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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Keramikpulverkörper. Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, das mit einem solchen Verfahren hergestellt wurde. Die Erfindung ist besonders bevorzugt anwendbar auf eine Herstellung von Schaltungen für Maschinensteuerungen und Sensoriken.
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In elektrischen Schaltungen werden Wechselstromwiderstände durch induktive Bauelemente wie z.B. Spulen und Transformatoren dargestellt. Bei solchen Bauelementen sind Leitungen von meist erheblicher Länge, ggfs. einige Meter, zu Spiral- und Helix-Windungen um einen Kern gewickelt. Als charakteristisches Merkmal eines solchen Bauelementes setzt eine Spule der Induktivität L durch die magnetische Verkopplung ihrer Windungen einem Wechselstrom einen idealerweise linear mit der Frequenz f zunehmenden Widerstand 2πfL entgegen. Ein unerwünschter Nebeneffekt der Leitungslänge ist jedoch der Gleichstromwiderstand R. Als Güte Q = 2πfL/R einer Spule wird deshalb das Verhältnis ihres Wechselstromwiderstandes zum Gleichstromwiderstand bezeichnet. Die für Leitungen geeigneten Metalle besitzen mit der Temperatur stark zunehmende spezifische Widerstände. Außerdem kann durch elektromagnetische Effekte bei höheren Frequenzen nur eine dünne oberflächennahe Schicht der Leitungen für einen Stromfluss genutzt werden. Es ist deshalb schwierig, Spulen hoher Güte für einen Einsatz bei hohen Temperaturen und hohen Frequenzen herzustellen.
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Zur Erzielung einer hohen Güte wird in der Regel die Induktivität eines Bauteils mit einer Spule durch einen magnetischen Spulenkern erhöht und der Drahtwiderstand durch Verwendung von Kupferdraht minimiert. Dabei bestimmen die spezifischen Randbedingungen der Anwendung, z.B. Baugröße, Bauform oder Betriebsfrequenz, ob ein magnetischer Kern zum Einsatz kommen kann. Kunststoffisolierte Kupferdrähte, die außen auf einen Spulenkörper gewickelt sind, widerstehen jedoch weder hohen Temperaturen noch hohen Beschleunigungskräften, wie sie in rotierenden oder vibrierenden Maschinenteilen vorkommen können. Dafür können Spulen verwendet werden, deren Leiterbahnen sich nicht außen auf einem Wickelkörper befinden, sondern umgekehrt im Inneren zwischen wärmebeständigen Keramiklagen eingebettet sind. Beispielsweise können in der LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramics"; deutsch: Niedertemperatur-Einbrand-Keramik)-Technologie durch Siebdruck von silberhaltiger Paste Spulenwindungen auf keramischen Grünfolien hergestellt werden. Mehrere solcher Grünfolien können aufeinander laminiert und im Verbund bei 900°C gesintert werden. Derartig eingebettete Leiterbahnen besitzen eine hohe mechanische Stabilität und als Folge der abgestimmten Materialeigenschaften der Silberpaste auch eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu 400 oder 500°C.
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Hierbei ist es von Nachteil, dass durch Siebdruck gebildete Spulenwindungen eine für viele Anwendungen zu geringe elektrische Leitfähigkeit bieten und eine häufig unzureichende Güte haben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines insbesondere induktiven keramikpulverbasierten Bauteils anzugeben, welches eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit und insbesondere Güte bei zugleich hoher Temperaturbeständigkeit bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines insbesondere induktiven Bauteils vorgeschlagen, wobei in mindestens einen Keramikpulverkörper mindestens ein Metallvollkörper eingelegt wird und die Anordnung aus dem mindestens einen Keramikpulverkörper und dem mindestens einen Metallvollkörper gesintert wird.
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Ein Unterschied zum konventionellen LTCC-Verfahren ist das Einlegen, worunter auch ein Einbetten zu verstehen ist, eines Metallvollkörpers oder voll-metallischen Körpers, beispielsweise in Form eines massiven Drahts oder einer nicht angepassten Leiterbahn. Durch den Einsatz eines Metallvollkörpers wird im Bauteil ein Leiter mit einem besonders geringen ohmschen Widerstand ausgebildet. Unter einem Metallvollkörpers kann insbesondere ein metallischer Körper verstanden werden, welcher eigenständig handhabbar ist und insbesondere bereits bei seiner Bereitstellung seine gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften (z.B. seinen elektrischen Widerstandwert) aufweist.
