DE19907542C2

DE19907542C2 - Flacher Magnetkern

Info

Publication number: DE19907542C2
Application number: DE19907542A
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt; Johannes Beichler
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: WO2000051146A1; DE19907542A1; TW493105B; EP1155423A1; DE50013663D1; US6580348B1; EP1155423B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement geringer Bauhöhe für Leiterplatten mit einem von wenigstens einer Schicht aus ei nem weichmagnetischen Material gebildeten Magnetbereich.

Ein derartiges Bauelement ist aus der US-A-5,529,831 bekannt. Das bekannte Bauelement wird dadurch hergestellt, daß Iso lierschichten, Leiterschichten und eine magnetische Schicht auf das Substrat aufgebracht werden. Um diese Schichten auf zubringen, wird ein herkömmliches Sputterverfahren verwendet.

Ein Nachteil eines derartigen Bauelements ist, daß es sich nur mit Hilfe eines aufwendigen Dünnschichtverfahrens her stellen läßt. Außerdem lassen sich verfahrensbedingt nur ge ringe Schichtdicken im Bereich weniger µm herstellen. Dement sprechend klein sind die Querschnitte der mit Hilfe dieser Verfahren hergestellten Magnetbereiche. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei einem derartigen Bauelement auch die Wicklungen mit Hilfe eines aufwendigen Dünnschichtverfahrens hergestellt werden müssen.

In der österreichischen Patentschrift AT-E 29 331 B, die dem europäischen Patent EP 0157669 B1 entspricht, ist ein Magnet kern aus dünnen weichmagnetischen Bändern bekannt, wobei die se Magnetkerne auch gestapelt sein können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein auf einfache Weise herstellbares Bauelement hoher Induktivität zur Verwendung auf Leiterplat ten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnetbereich von wenigstens einer weichmagnetischen Folie gebildet ist, und die Oberflächenrauhigkeit jeder Magnetfolie wenigstens gleich der Skin-Eindringtiefe bei der Einsatzfre quenz ist.

Magnetfolien lassen sich typischerweise mit Dicken im Bereich von 10 bis 25 µm herstellen. Aufeinandergestapelt ergeben sich somit im Vergleich zu in Dünnschichtverfahren herge stellten Magnetbereichen wesentlich größere Querschnitt des Magnetbereichs. Folglich ist die Induktivität eines mit einem derartigen Magnetbereich ausgestatteten Bauelements verhält nismäßig hoch. Dennoch weist das Bauelement gemäß der Erfin dung eine geringe Bauhöhe auf und eignet sich insofern auch für die SMD-Technik.

Weitere Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1C verschiedene Ausführungsformen von Magnet folien, die für die Verwendung in einem Ma gnetbereich eines Bauelements in Frage kom men;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Reihe von aufeinander gestapelten Magnetfolien;

Fig. 3 eine Reihe von aufeinander gestapelten Ma gnetfolien, die mit einem Spalt versehen sind;

Fig. 4 eine Explosionsansicht eines aus Magnetfo lien mit versetztem Spalt gebildeten Ma gnetbereichs;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines in einen Kunststofftrog eingebetteten Stapels von Magnetfolien;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht durch einen von einer Polymerschicht umgebenen Stapel von Magnetfolien;

Fig. 7 eine Darstellung, die die Definition der Oberflächenrauhigkeit verdeutlicht;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wirbelströme bei einem glatten Band;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wirbelströme bei rauhem Band; und

Fig. 10 ein Diagramm mit dem Frequenzgang von Bau elementen aus glatten und rauhen Magnetfo lien.

In Fig. 1A bis 1C sind verschiedene Ausführungsformen einer Magnetfolie 1 dargestellt. Die in Fig. 1A dargestellte Ma gnetfolie 1 weist eine kreisförmige Ringgestalt auf. Demge genüber weisen die Magnetfolien 1 aus Fig. 1B und 1C eine ringförmige Gestalt mit rechteckigen Konturen auf. Die Ma gnetfolien 1 sind zweckmäßigerweise aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung hergestellt. Amorphe Legierungen auf Eisenbasis sind beispielsweise aus der US-A-4,144,058 be kannt. Amorphe Legierungen auf Kobaltbasis gehen beispiels weise aus der EP-A-0 021 101 hervor. Nanokristalline Legie rungen sind schließlich in der EP-A-0 271 657 beschrieben. Aus den genannten Materialien lassen sich dünne Folien mit einer typischen Dicke von 10 bis 25 µm, fallweise auch mit geringeren oder größeren Dicken herstellen. Aus den dünnen Folien lassen sich dann die ringförmigen Magnetfolien 1 aus stanzen.

