DE4221769C1

DE4221769C1 - Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements

Info

Publication number: DE4221769C1
Application number: DE19924221769
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Krokoszinski; Klaus Huber
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-07-02
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2012-07-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel lung eines induktiven Bauelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-OS 28 50 657).

Nach dem Verfahren hergestellte induktive Bauelemente kön nen beispielsweise in Netzgeräten als Drosselspulen, Über trager oder Transformatoren eingesetzt werden.

Induktive Bauelemente, wie Drosselspulen oder Transformato ren in leistungsintensiven Schaltungen, die in Hybrid- oder Modultechnik realisiert werden sollen, stellen ein beson deres kühlungstechnisches Problem dar, weil sowohl das Kernmaterial als auch die Wicklung des elektrischen Leiters um den Kern herum nur sehr schwer thermisch an eine ge kühlte Substratoberfläche anzukoppeln sind. Untersuchungen an Hybridschaltungen zeigten, daß die elektrischen Verluste der Wicklungen und die magnetischen Verluste des Kerns bei den induktiven Bauelementen zu den höchsten aller "Hotspot"-Temperaturen der gesamten Schaltung führen. Die Halbleiterbauelemente der Hybridschaltung weisen dagegen niedrigere Temperaturen auf.

Transformatoren in Leistungsmodulen werden häufig mit sehr hohen Frequenzen betrieben, z. B. mit Frequenzen über 100 kHz in DC/DC-Konvertern. Kernmaterial ist meistens Fer rit. Die Windungszahlen der Wicklungen sind in solchen Fäl len sehr klein, z. B. 2 und 7, abhängig vom Über setzungsverhältnis und Taktverhältnis. Üblich ist eine pla nare Bauweise, in der die primären Windungen um den Mittel pfosten eines Topfkerns oder eines E-I-Kerns als Spirale und die Sekundärwindungen als darüber angeordnetes flaches Band ausge bildet sind.

Eine andere wohlbekannte Bauform ist das Wickeln von Draht als Primärwicklung und einer Kupferfolie als Sekundärwick lung um einen Toroidkern. Eine solche Anordnung ist be schrieben von H. van der Broeck, K. Löhn, F. Chevalier, H. Dethienne, W. Lemmens in "A compact high performance 300W/5V switched mode power supply", Proceedings of the 3rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE′89), Oct. 9-12th, 1989, Vol III, p. 1455-1459. Nach teilig ist bei diesen Bauformen, daß nur Drähte mit relativ kleinem Querschnitt verwendet werden können, wodurch die Stromtragfähigkeit eng begrenzt ist. Außerdem ist keine gute wärmetechnische Ankopplung an eine gekühlte Substrat oberfläche möglich. Glättungsdrosseln in Siebketten, die zum Teil sehr hohe Sekundärströme führen müssen, werden trotzdem häufig nur als Drahtwicklungen um einen Toroidkern ausgeführt. Da solche Wicklungen auf dem Substrat nur an wenigen Punkten auf liegen, ist die Küh lung unzureichend.

Bekannt sind z. B. aus dem Buch "Hybridintegration" von R. Reichl, Hüthig-Verlag, Heidelberg (1986), S. 97 und 98 auch Wick lungsausführungen mit geätzten Kupferspiralen, die gut ge kühlt werden können, jedoch viel Substratfläche benötigen. Es sind nur kleine Induktivitäten herstellbar, weil solche Spiralen kein Magnetmaterial umschließen, sondern allen falls aufgelegt werden können.

Aus der DE-PS 28 25 854 ist eine Hybridtransformatorein richtung bekannt, bei der eine Vielzahl von Metalldrahtlei tern bügelförmig über einen Kern gelegt und mit Leiterbah nen auf einer Isolierplatte verbunden sind. Die Stromtrag fähigkeit ist durch den geringen verwendbaren Drahtquerschnitt be grenzt.

Aus der DE-OS 28 50 657 ist eine Drosselspule mit einem Ringkern bekannt, deren Wicklungsteile aus - auf die Anord nung um den Kern bezogenen - inneren und äußeren Leiterstä ben und oberen und unteren Verbindungsstücken bestehen. Die Drosselspule kann hohe Ströme führen und ist mechanisch stabil ausgeführt, ist allerdings nicht optimal bezüglich der Wärmeabfuhr zu einem Kühlkörper gestaltet. Die Gestal tung der Drosselspule und das angegebene Verfahren zu deren Herstellung ist weniger gut für eine automatisierte Ferti gung geeignet, auch weil eine Vielzahl von Einzelelementen zu verbinden ist.