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Das Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der Güte von Bauteilen, z.B. Spulen, die bei hoher Temperatur und unter hoher mechanischer Beanspruchung betrieben werden können.
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Das Verfahren mag beispielsweise für die Herstellung von Schaltungen für eine Maschinensteuerung und Sensorik eingesetzt werden. Ein Einsatz so hergestellter Bauteile ist insbesondere im Bereich von Turbinen, Generatoren und Motoren vorteilhaft möglich, insbesondere auch in Bereichen, welche großen mechanischen Belastungen und starken Schwingungen ausgesetzt sind.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass mindestens ein Keramikpulverkörper aus zumindest zwei Lagen ausgebildet wird und der Metallvollkörper zwischen den Lagen eingelegt wird.
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Der Metallvollkörper kann so zumindest im Wesentlichen (z.B. mit Ausnahme von Bereichen zum elektrischen Anschluss) von den Lagen umgeben und zwischen diesen eingebettet. Bei einem später gesinterten Bauteil sind die im Bauteil so ausgebildeten Leiter daher ganz von keramischem Material umgeben.
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Der Metallvollkörper kann dabei gemäß einer Weiterbildung auf eine Lage aufgelegt oder in eine Lage eingelegt oder hineingedrückt werden, bevor oder während die weitere Lage darauf gelegt oder gedrückt wird.
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Eine andere Ausgestaltung ist es, dass zumindest eine der Lagen zumindest eine Ausnehmung aufweist oder in zumindest einer der Lagen zumindest eine Ausnehmung ausgebildet wird und dass der Metallvollkörper in die zumindest eine Ausnehmung eingelegt wird. Solche Ausnehmungen mögen im Wesentlichen eine Negativform zu dem Verlauf des einzulegenden Metallvollkörpers oder Abschnitts davon aufweisen. Eine solche Ausnehmung bietet vorteilhafterweise eine Führung, welche das Einlegen des insbesondere als Draht ausgebildeten Metallvollkörpers erleichtert und zugleich eine definierte Wicklungsstruktur sicherstellt.
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Insbesondere ist es eine Ausgestaltung, dass zumindest eine der Lagen aus zumindest zwei Schichten besteht. Solche Schichten können beispielsweise Folien sein, insbesondere LTCC-Grünfolien. Für den Fall, dass die Schichten (insbesondere Grünfolien) laminiert sind oder worden sind, kann die Lage auch als ein "Laminat" oder "Teil-Laminat" bezeichnet werden.
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Die zumindest eine Ausnehmung ist oder wird insbesondere in nur einem Teil der Schichten ausgebildet.
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Ein weiterer Unterschied zu einem konventionellen LTCC-Verfahren kann darin bestehen, dass der bevorzugte Lagenaufbau gemäß einer Weiterbildung sowohl vorlaminierte als auch geklebte Grenzflächen aufweisen kann. Ein Einsatz einer gemischten Laminier- und Klebetechnik ermöglicht es, mittels besonders einfacher Verfahrensschritte unterschiedlichste Bauteile je nach Bedarf mit verschiedensten Formen ausbilden zu können. Eine Klebung von Schichten aneinander oder Lagen aneinander kann beispielsweise durch Anlösen von LTCC-Grünfolien oder durch organische Kleber bzw. Klebefolien erfolgen, die z.B. bei einem folgenden Brennen oder Sintern ausbrennen können.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die zumindest eine Ausnehmung in der Lage durch Prägetechnik, durch mechanisches Fräsen oder durch Laser-Ablation ausgebildet wird. Solche Techniken ermöglichen eine Ausbildung der Ausnehmung mit einer hohen Präzision.
