DE2825854C2

DE2825854C2 -

Info

Publication number: DE2825854C2
Application number: DE2825854A
Authority: DE
Inventors: Wilfred W. Tucson Ariz. Us Olschewski
Original assignee: Burr Brown Corp
Current assignee: Texas Instruments Tucson Corp
Priority date: 1977-06-13
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1989-09-07
Also published as: US4103267A; FR2394878A1; FR2394878B1; JPS62147314U; JPS545526A; DE2825854A1; GB1598717A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Transformatoren, die zur Ver wendung in hybrid-integrierten Schaltungen geeignet sind.

Es ist schwierig, Miniaturtransformatoren in Verbindung mit hybrid-integrierten Schaltungen zu verwenden. Herkömmliche Trans formatoren haben einen erheblichen Raumbedarf, und zwar aufgrund der Wicklung und aufgrund der großen Toleranzen in bezug auf die Anordnung der Zuleitungsdrähte. Ferner bestehen Schwierigkeiten hinsichtlich der Verbindung der Zuleitungsdrähte mit dem Schal tungschip. Daher sind die Herstellungskosten hoch, und man erhält dennoch eine nur unbefriedigende Integration.

Es wurde eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht, um die Schwierig keiten hinsichtlich der Verwendung von Induktivitäten in Fest körperschaltungen zu überwinden. Die U. S.-Patentschriften 33 05 814, 36 59 240 und 38 58 138 beschreiben Abscheidungsver fahren zur Erzeugung geeigneter Induktivitäten oder Transforma toren mit einer Vielzahl von Schichten aus magnetischem Material. Dabei wird eine brauchbare Einrichtung jeweils nur für einen spe ziellen Sonderzweck geschaffen und es werden nicht die üblichen, eine geschlossene Schleife bildenden Magnetkerne, wie beispiels weise toroidförmige Ferritkerne mit großer Querschnittsfläche, verwendet. Dies ist inbesondere von Nachteil in den 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.

Aus der US-PS 32 38 484 ist bereits bekannt, fertig gewickelte Spulen auf Platinen aufzukleben. Dabei kann der Torus aber erst durch das Aufkleben geschlossen werden, und das Wi ckeln der Torushälften ist bei den Miniaturisierungsanfor derungen der Hybridtechnik sehr aufwendig. Weiterhin ist der Anschluß der Wicklungsdrähte an eine Hybridschaltung sehr schwierig. Dieses Verfahren der US-PS 32 38 484 kann daher bei Hybridschaltungen nicht sinnvoll eingesetzt wer den.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die aus der US-PS 36 59 240 bekannte Hybridtransformatoreinrichtung so zu modifizieren, daß größere elektrische Leistungen übertra gen werden können und die Einrichtung dennoch räumlich sehr kompakt aufgebaut ist und sie mit dem Verfahren der Hybridtechnik gefertigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Hybridtransformator geschaffen, bei dem ein Keramiksubstrat eine Vielzahl von Leitern aufweist, welche aus metallischen 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, gesinter ter Ferritkern ist mit einem Isoliermaterial beschichtet und auf die dielektrische Schicht aufgeklebt. Eine Vielzahl von Drahtleitern ist mit ihren Enden mit den freiliegenden Enden der metallischen Leiterstreifen auf der Oberfläche des Sub strats durch Drahtverbindung verbunden. Diese Drähte ziehen sich in Form von Schleifen über den Toroid und 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 zeigt

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 Leiter streifen auf dem Substrat sichtbar ist und

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

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Hybridtransformator einrichtung für den Fall eines typischen Ferrittoroids be schrieben. Es ist ein Substrat 10 vorgesehen, welches wie bei den meisten Anwendungen von integrierten Schaltungen aus Keramikmaterial besteht. Dieses umfaßt eine plane 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 an gewendet werden. Die metallischen Leiterstreifen 12 können z. B. mit einer Siebdruckpaste hergestellt und durch Brennen ausgebildet werden. Dabei erhält man die metallischen Leiterstreifen der gezeigten Gestalt.

Im allgemeinen werden bei integrierten Schaltungen, bei denen die Verbindung mit einem Drahtleiter erforderlich ist, Gold oder an dere Edelmetalle verwendet, da Gold oder Edelmetalle sich beson ders gut für die Verbindung mit Drähten eignen. Die Leiterstrei fen 12 können jedoch auch aus anderen, nichtedlen Metallen beste hen, wenn man andere Verbindungstechniken außer den typischen Drahtverbindungsverfahren verwendet.

