DE1564910A1 - Induktives Bauelement fuer die Nachrichtentechnik mit geschlossenem ferromagnetischem Kern,insbesondere fuer Hochfrequenz - Google Patents
Induktives Bauelement fuer die Nachrichtentechnik mit geschlossenem ferromagnetischem Kern,insbesondere fuer HochfrequenzInfo
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- H01F2017/0053—Printed inductances with means to reduce eddy currents
Description
TELEFUNKEN · 21.März I969
ΡΤ-ΒΚ/Vo/d Patentverwertungsgesellschaft m.b.H. W 6570
Induktives Bauelement für die Nachrichtentechnik mit geschlossenem
ferromagnetischen Kern, insbesondere für
Hochfrequenz
Beim derzeitigen in der Nachrichtentechnik bestehenden Trend
zur Miniaturisierung und Integration von Bauelementen und
Schaltungen, insbesondere für Hochfrequenz, sind die induktiven Bauelemente mit geschlossenem ferromagnetischen Kern,
d.h. Spulen und Übertrager, gegenüber Widerständen, Kondensatoren
und Halbleitern bekanntlich stark benachteiligt, so
daß bereits Bemühungen im Gange sind, sie durch kompliziertere
Schaltungen aus den letzteren Bauelementen zu ersetzen· Da solche Verfahren jedoch mit anderen Nachteilen verbunden und
vermutlich auch nur für gewisse Anwendungen geeignet sein werden, besteht die Aufgabe, nach besseren Formen und Herstellungstechnologien
für induktive Bauelemente zu suchen.
Die Nachteile des klassischen induktiven Bauelementes beziehen sich vor allem auf den Bewicklungsvorgang, der bei abnehmenden
Abmessungen zu einem immer größeren Platzverlust durch Spulenkörper
und verstärkte Wicklungsenden führt und beim Übergang zu kleinen Ringkernen für Übertrager zum Einsatz teurer, spezieller
Wi cki* !maschinen oder gar zum mühsamen Bewickeln von Hand. Auch
bezüglich dor Form ist die klassisch hergestellte Spule d-en
Forderungen der modernen Schaltungstechnik häufig nur sehr
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schlecht anzupassen. So wären z.B. für die sogenannte Modulbauweise
ι bei der Leiterbahnen, Widerstände und mitunter auch Kondensatoren auf dünne keramische Trägerplatten aufgedruckt
und die Trägerplatten, nach Bestückung mit weiteren Bauelementen gestapelt werden, besonders flache Spulen und Übertrager erwünscht,
deren Herstellung zudem so weit als möglich integrierbar sein sollte»
Man hat zwar schon versucht, die klassische Bewicklung durch
Aufdrucken auf den Kern zu ersetzen, jedoch führt die räumlich komplizierte, mehr- oder gar vielfache Umschlingung des Kernes,
insbesondere im Fall eisengeschlossener Kreise, oder bei den bekannten Topfkernen aus f e rr oma gne ti schein Werkstoff, die mit
einer wirbelstromverhindernden Unterbrechung versehen sind, zu erheblichen Schwierigkeiten, wenn man versucht, diese Technik
zu integrieren und zu automatisieren«
Das Ziel der Erfindung ist es daher, ein induktives Bauelement der Nachrichtentechnik mit geschlossenem ferroinagnetischen Kerni
der mit einer wirbelstromverhindernden Unterbrechung versehen ist, insbesondere für Hochfrequenz, zu schaffen, da-s sich in
einer weitgehend integrierten, wirtschaftlichen Technologie '*
herstellen läßt und zugleich eine große Freiheit in der Formgebung zuläßt, insbesondere auch eine sehr flache Form begünstigt.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß tier g~eschlossene
Kern aus einem Überzug mit einer dünnen metallischen magnetischen Schicht auf der isolierten Wicklung oder aus mehreren
voneinander isolierten solchen Schichten besteht, und daß*'"'"
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W 6570 BAD°*IG'NAL - 3 -
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die Schicht bzw. die Schichten die wirbelstromverhindernde Unterbrechung aufweisen.
Die magnetischen Schichten werden vorzugsweise stromlos oder galvanisch aufgebracht. Vor der Abscheidung der magnetischen
Schichten auf der Spulenoberfläche werden deren Hohlräume und
Unregelmäßigkeiten durch einen geeigneten isolierenden Überzug ausgeglättet.
