DE10000090A1 - Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Planarspule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Planarspule. Bislang wurden mehrlagige Planarspulen vor allem durch sequentiellen Aufbau oder durch Batch-Aufbau hergestellt. Diese Verfahren sind zweitaufwendig und teuer. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die mehrlagige Planarspule herzustellen, indem zumindest zwei Spulenstrukturen, die jeweils zumindest abschnittsweise mindestens eine Ebene der fertig hergestellten mehrlagigen Planarspule bilden, jeweils auf zumindest zwei Grundkörper (1) galvanisch aufgebaut und anschließend aufeinander gelegt werden. Dies kann durch Falten oder Stapeln der Grundkörper erfolgen. Dieses neue Verfahren ist kostengünstiger und weniger zeitaufwendig als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer zumindest einlagigen Planarspule.

Die bisherigen Technologien zur Herstellung von ein- oder mehrlagigen Planar­ spulen basieren auf den Technologien zur Herstellung von mehrlagigen Leiterplat­ ten, die beispielsweise mittels eines sequentiellen Aufbaus oder eines Batch- Aufbaus gefertigt werden.

Beim sequentiellen Aufbau werden die verschiedenen Lagen der Planarspule nacheinander in der vorgesehenen Struktur der jeweiligen Spulenlage aufgebaut.

Beim Batch-Aufbau wird aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials und/oder unterschiedlicher Kristallorientierung ein Körper aufgebaut, aus dem dann die einzelnen Spulenlagen in ihrem jeweiligen Aufbau geätzt werden.

Beide Verfahren sind zeitintensiv und teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein schnelles und kostengünsti­ ges Verfahren zum Herstellen von ein- oder mehrlagigen Planarspulen zu schaf­ fen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Verfahren zum Herstellen einer ein- oder mehrlagigen Planarspule auf zumindest zwei Grundkör­ pern jeweils zumindest abschnittsweise zumindest eine Lage der fertig hergestell­ ten mehrlagigen Planarspule als Spulenstruktur galvanisch aufgebaut wird und anschließend die Grundkörper mit den obenauf aufgebauten Spulenstrukturen aufeinander gelegt werden.

Diese Lösung ist überraschend einfach und führt zu einer kostengünstigen Her­ stellung der ein- oder mehrlagigen Planarspule.

Bei dem Verfahren werden zunächst einzelne Lagen der Spule, gegebenenfalls auch mehrere Lagen gleichzeitig, galvanisch aufgebaut. Die mehrlagige Planar­ spule wird dann aus den einzelnen Lagen zusammengesetzt, indem die einzelnen Lagen aufeinander gelegt werden, so dass die einzelnen Spulenstrukturen auf den Grundkörpern übereinander zu liegen kommen und die mehrlagige Spule bil­ den. Dem Verfahren liegt erfindungsgemäß die Idee zugrunde, die komplizierte Raumstruktur der mehrlagigen Spule zur Herstellung in leicht herzustellende Strukturbereiche oder Spulenstrukturen aufzuteilen.

Der Vorteil des Verfahrens zum galvanischen Aufbau liegt darin, dass Planarspu­ len mit vergleichsweise hohen Aspektverhältnissen von bis zu 5 : 1 hergestellt wer­ den können. Es kann auf den Einsatz von teuren Lasern oder photolithografi­ schen Prozessen zur Herstellung der strukturierten Galvanikschichten verzichtet werden. Die Strukturierung der galvanischen Schicht ist durch die Reliefstruktur des vorstrukturierten Grundkörpers, der meist aus Kunststoff gefertigt ist, gege­ ben. Die galvanische Abscheidung erfolgt bevorzugt in den reliefartigen Tiefen der Grundkörperstruktur. Beim Differenzätzen wird die vollflächig abgeschiedene Gal­ vanikschicht bis zum Grundkörper abgetragen, so dass nur noch in den reliefarti­ gen Vertiefungen Galvanikmaterial verbleibt.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Planarspulen werden beim Bau von Relais, bei der Herstellung von Transpondern oder von Linearmoto­ ren verwendet.

In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die mehrlagige Planarspule aus den auf den Grundkörpern aufgalvanisierten Spulenstrukturen durch Aufeinanderfalten oder Aufeinanderstapeln hergestellt werden. Diese beiden Verfahren können auch kombiniert werden.

Beim Aufeinanderfalten der Spulenstrukturen zur Bildung der mehrlagigen Planar­ spule sind die einzelnen Grundkörpern mit den aufgalvanisierten Spulenstrukturen miteinander verbunden. Zwischen den einzelnen Grundkörpern liegt eine Falzlinie, entlang der die Grundkörper gefaltet werden.

Die Grundkörper können - wenn sie nicht miteinander verbunden sind - aufeinan­ der gestapelt werden. Auch auf diese Weise kommen die Spulenstrukturen auf­ einander zu liegen und bilden mehrere Lagen der Planarspule.

Die Anzahl der Grundkörper, die zur Bildung der mehrlagigen Spule verwendet werden müssen, kann verringert werden, wenn die Spulenstrukturen auf zwei aufeinander gegenüberliegenden Seiten eines Grundkörpers aufgebaut werden. Damit werden bereits zwei Lagen bzw. Abschnitte von zwei Lagen der fertig her­ gestellten mehrlagigen Planarspule auf einen Grundkörper angeordnet. Beim Falten oder Stapeln läßt sich somit eine höhere Packungsdichte erreichen.

