DE102013205655A1

DE102013205655A1 - Multilayer inductive passive component and film body for its production

Info

Publication number: DE102013205655A1
Application number: DE201310205655
Authority: DE
Inventors: Dieter Götsch; Roman Karmazin; Richard Matz; Ruth Männer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht. Es wird offenbart, wie eine dielektrische Abdeckung, die entweder aus dem Material des Schaltungsträgers oder aus einem mit dem Material des Schaltungsträgers kompatiblen dielektrischen Material beschaffen ist, die Miniaturisierung von Baugruppen durch Einbettung derartiger passiver Bauteile in die Leiterplatte und Bereitstellung der gewonnenen Oberfläche für die Bestückung mit weiteren Bauteilen vorteilhaft beeinflussen kann. Dazu wird die Abdeckung auf die magnetischen Keramiklagen laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen und magnetischen Leiterplattenteile durch Abstand haltende Opfermaterialien mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist.The invention relates to multi-layer inductive components that can be embedded, for example, in low temperature cofired ceramics / LTCC (ceramics sintered at low temperature) or copper-clad, organic circuit boards, as well as a film body that enables the embedded components to be produced by co-firing. It is disclosed how a dielectric cover, which is made either from the material of the circuit carrier or from a dielectric material compatible with the material of the circuit carrier, enables the miniaturization of assemblies by embedding such passive components in the circuit board and providing the surface obtained for assembly can have an advantageous effect with other components. For this purpose, the cover is laminated onto the magnetic ceramic layers. In the case of monolithic ceramic construction, the multilayer dielectric and magnetic circuit board parts are mechanically decoupled by sacrificial materials that keep spacing apart, so that sintering in the composite is possible even with non-adapted materials.

Description

Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive passive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht. The invention relates to multilayer inductive passive components, which can be embedded, for example, in Low Temperature Cofired Ceramics / LTCC (low-temperature sintered ceramic) or copper-clad, organic circuit boards, as well as a film body that allows the production of embedded components by co-firing.

Derartige Schaltungsträger ermöglichen auf Grund ihrer guten Leiterbahn-Qualität die Einbettung von Spulen zur Darstellung von Induktivitäten und Transformatoren, beispielsweise in leistungselektronischen Schaltungen. Zur Erzielung hoher Induktivitätswerte an einzelnen Spulen bzw. zur Erzielung guter magnetischer Kopplungen in den Transformatoren werden in der Regel zusätzliche Elemente aus magnetischer Keramik, bezeichnet als Ferrit, benötigt. Hintergrund ist die Verstärkung des Magnetfeldes und/oder dessen Ausformung. Due to their good track quality, such circuit carriers enable the embedding of coils for the purpose of displaying inductors and transformers, for example in power electronic circuits. In order to obtain high inductance values on individual coils or to achieve good magnetic couplings in the transformers, additional magnetic ceramic elements, referred to as ferrite, are generally required. Background is the amplification of the magnetic field and / or its formation.

Nachteilig ist, dass Ferrit-Elemente relativ große Flächenanteile des als Basis dienenden Schaltungsträgers belegen. Dies steht insbesondere einer Miniaturisierung entgegen. Die dadurch belegte Fläche steht dann für eine Bestückung mit SMD-Bauelementen/oberflächlich montierbaren Bauelementen nicht mehr zur Verfügung. The disadvantage is that ferrite elements occupy relatively large surface portions of the serving as a base circuit substrate. This is particularly opposed to miniaturization. The thus occupied area is then no longer available for assembly with SMD components / superficially mounted components.

Nach dem Stand der Technik werden passive Bauelemente, die beispielsweise resistive, kapazitive, induktive oder wellenlängenselektive Funktion haben, teilweise zwischen den Lagen mehrlagiger Leiterplatten eingebettet, auch als „passive Integration“ bezeichnet, so dass idealerweise eine Ausgewogenheit zwischen der Nutzung des Innenraumes durch eine solche Einbettung und der Oberflächenbestückung besteht. Insbesondere bei hohen Arbeitsfrequenzen besitzen passive Bauelemente geringe, für die Integration vorteilhafte Abmessungen. Passive Integration kann sowohl in organischen als auch in keramischen mehrlagigen Leiterplatten ausgeführt werden, die aus polymer-basierten bzw. grünkeramischen Folien aufgebaut werden. According to the state of the art, passive components which, for example, have resistive, capacitive, inductive or wavelength-selective function, are partially embedded between the layers of multilayer printed circuit boards, also referred to as "passive integration", so that ideally a balance between the use of the interior space by such Embedding and the surface assembly consists. Especially at high operating frequencies have passive components low, advantageous for integration dimensions. Passive integration can be carried out in both organic and ceramic multi-layer printed circuit boards made from polymer-based or green ceramic films.

In der Leistungselektronik sind häufig die induktiven Bauelemente wie Spulen und Transformatoren wegen der geringeren Arbeitsfrequenzen größenbestimmend.. In power electronics, inductive components such as coils and transformers often determine the size due to the lower operating frequencies.

Im Stand der Technik ist bisher kein Konzept bekannt, welches eine umfassende Lösung zur Einbettung von Ferritkernen wiedergibt. Ferritkerne werden üblicherweise relativ schmal ausgelegt, um den Flächenbedarf zu reduzieren. Andererseits muss der für den Fluss erforderliche Querschnitt bei schmaler Auslegung der Ferritkerne durch entsprechende Bauhöhe erzielt werden. Auf dem Markt sind unterschiedlichste Formen und Größen von Ferritkernen erhältlich. In the prior art, no concept is yet known which represents a comprehensive solution for embedding ferrite cores. Ferrite cores are usually designed to be relatively narrow in order to reduce the space requirement. On the other hand, the required cross-section for the flow must be achieved with a narrow design of the ferrite cores by appropriate height. There are many different shapes and sizes of ferrite cores available on the market.

