DE102021207599A1 - planar transformer - Google Patents

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Jan Schmäling
Samy Arnaout
Markus Novotny
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Planartransformator, der in einer Multilayer-Leiterplatte (1) eingebettet ist, die aus übereinander gestapelten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Leiterplatten-Lagen (5) besteht, die jeweils Leiterstrukturen (7, 9), insbesondere Kupferleiterbahnen, aufweisen, wobei der Planartransformator mit einem Transformatorkern (17) ausgebildet ist, der beidseitig der Multilayer-Leiterplatte (1) jeweils ein Brückenteil (19) aufweist, die über zumindest einen Transformatorkern-Steg (15) ineinander übergehen, der durch einen Durchbruch (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) geführt ist. Erfindungsgemäß ist der Transformatorkern-Steg (15) als ein von den Brückenteilen (19) separates Einsatzteil bereitgestellt.The invention relates to a planar transformer which is embedded in a multilayer printed circuit board (1), which consists of printed circuit board layers (5) stacked on top of one another and bonded to one another, each having conductor structures (7, 9), in particular copper conductor tracks, the Planar transformer with a transformer core (17) is formed, which has a bridge part (19) on both sides of the multilayer printed circuit board (1), which merge into one another via at least one transformer core web (15), which passes through an opening (21) in the multilayer Printed circuit board (1) is performed. According to the invention, the transformer core web (15) is provided as an insert part that is separate from the bridge parts (19).

Description

Die Erfindung betrifft einen Planartransformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Planartransformators gemäß Anspruch 10.The invention relates to a planar transformer according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a planar transformer according to claim 10.

Um eine hohe Leistungsdichte von Spannungswandlern im Fahrzeug zu erreichen, werden häufig Planartransformatoren eingesetzt, die im Vergleich zu klassischen Wickeltransformatoren eine geringe Bauhöhe aufweisen. Um die Kosten und den Bauraum der Planartransformatoren weiter zu reduzieren, können diese direkt in die Leiterplatte eingelassen sein. Die Transformator-Wicklungen können direkt im Fertigungsprozess der Leiterplatte in die Kupferfolien eingeätzt werden.In order to achieve a high power density of voltage converters in the vehicle, planar transformers are often used, which have a low overall height compared to classic wound transformers. In order to further reduce the costs and the installation space of the planar transformers, they can be embedded directly in the printed circuit board. The transformer windings can be etched into the copper foils directly during the manufacturing process of the printed circuit board.

Ein gattungsgemäßer Planartransformator kann in einer Multilayer-Leiterplatte eingebettet sein. Diese kann aus übereinander gestapelten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Leiterplatten-Lagen bestehen, die jeweils Leiterstrukturen, insbesondere Kupferleiterbahnen, aufweisen. Der Planartransformator ist mit einem Transformatorkern ausgebildet. Dieser ist beidseitig der Multilayer-Leiterplatte jeweils aus einem Brückenteil aufgebaut. Die beiden beidseitig angeordneten Brückenteile sind über drei Transformatorkern-Stege miteinander verbunden. Die Transformatorkern-Stege sind jeweils durch einen Durchbruch der Multilayer-Leiterplatte geführt.A generic planar transformer can be embedded in a multilayer printed circuit board. This can consist of printed circuit board layers stacked one on top of the other and connected to one another with a material fit, each of which has conductor structures, in particular copper conductor tracks. The planar transformer is formed with a transformer core. This is made up of a bridge part on both sides of the multilayer printed circuit board. The two bridge parts arranged on both sides are connected to each other via three transformer core webs. The transformer core webs are each routed through an opening in the multilayer printed circuit board.

Im Stand der Technik ist der Transformatorkern aus zwei Hälften aufgebaut, die fertigungstechnisch aufwändig über mechanische Klemmelemente gegeneinander verspannt sind. Zudem sind die Transformatorkern-Stege mit größerem Lochspiel durch die Durchbrüche der Multilayer-Leiterplatte geführt, was gegebenenfalls negative Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Planartransformators haben kann und/oder zum Beispiel in einem Rütteltest zu Relativbewegungen führt. Ferner sind mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Transformatorkern-Aufbau nur eine eingeschränkte Anzahl von Freiheitsgraden bei der Herstellung des Planartransformators nutzbar.In the prior art, the transformer core is made up of two halves, which are braced against one another using mechanical clamping elements, which is difficult to manufacture. In addition, the transformer core webs are guided through the openings in the multilayer printed circuit board with a larger hole clearance, which may have negative effects on the functionality of the planar transformer and/or lead to relative movements in a vibration test, for example. Furthermore, with the transformer core structure known from the prior art, only a limited number of degrees of freedom can be used in the manufacture of the planar transformer.

Aus der EP 3 605 564 A1 ist ein Planartransformator bekannt.From the EP 3 605 564 A1 a planar transformer is known.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Planartransformator bereitzustellen, bei dem die Zahl von Freiheitsgraden im Fertigungsprozess zur Herstellung des Planartransformators in einfacher Weise erhöht werden kann und/oder die Funktionalität des Planartransformators gesteigert werden kann.The object of the invention is to provide a planar transformer in which the number of degrees of freedom in the production process for producing the planar transformer can be increased in a simple manner and/or the functionality of the planar transformer can be increased.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1 or 10. Preferred developments of the invention are disclosed in the dependent claims.

