DE102005039379A1

DE102005039379A1 - Magnetisches Bauelement mit Spiralspule(n), Arrays solcher Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102005039379A1
Application number: DE200510039379
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Hahn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-20
Also published as: DE102005039379B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Bauelemente der Art, bei der mindestens eine planare Spule (Spiralspule) aus elektrisch leitfähigem Material zwischen zwei weichmagnetischen Substraten eingebettet ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich innerhalb der kleinsten Windung der Spiralspule(n) (Kernbereich) und in einem Bereich außerhalb der größten Windung der Spiralspule(n) (Außenbereich) ein weichmagnetisches Material zwischen dem oberen und dem unteren weichmagnetischen Substrat vorhanden ist, derart, dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um alle Windungen der Spiralspule ergibt, der von dem oberen magnetischen Substrat, dem unteren magnetischen Substrat und dem die beiden Substrate verbindenden magnetischen Material im Kernbereich und im Außenbereich gebildet wird. Die erfindungsgemäßen Bauelemente lassen sich in Größenordnungen realisieren, die sie für den Einsatz in der Mikroelektronik geeignet machen. Sie lassen sich auch als Arrays einer Mehrzahl von Bauelementen ausbilden. Die Erfindung schlägt außerdem Verfahren zur Herstellung solcher Bauelemente oder Arrays vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Bauelemente der Art, bei der eine oder mehrere planare Spulen (Spiralspulen) aus elektrisch leitfähigem Material zwischen zwei weichmagnetischen Substraten eingebettet sind. Insbesondere betrifft sie solche Bauelemente in Größenordnungen, die sie für den Einsatz in der Mikroelektronik geeignet machen.

Im Zuge der Miniaturisierung der Mikroelektronik werden auch immer kleinere und flachere magnetische Bauelemente benötigt, insbesondere für Spannungswandler, aber auch für Filter und Transformatoren. Üblicherweise werden Magnetspulen bzw. Induktivitäten hergestellt, indem ein gesinterter weichmagnetischer Magnetkern mit einer Wicklung aus Kupferdraht versehen wird. Hier sind der Miniaturisierung aber Grenzen gesetzt.

Die kleinsten magnetischen Bauelemente werden zur Zeit mit Hilfe der Multilayer-Keramik-Technologie hergestellt (Wet-Stack), bei der abwechselnd Pasten aus weichmagnetischem Material und einzelne Windungen aus metallischer Leitpaste stapelförmig übereinander gedruckt und gemeinsam gesintert werden. Teile des Stapels können statt dessen auch durch Aufbringen einer Kupferkeime-Schicht, Aufbringen eines Resists, Entwickeln des Resists, Elektroplattieren, Entfernen der Resistschicht und Abätzen der dann wieder freiliegenden Kupferkeime hergestellt werden (Y. Fukuda et al., IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 39, 2057-2051, 2003). Die Wicklung erstreckt sich dabei über mehrere Ebenen eines mehrlagigen Leitbahnaufbaus. Der Nachteil integrierter Herstellung liegt allerdings darin, dass die erzielbaren relativen Permeabilitäten nur in Bereichen von μ_r (unten) gleich etwa 120 und μ_r (oben) gleich etwa 25 liegen.

Spiralspulen können in einer einzigen Leitbahnebene hergestellt werden und benötigen lediglich eine Durchkontaktierung für die Herausführung eines der beiden Spulenanschlüsse. Das magnetische Material muss oberhalb und unterhalb der Spiralspule angeordnet werden. Zwischen beiden magnetischen Ebenen müssen Verbindungen sowohl im Zentrum der Spiralspule (Kernbereich) als auch im Außenbereich der Spule vorhanden sein. Transformatoren können auf die gleiche Weise hergestellt werden, wobei zwei voneinander isolierte Spiralspulen ineinander gelegt und getrennt jeweils mit den zwei erforderlichen Spulenanschlüssen versehen werden. Realisierungen gibt es in LTCC-Technologie (Low-Temperature Cofired Keramik), wo die obere und untere magnetische Schicht miteinander versintert werden (R. Hahn et al., Design of Integrated Inductances Based on Ferromagnetic LTCC-Layers, IMAPS International Symposium on Microelectronics, No. 14-18, 2004 Long Beach, US), und in Form ein- oder mehrlagiger Leiterplatten, auf die von beiden Seiten schalenförmige Magnetkerne aufgesteckt werden, für deren Verbindung Durchbrüche in der Leiterplatte geschaffen werden