Der galvanische Aufbau des Spulenkörpers wird erleichtert, wenn der Grundkör­ per in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf zumindest einer Seite vorstrukturiert wird. Eine bessere Ausnutzung der Fläche des Grundkörpers ergibt sich, wenn der Grundkörper in einer weiteren vorteilhaf­ ten Ausgestaltung vorzugsweise platten- oder folienförmig ist und an zwei gegen­ überliegenden Seiten vorstrukturiert wird. Bei dieser Ausgestaltung findet ein gal­ vanischer Aufbau der ein- oder mehrlagigen Planarspule auf beiden Seiten des Grundkörpers statt, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht.

Die Spulenstrukturen können auf dem Grundkörper präziser galvanisiert werden, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die in den Grundkörper einge­ arbeiteten Strukturen im Wesentlichen den Spulenstrukturen der fertigen Spule entsprechen. Auf eine weitere Bearbeitung des Grundkörpers kann verzichtet werden, da bereits ein gleichmäßiger Aufbau der Galvanikschichten auf die Strukturen des Grundkörpers bei dieser Ausgestaltung zu einer exakten Formge­ bung der durch die Strukturen des Grundkörpers gebildeten Spulenstrukturen führt.

Die Strukturen des Grundkörpers können kostengünstig und mit erstaunlich hohen Taktraten gefertigt werden, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestal­ tung die Grundkörper mittels Vakuumheißpressen und/oder Mikrospritzgießen vorstrukturiert werden.

Anstelle teurer Laser oder zeitaufwendiger lithographischer Ätzprozesse kann beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Strukturierung des Grundkörpers auch ein Werkzeug verwendet werden. Ein präzises und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeuges ist in einer Weiterbildung des Verfahrens durch galvanische Abscheidung möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Werkzeug auch durch eine galvanische Abscheidung auf einem strukturierten Wafer herge­ stellt werden. Dieser Wafer kann kostengünstig vorzugsweise durch das LC-(Low- Cost)-LIGA-Verfahren hergestellt werden.

Eine nachträgliche Bearbeitung des Grundkörpers vor dem Aufgalvanisieren der Spulenstrukturen ist nicht nötig, wenn der Grundkörper gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bereits aus einem metallisierbaren Kunststoff gefertigt wird. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, wenn der Grundkörper in ei­ ner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aus einem Kunststoff hoher Temperatur­ beständigkeit gefertigt wird.

Um die verschiedenen Lagen der mehrlagigen Spule ohne einen komplizierten geometrischen Aufbau der Spule miteinander leitend zu verbinden, können bei dem Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung im Grundkörper Öffnungen für eine Durchkontaktierung eingearbeitet werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Spulenstrukturen beidseitig am Grundkörper aufgebaut werden. Die ein­ ander gegenüberliegenden Spulenkörper können so durch Öffnungen miteinander verbunden werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können auch Öffnungen für einen Spulenkern in den Grundkörper eingearbeitet werden. Durch den Spulenkern lässt sich das von der mehrlagigen Spule erzeugte Magnetfeld verstärken bzw. die elektromagnetischen Eigenschaften der Spule gezielt beein­ flussen.

Die Durchkontaktierung und/oder der Spulenkern können in einer weiteren vorteil­ haften Ausgestaltung bereits beim Präge- oder Spritzgiessprozess entstehen. Al­ ternativ können Laserstrahlen zur Herstellung der Druckkontaktierung verwendet werden.

Eine Alternative oder ergänzende Herstellung dieser Öffnungen ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung durch Stanzen möglich. Präzise Stanzungen werden in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass zum Stanzen Mikrowerkzeuge, die beispielsweise mittels eines LC-LIGA-Verfahrens hergestellt werden, eingesetzt werden.

Um eine gute und über die gesamte Planarspule hinweg konstante Leitfähigkeit der Spulenstrukturen zu erzielen, ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestal­ tung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, den Grundkörper beim gal­ vanischen Aufbau der Spulenstrukturen im Wesentlichen vollflächig zu metallisie­ ren. In einer weiteren Ausgestaltung können beim galvanischen Aufbau der Spu­ lenstrukturen die in den Grundkörper eingearbeiteten Strukturen zunächst mit ei­ nem Galvanikmetall aufgefüllt und dann überwachsen werden. Hierbei ist es vor­ gesehen, Galvanikmetalle mit hoher Leitfähigkeit und gleichzeitig guten Galvani­ keigenschaften zu verwenden, wie dies bei kupferhaltigen Legierungen bzw. Kupfer der Fall ist. Bei der Verwendung von kupferhaltigen Galvanikmetall oder Kupfer kann der galvanische Aufbau der Spulenstrukturen in den Strukturen des Grundkörpers dadurch erleichtert werden, dass zum Aufbau der Spulenstrukturen ein spezieller Kupferelektrolyt verwendet wird.

Um zusammen mit dem galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen auch die Durchkontaktierung zwischen den Spulenstrukturen herzustellen, ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung möglich, beim galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen gleichzeitig zumindest eine Öffnung für die Durchkontaktierung zu verkupfern. Alternativ oder ergänzend kann dabei auch die Öffnung für den Spulenkern verkupfert werden.

