EP1155423B1

EP1155423B1 - Flacher magnetkern

Info

Publication number: EP1155423B1
Application number: EP00910511A
Authority: EP
Inventors: Harald Hundt; Johannes Beichler
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: DE19907542C2; EP1155423A1; DE19907542A1; DE50013663D1; US6580348B1; TW493105B; WO2000051146A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement geringer Bauhöhe für Leiterplatten mit einem von wenigstens einer Schicht aus einem weichmagnetischen Material gebildeten Magnetbereich.
Ein derartiges Bauelement ist aus der US-A-5,529,831 bekannt. Das bekannte Bauelement wird dadurch hergestellt, daß Isolierschichten, Leiterschichten und eine magnetische Schicht auf das Substrat aufgebracht werden. Um diese Schichten aufzubringen, wird ein herkömmliches Sputterverfahren verwendet.
Ein Nachteil eines derartigen Bauelements ist, daß es sich nur mit Hilfe eines aufwendigen Dünnschichtverfahrens herstellen läßt. Außerdem lassen sich verfahrensbedingt nur geringe Schichtdicken im Bereich weniger µm herstellen. Dementsprechend klein sind die Querschnitte der mit Hilfe dieser Verfahren hergestellten Magnetbereiche. Ein weiterer Nachteil ist, daß bei einem derartigen Bauelement auch die Wicklungen mit Hilfe eines aufwendigen Dünnschichtverfahrens hergestellt werden müssen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein auf einfache Weise herstellbares Bauelement hoher Induktivität zur Verwendung auf Leiterplatten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnetbereich von wenigstens einer weichmagnetischen Folie gebildet ist. Die Oberflächenrauhigkeit jeder Folie ist wenigstens gleich der Skineindringtiefe bei der Einsatzfrequenz.
Magnetfolien lassen sich typischerweise mit Dicken im Bereich von 10 bis 25 µm herstellen. Aufeinandergestapelt ergeben sich somit im Vergleich zu in Dünnschichtverfahren hergestellten Magnetbereichen wesentlich größere Querschnitte des Magnetbereichs. Folglich ist die Induktivität eines mit einem derartigen Magnetbereich ausgestatteten Bauelements verhältnismäßig hoch. Dennoch weist das Bauelement gemäß der Erfindung eine geringe Bauhöhe auf und eignet sich insofern auch für die SMD-Technik. Daß die Oberflächenrauhigkeit jeder Folie wenigstens gleich der Skineindringtiefe bei der Einsatzfrequenz ist, ist besonders für Hochfrequenzanwendungen günstig.
Weitere Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1A bis 1C: verschiedene_Ausführungsformen von Magnetfolien, die für die Verwendung in einem Magnetbereich eines Bauelements in Frage kommen;
Figur 2: eine perspektivische Ansicht einer Reihe von aufeinander gestapelten Magnetfolien;
Figur 3: eine Reihe von aufeinander gestapelten Magnetfolien, die mit einem Spalt versehen sind;
Figur 4: eine Explosionsansicht eines aus Magnetfolien mit versetztem Spalt gebildeten Magnetbereichs;
Figur 5: eine Querschnittsansicht eines in einen Kunststofftrog eingebetteten Stapels von Magnetfolien;
Figur 6: eine Querschnittsansicht durch einen von einer Polymerschicht umgebenen Stapel von Magnetfolien;
Figur 7: eine Darstellung, die die Definition der Oberflächenrauhigkeit verdeutlicht;
Figur 8: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wirbelströme bei einem glatten Band;
Figur 9: eine schematische Darstellung des Verlaufs der Wirbels-tröme bei rauhem Band; und
Figur 10: ein Diagramm mit dem Frequenzgang von Bauelementen aus glatten und rauhen Magnetfolien.