In der Literaturstelle [1] wird beispielsweise ein mehrlagiger Transformator betrachtet, der Mn-Zn Ferrite aufweist. Es werden die elektrischen Merkmale beschrieben und zwei Typen von Transformatoren verglichen, welche zum Einen eine konventionelle Windungsstruktur und zum Anderen eine neue Windungsstruktur aufweisen, wobei primärer- und sekundärer Leiter alternierend nicht lediglich in der vertikalen Richtung, sondern ebenso in der horizontalen Richtung positioniert sind. Durch derartige Varianten können die Kopplungskoeffizienten optimiert werden. Reference [1], for example, considers a multilayer transformer comprising Mn-Zn ferrites. The electrical features are described and compared to two types of transformers, which have a conventional winding structure on the one hand and a new winding structure on the other hand, with primary and secondary conductors being positioned alternately not only in the vertical direction but also in the horizontal direction. By such variants, the coupling coefficients can be optimized.

Weiterhin ist aus der Literaturstelle [2] ein planarer Transformator zur Integration in Leiterplatten bekannt. Ein entsprechender Wandler kann eine Vielzahl von Verbrauchern versorgen. Die planare Vorrichtung besteht aus Spiralwindungen in integrierten Schaltungen und Ferritpolymerplatten, beispielsweise mit magnetischem Kern. Furthermore, from the reference [2] a planar transformer for integration in printed circuit boards is known. A corresponding converter can supply a large number of consumers. The planar device consists of spiral windings in integrated circuits and ferrite polymer plates, for example with a magnetic core.

Beide oben genannte Literaturstellen geben keine Auskunft zur optimalen Ausnutzung hinsichtlich der Bestückung einer Platine oder eines Schaltungsträgers mit SMD-Bauelementen. Both references mentioned above give no information on the optimal utilization with regard to the placement of a circuit board or a circuit carrier with SMD components.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauform und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für Bauelemente mit Ferritplatten wie planare Induktivitäten und Transformatoren derart anzugeben, dass sich bei ihrer Integration in mehrlagige Schaltungsträger zumindest ein Teil der mit dem Bauelement belegten Fläche wie ein konventioneller Schaltungsträger oberflächlich weiter bestücken lässt. The invention has for its object to provide a design and a corresponding manufacturing method for components with ferrite plates such as planar inductors and transformers such that at least a part of the area occupied by the device such as a conventional circuit carrier can superfill on their integration into multi-layer circuit board ,

Die Lösung dieser Aufgabe wird wiedergegeben durch die jeweilige Merkmalskombination eines Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen, den Figuren und der Beschreibung entnommen werden. The solution to this problem is represented by the respective feature combination of a main claim. Advantageous embodiments can be taken from the subclaims, the figures and the description.

Transformatoren in Leiterplatten einzubetten bedeutet, die Spulenwicklungen und den Ferritkern einzubetten. Spulenwicklungen lassen sich im Rahmen bewährter Technologie, beispielsweise Siebdruck leitfähiger Pasten oder Kupferkaschierung, darstellen. Die technologische Entwicklung ist deshalb auf die Miniaturisierung und auf Einbettungstechnologien des Ferritkerns ausgerichtet. Die erforderliche Ferritkerngröße wächst proportional zur Leistung des Transformators und zur effektiven Permeabilität des Kerns; sie nimmt reziprok zur Betriebsfrequenz und zum Quadrat der zulässigen magnetischen Flussdichte ab. Eine geringere Permeabilität senkt allerdings die magnetische Kopplung zwischen der primären und der sekundären Wicklung und erhöht die Minimalfrequenz des Transformators. Die erfindungsgemäße Bauform stellt ein Optimum dar aus erhöhter Betriebsfrequenz, einem auf Ferritplatten mit Luftspalt reduzierten Ferritkern geringer effektiver Permeabilität und einer aus der Formvereinfachung folgenden Prozessierbarkeit vor allem im Rahmen mehrlagiger LTCC-Technologie. To embed transformers in printed circuit boards means to embed the coil windings and the ferrite core. Coil windings can be designed using proven technology, such as screen printing conductive pastes or copper lamination. The technological development is therefore focused on the miniaturization and embedding technologies of the ferrite core. The required ferrite core size increases in proportion to the power of the transformer and to the effective permeability of the core; it decreases reciprocally to the operating frequency and square of the permissible magnetic flux density. Lower permeability, however, lowers the magnetic coupling between the primary and secondary windings and increases the minimum frequency of the transformer. The The design according to the invention represents an optimum from increased operating frequency, a ferrite core with low effective permeability reduced on ferrite plates with an air gap and a processability resulting from the shape simplification, especially in the context of multilayer LTCC technology.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es auf Grund elektromagnetischer Randbedingungen möglich ist, magnetische Feldlinien, die in einer leiterplatten-integrierten Spule innen zunächst senkrecht zur Leiterplattenoberfläche verlaufen, durch beidseitig aufgelegtes, magnetisch permeables Material in einen horizontalen Verlauf parallel zur Leiterplattenoberfläche zu zwingen. Umgekehrt wird dadurch ein weitgehend senkrechter Verlauf der Feldlinien innerhalb der Leiterplatte stabilisiert und eine magnetische Kopplung zwischen zwei integrierten Wicklungen bis zu technisch relevanten Dicken der Leiterplatte gesichert. Dies ermöglicht die Realisierung eines integrierten Transformators. The invention is based on the finding that it is possible due to electromagnetic boundary conditions, magnetic field lines in a printed circuit board integrated coil inside initially perpendicular to the circuit board surface to force through both sides launched, magnetically permeable material in a horizontal course parallel to the circuit board surface. Conversely, this stabilizes a largely vertical course of the field lines within the printed circuit board and ensures a magnetic coupling between two integrated windings up to technically relevant thicknesses of the printed circuit board. This allows the realization of an integrated transformer.