Die Erfindung geht von einem Planartransformator aus, der in einer Multilayer-Leiterplatte eingebettet ist. Diese besteht aus übereinander gestapelten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Leiterplatten-Lagen, die jeweils Leiterstrukturen (das heißt Kupferleiterbahnen) aufweisen. Der Planartransformator ist mit einem Transformatorkern ausgebildet. Dieser weist beidseitig der Multilayer-Leiterplatte jeweils ein Brückenteil auf. Die beiden Brückenteile können über zumindest einen Transformatorkern-Steg ineinander übergehen. Dieser ist durch einen Durchbruch der Multilayer-Leiterplatte geführt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Transformatorkern-Steg als ein von den beiden Brückenteilen separates Einsatzteil bereitgestellt. Während des Fertigungsvorgangs der Leiterplatte erfolgt ein Setzprozess, bei dem das Einsatzteil, insbesondere als ein Material-Coin, unabhängig von den Brückenteilen in den Durchbruch der Multilayer-Leiterplatte eingesetzt wird. Anschließend erfolgt ein Fügeprozess, bei dem die Brückenteile an das Einsatzteil angebunden werden.The invention is based on a planar transformer that is embedded in a multilayer printed circuit board. This consists of printed circuit board layers that are stacked on top of one another and bonded to one another, each of which has conductor structures (i.e. copper conductor tracks). The planar transformer is formed with a transformer core. This has a bridge part on each side of the multilayer printed circuit board. The two bridge parts can merge into one another via at least one transformer core web. This is routed through an opening in the multilayer printed circuit board. According to the characterizing part of claim 1, the transformer core web is provided as an insert separate from the two bridge parts. During the manufacturing process of the printed circuit board, a setting process takes place, in which the insert part, in particular as a material coin, is inserted into the opening in the multilayer printed circuit board independently of the bridge parts. This is followed by a joining process in which the bridge parts are connected to the insert part.

Erfindungsgemäß werden bei der Erstellung der Zielleiterplatte für zum Beispiel eine Steuer- oder Gatetreiberplatine für einen Pulswechselrichter die Windungen wie bei einem normalen Planartransformator direkt auf die Leiterplatte entwickelt. Dazu werden die zur Verfügung stehenden Lagen der Leiterplatte genutzt, um die Primär- und Sekundärspulen (auch mehrere Sekundärspulen) einzubinden. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft den Sachverhalt, dass in der Zielleiterplatte eine Aussparung (bzw. der Durchbruch) während des Leiterplattenherstellungsprozesses vorgehalten wird. Die Aussparung wird im weiteren Fertigungsprozess durch eine geblechte Füllung, das heißt durch ein Einsatzteil bzw. Material-Coin, geschlossen, die zum Beispiel aus Kupfer, Mikro-Blech oder Transformatorblech besteht. Dabei wird berücksichtigt, dass eine entsprechende Auflagefläche vorhanden ist, so dass das geblechte Material-Coin (zum Beispiel Mikro-Blech) nach der Oberflächenbehandlung nicht mehr herausfallen kann. Dies kann zum Beispiel durch einen einseitig / partiell gesteppten Material-Coin sowie der Aufkupferung bzw. während eines Verzinnungsprozesses erfolgen. Der Einsatz einer organischen Passivierung ist an der Stelle des Material-Coins bei einem Material ungleich Kupfer nicht ausreichend, da ein Verzinnungsprozess zur Fixierung stattfinden muss. According to the invention, the windings are developed directly onto the printed circuit board, as in a normal planar transformer, when creating the target printed circuit board for, for example, a control or gate driver printed circuit board for a pulse-controlled inverter. The available layers of the printed circuit board are used to integrate the primary and secondary coils (also several secondary coils). An essential aspect of the invention relates to the fact that a recess (or the opening) is provided in the target printed circuit board during the printed circuit board manufacturing process. In the further manufacturing process, the recess is closed by a sheet metal filling, i.e. by an insert part or material coin, which consists of copper, micro sheet metal or transformer sheet metal, for example. It is taken into account that there is a corresponding support surface so that the sheet material coin (e.g. micro sheet metal) can no longer fall out after the surface treatment. This can be done, for example, with a one-sided / partially quilted material coin and copper plating or during a tinning process. The use of an organic passivation at the location of the material coin is not sufficient for a material other than copper, since a tinning process has to take place to fix it.

Anschließend wird die Leiterplatte mit dem Lötstopplack abgeschlossen (Aussparung der Lötflächen, bedeckte Flächen sind damit Isoliert). Die hergestellte Leiterplatte mit den Material-Coins wird an den Bestücker ausgeliefert.The printed circuit board is then sealed with the solder resist (recess of the soldering areas, covered areas are insulated with it). The here The printed circuit board provided with the material coins is delivered to the assembler.

