DE102007028239A1 - Monolithisches induktives Bauelement, Verfahren zum Herstellen des Bauelements und Verwendung des Bauelements - Google Patents

Monolithisches induktives Bauelement, Verfahren zum Herstellen des Bauelements und Verwendung des Bauelements Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein monolithisches induktives Bauelement, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und mindestens einen magnetischen Kern mit ferritischem Kernmaterial, wobei der magnetische Kern durch ein Formteil gebildet ist. Daneben wird auch ein Verfahren zum Herstellen des monolithischen Bauelements mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einem Grünfolienverbund zur Bildung des keramischen Mehrschichtkörpers mit der integrierten Wicklung und einem Formkörper mit dem ferritischen Kernmaterial, b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus dem Grünfolienverbund der keramische Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und aus dem Formkörper der magnetische Kern mit dem ferritischen Kernmaterial entsteht. Verwendung findet die Erfindung in der Integration von induktiven Bauelementen wie Spulen und Tranformatoren in keramischen Mehrschichtkörpern. Das Verfahren kann insbesondere mit der LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)-Technologie umgesetzt werden. Verwendung findet das Bauelement als Schaltungselement in der Leistungselektronik, beispielsweise in einem elektronischen Vorschaltgerät einer Entladungslampe.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein monolithisches induktives Bauelement. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements und eine Verwendung des Bauelements angegeben.
  • Ein Keramischer Mehrschichtkörper bietet hinsichtlich einer Miniaturisierung den Vorteil, dass in dessen Volumen elektrische Bauelemente, beispielsweise Leiterbahnen, Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten integriert werden können. Bekannte Herstellungsverfahren sind die HTCC(High Temperatur Cofired Ceramics)- und LTCC(Low Temperatur Cofired Ceramics)-Technologie. Bei diesen Technologie werden ungesinterte keramische Grünfolien unter Verwendung metallgefüllter, elektrisch leitfähiger Pasten in Stanz- und Siebdruckverfahren mit Durchkontaktierungen und planaren Leitungsstrukturen versehen und anschließend im Stapel zusammen gesintert. Dabei entstehen thermisch belastbare, hermetisch dichte, planare Mehrschicht-Substrate. Diese Mehrschicht-Substrate können als Schaltungsträger weiterer Bauelemente fungieren. Der Vorteil der LTCC-Technologie liegt darin, dass eine Dichtbrandtemperatur so niedrig ist, das bei relativ niedriger Temperatur schmelzende und elektrisch hochleitfähige Metalle wie Silber oder Kupfer zur Integration der Bauelemente verwendet werden können.
  • Für viele Anwendungsgebiete, beispielsweise Strom- und Spannungstransformation oder Tiefpassfilter in leistungselektronischen Schaltungen, sind wegen der niedrigeren Frequenzen (im MHz-Bereich) induktive Bauelemente mit besserer magnetischer Kopplung auf Basis magnetischer Werkstoffe erforderlich, die den magnetischen Fluss verstärken und formen können. Hierfür sind zahlreiche Varianten von Spulen- und Transformatorkernen aus ferritischer Keramik verfügbar, die sich nachträglich mit Hilfe von Metallklammern an den erwähnten planaren Schaltungsträgern befestigen lassen.
  • Die Integration solcher induktiver Bauelemente hat sich wegen divergierender Ansprüche an Material- und Prozesstechnik noch nicht etablieren können. Es treten vor allem zwei Probleme auf:
    • • Eine Steigerung der magnetischen Leistungsfähigkeit von Ferriten, d. h. eine Erhöhung der Permeabilität des Kernmaterials, mit Hilfe keramischer Technologien geht erfahrungsgemäß einher mit einer Abnahme des spezifischen Widerstandes des Kernmaterials und damit der Reduzierung der wichtigen Gleichspannungs-Isolation zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators.
    • • Sind Stromwicklungen homogen in Ferrit-Werkstoff eingebettet, so können sich magnetische Feldlinien teilweise auf kürzeren Wegen schließen ohne zur magnetischen Verkopplung der Windungen beizutragen; solche Streuinduktivitäten reduzieren die Leistungsfähigkeit des induktiven Bauelements.
