DE19835016B4 - Block-wise manufacturing of inductors with microtechniques - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauelementen, die als Induktivität mit einer leitfähigen Schicht ein Volumen einschließen, unter Verwendung von räumlich vorstrukturierten Substraten (300; 310; 320; 330) mit einer Vielzahl von Rohlingen (R1, R2; R3, R4; R5; R6, R7) in Matrixanordnung dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich vorstrukturierten Substrate (300; 310; 320; 330) mittels einer Vielzahl paralleler Schnitte (A-A, B-B) senkrecht zu in einem Block (400; 410; 420; 430) parallel angeordneter elektrischer Leiterbahnen (102; 112; 122) hergestellt werden.method for the production of electrical components that act as an inductance with a conductive Layer include a volume, using spatial pre-patterned substrates (300; 310; 320; 330) having a plurality blanks (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7) in matrix arrangement therethrough characterized in that spatial pre-structured substrates (300; 310; 320; 330) by a plurality parallel sections (A-A, B-B) perpendicular to in a block (400; 410; 420; 430) arranged in parallel electrical conductor tracks (102; 112; 122) are produced.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Induktivitäten aus einem Nutzen unter Verwendung von Mikrotechniken und ein hierfür geeignetes Spulendesign. Bei den Induktivitäten handelt es sich um lange Spulen oder aus solchen hergestellte elektrische Bauelemente.The The present invention relates to a process for the preparation of inductors from a benefit using microtechniques and a suitable one Coil design. At the inductances these are long coils or electrical ones made of such Components.
Eine
herkömmliche
Hochfrequenzspule und ein herkömmliches
Verfahren zu ihrer Herstellung ist beispielsweise aus der
Herkömmlich werden induktive elektrische Bauelemente in klassischer Drahtwickeltechnik über einem Keramikgrundkern gefertigt, weil sich mit der Bauform einer langen Spule hervorragende elektrische Daten vor allem im Hochfrequezbereich erreichen lassen. Dabei wird die Spule durch mechanische Wickeltechnik mit Draht realisiert. Spulen sind im Gegensatz zu Widerstands- und Kondensatorelementen volumenabhängige Bauelemente, weshalb die klassische Drahtwickeltechnik eingesetzt wird, um die geeigneten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.Become conventional inductive electrical components in classical wire winding technology over one Ceramic core made because of the design of a long Coil excellent electrical data especially in Hochfrezzbereich achieve. In doing so, the coil becomes mechanical winding technology realized with wire. Coils are in contrast to resistance and Capacitor elements volume-dependent Components, which is why the classic wire winding technique used is to achieve the appropriate electrical properties.
Die Herstellung von sogenannten langen Spulen mittels der herkömmlichen Drahtwickeltechnik läßt jedoch keine über die Größenordnung von 1 mm × 1 mm × 2 mm hinausgehende Miniaturisierung zu. Durch die serielle Fertigung der Spulen mittels herkömmlicher Drahtwickeltechnik ist die Herstellung außerdem langwierig und teuer, was zu hohen Produktionskosten führt.The Production of so-called long coils by means of conventional Wire winding technology, however, leaves no over the order of magnitude of 1 mm × 1 mm × 2 mm miniaturization. Through the serial production the coils by conventional Wire winding technology is also tedious and expensive to manufacture which leads to high production costs.