Die angelieferte Leiterplatte wird vom Bestücker nun wie folgt weiter verarbeitet: So werden die Material-Coins mit den oberen und unteren Brückenteilen (in den entsprechenden Verfahrensschritten nacheinander) des Transformatorblechs bestückt. Die Verbindungstechnik kann je nach verwendetem Material zum Beispiel sein: Bonden, Vibrationsschweißen oder Löten. Die weiteren auf der Leiterplatte zu bestückenden SMD- oder PIP-Bauteile (das heißt Pin-in-Paste-Bauteile) werden zum Beispiel im Lötprozess mit bestückt. Somit können durch Anpassungen im Layout und die Verwendung von Standard-Bauteilen für den Transformatorkern von mehreren Lieferanten bezogen werden und eine schnellere Entwicklung umgesetzt werden. Zudem können mit dem erfindungsgemäßen Transformator Relativbewegungen des Transformatorkerns zur Leiterplatte (etwa bei einem Rütteltest) verhindert werden. Der Transformator-Schwerpunkt liegt erfindungsgemäß nicht außerhalb der Leiterplatte, sondern nahe dem Leiterplatte-Mittelpunkt. Ferner ist der Leiterplattenflächenbedarf unwesentlich höher als bei einer externen Anbindung eines Planartransformators. Die Sekundärspannungen können in gleicher Leiterplattenlage weiter an die zu verwendende Stelle gerouted werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft den Sachverhalt, dass die Fixierung des Material-Coins in einem Metallisierungs-Prozess durch Aufkupferung oder durch Verzinnen erfolgt (je nach genutztem Material und elektrochemischer Kompatibilität können auch andere Materialien zum Einsatz kommen). Die Fertigung der restlichen Transformatorteile (Brücke) erfolgt im Leiterplatten-Bestückungsprozess zum Beispiel durch Löten, durch Bonden, durch Ultraschallschweißen. Erfindungsgemäß können Sensoren zur Erfassung von zum Beispiel Temperatur, Strom, etc. direkt eingebunden werden. Zudem ist ein direktes Routing vom Planartransformator auf der Zielleiterplatte ermöglicht.The printed circuit board that has been delivered is then further processed by the assembler as follows: The material coins are assembled with the upper and lower bridge parts (in the corresponding process steps one after the other) of the transformer sheet metal. Depending on the material used, the connection technology can be, for example: bonding, vibration welding or soldering. The other SMD or PIP components (i.e. pin-in-paste components) to be assembled on the printed circuit board are also assembled during the soldering process, for example. This means that adjustments to the layout and the use of standard components for the transformer core mean that the transformer core can be sourced from multiple suppliers and faster development can be implemented. In addition, the transformer according to the invention can be used to prevent movements of the transformer core relative to the printed circuit board (e.g. during a vibration test). According to the invention, the center of gravity of the transformer is not outside the printed circuit board, but rather close to the center point of the printed circuit board. Furthermore, the printed circuit board area requirement is insignificantly higher than with an external connection of a planar transformer. The secondary voltages can be routed further to the point to be used in the same circuit board layer. Another important aspect concerns the fact that the material coin is fixed in a metallization process by copper plating or tin plating (depending on the material used and electrochemical compatibility, other materials can also be used). The remaining transformer parts (bridge) are manufactured in the printed circuit board assembly process, for example by soldering, bonding or ultrasonic welding. According to the invention, sensors for detecting, for example, temperature, current, etc. can be integrated directly. In addition, direct routing from the planar transformer to the target circuit board is possible.

Nachfolgend sind wesentliche Aspekte der Erfindung im Detail beschrieben: So ist der Transformatorkern mehrteilig ausgeführt, das heißt aus zumindest einem Transformatorkern-Steg sowie aus zwei Transformatorkern-Brückenteilen. Diese können zu unterschiedlichen Prozesszeitpunkten montiert werden. Beispielhaft kann das Einsatzteil (das heißt der Transformatorkern-Steg) von einem Leiterplatten-Zulieferwerk in der Leiterplatte vormontiert werden. Die so gebildete Vormontageeinheit kann zu einem weiteren Werk transferiert werden, in dem die Brückenteile montiert werden. Diese können gegebenenfalls materialgleich oder aus, im Vergleich zum Einsatzteil unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein.Essential aspects of the invention are described in detail below: The transformer core is designed in several parts, that is to say it consists of at least one transformer core web and two transformer core bridge parts. These can be assembled at different points in the process. For example, the insert (that is, the transformer core web) can be preassembled in the printed circuit board by a printed circuit board supplier. The pre-assembly unit formed in this way can be transferred to another plant in which the bridge parts are assembled. These can optionally be made of the same material or of different materials compared to the insert part.

Im Hinblick auf einen prozesssicheren Fertigungsablauf ist es von Bedeutung, wenn das Einsatzteil lagesicher in der Multilayer-Leiterplatte vormontierbar ist. Vor diesem Hintergrund kann das Einsatzteil in den Durchbruch verklebt werden oder in Presspassung darin eingesetzt werden. In einer fertigungstechnisch bevorzugten Variante können die nachfolgenden Sicherungsmittel zur Lagesicherung des Einsatzteils im Durchbruch der Multilayer-Leiterplatte bereitgestellt werden: So kann das Sicherungsmittel zumindest einen Höhenanschlag aufweisen, der an der Innenwand des Durchbruches der Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist. Nach erfolgten Setzprozess ist das Einsatzteil auf dem Höhenanschlag positionssicher abgestützt. Der Höhenanschlag kann in einer einfachen Ausführungsvariante eine im Durchbruch ausgebildete Innenwand-Stufe sein. An der Innenwand-Stufe kann ein setzseitiger, querschnittserweiterter Innenwand-Abschnitt in einen querschnittsreduzierten Innenwand-Abschnitt des Durchbruches übergehen. Das Einsatzteil kann entsprechend konturangepasst mit einem querschnittserweiterten Einsatzteil-Abschnitt sowie mit einem querschnittsreduzierten Einsatzteil-Abschnitt ausgeführt sein.With regard to a process-reliable production process, it is important if the insert part can be preassembled in the multilayer printed circuit board in a secure position. Against this background, the insert part can be glued into the opening or inserted into it with a press fit. In a variant that is preferred in terms of production technology, the following securing means can be provided for securing the position of the insert in the opening in the multilayer circuit board: The securing means can have at least one vertical stop which is formed on the inner wall of the opening in the multilayer circuit board. After the setting process has been completed, the insert part is securely supported on the height stop. In a simple embodiment variant, the vertical stop can be an inner wall step formed in the opening. At the inner wall step, a cross-sectionally enlarged inner wall section on the setting side can merge into an inner wall section of the opening with a reduced cross section. The insert part can be designed with a correspondingly contour-matched insert part section with an enlarged cross section and with an insert part section with a reduced cross section.

