EP1226592A1 - Mehrschichtige planarspulenanordnung und verfahren zur herstellung einer planarspulenanordnung - Google Patents

Mehrschichtige planarspulenanordnung und verfahren zur herstellung einer planarspulenanordnung

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EP1226592A1
EP1226592A1 EP00972747A EP00972747A EP1226592A1 EP 1226592 A1 EP1226592 A1 EP 1226592A1 EP 00972747 A EP00972747 A EP 00972747A EP 00972747 A EP00972747 A EP 00972747A EP 1226592 A1 EP1226592 A1 EP 1226592A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
planar coil
coil arrangement
surface substrate
conductor structures
conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00972747A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin SCHÜTTLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1226592A1 publication Critical patent/EP1226592A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
    • H01F5/003—Printed circuit coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2847—Sheets; Strips
    • H01F2027/2861—Coil formed by folding a blank
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    • H01F41/041—Printed circuit coils
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
    • H05K1/165—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed inductors

Definitions

  • the invention relates to a planar coil arrangement with at least two, on a dielectric, flexibly formed surface substrate next to each other, on the same top of the surface substrate, made of electrically conductive material conductor structures which can be positioned vertically one above the other by means of folding the surface substrate and are electrically connected to one another.
  • Planar coil arrangements of the type mentioned above are inductively acting electrical components which are used in particular in the field of telecommunications for the purpose of inductive coupling as transmission coils. Basically, however, planar coil arrangements are used in electronic circuits wherever little space is available and an inductive effect is required, such as in wristwatches, medical implants, intelligent credit cards, in consumer electronics, in listening devices, to name just a few other areas of application.
  • planar coils In addition to known wound wire coils, which are manufactured in a precision engineering manner and, due to their structure, cannot be less than a macroscopic minimum size, the above-mentioned planar coils, which are produced by means of photolithographic, milling or screen printing processes, are preferably used. Planar coils are generally characterized by an electrically insulating surface substrate, on which, preferably arranged in a spiral or circular manner, a conductor structure is applied which, depending on the design, has little or no electrical or electrical resistance has more coil windings with any chosen conductor thickness.
  • a problem with planar coils is their electrical contact, especially since the inner end of the conductor structure applied in a single layer to the flat substrate has to be led out of its coil center without short-circuiting the existing coil windings.
  • the line contact is typically led out of the coil center via a second metallization level, the line structure on the surface substrate being covered by an electrically insulating layer, via which the electrical contact line, starting from the coil center, runs.
  • the latter case is often associated with sources of error due to poor soldering quality, which is why the use of soldering points with such, in part microscopic, electronic inductive components should be avoided.
  • the dimensioning with regard to the electrical requirements for planar coils is free to choose, with always between a few coil windings with wide conductor tracks, which is associated with a low electrical resistance and a low inductance, and high number of windings with narrow conductor tracks, which with a high electrical resistance and a high inductance.
  • planar coil arrangement can be found in Japanese publication JP 6325948, in which a plurality of spiral-shaped conductor structures arranged next to one another are applied to a polyamide film substrate, which can be arranged one above the other after appropriate folding of the carrier substrate, wherein they are in the folded state of the carrier substrate result in a multilayer planar coil arrangement.
  • the carrier substrate is folded in such a way that two conductor structures applied adjacent to the carrier substrate are folded onto one another.
  • the conductor structures are covered with at least one electrical insulation layer, the necessity for mutual electrical contacting of the folded-up electrical conductor structures being provided by additional contact areas provided with the conductor structures in a different metallization level, which must be brought into line during the folding.
  • the known coil arrangement therefore has at least two metallization levels and, when folding, a precise position adjustment of the contact surfaces to be brought into contact is required.
  • the invention is based on the object of specifying a planar coil arrangement and a method for producing one, the planar coil being simplified in terms of its structure and considerably reducing its production costs.
  • the new manufacturing process should make it possible to integrate To obtain planar coils with a high number of windings with low qualitative demands on the flexible surface substrate.
  • claim 12 is a method according to the invention for producing a planar coil arrangement.
  • Advantageous developments of the invention are the subject matter of the subclaims and the entire description and the exemplary embodiments illustrated in the drawings.
  • a planar coil arrangement with at least two, on a dielectric, flexibly designed surface substrate next to one another, on the same upper side of the surface substrate, conductor structures consisting of electrically conductive material, which can be positioned vertically one above the other by means of folding the surface substrate and are electrically connected to one another, are further developed in this way that the surface substrate provides a transition region between the conductor structures arranged next to one another, in which the surface substrate is folded in such a way that the conductor structures are separated from one another by a single layer of the surface substrate.
  • a transition region between the conductor structures applied to the surface substrate which are preferably themselves electrically connected to one another via the transition region, creates the possibility of folding the surface substrate in such a way that the top of the surface substrate, on which a conductor structure is arranged, after the folding of the The underside of the surface substrate is covered and is therefore not brought into direct contact with the surface of another conductor structure, as is the case with the prior art.
  • the individual conductor structures overlap one another in such a way that they are each oriented identically to the flat substrate. If, for example, spiral-shaped conductor structures in the form of turns are involved, the sense of winding, which has the conductor structure turns individually arranged next to one another on the flat substrate, is also retained in the stacked arrangement. Above all, this simplifies the design of the entire conductor structure before it is applied to the flat substrate within a single processing step.
  • the surface substrate which, as in the prior art, consists of a foil-like dielectric, has circular surface structures, on each of which the spiral-shaped electrical conductor structures are applied.
