DE4301570A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauteils unter Verwendung von Laserstrahlen, wo­ bei das elektrische Bauteil aus aufgeschichteten Lagen aus einem nichtleitenden Material besteht, die sich mit aufge­ druckten Mustern in Form von spiralförmigen Wicklungen aus einem elektrisch leitendem Material abwechseln.

Viele elektrische Bauteile, die Wicklungen aufweisen, werden in Form von Chips hergestellt, die verschiedene, sich abwech­ selnde Schichten aus Ferrit und Leitern aufweisen. Es ergeben sich jedoch einige Nachteile aus den derzeitigen Herstel­ lungsverfahren dieser Bauteile. Die meisten der auf diese Weise hergestellten Wicklungen bestehen nicht aus einer voll­ ständigen Wicklung, die mehr als eine Windung in jeder Schicht hat. Statt dessen wird bei den derzeitigen Bauteilen ein Teil von jeder Wicklung auf verschiedene Schichten aufge­ bracht, und diese Teile werden dann miteinander verbunden, um eine vollständige Wicklung zu bilden, die mehrere Windungen hat.

Bei einigen derzeitigen Bauteilen wird eine ganze Wicklung, die mehr als eine Windung hat, auf jede Ferritschicht aufge­ bracht; diese Bauteile sind aber aufgrund der Grenzen der verwendeten Druckverfahren nur beschränkt miniaturisierbar. Bei den derzeitigen Verfahren zur Herstellung von leitenden Wicklungen auf jeder Schicht wird gewöhnlich das leitende Ma­ terial auf die Ferritschicht aufgedruckt. Die meisten Verfah­ ren zum Bedrucken dieser Schichten lassen es nicht zu, daß die Linien viel kleiner als 0,2 bis 0,25 mm sind, und lassen es auch nicht zu, daß die Abstände zwischen den Linien viel kleiner als 0,2 bis 0,25 mm sind. Dieses Mindestmaß der Li­ nien und Abstände stellt eine Beschränkung für den Grad der Miniaturisierung dar, die mit Wicklungen dieses Typs erzielt werden kann.

Laser werden auf dem Gebiet der Widerstände zum Trimmen und zum Herstellen von Widerständen eingesetzt. Bei den gegenwär­ tig verwendeten Laserverfahren wird jedoch ein Laserstrahl entlang des gewünschten Leitermusters geführt. Dies ist eine zeitaufwendige Arbeit und läßt es nicht zu, daß der Leiter auf eine schnelle, verzögerungsfreie Art und Weise gebildet wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten elektrischen Bauteils unter Verwendung von Laserstrahlen anzugeben. Insbesondere soll das elektrische Bauteil kleiner hergestellt werden als bekannte Bauteile, während gleichzeitig der gleiche oder ein höherer Induktivitätswert als bisher erzielt wird. Ferner soll es das Verfahren ermöglichen, die Breite der induktiven Wicklungsli­ nien und die Breite der Abstände zwischen den induktiven Wicklungslinien kleiner als bisher zu machen. Außerdem soll das Verfahren wirtschaftlich, wirkungsvoll und zuverlässig sein.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung benützt ein Excimer-Lasersystem, das in der Lage ist, einen Laserenergieimpuls durch eine Maske zu lei­ ten. Die Maske kann eine Metallplatte sein, in welche das ge­ wünschte Muster geschnitten wurde. Die Maske wirkt wie eine Schablone und projiziert die Abbildung des gewünschten Mu­ sters durch eine Linse hindurch auf einen Träger, der eine Schicht aus einem leitenden Material aufweist. Das Bild brennt einen Teil der Leiterschicht weg, so daß das ge­ wünschte Muster, wie z. B. eine Wicklung, oder eine andere elektrische Leiterbahn zurückbleibt.

Induktionsspulen können so hergestellt werden, daß sie ab­ wechselnde Schichten aus Ferritmaterial und Leiterspulen auf­ weisen. Die Leiterspulen werden durch Aufdrucken einer Schicht aus leitendem Material wie Silber auf die obere Ober­ fläche einer Ferritschicht gebildet. Der Laser wird dann dazu verwendet, ein Negativbild auf die Leiterschicht zu projizie­ ren, um so das dem Negativbild ausgesetzte leitende Material zu entfernen. Hierdurch bleibt die auf der oberen Oberfläche der Ferritschicht gebildete Leiterspule zurück.