Ähnliche Realisierungen gibt es auch für Multilayer-Leiterplatten, wo die Windungen in mehreren Metallisierungsebenen hergestellt werden und ein Magnetkern nachträglich in dafür vorgesehene Öffnungen eingebracht wird (M. Saidani et al. In Journal of Microelectromechanical Systems, Bd. 12,(2), S. 172-178, 2003). Auch wenn derartige Anordnungen sehr gute relative Permeabilitätswerte zeigen, sind sie doch teuer. Denn die einzusetzenden, sehr kleinen Magnetbausteine sind wegen der erforderlichen mechanischen Bearbeitung und manuellen Montage nur unter relativ hohen Kosten herstellbar. Ein Verfahren zur Herstellung von Mikrospulen und -transformatoren ist in der DE 196 40 676 A1 offenbart. Zur Erhöhung der Spuleninduktivität und zur Führung des magnetischen Flusses können die Spulen einen magnetischen Kernbereich aufweisen. Die Spulen selbst werden durch geeignetes Strukturieren und anschließendes Auffüllen von strukturierbaren Schichten erzeugt. Danach wird der Rest der strukturierbaren Schicht entfernt, und es wird als Isolationsschicht eine mit einer Klebeschicht versehene Kunststofffolie (aus Polyimid oder Polyester) durch Druck und Wärme aufgebracht, wodurch Aushärteprozesse der Isolation und aufwendige Planarisierungsverfahren vermieden werden sollen.

Die beschriebenen Varianten besitzen folgende Nachteile:
In Multilayer-Keramik und in LTCC ist die Materialauswahl und Sintertemperatur für den Magnetwerkstoff eingeschränkt. Da das magnetische Material gleichzeitig mit den Silberleitbahnen gesintert wird, können nur Temperaturen kleiner ca. 900 °C eingesetzt werden. Dadurch sind die erzielbaren magnetischen Eigenschaften (relative Anfangspermeabilität, Sättigungsinduktion, Verluste, Frequenzgang) begrenzt.

Die LTCC-Technologie ist zu teuer, um damit SMD-Spulen (SMD = Surface Mounted Device, oberflächenmontierbares Bauelement) für Consumer-Anwendungen herzustellen.

Bei Spulen mit Windungen, die in Leiterplatten integriert sind, können separat gesinterte Kerne mit optimalen Eigenschaften eingesetzt werden. Um einen geschlossenen magnetischen Fluss zu erzielen, müssen beide Kernhälften passgenaue Oberflächen besitzen, um einen geringen Magnetspalt zu realisieren. Die Kosten dieser Kerne sind hoch, und das Miniaturisierungspotential ist begrenzt. Außerdem können so nicht universell einsetzbare SMD-Bauelemente hergestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sehr kleine und dünne (z.B. etwa. 0.1 bis 1 mm dicke) magnetische Bauelemente wie Spulen und Transformatoren mit ausgezeichneten Spuleninduktivitätswerten kostengünstig herzustellen, die in miniaturisierten Elektronikprodukten wie Mobiltelefonen vielfache Anwendungsmöglichkeiten besitzen.

Die Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines magnetischen Bauelements (Induktivität) gelöst, das eine oder (im Falle von Transformatoren: mehrere) planare Spule (Spiralspulen) aus elektrisch leitfähigem Material, ein weichmagnetisches Substrat oberhalb der Spule(n) und ein weichmagnetisches Substrat unterhalb der Spule(n) aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Bereich innerhalb der kleinsten Windung der oder aller Spiralspule(n) (Kernbereich) und in einem Bereich außerhalb der größten Windung der oder aller Spiralspule(n) (Außenbereich) ein weichmagnetisches Material zwischen dem oberen und dem unteren weichmagnetischen Substrat vorhanden ist, derart, dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um alle Windungen der Spiralspule ergibt, der von dem oberen magnetischen Substrat, dem unteren magnetischen Substrat und dem die beiden Substrate verbindendem magnetischen Material im Kernbereich und im Außenbereich gebildet wird.

Ausgangspunkt sind dabei separat hergestellte, dünne magnetische Substrate, z.B. einzelne magnetische Plättchen aus weichmagnetischem Material mit entsprechenden Eigenschaften (z.B. Ferrite). Die magnetischen Substrate können eben sein oder bereits Vertiefungen enthalten, in die die Spiralspule(n) eingelegt wird/werden. Bei der Montage bzw. dem Fügen des oberen und unteren magnetischen Substrats müsste bei konventioneller Anwendung ein sehr geringer (μm) und konstanter Abstand eingehalten werden, um hohe Induktivitäten mit geringer Streuung zu erzielen. Dies ist aber nur mit hohem Fertigungsaufwand möglich.

