DE102013205532A1

DE102013205532A1 - Verfahren zur Bildung magnetisch gekoppelter Spulen in einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102013205532A1
Application number: DE201310205532
Authority: DE
Inventors: Michael Kaindl; Horst Pölloth; Robert Vodiunig
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung magnetisch gekoppelter Spulen in einer Leiterplatte umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer ersten Teilleiterplatte und einer zweiten Teilleiterplatte, mit jeweils einem Loch entlang einer Längsachse, und jeweils einem in die Innenwandung des Lochs integrierten spiralförmigen Leiter zur Bildung jeweils einer Spule, wobei sich der spiralförmige Leiter um die Längsachse windet, Aufeinanderlegen der beiden Teilleiterplatten zum Ausbilden der Leiterplatte, wobei die beiden Spulen fluchten, und Füllen der beiden Spulen mit einem, durch beide Spulen hindurchragenden Kern aus ferromagnetischem Material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung magnetisch gekoppelter Spulen in einer Leiterplatte. Ferner betrifft die Erfindung eine Leiterplatte mit magnetisch gekoppelten Spulen.
Insbesondere für hochfrequente Anwendungen, hochleistungsfähige Bus-Systeme oder EMV-Maßnahmen, werden zunehmend mehr Spulen mit kleiner Induktivität benötigt. In herkömmlicher Weise werden die Spulen als Einzelbauteile auf die Leiterplatte bestückt und gelötet. Dabei muss jedes Bauteil einzeln gefertigt und gewickelt werden. Dies führt zu hohen Einzelteilbaukosten und Montagekosten. Des Weiteren bedarf es einer separaten Überprüfung des Lötkontaktes zwischen Leiterplatte und aufgesetzter Spule. Im Stand der Technik werden unterschiedliche Spulen durch aufwendige Maßnahmen miteinander gekoppelt, um so beispielsweise für Ethernet-Anwendungen Gleichtaktdrosseln bzw. Trafos auszubilden.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Bilden magnetisch gekoppelten Spulen in einer Leiterplatte anzugeben, wobei das Verfahren einen kostengünstigen und sehr platzsparenden sowie funktionssicheren Aufbau der Leiterplatte ermöglichen soll. Des Weiteren ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine entsprechende Leiterplatte mit den magnetisch gekoppelten Spulen anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bildung magnetisch gekoppelter Spulen in einer Leiterplatte. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
Zunächst werden zwei Teilleiterplatten bereitgestellt. Jede Teilleiterplatte weist jeweils ein Loch entlang einer Längsachse auf. Ferner ist in die Innenwandung des Lochs ein spiralförmiger Leiter integriert. In jeder Teilleiterplatte befindet sich somit solch ein spiralförmiger Leiter, der jeweils eine in die Teilleiterplatte integrierte Spule bildet. Diese Spule windet sich jeweils um die Längsachse. Daraufhin erfolgt ein Aufeinanderlegen der beiden Teilleiterplatten. Die Teilleiterplatten werden so aufeinandergelegt, dass die beiden Spulen miteinander fluchten. In einem dritten Schritt werden die beiden Spulen der unterschiedlichen Teilleiterplatten mit einem gemeinsamen Kern ausgefüllt. Der Kern besteht aus einem ferromagnetischen Material und erstreckt sich durch die beiden Spulen bzw. durch die beiden Löcher hindurch. Die beiden Teilleiterplatten zusammen bilden die letztendliche Leiterplatte. Insbesondere liegen hierzu die beiden Teilleiterplatten flächig aufeinander. Die beiden in die Leiterplatte integrierten Spulen mit dem gemeinsamen Kern, werden beispielsweise in einer Ethernet-Anwendung als Gleichtaktdrossel oder Trafo verwendet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Teilleiterplatten mittels einer Zwischenschicht miteinander fest verbunden und elektrisch voneinander isoliert werden. Diese Zwischenschicht ist insbesondere eine Prepregschicht. Solch eine Prepregschicht besteht aus vorimprägnierten Fasern. Die Zwischenschicht wird insbesondere vor dem Aufeinanderlegen der beiden Teilleiterplatten zwischen den beiden Teilleiterplatten positioniert.