Um die überwachsene, d. h. die den Spulengrundkörper mitsamt seinen Struktu­ ren vollständig bedeckende Schicht zu entfernen, wird die Galvanikschicht me­ chanisch oder chemisch abgetragen. Auch der Einsatz von vollflächig abtragen­ den Lasern ist möglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die überwachsene Schicht chemisch durch Einsatz einer Kupferätzlösung entfernt. Somit wird eine gute und vollständige Füllung der Strukturen des Grundkörpers zunächst durch ausreichende Abscheidung von Galvanikmaterial erreicht, dann wird überschüssiges Galvanikmaterial durch Wegätzen mittels eines Ätzmediums entfernt.

Um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Spulenstrukturen der ein­ zelnen Lagen zu vermeiden, können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Spulen vor dem Falten zumindest abschnittsweise mit einem Isolierlack oder eine Isolierfolie beschichtet werden.

Für das Aufeinanderfügen der einzelnen Lagen zu einer mehrlagigen Spule kön­ nen je nach Designausführung die Spulenlagen oder die Spulenabschnitte aufein­ ander gefaltet oder gestapelt werden.

Werden die Spulenlagen aufeinander gefaltet, so werden die Spulen in beliebiger Stückzahl auf einem langen Band gefertigt und letztendlich wie eine Ziehharmonika zusammengefaltet. Beim Faltprozess dürfen die Leiterbahnen, welche über den Falz hinweg die auf dem Band nebeneinander befindenden Spulen miteinander verbinden, nicht brechen. Diese Anforderung wird erfüllt, wenn die Leiterbahnen stets auf der Innenseite des Falzes geführt werden. Auf der Falzaussenseite lie­ gende Leiterbahnen werden vor dem Falz über eine Durchkontaktierung auf die Falzinnenseite geführt und nach dem Falz erneut auf die Falzaussenseite wieder­ um über eine Durchkontaktierung geführt. Somit können auch diese Leiterbahnen gefaltet werden, ohne zu brechen.

Erfolgt der Aufbau der einzelnen Spulenlagen mittels Stapeln, so werden die ein­ zelnen Spulenlagen vor dem Stapeln vereinzelt und direkt auf den Spulenkern gesteckt. Jede einzelne Lage der Spule muss mit der darüber bzw. darunterlie­ genden Spulenlage elektrisch verbunden werden. Diese elektrische Verbindung wird durch punktuelles Aufbringen einer elektrisch hochleitenden Substanz auf die entsprechenden Stellen der Spule erzeugt.

Zur Verstärkung und Beeinflussung des von dar ein- oder mehrlagigen Planarspu­ le erzeugten elektromagnetischen Feldes kann die fertig gefaltete Spule nach dem Falten auf einen Spulenkern montiert werden. Auch eine Montage auf einem Transformatorblech ist möglich.

Um die auf dem Spulenkern montierte Spule gegen mechanische Einflüsse zu schützen, kann diese mit beispielsweise einer Kunststoff- oder Harzmasse um­ spritzt werden.

Die Enden der Spule werden gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung durch ein Lötverfahren kontaktiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines beidseitig strukturierten Grundkörpers, wobei die Planarspule durch Falten der einzelnen Spulenlagen überein­ ander montiert wird.

Fig. 2A bis 2H beispielhaft einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung einer mehrlagigen Planarspule am Beispiel eines Schnittes entlang der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3A und 3B beispielhaft die Anordnung der Strukturbereiche beim Falten der Grundkör­ per einer mehrlagigen Planarspule;

Fig. 4 beispielhaft die beidseitige Anordnung der Strukturbereiche auf Ober- und Unterseite eines Grundkörpers.

Fig. 5A und 5B beispielhaft die Anordnung der Strukturbereiche beim Stapeln der Grund­ körper zur Herstellung einer mehrlagigen Planarspule.

Fig. 1 zeigt einen plattenförmigen Körper 1 aus einem metallisierbaren, hochtem­ peraturbeständigen Kunststoff. Auf der Oberfläche des Körpers 1 sind Strukturen 2A bis 2G reliefartig eingearbeitet. Die Strukturen 2A, . . . haben die Form kleiner Rinnen oder Nuten und bilden eine Negativform für die Leiterbahnen einer Lage der herzustellenden mehrlagigen Planarspule. An der in der Fig. 1 nicht einsehba­ ren Unterseite des Körpers 1 sind ebenfalls reliefartige Spulenstrukturen eingear­ beitet. Die der oberen Spulenstruktur 2G entsprechende Spulenstruktur 2 g an der Unterseite ist im Schnitt an der rechten Seite der Fig. 1 zu sehen. In diesem Schnitt ist der reliefartige, dreidimensionale Aufbau der Strukturen des Körpers deutlich zu erkennen.

Der Körper 1 ist durch Einkerbungen 3 mit dreieckiger Grundfläche, bei denen ei­ ne Spitze des Dreiecks zum Körper hin gerichtet ist, in mehrere Grundkörper 1A, 1B, 1C, 1D, 1E. . . unterteilt. Bei der Stapeltechnik werden an diesen Stellen die Spulen vor dem Stapeln vereinzelt.

