DE19854234C1

DE19854234C1 - Induktives Bauelement mit planarer Leitungsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE19854234C1
Application number: DE1998154234
Authority: DE
Inventors: Klaus Kuettner; Reinhard Heinkel; Rolf Lohrmann; Joachim Dutzi; Udo Pursche; Georg Zimmermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2018-11-25
Also published as: TW454212B; WO2000031760A1

Abstract

Es werden ein induktives Bauelement mit planarer Leitungsstruktur (20) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelementes beschrieben. Das induktive Bauelement weist ein Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit und mindestens eine auf dem Trägersubstrat (10) angeordnete planare Leitungsstruktur (20) auf, wobei die Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit abgedeckt ist. Beim Verfahren wird durch eine Planartechnologie mindestens eine Leitungsstruktur (20) auf einem Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit aufgebracht und die Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit abgedeckt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit planarer Leitungsstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements gemäß Anspruch 6.

Bekannte induktive Bauelemente, die z. B. Spulen oder Übertrager darstellen, bestehen aus einem Ferritkern mit einer oder mehreren Drahtwicklungen. Diese Drahtwicklungen können vollständig außerhalb des Ferritkerns um diesen herum angeordnet sein oder auch teilweise innerhalb desselben durch Öffnungen geführt sein. Nachteilig an einem derartigen Bauelement ist, daß es teilweise von Hand gefertigt werden muß, insbesondere was die Einführung des Wicklungsdrahtes in die Öffnung des Ferritkerns betrifft. Des Weiteren ist die Reproduzierbarkeit, d. h. die Fertigungstoleranz hinsichtlich der induktiven Eigenschaften, aufgrund des Wicklungsvorganges verhältnismäßig gering.

Es sind zwar bereits induktive Bauelemente bekannt, die automatisiert gefertigt werden können. Diese Bauelemente bestehen aus einem im wesentlichen ebenen Trägersubstrat aus einem Ferrit, auf dem eine Leitungsstruktur in Planartechnik aufgebracht ist. Nachteilig an diesem Bauelement ist, daß nur verhältnismäßig kleine Induktivitäten erzeugt werden können, da der durch die planare Leitungsstruktur erzeugte magnetische Fluß außerhalb des Trägersubstrats im Luftraum, also in einem Bereich mit niedriger Permeabilität (d. h. hohem magnetischem Widerstand) verläuft.

Aus DE 296 18 904 U1 ist ein ferromagnetisches Element zur Bildung eines offenen magnetischen Kreises bekannt, welches auf einer Seite einer Leiterplatte auf spulenartige Leiterbahnen aufgelegt ist. Aus EP 0 690 460 A1 sind Multi-Chip- Modulstrukturen bekannt, bei welchen ein Ferrit über einer Leiterstruktur angeordnet ist. Bei dem induktiven Bauelement gemäß EP 0 694 932 A1 befindet sich zwischen Leiter und Ferrit ein Dielektrikum. Aus DE 44 42 994 A1 ist ein induktives Bauelement bekannt, bei welchem Spulen durch eine Abdeckmasse mit ferromagnetischer Beimengung teilweise überdeckt sind. Aus GB 783 549 ist ein abstimmbares induktives Bauelement in Planartechnologie bekannt, bei welchem ein Stab aus weichmagnetischem Material drehbar über zwei Spule angeordnet ist. Zwischen den Spulen und dem Stab befindet sich jedoch ein Luftraum.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein induktives Bauelement zu schaffen, welches für automatisierte Fertigung geeignet ist, jedoch gute induktive Eigenschaften aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen induktiven Bauelements zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein induktives Bauelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße induktive Bauelement weist ein Trägersubstrat aus einem Ferrit und mindestens eine auf dem Trägersubstrat angeordnete planare Leitungsstruktur auf, wobei die Leitungsstruktur auf dem Trägersubstrat durch eine Abdeckung aus einem Ferrit abgedeckt ist. Bei diesem Bauelement ist der durch die planare Leitungsstruktur erzeugte magnetische Fluß auf seinem gesamten Weg durch Ferrit geführt. Aufgrund der somit erreichten luftraumfreien Führung des magnetischen Flusses weist das erfindungsgemäße Bauelement einen geringeren magnetischen Widerstand auf.