Die Teilleiterplatten weisen bevorzugt jeweils zumindest eine nichtleitende Trägerschicht auf. Beidseitig der Trägerschicht befindet sich je eine Leiterebene. In diesen Leiterebenen sind verschiedene Leiterbahnen angeordnet. Das Loch erstreckt sich von der ersten Leiterebene durch die Trägerschicht hindurch zur zweiten Leiterebene. Bei einer Mehrschichtleiterplatte müssen die zwei Leiterebenen nicht ganz oben bzw. unten liegen, sondern können auch in Zwischenschichten angeordnet werden. Zur Ausbildung des spiralförmigen Leiters von der ersten Leiterebene zur zweiten Leiterebene wird bevorzugt durch das Loch durchkontaktiert. Es wird also die Innenwandung des Lochs mit einem leitenden Material ausgekleidet. In einer bevorzugten Variante wird der spiralförmige Leiter durch Ausbildung eines Innengewindes an der Innenwandung des Lochs gebildet. Hierzu gibt es zwei mögliche Verfahrensabläufe, die bevorzugt für zumindest eine der Teilleiterplatten angewendet werden:
In der ersten Variante erfolgt zunächst das Durchkontaktieren des Loches. Es wird also die Innenwandung des Loches mit einem leitenden Material ausgekleidet. Im Anschluss daran wird das Innengewinde geschnitten oder gepresst. Dabei wird das Innengewinde in das leitende Material an der Wandung des Lochs eingebracht. Das Innengewinde wird insbesondere so tief geschnitten, dass die Gewindegänge bis zu der nichtleitenden Trägerschicht reichen. Durch das Innengewinde ist der spiralförmige Leiter gebildet. Dieser spiralförmige Leiter wiederum stellt die Spule dar.
In einer zweiten Variante wird vor dem Durchkontaktieren das Innengewinde in dem Loch ausgebildet. Daraufhin erfolgt ein Durchkontaktieren durch das Loch hindurch. Dabei wird das Gewinde, insbesondere die Gewindegänge, mit leitendem Material ausgekleidet. Nach dem Durchkontaktieren muss ein innenliegender Anteil der Gewindegänge entfernt werden, so dass der spiralförmige Leiter entsteht. Dies erfolgt insbesondere durch Aufbohren entlang der Längsachse.
In allen hier vorgestellten Möglichkeiten zur Bildung der Spule in der Leiterplatte ist bevorzugt vorgesehen, dass die Innenwandung des Lochs nach Ausbildung der Spule passiviert, insbesondere isoliert, wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Isolationsschicht. Daraufhin wird das Loch mit dem ferromagnetischen Kern ausgefüllt. Insbesondere ist vorgesehen, dass zunächst die beiden Teilleiterplatten übereinander gelegt werden. Daraufhin erfolgt das Einsetzen der Isolationsschicht in die beiden Löcher. Somit wird eine durchgehende Isolationsschicht für die beiden Löcher der beiden Teilleiterplatten verwendet.
Die beiden Löcher bzw. die beiden Spulen in den beiden Teilleiterplatten weisen bevorzugt denselben Durchmesser auf.
Der Kern aus ferromagnetischem Material ist insbesondere einstückig ausgebildet und kann sowohl als Festkörper oder als Paste eingebracht werden, z. B. im Siebdruck.
Die vorgestellten Verfahren können natürlich auch dazu verwendet werden, die gekoppelten Spulen derart in eine Leiterplatte zu integrieren, so dass die Fläche oberhalb und unterhalb der Spulen auf der Leiterplatte zur Bestückung von weiteren Komponenten zur Verfügung steht. Insbesondere sind dabei die Spulen und der Kern in Zwischenschichten einer Mehrschichtleiterplatte integriert, wobei es über und unter den Spulen durchgehende Schichten gibt. Man spricht hier auch davon, dass die Spule in die Leiterplatte „embedded” ist.
