EP2002490A2 - Elektrisches bauelement - Google Patents

Elektrisches bauelement

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Publication number
EP2002490A2
EP2002490A2 EP07722180A EP07722180A EP2002490A2 EP 2002490 A2 EP2002490 A2 EP 2002490A2 EP 07722180 A EP07722180 A EP 07722180A EP 07722180 A EP07722180 A EP 07722180A EP 2002490 A2 EP2002490 A2 EP 2002490A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ceramic substrate
electrical component
transformer
component according
substrate
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Withdrawn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
EP07722180A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Kartashev
Günter PUDMICH
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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 Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2002490A2 publication Critical patent/EP2002490A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/40—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers

Definitions

  • US 2001/0028206 A1 discloses a piezoelectric transformer in which internal electrodes are provided in the interior of a body.
  • An object to be solved is to provide an electrical component with a piezotransformer which has low losses.
  • an electrical component comprising a ceramic substrate having contact surfaces and a piezotransformer electrically connected to at least some of the contact surfaces of the substrate and at least partially disposed on the ceramic substrate.
  • the piezotransformer comprises a body.
  • the transformer body comprises an input part, an output part and an insulation region arranged between them, which in an advantageous variant is formed by a region of the ceramic substrate.
  • the region provided as the isolation region of the piezotransformer is preferably made thinner than the remaining regions of the ceramic substrate. This makes it possible to form a component with a particularly small overall height.
  • the component comprises electrical leads for contacting tion of the piezoelectric transformer, which are preferably at least partially integrated in the ceramic substrate.
  • the electrical leads comprise at least one vertical electrical connection to the substrate surface.
  • the component may comprise at least one electrical circuit which is electrically connected to the piezotransformer and at least partially integrated in the ceramic substrate.
  • This circuit may be suitable in particular for signal or data processing.
  • the device may comprise at least one electrical component that is electrically connected to the piezoelectric transformer and disposed on the ceramic substrate.
  • This component is preferably designed as a chip.
  • This component may comprise at least one capacitor, at least one inductance or a chip suitable for signal or data processing.
  • the ceramic substrate may include at least one recess for receiving at least one of the transformer parts.
  • the respective transformer part can be sunk in such a depression.
  • the ceramic substrate may form at least one sub-housing for at least one of the transformer parts.
  • the piezotransformer may comprise a body whose surface has at least one node region in which nodes of an acoustic wave excited in the body occur.
  • the body is preferably connected to the ceramic substrate in nodal regions and spaced therefrom in the other regions.
  • a node region extends on the bottom surface of the body along a line perpendicular to the verique..Der ⁇ wave propagation direction node area preferably extends in a width direction of the transformer body.
  • node area When operating the transformer in the fundamental mode, ie the first harmonic of an acoustic wave, only one nodal region is present approximately in the middle of the body. In operation of the second harmonic transformer, there are two nodal regions spaced approximately one-quarter wavelength from the mid-body end faces.
  • the electrical contacts of the transformer parts may be connected to the contact surfaces of the ceramic substrate by means of wires.
  • the electrical contacts of the transformer parts and those of the ceramic substrate may also face each other and be connected to each other by a solder joint.
  • the component may comprise a carrier substrate, on which the ceramic substrate is fastened to the piezoelectric transformer, electrical feed lines for connecting the ceramic substrate to an electrical circuit realized in or on the carrier substrate being integrated in the carrier substrate.
  • the body is in a variant in the region of its base on the ceramic substrate, wherein at least 90% of the base of the body are mechanically decoupled from the ceramic substrate.
  • At least two mutually spaced coupling regions may be provided, in which the transformer body is fixedly connected to the ceramic substrate. They are preferred wise arranged in a nodal area along a nodal line.
  • a node line is a line at which the deflection amplitude of the body is zero.
  • two coupling areas are provided per node area.
  • the bearing areas preferably have vibration-damping properties.
  • the bearing areas are preferably along the wave propagation direction, z. B. arranged along the longitudinal axis of the body.
  • the coupling regions are preferably arranged along a line which runs perpendicular to the wave propagation direction and to the longitudinal axis of the body.
  • FIG. 1 shows an electrical component with a ceramic substrate and an integrated piezotransformer
  • FIG. 2A shows an electrical component with a ceramic substrate and a piezotransformer arranged thereon in a side view
  • FIG. 2B shows the electrical component according to FIG. 2A in cross section
  • FIG. 3 shows a modular component in which a construction element element is integrated according to Figure 1;
  • Figure 4 is a plan view of the base (bottom) of a second harmonic operated transformer
  • Figure 5 is a plan view of the base (bottom) of a first harmonic operated transformer.
  • FIG. 1 shows an electrical component 12 (component) with a ceramic substrate 1 and a piezo transformer 3, which is arranged in the region 2 of the ceramic substrate 1.
  • the piezotransformer 3 comprises a primary part 4 with the electrodes 41, 42 and a secondary part 5 with the electrodes 51, 52.
  • the transformer 3 is preferably part of a power supply unit for the power or voltage supply of an electrical component or circuit, which is preferably arranged on the substrate 1 or integrated in that.
  • the transformer body is preferably formed from a ceramic-containing material.
  • the electrodes 41, 42, 51, 53 are arranged parallel to the main surfaces of the substrate 1 in the variant according to FIG. But you can also, as in the variant presented in Fig. 2A, 2B, run perpendicular thereto.