  • the conductor structures can be chosen to be of any size in terms of their line thickness, and virtually any number of spiral turns, depending on the desired inductance, can be applied to the individual surface areas of the surface substrate.
  • the individual annular surface areas are each connected to the adjacent annular surface area via at least one transition area, the transition area being web-shaped and having a web width which is preferably selected to be smaller than the diameter of the individual annular surface areas.
  • the conductor end is applied to a bridge-like section of the surface substrate, which in the folded state of the planar coil arrangement can be bent out of the coil center in such a way that the conductor end can come into direct contact with a contact surface which is applied at a corresponding point on the surface substrate.
  • the coil arrangement is electrically contacted without the use of a large number of soldering points or the use of electrically insulated conductor tracks.
  • the bridge also serves as a mechanical lock that holds the bobbins folded together, as long as they are not glued or potted for mutual fixation.
  • the planar coil according to the invention is produced with a single metallization step, which completely deposits the conductor structure, which is linearly formed in a conductor path, on the surface substrate.
  • the surface substrate provided with transition regions, it is folded together, preferably by folding twice along two fold edges running perpendicular to one another, such that the regions to which the further structures are applied lie directly one above the other, each separated by a position of the surface substrate.
  • the conductor strip deposited on the flat substrate is preferably provided with an insulation layer at those points which correspond to the transition regions and correspond to the contact surfaces provided for the electrical contacting.
  • the method is characterized by its simplicity and differs essentially from known methods in that only a single metallization step is required to create a multilayer planar coil arrangement.
  • Fig. 5 side view of a multilayer planar coil.
  • FIG. 1 shows the top view of a flat substrate F, which is made up of a thin-film dielectric, for example a polymer film.
  • the flat substrate F is composed essentially of four circularly shaped regions 1, 2, 3 and 4, which are each connected to one another via transition regions 5, 6 and 7.
  • the annular area 1 of the flat substrate F provides a web-like extension 8 which is slightly larger than the other transition areas and which, as will be explained below, serves as a connection area.
  • an integrally formed conductor track 9 consisting of electrically conductive material is applied, which is formed on each annular area 1, 2, 3, 4 of the Surface substrate F adopts concentrically formed conductor structures which are each electrically connected to one another in the transition regions 5, 6, 7 by corresponding connecting lines.
  • the ring-shaped coil body S1 is provided with a web-like area 10 which extends into the interior of the ring-shaped area 1 and on which the conductor end 11 ends with a corresponding contact surface 12.
  • a connection contact 13 is provided in the connection area 8 of the flat substrate F, to which the contact surface 12, as will be shown below, is brought into intimate contact by appropriately bending the web-shaped area 10.
  • the conductor structures applied in the individual coil formers S1 to S4 have concentric circular shapes, the geometrical arrangement of which, when the one-piece cable is flooded, enables a current flow which is oriented identically for each coil form S1 to S4.
  • the text below shows the form in which the four bobbins S1 to S4 arranged in one plane are folded in order to be able to maintain the same current flow in a stack lying one above the other.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional representation through the flat substrate F, on which the conductor structure, embodied by a metallization plane M, is applied.
  • a dielectric layer 14 is applied above the metallization level, for example by applying a polymer lacquer. Only at the point at which electrical contact is to take place is the conductor track 9 uncovered by the insulation layer 14. For example, this is the Case in the connection area 8 at the location of the connection contact 13 and in the web-like area 10 in the area of the contact surface 12.
  • FIG. 3a shows the initial situation in which, for example, the adjacent coil formers S3 and S4 are connected to the transition region 7.
  • the bobbin S4 with its connected transition region 7 is folded around the bobbin S3 along the fold line 14 shown in broken lines.
  • the result obtained after folding is shown in Fig. 3b.
  • a subsequent second folding takes place along a folding line 15 which, as can be seen from FIG. 3b, perpendicularly intersects the original folding line 14.
  • the bobbins S3 and S4 are brought into congruence, which can be seen from the illustration according to FIG. 3c.
  • the folding directions of the two folding processes can be seen from FIGS. 3a and 3b using the arrows entered.
  • a multilayer planar arrangement can be obtained from the planar surface substrate, which is processed in the manner described in the context of a single metallization and a corresponding surface insulation, the individual folding steps of which can be seen in FIGS. 4a to d.
  • FIG. 4a shows the initial situation in which the flat substrate F is provided in one plane with the conductor track 9 located thereon.
  • the coil former S4 is in one first folding process along the fold line 14 folded relative to the bobbin S3. After the first folding, the arrangement is shown, as shown in FIG. 4b. After a further folding step along the folding line 15 according to FIG. 4b, the coil former S4 is in register with the coil former S3. It should be noted here that both bobbins face upwards, which means that their sense of winding and the direction of current flow are preserved.
  • both bobbins S3 and S4 are folded relative to the bobbin S2 until they come to cover the bobbin S2.
  • the same way of folding is then carried out with the bobbins S2, S3 and S4 relative to the bobbin S1, so that finally a compact, stacked planar coil arrangement is obtained, as shown in Fig. 4d, left representation.
  • the web-like region 10 is placed from the coil center over the bobbins S1 to S4 lying one above the other and brought into intimate connection with the connection region 13, which can be accomplished, for example, by soldering or a similar joining connection.
  • FIG. 4d right-hand illustration, in which the web-like region 10 encloses all coil bodies and thus also leads to an intimate mechanical connection of the individual coil layers.
