so gefahren, dass sich die magnetischen Keramikschichten, welche bevorzugt Ferritfolien sind, durch plastische Verformung infolge der Erweichung des Glasanteils in der Aussparung des nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikmaterials mittig aneinander legen. Bevorzugt verformen sich beide magnetischen Keramikschichten während dieses Sinterprozesses. Dadurch kann praktisch ein magnetisches Via von hinreichend großem Querschnitt erzeugt werden, welches den Magnetfluss schließt. Durch die magnetischen Keramikschichten kann dadurch in optimierter Weise ein magnetischer Kern des Bauelements ausgebildet werden.
In vorteilhafter Weise kann zumindest auf eine magnetische Keramikschicht während diesem Sinterprozess eine Auflage aufgebracht werden, welche zur Unterstützung der Verformung dieser Keramikschicht angeordnet wird. Durch eine derartige Auflage kann die Verformung ortsgenau durchgeführt werden, und die Verformung der magnetischen Keramikschichten in die Aussparung hinein und somit auch die Kontaktierung der beiden magnetischen Keramikschichten verbessert werden. Die Kontaktfläche zwischen beiden magnetischen Keramikschichten kann dadurch möglichst groß ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von nicht-magnetischen, dielektrischen Schichten gestapelt, wobei in jede der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten zumindest eine Aussparung ausgebildet wird und die nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten derart übereinander angeordnet werden, dass diese Aussparungen zumindest bereichsweise überlappen. In bevorzugter Weise wird eine Aussparung in einer nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht mit unterschiedlichen Ausmaßen zu einer Aussparung einer zumindest zweiten nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht ausgebildet. Die nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten werden dann bevorzugt derart gestapelt, dass eine durch alle nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten durchgängige Aussparung zumindest bereichsweise verjüngt ausgebildet wird. Vorzugsweise stellt sich in einer Schnittdarstellung eines derartig hergestellten induktiven Bauelements mit einer Mehrzahl an nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten eine Aussparung dar, welche zunächst verjüngt ausgebildet wird und sich dann wieder erweitert. Bevorzugt wird diese Verjüngung und anschließende Erweiterung in einer Querschnittdarstellung derart ausgebildet, dass die durchgängige Aussparung symmetrisch zu einer horizontal angeordneten Symmetrielinie in einer Querschnittdarstellung ausgebildet wird.
Vorzugsweise wird die Verjüngung als Stufenprofil ausgebildet. Stufenförmig ausgeprägte magnetische Vias bieten eine hohe Designfreiheit bezüglich der Zahl dielektrischer und magnetischer Lagen.
Vorzugsweise wird zumindest an einer magnetischen Keramikschicht ein magnetisches Material aufgetragen, wobei die magnetische Keramikschicht so an der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht angeordnet wird, dass das magnetische Material im Bereich der Aussparung positioniert wird. Das magnetische Material wird bevorzugt mit einer derartigen Struktur aufgebracht, welche im Wesentlichen der inversen Ausgestaltung der verjüngten Aussparung der Mehrzahl an gestapelten nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten entspricht. Bei mehr Windungen und höherer Lagenzahl vermeidet ein derartiges Stufendesign im Bereich dieser Aussparung zu kleine Krümmungsradien der äußeren magnetischen Keramikschichten, insbesondere der Ferritlagen.
Vorzugsweise wird dieses magnetische Material auf die magnetischen Keramikschichten aufgedruckt. Bevorzugt kann dadurch eine Verminderung der plastischen Verformung der magnetischen Keramikschichten im Bereich der Aussparung erreicht werden. Bevorzugt wird dieses magnetische Material als ferritische Dickschichtpaste durch ein Siebdruckverfahren aufgedruckt. Zusätzlich kann im Bereich der Aussparung vor dem Laminieren Ferritpaste mehrfach auf die magnetischen Keramikschichten aufgedruckt werden, um die Aussparung vollständig schließen zu können und somit ohne Luftspalt ausbilden zu können.