  • Beide Schwierigkeiten können grundsätzlich durch Einbettung der Strom führenden Windungen in gut isolierendes Material geringer Permeabilität gelöst werden. Eine derartige Lösung ist aus der US 5,349,743 A bekannt. Darin ist ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen keramischen Mehrschichtkörpers mit integriertem Transformator bekannt. Dabei wird auf die LTCC-Technologie zurückgegriffen, wobei ein Werkstoff mit niedriger Permeabilität bei einem relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand und ein Werkstoff mit höherer Permeabilität bei einem relativ niedrigen spezifischen Widerstand verwendet werden. Die Integration dieser beiden Werkstoffe erfolgt durch Ausstanzen von Öffnungen in den Grünfolien des einen Werkstoffs, Füllen der Öffnungen mit Folienstücken oder Folienstapeln des anderen Werkstoffs und anschließendes gemeinsames Sintern. Dieser Prozess, der im Grunde eine laterale Strukturierung von Grünfolien beinhaltet, ist aufwändig und relativ teuer.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie ein induktives Bauelements in einem keramischen Mehrschichtkörper integriert werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein monolithisches induktives Bauelement angegeben, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und mindestens einem magnetischen Kern mit ferritischem Kernmaterial, wobei der magnetische Kern durch ein Formteil gebildet ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen des monolithischen Bauelements mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einem Grünfolienverbund zur Bildung des keramischen Mehrschichtkörpers mit der integrierten Wicklung und einem Formkörper mit dem ferritischen Kernmaterial, b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus dem Grünfolienverbund der keramische Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und aus dem Formkörper der magnetische Kern mit dem ferritischen Kernmaterial entsteht.
  • Der Grünkörper ist ein Grünfolienverbund. Der Formkörper ist ein Grünkörper mit frei geformtem ferritischen Kernmaterial. Grünfolienverbund und Formkörper bilden zusammen einen (gesamten) Grünkörper, der einem Cofiring-Prozess zugeführt wird.
  • Der Formkörper mit dem ferritischen Keramikmaterial kann ein bereits verdichteter ferritischer Kern sein. Insbesondere aber ist der Formkörper selbst ein Grünkörper. Dies bedeutet, dass bei der Wärmebehandlung ein Verdichten des ferritischen Keramikmaterials stattfindet. Unter Grünkörper ist allgemein ein keramischer Körper mit noch nicht verdichtetem Keramikmaterial. Der Grünkörper kann organische Additive wie Binder und Dispergator aufweisen. Der Grünkörper kann aber auch lediglich ein Pressling aus dem ferritischen Kernmaterial bzw. von Ausgangsstufen des ferritischen Kernmaterials bestehen. Aus den Ausgangsstufen bildet sich während der Wärmebehandlung das ferritische Keramikmaterial. Der Grünfolienverbund und der Formkörper werden in einem gemeinsamen Wärmebehandlungsschritt (Cofiring) zum monolithischen, also einstückigen induktiven Bauelement vereint.
  • Im Hinblick auf die eingangs beschriebene Problematik ist es besonders vorteilhaft, die Wicklung im keramischen Mehrschichtkörper elektrisch zu isolieren. Daher weist gemäß einer besonderen Ausgestaltung der keramische Mehrschichtkörper dielektrisches Keramikmaterial auf.
  • Zur Bildung eines effizienten induktiven Bauelements kann der Folienverbund Öffnungen aufweisen, in die das Formteil hineinragt. Beispielsweise ist eine derartige Öffnung von einer im Folienverbund mit Hilfe einer elektrisch leitfähigen Paste eingebrachten Wicklung umgeben.
  • Das Formteil kann einteilig sein. Vorzugsweise ist das Formteil zwei- oder mehrteilig. Es besteht aus mindestens zwei Teilen. Dadurch kann eine effiziente Steuerung des magnetischen Flusses mit Hilfe des Kerns erzielt werden. So können durch Realisierung eines Luftspalts zwischen den Teilen des Kerns die auftretenden Streuinduktivitäten beeinflusst werden. Der Luftspalt kann dabei von einer dünnen keramischen Schicht des keramischen Mehrschichtkörpers mit niedriger Permittivität gebildet sein. Dazu wird beispielsweise die oben beschriebene Öffnung des Folienverbunds als Sackloch ausgestaltet, das durch Pasten- oder Pulverprozessierung mit Segmenten des ferritischen Formteils gefüllt wird.
