DE19615921A1

DE19615921A1 - Induktives Bauelement in flacher Bauform

Info

Publication number: DE19615921A1
Application number: DE19615921A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Richter
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1996-04-22
Filing date: 1996-04-22
Publication date: 1997-10-23
Also published as: DE59710401D1; EP0809263B9; EP0809263A1; EP0809263B1

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement in flacher Bauform mit

- einem Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material, der ein Mittelloch aufweist durch das eine oder mehrere Wicklungen ge führt sind,
- einer ersten Leiterplatte mit Leiterbahnen, die Teil der Win dungen einer Wicklung sind, sowie eine Aussparung auf der den Leiterbahnen gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte, in die der Magnetkern eingelegt ist,
- einer zweiten Leiterplatte mit Leiterbahnen, die Teil der Win dungen einer Wicklung sind,
- elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Leiterbahnen der beiden Leiterplatten derart, daß mindestens eine Wicklung um den Magnetkern gebildet wird.

In der Elektrotechnik und Elektronik besteht seit langem der Trend zur Miniaturisierung und Erzielung eines höheren Integra tionsgrades der Bauelemente, um eine kostenoptimierte Leiter plattenbestückung zu erreichen. Bei passiven Bauelementen wurden hinsichtlich der Integration bei Widerständen und Kapazitäten beträchtliche Fortschritte erzielt. So werden beispielsweise in der Dickschichttechnik Widerstände direkt mit Widerstandspasten auf die Leiterplatten aufgebracht und der Widerstandswert über das Temperaturprofil durch einen Druck-Brennprozeß eingestellt. Der Feinabgleich erfolgt mittels Laser. Der Widerstand ist somit fester Bestandteil der Leiterplatte. Kapazitäten können durch Dielektrikaplättchen zwischen zwei Leiterbahnen in die Leiter platte integriert werden. Induktive Bauelemente werden dagegen in der Regel nach wie vor als diskrete Bauelemente in oder auf die Leiterplatte eingelötet. Durch die traditionelle Herstellung von Induktivitäten als Drahtbewicklung auf einem Magnetkern sind zudem der Automatisierung der Fertigung Grenzen gesetzt. In den letzten Jahren sind bereits einige Vorschläge zur rationelleren Fertigung induktiver Bauelemente gemacht worden, bei denen die Wicklungen in Form von Leiterbahnen auf Leiterplatten (Platinen) ausgebildet sind oder von miteinander verbundenen Kupferstanz teilen gebildet werden. Entsprechende Ausführungen werden häufig als Planarinduktivitäten bezeichnet.

Als Magnetkerne kommen da bei insbesondere geteilte Ferritbauformen wie EE-, EI- oder auch RM-Kombinationen zur Anwendung (vgl. z. B. DE-OS 37 18 383, DE-OS 41 37 776).

In der Veröffentlichung A.M. Lyons, D.W. Dahringer, R.L. Bil lings "Printed Circuit Board Magnetics: A New Approach to the Mass Production of Toroidal Transformers" ISHM 95 Proceedings, S. 53ff. sind weitere Konstruktionen erwähnt, die zur Kostenre duzierung in der Fertigung induktiver Bauelemente beitragen sol len. Insbesondere wird dort, wie auch in der US 5,527,00, ein induktives Bauelement detailliert beschrieben, bei dem eine ge schlossene Kernbauform eingesetzt wird. Hierbei sind zwei Lei terplatten vorgesehen, die in Form von Leiterbahnen jeweils Tei le der Windungen einer Wicklung tragen. Beide Leiterplatten wei sen eine geeignete Aussparung in Form von senkrecht zueinander angeordneten Nuten auf, in die ein flacher rechteckiger Magnet kern eingelegt ist, der eine zentral angeordnete Öffnung auf weist. Die Höhe des Magnetkerns ist dabei kleiner als die Summe der Tiefen der beiden Aussparungen in den Leiterplatten. Bei dem fertigen Bauelement sind die beiden Leiterplatten aufeinander angeordnet und umschließen den Magnetkern vollständig. Die auf den Leiterplatten vorhandenen Leiterbahnen sind in geeigneter Weise so miteinander leitfähig verbunden, daß sie eine oder meh rere Wicklungen bilden.