Mit immer kleiner werdenden Abmessungen der Bauelemente, z. B. für Oberflächenmontagetechnik, sind daher die Grenzen einer seriellen Herstellung von Spulen in herkömmlicher Feinwerktechnik erreicht, so daß planare Spulen auf Keramiksubstraten entwickelt wurden, womit über die Nutzenfertigung in Mikrotechniken, wie planarer Dünnfilm- und Dickfilmtechnik auch ein Kostenvorteil erreicht wird. Planare Spulen weisen jedoch im Vergleich zu dreidimensionalen Spulen sehr viel schlechtere Hochfrequenzeigenschaften auf. Die nachteiligen Hochfrequenzeigenschaften planarer Spulen werden durch die vergrößerte Kapazität der planaren Bauform und durch die nachteiligen dieelektrischen Eigenschaften des Substrates verursacht. Selbst herkömmliche aus Planarelementen zusammengesetzte Multilayer-Spulen, die mit Via-elementen verbunden sind, haben nachteilige parasitäre Werte und dementsprechend geringe Güten.With ever smaller dimensions of the components, eg. B. for surface mounting technology, are therefore the limits of a serial production of coils in conventional Feinwerktechnik achieved, so that planar Coils were developed on ceramic substrates, which over the Use production in microtechnologies, such as planar thin-film and thick film technology also a cost advantage is achieved. planar However, coils are very much compared to three-dimensional coils much worse high frequency characteristics. The disadvantageous High frequency characteristics of planar coils are due to the increased capacity of the planar ones Design and by the adverse dielectric properties of the Substrates caused. Even conventional from planar elements composite multilayer coils connected to via elements are, have adverse parasitic Values and accordingly low grades.
Es wurde daher versucht zur Nutzenfertigung von "langen Spulen" vorstrukturierte Substrate einzusetzen, wobei z.B: lithographische Techniken angewandt werden können, wie sie z.B: in dem Aufsatz „Conformal Coating by Photoresist of Sharp Corners of Anisotropically Etched Trough-Holes in Silicon" in Transducers 97 Proceedings, 209–212 beschrieben sind.It was therefore attempting to use pre-structured substrates for the production of "long coils", for example: lithographic techniques can be used, such as For example: in the article "Conformal Coating by Photoresist of Sharp Corners of Anisotropically Etched Trough-Holes in Silicon "in Transducers 97 Proceedings, 209-212 are described.
Unter Zuhilfenahme solcher oder ähnlicher lithographischer Techniken wird ein Substrat derart vorstrukturiert, daß eine Vielzahl von gleichartig ausgebildeten Spulenelementen auf engstem Raum in einer Ebene in Matrixanordnung nebeneinander angeordnet sind.Under Use of such or similar lithographic techniques, a substrate is prestructured in such a way that that one Variety of similar trained coil elements on tightest Space in a plane arranged in matrix arrangement next to each other are.
Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben daher ein Verfahren der Herstellung von nicht-planaren, langen Spulen im Nutzen durch Mikrotechniken vorgeschlagen, bei dem vorstrukturierte Substrate verwendet werden, in denen Lochverbindungen zwischen beiden Substratseiten in separater Weise hergestellt werden. Eine Vielzahl von vorstrukturierten Spulenrohlingen wird dabei im Batch-Prozessing zur fertigen Spule ausgebildet. Die Spulenrohlinge sind auf engstem Raum in einer Ebene nebeneinander angeordnet und werden nach Fertigstellung voneinander getrennt. Die Ausbildung der Lochverbindungen zwischen den beiden Substratseiten ist jedoch nur äußerst schwierig in der erforderlichen Genauigkeit herstellbar.The Applicants of the present invention therefore have a method of Production of non-planar, long coils in the benefits of microtechnology proposed in which prestructured substrates are used, in which hole connections between two substrate sides in a separate manner getting produced. A variety of pre-structured coil blanks is doing in batch processing formed to the finished coil. The coil blanks are on tightest Space in a plane next to each other and are after completion separated from each other. The formation of the hole connections between However, the two substrate sides is extremely difficult to achieve the required accuracy produced.