Ausgehend von der DE-OS 28 50 657 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines in duktiven Bauelements anzugeben, das die Herstellung eines besonders kompakten und gut kühlbaren Bauelements auf ra tionelle Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Herstellverfahren für ein in duktives Bauelement gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in abhän gigen Ansprüchen angegeben und in der nachstehenden Be schreibung erläutert.

Als wesentliche Vorteile des Verfahrens sowie von danach hergestellten Bauelementen sind zu nennen:

a) Das Verfahren führt zu Bauelementen, die eine gute Kühlbarkeit aufweisen, weil ein Teil der Wicklung als Planarstruktur fest mit dem isolierenden Substrat verbunden ist und somit einen minimalen Wärmewider stand auch für die senkrecht auf diese Struktur auf gelöteten oder geklebten Wicklungsteile, die Deck platte und den auf geklebten Magnetkern besitzt. Im Gegensatz dazu hat eine mit Draht bewickelte Spule nur an wenigen Punkten direkten Kontakt mit der Sub stratoberfläche. Eine Planarwicklung auf Leiterplat ten oder Folienmaterial um einen E-Kern-Mittelpfosten herum besitzt hingegen praktisch überhaupt keinen Wärmekontakt zum Substrat.
b) Nach dem Verfahren lassen sich die induktiven Bauele mente in ihren wesentlichen Teilen soweit vorferti gen, daß sie im Bestückungsprozeß eines Leistungsmo duls wie ein normales oberflächenmontierbares Bauteil plaziert und gemeinsam mit anderen Bauteilen verklebt oder verlötet werden können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachstehenden Be schreibung anhand der Zeichnung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Komponenten, die zu einem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gehören. Das induktive Bauelement be steht aus fünf Komponenten, die vorgefertigt werden können und später zusammensetzbar sind. Es sind dies ein Magnet kern 1, eine innere Metallstabgruppe 2, eine äußere Metall stabgruppe 3, eine Bodenplatte 4, die alle in Fig. 1 ge zeigt sind, und eine in Fig. 2 gezeigte Deckplatte 5.

Fig. 2 zeigt einen Blick auf die Unterseite der Deckplatte 5, die im montierten Zustand den übrigen Komponenten 1 bis 4 zugewandt ist.

In Fig. 1 sind die Metallstabgruppen 2, 3 zur Vereinfa chung der Zeichnung als eine Anordnung von einzelnen Me tallstäben 21 bis 26, 31 bis 36 dargestellt. Im fertigge stellten Zustand sind jedoch die Metallstäbe der Gruppe 2 bzw. der Gruppe 3 jeweils miteinander über einen die Zwi schenräume ausfüllenden elektrisch isolierenden Kleber ver bunden, so daß handhabbare Komponenten vorliegen.

Der Magnetkern 1 ist ein Ringkern z. B. ein Ferritkern mit rechteckförmigem Querschnitte oder ein Toroidkern. Er kann mit einer Lack schicht zur elektrischen Isolierung überzogen sein.

Die innere Metallstabgruppe 2 des induktiven Bauelements gemäß dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungs beispiel besteht aus sechs inneren Stäben 21 bis 26. Als Metall wird Kupfer bevorzugt, jedoch sind auch andere Me talle, wie z. B. Aluminium oder Messing geeignet. Anhand von Fig. 4 wird nachstehend eine zweckmäßige Methode zur Her stellung der inneren Metallstabgruppe 2 beschrieben. Man geht dabei von einem zylindrischen Vollmaterialstab 201 aus, dessen Außendurchmesser d etwas geringer ist als der Innendurchmesser des Ringkerns 1 (Fig. 1). Durch mehrfa ches Einsägen mit einer Schnittbreite s_i bis zu einer Tiefe h, die gleich der Höhe des Ringkerns ist, werden als Seg mente die Stäbe 21 bis 26 hergestellt. Das eingesägte Stück des Stabes 201 wird anschließend in einer Gießform mit ei nem elektrisch isolierenden Kleber vergossen. Es ist zweckmäßig, bei diesem Vergießen nicht nur die Zwischenräume auszugießen, sondern auch die Außenfläche der Segmente mit zu vergießen. Dadurch wird eine hohe mechanische Stabilität der Metall stabgruppe erreicht und außerdem eine elektrische Isolie rung gegenüber dem Magnetkern. Lediglich die Stirnflächen müssen bei der fertigen Gruppe 2 blank sein für eine elek trisch leitende Kontaktierung mit Leiterbahnen. Nach dem Aushärten des Klebers wird die derart hergestellte Metallstab gruppe 2 vom Rest des Stabes 201 getrennt.