Auf jedem dieser Teilkörper sind jeweils zwei Strukturen nebeneinander angeord­ net. Die jeweils benachbarten Strukturen 2B und 2C, 2 und 2F und 2G zweier an­ einandergrenzender Grundkörper sind durch jeweils eine Spulenverbindung 4 miteinander verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite sind die benachbarten Strukturen 2d und 2e sowie 2h und 2i über die Spulenverbindung 4 miteinander verbunden.

In der Mitte jeder Spule ist eine Spulenkernöffnung 5, die ebenfalls durch den ge­ samten Körper 1 hindurchgeht, wie am Schnitt am rechten Rand der Fig. 1 zu er­ kennen ist, angebracht. Bei bestimmten Ausführungen der Planarspule kann auch auf eine Spulenkernöffnung verzichtet werden.

Am inneren Ende jeder spiralförmig verlaufenden Struktur ist eine Durchkontaktie­ rungsöffnung 6 vorgesehen. Die Durchkontaktierungsöffnung 6 geht ebenfalls durch das gesamte Material der Grundkörper hindurch und stellt auch für die ent­ sprechende Struktur auf der anderen Seite der Grundkörper eine Durchkontaktie­ rungsöffnung dar. Eine weitere Durchgangsbohrung 6a wird durch den Lötan­ schluss der fertiggestellten mehrlagigen Planarspule gebildet.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Durchkontaktierungsloch einen Durchmesser von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,4 mm auf. Die Spulenkernöffnung 6 weist einen etwa rechteckigen Querschnitt mit Abmes­ sungen von 1,5 × 0,5 mm auf. Die reliefartigen Strukturen 2A, 2B. . . des Grund­ körpers weisen Querschnitte von 30 µm × 20 µm auf. Es sind Querschnitte im Be­ reich von 5 bis 100 µm × 1 bis 5 µm möglich. Die Dicke des Körpers beträgt um die 20 µm, bevorzugt weniger. Die zwischen den reliefartigen Strukturen der Grundkörper verbleibenden, stegartigen Isolationen 7 weisen eine Breite von 8 µm auf. Je nach Art der Anwendung können die angegebenen Abmessungen um eine Größenordnung nach oben oder unten abweichen.

Die reliefartigen Strukturen der Grundkörper, wie sie in der Fig. 1 gezeigt sind, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Galvanikmetall, vorzugs­ weise einem kupferhaltigen Metall oder Kupfer aufgefüllt und bilden so die Nega­ tivform der einzelnen Strukturbereiche oder der Spulenstrukturen einer mehrlagi­ gen Planarspule.

Das Verfahren zur Herstellung der mehrlagigen Planarspule wird nunmehr anhand der Fig. 2A bis 2H dargestellt. In diesen Abbildungen ist jeweils ein Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1 dargestellt.

In einem ersten Arbeitsschritt wird für die Strukturierung der Grundkörper ein Werkzeug 8, welches schematisch in Fig. 2A gezeigt ist, hergestellt. die Herstel­ lung kann sowohl mechanisch als auch durch Laser erfolgen. Diese Herstellver­ fahren haben jedoch gewisse Grenzen in Genauigkeit und Dimensionen. Photoli­ thografische Verfahren weisen höhere Genauigkeiten auf und können auch Werk­ zeuge mit höheren Aspektverhältnissen herstellen.

Vorzugsweise wird das Werkzeug für die Strukturierung der Grundkörper mit der Low Cost-LIGA Technologie hergestellt. Hierbei wird auf einem Substrat, vor­ zugsweise einem Wafer, ein photoempfindlicher Resist mit sehr hoher Homogeni­ tät und Schichtdicke aufgebracht. Über eine Parallelbelichtung wird die Struktur auf einer Photomaske auf den Resist übertragen. Anschliessend werden die Re­ siststrukturen entwickelt. Dieser strukturierte Wafer wird mit einem speziell entwic­ kelten Galvanoelektrolyten abgeformt. Die Abformung muss spannungsarm und sehr gleichmässig erfolgen, um Werkzeuge mit sehr hoher Planität zu erhalten. Das Werkzeug 8 wir auf beiden Seiten der Grundkörper 1A, 1B unter Wärmeeinwirkung in die Grundkörper 1A, gepresst. Durch diesen Pressvorgang werden die reliefartigen Strukturen der Grundkörper mit den zwischenliegenden Isolati­ onsabschnitten 7 sowie die Spulenverbindungen 4 entsprechend der Form des Werkzeuges hergestellt. Anstelle eines Heißprägeverfahrens, wie es in der Fig. 2A schematisch dargestellt ist und vorzugsweise unter Vakuum stattfindet, kann auch ein Mikrospritzgießverfahren verwendet werden.

Nach dem Herstellen des Werkzeuges 8 und der Strukturierung der Grundkörper werden die Durchgangslöcher bzw. -öffnungen 5, 6a und 6 in die Grundkörper 1A, 1B eingearbeitet. Dies ist schematisch in der Fig. 2B gezeigt. Das Durch­ gangskontaktierungsloch 6 wird mittels eines Laserstrahls 9 im Körper 1 bzw. in den Grundkörpern erzeugt. Das Spulenkernloch 5 wird mittels einer Mikrostanze oder eines anderen Mikrowerkzeuges 10 hergestellt. Das Mikrowerkzeug 10 kann ebenfalls durch ein LOW-COST-LIGA-Verfahren hergestellt werden. Sowohl das Durchgangskontaktierungsloch 6 als auch das Spulenkernloch 5 können bereits beim Spritzgießen oder Heißprägen ausgespart werden.