Aufgabe der vorliegenden Entwicklung ist daher ein einfaches, und kostengünstiges Verfahren von aus einem Nutzen gebildeten induktiven Grundbauelementen bereitzustellen, mittels dem eine Ausbildung von Lochverbindungen zwischen den beiden Substratseiten vermieden werden kann. Dabei soll es sich um dreidimensionale Induktivitäten handeln, die zur industriellen Massenproduktion besonders geeignet sind und den gestellten hohen Qualitätsansprüchen voll gerecht werden.task The present development is therefore a simple and cost-effective Method of inductive basic components formed from a utility to provide, by means of a formation of hole connections between the two sides of the substrate can be avoided. there it should be three-dimensional inductors that are used for industrial Mass production are particularly suitable and the asked high Quality demands full satisfy.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche und/oder der nachfolgenden Beschreibung. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in schematischen Zeichnungen dargestellt sind. Hierzu zeigt:The The above object is achieved according to the invention with the features of the characterizing Part of claim 1 solved. Advantageous versions result from the features of the subclaims and / or the following description. The invention will be described below with reference to exemplary embodiments, which are shown in schematic drawings. This shows:
Die
vorstehenden
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich Spulen der in
Länge (Abstand der Geraden C-C)
: 0,1–10
mm, insbesondere 0,6–1
mm
Breite (Abstand der Geraden D-D): 0,05–5 mm, insbesondere 0,3–0,7 mm
Tiefe
(senkrecht zur Papierebene): 0,05–5 mm, insbesondere 0,3–0,7 mm
Querschnitt:
0.0025–25
mm2, insbesondere 0,25 mm2
Abstand
der Leiterbahnen G: 0,01–0,1
mm, insbesondere 0,02–0,04
mm
Querschnitt der Leiterbahnen B: 0,01–0,1 mm, insbesondere 0,02
mmWith the method according to the invention can be coils of in
Length (distance of the straight line CC): 0.1-10 mm, in particular 0.6-1 mm
Width (distance of the line DD): 0.05-5 mm, especially 0.3-0.7 mm
Depth (perpendicular to the paper plane): 0.05-5 mm, in particular 0.3-0.7 mm
Cross section: 0.0025-25 mm 2 , in particular 0.25 mm 2
Distance of the conductor tracks G: 0.01-0.1 mm, in particular 0.02-0.04 mm
Cross section of the conductor tracks B: 0.01-0.1 mm, in particular 0.02 mm
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Bauelementen bereitzustellen, die als Induktivität mit einer leitfähigen Schicht ein Volumen einschließen, wobei räumlich vorstrukturierte Substrate mit einer Vielzahl von Rohlingen in Matrixanordnung verwendet werden, und erfindungsgemäß die räumlich vorstrukturierten Substrate mittels einer Vielzahl paralleler Schnitte senkrecht zu in einem vorstrukturierten Block parallel angeordneter elektrischer Leiterbahnen hergestellt werden.Of the The present invention is based on the idea of a method to provide for the manufacture of electrical components, the as inductance with a conductive Layer include a volume, being spatially pre-structured substrates with a variety of blanks used in matrix arrangement be, and according to the invention, the spatially pre-structured Substrates by means of a plurality of parallel sections perpendicular to in a prestructured block arranged in parallel electrical Printed conductors are produced.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Block aus einer Vielzahl laminierter flächenhafter ebenfalls vorstrukturierter Substrate zusammengesetzt ist.there It is particularly advantageous that the block of a variety laminated areal likewise pre-structured substrates is composed.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Induktivitäten, die mit einer leitfähigen Schicht ein Volumen einschließen besteht dabei insbesondere aus den nachfolgenden Schritten:One inventive method for the production of inductors, with a conductive layer include a volume consists in particular of the following steps:
Schritt 1: Herstellung der Vielzahl der flächenhaft vorstrukturierter Substrate mit der Vielzahl von parallelen Leiterbahnen;step 1: Production of the large number of planar prestructured Substrates with the plurality of parallel tracks;
Schritt 2: Herstellung des erfindungsgemäßen dreidimensionalen Blocks durch Laminierung einer Vielzahl der flächenhaft vorstrukturierten Substrate übereinander;step 2: Production of the three-dimensional invention Blocks by laminating a variety of areal prestructured Substrates one above the other;
Schritt 3: Herstellung der Vielzahl der erfindungsgemäßen räumlich vorstrukturierten Substrate mit einer Vielzahl von parallelen vertikalen Leiterbahnen durch Schnitte aus dem Block senkrecht zu den parallelen Leiterbahnen;Step 3: Production of the plurality of spatially pre-structured substrates according to the invention with a plurality of parallel vertical conductor tracks by cuts from the block perpendicular to the parallel tracks;
Schritt 4: Verbindung der vertikalen Leiterbahnen mittels auf der Ober- und Unterseite der räumlich vorstrukturierten Substrate jeweils parallel angeordneter Leiterbahnen, so daß eine Vielzahl von Spulenrohlingen in Matrixanordnung nebeneinander ausgebildet sind.step 4: connection of the vertical tracks by means of and bottom of the spatially prestructured substrates in each case arranged in parallel conductor tracks, so that one Variety of coil blanks in a matrix arrangement formed side by side are.