  • To each electrode 41, 42, 51, 53 may be connected, not shown in Fig. 1 arrangement of internal electrodes, which are arranged in the transformer body.
  • the inner electrodes are preferably aligned parallel to the main surfaces of the substrate 1, so that the excitation of the acoustic wave takes place in the vertical direction. The connection sequence of the internal electrodes is explained below.
  • contact surfaces 43, 44, 53, 54 and on the underside a contact surface 56 are arranged on the upper side of the ceramic substrate 1.
  • the first electrode 41 of the primary part 4 is connected to the contact surface 43 by means of a bonding wire 45.
  • the second electrode 42 of the primary part 4 facing the substrate is connected to the contact surface 44 by means of a feed line 46 arranged on the upper side of the substrate 1. This supply line connects the contact surface 44 and a contact surface of the substrate 1 soldered to the electrode 42.
  • the first electrode 51 of the secondary part 5 is connected to the contact surface 56 by means of a bonding wire 55.
  • the contact surface 56 is electrically connected to the contact surface 53 by means of a plated-through hole 57.
  • the substrate facing the second electrode 52 of the secondary part 5 is connected to the contact surface 54 by means of a partially exposed and partially hidden in the substrate 1 lead 58 and a feedthrough 59. This feed line connects the contact surface 54 and a contact surface of the substrate 1 soldered to the electrode 52.
  • the contact surfaces 43, 44, 53 and 54 are provided as outer electrodes of the device shown in Fig. 1. They are all located on one main surface of the substrate 1. It is possible Also, to arrange the outer electrodes of the device on both main surfaces of the substrate, ie both on the top and on the bottom.
  • the contact surfaces 43, 44 and 53, 54 are arranged on opposite main surfaces of the substrate 1 and preferably as far as possible from each other. A large distance between the contact surfaces, which are connected to the primary part and the secondary part, increases the rollover strength of the specified component.
  • the arrangement of all contact surfaces 43, 44 and 53, 54 on the same main surface of the substrate 1 is also possible.
  • the substrate 1 has a transformer region 2, which is mechanically coupled to the transformer parts 4, 5.
  • a recess 11 for receiving a transformer part - in Fig. 1 of the secondary part 5 - is provided in area 2 of the substrate.
  • area 2 of the substrate can also be another Be provided recess for receiving the other transformer part.
  • the transformer region 2 has a partial region 30, which is a component of the transformer 3.
  • the substrate 1 and the transformer 3 are integrated with each other and not separable from each other, so that the electrical function of the transformer for signal transmission is met. Further regions of the substrate may be provided for integration of an electrical circuit or as a carrier for an electrical component.
  • the substrate regions which differ from the transformer region 2 are preferably thicker than the partial region 30.
  • the thickness jump at the boundary of the abovementioned substrate regions makes the acoustic impedances of these regions different from one another.
  • the excited in the thinner transformer region 2 acoustic wave is reflected back to the border to the thicker residual area.
  • the region 30 of the substrate 1, which has a smaller thickness than the remaining substrate regions, is provided as an insulation region of the transformer 3, which is arranged between the primary part 4 and the secondary part 5.
  • This area establishes a mechanical connection between the transformer parts 4, 5.
  • This area can in principle be arbitrarily thin.
  • a thin insulation area increases the efficiency of the piezotransformer compared to a transformer with a thicker insulation area. Characterized in that the thickness of the substrate 1 in the region 30 is significantly smaller than z.
  • the mechanical coupling of the transformer 3 with the thick-walled remainder of the substrate is relatively low, so that the transformer 3 is substantially mechanically decoupled from the thicker regions of the substrate.
  • FIGS. 2A and 2B show different cross-sections AA and BB of a further component with a ceramic substrate 1 and a piezotransformer 3 mounted thereon.
  • the body of the transformer comprises an insulating region 10, which is arranged between the transformer parts 4, 5.
  • the body is cuboid and preferably formed as a ceramic plate with a rectangular cross-section.
  • the transformer 3 shown in Fig. 2A 7 2B is preferably operated at the second harmonic of a longitudina- len acoustic fundamental mode, wherein occur in the transformer body in the wave propagation direction, which coincides with the longitudinal direction of the body, two Knotenberei ⁇ he 6, 7.
  • the electrical and mechanical coupling between the substrate 1 and the transformer body is preferably substantially limited to these areas, whereby acoustic losses due to the mechanical coupling between the substrate 1 and the transformer 3 can be kept particularly low.
  • the electrode surfaces 41, 42, 51, 52 of the transformer In this case, sectors 3 can extend beyond these regions.
  • a recess 11 for receiving the entire transformer body is provided in region 2 of the substrate 1.
  • the acoustic wave spreads in the longitudinal direction of the body.
  • the minimum of the acoustic standing wave and thus the minimum deflection of the body occurs. Therefore, the mechanical coupling between the base of the transformer body and the substrate 1 is substantially limited to the nodal regions 6, 7.
  • This mechanical coupling is preferably achieved in two support areas 8, 9, each having a relatively small area. It can be seen in FIG. 2B that a large-area center region of the transformer body is mechanically decoupled from the ceramic substrate 1. This coupling is limited only to the corner or border areas of the body.
  • the area of the coupling regions is preferably less than 10% of the base area of the transformer body.
  • the bearing areas 8, 9 are each formed by a step of a side wall of the recess 11.