Erfindungsgemäß wird daher zwischen oberem und unterem magnetischen Substrat dort, wo der magnetische Fluss geschlossen werden muss, ein mit weichmagnetischen Partikeln gefülltes Polymer eingesetzt. Obwohl dieser Kompositwerkstoff eine geringere Dichte und geringere Permeabilität als das gesinterte Volumenmaterial besitzt (typisch μr = etwa 2 bis etwa 20), können damit bei einer Schichtdicke zwischen ca. 10 und 100 μm höhere Spuleninduktivitäten erreicht werden, als dies bei einem Luftspalt zwischen 1 und 10 μm der Fall ist. Dies ist in den 3 und 4 anhand des berechneten Induktivitätsverlaufs einer Spiralspule mit 4 Windungen, einer Dicke von 400 μm und einem Außendurchmesser von 2 mm gezeigt.

Ein weiterer Vorteil gegenüber Keramik-Multilayer- oder LTCC-Induktivitäten liegt in der Tatsache, dass anstelle der dort verwendeten Ag-Dickschichtleitbahnen, deren Dicke auf ca. 10 bis 30 μm begrenzt ist, massive Leitbahnen mit nahezu rechteckigem Querschnitt aus Kupfer oder dgl. für die Realisierung der planaren Spule verwendet werden können. Damit kann der Gleichstromwiderstand (DC-Wid.) deutlich herabgesetzt werden, und es können sogar Werte erreicht werden, die unter denen von gewickelten Spulen gleicher Abmessungen liegt.

Nachstehend soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden.
1 zeigt den Querschnitt und 2 zeigt die Aufsicht eines erfindungsgemäßen Bauelements. Das obere magnetische Substrat 1 und das untere magnetische Substrat 2 sind im Kernbereich 4 der Spiralspule und in deren Außenbereich 5 mit dem magnetischen Material geringerer Permeabilität 5 verbunden, so dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um die Windungen der Spiralspule 3 schließen kann.
3 erläutert den Induktivitätsverlauf einer Spiralspule mit 2 mm Durchmesser, 4 Windungen und 400 μm Dicke als Funktion des Abstands der magnetischen Substrate 1 und 2. Als Parameter ist die relative Permeabilität μr des Verbindungsmaterials 4 und 5 dargestellt. Der Induktivitätswert fällt mit zunehmendem Substratabstand und abnehmender Permeabilität des Verbindungsmaterials ab. Der Parameterwert 1 gibt den Verlauf für einen Luftspalt an. In 3 sind die Werte dargestellt, die sich bei einer relativen Permeabilität der Substrate 1 und 2 von μr = 220 ergeben. Man erkennt, dass bei einem Luftspalt von 1 μm eine Induktivität von 1 μH erzielt wird. Spulen mit einer Induktivität von 1 μH erhält man auch mit einer ca. 12 μm dicken Verbindung (4 und 5 in 1 und 2) aus einem Material mit μr von 10 oder einer ca. 24 μm dicken Verbindung mit μr = 20. Außerdem ist der Induktivitätswert wesentlich weniger abhängig von Dickenschwankungen gegenüber μr = 1.
4 zeigt analoge Verhältnisse zu 3 für magnetische Substrate 1 und 2 mit μr = 1000. Während sich prinzipiell der gleiche Verlauf ergibt, können Induktivitätswerte von 1 μH mit einem Verbindungsmaterial von μr = 10 mit Dicken von ca. 35 μm erzielt werden.
5 zeigt eine Spiralspule im Querschnitt, wobei die magnetischen Substrate 1 und 2 Vertiefungen im Bereich der Spulenwindungen aufweisen, so dass in den Verbindungsbereichen 6 eine geringere Dicke des Verbindungsmaterials (4, 5) ausreichend ist.
6 zeigt eine Spiralspule im Querschnitt, wobei die magnetischen Substrate mit Vertiefungen hergestellt wurden, so dass Substrat 1 Erhöhungen 51 im äußeren Bereich aufweist und Substrat 2 eine Erhöhung im inneren Bereich 41 aufweist.
7 zeigt eine Spiralspule mit magnetischen Substraten mit Profilen entsprechend 6 in der Draufsicht, wobei Substrat 2 (als punktierte Linie angedeutet) die mittlere Erhöhung 41 und eine geringere Länge als Substrat 1 besitzt, und Substrat 1 die beiden Erhöhungen 51 besitzt, so dass beide Substrate aus Endlosmaterial hergestellt werden können.
8 zeigt ein magnetisches Bauelement entsprechend 7, bei dem die Anschlüsse 7 der Spiralspule im Bereich außerhalb der Erhöhungen 51 oder 41 zu den Rändern herausgeführt werden.
9 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement, bei dem es sich um einen Transformator handelt. Eine äußere Spiralspule S1 besitzt solche Abmessungen, dass in den innenliegenden freien Bereich eine zweite, getrennte Spiralspule S2 eingelegt werden kann. Das weichmagnetische Verbindungsmaterial geringer Permeabilität 5 ist in Form eines äußeren Rings um die äußere Spiralspule gelegt; außerdem ist der Kernbereich der inneren Spiralspule damit ausgefüllt. Dadurch werden beide Spulen vom gleichen magnetischen Fluss umflossen.
10 zeigt eine alternative Transformator-Gestaltung. Zwei gleichgroße und -geformte Spulen S1, S2, getrennt durch ein Isoliermaterial, sind hier übereinander gelegt.
Die An- und Durchkontaktierungen für die Spulenanschlüsse sind in den Figuren nicht gezeigt. Es sollte klar sein, dass jedes einzelne Spulenende elektrisch ankontaktierbar sein muss, um die Spulen unter Strom setzen zu können.
Es ist bevorzugt, dass die Flächen der Verbindungsbereiche als Funktion der Substratdicke der beiden weichmagnetischen Substrate so optimiert sind, dass bei einer bestimmten Stromstärke in allen Bereichen gleichzeitig die Sättigungsflussdichte erreicht wird Hierfür sind folgende Dimensionierungen einzuhalten: d_i·t·B_k = A₄·B_v = A₄·B_v = A₅·B_v = A₄₁·B_v = A₅₁·B_v mit

