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Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil mit einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat und einer elektrisch leitfähigen, das Substrat wenigstens abschnittsweise umgebenden Wicklung, wobei die Wicklung wenigstens abschnittsweise mittels Dünnschichttechnik auf das Substrat aufgebracht ist.
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Aus der US-Offenlegungsschrift
US 2005/0093669 A1 ist ein induktives Bauteil bekannt, das eine abschnittsweise mittels Dünnschichttechnik aufgebrachte Wicklung aufweist. Die Wicklung umfasst einerseits mit Dünnschichttechnik auf eine Vorder- und Rückseite des Substrats aufgebrachte Verbindungsstege und andererseits mit leitfähigem Material aufgefüllte Bohrungen, die von einer Oberseite zu einer Unterseite des Substrats verlaufen. Die aufgefüllten Bohrungen und die Verbindungsstege ergeben insgesamt eine Wicklung.
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In dem Substrat selbst ist eine im Querschnitt rechteckige Durchgangsöffnung vorgesehen, in die ein magnetisierbarer Kern eingesetzt wird. Nach dem Einsetzen des Kerns werden dann die Verbindungsstege zum Fertigstellen der Wicklung aufgebracht.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 0 727 771 B1 ist ein induktives Bauteil bekannt, das auf einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat mittels Dünnschichttechnik aufgebaut ist. Auf einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat wird zunächst eine erste Schicht mit mehreren elektrischen Leitern aufgebracht, die jeweils Abschnitte der Wicklung bilden. Auf die Schicht mit den mehreren Leitern wird dann eine magnetisierbare Schicht aufgebracht, die später einen Kern der Wicklung bildet. Auf die magnetisierbare Schicht wird eine weitere Schicht mit mehreren Leitern aufgebracht. Nach Kontaktierung der unter dem magnetisierbaren Material liegenden Leiterschicht und der auf dem magnetisierbaren Material liegenden Leiterschicht ist dann eine das magnetisierbare Material abschnittsweise umgebende Wicklung hergestellt.
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Mit der Erfindung soll ein induktives Bauteil verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist hier ein induktives Bauteil mit einem elektrisch nicht leitfähigen Substrat und einer elektrisch leitfähigen, das Substrat wenigstens abschnittsweise umgebenden Wicklung vorgesehen, wobei die Wicklung wenigstens abschnittsweise mittels Dünnschichttechnik auf das Substrat aufgebracht ist, bei dem das Substrat vollständig aus einem weichmagnetischen Ferritmaterial besteht oder im gesamten Volumen des Substrats verteiltes weichmagnetisches Ferritmaterial enthält.
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Indem erfindungsgemäß das Substrat selbst aus einem weichmagnetischen Ferritmaterial besteht oder im gesamten Volumen des Substrats verteiltes weichmagnetisches Ferritmaterial enthält, können erfindungsgemäße induktive Bauteile mit weniger Verfahrensschritten und dadurch kostengünstiger hergestellt werden. Überraschenderweise ist es möglich, auf einem Substrat aus weichmagnetischem Ferritmaterial bzw. auf einem Substrat mit im gesamten Volumen des Substrats verteiltem weichmagnetischen Ferritmaterial mittels Dünnschichttechnik eine das Substrat wenigstens abschnittsweise umgebende Wicklung aufzubauen. Gerade beim galvanischen Abscheiden elektrisch leitfähiger Schichten war dies so nicht zu erwarten. Mit der Erfindung wird dadurch ein überraschend stark vereinfachtes induktives Bauteil, das mittels Dünnschichttechnik hergestellt ist, bereitgestellt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat plattenförmig ausgebildet.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit jeweils mehreren Nuten versehen, die von einer Oberseite zu einer Unterseite des Substrats verlaufen und zum Aufnehmen von Wicklungsabschnitten vorgesehen sind.
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Alternativ kann in Weiterbildung der Erfindung das Substrat mit mehreren, von einer Oberseite zu einer Unterseite des Substrats durchgehenden Bohrungen versehen sein, die zum Aufnehmen von Wicklungsabschnitten vorgesehen sind.
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In Weiterbildung der Erfindung besteht das Substrat aus Epoxidharz mit darin eingebetteten weichmagnetischen Ferritmaterialpartikeln.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat plattenförmig und weist eine Dicke zwischen 20 μm und 300 μm auf.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Substrat mit der Wicklung in einem Gehäuse aus Kunststoff, Ferrit oder LTCC-Keramik angeordnet.