Die dafür maßgebliche Randbedingung, dass die senkrechte Normal-Komponente der magnetischen Flussdichte B und die parallele Tangential-Komponente des Magnetfeldes H an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum (Material 1) und Ferrit (Material 2), stetig, also zu beiden Seiten der Grenzfläche gleich groß sein muss, wurde bei der hier offenbarten Erfindung genutzt. Sie liefert die Grundlage der vorgeschlagenen Größenreduktion des Transformators. Aus B_1n = B_2n

folgt für den Winkel θ der magnetischen Flussdichte relativ zur Flächennormalen in beiden Medien

The relevant boundary condition that the normal normal component of the magnetic flux density B and the parallel tangential component of the magnetic field H at the interface between the dielectric (material 1) and ferrite (material 2), continuous, ie the same size on both sides of the interface must have been used in the invention disclosed herein. It provides the basis of the proposed size reduction of the transformer. Out

B _1n = B _2n

follows for the angle θ of the magnetic flux density relative to the surface normal in both media

Dieses, der Lichtbrechung ähnliche, „Brechungsgesetz“ für die magnetische Flussdichte beschreibt, dass diese beim Übergang vom Dielektrikum in den Ferrit bei hoher relativer Permeabilität um fast 90° gebrochen wird. Die Folge sind ein praktisch vertikal verlaufendes Magnetfeld in der Mitte des Transformators und ein konzentriertes horizontales Feld in den magnetischen Schichten auf der Oberfläche der dielektrischen Leiterplatte. Der vertikale Verlauf führt zu vorteilhafter magnetischer Verkopplung der Primär- und Sekundärwicklung, während die horizontale Kompression dünne, LTCC-kompatible Ferritschichten ermöglicht. This "refraction law" for the magnetic flux density, which is similar to the refraction of light, describes that it is refracted by almost 90 ° at the transition from the dielectric into the ferrite at high relative permeability. The result is a substantially vertical magnetic field in the center of the transformer and a concentrated horizontal field in the magnetic layers on the surface of the dielectric board. The vertical profile leads to favorable magnetic coupling of the primary and secondary windings, while the horizontal compression enables thin, LTCC-compatible ferrite layers.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die gemäß der DE 10 2008 031 148.0 offenbarte Lösung zum Co-Firing, also dem gemeinsamen Brennen der magnetischen und der dielektrischen Keramik, eingesetzt. Dabei werden beim Co-Firing fehlangepasster Materialien diese mit Hilfe zwischenliegender, so genannter Sintersperrschichten, mechanisch entkoppelt. Es entsteht somit ein durchgängig LTCC-tauglicher Fertigungsprozess für eingebettete Leistungstransformatoren, der sich der üblichen Folientechnologie bedient. According to an advantageous embodiment, the according to the DE 10 2008 031 148.0 disclosed solution for co-firing, so the common burning of the magnetic and dielectric ceramic used. In the co-firing of mismatched materials, these are mechanically decoupled with the help of intermediate, so-called sintered barrier layers. The result is a consistently LTCC-compatible manufacturing process for embedded power transformers, which uses the usual film technology.

Die Vorteile sind:

• sehr flache Bauform,
• Platz sparende Einbettung in den Schaltungsträger,
• ins Herstellungsverfahren integrierte Überdeckung der Ferritschichten mit isolierenden dielektrischen Lagen (Verfahren vergleichbar mit DE 10 2008 031 148.0 ) dadurch bestückbar mit oberflächenmontierbaren Bauteilen.

The advantages are:

• very flat design,
• Space-saving embedding in the circuit board,
Coating of the ferrite layers with insulating dielectric layers integrated in the manufacturing process (process comparable to DE 10 2008 031 148.0 ) can be equipped with surface mount components.

Die Abdeckung der Ferritlagen kann beispielsweise als Fortsetzung des innen liegenden dielektrischen Lagenaufbaus der Leiterplatte in Form einer oder mehrerer Folienlagenausgestaltet sein. The cover of the ferrite layers can be designed, for example, as a continuation of the inner dielectric layer structure of the printed circuit board in the form of one or more foil layers.

Bevorzugt ist die Abdeckung mit dem Material des Schaltungsträgers kompatibel, insbesondere ist die Abdeckung aus dem gleichen Material wie der Schaltungsträger. Preferably, the cover is compatible with the material of the circuit carrier, in particular, the cover of the same material as the circuit carrier.

