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Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, hergestellt mittels Dünnschichttechnik, mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Kern sowie wenigstens einer, den Kern abschnittsweise umgebenden Wicklung.
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Induktive Bauelemente, die mittels Dünnschichttechnik hergestellt sind, werden beispielsweise als Mikrotransformatoren zur Spannungsversorgung von mobilen elektronischen Geräten eingesetzt. Neben dem Einsatz als Mikrotransformatoren ist auch die Verwendung als Induktivitäten als Teil einer elektronischen Schaltung möglich.
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Mit der Erfindung soll ein induktives Bauelement mit geringem Flächenbedarf auf einem Substrat bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist hierzu ein induktives Bauelement, hergestellt mittels Dünnschichttechnik, mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Kern sowie wenigstens einer, den Kern abschnittsweise umgebenden Wicklung vorgesehen, bei dem der Kern zwei Seitenabschnitte und genau drei parallel zueinander angeordnete und die Seitenabschnitte verbindende Schenkel aufweist, wobei jeder Schenkel mit einer Wicklung versehen ist.
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Indem der Kern zwei Seitenabschnitte und genau drei parallel zueinander angeordnete und die Seitenabschnitte verbindende Schenkel aufweist, kann auf jedem der Schenkel mindestens eine Spule hergestellt werden. Das induktive Bauelement hat somit mindestens drei Wicklungen, die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Schenkel erstrecken können. Gegenüber induktiven Bauelementen mit Stabkernen können die Wicklungen daher länger und infolgedessen mit einer größeren Windungszahl hergestellt werden. Bei Verwendung eines Stabkerns auf der gleichen Chipgröße, also mit dem gleichen Flächenbedarf, kann über die Länge des Stabkerns gesehen zwar ebenfalls mehr als eine Spule hergestellt werden. Da die Länge des Stabkerns aber im Wesentlichen genauso groß ist wie die Länge der Schenkel, müssen die mehreren, hintereinander auf dem Stabkern angeordneten Spulen kürzer ausgebildet sein und infolgedessen, bei vergleichbarem Platzbedarf einer Windung, mit weniger Windungen ausgeführt sein. Das Vorsehen von genau drei Schenkeln, die die Seitenabschnitte des Kerns verbinden, erlaubt eine sehr flexible Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements. Beispielsweise können bei drei Wicklungen noch alle Wicklungsenden und alle Wicklungsanfänge auf separate Anschlusspads herausgeführt werden, so dass zahlreiche Beschaltungsmöglichkeiten gegeben sind. Bei drei Schenkeln und drei Spulen ist auch die Gestaltung der Leiterbahnen auf dem Substrat, die zu den jeweiligen Wicklungsanfängen und Wicklungsenden führen, noch übersichtlich gestaltbar. Darüber hinaus können beim Vorsehen von drei Schenkeln, die jeweils mit mindestens einer Wicklung versehen sind, die als Zuleitungen zu den Wicklungsanfängen bzw. Wicklungsenden benötigten Leiterbahnen und die Wicklungen selbst mit vergleichsweise großem Querschnitt ausgeführt werden, so dass auch vergleichsweise große Ströme mit geringen Verlusten über das induktive Bauelement übertragen werden können.
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Wird das induktive Bauelement als Mikrotransformator eingesetzt, besteht eine große Flexibilität hinsichtlich einer möglichen Eingangsspannung und Ausgangsspannung, da die mindestens drei Wicklungen auf den genau drei Schenkeln unterschiedlich verschaltet werden können.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die Schenkel einen inneren und zwei äußere Schenkel auf, wobei die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln parallelgeschaltet sind.
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Die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln können dadurch beispielsweise als Sekundärspule eines Transformators eingesetzt werden und durch die Parallelschaltung können vergleichsweise große Ströme über die Sekundärspule geleitet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Wicklung auf dem inneren Schenkel als Primärspule eines Mikrotransformators angeschlossen und die Wicklungen auf den äußeren Schenkeln sind als Sekundärspule des Mikrotransformators angeschlossen.
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Auf diese Weise kann ein Mikrotransformator mit äußerst geringem Flächenbedarf auf einem Substrat bereitgestellt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der innere Schenkel eine größere Breite auf als die äußeren Schenkel.
