DE2825854A1

DE2825854A1 - Hybridtransformatoreinrichtung

Info

Publication number: DE2825854A1
Application number: DE19782825854
Authority: DE
Inventors: Wilfred W Olschewski
Original assignee: Burr Brown Research Corp
Current assignee: Texas Instruments Tucson Corp
Priority date: 1977-06-13
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1978-12-21
Also published as: FR2394878A1; JPS545526A; GB1598717A; JPS62147314U; DE2825854C2; US4103267A; FR2394878B1

Description

Hybridtransformatoreinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft Transformatoren und insbesondere Transformatoren, welche zur Verwendung in Verbindung mit hybrid-integrierten Schaltungen geeignet sind.

Es besteht eine allgemeine Schwierigkeit, Miniaturtransformatoren in Verbindung mit hybrid-integrierten Schaltungen zu verwenden. Herkömmliche Transformatoren haben einen erheblichen Raumbedarf, und zwar hinsichtlich des magnetischen Drahtes und hinsichtlich der großen Toleranzen in Bezug auf die Anordnung des Zuleitungsdrahtes. Ferner bestehen Schwierigkeiten hinsichtlich des Zuleitungsdrahtes mit dem Schaltungschip. Daher sind die Herstellungskosten hoch und man erhält dennoch eine unbefriedigende integrierte Schaltung.

Es wurden eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht, um diese Schwierigkeiten hinsichtlich der Verbindung von Induktivitäten mit Festkörperschaltungen zu überwinden. Die U.S.-Patentschriften 3 305 814, 3 659 240 und 3 858 138 beschreiben die Verwendung von Abscheidungsverfahren zur Erzeugung geeigneter Induktivitäten oder eine Transformatorenstruktur mit einer Vielzahl von Schichten aus magnetischem Material. Dabei wird jeweils eine brauchbare Einrichtung nur für einen speziellen Sonderzweck geschaffen. In jedem Falle wird aber die Verwendung der üblichen in Form einer geschlossenen Schleife vorliegenden Magnetkerne, z. B. der toroidförmigen Ferritkerne, mit großer Querschnittsfläche, eliminiert. Dies ist insbesondere von Nachteil in Fällen, bei denen in der Schaltung hohe Induktivitätswerte vorgesehen werden müssen, oder bei denen es sich um Leistungsschaltungen handelt, bei denen abgeschiedene Filmschichten aus magnetischem Material nicht ausreichend sind. In vielen Fällen ist es erwünscht, einen Transformator in Verbindung mit einer integrierten Schaltung zu verwenden.

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Dabei kann es sich um einen Transformator handeln, bei dem ein laminierter Kern mit einem Band umwickelt ist. Dieser Kern kann eine nicht-toroidförmige Gestalt haben und dennoch keinerlei Luftspalte im Magnetpfad aufweisen. Zum Ersatz solcher toroidförmigen Ferritkernen oder nicht-toroidförmigen Kerne aus Ferrit oder aus laminiertem Material durch abgeschiedene Schichten aus magnetischem Material würde nicht die erforderliche Induktivität oder das erforderliche Leistungsvermögen liefern, welche bzw. welches bei vielen Anwendungen von integrierten Schaltungen erforderlich ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hybridtransformatoreinrichtung zu schaffen, welche mit einer hybridintegrierten Schaltung kompatibel ist aber eine Betriebsleistung ähnlich derjenigen einer herkömmlichen diskreten Transformatoreinrichtung hat.

Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Hybridtransformatoreinrichtung zu schaffen, welche leichter und mit geringeren Kosten herstellbar ist, ohne daß das Leistungsvermögen hierdurch herabgesetzt ist.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Hybridtransformatoreinrichtung zu schaffen, welche einen geringen Raumbedarf hat und geringe Kosten verursacht und dennoch mit hybrid-integrierten Schaltungen kompatibel ist.