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Als LTCC-Keramik wird Niedertemperatureinbrennkeramik bezeichnet und die Abkürzung LTCC bedeutet „Low Temperature Cofired Ceramics”.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Wicklung mittels Dünnschichttechnik aufgebrachte Leiterabschnitte auf, wobei zwischen zwei Leiterbahnabschnitten eine Kunststoffschicht angeordnet ist.
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Auf diese Weise wird die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen Leiterbahnabschnitten verringert.
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In Weiterbildung der Erfindung besteht die Wicklung wenigstens teilweise aus galvanisch abgeschiedenem Metall, insbesondere Kupfer.
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Überraschenderweise lässt sich ein Dünnschichtprozess, der das galvanische Abscheiden von Metall umfasst, auch auf einem vollständig aus weichmagnetischem Ferritmaterial bestehenden Substrat bzw. auf einem Substrat realisieren, das im gesamten Volumen des Substrats verteiltes weichmagnetisches Ferritmaterial enthält. Das galvanische Abscheiden von Metall stellt metallische Schichten hoher Qualität mit geringem Widerstand bereit.
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Als Dünnschichttechnik wird das Herstellen und Bearbeiten von dünnen Schichten unterschiedlicher Materialien, wie metallische, dielektrische und halbleitende Werkstoffe, bezeichnet. Die Dicke solcher Schichten liegt typischerweise im Bereich weniger Mikrometer bis zu wenigen Nanometern. Die Abscheidung der Schichten erfolgt meist ganzflächig auf einem Substrat mit Verfahren der physikalischen und chemischen Gasphasenabscheidung (PVD, z. B. thermisches Verdampfen oder Sputtern oder CVD). Anschließend können weitere Bearbeitungen der Schichten erfolgen, dazu gehören u. a. Nachbehandlungen wie das Tempern, Rekristallisieren oder Dotieren der Schicht, als auch der gezielte Materialabtrag, beispielsweise mittels Ätzen oder mit Hilfe des chemisch-mechanischen Polierens. Die Schichten werden auch strukturiert, d. h. dass das Schichtmaterial an einigen Stellen gezielt entfernt oder gar nicht aufgetragen wird. Die Strukturerzeugung kann durch die in der Halbleitertechnik übliche Fotolithografie (Fotolack, Maskierung, Belichtung, Ätzprozess usw.) oder direkt per Laser- oder Elektronenstrahlbearbeitung erfolgen. Mittels Elektronenstrahl wird oft auch ein Abgleich von Widerständen vorgenommen, beispielsweise bei Leiterbahnen, wodurch sich höchste Genauigkeiten erreichen lassen. Wesentlich ist, dass die Dünnschichttechnik Prozesse umfasst, mit denen Schichten aufgetragen werden und ebenfalls Prozesse umfasst, mit denen Schichten vollständig oder teilweise abgetragen werden. Wie ausgeführt, werden Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) sowie auch galvanische Verfahren verwendet. Daneben kommen, wie ebenfalls bereits erwähnt wurde, auch Ätzverfahren und Abtragverfahren zum Einsatz.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen können dabei in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Ansicht eines induktiven erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform von schräg oben,
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2 eine Vorderansicht des induktiven Bauteils der 1,
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3 eine Ansicht des induktiven Bauteils der 1 in der Draufsicht,
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4 eine Ansicht des Substrats des induktiven Bauteils der 1 von schräg oben,
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5 eine Ansicht des Substrats der 4 von vorne,
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6 eine Draufsicht auf das Substrat der 4,
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7 eine Ansicht eines induktiven erfindungsgemäßen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform von schräg oben,
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8 das induktive Bauteil der 7 von vorne,
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9 das induktive Bauteil der 7 in einer Draufsicht,
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10 ein Substrat für das induktive Bauteil der 7 von schräg oben,
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11 das Substrat der 10 von vorne,
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12 das Substrat der 10 in einer Draufsicht und
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13 eine schematische Darstellung der Fertigungsschritte bei der Herstellung des induktiven Bauteils der 1.
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Die Darstellung der 1 zeigt ein induktives Bauteil 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Solche induktive Bauteile werden auch als Speicherdrosseln bezeichnet. Der Induktivitätswert solcher Speicherdrosseln ist klein und liegt typischerweise im Bereich von einigen Nanohenry (nH) bis zu einigen Mikrohenry (μH).