  • the support areas 8, 9 may alternatively be formed as arranged in the recess 11 projections, wherein preferably two projections per transformer part, so a total of four projections are provided.
  • the height of such projections is preferably smaller than the maximum depth of the recess 11.
  • the electrodes 41, 42 of the input part 4 are arranged on opposite side surfaces of the transformer body.
  • the electrodes 51, 52 of the output part 5 are also - Il ⁇
  • the contact surfaces 43, 44 provided as external electrodes are conductively connected to the electrodes 41, 42 of the input part 4 via the leads 46 and 46 '.
  • the contact surfaces 53, 54 provided as external electrodes are conductively connected via the supply lines 58 and 58 'to the electrodes 51, 52 of the output part 5.
  • Each electrode 41, 42, 51, 52 is preferably soldered to the associated lead 46, 58, 46 'and 58'.
  • Each electrode 41, 42, 51, 52 is preferably connected to an array of internal electrodes, not shown in FIGS. 2A and 2B, arranged in the body of the transformer.
  • Each arrangement of conductively interconnected internal electrodes is preferably connected only to one of the electrodes 41, 42, 51, 52 and electrically isolated from the other electrodes.
  • the internal electrodes are preferably arranged perpendicular to that electrode of the transformer part to which they are connected.
  • the internal electrodes, which are connected to the first and the second electrode of the respective transformer part are preferably arranged alternately, i. H. they interlock.
  • a device is shown with a carrier 13 in the form of a carrier plate, the z. B. may be a circuit board or another ceramic substrate.
  • This component comprises an electrical component 12, which is designed essentially like the component explained in FIG.
  • the output part 5 of the transformer 3 is not sunk in the recess 11, but protrudes from that down out.
  • an opening 14 or a recess for receiving the component 12 is provided in the carrier 13, an opening 14 or a recess for receiving the component 12 is provided.
  • At least two opposite side surfaces of this opening or depression preferably each have a step 15, 16, which is formed as a support surface for the substrate 1 of the component 12.
  • the height of the step 15, 16 is so-selected that the output part 5 of the transformer 3 is completely recessed in the opening 14 and does not protrude from the carrier 13.
  • the surface of the ceramic substrate 1 is arranged at the same height 'as the surface of the carrier 13, but may also be lower or higher.
  • contact surfaces 61, 62, 63, 64 are arranged on the upper side of the carrier 13 on the upper side of the carrier 13 contact surfaces 61, 62, 63, 64 are arranged.
  • the contact surface 61 of the carrier 13 is connected to the contact surface 44 of the ceramic substrate 1, the contact surface 62 with the contact surface 43, the contact surface 63 with the contact surface 53 and the contact surface 64 with the contact surface 54 by means of bonding wires. Instead of bonding wires and other electrical leads come into consideration.
  • a further electrical component may be mounted, which is electrically connected to the transformer 3 and is preferably supplied by that with voltage.
  • a further circuit may be integrated, which is electrically connected to the transformer 3 and is preferably supplied by that with voltage.
  • FIG. 4 shows an exemplary arrangement of coupling regions for a transformer 2 operated at the second harmonic.
  • the transformer body is with the Kerainiksubstrat 1 in four spaced-coupling areas 101, 102, 103, 104 firmly connected.
  • Two coupling regions 101, 102 are arranged at a distance from one another in the first node region 6 and two further coupling regions 103, 104 are arranged at a distance from one another in the second node region 7.
  • FIG. 5 shows an exemplary arrangement of coupling regions for a piezo-transformer operated at the first harmonic.
  • the transformer body is fixedly connected to the ceramic substrate 1 in two spaced-apart coupling regions 101, 102.
  • two spaced apart, attached to the ceramic substrate 1 support areas 201, 202 are provided, on which the body rests.
  • the bearing areas 201, 202 are arranged along the wave propagation direction and the longitudinal axis L of the transformer body.
  • the support areas can z. B. from a relatively hard rubber.
  • the position of the coupling regions and the support regions may differ from the examples shown in FIGS. 4 and 5.
  • the bearing areas can in principle be arranged in the frontal edge areas of the base area.
  • the specified component is not limited to the examples shown in FIGS. 1 to 3 with regard to the geometric shape of elements shown and with regard to the type of mechanical coupling between the ceramic substrate and the transformer body.
  • the transformer can be designed in principle arbitrary. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, umfassend ein Keramiksubstrat (1) und einen Piezotransformator (3), der elektrisch und mechanisch mit dem Keramiksubstrat (1) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Elektrisches Bauelement
Aus der Druckschrift US 2001/0028206 Al ist ein piezoelektrischer Transformator bekannt, bei dem im Innern eines Körpers Innenelektroden vorgesehen sind.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit einem Piezotransformator angegeben, das geringe Verluste aufweist .
Es wird ein elektrisches Bauelement angegeben, umfassend ein Keramiksubstrat, das Kontaktflächen aufweist, und einen Piezotransformator, der elektrisch mit zumindest einigen der Kontaktflächen des Substrats verbunden und zumindest teilweise auf dem Keramiksubstrat angeordnet ist.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen des angegebenen Bauelements beschrieben.
Der Piezotransformator umfasst einen Körper. Der Transformatorkörper umfasst einen Eingangsteil, einen Ausgangsteil und einen zwischen diesen angeordneten Isolationsbereich, der in einer vorteilhaften Variante durch einen Bereich des Keramiksubstrats gebildet ist.