Die äußere Metallstabgruppe 3 des ersten Ausführungsbeispiels besteht aus sechs äußeren Stäben 31 bis 36 und dem selben Material wie die innere Gruppe 2. Die Herstellung kann auf entsprechende Weise erfolgen, wie vorstehend für die innere Gruppe 2 beschrieben wurde. Es wird lediglich anstelle eines Vollmaterialstabes ein Metallrohr 301 gemäß Fig. 3 verwendet, dessen Innendurchmesser D etwas größer ist als der Außendurchmesser des Ringkerns 1. Mit einer Schnittbreite s_a wird ebenfalls bis zur Höhe h eingesägt, dann vergossen und abgetrennt. Die Segmente des Rohres wer den - abgesehen von den Stirnflächen - allseits mit dem elektrisch isolierenden Kleber umgossen.

Die Bodenplatte 4 besteht aus einem elektrisch isolierenden Substrat 41, vorzugsweise aus Keramik, z. B. Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, das eine zu Leiterbahnen 42 struktu rierte Metallschicht trägt. Die Metallschicht kann z. B. aus Kupfer, Silber-Palladium oder Gold bestehen. Die Boden platte 4 ist zweckmäßigerweise ein Teil eines größeren Sub strats mit Leiterbahnen, das Träger einer hybriden Schal tung ist, innerhalb der das induktive Bauelement zur Anwen dung kommt.

Es sind unterschiedliche Techniken zur Herstellung der Bo denplatte anwendbar, z. B. Direktverbindungsverfahren zur Verbindung von Kupferfolien mit Keramik, oder Dickschicht techniken. Im Fall des Direktverbindungsverfahrens kann die gewünschte Leiterbahnstruktur durch Photolithographie und Ätzen einer vollflächig aufgebrachten Folie oder durch Auf legen vorgestanzter Blechteile erzeugt werden. Bei Verwen dung von Dickschichttechnik können die Strukturen durch Siebdrucken entsprechender Metallpasten hergestellt werden. Es können optional Lötstopschichten, d. h. ein Lack oder Glas, auf das Substrat aufgebracht werden, um sauber defi nierte Lötkontaktstellen zu schaffen.

Die hergestellten Leiterbahnen oder Metallisierungsteilflä chen stellen planare Wicklungsteile dar. In Fig. 1 sind nur einige der Metallisierungsteilflächen 42 Leiterbahnen sichtbar, näm lich die Teilflächen 421 und 423 bis 425.

Die in Fig. 2 gezeigte Deckplatte 5 kann in gleicher Weise und mit den gleichen Materialien wie die Bodenplatte 4 her gestellt werden. Die Deckplatte 5 besteht ebenfalls aus ei nem elektrisch isolierenden Substrat, das mit 51 bezeichnet ist und mit Metallisierungsteilflächen 52, die planare Wicklungsteile 521 bis 525 darstellen. Ein Teil der Flächen 52 kann auch ohne elektrische Funktion und lediglich aus mechanischen Gründen angeordnet sein, wie z. B. die Teilflächen 526 und 527.

Zur Vorbereitung des induktiven Bauelements als oberflä chenmontierbares Bauelement wird die Deckplatte 5, wie in Fig. 2 dargestellt, mit der strukturierten Metallisie rungsschicht nach oben auf eine Unterlage gelegt und der Magnetkern 1 aufgeklebt. Anschließend werden die innere und die äußere Metallstabgruppe 2, 3 auf die Deckplatte 5 gelö tet, wobei der Magnetkern 1 zur Positionierung dient.

Das so vorbereitete Bauteil kann wie andere oberflächenmon tierbare Bauelemente auf ein Substrat einer Hybridschal tung, die zugleich Bodenplatte 4 des induktiven Bauelements ist, gesetzt und in einem gemeinsamen Lötprozeß aller Bau elemente mit dem Substrat verbunden werden. An der Position des Magnetkerns 1 wird vor der Montage auf dem Substrat ein Streifen eines thermisch leitenden Klebers aufgebracht, um einen guten Wärmekontakt zwischen Kern und Substrat herzu stellen.

