DE102009001367A1 - Herstellung von metallisierten Spulenkörpern (Induktoren) mit hohem Q-Wert - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Körper aus keramischen Werkstoffen mit einer Grundmetallisierung aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Wolfram-Glas- oder Molybdän-Glasverbindungen und einem haftfähigen, elektrisch leitfähigen und korrosionsbeständigen Überzug. Um Energieverluste zu verbessern, d.h. den Q-Faktor zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der Überzug mindestens eine Funktionsschicht aus einem Metall und/oder mehreren Metallen mit einem zum elektrisch leitfähigen Material und den übrigen Bestandteilen des Überzuges niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand enthält/trägt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Körper aus keramischen Werkstoffen mit einer Grundmetallisierung aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Wolfram-Glas- oder Molybdän-Glasverbindungen und einem haftfähigen, elektrisch leitfähigen und korrosionsbeständigen Überzug.
  • Derartige Körper bestehen oft aus diamagnetischen, oxidischen Werkstoffen und werden allgemein mit einer 3–15 μm starken Schicht aus Wolfram-Glas oder Molybdän-Glasverbindungen grundmetallisiert bzw. metallisiert und diese Schicht wird anschließend mit einer lötfähigen Schicht aus Nickel bzw. Nickel-Gold von zusammen etwa 1–5 μm überzogen.
  • Nachteilig hieran ist, dass starke Energieverluste auftreten.
  • Der frequenzabhängige Widerstand gegen Dämpfungsverluste eines schwingenden Systems wird mit Q = 1/R·√L/C bewertet, wobei
    • Q
    = Güte, auch allgemein als Q-Wert oder Q-Faktor bezeichnet
    R
    = Gesamtwiderstand
    L
    = Induktivität
    C
    = Kapazität.
  • Hohe Q-Faktoren bedeuten geringe Energieverluste. Mit einem geringeren frequenzabhängigen Gesamtwiderstand R (enthält ohmschen Widerstand, Übergangswiderstände, parasitäre Kapazitäten) kann der Q-Faktor gesteigert werden um weniger Energieverluste zu bekommen. Dies ist technisch erwünscht.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bezüglich Energieverluste zu verbessern, d. h. den Q-Faktor zu erhöhen und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Überzug mindestens eine Funktionsschicht aus einem Metall und/oder mehreren Metallen mit einem zum elektrisch leitfähigen Material und den übrigen Bestandteilen des Überzuges niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand enthält/trägt, sinkt der elektrische Gesamtwiderstand der Metallisierung ab, der Q-Wert des Körpers.
  • In einer Ausführungsform besteht der Überzug aus mindestens zwei Schichten. Dies richtet sich nach den Anforderungen, die an den Körper gestellt werden.
  • Die Grundmetallisierung enthält bevorzugt mindestens ein Refraktärmetall, beispielsweise Wolfram und Molybdän.
  • Refraktärmetalle sind hochschmelzende, unedlen Metalle, der 4. Nebengruppe (Titan, Zirconium und Hafnium), 5. Nebengruppe (Vanadium, Niob und Tantal) sowie der 6. Nebengruppe (Chrom, Molybdän und Wolfram). Ihr Schmelzpunkt liegt über dem von Platin (1772°C).
  • Refraktärmetalle sind bei Raumtemperatur aufgrund von Passivierung relativ korrosionsbeständig. Vorteilhaft ist nicht nur der hohe Schmelzpunkt der Refraktärmetalle, sondern auch der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient und die verglichen mit Stahl hohe Leitfähigkeit für Wärme und elektrischen Strom.
  • In einer erfinderischen Ausführungsvariante besteht die Grundmetallisierung aus Wolfram-Glas- oder Molybdän-Glasverbindungen.
  • Der Überzug besteht bevorzugt aus einer Nickel- und/oder einer Goldschicht.
  • In erfinderischer Ausgestaltung ist mindestens eine Funktionsschicht zwischen den Schichten des Überzuges angeordnet. Die Funktion der Funktionsschicht kann auf verschiedene Schichten aufgeteilt werden, von Bedeutung ist nur das Zusammenwirken aller Funktionsschichten.
  • Bevorzugt weist die in dem Überzug enthaltene Nickelschicht eine Dicke von 0,5–2 μm auf.
