EP1022750A1 - Discrete electronic inductive component, and method of manufacture of such components - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un composant électronique discret de type inductif et un procédé de réalisation de tels composants utilisés dans des techniques de montage en surface (SMD), notamment des bobines d'inductance ou des transformateurs.The invention relates to a discrete electronic component of the inductive type. and a method of making such components used in techniques surface mounting (SMD), including inductors or transformers.
La réalisation de composants électroniques pour le montage en surface est bien connu, notamment pour la réalisation de résistances ou de capacités, mais ceci pose des problèmes pour la réalisation en série de bobines d'inductance ou de transformateurs aux dimensions millimétriques, du fait qu'ils sont actuellement réalisés séparément les uns des autres.The production of electronic components for surface mounting is well known, in particular for the realization of resistances or capacities, but this poses problems for the serial production of coils inductance or transformers with millimeter dimensions, due that they are currently made separately from each other.
Dans beaucoup d'applications électroniques, on a besoin de composants électroniques de type inductif en tant qu'interface, par exemple, entre des niveaux de tension fournis par une source d'alimentation et des tensions d'entrée de circuits intégrés. Ces éléments inductifs servent notamment à aplanir des ondulations sur des signaux. Souvent les valeurs d'inductance ont besoin d'être élevées, de l'ordre des mH. Habituellement, la réalisation de tels éléments inductifs ne pose aucun problème si on utilise des noyaux magnétiques de ferrite avec des enroulements électriques aux dimensions de l'ordre du centimètre. Cependant, lorsque la taille des composants doit être réduite, il y a de sérieuses contraintes sur la technologie à utiliser pour les réaliser à des valeurs d'inductance élevées.In many electronic applications, we need inductive type electronic components as an interface, for example, between voltage levels provided by a power source and integrated circuit input voltages. These inductive elements serve including flattening ripples on signals. Often the values of inductance need to be high, of the order of mH. Usually the realization of such inductive elements poses no problem if one uses magnetic ferrite cores with electric windings dimensions of the order of a centimeter. However, when the size of components must be reduced, there are serious constraints on the technology to be used to achieve them at high inductance values.
On connaít des bobines du type SMD proposées par Coilcraft à Cary, Illinois, Etats-Unis, c'est-à-dire des bobines pouvant être montées sur des plages métalliques réalisées sur des structures hybrides notamment en céramique. Ces bobines sont composées d'un noyau magnétique sur lequel un fil métallique est enroulé autour de la partie centrale et dont les extrémités sont connectées chacune sur une plage métallique de parties d'extrémité de part et d'autre de la partie centrale. Les plages métalliques peuvent servir de contact avec des plages métalliques correspondantes réalisées sur une structure hybride comprenant des pistes de connexion à différents composants électroniques. La valeur de ces bobines est au maximum de 10 µH pour des dimensions de 3 mm x 3 mm x 2.5 mm. On comprend qu'elles sont réalisées les unes après les autres du fait qu'il est nécessaire d'enrouler un fil autour de chaque circuit magnétique de manière indépendante, ce qui requiert du temps en fabrication et un coût élevé. We know coils of the SMD type proposed by Coilcraft in Cary, Illinois, USA, i.e. coils that can be mounted on metallic areas produced on hybrid structures, in particular in ceramic. These coils are composed of a magnetic core on which a metal wire is wrapped around the central part and whose ends are each connected on a metal range of end portions of on either side of the central part. The metal pads can serve as contact with corresponding metal areas made on a hybrid structure including connection tracks to different electronic components. The value of these coils is a maximum of 10 µH for dimensions of 3 mm x 3 mm x 2.5 mm. We understand that they are carried out one after the other because it is necessary to wrap a wire around each magnetic circuit so independent, which requires time in manufacturing and a high cost.