Es ist eine gedruckte Schaltung mit auf einer Isolierstoff-Tr&gerplatte
aufgebrachten Spiralwindungen einer Induktivität bekannt, bei der diese Windung einseitig oder beidseitig der
Trägerplatte mit einer Schicht oder Scheibe aus ferromagnetischem
Material,insbesondere stark in sich geschertem ferromagnetischen
Material besteht· Diese Schicht oder Scheibe ist wesentlich dicker (etwa 0,3 min) als die dünnen, aus Metall bestehenden
Schichten beim erfindungsgemäßen Bauelement. Im übrigen sind
bei der bekannten gedruckten Schaltung die magnetischen Schichten
nicht magnetisch geschlossen, sondern durch die isolierende Trägerplatte unterbrochen.
Es ist auch schon bekannt, einzelne blanke Drähte oder auch
Kreuzungsstellen mehrerer isolierter Drähte oder gedruckter Leiter mit einer speicherfähigen magnetischen Metallschicht
zu überziehen. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei der Erfindung aber um die Umhüllung von vorgefertigten Luftspulen
beliebiger Form, die auch aus mehreren Wicklungen bestehen können, mit einem ein- oder mehrschichtigen metallischen
magnetischen Niederschlag. Die Erfindung zielt dabei auf
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- Z1 - I O Ό Η V IU
sogenannte lineare induktive Bauelemente ab, also auf Schwingkreis-
und Filterspulen sowie Übertrager.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Bauelemente für die Miniaturisierung
und Integration sind erheblich: Der durch die magnetischen Schichten gebildete ferromagnetische Kern zwingt
der Spule im Gegensatz zu normalen Kernen keine einengenden Toleranzforderungen auf; er entsteht außerdem ohne speziellet
teure Werkzeuge und paßt sich trotzdem den kompliziertesten und feinsten Spulenstrukturen an. Da die magnetischen Hüllschichten
durch widerholtes Eintauchen in verschiedene chemische
Bäder entstehen und, bei geeigneter Formgebung, auch die Wicklung mit Hilfe der Foto-Ätztechnik in verwandter Weise
hergestellt werden kann, ergibt sich insgesamt eine homogene, integrierte Herstellungstechnik mit entsprechenden wirtschaftlichen
Vorteilen·
Das erfindungsgemäße Bauelement unterliegt bezüglich der Formgebung
praktisch keinen Beschränkungen. Man kann z.B· von einer winzigen konventionellen, ohne tragenden Spulenkörper gewickelten zylindrischen Luftspule ausgehen, die wiederum aus mehreren
Teilwicklungen bestehen kann. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen induktiven Bauelementes nach der Erfindung ist in Fig.
dargestellt. Diese zeigt schematisch den durch die Zylinderachse geführten Querschnitt durch ein solches Bauelement in
Gestalt eines Übertragers mit zwei Übei ti agerwicklungen 1 und 2,
dem glättenden und isolierenden Überzug 3» den dünnen metallischen magnetischen Schichten kt 51 6 und den isolierenden Zwischen-
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schichten ^a1 5a. Die Dicke und Permeabilität bzw. Hystereseschleifen der magnetischen Schichten müssen dem Verwendungszweck
und dem Frequenzbereich, ihre Anzahl der geforderten Induktivität bzw. dem maximal verlangten Fluß-Hub angepaßt
werden* Im Interesse der Deutlichkeit sind in Fig. 1 alle
Schichten mit stark übertriebener Dicke dargestellt« Der Durchmesser eines solchen Übertragers kann sehr klein sein,
z,B„ 3 min oder noch darunter· Bei Ul sind die Metallschichtan
in Richtung des magnetischen Flusses ringsherum unterbrochen! um die Ausbildung unerwünschter Wirbeletröme in ihnen zu verhindern·
Man kann aber auch leicht zu äußerst flachen induktiven Bauelementen
nach der Erfindung gelangen, wie sie für moderne Schaltungstechniken erwünscht und bisher noch nicht verfügbar
sind« Für die weiter oben bereits erwähnte Modulbauweise, kann
man ζ*Β* von einer flachen Spiralwicklung ausgehen, die aus
der Kupferkaschierung einer Kunststoff«Folie um eine zentrale
Fensteröffnung herum herausgeätzt ist« Sie wird zunächst allseitig
mit einer Isolierschicht überzogen und anschließend mit einer oder mehrerens jeweils isolierten magnetischen Schichten
elektrochemisch oder galvanisch umhüllt« Man erhält so ein
äußerst flaches induktives Bauelement mit geschlossenem magnetischen Kreis und entsprechend geringex* magnetischer Streuung
in den Außenraum. Bei Verwendung einer beidseitig kaschierten Folie kann man sogar in einem Schritt ein Paar dicht übereinander
liegender Spiralwicklungen gleichen Wicklungssinns herstellen, die man in Reihe schaltet und dann gemeinsam mit
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ν» \J T yJi ι ν/
den magnetischen Schichten umhüllt. In derselben Weise kann iqan einen flachen Übertrager herstellen, indem man den beiden,
auf den beiden Seiten der doppelt kupferkaschierten Folie
freigeätzten Spiralwicklungen die Funktion der Primär- und der Sekundärwicklung zuordnet. Zu einem flachen Übertrager
mit höheren Windungszahlen und mehr als zwei Wicklungen kann man auch gelangen, indem man in obenbeschriebener Weise alle
Wicklungen als doppelseitige Spiralen auf doppelt kupferkaschierten Folien um etnFtnster herum freiätzt, nach Iso-?
