DE102012216101B4

DE102012216101B4 - Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten Spule, Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte und elektronisches Gerät

Info

Publication number: DE102012216101B4
Application number: DE102012216101.5A
Authority: DE
Inventors: Alina Schreivogel; Albert Kiessling; Metin Glousouf; Jan Kostelnik
Original assignee: Festo SE and Co KG; Wuerth Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG; Wuerth Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: US20150348695A1; DE102012216101A1; US9899137B2; WO2014041057A1; CN104756611A; EP2896279A1; CN104756611B

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat (100) integrierten Spule (140) mit folgenden Schritten: – Einbringung eines Kernmaterials (116) in eine Kavität (106) des Substrats (100), – Einbringung von ersten Windungsabschnitten (136) der Spule (140) in das Kernmaterial, welche durch das Kernmaterial hindurch verlaufen, – Aufbringung von zweiten Windungsabschnitten (138) der Spule (140), wobei die zweiten Windungsabschnitte (138) die ersten Windungsabschnitte (136) kontaktieren, um die Windungen der Spule (140) zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten Spule, insbesondere zur Herstellung einer Leiterplatte, sowie ein elektronisches Gerät mit zumindest einer Spule.
Aus dem Stand der Technik sind an sich Planarspulen bekannt, bei denen die Spulenwindungen auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden. Mit solchen Planarspulen lässt sich kosteneffizient nur eine relativ geringe Induktivität erreichen, wobei die Planarspulen außerdem relativ viel Platz auf der Substratoberfläche einnehmen.
Aus http://www.elektroniknet.de/elektronikfertigung/leiterplatten/artikel/87893/, 26. April 2012, „Embedding von aktiven und passiven Bauteilen in die Leiterplatte” sind Embedded-Faltflex-Spulen bekannt. Dabei werden flexible Folienstrukturen so gefaltet, dass man Spulen in jeder Größe mit einer nahezu beliebigen Anzahl an Lagen erzeugen kann. Dies ist besonders vorteilhaft für Sensoranwendungen.
Aus DE 43 06 416 A1 ist eine Spulenstruktur für eine Leiterplattenanordnung bekannt. Eine Wicklung der Spule wird durch metallisierte Bohrungen und Leiterbahn-Abschnitte gebildet. in einem Schlitz der Leiterplatte kann seitlich ein Ferritkern eingeführt werden. Alternativ kann man direkt die Innenlagen der Leiterplatte als Träger aufgedruckter Kernstrukturen verwenden. Nachteilig bei dieser Spulenstruktur ist, dass diese sich einerseits nicht für die Miniaturisierung eignet und andererseits keine großen Induktivitäten hiermit erzielbar sind.
Aus DE 103 54 694 A1 ist ein induktiver Sensor mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds bekannt. Die Spule wird durch zwei Schichten gebildet, zwischen denen sich als Spulenkern ein Streifen eines amorphen Metalls befindet. Die Spulenwindungen werden durch auf den Schichten angeordnete Leiterbahnabschnitte und Durchgangskontaktierungen gebildet, die an dem Spulenkern vorbei verlaufen.
Aus DE 103 55 003 A1 ist ein induktiver Sensor bekannt, der eine, ein Magnetfeld erzeugende Spule aufweist, deren Spulenkern in einem Durchbruch eines Schaltungsträgers vorgesehen ist.
Aus US 2011/0108317 A1 ist eine gepackte Struktur mit einer magnetischen Komponente und eine Methode um eine solche zu fertigen bekannt. Die gepackte Struktur beinhaltet ein isolierendes Substrat mit einer ringförmigen Ausnehmung, einen Insel-Teilbereich und einen umgebenden Bereich definiert durch die ringartige Ausnehmung, wobei die ringartige Ausnehmung seitlich zwischen dem Insel-Teilbereich und dem umgebenden Bereich liegt. Die gepackte Struktur beinhaltet weiterhin eine ringförmige magnetische Komponente, welche in der ringförmigen Ausnehmung platziert ist; eine obere Verdrahtungsschicht oberhalb des isolierenden Substrats und eine untere Verdrahtungsschicht unterhalb des isolierenden Substrats; ein inneres metallisiertes Durchgangsloch, welches vertikal durch den Insel-Teilbereich verläuft und die obere Verdrahtungsschicht und die untere Verdrahtungsschicht verbindet; ein äußeres metallisiertes Durchgangsloch, welches vertikal durch den umgebenden Bereich verläuft und die obere Verdrahtungsschicht mit der unteren Verdrahtungsschicht verbindet, sodass das innere metallisierte Durchgangsloch, das äußere metallisierte Durchgangsloch, die obere Verdrahtungsschicht und die untere Verdrahtungsschicht eine Drahtspule bilden, welche die ringartige magnetische Komponente umschließt.
Aus DE 10 2007 024 908 A1 ist ein abstimmbares induktives Bauelement bekannt, mit mindestens einem keramischen Mehrschichtkörper mit mindestens einer Ferritschicht mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.
Das Dokument DE 101 96 259 T5 bezieht sich auf die Anordnung von Füllmaterial in den Durchgängen eines elektronischen Substrates, wie z. B. durch Anordnen einer elektrische leitfähigen, thermisch leitfähigen oder nicht leitfähigen Paste in und auf elektronischen Platinen, keramischen Substraten und -„Packages” bzw. „Paketen”.
Nach US 2003/0057544 A1 wird eine monolithische integrierte Struktur mit einer oder mehreren gepackten Komponenten, wie beispielsweise integrierte Schaltkreise, diskrete Komponenten, LEDs, Opto-Koppler und ähnlichem, erzeugt wird, indem man elektrisch leitende Anschlussflächen auf einer Oberfläche einer jeden gepackten Komponente platziert und dann eine oder mehrere gepackte Komponenten in einem Substrat platziert, sodass die Oberfläche jeder gepackten Komponente mit der elektrisch leitenden Anschlussfläche sichtbar und im Wesentlichen koplanar mit der obersten Oberfläche des Substrats ist.
Aus DE 689 23 717 T2 ist ferner ein zusammengesetztes Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante bekannt.
Die DE 10 2005 031 165 A1 beschreibt ferner eine Leiterplatte mit einem dreidimensionalen, spiralförmigen, induktiven Bauelement, das eine Vielzahl von isolierenden Schichten und Leiterschichten aufweist. Die Leiterplatte umfasst eine Vielzahl von Wicklungsleiterbahnen, die aus leitfähigem Material bestehen und streifenförmig sind, und auf der Vielzahl von Leiterschichten derart angeordnet sind, dass die Vielzahl der Wicklungsleiterbahnen parallel zueinander verlaufen und auf der gleichen Ebene senkrecht zu den Leiterschichten positioniert sind, und dass jede einzelne aus der Vielzahl der Wicklungsleiterbahnen länger als eine benachbarte innere Wicklungsleiterbahn ist.