Schritt 5: Vereinzelung der Rohlinge durch Schnitte an den Grenzen der Rohlinge.step 5: Separation of the blanks by cuts at the boundaries of the blanks.
Prinzipiell
sind Spulen geeigneter Güte
dreidimensionale Bauelemente, da die Induktivität einer Spule aus der nachstehenden
Gleichung gegeben ist:
- L:
- Induktivität
- N:
- Windungszahl
- l:
- Länge der Spule
- A:
- Querschnitt
- l:
- Länge
- L:
- inductance
- N:
- number of turns
- l:
- Length of the coil
- A:
- cross-section
- l:
- length
In Gleichung 1) beschreibt A × l das Spulenvolumen, und N/l die technisch relevante Größe Windungszahl pro Länge. Aus Gleichung 1) geht hervor, daß die Güte der Induktivität von dem eingeschlossenen Spulenvolumen und der Windungszahl abhängig ist. Daher ist es wünschenswert, daß das eingeschlossene Spulenvolumen einen zu optimierenden Querschnitt aufweist, der vorteilhaft quadratisch oder rechteckig sein kann, und die Windungen möglichst symmetrisch über das eingeschlossene Spulenvolumen verteilt sind, so daß ein gleichförmiger Gangfortschritt der Windungen über alle Windungen und das eingeschlossene Volumen von dem ersten bis zum zweiten Spulenende erreicht wird.In Equation 1) describes A × l the coil volume, and N / l the technically relevant size number of turns per length. From equation 1) it is apparent that the quality of the inductance of the enclosed coil volume and the number of turns is dependent. Therefore, it is desirable that this enclosed coil volume to be optimized cross-section which may advantageously be square or rectangular, and the turns as symmetrical as possible over the enclosed coil volumes are distributed so that a uniform Gangfortschritt the turns over all turns and trapped volume from the first to is reached to the second coil end.
Die Verteilung des Gangfortschritts G kann auf eine oder mehrere Spulenflächen verteilt werden, wobei die Verteilung auf mehrere Spulenflächen bei festem Windungsabstand zu reduzierten Anstiegswinkeln α der Leitungsbahnen pro Spulenseite führt und so die winkelbedingte Einengung des effektiven Leitungsbahnabstandes b' =(α × cosα) – b mit a = Leitungsbahnabstand und b = Leitungsbahnbreite vermindert.The Distribution of the walking progress G can be distributed to one or more coil surfaces be, with the distribution on several coil surfaces at fixed Winding distance to reduced slope angles α of the conductor paths per coil side leads and so the angle-related narrowing of the effective path distance b '= (α × cosα) - b with a = path distance and b = line width reduced.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungen der Erfindung bei denen auch die vorstehenden Überlegungen für die Abmessungen der Spulen Berücksichtigung finden detailliert beschrieben.following be advantageous embodiments the invention in which also the above considerations for the dimensions considering the coils find detailed descriptions.
Als leitendes Material kommt vorteilhaft Kupfer in Frage.When Conductive material is advantageous copper in question.
