DE102011121806A1

DE102011121806A1 - Schaltungsträger mit zumindest einer Spule, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102011121806A1
Application number: DE201110121806
Authority: DE
Inventors: Edwin Böhm; Thomas Hofmann; Wolfgang Grübl; Bernhard Schuch
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger (1) mit zumindest einer Spule (2). Erfindungsgemäß ist ein Spulenkern (3) der Spule (2) auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers (1) angeordnet und sich um den Spulenkern (3) windende Spulenwindungen der Spule (2) sind durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen (4) und Bonddrähte (5) ausgebildet, wobei sich die Leiterbahnen (4) jeweils im Schaltungsträger (1) oder auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers (1) unter dem Spulenkern (3) erstrecken und die Bonddrähte (5) sich jeweils über den Spulenkern (3) hinweg erstrecken. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Schaltungsträgers (1) mit zumindest einer Spule (2) und eine Verwendung des Schaltungsträgers (1) mit zumindest einer Spule (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger mit zumindest einer Spule nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13 und eine Verwendung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.
Aus dem Stand der Technik sind keramische und organische Schaltungsträger bekannt, welche Spulen/Induktivitäten als konzentrierte SMD-Bauteile aufweisen (SMD = Surface-mounted device), d. h. als gekapselte Einheiten, welche auf dem Schaltungsträger anzuordnen und zu kontaktieren sind. Diese Bauteile weisen aufgrund geforderter Parameter im Vergleich zu anderen passiven Komponenten wie SMD-Widerständen oder SMD-Kondensatoren eine relativ große Bauform auf.
Zur Montage und elektrischen Kontaktierung der SMD-Spulen müssen diese für eine Reflow-Lötmontage lötbare Anschlüsse aufweisen, dies ist der Regelfall. In Sonderfällen für Anwendungen auf Schaltungsträger, bei denen die anderen Bauteile auch silberleitgeklebt werden, ist eine leitfähig klebbare Oberfläche notwendig, als ein derartiges Sonderbauteil ausgebildete SMD-Spulen weisen dementsprechend erheblich höhere Bauteilekosten auf. Beispielsweise weisen Induktivitäten für integrierte Getriebesteuerungen mit keramischen Substraten vergoldete Anschlüsse auf.
Die geklebten oder gelöteten Verbindungsstellen der SMD-Spulen sowie die SMD-Spulen selbst unterliegen in der Anwendung mannigfaltigen Beanspruchungsarten, z. B. Vibration- und Temperatureinflüssen. Diese führen zu verschiedenen überlagerten Fehlermechanismen im inneren Aufbau des Spulen-Bauteils und auch an den Verbindungsstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schaltungsträger mit zumindest einer Spule, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule und eine Verwendung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schaltungsträger mit zumindest einer Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und eine Verwendung eines Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Schaltungsträger weist zumindest eine Spule auf. Erfindungsgemäß ist ein Spulenkern der Spule auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet und sich um den Spulenkern windende Spulenwindungen der Spule sind durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen und Bonddrähte ausgebildet, wobei sich die Leiterbahnen jeweils im Schaltungsträger oder auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers unter dem Spulenkern hindurch erstrecken und die Bonddrähte sich jeweils über den Spulenkern hinweg erstrecken.
Die Leiterbahnen können jeweils auf der dem Spulenkern zugewandten Oberfläche oder auf einer vom Spulenkern abgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers ausgebildet sein oder sie können jeweils im Schaltungsträger ausgebildet sein, d. h. in einer unter der Oberfläche liegenden Lage oder Ebene des Schaltungsträgers, zum Beispiel bei einem als organische Leiterplatte ausgebildeten Schaltungsträger in einer Innenlage der Leiterplatte.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaltungsträgers mit zumindest einer Spule werden im Schaltungsträger und/oder auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers Leiterbahnen derart ausgebildet und ein Spulenkern wird derart auf der Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet, dass sich die Leiterbahnen jeweils unter dem Spulenkern hindurch erstrecken. Des Weiteren werden erfindungsgemäß Bonddrähte derart mit den Leiterbahnen verbunden, dass sie sich jeweils über den Spulenkern hinweg erstrecken und durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen und Bonddrähte sich um den Spulenkern windende Spulenwindungen der Spule ausgebildet werden.