t: = Substratdicke des oberen oder unteren Substrates
B_k: = Sättigungsflussdichte der Keramik
B_v: = Sättigungsflussdichte des Verbindungsmaterials
d₁: = Spuleninnendurchmesser oder Umfang der Fläche 4 (41)
A: = Flächeninhalt der Fläche 4, 41, 5, 51 (siehe Bezugsziffern zu den Figuren)

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen das obere und das untere weichmagnetische Substrat jeweils Vertiefungen im Bereich der Spulenwindungen auf, so dass in den Verbindungsbereichen eine geringere Dicke des Verbindungsmaterials ausreichend ist.
Für diese Ausführungsform werden die weichmagnetischen Substrate bevorzugt aus Folien gezogen, die mit einem Profil hergestellt wurden, so dass das untere Substrat Erhöhungen im äußeren Bereich aufweist und das obere Substrat eine Erhöhung im inneren Bereich aufweist und eine geringere Länge als das erste Substrat besitzt, oder umgekehrt. Auf diese Weise können beide Substrate aus Endlosmaterial hergestellt werden (siehe 6 und 7).
Bevorzugt besitzen die weichmagnetischen Substrate μr-Werte zwischen 10 und 100000, stärker bevorzugt zwischen 100 und 5000. Ihre Dicke liegt bevorzugt zwischen 10 und 10000 μm, stärker bevorzugt zwischen 100 und 400 μm. Als Material werden beispielsweise MnZn- oder NiCuZn-Ferrite oder amorphe metallische Magnetwerkstoffe verwendet. Selbstverständlich kann aber auch jedes andere weichmagnetische Material eingesetzt werden.
Das magnetische Verbindungsmaterial umfasst in günstiger Weise ein weichmagnetisches Pulver mit einer ähnlichen chemischen Zusammensetzung wie die Substrate, das in eine Polymermatrix eingebettet ist. Bei dem Pulver kann es sich um Ferrit handeln, z.B. ausgewählt unter MnZn-Ferriten, NiCuZn-Ferriten oder NiZn-Ferriten (Beispiel: 49,0 Mol-% Fe₂O₃, 18,4 Mol-% NiO, 32,6 Mol-% ZnO). Für die Reinheit, Pulveraufbereitung und Mischung dieser Oxide werden spezielle Verfahren angewandt, die aus der Oxidkeramik bekannt sind ("Mixed Oxide Route"). Die Sinterung erfolgt in gängiger Weise für eine Stunde bei ca. 1200°C.
Anstelle von Ferriten können natürlich auch alle anderen weichmagnetischen Materialien eingesetzt werden, die sich zu Pulvern verarbeiten lassen oder als solche anfallen. Beispiele sind:

– Spezielle Eisen-Silizium Verbindungen, z.B. Fe_93,5Si_6,5
– Amorphe Eisenlegierungen, z.B. Fe₇₆(SiBi)₂₇, Fe₇₆(SiB)₂₇
– Kristallines Permalloy, z.B. Ni₈₀Fe₂₀
– Amorphe Kobaltlegierungen, z.B. Co₇₃(Si, B)₂₇; Co₇₇(Si, B)₃₇; Co₈₀(Si, B)₂₀
– Nanokristalline metallische Legierungen aus FeCuNbSiB, die durch Sprühbeschichtung auf gekühlte Bänder (rapid solidification) hergestellt werden. Anschließend werden diese Kernmaterialien unter einem Magentfeld getempert, wobei ca. 10 nm große kristalline Bereiche entstehen.