Das
Substrat
Es
ist klar, daß die
Leiterbahnen
Von
den Substraten
Mittels
senkrechter Schnitte durch die Linien C-C und D-D oder C-C und D1-D1
werden erfindungsgemäß eine Vielzahl
von einzelnen fertiggestellten Spulen aus dem Substrat
Die
Spulenrohlinge R3 und R4 von
Der
Gangfortschritt der Spulen R5 von
Es
ist klar, daß die
verschiedenen Ausführungen
der Erfindung mühelos
vom Fachmann miteinander kombiniert werden können, z.B: das flächenhaft
vorstrukturierte Substrat
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung
wird ein dreidimensionaler Block wie z.B: der Block
Erfindungsgemäß können bei den vorstehend beschriebenen Verfahren und Spulenkörpern die vertikalen Leiterbahnen einerseits und die planaren Leiterbahnen und Metallisierungsenden auf der Ober- und Unterseite des vorstrukturierten Substrats andererseits jeweils aus verschiedenen leitfähigen Materialien bestehen.According to the invention, in the methods and bobbins described above, the vertical conductor tracks on the one hand and the plana On the other hand, the conductor tracks and metallization ends on the top and bottom sides of the prestructured substrate each consist of different conductive materials.
Wünschenswert ist dabei, daß die verschiedenen Materialien eine annähernd gleiche Leitfähigkeit aufweisen. Durch Querschnittsvariation von vertikalen und planaren Leitungsbahnen (z. B: über die planare Leitungsbahnhöhe) läßt sich der serielle Gesamtwiderstand beider Bahnarten unter Kosten- und elektrischen Gesichtspunkten optimieren.Desirable is that the different materials an approximately same conductivity exhibit. By cross-sectional variation of vertical and planar Cable paths (eg: over the planar track height) let yourself the total serial resistance of both types of railway under cost and electrical Optimize aspects.
Als Material für die Spulenwindungen kommt beispielsweise ein leitfähiges Polymer, höherschmelzende Dickschicht-Leiterpasten oder galvanisch abgeschiedenes Kupfer auf einer ganzflächig abgeschiedenen und strukturierten Startmetallisierung, z. B: Platin, in Betracht.When Material for the coil turns, for example, is a conductive polymer, higher melting Thick-film conductor pastes or electrodeposited copper a whole area deposited and structured start metallization, e.g. B: platinum, into consideration.
Als Material für das Substrat 1 ist z.B: Polyimid aufgrund seiner Dielektrizitätskonstante erfindungsgemäß besonders geeignet.When Material for For example, the substrate 1 is polyimide due to its dielectric constant particularly according to the invention suitable.
Durch die erfindungsgemäße blockweise Herstellung von räumlich vorstrukturierten Substraten werden vertikale Leiterbahnen hoher Präzision auf einfache kostengünstige Weise hergestellt. Außerdem wird die nachteilige separate Herstellung von Lochverbindungen zwischen beiden Substratseiten vermieden.By the blockwise preparation according to the invention from spatially pre-structured substrates become higher vertical tracks Precision on simple inexpensive Made way. Furthermore is the disadvantageous separate production of hole connections between avoided on both sides of the substrate.
Mit den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Spulen im Nutzen im Batch-Prozessing herstellen, wodurch erhebliche Kostenvorteile und Zeitersparnis erreicht werden. Außerdem wird durch die erfindungsgemäßen Verfahren eine deutliche Steigerung der Miniaturisierung erreicht, da es ermöglicht wird HF-Spulen von geeigneter Induktivität und Qualität mit einem Abstand der Größenordnung im Bereich von wenigen 100 μm zwischen gegenüberliegenden Leiterbahnen und Windungsabständen von 10 μm herzustellen.With The above-described inventive method can be coils produce benefits in batch processing, resulting in significant cost advantages and time savings are achieved. In addition, by the method according to the invention achieved a significant increase in miniaturization, as it is made possible RF coils of appropriate inductance and quality at a distance of the order of magnitude in the range of a few 100 microns between opposite Tracks and winding distances of 10 μm manufacture.
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