  • the composite of the four individual coil bodies shown in the exemplary embodiment can be glued or sealed with a corresponding resin.
  • 5 shows a cross section through the folded multilayer planar coil arrangement, from which the effect and arrangement of the web-like area 10 can be seen, which protrudes from the inside of the coil and connects the coil bodies S1 to S4 lying one above the other.
  • the areas entered in a cap-like manner represent the folded transition areas 5, 6, 7.
  • Multilayer planar coil arrangement with low electrical resistance If, for example, five coil formers with only one winding per coil form are put together, the conductor track structure used being relatively wide, a coil with five windings and a very low electrical resistance is obtained.
  • Multi-layer planar coil arrangement with high inductance If, for example, ten bobbins with 20 windings are combined, the result is a coil with 200 windings, which, based on typical dimensions of the flat substrate materials and conductor structures used, has a total height of only 100 ⁇ m. It is assumed that the total substrate thickness is approximately 10 ⁇ m.
  • Multilayer planar coil arrangement with low internal capacitance By selecting different winding diameters for each individual coil former, the internal capacitance of the coil can be reduced or adjusted so that no winding is congruent with the other.
  • Multilayer planar coil arrangement which is electrically shielded Coils of this type have a complicated layer structure, which consists, for example, of four insulator layers in which three metalization layers are introduced. With these sometimes very complex starting materials one is Realization of electrically shielded multilayer planar coil arrangements possible, with which an electrical decoupling from the environment can be realized. Such coil changes only work with magnetic fields.
  • Multilayer planar coils with an inner diameter of 0 In contrast to the embodiment shown in FIGS. 1 to 5, a coil body 1 is conceivable which has a connection contact in the inside of the coil. In this case, the bridge that creates the electrical connection from outside the coil to the inside of the coil body is implemented in the connection area of the output structure.
  • the bobbins 2 ff. Are folded in such a way that they are located on the underside of the bobbin 1. In this way, the entire circular area within the flat substrate can be filled with line windings, which is associated with an increase in the inductance.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Beschrieben wird eine mehrschichtige Planarspulenanordnung mit wenigstens zwei, auf einem dielektrischen, flexibel ausgebildeten Flächensubstrat nebeneinander, auf der gleichen Oberseite des Flächensubstrates angeordneten, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Leiterstrukturen, die mittels Faltung des Flächensubstrates vertikal übereinander liegend positionierbar und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Flächensubstrat zwischen den nebeneinander angeordneten Leiterstrukturen einen Übergangsbereich vorsieht, in dem das Flächensubstrat derart gefaltet ist, dass die Leiterstrukturen durch eine einzige Lage des Flächensubstrats voneinander getrennt sind.

Description

Mehrschichtige Planarspulenanordnung und Verfahren zur Herstellung einer
Planarspulenanordnung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Planarspulenanordnung mit wenigstens zwei, auf einem dielektrischen, flexibel ausgebildeten Flächensubstrat nebeneinander, auf der gleichen Oberseite des Flächensubstrates angeordneten, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Leiterstrukturen, die mittels Faltung des Flächensubstrates vertikal übereinander liegend positionierbar und elektrisch miteinander verbunden sind.
Stand der Technik
Planarspulenanordnungen der oben stehend genannten Gattung sind induktiv wirkende elektrische Bauelemente, die insbesondere im Bereich der Telekommunikation zum Zwecke der induktiven Kopplung als Übertragungsspulen eingesetzt werden. Grundsätzlich aber finden Planarspulenanordnungen in elektronischen Schaltkreisen überall dort Verwendung, wo wenig Platz zur Verfügung steht und eine induktive Wirkung erforderlich ist, wie beispielsweise in Armbanduhren, medizinischen Implantaten, intelligenten Scheckkarten, in der Unterhaltungselektronik, in Abhöreinrichtungen, um nur einige weitere Anwendungsgebiete zu nennen.
Neben an sich bekannten gewickelten Drahtspulen, die in feinwerktechnischer Weise hergestellt werden und auf Grund ihres Aufbaus eine makroskopische Mindestbaugröße nicht unterschreiten können, werden die vorstehend genannten Planarspulen bevorzugt verwendet, die mittels fotolithografischer, Fräs- oder Siebdruck-Verfahren hergestellt werden. Planarspulen zeichnen sich im Allgemeinen durch ein elektrisch isolierendes Flächensubstrat aus, auf dem, vorzugsweise spiral- oder kreisförmig angeordnet, eine Leiterstruktur aufgebracht ist, die je nach Auslegung hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandes sowie Induktivität wenig oder mehr Spulenwicklungen mit entsprechend beliebig gewählten Leiterbahndicken aufweist.
Ein bei Planarspulen bestehendes Problem ist jedoch ihre elektrische Kontaktierung, zumal das innere Ende der, in einer einzigen Schicht auf das Flächensubstrat aufgebrachten Leiterstruktur aus ihrem Spulenzentrum herauszuführen ist, ohne dabei die vorhandenen Spulenwicklungen gegenseitig kurzzuschließen. So erfolgt typischerweise die Herausführung des Leitungskontaktes aus dem Spulenzentrum über eine zweite Metallisierungsebene, wobei die Leitungsstruktur auf dem Flächensubstrat von einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen wird, über die wiederum die elektrische Kontaktierungsleitung, ausgehend von Spulenzentrum, verläuft. Alternativ dazu ist es auch möglich, am Leitungskontakt im Spulenzentrum einen elektrisch isolierten Draht anzulöten, um auf diese Weise die Kontaktierung der Planarspule zu vervollständigen. Letzterer Fall ist jedoch häufig mit Fehlerquellen auf Grund mangelnder Lötqualität verbunden, weshalb der Einsatz von Lötstellen bei derartigen, zum Teil mikroskopisch kleinen elektronischen induktiven Bauelementen, vermieden werden sollte.
