DE19802473A1 - Multilayer-Planarinduktivität und Verfahren zum Herstellen einer solchen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Multilayer-Pla­ narinduktivität nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Multilayer-Planarinduktivät.

Derartige Planarinduktivitäten finden Einsatz etwa in Schaltnetzteilen, Spannungswandlern oder anderen Vorrich­ tungen der Leistungselektronik, die auf der Basis einer mehrschichtigen, eine Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten Leiterschichten aufweisenden Trägerplatte (sog. "Multilayer" oder "Multilayer-Printplatte") realisiert sind. Genauer gesagt weist ein solcher Multilayer neben elektronischen Bauelementen für die Schaltelektronik, die in geeigneter Weise durch eine oder mehrere Leitungsbahnen des Multilayers verbunden sind, Induktivitäten wie Trans­ formatoren oder Drosseln auf, für welche (übereinanderliegende) Leitungsschichten des Multilayers die Funktionen der Wicklungen - also etwa der Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators - übernehmen: Zu diesem Zweck ist in geeigneter Weise durch einen Durchbruch in dem Multilayer ein Transformatorkern gesteckt, der dann zusammen mit den auf den Leitungsschichten des Multilayers gebildeten Wicklungen den gewünschten Transformator ausbildet.

Auf diese Weise kann dann ein im Aufbau kompaktes und hin­ sichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften stabi­ les Gerät hergestellt werden, welches sonstigen herkömmli­ chen Lösungen - etwa ein diskreter Transformator auf einer herkömmlichen Printplatte - deutlich überlegen und insbe­ sondere für kommerziellen Einsatz geeignet ist.

Die Fig. 6 zum Stand der Technik verdeutlicht in der ge­ schnittenen Seitenansicht den Aufbau einer solchen, gat­ tungsbildenden Planarinduktivität:
Auf einem die Planarinduktivität ausbildenden Teilbereich eines Multilayers 70, der eine Mehrzahl von elektrisch lei­ tenden Leitungsschichten 72 aufweist, ist ein schematisch gezeigter Transformatorkern 74 montiert, der - etwa im seitlichen Querschnitt E-förmig - sich mit in der Figur nicht gezeigten Schenkeln durch entsprechend bemessene Durchbrüche des Multilayers 70 erstreckt. Zum Zusammenwir­ ken mit dem Transformatorkern 74 bilden dabei die Leitungs­ schichten eine entsprechende Primär- bzw. eine Sekundär­ wicklung aus, so daß auf die gezeigte Art und Weise die In­ duktivität unmittelbar in die mit den weiteren elektroni­ schen Bauelementen 76 schematisch angedeutete Peripherie- Elektronik eingebettet bzw. an diese über entsprechende Leitungsschichten 72 angebunden ist.

Auf die in Fig. 6 gezeigte Weise entsteht somit eine äußerst kompakte, elektrisch und mechanisch stabile Anord­ nung, die zudem aufgrund der guten Reproduzierbarkeit der geometrischen Abmessungen auch überaus serientauglich ist.

Je nach Anwendungszweck und konkret realisiertem, elektro­ nischem Gerät können auf diese Weise eine oder mehrere Planarinduktivitäten auf bzw. in einem Multilayer reali­ siert sein, wobei jedoch üblicherweise die Induktivitäten nur einen eher geringen Teil der Multilayer-Oberfläche bzw. -Bestückungsfläche belegen.