Le brevet américain US 5,463,365 décrit une bobine qui comprend un noyau magnétique et une partie d'enroulement formée d'une pluralité de feuilles laminées comprenant des enroulements disposés en spirale autour du noyau de façon à être coaxiaux. La connexion entre les enroulements se trouvant sur des feuilles superposées se fait par l'intermédiaire de trous métallisés bien connus de l'homme du métier. Cette façon de faire permet d'empiler un certain nombre de feuilles ou de couches, notamment des feuilles en résine de polyimide, dépendant du nombre de tours de fils métalliques souhaités pour la conception de la bobine.American patent US 5,463,365 describes a coil which includes a magnetic core and a winding part formed of a plurality of laminated sheets comprising windings arranged in a spiral around the nucleus so as to be coaxial. The connection between the windings is finding on superimposed sheets is done through holes metallized well known to those skilled in the art. This way of doing things stack a number of sheets or layers, including sheets made of polyimide resin, depending on the number of turns of metal wires desired for the coil design.
La fabrication de ces bobines préconisée dans ce brevet américain est compliquée car, pour obtenir un composant du type SMD pouvant être monté sur une structure hybride, les formes d'exécution données présentent, en plus de l'agencement d'un noyau magnétique avec son empilage d'enroulement, toute une infrastructure avec un couvercle des deux côtés du circuit magnétique et plusieurs bornes de sorties dont toutes ne sont pas utilisées si le composant ne comprend qu'un enroulement. La forme dudit composant peut s'apparenter à celui d'un composant avec un boítier plastique d'encapsulation, ce qui ne convient pas pour de très petites dimensions. De plus, le montage de ce composant est effectué pièce à pièce.The manufacture of these coils recommended in this American patent is complicated because, to obtain a component of the SMD type which can be mounted on a hybrid structure, the given embodiments present, in addition the arrangement of a magnetic core with its winding stack, a whole infrastructure with a cover on both sides of the circuit magnetic and several output terminals, all of which are not used if the component only includes one winding. The shape of said component can be compared to that of a component with a plastic case encapsulation, which is not suitable for very small dimensions. Of more, the assembly of this component is performed piece by piece.
Dans le brevet américain US 5,760,671, il est décrit un transformateur présentant deux chemins de flux magnétique définis par un circuit magnétique en ferrite ayant la forme d'un huit, ce transformateur comprenant une plaquette formée de couches empilées avec des circuits imprimés définissant les enroulements du primaire et du secondaire de ce transformateur. La plaquette présente une ouverture pour le bras central du circuit magnétique qui est entouré par les enroulements. Ces enroulements sont surélevés de la base du circuit magnétique par des marches disposées dans des coins des deux ouvertures définies par le circuit magnétique.In the US patent US 5,760,671, a transformer is described. having two magnetic flux paths defined by a magnetic circuit in ferrite having the shape of an eight, this transformer comprising a wafer formed of stacked layers with printed circuits defining the primary and secondary windings of this transformer. The plate has an opening for the central arm of the magnetic circuit which is surrounded by the windings. These windings are raised from the base of the magnetic circuit by steps arranged in corners of two openings defined by the magnetic circuit.
Ce transformateur est utilisé pour des tensions allant jusqu'à 400 V pour des dimensions dépassant le centimètre. A ces dimensions, la fabrication de tels composants ne pose pas de problème particulier, mais ne peut pas être utilisé comme composant du type SMD. L'assemblage de la plaquette avec le circuit magnétique en deux parties se fait pièce à pièce, ainsi que le collage des deux parties du circuit magnétique.This transformer is used for voltages up to 400 V for dimensions exceeding one centimeter. At these dimensions, the manufacturing such components pose no particular problem, but cannot be used as a SMD type component. The assembly of the wafer with the magnetic circuit in two parts is done piece by piece, as well as the bonding of the two parts of the magnetic circuit.
L'invention se propose de pallier les inconvénients de l'art antérieur pour ce qui concerne la fabrication de composants inductifs en particulier aux dimensions millimétriques. The invention proposes to overcome the drawbacks of the prior art with regard to the manufacture of inductive components, in particular millimeter dimensions.