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Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass die zumindest eine Ausnehmung breiter ist als eine Breite des Metallvollkörpers. Insbesondere wird so zum Ausgleich einer Sinterschrumpfung und unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten die den Metallvollkörper, insbesondere Metalldraht, umgebende Ausnehmung bzw. Kavität mit größerem Querschnitt versehen.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass in einen Raum, der den Metallvollkörper in der Ausnehmung umgibt, ein Opfermaterial (z.B. Graphit) gefüllt wird. So wird eine Möglichkeit zur mechanischen Stabilisierung des Metallvollkörpers innerhalb der Ausnehmung oder Kavität bereitgestellt. Beispielsweise mag der Metallvollkörper als Draht zur mechanischen Stabilisierung innerhalb der Ausnehmung oder Kavität mit einem organischen Opfermaterial oder mit Graphit belegt sein oder davon umgeben sein, das während des Sinterns ausbrennt. Zur sintertechnischen Entkopplung und mechanischen Stabilisierung kann das Opfermaterial gemäß einer Weiterbildung inertes Keramikpulver, etwa Aluminiumoxid, enthalten, das den Draht in der Kavität dauerhaft fixiert. Das Opfermaterial mag vor oder nach dem Einlegen des Metallvollkörpers eingebracht werden. Ein solches Opfermaterial mag auch als ein „zu opferndes Stabilisierungsmaterial“ bezeichnet werden.
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Alternativ mag ein zum gleichen Zweck verwendetes Stabilisierungsmaterial verwendet werden, das nicht geopfert wird, sondern in der Ausnehmung verbleibt. Ein solches Opfermaterial mag auch als ein „remanentes Stabilisierungsmaterial“ bezeichnet werden. Das remanente mag auch ein (für die Durchführung des Verfahrens) inertes Material sein, beispielsweise Aluminiumoxid.
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Das zu opfernde oder das remanente Stabilisierungsmaterial mag z.B. in Pasten- oder Pulverform eingebracht werden.
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Das Stabilisierungsmaterial mag auch auf den Metallvollkörper aufgebracht werden, bevor dieser in mindestens einen Keramikpulverkörper eingelegt wird. Das Stabilisierungsmaterial mag dabei insbesondere als eine Ummantelung eines Drahts aufgebracht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der Metallvollkörper so eingebracht wird, dass er sich in zumindest zwei Ebenen erstreckt, die beiden Ebenen durch zumindest eine der Lagen oder Schichten voneinander beabstandet sind und ein die Ebenen verbindender Leiter oder Abschnitt des Metallvollkörpers durch die zumindest eine Lage oder Schicht hindurchgeführt wird. Die Ebenen mögen insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sein. Die Ebenen mögen insbesondere plane Ebenen sein. Insbesondere mag also ein erster Abschnitt des Metallvollkörpers eine erste Ebene bilden, ein zweiter Abschnitt des Metallvollkörpers eine zweite Ebene bilden usw.
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Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass auf oder in zumindest eine der Lagen oder zwischen mindestens zwei Lagen mindestens eine weitere Metallisierung durch Siebdruck eingebracht wird. Ein so gefertigtes Bauteil mag dadurch mindestens eine weitere konventionell eingebrachte Metallisierungen aufweisen, die z.B. für andere Funktionen der Leiterplatte benötigt werden mag, jedoch für die mittels des Metallvollkörpers herzustellende Spule insbesondere nicht oder nicht unmittelbar relevant zu sein braucht.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass ein Draht als der Metallvollkörper eingelegt wird. Das Verfahren verbindet so insbesondere eine robuste mechanische Einbettung z.B. einer Spulenwicklung innerhalb eines thermisch stabilen Keramikkörpers mit dem insbesondere geringsten erzielbaren elektrischen Widerstand eines massiven Metalldrahtes.
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Eine Ausgestaltung davon ist, dass ein Silberdraht als der Draht verwendet wird. Ein Silberdraht besitzt einen spezifischen Widerstand von 1,6 × 10–8 Ohm·m, was günstiger ist als es sich mit aus Silberpaste in LTCC-Technik hergestellten Leiterbahnen erreichen lässt, die einen typischen spezifischen Widerstand von 3 × 10–8 Ohm·m aufweisen. Folglich wird mit Silberdraht eine um ca. 50% gesteigerte Güte erreicht.
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Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass der Metallvollkörper einen Querschnitt von 100 bis 200 µm aufweist.