Die elektrischen Werte der Spulen (auch: Induktivität) können neben der Steigung der geschnittenen Gewinde auch über den Bohrungsdurchmesser für das Loch beeinflusst werden.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Leiterplatte mit magnetisch gekoppelten Spulen. Die Leiterplatte umfasst zwei aufeinandergelegte Teilleiterplatten mit jeweils einem Loch. Jedes Loch erstreckt sich entlang einer Längsachse. In jedem Loch ist an der Innenwandung ein spiralförmiger Leiter integriert. Der Leiter bildet jeweils eine Spule in der Teilleiterplatte. Die beiden Spulen der zwei Teilleiterplatten fluchten miteinander. In die beiden Spulen ist ein gemeinsamer Kern aus ferromagnetischem Material eingesetzt.
Die Unteransprüche sowie die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf die erfindungsgemäße Leiterplatte.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Leiterplatte hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel,
2 Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
3 Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Leiterplatte 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 2 zeigt Verfahrensschritte S1 bis S3 für das erste Ausführungsbeispiel. 3 zeigt die Verfahrensschritte S4 bis S7 für das zweite Ausführungsbeispiel.
Gemäß 1 wird eine Leiterplatte 1 bereitgestellt. Die Leiterplatte 1 umfasst eine erste Teilleiterplatte 11 und eine zweite Teilleiterplatte 12. Die beiden Teilleiterplatten 11, 12 sind übereinander gelegt. Jede Teilleiterplatte 11, 12 weist ein Loch 6 (s. 2 und 3) entlang einer Längsachse 7 auf. Des Weiteren weist jede Teilleiterplatte 11, 12 eine nichtleitende Schicht 3 (auch: Trägerschicht) auf. Auf der nichtleitenden Schicht 3 sind beidseitig Leiterebenen 4, 5 aufgebracht. Zwischen der zweiten Leiterebene 5 der ersten Teilleiterplatte 11 und der ersten Leiterebene 4 der zweiten Teilleiterplatte 12 befindet sich eine Zwischenschicht 15 aus einem Prepregmaterial. Die Zwischenschicht 15 verbindet die beiden Teilleiterplatten 11, 12 miteinander und sorgt gleichzeitig für eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Teilleiterplatten 11, 12.
Jede Teilleiterplatte 11, 12 weist eine Spule 2 auf. Durch die beiden Spulen 2 hindurch erstreckt sich ein gemeinsamer Kern 14 aus einem ferromagnetischen Material.
Der Kern 14 ist gegenüber den Spulen 2 über eine Passivierung 13, ausgebildet als Isolationsschicht, getrennt.
Gemäß 2 wird im Schritt S1 entlang einer Längsachse 7 durch die Leiterebenen 4, 5 und durch die Schicht 3 hindurch ein Loch 6 in die Teilleiterplatten 11, 12 gebohrt. Das Loch 6 weist eine Innenwandung 9 auf. Im Schritt S2 erfolgt ein Durchkontaktieren durch das Loch 6 hindurch. Die Durchkontaktierung 10 stellt eine leitende Auskleidung der Innenwandung 9 dar. Mittels der Durchkontaktierung 10 sind die beide Leiterebenen 4, 5 miteinander elektrisch leitend verbunden. Im Schritt S3 wird ein Innengewinde 8 in die Durchkontaktierung 10 geschnitten. Die Gewindegänge des Innengewindes 8 sind dabei so tief, dass sie die Durchkontaktierung 10 durchtrennen und somit bis zum elektrisch nichtleitenden Material der Schicht 3 reichen. Durch Ausbildung dieses Innengewindes 8 entsteht die Spule 2. Unter Umständen wird nach dem Gewindeschneiden das verschmierte Material der Durchkontaktierung 10, beispielsweise durch Rückätzen, entfernt.
3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel mit den Verfahrensschritten S4 bis S7 zum Ausbilden der Spulen 2 in den Teilleiterplatten 11, 12. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. Im zweiten Ausführungsbeispiel entspricht der Schritt S4 dem Schritt S1 aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Es wird also zunächst das Loch 6 in die jeweilige Teilleiterplatte 11, 12 gebohrt. Daraufhin erfolgt im Schritt S5 ein Schneiden des Innengewindes 8 direkt in die Innenwandung 9, ohne eine vorherige Durchkontaktierung auszubilden. Nach dem Gewindeschneiden im Schritt S5 erfolgt eine Ausbildung der Durchkontaktierung 10 in den Gewindegängen des Innengewindes 8. Im Schritt S7 wird der innerste Kern der Durchkontaktierung 10, der die Leiterebenen 4, 5 direkt, unter Umgehung der Gewindegänge, verbinden würde, entfernt. Dieses Entfernen erfolgt durch Aufbohren in beiden Teilleiterplatten 11, 12.