L'invention se propose notamment d'apporter un procédé pour réaliser une pluralité de bobines d'inductance ou de transformateurs en lot de façon à éviter un montage pièce à pièce difficile des différentes parties constituant chaque bobine ou chaque transformateur à ces dimensions millimétriques. A cet effet, chaque partie identique ou équivalente d'un lot de composants inductifs est fabriquée dans ou sur un même substrat de façon à avoir une pluralité de parties identiques ou équivalentes reliées les unes aux autres par des éléments de liaison usinés dans le substrat ou par un support solidaire de ce substrat, avant d'être séparées une fois le montage des différentes parties terminées. Par ce procédé, on gagne du temps de fabrication et on facilite grandement la manipulation des différentes parties, ce qui diminue le prix de revient.The invention proposes in particular to provide a method for producing a plurality of inductors or transformers in batch so as to avoid difficult part-by-part mounting of the various constituent parts each coil or each transformer to these millimeter dimensions. AT this effect, each identical or equivalent part of a batch of components inductive is manufactured in or on the same substrate so as to have a plurality of identical or equivalent parts connected to each other by connecting elements machined in the substrate or by a support integral with this substrate, before being separated once the assembly of the different games ended. By this process, we save manufacturing time and we greatly facilitates the handling of the different parts, which reduces the cost price.
Dans le cadre de la réalisation de la présente invention, il a été constaté qu'il est possible d'obtenir des valeurs d'inductance élevées, de l'ordre du mH, aux dimensions millimétriques tout en diminuant le courant traversant l'enroulement.In the context of carrying out the present invention, it has been found that it is possible to obtain high inductance values, the order of mH, to millimeter dimensions while decreasing the current crossing the winding.
Le procédé de fabrication de composants électroniques de type inductif, objet de l'invention, et un tel composant susceptible d'être obtenu par ce procédé de fabrication, également objet de l'invention, sont définis précisément dans les revendications ci-jointes.The method of manufacturing electronic components of the type inductive, object of the invention, and such a component capable of being obtained by this manufacturing process, also subject of the invention, are defined specifically in the appended claims.
D'autres avantages et caractéristiques particulières de la présente invention seront décrits à l'aide de la description suivante faite en référence aux dessins annexés, donnés titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels :
- la figure 1 représente un des substrats ayant subi un micro-usinage selon le procédé de l'invention avec des parties de circuit magnétique identiques et reliées les unes aux autres,
- la figure 2 représente un usinage par électro-érosion d'un substrat selon un mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention,
- la figure 3 représente une plaquette multicouche de circuits imprimés avec plusieurs enroulements métalliques,
- la figure 4 représente une première partie de circuit magnétique avec un enroulement métallique sur une plaquette de circuits imprimés insérée entre les bras du circuit magnétique,
- la figure 5 représente une bobine d'inductance obtenue selon le procédé objet de l'invention.
- FIG. 1 represents one of the substrates having undergone a micro-machining according to the method of the invention with identical magnetic circuit parts and connected to each other,
- FIG. 2 represents machining by electro-erosion of a substrate according to an embodiment of the method which is the subject of the invention,
- FIG. 3 represents a multilayer plate of printed circuits with several metal windings,
- FIG. 4 represents a first part of the magnetic circuit with a metal winding on a printed circuit board inserted between the arms of the magnetic circuit,
- FIG. 5 represents an inductor obtained according to the method which is the subject of the invention.
La réalisation de bobines d'inductance ou de transformateurs aux dimensions millimétriques posent certains problèmes lors de la manipulation des éléments à assembler, notamment des circuits magnétiques en ferrite. Afin de pallier à ces difficultés, le procédé selon l'invention propose de réaliser ces composants inductifs en lot (dénommé « batch-processing » en anglais), en prévoyant trois étapes principales de montage des parties de circuits magnétiques avec leurs enroulements métalliques.The production of inductors or transformers at millimeter dimensions pose certain problems when handling elements to be assembled, in particular magnetic ferrite circuits. In order to overcome these difficulties, the method according to the invention proposes to carry out these inductive components in batch (called “batch-processing” in English), by providing three main stages for mounting the circuit parts magnetic with their metallic windings.