Alternativ und/oder zusätzlich kann das Sicherungsmittel eine Feder-/Nut-Verbindung aufweisen. Bei der Feder-/Nut-Verbindung ist das Einsatzteil in Umfangsrichtung mit einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten Material-Nuten ausgebildet, die sich in Setzrichtung erstrecken. Im Vormontagezustand ragen in die Material-Nuten des Einsatzteils korrespondierende Materialvorsprünge ein, die an der Innenwand des Durchbruches der Multilayer-Leiterplatte gebildet sind. Bevorzugt ist es, wenn die Material-Nuten im querschnittserweiterten Einsatzteil-Abschnitt ausgebildet sind. In diesem Fall kann deren Nuttiefe so bemessen sein, dass deren Nutböden ebenfächig in den querschnittsreduzierten Einsatzteil-Abschnitt übergehen.Alternatively and/or additionally, the securing means can have a tongue/groove connection. In the case of the tongue/groove connection, the insert part is formed in the circumferential direction with a plurality of material grooves which are spaced apart from one another and extend in the setting direction. In the pre-assembly state, corresponding material projections, which are formed on the inner wall of the opening in the multilayer printed circuit board, protrude into the material grooves of the insert part. It is preferred if the material grooves are formed in the insert part section with the enlarged cross section. In this case, the groove depth can be dimensioned in such a way that the groove bottoms merge into the insert part section with reduced cross section.

Alternativ und/oder zusätzlich kann im Vormontagezustand die folgende Maßnahme getroffen sein, um ein Herausfallen des Einsatzteils aus dem Durchbruch der Multilayer-Leiterplatte zu unterbinden. So kann der Öffnungsrand des Durchbruches der Multilayer-Leiterplatte von einer potentialfreien Kupferleiterbahn umzogen sein. Die Kupferleiterbahn und eine Einsatzteil-Stirnseite können in etwa zueinander flächenbündig ausgerichtet sein. In diesem Fall kann nach dem Setzprozesse in Metallisierungs-Prozess erfolgen. Im Metallisierungs-Prozess kann auf die Einsatzteil-Stirnseite und auf die Kupferleiterbahn eine Metallschicht etwa aus Kupfer oder aus Zinn, als Sicherungsmittel appliziert werden. Der Metallisierungs-Prozess wird in gängiger Praxis in einem galvanischen Bad durchgeführt, in dem zum Beispiel Kupfer auf die Multilayer-Leiterplatte abgeschieden wird, und zwar unter Bildung der Metallschicht.Alternatively and/or additionally, the following measure can be taken in the pre-assembly state in order to prevent the insert part from falling out of the opening in the multilayer printed circuit board. The edge of the opening in the multilayer printed circuit board can be surrounded by a potential-free copper conductor. The copper conductor track and an insert end face can be aligned approximately flush with one another. In this case, the setting process can be followed by a metallization process. In the metallization process, a metal layer made of copper or tin, for example, can be applied as a securing means to the front side of the insert part and to the copper conductor track. In common practice, the metallization process is carried out in a galvanic bath, in which, for example, copper is deposited on the multilayer printed circuit board is divorced, with the formation of the metal layer.

Im Zusammenbauzustand kann das jeweilige Brückenteil über ein Verbindungsmittel an der zugeordneten Einsatzteil-Stirnseite angebunden sein. Die Anbindung kann beispielhaft durch Löten, Bonden, Ultraschallschweißen oder dergleichen erfolgen.In the assembled state, the respective bridge part can be connected to the assigned end face of the insert part via a connecting means. The connection can be made, for example, by soldering, bonding, ultrasonic welding or the like.

In dem Metallisierungs-Prozess können fertigungstechnisch günstig zusätzlich auch die außenliegenden Leiterstrukturen der Multilayer-Leiterplatte aufgedickt werden. Zudem kann im Metallisierungs-Prozess ein Durchkontaktierung erfolgen, bei der die Leiterstrukturen unterschiedlicher Leiterplatten-Lagen (das heißt unterschiedlicher Leiterplatten-Ebenen) miteinander elektrisch verbunden werden. Beispielhaft kann der Metallisierungs-Prozess mit Kupfer erfolgen. In diesem Fall spricht man von Aufkupfern.In the metallization process, the external conductor structures of the multilayer printed circuit board can also be thickened, which is favorable in terms of production technology. In addition, through-plating can take place in the metallization process, in which the conductor structures of different circuit board layers (that is to say different circuit board levels) are electrically connected to one another. For example, the metallization process can be done with copper. In this case one speaks of coppering.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1 und 2 In unterschiedlichen Ansichten einen Planartransformator im Zusammenbauzustand;
  • 3 bis 8 jeweils Ansichten, anhand derer ein Zusammenbauvorgang veranschaulicht ist.
An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 and 2 In different views, a planar transformer in the assembled state;
  • 3 until 8th each is a view showing an assembly process.

In den 1 und 2 ist ein fertiggestellter Planartransformator gezeigt, der in einer Multilayer-Leiterplatte 1 eingebettet ist. Deren Oberseite und Unterseite sind in einem Bestückungsprozess mit weiteren elektrischen Komponenten 3 bestückt. Der Planartransformator ist direkt in die Multilayer-Leiterplatte 1 eingelassen, sodass der Transformator-Schwerpunkt SP (2) in der Dickenrichtung der Multilayer-Leiterplatte 1 betrachtet sich in etwa mittig in der Multilayer-Leiterplatte 1 befindet. Die weiteren elektrischen Komponenten 3 sind über die SMD-Technik mit der Multilayer-Leiterplatte 1 verbunden. Die Multilayer-Leiterplatte 1 besteht aus übereinandergestapelten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Leiterplatten-Lagen 5 (2), die jeweils innere Leiterstrukturen 7 und äußere Leiterstrukturen 9 aufweisen.In the 1 and 2 a finished planar transformer is shown, which is embedded in a multilayer printed circuit board 1 . Its upper side and underside are equipped with further electrical components 3 in an assembly process. The planar transformer is embedded directly into the multilayer printed circuit board 1, so that the transformer center of gravity SP ( 2 ) viewed in the thickness direction of the multilayer printed circuit board 1 is located approximately in the middle of the multilayer printed circuit board 1 . The other electrical components 3 are connected to the multilayer printed circuit board 1 using SMD technology. The multilayer printed circuit board 1 consists of printed circuit board layers 5 ( 2 ), each of which has inner conductor structures 7 and outer conductor structures 9 .