Das in den zusammengehörenden Fig. 1 und 2 gezeigte in duktive Bauelement ist eine Drosselspule mit einer einzigen Wicklung, die fünf Windungen hat. Der Stromfluß ist in Fi gur 1 durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Strompfad geht von der ersten Metallisierungsteilfläche 421 (Wick lungsanfang) aus, führt durch den ersten äußeren Stab 31 und die erste Metallisierungsteilfläche 521 der Deckplatte 5 zum ersten inneren Stab 21 und dort über eine nicht sichtbare Teilmetallisierung der Bodenplatte 4 zum zweiten äußeren Stab 32. Der weitere Stromfluß wird ausgehend vom Stab 32 durch Aufzählen der vom Strom nacheinander durch flossenen Teile durch Aufzählen der Bezugszeichen be schrieben: 522, eine in der Zeichnung nicht sichtbare Bo denmetallisierung 422, 33, 523, 23, 423, 34, 524, 24, 424, 35, 525, 25, 425 (Wicklungsende). Die Stäbe 26 und 36 sowie die Metallisierungsflächen 526 und 527 haben keine elektri sche Funktion.

Durch Erhöhung der Schlitzzahl erhöht sich die Zahl der herstellbaren Windungen. Bei sechs Einschnitten ergeben sich z. B. zwölf Segmente je 30°, die zu elf Windungen ver bunden werden können. Es versteht sich, daß der Querschnitt der Stäbe entsprechend kleiner wird, wenn man nicht gleich zeitig den Durchmesser, des Kerns vergrößert.

Messungen an einer Drosselspule gemäß dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel haben bei einem 200-A-Gleichstrom durch die Drosselspule eine Temperatur differenz von nur 30 K ergeben, gemessen zwischen der Deck plattenoberseite und einem Meßpunkt auf der Bodenplatte oberseite, der neben der äußeren Metallstabgruppe lag. Ver gleichsmessungen an einer entsprechenden Drosselspule gemäß dem Stand der Technik, die eine Wicklung mit einem relativ dicken Draht um einen Ringkern aufwies, zeigten schon bei einem Gleichstrom von nur 40 A eine wesentlich höhere Tem peraturdifferenz, nämlich 70 K.

Als zweites Ausführungsbeispiel ist in den zusammengehören den Fig. 5 und 6 eine Doppel-Drosselspule mit 2×2 Win dungen gezeigt. Dazu können der gleiche Magnetkern und die gleichen Metallstabgruppen 2 und 3 verwendet werden, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Es ist lediglich eine Änderung der Metallisierungsstruktur auf der Boden platte 4 und der Deckplatte 5 erforderlich, damit zwei Wicklungen mit je zwei Windungen entstehen. Die dabei nicht elektrisch nutzbaren Stäbe werden zusammen mit den übrigen Stäben eingegossen und verlötet und dienen somit der mecha nischen Symmetrie und Stabilität.

Als drittes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 ein Trans formator mit einem Windungszahlverhältnis 2 : 7 dargestellt. In diesem Fall geht man von einer sechsfachen Schlitzung der Kupferteile aus, so daß je zwölf innere und äußere Stäbe entstehen, von denen je neun Stäbe zur Stromführung genutzt sind, nämlich je sieben Stäbe für eine erste Wick lung mit sieben Windungen und je zwei Stäbe für eine zweite Wicklung mit zwei Windungen. Die Stromführung läßt sich an hand der Fig. 7 nachvollziehen, wenn man die in einer Ex plosionszeichnung dargestellten Komponenten betrachtet und wie beim ersten Ausführungsbeispiel vorgeht, wobei zu be achten ist, daß im Gegensatz zu den Fig. 2 und 6 hier in Fig. 7 der Deckel von oben gezeigt ist, weshalb die unten liegenden Metallisierungsflächen gestrichelt gezeichnet sind. Die Fig. 7 zeigt in der Mitte einen Magnetkern 1 mit Metallstabgruppen 2 und 3. Unten ist in Fig. 7 eine zuge hörige Bodenplatte 4 gezeigt, mit Anschlußflächen 451 und 452 für die erste Wicklung und Anschlüssen 453 und 454 für die zweite Wicklung. Oben in Fig. 7 ist eine zugehörige Deckplatte 5 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauele ments mit wenigstens einer um einen Magnetkern herumführen den Wicklung, mit nachstehenden Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines ringförmigen Magnetkerns (1),
b) Herstellen einer Bodenplatte (4) und einer Deckplatte (5) aus einem elektrisch isolierenden Material, einer inneren und einer äußeren Metallstabgruppe (2, 3) und von Verbindungselementen (42, 52) für die Boden- bzw. Deckplattenebene, und
c) mechanisches und elektrisches Verbinden der im Schritt b) hergestellten Komponenten zur Schaffung wenigstens eines um den Magnetkern (1) gewendelten Strompfads,

