CN102334391B - 多层的电路载体和用于制造该电路载体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层的电路装置，包括单层或多层的介电的电路载体(1)，该电路载体具有至少一个集成的平面线圈和/或至少一个集成的平面变压器(21，22)以及在介电的电路载体(1)上的、面对线圈和/或变压器布置的铁氧体电路板(31，32)，其中铁氧体板(311，321)在两侧至少部分地覆盖有至少一个介电的、陶瓷的、烧结的绝缘体层(312，313，322，323)，并且介电的电路载体(1)以及铁氧体电路板(31，32)配有表面金属化层(3121-3134，3221-3234)，其中被涂覆的铁氧体电路板(31，32)分别牢固地安装在介电的电路载体(1)的表面上并且向外表示为一个用于装配能在表面安装的元件的平面。此外描述了一种用于制造多层的电路装置的方法，即铁氧体电路板(31，32)在固定在介电的电路载体(1)上之前在温度作用下借助于烧结方法由LTCC-陶瓷制造而成，至少设计为单层的并且分别在两侧借助于烧结方法涂敷有介电的绝缘体层(312，313，322，323)，烧结完毕的并且配有绝缘体层(312，313，322，323)的铁氧体电路板(31，32)借助于粘合-或焊接方法导电地固定在介电的电路载体(1)上，从而通过铁氧体板产生用于装配能在表面安装的元件(511-523)的附加位置。本发明可以应用于开关电源、大功率电路板。

Description

多层的电路载体和用于制造该电路载体的方法

技术领域

本发明涉及一种多层的电路载体，例如覆盖有铜的、有机的纤维复合薄膜或低温共烧陶瓷/LTCC（在低温下烧结的陶瓷）。

背景技术

这种电路载体基于其良好的印刷线路-质量能实现埋入线圈来制造例如大功率电路中的电感线圈和变压器。为了获得在各个线圈上的高电感值或者为了获得在变压器中的良好的磁性耦合，通常需要由磁性陶瓷制成的附加元件，其被称为铁氧体。背景是磁场的增强和/或其形成。

这种铁氧体元件的已知并且通常使用的结构在图1和2中示出。借助于根据图1的磁芯结构可以获得高电感。在此，磁通量沿变压器的初级-和次级线圈的共同轴线延伸并且通过铁氧体材料增强。在多层的电路载体中、特别是在电路板中的开口装配有铁氧体磁芯，其这样构成，即在电路板上方和下方的闭合通量能通过两个侧面/水平延伸的支腿和两个外部的垂直铁氧体柱接通。以这种方式产生8字形式的铁氧体元件，其在装配到电路板上的情况下由E-形部分和I-形部分组成并且利用夹子保持。

一种更简单的结构由两个根据图2的分离的铁氧体磁芯组成，当垂直的、穿过电路板的铁氧体元件被取消时获得这种结构。这虽然导致相应于根据图1的变压器的设计方案的电感降低，并且导致在下方的频率范围中的功率受到限制，然而可以更简单地制造。

不利的是，即铁氧体元件比用作基板的电路载体占据相对更大的面积部分。这特别与小型化相冲突。由此占据的面积通常对于装配SMD-元件/能在表面安装的元件来说是不适合的。

在现有技术中迄今为止没有公开这种构思，其反映了一种广泛的解决方法。铁氧体磁芯通常设计地相对狭长，以便减少面积需要。另一方面，对于通量所必需的横截面在将铁氧体磁芯狭长设计时必须通过相应的结构高度实现。在市场上可以获得不同形状和大小的铁氧体磁芯。

例如在参考文献[1]中考虑了一种多层的变压器，其具有Mn-Zn铁氧体。其中对电特征进行了描述并且对两种类型的变压器进行比较，其一方面具有传统的绕组结构并且另一方面具有新的绕组结构，其中初级-和次级导体交替地不仅在垂直方向上，而且同样在水平方向上定位。通过这种变体可以优化耦合系数。

此外由参考文献[2]已知了一种用于集成在电路板上的平面变压器。相应的变换器可以为多个用电设备供电。该平面装置由集成电路上的螺旋绕组和例如具有磁芯的铁氧体聚合物板组成。

这两个上述的参考文献未给出关于在装配SMD-元件方面的优化使用的信息。

发明内容

本发明的目的在于，这样给出用于平面电感和变压器的一种结构形式和一种相应的制造方法，即这些元件在其集成在多层的电路载体中时可以这样埋入，即它们如传统的电路板一样可以在表面继续装配并且因此可忽略其面积需要。