Der als Isolationsbereich des Piezotransformators vorgesehener Bereich ist vorzugsweise dünner ausgebildet als übrige Bereiche des Keramiksubstrats. Damit gelingt es, ein Bauelement mit einer besonders kleinen Gesamthöhe zu bilden.
Das Bauelement umfasst elektrische Zuleitungen zur Kontaktie- rung des Piezotransformators, die vorzugsweise zumindest teilweise im Keramiksubstrat integriert sind. Die elektrischen Zuleitungen umfassen zumindest eine vertikal zur Substratoberfläche verlaufende elektrische Verbindung.
Das Bauelement kann mindestens eine elektrische Schaltung umfassen, die elektrisch mit dem Piezotransformator verbunden und zumindest teilweise im Keramiksubstrat integriert ist. Diese Schaltung kann insbesondere zur Signal- oder Datenverarbeitung geeignet sein.
Das Bauelement kann mindestens eine elektrische Komponente umfassen, die elektrisch mit dem Piezotransformator verbunden und auf dem Keramiksubstrat angeordnet ist . Diese Komponente ist vorzugsweise als Chip ausgebildet . Diese Komponente kann mindestens eine Kapazität, mindestens eine Induktivität oder einen zur Signal- oder Datenverarbeitung geeigneten Chip umfassen.
Das Keramiksubstrat kann mindestens eine Vertiefung zur Aufnahme von zumindest einem der Transformatorteile aufweisen. Der jeweilige Transformatorteil kann in einer solchen Vertiefung versenkt sein. Das Keramiksubstrat kann für zumindest einen der Transformatorteile zumindest ein Teilgehäuse bilden.
Der Piezotransformator kann einen Körper umfassen, dessen 0- berflache mindestens einen Knotenbereich aufweist, in dem Knoten einer im Körper angeregten akustischen Welle auftreten. Der Körper ist vorzugsweise in Knotenbereichen mit dem Keramiksubstrat verbunden und in den sonstigen Bereichen von jenem beabstandet . Ein Knotenbereich erstreckt sich an der Grundfläche des Körpers entlang einer Linie, die senkrecht zu der ■Wellenausbreitungsrichtung verläuft..Der Knotenbereich erstreckt sich vorzugsweise in einer Breitenrichtung des Transformatorkörpers . Beim Betrieb des Transformators bei der Grundmode, d. h. der ersten Harmonischen einer akustischen Welle, ist nur ein Knotenbereich ungefähr in der Mitte des Körpers vorhanden. Beim Betrieb des Transformators bei der zweiten Harmonischen sind zwei Knotenbereiche vorhanden, die ungefähr um eine Viertel- Wellenlänge von den Stirnflächen in der Mitte des Körpers beabstandet sind.
Die elektrischen Kontakte der Transformatorteile können mit den Kontaktflächen des Keramiksubstrats mittels Drähten verbunden sein. Die elektrischen Kontakte der Transformatorteile und diejenigen des Keramiksubstrats können auch einander gegenüber liegen und durch eine Lötverbindung miteinander verbunden sein.
Das Bauelement kann zudem ein Trägersubstrat umfassen, auf dem das Keramiksubstrat mit dem Piezotransformator befestigt ist, wobei im Trägersubstrat elektrische Zuleitungen zur Verbindung des Keramiksubstrats mit einer im oder auf Trägersubstrat realisierten elektrischen Schaltung integriert sind.
Der Körper liegt in einer Variante im Bereich seiner Grundfläche auf dem Keramiksubstrat auf, wobei zumindest 90% der Grundfläche des Körpers vom Keramiksubstrat mechanisch entkoppelt sind.
Es können mindestens zwei voneinander beabstandete Kopplungs- bereiche vorgesehen sein, in denen der Transformatorkörper mit dem Keramiksubstrat fest verbunden ist. Sie sind Vorzugs- weise in einem Knotenbereich entlang einer Knotenlinie angeordnet. Als Knotenlinie wird eine Linie bezeichnet, an der die Auslenkungsamplitude des Körpers Null ist. Vorzugsweise sind pro Knotenbereich zwei Kopplungsbereiche vorgesehen.
Insbesondere für den Betrieb bei der ersten Harmonischen ist es vorteilhaft, neben zwei im Knotenbereich angeordneten Kopplungsbereichen mindestens zwei voneinander beabstandete, am Keramiksubstrat befestigte Auflagebereiche anzuordnen, auf denen der Körper aufliegt. Die Auflagebereiche weisen vorzugsweise schwingungεdämpfende Eigenschaften auf .
Die Auflagebereiche sind vorzugsweise entlang der Wellenausbreitungsrichtung, z. B. entlang der Längsachse des Körpers angeordnet. Die Kopplungsbereiche sind vorzugsweise entlang einer Linie angeordnet, die senkrecht zur Wellenausbreitungs- richtung und zur Längsachse des Körpers verläuft .
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert . Es zeigen:
Figur 1 ein elektrisches Bauelement mit einem Keramiksub- strat und einem integrierten Piezotransformator;
Figur 2A ein elektrisches Bauelement mit einem Keramiksubstrat und einem darauf angeordneten Piezotransformator in einer Seitenansicht;
Figur 2B das elektrische Bauelement gemäß Figur 2A im Querschnitt;
Figur 3 ein modular aufgebauten Bauelement, in dem ein Bau- element gemäß Figur 1 integriert ist;
Figur 4 eine Draufsicht auf die Grundfläche (Unterseite) eines bei der zweiten Harmonischen betriebenen Transformators;
Figur 5 eine Draufsicht auf die Grundfläche (Unterseite) eines bei der ersten Harmonischen betriebenen Transformators.