Das weichmagnetische Pulver besitzt eine Körnung zwischen vorzugsweise etwa 1 und 1000 μm, stärker bevorzugt zwischen 2 und 40 μm. Diese Angaben sind natürlich so zu verstehen, dass das Maximum einer Kurve, die beim Auftragen des Korngrößen-Durchmessers gegen die Anzahl der Teilchen entsteht, innerhalb der genannten Bereiche liegt, da die Körner nicht einheitlich groß sein müssen, sondern die üblichen Kerngrößenverteilungen aufweisen können.
Das Pulver ist von einer organischen oder hybriden anorganischorganischen Matrix umgeben. Diese kann prinzipiell in beliebiger Weise unter nichtmagnetischen, dielektrischen Materialien ausgewählt werden. Im Interesse einer möglichst hohen relativen Permeabilität sollte dabei der Füllgrad des Pulvers in der Matrix recht hoch sein. Günstig sind z.B. 50-98 Masse-%. Je höher der Füllgrad, desto schlechter sind allerdings die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Haftung. Daher kann es sinnvoll sein, in solche Bereiche der Spalte in den Spulen oder Transformatoren, die nicht mit dem erfindungsgemäßen, mit weichmagnetischen Partikeln gefüllten Material ausgefüllt werden müssen, ein die Haftung verbesserndes, rein organisches Polymer einzubringen, bei dem es sich natürlich um dasselbe Material handeln kann, das als Matrix für das magnetische Verbindungsmaterial eingesetzt wird. Günstig als Matrix bzw. Polymer sind Mateerialien, die sich auch als Klebstoffe eignen. Beispielsweise kann man Epoxidharzklebstoffe verwenden. Dieser Klebstoff übt nach dem Aushärten eine Zugspannung aus und ist temperaturbeständig, so dass ein nachträgliches SMT-Löten (Surface Mount Technology) der Spulen möglich ist. Weitere Beispiele umfassen Acrylate, Polyurethane und Silikone.
Die elektrischen Kontakte der Spiralspule können im Bereich der Vertiefungen der magnetischen Substrate nach außen geführt werden, wo eine Ankontaktierung an lötbare Außenmetallisierungen erfolgt. Statt dessen können die Kontakte mittels Vias durch das magnetische Substrat nach außen geführt werden.
Die Spiralspule selbst kann auf verschiedene Art und Weise realisiert sein. Beispielsweise kann sie als Metallisierung auf einem separaten isolierenden Substrat, z.B. einer dünnen, ggf. flexiblen Leiterplatte aufgebracht sein oder als freitragende Metallstruktur aus Blech ausgearbeitet sein (gestanzt, geätzt, mit Laser strukturiert oder dergleichen). Vorzugsweise beinhaltet sie bereits die Herausführung des Mittelkontakts.
Die Leitbahn-Windungen der Spiralspule selbst können statt dessen durch Drucken, Siebdruck, Sputtern, Galvanik oder dergleichen auf eines der magnetischen Substrate direkt aufgebracht sein.
Die Leitbahn-Windungen der Spiralspule weisen vorzugsweise im Querschnitt ein hohes Aspektverhältnis auf, so dass eine hohe Windungszahl bei gleichzeitig geringem Gleichstromwiderstand hergestellt werden kann.
Um die Windungszahl zu erhöhen, können die Leitbahn-Windungen der Spiralspule auch auf mehrere Ebenen aufgeteilt werden, indem z.B. eine Mehrlagen-Leiterplatte dafür verwendet wird.
Soll ein Transformator realisiert werden, kann dies unter Berücksichtigung der vorstehenden Möglichkeiten geschehen. Die beiden für den Transformator mindestens erforderlichen Spulen können unterschiedlich groß und ineinander angeordnet sein, derart, dass sich die innere Spule im Kernbereich der äußeren Spule befindet. Solche Transformatoren können im Übrigen genau wie die nur eine Spule aufweisenden Bauelemente gestaltet sein. Statt dessen können die Spulen des Transformators übereinander gelegt sein, wobei sie vorzugsweise gleich groß sind. In solchen Fällen ist die untere Spule mit einer Isolierschicht abzudecken, bevor die obere Spule aufgebracht wird. Falls der Transformator nicht nur zur galvanischen Trennung dient, sondern auch eine Spannungstransformation bewirken soll, haben beide Spulen in bekannter Weise eine unterschiedliche Anzahl von Windungen. Die Spule mit weniger Windungen kann dafür, muss aber nicht, dickere Leitbahnen besitzen.
Als Isoliermaterial bei der Realisierung von Transformatoren eignen sich u.a. dieselben Polymere, wie sie als Material für die Matrix des magnetischen Verbindungsmaterials und als haftungsverbesserndes Material angegeben sind. Wichtig ist, dass beide Spulen vom gleichen magnetischen Fluss umgeben werden. Die Spulen müssen deshalb in allen Fällen zentrisch einen Innenbereich umgeben und sowohl im Zentrum oder Kernbereich als auch außerhalb der äußersten Windung von magnetischem Verbindungsmaterial umgeben sein. Wichtig ist natürlich eine gute elektrische Isolation der Spulen und das getrennte Herausführen der vier Anschlüsse.
Falls die elektrische Leitfähigkeit des magnetischen Materials zu hoch ist, kann eine Isolierung der metallischen Spule vom magnetischen Substrat durch das Vorsehen dielektrischer Schichten erfolgen. Hierfür kann man z.B. Schichten aus Polyimid (PI), Benzocyclobuten (BCB), Epoxidharzen oder Parylenen einsetzen.