Weitere Schichtenpaare können auf die gleiche Weise gebildet und aufeinander gestapelt werden, um einen Stapelchip zu bil­ den, der eine vollständige Leiterspule hat, die mehr als eine vollständige Windung auf jeder Schicht aufweist. In den Fer­ ritschichten werden Löcher vorgesehen, um die verschiedenen Leiterspulen in dem geschichteten Chip der Reihe nach mitein­ ander zu verbinden, um die gewünschte Induktivität zu erzie­ len.

Heutzutage stehen Excimer-Lasersysteme zur Verfügung, die in der Lage sind, ein Bild über eine Fläche von 5 bis 10 mm² zu projizieren. Dadurch können mehrere Chips auf einmal gebildet werden. Somit ist es möglich, eine einzelne Schicht für eine Gruppe von Chips mit einem einzigen Laserenergieimpuls herzu­ stellen. Die einzelnen Schichten werden getrennt voneinander hergestellt und dann aufeinander gestapelt und gebrannt, um sie zu einer einzelnen Gruppe von aufeinander geschichteten Lagen zusammenzufassen. Mit Diamantsägen werden dann die auf­ einander gestapelten Schichten in einzelne Chips zerschnit­ ten.

Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des bei dem erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendeten La­ sersystems;

Fig. 2 schematisch die Art und Weise, auf die das Lasersy­ stem den Laserstrahl auf das Werkstück leitet;

Fig. 2a eine Draufsicht auf eine bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendete Maske;

Fig. 3 die aufeinander gestapelten Chiplagen, die bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gebildet werden;

Fig. 4a bis 4c Draufsichten auf einen einzelnen Chip, wo­ bei der erste Schritt gezeigt ist, bei dem eine er­ ste Schicht aus Ferritmaterial und einer elektri­ schen Leiterspule gebildet wird;

Fig. 5a bis 5c; 6a bis 6c und 7a bis 7c ähnliche Darstellun­ gen wie die Fig. 4a bis 4c, wobei die Schritte ge­ zeigt sind, bei denen zusätzliche Schichtenpaare für den geschichteten Chip gebildet werden;

Fig. 8 die letzte Schicht, die auf den geschichteten Chip aufgebracht wird; und

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen ge­ schichteten Chips, wobei Teile der oberen Schicht weggeschnitten sind.

Fig. 1 zeigt ein Excimer-Lasersystem 10, das bei dem erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendet wird. Solche Sy­ steme werden gegenwärtig zum Kennzeichnen und Etikettieren von elektrischen Bauteilen verwendet. Bis jetzt sind aber solche Systeme nicht für das erfindungsgemäße Herstellungs­ verfahren verwendet worden. Ein solches System wird bei­ spielsweise von Lambda Physik, Inc., 289 Great Road, Acton, Massachusetts 01720 unter dem Warenzeichen "Lambda Mark" her­ gestellt. Das System erzeugt einen Laserlichtimpuls, der durch die Linie 11 in Fig. 2 dargestellt ist. Der Laserstrahl 11 wird zuerst durch eine Vorrichtung 12 geleitet, die eine Maske oder eine Schablone enthält, in die das gewünschte Mu­ ster geformt ist. Nachdem der Laser die Maske passiert hat, wird er in das gewünschte Bild geformt und durch die Spiegel­ einrichtung 14, die einen Spiegel 16 hat, nach unten abge­ lenkt und durch eine Bildlinse 18 geleitet. Die Linse 18 kann das Bild mehrmals verkleinern, um es so zu verstärken und schärfer zu machen. Das Bild wird dann auf eine Arbeitsfläche 20 gerichtet, auf der ein Werkstück plaziert ist. Erfindungs­ gemäß wird eine Maske 13 verwendet, die ein negatives Muster 15 einer Spule oder Wicklung enthält. Das Muster 15 wird durch eine Öffnung in der Maske 13 gebildet und entspricht der Negativform der Spule, die hergestellt werden soll. Die endgültige Spule wird somit letztlich die Form des festen Teils 17 haben, der in Fig. 2a gezeigt ist.

