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BEREICH DER OFFENBARUNG
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Diese Offenbarung betrifft planare magnetische Komponenten, die Leiterplatten (PCB) als Wicklungsträger verwenden, und insbesondere planare magnetische Komponenten, bei denen die elektrisch leitenden Wicklungen in benachbarten Schichten so konfiguriert sind, dass sie die thermische Leistung verbessern.
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HINTERGRUND
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Um eine bessere Reproduzierbarkeit, kompaktere Bauformen und eine höhere Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu Drahtwicklungen zu erreichen, werden planare magnetische Komponenten auf Leiterplatten zunehmend und vorteilhaft in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere im Transportwesen (beispielsweise Automobile) und in der tragbaren Elektronik (beispielsweise Mobiltelefone). Diese Vorrichtungen umfassen spiralförmige Leiterbahnen, die in oder auf planaren Schichten einer Leiterplatte definiert sind, die eine Vielzahl von leitenden Schichten in einer gestapelten Anordnung aufweist, wobei verschiedene leitende Schichten im Stapel in geeigneter Weise elektrisch mit Durchkontaktierungen verbunden sind, um eine magnetische Komponente, wie beispielsweise einen Transformator oder einen Induktor, zu erzeugen. Die Leiterschichten sind physisch durch einen elektrischen Isolator oder ein dielektrisches Material getrennt, typischerweise ein glasfaserverstärktes Epoxidharz, das typischerweise ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Infolgedessen können magnetische Komponenten mit höherer Leistung heiße Stellen entwickeln, die sich überhitzen und mit der Zeit zu vorzeitigem Verschleiß und Versagen der Komponente führen können.
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Die herkömmliche Lösung bestand darin, die Dicke oder Breite der leitfähigen Wicklung so zu vergrößern, dass hohe Wärmegradienten durch Wärmeleitung über die elektrischen Leiter abgeführt werden. Dies ist eine praktikable und oft akzeptable Lösung. Diese Lösung erhöht jedoch die Größe und Masse der Komponente, wodurch einige der Vorteile des Einsatzes planarer magnetischer Komponenten auf PCB reduziert oder eliminiert werden. Eine solche Vergrößerung der Größe und Masse ist besonders bei tragbaren elektronischen Geräten unerwünscht.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an planaren magnetischen Komponenten auf PCB, die eine bessere thermische Leistung bieten und gleichzeitig die Menge des benötigten leitfähigen Materials minimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Offenbart ist eine planare magnetische Vorrichtung, wie beispielsweise ein Induktor oder Transformator mit einer ersten und einer zweiten parallelen benachbarten leitenden Schicht, die durch eine Schicht aus dielektrischem Material getrennt sind, bei der jede der leitenden Schichten so strukturiert ist, dass sie eine spiralförmige Leiterbahn mit mehr als einer einzigen Windung oder Wicklung definiert, um einen Spalt zwischen den Wicklungen zu definieren, wobei das geometrische Muster der Bahnen so gewählt ist, dass wenigstens ein Abschnitt des Spaltbereichs zwischen den Windungen der Leiterbahn in einer Schicht nicht mit dem Spaltbereich zwischen den Windungen der benachbarten spiralförmigen Bahn ausgerichtet ist.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Draufsicht auf eine leitende Schicht eines magnetischen Bauelements gemäß bekannter (Stand der Technik) Technologie.
- 2 ist eine Querschnittsansicht der magnetischen Vorrichtung gemäß bekannter (Stand der Technik).
- 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ausschnitts der magnetischen Vorrichtung aus 2, die benachbarte spiralförmige Leiterbahnen zeigt und die thermischen Leistungseigenschaften veranschaulicht.
- 4A ist eine Draufsicht auf eine leitende Schicht einer magnetischen Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung.
- 4B ist eine Draufsicht auf eine zweite leitende Schicht, die an die leitende Schicht von 4A angrenzt.
- 5 ist eine Querschnittsansicht der magnetischen Vorrichtung der 4A und 4B.