Mittels derart auf dem Schaltungsträger ausgebildeter Spulen, welche mittels des Verfahrens auf dem Schaltungsträger zu erzeugen sind, sind die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile von als SMD-Bauteilen ausgebildeten Spulen zu vermeiden. Insbesondere sind kleinere Baugrößen der Spulen zu erreichen, als dies bei den SMD-Spulen der Fall ist. Des Weiteren entfällt eine für die SMD-Spulen erforderliche Verbindungstechnik Leitkleben oder Löten zwischen dem SMD-Bauteil und dem Schaltungsträger.
Eine Fixierung des Spulenkerns auf dem Schaltungsträger ist wesentlich zuverlässiger möglich, da eine wesentlich größere Fläche, nämlich die gesamte der Oberfläche des Schaltungsträgers zugewandte Spulenkernfläche, zu dessen Befestigung auf dem Schaltungsträger zur Verfügung steht. Die Bondverbindungen, d. h. die Verbindungen der Bonddrähte mit den Leiterbahnen, entsprechen in ihrer Zuverlässigkeit denen für eine elektrische Kontaktierung von Halbleiterbauteilen. Diese Zuverlässigkeit ist beispielsweise in Großserienproduktionen nachgewiesen.
Der Spulenkern aus einem ferromagnetischen Material ist beispielsweise als ein Ringkern, als ein stabförmiger Kern oder als ein vieleckiger Kern mit einem vieleckigen Außenumfang und einem vieleckigen Innenumfang ausgebildet, d. h. als eine Sonderform des Ringkerns, welcher ebenso wie der Ringkern eine vom Ferritmaterial des Kerns umgebene Aussparung aufweist, aber anstatt des runden Außen- und Innenumfangs des Ringkerns einen vieleckigen, beispielsweise einen rechteckförmigen Außenumfang und Innenumfang aufweist.
Bei einem als Ringkern oder als vieleckiger Kern ausgebildeten Spulenkern erstrecken sich die Leiterbahnen jeweils vom Außenumfang zum Innenumfang des Spulenkerns unter dem Spulenkern hindurch und die Bonddrähte erstrecken sich jeweils vom Innenumfang zum Außenumfang des Spulenkerns über den Spulenkern hinweg. Bei einem als stabförmiger Kern ausgebildeten Spulenkern erstrecken sich die Leiterbahnen jeweils von einer ersten Seite zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Spulenkerns unter dem Spulenkern hindurch und die Banddrähte erstrecken sich jeweils von der zweiten Seite zur ersten Seite des Spulenkerns über den Spulenkern hinweg. Die Spulenwindungen sind bei allen Ausführungsformen jeweils derart am Spulenkern ausgebildet, dass sich bei einem Stromfluss durch die Spulenwindungen im Spulenkern ein magnetischer Fluss ausbildet.
Mittels des Verfahrens sind Spulen in einem weiten Wertebereich herzustellen durch Variation von Ferritmaterialien des Spulenkerns, durch Variation einer Ferritgröße und/oder Ferritform des Spulenkerns und/oder durch eine entsprechend angepasste Windungsanzahl der Spule und/oder durch einen entsprechend angepassten Durchmesser der Bonddrähte. Auf diese Weise können Induktivitätswerte der Spule an die jeweilige Schaltung exakt angepasst werden, zum Beispiel durch eine Erhöhung oder Verringerung einer Anzahl und/oder eines Durchmessers der Bonddrähte. D. h. es ist ein sogenannter Trimmeffekt ermöglicht, beispielsweise durch Hinzufügen oder Entfernen eines oder mehrer Bonddrähte, um dadurch eine für die jeweilige Schaltung optimierte Induktivität der Spule zu erhalten.
Die Schaltung, insbesondere die Ausbildung der Spule, lässt sich durch eine Berechnung ermitteln und dann entsprechend einer ermittelten Geometrieauslegung umsetzen. Auf diese Weise können auch eine Mehrzahl von Spulen auf dem Schaltungsträger erzeugt werden, zum Beispiel eine modular aufgebaute Spulenfamilie. Der modulare Aufbau der Spule ergibt sich durch deren Ausbildung aus dem Spulenkern und einer für eine jeweilige Anwendung bzw. einen jeweiligen Einsatzzweck der Spule angepasste Anzahl von Leiterbahnen und Bonddrähten zur Ausbildung der Spulenwindungen. Um die Anpassung der Spule an die jeweilige Anwendung bzw. den jeweiligen Einsatzzweck zu optimieren, können beispielsweise ein Spulenkernmaterial sowie Spulenkernabmessungen und/oder ein Bondmaterial und/oder ein Leiterbahnmaterial entsprechend ausgewählt werden, zum Beispiel aus einer Auswahl jeweils verschiedener verfügbarer Varianten. Des Weiteren sind durch diese Art der Ausbildung der Spule auf dem Schaltungsträger Kosteneinsparungen gegenüber den als SMD-Bauelementen ausgebildeten Spulen zu erzielen.