lation der Leiterzüge zu einer körperlichen Einheit mit übereinander
liegenden Fenstern verklebt und danach gemeinsam mit
den magnetischen Metall*«hiehten überzieht.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann man die Eigenkapazität solcher Doppelspira!wicklungen dadurch sehr
klein halten, daß man die Leiterbahnen auf der einen Seite
der Trägerfolie überwiegend auf die Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen der anderen Seite fallen läßt. Fig. 2 und
zeigen ein Beispiel einer solchen Spiralspule in teilweise geschnittener Draufsicht bzw. im Querschnitt. Auf der oberen
bzw. unteren Seite der Trägerfolie 7 umkreisen die aus der Kupferkaschierung herausgeätzten Spiralwicklungen 0 bzw. 9
das zentrale Fenster 10. Sie sind an ihren inneren Enden 11 mittels Durchplattierung miteinander verbunden und haben,
von einer Seite aus gesehen, gleichen Wicklungssinn. 8a und 9a sind die Enden der Spiralwicklung, an denen diese mit der
Schaltung verbunden wird. Im Interesse einer kleinen Wicklungskapazität sind die Windungen beider Seiten tun Gangbreite gegen-
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einander versetzt, und die mit Rücksicht auf den Wicklungssinn erforderlichen Überkreuzungen sind daher auf kleine Bereiche
konzentriert (schematisch sichtbar in der aufgeschnittenen Zone der Fig. 2)· Spule und Trägerfolie sind zunächst
mit einer Isolierschicht 12 umhülltc deren Dicke mit Rücksicht
auf die Eigenkapazität nicht zu klein »ein darf· Sie kann z.B.
durch Lackierung, vorteilhaft durch elektrophoretisches Lakkieren,
aufgebracht werden« Darüber folgen daxin die magnetischen
Ilüllechichten 13 und l4f die durch eine isolierende
Zwischenschicht 15 voneinander getrennt sind· Diese Zwischenschichten,
an deren Xsolationsvermögen nur verhältnismäßig geringe Anforderungen gestellt werden, können z.Ba aus Lack
oder aus Kupferoxyd bestehen, das durch stromlose Verkupferung mit anschließender naßchemiccher Oxydation hergestellt wird.
Alle Leiterbahnen und Schichten sind in Fig. 3 zur Verdeutlichung
mit übertriebener Dicke dargestellt. Die Abscheidung der magnetischen Schichten erfolgt in bekannter Weise. Im Fall
einer galvanischen Abscheidung muß jeweils der Niederschlag einer dünnen leitfähigen Unterschicht vorangehen» z.B. in
Form einer dünnen stromlosen Verkupferung. Da die meisten genannten Verfahrensschritte durch Eintauchen in Bäder erfolgen
können, ergibt sich für das induktive Bauelement nach der Erfindung eine verhältnismäßig homogene, automatisierbare
Technologie.
Spulen ähnlicher Art können auch auf dünnen keramischen Trägerplatten
hergestellt werden, wodurch eine noch bessere Anpassung an die obengenannte Modulbauweise und eine hohe elektrische
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W 657° BAD ORlGiHAL - 8 -
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Stabilität ermöglicht wird. Die Fig. k bzw. 5 zeigen hierfür
schematisch ein Ausführungsbeispiel im Querschnitt bzw. in Draufsicht. Die keramische Trägerplatte l6 ist in ihrem linke»
Teil durch einen Trennungsschlitz 17 und einen Fensterdurch bruch l8 zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Spule eingerichtet.