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Dadurch ist es möglich, den magnetischen Widerstand oder auch die Reluktanz des mittleren Schenkels gering zu halten. Dadurch kann eine hohe Induktivität des induktiven Bauteils erzielt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der innere Schenkel doppelt so breit wie jeder der äußeren Schenkel.
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Auf diese Weise können der magnetische Widerstand des inneren Schenkels und der magnetische Widerstand der äußeren Schenkel so aufeinander abgestimmt werden, dass bei Parallelschaltung der Spulen auf den äußeren Schenkeln als Sekundärspule der gleiche magnetische Widerstand oder die gleiche Reluktanz im Bereich der Primärspule und der Sekundärspule vorliegt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der innere Schenkel unterbrochen. Dadurch kann nach Art eines Luftspalts der magnetische Widerstand und damit die Induktivität des magnetischen Kreises beeinflusst werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind ein Wicklungsanfang und ein Wicklungsende der Wicklung auf dem inneren Schenkel mittels Leiterbahnen auf dem Substrat mit Anschlusspads auf dem Substrat verbunden, die auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet sind, und Wicklungsanfänge und Wicklungsenden der Wicklungen auf den äußeren Schenkeln sind mittels Leiterbahnen auf dem Substrat mit Anschlusspads verbunden, die auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats angeordnet sind.
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Auf diese Weise kann eine übersichtliche Anschlussmöglichkeit für die Primärspule einerseits und die Sekundärspulen andererseits realisiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Wicklungsanfänge der Wicklungen auf den äußeren Schenkeln zu einem gemeinsamen Anschlusspad geführt und die Wicklungsenden der Wicklungen auf den äußeren Schenkeln sind zu einem gemeinsamen Anschlusspad geführt.
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Die Parallelschaltung der Wicklungen auf den äußeren Schenkeln kann dadurch auf dem Substrat mittels der Leiterbahnen fest verdrahtet werden. Dadurch ergibt sich ein kompaktes induktives Bauelement mit einfacher Anschlussmöglichkeit.
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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, in den Zeichnungen dargestellten und der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Dies gilt auch für die Kombination von Einzelmerkmalen ohne weitere Einzelmerkmale, mit denen sie im Zusammenhang beschrieben oder gezeigt sind. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements von schräg oben, wobei zur Verdeutlichung lediglich ein magnetischer Kern, Leiterbahnen und Wicklungen dargestellt sind,
- 2 eine Draufsicht auf das induktive Bauelement der 1,
- 3 den Kern des induktiven Bauelements der 2 in einer Ansicht von unten,
- 4 einen Teil der Leiterbahnen und Wicklungen des induktiven Bauelements der 2,
- 5 einen weiteren Teil der Leiterbahnen und Wicklungen des induktiven Bauelements der 2,
- 6 eine schematische Darstellung von fünf aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten bei der Herstellung des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements,
- 7 eine schematische Darstellung von weiteren vier aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements,
- 8 eine Draufsicht auf einen Kern für ein induktives Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
- 9 eine Draufsicht auf einen Kern für ein induktives Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die Darstellung der 1 zeigt in einer Ansicht von schräg oben ein erfindungsgemäßes induktives Bauelement 10, das als Mikrotransformator ausgebildet ist. Der Übersichtlichkeit halber sind ein Substrat und Zwischenschichten, vgl. die 6 und 7, in der Darstellung der 1 weggelassen worden. In 1 sichtbar sind daher nur ein magnetischer Kern 12, Wicklungen 14, 16, 18 auf dem Kern und von den Wicklungsanfängen bzw. Wicklungsenden der Wicklungen 14, 16, 18 zu insgesamt vier Anschlusspads 20, 22, 24, 26 führende Leiterbahnen.
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Das induktive Bauelement 10 ist auf dem, wie ausgeführt nicht dargestellten Substrat in Dünnschichttechnik aufgebaut. Die Herstellung des induktiven Bauelements 10 auf dem Substrat wird durch die 6 und 7 verdeutlicht.
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Der Kern 12 weist zwei einander gegenüberliegende und parallel zueinander angeordnete Seitenabschnitte 28, 30 und genau drei die Seitenabschnitte 28, 30 miteinander verbindende Schenkel 32, 34, 36 auf. Die drei Schenkel 32, 34, 36 sind parallel zueinander angeordnet. Der innenliegende Schenkel 34 ist mit der Wicklung 16 umgeben, der in 1 links dargestellte äußere Schenkel 32 ist mit der Wicklung 14 umgeben und der in 1 rechts dargestellte äußere Schenkel 36 ist mit der Wicklung 18 umgeben.