Das Dokument US 2010/0001826 A1 beschreibt eine Spule, welche durch einen magnetischen Film auf einem Baugruppensubstrat gebildet wird. Leiter, welche entweder mit einem Chip oder einem Spannungswandler verbunden sind, erstrecken sich senkrecht durch den Film zu leitfähigen Platinen, wodurch Strompfade durch und über den Film definiert sind.
Die US 2008/0252407 A1 beschreibt ein induktives Element für Anwendungen zur Energie-Umwandlung. Das induktive Element beinhaltet dabei ein Substrat mit einer ersten metallischen Schicht mit einer Dicke von mehr als einem Mikrometer, welche als ein erster Satz von benachbarten, nicht überlappenden, leitenden Segmenten angeordnet ist. Es gibt hierbei einen ferromagnetisch-basierten Körper, welcher sich auf der ersten metallischen Schicht befindet und eine ferromagnetische innere Kernzone hat. Mindestens eine weitere metallische Schicht befindet sich auf dem ferromagnetisch-basierten Körper und ist als zweiter Satz von benachbarten, sich nicht überschneidenden, leitfähigen Segmenten angeordnet. Eine Vielzahl von leitfähigen VIAs befinden sich in dem ferromagnetisch-basierten Körper und sind so angeordnet, dass sie die entsprechenden Segmente des ersten Satzes von benachbarten, nicht überlappenden, leitenden Segmenten mit den entsprechenden Segmenten des zweiten Satzes von benachbarten, nicht überlappenden, leitenden Segmenten verbinden, wodurch eine durchgehende, leitfähige Hülle um die innere Kernzone bereitgestellt wird.
Die EP 1 283 663 A2 beschreibt eine Leiterplatte mit kapazitiven und induktiven Bauelementen. Um eine solche Leiterplatte so auszugestalten, dass sie eine geringe Dicke aufweist und kostengünstig herstellbar ist, wird eine Leiterplatte mit mindestens einer dielektrischen Schicht, auf deren beiden Seitenflächen in einem ersten Bereich gegenüberliegende Kondensatorelektroden angeordnet sind, wobei in mindestens einem zweiten Bereich neben dem ersten Bereich auf den Seitenfläche der dielektrischen Schicht zwei gegenüberliegende planare Wicklungen angeordnet sind, vorgeschlagen.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten Spule, insbesondere zur Herstellung einer Leiterplatte, sowie ein elektronisches Gerät mit einer solchen Spule zu schaffen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Nach Ausführungsformen der Erfindung wird zur Herstellung einer Spule wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird in einem Substrat eine Kavität erzeugt, die zum Beispiel zur Vorderseite des Substrats offen ist. Bei dem Substrat kann es sich um ein flächiges Material handeln, wie es üblicherweise für die Leiterplattenfertigung verwendet wird, wie zum Beispiel einen faserverstärkten Kunststoff, eine Kunststofffolie oder ein anderes elektrisch isolierendes Material.
Die Erzeugung der Kavität in dem Substrat kann durch eine Material abhebende Bearbeitung des Substrats hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Abtragung des Materials mithilfe eines Lasers, mittels Ausstanzen oder durch eine spanabhebende Bearbeitung, vorzugsweise durch Fräsen, sowie auch durch Heißprägen.
Nach der Herstellung der Kavität in dem Substrat wird die Kavität mit einer Paste gefüllt, die ferromagnetische Partikel beinhaltet. Unter einer Paste wird hier eine Mischung der Partikel und einer Flüssigkeit, beispielsweise eines Lösungsmittels, verstanden, beispielsweise eine Suspension. Durch die eingebrachte Paste wird ein Kernmaterial in der Kavität gebildet, welches zur Realisierung eines Spulenkerns dient.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kavität nach der Einbringung der Paste durch Aufbringung einer Deckschicht zur Überbrückung der Unterbrechung der Oberfläche des Substrats geschlossen. Die Aufbringung einer Deckschicht ist aber optional: Statt auf die Deckschicht können die zweiten Windungsabschnitte auch auf die Oberseite des Kernmaterials aufgebracht werden, z. B. durch Aufdrucken. Die Aufbringung der zweiten Windungsabschnitte auf die Oberfläche des Substrats kann also beispielsweise dadurch erfolgen, dass die zweiten Windungsabschnitte auf die Deckschicht, die die Kavität verschließt oder unmittelbar auf die Oberseite des Kernmaterials, die ebenfalls die Kavität nach oben hin abschließt, aufgebracht werden. Bei der Deckschicht kann es sich um ein sogenanntes Prepreg handeln, das heißt eine ungehärtete duroplastische Kunststoffmatrix, in der Fasern eingebettet sind. Ein solches Prepreg kann mittels Heißpresstechnik auf das Substrat aufgebracht werden, um so die Kavität zu schließen. Dabei können auch eventuelle nach dem Auffüllen der Kavität zwischen der Oberfläche des Substrats und der Oberfläche der Paste an der offenen Seite der Kavität verbleibende Unebenheiten durch die Deckschicht ausgeglichen werden, sodass die nunmehr die Oberfläche des Substrats bildende Deckschicht eben ist.
Insbesondere kann es sich bei der Deckschicht um eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte handeln (z. B. FR-4 Materialien), die auf die mit dem Kernmaterial gefüllte Kavität aufgebracht wird, oder eine andere Materialschicht z. B. eine Kunststoffschicht, die durch Auflaminieren aufgebracht wird.
Die Windungen der Spule werden nun wie folgt hergestellt: Zunächst werden erste Windungsabschnitte in das Substrat eingebracht, wobei die Windungsabschnitte senkrecht zur Oberfläche des Substrats stehen. Beispielsweise können die ersten Windungsabschnitte durch sogenannte Vias (Vertical Interconnect Access) gebildet werden. Diese Vias verlaufen zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Substrats und/oder verbinden zwei verschiedene Substrate einer mehrschichtigen gedruckten Schaltung (Multilayer PCB).
Die zweiten Windungsabschnitte der Spule werden auf die Vorder- und die Rückseite des Substrats aufgebracht, wobei die zweiten Windungsabschnitte die Enden von je zwei der ersten Windungsabschnitte miteinander elektrisch kontaktiert.
Auf diese Art und Weise können verschiedene Spulengeometrien realisiert werden, wie zum Beispiel eine Zylinderspule, deren Spulenachse parallel zu der Oberfläche des Substrats verläuft, oder eine ring- bzw. torusförmige Spule, die parallel zu der Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist.
Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, da mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte durch den in der Kavität befindlichen Spulenkern hindurch verlaufen, was eine Miniaturisierung der Spule bei gleichzeitig relativ großer Windungszahl ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist, wenn alle der ersten Windungsabschnitte durch den in der Kavität befindlichen Spulenkern hindurchverlaufen. Neben der hierdurch ermöglichten Miniaturisierung bei gleichzeitig relativ großer Induktivität hat dies auch prozesstechnische Vorteile, da der Prozess für alle ersten Windungsabschnitte dann einheitlich durchgeführt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Streu-Magnetfeld eines Leiters, welcher durch den Spulenkern hindurch verläuft, reduziert wird. Besonders vorteilhaft ist, wenn alle ersten Windungsabschnitte durch den Spulenkern hindurchverlaufen, da dann das seitliche Streufeld der Spule stark reduziert wird und sich das äußere Magnetfeld, welches von der Spule erzeugt wird, auf die Stirnflächen der Spule konzentriert. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass die Homogenität des Magnetfelds, das an den Stirnflächen im Außenbereich der Spule erzeugt wird, verbessert wird.
Dies ist besonders vorteilhaft für induktive Sensoren, insbesondere induktive Näherungssensoren. Besonders vorteilhaft ist dabei ferner, dass solche erfindungsgemäßen Spulen eine größere Belastbarkeit und Zuverlässigkeit mit sich bringen, da auf den sonst bei induktiven Sensoren üblichen Luftspalt verzichtet werden kann. Bei einem solchen Luftspalt ist nachteilig, dass dessen Abmessungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder aufgrund mechanischer Belastung variieren können.
Von ganz besonderem Vorteil ist hierbei ferner, dass die Miniaturisierung der Spule nicht durch die Größe oder Herstellungstoleranzen der Kavität limitiert ist, da vorzugsweise alle ersten Windungsabschnitte durch die Kavität und damit durch das Kernmaterial hindurch verlaufen, so dass das von den ersten Windungsabschnitten umschlossene Kernmaterial den Spulenkern bildet. Die Erfindung wendet sich von dem Paradigma ab, dass sich das Kernmaterial vollständig im Spuleninneren befinden muss. Im Gegenteil erlaubt die Erfindung sogar, dass in einer einzigen Kavität mehrere Spulen nebeneinander angeordnet werden, da die Spulenwindungen, d. h. die ersten Windungsabschnitte, jeweils durch das in der Kavität befindliche Kernmaterial hindurch verlaufen können.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Spulenkern in der Kavität ringförmig, torusförmig oder scheibenförmig ausgebildet, wobei der Spulenkern eine runde oder eine eckige Form haben kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat die Kavität eine zu der Oberfläche des Substrats parallele Bodenfläche. Von der Bodenfläche gehen seitliche Flanken aus, die die Öffnung der Kavität bilden. Die seitlichen Flanken bilden vorzugsweise einen rechten Winkel oder einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des Substrats, beispielsweise einen Winkel zwischen 30 und 60°, vorzugsweise 45°. Ein solcher Winkel hat den überraschenden Vorteil, dass Lufteinschlüsse beim Einbringen der Paste in die Kavität vermieden werden, da die Luft entlang der seitlichen Flanken während des Einbringungsprozesses entweichen kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Paste in die Kavität gedruckt wird, wie zum Beispiel mittels Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck oder mithilfe eines Dispensers. Als besonders vorteilhaft hat es sich überraschenderweise erwiesen, wenn die Einbringung der Paste mittels Siebdruck erfolgt und die seitlichen Flanken der Kavität einen Winkel von etwa 45° mit der Oberfläche einschließen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Partikel aus einer weichmagnetischen amorphen und/oder nanokristallinen Legierung.
Besonders vorteilhaft sind dabei Partikel, die eine nanokristalline Struktur aufweisen, da dies zu einer sehr hohen Permeabilität bei einer kleinen Koerzitivfeldstärke führt. Weitere Vorteile solcher nanokristallinen Materialien sind überragende Magnetwerte, kostengünstige Legierungszusammensetzungen, eine sehr gute Temperaturstabilität und sehr günstige Frequenzeigenschaften. Die nanokristallinen Partikel können aus einer weichmagnetischen metallischen Legierung, zum Beispiel auf der Basis von Fe, Si und/oder B mit Zusätzen von Nb und/oder Cu, zusammengesetzt sein.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der durch die Einbringung der Paste in die Kavität eingebrachte Kernmaterial elektrisch leitfähig. Um die ersten Windungsabschnitte gegenüber dem Kernmaterial elektrisch zu isolieren, kann wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird zur Herstellung eines Vias ein Durchgangsloch durch das Substrat gebohrt, wobei das Durchgangsloch durch das Kernmaterial hindurch verläuft.
Dieses Durchgangsloch wird dann mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, wie zum Beispiel mit einem Harz. Anschließend wird ein Durchgangsloch durch dieses elektrisch isolierende Material hindurchgebohrt, sodass eine Schicht des elektrisch isolierenden Materials verbleibt. Hierauf wird dann elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel durch eine Metallisierung aufgebracht, um das Via zur Herstellung eines der ersten Windungsabschnitte herzustellen.
Nach Ausführungsformen der Erfindung werden für die Aufbringung der zweiten Windungsabschnitte auf die Oberfläche des Substrats, das heißt auf dessen Vorder- und Rückseiten, Strukturierungstechniken verwendet, wie zum Beispiel Ätztechniken.
Nach Ausführungsformen der Erfindung wird die Paste nach dem Einbringen in die Kavität verdichtet, indem die Paste mit einem Anpressdruck beaufschlagt wird und/oder einer Temperaturerhöhung auf zum Beispiel 70°C–80°C ausgesetzt wird. Auf diese Art und Weise wird der Flüssigkeitsanteil der Paste reduziert, was zu einer Volumenverringerung führt.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Viskosität der Paste zunächst so gewählt werden muss, dass die Paste durch ein Druckverfahren, wie zum Beispiel Siebdruck, aufgebracht werden kann. Um ein drucktechnisches Aufbringen der Paste zu ermöglichen, darf nämlich deren Viskosität nicht zu hoch sein, um eine ausreichende Fließfähigkeit der Paste zu gewährleisten. Nachdem die Paste in die Kavität eingebracht worden ist, ist auf der anderen Seite ein möglichst geringer Flüssigkeitsanteil erwünscht, um die Partikel zu verdichten, damit die Induktivität der resultierenden Spule möglichst groß ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Flüssigkeitsanteil der Paste nach der Einbringung in die Kavität reduziert wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das durch die Verdichtung in der Kavität freigewordene Volumen durch erneutes Einbringen der Paste, zum Beispiel durch einen weiteren Siebdruckvorgang, aufgefüllt. Hierdurch kann die Induktivität der resultierenden Spule noch weiter erhöht werden, da das Volumen der Kavität trotz der vorherigen Verdichtung vollständig ausgenutzt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Verdichtung der Partikel in der Kavität wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird eine Trennschicht auf die offene Seite der Kavität aufgebracht. Die Trennschicht ist für den Flüssigkeitsanteil der Paste durchlässig, insbesondere wenn dieser aufgrund der Temperaturerhöhung in seine gasförmigen Phase übergeht. Beispielsweise kann es sich bei der Trennschicht um eine perforierte Kunststofffolie handeln.