In Fig. 3 ist ein Stapel 22 aus Platten 23, 24, 25, 26, 27 gezeigt. Die oberste Platte 23 ist aus einem Ferritmaterial hergestellt, das gewöhnlich bei der Herstellung von monoli­ thischen Induktorchips verwendet wird. Die restlichen Platten 24 bis 27 sind auch Ferritplatten, beinhalten aber verschie­ dene Leiterspulen 28, die auf sie gedruckt sind. Die Spulen 28 auf jeder Platte sind zueinander identisch, die Spulen sind aber verschieden von einer Platte zur anderen, wie wei­ ter unten näher beschrieben ist.

Die gestrichelten Linien 30 stellen Schnittlinien dar, auf denen man mit einer Diamantsäge schneidet, um jedes der auf­ gestapelten Teile in einzelne Chips zu zerschneiden, die eine Gruppe von Spulen 28 enthalten. Fig. 3 ist nicht maßstabsge­ recht, um die verschiedenen Teile des erfindungsgemäßen Pro­ dukts zu veranschaulichen. In Wirklichkeit sind die Schichten 23 bis 27 so dünn wie Papier, und die Linien der Spulen 28 sind ungefähr 0,127 mm breit, und die Abstände zwischen den Linien innerhalb der Spulen sind auch ungefähr 0,127 mm breit.

Der Aufbau eines jeden einzelnen Chips ist in den Fig. 4 bis 8 dargestellt, in der Praxis aber werden die Schichten für mehrere Chips auf jede der Ferritschichten 23 bis 27 aufge­ druckt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Eine erste Ferritschicht 34 bildet die unterste Schicht des Chips. Diese Ferritschicht 34 gehört zu einem der Chips, die in der Mehrfachchipschicht 27, die in Fig. 3 gezeigt ist, angeordnet sind.

Fig. 4b zeigt eine erste feste Leiterschicht 36, die auf die obere Oberfläche der Ferritschicht 34 aufgedruckt ist. Der Leiter 36 besteht vorzugsweise aus einem Silbermaterial, das bei gedruckten Bauteilen diesen Typs gewöhnlich verwendet werden. Die Schicht 36 weist eine Anschlußfläche 38 auf, die sich bis zu dem äußeren Rand der Ferritschicht 34 erstreckt.

In Fig. 4c ist die vollständige Leiterspule 40 gezeigt. Die Leiterspule 40 wird dadurch gebildet, daß die leitende Schicht 36 einem Laserlichtimpuls ausgesetzt wird, der zuerst durch die Maske 13 ging und dann von dem Spiegel 16 nach un­ ten reflektiert und durch die Linse 18 geleitet wurde. Somit wird das Negativbild des Musters 15 auf die leitende Schicht 36 projiziert, wodurch Teile der Schicht 36 weggebrannt wer­ den und die Leiterspule 40, wie in Fig. 4c gezeigt, zurück­ bleibt. Die Spule 40 weist eine Zentrumsfläche 42 auf.

Es ist hervorzuheben, daß die Leiterspule 40 mindestens zwei vollständige Windungen der Spule auf einer Oberfläche auf­ weist. Außerdem beträgt die Breite des Leiters 40 nur 0,127 mm, wobei die Abstände zwischen den Leiterwindungen ebenfalls nur ungefähr 0,127 mm betragen. Diese Maße sind erheblich kleiner als die bei bekannten Bauteilen und ermöglichen es, daß eine maximale Induktivität innerhalb eines Minimums an Raum erzielt wird.

Ein Beispiel für ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Leiterspule 40, die in Fig. 4c gezeigt ist, ist das fol­ gende:

Ein Excimer-Lasersystem 10, wie es beispielsweise von der Lambda Physik, Inc., 289 Great Rd., Acton, Massachusetts 01720, unter dem Warenzeichen "Lambda Mark" hergestellt wird, wird zur Erzeugung der Leiterspule 40 verwendet. Diese Ma­ schine hat mehrere Einstellungsparameter, die so gewählt wer­ den können, daß das gewünschte Resultat erzielt wird. Die folgenden Faktoren sind für diese Parameter maßgebend:

• 1. Verschiedene Oberflächenmaterialien für die leitende Schicht 36 führen zu unterschiedlichen Ergebnissen.
• 2. Die Größe des Musters auf dem Chip ist eine Variable.
• 3. Die Größe des Musters in der Maske ist eine Variable.
• 4. Der Verkleinerungsfaktor im Maskenhalter ist eine va­ riable Einstellgröße der Maschine.
• 5. Die an der Maschine verwendete Fokussierlinse und ihre Mikrometerstellung sind Variable.
• 6. Die Laserenergieeinstellung, welche die Einstellung der Gleichstromspannung des Systems ist, ist eine weitere Variable.