Bevorzugt werden zumindest zwei nicht-magnetische, dielektrische Keramikschichten ausgebildet, zwischen denen eine magnetische Schicht, insbesondere eine magnetische Keramikschicht, ausgebildet wird. Bevorzugt ist diese magnetische Keramikschicht als durchgehen Schicht ausgebildet. Dadurch können gezielt Feldlinienverläufe eingestellt werden. Beispielsweise können dadurch auch Feldlinien seitlich entweichen, ohne alle Windungen zu durchdringen. Die Größe dieser Streuinduktivität kann durch die Dicke dieser zu sätzlich eingebrachten magnetischen Keramikschicht gezielt eingestellt werden.
Bei einer Ausgestaltung mit lediglich einer nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht kann das elektrisch leitende Material zum Ausbilden von Windungen an einer Oberseite und an einer Unterseite dieser nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht ausgebildet werden.
Das elektrisch leitende Material kann zum Ausbilden einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung des induktiven Bauelements angeordnet werden.
Vorzugsweise wird die nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht mit einer Dicke zwischen 20 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 50 μm und 100 μm, ausgebildet. Die Leiterbahnen bzw. Windungen können vollständig in hoch isolierende, dielektrische Keramik eingebettet werden. Aufgrund der hohen Durchschlagsfestigkeit können diese Keramiklagen entsprechend dünner ausgelegt werden, wodurch Kosten gespart und die Baugröße minimiert werden können.
Bevorzugt wird das induktive Bauelement als monolithisch integrierter Planartransformator ausgebildet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Funktionen der magnetischen Permeabilität und der elektrischen Isolation in ihren jeweiligen Raumgebieten durch jeweils maßgeschneiderte spezifische Keramiken verwirklicht, wodurch eine hohe Wirksamkeit des Designs und der Anforderung und Anwendung des Bauteils resultieren. Bedarfsabhängig können dabei unterschiedliche Keramiken verwendet werden. Soll das induktive Bauteil bei hohen Frequenzen, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 2 GHz verwendet werden, können bevorzugt Hexa-Ferrit-Keramiken, insbesondere Barium-Hexa-Ferrit-Keramiken verwendet werden. Diese weisen eine Permeabilität zwischen etwa 10 und 30 auf.
Eine zweite Klasse von Keramiken kann dann verwendet werden, wenn Frequenzen im mittleren Bereich von etwa 10 bis etwa 30 MHz erforderlich sind. Dabei können beispielsweise CuNiZn-Ferrit-Materialien verwendet werden. Die Permeabilität von Keramiken, welche für Bauteile zur Verwendung in diesem mittleren Frequenzbereich herangezogen werden, weisen Permeabilitätswerte von etwa 150 bis etwa 500 auf.
Darüber hinaus ist eine weitere Klasse von Keramiken vorgesehen, die für Bauteile im relativ niedrigen Frequenzbereich zwischen etwa 1 bis etwa 3 MHz verwendet werden. Dabei können beispielsweise MnZn-Ferrit-Materialien eingesetzt werden. Bevorzugt weisen Keramiken, welche in dieser Klasse eingesetzt werden, Permeabilitätswerte zwischen etwa 500 und 1000 auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit kein Mischmaterial mit eingeschränkter Performance eingesetzt, wie dies beispielsweise bei dem Verfahren in der US 6,198,374 durchgeführt wird. Darüber hinaus wird kein problematischer Prozessschritt, wie dies im Stand der Technik gemäß der US 5,349,743 , erfolgt.