  • Bevorzugt weist die in dem Überzug enthaltene Nickelschicht einen spezifischen Widerstand von 4 bis 10·10–8 Ohm·m, bevorzugt 7·10–8 Ohm·m auf.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand eine Kupferschicht ist.
  • In einer erfinderischen Ausgestaltung weist die Kupferschicht eine Dicke von 1–10 μm auf.
  • Bevorzugt weist die Kupferschicht einen spezifischen Widerstand von 1,0 bis 2,6·10–8 Ohm·m, bevorzugt 1,8·10–8 Ohm·m auf.
  • Der keramische Werkstoff ist bevorzugt Aluminiumoxid, bevorzugt 96% Aluminiumoxid.
  • In einer speziellen Ausführungsform entfällt die Grundmetallisierung und der Überzug erfüllt deren Funktion.
  • Bevorzugt ist die Verwendung des Körpers als Spulenkörper oder Induktor.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, bei der der Körper ein Spulenkörper aus diamagnetischen, oxidischen Werkstoffen mit einer Grundmetallisierung aus Wolfram-Glas oder Molybdän-Glasverbindungen und einem Überzug aus einer Nickelschicht und einer Goldschicht ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Nickelschicht und der Goldschicht noch mindestens eine weitere Schicht, d. h. Funktionsschicht aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand aufgebracht.
  • Durch diese weitere Schicht (Funktionsschicht) mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand sinkt der elektrische Gesamtwiderstand der Metallisierung ab, der Q-Wert des Spulenkörpers bzw. der gesamten Schaltung mit Drahtwickel steigt.
  • Die Nickelschicht weist eine Dicke von 0,5–2 μm und/oder einen spezifischen Widerstand von 4 bis 10·10–8 Ohm·m, besonders bevorzugt 7·10-8 Ohm·m auf.
  • In dieser Ausführungsform ist die weitere Schicht (Funktionsschicht) eine Kupferschicht mit einer Schichtdicke von 1–10 μm und/oder einem spezifischen Widerstand von 1,0 bis 2,6·10–8 Ohm·m, bevorzugt 1,8·10–8 Ohm·m.
  • In dieser Ausgestaltung ist der diamagnetische, oxidische Werkstoff Aluminiumoxid, bevorzugt 96% Aluminiumoxid.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Spulenkörpers aus diamagnetischen, oxidischen Werkstoffen, wobei der Spulenkörper mit einer Wolfram-Glas-Metallisierung beschichtet und diese Metallisierung eingebrannt, mit einer Nickelschicht überzogen und darauf eine Goldschicht abgeschieden wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die Nickelschicht zuerst mindestens eine weitere Schicht aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand aufgebracht und anschließend erst die Goldschicht abgeschieden wird.
  • Bevorzugt wird die Nickelschicht kathodisch verkupfert.
  • In erfindungsgemäßer Weiterbildung wird die Nickelschicht bis zu einer Dicke von 1 bis 10 μm kathodisch verkupfert.
  • Als diamagnetischer, oxidischer Werkstoff wird bevorzugt Aluminiumoxid, besonders bevorzugt 96% Aluminiumoxid verwendet.
  • Nach der Grundmetallisierung mit Wolfram-Glas oder Molybdän-Glas bzw. Glasverbindungen wird, wie beschrieben, zunächst eine dünne Nickelschicht (bevorzugt mit einem spezifischen Widerstand von 7·10–8 Ohm·m) von 0,5–2 μm aufgebracht.
  • Anschließend wird erfindungsgemäß zur Verbesserung des Q-Wertes noch mindestens eine Schicht (Funktionsschicht) aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand aufgebracht. Diese Schicht besteht in einer erfinderischen Ausgestaltung aus einer Kupferschicht (bevorzugt mit 1,8·10–8 Ohm·m) mit einer Stärke oder Dicke von 1–10 μm.
  • Als Folge hiervon sinkt der elektrische Gesamtwiderstand der Metallisierung ab, der Q-Wert des Spulenkörpers bzw. der gesamten Schaltung mit Drahtwickel steigt.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte erfinderische Ausgestaltung des Spulenkörpers mit einem Vergleichsbeispiel verglichen.
