DE10143708A1 - Miniatur-Induktivität mit einem prismatischen, auf einen Kunststoffkörper aufgesetzten Ferritkern - Google Patents
Miniatur-Induktivität mit einem prismatischen, auf einen Kunststoffkörper aufgesetzten FerritkernInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Miniatur-Induktivität mit weiterem Miniaturisierungspotential und zugleich hoher Zuverlässigkeit zu schaffen, bei welcher die Nachteile des Standes der Technik bezüglich der Raumausnutzung vermieden werden und insbesondere die Bruchgefahr beim Bonden der Verbindung zwischen Spulendraht und Metallkontakt weitestgehend beseitigt wird. DOLLAR A Diese Aufgabe wird bei einer Miniatur-Induktivität mit einem prismatischen, auf einen Kunststoffkörper (1) aufgesetzten Ferritkern (2), wobei der Kunststoffkörper (1) im Bereich der Längenausdehnung des Ferritkerns (2) nicht breiter ist als dieser, mit diesem zusammen mit dem Spulendraht (3) umwickelt ist und an seinen verbreiterten Enden (4) verankerte Metallkontakte (5) zur Oberflächenmontage (SMD) der Miniatur-Induktivität, trägt, auf denen die Enden des Spulendrahtes durch Bonden angeschlossen sind, dadurch gelöst, dass die flächenhaft auf den verbreiterten Enden (4) aufliegenden Metallkontakte (5) sich in der Flächenebene, vorzugsweise in axialer Richtung, über diese Enden (4) hinaus erstrecken. DOLLAR A Die Erfindung ist bei der Herstellung induktiver Bauelemente anwendbar.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Miniatur-Induktivität, insbesondere als Antenne in drahtlosen elektronischen Fahrzeug-Schließsystemen, für Smart-Card- Anwendungen sowie zur drahtlosen Datenübertragung in sogenannten "Tire- Pressure Monitoring Systemen" (TPMS). Eine solche Miniatur-Induktivität ist beispielsweise zusammen mit der zugehörigen Ansteuerelektronik im Fahrzeugschlüssel untergebracht und muss demzufolge in den Außenabmessungen sehr klein sein, wobei die Tendenz zur weiteren Miniaturisierung noch immer anhält. Dabei müssen bestimmte Hochfrequenzkennwerte, wie Empfindlichkeit und Richtcharakteristik eingehalten werden. Die Zuverlässigkeitseigenschaften müssen den hohen Anforderungen des Automobilbaues entsprechen.
- Es sind verschiedene Ausführungsformen solcher Miniaturspulen bekannt geworden, wobei die Probleme bei Luftspulen und bei solchen mit Magnetkern, wie im vorliegenden Falle, ähnlich sind und nachfolgend unabhängig von der tatsächlich ausgeführten Baugröße und unabhängig von der Funktion der Induktivität auch das technische Potential zur Miniaturisierung diskutiert wird.
- Es ist eine Chip-Induktivität, insbesondere eine HF-Drossel mit einem relativ großen Wickelraum bekannt, bei welchem die magnetische und die tragende Funktion von einem Ferritkern mit rechteckigem Querschnitt übernommen wird, welcher in der Nähe seiner Enden Verbreiterungen aufweist, an welchen aufgesteckte Metallteile anliegen, welche zugleich Auflage- und Kontaktelemente sind (DE 43 32 638). Hier lässt sich das für Drosseln erforderliche hohe Wickelvolumen ohne Platzvergeudung unterbringen. Der Miniaturisierung insgesamt sind aber durch die komplizierte Kernform und die problematische Form der Auflage- und Kontaktelemente mit ihren rechteckigen, genau auf den Kern passenden Durchbrüchen Grenzen gesetzt.
- Großes Miniaturisierungspotential hat eine Stabkerndrossel mit einem Ferritkern, an dessen Enden vierkantige Kappen, vorzugsweise aus Metall, aufgesteckt und mit der Fortsetzung der Wicklung auf dem Ferritkern bewickelt sind. Die Wicklung auf den Kappen ist verzinnt und bildet zugleich die SMD.-Kontaktierung (DE 195 20 858 A1). Nachteilig ist hier der enge Übergang zwischen der Wicklung mit HF-Funktion und derjenigen mit Kontaktfunktion, weshalb hier auch wegen einer möglichen Ausbreitung des Zinnlotes über die Kappen hinaus mit einer starken Exemplarstreuung der elektrischen Kennwerte gerechnet werden muss.
- Bei einer bekannten Miniatur-Induktivität liegt diese in einem trogartigen Kunststoffgehäuse, und die herausgeführten Wicklungsenden sind um T- förmige Kontaktierungsfortsätze gewickelt, welche sich parallel zur Montagefläche erstrecken, so dass der untere Drahtwickel um diese Fortsätze den SMD-Kontakt bildet (DE 195 47 091 A1).