- 6 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ausschnitts der magnetischen Vorrichtung aus 5, die benachbarte spiralförmige Leiterbahnen zeigt und die thermischen Leistungseigenschaften veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Eine konventionelles magnetische Vorrichtung 10 ist in den 1-3 dargestellt. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Induktor oder ein Transformator sein, je nachdem, wie die elektrisch leitenden Schichten 12 (in 2 dargestellt) konfiguriert und elektrisch verbunden sind. In der abgebildeten Vorrichtung 10 kann zum Beispiel die erste (obere) elektrisch leitende Schicht (typischerweise eine Kupferschicht) mit der dritten, fünften, siebten, neunten und elften Schicht von oben elektrisch verbunden werden, entweder seriell oder parallel, und die verbleibende zweite, vierte, sechste, achte, zehnte und zwölfte elektrisch leitende Schicht von oben können elektrisch verbunden werden, entweder seriell oder parallel, um einen Transformator zu erzeugen. Ein weiteres Beispiel: Alle elektrisch leitenden Schichten können entweder in Reihe oder parallel elektrisch verbunden werden, um einen Induktor zu erzeugen.
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Eine einzelne elektrisch leitende Schicht, die eine spiralförmige Leiterbahn 12 mit drei Windungen oder Wicklungen definiert, ist in 1 dargestellt. Eine Leiterbahn in einer beliebigen Schicht kann mit einer Leiterbahn in einer anderen Schicht durch Durchkontaktierungen 14, 16 elektrisch verbunden werden. Nicht verwendete Durchkontaktierungen 18 sind ebenfalls in 1 dargestellt. Ein zentraler Magnetkern 20 (beispielsweise Ferrit) erstreckt sich durch die Mitte der Leiterplatte 12, so dass jede der leitenden Spiralspuren um den Magnetkern gewickelt ist. Der Magnetkern dient dazu, die Stärke des Magnetfeldes zu erhöhen, das erzeugt wird, indem elektrischer Strom durch die Wicklungen geleitet wird, und damit die Induktivität zu erhöhen.
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Bei dem in den 1-3 gezeigten konventionellen magnetischen Bauelement 10 sind benachbarte leitende Schichten, die spiralförmige Leiterbahnen definieren, identisch und sind im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie sich perfekt überlappen, so dass sich die Lücken 24, 26 zwischen benachbarten Leiterbahnen überlappen. Infolgedessen fließt Wärme entlang der spiralförmigen Leiterbahn von der inneren Windung, die dem Kern 20 am nächsten liegt, zur äußeren Windung, die vom Kern am weitesten entfernt ist, und auch zwischen den Lücken. Dies führt zu einer relativ ineffizienten Wärmeübertragung, wobei die innere(n) Windung(en) viel heißer ist (sind) als die äußere(n) Windung(en). In der abgebildeten Ausführungsform hat die konventionelle Vorrichtung 10, wenn sie nach dem Aufwärmen im stationären Zustand betrieben wird, eine unannehmbar hohe Temperatur von 211°C an der Innenwindung, eine immer noch sehr hohe Temperatur von 154°C an der mittleren Windung und eine annehmbare Temperatur von 40°C an der äußeren Windung.
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Die herkömmliche Vorrichtung 10 hat nicht nur identische, überlappende Spuren, sondern auch Spuren, die über die Länge der Spiralspur eine einheitliche Breite haben. Es wird vermutet, dass die Konstrukteure davon ausgingen, dass eine einheitliche Breite entlang der Länge der spiralförmigen Leiterbahn den geringsten elektrischen Widerstand bieten würde.