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist die Dimensionierung hinsichtlich der elektrischen Anforderungen an Planarspulen frei zu wählen, wobei stets zwischen wenigen Spulenwicklungen mit breiten Leiterbahnen, was mit einem geringen elektrischen Widerstand und einer geringen Induktivität verbunden ist, und hohen Wicklungszahlen mit schmalen Leiterbahnen, was mit einem hohen elektrischen Widerstand und einer hohen Induktivität verbunden ist, abzuwägen.
Auch ist es möglich, durch die Verschaltung mehrerer Planarspulen die Spulenparameter und hierbei insbesondere die Induktivität den jeweiligen Anforderungen anzupassen.
So geht beispielsweise aus der DE 198 02 473 A1 eine Multilayer-Planarinduktivität hervor, die eine plattenförmige Trägerstruktur aufweist, auf der beidseitig parallel zueinander verlaufende und jeweils über Löt- bzw. Schweißpunkte elektrisch miteinander verbundene Leitungsschichten vorgesehen sind. Auch hier bilden die Lötstellen mögliche Fehlerquellen, auf Grund des vorstehend angesprochenen Sachverhaltes bezüglich mangelnder Lötqualität und stellen zudem einen zusätzlichen Herstellungsschritt dar, der sich nicht zuletzt auch in hohen Herstellungskosten auswirkt.
Eine andere Art einer Planarspulenanordnung ist der japanischen Druckschrift JP 6325948 zu entnehmen, bei der auf einem Polyamid-Foliensubstrat mehrere, nebeneinander angeordnete spiralförmig ausgebildete Leiterstrukturen aufgebracht sind, die nach entsprechender Faltung des Trägersubstrates übereinander liegend angeordnet werden können, wobei sie im gefalteten Zustand des Trägersubstrates eine Multilayer-Planarspulenanordnung ergeben. Die Faltung des Trägersubstrates erfolgt derart, dass zwei benachbart auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Leiterstrukturen aufeinandergeklappt werden. Zur Vermeidung ungewollter Kurzschlüsse sind die Leiterstrukturen mit wenigstens einer elektrischen Isolationsschicht überdeckt, wobei die Notwendigkeit einer gegenseitigen elektrischen Kontaktierung der aufeinandergeklappten elektrischen Leiterstrukturen durch zusätzliche, zu den Leiterstrukturen in einer anderen Metallisierungsebene vorgesehene Kontaktflächen erfolgt, die bei der Faltung in Deckung gebracht werden müssen. Die bekannte Spulenanordnung weist daher wenigstens zwei Metallisierungsebenen auf und es bedarf bei der Faltung einer genauen Lagejustierung der in Kontakt zu bringenden Kontaktflächen.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Planarspulenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen anzugeben, wobei die Planarspule in ihrem Aufbau vereinfacht und in ihren Herstellungskosten erheblich reduziert werden soll. Insbesondere sollte es möglich sein, den Aufbau der Spule kompakter zu gestalten und die Anzahl der in Kontakt zu bringenden Kontaktflächen auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch die Betriebssicherheit erheblich erhöht werden soll. Mit dem neuen Herstellungsverfahren soll es insbesondere möglich sein, integrierte Planarspulen mit hohen Wicklungszahlen zu erhalten bei geringen qualitativen Anforderungen an das flexibel ausgebildete Flächensubstrat.
Die Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 12 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Planarspulenanordnung. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der gesamten Beschreibung und der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Planarspulenanordnung mit wenigstens zwei, auf einem dielektrischen, flexibel ausgebildeten Flächensubstrat nebeneinander, auf der gleichen Oberseite des Flächensubstrates angeordneten, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Leiterstrukturen, die mittels Faltung des Flächensubstrates vertikal übereinander liegend positionierbar und elektrisch miteinander verbunden sind, derart weitergebildet, dass das Flächensubstrat zwischen den nebeneinander angeordneten Leiterstrukturen einen Übergangsbereich vorsieht, in dem das Flächensubstrat derart gefaltet ist, dass die Leiterstrukturen durch eine einzige Lage des Flächensubstrats voneinander getrennt sind.
Das Vorsehen eines Übergangbereiches zwischen den auf dem Flächensubstrat aufgebrachten Leiterstrukturen, die vorzugsweise selbst über den Übergangsbereich elektrisch miteinander verbunden sind, schafft die Möglichkeit einer Faltung des Flächensubstrates derart, dass die Oberseite des Flächensubstrates, auf der eine Leiterstruktur angeordnet ist, nach der Faltung von der Unterseite des Flächensubstrates bedeckt ist und somit nicht, wie beim Stand der Technik der Fall, in unmittelbarem Kontakt mit der Oberfläche einer anderen Leiterstruktur gebracht wird. Mit Hilfe einer derartigen Faltungstechnik wäre es grundsätzlich möglich, auf eine zusätzliche Isolationsschicht, die auf die gesamten Leiterstrukturen aufgebracht werden müsste, zumindest in den Bereichen zu verzichten, in denen die Leiterstrukturen auf dem Flächensubstrat aufgebracht sind. Lediglich die auf den Übergangsbereichen aufgebrachten elektrischen Verbindungsstrukturen sind auf Grund der in diesem Bereich vorzunehmenden Faltung auch an ihrer Oberseite elektrisch zu isolieren.