Erfindungsgemäß wird ein Hybridtransformator geschaffen, bei dem ein Keramiksubstrat eine Vielzahl von planaren Leitern aufweist, welche aus metallisierten Streifen bestehen. Über den Leitern ist ein dielektrisches Glasmaterial vorgesehen, welches nur die Enden der Leiter freiläßt für die Verbindung mit einer elektrischen Schaltung. Ein toroidförmiger gesinterter Ferritkern ist mit einem Isoliermaterial beschichtet und auf die dielektrische Schicht aufgeklebt. Eine Vielzahl von Drahtleitern sind mit ihren Enden mit den freiliegenden Enden der metallischen Leiterstreifen auf der Oberfläche des Substrats durch Drahtverbindung verbunden. Diese Drähte ziehen

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sich in Form von Schleifen über den Toroid und sie sind mit ihrem jeweils anderen Ende mit dem freiliegenden Ende eines benachbarten Leiterstreifens verbunden, so daß jeweils eine Schleife einer Transformatorwicklung erhalten wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Hybridtransformatoreinrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 1, wobei der Toroidkern und die drahtförmigen Leiter weggelassen sind und das Muster der flachen abgeschiedenen Leiterstreifen auf dem Substrat sichtbar ist und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Hybridtransformatoreinrichtung gemäß Fig. 1, wobei jedoch der Toroidkern weggelassen ist und die Verbindung der einzelnen drahtförmigen Leiter mit den zugeordneten flachen Leiterstreifen deutlich wird.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Hybridtransformatoreinrichtung für den Fall eines typischen Ferrittoroids beschrieben. Es ist ein Substrat 10 vorgesehen, welches wie bei den meisten Anwendungen von integrierten Schaltungen aus Keramikmaterial besteht. Dieses umfaßt eine planare Fläche 11, welche die Basis für die Aufnahme einer Vielzahl von metallischen Leiterstreifen 12 bildet. Die Leiterstreifen 12 sind nach herkömmlichen Metallisierverfahren ausgebildet, wie sie bei der Herstellung von integrierten Schaltungen angewendet werden. Die metallischen Leiterstreifen 12 können z. B. mit einer Siebdruckpaste hergestellt und durch Brennen ausgebildet werden. Dabei erhält man die metallisierten Leiterstreifen der gezeigten Gestalt. Man kann eine Siebdruckpaste verwenden, welche durch EMCA unter der Bezeichnung

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212ß vertrieben wird. Die dabei gebildeten metallischen Leiterstreifen 12 haben eine Goldbasis. Gold oder andere Edelmetall-Leiter werden im allgemeinen bei integrierten Schaltungen verwendet, bei denen die Verbindung mit einem Ürahtleiter erforderlich ist, da Gold oder Edelmetalle sich besonders gut für die Verbindung mit Drähten eignen. Die Leiterstreifen 12 können jedoch auch aus anderen nichtedlen Metallen bestehen, wenn man andere Verbindungstechniken außer den typischen Drahtverbindungsverfahren verwendet.

Man erkennt aus Fig. 5, daß die Leiterstreifen 12 jeweils eine vorbestimmte Länge aufweisen und sich im wesentlichen radial von einem imaginären Punkt 14 auf der Oberfläche des Substrats 10 erstrecken. Die radiale Gestalt der Leiterstreifen 12 wird durch die Gestalt des Transformatorkerns diktiert, wie weiter unten näher ausgeführt. Eine Schicht eines dielektrischen Materials 16 wird über den Leitern 12 ausgebildet und bedeckt den größten Teil eines jeden dieser Leiter. Jedoch liegen die inneren und äußeren Enden der Leiterstreifen 12 frei. Die dielektrische Schicht 16 bildet eine elektrische Isolierungsschicht in einem Ringbereich, welche die mittleren Bereiche eines jeden der Leiterstreifen 12 abdeckt. Die dielektrische Schicht 16 kann typischerweise eine solche dielektrische Schicht sein, welche bei der Passivierung einer integrierten Schaltung gebildet wird. Zum Beispiel kann die Schicht bequemerweise dadurch hergestellt werden, daß man einen dicken Film aus Glaspaste aufträgt (DuPont Glaspaste Nr. 9841). Diese letztere Paste bietet den zusätzlichen Vorteil einer hohen dielektrischen Festigkeit, was bei einigen Anwendungen besonders vorteilhaft ist.