Eine Vielzahl solcher Spulen kann gleichzeitig im Mehrfachnutzen hergestellt werden. Nach dem Verbinden der oberen und unteren magnetischen Platten mittels magnetpulvergefülltem Polymer können die einzelnen Spulen dann voneinander getrennt werden, beispielsweise durch Sägen, Laserschneiden oder dgl. Anschließend werden die SMD-Kontaktflächen hergestellt.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird jedes der dünnen weichmagnetischen Substrate aus mehreren Folien, und zwar einer geraden Anzahl davon, zusammenlaminiert, die sich in der Ziehrichtung beim Folienziehen jeweils gegenläufig abwechseln, um eine Substratverwölbung beim Sintern zu verhindern. Auf diese Weise werden die Substrate besonders eben, und es ist eine dünne magnetische Zwischenschicht ausreichend. So können z.B. Fügedicken zwischen 1 und 10 μm realisiert werden, ohne vorher die Substrate durch Schleifen oder Polieren einebnen zu müssen.
Der Zwischenraum zwischen den magnetischen Verbindungsbereichen, in dem sich die Spiralspule befindet, kann mit einem weiteren Polymer (Underfill) ausgefüllt werden, um die Stabilität des Gesamtsystems zu erhöhen und um Lufteinschlüsse zu vermeiden.
Mit diesem Material kann der gesamte außerhalb der Bereiche 4, 4, 41, 51 verbleibende Platz oberhalb und unterhalb der Spulen, aber auch zwischen den Windungen (falls da nicht z.B. Leiterplatten- oder anderes Trägermaterial bereits vorliegt) ausgefüllt werden. Als Material werden Isolationsmaterialien verwendet, die geringe elektrische Verluste verursachen, wie bereits voranstehend für die Isolierung der metallischen Spule vom magnetischen Substrat durch dielektrische Schichten beschrieben. Die Materialien sind für beide Fälle gleichermaßen verwendbar. Deren Eigenschaften sind vorzugsweise: μ_r = 1, Dielektrizitätskonstante gering (kleiner 3), Verlustwinkel tan (delta), (dielektrische Verluste) gering, ca. 10^–3-10^–4 bei 1 MHz.
Nachstehend soll die Erfindung anhand von Beispielen für die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente näher erläutert werden.
Beispiel 1
Nutzenherstellung mit ganzflächigen Ferritsubstraten
In dem ersten Ferritsubstrat werden mittels Laserbohren pro Spule zwei Löcher hergestellt. Die Löcher werden als Durchkontaktierung mit Metall gefüllt. Anschließend werden auf einer Seite die Spulenwindungen und auf der anderen Seite Anschlußpads aufgebracht. Die Metallisierungen für die Durchkontaktierung, Windungen und Anschlüsse erfolgt entweder mit Siebdruck/Schablonendruck oder galvanisch.
Anschließend wird der ferritgefüllte Klebstoff aufgebracht (durch Siebdruck/Schablonendruck oder durch Dispensieren) und das zweite, homogene Ferritsubstrat aufgeklebt, wobei ein definiertes Druck/Temperatur-Regime gefahren wird.
Zum Schluss werden die einzelnen Spulen durch Zersägen des Substrats vereinzelt.
Beispiel 2
Herstellung mit Metallrahmen: Leadframe
Es wird ein metallischer Leadframe mit vorgeformten Kontakten, analog zur üblichen Fertigung von IC-Gehäusen hergestellt. Dieser kann aus Symmetrie- und Montagegründen pro Spule auch mehr als zwei Anschlüsse besitzen. Es werden Planar-Spiralspulen hergestellt. Dies kann durch Ätzen einer dünnen Metallfolie oder auf einer dünnen Leiterplatte (auch flexiblen Leiterplatte) erfolgen. Die Spulen werden vereinzelt und mit den Innenkontakten des Leadframes verbunden. Dies kann durch Punktschweißen, Löten oder Kleben erfolgen.
Die Ferritsubstrate wurden vorher zu spulengroßen Ferritplättchen vereinzelt. Pro Spule wird jeweils ein Ferritplättchen mit Klebstoff beschichtet. Es wird jeweils ein Ferritplättchen von oben und eins von unten an den Leadframe mit Spule herangeführt und zusammengeklebt.
Zum Schluss wird der Leadframe vereinzelt, die einzelnen Spulen magaziniert.
Beispiel 3
Herstellung mit Leiterplatte/Flex-Leiterplatte
Auf einer doppelseitig metallisierten Leiterplatte werden die Spulen hergestellt. Mittels der Durchkontaktierung ist es möglich, zwei identische Anschlußstücke herzustellen. (Analog können Transformatoren durch Herstellung mehrerer Wicklungen mit mehrlagigen Leiterplatten hergestellt werden.) Die Leiterplatte hat großflächige Öffnungen an den Stellen, wo der ferritgefüllte Klebstoff die Ferritplättchen verbinden soll.
Die vereinzelten Ferritplättchen werden nun analog zu Variante 2 mit Ferritklebstoff beschichtet und von oben und unten an die Leiterplatte herangeführt und durch Kleben montiert. Dann werden die einzelnen Spulen durch Trennen von Sollbruchstellen in der Leiterplatte oder durch Sägen, Laserschneiden getrennt. Als Spulenanschlüsse ragen zwei Leiterbahnen in der Mitte zwischen den Ferritplättchen hervor. Um SMD-fähige Anschlüsse zu erzielen, werden an zwei gegenüberliegenden Spulenseiten lötfähige Metallklammern angebracht, die die Leiterbahnanschlüsse der Spule mit ankontaktieren.