Die aufeinander gestapelten Magnetfolien 1 ergeben, wie in Fig. 2 dargestellt, einen Ringkern 3, wobei in Fig. 2 die Dicke der Magnetfolien 1 im Vergleich zum Durchmesser über höht dargestellt ist, da der Durchmesser der Magnetfolien 1 im Bereich weniger Millimeter liegt, während die Dicke der Magnetfolien 1 im Bereich von 10 µm liegen.

Um die Festigkeit des Ringkerns 3 zu erhöhen, können die Ma gnetfolien 1 untereinander verklebt sein. Für Hochfrequenzan wendungen ist es zur Dämpfung von Wirbelströmen außerdem zweckmäßig, die Magnetfolien 1 einseitig oder beidseitig durch das Aufbringen einer Isolierschicht elektrisch vonein ander zu isolieren. Die Klebstoffschicht kann dabei die Auf gabe einer Isolierschicht übernehmen.

Um die magnetischen Eigenschaften des Ringkerns 3 einzustel len, ist in den in Fig. 3 dargestellten Ringkern 3 ein Schlitz 4 eingebracht, durch den die Hystereseschleife ge schert ist. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei spiel ist der Schlitz 4 nach dem Aufeinanderstapeln der Ma gnetfolien 1 und dem Verkleben der Magnetfolien 1 nachträg lich eingebracht worden.

Bei dem in Fig. 4 dargestelltem Ausführungsbeispiel werden jedoch die Magnetfolien 1 zunächst einzeln mit dem Schlitz 4 versehen und anschließend aufeinandergestapelt und unterein ander verklebt. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 ist die Herstellung des in Fig. 4 dargestellten Aus führungsbeispiels aufwendiger, aber dafür weist der Ringkern 3 aus Fig. 4 eine höhere mechanische Festigkeit auf.

Um den Ringkern 3 vor mechanischen Beschädigungen zu schüt zen, ist gemäß Fig. 5 vorgesehen, den Ringkern 3 in einen aus Kunststoff gefertigten Trog 5 einzubringen. Der Trog 5 kann dann durch ein Innenloch 5' hindurch mit einer Wicklung umwickelt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß der von den Magnetfolien 1 gebildete Ringkern 3 beim Wickeln beschä digt wird.

Außerdem besteht die Möglichkeit, den Ringkern 3 mit einer Polymerschicht 6 zu umgeben. Bei dieser Polymerschicht 6 han delt es sich zweckmäßigerweise um eine aus der gasförmigen Phase abgeschiedene Polymerschicht, beispielsweise ein Poly paraxylylen. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß das gasförmige Polymermaterial auch in feinste Ritzen eindringt und daß auf diese Weise die Magnetfolien 1 auch untereinander mechanisch verbunden werden, ohne daß die Magnetfolien 1 me chanisch belastet werden. Denn eine mechanische Belastung kann aufgrund der Magnetostriktion die magnetischen Eigen schaften der Magnetfolie 1 zum Nachteil verändern.

Für Hochfrequenzanwendungen ist es ferner günstig, wenn die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolien 1 in etwa gleich der Skineindringtiefe δ_skin bei den Einsatzfrequenzen ist.

Die Definition der Rauhtiefe sei nachfolgend anhand Fig. 7 erläutert. Dabei liegt die X-Achse parallel zur Oberfläche eines Körpers, dessen Oberflächenrauhigkeit R_A zu bestimmen ist. Die Y-Achse ist dagegen parallel zur Flächennormale der zu vermessenden Oberfläche. Die Oberflächenrauhigkeit R_A ent spricht dann der Höhe eines Rechtecks 7, dessen Länge gleich einer Gesamtmeßstrecke l_m und das flächengleich mit der Summe der zwischen einem Rauheitsprofil 8 und einer mittleren Linie 9 eingeschlossenen Flächen 10 ist. Die auf die Dicke der Ma gnetfolie 1 bezogene, beidseitige Oberflächenrauhigkeit R_Arel ergibt sich dann gemäß der Formel

R_Arel = (R_AOberseite + R_AUnterseite)/d,

wobei d die Dicke der Magnetfolie 1 ist.

Die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolien 1 wirkt sich auf die Länge der für die Wirbelströme maßgeblichen Strompfa de aus. Wenn die Skineindringtiefe δ_skin bei den Einsatzfre quenzen kleiner als die halbe Foliendicke ist, so sind die in der Magnetfolie 1 fließenden Ströme hauptsächlich auf eine Randschicht der Magnetfolie 1 von der Dicke der Skineindring tiefe δ_skin beschränkt. Wenn nun die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolie 1 im Bereich der Skineindringtiefe δ_skin liegt, müssen die Wirbelströme der durch die Oberflächenrau higkeit R_A modulierten Oberfläche folgen, was zu verlängerten Strompfaden und damit zu einem scheinbar erhöhten spezifischen Widerstand führt. Daraus ergibt sich aber auch eine er höhte Wirbelstromgrenzfrequenz.

