DE19834615A1 - Transformator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung gibt einen kompakten, planaren Transformator an, der einen Kern, Wicklungen, die als Leiterbahnen (L) auf Trägerschichten (F) angeordnet sind, und ein Kammersystem, das die Trägerschichten (F) mit den Wicklungen aufnimmt, aufweist. Zur Kontaktierung der Leiterbahnen (L) sind an Wänden (PK) des Kammersystems Stege (S) mit metallisierten Nuten (N) angeordnet. Das Kammersystem und die Stege können insbesondere nach dem Zweischuß-MID-Verfahren mit selektiver Metallisierung hergestellt werden. Die Nuten (N) sind beispielsweise kerbförmige oder trogförmige Vertiefungen, in die die Trägerschichten (F) einrasten und hierdurch gehalten werden. Der elektrische Kontakt durch die Nuten kann zusätzlich durch einen Lötpastenauftrag (LP) mit nachfolgender Verlötung unterstützt werden. DOLLAR A Durch die seitlichen Kontaktierungen werden Durchkontaktierungen bei den Trägerschichten (f) vermieden, so daß diese wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können. Durch das Kammersystem können die Öffnungen eines Kerns, beispielsweise eines E/E oder E/I-Kernes, wesentlich besser ausgenutzt werden, wenn der Transformator eine ausreichende Isolationsfestigkeit, wie beispielsweise bei einer Netztrennung gefordert, erfüllen muß. Anwendungen ergeben sich insbesondere für Schaltnetzteile mit hohen Schaltfrequenzen, beispielsweise für Resonanzkonverter mit Schaltfrequenzen von über 100 kHz.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Transformator mit einem Kern und mit Wicklungen, die in Form von Leiterbahnen auf Trägerschichten, insbesondere Folien oder Leiterplatten, angeordnet sind. Transformatoren dieser Art finden Verwendung beispielsweise in Schaltnetzteilen mit sehr hohen Schaltfrequenzen, insbesondere bei Schaltfrequenzen über 100 kHz, wodurch die Abmessungen des Transformators sehr kompakt gehalten werden können.

Bei einer Verkleinerung des Transformators muß auf eine ausreichende Isolierung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite geachtet werden, wenn der Transformator nicht vergossen werden soll. Dies ist insbesondere wichtig für Schaltnetzteile mit Netztrennung, für die Sicherheitsvorschriften eine Kriechstrecke für elektrische Oberflächenströme zwischen Sekundärseite und Primärseite von mindestens 6 mm verlangen, die für den gesamten Transformator eingehalten werden muß. Bei gegebenen Abmessungen des Transformatorkerns wird hierdurch das verfügbare Nutzvolumen für die Wicklung eingeschränkt. Die Sicherheitsvorschriften führen somit zu größeren Bauelementen und höheren Verlustleistungen durch erhöhten ohmschen Widerstand sowie zu einer schlechteren magnetischen Kopplung.

Werden beidseitig beschichtete Trägerschichten verwendet, so sind Durchkontaktierungen notwendig, die auf der Oberseite und der Unterseite der Trägerschicht angeordnete Leiterbahnen verbinden. Zudem müssen Leiterbahnen von mehreren Trägerschichten miteinander verbunden werden, da auf einer Seite einer Trägerschicht nur eine oder wenige Leiterbahnen angeordnet sind und für eine Transformatorwicklung eine vorgegebene Windungszahl erreicht werden muß. Dies verteuert diesen Transformator jedoch erheblich und erschwert eine automatische Fertigung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Transformator der eingangs genannten Art anzugeben, der kostengünstige elektrische Kontaktierungen bei sehr kompakten Abmessungen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Varteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Transformator nach der Erfindung enthält ein Kammersystem, das die Wicklungen aufnimmt. Dieses trennt die Primärwicklung von einer oder mehreren Sekundärwicklungen, so daß lange Kriechstrecken zwischen diesen entstehen. Hierdurch kann insbesondere die volle Breite der Trägerschichten im Bereich der Öffnungen des Kerns genutzt werden, so daß entweder die Breite der Leiterbahnen oder ihre Anzahl erhöht werden bzw. der Transformator verkleinert werden kann.