Auf die Trennschicht wird eine Aufnahmeschicht aufgebracht, die zur Aufnahme des durch die Trennschicht hindurchtretenden Flüssigkeitsanteils der Paste ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich bei der Aufnahmeschicht um ein Vlies handeln.
Wird nun durch Beaufschlagung der Paste in der Kavität mit einem Anpressdruck und/oder durch eine Temperaturerhöhung der Flüssigkeitsanteil der Paste in der Kavität reduziert, so tritt dieser Anteil in seiner flüssigen oder gasförmigen Phase durch die Trennschicht, beispielsweise durch die Perforationen der Trennschicht, hindurch und gelangt dadurch zu der Aufnahmeschicht, wo dieser Anteil absorbiert wird. Durch die Trennschicht wird gleichzeitig vermieden, dass Teile, z. B. Fasern, der Aufnahmeschicht an der Paste anhaften.
Anschließend werden die Trennschicht und die Aufnahmeschicht entfernt und die Kavitäten werden durch die Deckschicht geschlossen. Optional kann zuvor das durch die Reduzierung des Flüssigkeitsanteils freigewordene Volumen durch erneutes Einbringen der Paste aufgefüllt werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden mehrere der integrierten Spulen auf diese Art und Weise in dem Substrat hergestellt. Diese Spulen können zum Beispiel zu einem Sensorarray verschaltet werden, zum Beispiel um einen hochempfindlichen induktiven Positionssensor zu realisieren.
Nach einer weiteren Ausführungsform können die zweiten Windungsabschnitte aufgedruckt werden. Die zweiten Windungsabschnitte können zum Beispiel mittels leitfähiger Tinte aufgedruckt werden; weitere Schaltungskomponenten, die polymerelektronisch ausgebildet sein können, können ebenfalls auf das Substrat aufgedruckt werden, um diese mit der oder den Spulen zu verschalten.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Kavität durch eine Heißpragtechnik hergestellt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird unter einer „Kavität” eine Ausnehmung aus dem Substrat, verstanden.
Nach einer Ausführungsform wird die Paste nach Einbringung in die Kavität zunächst einem Trocknungsprozess unterzogen, während dessen die Paste aushärtet – beispielsweise entweicht während des Trocknungsprozess ein Lösungsmittel der Paste. Während des Trocknungsprozess wird die Paste in eine Vibration versetzt, z. B. durch einen Rütteltisch auf dem das Substrat fixiert wird oder durch einen Ultraschallsender, um eine Durchmischung der Paste während des Trocknungsprozess zu erreichen, und damit einer Pfropfenbildung während des Trocknungsprozess an der oder den offenen Seiten der Kavität entgegenzuwirken. Durch die Vermeidung einer Pfropfenbildung wird sichergestellt, dass das Lösungsmittel vollständig entweicht und dass der Trocknungsvorgang schnell erfolgt. Nach der Aushärtung der Paste werden z. B. die Löcher gebohrt, um die ersten Windungsabschnitte einzubringen.
Als Alternative zu einem pastösen oder flüssigen Grundmaterial können auch Folien für das Kernmaterial verwendet werden, insbesondere mehrlagige Folien, insbesondere Folien aus nanokristallinen Magnetlegierungen auf der Basis von Fe, Si und B mit Zusätzen von Nb und Cu, wie sie zum Beispiel unter dem Handelsnamen Vitroperm von der Firma Vacuumschmelze erhältlich sind.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der Spulenkern zunächst separat als Festkörper hergestellt, und dann in der Kavität befestigt, zum Beispiel formschlüssig und/oder kraftschlüssig, z. B. durch Einpressen in die Kavität.
Die Spulenkerne können zum Beispiel durch Strangpressen eines Polymer-Ferrit-Kompositmaterials hergestellt werden. Beispielsweise werden durch das Strangpressen Endlosprofile aus dem Polymer-Ferrit-Kompositmaterial hergestellt, von denen einzelne Spulenkerne durch Abtrennen von Abschnitten des Strangpressprofils gewonnen werden.
Ein solcher Strang kann auch als flexibles Band hergestellt werden, und mit einem Kleber auf das Substrat aufgebracht werden, und zwar insbesondere dort, wo eine höhere Baudicke toleriert werden kann. In diesem Fall kann sich also der Spulenkern auch über die Oberfläche des Substrats hinaus erstrecken, wobei auch Mischformen möglich sind, beispielsweise also die Füllung der Kavität in dem Substrat mit einem pastösen oder flüssigen Material und anschließend nach Aushärtung die Aufbringung einer oder mehrerer Materialschichten desselben oder eines anderen Kernmaterials auf die bereits gefüllte Kavität. Eine solche zusätzliche Folie könnte auch auf eine Seite einer Leiterplatte, insbesondere einer Multilayer-PCB aufgeklebt werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Sensor an der Stirnfläche angeordnet sein soll.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Querschnitt einer Kavität bzw. des Spulenkerns unterschiedliche geometrische Formen haben, die symmetrisch oder asymmetrisch sein können. Die Form der Kavität und damit die Form des Spulenkerns kann dabei so gewählt werden, dass das Magnetfeld eine für die jeweilige Anwendung optimierte Geometrie und Stärke erhält.
Neben einer Rechteckform kann der Spulenkern zum Beispiel dreieckig, rund oder ballig ausgebildet sein. Solche geometrische Formen der Kavität können zum Beispiel durch Ausfräsen oder durch Wasserstrahlschneiden hergestellt werden und die Füllung der Kavität mit dem Kernmaterial kann zum Beispiel durch Drucken, insbesondere durch Inkjet, erreicht werden.
Ferner ist es auch möglich, dass innerhalb des Spulenkerns das Kernmaterial örtlich variiert wird, um eine gewünschte Form des Magnetfelds zu erreichen, wobei eine solche örtliche Variation der Materialzusammensetzung in dem Spulenkern zum Beispiel durch schichtweises Aufdrucken unterschiedlicher Kernmaterialien erreicht werden kann.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Kavität über mehrere Substratschichten in vertikaler Richtung, wobei die Vias, des heißt die Durchgangskontaktierungen, zum Beispiel durch Bohren, lasern, plasmieren oder Wasserstrahlschneiden hergestellt werden können. Auch Kombinationen solcher Techniken sind möglich, wie z. B. Wasserstrahlschneiden mit Laserführung.