  • 1. Erfindungsgemäßes Beispiel
  • Bei einem U-förmigen Spulenkörper der Type 0805 (nach American EIA standards), der nach der Drahtwicklung mit Füßen auf Leiterplatten aufgelötet wird und aus 96% Al2O3 (Aluminiumoxid) besteht, wurden die beiden Füße mit einer Wolfram-Glas-Metallisierung beschichtet und diese Metallisierung wurde bei 1.300°C in feuchter Schutzgasatmosphäre eingebrannt. Dann wurde diese Wolfram-Glas-Metallisierung bzw. Grundmetallisierung in einer Rotationstrommel von 200 mm Innendurchmesser, gefüllt mit 60.000 Teilen, stromlos mit einer dünnen Nickelschicht von 0,5 μm Stärke bzw. Dicke überzogen. Anschließend wurden die Teile in einer anderen Rotationstrommel zusammen mit Metalldrahtstücken kathodisch verkupfert. Die Kupferschicht betrug bis zu 10 μm. Dann wurde stromlos eine 0,1 μm starke Goldschicht abgeschieden. Der Q-Wert wurde bei 1,35 GHz und einer Induktivität von 39 nH gemessen, er betrug 80–90.
  • 2. Vergleichsbeispiel
  • Bei einem U-förmigen Spulenkörper der Type 0805 (nach American EIA standards), der nach der Drahtwicklung mit Füßen auf Leiterplatten aufgelötet wird und aus 96% Al2O3 (Aluminiumoxid) besteht, wurden die beiden Füße mit einer Wolfram-Glas-Metallisierung beschichtet und diese Metallisierung wurde bei 1.300°C in feuchter Schutzgasatmosphäre eingebrannt. Dann wurde diese Wolfram-Glas-Metallisierung bzw. Grundmetallisierung in einer Rotationstrommel von 200 mm Innendurchmesser, gefüllt mit 60.000 Teilen, stromlos mit einer dünnen Nickelschicht von 2,5–3,0 μm Stärke bzw. Dicke überzogen.
  • Dann wurde stromlos eine 0,1 μm starke Goldschicht abgeschieden. Der Q-Wert wurde bei 1,35 GHz und einer Induktivität von 39 nH gemessen, er betrug 62–75.
  • Hieraus ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (siehe Ziffer 1) der Q-Wert gesteigert wird. In dem genannten Beispiel erfolgte eine Steigerung des Q-Wertes von 62 – 75 (Vergleichsbeispiel) auf 80–90 (erfindungsgemäßes Beispiel).

Claims (14)

  1. Körper aus keramischen Werkstoffen mit einer Grundmetallisierung aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Wolfram-Glas- oder Molybdän-Glasverbindungen und einem haftfähigen, elektrisch leitfähigen und korrosionsbeständigen Überzug, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug mindestens eine Funktionsschicht aus einem Metall und/oder mehreren Metallen mit einem zum elektrisch leitfähigen Material und den übrigen Bestandteilen des Überzuges niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand enthält/trägt.
  2. Körper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug aus mindestens zwei Schichten besteht.
  3. Körper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmetallisierung mindestens ein Refraktärmetall, beispielsweise Wolfram und Molybdän, enthält.
  4. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmetallisierung aus Wolfram-Glas- oder Molybdän-Glasverbindungen besteht.
  5. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug aus einer Nickel- und einer Goldschicht besteht.
  6. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Funktionsschicht zwischen den Schichten des Überzuges angeordnet ist.
  7. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Überzug enthaltene Nickelschicht eine Dicke von 0,5–2 μm aufweist.
  8. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Überzug enthaltene Nickelschicht einen spezifischen Widerstand von 4 bis 10·10–8 Ohm·m, bevorzugt 7·10–8 Ohm·m aufweist.
  9. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht aus einem Metall mit niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand eine Kupferschicht ist.
  10. Körper gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht eine Dicke von 1–10 μm aufweist.
  11. Körper gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht einen spezifischen Widerstand von 1,0 bis 2,6·10–8 Ohm·m, bevorzugt 1,8·10–8 Ohm·m aufweist.
  12. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Aluminiumoxid, bevorzugt 96% Aluminiumoxid ist.
  13. Körper gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmetallisierung entfällt und der Überzug deren Funktion erfüllt.
  14. Verwendung eines Körpers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 als Spulenkörper oder Induktor.
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