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Das induktive Bauteil 10 weist ein Substrat 12 und eine Wicklung 14 auf, die das Substrat wenigstens abschnittsweise umgibt. Der magnetische Kern des induktiven Bauteils 10 ist durch das Substrat 12 gebildet, auf dem auch die gesamte Fertigung des induktiven Bauteils 10 erfolgt. Das Substrat 12 besteht aus einem Ferritmaterial. Für die Zwecke eines induktiven Bauteils oder einer Speicherdrossel wird ein weichmagnetisches Ferritmaterial verwendet. Da das Substrat 12 selbst vollständig aus weichmagnetischem Ferritmaterial besteht, muss das für die Funktion eines induktiven Bauteils bzw. einer Speicherdrossel erforderliche magnetisierbare Material nicht mehr in einem oder mehreren zusätzlichen Schritten aufgebracht werden.
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Das Substrat 12 ist mittels eines dünnen Ferritmaterials in Plattenform gebildet. Eine Dicke des Substrats 12 liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 20 μm und 50 μm. Alternativ zur Verwendung eines weichmagnetischen Ferritmaterials als Substrat 12 kann das Substrat 12 auch aus einem Epoxidharz bestehen, wobei in dem Epoxidharz über das gesamte Volumen des Substrats 12 verteiltes weichmagnetisches Ferritmaterial enthalten ist. Die Ferritmaterialpartikel werden vor dem Aushärten des Epoxidharzmaterials gleichmäßig im Volumen des Epoxidharzes verteilt. Nach dem Aushärten erhält man dann ein plattenförmiges Epoxidharzsubstrat, das aufgrund der enthaltenen Ferritmaterialpartikel magnetisierbar ist und als Kern für eine Spule bzw. Speicherdrossel verwendet werden kann.
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Wie in 1 zu erkennen ist, besteht die Wicklung 14 aus insgesamt sechs leicht schräg zu den Seitenkanten des Substrats 12 verlaufenden Leiterbahnen 16 auf der Oberseite des Stubstrats 12, insgesamt vierzehn Durchkontaktierungen 18, die sich durch Durchgangsbohrungen im Substrat 12 von dessen Oberseite zu dessen Unterseite erstrecken sowie aus insgesamt sieben parallel zu den Stirnkanten des Substrats verlaufenden Leiterbahnen 20 auf der Unterseite des Substrats 12. Am Beispiel der 1 beginnt die Wicklung an einem ersten Anschlusspunkt 22 auf der Oberseite des Substrats 12 und verläuft dann mit einer Durchkontaktierung durch eine Durchgangsbohrung im Substrat 12 auf die Unterseite des Substrats 12. Dort setzt eine Leiterbahn 20 die Wicklung fort. Die Wicklung durchquert dann wieder das Substrat 12 mittels einer der Durchkontaktierungen 18. Auf der Oberseite des Substrats 12 wird die Wicklung dann mittels der in 1 rechten, leicht schräg verlaufenden Leiterbahn 16 fortgesetzt, die an der Durchkontaktierung 18 auf der Oberseite des Substrats 12 endet, die benachbart zum ersten Anschlusspunkt 22 liegt.
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Die Wicklung wird dann entsprechend fortgesetzt und endet am zweiten Anschlusspunkt 24, in der Darstellung der 1 links oben. Da das Substrat 12 selbst aus weichmagnetischem Ferritmaterial besteht, bildet das Substrat 12 den magnetischen Kern und die Wicklung 14 zusammen mit dem Substrat 12 bilden ein induktives Bauteil oder eine sogenannte Speicherdrossel.
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Im fertiggestellten Zustand sind die Zwischenräume zwischen den Leitern 16, 20 aufgefüllt, insbesondere mit Kunststoff, so dass das induktive Bauteil 10 dann eine Quaderform hat. Das induktive Bauteil 10 wird dann noch in ein nicht dargestelltes Gehäuse eingebettet.
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In der Darstellung der 2 ist eine Vorderansicht des induktiven Bauteils 10 dargestellt. Die im Bereich des Substrats 12 an und für sich nicht zu erkennenden Durchkontaktierungen 18 sind gestrichelt angedeutet. Die Leiterbahnen 16 auf der Oberseite des Substrats 12 und die Leiterbahnen 20 auf der Unterseite des Substrats 12 sind in einem kleinen Abstand von der Oberseite bzw. der Unterseite des Substrats 12 dargestellt. Zwischen den Leiterbahnen 16 und den Leiterbahnen 20 liegt jeweils eine Kunststoffschicht 26 bzw. 28, die ebenfalls mittels Dünnschichttechnologie hergestellt wird.