Ausführungsformen der Erfindung erlauben die Herstellung von miniaturisierten Spulen mithilfe von preiswerten hochdurchsatzfähigen Strukturierungs- und Produktionstechnologien, wie sie für die Massenproduktion geeignet sind.
Es ist jedoch auch möglich, dass eine Spule nicht oder nicht vollständig in dem Substrat integriert ist, sondern über die Oberfläche des Substrats hinausragt. Zur Herstellung einer solchen Spule kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:

– Zunächst werden zweite Windungsabschnitte der Spule auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht, zum Beispiel durch Aufdrucken oder Strukturierungstechniken.
– In dem Bereich der Oberfläche, in der sich die zweiten Windungsabschnitte befinden, wird das Kernmaterial auf das Substrat aufgebracht, so dass es die zweiten Windungsabschnitte überdeckt.
– Die ersten Windungsabschnitte werden dann in das Kernmaterial eingebracht, wozu beispielsweise Löcher in das Kernmaterial gebohrt und diese dann metallisiert werden.

Auf die Oberfläche des Kernmaterials werden dann weitere zweite Bindungsabschnitte aufgebracht, zum Beispiel durch Drucken, insbesondere dreidimensionales Drucken, wie Aerosoldrucken oder Inkjetdrucken, um so die verschiedenen Windungsabschnitte elektrisch miteinander zu kontaktieren und die Spulenwindungen auszubilden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte. In unterschiedlichen Schichten der Leiterplatte werden jeweils ein oder mehrere der Spulen integriert und diese Spulen werden über die Leiterplatte miteinander verschaltet. Ferner kann die Leiterplatte mit weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten bestückt werden, um hierdurch ein elektronisches Gerät zu realisieren.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein elektronisches Gerät mit zumindest einer Spule, die in ein Substrat integriert ist, wobei das Substrat eine geschlossene Kavität aufweist, in der sich ferromagnetische Partikel befinden, welche den Spulenkern der Spule bilden, wobei die Windungen der Spule durch erste Windungsabschnitte und zweite Windungsabschnitte gebildet werden, wobei mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte durch die Kavität hindurch verlaufen, und die zweiten Windungsabschnitte die ersten Windungsabschnitte miteinander elektrisch kontaktieren.
Nach einer Ausführungsform des elektronischen Geräts werden die ersten Windungsabschnitte durch Vias gebildet, die eine elektrisch isolierende Innenbeschichtung aufweisen, um eine elektrische Isolierung zu den Partikeln des Kernmaterials herzustellen.
Nach einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem elektronischen Gerät um einen Sensor, insbesondere einen Druck-, Kraft-, Beschleunigungs-, Positions- oder Magnetfeldsensor, und/oder um einen elektromagnetischen Aktor.
Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1–9 verschiedene Schritte einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten Spule,
10 eine Ausführungsform der Kavität mit senkrechten Flanken im Querschnitt,
11 eine Ausführungsform der Kavität mit einem halbkreisförmigen Profil im Querschnitt,
12 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterplatte mit einer integrierten Ringspule,
13 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterplatte mit einer integrierten ovalen Spule,
14 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplatte mit zwei in Reihe geschalteten Spulen,
15 und
16 Verfahrensschritte zur Verdichtung der Paste in der Kavität.
17 eine Explosionsansicht einer Ausführungsform einer zweilagigen PCB,
18 eine Draufsicht auf den Feldverlauf des mit der in das zweilagige PCB gemäß 17 integrierten Spule,
19 einen Querschnitt durch eine Spule, welche auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht ist.
Im Weiteren werden identische oder einander entsprechende Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die 1 zeigt den Querschnitt eines Substrats 100. Bei dem Substrat 100 kann es sich zum Beispiel um eine noch nicht bestückte Leiterplatte handeln, wie sie für die Herstellung von Leiterkarten, Platinen oder gedruckten Schaltungen verwendet wird. Das Substrat 100 ist flächig ausgebildet und hat eine Oberfläche 102 auf seiner Vorderseite sowie eine Oberfläche 104 auf seiner Rückseite.
In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Kavität 106 in dem Substrat erzeugt. Die Kavität hat eine nach oben offene Seite 108, durch welche die Oberfläche 102 des Substrats 100 unterbrochen wird.
Die Kavität 106 hat eine Bodenfläche 110, die im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen 102 und 104 verläuft. An die Bodenfläche 110 schließen Flanken 112 bzw. 114 an, die jeweils von der Bodenfläche 110 bis zu der Oberfläche 102 verlaufen, wodurch die offene Seite 108 gebildet wird.
Die Flanken 112 und 114 schließen jeweils einen Winkel α mit der Oberfläche 102 ein. Bei dem Winkel α handelt es sich um einen spitzen Winkel mit dem Wertebereich 0 < α ≤ 90°. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen 30 und 60°, insbesondere ca. 45°. Diese Wahl des Winkels α ist besonders vorteilhaft, wenn die Paste in die Kavität 106 mithilfe eines Siebdruckverfahrens eingebracht wird, da dann die Bildung von Lufteinschlüssen in der Paste besonders effizient vermieden wird.
Die 3 zeigt das Substrat 100, nachdem eine Paste 116 in die Kavität eingebracht worden ist. Bei der Paste 116 kann es sich um ein Festkörper-Flüssigkeitsgemisch handeln, insbesondere eine Suspension, in der Partikel 118 von einer Flüssigkeit 120 umgeben sind.
Die Einbringung der Paste 116 in die Kavität 106 kann mithilfe eines Dispensers oder drucktechnisch, wie zum Beispiel durch Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck oder dergleichen erfolgen.
Die Viskositätspaste 116 muss dabei entsprechend des gewählten Verfahrens angepasst sein; beispielsweise darf die Viskosität der Paste 116 für die Einbringung der Paste 116 in die Kavität 106 mittels Siebdruck nicht zu hoch sein, da die Paste 116 hierzu eine gewisse Fließfähigkeit haben muss. Durch die Einbringung der Paste 116 wird das Kernmaterial in die Kavität 106 eingebracht, mit Hilfe dessen eine oder mehrere Spulen realisiert werden können.
Die Erzeugung der Kavität 106 kann durch einen Laser, einen Ätzvorgang oder mechanisch, insbesondere durch Fräsen, erfolgen. Durch die Einbringung der Paste 116 in die Kavität wird diese in der hier betrachteten Ausführungsform zu einer Scheibenform geformt. Alternativ kann die Kavität 106 auch ein anderes Profil haben, um einen ring- oder torusförmigen Spulenkern zu erhalten.