  • Bei dem Verfahren werden die Funktionen der magnetischen Permeabilität und der elektrischen Isolation in ihren jeweiligen Raumgebieten des Bauelements durch jeweils maßgeschneiderte spezifische Keramiken verwirklicht, wodurch eine hohe Wirksamkeit des Designs und der Anforderung und Anwendung des Bauteils resultieren. Bedarfsabhängig können dabei unterschiedliche dielektrische und ferritische Keramikmaterialien verwendet werden. Soll das induktive Bauteil bei hohen Frequenzen, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 2 GHz verwendet werden, können bevorzugt Hexa-Ferrit-Keramiken, insbesondere Barium-Hexa-Ferrit-Keramiken verwendet werden. Diese weisen eine Permeabilität zwischen etwa 10 und 30 auf.
  • Eine zweite Klasse von Keramiken kann dann verwendet werden, wenn Frequenzen im mittleren Bereich von etwa 10 bis etwa 30 MHz erforderlich sind. Dabei können beispielsweise CuNiZn-Ferrit-Materialien verwendet werden. Die Permeabilität von ferritischen Keramiken, die für Bauelemente zur Verwendung in diesem mittleren Frequenzbereich herangezogen werden, weisen Permeabilitätswerte von etwa 150 bis etwa 500 auf.
  • Darüber hinaus ist eine weitere Klasse von Keramiken vorgesehen, die für Bauelemente im relativ niedrigen Frequenzbereich zwischen etwa 1 bis etwa 3 MHz verwendet werden. Dabei können beispielsweise MnZn-Ferrit-Materialien eingesetzt werden. Bevorzugt weisen Keramiken, welche in dieser Klasse eingesetzt werden, Permeabilitätswerte zwischen etwa 500 und 1000 auf.
  • Die Erfindung kann in der HTCC-Technologie eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, die Keramikmaterialien derart auszuwählen, dass eine Verdichtung bei relativ niedriger Temperatur stattfindet und damit die LTCC-Technolgie zum Einsatz kommen kann. In einer besonderen Ausgestaltung werden daher Grünfolien und/oder ein ferritisches Keramikmaterial mit Glas verwendet. Ein Glasanteil in einer Grünfolie bzw. im ferritischen Keramikmaterial sorgt für eine Verdichtung bei niedrigeren Temperaturen. Beim Sinterprozess entsteht eine Glaskeramik mit keramischer Phase und Glasphase. Das ferritische Keramikmaterial und/oder das dielektrische Keramikmaterial weisen Glas auf.
  • Das Formteil kann vorgefertigt sein. Dies bedeutet, dass das Formteil vor dem Zusammenbringen mit dem Grünfolienverbund gefertigt wird. Das Formteil während des Zusammenbringens mit dem Grünfolienverbund hergestellt. In einer besonderen Ausgestaltung wird daher zum Bereitstellen des Grünkörpers der Grünfolienverbund mit einer Umhüllung zusammengebracht, so dass ein Hohlraum mit einer Hohlraumöffnung zwischen der Umhüllung und dem Grünfolienverbund entsteht, und der Hohlraum durch die Hohlraumöffnung mit dem noch formbaren ferritischen Kernmaterial befüllt wird. Der Hohlraum wird beispielsweise mit dem oxidischen Ausgangsmaterial in Form eines Schüttgutes befüllt. Denkbar ist aber auch das Befüllen des Hohlraums mit einem Schlicker, der das ferritische Kernmaterial bzw. das Ausgangsmaterial des Kernmaterials enthält.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Formkörper einen ferritischen Schlicker oder rieselfähiges ferritisches Grünpulver auf. Der Formkörper wird vor Entfernung der Umhüllung getrocknet bzw. unter Druck/Temperatur verdichtet.
  • Die Umhüllung ist vorzugsweise elastisch verformbar. Dies bedeutet, dass von außen Druck auf das im Hohlraum eingefüllte, beispielsweise pulverförmige ferritische Kernmaterial ausgeübt werden kann, so dass eine stabile, selbsttragende Ferritform entsteht. Vorzugsweise wird dazu eine Umhüllung aus einem Silikon verwendet. Andere elastisch verformbare Umhüllungsmaterialien sind ebenfalls denkbar.
