DE1764449A1

DE1764449A1 - Coil and process for its manufacture

Info

Publication number: DE1764449A1
Application number: DE19681764449
Authority: DE
Inventors: Weber Roger Lewis
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1967-06-09
Filing date: 1968-06-07
Publication date: 1971-07-22

Description

Spule sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule, welche aus einem magnetisierbaren Kern und einem. um den Kern geschlungenen elektrischen Leiter besteht. Vorzugsweise handelt es sich um eine Toroidspule mit einem Kern aus Eisen- oder Ferritmaterial, der zumindest-teils weise von einem elektrischen Leiter, beispielsweise aus Kupfer, wendelförmig umschlungen ist.Coil and process for its manufacture. The invention relates to a method for producing a coil which consists of a magnetizable core and one. there is an electrical conductor looped around the core. Preferably acts it is a toroidal coil with a core made of iron or ferrite material, which is at least partly wise wrapped in a spiral shape by an electrical conductor, for example made of copper is.

In bekannter Weise wird dieser elektrische Leiter von Hand oder durch eiue.Wiekelmasehine auf den Kern aufgebracht. Die in der Elektronik verwendeten Spulen der vorgenannten Art sind sehr klein. Ihr Außendurchmesser beträgt beispiels- weise 2,5 am bei einem Lochdurchmesser von nur 1,5 mm. Daher ist das Bewickeln ein teurer Arbeitsgang. Auch ist der '' Ausschuß bei diesen Spulen relativ groß. Beim Einbau dieser Spulen muß auf deren Lage geachtet werden, da die Drahtender; ton nur einer der Stirnflächen wegführen, d.h. die ßpalex. ist in b-ezug auf einen Schnitt senkrecht zur Spulenachse gneetrisch.In a known manner, this electrical conductor is applied to the core by hand or by eiue.Wiekelmasehine. The coils of the aforementioned type used in electronics are very small. Their outside diameter is, for example, 2.5 μm with a hole diameter of only 1.5 mm. Therefore , wrapping is an expensive operation. The '' rejects are also relatively large with these coils. When installing these coils , attention must be paid to their position, as the wire ends; lead away ton only one of the end faces, ie the ßpalex. is in b-ezug on a section perpendicular to the coil axis gneetrisch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der Nachteile der bekannten Herstellverfshren, indem erfinäungegemäß die gesamte Kernoberfläche mit einer Metallschicht vora4h4m wird, die sodann in solchen Bereichen entfernt wird, daß der auf dem gern verbleibende.Teil der Metallschicht einen fortlaufenden, den lern wendelförmig umgebenden Streifen b11-det.The object of the present invention is to avoid the disadvantages of the known manufacturing processes by, in accordance with the invention, the entire core surface is provided with a metal layer, which is then removed in such areas that the part of the metal layer that remains on the part of the metal layer is a continuous strip surrounding the lern helically b11-det.

Vorzugsweise wird die Metallschicht mit einer lichtempfindlichen Schicht überzogen und der gern sodann in eine insbe- sondere dreidimensionale Maske eingesetzt, welche insbesondere an ihren dem Kern zugekehrten Oberflächen ein lichtundurchlässiges Streifenmuster.aufweist. Die Maske wird sodann allee-tig Lieht ausgesetzt, so daß die Photoachicht, die nicht durch das Streifenmuster abgedeckt ist, belichtet wird. Die belichtete Schicht wird sodann abgewaschen und die darunterliegende Metallschicht abgeätzt. Es kann jedoch auch eine Photoschicht verwendet werden, die, wenn sie belichtet wird, mit der darunterliegenden Metallschicht zu einem Isolator reagiert. The metal layer is preferably coated with a light-sensitive layer and this is then used in a particularly three-dimensional mask , which has an opaque stripe pattern in particular on its surfaces facing the core. The mask is then exposed to light, so that the photographic layer which is not covered by the striped pattern is exposed. The exposed layer is then washed off and the underlying metal layer is etched off. However, a photo layer can also be used which, when exposed, reacts with the underlying metal layer to form an insulator.