Ein erfindungsgemäßes induktives Bauelement ist aus einer Mehrzahl an Schichten aufgebaut, und insbesondere als monolithisch integrierter Planartransformator realisiert. Das induktive Bauelement umfasst zumindest eine elektrisch leitende Wicklung, welche an einer ersten nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht angeordnet ist. In diese zumindest eine nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht ist zumindest eine durchgängige Aussparung ausgebildet. Das induktive Bauelement umfasst des Weiteren eine erste magnetische Keramikschicht, welche an einer Oberseite der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine zweite magnetische Keramikschicht an einer Unterseite dieser nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschicht angeordnet. Zumindest eine dieser beiden magnetischen Keramikschichten ist im Bereich der Aussparung derart plastisch verformt, dass sie mit der anderen magneti schen Keramikschicht im Bereich der Aussparung verbunden ist und im Gesamten ein magnetischer Kern des Bauelements durch diese beiden Keramikschichten ausgebildet ist. Das derartig bereitgestellte induktive Bauelement weist eine optimierte Spannungsfestigkeit zwischen den Windungen bzw. Wicklungen auf und kann darüber hinaus kostengünstig hergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Darüber hinausgehende vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements anzusehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen)
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste bekannte Grundstruktur eines Transformators;
2 eine zweite bekannte Grundstruktur eines Transformators;
3 eine Schnittdarstellung des Transformators gemäß 2;
4 eine weitere Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines bekannten Transformators;
5 eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements;
6 eine Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements;
7 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements, welches noch nicht fertig gestellt ist; und
8 eine Schnittdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Mit dem Ausdruck „nicht-magnetisches Material" wird hierbei ein Material bezeichnet, das im Vergleich zu dem für die magnetische Keramikschicht verwendeten magnetischen Material eine relative magnetische Permeabilität nahe oder gleich 1 aufweist.
In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines fertig gestellten monolithisch integrierten Planartransformators I gezeigt. Es ist dabei eine Längsschnittdarstellung durch einen Schichtenstapel dargestellt, wobei lediglich der für die Erfindung wesentliche Teil des Planartransformators I gezeigt ist. Die Schnittdarstellung zeigt einen Planartransformator I mit geringer Windungszahl, welcher in LTCC-Technik hergestellt wurde. Der Planartransformator I weist eine nicht-magnetische, dielektrische Keramikschicht 5 auf, welche als Folie ausgebildet ist. An einer Oberseite 51 dieser dielektrischen Keramikschicht 5 sind im Ausführungsbeispiel in sich geschlossene stromführende Leiterbahnen bzw. Windungen 511, 512, 513 und 514 angeordnet, welche den Transformatorkern in einem bestimmten Drehsinn umschließen und Windungen einer Primärwicklung des Planartransformators 1 darstellen. In einer Draufsichtdarstellung ist diese Primärwicklung spiralenförmig ausgebildet. An nicht dargestellten Enden dieser Wicklung sind Kontaktierungen angebracht, durch welche eine elektrische Verbindung mit einer Energieversorgung ermöglicht werden kann.
An einer Unterseite 52 der dielektrischen Keramikschicht 5 ist eine Sekundärwicklung ausgebildet, welche die Windungen 521, 522, 523 und 524 umfasst. Auch diese Sekundärwicklung weist Enden auf, welche zur weiteren elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind. Sowohl die Windungen 511 bis 514 der Primärwicklung als auch die Windungen 521 bis 524 der Sekundärwicklung werden in konventioneller Weise auf die Oberseite 51 bzw. auf die Unterseite 52 der dielektrischen Keramikschicht 5 aufgedruckt.
Darüber hinaus weist der Planartransformator I eine durchgängige Aussparung 53 auf, welche durch einen Stanzprozess erzeugt ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine erste magnetische Keramikschicht 6 auf der Oberseite 51 sowie unmittelbar auf den Windungen 511 bis 514 angeordnet. Ebenso ist an der Unterseite 52 sowie unmittelbar auf den Windungen 521 bis 524 der Sekundärwicklung eine zweite magnetische Keramikschicht 7 angeordnet. Im Bereich der Aussparung 53 sind diese beiden separaten magnetischen Keramikschichten 6 und 7 plastisch verformt und mittig miteinander verbunden. Dadurch wird im Bereich der Aussparung 53 praktisch ein magnetisches Via gebildet, wodurch die beiden magnetischen Keramikschichten 6 und 7 einen magnetischen Kern des Planartransformators I ausbilden. Dazu sind die magnetischen Keramikschichten 6 und 7 auch an den der Aussparung 53 in x-Richtung abgewandten Randbereichen miteinander kontaktiert. Auch diese Kontaktierung an den Randbereichen ist durch eine plastische Verformung zumindest einer der Keramikschichten 6 oder 7 ausgebildet. Die sich aufgrund der plastischen Verformung der Keramikschichten 6 und 7 ergebenden Einbuchtungen in y-Richtung im Bereich der Aussparung 53 kann bei Bedarf durch einen nachfolgenden Rakel-Prozess planarisiert werden. Dabei kann beispielsweise eine weitere dielektrische Paste an den entsprechenden Stellen aufgetragen werden, die durch diesen Rakel-Prozess eben ausgebildet wird.