Die 4 zeigt das Substrat 100, nachdem eine Deckschicht 122 auf die Oberfläche 102 des Substrats 100 aufgebracht worden ist. Bei der Deckschicht 122 kann es sich zum Beispiel um ein sogenanntes Prepreg handeln. Alternativ kann es sich bei der Deckschicht 122 zum Beispiel um eine Kunststoffschicht handeln, welche auf die Oberfläche 102 auflaminiert wird.
Die Deckschicht 122 überbrückt die offene Seite 108 der Kavität 106 und gleicht dabei auch eventuelle Unebenheiten im Übergangsbereich zwischen Oberfläche 102 und der Oberfläche der Paste 116 an der offenen Seite 108 aus, sodass eine plane Oberfläche 124 resultiert, die die Oberfläche 102 vollflächig überdeckt.
Die 5 zeigt das Substrat 100, nachdem Durchgangslöcher 126 zur Herstellung sogenannter Vias durch das Substrat 100 gebohrt worden sind, wobei die Durchgangslöcher 126 durch die Kavität 106 und die darin befindliche Paste 116 hindurch verlaufen. Das Bohren der Durchgangslöcher kann durch einen Laser oder mechanisch erfolgen.
Die Durchgangslöcher 126 verlaufen von der Oberfläche 124 zu der Oberfläche 104 und stehen senkrecht sowohl auf der Oberfläche 124 als auch auf der Oberfläche 104.
Wenn das durch die Paste 116 in der Kavität 106 gebildete Material, d. h. das Kernmaterial, elektrisch leitfähig ist, so wird vor der Metallisierung der Durchgangslöcher 126 (vergleiche 8) zur Aufbringung einer Isolationsschicht 128 (vergleiche 7) wie folgt vorgegangen: Die Durchgangslöcher 126 werden mit einem elektrisch isolierenden Material 130 ausgefüllt. Bei dem Material 130 kann es sich zum Beispiel um ein Harz handeln.
Anschließend werden Durchgangslöcher 132 durch die Durchgangslöcher 126 und das isolierende Material 130 hindurchgebohrt, wie es in der 7 dargestellt ist. Dabei wird ein kleinerer Bohrerdurchmesser verwendet als für die Durchgangslöcher 126, sodass auf der Innenwandung der Durchgangslöcher 126 die Isolationsschicht 128 des isolierenden Materials 130 verbleibt.
Anschließend wird eine Metallisierung des Substrats 100 durchgeführt, wie zum Beispiel in einem Kupferbad, sodass eine Schicht 134 eines leitfähigen Materials, wie zum Beispiel Kupfer, auf der Isolationsschicht 128, der Oberfläche 124 und der Oberfläche 104 abgeschieden wird. Hierdurch werden die Durchgangslöcher 132 metallisiert, sodass man die ersten Windungsabschnitte 136 der herzustellenden Spule erhält.
Die zweiten Windungsabschnitte 138 werden bei der hier betrachteten Ausführungsform durch Strukturierung der Schicht 134 zum Beispiel durch ein Ätzverfahren, hergestellt. Durch die Windungsabschnitte 138 werden die Windungsabschnitte 136 elektrisch kontaktiert, sodass man bei der hier betrachteten Ausführungsform eine kreisförmige oder ovale Ringspule 140 erhält, wie in den 12 bzw. 13 in einer Draufsicht dargestellt.
Die 10 zeigt als Alternative zu der 2 eine rechteckige Ausbildung des Querschnitts der Kavität 106 und die 11 zeigt als weitere Ausbildungsform eine Kavität 106 mit einem halbkreisförmigen Profil. Andere geometrische Formen für die Kavität 106 sind je nach Anwendungsfall ebenfalls möglich.
Die 12 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 122 mit den in dieser Ebene verlaufenden Windungsabschnitten 138, die jeweils zwei der Windungsabschnitte 136 miteinander elektrisch verbinden.
Die ersten und letzten Windungsabschnitte 136 der Spule 140 sind hier über Leiterbahnen 142 bzw. 144 mit Kontaktflächen 143 bzw. 145 verbunden.
Der Durchmesser der Spule 140 kann kleiner als 5 mm sein, wie zum Beispiel 3,5 mm.
Die 13 zeigt eine entsprechende Spule 140 in einer ovalen Ausführungsform.
Die 14 zeigt eine Leiterplatte 146, die zwei Schichten beinhaltet, die durch die Substrate 100 und 100' gebildet werden. In dem Substrat 100 ist eine erste Spule integriert und in dem Substrat 100' eine zweite Spule, zum Beispiel jeweils gemäß der Ausführungsform nach 12 oder 13. Die beiden Substrate 100 und 100' sind über eine Verbindungsschicht 150 zu einer baulichen Einheit verbunden. Die erste Spule und die zweite Spule werden durch eine Leiterbahn 152 in Reihe geschaltet, sodass sich die Induktivitäten der ersten und zweiten Spule aufaddieren.
Die 15 und 16 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die in die Kavität 106 eingebrachte Paste 116 verdichtet wird. Hierzu wird eine Trennfolie 154 mit einer Perforation 156 auf die Oberfläche 102 aufgebracht, sodass die offenen Seiten 108 der Kavitäten 106 hierdurch überdeckt werden.
Auf die Trennfolie 154 folgt ein Vlies 158 und auf dem Vlies 158 kann optional eine weitere Trennfolie 160 aufgebracht sein. Dieser Aufbau wird anschließend mit einem Anpressdruck beaufschlagt und auf eine Temperatur von zum Beispiel 70–80°C erhitzt. Dies kann in einem Vakuum erfolgen.
Aufgrund des Drucks und/oder der Temperatur wird der Flüssigkeitsanteil der Paste 116 reduziert, sodass die Partikel 118 hierdurch verdichtet werden. Beispielsweise verdampft in der Paste 116 befindliches Lösungsmittel 162 und tritt durch die Perforation 156 hindurch. Es wird dann von dem Vlies 158 absorbiert, wie in der 16 dargestellt.
Anschließend können die Trennfolien 154 und gegebenenfalls 160 sowie das Vlies 158 entfernt werden, wonach die Deckschicht 122 (vergleiche 4) aufgebracht wird. Optional können die Kavitäten 106 vor dem Aufbringen der Deckschicht 122 mit Paste 116 aufgefüllt werden, um das durch die Verdichtung frei gewordene Volumen aufzufüllen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Paste 116 während des Trocknungsprozess in eine Vibration versetzt werden, z. B. durch einen Rütteltisch oder Ultraschallsender, um eine Konvektion in der Paste 116 zu erzeugen, und damit einer Pfropfenbildung während des Trocknungsprozess an der offenen Seite 108 entgegenzuwirken.