Beispielhaft ist die Multilayer-Leiterplatte 1 in der 2 aus insgesamt sieben Leiterplatten-Lagen aufgebaut. Deren Leiterstrukturen 7, 9 sind in an sich bekannter Weise unter galvanischer Trennung zwischen dem Eingangspotential (Primärseite) und dem zumindest einen Ausgangspotential (Sekundärseite) derart angeordnet, dass in der Regel zwischen den Transformatorwicklungen keine elektrische Verbindung besteht. Die Weiterleitung der Ausgangspotenziale in andere Lagen kann (getrennt von den anderen) über eine Durchkontaktierung (Via) erfolgen. Gegebenenfalls sind die verschiedenen Lagen für einen Sekundär-Ausgang nutzbar. Gemäß der 1 oder 2 ist die obere äußere Leiterstruktur 9 mit einer Anschlussstelle 11 der Multilayer-Leiterplatte 1 elektrisch verbunden. In der Anschlussstelle 11 ist eine Durchkontaktierung (Via) 13 ausgebildet.An example is the multilayer circuit board 1 in the 2 made up of a total of seven circuit board layers. Their conductor structures 7, 9 are arranged in a manner known per se with galvanic isolation between the input potential (primary side) and the at least one output potential (secondary side) such that there is generally no electrical connection between the transformer windings. The output potentials can be passed on to other layers (separately from the others) via a plated-through hole (via). If necessary, the different layers can be used for a secondary output. According to the 1 or 2 the upper outer conductor structure 9 is electrically connected to a connection point 11 of the multilayer printed circuit board 1 . A plated-through hole (via) 13 is formed in the connection point 11 .

Die in der Multilayer-Leiterplatte 1 ausgebildeten Leiterstrukturen 7, 9 sind gemäß der 1 oder 2 schleifenartig um einen mittleren Transformatorkern-Steg 15 eines Transformatorkerns 17 geführt. Der Transformatorkern 17 weist zusätzlich zwei weitere, außerhalb der Leiterstrukturen 7, 9 angeordnete Transformatorkern-Stege 15 auf. Die insgesamt drei Transformatorkern-Stege 15 verbinden zwei Brückenteile 19 miteinander, die beidseitig der Multilayer-Leiterplatte 1 angeordnet sind. Jeder der insgesamt drei Transformatorkern-Stege 15 ist durch einen entsprechenden Durchbruch 21 (3) der Multilayer-Leiterplatte 1 geführt.The formed in the multilayer printed circuit board 1 conductor structures 7, 9 are according to 1 or 2 looped around a central transformer core web 15 of a transformer core 17 out. In addition, the transformer core 17 has two further transformer core webs 15 arranged outside the conductor structures 7 , 9 . The total of three transformer core webs 15 connect two bridge parts 19 to one another, which are arranged on both sides of the multilayer printed circuit board 1 . Each of the three transformer core webs 15 is through a corresponding breakthrough 21 ( 3 ) of the multilayer printed circuit board 1.

Es ist hervorzuheben, dass die 2 bis 8 lediglich grob schematische Darstellungen sind, die den Aufbau eines Planartransformators nur insoweit wiedergeben, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. So sind in den Figuren jeweils lediglich eine breite Leiterbahn angedeutet. Tatsächlich besteht die breite Leiterbahn jedoch aus einer Vielzahl von Windungen. Zudem überragen in den 2, 7 und 8 die Brückenteile 19 die äußeren Einsatzteile 15 geringfügig. Im Hinblick auf reduzierte Materialkosten würden in einer tatsächlichen Ausführungsform die Brückenteile 19 unmittelbar an den äußeren Einsatzteilen 15 abschließen.It should be emphasized that the 2 until 8th are only roughly schematic representations that only reproduce the structure of a planar transformer to the extent that it is necessary for understanding the invention. Thus, only one wide conductor track is indicated in each of the figures. In fact, however, the wide conductor track consists of a large number of turns. Also tower in the 2 , 7 and 8th the bridge parts 19 the outer insert parts 15 slightly. In an actual embodiment, the bridge portions 19 would terminate directly at the outer insert portions 15 in view of reduced material costs.

In der 2 ist die an der Anschlussstelle 11 befindliche Durchkontaktierung (Via) 13 aus einem Bohrloch in der Multilayer-Leiterplatte 1 ausgebildet. Die Bohrloch-Innenseite ist in einem Metallisierungs-Prozess mit einer Metallschicht 23 zum Beispiel aus Kupfer metallisiert, um die Leiterstrukturen 7 im Inneren der Multilayer-Leiterplatte 1 mit der Anschlussstelle 11 elektrisch zu verbinden. Zudem sind die äußeren Leiterstrukturen 9 während des Metallisierungs-Prozesses ebenfalls mit einer Metallschicht 23 aufgedickt, um deren Stromtragfähigkeit zu steigern. Darüber hinaus sind auch (nicht gezeigte) Kontaktierungen möglich, die als sogenannte blind vias oder als buried vias realisiert sind, die zum Beispiel nur in den Innenlagen oder in einer bestimmten Zahl von Lagen vorhanden ist.In the 2 the via 13 located at the connection point 11 is formed from a drilled hole in the multilayer printed circuit board 1 . The inside of the borehole is metallized in a metallization process with a metal layer 23 made of copper, for example, in order to electrically connect the conductor structures 7 inside the multilayer circuit board 1 to the connection point 11 . In addition, the outer conductor structures 9 are also thickened with a metal layer 23 during the metallization process in order to increase their current-carrying capacity. In addition, contacts (not shown) are also possible, which are implemented as so-called blind vias or as buried vias, which are present, for example, only in the inner layers or in a certain number of layers.