Die Spiralwicklung 19 und 20 mit ihren Anschlußenden 19a und
20a wird im bekannten Siebdruckverfahren auf einer oder auf
beiden Seiten der Keramikplatte aufgebracht und eingebrannt» ebenso wie die übrige Schaltung auf dem freigelassenen rechten
Plattenteil. Die Wicklung kann auch nur aus einer Wicklung auf einer Seite der Platte bestehen. Im Zuge dieser Arbeitsgänge
wird die Wicklung mit einer isolierenden Glasur ausreichender Dicke ("Uberkreuzungspaste") überzogen. Nach Vorliegen der
kompletten Siebdruckschaltung wird die Spiralwicklung abschlies- send in der bereits oben geschilderten Weise und unter Abdeckung
der übrigen Schaltung mit einer oder mehreren magnetischen Metallschichten umhüllt und auf den erforderlichen Induktivitätswert
gebracht. Im Fall eines Übertragers mit zwei Wicklungen können die beiden Spiralen 19 und 20 der Fig. k und 5 mit entsprechenden
Windungszahlen als Primär- und Sekundärwicklung fungieren. Die Herausführung der beiden inneren Wicklungsenden
über die bereits gedruckte Spiralwicklung hinweg kann dann in
bereits bekannter Wuise durch Aufdrucken und Einbrennen einer "Uberkreuzungspaste" vorgenommen werden.
Spulen der geschilderten Art können auch, wie in Fig. 6 schematisch
dargestellt ist, an beliebige andere Stellen der Modul-Trägerplatte
gesetzt werden, indem der eigentliche, schraffiert
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dargestellte Trägerbereich 21 durch mehrere Trennung»schlitze
22, 23t 2'4» 25 von der übrigen Platte getrennt wird·
In den Fig. 2 bis 6 sind U2, U3, Vk die wirbelatronjyerhindernden
Unterbrechungen der Metallschichten·
Die Dicke der auf die Spulenoberfläche aufgebrachten Me;tall-
schichten wird) mit Rücksicht auf den magnetischen Skineffekt,
dem vorgesehenen Frequenzgebiet und dem speziellen Anwendung*-
zweck angepaßt« Im Fall von Schwingkreis- oder Filterspulen muß die Grenzfrequenz der Schichten mit Rücksicht auf die
Spulengüte genügend weit oberhalb der Arbeitefrequenz liegen, d.h. die Schicht muß ausreichend dünn sein· Die elektrochemische
oder galvanische Abscheidung läßt jedoch ohne Schwierigkeiten wesentlich kleinere Schichtdicken zu als das klassische Auswalzen dünner Bänder· Für Ubertragerzwecke können im gleichen
Frequenzgebiet dickere Schichten verwendet werden* Die erforderliche Anzahl von übereinander aufgebrachten Einzelschichten
richtet sich unter anderem nach der bei der Anwendung j gefor
derten Spulengüte oder dem erforderlichen maximalen magnetischen
Fluß-IIub. In manchen Auwendungsfällen genügt bereits eine einzige
Schicht.
Als Werkstoffe für die die Spule umhüllende magnetische Schicht sind vox' allem die bekannten Eisennickel-Legierungen mit etwa
3ri Ms öl )ί Nickel vorteilhaft, die man nach dem heutigen Stand
dir Technik ohne Schwierigkeiten mit befriedigender Reproduzierbar!:.j
i.t elektrochemisch öler elektrolytisch abschneiden kann.
I)i-3 f'ix voxscb i eden<3 Aiiwoudu:igen geeigneten Zusammensetzungen
9 0 9 fL^>
1 / 1 D 7 Q
wä'lilt man nach ■ bakannten Flegeln aus, also z.B. hochpermeable
W Γ170 ' " «; - 10 -
' SAD ORIGINAL
Legierungen vom Permalloyty]p für Übertrager und niederfrequenzte
Filterspulen, andere Legierungen mit kleinen Wechselfeldverlusten für verlustarme hochfrequente Filterspulen. Auch mit
Hilfe der Abscheidungsbedi-ngungen (z.B. Stromdichte uijd; I?H-r
Wert) kann man einen wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaften der magnetischen Hüllschichten ausüben und sich damit vorteilhaft an die speziellen Forderungen seitens der Anwendung anpassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung läßt sich das
erfindungsgemäße induktive Bauelement in einfacher Veif* während der Herstellung auf einen vorgeschriebenen Induktivitätswert bringen, indem man während der Abscheidung d§r letzten
äußeren Hüllschicht die Spuleninduktivität laufend «ißt und
bei Erreichung des Sollwertes die Abscheidung manuell Oder
automatisch abbricht, z.B. durch Abschalten des Stromes im
Fall einer galvanischen Abscheidung.