Figur 1 zeigt eine elektrische Komponente 12 (Bauelement) mit einem Keramiksubstrat 1 und einem Piezotransformator 3, der im Bereich 2 des Keramiksubstrats 1 angeordnet ist. Der Piezotransformator- 3 umfasst ein Primärteil 4 mit den Elektroden 41, 42 und ein Sekundärteil 5 mit den Elektroden 51, 52.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 41, 42 des Primärteils 4 wird eine mechanische Spannung - bei periodischem Signal eine akustische Welle - erzeugt, die auf das Sekundärteil 5 übertragen wird. An den Elektroden 51, 52 des Sekundärteils 5 kann eine Ausgangsspannung des Transformators abgegriffen werden. Die Polarisationsrichtung zwischen den Elektroden des jeweiligen Transformatorteils ist mit einem Pfeil P gekennzeichnet.
Der Transformator 3 ist vorzugsweise Bestandteil eines Netzteils zur Strom- oder Spannungsversorgung einer elektrischen Komponente oder Schaltung, die vorzugsweise auf dem Substrat 1 angeordnet oder in jenem integriert ist.
Der Transformatorkörper ist vorzugsweise aus einem keramik- haltigen Material gebildet. Die Elektroden 41, 42, 51, 53 sind in der Variante gemäß Figur 1 parallel zu den Hauptflächen des Substrats 1 angeordnet. Sie können aber auch, wie in der in Fig. 2A, 2B vorgestellten Variante, senkrecht dazu verlaufen. An jede Elektrode 41, 42, 51, 53 kann eine in Fig. 1 nicht gezeigte Anordnung von Innenelektroden angeschlossen sein, die im Transformatorkörper angeordnet sind. Die Innenelektroden sind vorzugsweise parallel zu den Hauptflächen des Substrats 1 ausgerichtet, so dass die Anregung der akustischen Welle in Vertikalrichtung erfolgt . Die Anschlussfolge der Innenelektroden ist nachstehend erläutert .
Auf der Oberseite des Keramiksubstrats 1 sind Kontaktflächen 43, 44, 53, 54 und auf der Unterseite eine Kontaktfläche 56 angeordnet. Die erste Elektrode 41 des Primärteils 4 ist mit der Kontaktfläche 43 mittels eines Bonddrahtes 45 verbunden. Die zum Substrat gewandte zweite Elektrode 42 des Primärteils 4 ist mit der Kontaktfläche 44 mittels einer auf der Oberseite des Substrats 1 angeordneten Zuleitung 46 verbunden. Diese Zuleitung verbindet die Kontaktfläche 44 und eine mit der E- lektrode 42 verlötete Kontaktfläche des Substrats 1.
Die erste Elektrode 51 des Sekundärteils 5 ist mit der Kontaktfläche 56 mittels eines Bonddrahtes 55 verbunden. Die Kontaktfläche 56 ist mittels einer Durchkontaktierung 57 e- lektrisch mit der Kontaktfläche 53 verbunden. Die zum Substrat gewandte zweite Elektrode 52 des Sekundärteils 5 ist mit der Kontaktfläche 54 mittels einer teilweise frei liegenden und teilweise im Substrat 1 verborgenen Zuleitung 58 und einer Durchkontaktierung 59 verbunden. Diese Zuleitung verbindet die Kontaktfläche 54 und eine mit der Elektrode 52 verlötete Kontaktfläche des Substrats 1.
Die Kontaktflächen 43, 44, 53 und 54 sind als Außenelektroden des in Fig. 1 gezeigten Bauelements vorgesehen. Sie liegen alle auf einer Hauptfläche des Substrats 1. Möglich ist aber auch, die Außenelektroden des Bauelements auf beiden Haupt- flächen des Substrats, d. h. sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite, anzuordnen.
Die Kontaktflächen 43, 44 und 53, 54 sind an gegenüber liegenden Hauptflächen des Substrats 1 angeordnet und vorzugsweise möglichst weit voneinander entfernt. Ein großer Abstand zwischen den Kontaktflächen, die an das Primärteil und das Sekundärteil angeschlossen sind, erhöht die Überschlagsfes- tigkeit des angegebenen Bauelements. Die Anordnung von allen Kontaktflächen 43, 44 und 53, 54 auf derselben Hauptfläche des Substrats 1 ist auch möglich.
Die Anordnung des Transformators 3 zwischen den Kontaktflächen 43, 44 für das Primärteil 4 und den Kontaktflächen 53,
54 für das Sekundärteil 5 ist besonders vorteilhaft, da somit eine gute elektromagnetische Entkopplung der Transformatorteile gelingt. Vorteilhaft ist dabei, dass die Bonddrähte 45,
55 zur Kontaktierung der verschiedenen Transformatorteile zu verschiedenen Hauptseiten des Substrats 1 herausgeführt sind. Die Anordnung von Kontaktflächen des Substrats, Zuleitungen und Bonddrähten kann aber im Prinzip beliebig sein. Beispielsweise ist es möglich, dass die durch den Bonddraht 45 kontaktierte Kontaktfläche 43 z. B. über eine Zuleitung mit einer weiteren, als Außenelektrode zu Kontaktierung der ersten Elektrode 41 des Primärteils vorgesehenen Kontaktfläche elektrisch verbunden ist.