Als nachteilig für einen Einsatz dieser Technologie im Rah­ men eines Produktprogrammes mit einer größeren Varianten­ vielfalt hat es sich jedoch erwiesen, daß für jede einzelne bzw. gesondert hergestellte Variante ein spezieller Entwurf (Design) des zugehörigen Multilayers erfolgen muß: So ist es insbesondere im Fall von Power-Supplyschaltungen notwen­ dig, sowohl die Primärseite als auch die Sekundärseite des (Planar-) Transformators für eine Mehrzahl verschiedener Spannungen bzw. Spannungsbereiche anzubieten, etwa auch bemessen durch die gewählte Anzahl der relevanten Leitungs­ schichten für den Transformator (entsprechend einer Wicklungszahl des Transformators). Bei etwa fünf möglichen, verschiedenen Primärspannungen und fünf angebotenen, verschiedenen Sekundärspannungen würden entsprechend 25 Produktvarianten einer elektronischen Vorrichtung entste­ hen, die jeweils einen gesonderten, speziell auf die je­ weils gewünschte Spannungskombination eingerichteten Multilayer fordern, wobei die Diversifizierung lediglich im Bereich der jeweiligen Planarinduktivität(en) auftritt.

Berücksichtigt man dann, daß insbesondere Multilayer mit einer relativ hohen Lagenzahl (etwa acht oder elf Lagen) verglichen mit Multilayern niedriger Lagenanzahl überpro­ portional hohe Einkaufs- und entsprechend Lagerkosten ver­ ursachen, ist insbesondere der erwünschte, flexible Einsatz der Multilayer-Technik äußerst aufwendig und bei zunehmen­ der Variantenvielfalt mit herkömmlicher Technologie nicht konkurrenzfähig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gat­ tungsgemäße Anordnung mit einer Multilayer-Planarinduktivi­ tät zu schaffen, deren Herstellung im Hinblick auf mögliche Variationen der Induktivitätswicklungen vereinfacht und flexibilisiert werden kann, wobei insbesondere auch die Be­ schaffung und Bevorratung der teuren, als Multilayer reali­ sierten plattenförmigen Träger vereinfacht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Multilayer-Planarinduktivität mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Vorteilhaft ermöglicht dabei der in dem Teilbereich vorge­ sehene, zweite Multilayer, der bevorzugt mit seinen Abmes­ sungen auch auf diesen Bereich beschränkt ist, das flexi­ ble, variable Ergänzen zusätzlicher Leitungsschichten und somit Induktivitätswicklungen zu den im Basis-Multilayer (dem ersten plattenförmigen Träger) bereits vorhandenen er­ sten Leitungsschichten, so daß durch entsprechendes Aufset­ zen und Ausbilden eines oder mehrerer lokal beschränkter Multilayer die für eine jeweilige Produktvariante benötigte Induktivität mit geringem Aufwand hergestellt werden kann, ohne daß etwa für diese Variante ein spezieller, gesonder­ ter Multilayer-Komplettentwurf vorgesehen werden muß.

Da darüber hinaus in der Regel eine größere Anzahl von elektrischen Leitungsschichten lediglich im Bereich der Planarinduktivität benötigt wird, für die umgebene Periphe­ rie-Elektronik jedoch nicht, ist es erfindungsgemäß und vorteilhaft möglich, die Peripherie-Elektronik auf dem ersten Träger mit einer geringen Anzahl von Leiterschichten (mit entsprechend geringem Kostenaufwand) zu realisieren, während lediglich im Bereich der Planarinduktivität die be­ nötigten, zusätzlichen Leitungsschichten durch das Aufset­ zen eines oder mehrerer zusätzlicher Multilayer lokal und selektiv erfolgt.

Im Ergebnis wird dann das teuere Multilayer-Material opti­ mal ausgenutzt.

Darüber hinaus ist es durch die Erfindung vorteilhaft mög­ lich, ein für eine Vielzahl von Varianten taugliches Her­ stellungssystem zu entwickeln, welches variantenübergrei­ fende Komponenten auf dem ersten, plattenförmigen Träger enthält, während variantenspezifische Komponenten - neben zusätzlichen Wicklungen ggf. auch zusätzliche, spezifisch notwendige Peripherie-Elektronik - auf dem bzw. den zu­ sätzlichen Trägern enthalten sind. Konstruktiver Aufwand und Lagerhaltung für eine Mehrzahl von Varianten verringern sich somit drastisch.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

So ist es erfindungsgemäß möglich, ein- oder beidseitig des Basisträgers (des ersten Trägers) einen oder mehrere der auf den konkreten Bereich der Induktivität beschränkten, zusätzlichen Multilayer-Träger anzubringen, wobei insbeson­ dere bei beidseitiger Anbringung eine Anordnung maximaler Kompaktheit entstehen kann.