Ein Kern der Erfindung besteht in dem mehrteiligen Aufbau des Transformatorkerns 17, bei dem die Transformatorkern-Stege 15 jeweils als von den Brückenteilen 19 separate Einsatzteile bereitgestellt sind. Dadurch ergeben sich im Fertigungsprozess zusätzliche Freiheitsgrade. Der Fertigungsprozess ist nachfolgend anhand der 3 bis 8 grob schematisch insoweit beschrieben, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. So wird gemäß der 3 zunächst die Multilayer-Leiterplatte 1 noch unbestückt inklusive Durchbruch 21 bereitgestellt. In einem Setzprozess (3) werden die Transformatorkern-Stege 15 als Einsatzteile, insbesondere als Material-Coins, unabhängig von den Brückenteilen 19 in den jeweiligen Durchbruch 21 der Multilayer-Leiterplatte 1 eingesetzt. Die Einsatzteile 15 sind derart bemessen, dass diese nahezu spielfrei einsetzbar sind, und zwar unter Bildung einer Vormontageeinheit.A core of the invention consists in the multi-part structure of the transformer core 17, in which the transformer core webs 15 are each provided as insert parts separate from the bridge parts 19. This results in additional degrees of freedom in the manufacturing process. The manufacturing process is shown below using the 3 until 8th described roughly schematically insofar as it is necessary for the Understanding of the invention is required. So according to the 3 First, the multilayer printed circuit board 1 is still unequipped including breakthrough 21 provided. In a setting process ( 3 ) The transformer core webs 15 are used as inserts, in particular as material coins, independently of the bridge parts 19 in the respective opening 21 of the multilayer printed circuit board 1. The insert parts 15 are dimensioned in such a way that they can be used with almost no play, specifically with the formation of a preassembled unit.

Im Hinblick auf eine Lagesicherung des jeweiligen Einsatzteils 15 im Durchbruch 21 der Multilayer-Leiterplatte 1 ist in jedem der Durchbrüche 21 ein Höhenanschlag 25 ausgebildet. Nach erfolgtem Setzprozess ist das jeweilige Einsatzteil 15 auf dem Höhenanschlag 25 (3) abgestützt. In der 3 ist der Höhenanschlag 25 als einen Innenwand-Stufe realisiert, an der ein setzseitiger, querschnittserweiterter Innenwand-Abschnitt 27 des Durchbruches 21 in einen querschnittsreduzierten Innenwand-Abschnitt 29 des Durchbruches 21 übergeht. Dazu konturangepasst ist das jeweilige Einsatzteil 15 mit einem querschnittserweiterten Einsatzteil-Abschnitt 31 und einem querschnittsreduzierten Einsatzteil-Abschnitt 33 ausgebildet.A vertical stop 25 is formed in each of the openings 21 with a view to securing the position of the respective insert part 15 in the opening 21 in the multilayer printed circuit board 1 . After the setting process has taken place, the respective insert part 15 is on the height stop 25 ( 3 ) supported. In the 3 the height stop 25 is implemented as an inner wall step, at which an inner wall section 27 of the opening 21 with an enlarged cross section on the setting side merges into an inner wall section 29 of the opening 21 with a reduced cross section. The respective insert part 15 is contour-adapted to this with an insert part section 31 with an enlarged cross section and an insert part section 33 with a reduced cross section.

Wie aus der 3 oder 4 weiter hervorgeht, ist zwischen dem jeweiligen Einsatzteil 15 und dem Durchbruch 21 eine Feder-/Nut-Verbindung realisiert. Hierzu weist das jeweilige Einsatzteil 15 in Umfangsrichtung eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Material-Nuten 35 auf, die sich in der Setzrichtung S erstrecken. Im Zusammenbauzustand ragen in die Material-Nuten 35 des Einsatzteils 15 korrespondierende Material-Vorsprünge 37 ein, die an der Innenwand des Durchbruches 21 der Multilayer-Leiterplatte 1 gebildet sind. Die Material-Nuten 35 sind gemäß der 3 und 4 im querschnittserweiterten Einsatzteil-Abschnitt 31 ausgebildet. Deren Nuttiefe t ist so bemessen, dass deren Nutböden 39 (4) ebenflächig in dem querschnittsreduzierten Einsatzteil-Abschnitt 33 übergehen.How from the 3 or 4 further shows that a tongue/groove connection is realized between the respective insert part 15 and the opening 21 . For this purpose, the respective insert part 15 has a plurality of material grooves 35 spaced apart from one another in the circumferential direction, which extend in the setting direction S. In the assembled state, corresponding material projections 37 formed on the inner wall of the opening 21 in the multilayer printed circuit board 1 protrude into the material grooves 35 of the insert part 15 . The material grooves 35 are in accordance with 3 and 4 formed in the insert part section 31 with the enlarged cross section. The groove depth t is dimensioned in such a way that the bottom of the groove is 39 ( 4 ) merge flatly into the insert part section 33 with reduced cross section.

Um eine Verliersicherung für die Einsatzteile 15 zu gewährleisten, sind folgende Maßnahmen getroffen: So sind die Öffnungsränder 41 jedes der Durchbrüche 21 der Multilayer-Leiterplatte 1 jeweils von einer potentialfreien Kupferleiterbahn 43 umzogen. Die Kupferleiterbahn 43 und eine Einsatzteil-Stirnseite 45 sind in etwa zueinander flächenbündig ausgerichtet (im eingesetzten Zustand des Einsatzteils 15). Zudem wird zwischen den Einsatzteilen 15 die äußere Leiterbahn 9 zumindest durch einen angedeuteten Lötstopplack 10 geschützt, damit durch die aufgebrachten Brückenteile 19 kein Kurzschluss entsteht.In order to ensure that the inserts 15 are not lost, the following measures have been taken: the opening edges 41 of each of the openings 21 in the multilayer printed circuit board 1 are each surrounded by a potential-free copper conductor track 43 . The copper conductor track 43 and an insert part end face 45 are aligned approximately flush with one another (when the insert part 15 is in the inserted state). In addition, the outer conductor track 9 is protected between the insert parts 15 at least by an indicated solder resist 10, so that the applied bridge parts 19 do not cause a short circuit.