Zur Vermeidung von thermisch induzierten Spannungen, die wegen der ungleichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien auftreten können, werden die magnetischen Ferritplatten vor dem Einlaminieren in den Folienverbund auf beiden Oberflächen mit einem beim Sinterprozess ausbrennbaren Opfermaterial beschichtet, beispielsweise durch Roll- oder Drucktechnik. Das Opfermaterial kann außer den ausbrennbaren organischen Bestandteilen auch hoch sinternde Pulver, beispielsweise Aluminiumoxid, enthalten, das nach dem Binderausbrand während der Sinterung eine lose Pulverschicht bildet, die einen festen Verbund zwischen den magnetischen und dielektrischen Keramikschichten verhindert. Die beiden keramischen Werkstoffe können dadurch frei von mechanischen Spannungen gesintert werden, ohne ihre Position zu ändern. In order to avoid thermally induced stresses which may occur due to the unequal expansion coefficients of the materials, the magnetic ferrite plates are coated on both surfaces with a sacrificial material which can be burned out during the sintering process, for example by rolling or printing technology, before being laminated into the film composite. The sacrificial material may contain, in addition to the burnable organic constituents, highly sintering powders, for example alumina, which form a loose powder layer after binder burn-out during sintering, which prevents a solid bond between the magnetic and dielectric ceramic layers. The two ceramic materials can thus be sintered free of mechanical stresses without changing their position.

Beispielsweise können als Material für den dielektrischen Schaltungsträger neben grünkeramischen Laminaten wie LTCC und HTCC, die anschließend zu sintern sind, übliche polymerbasierte Laminate aus Epoxid oder Teflon verwendet werden. For example, as a material for the dielectric circuit substrate, in addition to green ceramic laminates such as LTCC and HTCC, which are then to be sintered, conventional polymer-based laminates of epoxy or Teflon can be used.

Beispielsweise sind die ungesinterten magnetischen Keramikplatten durch Extrusion einer Ferritpaste oder durch Lamination gezogener Ferritfolien hergestellt. Als magnetische Keramiken eignen sich beispielsweise Werkstoffe auf der Basis von NiZn- und MnZn-Ferriten. For example, the unsintered magnetic ceramic plates are made by extruding a ferrite paste or lamination-pulled ferrite sheets. As magnetic ceramics are suitable For example, materials based on NiZn and MnZn ferrites.

Übliche oberflächenmontierte Bauelemente sind weitere passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Spulen) oder gehäuste Halbleiter-ICs. Diese können gemäß der Erfindung auf der Abdeckung montiert werden. Conventional surface mount devices are other passive devices (resistors, capacitors, coils) or packaged semiconductor ICs. These can be mounted on the cover according to the invention.

Jeder Transformator umfasst zumindest die drei folgenden Komponenten: Primärwicklung, Sekundärwicklung und magnetisierbaren Kern. Der Kern ist im einfachsten Fall ein Zylinder, auf den die Wicklungen unter Verwendung eines isolierten Drahtes mit den erforderlichen Windungszahlen für die Primär- oder Sekundärseite aufgewickelt sind. Die Magnetisierungsrichtung des Kerns lässt sich bevorzugt unter dem Einfluss der primärseitig anliegenden Wechselspannung leicht verändern, d.h. der Kern ist bevorzugt aus weichmagnetischem Werkstoff mit niedrigem Koerzitivfeld. Each transformer comprises at least the following three components: primary winding, secondary winding and magnetizable core. The core is in the simplest case a cylinder on which the windings are wound using an insulated wire having the required number of turns for the primary or secondary side. The magnetization direction of the core can preferably be slightly changed under the influence of the primary side applied AC voltage, i. the core is preferably made of soft magnetic material with a low coercive field.

Bei niedrigen Frequenzen werden i.a. Eisenlegierungen verwendet, die zur Unterdrückung von Wirbelströmen als Bleche zu mehrlagigen Formen gestapelt werden. Bei höheren Frequenzen werden magnetische Keramiken als Vollform wegen ihrer geringeren Verluste vorgezogen. Dafür eignen sich Werkstoffe auf der Basis von NiZn-und MnZn-Ferriten. Um die magnetischen Feldlinien auch außerhalb der Wicklungen kontrolliert zu schließen, wird der zylindrische Kern i.a. außerhalb der Spulenwindungen durch ein oder zwei Bögen zu einem die Windungen umfassenden Rechteck oder einer liegenden Acht geschlossen. At low frequencies i.a. Iron alloys used, which are stacked to form eddy currents as sheets to multilayer shapes. At higher frequencies, magnetic ceramics are preferred over full form because of their lower losses. For this purpose, materials based on NiZn and MnZn ferrites are suitable. In order to close the magnetic field lines also outside the windings, the cylindrical core i.a. outside the coil turns closed by one or two arches to a loop comprising the turns or a lying eight.

Der Schaltungsträger kann durch übliche Techniken, z.B. als glasfaserverstärktes Epoxid-Laminat oder keramisches Laminat (LTCC) hergestellt sein. Die Abdeckung ist im Material an den Schaltungsträger angepasst und als Teil desselben anzusehen. The circuit carrier may be formed by conventional techniques, e.g. as a glass fiber reinforced epoxy laminate or ceramic laminate (LTCC). The cover is adapted in the material to the circuit board and considered as part of the same.

Bei der Ausführungsform mit einem mehrlagigen Schaltungsträger aus organischem Material wird ebenfalls eine Schutzschicht aus demselben Material eingesetzt. Dabei entfällt dann das Co-Firing. Die magnetischen Keramikschichten, also beispielsweise die Ferritplatten, werden vorab separat gesintert und beim Herstellen des Bauelements in das Laminat eingebaut. Die Sintertemperatur der magnetischen Keramikplatten kann in diesem Fall unabhängig von Einschränkungen gewählt werden, die bei der vollkeramischen Bauform aus dem Co-Firing-Prozess resultieren können. Zusammen mit dem Co-Firing entfällt in dieser Aufbauform auch das Opfermaterial 4 aus 4. In the embodiment with a multilayer circuit substrate made of organic material, a protective layer of the same material is also used. This eliminates the co-firing. The magnetic ceramic layers, for example the ferrite plates, are previously sintered separately and installed in the laminate during manufacture of the component. The sintering temperature of the magnetic ceramic plates in this case can be selected independently of the limitations that can result from the co-firing process in the all-ceramic design. Together with the co-firing eliminates the sacrificial material in this structure 4 out 4 ,

Die bekannten und häufig eingesetzten Strukturen derartiger Bauelemente, vorzugsweise mit Ferritanteilen, sind in den 1 und 2 dargestellt. The known and frequently used structures of such devices, preferably with ferrite, are in the 1 and 2 shown.