Die nicht belichtete Photoschicht kann als Isolator auf der stehengebliebenen Metallschicht verbleiben. Jedoch ist es auch möglich, die nicht belichtete Phatoschicht zu entfernen und die ganze Spule mit hack zu überziehen.The non-exposed photo layer can act as an insulator on the remaining Metal layer remain. However, it is also possible to use the non-exposed phato layer remove and coat the whole coil with hack.

Diejenigen photoempfindlichen Materialien, die mit der Metallschicht des Spulenkerns nicht reagieren, dienen also lediglich zur Herstellung einer Maske für das nachfolgende Ätzen. Diese passiven Photomaterialien können in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich in sogenannte positive und in sogenannte negative Materialien. Bei der Verwendung positiver Materialien können die belichteten Bereiche, die durch das erwähnte Streifenmuster nicht abgedeckt waren, nachfolgend durch eine chemische Behandlung entfernt werden, so daß die entsprechenden Bereiche der Metallschicht frei liegen. Bei der Verwendung negativer, photoempfindlicher Materialien lassen sich ,diejenigen" Bereiche der Photosicht entfernen, die nicht belichtet wurden. Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Fig..1 die perspektivische Ansicht einer herkömmlichen, drahtbewickelten Ringspule; Fig.2a einen zur Belichtung vorbereiteten Kern, dessen Oberfläche einen kontinuierlichen Metallfilm aufweist, welcher in der Zeichnung zum Teil weg- gebrochen ist; .Those photosensitive materials that do not react with the metal layer of the coil core are only used to produce a mask for the subsequent etching. These passive photographic materials can be divided into two groups, namely into so-called positive and into so-called negative materials. When using positive materials, the exposed areas which were not covered by the striped pattern mentioned can subsequently be removed by a chemical treatment so that the corresponding areas of the metal layer are exposed. When using negative, photosensitive materials, "those" areas of the photo view which have not been exposed can be removed. The invention is explained with reference to the figures core prepared for exposure, the surface of which has a continuous metal film , which is partially broken away in the drawing;