该目的通过独立权利要求所述的各个特征组合来实现。有利的设计方案可以由从属权利中要求获得。

本发明基于这样的构思，即平面变压器或平面电感的铁氧体板在低烧结温度下制造而成并且由此可以以共烧方法配有垂直的金属贯通连接部和表面的介电的陶瓷的绝缘层。按照根据本发明的结构形式，铁氧体板承担双重功能，即作为磁通量的导体和作为另外的在表面安装的部件（表面安装装置SMD）的电路载体。由此获得在小型化方面显著的进步。

相应的多层的电路装置的构造设计为，即设计用于形成和增强通量的铁氧体板还设置在介电的电路载体（主电路板）上，在集成的平面线圈和或平面变压器的区域中。在相对于现有技术的变型方案中，铁氧体板通过烧结方法由多个单层制成，优选地由低烧结的LTCC-陶瓷（低温共烧陶瓷），其在烧结到“绿色”状态中之前金属地压制并且层叠为复合层。明显的是，即铁氧体层在这种方法中配有金属贯通连接部和介电的、高绝缘性的覆盖层。随后，这样制成的铁氧体板通过焊接-或粘合方法在两侧固定在线圈或变压器的区域中介电的电路载体上。介电的绝缘层和具有贯通连接部的印刷线路也展现了在铁氧体板上装配SMD-元件的可能性，从而其利用铁氧体板的连接技术和主电路板的电路元件电连接。

单层或多层的介电的电路载体的层可以有利地由有机的或陶瓷的材料或者由复合材料制成。完成准备的铁氧体板固定在介电的电路载体的表面上，这种固定可以优选地利用环氧化物-粘合剂以粘合的方式实现或者以焊接的方式，例如在应用硬焊料或纳米技术的银焊料的情况下实现。

在通过本发明能将铁氧体板的表面用于SMD装配之后，这种由总电路的其它部件组成的部件可以放置在此处，从而实现更复杂的构造。

在对于来自电路板的贯通连接部的可替换的实施方式中，SMD的电接触部分也可以完全地或部分地通过上方的接触部替代。根据现有技术，例如通过粘合线或通过SIPLIT-方法（西门子平面互相连接技术）实现，其中具有能有光刻结构的薄膜的SMD作为载体覆盖电镀沉积的金属层。

一种用于制造根据本发明的多层的电路装置的方法基于这样的构思，即具有绝缘层的铁氧体板可以通过烧结方法在表面实现绝缘，其中使用了所谓的LTCC-陶瓷。这特别可以是MnZn铁氧体或NiZnCu铁氧体。这种铁氧体材料可以这调整，即它们在平面变压器的典型频率范围中，也就是说在1至5MHz的情况下，具有足够的、超过400的相对导磁率。铁氧体板可以设计为单层或多层的。主要的是，铁氧体板特别是借助于介电的陶瓷层在外部表现为具有在两侧烧结的绝缘体层。同时安装了可烧结的垂直的贯通连接部和表面金属化层，从而使整个表面准备用于安装元件。典型地，中间的电路载体由十个到二十个介电的陶瓷层组成，层厚度分别为50至100μm。铁氧体板例如由50至100μm厚的单层构成100至500μm的总厚度。其侧面膨胀超出电感或变压器的埋入的线圈绕组的表面10至20mm。