Claims

Magnetisches Bauelement, umfassend mindestens eine planare Spule (Spiralspule) (3) aus elektrisch leitfähigem Material, ein weichmagnetisches Substrat (1) oberhalb der Spulenebene und ein weichmagnetisches Substrat (2) unterhalb der Spulenebene, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich innerhalb der kleinsten Windung der Spiralspule(n) (4) (Kernbereich) und in einem Bereich außerhalb der größten Windung der Spiralspule(n) (5) (Außenbereich) ein weichmagnetisches Verbindungsmaterial zwischen dem oberen und dem unteren weichmagnetischen Substrat vorhanden ist, derart, dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um alle Windungen der Spiralspule(n) ergibt, der von dem oberen magnetischen Substrat, dem unteren magnetischen Substrat und dem die beiden Substrate verbindendem magnetischen Material im Kernbereich und im Außenbereich gebildet wird.
Magnetisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Verbindungsmaterial weichmagnetische Partikel umfasst, die in eine organische oder hybride anorganisch-organische, nichtmagnetische, dielektrische Matrix, eingebettet sind.
Magnetisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weichmagnetischen Partikel aus einem Material bestehen oder dieses aufweisen, das ausgewählt ist unter Ferriten, weichmagnetischen Eisen-Silizium-Verbindungen, amorphen, weichmagnetischen Eisenlegierungen, kristallinem Permalloy, amorphen Kobaltlegierungen und nanokristallinen metallischen Legierungen aus FeCuNbSiB sowie Mischungen dieser Materialien.
Magnetisches Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus oder unter Verwendung eines Epoxidharzes, Acrylates, Polyurethans und/oder Silikons gebildet ist.
Magnetisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Verbindungsmaterial 50 bis 98, vorzugsweise 75 bis 95 Masse-% weichmagnetische Partikel enthält.
Magnetisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel in einer Größenverteilung vorliegen, deren Maximum im Bereich von 1 bis 1000 μm, vorzugsweise von 1.5 und 100 μm und ganz besonders bevorzugt von 2 bis 40 μm liegt.
Magnetisches Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Spule zwischen den Spulenwicklungen und/oder in einem Zwischenraum unterhalb und oberhalb der Spulenwicklungen ein isolierendes, dielektrisches Material befindet.
Magnetisches Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere und/oder das obere weichmagnetische Substrat profiliert ist, derart, dass die Bereiche, in denen sich das weichmagnetische Verbindungsmaterial befindet, einen geringeren Abstand zueinander haben als die Bereiche, in denen sich die Spulen befinden.
Magnetisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder beide der weichmagnetischen Substrate Vertiefungen zur Aufnahme der Spulen besitzen.
Magnetisches Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Substrat außerhalb der Spule(n) und ihres/ihrer Kerns/Kerne in Richtung des oberen Substrats verdickt ist, und dass das obere Substrat im Kernbereich der Spule(n) in Richtung des unteren Substrats verdickt ist, oder umgekehrt, derart, dass die Bereiche, in denen sich das weichmagnetische Verbindungsmaterial befindet, einen geringeren Abstand zueinander haben als die Bereiche, in denen sich die Spulen befinden.
Magnetisches Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere und/oder das obere weichmagnetische Substrat aus mehreren Folien zusammengesetzt ist, wobei die Folien so zusammenlaminiert wurden, dass benachbarte Folien bezüglich ihrer Ziehrichtung bei ihrer Herstellung gegenläufig zu liegen kommen.
Magnetisches Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche in Form eines Transistors, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Spiralspulen aufweist, wobei entweder eine kleinere Spiralspule in dem Kernbereich einer größeren Spiralspule, und zwar in derselben Wickelebene, eingelegt ist oder zwei Spiralen koaxial übereinander angeordnet sind, die durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt sind.