Durch die erfindungsgemäße Faltung kommen die einzelnen Leiterstrukturen derart übereinander liegend in Deckung, dass sie jeweils zum Flächensubstrat gleich orientiert sind. Handelt es sich beispielsweise um spiralförmig ausgebildete Leiterstrukturen in Form von Windungen, so bleibt der Wicklungssinn, der die einzeln nebeneinander auf dem Flächensubstrat angeordneten Leiterstrukturwindungen aufweist, auch in der übereinander gestapelten Anordnung erhalten. Dies vereinfacht vor allem die Auslegung der gesamten Leiterstruktur vor ihrem Aufbringen auf dem Flächensubstrat innerhalb eines einzigen Bearbeitungsschrittes.
Das Flächensubstrat, das wie im Stand der Technik aus einem folienartigen Dielektrikum besteht, weist kreisringförmige Flächenstrukturen auf, auf denen jeweils die spiralförmig ausgebildeten elektrischen Leiterstrukturen aufgebracht sind. Je nach elektrischen Vorgabewerten können die Leiterstrukturen in ihrer Leitungsdicke beliebig groß gewählt werden, ferner können nahezu beliebig gewählte Anzahlen von Spiralwindungen, je nach gewünschter Induktivität, auf den einzelnen Flächenbereichen des Flächensubstrates aufgebracht werden. Die einzelnen kreisringförmig ausgebildeten Flächenbereiche sind jeweils über wenigstens einen Übergangsbereich mit dem benachbarten kreisringförmigen Flächenbereich verbunden, wobei der Übergangsbereich stegartig ausgebildet ist und eine Stegbreite aufweist, die vorzugsweise kleiner gewählt ist als der Durchmesser der einzelnen kreisringförmigen Flächenbereiche. Auf diese Weise kann eine zweimalige Faltung entlang zweier, sich senkrecht schneidender Faltlinien erfolgen, sodass zwei benachbarte kreisringförmige Flächenabschnitte deckungsgleich in Position gebracht werden. Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren gezeigt wird, können nahezu beliebig viele kreisringförmige Flächenelemente über jeweilige Übergangsbereiche miteinander verbunden werden, wodurch eine nahezu beliebige Steigerung der Induktivität von Planarspulenanordnungen möglich wird. Die auf dem Flächensubstrat abgeschiedenen Leiterstrukturen sind als ein einziger, durchgehender Leiterzug ausgebildet, den es gilt, nach entsprechender Faltung der einzelnen Spulenkörper elektrisch in einen Stromkreis zu integrieren. Hierzu ist das Leiterzugende auf einem brückenartig ausgebildeten Abschnitt des Flächensubstrates aufgebracht, der im gefalteten Zustand der Planarspulenanordnung aus dem Spulenzentrum derart umgebogen werden kann, dass das Leiterzugende mit einer Kontaktfläche, die an entsprechender Stelle auf dem Flächensubstrat aufgebracht ist, in unmittelbaren Kontakt treten kann. Auf diese Weise wird die Spulenanordnung ohne die Verwendung von einer Vielzahl von Lötstellen oder die Verwendung elektrisch isolierter Leiterzüge elektrisch kontaktiert. Die Brücke dient zugleich auch als mechanischer Verschluss, der die aufeinander gefalteten Spulenkörper räumlich zusammenhält, solange sie nicht aus Gründen gegenseitiger Fixierung verklebt oder vergossen sind.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Planarspule erfolgt mit einem einzigen Metallisierungsschritt, der die, in einem Leiterzug, linienhaft ausgebildete Leiterstruktur auf dem Flächensubstrat ganzheitlich abscheidet. Auf Grund des mit Übergangsbereichen vorgesehenen Flächensubstrats wird dieses, vorzugsweise durch zweimaliges Falten entlang zweier senkrecht zueinander verlaufender Faltkanten, derart zusammengelegt, sodass die Bereiche, auf den die weitere Strukturen aufgebracht sind, unmittelbar übereinander liegen, jeweils getrennt durch eine Lage des Flächensubstrates.