Mittels einer Kernstruktur entsprechend 1 lassen sich hohe Induktivitäten erzielen. Dabei erstreckt sich der magnetische Fluss entlang der gemeinsamen Achse von Primär- und Sekundärspule eines Transformators und wird durch das Ferritmaterial verstärkt. Drei Öffnungen in dem mehrlagigen Schaltungsträger dienen der Aufnahme eines Ferritkerns, der so gestaltet ist, dass sich der eingeschlossene magnetische Gesamtfluss aus dem mittleren Teil des Kerns oberhalb und unterhalb der Platine durch zwei seitwärts/waagerecht verlaufende Schenkel und zwei äußere vertikale Ferritsäulen schließen kann. Auf diese Weise entsteht ein Ferrit-Element in Form einer Acht, welches beim Aufsetzen auf die Platine aus einem E-förmigen 3‘‘ und einem I-förmigen Teil 3‘ zusammengesetzt ist und mit Klammern (in 1 nicht gezeigt) zusammengehalten wird. By means of a core structure accordingly 1 high inductances can be achieved. In this case, the magnetic flux extends along the common axis of the primary and secondary coil of a transformer and is amplified by the ferrite material. Three apertures in the multilayer circuit carrier serve to receive a ferrite core configured to allow the trapped total magnetic flux to close out of the central portion of the core above and below the circuit board through two sideways / horizontal legs and two outer vertical ferrite columns. In this way, a ferrite element in the form of an eight, which when placed on the board of an E-shaped 3 '' and an I-shaped part 3 ' is composed and with brackets (in 1 not shown).

Zur Nachbildung von Ferritkernen nach 1 stehen im Rahmen der LTCC-Technologie zwar Ferritpasten zur Verfügung, mit deren Hilfe vertikale magnetische Durchkontaktierungen herstellbar wären. Diese Technik besitzt jedoch hinsichtlich der sintertechnischen Entkopplung der dielektrischen und magnetischen Werkstoffe und der möglichen magnetischen Querschnittsflächen ihre Grenzen. Sie stellt kein praktikables Verfahren für die Integration von Leistungstransformatoren in keramische Leiterplatten dar. For the reproduction of ferrite cores 1 Although ferrite pastes are available as part of the LTCC technology, they could be used to produce vertical magnetic vias. However, this technique has its limitations in terms of the sintering decoupling of the dielectric and magnetic materials and the possible magnetic cross-sectional areas. It is not a practical method for the integration of power transformers in ceramic circuit boards.

Eine einfachere Struktur ist in 2 gezeigt. Diese Figur zeigt eine Anordnung, bestehend aus zwei Windungen 2 in einer Leiterplatte 1 eingebettet, die von zwei Ferritplatten 3 zusammengehalten werden. Ein dielektrischer Schaltungsträger 4 entsprechend 2 ergibt sich, wenn die vertikalen, den Schaltungsträger durchdringenden, Ferritsegmente 3‘ und 3‘‘ entfallen. Dies führt zwar zu einer Verminderung der Induktivitäten entsprechend der Ausführung eines Transformators nach 1 und führt zu eingeschränkter Leistung im unteren Frequenzbereich, lässt sich jedoch einfacher herstellen. Insbesondere ist diese Bauform kompatibel mit den Laminiertechnologien bei der Leiterplattenherstellung. Des Weiteren unterstützt die durch den Luftspalt zwischen beiden Ferritplatten reduzierte effektive Permeabilität die Verkleinerung des Bauelementes, da ein erheblicher Anteil der zu übertragenden Leistung im Luftspalt gespeichert werden kann. A simpler structure is in 2 shown. This figure shows an arrangement consisting of two turns 2 in a circuit board 1 embedded by two ferrite plates 3 held together. A dielectric circuit carrier 4 corresponding 2 results when the vertical, the circuit carrier penetrating ferrite segments 3 ' and 3 '' omitted. Although this leads to a reduction in the inductance according to the design of a transformer 1 and results in limited lower-frequency performance but is easier to manufacture. In particular, this design is compatible with the laminating technologies in printed circuit board production. Furthermore, the effective permeability reduced by the air gap between the two ferrite plates helps to reduce the size of the component, since a considerable proportion of the power to be transmitted can be stored in the air gap.

Ausgehend von der Transformatorstruktur gemäß 2 erfolgt ein wesentlicher Schritt zur Miniaturisierung durch den Gegenstand der DE 10 2009 010 874 , deren Inhalt Teil der vorliegenden Beschreibung ist, wobei Ferritplatten als niedrig sinterndes Multilayer im Verbund mit einer dielektrischen keramischen Abdeckung und integrierten Leiterbahnen gesintert werden. Die Abdeckung kann dann konventionell mit Bauelementen bestückt werden, so dass der Flächenbedarf des darunter liegenden Transformators für die Größe der gesamten Baugruppe unerheblich ist. Starting from the transformer structure according to 2 an essential step for miniaturization takes place through the object of DE 10 2009 010 874 , the content of which is part of the present description, wherein ferrite plates as a low-sintering multilayer in combination with a dielectric ceramic cover and integrated Conductor tracks are sintered. The cover can then be conventionally populated with components, so that the space requirement of the underlying transformer for the size of the entire assembly is irrelevant.

