DE10120271A1 - Multilayer-Schaltungsaufbau - Google Patents

Abstract

Ein Multilayer-Schaltungsaufbau weist wenigstens ein auf dem Multilayer (2) angebrachtes Bauelement (5) und wenigstens eine durch eine Spule und einen magnetischen Kern (1) gebildete Induktivität (7, 8, 9) auf, wobei sämtliche Wicklungen (20) der Spule(n) auf und in dem Multilayer (2) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Multilayer-Schaltungsaufbau mit wenigstens einem auf dem Multilayer angebrachten Bauele­ ment und wenigstens einer durch eine Spule und einen magneti­ schen Kern gebildeten Induktivität.

Ein solcher Schaltungsaufbau wird in verstärktem Maße bei der Datenübertragung mit hoher Bandbreite über einen gängigen Telefonanschluß, z. B. als ADSL-Filter verwendet. Bei dem bekannten Aufbau eines Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)-Filters werden sämtliche Induktivitäten in Form von diskreten Bauelementen auf einer Hauptplatine angebracht. Ein prinzipielles Problem bei einem solchen Aufbau liegt darin, daß sämtliche vorgelagerten Toleranzen von Kondensatoren und Schaltkreisaufbau mit dem Abgleich der diskreten induktiven Bauelemente auf +/-2% abgefangen werden müssen. Trotzdem beträgt die Ausfallrate mit diskreten Spulen und Kondensatoren ausgestatteter ADSL-Filter über 5% der Gesamtproduktion. Weiterhin ist der konventionelle Schaltungsaufbau des ADSL- Filters bei der Kleindimensionierung an seine Grenzen des Aufbaus gestoßen. Dem kompakten Design stehen sowohl die Baugrößen der diskreten Bauelemente als auch deren gegenseiti­ ges elektromagnetisches Übersprechen entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schal­ tungsaufbau bereitzustellen, der die hohen Anforderungen der Toleranzen bei möglichst geringen Herstellungskosten und geringem Zeitaufwand erfüllt und dabei wesentlich kompakter aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau dadurch gelöst, daß sämtliche Wicklungen der Spulen auf oder in dem Multilayer ausgebildet sind. Die restlichen Bauelemen­ te, z. B. die Kondensatoren, werden dabei als Suface Mount Device (SMD)- oder Trough Hole Technic (THT)-Bauteile auf dem Multilayer angebracht.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Multilayer-ADSL- Filters bestehen darin, daß die Zahl der Anschlüsse des als komplettes Bauteil ausgeführten erfindungsgemäßen Multilayer- Filters (MLF) durch den Einsatz der Planarspulentechnik erheb­ lich reduziert wird. Im Vergleich zum Stand der Technik lassen sich weiterhin die Eigenkapazitäten, Streuinduktivitäten und Induktivitäten der Spulen in Multilayertechnik zueinander sehr gut reproduzierbar herstellen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, daß in einem ADSL-Filter der Kondensator vor dem einer entsprechenden Induktivität zugeordneten Ferritkern bestückt und vermessen wird, wonach anhand der ermittelten Werte die entsprechende Induktivität mittels einer Verschiebung und anschließender Fixierung des Ferritkerns auf eine gegebene Resonanzfrequenz abgestimmt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Anfertigung der erfindungsgemäßen Multilayer-Filter ist vorgesehen, daß mehrere Multilayer-Filter auf einem Multilayernutzen angefer­ tigt und anschließend getrennt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Filterschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Multilay­ er-Filter,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Multilayer-Filters nach Fig. 2,

Fig. 4 die Befestigung des erfindungsgemäßen Multilayer-Fil­ ters auf einer Hauptleiterplatte mittels eines unter der Hauptleiterplatte angeordneten Pads,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeipiel gemäß Fig. 4, jedoch mittels eines über der Hauptleiterplatte angeordneten Pads,

Fig. 6 eine Seitenteilansicht eines auf einer Hauptleiter­ platte angeordneten Multilayer-Filters,