Nach der Strukturierung der Grundkörper 1A, 1B, 1C und der Herstellung der Durchgangsöffnungen 5, 6a und 6, wobei diese beiden Schritte auch gleichzeitig stattfinden können, wird der nicht leitende Kunststoff der Grundkörper 1 leitend metallisiert, um für den galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen leitfähig zu sein.

Beim Metallisieren werden, wie in der Fig. 2C gezeigt ist, die Grundkörper mit ei­ ner dünnen leitenden Schicht 11, vorzugsweise aus einem Metallwerkstoff, be­ schichtet. Die leitende Schicht 11 bedeckt im Wesentlichen die gesamte Oberflä­ che der Grundkörper 1 einschließlich der Durchgangsöffnungen 5, 6a und 6.

Danach erfolgt, wie in der Fig. 2D gezeigt ist, der galvanische Aufbau der Struktu­ ren vollflächig auf dem Kunststoff. Wird zum Rufbau ein kupferhaltiges Material oder Kupfer verwendet, so wird zum galvanischen Aufbau ein Kupferelektrolyt verwendet. Wichtig ist bei diesem Verfahrensschritt, dass in den Spulenwindun­ gen bzw. Leiterbahnen, die durch die reliefartigen Strukturen 2A, 2B. . . den Grundkörpern 1A, 1B, 1C. . . gebildet werden, eine im Wesentlichen lunkerfreie Abscheidung stattfindet. Durch das sich auf den Grundkörpern 1A, 1B. . ., in den reliefartigen Strukturbereichen 2A, 2B. . . ablagernde Galvanikmetall 12 werden die Grundkörper 1A, 1B vollständig bedeckt. Bei der Galvanisierung der Durchkon­ taktierungslöcher muss darauf geachtet werden, dass in den Durchkontaktie­ rungsöffnungen 5 der jeweiligen Strukturen der Grundkörper genügend Kupfer abgeschieden wird, um auch nach den nachfolgenden Ätzschritten die Verbindung der einzelnen Lagen der Spulenstrukturen auf den gegenüberliegenden Seiten der Grundkörper zu sichern.

Wie in der Fig. 2D gezeigt ist, wird der Galvanisierungsprozess so lange fortge­ setzt, bis die Grundkörper vollständig überwachsen sind, d. h. der elektrisch leiten­ den Galvanikwerkstoff 12 die reliefartigen Strukturen 2A, 2B, . . . vollständig über­ deckt und sich auf den vorstrukturierten Bereichen der Grundkörper 1 eine über­ wachsene Schicht 13 ausbildet.

Wie weiter im Ausführungsbeispiel der Fig. 2D zu erkennen ist, verbinden die Durchkontaktierungsöffnungen 6 den auf den Grundkörpern 1A, 1B, 1C. . . oberen Spulenbereich 2A leitend mit dem unteren Strukturbereich 2a.

Als nächstes wird die überwachsene Schicht 13 durch ein Ätzverfahren abgetra­ gen. Dieses Ätzverfahren muss einen sehr gleichmäßigen Abtrag der überwach­ senen Schichten 13 gewährleisten, so dass in den reliefartigen Strukturen 2A, 2B, des jeweiligen Grundkörpers gleichmäßig mit Galvanikwerkstoff 12 aufgefüllte Spulenwindungen verbleiben. Außerdem muss beim Ätzabtrag der überwachse­ nen Schicht 13 gewährleistet sein, dass in der Durchkontaktierungsöffnung 6 nicht zu viel Kupfer weggeätzt wird und damit die durch das Galvanikmaterial in der Durchkontaktierungsöffnung hergestellte leitende Verbindung zwischen den obe­ ren und unteren Strukturen des Grundkörpers unterbrochen wird. Alternativ kann das Kupfer in der Durchkontaktierung auch durch Lackauftrag vor dem Ätzmittel geschützt werden. Bei der Öffnung 5 für den Spulenkern ist es unerheblich, ob Galvanikmaterial verbleibt. Hier ist nur darauf zu achten, dass keine leitende Ver­ bindung zwischen dem Spulenkern und dem Spulenmaterial 12 verbleibt. Dies wird durch die entsprechende Strukturierung des Grundkörpers durch die isolie­ renden Stege 7 erreicht. Nach dem Ätzschritt liegt der Grundkörper mit den durch das Galvanikmaterial 12 aufgefüllten, die Leiterbahnen der Spule bildenden Spu­ lenstrukturen in der in der Fig. 2E dargestellten Form vor.

Als nächstes wird ein Isolierlack zur Isolation der einzelnen Lagen auf den Spu­ lenkörper mit dem die Spulenwindungen bzw. Leiterbahnen bildenden Galvanik­ material 12 in den reliefartigen Strukturen des Grundkörpers 1 aufgetragen. Der jeweilige, mit dem Isolierlack beschichtete Grundkörper mit den fertig aufgalvani­ sierten Spulenstrukturen ist in der Fig. 2F gezeigt.

Bei der Stapeltechnik kann anstelle des Isolierlacks oder zusätzlich zu diesem auch eine Isolierfolie mit Löchern an den Stellen der weiteren Durchkontaktierung verwendet werden.