In Figur 1A bis 1C sind verschiedene Ausführungsformen einer Magnetfolie 1 dargestellt. Die in Figur 1A dargestellte Magnetfolie 1 weist eine kreisförmige Ringgestalt auf. Demgegenüber weisen die Magnetfolien 1 aus Figur 1B und 1C eine ringförmige Gestalt mit rechteckigen Konturen auf. Die Magnetfolien 1 sind zweckmäßigerweise aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung hergestellt. Amorphe Legierungen auf Eisenbasis sind beispielsweise aus der US-A-4,144,058 bekannt. Amorphe Legierungen auf Kobaltbasis gehen beispielsweise aus der EP-A-0 021 101 hervor. Nanokristalline Legierungen sind schließlich in der EP-A-0 271 657 beschrieben. Aus den genannten Materialien lassen sich dünne Folien mit einer typischen Dicke von 10 bis 25 µm, fallweise auch mit geringeren oder größeren Dicken herstellen. Aus den dünnen Folien lassen sich dann die ringförmigen Magnetfolien 1 ausstanzen.
Die aufeinander gestapelten Magnetfolien 1 ergeben, wie in Figur 2 dargestellt, einen Ringkern 3, wobei in Figur 2 die Dicke der Magnetfolien 1 im Vergleich zum Durchmesser überhöht dargestellt ist, da der Durchmesser der Magnetfolien 1 im Bereich weniger Millimeter liegt, während die Dicke der Magnetfolien 1 im Bereich von 10 µm liegen.
Um die Festigkeit des Ringkerns 3 zu erhöhen, können die Magnetfolien 1 untereinander verklebt sein. Für Hochfrequenzanwendungen ist es zur Dämpfung von Wirbelströmen außerdem zweckmäßig, die Magnetfolien 1 einseitig oder beidseitig durch das Aufbringen einer Isolierschicht elektrisch voneinander zu isolieren. Die Klebstoffschicht kann dabei die Aufgabe einer Isolierschicht übernehmen.
Um die magnetischen Eigenschaften des Ringkerns 3 einzustellen, ist in den in Figur 3 dargestellten Ringkern 3 ein Schlitz 4 eingebracht, durch den die Hystereseschleife geschert ist. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schlitz 4 nach dem Aufeinanderstapeln der Magnetfolien 1 und dem Verkleben der Magnetfolien 1 nachträglich eingebracht worden.
Bei dem in Figur 4 dargestelltem Ausführungsbeispiel werden jedoch die Magnetfolien 1 zunächst einzeln mit dem Schlitz 4 versehen und anschließend aufeinandergestapelt und untereinander verklebt. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3 ist die Herstellung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels aufwendiger, aber dafür weist der Ringkern 3 aus Figur 4 eine höhere mechanische Festigkeit auf.
Um den Ringkern 3 vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, ist gemäß Figur 5 vorgesehen, den Ringkern 3 in einen aus Kunststoff gefertigten Trog 5 einzubringen. Der Trog 5 kann dann durch ein Innenloch 5' hindurch mit einer Wicklung umwickelt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß der von den Magnetfolien 1 gebildete Ringkern 3 beim Wickeln beschädigt wird.
Außerdem besteht die Möglichkeit, den Ringkern 3 mit einer Polymerschicht 6 zu umgeben. Bei dieser Polymerschicht 6 handelt es sich zweckmäßigerweise um eine aus der gasförmigen Phase abgeschiedene Polymerschicht, beispielsweise ein Polyparaxylylen. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß das gasförmige Polymermaterial auch in feinste Ritzen eindringt und daß auf diese Weise die Magnetfolien 1 auch untereinander mechanisch verbunden werden, ohne daß die Magnetfolien 1 mechanisch belastet werden. Denn eine mechanische Belastung kann aufgrund der Magnetostriktion die magnetischen Eigenschaften der Magnetfolie 1 zum Nachteil verändern.
Für Hochfrequenzanwendungen ist es ferner günstig, wenn die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolien 1 in etwa gleich der Skineindringtiefe δ_skin bei den Einsatzfrequenzen ist.
Die Definition der Rauhtiefe sei nachfolgend anhand Figur 7 erläutert. Dabei liegt die X-Achse parallel zur Oberfläche eines Körpers, dessen Oberflächenrauhigkeit R_A zu bestimmen ist. Die Y-Achse ist dagegen parallel zur Flächennormale der zu vermessenden Oberfläche. Die Oberflächenrauhigkeit R_A entspricht dann der Höhe eines Rechtecks 7, dessen Länge gleich einer Gesamtmeßstrecke l_m und das flächengleich mit der Summe der zwischen einem Rauheitsprofil 8 und einer mittleren Linie 9 eingeschlossenen Flächen 10 ist. Die auf die Dicke der Magnetfolie 1 bezogene, beidseitige Oberflächenrauhigkeit R_{A rel} ergibt sich dann gemäß der Formel $R_{A rel} = (R_{A Oberseite} + R_{A Unterseite}) / d,$