Array von magnetischen Bauelementen, umfassend eine Mehrzahl von planaren Spiralspulen (3), die beabstandet voneinander in einer Ebene in einer oder zwei Dimensionen auf einem weichmagnetischem Substrat (2) angeordnet und von einem weichmagnetischem Substrat (1) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich innerhalb der kleinsten Windung einer jeden Spiralspule (4) (Kernbereich) und in einem Bereich außerhalb der größten Windung einer jeden Spiralspule (5) (Außenbereich) ein weichmagnetisches Verbindungsmaterial zwischen dem oberen und dem unteren weichmagnetischen Substrat vorhanden ist, derart, dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um alle Windungen der Spiralspulen ergibt, der von dem oberen magnetischen Substrat, dem unteren magnetischen Substrat und dem die beiden Substrate verbindendem magnetischen Material im Kernbereich und im Außenbereich gebildet wird.
Array von magnetischen Bauelementen, umfassend eine Mehrzahl von Transistoren, wobei jeder Transistor zwei Spiralspulen aufweist, wobei entweder eine kleinere Spiralspule zentrisch in dem Kernbereich einer größeren Spiralspule, und zwar in derselben Wickelebene, eingelegt ist oder zwei Spiralen koaxial übereinander angeordnet sind, die durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennt sind, wobei die Mehrzahl von Transistoren beabstandet voneinander in einer Ebene in einer oder zwei Dimensionen auf einem weichmagnetischem Substrat (2) angeordnet und von einem weichmagnetischem Substrat (1) abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich innerhalb der kleinsten Windung einer jeden Spiralspule (4) (Kernbereich) und in einem Bereich außerhalb der größten Windung einer jeden Spiralspule (5) (Außenbereich) ein weichmagnetisches Verbindungsmaterial zwischen dem oberen und dem unteren weichmagnetischen Substrat vorhanden ist, derart, dass sich ein geschlossener magnetischer Kreis um alle Windungen der Spiralspulen ergibt, der von dem oberen magnetischen Substrat, dem unteren magnetischen Substrat und dem die beiden Substrate verbindendem magnetischen Material im Kernbereich und im Außenbereich gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Bauelements wie in einem der Ansprüche 1 bis 12 definiert oder eines Arrays von magnetischen Bauelementen wie in einem der Ansprüche 13 oder 14 definiert, wobei ein erstes weichmagnetisches Substrat (1) und mindestens eine Spiralspule (3) bzw. eine Mehrzahl solcher Spulen bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein weichmagnetisches Verbindungsmaterial auf die entsprechenden Bereiche (4, 5) des weichmagnetischen Substrats aufgebracht wird und ein zweites weichmagnetisches Substrat (2) über das weichmagnetische Verbindungsmaterial mit dem ersten weichmagnetischen Substrat verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin das weichmagnetische Verbindungmaterial ein Klebstoff ist und die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten weichmagnetischen Substrat (1, 2) durch Verkleben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin das erste und das zweite weichmagnetische Substrat (1, 2) bereits zuvor mit entsprechenden Kontakten versehen wurden, vorzugsweise durch das Anbringen von Laserbohrlöchern, das Befüllen der Löcher mit Metall und Anbringen von Anschlusspads auf der rückseitigen Oberfläche der Substrate.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, worin die Spiralspule(n) als Metallisierung auf einem separaten isolierenden Substrat oder als freitragende Metallstruktur ausgebildet ist/sind oder worin sie durch Drucken, Siebdruck, Sputtern, eine galvanische Technik oder eine stromlose Metallabscheidetechnik direkt auf einem der beiden weichmagnetischen Substrat (1, 2) strukturiert wurde(n).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, worin das weichmagnetische Verbindungsmaterial durch Siebdruck, Schablonendruck oder durch ein Dispensierverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin die Verbindung des zweiten weichmagnetischen Substrats (2) mit dem ersten weichmagnetischen Substrat (1) unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, worin die Verbindung des zweiten weichmagnetischen Substrats (2) mit dem ersten weichmagnetischen Substrat (1) durch das Anbringen eines von weichmagnetischem Material freien, haftungsverbessernden Materials in Spalten zwischen den Spulenwindungen und/oder in anderen Bereichen zwischen den beiden Substraten (1) und (2) bewirkt oder verbessert wird.