Besonders geeignet ist die Erfindung zudem bei der Verwen­ dung der Planarinduktivität als Transformator, da hier Pri­ mär- und Sekundärwicklung den Leitungsschichten des zweiten bzw. des ersten Trägers unmittelbar zugeordnet werden können und somit die unmittelbare Beeinflussung des Wick­ lungsverhältnisses je nach Spezifikation möglich ist.

Erfindungsgemäß sind verschiedene Wege möglich, den zweiten Träger in geeigneter Weise mechanisch (und auch elektrisch) mit dem zugrundeliegenden, ersten Träger zu verbinden, wo­ bei sich hinsichtlich Festigkeit und mechanischer Belast­ barkeit eine Lötverbindung im seitlichen Bereich des zwei­ ten Trägers als besonders geeignet und bevorzugt herausge­ stellt hat. Weiter vorteilhaft wäre eine solche Anordnung durch eine (ggf. zusätzliche) Klebverbindung der Leiter­ schichten zu ergänzen bzw. weiter zu stabilisieren.

Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung ein flexibel einsetzbares Planar-Induktivitätensystem geschaffen, wel­ ches auf der Basis der vorteilhaften Multilayer-Technik die Möglichkeit zur weitgehenden Fertigungs- und Logistikopti­ mierung schafft.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1: eine Draufsicht auf eine auf einem Multi­ layer realisierte elektronische Schaltungs­ vorrichtung mit einem Paar von Planarinduk­ tivitäten auf einem Teilbereich des Multi­ layers;

Fig. 2: eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Planarinduktivität der Darstellung gemäß Fig. 1;

Fig. 3: eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Multilayer-Planarinduktivität gemäß Fig. 2 und gemäß einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung (best mode);

Fig. 4: eine zweite, alternative Ausführungsform der Erfindung mit einseitig aufgeklemmtem, zwei­ tem Multilayer-Stück;

Fig. 5: eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit beidseits des Basis-Multilayers aufge­ klemmten Multilayer-Stücken zur Ausbildung der Planarinduktivität und

Fig. 6: eine seitliche Schnittansicht einer herkömm­ lichen Multilayer-Planarinduktivität zur Er­ läuterung des Standes der Technik.

In Fig. 1 trägt eine Multilayer-Karte 10, etwa im Außenfor­ mat einer Europakarte, ein Paar von Planarinduktivitäten in Form von Planartransformatoren 12, die im Zentrum der Karte 10 angeordnet sind und etwa 20% der Kartenoberfläche bele­ gen.

Jeder Planartransformator 12 ist elektrisch mittels einer Sekundärwicklung realisiert, die durch Leitungsschichten 14 der Multilayer-Karte 10 (Basis-Multilayer) bereitgestellt werden, sowie durch eine Primärwicklung, die durch Lei­ tungsschichten 16 und 18 eines beidseits des Basis-Multi­ layers vorgesehenen ersten bzw. zweiten zusätzlichen Multi­ layer-Stücks 20 bzw. 22 bereitgestellt werden.

Die Leitungsschichten 14 bis 18 werden von einem im seitli­ chen Querschnitt E-förmigen Transformatorkern 24 (vgl. Draufsicht der Fig. 2) durchdrungen, wobei dieser mit sei­ nen Schenkeln durch die geschichtete Multilayer-Anordnung 20-10-22 hindurchgreift.