Nach der zitierten Veröffentlichung erfolgt diese Verbindung über durchkontaktierte Bohrungen an den Leiterbahnen, die mit tels eines leitfähigen Klebers verbunden werden. Bei dem bekann ten Übertrager sind die Wicklungen ineinander geschachtelt, so daß Windungen, die zu getrennten Wicklungen gehören, eng beiein ander liegen. Die bei vielen Anwendungen einzuhaltenden ein schlägigen Normen und Vorschriften schreiben nun aber häufig Mindestkriechstrecken zwischen Wicklungen mit unterschiedlichem Potential vor. Unter Kriechstrecke wird dabei der kürzeste ent lang der Isolierung - in diesem Fall der Leiterplatte - gemessene Weg zwischen zwei leitfähigen Teilen (Leiterbahnen) verstanden. Erschwert wird die Einhaltung von Kriechstrecken durch hohe Win dungszahlen mit entsprechend dichter Windungsanordnung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes indukti ves Bauelement so zu verbessern, daß bei vorgegebener Bauele mentgröße und vorgegebenen elektrischen bzw. magnetischen Anfor derungen an das Bauelement eine Vergrößerung der Kriechstrecke zwischen Wicklungen auf unterschiedlichem Potential erreicht wird.

Als Lösung dieser Aufgabe wird einerseits vorgeschlagen, als Werkstoff für den Magnetkern eine an sich bekannte, nanokri stalline Eisenbasislegierung mit einer Korngröße von weniger als 100 nm oder eine ebenfalls an sich bekannte Kobaltbasislegierung zu verwenden, wobei das Magnetmaterial eine Sättigungsinduktion von mehr als 0,6 T und/oder eine Permeabilität von mehr als 10000, insbesondere mehr als 20000, aufweist und die Höhe des Magnetkerns nicht mehr als 2 mm beträgt. Durch die Verwendung dieser Magnetkerne kann die Windungszahl gegenüber Ferritkernen, bei denen die Sättigungsinduktion auf Werte unterhalb 0,5 T und die Permeabilität auf maximal etwa 10000 beschränkt ist, redu ziert werden, wie im weiteren noch gezeigt wird. Dies kann zur Erhöhung der Kriechstrecke zwischen Wicklungen auf unterschied lichem Potential ausgenutzt werden.

In einer weiteren Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, die Wicklungen auf getrennten Sektoren anzuordnen und zwischen den Sektoren Nuten in den Leiterplatten zur Vergrößerung der Kriech strecke zwischen den Wicklungen vorzusehen.

Als Magnetkerne können zum einen Ringkerne, insbesondere Ring bandkerne, eingesetzt werden. Die Herstellung von Ringbandkernen wird jedoch mit abnehmender Kernhöhe (gleich Breite des aufzu wickelnden Bandes) zunehmend schwieriger, so daß bei sehr gerin gen Kernhöhen von z. B. 1 mm oder weniger auch aus geschichteten Formteilen (z. B. Stanzteilen) hergestellte Kerne vorteilhaft eingesetzt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen An sprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht des Bauelements als Explosionszeich nung,

Fig. 2 eine Gesamtansicht des Bauelements als Explosionszeich nung mit Nuten zur Vergrößerung der Kriechstrecke.