Tout d'abord, une première étape consiste à pratiquer un micro-usinage
sur un substrat plat, de 1 mm d'épaisseur et 10 x 10 cm2 de
surface par exemple, en matériau magnétique tel que de la ferrite, pour
obtenir une pluralité de premières parties de circuit magnétique 1 qui sont
identiques et reliées les unes aux autres par des éléments de liaison 2 (voir la
figure 1). Chaque première partie de circuit magnétique est constituée d'une
base 9 et de trois bras 8a, 8b et 8c s'élevant de cette base. Le bras central
8b a une largeur double de celle de chacun des bras 8a et 8c se trouvant aux
extrémités de la base 9. Ce premier substrat a été posé et maintenu sur un
support de travail, notamment du type de ceux utilisés lors du sciage de
plaquettes de circuits intégrés. Toutes les premières parties sont donc
maintenues avec un espacement constant du fait qu'elles sont reliées par les
éléments de liaison 2 qui sont de la même matière que les premières parties
de circuit magnétique dans la variante de la figure 1. Dans une autre variante,
les premières parties sont solidaires du support de travail qui a alors la
fonction de relier matériellement les premières parties.First, a first step is to practice micro-machining
on a flat substrate, 1 mm thick and 10 x 10 cm2
surface for example, of magnetic material such as ferrite, for
obtaining a plurality of first parts of
On peut prévoir de réaliser un millier de circuits magnétiques simultanément selon le procédé objet de l'invention pour un même substrat magnétique initial.We can plan to build a thousand magnetic circuits simultaneously according to the process which is the subject of the invention for the same substrate initial magnetic.
Une fois la première étape terminée, on vient insérer une plaque
multicouche imprimée 5, visible à la figure 3, de manière que les bras 8a, 8b et
8c soient insérés dans des ouvertures 6a, 6b et 6c pratiquées dans cette
plaque en nombre correspondant au nombre de bras que compte le premier
substrat usiné. La plaque 5 comprend une pluralité d'enroulements 12
constitués chacun d'au moins une piste métallique enroulée en forme de
spirale sur une couche ou feuille que compte cette plaque. Un enroulement 12
peut comprendre un ensemble de pistes métalliques reliées d'une couche à
l'autre par la technique de trous conducteurs 11 (par exemple avec du
cuivre) bien connue de l'homme du métier. Chaque enroulement 12 se termine
par deux plages de contact électrique 7a et 7b, hors de la projection du
circuit magnétique dans le plan général de la plaquette, destinées à servir une
fois le composant réalisé à la connexion de celui-ci avec des plages
correspondantes d'une structure hybride, selon la technique de montage de
composants du type SMD. On prévoit de préférence que l'ensemble des
plages de contact électrique soient situées sur une même couche de la plaque
en utilisant, le cas échéant, ladite technique de trous conducteurs.Once the first step is completed, we just insert a plate
printed
La plaque imprimée 5 est constituée de couches ou de feuilles en résine
de polyimide. Des parties ajourées peuvent être prévues autour des
enroulements afin de faciliter la séparation des composants terminés, comme
représenté à la figure 3. On notera que deux enroulements peuvent être
prévus coaxiaux sur une même couche. De plus, il est possible de prévoir des
pistes métalliques des deux côtés d'une même couche. Dans ce dernier cas,
on veillera à assurer l'isolation électrique nécessaire s'il y a plusieurs couches
imprimées.The printed
Dans le cas d'une bobine d'inductance telle que représentée à la figure
5, la première partie 1 est associée à un seul enroulement avec deux pistes
métalliques agencées respectivement des deux côtés de la plaquette 4, cet
enroulement se terminant par deux plages de contact 7a et 7b.In the case of an inductor as shown in the figure
5, the
Dans le cas d'un transformateur, le circuit magnétique comprend deux
enroulements avec chacun au moins deux plages de contact. Il est prévu de
préférence que les plages de contact de ces deux enroulements soient situées
sur une même couche externe de la plaque 5. Si l'enroulement secondaire du
transformateur comprend plus de deux plages de contact, on peut disposer
d'un rapport de tension variable entre le primaire et le secondaire.In the case of a transformer, the magnetic circuit includes two
windings with each at least two contact pads. It is planned to
preferably that the contact pads of these two windings are located
on the same outer layer of
La troisième étape du procédé consiste à venir fixer, notamment par
collage, un second substrat d'un matériau magnétique, tel que de la ferrite,
sur le premier substrat. Le second substrat est micro-usiné de façon à
réaliser une pluralité de secondes parties 13 de circuit magnétique
correspondant aux premières parties 1 de circuit magnétique et reliées les
unes aux autres par des éléments de liaison du même matériau, de manière
similaire à ce qui est représenté à la figure 1. Chaque seconde partie 13 vient
fermer chaque première partie 1 de circuit magnétique avec la plaque