Genauer gesagt sind in den Multilayer-Stücken 20 bzw. 22 randseitige Ausnehmungen 26 sowie eine zentrale Ausnehmung 28 gebildet, die mit Durchbrüchen 30 des Basis-Multilayers 10 fluchten, so daß die (in der Darstellung der Fig. 2, ab­ wärts in die Zeichenebene hinein gerichteten) Schenkel des Transformatorkerns 24 durch alle drei Multilayer-Schichten hindurchgreifen und bodenseitig durch ein entsprechend zu­ geordnetes, in den Figuren nicht näher gezeigtes Kernelement verbunden werden können.

Durch die Leitungsschichten 14 des Basis-Multilayers bzw. die weiteren Leitungsschichten 16, 18 der Multilayer-Stücke 20, 22 findet eine elektrische Verbindung zu den weiteren elektronischen Bauelementen 32 auf der Multilayer-Karte 10 statt, so daß die Planarinduktivität in der ansonsten be­ kannten Weise in den Schaltungsaufbau einbezogen werden kann.

Wie die Draufsichten der Fig. 1 bzw. Fig. 2 zeigen, er­ strecken sich die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 über einen Teilabschnitt der Multilayer-Karte 10 (beidseits von dieser), wobei die zusätzlichen Stücke 20, 22 mittels eines nur geringen Zwischenraumes 34 (vgl. Fig. 3) auf der Basiskarte 10 aufliegen, durch zusätzliche Klebeverbindun­ gen 36 mit dieser verbunden sind und so eine geschichtete Anordnung einer Mehrzahl i.w. paralleler Leitungsanordnun­ gen entsteht: Im beispielhaft angenommenen Fall, daß der Basis-Multilayer vier Leitungsschichten aufweist und die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 jeweils fünf Lei­ tungsschichten, entsteht somit im Bereich der Planarinduk­ tivität eine Schichtung von vierzehn Leitungsschichten, die hinsichtlich ihrer elektrischen bzw. mechanischen Eigen­ schaften gegenüber einem einzelnen, vierzehn-schichtigen Multilayer nur unwesentlich verschlechtert ist, jedoch nur einen Bruchteil der Beschaffungs- bzw. Herstellungskosten erfordert. Darüber hinaus ist dann durch geeignete Wahl bzw. Bemessung der aufzusetzenden Multilayer-Stücke 20, 22 ein nahezu beliebiges Anpassen an gewünschte Dimensionie­ rungen möglich, wobei die Erfindung auch nicht auf etwa die in den Figur gezeigte ein- bzw. zweiseitige Anordnung zu­ sätzlicher Multilayer-Stücke beschränkt ist, sondern viel­ mehr auch eine beliebige, geeignete Anzahl von aufeinander­ liegenden Multilayer-Stücken (ein- oder zweiseitig) befe­ stigt werden kann.

Im weiteren wird unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 ein er­ ster Weg erläutert, wie erfindungsgemäß die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 auf dem Basis-Multilayer 10 befe­ stigt werden können. Wie die Draufsicht der Fig. 2 zeigt, sind die Multilayer-Stücke 20, 22 im Bereich ihrer Schmal­ kanten jeweils mit einem Paar seitlicher Aussparungen 38 versehen, die als periphere Fräsungen realisiert und in diesem Bereich metallisiert sind. Wie zudem in der Seiten­ ansicht der Fig. 3 zu erkennen, erstreckt sich die Metalli­ sierung auch über einen randseitigen Bereich der Ober- bzw. Unterfläche eines jeweiligen Multilayer-Stücks.

Befestigt sind diese Multilayer-Stücke 20, 22 nunmehr mit­ tels geeignet aufgebrachter Löt- bzw. Schweißpunkte 40 im Bereich der metallisierten Aussparungen 38, wodurch das je­ weilige Plattenelement in für eine automatisierte Be­ stückung und Befestigung (etwa SMD) geeigneter Weise auf entsprechenden, metallisierten Befestigungspunkten 42 der Basisplatte 10 festgelegt werden kann.