wobei d die Dicke der Magnetfolie 1 ist.
Die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolien 1 wirkt sich auf die Länge der für die Wirbelströme maßgeblichen Strompfade aus. Wenn die Skineindringtiefe δ_skin bei den Einsatzfrequenzen kleiner als die halbe Foliendicke ist, so sind die in der Magnetfolie 1 fließenden Ströme hauptsächlich auf eine Randschicht der Magnetfolie 1 von der Dicke der Skineindringtiefe δ_skin beschränkt. Wenn nun die Oberflächenrauhigkeit R_A der Magnetfolie 1 im Bereich der Skineindringtiefe δ_skin liegt, müssen die Wirbelströme der durch die Oberflächenrauhigkeit R_A modulierten Oberfläche folgen, was zu verlängerten Strompfaden und damit zu einem scheinbar erhöhten spezifischen Widerstand führt. Daraus ergibt sich aber auch eine erhöhte Wirbelstromgrenzfrequenz.
Diese Verhältnisse sind in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht. Die in einer äußeren Wicklung fließenden Wicklungsströme 11 rufen in der Magnetfolie 1 in einem Oberflächenbereich von der Dicke der Skineindringtiefe δ_skin Wirbelströme 12 hervor. Wenn nun die Oberflächenrauhigkeit der Magnetfolie 1 größer als die Skineindringtiefe δ_skin ist, ergeben sich für die Wirbelströme 12 verlängerte Strompfade, was zu einer erhöhten Wirbelstromgrenzfrequenz führt.
Die Oberflächenrauhigkeit kann jedoch nicht beliebig groß gewählt werden, da die Magnetfolien 1 im Extremfall dann Löcher aufweisen, was die erreichbaren Permeabilitäten stark senkt.
In Figur 10 ist anhand von Meßergebnissen der beschriebene Einfluß der Oberflächenrauhigkeit auf die Frequenzabhängigkeit der Permeabilität µ dargestellt. Bei den vermessenen Magnetfolien 1 handelt sich um Magnetfolien 1 aus einer Legierung mit der Zusammensetzung (CoFeNi)_78,5 (MnSiB)_21,5. Eine gestrichelte Kurve 13 stellt die Abhängigkeit der Permeabilität µ von der Frequenz f bei einer auf die Dicke der Magnetfolie 1 bezogenen gesamten Oberflächenrauhigkeit von 2,1 % dar. Eine durchgezogene Kurve 14 veranschaulicht ferner die Abhängigkeit der Permeabilität µ von der Frequenz f bei einer auf die Dicke der Magnetfolie 1 bezogenen gesamten Oberflächenrauhigkeit von 4,7 %. Man erkennt deutlich, daß die Wirbelstromgrenzfrequenz durch die größere Oberflächenrauhigkeit zu höheren Werten hin verschoben ist. Als günstig hat sich herausgestellt, wenn die auf die Dicke der Magnetfolien 1 bezogene, beidseitige Oberflächenrauhigkeit von Ober- und Unterseite > 3 % ist.
Nachfolgend werden die Vorteile des aus den Magnetfolien 1 hergestellten Ringkerns 3 anhand eines Beispiels erläutert. Als Beispiel sollen in der Nachrichtentechnik verwendete Drosseln dienen. Für eine solche Drossel in möglichst flacher Bauform wird ein A_L-Wert von 1 µH gefordert. Die Induktivität L ist dabei A_L x N², wobei N die Zahl der Windungen ist. Die typischen Einsatzfrequenzen einer derartigen Drossel liegen im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz, fallweise auch höher. Der kleinste zur Zeit auf dem Markt erhältliche Ferritkern ist ein MnZn-Ferrit-Ringkern der Firma Taiyo Yuden mit einem Außendurchmesser von 2,54 mm, einem Innendurchmesser von 1,27 mm und einer Höhe von 0,8 mm. Das zur Herstellung des MnZn-Ferrit-Ringkerns verwendete Material AH 91 weist eine Anfangspermeabilität von µ = 10 000 auf.
Bei Verwendung einer amorphen Kobaltbasislegierung mit der Zusammensetzung CO_82,36Fe_3,92Mn_1,14Si_9,72MO_0,40B_2,46, die eine Anfangspermeabilität µ = 50 000 aufweist, läßt sich ein A_L-Wert von 1 µH mit einem wesentlich kleineren Ringkern 3 erzielen. In Frage kommt beispielsweise der Ringkern 3 mit einem Außendurchmesser von 2,54 mm, einem Innendurchmesser von 1,8 mm und einer Höhe von 0,4 mm. Im Vergleich zu dem Ferritkern weist dieser Ringkern 3 ein doppelt so großes Innenloch auf, was entweder mehr Windungen oder aber Windungen mit vergrößertem Leiterquerschnitt ermöglicht.
Der gleiche A_L-Wert läßt sich auch mit dem Ringkern 3 mit einem Außendurchmesser von 4,0 mm, einem Innendurchmesser von 2,85 mm und einer Bauhöhe von 0,4 mm erzielen. Dieser Ringkern 3 weist einen im Vergleich zum Ferritkern um den Faktor 5 größeres Innenloch auf.
Umgekehrt genügt bei gleichem Außen- und Innendurchmesser, also einen Außendurchmesser von 2,54 mm und einem Innendurchmesser von 1,27 mm, eine Bauhöhe von 0,2 mm, um den gleichen A_L-Wert zu erzielen.