附图说明

下面参照示意性的、未对本发明进行限制的附图说明实施例。

图1示出了平面变压器已知的横截面结构，该平面变压器集成在介电的电路载体中，设计为所谓的磁芯结构，具有穿过电路载体的铁氧体元件，

图2示出了平面变压器已知的横截面结构，该平面变压器集成在介电的电路载体中，其中铁氧体元件以铁氧体板的形式在电路载体的两侧设置在变压器的区域中，

图3在横截面中示出了装配有SMD元件的平面变压器的组件，该平面变压器具有在两侧绝缘的、烧结的铁氧体板，

图4示出了变压器结构的、在根据图3的构造-和连接技术的过程步骤结束之后的图示。

具体实施方式

下面特别将平面变压器考虑为平面的、电感的元件的变体。相应于本发明，如在图3中示出地，平面变压器首先根据现有技术由印刷线路的初级绕组21和次级绕组22组成，它们被埋入多层的电路载体1中。作为扩展的电路的载体，电路板1具有附加的表面的金属化层111至118以及埋入的金属化层121，122。表面的和埋入的层借助于金属的贯通连接部131至134可导电地连接。变压器在两侧配有铁氧体板311，321。超出现有技术范畴的是，这种铁氧体板由低烧结的LTCC-陶瓷制成，例如由MnZn-铁氧体或NiZnCu-铁氧体制成。存在这种可能性，即制成单层的或多层的铁氧体板。通过使用陶瓷的多层技术，铁氧体板可以配有介电的、绝缘的覆盖层312，313或322，323以及附加地配有贯通连接部3111，3112或3211，3212以及印刷线路3121至3134或3221至3234。铁氧体板因此具有独立的电路载体31或32（铁氧体电路板）的特征。对于在表面的接触面、例如3222和3223之间实现充分绝缘来说重要的是涂敷介电的绝缘层312，313或322，323，其优选地由陶瓷的材料制成。铁氧体板至少在一侧、然而优选地在两侧以烧结方法配有这种介电的绝缘体层并且因此形成一个元件，该元件借助于焊接-或粘合连接部411至414或421至424这样安置到真正的单层的或多层的电路载体1上、也就是电路板上，即除了机械固定在接触面上之外也在各个铁氧体电路板和主电路板之间形成可导电的连接。对以温度加载方法制成的被涂敷的铁氧体板的这种安装优选地在介电的电路载体1的两侧进行。

因此在铁氧体板的否则半导电的铁氧体陶瓷上实现了一种具有结构化的印刷线路的电绝缘表面，其作为总电路布置的组成部分并且因此可以节省空间地装配SMD元件511至523。单层的或多层的介电的电路载体1的层可以例如由有机的或陶瓷的材料或者由复合材料制成。

利用连接技术41，42将铁氧体电路板31，32固定在介电的电路载体1上，该连接技术必须满足机械的、电的和热的要求。相应地，有利地可以使用粘合剂，如环氧化物-粘合剂或焊料、如硬焊料或纳米技术的银焊料。通过可在LTCC技术的范畴中实现的、借助于一个或多个介电的绝缘体层312，313，322，323、特别是由介电的陶瓷组成的铁氧体板的绝缘，以及通过同时可烧结的表面金属化层3121至3234，实现了变压器的一种可装配的和可容易地接触的表面。

对于在铁氧体电路板内部的电贯通连接部3111，3112或3211，3212可替换地，主电路板上的表面金属化层111至118也可以借助于粘合线与铁氧体电路板上的那个金属层相连接。

在LTCC-技术中首先对各个绿色薄膜进行加工。对于大多情况下是垂直的贯通连接部，借助于激光或机械的冲压工具在薄膜中引入开口，其中借助于丝网印刷利用可导电的金属膏实现。平面的导线结构在薄膜表面上通过丝网印刷制成并且随后以典型的方式将十个至二十个薄膜上下层叠和烧结。因此制成了密封不透气的多层的电路载体。

在仅仅应用耐高温的结构-和连接技术、例如硬焊料或粘合线连接无机的、陶瓷的多层电路板时，电路的热使用范围扩展到铁氧体材料的居里温度，该居里温度以典型的方式为250摄氏度。

通过将铁氧体板进一步发展成为能装配的铁氧体电路板，变压器或线圈的、总归无用的表面可以在低频范围中用于装配能在表面安装的元件/SMD。由此可以在其它情况下节省电路板表面并且可缩小整个电路。

在图1和2中示出的现有技术分为根据图1的磁芯结构和根据图2的板结构。本发明的内容是以板结构为基础的进一步发展。其从较早的、低频运行的（100kHz）根据图1的磁芯结构出发，通过在过程技术方面的简化进行发展用于在更高频率（MHz）的情况下应用。在图2中示出的铁氧体板2在具有线圈8的变压器的区域中放置在介电的电路载体1的两侧。

根据图3和图4，电路装置相应于本发明如下进行显示：基于包含至少一个平面线圈21，22的单层或多层的介电的电路载体1，例如是由陶瓷或环氧树脂制成的电路板，铁氧体电路板31，32在两侧相对于介电的电路载体1安置在线圈或平面变压器的区域中。铁氧体电路板31，32利用焊接-或粘合方法41，42固定在介电的电路载体1上。在一个预先阶段中，为此铁氧体板311，321构成由单独的铁氧体绿色薄膜组成的多层体并且通过热压缩与绝缘的介电的绿色薄膜312，313，322，323层叠成为复合体31，32。绿色薄膜在层叠之前单独地配有冲压的和可导电填充的贯通连接部以及丝网印刷的表面金属化层。复合体31，32单独地在较低的烧结温度下，例如在900摄氏度时燃烧。这无压力和无裂纹地基于金属膏的和铁磁的或介电的薄膜的相互匹配的烧结-和热膨胀特性实现。

能在表面安装的元件511至523可以安装在介电的电路载体1上，并且重要的是也可以安装在铁磁体电路板31，32上。电接口可以借助于贯通连接部3111至3212通过可导电的连接元件41，42由主电路板1的表面金属化层111至118制成。