Das Verfahren ermöglicht es, mittels eines Spulenkerns zwei oder mehrere Induktivitätswerte auszubilden. Es können auch Spulen mit mehr als zwei elektrischen Anschlüssen ausgebildet werden, so dass ein oder mehrere Windungen der Spule durch Zwischenabgriffe jeweils eine Teilinduktivität bilden. Die Spulenwindungen können beispielsweise eine gesamte Spulenkernlänge bzw. einen gesamten Spulenkernumfang umschließen oder nur einen Teil des Spulenkerns. Des Weiteren ist es auch möglich, mittels eines Spulenkerns und zwei oder mehreren unabhängigen Windungen zwei oder mehr Induktivitäten auszubilden, d. h. zwei oder mehr Spulen mit einem gemeinsamen Spulenkern.
Zur Ausbildung einer Schaltungsanordnung, welche den Schaltungsträger und die zumindest eine Spule umfasst, sind vor oder nach der Ausbildung der zumindest einen Spule beispielsweise weitere elektrische und/oder elektronische Bauelemente auf dem Schaltungsträger anzuordnen oder auszubilden und erforderliche elektrische Verbindungen herzustellen. Alternativ oder zusätzlich sind Leiterbahnen, Bauelemente und/oder die zumindest eine Spule auf dem Schaltungsträger mit anderen erforderlichen Bestandteilen der Schaltungsanordnung, welche nicht auf dem Schaltungsträger angeordnet sind, elektrisch zu kontaktieren. Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit eines Getriebes oder ein Bestandteil einer derartigen Steuerungs- und/oder Regelungseinheit.
Der als Ringkern ausgebildete Spulenkern, welcher aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist, kann auch als ein Ringbandkern ausgebildet sein, d. h. als ein gewickelter Kern aus einem Bandmaterial. Ein derartiger als Ringbandkern ausgebildeter Ringkern ist nicht aus einem Vollmaterial gebildet, sondern das Bandmaterial wird bis zu einer geforderten Sollstärke des Ringkerns wiederholt um einen Zylinder gewickelt. Nachdem die Sollstärke erreicht und beide Bandenden befestigt sind, wird der Zylinder herausgezogen und der als Ringbandkern ausgebildete Ringkern ist fertiggestellt.
Der Schaltungsträger ist zweckmäßigerweise aus einem keramischen oder organischen Material ausgebildet. Die Leiterbahnen sind vorzugsweise jeweils aus Kupfer, aus Gold oder aus Silber ausgebildet. Aus organischem Material ausgebildete Schaltungsträger sind beispielsweise Leiterplatten mit oben liegenden Kupfer-Leiterbahnen. Aus keramischem Material ausgebildete Schaltungsträger sind beispielsweise Dickschichtkeramikschaltungen mit gedruckten Leiterbahnen aus Gold- oder Silberpasten oder sogenannte Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken, auch als Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) bezeichnet, mit gedruckten Leiterbahnen, zum Beispiel aus Gold- oder Silberpasten, welche auch ein sogenanntes Plating aufweisen können, d. h. eine dünne Beschichtung, welche eine elektrische Leitfähigkeit verbessert.