Man erkennt aus Fig. 3, daß die Leiterstreifen 12 jeweils eine bestimmte Länge aufweisen und sich im wesentlichen radial von einem gedachten Punkt 14 auf der Oberfläche des Substrats 10 er strecken. Die radiale Gestalt der Leiterstreifen 12 wird durch die Gestalt des Transformatorkerns bestimmt, wie weiter unten nä her 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, die 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, die den zusätzlichen Vorteil einer hohen dielektrischen Festigkeit bietet, was bei einigen An wendungen besonders vorteilhaft ist.

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

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 herbei geführten Dimensionsänderungen des Kerns 18 behindern. In einigen Fällen erreicht man durch den Kleber 20 eine aus reichende Isolierung, so daß es möglich ist, auf die Schicht 16 zu verzichten.

Eine Vielzahl von Metalldrahtleitern 24 werden bügelförmig über den Kern 18 gelegt und durch übliche Drahtverbindungs techniken an ihren beiden Enden mit den Enden der metalli schen 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 Leiter streifen 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 konti nuierlichen elektrischen Pfad rund um den Toroid. Auf diese Weise kann man die Primär- und Sekundärwicklungen des Hybrid transformators aufbauen.

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

Andererseits bilden die Leiterstreifen 38 und 39 die elektri sche 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 angeord net werden, derart, daß man Verbindungsflächen für die Ver bindung 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 verschach telt 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 Drahtverbin dungsprozeß. Zur Verbindung der Metalldrähte mit den metalli schen Leiterstreifen auf der Oberfläche des Substrats kann man verschiedenste herkömmliche Techniken anwenden, z. B. ein thermisches Druckverfahren oder ein Ultraschallverbin dungsverfahren. Diese Verfahren sind hinreichend bekannt und werden weiterhin in der elektronischen Industrie angewandt.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Zusammenhang mit einem geschlossenen Magnetkern erläutert. Die Form des Kerns ist jedoch für die vorliegende Er findung nicht kritisch.

Claims

1. Hybridtransformatoreinrichtung

(a) mit einem nicht-leitfähigen Substrat (10) mit einer planen Oberfläche (11),
(b) mit einem Magnetkern (18), der eine geschlosse ne magnetische Schleife bildet,
(c) mit einer Vielzahl auf der planen Oberfläche (11) ausgebildeten metallischen Leitern (12), deren jeder so angeordnet ist, daß er unterhalb eines Abschnittes des Magnetkerns (18) liegt, quer zu dem betreffenden Ab schnitt des Magnetkerne verläuft sowie ein erstes und zweites Ende aufweist,
(d) mit einer Isolierung (16), welche den Magnet kern (18) elektrisch von den metallischen Leitern (12) isoliert,
(e) wobei der Magnetkern (18) mit dem Substrat (10) mechanisch verbunden ist, und
(f) mit einer Vielzahl von weiteren metallischen Leitern (24), deren jeder ein erstes und ein zweites Ende aufweist und jeweils oberhalb des Magnetkernes (18) unter Bildung von Transformatorwindungen angeordnet ist, indem das erste Ende eines jeden der weiteren Leiter (24) mit dem ersten Ende des jeweils zugehörigen Leiters (12) und das zweite Ende eines jeden der weiteren Leiter (24) mit dem zweiten Ende des jeweils zugehörigen metallischen Lei ters (12) elektrisch verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die me chanische Verbindung des Magnetkernes (18) mit dem Sub strat (10) eine Klebeverbindung ist und daß die weiteren metallischen Leiter (24) jeweils Drahtstücke sind, welche den betreffenden Abschnitt des Magnetkernes bogenförmig umfassen.

2. Hybridtransformatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) eine dielek trische 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.

5. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeverbindung durch nachgiebiges oder elastisches Material vermittelt ist.

6. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung aus einer Schicht (16) aus einem dicken Glasfilm zwischen dem Substrat (10) und dem Magnetkern (18) besteht.

7. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine oberhalb und in direktem Kontakt mit einem größeren Teilbereich eines je den der Leiter (12) ausgebildeten Schicht (16) eines di elektrischen Materials, wobei die Enden eines jeden der metallischen Leiter (12) nicht durch die dielektrische Schicht (16) bedeckt sind, so daß diese freiliegen.

8. Hybridtransformatoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (18) durch eine Schicht (20) eines Klebemittels 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 sind und aus Edelmetall bestehen und daß die Drahtstücke (24) mit den metallischen Leitern (12) durch eine Bondverbindung ver bunden sind.

11. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtstücke (24) jeweils benachbarte metallische Leiter (12) verbinden.

12. Hybridtransformatoreinrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die me tallischen Leiter (12) von einem innerhalb der geschlosse nen Schleife des Magnetkerns (18) auf der planen Fläche (11) gelegenen, gedachten Punkt (14) im wesentlichen radi al 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 dielektri schen Materials liegt.