图4示出了在图3中示出的部分，这些部分处于装配在一起的状态中。可从图3中获取参考标号。

在LTCC-技术中的过程温度或烧结温度大约为900摄氏度。和这种技术相联系地，可以有利地对材料、如银进行加工。也可以使用所谓的HTCC-技术/高温共烧陶瓷技术，其中钼、钨和铂作为导体使用。原则上的电路结构以如同在LTCC-技术/低温共烧陶瓷技术中相同的方式实现。

参考文献：

[1]SATO T,YOKOYAMA H,YAMASAWA K,TOYA K,KOBAYASHI S,MINAMISAWA T:“Multilayered transformerutilizing Mn-Zn ferrite and its application to a forward-type DC-DCconverter.”Electrical Engineering in Japan2001;135;1-8

[2]WAFFENSCHMIDT E,JACOBS J:“Planar resonant multi-outputtransformer for printed circuit board integration.Proceedings of the39^thAnnual Power Electronics Specialists Conference(PESC)2008:4222-4228

Claims (18)

1.一种多层的电路装置，包括：至少一个单层或多层的介电的电路载体（1），所述电路载体具有至少一个集成的平面线圈和/或至少一个集成的平面变压器（21，22），以及在至少一个介电的电路载体（1）上的、在线圈和/或变压器的区域中彼此相对布置的多个铁氧体电路板（31，32），

其特征在于，

所述铁氧体电路板（31，32）的铁氧体板（311，321）在两侧至少部分地覆盖有至少一个介电的、陶瓷的、烧结的绝缘体层（312，313，322，323），

-所述介电的电路载体（1）配有表面金属化层（111至118），和

-其中所述铁氧体电路板（31，32）分别牢固地安装在所述介电的电路载体（1）的表面上并且向外呈现为一个用于装配能在表面安装的元件的平面。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述铁氧体板（311，321）由单层或多层的、在低温下烧结的陶瓷制成。

3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，所述铁氧体板包含MnZn-铁氧体或NiZnCu-铁氧体。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述介电的电路载体（1）由有机的、陶瓷的或复合材料制成。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述铁氧体电路板（31，32）在所述介电的电路载体（1）的表面上的固定以粘合或焊接连接的方式来实现。

6.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述铁氧体电路板（31，32）在所述介电的电路载体（1）的表面上的固定以粘合或焊接连接的方式来实现。

7.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，所述焊接连接利用纳米技术的银焊料来实现。

8.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于，所述焊接连接利用纳米技术的银焊料来实现。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）由多个具有表面的（111至118，3121至3134，3221至3234）和埋入的（121，122）印刷线路以及贯通连接部（131至134，3111，3112，3211，3212）的层组成，所述印刷线路和所述贯通连接部能彼此连接。

10.根据权利要求8所述的电路装置，其特征在于，所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）由多个具有表面的（111至118，3121至3134，3221至3234）和埋入的（121，122）印刷线路以及贯通连接部（131至134，3111，3112，3211，3212）的层组成，所述印刷线路和所述贯通连接部能彼此连接。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，在所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）之间的电连接利用线键合实现。

12.根据权利要求10所述的电路装置，其特征在于，在所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）之间的电连接利用线键合实现。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，在所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）之间的电连接分别借助于层叠的有机薄膜来实现，其中所述有机薄膜通过激光处理在期望的接触位置上打开并且在那里通过光刻进行的结构化和电镀过程技术补充有另一个金属化平面。

14.根据权利要求12所述的电路装置，其特征在于，在所述电路载体（1）和所述铁氧体电路板（31，32）之间的电连接分别借助于层叠的有机薄膜来实现，其中所述有机薄膜通过激光处理在期望的接触位置上打开并且在那里通过光刻进行的结构化和电镀过程技术补充有另一个金属化平面。

15.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，安装有能在表面安装的元件（511至523）。

16.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，安装有能在表面安装的元件（511至523）。

17.一种用于制造根据权利要求1至16中任一项所述的多层的电路装置的方法，其特征在于，

-多个铁氧体板（311，321）在固定在介电的电路载体（1）上之前在外部在低温下借助于烧结方法由LTCC-陶瓷制造而成，所述铁氧体板至少设计为单层的并且分别在两侧借助于烧结方法涂敷有介电的绝缘体层（312，313，322，323），

-在所述铁氧体板（311，321）上涂敷有可烧结的表面金属化层（3121至3134，3221至3234），

-烧结完毕的并且配有所述绝缘体层（312，313，322，323）的铁氧体电路板（31，32）借助于粘合方法或焊接方法固定在所述介电的电路载体（1）上。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在介电的绝缘体层的表面上通过丝网印刷呈现印刷线路。

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