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Die mittlere Wicklung 16 auf dem inneren Schenkel 34 ist als Primärspule eines Mikrotransformators vorgesehen. Ein Wicklungsanfang der Wicklung 16 ist mittels einer Leiterbahn 38 mit dem Anschlusspad 20 verbunden und ein Wicklungsende der Wicklung 16 ist mit einer Leiterbahn 40 mit dem Anschlusspad 22 verbunden. Die beiden Anschlusspads 20, 22 liegen beabstandet voneinander auf einer ersten, in 1 unten dargestellten Seite des nicht dargestellten Substrats. Die durch die Wicklung 16 und den inneren Schenkel 34 gebildete Primärspule des Mikrotransformators kann somit über die auf derselben Seite des Substrats liegenden Anschlusspads 20, 22 angeschlossen werden.
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Die Wicklungsanfänge der beiden Wicklungen 14, 18 auf den äußeren Schenkeln 32, 36 sind mittels einer U-artig verlaufenden Leiterbahn 42 mit dem Anschlusspad 26 verbunden. Die Wicklungsenden der Wicklungen 14, 18 auf den äußeren Schenkeln 32, 36 sind mittels einer etwa L-förmig verlaufenden Leiterbahn 44 mit dem Anschlusspad 24 verbunden. Die mittels der beiden Wicklungen 14, 18 auf den äußeren Schenkeln 32, 36 gebildeten Spulen sind somit parallel zueinander geschaltet und bilden gemeinsam eine Sekundärspule des Mikrotransformators. Diese Sekundärspule ist über die beiden Anschlusspads 24, 26, die beabstandet voneinander an einer zweiten Seite des Substrats liegen, die der ersten Seite des Substrats, an der die Anschlusspads 20, 22 liegen, gegenüberliegt, zugänglich. Mit anderen Worten ist die Primärspule des Mikrotransformators über die Anschlusspads 20, 22 auf der ersten Seite des Substrats zugänglich und die Sekundärspule des Mikrotransformators ist über die Anschlusspads 24, 26 auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats zugänglich.
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Es ist in 1 zu erkennen, dass die Wicklungen in 1 unterhalb des Kerns verlaufende Wicklungsabschnitte und oberhalb des Kerns verlaufende Wicklungsabschnitte aufweisen, wobei die unteren Wicklungsabschnitte über Durchkontaktierungen oder sogenannte Vias mit den oberen Wicklungsabschnitten verbunden sind.
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Jede der Wicklungen 14, 16, 18 weist jeweils elf Windungen und somit elf untere Wicklungsabschnitte und elf obere Wicklungsabschnitte auf, die zu beiden Seiten des jeweiligen Schenkels 32, 34, 36 mittels Vias miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnen 38, 40 zur Kontaktierung der durch die Wicklung 16 auf dem inneren Schenkel 34 gebildeten Primärspule laufen unterhalb des Kerns 12. Die Leiterbahn 42 zur Kontaktierung der Wicklungsanfänge der Wicklungen 14, 18 auf den äußeren Schenkeln 32, 36 des Kerns verläuft oberhalb des Kerns 12. Die Leiterbahn 44 zur Kontaktierung der Wicklungsenden der Wicklungen 14, 18 auf den beiden äußeren Schenkeln 32, 36 des Kerns verläuft unterhalb des Kerns 12 in der gleichen Ebene wie die Leiterbahnen 38, 40. Wie ausgeführt wurde, sind isolierende Schichten, die zwischen den Leiterbahnen 38, 40, 42, dem Kern 12 und zwischen den unteren und oberen Wicklungsabschnitten der Wicklungen 14, 16, 18 angeordnet sind, in 1 nicht dargestellt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das induktive Bauelement 10 der 1, wobei wieder das Substrat und weitere, isolierende Schichten auf dem Substrat der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
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Es ist zu erkennen, dass ein Zwischenraum zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem in 1 und 2 links dargestellten ersten äußeren Schenkel 32 größer ist als ein Abstand zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem in 1 und 2 rechts dargestellten zweiten äußeren Schenkel 36. Zwischen der Wicklung 16 auf dem inneren Schenkel 34 und der Wicklung 14 auf dem ersten äußeren Schenkel 32 sind die Leiterbahnen 38 und 42 abschnittsweise angeordnet. Daher wird zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem ersten äußeren Schenkel 32 mehr Platz benötigt als zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem zweiten äußeren Schenkel 36.