Die 17 zeigt eine zweilagige PCB mit einem oberen Substrat 100 und einem unteren Substrat 100'. Beispielsweise ist in das obere Substrat 100 eine Kavität 106 eingefräst, die zur Aufnahme eines Kernmaterials zur Bildung des Spulenkerns dient, wie zum Beispiel einer Paste 116. Die Paste 116 kann zum Beispiel in die Kavität 106 durch ein oder mehrere Druckvorgänge eingedruckt werden. Alternativ kann es sich hierbei um eine Folie oder einen Folienaufbau handeln, der in die Kavität 106 eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch das untere Substrat 100' eine Kavität haben, wobei in diesem Fall die Kavitäten des oberen Substrats 100 und des unteren Substrats 100' eine resultierende Kavität zur Aufnahme des Kernmaterials bilden.
Gemäß diesen Ausführungsformen kann eine Spule hergestellt werden, deren Spulenachse parallel zu der Oberfläche des Substrats 100 verläuft, wie in der 17 dargestellt.
Wie in der 17 gezeigt, verlaufen die dort exemplarisch dargestellten Windungsabschnitte 136 durch das Kernmaterial, das heißt beispielsweise die Paste 116, hindurch, sodass die Windungsabschnitte 136 beim Durchtritt durch die Kavität 106 allseitig von Kernmaterial umgeben sind, und nicht – wie sonst bei einer Spule üblich – lediglich einseitig auf dem Kernmaterial aufliegen.
Dies hat den besonderen überraschenden Vorteil, dass das von der resultierenden Spule erzeugte Streufeld im Außenbereich reduziert wird, da das Kernmaterial die Feldlinien entlang der Längsachse der Spule in Richtung auf das Spuleninnere konzentriert, wie in der 18 dargestellt. Dies hat zur Folge, dass das resultierende Magnetfeld im Außenbereich der Spule auf die beiden Stirnflächen konzentriert wird und dort einen homogeneren Verlauf erhält, was insbesondere für sensorische Anwendungen vorteilhaft ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auf eine der Stirnseiten der Spule 140, wie zum Beispiel die Stirnseite 164, Kernmaterial aufgebracht werden, zum Beispiel durch Aufkleben eines Folienabschnitts, um den Verlauf der Feldlinien an der Stirnseite weiter zu optimieren.
Die 19 zeigt eine nicht beanspruchte Variante, bei der eine Spule 140 auf eine Oberfläche 102 eines Substrats 100 aufgebracht wird. Hierzu werden zunächst Windungsabschnitte 138 auf die Oberfläche 102 aufgebracht. Anschließend wird dann das Kernmaterial zum Beispiel in Form einer Paste 116 auf die Oberfläche 102 aufgebracht, wobei die Paste 116 die Windungsabschnitte 138, die auf der Oberfläche 102 aufgebracht wurden, bis auf einen Anschlusskontakt überdeckt.
Nach Aushärtung der Paste 116 werden in das Kernmaterial Löcher gebohrt, in die die Windungsabschnitte 136 der Spule eingebracht werden, zum Beispiel durch Metallisierung der Bohrungen.
Schließlich werden auf die Oberfläche 166 des Kernmaterials weitere Windungsabschnitte 138 aufgebracht, um so die Spulenwindungen zu bilden.
Auf diese Weise lässt sich eine Spule gemäß der obigen Ausführungsformen z. B. nach 12, 13 oder 17 herstellen, mit dem Unterschied, dass die Spule nicht einer Kavität des Substrats integriert ist, sondern auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

100, 100': Substrat
102: Oberfläche
104: Oberfläche
106: Kavität
108: offene Seite
110: Bodenfläche
112: Flanke
114: Flanke
116: Paste
118: Partikel
120: Flüssigkeit
122: Deckschicht
124: Oberfläche
126: Durchgangslöcher
128: Isolationsschicht
130: isolierendes Material
132: Durchgangslöcher
134: Schicht
136: Windungsabschnitt
138: Windungsabschnitt
140: Spule
142: Leiterbahn
143: Kontaktfläche
144: Leiterbahn
145: Kontaktfläche
146: Leiterplatte
150: Verbindungsschicht
152: Leiterbahn
154: Trennfolie
156: Perforation
158: Vlies
160: Trennfolie
162: Lösungsmittel
164: Stirnseite
166: Oberfläche
α: Winkel

Claims

Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat (100) integrierten Spule (140) mit folgenden Schritten: – Einbringung eines Kernmaterials (116) in eine Kavität (106) des Substrats (100), – Einbringung von ersten Windungsabschnitten (136) der Spule (140) in das Kernmaterial, welche durch das Kernmaterial hindurch verlaufen, – Aufbringung von zweiten Windungsabschnitten (138) der Spule (140), wobei die zweiten Windungsabschnitte (138) die ersten Windungsabschnitte (136) kontaktieren, um die Windungen der Spule (140) zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kavität (106) in dem Substrat (100) erzeugt wird, wobei die Kavität (106) zumindest eine offene Seite (108) hat, durch die eine Oberfläche (102) des Substrats (100) unterbrochen wird, wobei die ersten Windungsabschnitte (136) senkrecht auf der Oberfläche (102) stehen, wobei mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte (136) durch die Kavität (106) hindurch verlaufen, wobei die zweiten Windungsabschnitte (138) der Spule (140) auf die Oberflächen (102, 104) des Substrats (100) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, mit dem weiteren Schritt des Schließens der Kavität (106) durch Aufbringen einer Deckschicht (122) zur Überbrückung der Unterbrechung der Oberfläche (102) des Substrats (100), wobei die zweiten Windungsabschnitte (138) auf die Deckschicht (122) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kernmaterial in Form einer Paste (116), einer Folie oder eines Festkörpers in die Kavität (106) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Fall, dass es sich bei dem Kernmaterial um einen Festkörper handelt, der Festkörper kraftschlüssig und/oder formschlüssig in der Kavität (106) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zweite Windungsabschnitte (138) der Spule (140) auf die Oberfläche (166) des Kernmaterials aufgebracht werden, wobei die Oberfläche (166) des Kernmaterials von der Oberfläche (102) des Substrats (100) beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat (100) um ein Leiterplattenmaterial einer elektronischen Leiterplatte handelt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Leiterplattenmaterial einer elektronischen Leiterplatte um faserverstärkten Kunststoff oder eine Kunststofffolie handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavität (106) durch eine Material abhebende Verarbeitung des Substrats (100) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei der Material abhebenden Verarbeitung des Substrats (100) um Abtragung des Materials mit Hilfe eines Lasers oder eine spanabhebende Bearbeitung handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche der Kavität (106) ringförmig, torusförmig, rechteckig, mehreckig, ballig, kurvenförmig oder scheibenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavität (106) eine zu der Oberfläche (102) parallele Bodenfläche (110) und seitliche Flanken (112, 114) hat, wobei die seitlichen Flanken (112, 114) jeweils