Da die Leitungsstrukturen in Planartechnologie auf die Trägersubstrate aufgebracht werden, entfallen ungenaue Wicklungsvorgänge mit Draht. Die Leitungsstrukturen besitzen daher (durch die Masken) definierte geometrische Formen, weshalb die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauelements mit hoher Genauigkeit in der Serienfertigung reproduzierbar sind. Hierdurch können die Fertigungskosten für das Bauelement sowie die Kosten bei der Verwendung des Bauelements bei der Leiterplatten-Bestückung erheblich reduziert werden.

Zudem ist das erfindungsgemäße induktive Bauelement für maschinelle Montage in SMD-Technologie (pick-and-place) geeignet.

Bei Anwendung geeigneter Maßnahmen läßt sich das erfindungsgemäße Bauelement auch vorteilhaft in der Flip-Chip-Technik einsetzen.

Der Fertigungsprozeß des Bauelements ist mit den benutzten Prozessen der Dünn- und Dickschichttechnologie kompatibel und kann somit ohne zusätzlichen Aufwand erfolgen. Durch geringere Abmessungen des Bauelements im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen ist ein höherer Betriebsfrequenzbereich möglich.

Vorzugsweise ist die Abdeckung des induktiven Bauelements mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Trägersubstrat befestigt. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit zwischen Trägersubstrat und Abdeckung.

Des weiteren sind die Zwischenräume zwischen Abdeckung und Trägersubstrat oder Leitungsstruktur durch ferrithaltigen Klebstoff vorzugsweise luftraumfrei gefüllt. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Bauelements.

In einer vorteilhaften Ausführungsform stellt das induktive Bauelement einen Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten dar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements ist definiert durch das Aufbringen mindestens einer Leitungsstruktur auf ein Trägersubstrat aus einem Ferrit, und zwar durch eine Planartechnologie, und das Abdecken der Leitungsstruktur auf dem Trägersubstrat durch eine Abdeckung aus einem Fett. Da die Leitungsstruktur durch eine Planartechnologie aufgebracht wird, kann die Herstellung dieses Bauelements hochgradig automatisiert durchgeführt werden. Hierbei kann eine Dünnschicht-Technik, wie etwa ein lithographisches Verfahren, oder eine Dickschicht-Technik, wie etwa ein Siebdruck- Verfahren zum Einsatz kommen. Daher wird eine geringe Fertigungstoleranz erzielt, was zu einer hohen Reproduzierbarkeit und damit zu einer hohen Ausbeute beim Fertigungsprozeß führt.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Querschnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt auf die Leitungsstrukturen eines induktiven Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Auf einer Ferritplatte 10 als Trägersubstrat ist eine planare Leitungsstruktur 20, die eine elektrische Spule darstellt, aufgebracht. Die Leitungsstruktur 20 ist in Dünnschicht- Technik durch ein lithographisches Verfahren aufgebracht. Alternativ könnte die Leitungsstruktur 20 auch in Dickschicht-Technik aufgebracht werden, sofern die Strukturgröße dies erlaubt. Die Ferritplatte 10 und die Leitungsstruktur 20 sind durch einen auf der Unterseite 21 ebenen, unstrukturierten Deckel 30 aus Ferrit abgedeckt. Der hier entstehende Spalt 25 zwischen der Ferritplatte 10 und dem Ferritdeckel 30 ist durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt. Somit wird der durch die als Spule wirkende Leitungsstruktur erzeugte magnetische Fluß vollständig in Ferrit geführt. Dies bewirkt eine im Vergleich zu herkömmlichen, in Planartechnologie gefertigten Bauelementen größere Induktivität, da ein Luftspalt zwischen den Grenzflächen der einzelnen Strukturen und damit eine Erhöhung des magnetischen Widerstands vermieden werden.