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Zu erkennen ist in der Draufsicht der 2 die sehr gute Ausnutzung der für das induktive Bauelement 10 zur Verfügung stehenden Fläche, wobei diese Flächenausnutzung durch die Gestaltung des Kerns 12 mit einem inneren Schenkel 34 und zwei äußeren Schenkeln 32, 36, durch das Vorsehen jeweils einer Wicklung 14, 16, 18 auf jedem Schenkel 32, 34, 36 und auch durch die U-artige Gestaltung der Leiterbahn 42 und die etwa L-artige Gestaltung der Leiterbahn 44 erreicht wird. Die Maßnahmen tragen gemeinsam, in Kombination, aber auch einzeln, für sich gesehen, zu der guten Flächenausnutzung bei.
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Die Darstellung der 3 zeigt den Kern 12 des induktiven Bauelements 10 der 1 und 2 alleine. Gut zu erkennen ist die parallele Anordnung der drei Schenkel 32, 34, 36 und der im Vergleich zu dem Abstand zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem zweiten äußeren Schenkel 36 größere Abstand zwischen dem inneren Schenkel 34 und dem ersten äußeren Schenkel 32.
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Der Kern wird aus magnetischem Material hergestellt, das auf dem Substrat oder einer zwischen dem Substrat und dem Kern liegenden Zwischenschicht abgeschieden wird. Der Kern 12 kann galvanisch auch durch Kathodenzerstäubung hergestellt werden. Eine Dicke des Kerns, die in 3 senkrecht zur Papierebene gemessen würde, kann im Bereich zwischen etwa 1 µm bis 10 µm liegen. Der Kern 12 kann auch als Laminat aufgebaut sein, also mittels mehrerer, übereinander abgeschiedener Schichten aus magnetischem Material, eventuell auch Schichten aus unterschiedlichem magnetischem Material. Als magnetischer Werkstoff wird üblicherweise NiFe, CoFe, CoZrTa, CoZrTaB und/oder CoFeB verwendet.
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4 zeigt das induktive Bauelement 10 der 1 und 2, wobei lediglich ein Teil der Wicklungen und ein Teil der Leiterbahnen dargestellt ist. Anhand eines Vergleichs der 1 und 4 ist zu erkennen, dass die in 4 dargestellten unteren Abschnitte der Wicklungen 14, 16, 18 und die Leiterbahnen 38, 40, 44 in derselben Ebene liegen, die in 1 unterhalb des Kerns 12 liegt.
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5 zeigt dahingegen einen Teil der Wicklungen und Leiterbahnen, die in 4 nicht dargestellt sind und die, wie ein Vergleich mit 1 zeigt, oberhalb des Kerns 12 angeordnet sind. Die oberen Abschnitte der Wicklungen 14, 16, 18 und die Leiterbahn 42 liegen in einer gemeinsamen Ebene, die in der Darstellung der 1 oberhalb des Kerns 12 liegt.
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Die in den 4 und 5 dargestellten Wicklungen und Leiterbahnen werden beispielsweise aus Kupfer galvanisch abgeschieden. Eine Dicke der Wicklungsabschnitte und Leiterbahnen liegt in der Regel zwischen 5 µm und 20 µm, wobei im Rahmen der Erfindung auch Kupferdicken im Bereich zwischen 50 µm und 60 µm vorgesehen sein können. Dies ist vorteilhaft, wenn das induktive Bauelement für die Übertragung hoher Stromstärken vorgesehen ist.
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Die Darstellungen der 6 und 7 zeigen aufeinanderfolgende Fertigungsschritte beim Herstellen eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements mittels Dünnfilmtechnik. Im Schritt A der 6 wird auf einem Siliciumsubstrat 50 eine Oxidschicht 52 hergestellt und auf dieser Oxidschicht werden die in 4 dargestellten unteren Abschnitte der Wicklungen 14, 16, 18 sowie die Leiterbahnen 38, 40, 44 hergestellt, die in 6 als untere Cu-Lage 54 bezeichnet werden.