Fig. 7 eine Multilayer-Filteranordnung auf einem Multilayer­ nutzen, bei deren Herstellung,

Fig. 8 die Befestigung eines Multilayer-Filters auf einer Hauptleiterplatte mittels THT-Montage,

Fig. 9 die Befestigung eines Multilayer-Filters auf einer Hauptleiterplatte mittels SMT-Montage und

Fig. 10 eine Seitenansicht von zwei befestigten Multilayer- Filtern mit einer gegenseitigen zusätzlichen Abschir­ mung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Schaltung eines ADSL-Filters, der als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen Multilayers-Schaltungsaufbaus weiterhin behandelt wird. Die in Fig. 1 gezeigte Filterschaltung weist drei induktive Bauelemente 7, 8 und 9 auf, die bisher als einzelne Bauelemen­ te angefertigt wurden. Die induktiven Bauelemente 7 und 8 bestehen dabei aus vier in Reihe geschalteten Induktivitäten 20, die relativ zueinander unterschiedliche Werte haben kön­ nen, wobei zwischen die zweite und dritte Induktivität, die die Querinduktivitäten bilden, ein Kondensator 5 geschaltet ist. Die mit einem Ende am Eingang und mit dem anderen Ende am Ausgang des induktiven Bauelements zugeschalteten Induktivitä­ ten bilden dabei Längsinduktivitäten. Das Bauelement 9 ist lediglich aus zwei Längsinduktivitäten ausgebildet. Die induk­ tiven Bauelemente 7, 8 und 9 sind so zusammengeschaltet, daß ein Ausgang eines Bauelements an den Eingang eines nächsten Bauelements angeschlossen ist. Erfindungsgemäß werden die Längs- bzw. Querinduktivitäten 20 in einer mehrschichtigen Leiterplatte (oder Multilayer) 2 unter Einsatz der Planar­ spulentechnik angefertigt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Schal­ tung werden die Signale durch Anschlüsse 3 eingespeist bzw. entnommen.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Drauf- bzw. Seitenansicht des erfindungsgemäßen Multilayerschaltungsaufbaus mit den im Multilayer 2 ausgeführten induktiven Bauelementen 7, 8 und 9, die mit entsprechenden Ferritkernen 1 die Induktivitäten bilden. Auf dem Multilayer 2, der Signal- bzw. Masseanschlüsse 3 und 4 aufweist, sind zwei Kondensatoren 5 als SMD-Bauteile angebracht. Der auf diese Weise als komplettes Bauteil reali­ sierte Multilayer-Filter erlaubt es, die Baugröße des MLF bis etwa auf die Hälfte der Baugröße eines konventionellen MLF zu reduzieren. Weiterhin lassen sich die Spulen in Multilayer­ technik bezüglich Eigenkapazität, Streuinduktivität und Induk­ tivität zueinander sehr gut reproduzierbar herstellen, was weitere Vorteile hinsichlich verbesserter Toleranzen eines Schaltkreisaufbaus mit sich bringt.

Die Verbindung von einzelnen induktiven Bauelementen innerhalb eines MLF erfolgt durch die im Multilayer ausge­ bildeten Leiterbahnen und kann durch benachbarte induktive Elemente hindurchführen, wobei eine zusätzliche Induktivität entsteht. Diese Induktivität wird einer Längsinduktivität zu­ geordnet, wird im gesamten Aufbau mitberücksichtigt und er­ zeugt damit keine unerwünschten parasitären Eigenschaften. Eine externe Verbindung über die Hauptleiterplatte 10 mit undefinierter Induktivität wird damit vermieden. Durch die gut reproduzierbaren Eigenschaften der Induktivitäten für die Dimensionierung der in Fig. 1 gezeigten Querinduktivitäten kann ein zur Längsinduktivität kleines Übersetzungsverhältnis gewählt werden. Dies erlaubt es, die absoluten Werte der Quer­ induktivitäten relativ zu Längsinduktivitäten klein zu halten, wodurch beide Querinduktivitäten bildende Spulen in induktiven Bauelementen 7 und 8 durch die resultierenden kleinen Win­ dungszahlen in einer Lage des Multilayers 2 erzeugt werden können. Somit verbleiben mehr Lagen zur niederohmigen Aus­ führung der Längsinduktivitäten, was ein anderer Faktor für die Kostensenkung bei der Multilayerherstellung ist.