Zur Kontaktierung der Leiterbahnen weist das Kammersystem Stege mit metallisierten Nuten auf, die Verbindungen zwischen Leiterbahnen herstellen, die auf der Ober- und der Unterseite einer beidseitig beschichteten Trägerschicht angeordnet sind oder zwischen Leiterbahnen zweier benachbarter Trägerschichten. Hierdurch können insbesondere Durchkontaktierungen von Trägerschichten vermieden werden. Eine Nut umfaßt hierbei gewissermaßen wie eine Klammer die Kante einer beidseitig beschichteten Trägerschicht und verbindet hierdurch zwei Leiterbahnen, bei denen beispielsweise jeweils ein Ende bis zu dieser Kante herangeführt ist.

Die Stege des Kammersystems und die metallisierten Nuten können nach dem Zweischuß-MID ("Moulded Interconnect Devices")-Verfahren zusammen mit den Kammerteilen hergestellt werden. Durch das MID-Verfahren, ein Kunststoff- Spritzgieß-Verfahren, können filigrane Strukturen aus Thermoplasten zusammen mit metallischen Leiterbahnen hergestellt werden, durch die herkömmliche Leiterplatten ersetzt werden können. Die Stege werden hierbei selektiv metallisiert für die Herstellung der Nuten.

Für einen niedrigeren Übergangswiderstand können die metallisierten Nuten zusätzlich galvanisch verstärkt werden. Unterstützend kann ein Latpastenauftrag mit nachgeschaltetem Lötvorgang vorgesehen werden. Die Kontaktierungen werden auf zwei oder mehrere Stege verteilt, um einen Zwischenraum mit einem ausreichenden Isolationsabstand zwischen zwei Nuten zu gewährleisten. Bei dem Zweischuß-MID-Verfahren kann beispielsweise bei dem ersten Schuß eine Aktivierung mittels Paladium-Keimen verwendet werden, die die Haftung einer nachträglich aufgebrachten Kupferschicht verbessert.

Für die Trägerschichten kann insbesondere eine LCP ("Liquid Crystal Polymer")-Struktur verwendet werden, auf die z. B. mit dem Futuron-Verfahren Leiterbahnen aufgebracht werden können. Hierdurch können Leiterbahndicken mit 35 µm oder 70 µm Kupfer für eine höhere Strombelastung hergestellt werden, also Leiterbahndicken, die mit dem "Hot Stamping"-Verfahren nicht erzeugt werden können. Die LCP-Folie ist sehr temperaturbeständig, so daß Lötverfahren, beispielsweise das Reflow-Verfahren, für das Kammersystem mit den darin angeordneten Trägerschichten verwendet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b ein planarer Transformator mit einem Kern und mit in einem Kammersystem angeordneten Wicklungen,

Fig. 2 Kontaktierungen von Leiterbahnen mittels tragförmiger Nuten,

Fig. 3a ein Kammerteil mit Stegen zur Kontaktierung,

Fig. 3b eine seitliche Ansicht des Kammerteils der Fig. 3a in einem Schnitt und

Fig. 4 eine Kupferstruktur zur Galvanisierung von Nuten auf einem Kammerteil.

In der Fig. 1a ist in einer Schnittzeichnung ein Transformator mit einem Kern, bestehend aus zwei Kernteilen K1, K2 in Form eines E/E-Kerns, und ein Kammersystem mit zwei Kammerteilen P1 und P2 dargestellt. In dem Kammersystem ist eine in zwei Teilwicklungen aufgeteilte Primärwicklung W1 und eine Sekundärwicklung W2, die zwischen den beiden Teilwicklungen der Primärwicklung W1 liegt, angeordnet. In dem Bereich, in dem die Wicklungen durch die Öffnungen des Kerns hindurchführen, ist die mittlere Wicklung W2 durch das Kammersystem vollständig umfaßt, so daß sich hierdurch lange Kriechwege zwischen Primär- und Sekundärwicklung ergeben.