Anschließend werden die Grundkörper entlang von in der Fig. 1 gezeigten Faltlini­ en 15 so gefaltet, dass die nebeneinander liegenden Grundkörper 1A, 1B des Körpers 1 aufeinander zu liegen kommen. Auf diese Weise kommt die Spulen­ struktur 2A unter die Spulenstruktur 2C zu liegen, die Spulenkernlöcher 5 der Teilbereiche liegen exakt übereinander. Die Faltlinie 15 verläuft, wie in der Fig. 1 zu sehen ist, zwischen den Einkerbungen 3. Die Einkerbungen 3 sind vorgesehen, um das Falten zu erleichtern und die Lage der Faltlinien relativ zu den Spulen­ strukturen zu fixieren. Je nach Anzahl der Faltungen kann eine beliebige Anzahl der nun durch Galvanisieren erhaltenen Spulen auf beiden Seiten der Grundkör­ per erhalten werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Spulenverbindungen 4, die über die Faltlinien 15 führen, möglichst auf der Innenseite des Falzes zu führen sind. Auf der Außenseite liegende Leiterbahnen sind durch eine Durchkontak­ tierung 6 auf die Innenseite der Faltung zu führen.

In der Fig. 2G ist durch einmaliges Falten eine vierlagige Planarspule hergestellt worden. Die einzelnen Lagen der Planarspule sind voneinander durch den Isolier­ lack 14 isoliert.

Die fertig gefaltete, mehrlagige Planarspule wird in einem letzten Montageschritt auf beispielsweise ein Joch 15 montiert, das Spulenkerne ausbildet. Auf diesen Schritt kann auch verzichtet werden, wenn ein Spulenkern nicht benötigt wird. An­ schließend wird die Spule, um sie vor mechanischen Einflüssen zu schützen, um­ spritzt und die Spulenenden 6a werden durch einen Lötprozess kontaktiert.

Die Fig. 3A und 3B verdeutlichen noch einmal den Faltprozess.

In einer Abänderung zu den in der Fig. 1 dargestellten Grundkörpern sind bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3A und 3B die Grundkörper aus einer Isolationsfolie 16 aufgebaut, auf der die reliefartige Struktur durch Mikrogießen eines Epoxids hergestellt ist. Zur Herstellung einer vierlagigen Planarspule werden beidseitig der Isolationsfolie 16 Strukturbereiche 2A, 2a, 2B, 2b, 2C, 2c, 2D, 2d hergestellt. Die mit Großbuchstaben bezeichneten Strukturbereiche liegen dabei auf der jeweils anderen Seite der Isolationsfolie 16 als die mit einem Kleinbuchstaben bezeichne­ ten Strukturbereiche.

Klappt man die nach dem Wegätzen der aufgalvanisierten, überwachsenen Schicht hergestellte Struktur in Richtung des Pfeils 17 um die Faltlinie 15, so er­ hält man die vierlagige Spule der Fig. 3B. Nach dem Falten liegt der Strukturbe­ reich 2a über dem Strukturbereich 2D und der Strukturbereich 2b liegt über dem Strukturbereich 2c.

Durch mehrfaches Übereinanderfalten einer Vielzahl von Strukturbereichen kön­ nen beliebig viele Lagen einer Planarspule hergestellt werden.

Der geometrische Aufbau eines Körpers 1 mit beidseitig beschichteten Grundkör­ pern ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Fig. 4 zeigt die Mantelfläche der Grundkör­ pers mit den aufgefüllten Strukturen 2A, . . . und 2a, . . . Die obere Hälfte 19 zeigt die Unterseite, die untere Seite 20 zeigt die Oberseite des Grundkörpers.

In der Fig. 4 ist zu erkennen, daß der geometrische Aufbau der einzelnen Struk­ turbereiche 2A, . . ., 2a, . . . einander so entspricht, dass die einzelnen Leiterbahnen der Spulenstrukturen nach dem Falten oder Stapeln übereinanderliegen. Die Strukturbereiche der einzelnen Teilkörper 1A, 1B, . . . sind durch Leiterbahnen 4 miteinander verbunden, die über die Falzlinie 15 reichen. Die Leiterbahnen 4 sind abwechselnd an der Oberseite 20 und der Unterseite 19 des Grundkörpers ange­ ordnet. Bei dieser Ausführung liegt die Leiterbahn 4 bei einem zieharmonikaarti­ gen Falten stets an der Innenseite des Faltfalzes 15. Durch die Führung der Lei­ terbahn 4 auf der Innenseite des Falzes wird vermieden, dass die Leiterbannen 4 beim Falten gedehnt werden oder brechen.

Zwei auf einem Teilkörper angeordnete, nebeneinander liegende Strukturbereiche sind stets an der Unterseite 19 der Grundkörper 1A, 1B, 1C, . . . mittels einer Lei­ terbahn 21 miteinander verbunden.