Es folgt ein Beispiel für eine bevorzugte Einstellung des Sy­ stems.

• 1. Oberflächenmaterial: ungebrannte Silber-Palladium-Tinte, hergestellt von DuPont unter der Produktbezeichnung 7711.
• 2. Mustergröße: 32,25 mm² bis 41,29 mm².
• 3. Die Mustergröße in der Maske: 322,5 mm².
• 4. Der Verkleinerungsfaktor: Zwischen 10 : 1 und 7,8 : 1.
• 5. Fokussierlinse und Mikrometerstellung: SPLF 20/10 Linse, auf eine Lage von 56 cm eingestellt.
• 6. Laserenergieeinstellung: 8,8 bis 7,5 Volt Gleichstrom­ spannung.

Das System wird dann eingeschaltet, um einen Laserlichtimpuls zu erzeugen, der auf die Schicht 36 gerichtet wird und eine Spule 40 wegbrennt, wie in Fig. 4c gezeigt ist. Die Belich­ tungszeit liegt schätzungsweise zwischen 0,5 und 2 ms. Die genaue Dauer kann aber nicht bestimmt werden, weil das ver­ wendete System eine Kondensatorentladung zur Lichterzeugung benutzt und die Dauer der Belichtung nicht genau bestimmbar ist.

Es können auch andere Systeme verwendet werden, um das glei­ che Ergebnis zu erzielen, und es können auch andere Einstel­ lungen verwendet werden, um andere Arten von elektrischen Bauteilen herzustellen.

Die Fig. 5a, b und c zeigen die zweite Verbundschicht, die unter Verwendung der Ferritplatte 44 gebildet wird. Der ein­ zelne Chip beinhalten eine zweite Ferritschicht 44, die in ihrem Zentrum eine Öffnung 46 hat, die zu der oben genannten Zentrumsfläche 42 der ersten Leiterspule 40 fluchtet. Eine zweite leitende Schicht 48 wird auf die Ferritschicht 44 auf­ gedruckt, und das gewünschte Bild wird mittels einer Maske erzeugt, die ähnlich ist zu der, die in Fig. 2a gezeigt ist. Die spezielle Form der Maske ist jedoch so, daß das zweite Leiterspulenmuster 50 erzeugt wird, das in Fig. 5c gezeigt ist. Das Spulenmuster 50 beinhaltet eine zweite Zentrumsflä­ che 51, die zu der Öffnung 46 vertikal fluchtet, und eine zweite Endfläche 52. Das leitende Material an der Zentrums­ fläche 51 ragt nach unten durch die Öffnung 46, so daß eine elektrische Verbindung mit der Zentrumsfläche 42 der Spule 40 hergestellt wird. Hierdurch werden die Spulen 40 und 50 elek­ trisch in Reihe miteinander verbunden.

Die Fig. 6a bis 6c zeigen eine dritte Verbundschicht, die eine dritte Ferritschicht 53 aufweist, in der sich ein An­ schlußloch 54 befindet; eine dritte leitende Schicht 56 und eine dritte Leiterspule 58, die durch ein fokussiertes Laser­ bild auf ähnliche Art und Weise, wie die Spulen 40 und 50, gebildet wird. Durch die Öffnung 54 kann die dritte Endfläche 52 der Spule 58 mit der Endfläche 52 der Spule 50 verbunden werden, wodurch die Spulen 40, 50 und 58 in Reihe geschaltet sind. Die Spule 58 weist eine Zentrumsfläche 60 auf.

Die Fig. 7a bis 7c zeigen eine vierte Verbundschicht, die eine vierte Ferritschicht 64 mit einer Öffnung 66 darin hat; eine aufgedruckte leitende Schicht 68, die eine Endfläche 74 hat; und eine vierte Leiterspule 70, die eine Zentrumsfläche 72 hat. Die Spule 70 wird durch ein fokussiertes Laserbild auf ähnliche Art und Weise wie die Spulen 40, 50 und 58 ge­ bildet. Die Zentrumsfläche 72 ragt durch die Öffnung 66, um einen elektrischen Kontakt zu der Zentrumsfläche 60 der drit­ ten Leiterspule 58 herzustellen. Hierdurch werden alle vier Spulen 40, 50, 58 und 70 in Reihe miteinander verbunden.