Fig.2b den unteren Teil einer dreidimensionalen Maske; wie sie beim erfindungsgemäßen Verfahren verwen-det wird, wobei zur Verdeutlichung der Darstellung ein Teil weggebrochen wurde; Fig.2c den oberen Teil der dreidimensionalen Maske, und Fig.3 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ringspule mit einem an ihrer Oberfläche fest angeordneten, kontinuierlichen Metallstreifen In Pig.1 ist eine konventionelle, mit Draht bewickelte Toroidspule 1 dargestellt. Ein fortlaufender isolierter Draht 2 ist hierbei um den Spulenkörper 3 gewickelt, wobei das Auf- wickeln des Drahtes 2 entweder von Hand oder durch eine Wickel maschine erfolgt. Aufgrund des Umstandes, daß die Enden des Leiterdrahts 2 von einer der beiden Oberflächen 4 des Spul enkörpers 3 weggeführt werden müssen, muß der Induktor 1 ent-sprechend derjenigen Oberfläche 4 ausgerichtet werden, die auf eine Befestigungsunterlage gesetzt werden soll. In Fig. 2a. ist ein Spulenkörper 5 gezeigt, wie er zur Herstellung einer Toroidspule gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird. Der Spulenkörper 5 besteht aus einem der handelsüblichen magnetischen Kernmaterialien, wie beispielsweise Eisenpulver oder einem der Ferritpulver. Diese Kernmaterialien sind entweder wie dae Eisenpulver elektrisch leitend oder stellen Isolatoren dar, wie beispielsweise die Ferrite. Wenn der Spulenkörper aus elektrisch leitendem Ma-. terial, wie Eisen, besteht, muß eine (nicht dargestellte) isolierende Oberflächenschicht auf den Kern aufgebracht werden, wie beispielsweise hack oder Glas, damit die "Windungen" der Spule nicht über den Kern kurzgeschlossen werden. Besteht der Spulenkörper dagegen aus einem Ferrit oder einem anderen elektrisch isolierenden, magnetischen Werkstoff, so weist der Spulenkpörper selbst eine Isolieroberfläche auf, so daß diese direkt mit einer Metallschicht versehen werden kann. Zum Aufbringen der Metallschicht entweder auf die Isolierschicht des elektrisch leitenden Kerns oder auf die Oberfläche des nichtleitenden Kerns kann man sich zahlreicher Verfahren bedienen. Vorzugsweise wird ein dünner Film (nicht dargestellt) einer leitenden Verbindung, wie beispielsweise Palladiumchlorid (Pd01) auf die Oberfläche 6 aufgetragen. Dieses Palladiumehlorid kann durch Eintauchplattieren, wie es aus der Halbleiterfertigung bekannt ist, aufgebracht werden. Die dünne Palladiumchloridschicht ermöglicht es, mittels bekannter Blektroplattierverfahren eine dickere Metallschicht, beispielsweise aus Kupfer, aufzubringen.* Aus dieser Schicht wird später der den Kern umfaesende,elektrische Leiter gebil- det. Die elektrisch leitende Schicht aus Palladiumehlorid dient als Kathode beim Blektroplattieren.2b shows the lower part of a three-dimensional mask; as it is used in the method according to the invention, a part being broken away to clarify the representation; FIG. 2c shows the upper part of the three-dimensional mask, and FIG. 3 shows a ring coil produced by the method according to the invention with a continuous metal strip fixed on its surface. Pig.1 shows a conventional toroidal coil 1 wound with wire. A continuous insulated wire 2 is wound around the bobbin 3, the wire 2 being wound either by hand or by a winding machine . Due to the fact that the ends of the conductor wire 2 have to be led away from one of the two surfaces 4 of the coil body 3, the inductor 1 must be aligned with that surface 4 that is to be placed on a mounting base. In Fig. 2a. a bobbin 5 is shown as it is used for the production of a toroidal coil according to the method according to the invention. The bobbin 5 consists of one of the commercially available magnetic core materials, such as iron powder or one of the ferrite powder. These core materials are either electrically conductive, like iron powder, or act as insulators, such as ferrites. If the bobbin is made of electrically conductive ma-. material, such as iron, an insulating surface layer (not shown) must be applied to the core, such as chopped or glass, so that the "turns" of the coil are not short-circuited across the core. If, on the other hand, the bobbin consists of a ferrite or another electrically insulating, magnetic material, the bobbin itself has an insulating surface so that it can be provided directly with a metal layer. Numerous methods can be used to apply the metal layer either to the insulating layer of the electrically conductive core or to the surface of the non-conductive core. A thin film (not shown) of a conductive compound such as palladium chloride (Pd01) is preferably applied to the surface 6. This palladium chloride can be applied by immersion plating, as is known from semiconductor manufacturing. The thin palladium chloride layer makes it possible to apply a thicker metal layer, for example made of copper , using known electroplating processes. * The electrical conductor surrounding the core is later formed from this layer . The electrically conductive layer made of palladium chloride is used as the cathode in electroplating.

Nachdem die Metallschicht 8 sich in der gewünschten Stärke gebildet hat, wird eine nicht dargestellte Schicht lichtempfind- lichen Materials im flüssigen Zustand auf die ganze metallische Oberfläche aufgetragen und dann getrocknet bzw. gehärtet. 2e gibt passive lichtempfindliche Materialien von einer Reihe von Herstellern, z.B. von der Eastman Kodak Comp., die unter der Warenbezeichnung KM .ein positiv photoempfindliches Material vertreibt, welches bei Liehtauffall polymerisiert, sowie ein Hegativmatsrial unter der Warenbezeichnung KPBR', das bei'Lichtauffall entpolymerisiert. Im dargestellten Beispiel wird Negativmaterial verwendet, obwohl Positivmaterial-zu denselben Ergebnissen führt. After the metal layer 8 has formed in the desired thickness , a layer of light-sensitive material ( not shown) is applied in the liquid state to the entire metal surface and then dried or cured. 2e are passive light-sensitive materials by a number of manufacturers, for example, distributes a positive photosensitive material from the Eastman Kodak Comp., The .a under the trade name KM which polymerizes at Liehtauffall and a Hegativmatsrial under the trade designation KPBR 'which bei'Lichtauffall depolymerized . In the example shown, negative material is used, although positive material leads to the same results.