Im Folgenden wird beispielhaft eine Bauelement-Struktur mit dielektrischen und ferritischen Lagen angegeben. In the following, a component structure with dielectric and ferritic layers is given by way of example.

Die in 3 gezeigte Graphik stellt die Amplitudenpermeabilität von niedrig sinternden MnZn-Ferritfolien bei 2,5 MHz als Funktion der magnetischen Flussdichte mit Sättigungseffekten bei 40 mT dar. In the 3 The graph shown illustrates the amplitude permeability of low-sintering MnZn ferrite films at 2.5 MHz as a function of magnetic flux density with saturation effects at 40 mT.

Als Beispiel wird ein Transformator mit Innendurchmesser der Windungen von 2r = 6 mm betrachtet, der mit N₂ = 16 Sekundärwicklungen bei 2,5 MHz die Leistung P = 100 W an eine Last von R = 25 Ω überträgt. Die Amplitude der Spannung am Lastwiderstand ist demnach V = √ 2RP und die magnetische Flussamplitude nach dem Induktionsgesetz Φ = V/ωN₂ = √ 2RP /ωN₂ = 4 × 10^–8 Wb. As an example, consider a transformer with an inner diameter of the turns of 2r = 6 mm which, with N ₂ = 16 secondary windings at 2.5 MHz, transmits the power P = 100 W to a load of R = 25 Ω. The amplitude of the voltage at the load resistor is thus V = √ 2RP and the magnetic flux amplitude according to the law of induction Φ = V / ωN ₂ = √ 2RP / ωN ₂ = 4 × 10 ^-8 Wb.

Die Ferritschichten sind bevorzugt in ihren Dicken so bemessen, dass die magnetische Flussdichte die Sättigungsgrenze nicht überschreitet. Diese beträgt, wie in 3 gezeigt, für MnZn-Ferritfolien Bmax = 40mT bei 2,5 MHz. An der Stelle höchster Flussdichte, d.h. auf dem inneren Umfang der Wicklungen muss deshalb die Ferritschicht dicker sein als

The ferrite layers are preferably dimensioned in their thicknesses so that the magnetic flux density does not exceed the saturation limit. This is as in 3 for MnZn ferrite films Bmax = 40mT at 2.5 MHz. At the point of highest flux density, ie on the inner circumference of the windings, therefore, the ferrite layer must be thicker than

Selbst wenn aus Gründen der Minimierung der Ferritverluste eine drei- bis vierfache Dicke für die Ferritplatten gewählt wird, ermöglicht eine solch geringe Schichtdicke eine sehr flache Bauweise und gute Integration in den LTCC-Fertigungsprozess. Even if a three to fourfold thickness is selected for the ferrite plates for the purpose of minimizing the ferrite loss, such a small layer thickness allows a very flat construction and good integration into the LTCC manufacturing process.

4 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Bauelement-Struktur. 4 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of the device structure.

Zu erkennen ist ein integrierter Planartransformator 10, der sich wie folgt von dem in 2 gezeigten ableiten lässt. Zu erkennen ist die – beispielsweise mehrlagige – Leiterplatte 1, in der die primäre und die sekundäre Transformator-Wicklung 2 eingebettet sind. Die Leiterplatte 1 umfasst beispielsweise die üblichen, laminierten keramischen Lagen mit niedriger Sintertemperatur, die über einen LTCC-Prozess herstellbar sind, so dass die Leiterbahnen durch Siebdruck von Silberpaste erzeugt werden können. An integrated planar transformer can be seen 10 which follows as follows from the in 2 can be derived. Evident is the - for example multilayer - PCB 1 in which the primary and the secondary transformer winding 2 are embedded. The circuit board 1 includes, for example, the conventional, low sintering temperature laminated ceramic layers which can be produced via an LTCC process, so that the printed conductors can be produced by screen printing of silver paste.

Auf zumindest einer Seite der Leiterplatte 1, idealerweise zu beiden Seiten, befindet sich eine magnetische Keramiklage 3, vorzugsweise eine Ferritplatte, die aus einer einzelnen oder aus mehreren Materiallagen bestehen kann. Diese wird durch dielektrische, hier als „Abdeckung“ bezeichnete, Lagen 5 überdeckt, die durch den Sinterprozess außerhalb der Ferritplatten eine monolithische Einheit mit der Leiterplatte 1 bildet und sowohl dort wie auch oberhalb der Ferritplatten mit Einzelbauelementen bestückt werden kann. Vor dem Einlaminieren der Ferritplatten werden diese mit einer organischen, ausbrennbaren Paste 4, dem so genannten Opfermaterial beschichtet, die nach dem Ausbrand zu einem ungefüllten Hohlraum während des Sinterns führen. Dadurch sind Ferrit und Dielektrikum mechanisch entkoppelt und die Notwendigkeit einer sintertechnischen Materialanpassung entfällt, so dass das Ferritmaterial nach anwendungsspezifischen Gesichtspunkten ausgewählt werden kann. Das Opfermaterial 4 kann zusätzlich mit hoch sinterndem Pulver gefüllt sein, das zusätzlich als inerte bewegliche Abstandsschicht fungiert. Vorteilhafterweise liegt die Sintertemperatur des Pulvers mindestens 200°C über der Sintertemperatur der magnetischen und/oder der dielektrischen Keramik. On at least one side of the circuit board 1 , ideally on both sides, is a magnetic ceramic layer 3 , Preferably a ferrite plate, which may consist of a single or multiple layers of material. This is dictated by dielectric layers, referred to herein as "covers." 5 covered by the sintering process outside the ferrite plates a monolithic unit with the circuit board 1 forms and can be equipped there as well as above the ferrite plates with individual components. Before lamination of the ferrite plates, they are treated with an organic, burn-out paste 4 , the so-called sacrificial material coated, which lead to an unfilled cavity after sintering during the sintering. This ferrite and dielectric are mechanically decoupled and eliminates the need for a sintering material adjustment, so that the ferrite material can be selected according to application-specific aspects. The sacrificial material 4 may additionally be filled with highly sintering powder, which additionally acts as an inert mobile spacer layer. Advantageously, the sintering temperature of the powder is at least 200 ° C above the sintering temperature of the magnetic and / or the dielectric ceramic.