In Fig. 1 ist eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen induk tiven Bauelements dargestellt. Das Bauelement enthält eine erste und eine zweite Leiterplatte 1, 2, in die ein Magnetkern 3 ein gelegt ist. Die Leiterplatten 1, 2 weisen jeweils an der dem Kern abgewandten Seite Leiterbahnen 4 auf. Die Enden der Leiter bahnen 4 sind mit Durchgangslöchern 5 versehen, durch die eine leitfähige Verbindung der entsprechenden Leiterbahnen 4 auf den Leiterplatten 1, 2 erfolgt, so daß eine oder mehrere Wicklungen um den Kern 3 ausgebildet werden. Auf der den Leiterbahnen 4 ge genüberliegenden Seite der Leiterplatten 1, 2 sind Aussparungen 6 vorhanden, in die der Kern 3 eingelegt ist. Die Tiefe der Aus sparungen 6 ist dabei so gewählt, daß der Kern 3 vollständig von diesen aufgenommen wird und die Leiterplatten 1, 2 formschlüssig zusammengefügt sind. Die Aussparung 6 braucht auch nur in einer der beiden Leiterplatten 1, 2 vorhanden zu sein. In diesem Fall können die Leiterbahnen der Leiterplatte ohne Aussparung auch auf der dem Kern 3 zugewandten Seite angebracht sein. Die Ver bindung der Leiterbahnen 4 der Leiterplatten 1, 2 durch die Durchgangslöcher 5 zur Ausbildung mindestens einer Wicklung kann beispielsweise über Stifte, mittels eines leitfähigen Klebers, wie aus der eingangs genannten Veröffentlichung bekannt, oder über andere geeignete Verfahren erfolgen. Die beiden Leiterplat ten 1, 2 mit dazwischenliegendem Kern 3 werden zweckmäßigerweise mittels einer Klebeverbindung zusammengehalten. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die Leiterbahnen 4a zur Bildung einer ersten Wicklung und die Leiterbahnen 4b zur Bil dung einer zweiten Wicklung vorgesehen und auf unterschiedlichen Sektoren angeordnet. Zur Vergrößerung der Kriechstrecke zwischen den beiden Wicklungen auf unterschiedlichem Potential sind fer ner Nuten 7 in den Leiterplatten 1, 2 vorhanden. Auf der dem Kern 3 abgewandten Seite der Leiter platten 1, 2 können anstelle von Nuten auch Erhöhungen 8 zur Vergrößerung der Kriechstrecke angebracht werden.

Jedoch kann auch ohne die Nuten 7 durch die Verwendung eines Ma gnetkerns mit ausgezeichneten magnetischen Eigenschaften, wie je nach Anwendung einer Sättigungsinduktion von mehr als 0,6 T und/oder einer Permeabilität von mehr als 10000, aufgrund der ge genüber Ferritmaterialien geringeren Windungszahlen eine ausrei chend große Kriechstrecke erreicht werden.

Der Magnetkern 3 kann dazu erfindungsgemäß aus einer an sich be kannten nanokristallinen Eisenbasislegierung mit einer Korngröße von weniger als 100 nm oder aus einer amorphen Kobaltbasislegie rung bestehen.

Nanokristalline Eisenbasislegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der EP-OS 0 271 657 bekannt. Es handelt sich hierbei insbesondere um Legierungen, die neben Eisen im we sentlichen 0,1 bis 3 Atom-% Kupfer, 0,1 bis 30 Atom-% weitere Metalle, wie Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, oder Mo, bis zu 30 Atom-% Silizium und bis zu 25 Atom-% Bor enthalten, wobei der Gesamtge halt an Silizium und Bor im Bereich zwischen 5 und 30 Atom-% liegt. Legierungsbeispiele mit Sättigungsinduktion Bs und Perme abilität µ sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Permeabilität kann durch die Fertigungsparameter bei der Legierungs- und Kernher stellung beeinflußt werden.

Tabelle 1

Geeignete Kobaltbasislegierungen beinhalten neben Kobalt im we sentlichen Eisen und Mangan mit einem Gesamtanteil von 3 bis 8 Atom-% sowie Metalloide mit einem Anteil von 5 bis 35 Atom-%. Entsprechende Legierungen sind beispielsweise aus der EP-PS 21101, der DE-OS 30 21 536 und der EP-OS 0 378 823 bekannt. Als Metalloide kommen Bor, Silizium, Kohlenstoff und Phosphor in Frage. Weiterhin können die amorphen Kobaltbasislegierungen auch Nickel mit einem Anteil von bis zu 15 Atom-% sowie eines oder mehrere der Elemente Molybdän, Chrom oder Niob mit einem Anteil von bis zu 5 Atom-% enthalten. Legierungsbeispiele mit Sättigun ginduktivität Bs und Anfangspermeabiliät µ_i sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

Die Legierungen werden durch ein bekanntes Raschabschreckungs verfahren als dünne Bänder mit einer Banddicke von typischerwei se etwa 20 bis 35 µm hergestellt. Aus den so gewonnenen Bändern werden beispielsweise Ringbandkerne gefertigt. Für Kerne mit sehr geringer Kernhöhe müssen entsprechend schmale Bänder zu Magnetkernen aufgewickelt werden. Ringbandkerne mit geringer Kernhöhe sind daher kaum wirtschaftlich herstellbar. Für Kerne mit geringer Höhe wird daher vorgeschlagen ringförmige oder rechteckige Formteile aus den Bändern einzusetzen, die überein andergestapelt sind. Die Formteile können beispielsweise durch Stanzen gewonnen werden. Zur Bildung eines Magnetkerns mit einer Höhe von 0,5 mm werden beispielsweise bei einer Banddicke von 25 µm 20 solcher Formteile benötigt.