Vorzugsweise wird der auf dem Flächensubstrat abgeschiedene Leiterzug an jenen Stellen mit einer Isolationsschicht versehen, die den Übergangsbereichen entsprechen, sowie den für die elektrische Kontaktierung vorgesehenen Kontaktflächen entsprechen. Das Verfahren zeichnet sich durch seine Einfachheit aus und unterscheidet sich im Wesentlichen von bekannten Verfahren dadurch, dass nur ein einziger Metallisierungsschritt erforderlich ist, um eine Multilayer- Planarspulenanordnung zu schaffen. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Draufsicht auf ein Flächensubstrat, auf das Leiterstrukturen aufgebracht sind,
Fig. 2 Querschnitt durch das Flächensubstrat mit einer darauf aufgebrachten Metallisierungsschicht, sowie Isolationsschicht,
Fig. 3a,b,c Darstellung der Faltungstechnik,
Fig. 4a,b,c,d Faltungsabfolge zur Herstellung einer aus vier Spulenkörpern zusammengesetzten Multilayer- Planarspulenanordnung sowie
Fig. 5 Seitenansicht einer mulitlayer Planarspule.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf ein Flächensubstrat F, das aus einem dünnfilmartigen Dielektrikum aufgebaut ist, beispielsweise ein Polymerfilm darstellt. Das Flächensubstrat F setzt sich im Wesentlichen durch vier kreisringförmig ausgebildete Bereiche 1 , 2, 3 und 4 zusammen, die jeweils über Übergangsbereiche 5, 6 und 7 miteinander verbunden sind. Ferner sieht der kreisringförmig ausgebildete Bereich 1 des Flächensubstrats F einen etwas größer als die übrigen Übergangsbereiche ausgebildeten stegartigen Fortsatz 8 vor, der wie im weiteren noch erklärt wird, als Anschlussbereich dient. Auf die Oberfläche des Flächensubstrats F ist ein aus elektrisch leitendem Material bestehender einstückig ausgebildeter Leiterzug 9 aufgebracht, der auf jedem kreisringförmig ausgebildeten Bereich 1 , 2, 3, 4 des Flächensubstrats F konzentrisch ausgebildete Leiterstrukturen annimmt, die jeweils in den Übergangsbereichen 5, 6, 7 durch entsprechende Verbindungsleitungen miteinander elektrisch verbunden sind. Durch die Formgebung der einzelnen Leiterstrukturen auf den einzelnen kreisringförmig ausgebildeten Flächenbereichen 1, 2, 3 und 4 stellen diese einzelne Spulenkörper S1 , S2, S3, S4 dar, die bei entsprechendem Stromdurchfluss die Wirkung einzelner in Serie miteinander verschalteter Induktivitäten zeigen. Um einen Stromdurchfluss durch den einstückig ausgebildeten Leiterzug 9 zu Gewähr leisten, ist dem ringförmig ausgebildeten Spulenkörper S1 ein, in das Innere des kreisringförmig ausgebildeten Bereichs 1 hineinreichender stegartiger Bereich 10 vorgesehen, auf dem das Leiterzugende 11 mit einer entsprechenden Kontaktfläche 12 endet. Relativ zum stegartig ausgebildeten Bereich 10 und dessen Kontaktfläche 12 ist im Anschlussbereich 8 des Flächensubstrates F ein Anschlusskontakt 13 vorgesehen, auf den die Kontaktfläche 12, wie es im weiteren noch gezeigt wird, durch entsprechendes Umbiegen des stegartig ausgebildeten Bereichs 10 in innigen Kontakt gebracht wird.
Die, in den einzelnen Spulenkörpern S1 bis S4 aufgebrachten Leiterstrukturen weisen konzentrische Kreisformen auf, deren geometrische Anordnung bei Stromdurchflutung des einstückigen Leitungszuges einen, für jeden Spulenkörper S1 bis S4 gleich orientierten Stromdurchfluss ermöglichen.
Im weiteren wird gezeigt, in welcher Form die vier in einer Ebene angeordneten Spulenkörper S1 bis S4 gefaltet werden, um in einem übereinander liegenden Stapel den gleichsinnigen Stromdurchfluss beibehalten zu können.
In Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung durch das Flächensubstrat F dargestellt, auf dem die Leiterstruktur, verkörpert durch eine Metallisierungsebene M, aufgebracht ist. Über der Metallisierungsebene ist aus Gründen elektrischer Isolation eine dielektrische Schicht 14 aufgebracht, beispielsweise durch Aufbringen eines Polymerlackes. Lediglich an der Stelle, an der ein elektrischer Kontakt erfolgen soll, ist der Leiterzug 9 von der Isolationsschicht 14 unbedeckt. Dies ist beispielsweise der Fall im Anschlussbereich 8 an der Stelle des Anschlusskontaktes 13 sowie im stegartigen Bereich 10 im Bereich der Kontaktfläche 12.
Um nun das in Fig. 1 dargestellte und mit einem Leiterzug versehene Flächensubstrat in eine Multilayer-Planarspulenanordnung überzuführen, sind die einzelnen Spulenkörper S1 bis S4 im Bereich ihrer Übergangsbereiche 5, 6, 7 entsprechend zu falten, was aus den Fig. 3a bis c hervorgeht.
In Fig. 3a ist die Ausgangssituation dargestellt, bei der beispielsweise die aneinander grenzenden Spulenkörper S3 und S4 mit dem Übergangsbereich 7 verbunden sind. Entlang der strichliert eingezeichneten Faltlinie 14 wird der Spulenkörper S4 mit seinem verbundenen Übergangsbereich 7 um den Spulenkörper S3 gefaltet. Das nach der Faltung erhaltene Resultat ist in Fig. 3b dargestellt. Eine nachfolgende zweite Faltung erfolgt entlang einer Faltlinie 15, die, wie der Fig. 3b zu entnehmen ist, die ursprüngliche Faltlinie 14 senkrecht schneidet. In dem zweiten Faltvorgang werden nun die Spulenkörper S3 und S4 in Deckung gebracht, was aus der Darstellung gemäß Fig. 3c zu entnehmen ist. Die Faltrichtungen der beiden Faltvorgänge sind aus den Fig. 3a und 3b anhand der eingetragenen Pfeile zu entnehmen.
Unter Zugrundelegung der vorstehend genannten Falttechnik kann aus dem planaren Flächensubstrat, das im Rahmen einer einzigen Metallisierung und einer entsprechenden Oberflächenisolation in der beschriebenen Weise prozessiert ist, eine Multilayer-Planaranordnung erhalten werden, deren einzelne Faltschritte aus den Fig. 4a bis d zu entnehmen sind.