Der Spulenkern, welcher eine hohe Permeabilität aufweist, ist zweckmäßigerweise am Schaltungsträger stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt. Vorzugsweise ist der Spulenkern am Schaltungsträger angeklebt. Insbesondere zur Isolation gegenüber den Leiterbahnen, falls diese auf der dem Spulenkern zugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers ausgebildet sind, ist es zweckmäßig, den Spulenkern mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs am Schaltungsträger anzukleben. Wie bereits erwähnt, ist die Fixierung des Spulenkerns auf dem Schaltungsträger wesentlich zuverlässiger möglich, da eine wesentlich größere Fläche, nämlich die gesamte der Oberfläche des Schaltungsträgers zugewandte Spulenkernfläche, zu dessen Befestigung auf dem Schaltungsträger zur Verfügung steht und vorzugsweise mittels des elektrisch isolierenden Klebstoffs mit dem Schaltungsträger verklebt ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Spulenkern gegenüber den Leiterbahnen und den Bonddrähten elektrisch isoliert. Dazu weist der Spulenkern zweckmäßigerweise zumindest bereichsweise eine elektrische Isolationsschicht auf, insbesondere einen Isolierlack. Beispielsweise weist der Spulenkern auf der dem Schaltungsträger zugewandten Spulenkernfläche, d. h. auf der Auflagefläche des Spulenkerns auf dem Schaltungsträger oder zumindest in den Bereichen der dem Schaltungsträger zugewandten Spulenkernfläche, welche auf den Leiterbahnen aufliegen, diese elektrische Isolationsschicht auf, so dass auf diese Weise der Spulenkern gegenüber den Leiterbahnen elektrisch isoliert ist, wenn die Leiterbahnen auf der dem Spulenkern zugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Isolierung gegenüber den Leiterbahnen auch mittels des elektrisch isolierenden Klebstoffs erfolgen, mittels welchem der Spulenkern am Schaltungsträger befestigt wird. Sind die Leiterbahnen im Schaltungsträger oder auf der dem Spulenkern abgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordnet, so sind sie bereits durch das Material des Schaltungsträgers gegenüber dem Spulenkern elektrisch isoliert.
Zur elektrischen Isolation des Spulenkerns gegenüber den Bonddrähten kann ebenfalls die elektrische Isolationsschicht des Spulenkerns dienen, welche sich dann auch auf die Anlageflächen der Bonddrähte am Spulenkern erstrecken muss, oder die Bonddrähte weisen selbst zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Ummantelung auf, so dass die elektrische Isolierung des Spulenkerns gegenüber den Bonddrähten durch deren elektrisch isolierende Ummantelung realisiert ist. Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich. Ebenso können auch die Leiterbahnen, alternativ oder zusätzlich, zumindest bereichsweise eine elektrische Isolationsschicht aufweisen. Zur Fixierung und elektrischen Isolierung der Bonddrähte, des Spulenkerns und/oder der Leiterbahnen kann auch nachträglich ein Isoliermaterial, beispielsweise ein flüssiger und elektrisch isolierender Klebstoff, aufgebracht werden, welcher die Bonddrähte, den Spulenkern und/oder die Leiterbahnen dann teilweise oder vollständig umgibt und aushärtet oder ausgehärtet wird.
Bei einem ausreichenden Luftspalt, d. h. einem ausreichenden Abstand zwischen den Banddrähten und dem Spulenkern, welcher auch während der Verwendung des Schaltungsträgers aufrechterhalten werden kann, ist eine elektrische Isolation zwischen den Banddrähten und dem Spulenkern nicht unbedingt erforderlich, da die Luft als elektrischer Isolator wirkt. Es ist dabei jedoch sicherzustellen, dass während der Verwendung des Schaltungsträgers keine Einflüsse den Abstand zwischen den Bonddrähten und dem Spulenkern reduzieren.
Besonders bevorzugt ist die Spule gehäuselos ausgebildet. Da die Spule direkt auf dem Schaltungsträger zu erzeugen ist und nicht als ein SMD-Bauteil auf dem Schaltungsträger anzuordnen ist, ist ein Gehäuse nicht erforderlich. Dadurch erfordert die Spule einen wesentlich kleineren Bauraum auf dem Schaltungsträger als die aus dem Stand der Technik bekannte SMD-Spule. Durch die auf diese Weise herstellbare Spule ist die SMD-Spule modular und kostenoptimiert ohne ein eigenes Gehäuse nachzubilden, so dass die für die jeweilige Schaltung erforderlichen Eigenschaften erreicht werden und gleichzeitig die geschilderten Vorteile gegenüber der SMD-Spule erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Schaltungsträger zwei Spulen mit einem gemeinsamen Spulenkern auf, insbesondere mit einem gemeinsamen Ringkern. Auf diese Weise sind zum Beispiel Übertrager, insbesondere Ringkern-Übertrager, und/oder magnetisch gekoppelte Spulen auf einem gemeinsamen Spulenkern, insbesondere Ringkern, realisierbar. Dabei sind zwei oder mehrere elektrisch getrennte Spulenwindungen mit einem gemeinsamen Spulenkern, insbesondere Ringkern, auszubilden.