Die vorteilhafte Verwendung der genannten Magnetmaterialien wird nachfolgend am Beispiel eines Impulsübertragers verdeutlicht. Ein charakteristisches Merkmal von Impulsübertragern, wie sie beispielsweise zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern einge setzt werden, ist die sogenannte Spannungs-Zeitfläche ∫udt. Die Spannungs-Zeitfläche des Übertragers muß größer sein als die Spannungs-Zeitfläche des zu übertragenden Impulses, da der Über trager ansonsten gesättigt und der Impuls nicht vollständig übertragen wird. Die Spannungs-Zeitfläche des Übertragers läßt sich aus der Windungszahl N des Übertragers, dem Eisenquer schnitt A_Fe des Magnetkerns und dem zur Verfügung stehenden uni polaren Induktionshub ΔB des Magnetwerkstoffs berechnen zu ∫udt - N _* A_Fe _* ΔB. Bei vorgegebener Kerngröße (und damit A_Fe) und einer be stimmten geforderten Spannungszeitfläche wird daher die Win dungszahl umso kleiner gewählt werden können, je größer der zur Verfügung stehende Induktionshub ΔB des Magnetmaterials ist. Der zur Verfügung stehende Induktionshub ist bei den erfindungsgemäß verwendeten Magnetwerkstoffen wesentlich größer als bei Ferrit werkstoffen. Beispielsweise weisen die genannten nanokristalli nen Werkstoffe eine Sättigungsinduktion von etwa 1,2 T auf, wäh rend die Sättigungsinduktion von Ferriten etwa im Bereich von 0,4 bis 0,5 T liegt. Aufgrund des Permeabilitätsabfalls bei ho her Aussteuerung ist der für die Auslegung des Übertragers zur Verfügung stehende Induktionshub in beiden Fällen etwas gerin ger.

Beispiel: Ein Magnetkern aus einer nanokristallinen Legierung mit einer Sättigungsinduktion von 1,2 T wird für ein erfindungs gemäßes induktives Bauelement eingesetzt. Für die Auslegung des Übertragers wird ein nutzbarer Induktionshub von 1,0 T zugrunde gelegt. Ein Magnetkern der Abmessungen 6,5×3,5×1,5 mm weist bei einem Füllfaktor von 0,8 einen Eisenquerschnitt von A_Fe = 1,8 mm² auf. Eine geforderte Spannungs-Zeitfläche von 9 µVs kann dann bereits mit 5 Windungen erreicht werden. Bei Verwendung von Fer ritkernen wäre dagegen aufgrund des geringeren zur Verfügung stehenden Induktionshubes von weniger als 0,4 T (Beispiel Ferrit T38: Bs = 0,38 T) eine mehr als doppelt so große Windungszahl erforderlich. Durch die geringere Windungszahl bei der erfin dungsgemäßen Ausführung ist daher der Abstand zwischen den Wick lungen und damit die Kriechstrecke größer. Beispielsweise wird nach der Europa-Norm EN 60950 bei einer Betriebsspannung von 250 V, Isolierstoffklasse I und Verschmutzungsgrad 2 für eine zu sätzliche Isolierung eine Kriechstrecke von 1,3 mm verlangt, die mit dem erfindungsgemäßen induktiven Übertrager leichter reali siert werden kann.

Bei anderen Übertragern, beispielsweise Schnittstellenübertra gern für die Kommunikationstechnik, ist die erreichbare Indukti vität von Bedeutung. Die Induktivität ist direkt proportional zur Permeabilität µ und zum Quadrat der Windungszahl N, so daß auch bei diesen Übertragern durch die erfindungsgemäß eingesetz ten Magnetwerkstoffe hoher Permeabilität von typischerweise 20000 bis 80000 eine Verkleinerung der Windungszahl und damit verbunden eine Vergrößerung der Kriechstrecke erreicht wird. Zum Vergleich beträgt die Permeabilität eines hochpermeablen, kom merziellen Ferritmaterials (z. B. T38) etwa 10000.