Die Wicklungen W1, W2 sind aus mehreren Lagen von Trägerschichten F aufgebaut, zwischen denen eine Isolierschicht angeordnet ist. Die Trägerschichten F sind in diesem Ausführungsbeispiel beidseitig mit Leiterbahnen versehen. Einseitig beschichtete Trägerschichten können aber ebenfalls verwendet werden.

Eine beispielhafte Anordnung einer Leiterbahn L auf der Trägerschicht F ist aus der Fig. 1b ersichtlich. Hier sind fünf Windungen auf einer Seite angeordnet mit einer Kontaktierung T1 am Anfang und einer Kontaktierung T2 am Ende der Leiterbahn. Das Ende der Leiterbahn T2 wird über eine Durchkontaktierung auf die Unterseite der Trägerschicht F durchgeführt, auf der ebenfalls Windungen angeordnet sind, und mittels einer Durchkontaktierung T3 wieder auf die Oberseite zurückgeführt.

Die beiden Kammerteile P4 und P5 umgeben die Sekundärwicklung W2 im Bereich der Öffnungen der beiden Kernteile K1 und K2 vollständig, so daß hierdurch fast die volle Breite der Öffnungen im Kern K1, K2 genutzt werden kann, wie aus der Fig. 1b ersichtlich. Die Dicke der Wände der Kammerteile P1 und P2 kann sehr gering gehalten werden, z. B. 0,4 mm. Außerhalb von den Öffnungen der Kernteile K1, K2 können die Trägerschichten F aus dem Kammersystem herausragen, beispielsweise um Kontaktierungen an den Anschlüssen T1 und T3 vorzunehmen. Der benötigte Isolationsabstand kann hier ohne Nachteile durch einen ausreichenden Rand R auf der Trägerschicht F hergestellt werden. Der anhand der Fig. 1a und 1b beschriebene Transformator und der bekannte relevante Stand der Technik ist bereits in der früheren Anmeldung P 198 05 914 beschrieben, auf die hiermit verwiesen wird.

Zur Vermeidung von Durchkontaktierungen enthält das Kammersystem Stege S mit metallisierten Nuten N, dargestellt in der Fig. 2, die Verbindungen zwischen Leitern auf der Oberseite und Leitern auf der Unterseite der Trägerschichten F herstellen. Die Stege S sind an Kammerwänden PK angeordnet, die in diesem Ausführungsbeisiel senkrecht von dem Badenteil B eines Kammerteils hochführen. Die Nuten N können tragförmig, wie in diesem Ausführungsbeispiel, oder kerbförmig ausgeführt sein, so daß die Trägerschichten F mit einer Kante einrasten. Eine metallisierte Nut N umgibt hierbei die Kante wie eine Klammer und stellt hierdurch einen elektrischen Kontakt zwischen einer Leiterbahn L auf der Oberseite und einer Leiterbahn L auf der Unterseite einer Trägerschicht F her. Die Tiefe der Nut kann beispielsweise in einem Bereich um 0,5 mm liegen.

Als Trägerschicht kann insbesondere eine LCP-Struktur mit einer Dicke von 0,05 mm verwendet werden, die mit Leiterbahnen der Dicke 35 µm oder 70 µm versehen werden kann. Zur Unterstützung der Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen L auf der Ober- und der Unterseite der Trägerschicht F kann zusätzlich nach ein Lötpastenauftrag LP verwendet werden, der in die Nuten N eingebracht ist. Durch entsprechendes Erhitzen, beispielsweise in einem Reflow- Verfahren, kann die Lötpaste mit den Leiterbahnen L und der Metallisierung der Nut N verschmelzen. Anstatt dieses Lötverfahrens kann auch ein Leitkleber verwendet werden.