Nachdem das lichtempfindliche Material ausgehärtet ist, wird der Spulenkörper 5 in eine Pormkammer 10 einer unteren Kaskell eingesetzt, wie sie in Fig. 2b gezeigt ist. Die Abmessungen der Kammer 10 entsprechen denjenigen des Körpers 5 einschließ. lieh der Metall- und lichtempfindlichen Schichten. Zum Zwecke der eindeutigen Lage des bandförmigen Metallstreifenleit'ers und der Montage der fertig@erit Spule ist der $ern 5 an' sei'nem äußeren Umfang reit einem Flächen Abschnitt 9 versehen. Ein entsprechend flacher Abschnitt 12 an einer Seite der Kammer paßt zur flachen Oberfläche 9 des Kerns 5, so daß der Kern in eindeutiger Weise in bezug auf das lichtundurchlässige Muster 14 der unteren Maske 11 zu liegen kommt. After the photosensitive material is cured, the coil bobbin is inserted into a Pormkammer 10 a lower Kaskell 5, as shown in Fig. 2b. The dimensions of the chamber 10 correspond to those of the body 5 including. borrowed the metal and photosensitive layers. For the purpose of the unambiguous position of the band-shaped metal strip conductor and the assembly of the finished coil, the $ ern 5 is provided with a surface section 9 on its outer circumference. A correspondingly flat section 12 on one side of the chamber fits the flat surface 9 of the core 5, so that the core comes to lie in a clear manner with respect to the opaque pattern 14 of the lower mask 11.

Eine innere Erhebung 13 der Maske paßt in das Loch des Spulenkörpers. Diese zylindrische Erhebung weist eine Reihe lichtdurchlässiger Streifen auf, welche sich auf der Bodenfläche 15 der Kammer fortsetzen und auch über die innere Mantelfläche 16 verlaufen. Die obere Maske 20 nach Fig.2c zeigt auf ihrer Bodenfläche 23 ein korrespondierendes lichtundurchlässiges Streifenmuster 22, welches mit dem Muster 14 der unteren Maske 11 genau fluchtet, wenn die obere Maske auf die Oberseite 18 der unteren Maske so aufgesetzt wird, daß die Stifte 21 an der Unterseite 23 der oberen Maske in entsprechend angeordnete Löcher 17 auf der Oberseite der unteren Maske 11 eingreifen. Die obere und die untere Maske 20 und 11 bestehen aus transparentem Material, wie beispielsweise Kunststoff, insbesondere aus Lucite oder einem Polyäthylen, durch welches Licht von der Außenseite der Maske auf die Photoschicht auf dem Metallüberzug 8 gerichtet werden kann. Das lichtundurchlässige Muster 14 der unteren Maske 11 ergibt ein entsprechendes Muster auf den Oberflächen des mit einer lichtempfindlichen Schicht beschichteten Kerns,'Lz während das Muster der oberen Maske 20 sich auf der Oberseite des Kerns abbildet. Vorzugsweise sind die lichtundurchlässigen Muster auf den Innenflächen der Masken angebracht, welche die lichtempfindliche Schicht berühren. Dies ist günstiger als das Anbringen des Musters auf den Außenseiten der Masken, da hierdurch die erforderliche Belichtungszeit verkürzt wird.An inner elevation 13 of the mask fits into the hole in the bobbin. This cylindrical elevation has a series of translucent strips which continue on the bottom surface 15 of the chamber and also over the inner jacket surface 16 run. The upper mask 20 according to FIG. 2c shows a on its bottom surface 23 corresponding opaque stripe pattern 22, which with the pattern 14 of the lower mask 11 is precisely aligned when the upper mask is on the top 18 the lower mask is placed so that the pins 21 on the underside 23 of the upper mask in correspondingly arranged holes 17 on the top of the lower Engage mask 11. The upper and lower masks 20 and 11 are made of transparent Material, such as plastic, in particular made of Lucite or a polyethylene, by what light from the outside of the mask onto the photo layer on the metal coating 8 can be directed. The opaque pattern 14 of the lower mask 11 results in a corresponding pattern on the surfaces of the light-sensitive Layer of coated core, 'Lz while the pattern of the upper mask 20 is on the top of the core. Preferably they are opaque Patterns attached to the inner surfaces of the masks, which are the photosensitive Touch layer. This is cheaper than putting the pattern on the outsides the masks, as this shortens the required exposure time.