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In der Draufsicht der 3 sind das Substrat 12 sowie die leicht schräg zu den Kanten des Substrats 12 verlaufenden Leiterbahnen 16 auf der Oberseite des Substrats 12 zu erkennen. Die parallel zu den Stirnkanten des Substrats 12 verlaufenden Leiterbahnen 20 auf der Unterseite des Substrats 12 sind lediglich gestrichelt angedeutet.
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Die Darstellung der 4 zeigt das Substrat 12 vor dem Aufbringen der Wicklung 14 mittels Dünnschichttechnologie. Es ist zu erkennen, dass das Substrat 12 zwei Reihen von Löchern oder Vias 30 enthält, wobei insgesamt sieben Löcher 30 parallel zu einer in 4 oben liegenden Längskante des Substrats 12 angeordnet sind und sieben Löcher 30 angrenzend an die in 4 links unten angeordnete Längskante des Substrats 12 positioniert sind. Wie bereits ausgeführt wurde, werden die Löcher 30 jeweils mit elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Metall, aufgefüllt, um die Durchkontaktierungen 18 zu bilden, siehe 1.
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In der Vorderansicht der 5 sind die Löcher 30 an und für sich nicht zu erkennen und daher lediglich gestrichelt angedeutet. 6 zweigt die regelmäßige Anordnung der Löcher 30 in zwei parallelen Reihen parallel zu den Seitenkanten des Substrats 12 und in gleichmäßigem Abstand zu einander.
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Die Löcher 30 lassen sich beispielsweise mit einem Laserverfahren erzeugen. Sie können aber beispielsweise auch mittels eines Sandstrahlverfahrens, eines Plasmaverfahrens oder Ionenstrahlverfahrens oder auch mittels eines nasschemischen Ätzverfahrens hergestellt werden.
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Die Darstellung der 7 zeigt ein induktives Bauteil 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das induktive Bauteil 40 ist sehr ähnlich zu dem induktiven Bauteil 10 der 1 aufgebaut, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede erläutert werden. Das induktive Bauteil 40 weist ein Substrat 42 auf, das in Form einer Platte ausgebildet ist, im Unterschied zu dem Substrat 12 des induktiven Bauteils 10 der 1 aber keine Durchgangsbohrungen oder Löcher 30 sondern lediglich Nuten an den Längskanten aufweist, siehe auch 10. Die Wicklung 14 ist dahin identisch zu der Wicklung 14 des induktiven Bauteils 10 aufgebaut und besteht aus insgesamt vierzehn Durchkontaktierungen 18, von denen jeweils zwei mittels der Leiter 16 auf der Oberseite des Substrats bzw. mittels der Leiter 20 auf der Unterseite des Substrats verbunden werden.
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Die in den 10 und 12 besonders gut zu erkennenden Nuten 44 an den beiden Längskanten des Substrats 42 können wieder durch die selben Verfahren erzeugt werden, wie die Löcher 30 in dem Substrat 12 der 1 bis 4. Alternativ ist es aber im Falle der Nuten 44 auch möglich, diese durch einen feinen und präzisen Trennschleifprozess herzustellen.
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Das Auffüllen der Löcher 30 bzw. der Nuten 44 erfolgt durch galvanische Abscheidung von Kupfer oder einem anderen leitfähigen Metallwerkstoff, beispielsweise Silber oder Aluminium. Die Löcher 30 bzw. Nuten 44 können zum Herstellen der Durchkontaktierungen 18 aber beispielsweise auch mittels leitfähigem Klebstoff oder Epoxidharz mit metallischen Partikeln hergestellt werden.
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Anhand der 13 sollen die verschiedenen Verfahrensschritte zum Herstellen des induktiven Bauteils 10 der 1 bzw. des induktiven Bauteils 40 der 7 näher erläutert werden.
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In einem ersten Schritt A werden die Löcher 30 in dem Substrat 12 hergestellt, wie erwähnt beispielsweise durch nasschemisches Ätzen.