imprimée 5 insérée entre la base 9 de la première partie 1 et la seconde
partie 13 correspondante qui définit également au moins une base.The third step of the process consists in coming to fix, in particular by
bonding, a second substrate of a magnetic material, such as ferrite,
on the first substrate. The second substrate is micro-machined so that
realize a plurality of
La forme des deuxièmes parties de circuit magnétique peut être équivalente à la forme des premières parties de circuit magnétique, les extrémités libres des bras des première et deuxième parties étant situées les unes en face des autres. The shape of the second parts of the magnetic circuit can be equivalent to the shape of the first parts of the magnetic circuit, the free ends of the arms of the first and second parts being located the one in front of the other.
Les deuxièmes parties 13 de circuit magnétique peuvent ne consister
qu'en une traverse formant une base se posant simplement sur les bras de la
première partie et les recouvrant entièrement sans dépassement de façon
qu'une fois les deux parties reliées, le circuit magnétique résultant présente la
forme générale d'un huit. Cette configuration est utilisée dans le cas où la
plaque 5 comprend par exemple deux couches pour un unique enroulement 12
définissant une bobine d'inductance comme représentée à la figure 5. Si, par
contre, l'épaisseur de la plaque multicouche devait être plus grande que la
hauteur des bras de la première partie du circuit magnétique, notamment au
cas où elle comprend quatre couches ou plus pour un transformateur, il est
prévu de préférence d'employer des deuxièmes parties équivalentes aux
premières parties pour pouvoir fermer le circuit magnétique.The
Une fois que ces trois étapes importantes sont terminées, il est
possible de séparer les composants par un usinage ou un découpage
approprié. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention,
il est prévu de disposer les plages de contact électrique d'un composant sur
au moins une languette formée dans la plaque 5 lors de cet usinage ou
découpage si cela n'a pas déjà été effectué dans une étape préliminaire ou
lors de la formation de la plaque multicouche 5. Ainsi, une languette peut avoir
une ou plusieurs plages de contact. Par la suite, en référence à la figure 4, on
replie les languettes 16 et 18 présentant les plages de contact électrique 7a
et 7b sur le dos du circuit magnétique, notamment sur la base 9 de sa
première partie 1, et on les colle sur cette base. La figure 4 montre par des
flèches le sens du pliage des languettes 16 et 18 avec, à leurs extrémités,
lesdites plages 7a et 7b. Ces plages sont destinées à être soudées
notamment sur des plages de contact électrique prévues sur une structure
hybride pour la connexion de la bobine d'inductance ou du transformateur
avec d'autres composants de la structure hybride.Once these three important steps are completed, it is
possible to separate components by machining or cutting
appropriate. According to a preferred embodiment of the process of the invention,
it is planned to have the electrical contact pads of a component on
at least one tab formed in the
On notera que l'on peut dans une variante avantageuse replier les
languettes 16 et 18 avec leurs plages respectives avant la séparation des
composants, pour autant que la plaque 5 soit ajourée ou découpée autour
des languettes 16 et 18.Note that it is possible, in an advantageous variant, to fold the
Comme on peut le voir aux figures 4 et 5, la plaquette 4 découpée de
la plaque 5 a des portions s'étendant au delà de la largeur du circuit
magnétique. Ces portions peuvent être également repliées en direction de la
base du circuit magnétique et collées avec isolement contre les bras et la
base du circuit. Ceci permet de gagner de la place. As can be seen in Figures 4 and 5, the
Lors du collage de la deuxième partie avec la première partie de circuit
magnétique, il est possible que la colle englobe au moins en partie la plaquette
multicouche 4.When gluing the second part with the first part of the circuit
magnetic, it is possible that the glue at least partially covers the
Le micro-usinage pour la réalisation des première et deuxième parties
de circuit magnétique peut consister de préférence en un usinage par électro-érosion
comme représenté schématiquement à la figure 2. On utilise une
électrode 3 à motifs en relief pour réaliser une pluralité de parties de circuit
magnétique identiques définies par l'électrode. L'électrode pourrait dans
certains cas comprendre des zones à motifs différents pour réaliser des
parties de circuit magnétique différentes d'une zone à l'autre sur un même
substrat.Micro-machining for the production of the first and second parts
of magnetic circuit can preferably consist of machining by electro-erosion
as shown schematically in Figure 2. We use a
Le micro-usinage pour la réalisation des première et deuxième parties de circuit magnétique peut aussi utiliser une technique avec jet de sable.Micro-machining for the production of the first and second parts circuit can also use a sandblasting technique.