Ein Toroidferritkern 18 erhält eine Vorbeschichtung mit einem isolierenden Material, welches allgemein mit 19 bezeichnet ist. Sodann wird der beschichtete Kern mit Hilfe eines Klebematerials 20 auf der dielektrischen Schicht 16 befestigt.

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Es wurde festgestellt, daß das Klebematerial 20 im gesamten Betriebstemperaturbereich relativ weich und nachgiebig sein sollte. Bevorzugt sind Silikonkleber oder Polyurethankleber. Eine Reihe von Epoxymaterialien haben sich nicht bei allen Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere hat sich herausgestellt, daß diese die durch Magnetostriktion herbeigeführten Dimensionsänderungen des Kerns 18 behindern. In einigen Fällen erreicht man durch den Kleber 20 eine ausreichende Isolierung, so daß es möglich ist, die Stufe der Aufbringung der Schicht 16 zu eliminieren.

Eine Vielzahl von Metalldrahtleitern 24 werden bügeiförmig über den Kern 18 gelegt und durch übliche Drahtverbindungstechniken an ihren beiden Enden mit den Enden der metallischen Leiterstreifen 12 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Metalldrahtleiter 24 und dem Metall-Leiterstreifen 12 wird im folgenden anhand der Fig. 4 näher erläutert. Ein Drahtleiter 28 ist an einem Ende 29 mit dem flachen Metall-Leiterstreifen 30 verbunden, welcher zuvor auf der Oberfläche 11 des Substrats 10 durch Metallisierung ausgebildet wurde. Das andere Ende 32 des Drahtes 28 wird durch Drahtverbindung mit dem metallischen Leiterstreifen 34 verbunden. Der Leiterstreifen 34 ist dem Leiterstreifen 30 benachbart und der Leitungsdraht 28 ist einerseits mit dem in radialer Richtung außen gelegenen Ende des Leiterstreifens 34 verbunden und andererseits mit dem in radialer Richtung innen gelegenen Ende des Leiterstreifens 30. Auf diese Weise werden Windungen über dem Toroidkern 18 gebildet und man erhält einen kontinuierlichen elektrischen Pfad rund um den Toroid. Auf diese Weise kann man die Primär- und Sekundärwicklungen des Hybridtransformators aufbauen.

Die Anordnung der Leiterstreifen 12 gemäß Fig. 3 erleichtert die Bildung einer einzigen Primärwicklung und einer einzigen Sekundärwicklung. Die Leiterstreifen 36 und 37 bilden die elektrischen Zuleitungen zu der Wicklung, welche über den links gelegenen Leiterstreifen gemäß Fig. 3 ausgebildet wird.

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Andererseits bilden die Leiterstreifen 38 und 39 die elektrische Zuleitung für die Wicklung, welche über den rechts gelegenen Leiterstreifen in Fig. 3 ausgebildet wird. Auf diese Weise erhält man eine primäre und sekundäre Wicklung. Bei Transformatoren mit einer Mittelanzapfung oder mit mehr als einer einzigen primären oder sekundären Wicklung können die Leiterstreifen 12 ebenfalls in geeigneter Weise angeordnet werden, derart, daß man Verbindungsflächen für die Verbindung mit den Drahtleitern erhält, während andererseits das Leiterstreifenmuster auf dem Substrat 10 die elektrische Verbindung mit mehreren Wicklungen und/oder Mittelabgriffen in vorbestimmten Positionen gestattet. Weiterhin können die einzelnen Windungen gemäß jedem gewünschten Muster verschachtelt werden, indem man einfach die jeweils ausgewählten Enden der ausgewählten flachen Metallstreifen verbindet.