Eine Schlußschicht 76 aus Ferrit wird auf das Schichtbauteil aufgebracht, so daß der in Fig. 9 gezeigte Aufbau entsteht.

Der in Fig. 9 gezeigte Chip 78 ist einer der Chips, die durch Schneiden entlang der gestrichelten Linien 30 des Stapels von Platten 23 bis 27 in Fig. 3 gebildet werden. Die Ferrit­ schichten 34, 44, 53, 64 und 76 werden aus den Platten 27, 26, 25, 24 bzw. 23 der Fig. 3 gebildet. Die Platten 23 bis 27 werden einzeln hergestellt und dann aufeinander gestapelt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Im einzelnen sieht das erfindungs­ gemäße Verfahren vor, daß jede Schicht 23 bis 27 einzeln mit den leitenden Schichten 36, 48, 56 und 68 bedruckt wird. Die aufgedruckten Leiter läßt man dann trocknen. Als nächstes werden die aufgedruckten Leiter den Bildern des Lasersystems 10 ausgesetzt. Jede Platte 23 bis 27 wird einzeln belichtet, aber jede Platte weist eine Vielzahl von identischen Unter­ teilen auf. Nachdem die Platten 23 bis 27 mit dem Bild für die Erzeugung der Spulen 40, 50, 58 und 70 belichtet wurden, werden die Platten 23 bis 27 aufeinander gestapelt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, und zusammengepreßt. Während der Pressung werden sie gebrannt, so daß sie sich zu einer Einheit verbin­ den.

Nach dem Brennen werden die aufgeschichteten Platten 23 bis 27 mit einer Diamantsäge entlang der Linien 30 geschnitten, um einzelne Stapelchips wie den Chip 78 zu bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, daß die Chips stärker miniaturisiert sind als bekannte Chips. Durch die Miniaturisierung der Chips kann mehr als eine vollstän­ dige Windung der Spule auf jeder Schicht aufgebracht werden, wogegen es bei den bekannten Chips notwendig war, weniger als eine vollständige Windung auf jede Schicht aufzubringen. Die Spulen des erfindungsgemäßen Bauteils können so stark minia­ turisiert werden, daß die Leiter eine Breite von ungefähr 0,127 mm haben und der Abstand innerhalb der Spule auch unge­ fähr 0,127 mm beträgt. So viele Schichten wie nötig können in dem Chip vorgesehen werden, oder der Chip kann nur aus einer Spule und einer Schicht bestehen. Durch die Verkleine­ rung des Laserbilds ist es möglich, den Laserschnitt sehr viel kleiner als beim Siebdruck zu machen, und die entspre­ chenden Induktivitätswerte viel größer, als es bis jetzt mög­ lich war, zu machen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bau­ teils (78) unter Verwendung von Laserstrahlen, wobei das elektrische Bauteil einen Trägerkörper (34) mit einer daran befindlichen Trägerfläche und ein elektrisch leitendes Ele­ ment (40) aufweist, das auf der Trägerfläche des Trägerkör­ pers (34) angeordnet ist und eine vorbestimmte Form hat, und wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, daß das elek­ trisch leitende Element (40) dadurch hergestellt wird, daß eine feste Schicht (36) aus einem leitenden Material auf die Trägerfläche aufgedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Laserlichtimpuls ein Negativbild der vorbe­ stimmten Form erzeugt und alle Teile der festen Schicht bis auf die vorbestimmte Form wegbrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Form des elektrischen Elements einer spiralförmigen Spule entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Trägerkörper ein Ferritmaterial (34) ver­ wendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Element dadurch hergestellt wird, daß der Laserlichtimpuls durch eine Maske (15) geleitet wird, die eine Schablonenöffnung in Form des Negativbilds hat, und dann durch eine Linse geleitet wird, durch die das Negativbild auf das leitende Material proji­ ziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserlichtimpuls eine Dauer zwischen 0,5 und 2,0 ms hat.