Das Substrat 1 weist einen Transformatorbereich 2 auf, der mit den Transformatorteilen 4, 5 mechanisch gekoppelt ist. Im Transformatorbereich 2 ist eine Vertiefung 11 zur Aufnahme eines Transformatorteils - in Fig. 1 des Sekundärteils 5 - vorgesehen. Im Bereich 2 des Substrats kann auch eine weitere Vertiefung zur Aufnahme des anderen Transformatorteils vorgesehen sein.
Der Transformatorbereich 2 weist einen Teilbereich 30 auf, der ein Bestandteil des Transformators 3 ist. Somit ist das Substrat 1 und der Transformator 3 ineinander integriert und voneinander nicht trennbar, damit die elektrische Funktion des Transformators zur Signalübertragung erfüllt ist. Weitere Bereiche des Substrats können zur Integration einer elektrischen Schaltung oder als Träger für eine elektrische Komponente vorgesehen sein.
Die vom Transformatorbereich 2 unterschiedlichen Substratbereiche sind vorzugsweise dicker als der Teilbereich 30. Durch den Dickensprung an der Grenze der erwähnten Substratbereiche sind die akustischen Impedanzen dieser Bereiche voneinander unterschiedlich. Somit wird die im dünneren Transformatorbereich 2 angeregte akustische Welle an der Grenze zum dickeren Restbereich zurück reflektiert. Somit gelingt es, die mechanische Energie der akustischen Welle größtenteils im Transformatorbereich 2 zu lokalisieren.
Der Bereich 30 des Substrats 1, der eine geringere Dicke als die übrigen Substratbereiche aufweist, ist als ein Isolationsbereich des Transformators 3 vorgesehen, das zwischen dem Primärteil 4 und dem Sekundärteil 5 angeordnet ist. Dieser Bereich stellt eine mechanische Verbindung zwischen den Transformatorteilen 4, 5 her. Dieser Bereich kann im Prinzip beliebig dünn sein. Ein dünn ausgebildeter Isolationsbereich erhöht die Effizienz des Piezotransformators gegenüber einem Transformator mit einem dickeren Isolationsbereich. Dadurch, dass die Dicke des Substrats 1 im Bereich 30 deutlich kleiner ist als z. B. in den zur Befestigung an einem externen Träger oder als Träger für weitere elektrische Komponenten vorgesehenen Substratbereichen, ist die mechanische Kopplung des Transformators 3 mit dem dickwandigen Rest des Substrats relativ gering, so dass der Transformator 3 von den dickeren Bereichen des Substrats im Wesentlichen mechanisch entkoppelt ist .
Im Piezotransformator 3 gemäß Figur 1 werden akustische Schwingungen in Vertikalrichtung, d. h. senkrecht zur Haupt- fläche des Keramiksubstrats 1 angeregt. Dagegen werden im Piezotransformator 3 gemäß Figuren 2A, 2B akustische Schwingungen in Longitudinalrichtung, d. h. parallel zur Hauptfläche des Keramiksubstrats 1 angeregt .
In den Figuren 2A und 2B sind verschiedene Querschnitte A-A und B-B eines weiteren Bauelements mit einem Keramiksubstrat 1 und einem auf diesen befestigten Piezotransformator 3 gezeigt. Der Körper des Transformators umfasst einen Isolationsbereich 10 auf, der zwischen den Transformatorteilen 4, 5 angeordnet ist. Der Körper ist quaderförmig und vorzugsweise als eine Keramikplatte mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Der in Fig. 2A7 2B gezeigte Transformator 3 wird vorzugsweise bei der zweiten Harmonischen einer longitudina- len akustischen Grundmode betrieben, wobei im Transformatorkörper in Wellenausbreitungsrichtung, die mit der Längsrichtung des Körpers übereinstimmt, zwei Knotenbereiσhe 6, 7 vorkommen. Die elektrische und mechanische Kopplung zwischen dem Substrat 1 und dem Transformatorkörper ist vorzugsweise im Wesentlichen auf diese Bereiche beschränkt, womit akustische Verluste durch die mechanische Kopplung zwischen dem Substrat 1 und dem Transformator 3 besonders gering gehalten werden können. Die Elektrodenflächen 41, 42, 51, 52 des Transforma- tors 3 können sich dabei über diese Bereiche hinaus erstrecken.
In dieser Variante ist im Bereich 2 des Substrats 1 eine Vertiefung 11 zur Aufnahme des gesamten Transformatorkörpers vorgesehen. Die akustische Welle breitet sich in Längsrichtung des Körpers auf. In den Knotenbereichen 6, 7 tritt das Minimum der akustischen Stehwelle und somit die minimale Auslenkung des Körpers auf. Daher ist die mechanische Kopplung zwischen der Grundfläche des Transformatorkörpers und dem Substrat 1 im Wesentlichen auf die Knotenbereiche 6, 7 beschränkt. Diese mechanische Kopplung kommt vorzugsweise in zwei Auflagebereichen 8, 9 zustande, die jeweils eine relativ kleine Fläche aufweisen. In der Figur 2B ist zu sehen, dass ein großflächiger Mittenbereich des Transformatorkörpers vom Keramiksubstrat 1 mechanisch entkoppelt ist. Diese Kopplung ist nur auf die Eck- bzw. Randbereiche des Körpers beschränkt. Die Fläche der Kopplungsbereiche beträgt vorzugsweise weniger als 10% der Grundfläche des Transformatorkörpers .