Die beschriebene Hybridtransformatorkonstruktion ist ohne weiteres kompatibel mit automatisierten Herstellungstechniken, z. B. mit automatisierten Einrichtungen zum Zusammenbau von Komponenten oder mit einem vorprogrammierten Drahtverbindungsprozeß. Zur Verbindung der Metalldrähte mit den metallischen Leiterstreifen auf der Oberfläche des Substrats kann man verschiedenste herkömmliche Techniken anwenden, z. B. ein thermisches Druckverfahren oder ein Ultraschallverbindungsverfahren. Diese Verfahren sind hinreichend bekannt und werden weithin in der elektronischen Industrie angewandt.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Zusammenhang mit einem geschlossenen Kernmagnetpfad erläutert. Die Konfiguration des Kerns ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht kritisch.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Hybridtransformatoreinrichtung, gekennzeichnet durch Ca) ein nicht-leitfähiges Substrat (10) mit einer planaren Fläche (11);

(b) eine Vielzahl von auf der planaren Fläche (11) ausgebildeten metallischen Leitern (12), deren jeder eine vorbestimmte Länge sowie ein erstes und zweites Ende aufweist;

(c) einen Magnetkern (18) mit einer geschlossenen magnetischen Schleife, welcher durch Klebeverbindung über den metallischen Leitern (12) mit dem Substrat (10) verbunden ist;

(d) eine Isolierung (16), welche den Magnetkern (18) elektrisch von den metallischen Leitern (12) isoliert und

(e) eine Vielzahl von Metalldrahtleitern (24) vorbestimmter Länge, deren jeder ein erstes und zweites Ende aufweist und sich über den Magnetkern (18) unter Bildung von Transformatorwindungen erstreckt, wobei das erste Ende eines jeden der Metalldrahtleiter (24) mit dem ersten Ende eines jeweils anderen der metallischen Leiter (12) verbunden ist, und wobei das zweite Ende eines jeden der Metalldrahtleiter (24) mit dem zweiten Ende eines anderen metallischen Leiters (12) verbunden ist.
2. Hybridtransformatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) eine dielektrische Beschichtung (19) aufweist.
3. Hybridtransformatoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Beschichtung (19) die Isolierung bildet.
4. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) ein Toroid-Ferritkern ist.

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5. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Klebermaterial oder Bindemittel (20), welches zwischen dem Magnetkern (18) und dem Substrat (10) eine nicht-starre Verbindung vermittelt.
6. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus einer Schicht (16) eines aus einem dicken Glasfilm gebildeten dielektrischen Materials zwischen dem Substrat (10) und dem Magnetkern (18) besteht.
7. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine über und in Kontakt mit einem größeren Teilbereich eines jeden der Leiter (12) ausgebildeten Schicht (16) eines dielektrischen Materials, wobei die Enden eines jeden der metallischen Leiter (12) sich über die dielektrische Schicht (16) hinaus erstrecken.
8. Hybridtransformatoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) durch eine Schicht (20) eines Bindemittels oder Klebermaterials mit der Schicht (16) des dielektrischen Materials verbunden ist.
9. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-leitfähige Substrat (10) aus einem Keramikmaterial besteht.
10. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiter (12) durch Brennen ausgebildet wurden und aus Edelmetall bestehen und daß die Metalldrahtleiter (24) mit den metallischen Leitern (12) durch eine Drahtverbindung verbunden sind.

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11. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrahtleiter (24) jeweils benachbarte metallische Leiter (12) verbinden.
12. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die metallischen Leiter (12) von einem imaginären Punkt auf der planaren Fläche (11) im wesentlichen radial erstrecken.
13. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) aus dielektrischem Material ringförmig ausgebildet ist.
14. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) flach auf der Schicht (16) des dielektrischen Materials liegt.

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