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Im darauffolgenden Verfahrensschritt B wird die untere Cu-Lage 54 in Polyimid 56 eingebettet bzw. werden Zwischenräume zwischen den einzelnen Bestandteilen der unteren Cu-Lage 54 mit Polyimid 56 aufgefüllt, so dass die Oberseiten der Polyimidabschnitte 56 und die Oberseiten der unteren Cu-Lage 54 miteinander fluchten.
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Im Verfahrensschritt C wird eine Isolationsschicht 58 aus Polyimid zwischen der unteren Cu-Lage 54 und dem magnetischen Kern 12 hergestellt, der anschließend auf der Isolationsschicht 58 hergestellt wird.
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Im Verfahrensschritt D wird der Kern 12 in Polyimid 60 eingebettet und an den Stellen 62, an denen Vias oder Durchkontaktierungen entstehen sollen, werden Sacklöcher 62 erzeugt.
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In die Sacklöcher 62 wird im Verfahrensschritt E Kupfer abgeschieden, so dass die Vias 64 gebildet werden. Die Vias 64 verbinden die untere Cu-Lage 54 mit einer oberen Cu-Lage, die noch erläutert wird.
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Die untere Cu-Lage 54 enthält die in 4 dargestellten unteren Wicklungsabschnitte der Wicklungen 14, 16, 18 und die obere Cu-Lage enthält die in 5 dargestellten oberen Wicklungsabschnitte der Wicklungen 14, 16, 18. Die unteren Wicklungsabschnitte und die oberen Wicklungsabschnitte werden mittels der Vias 64 miteinander verbunden, wie dies in 1 zu erkennen ist.
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7 zeigt einen Verfahrensschritt F, in dem eine Polyimidschicht 66 für die Strukturierung der oberen Cu-Lage strukturiert wird. Im darauffolgenden Schritt G wird die obere Cu-Lage 68 abgeschieden. Dadurch sind mittels der unteren Cu-Lage 54, mittels der Vias 64 und mittels der oberen Cu-Lage 68 die den Kern 12 umgebenden Wicklungen 14, 16, 18 fertiggestellt.
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Im Schritt H erfolgt eine Einbettung und Strukturierung für die Herstellung der Anschlusspads 20, 22, 24, 26, vgl. 1. Im Schritt I werden die Anschlusspads 20, 22, 24, 26 abgeschieden. Die Herstellung des induktiven Bauelements 10 ist damit im Wesentlichen abgeschlossen.
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Die Anschlusspads 20, 22, 24, 26 können aus Ni/Au oder Al abgeschieden werden. Die Isolierschichten werden aus Polyimid hergestellt. Die Cu-Lagen werden durch Abscheiden von Cu hergestellt. Der Kern 12 kann bei der dargestellten Ausführungsform aus CoZrTa gebildet werden. Wie ausgeführt wurde, ist zwischen dem Siliziumsubstrat 50 und der unteren Cu-Lage 54 eine Oxidschicht 52 vorgesehen.
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Die Darstellung der 8 zeigt in der Draufsicht schematisch einen Kern 72 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Kern 72 weist zwei einander gegenüberliegende und parallel zueinander angeordnete Seitenteile 28, 30 auf sowie genau drei, die beiden Seitenteile 28, 30 verbindende und parallel zueinander angeordnete Schenkel 32, 34, 36. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der innere Schenkel 34 doppelt so breit ausgeführt wie die beiden äußeren Schenkel 32, 36.
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9 zeigt einen weiteren Kern 84 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Kern 84 weist wieder die beiden parallel zueinander angeordneten Seitenteile 28, 30 und drei, die Seitenteile miteinander verbindende Schenkel 32, 34, 36 auf. Der innere Schenkel 34 ist breiter als die äußeren Schenkel 32, 36, bei der dargestellten Ausführungsform aber weniger als doppelt so breit wie die äußeren Schenkel 32, 36. Der innere Schenkel 34 weist in seiner Längsrichtung gesehen zwei Abschnitte 34a, 34b auf, die beide gleich lang sind und ist mittels eines Schlitzes 86 unterbrochen. Der Schlitz 86 wirkt nach Art eines Luftspalts und vergrößert den magnetischen Widerstand oder die Reluktanz des inneren Schenkels 34. Um den magnetischen Widerstand oder die Reluktanz des inneren Schenkels 34 einstellen zu können, kann dessen Breite verändert werden und auch die Länge des Spalts 86, also der Abstand zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der Abschnitte 34a, 34b des inneren Schenkels 34, kann verändert werden.