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Es wurde festgestellt, dass eine sehr wesentlich verbesserte thermische Leistung erreicht werden kann, wenn die Breite der Leiterbahn entlang der Länge der Leiterbahn für wenigstens eine von zwei benachbarten leitenden Schichten variiert wird. Das verbesserte Design ist in den 4-6 dargestellt, die eine Vorrichtung 110 mit 12 Schichten aus elektrisch leitfähigem Material (Kupfer) zeigen. Vorrichtung 110 ist im Allgemeinen der Vorrichtung 10 sowohl hinsichtlich der Größe, der Materialien als auch der Struktur oder Konfiguration ähnlich, mit der Ausnahme, dass wenigstens eine von zwei benachbarten leitenden Schichten, die durch eine einzige Schicht aus dielektrischem Material getrennt sind, eine spiralförmige Leiterbahn aufweist, deren Breite entlang der Länge der Leiterbahn variiert, so dass alle Lücken 124, 126, 128 und 130 von der spiralförmigen Leiterbahn in der benachbarten leitenden Schicht über- oder unterlagert werden. In der dargestellten Ausführungsform der 4-6 hat eine untere Leiterbahn 140 eine gleichmäßige Breite entlang ihrer Spirallänge, während eine benachbarte obere Leiterbahn 145 eine Breite hat, die entlang ihrer Spirallänge von der inneren Windung des benachbarten Kerns 120 bis zur äußeren Windung, die an den Durchkontaktierungen 114 endet, variiert (beispielsweise kontinuierlich zunimmt). Bei dieser Anordnung entsteht zwischen benachbarten Windungen in den beiden Leiterbahnen ein geringerer Temperaturgradient, der bewirkt, dass die Wärme durch die dielektrische Schicht (bestehend aus PCB 122) zwischen den Leiterbahnen 140 und 145 fließt und die Wärme zwischen den Leiterbahnen 140 und 145 effektiv übertragen wird, wodurch eine erhebliche Wärmeübertragung durch die Lücken 124, 126, 128 und 130 reduziert oder eliminiert wird. Die Vorrichtungen 10 und 110 verwenden die gleiche Menge an leitfähigem Material (Kupfer), erreichen aber völlig unterschiedliche thermische Eigenschaften, wobei die Vorrichtungen 110 eine maximale Temperatur von etwa 48.5°C an der inneren Windung der Leiterbahn 145 aufweist.
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In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen definieren eine erste und eine zweite parallele benachbarte leitende Schicht, die durch eine einzige Schicht dielektrischen Materials getrennt sind, jeweils spiralförmige leitende Spuren, die mehr als eine einzige Windung oder Wicklung aufweisen, wobei die Geometrie der Spuren so gewählt ist, dass jede gerade Linie senkrecht zu der parallel benachbarten leitenden Schicht wenigstens eine der leitenden spiralförmigen Spuren schneidet (d.h. alle Lücken in den benachbarten Spuren sind nicht ausgerichtet). Die Anzahl der Windungen ist typischerweise eine ganze Zahl, muss aber nicht sein. Die Anzahl der Windungen kann beispielsweise 1.5, 2.25, 2.5 oder jeder andere Wert größer als 1 sein. Die Anordnung, in der keine Lücken ausgerichtet sind, bietet ausgezeichnete thermische Eigenschaften, wobei die äußerste Windung in den leitenden Spiralspuren nur wenige Grad (beispielsweise 5°C, 10°C oder 20°C) höher ist als die innerste Windung. Verbesserungen gemäß den hier offengelegten Prinzipien können jedoch auch dann erreicht werden, wenn weniger als alle Lücken in den benachbarten Leiterbahnen nicht ausgerichtet sind. In dieser Hinsicht umfassen die offengelegten magnetischen Vorrichtungen solche mit zwei benachbarten spiralförmigen Leiterbahnen mit mehr als einer Wicklung, bei denen wenigstens 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der Spaltfläche (Gesamtfläche zwischen den Windungen der Leiterbahn) nicht mit der Spaltfläche der benachbarten spiralförmigen Leiterbahn ausgerichtet sind.
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Die dargestellten Ausführungsformen sind nur beispielhaft, wobei davon ausgegangen wird, dass eine beliebige Anzahl von leitenden Schichtpaaren verwendet werden kann und dass die Breite wenigstens einer Schicht jedes leitenden Schichtpaares eine über ihre Länge variierende Breite aufweist.
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Die obige Beschreibung soll illustrativ, nicht einschränkend sein. Der Umfang der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente bestimmt werden. Es wird erwartet und beabsichtigt, dass zukünftige Entwicklungen in der Technik eintreten und dass die offengelegten Vorrichtungen, Bausätze und Verfahren in solche zukünftigen Ausführungsformen integriert werden. Somit ist die Erfindung modifizierungs- und variationsfähig und wird nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt.