Diese Verhältnisse sind in den Fig. 8 und 9 veranschau licht. Die in einer äußeren Wicklung fließenden Wicklungs ströme 11 rufen in der Magnetfolie 1 in einem Oberflächenbe reich von der Dicke der Skineindringtiefe δ_skin Wirbelströme 12 hervor. Wenn nun die Oberflächenrauhigkeit der Magnetfolie 1 größer als die Skineindringtiefe δ_skin ist, ergeben sich für die Wirbelströme 12 verlängerte Strompfade, was zu einer er höhten Wirbelstromgrenzfrequenz führt.

Die Oberflächenrauhigkeit kann jedoch nicht beliebig groß ge wählt werden, da die Magnetfolien 1 im Extremfall dann Löcher aufweisen, was die erreichbaren Permeabilitäten stark senkt.

In Fig. 10 ist anhand von Meßergebnissen der beschriebene Einfluß der Oberflächenrauhigkeit auf die Frequenzabhängig keit der Permeabilität µ dargestellt. Bei den vermessenen Ma gnetfolien 1 handelt sich um Magnetfolien 1 aus einer Legie rung mit der Zusammensetzung (CoFeNi)_78,5(MnSiB)_21,5. Eine ge strichelte Kurve 13 stellt die Abhängigkeit der Permeabilität µ von der Frequenz f bei einer auf die Dicke der Magnetfolie 1 bezogenen gesamten Oberflächenrauhigkeit von 2,1% dar. Ei ne durchgezogene Kurve 14 veranschaulicht ferner die Abhän gigkeit der Permeabilität µ von der Frequenz f bei einer auf die Dicke der Magnetfolie 1 bezogenen gesamten Oberflächen rauhigkeit von 4,7%. Man erkennt deutlich, daß die Wirbel stromgrenzfrequenz durch die größere Oberflächenrauhigkeit zu höheren Werten hin verschoben ist. Als günstig hat sich her ausgestellt, wenn die auf die Dicke der Magnetfolien 1 bezo gene, beidseitige Oberflächenrauhigkeit von Ober- und Unter seite < 3% ist.

Nachfolgend werden die Vorteile des aus den Magnetfolien 1 hergestellten Ringkerns 3 anhand eines Beispiels erläutert. Als Beispiel sollen in der Nachrichtentechnik verwendete Drosseln dienen. Für eine solche Drossel in möglichst flacher Bauform wird ein A_L-Wert von 1 µH gefordert. Die Induktivität L ist dabei A_L × N², wobei N die Zahl der Windungen ist. Die typischen Einsatzfrequenzen einer derartigen Drossel liegen im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz, fallweise auch höher. Der kleinste zur Zeit auf dem Markt erhältliche Ferritkern ist ein MnZn-Ferrit-Ringkern der Firma Taiyo Yuden mit einem Au ßendurchmesser von 2,54 mm, einem Innendurchmesser von 1,27 mm und einer Höhe von 0,8 mm. Das zur Herstellung des MnZn-Ferrit-Ringkerns verwendete Material AH 91 weist eine Anfangspermeabilität von µ = 10000 auf.

Bei Verwendung einer amorphen Kobaltbasislegierung mit der Zusammensetzung Co_82,36Fe_3,92Mn_1,14Si_9,72Mo_0,40B_2,46, die eine An fangspermeabilität µ = 50000 aufweist, läßt sich ein A_L-Wert von 1 µH mit einem wesentlich kleineren Ringkern 3 erzielen. In Frage kommt beispielsweise der Ringkern 3 mit einem Außen durchmesser von 2,54 mm, einem Innendurchmesser von 1,8 mm und einer Höhe von 0,4 mm. Im Vergleich zu dem Ferritkern weist dieser Ringkern 3 ein doppelt so großes Innenloch auf, was entweder mehr Windungen oder aber Windungen mit vergrö ßertem Leiterquerschnitt ermöglicht.

Der gleiche A_L-Wert läßt sich auch mit dem Ringkern 3 mit ei nem Außendurchmesser von 4,0 mm, einem Innendurchmesser von 2,85 mm und einer Bauhöhe von 0,4 mm erzielen. Dieser Ring kern 3 weist einen im Vergleich zum Ferritkern um den Faktor 5 größeres Innenloch auf.

Umgekehrt genügt bei gleichem Außen- und Innendurchmesser, also einen Außendurchmesser von 2,54 mm und einem Innendurch messer von 1,27 mm, eine Bauhöhe von 0,2 mm, um den gleichen A_L-Wert zu erzielen.