Der Schaltungsträger mit zumindest einer Spule ist erfindungsgemäß in einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit eines Getriebes verwendbar, insbesondere in einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit eines Fahrzeuggetriebes. Dadurch sind beispielsweise integrierte Getriebesteuerungen zu optimieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Schaltungsträgers mit einer Spule, und
2 schematisch einen Schaltungsträger mit einer Spule in Draufsicht.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Schaltungsträgers 1 mit einer Spule 2. 2 zeigt schematisch einen derartigen Schaltungsträger 1 mit einer Spule 2 in Draufsicht. Die Spule 2 ist nicht als ein SMD-Bauteil ausgebildet, sondern wird in einem Verfahren zur Herstellung des Schaltungsträgers 1 mit Spule 2 auf dem Schaltungsträger 1, d. h. auf einem Substrat, erzeugt, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
Derartige auf Schaltungsträgern 1 ausgebildete Spulen 2 ersetzen die aus dem Stand der Technik bekannten SMD-Spulen, welche als gehäuste Komponenten ausgebildet sind und einen großen Bauraum erfordern. Die in den 1 und 2 dargestellte Spule 2 weist im Gegensatz dazu kein Gehäuse auf und ist wesentlich kostengünstiger. Zudem ist die Spule 2 modular auszubilden, d. h. durch eine Kombination einer Mehrzahl von Einzelkomponenten in einer zur Ausbildung der Spule 2 jeweils erforderlichen Weise, um dadurch eine für eine jeweilige Anwendung optimierte Spule 2 zu erhalten. Des Weiteren erfordert die Spule 2 einen wesentlich geringeren Bauraum.
Der Schaltungsträger 1 ist beispielsweise ein organischer Schaltungsträger 1, zum Beispiel eine Leiterplatte mit oben liegenden Leiterbahnen 4 aus Kupfer, oder ein keramischer Schaltungsträger 1, zum Beispiel eine Dickschichtkeramikschaltung beispielsweise mit gedruckten Leiterbahnen 4 aus Gold- oder Silberpasten, oder ein Schaltungsträger 1 aus sogenannten Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken, auch als Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) bezeichnet, mit gedruckten Leiterbahnen 4, zum Beispiel aus Gold- oder Silberpasten, welche auch ein sogenanntes Plating aufweisen können, d. h. eine dünne Beschichtung, welche eine elektrische Leitfähigkeit verbessert.
Die Spule 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem als flacher Ringkern ausgebildeten Spulenkern 3 und Spulenwindungen gebildet. Der Ringkern, welcher auch als Ringbandkern ausgebildet sein kann, weist eine hohe Permeabilität auf und wird in einem Verfahren zur Herstellung des Schaltungsträgers 1 mit der Spule 2 mit geeigneten Prozessen auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers 1 stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mechanisch fixiert, zum Beispiel durch Verklebung mit einem elektrisch isolierenden Klebstoff. Der Spulenkern 3 ist in bestimmten Layoutvarianten so auszuführen, dass die elektrische Isolierung zu den Leiterbahnen 4 auf dem Substrat, d. h. auf dem Schaltungsträger 1, sichergestellt ist. Daher weist der Spulenkern 3 vorteilhafterweise eine elektrische Isolationsschicht auf, zum Beispiel in Form eines Isolierlacks, zumindest an den Auflageflächen des Spulenkerns 3 zu den Leiterbahnen 4.
In anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsformen können die Leiterbahnen 4 auch auf der vom Spulenkern 3 abgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 1 oder im Schaltungsträger 1 angeordnet sein, so dass der Schaltungsträger 1 selbst als elektrischer Isolator wirkt. In diesem Fall ist keine weitere elektrische Isolation zwischen den Leiterbahnen 4 und dem Spulenkern 3 erforderlich. Des Weiteren kann in anderen hier nicht dargestellten Ausführungsformen der Spulenkern 3 auch eine andere Form haben und beispielsweise als ein stabförmiger Kern oder als ein vieleckiger Kern, zum Beispiel als ein Rechteckkern, ausgebildet sein. Dabei ist der vieleckige Kern eine Sonderform des Ringkerns, d. h. er weist ebenso wie der hier dargestellte Ringern eine Aussparung auf, jedoch sind ein Außenumfang und ein Innenumfang nicht rund, sondern vieleckig ausgebildet, beispielsweise rechteckig.