Der in 5 gezeigte fertig gestellte Planartransformator I wird derart ausgebildet, dass zunächst die dielektrische Keramikschicht 5 hergestellt wird und für die weitere Verarbeitung präpariert wird. Dazu wird die zumindest eine Aussparung 53 ausgestanzt. Des Weiteren werden dann das elektrisch leitende Material zum Ausbilden der Windungen 511 bis 514 sowie der Win dungen 521 bis 524 auf die entsprechenden Oberflächen dieser dielektrischen Keramikschicht 5 aufgedruckt.
Im Ausführungsbeispiel wird die Aussparung in x-Richtung und auch in z-Richtung (senkrecht zur Figurenebene) mit Ausmaßen ausgestanzt, welche wesentlich größer sind, als die Dicke (y-Richtung) der dielektrischen Keramikschicht 5 ist.
Anschließend werden dann auf die Oberseite 51 und die Unterseite 52 die zwei separat bereitgestellten magnetischen Keramikschichten 6 und 7, welche als geschlossene ungebrannte Grünfolien aus Ferrit bereitgestellt werden, derart auflaminiert, dass sich diese Keramikschichten 6 und 7 aufgrund ihres organischen Bindeanteils durch plastische Verformung in der Aussparung 53 mittig aneinander legen. In der Aussparung ist somit ein Zentralbereich 9 des magnetischen Kerns des Planartransformators I ausgebildet. Anschließend erfolgt der Sinterprozess. Im Ausführungsbeispiel erfolgt die plastische Verformung somit durch den Laminierungsprozess. An Stelle der Schichten 6 und 7 kann entsprechend den Erfordernissen des Bauelements jeweils auch ein Stapel aus mehreren magnetischen Schichten ausgebildet sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines monolithisch integrierter Planartransformators II, welcher in LTCC-Technik hergestellt wurde, ist in 6 gezeigt. Auch hier ist eine Längsschnittdarstellung eines Teilausschnitts eines fertig gestellten Planartransformators II gezeigt. Die Schnittdarstellung zeigt einen Aufbau des Planartransformators II, welcher eine hohe Windungszahl aufweist.
Der Planartransformator II weist nicht-magnetische, dielektrische Keramikschichten 5a, 5b, 5c, 5d und 5e auf, welche übereinander angeordnet gestapelt sind. Auf den dielektrischen Keramikschichten 5a, 5b, 5d und 5e sind jeweils an den Oberseiten Windungen aufgebracht. Beispielhaft sind dabei die Windungen 511b, 512b, 513b und 514b genannt, welche auf einer Ober seite 51b der dielektrischen Keramikschicht 5b aufgedruckt sind. Die Windungen 511a, 512a, 513a und 514a sind auf einer Oberseite 51a der dielektrischen Keramikschicht 5a aufgedruckt. Diese Windungen sind im Ausführungsbeispiel einer Primärwicklung des Planartransformators II zugeordnet. Die nicht näher gekennzeichneten, auf den dielektrischen Keramikschichten 5d und 5e aufgedruckten Windungen sind einer Sekundärwicklung des Planartransformators II zugeordnet. Die Windungen können auch derart angeordnet sein, dass auf einer Oberseite, beispielsweise auf der Oberseite der dielektrischen Keramikschicht 5a, angeordnete Windungen in x-Richtung alternierend eine davon der Primärwicklung und die nachfolgende der Sekundärwicklung zugeordnet ist.
Wie aus der Darstellung in 6 zu erkennen ist, ist auf der dielektrischen Keramikschicht 5b die dielektrische Keramikschicht 5c als abschließende Deckschicht angeordnet. Die Windungen des Planartransformators II sind dadurch vollständig von dielektrischem Keramikmaterial umgeben.