Zwischen den Trägerschichten F sind Isolierschichten 15 angeordnet zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Leiterbahnen. Die Stege S enthalten insbesondere nur für jede zweite Trägerschicht F eine metallisierte Nut N, so daß sich ein ausreichender Isolationsabstand zwischen zwei Nuten ergibt.

In der Fig. 3a ist ein Kammerteil P3 in einer Aufsicht dargestellt, in das die Trägerschichten F, beispielsweise die Sekundärwicklung W2, in Form eines Stapels eingelegt werden. Es enthält ein Badenteil B, auf dem die unterste Trägerschicht F möglichst plan aufliegt, und Seitenwände PK, die die Breite der Trägerschichten bestimmen. Dieses Kammerteil P3 kann beispielsweise für einen E/E-Kern verwendet werden, wobei der mittlere Kernschenkel des Kerns durch die Öffnung OE des Kammerteils P3 hindurchführt.

Durch ein zweites Kammerteil, nicht dargestellt, ist die in dem Kammerteil P3 angeordnete Wicklung im Bereich des Kernes und dessen Öffnungen vollständig umschlossen, so daß die volle Breite zwischen den Kammerwänden PK für Leiterbahnen auf den Trägerschichten F verwendet werden kann. Das Kammerteil P3 und das zugehörige, abschließende äußere Kammerteil sind ähnlich den Kammerteilen P1 und P2 der Fig. 1a, besitzen jedoch seitliche Erweiterungen. Hierdurch können weitere Stege beim inneren Kammerteil P3 angeordnet werden, beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3a die Stege S1, S2 und S5, S6. Durch eine Aussparung AS können die Stege S3 und S4 auch von der Seite bearbeitet werden.

Der Aufbau der Stege S3, S4 geht aus der Fig. 3b hervor, die eine Ansicht des Kammerteils P3 im Schnitt A-B zeigt. In diese Stege S3, S4 sind metallisierte Nuten N1-N5 eingelassen, durch die jeweils ein Kontakt zwischen einer Leiterbahn auf der Oberseite und der Unterseite einer Trägerschicht hergestellt wird. Da die Nuten N1-N5 auf zwei Stege verteilt sind, entsteht ein ausreichender Isolationsabstand zwischen den Nuten. Hierdurch werden mit einem Steg jeweils Kontaktierungen von übernächsten Trägerschichten bewirkt, so daß zwei Stege notwendig sind. Durch die fünf Nuten N1-N5 werden daher fünf Trägerschichten kontaktiert.

Durch die Stege S3, S4 werden nur Kontaktierungen von Leiterbahnen auf der Ober- und der Unterseite von Trägerschichten hergestellt zur Vermeidungen von Durchkontaktierungen. Kontaktierungen zwischen Trägerschichten können mit der Erfindung ebenfalls hergestellt werden, sollen aber bei dieser Ausführung am äußeren Rand der Trägerschichten zusammen mit den Anschlüssen der Wicklung realisiert werden.

In der Fig. 4 sind die Nuten N1-N5 der Stege S3, S4 vergrößert in einer Detailzeichnung dargestellt. Hier ist zusätzlich nach eine Kupferstruktur KS zu sehen, die in der Fig. 3b nicht vorhanden ist. Durch diese wird eine elektrische Verbindung zu den Nuten N1-N5 bewirkt, über die bei der Herstellung die Metallisierung der Nuten N1-N5 in einem Kupferbad galvanisch verstärkt werden kann. Nach der Galvanisierung wird die Kupferbahn KS wieder entfernt. Die Kupferschicht KS kann direkt auf der Wand PK aufgebracht werden.