Falls Material mit noch höheren Anfangspermeabilitäten, bei spielsweise eine Legierung der Zusammensetzung Co_81,08Fe_4,21Si_9,43Mo_2,93B_2,35 verwendet wird, die eine Anfangspermeabilität von µ = 80000 aufweist, kann die Bauhöhe des Ringkerns 3 weiter verringert werden. Ein Ringkern 3 aus der Legierung mit der Zusammensetzung Co_81,08Fe_4,21Si_9,43Mo_2,93B_2,35, die eine Anfangspermeabilität µ = 80000 aufweist, benötigt bei einem Außendurchmesser von 2,54 mm und einem Innendurch messer von 1,27 mm lediglich eine Bauhöhe von 0,125 mm, um einen A_L-Wert von 1 µH zu erreichen. Im Vergleich zu dem Fer ritkern weist der aus dieser Legierung gefertigte Ringkern 3 eine um den Faktor 6,4 kleinere Bauhöhe auf.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Verwendung der Ringkerne 3 als S₀-Übertrager in PCMCIA-Karten. Beim Karten typ I werden S₀-Übertrager mit einer Bauhöhe von 2,2 mm benö tigt, damit die zulässige Bauhöhe von 3,3 mm für eine PCMCIA- Karte nicht überschritten wird. Unter Berücksichtigung der Wicklung und der Gehäusewände verbleibt für den Ringkern 3 eine maximale Bauhöhe von 1 mm. Zur Erzielung der erforderli chen Induktivität von etwa 5 mH bei 20 kHz ist beispielsweise ein Ringkern 3 mit einem Außendurchmesser von 8,6 mm, einem Innendurchmesser von 3,1 mm und einer Bauhöhe von 1 mm erfor derlich. Die bisher zu diesem Zweck verwendeten Ringbandkerne sind mechanisch sehr empfindlich und lassen sich deshalb nur mit einer hohen Ausschußrate herstellen. Ein Problem ist bei spielsweise der hohe Wickelversatz, durch den die Kernhöhe nicht eingehalten wird. Demgegenüber lassen sich die Ringker ne 3 auf einfache Weise mit hoher Maßhaltigkeit herstellen.

Durch die Verwendung der amorphen oder nanokristallinen Le gierungen lassen sich durch geeignete Wärmebehandlungen in einem äußeren Magnetfeld lineare Hystereseschleifen mit ge ringen Verlusten und hoher Permeabilität erreichen. Außerdem ist es aufgrund der natürlichen isolierenden Oberflächen schicht dieser Legierungen im Gegensatz zu kristallinen Le gierung nicht nötig, die Magnetfolien 1 durch eine zusätzli che Isolierschicht gegeneinander zu isolieren. Im Vergleich zu kristallinen Legierungen weisen die amorphen oder nanokri stallinen Legierungen darüber hinaus einen höheren spezifischen Widerstand auf, was zu höheren Wirbelstromgrenzfrequen zen führt. Herstellungsbedingt weisen darüber hinaus die amorphen und nanokristallinen Legierungen eine mehr oder we niger starke natürliche Oberflächenrauhigkeit auf, die jedoch durch Schleifen oder Ätzen weiter erhöht werden kann. Die Dicke der Magnetfolien 1 liegen zwischen 5 und 40 µm. Im Ex tremfall wird der Ringkern 3 von einer einzelnen Magnetfolie 1 gebildet. Somit lassen sich extrem geringe Bauhöhen bei gleichzeitigem, günstigem Hochfrequenzverhalten erzielen.

Claims

1. Bauelement geringer Bauhöhe für Leiterplatten mit einem von wenigstens einer Schicht aus einem weichmagnetischen Ma terial gebildeten Magnetbereich, dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnetbereich von wenigstens einer weichmagnetischen Ma gnetfolie (1) gebildet ist, und
die Oberflächenrauhigkeit jeder Magnetfolie (1) wenigstens gleich der Skineindringtiefe bei der Einsatzfrequenz ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfolien (1) aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung hergestellt sind.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit jeder Magnetfolie (1) bezogen auf die Dicke < 3% beträgt.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetbereich von einer Vielzahl untereinander verklebter Magnetfolien (1) gebildet ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfolien (1) durch isolierende Zwischenschichten ge geneinander isoliert sind.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfolien (1) ringförmig ausgebildet sind.

7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmig ausgebildeten Magnetfolien (1) Schlitze (4) aufweisen.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (4) übereinander angeordnet sind.

9. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzen (4) winkelmäßig versetzt angeordnet sind.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gestapelten Magnetfolien (1) in einem Kunststofftrog (5) eingebettet sind.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinander gestapelten Magnetfolien (1) von einer Poly merschicht (6) umschlossen sind.