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Eine weitere Ausgestaltung ist es, dass mindestens eine Lage und/oder mindestens eine Schicht des Keramikpulverkörpers ungesintertes Keramikpulver aufweisen bzw. daraus bestehen, insbesondere als mindestens ein Keramikgrünkörper ausgebildet ist. Der Metallvollkörpers wird dann in einen solchen ungesinterten Keramikpulverköper eingelegt. Der Keramikgrünkörper mag insbesondere als eine oder mehrere LTCC-Grünkörperfolien ausgebildet sein oder solche aufweisen. Dem Keramikgrünkörper können Zusätze wie Binder, Sinterhilfsmittel usw. zugegeben sein.
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Auch ist es eine Ausgestaltung, dass mindestens eine Lage und/oder mindestens eine Schicht des Keramikpulverkörpers teilweise vorgesintertes Keramikpulver aufweist bzw. aus teilweise vorgesinterter Keramik (insbesondere aus oder mit teilweise vorgesintertem Keramikpulver) bestehen. Dies kann beispielsweise durch teilweises Sintern mindestens eines Keramikgrünkörpers erreicht werden. Das vorgesinterte Keramikpulver bzw. der vorgesinterte Keramikkörper sind noch nicht vollständig gesintert. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass eine Sinterschrumpfung der mindestens einen Lage und/oder der mindestens einen Schicht nach Einlegen des Metallvollkörpers verringert werden kann. Eine Verspannung im Umfeld des Metallvollkörpers infolge der Sinterschrumpfung der keramischen Lage(n) und/oder Schicht(en) kann somit durch teilweises Vorsintern der Lagen, insbesondere Teillaminate, reduziert werden, da diese dann bereits vor dem Einlegen des Drahtes erheblich geschrumpft sind.
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Ein teilweise vorgesinterter Keramikpulverkörper mag insbesondere so weit gesintert zu sein, dass er selbsttragend ist. Auch mögen die organischen Bestandteile eines zugrundeliegenden Grünkörpers wie Binder, Dispergiermittel usw. bereits ausgebrannt und damit nicht mehr vorhanden zu sein.
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Ein teilweise vorgesinterter Keramikpulverkörper mag insbesondere eine Dichte von mindestens 5%, insbesondere von mindestens 10%, insbesondere von mindestens 15%, insbesondere von mindestens 20%, insbesondere von mindestens 25%, insbesondere von mindestens 30%, insbesondere von mindestens 35%, insbesondere von mindestens 40%, insbesondere von mindestens 45%, insbesondere von mindestens 50%, insbesondere von mindestens 55%, insbesondere von mindestens 60%, insbesondere von mindestens 65%, insbesondere von mindestens 70%, im Vergleich zu einem voll durchgesinterten Körper mit einer theoretischen Dichte von 100% aufweisen.
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Ein teilweise vorgesinterter Keramikpulverkörper mag insbesondere eine Dichte von nicht mehr als 85%, insbesondere von nicht mehr als 80%, insbesondere von nicht mehr als 75%, insbesondere von nicht mehr als 70%, insbesondere von nicht mehr als 65%, insbesondere von nicht mehr als 60%, insbesondere von nicht mehr als 55%, insbesondere von nicht mehr als 50%, insbesondere von nicht mehr als 45%, insbesondere von nicht mehr als 40%, insbesondere von nicht mehr als 35%, insbesondere von nicht mehr als 30%, insbesondere von nicht mehr als 25%, insbesondere von nicht mehr als 20%, insbesondere von nicht mehr als 15%, insbesondere von nicht mehr als 10%, im Vergleich zu einem voll durchgesinterten Körper aufweisen.
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Ein teilweise vorgesinterter Keramikpulverkörper mag insbesondere bereits eine Schrumpfung von mindestens 25%, insbesondere von mindestens 30%, insbesondere von mindestens 35%, insbesondere von mindestens 40%, insbesondere von mindestens 45%, insbesondere von mindestens 50%, insbesondere von mindestens 55%, insbesondere von mindestens 60%, insbesondere von mindestens 65%, insbesondere von mindestens 70%, im Vergleich zu einem voll durchgesinterten Körper durchlaufen haben bzw. aufweisen.