  • Die Umhüllung kann zur Wärmebehandlung im Verbund mit dem Formteil und des Grünfolienverbund verbleiben. Vorzugsweise besteht die Umhüllung dazu aus einem organischen Material, das beim Wärmebehandeln aufoxidiert und über die Gasphase entfernt wird. Denkbar ist insbesondere aber auch, dass die Umhüllung nach dem Bilden des Formteils und vor dem Wärmebehandeln entfernt wird. Dazu kann die Umhüllung im Hohlraum einen Antihaftfilm aufweisen, der eine Trennung von Formteil und Umhüllung vereinfacht.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren im Nutzen durchgeführt werden kann. Es kann eine Vielzahl von Bauelementen parallel hergestellt werden.
  • Die Ausgestaltung des induktiven Bauelements ist beliebig. Vorzugsweise weist das induktive Bauelement mindestens eine Spule und/oder mindestens einen Transformator auf.
  • Verwendung findet das Bauelement in der Leistungselektronik, beispielsweise zur Strom- oder Spannungstransformation oder als Tiefpassfilter. Beispielsweise ist das Bauelement ein Schaltungselement eines elektronischen Vorschaltgeräts (EVG) für eine Entladungslampe.
  • Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende besonderen Vorteile:
    • – Durch vollkeramische Bauweise erzielt das Bauelement eine hohe Temperaturverträglichkeit. Es ist dadurch für den Einbau in der Nähe von Wärmequellen, z. B. Lampen und Motoren geeignet.
    • – Niedrig sinterndes Ferritmaterial, z. B. spezielles MnZn-Ferrit, ermöglicht kostengünstige Fertigung im Nutzen in einem einzigen Sinterprozess zusammen mit dem keramischen Mehrschichtkörper (Platine).
    • – Durch monolithische Integration des Ferrits werden Temperaturdifferenzen zur Platine reduziert.
    • – Durch gezielten Einsatz des Ferrits allein am induktiven Bauelement wird eine kostengünstige Integrierbarkeit mit weiteren Schaltungskomponenten erreicht. Es sind keine ganzflächigen Ferrite wie bei einer einfachen, durchgängigen Folientechnik erforderlich.
    • – Mit der Erfindung kann ein Ferritvolumen minimiert werden. Durch das minimierte Ferritvolumen werden thermische Spannungen zwischen den verschiedenen Werkstoffen minimiert. Dies führt zu einer hohen Stabilität und sichereren Prozessführung.
    • – Die Ferritformteile können separat oder direkt auf dem Mehrschichtkörper in Hohlformen durch Verpressung von Grünpulver, durch Spritzguss oder ähnliche Verfahren hergestellt werden. Es ist somit nicht erforderlich, kleine Folienstücke zu handhaben.
    • – Eine Bauhöhe des Ferritkerns unterliegt geringeren Einschränkungen als beim Aufbau aus keramischen Grünfolien, so dass ein konstanter magnetischer Querschnitt ausreichender Größe entlang der gesamten magnetischen Weglänge erreicht und eine Überlastung des Ferritkerns vermieden werden.
    • – Die Funktionen der magnetischen Permeabilität und der elektrischen Isolation werden in ihren jeweiligen Raumgebieten durch jeweils maßgeschneiderte spezifische Keramiken verwirklicht, so dass hohe Wirksamkeit des Designs und hohe Performance des Bauteils resultieren.
  • Anhand mehrer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1 und 2 zeigen jeweils ein monolithisches induktives Bauelement in einem seitlichen Querschnitt.
  • 3 deutet ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen induktiven Bauelements an.
  • Mit Hilfe der LTCC-Technologie wird ein monolithischer keramischer Mehrschichtkörper mit integriertem induktivem Bauelement hergestellt. Das induktive Bauelement ist ein Transformator. Die verwendeten keramischen Grünfolien weisen Glasanteile auf, so dass bei relativ niedriger Temperatur (unter 900°C) gesintert werden kann.
  • Die ungesinterte Ferritmasse wird anschließend mit dem Grünfolienverbund zum gemeinsamen Sintern (Cofiring) verbunden.
  • Die 1 bis 3 zeigen jeweils einen planaren Transformators bzw. eine planare Spule in einem Schnitt senkrecht zum Schaltungsträger mit entsprechenden funktionellen Werkstoffen und Komponenten.