Auch hier sind magnetische Keramikschichten 6 und 7 an den gegenüberliegenden Seiten der gestapelten dielektrischen Keramikschicht 5a bis 5e auflaminiert, welche im Bereich einer Aussparung 53' plastisch verformt sind, so dass sie in diesem Bereich miteinander verbunden sind. Dadurch wird auch hier ein Zentralbereich 9' des magnetischen Kerns des Planartransformators II ausgebildet.
Wie dazu zu erkennen ist, weisen die gestapelten dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e jeweils Aussparungen auf, welche unterschiedliche Ausmaße aufweisen. Die dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e sind dabei derart gestapelt, dass die jeweils in diesen Keramikschichten ausgebildeten individuellen Aussparungen eine gemeinsame durchgängige Aussparung 53' ausbilden. Wie dabei zu erkennen ist, weist die dielektrische Keramikschicht 5c in der gezeigten Schnittdarstellung eine Aussparung auf, welche zumindest in x-Richtung größer als die in den elektrischen Keramikschichten 5b, 5a und 5d individuell ausgebildeten Aussparungen sind.
Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die in den dielektrischen Keramikschichten 5b und 5d ausgebildeten Aussparungen größer sind, als die in der dielektrischen Keramikschicht 5a ausgebildete Aussparung. Im Ausführungsbeispiel sind die dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e derart übereinander gestapelt, dass sich ausgehend von der oberen dielektrischen Keramikschicht 5c bis zur mittig angeordneten dielektrischen Keramikschicht 5a in y-Richtung eine sich verjüngende Aussparung 53' ergibt. Im Ausführungsbeispiel ist dabei ein Stufenprofil realisiert. Ausgehend von der mittigen dielektrischen Keramikschicht 5a weitet sich diese Aussparung 53' in y-Richtung bis zur unteren dielektrischen Keramikschicht 5e wieder auf. Auch dabei ist ein Stufenprofil ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist der Planartransformator II symmetrisch zu einer in x-Richtung durch die dielektrische Keramikschicht 5a gezogene Symmetrieachse ausgebildet.
Die verfahrensgemäße Ausgestaltung des im fertig gestellten Zustand gezeigten Planartransformators II wird bevorzugt analog zur Herstellung des in 5 gezeigten Planartransformators I durchgeführt.
In 7 ist eine weitere Längsschnittdarstellung durch einen Planartransformator III gezeigt, welcher in einem noch nicht fertig gestellten Prozessstadium dargestellt ist. Auch hier wird lediglich ein Teilausschnitt gezeigt, welcher die wesentliche Struktur in einem zentralen Bereich des Bauelements zeigt.
Die Ausgestaltung und Anordnung der nicht-magnetischen, dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e ist analog zur Ausgestaltung gemäß 6. Darüber hinaus ist in 7 zu erkennen, dass die erste magnetische Keramikschicht 6 oder ggf. ein entsprechender Schichtenstapel mit einer zusätzlichen Struktur versehen ist, welche die Schichten 6a und 6b aufweist. Diese Schichten 6a und 6b sind aus einem magnetischen Material, und sind im Ausführungsbeispiel aus ferritischer Dickschichtpaste mittels Siebdruck aufgebracht. Es ist zu erkennen, dass diese Schichten 6a und 6b auf der den dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e zugewandten Oberfläche der magnetischen Keramikschicht 6 ausgebildet sind. Diese Schichten 6a und 6b sind als Stufenprofil ausgebildet und derart konzipiert, dass sie als komplementäre Struktur zu der Stufenausgestaltung der dielektrischen Keramikschichten 5c und 5b gestaltet sind.
Analog dazu sind an der zweiten magnetischen Keramikschicht 7 oder ggf. ein entsprechender Schichtenstapel ebenfalls Schichten 7a und 7b angeordnet, welche als Stufenprofil ausgebildet sind und als komplementäre Struktur im Hinblick auf das Stufenprofil, welches durch die dielektrischen Keramikschichten 5d und 5e erzeugt wird, ausgebildet sind. Die magnetischen Keramikschichten 6 und 7 werden in einem nachfolgenden Prozess derart positioniert, dass wie in 7 gezeigt ist, die Schichten 6a und 6b sowie die Schichten 7a und 7b im Wesentlichen im Bereich des Stufenprofils, welches durch die dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5b ausgebildet wird, angeordnet sind. Vor dem abschließenden Sinterprozess werden diese Strukturen der Keramikschichten 6 und 7 derart auf die Stapelform der dielektrischen Keramikschichten 5a bis 5e auflaminiert, dass eine Aussparung 53'' ausgebildet wird. Durch diese komplementäre Strukturierung der Keramikschichten 6 und 7 kann ein luftspaltfreies Ausbilden eines Zentralbereichs des magnetischen Kerns des Planartransformators III unterstützt werden.