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Ein teilweise vorgesinterter Keramikpulverkörper mag insbesondere bereits eine Schrumpfung von nicht mehr als 65%, insbesondere von nicht mehr als 60%, insbesondere von nicht mehr als 55%, insbesondere von nicht mehr als 50%, insbesondere von nicht mehr als 45%, insbesondere von nicht mehr als 40%, insbesondere von nicht mehr als 35%, insbesondere von nicht mehr als 30%, insbesondere von nicht mehr als 25%, im Vergleich zu einem voll durchgesinterten Körper durchlaufen haben bzw. aufweisen.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Bauteil, insbesondere induktives Bauteil, das mit einem solchen Verfahren hergestellt worden ist.
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Bereitgestellt werden so insbesondere induktive Bauteile erhöhter Güte für einen Einsatz bei auch hoher Temperatur, wobei solche Bauteile auch mindestens einen elektrischen Leiter mit einer besonders hohen Leitfähigkeit aufweisen.
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Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für das Bauteil als eine Vorrichtung entsprechend. Das Bauteil kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden und ergibt die gleichen Vorteile.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt Komponenten zum Herstellen eines insbesondere induktiven Bauteils; und
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2 zeigt Verfahrensschritte zum Herstellen des insbesondere induktiven Bauteils.
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1 zeigt Komponenten zum Herstellen eines insbesondere induktiven Bauteils, bei dessen Herstellung in einen Keramikpulverkörper 10 ein Metallvollkörper in Form eines metallischen Drahts 27, insbesondere Silberdrahts, eingelegt wird und folgend die Anordnung aus dem Keramikpulverkörper 10 und dem Draht 27 gesintert wird.
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Der Keramikpulverkörper 10 wird aus beispielhaft drei separaten Lagen 11, 12, 13 zusammengesetzt. Die Lagen 11, 12, 13 sind hier beispielhaft aus einem grünkeramischen Material ausgebildet. Die Lagen 11, 12, 13 weisen eine flächige oder plane Erstreckung und insbesondere eine zueinander gleiche Außenkontur auf. Die Lagen 11 bis 13 können schichtförmig als LTCC-Grünfolien ausgebildet sein.
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Die erste bzw. untere Lage 11 besteht aus z.B. drei Schichten 14, 15, 16. Dabei sind die beiden unteren Schichten 14, 15 vollflächig geschlossen und bilden einen Boden. Die obere Schicht 16 weist zumindest eine Ausnehmung 17 auf. Die Ausnehmung 17 erstreckt sich insbesondere bis zu der darunter liegenden Schicht 15. Die Ausnehmung 17 hat im Wesentlichen eine Form einer Negativkontur einer Spulenwicklung eines Drahts oder ermöglicht das Einlegen des Drahtes 27 in Form einer Wicklung.
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In der Ebene der flächigen Erstreckung dieser Schicht 16 führt ein Abschnitt der Ausnehmung 17 als eine Ausnehmungsverlängerung 18 bis zum Außenumfang der Schicht 16, z.B. für einen elektrischen Anschluss.
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Die zweite Lage 12 besteht aus drei Schichten 19, 20, 21. Dabei sind die beiden unteren Schichten 19, 20 im Wesentlichen vollflächig geschlossen. Die obere Schicht 21 weist zumindest eine Ausnehmung 22 auf. Die Ausnehmung 22 erstreckt sich insbesondere bis zu der darunter liegenden Schicht 20. Die Ausnehmung 22 hat im Wesentlichen eine Form einer Negativkontur einer Spulenwicklung eines Drahts oder ermöglicht das Einlegen eines Drahtes in Form einer Wicklung. Die erste Lage 11 und die zweite Lage 12 können insbesondere gleich aufgebaut sein.
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Alternativ können die Lagen 11 und/oder 12 auch eine andere Zahl von Schichten aufweisen, beispielsweise vier Schichten, von denen beispielsweise zwei übereinander liegende Schichten eine gleiche Ausnehmung aufweisen können.
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Die Ausnehmungen 17, 22 ermöglichen insbesondere das Einlegen des insbesondere nicht isolierten Drahts 27 in Form im Wesentlichen spiralförmiger Wicklungen.