Nachdem in beiden Teilleiterplatten 11, 12 jeweils eine Spule 2 ausgebildet ist, werden die beiden Teilleiterplatten übereinandergesetzt. Daraufhin erfolgt das Einsetzen des Kerns 14. Es könnten für Sonderanwendungen auch mehr als zwei Teilleiterplatten verwendet werden.
Die in den Figuren gezeigte Leiterplatte 1 kann auch Bestandteil einer Mehrschichtleiterplatte sein.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
2: Spule
3: nichtleitende Schicht, insbesondere Trägerschicht
4, 5: Leiterebene
6: Loch
7: Längsachse
8: Innengewinde
9: Innenwandung
10: Durchkontaktierung
11: erste Teilleiterplatte
12: zweite Teilleiterplatte
13: Passivierung, insbesondere Isolationsschicht
14: Kern
15: Zwischenschicht, insbesondere Prepregschicht

Claims

Verfahren zur Bildung magnetisch gekoppelter Spulen (2) in einer Leiterplatte (1) umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer ersten Teilleiterplatte (11) und einer zweiten Teilleiterplatte (12), mit jeweils einem Loch (6) entlang einer Längsachse (7), und jeweils einem in die Innenwandung (9) des Lochs (6) integrierten spiralförmigen Leiter zur Bildung jeweils einer Spule (2), wobei sich der spiralförmige Leiter um die Längsachse (7) windet, – Aufeinanderlegen der beiden Teilleiterplatten (11, 12) zum Ausbilden der Leiterplatte (1), wobei die beiden Spulen (2) fluchten, und – Füllen der beiden Spulen (2) mit einem, durch beide Spulen hindurchragenden Kern (14) aus ferromagnetischem Material.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilleiterplatten (11, 12) mittels einer Zwischenschicht (15) miteinander fest verbunden und elektrisch voneinander isoliert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht (15) eine Prepregschicht aus vorimprägnierten Fasern verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Teilleiterplatten (11, 12) zwei Leiterebenen (4, 5) umfasst, wobei das Loch (6) von der ersten Leiterebene (4) zu der zweiten Leiterebene (5) reicht, und wobei zur Ausbildung des spiralförmigen Leiters von der ersten Leiterebene (4) zur zweiten Leiterebene (5) durch das Loch (6) durchkontaktiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des spiralförmigen Leiters ein Innengewinde (8) an die Innenwandung (9) des Lochs (6) geschnitten oder gepresst wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte in gegebener Reihenfolge: – Durchkontaktieren durch das Loch (6) in zumindest einer der Teilleiterplatten (11, 12), und – Ausbilden des Innengewindes (8).
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte in gegebener Reihenfolge: – Ausbilden des Innengewindes (8) in zumindest einer der Teilleiterplatten (11, 12), – Durchkontaktieren durch das Loch (6), und – Entfernen von innenliegenden Anteilen der Gewindegänge des Innengewindes (8), insbesondere durch Aufbohren entlang der Längsachse (7).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (9) des Lochs (6) in der ersten Teilleiterplatte (11) und in der zweiten Teilleiterplatte (12) nach Ausbildung der Spule (2) passiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierung nach dem Aufeinanderlegen der beiden Teilleiterplatten (11, 12) und für beide Spulen (2) gemeinsam erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Löcher (6) und/oder die beiden Spulen (2) in den beiden Teilleiterplatten (11, 12) denselben Durchmesser aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (14) einstückig ausgebildet ist.
Leiterplatte (1) mit magnetisch gekoppelten Spulen (2) umfassend – zwei aufeinander gelegte Teilleiterplatten (11, 12) mit jeweils einem Loch (6) entlang einer Längsachse (7), und jeweils einem in die Innenwandung (9) des Lochs (6) integrierten spiralförmigen Leiter zur Bildung jeweils einer Spule (2), wobei sich der spiralförmige Leiter um die Längsachse (7) windet, und – ein Kern (14) aus ferromagnetischem Material, der durch beide Spulen (2) hindurchragt.