- Bei einer gleichfalls trogförmigen Anordnung sind stirnseitig nach außen offene, U-förmige Blechstreifen eingesetzt, deren einer Schenkel in axialer Richtung über das Kunststoffteil hinausragt, mit den Wicklungsenden umwickelt ist und somit einen SMD-Kontakt bildet (DE 196 07 092 A1). Bei beiden technischen Lösungen ist der bewickelte Kern umfangmässig zu etwa drei Vierteln von dem trogfömigen Gehäuse umgeben, was einen guten Schutz und gute Festigkeitseigenschaften ergibt. Der Miniaturisierung sind hierbei ebenfalls Grenzen gesetzt, da die Wandung des "Troges" nicht beliebig dünn gemacht werden kann. Weiterhin benötigen die SMD-Kontakte im erstgenannten Fall viel Platz auf der Leiterplatte in seitlicher Richtung und im zweitgenannten Fall in axialer Richtung.
- Schließlich ist eine Miniatur-Antennenspule entsprechend dem Oberbegriff des beigefügten Hauptanspruches bekannt (DE 199 11 803 A1 inhaltsgleich mit EP 1 037 304 A2). Bei dieser Antennenspule ist hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung der Metallkontakte, wie sich jetzt herausstellte, noch nicht das ganze Miniaturisierungspotential ausgeschöpft. Vor allem aber besteht beim Verbinden der Spulendrahtes mit dem Metallkontakt mittels Thermokompressionsbonden die Gefahr, dass der Ferritkern und/oder der Träger-Kunststoffkörper durch die Kraft des Bondwerkzeuges, mit welcher naturgemäß die Qualität der herzustellenden Bond-Verbindung korreliert, bricht (brechen).
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Miniatur-Induktivität mit weiterem Miniaturisierungspotential und zugleich hoher Zuverlässigkeit zu schaffen, bei welcher auch die weiteren erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und insbesondere die Bruchgefahr beim Bonden der Verbindung zwischen Spulendraht und Metallkontakt weitestgehend beseitigt wird.
- Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.
- Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile auf:
Durch eine nun konstruktionsmässig mögliche Optimierung des Verhältnisses zwischen der Länge des Ferritkernes zur Gesamtlänge des Bauteiles werden die Übertragungseigenschaften bei der Verwendung als Antenne wesentlich verbessert. - Durch die Befestigung des Metallkontaktes entsprechend Anspruch 7 lässt sich der Metallanteil gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vermindern, wodurch der die Güte der Induktivität mindernde Einfluss dieses Teiles ebenfalls vermindert wird.
- Der erfindungswesentlich an den Enden des Kunststoffkörpers überstehende Bereich des Metallkontaktes dient beim Bonden der Verbindung zwischen Spulendraht und Metallkontakt der Auflage auf einem Gegenstempel, wodurch die übrigen Teil der Induktivität völlig von der Kraft des Bond- Stempels entlastet werden und jegliche Bruchgefahr infolge der Wirkung dieser Kraft völlig ausgeschlossen wird.
- Die Werkstoffwahl für alle Bestandteile des Bauelemente, insbesondere aber für den Spulendraht und für die Metallkontakte ermöglicht die Anwendung des Thermokompressionsbondens bis 180°C, wodurch die Bondverbindung und das ganze Bauelement eine Temperaturfestigkeit in ähnlicher Größenordnung (beispielsweise, wie von der Automobilindustrie gefordert, von -50°C bis +155°C) erreichen und eine Befestigung auf einer Leiterplatte mittels bleifreiem Lot möglich ist.
- Die Isolationseigenschaften des für den Ferritkern bevorzugt verwendeten weichmagnetischen Werkstoffes erübrigen eine Isolierfolie zwischen Spulendraht und Ferritkern, was ebenfalls der Miniaturisierung zu Gute kommt.
- Bei 5-m-Falltests zeigte die erfindungsgemäße Miniatur-Induktivität infolge ihrer Gesamtkonstruktion eine für das verwendete Miniatur-Ferritteil unerwartete Festigkeit, wobei auch der gewählte elastische Kleber für die Verbindung zwischen Ferritkern und Kunststoffkörper eine Rolle spielt.
- Bei beispielhaften Außenabmessungen (die in Abstimmung mit den Anwendern und unter Berücksichtigung der von diesen geforderten elektrischen Kennwerte durchaus noch weiter zu verkleinern wären) von 11,0 mm × 3,0 mm × 2,4 mm lassen sich nach bisheriger Erkenntnis bei der bevorzugten Ausführung als oberflächenmontierbares ("SMD") Bauteil Induktivitätswerte im Bereich zwischen etwa 190 µH bis etwa 8,2 mH realisieren.
- Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beigefügten Zeichnungen stellen etwa im Maßstab 15 : 1 dar
- Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Hälfte einer erfindungsgemäßen Miniatur-Induktivität, die im übrigen zur rechts angedeuteten achsensenkrechten Symmetrie-Ebene streng symmetrisch ausgeführt ist;
- Fig. 2 eine Seitenansicht entsprechend Fig. 1 und
- Fig. 3 eine Stirnseitenansicht insbesondere zu Darstellung der Verankerung des Metallkontaktes
- Die weitgehend für sich selbst sprechenden Figuren zeigen im einzelnen: den Kunststoffkörper 1 mit dem Ferritkern 2, dessen gesamte Ausdehnung in Fig. 2 auch teilweise gestrichelt dargestellt ist sowie mit seinem verbreiterten Ende 4, die Wicklung aus Spulendraht 3, den Metallkontakt 5 mit seinem vom Material des Kunststoffkörpers an dessen verbreitertem Ende 4 umspritzten aufgebogenen Abschnitt 6, den überstehenden Bereich 7 sowie die Bondstelle 8.
- Der überstehende Bereich 7 dient beim Thermokompressionsbonden zwischen dem Metallkontakt 5 und dem Spulendraht 3, was an der Bondstelle 8 erfolgt, der Anlage an einem Gegenstempel, was in Fig. 2 durch den senkrechten Pfeil angedeutet ist, wodurch, wie bereits erwähnt, während der Fertigung die Thermokompressionskraft aufgefangen und die Bruchgefahr praktisch ganz beseitigt wird.
- Die in den Fig. 1 und 2 nur teilweise dargestellte Wicklung aus Spulendraht 3 umfasst beispielsweise 940 Windungen eines 0,04 mm- Kupferlackdrahtes, womit sich beispielsweise bei einer Testfrequenz von 125 kHz bei 50 mV eine Induktivität von 7,5 mH und eine Güte Q besser als 30 im erwähnten Temperaturbereich von -50°C bis +155°C ergibt.
- Der gegenüber dem gleichfalls von der Anmelderin realisierten, zuletzt genannten Stand der Technik für dieses spezielle Ausführungsbeispiel erreichte technische Fortschritt, insbesondere hinsichtlich der Raumausnutzung, wird durch die folgende Tabelle dokumentiert, wobei die für die Funktion wichtigste Zahl durch Fett-Druck hervorgehoben ist:
Aufstellung der verwendeten Bezugszahlen 1 Kunststoffkörper
2 Ferritkern
3 Spulendraht
4 verbreitertes Ende
5 Metallkontakt
6 aufgebogener Abschnitt
7 überstehender Bereich des Metallkontaktes
8 Bondstelle
Claims (9)
1. Miniatur-Induktivität mit einem prismatischen, auf einen Kunststoffkörper
(1) aufgesetzten Ferritkern (2), wobei der Kunststoffkörper (1) im Bereich
der Längenausdehnung des Ferritkernes (2) nicht breiter ist als dieser, mit
diesem zusammen mit dem Spulendraht (3) umwickelt ist und an seinen
verbreiterten Enden (4) verankerte Metallkontakte (5) zur Oberflächenmontage
(SMD) der Miniatur-Induktivität, trägt, auf denen die Enden des
Spulendrahtes durch Bonden angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die
flächenhaft auf den verbreiterten Enden (4) aufliegenden Metallkontakte (5)
sich in der Flächenebene, vorzugsweise in axialer Richtung, über diese Enden
(4) hinaus erstrecken.
2. Miniatur-Induktivität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ferritkern (2) in einer Mulde der verbreiterten Enden (4) des
Kunststoffkörpers (1) mit einem elastischen Kleber befestigt ist.
3. Miniatur-Induktivität nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ferritkern (2) einen hohen spezifischen Widerstand
besitzt und direkt mit dem Spulendraht (3) umwickelt ist.
4. Miniatur-Induktivität nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Material des Ferritkernes (2) nach dem Kriterium einer
möglichst geringen Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität
ausgewählt ist.
5. Miniatur-Induktivität nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ferritkern (2) aus einem weichmagnetischen Ferritwerkstoff mit geringer
Temperaturabhängigkeit der Permeabilität im Temperaturbereich von -50°C
bis 150°C besteht.
6. Miniatur-Induktivität nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ferritkern (2) eine Oberflächenschicht "as fired" hat, deren spezifischer
Widerstand infolge höheren Sauerstoffgehaltes noch höher ist als derjenige
der übrigen Bereiche des Ferritkernes (2).
7. Miniatur-Induktivität nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Metallkontakte (5) in bezug auf vertikale Symmetrie-
Ebene durch die Wicklungsachse seitlich des flächenhaften aufliegenden
Bereiches V-förmig aufgebogen und die aufgebogenen Abschnitte (6) durch
Umspritzen im Kunststoffkörper eingebettet sind.
8. Miniatur-Induktivität nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallkontakte (5) aus einem Material guter
elektrischer Leitfähigkeitbestehen, welches mit einer metallischen
Diffusionsbarriere aus Nickel beschichtet und diese wiederum vergoldet oder verzinnt ist.
9. Miniatur-Induktivität nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sämtliche Materialien nach dem Kriterium einer
Temperaturbeständigkeit im Bereich von -50°C bis +155°C ausgewählt sind.
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| DE10143708B4 (de) | 2005-04-07 |
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