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In der Ebene der Erstreckung dieser Schicht 21 führt ein Abschnitt der Ausnehmung 22 als eine Ausnehmungsverlängerung 23 bis zum Außenumfang der Schicht 21.
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Durch die zweite Lage 12, insbesondere durch die beiden unteren Schichten 25, 26 der zweiten Lage 12 führt zumindest eine Durchtrittsöffnung 24. Die Durchtrittsöffnung 24 bildet einen Durchlass zur Durchführung einer elektrisch leitfähigen Verbindung von der Unterseite der Lage 12 zu der Oberseite der darunter liegenden Lage 11. Insbesondere verbindet die Durchtrittsöffnung 24 einen Abschnitt der Ausnehmung 17 in der darunter liegenden Lage 11 mit der Ausnehmung 22 in dieser Lage 12. Die Durchtrittsöffnung verläuft insbesondere in einer Ebene A-B-C-D quer zur Ausrichtung der Lagen 11 bis 13.
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Die obere Lage 13 besteht aus z.B. zwei Schichten 25, 26. Diese Schichten 25, 26 sind vollflächig geschlossen und bilden einen Deckel aus.
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Bei der Montage wird der Draht zwischen den Lagen 11 bis 13 eingelegt.
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Ein Leiterende 29 des Drahts führt durch die Ausnehmungsverlängerung 18 vom Rand oder von außerhalb der obersten Schicht 16 der unteren Lage 11 in die Ausnehmung 17 hinein. Das Leiterende 29 dient zur elektrischen Kontaktierung. Vom Leiterende 29 geht der Draht in eine Wicklung 28 über, welche von der Ausnehmung 17 aufgenommen ist.
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Im weiteren Verlauf des Drahts ist der Draht der Durchtrittsöffnung 24 benachbart nach oben bzw. in Richtung der zweiten Lage 12 insbesondere senkrecht gebogen oder abgewinkelt. Der Draht 27 führt von der Wicklung 28 als Leiterabschnitt 30 durch diese benachbarte Lage 12 hindurch. Aus der Durchtrittsöffnung 24 heraustretend ist der Draht 27 erneut gebogen oder abgewinkelt und führt in die Ausnehmung 22 dieser Lage 12. Der Draht 27 bildet also zumindest abschnittsweise zwei plane, parallel zueinander versetzte Ebenen, die in die Ausnehmungen 17 bzw. 22 eingelegt sind.
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Die Ausnehmung 22 ist so geformt, dass der Draht unter Ausbildung einer Wicklung 31 durch die Ausnehmung 22 führt. Vom Ende der Wicklung 31 führt ein Leiterende 32 des Drahts 27 durch die Ausnehmungsverlängerung 23. Das Leiterende 32 dient zur Kontaktierung.
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In einem freien Raum zwischen Wandungen der Ausnehmungen 17, 22 und dem Draht befindet sich ein Opfermaterial 33.
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2 zeigt Verfahrensschritte zur Herstellung des Keramikpulverkörpers 10 aus solchen Komponenten.
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Bei einem ersten Verfahrensschritt 41 wird die erste Lage 11 bereitgestellt. Der Draht 27 wird dann in die Ausnehmungsverlängerung 18 gelegt und in Form einer Wicklung in die Ausnehmung 17 geführt oder eingelegt, ggf. unter Biegung.
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Im nächsten Verfahrensschritt 42 wird die zweite Lage 12 bereitgestellt und auf diese erste Lage 11 aufgelegt.
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Wenn, wie dargestellt, mehrere zueinander parallele Wicklungen 28, 31 (entsprechend den Ebenen) ausgebildet werden sollen, wird der in der ersten Lage 11 eingelegte Draht im Bereich der Durchtrittsöffnung 24 um etwa 90° abgebogen. Beim Aufkleben der zweiten Lage 12 auf die erste Lage 11 wird der Draht durch die Durchtrittsöffnung 24 der zweiten Lage 12 geführt.
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Nachfolgend wird der Draht 27 wie beim ersten Verfahrensschritt 41 in die Ausnehmung 22 der zweiten Lage 12 eingelegt. Das freie Leiterende 32 wird durch die Ausnehmungsverlängerung 23 geführt.