Indem für die Trägerschicht F und die Kammerteile P1, P2 beziehungsweise P3 dieselbe LCP-Struktur verwendet wird, bietet sich die Möglichkeit, den Transformator vollständig zu recyclen. Eine Trennung von Kunststoff und Metall mit einem befriedigendem Reinheitsgrad bei einer LCP-Struktur wurde bereits nachgewiesen. Ein Stoffrecycling wäre insbesondere wichtig für Fernsehgeräte, da diese sehr viele Kunststoffteile enthalten.

Aufgrund der hervorragenden spritztechnischen Eigenschaften der LCP-Strukturen können Wandstärken im Bereich von 0,4 mm für die Kammerteile verwendet werden, wodurch der Flächenverlust in den Öffnungen des Kerns bei dieser Wandstärke gering gehalten wird. Aufgrund der Verbreiterung der nutzbaren Fläche auf den Trägerschichten im Vergleich zu früheren Transformatoren kann die Anzahl der Lagen von Trägerschichten reduziert werden, so daß die zusätzlichen Kasten, die durch das Kammersystem entstehen, bereits durch die Einsparung einer Wicklungslage kompensiert werden können. Zusätzlich weist der Transformator verbesserte elektrische Eigenschaften auf, durch die bessere Ausnutzung der Kernöffnungen.

Das anhand der Fig. 1-4 erläuterte Kammersystem bezieht sich im wesentlichen auf einen E/E-Kern oder E/I-Kern. Andere Ausgestaltungen, insbesondere für andere Kernformen, sind aber ebenfalls möglich. Transformatoren dieser Art sollen beispielsweise in Resonanzwandler-Schaltnetzteilen verwendet werden, die höhere Leistungen im Bereich von deutlich über 100 Watt bereitstellen können, z. B. für Plasma-Fernsehgeräte oder Fernsehgeräte mit großen Bildröhren. Der Transformator kann auch nach weitere primärseitig oder sekundärseitig angeordnete Wicklungen enthalten. Andere Anwendungen, beispielsweise für Drosseln und Filter, sind aber ebenfalls möglich.

Claims (10)

1. Transformator mit einem Kern (K1, K2) und mit Wicklungen (W1, W2), die als Leiterbahnen (L) auf Trägerschichten (F) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein Kammersystem (P1, P2, P3) enthält, das die Trägerschichten (F) mit den Wicklungen (W1, W2) aufnimmt, und daß in dem Kammersystem (P1, P2, P3) zur Kontaktierung von Leiterbahnen (L) Stege (S) mit einer metallisierten Nut (N) angeordnet sind.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (S) nach dem Zweischuß-MID-Verfahren mit selektiver Metallisierung hergestellt sind.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen zum Verbinden von Leiterbahnen (L) zwischen Ober- und Unterseite einer beidseitig beschichteten Trägerschicht (F) und/oder zwischen Leiterbahnen (L) zweier Trägerschichten (F) angeordnet sind.

4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut (N) eine Kante einer beidseitig beschichteten Trägerschicht (F) klammerähnlich umfaßt zur Kontaktierung.

5. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die metallisierte Nut (N) bewirkte Kontaktierung durch einen Latpastenauftrag (LP) mit nachgeschaltetem Lötvorgang unterstützt ist.

6. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen auf mindestens zwei Stege (S) verteilt sind für einen ausreichenden Isolationsabstand zwischen zwei Nuten (N)

7. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschichten (F) vorwiegend aus einem Kunstoff mit LCP-Struktur sind, und daß für das Kammersystem (P1, P2, P3) derselbe Kunststoff verwendet ist.

8. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Nuten (N) der Stege (S) zumindest teilweise galvanisch verstärkt sind.

9. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem (P1, P2, P3) wenigstens eine Wicklung (W2) zumindest bereichsweise umgibt.

10. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (S) an Seitenwänden (PK) des Kammersystems (P1, P2, P3) angeordnet sind, und daß die Trägerschichten (F) mit jeweils einer ihrer Kanten in jeweils einer der Nuten (N) verrastet sind.