Fig. 4 zeigt eine Befestigung des Multilayer-Filters auf einer Hauptleiterplatte 10, die in Form einer mehrschichtigen Leiterplatte aufgebaut ist. Der Multilayer-Filter wird dabei in einer Öffnung 22 in der Hauptleiterplatte 10 befestigt und durch die Kupferpads an die Hauptleiterplatte 10 über Reflow angelötet. Das Pad kann sowohl mittels eines Schwalllötkegels 11 unter der Hauptleiterplatte 10, als auch mit Hilfe eines Reflow-Lötkegels 12 über der Hauptleiterplatte 10, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, angeordnet sein.

Eine schematische Seitenteilansicht der in Fig. 4 gezeig­ ten Befestigung des Multilayer-Filters mit dem Schwalllötkegel 11 ist in Fig. 6 gezeigt. Die elektrische Verbindung zwischen der Hauptleiterplatte und einzelnen Bauelementen des Multilay­ er-Filters erfolgt bei dieser Ausführungsform über SMD-Pads 13 sowie über die Schwall- bzw. Reflow-Lötkegel. Der als kom­ plettes Bauteil auf dem Multilayer 2 realisierte Multilayer- Filter wird dabei in der Hauptleiterplatte 10 mit Hilfe eines Nuts 14 auf einer vorgegebenen Einbauhöhe fixiert.

Die in Fig. 8 dargestellte Montage des Multilayers 2 auf der Hauptleiterplatte 10 basiert auf einer Trough Hole Technic (THT), wobei eine rechtwinklig gebogene Bestiftung 16 des Multilayers 2 durch entsprechende Öffnungen in der Hauptlei­ terplatte 10 durchläuft und z. B. durch Löten an entsprechende Leiterbahnen der Hauptleiterplatte 10 befestigt und elektrisch kontaktiert wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Montagemöglichkeit des Multi­ layerfilters auf der Hauptplatte 10 basierend auf einer Surfa­ ce Mount Technic (SMT), deren Unterschied zu THT darin be­ steht, daß ein Endabschnitt einer Bestiftung 17 des Multilay­ ers 2 parallel zur Hauptleiteroberfläche verläuft und die Bestiftung 17 die Hauptleiterplatte 10 nicht durchdringt. Eine gemischte Montageform aus SMT und THT wäre ebenfalls denkbar.

Bei der Plazierung von mehreren Multilayer-Filtern auf einer Hauptleiterplatte werden die Abstände zwischen den einzelnen Filtern immer enger und somit wird das induktive Übersprechen zwischen zwei Lines erleichtert. Die Geometrie des Kerns und der Wicklung im erfindungsgemäßen Multilayer- Schaltungsaufbau minimieren die seitliche Abstrahlung so weit, daß praktisch kein induktives Übersprechen zwischen einzelnen Multilayer-Filtern erfolgt, was in einer konventionellen Anordnung ohne speziellen Schirm nicht möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf wenigstens einem Teil des Multilayers 2 eine metallisierte Schicht 6 als elek­ tromagnetische Abschirmung angebracht ist. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsvariante mit geerdeter Abschirmung herausgestellt, die besonders effektiv im hoch­ frequenten Bandbereich eingesetzt werden kann. Die entspre­ chenden Schirmflächen 6, deren Erdung über die Masseanschlüsse 4 erfolgen kann, sind in Fig. 2 und Fig. 6 gezeigt.