Die Spulenwindungen um den als Ringkern ausgebildeten Spulenkern 3 entstehen aus der sich wiederholenden Kombination jeweils einer Leiterbahn 4 auf dem Schaltungsträger 1 unterhalb des Spulenkerns 3 und eines Bonddrahtes 5 über den Spulenkern 3 hinweg. D. h. die sich um den Spulenkern 3 windenden Spulenwindungen der Spule 2 sind durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen 4 und Banddrähte 5 ausgebildet, wobei sich die Leiterbahnen 4 jeweils auf der dem Ringkern zugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 1 von einem Außenumfang zu einem Innenumfang des Ringkerns unter dem Ringkern hindurch erstrecken und die Banddrähte 5 sich jeweils vom Innenumfang zum Außenumfang des Ringkerns über den Ringkern hinweg erstrecken.
Der Spulenkern 3 ist gegenüber den Leiterbahnen 4 und den Banddrähten 5 elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung des Spulenkerns 3 gegenüber den Leiterbahnen 4 kann, wie bereits beschrieben, durch die elektrische Isolationsschicht auf dem Spulenkern 3 sichergestellt werden. Diese wird beispielsweise durch den elektrisch isolierenden Klebstoff gebildet, mittels welchem der Spulenkern 3 am Schaltungsträger 1 befestigt ist, oder durch eine andere Beschichtung des Spulenkerns 3.
Zur elektrischen Isolation des Spulenkerns 3 gegenüber den Banddrähten 5 kann ebenfalls die elektrische Isolationsschicht des Spulenkerns 3 dienen, welche sich dann auch auf Anlageflächen der Banddrähte 5 am Spulenkern 3 erstrecken muss, oder die Banddrähte 5 weisen selbst zumindest bereichsweise eine elektrisch isolierende Ummantelung auf, so dass die elektrische Isolierung des Spulenkerns 3 gegenüber den Banddrähten 5 durch deren elektrisch isolierende Ummantelung realisiert ist. Auch eine Kombination beider Varianten ist möglich. Ebenso können auch die Leiterbahnen 4, alternativ oder zusätzlich, zumindest bereichsweise eine elektrische Isolationsschicht aufweisen.
Bei einem ausreichenden Luftspalt, d. h. einem ausreichenden Abstand zwischen den Banddrähten 5 und dem Spulenkern 3, welcher auch während der Verwendung des Schaltungsträgers 1 aufrechterhalten werden kann, ist eine elektrische Isolation zwischen den Banddrähten 5 und dem Spulenkern 3 nicht unbedingt erforderlich, da die Luft als elektrischer Isolator wirkt. Es ist dabei jedoch sicherzustellen, dass während der Verwendung des Schaltungsträgers 1 keine Einflüsse den Abstand zwischen den Banddrähten 5 und dem Spulenkern 3 zu stark reduzieren, so dass die elektrische Isolation zwischen den Banddrähten 5 und dem Spulenkern 3 stets sichergestellt bleibt.
Je nach Material und Oberfläche der Leiterbahnen 4 werden für die Bondverbindungen über den Spulenkern 3 hinweg, d. h. für die Banddrähte 5 und deren Verbindung mit den Leiterbahnen 4, geeignete Bandmaterialien und Bondverfahren eingesetzt. Mit der Anzahl der Banddrähte 5 und Leiterbahnstücke wird die Windungszahl der Spule 2 und daraus resultierend ein Induktivitätswert der Spule 2 eingestellt. Drahtstärken der Banddrähte 5 und der Leiterbahnen 4 sind an eine jeweils erforderliche Strombelastbarkeit angepasst. Anschlüsse A1, A2 der Spule 2 werden mit zwei Leiterbahnen 4 oder mit zwei Banddrähten 5 oder, wie in 2 dargestellt, mit einem Banddraht 5 und einer Leiterbahn 4 nach außen geführt.
In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können nach dem gleichen Prinzip auch Ringkern-Übertrager bzw. magnetisch gekoppelte Spulen 2 realisiert werden. Diese werden mit einem gemeinsamen Ringkern und zwei oder mehreren elektrisch getrennten Spulenwindungen ausgebildet.