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Danach wird, wenn keine weitere Wicklung auszubilden ist, die dritte Lage 13 auf die zweite Lage 12 aufgeklebt, so dass die Ausnehmung 22 mit dem Draht abgedeckt wird.
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Bevorzugt wird vor dem Auflegen der zweiten Lage 12 auf die erste Lage 11 und vor dem Auflegen der dritten Lage 13 auf die zweite Lage 12 das Opfermaterial 33 in den jeweils freien Raum zwischen den Wandungen der Ausnehmungen 17, 22 und dem Draht 27 eingebracht.
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In einem dritten Verfahrensschritt 43 wird die gesamte Anordnung aus den zusammengesetzten Lagen 11 bis 13 und dem zwischen diesen eingelegten Draht verpresst bzw. laminiert und gebrannt bzw. gesintert. Dadurch kann aus den Lagen 11 bis 13 insbesondere ein Keramikkörper mit einer theoretischen Dichte von mindestens 95%, insbesondere von mindestens 98%, insbesondere von mindestens 99%, insbesondere von mindestens 99,5%, erreicht werden.
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Das Ausführungsbeispiel zeigt somit schematisch den Aufbau einer eingebetteten Drahtspule. Sie ist aus den drei Lagen 11 bis 13 aufgebaut, die jeweils aus mehreren Schichten ausgebildet sind und die auch bei Lamination der Schichten als "Teil-Laminate" angesehen werden kann. Die Schichten bestehen bevorzugt aus keramischen Grünfolien, beispielsweise LTCC-Folien.
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Sofern beim Bereitstellen der Lagen 11, 12 keine Ausnehmungen 17, 22 in den Lagen ausgebildet sind, werden die Ausnehmungen 17, 22 in den Lagen 11, 12 jeweils auf der Oberseite eingearbeitet, insbesondere als Gräben gefräst. Die Ausnehmungen 17, 22 sind bevorzugt so breit und tief, dass der Draht, insbesondere Metalldraht der Spule, beispielsweise ein Silberdraht von 100 bis 200μm Durchmesser in die Ausnehmungen 17, 22 eingelegt werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung geht für mechanisch und thermisch hoch beanspruchte Spulen von LTCC-technisch hergestellten eingebetteten Spulenwindungen aus, ersetzt aber siebgedruckte Windungen durch einen massiven metallischen Draht, beispielsweise aus Silber, als dem Metallvollkörper. Im Vergleich zur druckbaren Paste besitzt er die doppelte spezifische Leitfähigkeit. Die Herstellung einer eingebetteten Drahtspule beginnt bevorzugt mit Lagen aus Teillaminaten als Schichten aus wenigen (beispielsweise zwei, drei oder vier) LTCC-Grünfolien. Dem angestrebten Windungslayout entsprechend wird ein z.B. spiralförmig verlaufender Graben als Ausnehmung in der Oberfläche jeder Lage (insbesondere jedes Teil-Laminats) so erzeugt, dass er den vollen Drahtquerschnitt aufnehmen kann, beispielsweise mit einer Grabentiefe von ein oder zwei LTCC-Grünfolien. An den Windungsenden wird der Graben insbesondere entweder bis zum Rand der Leiterplatte verlängert, um eine Drahtzuleitung aufzunehmen, oder es wird eine vertikale durchgehende Bohrung als Durchgangsöffnung des Teillaminats gesetzt, so dass der Draht auf die nächsthöhere Lage bzw. Lage der nächsten Ebene gefädelt werden kann.
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Im nächsten Prozessschritt dieser besonders bevorzugten Weiterbildung mag der metallische Draht zur Ausbildung der Spulenwicklung insbesondere in den Graben der untersten Lage eingelegt werden. Am Grabenende wird er z.B. senkrecht zur Lagenebene abgewinkelt und durch die Öffnung der nächsten Lage gefädelt. Diese wird mit einem organischen Kleber auf der unteren Lage angeklebt. Anschließend können sich die Schritte wiederholen: Verlegen des Metalldrahtes im Graben der Lage und z.B. Aufkleben der nächsten Lage bis die gewünschte Windungszahl der Spule erreicht ist. In einem letzten Prozessschritt werden die insbesondere verklebten Lagen mit dem eingelegten Metalldraht fertiggesintert.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Die Darstellung der Wicklungen 28, 31 zwischen den Lagen 11 und 12 bzw. 12 und 13 deutet den späteren Verlauf des Drahtes in den Ausnehmungen an. Zur Vereinfachung und ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist eine rechteckige Wicklungsform dargestellt. Runde, ovale, elliptische und andere Formen sind in gleicher Weise realisierbar.