Die Reihenfolge, in der die einzelnen Spulenstrukturen 2A, 2a, 2B, 2b, 2C, 2c, . . . miteinander verbunden sind, ist in der Fig. 4 anhand der Pfeile auf den Leiter­ bahnen und den Spulenstrukturen zu erkennen. Über das optionale Anschlusspad 6a wird die ein- oder mehrlagige Planarspule an ein nicht gezeigtes externes elektrisches Gerät angeschlossen. Das Anschlusspad 6a ist mit der auf der Ober­ seite 20 liegenden Spulenstruktur 2A verbunden. Über die innere, nahe des Spu­ lenkernloches gelegene Durchkontaktierung der Spulenstruktur 2A ist diese durch den Grundkörper hindurch mit der Spulenstruktur 2a auf der Unterseite 19 des Teilkörpers 1A verbunden. In der Spulenstruktur 2a fließt der Strom nach außen über die Leiterbahn 21 zur Spulenstruktur 2b auf dem selben Grundkörper 1A. Die Spulenstruktur 2b ist durch eine nahe dem Spulenkernloch gelegene Durchkon­ taktierung mit der Spulenstruktur 2B auf der Oberseite des Teilkörpers 1A verbun­ den. Die Spulenstruktur 2B auf der Oberseite 20 des Teilkörpers 1A ist über die Leiterbahn 4 mit der Spulenstruktur 2C auf der Oberseite 20 des benachbarten Teilkörpers 1B verbunden. Die Spulenstruktur 2C ist wiederum durch eine nahe dem Spulenkernloch liegende Durchkontaktierung mit der Spulenstruktur 2c auf der Unterseite 19 des selben Teilkörpers 1B verbunden. Die Spulenstruktur 2c auf der Unterseite 19 des Teilkörper 1B ist wieder durch eine Leiterbahn 21 mit der Spulenstruktur 2d auf der Unterseite 19 des selben Teilkörpers 1B verbunden. Über eine innenliegende Durchkontaktierung ist der Spulenkörper 2d mit dem auf der Oberseite 20 des Teilkörpers 1B liegenden Spulenkörper 2D verbunden. Beim Spulenkörper 2D wird über eine außenliegende Durchkontaktierung der Strom auf die Unterseite 19 des Teilkörpers 1B zur Leiterbahn 4 geleitet. Die Leiterbahn 4 führt den Spulenkörper 2d auf die Unterseite 19 des Teilkörpers 1C. Am Ende der Leiterbahn 4 befindet sich eine Durchkontaktierung zur Spulenstruktur 2E an der Oberseite 20 des Teilkörpers 1C. Über eine innenliegende Durchkontaktierung ist die Spulenstruktur 2E mit der Spulenstruktur 2e auf der Unterseite 19 des Teilkör­ pers 1C verbunden. Von hier an wiederholt sich das Verbindungsschema der Spulenstrukturen 2a bis zur Spulenstruktur 2E von der Spulenstruktur 2e an.

Die Struktur der Teilkörper 1A, 1B, 1C, . . . wiederholt sich alle zwei Teilkörper. Bei der Fertigung des Rundkörpers 1 in Form eines Bandes kann auf diese Weise die Werkzeugform zur Herstellung der Spulenstruktur sehr vereinfacht werden.

Auf einem Grundkörper 1A können beliebig viele Spulenabschnitte oder Spulenla­ gen angeordnet werden. Der Körper 1 kann beliebig viele Grundkörper aufweisen. Auch sind andere Faltschemata, als sie in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, ohne weiteres möglich. Die Reihenfolge, in der die Spulenstrukturbereiche miteinander verbunden sind und die Lage der Leiterbahnen 4, hängt im Wesentlichen vom Faltschema ab, mit dem die mehrlagige Spule zusammengesetzt wird. Um eine mechanische Belastung der Leiterbahnen 4, die sich über die Faltlinie 15 erstrecken zu minimieren, ist es allerdings ratsam, diese auf die Innenseite der Faltung zu führen.

Die in den Fig. 5A und 5B gezeigte Stapeltechnik unterscheidet sich von der oben beschriebenen Falttechnik im wesentlichen nur dadurch, daß die einzelnen Grundkörper 1A, 1B, 1C. . . beim Aufeinanderlegen nicht miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der bandförmige Körper 1 der Fig. 1 vor dem Aufeinanderlegen in die einzelnen Grundkörper zerteilt wird. Die Grundkörper können allerdings auch unabhängig voneinander einzeln aufgebaut werden. Ein weiterer Unterschied besteht in der Kontaktierung der einzelnen Grundkörper miteinander. Im Gegensatz zu der Falttechnik ist es nicht mehr möglich, eine Durchkontaktierung der Spulenstrukturen der einzelnen Grundkörper 1A, 1B, 1C. . . über die Verbindungsleitungen 4, die über die Falzlinie 15 reichen, herzustellen.

Aus diesen Unterschieden ergibt sich folgende Vorgehensweise bei der Stapel­ technik:

Die einzelnen Grundkörper 1A, 1B, die einzeln oder - wie in der Fig. 1 dargestellt - zusammenhängend mit den Spulenstrukturen versehen wurden, werden vor dem Aufeinanderlegen mit einer dünnen Isolationsfolie 18 abgedeckt. Dies ist schema­ tisch in Fig. 5A gezeigt. In der Isolationsfolie sind an Bereichen, die zur Kontaktie­ rung der einander gegenüberliegenden Spulenstrukturen der aufeinandergelegten Grundkörper vorgesehen sind, leitfähige Klebstoffbereiche 19 als Durchkontaktie­ rung vorgesehen. Die mittels der Stapeltechnik hergestellte mehrlagige Planarspu­ le ist in der Fig. 5B gezeigt.

Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen denen des Faltverfahrens.

Mit Ausnahme des Stapel- bzw. Faltverfahrens laßt sich auf die oben beschriebe­ ne Weise auch eine einlagige Planarspule herstellen. Allerdings muß bei der Herstellung einer einlagigen Spule nur eine Seite 19 oder 20 des Grundkörpers 1 vorstrukturiert und dann auf dieser Seite 19 oder 20 die Spulenstruktur galvanisch aufgebaut werden. Folglich muß die überwachsene Schicht auch nur einseitig ab­ getragen werden. Die so gefertigte Spule wird vereinzelt und ggf. mit dem Spulen­ kern ggf. auf ein Transformationsblech montiert oder ggf. umspritzt.

Claims (34)

1. Verfahren zum Herstellen einer mehrlagigen Planarspule, bei dem auf zu­ mindest einem Grundkörper (1A, 1B) jeweils zumindest abschnittsweise die zumindest eine Lage der fertig hergestellten mehrlagigen Planarspule als Spulenstruktur galvanisch aufgebaut wird und anschließend die Grundkör­ per (1A, 1B) mit den darauf aufgebauten Spulenstrukturen aufeinander ge­ legt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Grundkörper (1A, 1B) miteinander verbunden sind und im wesentlichen entlang einer Falzlinie aufeinander gefaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem einzelne Grundkörper (1A, 1B) auf­ einander gestapelt werden.

4. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die Spulenstruk­ tur auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Grundkörpers (1A) auf­ gebaut werden.

5. Verfahren nach einem der obengenannten Ansprüche, bei dem der Grundkörper (1A) zumindest zum Aufbau der Spulenstruktur auf einer Seite (20) vorstrukturiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorzugsweise platten- oder folienförmige Grundkörper (1A) an zwei gegenüberliegenden Seiten (19, 20) vorstrukturiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die in den Grundkörper (1A) einge­ arbeiteten Strukturen (2A, 2B, . . ., 2a, 2b, . . .) im wesentlichen entsprechend den Spulenstrukturen gefertigt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Strukturen (2A, 2B, . . ., 2a, 2b, . . .) des Grundkörpers (1) im wesentlichen reliefartig ausgebildet sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der Grundkörper (1) mittels Vakuumheißpressen und/oder Mikrospritzgießen vorstrukturiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Grundkörper (1) aus einem metallisierbaren Kunststoff gefertigt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Grundkörper (1) aus einem Kunststoff hoher Temperaturbeständigkeit gefertigt ist.

12. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem für die Strukturie­ rung des Grundkörpers (1) ein Werkzeug (8) verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Werkzeug (8) durch eine galvanische Abscheidung erzeugt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Werkzeug (8) durch galvani­ sche Abscheidung auf einem, vorzugsweise durch ein LC-LIGA-Verfahren, struk­ turierten Wafer, hergestellt wird.

15. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem im Grundkörper (1) Öffnungen (5, 6) für eine Durchkontaktierung und/oder den Spulenkern einge­ arbeitet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem zumindest eine Öffnung (5, 6) mittels eines Laserstrahls (9) hergestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem zumindest eine Öffnung (5, 6) durch Stanzen hergestellt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Stanzen mittels Mikrowerkzeugen (10), die vorzugsweise mittels eines LC-LIGA-Verfahrens hergestellt werden, durchge­ führt wird.

19. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem der Grundkörper (1) beim galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen im wesentlichen vollflächig metallisiert (11) wird.

20. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die Strukturen des Grundkörpers (1) beim galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen mit einem vorzugsweise kupferhaltigen Galvanikmaterial (12) aufgefüllt und überwachsen werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der galvanische Aufbau der Spulenstruktu­ ren mittels eines Kupferelektrolyten durchgeführt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem beim galvanischen Aufbau der Spulenstrukturen gleichzeitig zumindest eine Öffnung (6) für eine Durchkontaktie­ rung der Spulenlagen und/oder zumindest eine Öffnung (5) für den Spulenkern verkupfert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem die überwachsene Schicht (13) weggeätzt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem nach dem Ätzen das Galvanikmaterial (12) in der zumindest einen Öffnung für die Durchkontaktierung verbleibt.

25. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die überwachse­ ne Schicht mechanisch abgetragen wird.

26. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die überwachse­ ne Schicht mittels Laser abgetragen wird.

27. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem vor dem Falten die Spulenstrukturen zumindest abschnittsweise mit einem Isolierlack (14) be­ schichtet werden.

28. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem vor dem Falten die Spulenstrukturen zumindest abschnittsweise mit einer Isolierfolie (14) abge­ deckt werden.

29. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die Verbindung zwischen aufeinanderliegenden Spulenstrukturen mittels eines stellenweise auf­ getragenen, leitfähigen Klebstoffes hergestellt wird.

30. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem beim Falten die Leitungsbahnen der Spule auf der Innenseite des Faltfalzes (15) liegen.

31. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem beim Falten be­ züglich des Faltfalzes (15) außen liegende Leiterbahnen durch eine Durchkontak­ tierung (5) nach innen geführt werden.

32. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, bei dem die fertig gefalte­ te Spule auf einen Spulenkern (15) montiert wird.

33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem die auf den Spulenkern montierte Spule umspritzt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem die Enden der Spule durch ein Lötverfahren kontaktiert werden.