gekennzeichnet durch nachstehende Gestaltung der Herstel lungsschritte b) und des Verbindungsschritts c):

b1) Herstellen der Bodenplatte (4) und der Deckplatte (5) durch
- Aufbringen einer Metallschicht auf wenigstens ei ner der Hauptflächen der Platten (4, 5) aus dem Isoliermaterial und
- Strukturieren der Metallschichten einer der Hauptflächen der Isoliermaterialplatten zu Me tallisierungsteilflächen (42, 52);
b2) Herstellen der äußeren Metallstabgruppe (3) - durch Schlitzung, insbesondere Sägen eines Metallrohres, dessen Innendurchmesser größer ist als der Magnet kernaußendurchmesser, wobei ein Teilstück des Rohres ohne Schlitze bleibt, - durch mechanisches Verbinden der durch die Schlitzung entstandenen Metallstäbe (31 bis 26) durch Ausfüllen der Zwischenräume mit einem elektrisch isolierenden Kleber und - durch Abtrennen der verklebten Segmente vom übrigen Rohr;
b3) Herstellen der inneren Metallstabgruppe (2) in ent sprechender Weise wie unter Schritt b2) für die äußere Metallstabgruppe (3) angegeben, wobei anstelle eines Rohres ein Vollmaterialstab als Ausgangsmate rial verwendet wird, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Magnetkerninnendurchmesser;
c1) Verbinden der Wicklungskomponenten (2 bis 5) durch Kleben mit einem elektrisch leitenden Kleber oder durch Löten, wobei jeweils die mit Metallisierungs teilflächen (42, 52) versehenen Seiten der Platten (4, 5) den Metallstabgruppen (2, 3) mit dem zwischen gefügten Magnetkern (1) zugewandt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die - im montierten Zustand - äußeren Hauptflächen der Bodenplatte (4) und/oder der Deckplatte (5) mit einer Metallschicht versehen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Isoliermaterialplatten jeweils eine Kera mikplatte und zur Herstellung der Metallschichten eine Kupferfolie verwendet werden, die in einem Direktverbin dungsverfahren miteinander verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikplatte eine Aluminiumoxidplatte oder eine Aluminiumnitridplatte verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Metallisie rungsteilflächen (42, 52) Kupfer, Silber-Palladium oder Gold verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Metallschicht(en) auf die Isoliermaterialplatten für die Deckplatte (5) und die Boden platte (4) durch Verwendung der Dickschichttechnik oder durch chemische Abscheidung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Metall schicht auf den Isoliermaterial der Boden- und Deckplatte wird durch Aufbringen von Metall im Siebdruck verfahren hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der ganz flächig auf die Isoliermaterialplatten aufgebrachten Metallschicht durch Photolithographie und anschließen des Ätzen erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle verfügbaren Metallstäbe der äußeren Gruppe (3) und der inneren Gruppe (2) über die Metallisierungsteilflächen (42, 52) auf den Platten (4, 5) zu einer Wicklung mit maximaler Windungszahl derart verbunden werden, daß sich in der Wirkung eine Drosselspule für hohe Strombelastung ergibt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß jeweils maximal die Hälfte der verfügbaren Metallstäbe der äußeren Gruppe (3) und der in neren Gruppe (2) durch die Metallisierungsteilflächen auf der Bodenplatte (4) und der Deckplatte (5) zu einer ersten Wicklung und die verbleibenden Metallstäbe zu einer ge trennten, aber gleich großen, gleichsinnig gewickelten zwei ten Wicklung derart verbunden werden, daß sich in der Wirkung eine Doppel-Drosselspule mit zwei gleichen Teilwicklungen oder ein 1:1-Übertrager für hohe Strombelastung ergibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß ein Teil der verfügbaren Metall stäbe der äußeren Gruppe (3) und der inneren Gruppe (2) durch die Metallisierungsteilflächen auf der Bodenplatte (4) und der Deckplatte (5) zu einer ersten Wicklung verbun den werden und die verbleibenden Metallstäbe zu einer zwei ten Wicklung mit anderer Windungszahl derart verbunden werden, so daß sich in der Wirkung ein Transformator ergibt.