Die Auflagebereiche 8, 9 sind jeweils durch eine Stufe einer Seitenwand der Vertiefung 11 gebildet. Die Auflagebereiche 8, 9 können alternativ als in der Vertiefung 11 angeordnete Vorsprünge ausgebildet sein, wobei vorzugsweise zwei Vorsprünge pro Transformatorteil, also insgesamt vier Vorsprünge vorgesehen sind. Die Höhe solcher Vorsprünge ist vorzugsweise kleiner als die Maximaltiefe der Vertiefung 11.
Die Elektroden 41, 42 des Eingangsteils 4 sind auf gegenüber liegenden Seitenflächen des Transformatorkörpers angeordnet. Auch die Elektroden 51, 52 des Ausgangsteils 5 sind auf die- - Il ¬
sen Seitenflächen angeordnet, aber von den Elektroden 41, 42 des Eingangsteils 4 beabstandet.
Die als Außenelektroden vorgesehenen Kontaktflächen 43, 44 sind über die Zuleitungen 46 und 46' mit den Elektroden 41, 42 des Eingangsteils 4 leitend verbunden. Die als Außenelektroden vorgesehenen Kontaktflächen 53, 54 sind über die Zuleitungen 58 und 58' mit den Elektroden 51, 52 des Ausgangsteils 5 leitend verbunden. Jede Elektrode 41, 42, 51, 52 ist vorzugsweise mit der zugeordneten Zuleitung 46, 58, 46' und 58' verlötet .
Jede Elektrode 41, 42, 51, 52 ist vorzugsweise an eine Anordnung von im Körper des Transformators angeordneten, in den Figuren 2A und 2B nicht gezeigten Innenelektroden angeschlossen. Jede Anordnung von leitend miteinander verbundenen Innenelektroden ist vorzugsweise nur an eine der Elektroden 41, 42, 51, 52 angeschlossen und von den übrigen Elektroden e- lektrisch isoliert. Die Innenelektroden sind vorzugsweise senkrecht zu derjenigen Elektrode des Transformatorteils angeordnet, an die sie angeschlossen sind. Die Innenelektroden, die mit der ersten und der zweiten Elektrode des jeweiligen Transformatorteils verbunden sind, sind vorzugsweise alternierend angeordnet, d. h. sie greifen ineinander.
In der Figur 3 ist ein Bauelement mit einem Träger 13 in Form einer Trägerplatte gezeigt, die z. B. eine Leiterplatte oder ein weiteres Keramiksubstrat sein kann. Dieses Bauelement um- fasst eine elektrische Komponente 12, die im Wesentlichen wie die in der Figur 1 erläuterte Komponente ausgebildet ist. Im Unterschied zur Figur 1 ist der Ausgangsteil 5 des Transformators 3 in der Vertiefung 11 nicht versenkt, sondern ragt aus jener nach unten hinaus. Im Träger 13 ist eine Öffnung 14 oder eine Vertiefung zur Aufnahme der Komponente 12 vorgesehen. Zumindest zwei gegenüber liegende Seitenflächen dieser Öffnung oder Vertiefung weisen vorzugsweise jeweils eine Stufe 15, 16 auf, die als eine Auflagefläche für das Substrat 1 der Komponente 12 ausgebildet ist. Die Höhe der Stufe 15, 16 ist so -gewählt, dass der Ausgangsteil 5 des Transformators 3 komplett in der Öffnung 14 versenkt ist und aus dem Träger 13 nicht hinausragt. Die Oberfläche des Keramiksubstrats 1 ist auf der gleichen Höhe angeordnet' wie die Oberfläche des Trägers 13, kann aber auch niedriger oder höher liegen.
Auf der Oberseite des Trägers 13 sind Kontaktflächen 61, 62, 63, 64 angeordnet. Die Kontaktfläche 61 des Trägers 13 ist mit der Kontaktfläche 44 des Keramiksubstrats 1, die Kontakt- fläche 62 mit der Kontaktfläche 43, die Kontaktfläche 63 mit der Kontaktfläche 53 und die Kontaktfläche 64 mit der Kontaktfläche 54 mittels Bonddrähte verbunden. Anstatt Bonddrähte kommen auch anderweitige elektrische Zuleitungen in Betracht .
Auf dem außerhalb der Öffnung 14 liegenden Bereich des Trägers 13 kann eine weitere elektrische Komponente montiert sein, die elektrisch mit dem Transformator 3 verbunden ist und vorzugsweise von jenem mit Spannung versorgt wird. Im Träger 13 kann auch eine weitere Schaltung integriert sein, die elektrisch mit dem Transformator 3 verbunden ist und vorzugsweise von jenem mit Spannung versorgt wird.
In Figur 4 ist eine beispielhafte Anordnung von Kopplungsbereichen für einen bei der zweiten Harmonischen betriebenen Transformator 3 gezeigt. Der Transformatorkörper ist mit dem Kerainiksubstrat 1 in vier voneinander beabstandeten Kopplungsbereichen 101, 102, 103, 104 fest verbunden. Zwei Kopplungsbereiche 101, 102 sind im Abstand voneinander im ersten Knotenbereich 6 und zwei weitere Kopplungsbereiche 103, 104 im Abstand voneinander im zweiten Knotenbereich 7 angeordnet .