BAD OR/GlNAl
w 6570 909851/1079
Claims (1)
- Patentansprüchel) Induktive· Bauelement der Nachrichtentechnik mit geschlossenem ffrroeagnetischen Kern, der mit einer wirbeistroraverhi»yie.rnden Unterbrechung versehen ist, insbesondere für Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kern aus einem Überzug mit einer dünnen metallischen magnetischen Schicht auf der isolierten Wicklung (l, 2) oder aus mehreren voneinander isolierten solchen Schichten (4, 5, 6) besteht, und daß die Schicht bzw· die Schichten die wirbelstromverhincTernde Unterbrechung (Ul} aufweisen. (Fig. 1).2) Verfahren zur Herstellung von induktiven Bauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Luftspule mit einem elektrisch isolierenden, die Oberfläche ausglättenden Überzug versehen und anschließend stromlos mit einer oder mehreren gegeneinander isolierten magneti- ' sehen Metallschichten überzogen wird.3) Verfahren zur Herstellung von induktiven Bauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte Luftspule mit einem elektrisch isolierenden, die Oberfläche ausglättenden ÜUex*zug versehen und anschließend galvanisch mit einer oder mehreren gegeneinander isolierten magnetischen Metallschichten überzogen wird.Unterlagen (Art 7 § I Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Änderunswjee. v. 4. 9.19Cw 6570 909851/1079 . . 12 .BADJi) Verfahren zur Herstellung von induktiven Bauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht zwischen aufeinanderfolgenden magnetischen Schichten durch stromloses Aufbringen einer dünnen Kupferschicht mit anschließender naßchemischer Oxydation derselben hergestellt wird.5") Verfahren zur Herstellung von induktiven Bauelementen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abscheidung der letzten äußeren magnetischen Schicht die Spuleninduktivität laufend gemessen wird und die Abscheidung bei Erreichung des vorgeschriebenen Viertes manuell oder automatisch abgebrochen wird*6) Induktives Bauelement nach Anspruch 1 in Form einer flachen Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einer auf kupferkaschierter Isolierstoff-Folie im Foto-Ätzverfahren hergestellten Spiralwicklung mit zentralem Fensterdurchbruch besteht, die mit der (den voneinander isolierten) magnetischen Schicht(en) umhüllt ist.7) Induktives Bauelement nach Anspruch 1 in Form einer flachen Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus zwei Spiral wicklungen besteht, die auf den beiden Seiten einer doppelt kupferkaschierten Isolierstoff-Folie um einen Fensterdurchbruch herum freigeätzt, im gleichen Wicklungssinn in Reihew 6570 - 13 -909851/1079 ö4r%S*D ORIGINALgeschaltet und gemeinsam mit der (den voneinander isolierten) magnetischen Schicht(en) umhüllt sind.8) Induktives Bauelement nach Anspruch 1 in Form eines flachen Übertragers, gekennzeichnet durch zwei Spiralwicklungen, die auf die beiden Seiten einer doppelt kupferkaschierten Isolierstoff-Folie um einen Fensterdurchbruch herum freigeätzt und mit der (den Voneinander isolierten) magnetischen Schicht(en) umhüllt sind.9) Induktives Bauelement nach Anspruch 1 in Form eines flachen Übertragers, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wicklungen als doppelseitige Spiralwicklungen auf doppelt kupferkaschierten Isolierstoff-Folien um ein Fenster herum freigeätzt, mit einer Isolierschicht überzogen, zu einer körperlichen Einheit mit übereinanderliegenden Fenstern verklebt und gemeinsam mit der (den) magnetischen Schicht fen) umhüllt sind«10) Induktives Bauelement nach den Ansprüchen 7 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß die spiraligen Leiterbahnen (8) auf der einen Seite der Isolierstoff-Folie (?) zum größten Teil auf die Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen (9) der anderen, Seite zu liegen kommen (Fig» 2 und 3)»11) Induktives Bauelement Mach Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet, daß die Spule auf einer oder auf beiden Seiten eisier Icerami-w. &5.70 · 9 0 9 3 5 1/10 7 9 *-ihBAD ORIGINAL-löTrägerplatte um ein zentrales Mittelloch herum auf- ■ gebracht, mit einer Isolationsschicht überzogen und mit der (den voneinander isolierten) magnetischen Metallschicht(en) umhüllt ist.β37° 909851/1079Leerseite
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