Nach dem Setzprozess erfolgt der bereits erwähnte Metallisierungs-Prozess, bei dem sowohl auf die Einsatzteil-Stirnseite 45 als auch auf die Kupferleiterbahn 43 die Metallschicht 23 als Sicherungsmittel appliziert wird. Die Metallschicht 23 kann je nach Material des Einsatzteils 15 Kupfer und/oder Zinn sein. Die Verzinnung erfolgt nach dem Aufkupfern als Passivierung. Für den Fall, dass die Kupferleiterbahn 43 und das Einsatzteil 15 verzinnt worden sind, ist die Aufkupferung zuerst durchgeführt worden.After the setting process, the metallization process already mentioned takes place, in which the metal layer 23 is applied as a securing means both to the end face 45 of the insert part and to the copper conductor track 43 . Depending on the material of the insert part 15, the metal layer 23 can be copper and/or tin. The tinning takes place after the coppering as a passivation. In the event that the copper conductor track 43 and the insert part 15 have been tinned, the copper plating has been carried out first.

Der Setzprozess und der Metallisierungs-Prozess kann beispielhaft in einem Leiterplatten-Herstellungswerk erfolgen. Die dabei hergestellte Vormontageeinheit (5) kann zu einem weiteren Werk transferiert werden, in dem die Montage der Brückenteile 19 erfolgt. Je nach Fügeprozess kann auf die bereits mit der Metallschicht 23 (6) beschichteten Einsatzteil-Stirnseiten 45 ein Verbindungsmittel 24 (7) aufgetragen werden. Anschließend erfolgt eine Anbindung durch Löten, Bonden, Ultraschallschweißen oder dergleichen (8). Beim Bonden kann zum Beispiel kein Verbindungsmittel erforderlich sein.The setting process and the metallization process can take place in a circuit board manufacturing plant, for example. The pre-assembly unit produced ( 5 ) can be transferred to another plant where the assembly of the bridge parts 19 takes place. Depending on the joining process, the metal layer 23 ( 6 ) coated insert end faces 45 a connecting means 24 ( 7 ) are applied. A connection is then made by soldering, bonding, ultrasonic welding or the like ( 8th ). For example, bonding may not require a fastener.

BezugszeichenlisteReference List

11
Multilayer-Leiterplattemultilayer circuit board
33
elektrische Komponentenelectric components
55
Leiterplatten-LagenPCB Layers
77
innere Leiterstruktureninternal conductor structures
99
äußere Leiterstrukturenouter conductor structures
1010
Lötstopplacksoldermask
1111
Anschlussstellejunction
1313
Durchkontaktierungvia
1515
Transformatorkern-StegTransformer core web
1717
Transformatorkerntransformer core
1919
Brückenteilbridge part
2121
Durchbruchbreakthrough
2323
Metallschichtmetal layer
2424
Verbindungsmittellanyard
2525
Höhenanschlagaltitude stop
2727
querschnittserweiterter Innenwand-Abschnittcross-section enlarged inner wall section
2929
querschnittsreduzierter Innenwand-Abschnittinner wall section with reduced cross-section
3131
querschnittserweiterter Einsatzteil-AbschnittCross-sectionally expanded insert section
3333
querschnittsreduzierter Einsatzteil-Abschnittinsert section with reduced cross-section
3535
Material-Nutenmaterial grooves
3737
Material-Vorsprüngematerial protrusions
3939
Nutbodengroove bottom
4141
Öffnungsrandopening edge
4343
potentialfreie Kupferleiterbahnpotential-free copper track
4545
Einsatzteil-StirnseiteInsert end face
SS
Setzrichtungsetting direction
SPSP
Transformator-SchwerpunktTransformer Focus
tt
Nuttiefegroove depth

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3605564 A1 [0005]EP 3605564 A1 [0005]

Claims (10)