Das erfindungsgemäße Bauelement kann sowohl als diskretes Bau element mit Anschlußstiften als auch als SMD-Bauelement ausge legt werden. In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet min destens eine der beiden Leiterplatten 1, 2 neben den Leiterbah nen 5 noch weitere aktive und/oder passive Bauelemente und die zugehörige Verschaltung.

Claims

1. Induktives Bauelement in flacher Bauform mit

- einem Magnetkern (3) aus einem weichmagnetischen Material, der ein Mittelloch aufweist durch das eine oder mehrere Wicklungen geführt sind,
- einer ersten Leiterplatte (1) mit Leiterbahnen, die Teil der Windungen einer Wicklung sind, sowie eine Aussparung (6) auf der den Leiterbahnen (4) gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (1), in die der Magnetkern (3) eingelegt ist,
- einer zweiten Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen, die Teil der Windungen einer Wicklung sind,
- elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Leiterbahnen (4) der beiden Leiterplatten derart, daß mindestens eine Wick lung um den Magnetkern (3) gebildet wird, dadurch gekennzeich net, daß der Magnetkern (3) aus einer nanokristallinen Eisenba sislegierung mit einer Korngröße von weniger als 100 nm oder aus einer amorphen Kobaltbasislegierung besteht, daß das Magnetmate rial eine Sättigungsinduktion von mehr als 0,6 T und/oder eine Permeabilität von mehr als 10000, insbesondere mehr als 20000, aufweist und daß die Höhe des Magnetkerns nicht mehr als 2 mm beträgt.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die nanokristalline Legierung neben dem Hauptbestand teil Eisen und üblichen Verunreinigungen 0,1 bis 3 Atom-u Kup fer, 0,1 bis 30 Atom-% weitere Metalle, wie Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, oder Mo, bis zu 30 Atom-% Silizium und bis zu 25 Atom-% Bor enthält, wobei der Gesamtgehalt an Silizium und Bor im Bereich zwischen 5 und 30 Atom-% liegt.

3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die amorphe Kobaltbasislegierung neben Kobalt und übli chen Verunreinigungen im wesentlichen Eisen und Mangan mit einem Gesamtanteil von 3 bis 8 Atom-%, Metalloide, wie Bor, Silizium, Kohlenstoff und Phosphor, mit einem Anteil von 5 bis 35 Atom-%, Nickel mit einem Anteil von bis zu 15 Atom-% sowie eines oder mehrere der Elemente Molybdän, Chrom oder Niob mit einem Anteil von bis zu 5 Atom-% enthält.

4. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement mindestens zwei Wicklungen aufweist, die als Sektorwicklungen ausgebildet sind und zwischen den Sektoren Nuten (7) in der Leiterplatte (1, 2) zur Vergrößerung der Kriechstrecke zwischen den Wicklungen vor handen sind.

5. Induktives Bauelement in flacher Bauform mit einem Magnetkern (3) aus einem weichmagnetischen Material, der ein Mittelloch aufweist, durch das eine oder mehrere Wicklungen geführt sind, einer ersten Leiterplatte (1) mit Leiterbahnen (4), die Teil der Windungen einer Wicklung sind sowie eine Aussparung (6) auf der den Leiterbahnen gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte (1), in die der Magnetkern eingelegt ist, einer zweiten Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen, die Teil der Windungen einer Wicklung sind, sowie elektrisch leitenden Verbindungen zwischen den Lei terbahnen (4) der beiden Leiterplatten (1, 2) derart, daß minde stens eine Wicklung um den Magnetkern gebildet wird, dadurch ge kennzeichnet,daß das Bauelement mindestens zwei Wicklungen auf weist, die als Sektorwicklungen ausgebildet sind und zwischen den Sektoren Nuten (7) in der Leiterplatte (1, 2) zur Vergröße rung der Kriechstrecke zwischen den Wicklungen vorhanden sind.

6. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, gekennzeichnet durch eine Kriechstrecke von mindestens 1,3 mm zwischen zwei Wicklungen.

7. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Magnetkern (3) um einen Ringkern, insbesondere um einen Ringbandkern, handelt.

8. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (3) aus aufein ander gestapelten Folien des Magnetmaterials gebildet wird, wo bei die Foliendicke weniger als 35 µm beträgt.

9. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiterplatten (1, 2) eine Aussparung (6) zur Aufnahme des Magnetkerns (3) aufweisen.

10. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Leiterplatten (1, 2) weitere Bauelemente einer elektronischen Schaltung ent hält.