Bevorzugt ist das Material der Abdeckung 5 mit dem Material des Schaltungsträgers 1 identisch oder kompatibel und umfasst zumindest eine dielektrische Folie 5, die die Ferritfolie 3 in Position hält. Die Abdeckung 5 kann einseitig oder beidseitig an der Leiterplatte 1 angeordnet sein, abhängig davon ob ein oder beidseitig eine magnetische keramische Lage, wie eine Ferritplatte 3 angebracht ist. Die Abdeckung 5 kann – ebenso wie die Leiterplatte 1 jeweils einzelne oder mehrere Folien und/oder Lagen umfassen. Die Lagen können jeweils aus gleichem oder aus zueinander kompatiblem Material sein. Die einzelnen Schichten sind beispielsweise mit Durchkontaktierungen ausgestattet und /oder mit Metallisierung, insbesondere bevorzugt mit planarer Metallisierung, beschichtet. The material of the cover is preferred 5 with the material of the circuit board 1 identical or compatible and comprises at least one dielectric film 5 containing the ferrite foil 3 holds in position. The cover 5 Can be single-sided or double-sided on the circuit board 1 be arranged, depending on whether one or both sides of a magnetic ceramic layer, such as a ferrite plate 3 is appropriate. The cover 5 can - as well as the circuit board 1 each comprise one or more films and / or layers. The layers can each be made of the same or mutually compatible material. The individual layers are, for example, provided with plated-through holes and / or coated with metallization, particularly preferably with planar metallization.

Der gesamte Schichtaufbau wird zur Herstellung des fertigen Bauelements gebrannt und zu einer festen Keramik gesintert. Dabei bilden die Pasten 4, die ein keramisch gefülltes Verbundmaterial darstellen können, nach Binderausbrand beim Sintern einen Hohlraum oder eine lose Pulverschicht 4 zwischen den Keramiken 3 und 5, die dadurch keinen festen mechanischen Verbund und folglich keine Spannungsrisse entwickeln können. The entire layer structure is fired to produce the finished device and sintered to a solid ceramic. This form the pastes 4 which may be a ceramic-filled composite material after binder burn-out during sintering, a cavity or a loose powder layer 4 between the ceramics 3 and 5 which therefore can not develop a firm mechanical bond and consequently no stress cracks.

Beispielsweise werden die dielektrischen und magnetischen Schichten 3 und 5 aus niedrig sinternder Keramik hergestellt und im LTCC-Verfahren gemeinsam gebrannt. Die Sintertrennschicht 4 ist bevorzugt aus einem Material, dessen Binder während der Sinterung der magnetischen und /oder dielektrischen keramischen LTCC-Schichten ausbrennt. For example, the dielectric and magnetic layers become 3 and 5 made of low-sintering ceramic and fired together in the LTCC process. The sintering layer 4 is preferably made of a material whose binder burns out during the sintering of the magnetic and / or dielectric ceramic LTCC layers.

Als Binder eignen sich beispielsweise 300 bis 500 °C zersetzbare Binder wie Polyimid, Acrylat, unterschiedliche Kohlenstoff-Formen oder Zellulose, beispielsweise in Form von Suitable binders are, for example, 300 to 500 ° C decomposable binder such as polyimide, acrylate, different carbon forms or cellulose, for example in the form of

Papier. Die aus der Paste 4 entstehende Sintertrennschicht 4 wirkt im fertigen Bauteil als Sintersperre. Paper. The resulting from the paste 4 sintered separating layer 4 acts in the finished component as a sintered barrier.

Als „monolithisch sinterbar“ wird vorliegend ein Bauelement aus mehreren Keramiklagen bezeichnet, das im Gegensatz zu einem Bauelement aus getrennt sinterbaren und verklebten Keramiklagen weder verlötet noch verklebt ist. An den Grenzflächen der einzelnen Keramiklagen ist diese Herstellungsweise auch nachweisbar. In the present case, a component made of a plurality of ceramic layers is referred to as "monolithically sinterable" which, in contrast to a component made of separately sinterable and bonded ceramic layers, is neither soldered nor adhesively bonded. At the interfaces of the individual ceramic layers, this production method is also detectable.

Bei monolithischer Sinterung werden die Lagen eines Folienkörpers zusammen gebrannt und miteinander versintert. Diese Keramiklagen sind im Bauelement weder verlötet noch verklebt. In monolithic sintering, the layers of a film body are fired together and sintered together. These ceramic layers are neither soldered nor glued in the component.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform zeigt die Abdeckung 5 Öffnungen, beispielsweise mit einem Durchmesser von jeweils 100 bis 200 µm, so dass die flüchtigen Zersetzungsprodukte des Binders entweichen können. In a preferred embodiment, the cover is shown 5 Openings, for example, with a diameter of 100 to 200 .mu.m, so that the volatile decomposition products of the binder can escape.

Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals gezeigt, wie sich dielektrische und magnetische niedrig sinterbare (LTCC) Keramiklagen im Verbund sintern lassen, so dass sich induktive Bauteile, wie Spulen und Transformatoren, im Rahmen gewöhnlicher Leiterplattentechnologie Platz sparend einbetten lassen. Dazu werden die für solche Bauelemente erforderlichen Ferritteile in Plattenform ausgeführt, mit einem Opfermaterial beschichtet und vor dem Sintern beidseitig der Spulenwindungen in die Leiterplatte einlaminiert. Dadurch ist eine Oberflächenbestückung der Leiterplatte auch im Bereich des eingebetteten Bauelementes möglich, dessen Flächenbedarf nun für die Größe der Baugruppe unkritisch ist. The present invention shows for the first time how dielectric and magnetic low sinterable (LTCC) ceramic layers can be sintered in a composite, so that inductive components, such as coils and transformers, can be embedded in a space-saving manner in the context of conventional printed circuit board technology. For this purpose, the necessary for such components ferrite parts are made in sheet form, coated with a sacrificial material and laminated on both sides of the coil turns in the circuit board before sintering. As a result, a surface assembly of the circuit board in the area of the embedded component is possible, the space requirement is now uncritical for the size of the module.

Die Erfindung gibt Bauelementformen und Herstellungsverfahren an, die die passive Integration von Spulen und Transformatoren beispielsweise für bis zu einigen 100W Leistung und 100kHz bis 10MHz Betriebsfrequenz ermöglichen. The invention provides component forms and manufacturing methods that enable passive integration of coils and transformers, for example, for up to a few 100W of power and 100kHz to 10MHz operating frequency.

Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht. The invention relates to multilayer inductive components that can be embedded, for example, in Low Temperature Cofired Ceramics / LTCC (low-temperature sintered ceramic) or copper-clad, organic circuit boards, as well as a film body that allows the production of embedded components by co-firing.

Es wird offenbart, wie eine dielektrische Abdeckung, die entweder aus dem Material des Schaltungsträgers oder aus einem mit dem Material des Schaltungsträgers kompatiblen dielektrischen Material beschaffen ist, die Miniaturisierung von Baugruppen durch Einbettung derartiger passiver Bauteile in die Leiterplatte und Bereitstellung der gewonnenen Oberfläche für die Bestückung mit weiteren Bauteilen vorteilhaft beeinflussen kann. Dazu wird die Abdeckung auf die magnetischen Keramiklagen laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen und magnetischen Leiterplattenteile durch Abstand haltende Opfermaterialien mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist. It is disclosed how to provide a dielectric cover made of either the material of the circuit substrate or a dielectric material compatible with the material of the circuit substrate, the miniaturization of assemblies by embedding such passive components in the circuit board and providing the surface for the assembly can influence advantageously with other components. For this purpose, the cover is laminated to the magnetic ceramic layers. In monolithic ceramic construction, the multilayer dielectric and magnetic circuit board parts are mechanically decoupled by sacrificial materials that keep their distance, so that sintering in combination is possible even with unmatched materials.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008031148 [0016, 0017]
DE 102009010874 [0032]

Claims

Multilayer inductive passive component in the composite of dielectric and magnetic ceramic layers, which is monolithically sinterable and comprises the following elements: at least one dielectric single or multilayer printed circuit board ( 1 ) with at least one integrated planar coil winding ( 2 ) and at least one magnetic ceramic plate ( 3 ), characterized in that the magnetic ceramic plate ( 3 ) through a cover ( 5 ), which is part of the circuit board, fixed and made available for surface assembly.

Component according to claim 1, wherein the cover ( 5 ) is made of ceramic material.

Component according to claim 2, wherein between the magnetic ceramic plate ( 3 ) and the cover ( 5 ) a sintered barrier layer ( 4 ) is provided.

Component according to claim 1, wherein the printed circuit board ( 1 ) and / or the cover ( 5 ) are made of organic material.

Component according to one of the preceding claims, wherein on both sides of the circuit board ( 1 ) magnetic ceramic plates ( 3 ) are arranged.

Component according to claim 5, wherein on both sides of the printed circuit board ( 1 ) a cover ( 5 ) over the magnetic ceramic plate ( 3 ) is attached.

Component according to one of the preceding claims, wherein the cover ( 5 ) with the printed circuit board ( 1 ) defines a cavity in which at least one magnetic ceramic plate ( 3 ) is arranged.

Component according to one of the preceding claims 2, 3 or 5 to 7, wherein at least one cover ( 5 ) has at least one opening through which organic decomposition products can escape during the sintering process.

The device of claim 8, wherein the opening in the cover has a diameter in the range of 100 to 200 μm.

Film body for producing a component according to one of claims 1 to 9, showing the following layer structure: a printed circuit board ( 1 ) with embedded transformer windings ( 2 ) and at least one side applied magnetic ceramic plate ( 3 ), wherein between the printed circuit board ( 1 ) and the ceramic plate ( 3 ) a paste ( 4 ) is provided as a spacer, the magnetic ceramic plate ( 3 ) through a cover ( 5 ) connected to the printed circuit board ( 1 ) Defines a cavity, held in position and made available for surface mounting and / or between the magnetic ceramic plate ( 3 ) and the cover ( 5 ) a gap-holding paste ( 4 ) is provided.

A film body according to claim 10, wherein the spacing paste ( 4 ) contains at least one inorganic powder in addition to volatile and combustible organic fractions, which remains inert due to its high sintering temperature during the sintering of the circuit substrate and degrades mechanical stresses.