Bei diesem Schaltungsträger 1 mit einer oder mehreren auf diese Weise ausgebildeten Spulen 2 sowie bei dem Verfahren zu dessen Herstellung entfällt im Vergleich zum Stand der Technik die Verbindungstechnik Leitkleben oder Löten zwischen einem SMD-Bauteil, d. h. der SMD-Spule, und dem Substrat. Die Fixierung des Spulenkerns 3 ist zuverlässiger, da eine viel größere Fläche, nämlich eine dem Schaltungsträger 1 zugewandte Spulenkernfläche, mit dem Schaltungsträger 1 verklebt wird. Die Bondverbindungen entsprechen in ihrer Zuverlässigkeit denen für die elektrische Kontaktierung von Halbleiterbauteilen. Diese hohe Zuverlässigkeit ist beispielsweise nachgewiesen durch die Großserienproduktion von integrierten Getriebesteuerungen.
Die Spulen 2 sind in einem relativ weiten Wertebereich darstellbar durch Variation von Ferritmaterialien und/oder Ferritgrößen und/oder Formen des Spulenkerns 3 und/oder durch Variation der Windungsanzahl der Spulenwindungen und/oder eines Durchmessers der Banddrähte 5. Es können zudem Schaltungen mit für diese vorgegebenen, d. h. für diese optimierten Induktivitätswerten ausgebildet werden, zum Beispiel durch eine Erhöhung oder Reduzierung der Spulenwindungen, d. h. beispielsweise durch Anordnen eines weiteren Bonddrahtes 5 oder durch ein Entfernen eines Bonddrahtes 5. Dadurch ist ein sogenannter Trimmeffekt erreichbar. Jeweils erforderliche Windungszahlen können beispielsweise mittels Dimensionierungsberechnungen ermittelt werden. Die Spulenwindungen können beispielsweise eine gesamte oder im Wesentlichen gesamte Spulenkernlänge bzw. einen gesamten bzw. im Wesentlichen gesamten Spulenkernumfang umschließen, wie in 2 dargestellt, oder nur einen Teil des Spulenkerns 3, wie in 1 dargestellt.
Das Verfahren zur Herstellung lässt sich auf verschiedene Schaltungsträger 1 anwenden, zum Beispiel auch auf Schaltungsträger 1, welche für Steuerungs- und/oder Regelungseinheiten eines Getriebes, zum Beispiel eines Fahrzeuggetriebes, wichtig sind, wie beispielsweise Dickschichtkeramiken, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) und organische Leiterplatten. Auf diese Weise sind mittels derartiger Schaltungsträger 1 mit einer oder mehreren auf diese Weise ausgebildeten Spulen 2 zum Beispiel integrierte Getriebesteuerungen zu optimieren. Es ist zudem eine modular aufgebaute Spulenfamilie darstellbar, etwa für den Anwendungsbereich der Getriebeschaltungen, durch eine entsprechend angepasste Kombination eines Spulenkerns 3 mit einer angepassten Anzahl von Leiterbahnen 4 und Bonddrähten 5 zur Ausbildung der Spulenwindungen, wobei auch eine Materialauswahl für den Spulenkern 3, die Bonddrähte 5 und/oder die Leiterbahnen 4 und/oder eine geometrische Ausbildung des Spulenkerns 3 zur optimierten Anpassung an den jeweiligen Anwendungsbereich beitragen kann. Des Weiteren sind im Vergleich zum Stand der Technik Kosteneinsparungen zu realisieren.
In einer nur beispielhaften Ausführungsform weist die Spule 2, welche zum Beispiel für eine Getriebesteuerung eines Fahrzeugs geeignet ist, eine Induktivität von 22 μH+/–10% auf. In anderen Ausführungsformen sind jedoch beispielsweise auch Induktivitätswerte von 1 μH bis 33 μH oder davon abweichende Induktivitätswerte möglich. Dabei kann die Induktivität beispielsweise bei derartigen Getriebesteuerungen über eine Lebensdauer von beispielsweise mindestens 17 Jahren und über bei derartigen Anwendungen auftretende Temperaturwechsel hinweg um bis zu +/–20% abweichen.
Als Material für den Spulenkern 3 wird ein ferromagnetisches Material verwendet, beispielsweise VC 6155 F. Der Spulenkern 3 weist für derartige Getriebeanwendungen in dieser beispielhaften Ausführungsform idealerweise eine Höhe von maximal einem Millimeter, einen Außendurchmesser von 7,5 mm und einen Innendurchmesser von 3,5 mm auf. Der Schaltungsträger 1 ist zum Beispiel eine Dickschichtschaltung mit einer Leiterzugpaste aus Gold. Die gedruckten Leiterbahnen 4 weißen beispielsweise jeweils eine Breite von ca. 200 μm auf.