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In einem Verfahrensschritt B werden die Löcher 30 im Substrat 12 galvanisch mit Kupfer oder einem anderen Metall aufgefüllt. Wie erwähnt, kann auch eine andere Verfüllungstechnik verwendet werden, um innerhalb der Löcher 30 einen Abschnitt der Durchkontaktierungen 18 herzustellen. Es ist festzustellen, dass nach Abschluss des Schritts B die Löcher 30 so aufgefüllt sind, dass die Auffüllung jeweils bündig zur Oberseite bzw. zur Unterseite des Substrats 12 verläuft.
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Im Schritt C wird auf der Oberseite des Substrats 12 eine Photoresist-Maskierung durchgeführt, um eine Form für eine nachfolgende galvanische Abscheidung herzustellen.
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Diese galvanische Abscheidung wird dann in einem Schritt D vorgenommen, in dem begrenzt durch die Photoresist-Maskierung Kupfer oder ein anderes Metall ausgehend von der Oberseite der bereits erfolgten Auffüllungen in den Löchern 30 vorgenommen wird.
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In einem Schritt E wird die Photoresist-Maskierung wieder entfernt. Die oberen Abschnitte der Durchkontaktierungen 18 ragen nun über die Oberseite des Substrats 12 hinaus.
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In einem Schritt F werden die Zwischenräume zwischen den Oberteilen der Durchkontaktierungen 18 sowie die Zwischenräume zwischen den Durchkontaktierungen 18 und den Seitenkanten des Substrats mit einer Kunststoffschicht aufgefüllt. Hierbei kann beispielsweise Polyimid verwendet werden, wie in 13 angedeutet ist. Alternativ kann auch Epoxidharz verwendet werden. Nach Abschluss des Schritts F sind die Oberseiten der Durchkontaktierungen 18 dann bündig mit der Oberseite der Polyimidschicht 46.
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In einem Schritt G wird eine weitere Photoresist-Maskierung aufgebracht, um eine Form für die nachfolgende galvanische Abscheidung der auf der Oberseite des Substrats liegenden Leiter 16 zu bilden.
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In einem Schritt H wird wieder Kupfer oder eine andere metallische Schicht galvanisch abgeschieden, um dadurch die auf der Oberseite des Substrats liegenden Leiter 16 auszubilden. Nach dem Schritt H ist die Wicklung 14 zu etwas mehr als der Hälfte hergestellt. Es fehlen noch die Unterteile der Durchkontaktierungen 18 sowie die auf der Unterseite des Substrats 12 liegenden Leiter 20.
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Nach dem Schritt H wird in einem Schritt I die Photoresist-Maskierung wieder entfernt.
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In einem Schritt J werden dann die auf der Oberseite des Substrats 12 liegenden Leiter 16 in Kunststoff, speziell Polyimid oder Epoxidharz eingebettet. Damit werden gleichzeitig auch die Zwischenräume zwischen den auf der Oberseite des Substrats 12 liegenden Leitern 16 aufgefüllt.
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Die Darstellungen der 1 bis 3 bzw. 7 bis 9 enthalten die Kunststoffschicht zwischen den Leitern 16 bzw. zwischen den Leitern 20 nicht, um den Verlauf der Wicklung 14 besser darstellen zu können.
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Nach dem Schritt J ist die Fertigung der Wicklung auf der Oberseite des Substrats 12 abgeschlossen. Nun erfolgt die Fertigung der Wicklung 14 auf der zweiten Seite des Substrats 12, wobei sich dabei die Schritte C bis J wiederholen und diese nicht erneut erläutert werden.
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Am Ende des Fertigungsprozesses entsteht eine Struktur, wie sie im Schritt K dargestellt ist, also das induktive Bauteil 10, wie es in 1 dargestellt ist. Wie bereits erwähnt wurde, sind allerdings in 1 die mehreren Kunststoff- bzw. Polyimidschichten weggelassen worden, die in Schritt K von 13 dargestellt sind.
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Das induktive Bauteil 10, wie es im Schritt K dargestellt ist, wird anschließend noch in ein Gehäuse gebracht. Das Gehäuse kann ebenfalls aus Ferritmaterial bestehen oder aus LTCC-Keramik. Alternativ ist es auch möglich, das induktive Bauteil 10 in Kunststoff einzugießen.
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Die erfindungsgemäßen induktiven Bauteile 10, 40 bzw. Speicherdrosseln weisen einen sehr geringen Raumbedarf und insbesondere eine sehr geringe Höhe auf. Sie können beispielsweise bei DC-DC-Konvertern in mobilen portablen Geräten wie Tablets, Smartphones oder Computern eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0093669 A1 [0002]
- EP 0727771 B1 [0004]