einen rechten oder einen spitzen Winkel (α) mit der Oberfläche (102) einschließen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der spitze Winkel (α) zwischen der Bodenfläche (110) und den seitlichen Flanken (112, 114) zwischen 30° und 60°, beträgt, sodass die Querschnittsfläche der Kavität (106) von der Bodenfläche (110) zur Oberfläche (102) des Substrats (100) hin zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der spitze Winkel (α) zwischen der Bodenfläche (110) und den seitlichen Flanken (112, 114) 45° beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kernmaterial ferromagnetische Partikel (118) und/oder ein Ferrit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei es sich bei den ferromagnetischen Partikeln (118) um Partikel (118) aus einer weichmagnetischen amorphen und/oder nanokristallinen Legierung handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 16, wobei in dem Fall, dass es sich bei dem Kernmaterial um eine Paste (116) handelt, die Paste (116) in die Kavität (106) gedruckt oder mit einem Dispenser aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 17, wobei die Kavität (106) seitliche Flanken (112, 114) hat, die mit der Oberfläche (102) jeweils einen Winkel (α) von 40° bis 50° einschließen, und wobei in dem Fall, dass es sich bei dem Kernmaterial um eine Paste (116) handelt, die Einbringung der Paste (116) in die Kavität (106) mittels Siebdruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die seitlichen Flanken (112, 114) mit der Oberfläche (102) einen Winkel (α) von 45° einschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 19, wobei die ersten Windungsabschnitte (136) als Vias in das Substrat (100) eingebracht werden, wobei mehrere oder alle der Vias durch die Kavität (106) und das in der Kavität (106) enthaltene Kernmaterial hindurch verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das durch die Paste (116) in der Kavität (106) gebildete Kernmaterial elektrisch leitfähig ist, und wobei die Einbringung eines der Vias in das Substrat (100) mit folgenden Schritten erfolgt: – Bohren eines ersten Durchgangslochs (126) durch das Substrat (100), wobei das erste Durchgangsloch (126) durch das Kernmaterial hindurch verläuft, – Füllung des Durchgangslochs (126) mit einem elektrisch isolierenden Material (130), – Bohren eines zweiten Durchgangslochs (132) durch das in dem ersten Durchgangsloch befindliche elektrisch isolierende Material (130), sodass eine Schicht (128) des elektrisch isolierenden Materials (130) auf der Oberfläche des ersten Durchgangslochs (126) verbleibt, – Aufbringung von elektrisch leitfähigem Material (134) auf die verbliebene Schicht (128).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufbringung der zweiten Windungsabschnitte (138) mittels einer Strukturierungstechnik oder drucktechnisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei es sich bei der Strukturierungstechnik um Ätzen handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 23, wobei in dem Fall, dass es sich bei dem Kernmaterial um eine Paste (116) handelt und die Paste (116) in eine Kavität (106) eingebracht wird, nach dem Einbringen der Paste (116) in die Kavität (106) die Partikel (118) durch Beaufschlagung der Paste (116) mit einem Druck und/oder durch eine Temperaturerhöhung verdichtet werden, indem der Flüssigkeitsanteil (162) der Paste (116) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das aufgrund der Verdichtung in der Kavität (106) freigewordene Volumen durch erneutes Einbringen der Paste (116) in die Kavität (106) aufgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei zur Verdichtung der Partikel (118) die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden: – Aufbringung einer Trennschicht (154), wobei die Trennschicht (154) für den Flüssigkeitsanteil (162) der Paste (116) durchlässig ist, – Aufbringung einer Aufnahmeschicht (158) auf die Trennschicht (154), wobei die Aufnahmeschicht (158) zur Aufnahme des durch die Trennschicht (154) hindurchtretenden Flüssigkeitsanteils (162) der Paste (116) ausgebildet ist, – Entfernung der Trennschicht (154) und der Aufnahmeschicht (158), wobei das Schließen der Kavität (106) durch die Deckschicht (122) nach dem Entfernen der Trennschicht (154) und der Aufnahmeschicht (158) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 26, wobei die Kavität (106) vollständig mit der Paste (116) gefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 27, wobei die Paste (116) während eines Trocknungsprozesses der Paste (116) zur Aushärtung der Paste (116) durchmischt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Durchmischung durch Rütteln oder durch Beaufschlagung mit Ultraschall erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte (146) mit folgenden Schritten: – Herstellung einer ersten Spule (140), die in eine erste Schicht der Leiterplatte (146) integriert wird, – Herstellung einer zweiten Spule (140), die in eine zweite Schicht der Leiterplatte (146) integriert wird, – Herstellung einer elektrischen Verbindung (152) zwischen der ersten und zweiten Schicht zur Verschaltung der ersten und zweiten Spule (140), wobei die Herstellung der ersten und zweiten Spule (140) jeweils nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei es sich bei der Verschaltung der ersten und zweiten Spule (140) um eine Reihenschaltung handelt.
Elektronisches Gerät mit zumindest einer Spule (140), die in eine Kavität (106) eines Substrats (100, 100') integriert ist, wobei das Substrat (100) eine Kavität (106) aufweist, in der sich ein Kernmaterial befindet, welches den Spulenkern der Spule (140) bildet, wobei die Windungen der Spule (140) durch erste Windungsabschnitte (136) und zweite Windungsabschnitte (138) gebildet sind, wobei mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte (136) durch das Kernmaterial hindurch verlaufen, und die zweiten Windungsabschnitte (138) die ersten Windungsabschnitte (136) miteinander elektrisch kontaktieren.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 32, wobei die ersten Windungsabschnitte (136) durch Vias gebildet sind, die von einer elektrisch isolierenden Beschichtung (128) umgeben sind, um eine elektrische Isolierung zum Kernmaterial (118) herzustellen.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 32 oder 33, wobei es sich um einen Sensor handelt und/oder um einen Aktor.
Elektronisches Gerät nach Anspruch 34, wobei es sich bei dem Sensor um einen Druck-, Kraft-, Beschleunigungs- oder Magnetfeldsensor handet.
Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 32 bis 35, wobei das elektronische Gerät zumindest ein weiteres Substrat (100') aufweist, und sich die Kavität (106) über beide Substrate (100, 100') hinweg erstreckt.