Planartransformator, der in einer Multilayer-Leiterplatte (1) eingebettet ist, die aus übereinander gestapelten, stoffschlüssig miteinander verbundenen Leiterplatten-Lagen (5) besteht, die jeweils Leiterstrukturen (7, 9), insbesondere Kupferleiterbahnen, aufweisen, wobei der Planartransformator mit einem Transformatorkern (17) ausgebildet ist, der beidseitig der Multilayer-Leiterplatte (1) jeweils ein Brückenteil (19) aufweist, die über zumindest einen Transformatorkern-Steg (15) ineinander übergehen, der durch einen Durchbruch (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern-Steg (15) als ein von den Brückenteilen (19) separates Einsatzteil bereitgestellt ist, und dass insbesondere in einem Setzprozess das Einsatzteil (15), insbesondere als ein Material-Coin, unabhängig von den Brückenteilen (19) in den Durchbruch (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) einsetzbar ist, und in einem folgenden Fügeprozess die Brückenteile (19) an das Einsatzteil (15) anbindbar sind.Planar transformer which is embedded in a multilayer printed circuit board (1), which consists of printed circuit board layers (5) stacked on top of one another and bonded to one another, each having conductor structures (7, 9), in particular copper conductor tracks, the planar transformer having a transformer core (17) which has a bridge part (19) on each side of the multilayer printed circuit board (1) which merge into one another via at least one transformer core web (15) which passes through an opening (21) in the multilayer printed circuit board (1) is guided, characterized in that the transformer core web (15) is provided as an insert part separate from the bridge parts (19), and in that in particular in a setting process the insert part (15), in particular as a material coin, is independent of the bridge parts (19) in the breakthrough (21) of the multilayer printed circuit board (1) can be used, and in a subsequent joining process, the bridge parts (19) to the one spare part (15) can be connected. Planartransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator Sicherungsmittel zur Lagesicherung des Einsatzteils (15) im Durchbruch (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) aufweist.planar transformer claim 1 , characterized in that the planar transformer has securing means for securing the position of the insert part (15) in the opening (21) in the multilayer printed circuit board (1). Planartransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmittel zumindest einen Höhenanschlag (25) aufweisen, der an der Innenwand des Durchbruches (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) ausgebildet ist, und dass nach erfolgtem Setzprozess das Einsatzteil (15) auf dem Höhenanschlag (25) abgestützt ist.planar transformer claim 1 , characterized in that the securing means have at least one vertical stop (25) which is formed on the inner wall of the opening (21) in the multilayer printed circuit board (1), and that after the setting process has taken place the insert part (15) on the vertical stop (25) is supported. Planartransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenanschlag (25) eine Innenwandstufe ist, an der ein setzseitiger, querschnittserweiterter Innenwand-Abschnitt (27) in einen querschnittsreduzierten Innenwand-Abschnitt (29) des Durchbruches (21) übergeht, und dass insbesondere das Einsatzteil (15) daran konturangepasste querschnittserweiterte und querschnittsreduzierte Abschnitte (31, 33) aufweist.planar transformer claim 3 , characterized in that the vertical stop (25) is an inner wall step at which a cross-section-widened inner wall section (27) on the setting side transitions into a cross-section-reduced inner wall section (29) of the opening (21), and in that in particular the insert part (15) it has sections (31, 33) that are contour-adapted in cross-section and have a larger cross-section. Planartransformator nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmittel eine Feder-/Nut-Verbindung aufweisen, bei der das Einsatzteil (15) in Umfangsrichtung eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Material-Nuten (35) aufweist, die sich insbesondere in der Setzrichtung (S) erstrecken, und dass in einem Zusammenbauzustand in die Material-Nuten (35) des Einsatzteils (15) korrespondierende Material-Vorsprünge (37) einragen, die an der Innenwand des Durchbruches (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) gebildet sind.Planar transformer according to one of claims 2 , 3 or 4 , characterized in that the securing means have a tongue/groove connection, in which the insert part (15) has a plurality of material grooves (35) spaced apart from one another in the circumferential direction, which extend in particular in the setting direction (S), and that in an assembled state project into the material grooves (35) of the insert (15) corresponding material projections (37) which are formed on the inner wall of the opening (21) of the multilayer printed circuit board (1). Planartransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Material-Nuten (35) im querschnittserweiterten Einsatzteil-Abschnitt (31) ausgebildet sind, und dass insbesondere deren Nuttiefe (t) so bemessen ist, dass deren Nutböden (39) ebenflächig in den querschnittsreduzierten Einsatzteil-Abschnitt (33) übergehen.planar transformer claim 5 , characterized in that the material grooves (35) are formed in the insert part section (31) with the enlarged cross section, and in that in particular their groove depth (t) is dimensioned in such a way that their groove bottoms (39) penetrate evenly into the insert part section with the reduced cross section (33 ) pass. Planartransformator nach einem der Ansprüche 2, bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsrand (41) des Durchbruches (21) der Multilayer-Leiterplatte (1) von einer potentialfreien Metallleiterbahn (43) umzogen ist, und dass insbesondere die Metallleiterbahn (43) und eine Einsatz-Stirnseite (45) in etwa zueinander flächenbündig ausgerichtet sind, und dass nach dem Setzprozess ein Metallisierungs-Prozess erfolgt, bei dem auf die Einsatzteil-Stirnseite (45) und auf die Metallleiterbahn (43) eine Metallschicht (23), etwa aus Kupfer und/oder Zinn, als Sicherungsmittel applizierbar ist.Planar transformer according to one of claims 2 , to 6, characterized in that an opening edge (41) of the opening (21) of the multilayer printed circuit board (1) is surrounded by a potential-free metal conductor track (43), and that in particular the metal conductor track (43) and an insert end face (45 ) are aligned approximately flush with one another, and that after the setting process a metallization process takes place, in which a metal layer (23), for example made of copper and/or tin, can be applied as a means of security. Planartransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallisierungs-Prozess zusätzlich die außen liegenden Leiterstrukturen (9) der Multilayer-Leiterplatte (1) aufdickbar sind, und/oder im Metallisierungs-Prozess eine Durchkontaktierung (13) erfolgt, bei der Leiterstrukturen (7, 9) unterschiedlicher Leiterplatten-Lagen (5) miteinander elektrisch verbindbar sind.planar transformer claim 7 , characterized in that the external conductor structures (9) of the multilayer printed circuit board (1) can also be thickened in the metallization process, and/or through-plating (13) takes place in the metallization process, in which conductor structures (7, 9) different printed circuit board layers (5) can be electrically connected to one another. Planartransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenbauzustand das jeweilige Brückenteil (19) über ein Verbindungsmittel (24) an der zugeordneten Einsatzteil-Stirnseite (45) angebunden ist, und dass insbesondere die Anbindung durch Löten, Bonden, Ultraschallschweißen oder dergleichen erfolgt.Planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that in the assembled state the respective bridge part (19) is connected to the associated end face (45) of the insert part via a connecting means (24), and that in particular the connection is made by soldering, bonding, ultrasonic welding or the like he follows. Verfahren zur Herstellung eines Planartransformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Method for manufacturing a planar transformer according to one of the preceding claims.
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Citations (4)

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GB2572951A (en) 2018-04-12 2019-10-23 Icergi Ltd A method of manufacture of a gate drive circuit and a gate drive circuit
EP3605564A1 (en) 2018-07-30 2020-02-05 AT & S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier comprising embedded inductor with an inlay

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