Die so entstehende, besonders gut aus der Schnittansicht der Fig. 3 zu erkennende Anordnung ist dann mechanisch sta­ bil und hält die einzelnen Leitungsschichten möglichst dicht aufeinander, so daß bei der entstehenden Planarinduk­ tivität nur äußerst geringe Streuverluste anzunehmen sein werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen alternative Möglichkeiten, erfin­ dungsgemäß eines oder mehrere zusätzliche Multilayer-Stücke auf einer Multilayer-Basiskarte 10 im Bereich der Planarin­ duktivität und zum variablen Ausbilden derselben zu befe­ stigen.

So ist gemäß Fig. 4 ein zusätzliches Multilayer-Stück 44 mittels eines wiederum an vier Punkten gemäß Fig. 2 angrei­ fenden Klammerelements 46 mit der Basiskarte 10 verbunden, wobei die Klammerelemente 46 in entsprechende Aufnahme­ durchbrüche 48 der Basiskarte 10 eingeführt und dort mit­ tels einer Lötverbindung od. dgl. festgelegt sind.

Durch diese in Fig. 4 gezeigte Ausbildung entsteht dann zwar ein etwas größerer Abstand zwischen Basiskarte 10 und zusätzlichem Multilayer 44 (bzw. den jeweiligen Leitungs­ schichten), erkennbar gestattet jedoch die Anordnung in Fig. 4 ein leichtes, austauschbares Montieren des zusätz­ lichen Multilayers.

Entsprechendes gilt für die beidseitige Anordnung wiederum eines Paares von Multilayer-Zusatzstücken für eine Pla­ narinduktivität gemäß Fig. 5, beidseits des Basis-Multi­ layers 10. Durch wiederum analog zur obigen Weise angeord­ nete Einzelklemmen 50, die jeweils bodenseitig auf Befesti­ gungsflächen 52 des Basis-Multilayers 10 aufgelötet sind, entsteht diese flexible Befestigungsmöglichkeit. Alternativ können die jeweiligen Einzelelemente 50 auch in Form von Profilen gebildet sein, die sich über eine jeweilige Kan­ tenlänge der gezeigten Multilayer-Stücke 54 erstrecken.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind rein exemplarisch zu verstehen, und es liegt im Rahmen des fachmännischen Verständnisses, auf der Basis der geschilderten Ausfüh­ rungsbeispiele das Erfindungsprinzip auf weitere, geeignete Anwendungsfälle anzuwenden.

Grundsätzlich bietet es sich an, einen Multilayer als Ba­ sisplatte zu benutzen, der mindestens zwei Leitungsschich­ ten aufweist; üblicherweise wird ein praktisch nutzbarer Multilayer etwa sechs Leitungsschichten aufweisen. Darauf werden dann in geeigneter Weise und abhängig von den Wick­ lungserfordernissen Multilayer-Stücke im Bereich der aus zu­ bildenden Induktivität angebracht, die der geforderten Wicklungszahl bzw. dem geforderten Wicklungsverhältnis ent­ sprechen.

Während im geschilderten Ausführungsbeispiel bevorzugt die Sekundärwicklung der Basisplatte zugeordnet wurde, da diese oftmals weniger Wicklungen benötigt, ist natürlich - je nach Anwendungsfall - auch eine Umkehrung oder andere Aus­ gestaltung möglich, etwa das Verwenden von Leitungsschich­ ten der Basisplatte als Primärwicklung.

Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschrie­ benen Befestigungs- und Kontaktiermöglichkeiten für die aufzusetzende(n) zusätzliche Multilayer-Platte(n) be­ schränkt; so könnte es sich insbesondere auch anbieten, aus der Hybrid-Technik bekannte Kontaktier- und Befestigungs­ verfahren vorzusehen, etwa in Form eines Verbindungskammes.