  • Das Bauelement besteht aus einem keramischen Mehrschichtkörper (mehrlagige Platine) 1 mit Öffnungen 2, 3 und 4. In den Bereichen 5 und 6 des Mehrschichtkörpers sind geschlossene, stromführende Windungen zwischen den Schichten eingebettet. Durch ein geeignetes Layout wird dabei beispielsweise erreicht, dass alle Ströme im Bereich 5 in die Bildebene hinein und im Bereich 6 aus ihr heraus fließen, so dass in der Öffnung 2 durch Überlagerung der Beiträge eine hohe magnetische Flussdichte zustande kommt.
  • Der Transformator ist dabei durch zwei Spulen realisiert, die keine elektrisch leitende Verbindung untereinander besitzen, aber durch das Magnetfeld (induktiv) miteinander verkoppelt sind.
  • Der Kern mit dem ferritischen Material besteht aus zwei Teilen 7 und 8 (1 und 2). Gemäß einer Alternativen Ausführungsform ist der Kern einstückig. Der Kern besteht nur aus einem einzigen Teil 7 (3). Die Schenkel des Kerns sind in beiden Ausführungsbeispielen in den Öffnungen 2, 3 und 4 des keramischen Mehrschichtkörpers angeordnet.
  • Zur Herstellung des Formteils mit dem ferritischen Keramikmaterial werden unterschiedliche Formgebungsverfahren eingesetzt.
  • Beispielsweise kann der Ferritkern aus einzelnen Lagen aufgebaut und dann mechanisch bearbeitet werden (2). Alternativ dazu wird ein Gießen eines keramischen Schlickers oder die plastische Verformung einer genau bemessenen Ferritmasse eingesetzt. Dies kann z. B. auch direkt auf dem Schaltungsträger, wie in 3 dargestellt, erfolgen. Dazu wird der Grünfolienverbund mit einer Umhüllung 9, 10 zusammengebracht, die eine Umhüllungsöffnung 91 aufweist. Durch die Umhüllungsöffnung wird Ferritmasse als Schlicker oder Pulver eingefüllt. Nach Trocknung bzw. Druck/Wärmebehandlung kann die Umhüllung für spätere Wiederverwendung entfernt werden. Anschließend erfolgt die Sinterung, wobei sich der keramische Mehrschichtkörper und der Ferritkern bilden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5349743 A [0005]

Claims (13)

  1. Monolithisches induktives Bauelement (100), aufweisend – mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper (1) mit integrierter Wicklung und – mindestens einen magnetischen Kern (7, 8) mit ferritischem Kernmaterial, wobei – der magnetische Kern durch ein Formteil gebildet ist.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei der keramische Mehrschichtkörper dielektrisches Keramikmaterial aufweist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Formteil zweiteilig ist.
  4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ferritische Keramikmaterial und/oder das dielektrische Keramikmaterial Glas aufweisen.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das induktive Bauelement eine Induktionsspule und/oder einen Transformator aufweist.
  6. Verfahren zur Herstellen eines monolithischen induktiven Bauelements nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines Grünkörpers mit einem Grünfolienverbund zur Bildung des keramischen Mehrschichtkörpers mit der integrierten Wicklung und einem Formkörper mit dem ferritischen Kernmaterial, b) Wärmebehandeln des Grünkörpers, wobei aus dem Grünfolienverbund der keramische Mehrschichtkörper mit integrierter Wicklung und aus dem Formkörper der magnetische Kern mit dem ferritischen Kernmaterial entsteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zum Bereitstellen des Grünkörpers der Grünfolienverbund mit einer Umhüllung (9, 10) zusammengebracht wird, so dass ein Hohlraum mit einer Hohlraumöffnung (91) zwischen der Umhüllung und dem Grünfolienverbund entsteht, und der Hohlraum durch die Hohlraumöffnung mit dem ferritischen Kernmaterial befüllt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Formkörper einen ferritischen Schlicker oder rieselfähiges ferritisches Grünpulver aufweist und der Formkörper vor Entfernung der Umhüllung getrocknet bzw. unter Druck/Temperatur verdichtet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Umhüllung vor dem Wärmebehandeln entfernt wird.
  10. Verfahren nach einem Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Umhüllung aus einem Silikon verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Umhüllung im Hohlraum mit einem Antihaftfilm versehen ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Vielzahl von induktiven monolithischen Bauelementen im Nutzen hergestellt wird.
  13. Verwendung eines induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Leistungselektronik.
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