Le micro-usinage pour la réalisation des première et deuxième parties de circuit magnétique et pour la séparation des composants peut utiliser un laser, en particulier pour les étapes de découpage.Micro-machining for the production of the first and second parts of magnetic circuit and for the separation of components can use a laser, in particular for the cutting steps.
Les dimensions du composant de type inductif peuvent avoir
notamment une largeur I entre 0.5 mm et 1 mm et une longueur L entre
1.4 mm et 2.8 mm pour une hauteur h de 1 mm à 1.5 mm. Chaque bras
s'élève par exemple d'environ 0.2 mm au-dessus de la base 9. Le bras
central a une largeur double de la largeur des deux bras situés aux
extrémités de la base et sa valeur est par exemple d'environ 0.4 mm. Dans
ces dimensions, on peut placer une plaquette multicouche de circuits imprimés
comprenant un ou deux enroulements, par exemple un enroulement avec un
nombre N de spires égal à 56 ou 18. Dans le cas où N = 56, la valeur de
l'inductance est d'environ 1 mH, alors que pour N = 18, la valeur de
l'inductance est d'environ 0.1 mH.The dimensions of the inductive type component can have
in particular a width I between 0.5 mm and 1 mm and a length L between
1.4 mm and 2.8 mm for a height h from 1 mm to 1.5 mm. Each arm
rises for example about 0.2 mm above the
Les pistes métalliques de la plaquette 4 sont obtenues notamment à
l'aide d'un procédé de gravure au plasma de 10 à 15 µm de profondeur. Elles
ont par exemple 50 µm de large. L'écart entre deux pistes (dénommé
« pitch » en anglais) d'un même enroulement est de 14 µm pour une
inductance de valeur 1 mH et 44 µm pour une inductance de 0.1 mH. Les
trous métallisés ont environ 100 µm de large.The metal tracks of the
La fabrication de tous ces enroulements sur la plaque multicouche 5
est connue de l'homme du métier.The manufacture of all these windings on the
D'autres formes du circuit magnétique fermé peuvent être envisagées. Au lieu de trois bras, le circuit magnétique peut n'en comporter que deux. Dans ces conditions, il est nécessaire que les deux bases soient chacune d'une épaisseur double à celle de la forme en huit; ce qui engendre des composants de plus grande hauteur. On peut utiliser le procédé selon l'invention aussi pour fabriquer des bobines avec un noyau. Dans ce dernier cas, il n'y a plus qu'un seul bras par composant.Other forms of the closed magnetic circuit can be envisaged. Instead of three arms, the magnetic circuit can have only two. Under these conditions, it is necessary that the two bases are each of a double the thickness of the figure eight shape; which generates components of greater height. The process according to the invention can also be used for make coils with a core. In the latter case, there is only one only one arm per component.
Les composants inductifs pour un montage en surface trouvent des applications notamment dans le domaine des télécommunications, de l'aide aux malentendants, ainsi que pour d'autres dispositifs portables.Inductive components for surface mounting find applications especially in the field of telecommunications, aid for the hearing impaired, as well as for other portable devices.
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