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In der Ebene A-B-C-D enthält die Lage 12 eine Öffnung, durch die der Draht nach Belegung der ersten Lage 11 gefädelt wird. Auch mag anstelle eines einzigen durchgehenden Drahts ein mehrteiliger Metallvollkörper eingesetzt werden, dessen einzelne Abschnitte elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden.
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Der Metallvollkörper kann nicht nur aus einem leicht biegbaren Draht mit rundem Querschnitt ausgebildet sein, sondern mag auch einen nicht-runden Querschnitt aufweisen. Als der Metallvollkörper mag anstelle eines biegbaren Drahts auch ein zumindest abschnittweise starrer, insbesondere strukturiert geformter starrer, Metallkörper eingesetzt werden.
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Die elektrischen Anschlüsse der Spule sind hier als freie Draht- bzw. Leiterenden 29, 32 ausgebildet, die den zusammengesetzten Mehrlagen-Keramikkörper seitlich verlassen. Weitere Ausführungsformen, beispielsweise lötbare Drahtenden insbesondere in Gräben auf der Unterseite der ersten Lage 11 sind, möglich. Dazu mögen dann eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen durch die erste Lage 11 hindurchführen, durch die die freien Leiterenden zur Außenseite der ersten Lage 11 führen.
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Des Weiteren können mehr oder weniger Spiralwindungen pro Bauteil oder Lage und mehr oder weniger Lagen innerhalb des Bauteils ausgebildet werden. Nach Belegung der zweiten Lage 12 wird die dritte Lage 13 als Deckel aufgelegt. Vor dem Auflegen des Deckels können aber auch noch weitere zwischen die unterste Lage und die den Deckel ausbildende oberste Lage eingelegt werden, um eine größere Anzahl an Wicklungen herzustellen.
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Auch mag eine Anzahl der Lagen und der Schichten pro Lage größer oder kleiner sein. Auch mag eine Ausnehmung durch mehr als eine Schicht hindurchführen. Zudem kann mehr als ein Metallvollkörper in dem Keramikpulverkörper eingebettet sein, um so z.B. mehrere nebeneinander angeordnete Spulen auszubilden.
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Neben vollflächig geschlossenen oberen Schichten der oberen Lage und/oder vollflächig geschlossenen unteren Schichten der unteren Lage können solche Schichten auch durch diese hindurchführende Öffnungen aufweisen, um ein Leiterende zur Kontaktierung herauszuführen.
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Anstelle eines Auflegens einer der Lagen 12, 13 auf eine andere der Lagen 11 bzw. 12 können die Lagen auch aufgeklebt werden. Ferner ist ein Aneinanderpressen der aufeinandergelegten Lagen möglich.
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Neben einer Ausbildung der Ausnehmungen 17, 22, in die der Draht eingelegt wird, mag der Draht auch nur auf eine solche Lage aufgelegt und vor oder bei dem Aufsetzen der weiteren Lage in zumindest diese Lage eingedrückt werden.
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Soweit Bezug auf die zeichnerisch dargestellten Richtungen "oben" und "unten" genommen wird, so mag eine solche Orientierung vorteilhaft für die Montage sein, dient jedoch insbesondere zur Vereinfachung der Beschreibung und schließt für die einzelnen beschriebenen Komponenten eine andere Ausrichtung im Raum nicht aus. Selbiges gibt für die Zahl-Bezeichnungen wie „erste“, „zweite“ und „dritte“, die lediglich zur Unterscheidung der Komponenten des konkreten Ausführungsbeispiels dienen, aber keine zwingende Festlegung auf den Zahlenwert bezüglich anderer Ausgestaltungen haben.