Ergänzend oder alternativ erscheint es möglich, gezielte, elektrische Kontakte zwischen einer Leitung eines aufge­ setzten, zusätzlichen Multilayers und einem Kontaktpunkt auf der Basisplatte durch Bonden oder ein vergleichbares Verbindungsverfahren herzustellen.

Im Ergebnis entsteht somit eine Vorrichtung bzw. ein Ver­ fahren, welches erfindungsgemäß die Vorteile der Multi­ layer-Technologie hinsichtlich Kompaktheit, Reproduzierbar­ keit in der Fertigung und mechanischer Belastbarkeit durch die Möglichkeit ergänzt, auf eine einfache und flexible Art und Weise eine beliebig konfigurierbare Multilayer-Pla­ narinduktivität auszubilden, ohne daß etwa speziell hierfür der zugrundeliegende Basis-Multilayer gesondert ausgebildet sein muß.

Claims (9)

1. Multilayer-Planarinduktivität auf einem Teilbereich eines ersten plattenförmigen Trägers (10), der eine Mehrzahl von i.w. parallel zueinander verlaufenden, er­ sten Leitungsschichten (14) aufweist und zum Halten und Kontaktieren weiterer elektronischer Bauelemente (32) ausgebildet ist,
wobei mindestens eine, eine erste elektrische Windung realisierende Leitungsschicht (14) des ersten Trägers zum Zusammenwirken mit einem zum Führen eines magneti­ schen Flusses vorgesehenen, in dem Teilbereich anzuord­ nenden Kern (24) eingerichtet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß
in dem Teilbereich mindestens ein zweiter plattenförmi­ ger Träger (20; 22; 44; 54) mit einer Mehrzahl von i.w. parallel zueinander verlaufenden, zweiten Leitungs­ schichten (16; 18) so parallel zu dem ersten Träger (10) angeordnet ist, daß mindestens eine, eine zweite elektrische Windung realisierende Leitungsschicht (16) des zweiten Trägers mit dem Kern (24) und der ersten elektrischen Windung induktiv zusammenwirken kann.

2. Planarinduktivität nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite plattenförmige Träger eine geometrische Ausdehnung parallel zum ersten Träger auf­ weist, die sich auf den Teilbereich beschränkt.

3. Planarinduktivität nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beidseits des ersten Trägers jeweils mindestens ein zweiter Träger fluchtend übereinander angeordnet ist.

4. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität als Trans­ formator realisiert ist, dessen Sekundärwindung durch die erste elektrische Windung und dessen Primärwindung durch die zweite elektrische Windung realisiert ist.

5. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger durch mindestens zwei, an gegenüberliegenden Seiten angrei­ fende, auf dem ersten Träger befestigte Halteelemente (46, 50) mit dem ersten Träger befestigbar ist.

6. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger durch mindestens eine, seitlich angreifende Lötverbindung mit dem ersten Träger verbunden ist.

7. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger mittels einer Klebverbindung auf dem ersten Träger befestigbar ist.

8. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Träger und der zweite Träger im aufeinander angeordneten Zustand min­ destens einen fluchtenden Durchbruch (30) zum Hindurch­ führen eines Abschnittes des Kerns (24) aufweisen.

9. Verfahren zum Herstellen einer Multilayer- Planarinduktivität, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Schritte:

• - Ausbilden eines Teilbereichs eines ersten plattenförmigen Trägers mit einer Mehrzahl von i. w. parallel zueinander verlaufenden, ersten Leitungsschichten zum Aufnehmen eines zum Führen eines magnetischen Flusses vorgesehenen Kerns,
• - Anordnen eines zweiten plattenförmigen Trägers mit einer Mehrzahl von i. w. parallel zueinander verlaufenden, zweiten Leitungsschichten parallel zu dem ersten Träger und
• - Anordnen des Kerns an dem ersten Träger und an dem zweiten Träger so, daß eine erste elektrische Windung des ersten Trägers, eine zweite elektrische Windung des zweiten Trägers sowie der Kern induktiv zusammenwirken können.