Nachdem der Spulenkern 5 in die Kammer 10 der unteren Maske 11 gesetzt wurde, wird die obere Maske 20 auf die obere Fläche 18 der unteren Maske 11 gesetzt, wobei deren Lage durch die in die Löcher 17 einsetzbaren Stifte 21 fixiert wird. Sodann werden die Masken samt eingesetztem Spulenkern allseitig Licht ausgesetzt..Nach einer ausreichenden Belichtungszeit wird die , obere Maske 20 abgenommen und der Kern 5 mit dem belichteten Material aus der Kammer 10 entfernt. Der Kern wird in ein ge- eigneten Lösungsmittel, beispielsweise Trichloräthylen, gebracht, durch welches die belichteten Teile der Photowideratandsschichtabgewaschen werden. Der Kern 5, dessen Metall-schicht 8 teilweise noch durch die nicht belichtete Photowiderstandsschicht bedeckt ist, wird nun ausreichend lange einer ätzenden Chemikalie ausgesetzt, welche die nicht durch die Photoschicht abgedeckten Teile der Metallschicht 8 wegätzt, so daß ein fortlaufendes Metallband übrigbleibt, welches um den Toroidkern gewickelt ist. Sodann wird die restliche Photowid@retandssehicht entfernt. Die ganze Toroidspule,.außer Ansehluß- flächen 31, wird schließtlich mit einer Isolierschicht, beispielsweise aus Iack überzogen.After the core was placed in the chamber 10 of the lower mask 11 5, the upper mask is placed on the upper surface 1 8 of the lower mask 11 20, wherein the position of which is fixed by the pins inserted into the holes 17 21st Then the masks including the inserted coil core are exposed to light on all sides. After a sufficient exposure time, the upper mask 20 is removed and the core 5 with the exposed material is removed from the chamber 10. The core is in a suitable overall solvent, for example trichlorethylene, brought through which the exposed parts are the Photowideratandsschichtabgewaschen. The core 5, the metal layer 8 of which is still partially covered by the non-exposed photoresist layer, is now exposed for a sufficiently long time to an etching chemical which etches away the parts of the metal layer 8 that are not covered by the photo layer, so that a continuous metal band remains around the toroidal core is wound. The remaining Photowid @ retandssehicht is then removed. The entire toroidal coil, except for the connection surfaces 31, is finally covered with an insulating layer, for example made of lacquer.

Es gibt auch sogenannte "aktive" photoempfindliche Materialien, dierwenn sie im vorliegenden Fall Verwendung finden, mit .der darunter befindlichen Metallschicht reagieren. Zu bevorzugen ist das von der Teeg Research Inc., Detroit, Michigan/USA vertriebene Photomaterial, das bei Belichtung mit der darunterliegenden Metallschicht reagiert. Das durch diese Reaktion entstehende Produkt hat einen Widerstand von ungefähr 10150hm cm, während die unter der unbelichteten Photoschicht liegenden Bereiche der Metallschicht unverändert bleiben. Das Ergebnis ist ein fortlaufender, um den Spulenkern umlaufender Streifen aus Metall, wobei die einander benachbarten Streifen durch isolierende Bereiche voneinander getrennt sind. Die Bildung der Metallschicht und die Anwendung und Belichtung des .lichtempfindlichen Materials ist die gleiche wie zuvor bei dem passiven Photomaterial beschrieben. Die durch Reaktion nicht veränderte Photoschicht kann aber auch als Schutzschicht auf dem Spulenkern bleiben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgend eines der Photomaterialien oder der Belichtungsverfahren beschränkt.There are also so-called "active" photosensitive materials that do so they are used in the present case, with the metal layer underneath react. The one from Teeg Research Inc., Detroit, Michigan / USA is preferable sold photographic material, which when exposed to the underlying metal layer reacted. The product resulting from this reaction has a resistance of about 10150hm cm, while those lying under the unexposed photo layer Areas of the metal layer remain unchanged. The result is a continuous, strips of metal running around the coil core, the adjacent ones Strips are separated from each other by insulating areas. The formation of the metal layer and the application and exposure of the photosensitive material are the same as previously described for the passive photographic material. Which was not changed by reaction The photo layer can also remain on the coil core as a protective layer. The invention however, is not limited to any of the photographic materials or the exposure method limited.