In Figur 5 ist eine beispielhafte Anordnung von Kopplungsbereichen für einen bei der ersten Harmonischen betriebenen Piezotransformator gezeigt. Der Transformatorkörper ist mit dem Keramiksubstrat 1 in zwei voneinander beabstandeten Kopplungsbereichen 101, 102 fest verbunden. Darüber hinaus sind zwei voneinander beabstandete, am Keramiksubstrat 1 befestigte Auflagebereiche 201, 202 vorgesehen, auf denen der Körper aufliegt. Die Auflagebereiche 201, 202 sind entlang der Wellenausbreitungsrichtung und der Längsachse L des Transformatorkörpers angeordnet. Die Auflagebereiche können z. B. aus einem relativ harten Gummi sein.
Die Lage der Kopplungsbereiche und der Auflagebereiche kann sich von den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Beispielen unterscheiden. Die Auflagebereiche können im Prinzip in den stirnseάtigen Randbereichen der Grundfläche angeordnet sein.
Das angegebene Bauelement ist auf die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Beispiele bezüglich der geometrischen Form von dargestellten Elementen sowie bezüglich der Art der mechanischen Kopplung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Transformatorkörper nicht beschränkt . Der Transformator kann im Prinzip beliebig ausgeführt sein. Bezugszeichenliste
1 Keramiksubstrat
2 Bereich des Keramiksubstrats, in dem Piezotransformator angeordnet ist
3 Piezotransformator
30 Bereich des Substrats 1 mit geringer Dicke
4 Primärteil des Transformators 41, 42 Elektroden des Primärteils
43, 44 Kontaktflächen des Keramiksubstrats
45 Bonddraht
46, 46' Zuleitung
5 Sekundärteil des Transformators 51, 52 Elektroden des Sekundärteils
53, 54, 56 Kontaktflächen des Keramiksubstrats 55 Bonddraht
57, 59 Durchkontaktierungen
58, 58' Zuleitung 6, 7 Knotenbereiche
61, 62 Kontaktflächen des Trägers 13 63, 64 Kontaktflächen des Trägers 13 8, 9 Auflagebereiche
10 Isolationsbereich
11 Vertiefung
12 elektrische Komponente, umfassend Piezotransformator und Keramiksubstrat
13 Träger
14 Öffnung
P Polarisation

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Bauelement, umfassend
- ein Keramiksubstrat (1) und einen Piezotransformator (3) , der elektrisch und mechanisch mit dem Keramiksubstrat (1) verbunden ist.
2. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1,
- wobei der Piezotransformator (3) einen Eingangsteil (4) , einen Ausgangsteil (5) und einen zwischen diesen angeordneten Isolationsbereich (10, 30) umfasst,
- wobei der Isolationsbereich (10, 30) durch einen Bereich (30) des Keramiksubstrats (1) gebildet ist.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 2 ,
- wobei der Isolationsbereich (30) dünner ausgebildet ist als übrige Bereiche des Keramiksubstrats (1) .
4. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,
- mit elektrischen Zuleitungen (57, 58, 59) zur Kontaktierung des Piezotransformators (3) , die zumindest teilweise im Keramiksubstrat (1) integriert sind.
5. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 4,
- wobei die elektrischen Zuleitungen (57, 58, 59) zumindest eine Durchkontaktierung (57, 59) umfassen.
6. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- mit mindestens einer elektrischen Schaltung, die elektrisch mit dem Piezotransformator (3) verbunden und zumindest teilweise im Keramiksubstrat (1) integriert ist.
7. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - mit mindestens einer elektrischen Komponente, die elektrisch mit dem Piezotransformator (3) verbunden und auf dem Keramiksubstrat (1) angeordnet ist.
8. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
- wobei das Keramiksubstrat (1) mindestens eine Vertiefung (11) zur Aufnahme von zumindest einem der Transformatorteile (4, 5) umfasst.
9. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- wobei das Keramiksubstrat (1) für zumindest einen der Transformatorteile (4, 5) zumindest ein Teilgehäuse bildet.
10. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei der Piezotransformator (3) einen Körper umfasst, dessen Oberfläche mindestens einen Knotenbereich (6, 7) aufweist, in dem Knoten einer im Körper angeregten akustischen Welle auftreten,
- wobei der Körper nur in dem mindestens einen Knotenbereich (6, 7) mit dem Keramiksubstrat (1) fest verbunden und in den sonstigen Bereichen davon beabstandet ist.
11. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- mit einem Trägersubstrat (13) , auf dem das Keramiksubstrat (1) mit dem Piezotransformator (3) befestigt ist,
- wobei im Trägersubstrat (13) elektrische Zuleitungen zur " Verbindung des Keramiksubstrats (1) mit einer im oder auf dem Trägersubstrat gebildeten elektrischen Schaltung integriert sind.
12. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 10,
- wobei mindestens zwei voneinander beabstandete Kopplungsbe- reiche (101, 102, 103, 104) vorgesehen sind, in denen der Körper mit dem Keramiksubstrat (1) fest verbunden ist.
13. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 12 ,
- wobei die mindestens zwei Kopplungsbereiche (101, 102, 103, 104) in dem mindestens einen Knotenbereich (6, 7) angeordnet sind.
14. Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
- wobei mindestens zwei voneinander beabstandete, am Keramiksubstrat (1) befestigte Auflagebereiche (201, 202) vorgesehen sind, auf denen der Körper aufliegt,
- wobei die Auflagebereiche (201, 202) schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen.
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