Will man den Abstand zwischen den einzelnen MLF noch weiter verkleinern bis die Kerne zweier benachbarter Filter sich fast berühren, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, kann eine zusätzliche leitende Schicht 19 zwischen zwei MLFs eine effek­ tive Trennung herstellen. Die leitende Schicht 19 kann dabei als Kupfer- oder elektrisch leitende Polymerfolie ausgebildet werden. Die im ADSL-Filter dadurch erreichte Bauelementpac­ kungsdichte kann derzeit mit keiner anderen Technologie er­ reicht werden.

Der MLF kann als Einzelbauelement oder im Multilayernut­ zen 15 mit mehreren MLFs gefertigt werden. Die in Fig. 7 gezeigte MFL-Anordnung auf einem Multilayernutzen 15, bei der einzelne MLFs einen minimalen Abstand d zueinander zu haben, in ihrer Längsrichtung zueinander verschoben sind, stellt einen weiteren Vorteil dar, der bei Massenanfertigung der MLFs weitere Material- und Zeitaufwandeinsparungen mit sich bringt. Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Multilayer-Schal­ tungsaufbaus, der als ADSL-Filter realisiert ist, hat sich herausgestellt, daß vor dem Bestücken der Induktivitäten mit einem zweiten E-Kern das Anbringen auf MLF und Vermessen der Kondensatoren sinnvoll ist, damit ausgehend von ermittelten Werten die Induktivität gemäß der gewünschten Resonanz einge­ stellt wird. Die Einstellung der jeweiligen Induktivität erfolgt dabei durch Einstellen des Spaltes zwischen beiden Hälften des jeweiligen Ferritkerns und anschließendes Aus­ härten eines Klebers auf Harzbasis. Dadurch lassen sich die Toleranzen der verwendeten Kondensatoren vergrößern, was zur weiteren Kostensenkung des erfindungsgemäßen Multilayer-Schal­ tungsaufbau führt.

Da die Zahl der Anschlüsse in der erfindungsgemäßen Lösung erheblich vermindert ist, kann die Lagenzahl der Haupt­ platine reduziert werden. Bei der Herstellung von ADSL-Filtern werden derzeit Hauptplatinen mit sechslagigen Multilayern verwendet, da die Verdrahtung auf zwei oder vier Lagen nicht mehr zu bewältigen ist. Durch den Einsatz des erfindungsgemä­ ßen Multilayer-Schaltungsaufbaus kann die Lagenzahl der Haupt­ platine auf vier oder sogar auf zwei reduziert werden. Die Plazierung des erfindungsgemäßen MLF auf der Hauptleiterplatte als einzelnes Bauteil führt ebenfalls zu einer weiteren Ko­ stenreduzierung bei der Herstellung.

Claims (9)

1. Multilayer-Schaltungsaufbau mit wenigstens einem auf dem Multilayer (2) angebrachten Bauelement (5) und wenigstens einer durch eine Spule und einen magnetischen Kern (1) gebildeten Induktivität, wobei sämtliche Wicklungen (20) der Spule(n) auf und/oder in dem Multilayer (2) ausgebil­ det sind.

2. Multilayer-Schaltungsaufbau nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß er einen Filter für eine Datenübertra­ gung mit hoher Bandbreite bildet.

3. Multilayer-Schaltungsaufbau nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Filter ein ADSL-Filter für einen Telefonanschluß ist.

4. Multilayer-Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er drei Induktivitäten (7, 8, 9) aufweist.

5. Multilayer-Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bauele­ ment (5) als SMD-Bauteil auf dem Multilayer (2) ange­ bracht ist.

6. Multilayer-Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (5) als THT-Bauteil auf dem Multilayer (2) angebracht ist.

7. Multilayer-Schaltungsaufbau nach Anspruch 5 oder 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauelement (5) ein Kon­ densator ist.

8. Multilayer-Schaltungsaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf wenigstens einem Teil des Multilayers (5) eine metallisierte Schicht (6) als elektromagnetische Abschirmung angebracht ist.

9. Multilayer-Schaltungsaufbau nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallisierte Schicht (6) eine Kupferschicht ist.