In Fig. 4a ist die Ausgangssituation dargestellt, in der das Flächensubstrat F in einer Ebene mit den auf diesem befindlichen Leiterzug 9 versehen ist. Aus Gründen der Vermeidung von Kurzschlüssen, die insbesondere in den Übergangsbereichen 5, 6, 7 durch die Faltung entstehen können, ist das gesamte Flächensubstrat nebst Leiterzug 9 mit einer Isolationsschicht überzogen, mit Ausnahme der entsprechenden Kontaktflächen 12 und 13. Der Spulenkörper S4 wird in einem ersten Faltvorgang entlang der Faltlinie 14 relativ zum Spulenkörper S3 gefaltet. Nach der ersten Faltung stellt sich die Anordnung, wie in Fig. 4b dargestellt, dar. Nach einem weiteren Faltungsschritt entlang der Faltlinie 15 gemäß Fig. 4b gelangt der Spulenkörper S4 in Deckung zum Spulenkörper S3. Zu beachten hierbei ist, dass beide Spulenkörper nach oben gerichtet sind, wodurch ihr Wicklungssinn sowie die Stromflussrichtung erhalten bleibt. Hierdurch ist Gewähr leistet, dass sich die induktiven Wirkungen beider Spulenkörper S3 und S4 addieren. In entsprechender Weise werden beide Spulenkörper S3 und S4 relativ zum Spulenkörper S2 gefaltet, bis diese in Deckung zum Spulenkörper S2 kommen. Die gleiche Faltungsweise wird dann mit den Spulenkörpern S2, S3 und S4 relativ zum Spulenkörper S1 durchgeführt, sodass schließlich eine kompakte, übereinandergestapelte Planarspulenanordnung erhalten wird, wie sie in Fig. 4d, linke Darstellung, gezeigt ist.
Nochmals sei darauf hingewiesen, dass alle Spulenkörper ihren Wicklungssinn nach der Faltung beibehalten, sodass eine Stromdurchflutung der Planarspulenanordnung zu einer Addition der induktiven Wirkungen jeder einzelnen Spule führt. Um nun eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Leiterzugende 11 mit dem auf dem Anschlussbereich 8 vorgesehenen Anschlusskontaktfläche 13 zu erhalten, wird der stegartig ausgebildete Bereich 10 aus dem Spulenzentrum über die übereinander liegenden Spulenkörper S1 bis S4 gelegt und mit dem Anschlussbereich 13 in innige Verbindung gebracht, was beispielsweise durch eine Lötung oder durch eine ähnliche Fügeverbindung bewerkstelligt werden kann. Dies zeigt Fig. 4d, rechte Darstellung, in der der stegartige Bereich 10 alle Spuienkörper umschließt und somit auch zu einer mechanischen innigen Verbindung der einzelnen Spulenlagen führt.
Um die Multilayer-Planarspulenanordnung nachfolgend mechanisch zu stabilisieren und gegebenenfalls gegen äußere Einflüsse zu sichern, kann der Verbund aus den vier im Auführungsbeispiel dargestellten Einzelspulenkörpern verklebt oder mit einem entsprechenden Harz versiegelt werden. In Fig. 5 ist hierzu ein Querschnitt durch die zusammengefaltete Multilayer- Planarspulenanordnung dargestellt, aus der nochmals die Wirkung und Anordnung des stegartigen Bereiches 10 zu entnehmen ist, der aus dem Spuleninneren emporragt und die übereinander liegenden Spulenkörper S1 bis S4 zusammenschließt. Die kappenartig eingetragenen Bereiche stellen die gefalteten Übergangsbereiche 5, 6, 7 dar.
Mit Hilfe der erfindungsgemäß ausgebildeten Multilayer-Planarspulenanordnung sind nun verschiedene Ausführungsformen denkbar:
1. Multilayer-Planarspulenanordnung mit geringem elektrischen Widerstand: Fügt man beispielsweise fünf Spulenkörper mit jeweils nur einer Wicklung pro Spulenkörper zusammen, wobei die verwendete Leiterbahnstruktur verhältnismäßig breit ausgebildet ist, so ergibt sich eine Spule mit fünf Wicklungen und einem sehr niedrigen elektrischen Widerstand.
2. Multilayer-Planarspulenanordnung mit hoher Induktivität: Kombiniert man beispielsweise zehn Spulenkörper mit jeweils 20 Wicklungen, so ergibt sich eine Spule mit 200 Wicklungen, die, unter Zugrundelegung typischer Dimensionierungen von verwendeten Flächensubstratmaterialien und Leiterstrukturen, eine Gesamtbauhöhe von nur 100 μm aufweist. Hierbei geht man davon aus, dass die gesamte Substratdicke etwa 10 μm beträgt.
3. Multilayer-Planarspulenanordnung mit geringer Eigenkapazität: Durch die Wahl von unterschiedlichen Wicklungsdurchmessern für jeden einzelnen Spulenkörper lässt sich die Eigenkapazität der Spule dadurch verringern bzw. einstellen, dass keine Wicklung deckungsgleich über der anderen liegt.
4. Multilayer-Planarspulenanordnung die elektrisch abgeschirmt ist: Derartige Spulen weisen einen komplizierten Schichtaufbau auf, der beispielsweise aus vier Isolatorschichten besteht, in denen drei Metaliisierungsschichten eingebracht sind. Mit diesen zum Teil sehr komplexen Ausgangsmaterialien ist eine Realisierung von elektrisch abgeschirmten Multilayer-Planarspulenanordnungen möglich, womit eine elektrische Entkpopplung vom Umfeld realisiert werden kann. Derartige Spulenwechsel wirken lediglich mit magnetischen Feldern.