Falls Material mit noch höheren Anfangspermeabilitäten, beispielsweise eine Legierung der Zusammensetzung Co_81,08Fe_4,21Si_9,43Mo_2,93B_2,35 verwendet wird, die eine Anfangspermeabilität von µ = 80 000 aufweist, kann die Bauhöhe des Ringkerns 3 weiter verringert werden. Ein Ringkern 3 aus der Legierung mit der Zusammensetzung Co_81,08Fe_4,21Si_9,43Mo_2,93B_2,35, die eine Anfangspermeabilität µ = 80 000 aufweist, benötigt bei einem Außendurchmesser von 2,54 mm und einem Innendurchmesser von 1,27 mm lediglich eine Bauhöhe von 0,125 mm, um einen A_L-Wert von 1 µH zu erreichen. Im Vergleich zu dem Ferritkern weist der aus dieser Legierung gefertigte Ringkern 3 eine um den Faktor 6,4 kleinere Bauhöhe auf.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Verwendung der Ringkerne 3 als S₀-Übertrager in PCMCIA-Karten. Beim Kartentyp I werden S₀-Übertrager mit einer Bauhöhe von 2,2 mm benötigt, damit die zulässige Bauhöhe von 3,3 mm für eine PCMCIA-Karte nicht überschritten wird. Unter Berücksichtigung der Wicklung und der Gehäusewände verbleibt für den Ringkern 3 eine maximale Bauhöhe von 1 mm. Zur Erzielung der erforderlichen Induktivität von etwa 5 mH bei 20 kHz ist beispielsweise ein Ringkern 3 mit einem Außendurchmesser von 8,6 mm, einem Innendurchmesser von 3,1 mm und einer Bauhöhe von 1 mm erforderlich. Die bisher zu diesem Zweck verwendeten Ringbandkerne sind mechanisch sehr empfindlich und lassen sich deshalb nur mit einer hohen Ausschußrate herstellen. Ein Problem ist beispielsweise der hohe Wickelversatz, durch den die Kernhöhe nicht eingehalten wird. Demgegenüber lassen sich die Ringkerne 3 auf einfache Weise mit hoher Maßhaltigkeit herstellen.
Durch die Verwendung der amorphen oder nanokristallinen Legierungen lassen sich durch geeignete Wärmebehandlungen in einem äußeren Magnetfeld lineare Hystereseschleifen mit geringen Verlusten und hoher Permeabilität erreichen. Außerdem ist es aufgrund der natürlichen isolierenden Oberflächenschicht dieser Legierungen im Gegensatz zu kristallinen Legierung nicht nötig, die Magnetfolien 1 durch eine zusätzliche Isolierschicht gegeneinander zu isolieren. Im Vergleich zu kristallinen Legierungen weisen die amorphen oder nanokristallinen Legierungen darüber hinaus einen höheren spezifischen Widerstand auf, was zu höheren Wirbelstromgrenzfrequenzen führt. Herstellungsbedingt weisen darüber hinaus die amorphen und nanokristallinen Legierungen eine mehr oder weniger starke natürliche Oberflächenrauhigkeit auf, die jedoch durch Schleifen oder Ätzen weiter erhöht werden kann. Die Dicke der Magnetfolien 1 liegen zwischen 5 und 40 µm. Im Extremfall wird der Ringkern 3 von einer einzelnen Magnetfolie 1 gebildet. Somit lassen sich extrem geringe Bauhöhen bei gleichzeitigem, günstigem Hochfrequenzverhalten erzielen.

Claims

Bauelement geringer Bauhöhe für Leiterplatten mit einem von wenigstens einer Schicht aus einem weichmagnetischen Material gebildeten Magnetbereich,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnetbereich von wenigstens einer weichmagnetischen Magnetfolie (1) gebildet ist, und
die Oberflächenrauhigkeit jeder Magnetfolie (1) wenigstens gleich der Skineindringtiefe bei der Einsatzfrequenz ist.
Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetfolien (1) aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung hergestellt sind.
Bauelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenrauhigkeit jeder Magnetfolie (1) bezogen auf die Dicke > 3 % beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Magnetbereich von einer Vielzahl untereinander verklebter Magnetfolien (1) gebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetfolien (1) durch isolierende Zwischenschichten gegeneinander isoliert sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Magnetfolien (1) ringförmig ausgebildet sind.
Bauelement nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die ringförmig ausgebildeten Magnetfolien (1) Schlitze (4) aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schlitze (4) übereinander angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schlitze (4) winkelmäßig versetzt angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gestapelten Magnetfolien (1) in einem Kunststofftrog (5) eingebettet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die aufeinander gestapelten Magnetfolien (1) von einer Polymerschicht (6) umschlossen sind.