In Fig.3 ist das Ergebnis der Herstellung einer Toroidspule ge-zeigt, wie sie in Verbindung mit den Fig. 2a, b und o beschrieben wurde. Die Anschlußflächen 31 befinden sich auf beiden Oberflächen 32 und 33 (wobei diejenigen auf der Fläche 32 gezeigt sind), so_daß die Toroidspule in bezug auf diese beiden PlUhen symmetrisch ist. Die elektrische Verbindung kann' deshalb auf einer der beiden Seiten 32 oder 33 erfolgen, indem die Anschlüsse 31 der gewünschten Seite verwendet werden. Der flache Abschnitt 9 der Spule 5 dient zur Ausrichtung bei einer automatischen Montage.In FIG. 3 the result of the production of a toroidal coil is shown, as it was described in connection with FIGS. 2a, b and o. The pads 31 are on both surfaces 32 and 33 (those on surface 32 being shown) so that the toroidal coil is symmetrical with respect to these two planes. The electrical connection can therefore be made on one of the two sides 32 or 33 by using the connections 31 of the desired side . The flat section 9 of the coil 5 is used for alignment during automatic assembly.

. t Obwohl das Verfahren der Herstellung eines Induktors anhand der Herstellung einer Toroidspule gezeigt wurde, können mit dem Verfahren natürlich auch andere Spulenformen hergestellt werden. Eine Zylinderspule ist beispielsweise.mit einer weit einfacheren Maske herstellbar.. t Although the process of making an inductor is based on the Making a toroidal coil has been shown to be able to use the process of course other coil shapes can also be produced. A solenoid is, for example, with a far simpler mask can be produced.

Claims

P ate not claims 1. A method for producing a coil which consists of a magnetizable core and an electrical conductor looped around the core, characterized in that the entire core surface is provided with a metal layer (8) which is then in such areas is removed that the portion of the metal layer remaining on the core forms a continuous strip surrounding the core in a helical manner. 2. The method according to 'claim 1 ;; characterized in that

Next, an insulating surface layer is applied to the core and only then the metal layer is applied. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a pattern of a photosensitive layer is applied to the metal layer, whereupon the areas of the metal layer not covered by this layer are removed. . 4. The method according to claim 3, characterized in that the metal layer is at least almost completely covered with a photosensitive layer, whereupon a mask is arranged on this *) with an electrically conductive core layer, the pattern of which corresponds to the metal strips to be formed, then the mask Is exposed to light, the exposed parts of the photosensitive layer reacting with the underlying metal layer to form a high resistance layer, so that the adjacent conductors of the metal strip surrounding the core are separated from each other by areas of high electrical resistance. 5. The method according to claim 1, characterized in that the metal layer is applied by electroplating or metal vapor deposition. 6. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a layer of palladium chloride (Pd 01) is applied before the application of the metal layer. ?. Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the core with the metal strip surrounding it in the form of a helix is coated with an insulator, preferably a hack. . B. Device for carrying out the method according to one or more of the preceding claims for the production of a ring coil, the core of which has a flat section on the lateral surface, characterized in that a two-part mask (11,, 20 ) made of translucent material, the inner surfaces of which which are in contact with the core surfaces

Have striped patterns (t4, 22). 9. Coil with a magnetizable core around which a continuous electrical conductor is wrapped, characterized in that the core (5) has an insulating surface on which a continuous flat metal strip (31) is firmly adhered as the electrical conductor.