Der ferrithaltige Klebstoff dient gleichzeitig der Fixierung des Ferritdeckels mit der Ferritplatte.

Um die elektrische Isolation zwischen Leitungsschicht und Ferrit zu verbessern, kann eine Isolationsschicht, beispielsweise eine Polymerschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der Leitungsschicht aufgebracht sein.

Fig. 2 zeigt ein induktives Bauelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier ist der Ferritdeckel 30 auf der zur Ferritplatte 10 orientierten Seite entsprechend der aufgebrachten Leitungsstruktur 20 ausgespart, so daß er mit der Ferritplatte 10 eine maximale Auflagefläche aufweist. Zwischenräume 25, 35 zwischen der Ferritplatte 10 und Ferritdeckel 30 bzw. zwischen Leitungsstruktur 20 und Ferritdeckel 30 sind durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt.

Hierdurch werden einerseits wohldefinierte elektrische bzw. magnetische Eigenschaften des Bauelements garantiert, andererseits wird auch die benötigte Menge von ferrithaltigem Klebstoff zum Auffüllen von Luft-Zwischenräumen minimiert. Somit wird auch hier der durch die Leitungsstruktur 20 erzeugte magnetische Fluß vollständig in Ferrit geführt.

Die elektrischen Kontakte der Leitungsstrukturen 20 bzw. 20' sind in geeigneter Weise auf die Unterseite 101 der Ferritplatte 10 herausgeführt. Das Bauelement ist somit in SMD-Technik montierbar. Somit besteht ein geringerer Montageaufwand gegenüber den bekannten Lösungen, wobei auch eine maschinelle Bestückung (pick- and-place) durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße induktive Bauelement ist nicht auf die Funktion einer Spule, also einen elektrischen Zweipol, beschränkt. Vielmehr lassen sich, gerade wegen der Realisierung der Leitungsstruktur durch ein lithographisches Verfahren, beliebige induktive Bauelemente, z. B. Vierpole, mit mehreren induktiven Kreisen bilden. In diesem Fall weist das erfindungsgemäße induktive Bauelement mehrere Leitungsstrukturen 20, 20' auf.

In dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt das induktive Bauelement einen Übertrager dar, dessen zwei Leitungsstrukturen 20 bzw. 20' durch die Ferritplatte 10 und den Ferritdeckel 30 induktiv gekoppelt sind.

Claims

1. Induktives Bauelement, aufweisend:
ein Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit,
mindestens eine auf dem Trägersubstrat (10) angeordnete planare Leitungsstruktur (20), wobei
die Leitungsstruktur (20) auf der Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Fett abgedeckt ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abdeckung (30) mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Träger substrat (10) befestigt ist; und
Zwischenräume (25, 35) zwischen Abdeckung (30) und Trägersubstrat (10) oder Leitungsstruktur (20) durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt sind.

2. Induktives Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (30) derart strukturiert ist, daß sie die Leitungsstruktur (20) im wesentlichen luftraumfrei umschließt.

3. Induktives Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten bildet.

4. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Spule mit vorbestimmter Induktivität bildet.

5. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht, vorzugsweise eine Polyimidschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der Leitungsstruktur (20) angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung des induktives Bauelements gemäß Anspruch 1, die folgenden Schritte aufweisend:
Aufbringen, durch eine Planartechnologie, mindestens einer Leitungsstruktur (20) auf einem Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit,
Abdecken der Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit, wobei
die Abdeckung (30) mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Träger substrat (10) befestigt wird, und wobei
Zwischenräume zwischen Abdeckung (30) und Trägersubstrat (10) oder Leitungsstruktur (20) durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Abdeckung (30) derart strukturiert wird, daß sie die Leitungsstruktur (20) im wesentlichen luftraumfrei umschließt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei ein Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten hergestellt wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine Spule mit vorbestimmter Induktivität hergestellt wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine Isolationsschicht, vorzugsweise eine Polyimidschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der Leitungsstruktur (20) angeordnet wird.