5. Multilayer-Planarspulen mit einem Innendurchmesser von 0: Im Unterschied zu der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsform ist ein Spulenkörper 1 denkbar, der einen Anschlusskontakt im Spuleninneren aufweist. Die Brücke, die die elektrische Verbindung von außerhalb der Spule zum Inneren des Spulenkörpers herstellt, ist in diesem Fall im Anschlussbereich der Ausgangsstruktur realisiert. Die Spulenkörper 2 ff. werden dabei derart gefaltet, dass sie sich auf der Unterseite des Spulenkörpers 1 befinden. Auf diese Weise kann der gesamte kreisförmige Bereich innerhalb des Flächensubstrates mit Leitungswicklungen gefüllt werden, was mit einer Erhöhung der Induktivität verbunden ist.
Bezugszeichenliste
F Flächensubstrat
1 ,2,3,4 kreisringförmig ausgebildeter Bereich
5,6,7 Übergangsbereich
8 stegartiger Fortsatz, Anschlussbereich
9 Leiterzug
S1 ,S2,S3,S4 Spulenkörper
10 stegartiger Bereich
11 Leiterzugende
12 Kontaktfläche
13 Anschlusskontaktfläche
14,15 Faltungslinie

Claims

Patentansprüche
1. Mehrschichtige Planarspulenanordnung mit wenigstens zwei auf einem dielektrischen, flexibel ausgebildeten Flächensubstrat nebeneinander, auf der gleichen Oberseite des Flächensubstrates angeordneten, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Leiterstrukturen, die mittels Faltung des Flächensubstrates vertikal übereinander liegend positionierbar und elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächensubstrat zwischen den nebeneinander angeordneten Leiterstrukturen einen Übergangsbereich vorsieht, in dem das Flächensubstrat derart gefaltet ist, dass die Leiterstrukturen durch eine einzige Lage des Flächensubstrats voneinander getrennt sind.
2. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich stegartig ausgebildet ist und eine Stegbreite aufweist, die kleiner oder gleich den Dimensionen der Bereiche des Flächensubstrates ist, auf denen jeweils die Leiterstrukturen angeordnet sind.
3. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen über elektrische Verbindungsleitungen verbunden sind, die über den Ubergangsbereich verlaufen und knickbar sind.
4. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung innerhalb des Übergangsbereiches entlang zweier Faltlinien erfolgt, die sich jeweils senkrecht schneiden.
5. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen im gefalteten Zustand relativ zur Oberfläche des Flächensubstrates gleich orientiert sind.
6. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen einstückig, d.h. in Form eines durchgängigen Leiterzuges, auf dem Flächensubstrat aufgebracht sind.
7. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterzug wenigstens ein Leitungsende aufweist, das zur Kontaktierung mit einem Anschlussbereich innerhalb der Leiterstrukturen verbindbar ist.
8. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsende aus der Ebene des Flächensubstrates verformbar ist, sodass eine unmittelbare elektrische Kontaktierung zwischen Leitungsende und dem Anschlussbereich innerhalb der Leiterstruktur erfolgt.
9. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächensubstrat kreisringförmig ausgebildete Bereiche aufweist.
10. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen auf den kreisringförmig ausgebildeten Bereichen konzentrisch kreisförmig angeordnet sind und sich als ein einziger zusammenhängender Leiterzug auf dem Flächensubstrat erstrecken.
11. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer von den kreisringförmig ausgebildeten Bereichen einen Anschlussbereich vorsieht, auf den eine elektrische Zu- und Ableitung für den Leiterzug vorgesehen sind, und dass der kreisringförmig ausgebildete Bereich einen stegartig ausgebildeten, sich in das Innere der Kreisringform erstreckenden Verschluss aufweist, der einen ersten Kontaktbereich vorsieht, an dem ein Ende des Leiterzuges endet, und dass im Anschlussbereich ein zweiter Kontaktbereich vorgesehen ist, mit dem, im gefalteten Zustand, der erste Kontaktbereich, durch Umschließen der vertikal übereinander liegenden Leiterstrukturen mit dem stegartig ausgebildeten Verschluss, unmittelbar kontaktiert ist.
12. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen mit Ausnahme des ersten und zweiten Kontaktbereiches mit einer elektrischen Isolationsschicht überzogen sind.
13. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen aus einer einzigen, auf dem Flächensubstrat abgeschiedenen Metallisierungsschicht gebildet sind.
14. Mehrschichtige Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Flächensubstrat aufgebrachten Leiterstrukturen, jede für sich einen Spulenkörper darstellen, mit wenigstens einer Spulenwicklung
15. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Planarspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte: Aufbringen der linienhaft ausgebildeten Leiterstrukturen auf dem Flächensubstrat,
Faltung des Flächensubstrates derart, dass die Leiterstrukturen vertikal übereinander angeordnet werden, wobei das Flächensubstrat zwei vertikal übereinander liegende Leiterstrukturen jeweils einlagig voneinander beabstandet.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen in einem einzigen Metallisierungsschritt auf dem Flächensubstrat aufgebracht werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf das, mit den elektrischen Leiterstrukturen versehene Flächensubstrat eine Isolationsschicht aufgebracht wird, ausschließlich jener Bereiche, die für eine elektrische Kontaktierung der Leiterstrukturen erforderlich sind.
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