Eine angestrebte Arbeitsfrequenz für derartige Getriebeanwendungen sind beispielsweise 500 Hz. Ein Strom über die Induktivität beträgt beispielsweise 1 A. Bei derartigen Getriebesteuerungen auftretende Temperaturbelastungen liegen beispielweise in einer Dauerbetriebstemperatur bei 135°C. Es können jedoch auch Maximaltemperaturen von zum Beispiel 170°C auftreten. Die Wicklungslagen der Spule 2 müssen isoliert sein, beispielsweise mittels einer Methylat-Isolation.
Neben diesem Ausführungsbeispiel sind natürlich auch vielfältige weitere Varianten möglich, welche entsprechend andere Werte aufweisen und/oder aus anderen Materialien und/oder in anderen Formen und Abmessungen gebildet sein können.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsträger
2: Spule
3: Spulenkern
4: Leiterbahn
5: Bonddraht
A1, A2: Anschluss

Claims

Schaltungsträger (1) mit zumindest einer Spule (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Spulenkern (3) der Spule (2) auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers (1) angeordnet ist und sich um den Spulenkern (3) windende Spulenwindungen der Spule (2) durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen (4) und Bonddrähte (5) ausgebildet sind, wobei sich die Leiterbahnen (4) jeweils im Schaltungsträger (1) oder auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers (1) unter dem Spulenkern (3) erstrecken und die Bonddrähte (5) sich jeweils über den Spulenkern (3) hinweg erstrecken.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3) als ein Ringkern, als ein stabförmiger Kern oder als ein vieleckiger Kern mit einem vieleckigen Außenumfang und einem vieleckigen Innenumfang ausgebildet ist.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als Ringkern oder als vieleckiger Kern ausgebildeten Spulenkern (3) sich die Leiterbahnen (4) jeweils vom Außenumfang zum Innenumfang des Spulenkerns (3) unter dem Spulenkern (3) hindurch erstrecken und sich die Bonddrähte (5) jeweils vom Innenumfang zum Außenumfang des Spulenkerns (3) über den Spulenkern (3) hinweg erstrecken.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als stabförmiger Kern ausgebildeten Spulenkern (3) sich die Leiterbahnen (4) jeweils von einer ersten Seite zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Spulenkerns (3) unter dem Spulenkern (3) hindurch erstrecken und sich die Banddrähte (5) jeweils von der zweiten Seite zur ersten Seite des Spulenkerns (3) über den Spulenkern (3) hinweg erstrecken.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3) gegenüber den Leiterbahnen (4) und den Banddrähten (5) elektrisch isoliert ist.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (1) aus einem keramischen oder organischen Material ausgebildet ist.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (4) jeweils aus Kupfer, aus Gold oder aus Silber ausgebildet sind.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3) am Schaltungsträger (1) stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt ist.
Schaltungsträger (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3) am Schaltungsträger (1) angeklebt ist, insbesondere mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3) zumindest bereichsweise eine elektrische Isolationsschicht aufweist, insbesondere einen Isolierlack.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) gehäuselos ausgebildet ist.
Schaltungsträger (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Spulen (2) mit einem gemeinsamen Spulenkern (3).
Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsträgers (1) mit zumindest einer Spule (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaltungsträger (1) und/oder auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers (1) Leiterbahnen (4) derart ausgebildet werden und ein Spulenkern (3) derart auf der Oberfläche des Schaltungsträgers (1) angeordnet wird, dass sich die Leiterbahnen (4) jeweils unter dem Spulenkern (3) hindurch erstrecken, und dass Bonddrähte (5) derart mit den Leiterbahnen (4) verbunden werden, dass sie sich jeweils über den Spulenkern (3) hinweg erstrecken und durch abwechselnd miteinander verbundene Leiterbahnen (4) und Banddrähte (5) sich um den Spulenkern (3) windende Spulenwindungen der Spule (2) ausgebildet werden.
Verwendung eines Schaltungsträgers (1) mit zumindest einer Spule (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Steuerungs- und/oder Regelungseinheit eines Getriebes, insbesondere eines Fahrzeuggetriebes.