In 8 ist eine weitere Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines monolithisch integrierten Planartransformators IV gezeigt. Der Planartransformator IV ist dabei in einem fertig gestellten Zustand gezeigt. Es ist zu erkennen, dass zwischen einer dielektrischen Keramikschicht 5a und einer dielektrischen Keramikschicht 5f eine Zwischenschicht ausgebildet ist, welche als weitere magnetische Keramikschicht 10 ausgebildet ist. In symmetrischer Anordnung sind zu dieser magnetischen Keramikschicht 10 jeweils gestapelt und im Bereich einer Aussparung 53''' gestuft konzipierte dielektrische Keramikschichten 5a, 5b und 5c sowie 5f, 5g und 5h angeordnet. Ein Zentralbereich 9'' des magnetischen Kerns des Planartransformators IV ist ausgebildet. Durch diese Integration einer zentralen magnetischen Keramikschicht 10, welche wiederum eine Ferritfolie sein kann, wer den Feldlinien der Primärwicklung (im Ausführungsbeispiel die Windungen, welche auf den Keramikschichten 5g, 5h angeordnet sind) vor der Sekundärwicklung (Windungen, welche auf den Keramikschichten 5a und 5b angeordnet sind) abgezweigt und gezielt eine Streuinduktivität erzeugt. Der Vorteil einer derartig gezielt erzeugten Streuinduktivität kann darin gesehen werden, dass kein zusätzliches separates Bauelement erforderlich ist, um die individuelle Einstellung von Impedanzen erreichen zu können. Beispielsweise kann dabei die Primärseite eine zusätzliche Streuinduktivität aufweisen, die einen weiteren Freiheitsgrad für die schaltungstechnische Gestaltung des Bauelements darstellt. In der gezeigten Ausführung kann eine derartige gezielte Einstellung somit durch eine integrierte Ausgestaltung ermöglicht werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements, welches aus mehreren Schichten ausgebildet wird, bei dem nachfolgende Schritte durchgeführt werden: a) Anordnen eines elektrisch leitenden Materials (511 bis 514; 521 bis 524) als Wicklung des Bauelements (I, II, III, IV) an einer ersten nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5; 5a bis 5h); b) Ausbilden zumindest einer durchgängigen Aussparung (53, 53', 53'', 53''') in der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h); c) Anordnen einer ersten magnetischen Keramikschicht (6) an einer Oberseite und einer zweiten magnetischen Keramikschicht (7) an einer Unterseite der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h); und d) Durchführen eines Prozessschrittes, bei dem zumindest eine der magnetischen Keramikschichten (6, 7) plastisch verformt wird, derart, dass die beiden magnetischen Keramikschichten (6, 7) im Bereich der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') kontaktiert werden und einen magnetischen Kern des Bauelements (I, II, III, IV) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (511 bis 514; 521 bis 524) in die nicht-magnetische dielektrische Keramikschicht (5, 5a bis 5h) eingebettet oder aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-magnetische dielektrische Keramikschicht (5, 5a bis 5h) und die magnetischen Keramikschichten (6, 7) als Folien bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausmaße der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') in der Ebene der Keramikschicht (5, 5a bis 5h) größer im Vergleich zu der Dicke der Keramikschicht (5, 5a bis 5h) gemäß Schritt b) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Keramikschichten (6, 7) auf die Oberseite und die Unterseite der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) gemäß Schritt c) auflaminiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Schritt d) ein Sinterprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf eine magnetische Keramikschicht (6, 7) während des Schrittes d) eine Auflage zur Unterstützung der Verformung dieser Keramikschicht (6, 7) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das elektrisch leitende Material (511 bis 514; 521 bis 524) eine weitere unmagnetische dielektrische Schicht, insbesondere Keramikschicht (5c, 5f), aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschichten (5a bis 5h) gestapelt werden, in welchen jeweils zumindest eine Aus sparung ausgebildet wird, wobei die nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschichten (5a bis 5h) derart übereinander angeordnet werden, dass die Aussparungen zumindest bereichsweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in den jeweiligen Keramikschichten (5a bis 5h) mit unterschiedlichen Ausmaße ausgebildet werden und derart gestapelt werden, dass eine durch alle nicht-magnetische dielelektrische Keramikschichten (5a bis 5h) durchgängige Aussparung (53', 53'', 53''') zumindest bereichsweise verjüngt ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verjüngung ein Stufenprofil ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf einer magnetischen Keramikschicht (6, 7) ein magnetisches Material (6a, 6b; 7a, 7b) aufgetragen wird, wobei die magnetische Keramikschicht (6, 7) gemäß Schritt c) so an der nicht-magnetischen dielelektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) angeordnet wird, dass das magnetische Material (6a, 6b; 7a, 7b) im Bereich der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (6a, 6b; 7a, 7b) mit einer Struktur aufgebracht wird, welche im Wesentlichen der komplementären Ausgestaltung einer verjüngten Aussparung (53, 53', 53'', 53''') entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (6a, 6b; 7a, 7b) aufgedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei nicht-magnetische dielektrische Keramikschichten (5a bis 5h) ausgebildet werden, zwischen denen eine magnetische Schicht, insbesondere eine Keramikschicht (10), ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (511 bis 514; 521 bis 524) an einer Oberseite (51) und einer Unterseite (52) der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (511 bis 514; 521 bis 524) zum Ausbilden einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung des Bauelements (I, II, III, IV) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-magnetischen dielelektrischen Keramikschichten (5, 5a bis 5h) mit einer Dicke zwischen 20 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 50 μm und 100 μm, ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein monolithisch integrierter Planartransformator (I, II, III, IV) ausgebildet wird.
Induktives Bauelement, welches eine Mehrzahl an Schichten aufweist, bei dem – zumindest eine elektrisch leitende Wicklung des Bauelements (I, II, III, IV) an einer ersten, nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) angeordnet ist, in welcher zumindest eine durchgängige Aussparung (53, 53', 53'', 53''') ausgebildet ist; – und eine erste magnetische Keramikschicht (6) an einer Oberseite und eine zweite magnetische Keramikschicht (7) an einer Unterseite der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) angeordnet ist, wobei zumindest eine magnetische Keramikschicht (6, 7) im Bereich der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') derart plastisch verformt ist, dass sie mit der anderen magnetischen Keramikschicht (6, 7) verbunden ist und ein magnetischer Kern des Bauelements (I, II, III, IV) ausgebildet ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen an der Oberseite (51) und der Unterseite (52) der nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschicht (5, 5a bis 5h) ausgebildet sind.
Induktives Bauelement nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausmaße der Aussparung (53, 53', 53'', 53''') in der Ebene der Keramikschicht (5, 5a bis 5h) größer im Vergleich zur Dicke der Keramikschicht (5, 5a bis 5h) ausgebildet sind.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von nicht-magnetischen dielektrischen Keramikschichten (5a bis 5h) gestapelt ist, in welchen jeweils zumindest eine Aussparung ausgebildet ist, wobei die nicht-magnetischen dielektrischen Keramik schichten (5a bis 5h) derart übereinander angeordnet sind, dass die Aussparungen zumindest bereichsweise überlappen.
Induktives Bauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen in den jeweiligen Keramikschichten (5a bis 5h) unterschiedliche Ausmaße aufweisen und die Keramikschichten (5a bis 5h) derart gestapelt sind, dass eine durch alle nicht-magnetischen dielelektrischen Keramikschichten (5a bis 5h) durchgängige Aussparung (53', 53'', 53''') ausgebildet ist, welche zumindest bereichsweise verjüngt ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung ein Stufenprofil ist.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei nicht-magnetische dielektrische Keramikschichten (5a bis 5h) ausgebildet sind, zwischen denen eine magnetische Schicht, insbesondere eine Keramikschicht (10), ausgebildet ist.