EP3378073A1 - Smd-induktivität mit hoher spitzenstrombelastbarkeit und niedrigen verlusten und verfahren zur herstellung - Google Patents

Smd-induktivität mit hoher spitzenstrombelastbarkeit und niedrigen verlusten und verfahren zur herstellung

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EP3378073A1
EP3378073A1 EP16794616.9A EP16794616A EP3378073A1 EP 3378073 A1 EP3378073 A1 EP 3378073A1 EP 16794616 A EP16794616 A EP 16794616A EP 3378073 A1 EP3378073 A1 EP 3378073A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inner core
smd
wire
inductor according
smd inductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16794616.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Beckmann
Anneliese Drespling
Felipe JEREZ
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP3378073A1 publication Critical patent/EP3378073A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01F27/29—Terminals; Tapping arrangements for signal inductances
    • H01F27/292—Surface mounted devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type with magnetic core
    • H01F17/045—Fixed inductances of the signal type with magnetic core with core of cylindric geometry and coil wound along its longitudinal axis, i.e. rod or drum core
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2823—Wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F2003/106—Magnetic circuits using combinations of different magnetic materials

Definitions

  • the invention relates to SMD inductors, so suitable for surface mounting electrical components with a ge ⁇ desired inductance L, as well as methods for the manufacture ⁇ ment of such devices.
  • SMD inductors can be easily combined into circuits with other circuit components, since they can be connected easily applied to circuit boards and electrical see conductors on the circuit board.
  • inductors which are realized as structured conductor track sections in or on printed circuit boards
  • SMD inductors have particularly high Q ratings.
  • SMD inductors are said to have low losses and high peak current ratings.
  • Previous inductors made of iron alloys are made so that a winding is wrapped with material and then pressed. This process pre-damages the winding wire.
  • SMD inductors should have high mechanical stability.
  • Conventional SMD inductors require a high material thickness to sufficiently stable against specific requirements, eg. As drop tests, in which the device is dropped test-wise, to be able to exist.
  • Common SMD inductors also have the problem of having either low losses or high peak current carrying capacity. It is therefore an object of the present invention to provide SMD inductors having both high peak current capability and low losses. Further sol ⁇ len Be produce inductors inexpensive and be mechanically stable so as not to jeopardize the reliability of the entire circuit with the SMD-inductance.
  • the SMD inductor comprises an inner core piece, a äuße ⁇ res core and a coil with a wire.
  • the inner core has an alloy.
  • the outer core has ferrite.
  • the wire is around the inner core piece of waxed ⁇ developed and forms together with the inner core of the
  • the inner core with the wire is located in the outer core.
  • the SMD-inductance can have external connections on ⁇ over which the coil with an external environment Heidelbergungsumge- is interconnected.
  • the inner core piece may comprise an iron alloy or consist of an iron alloy.
  • the inner core piece has a central portion with a round, oval or polygonal cross section.
  • the wire is wound around the central portion of the inner core.
  • the alloy of the inner core comprises iron.
  • the alloy of the inner core piece comprises a sintered material.
  • sintered material is free from a binder.
  • the sintered material can comprise grains having a through-average ⁇ grain size of a few micrometers.
  • the grain size of the iron alloy of the present inductance may be smaller than the grain size of conventional SMD inductors.
  • the grains of the iron alloy can be isolated from each other, so that an iron alloy with reduced losses and thus an SMD inductor with improved Gü ⁇ tedochit Q is obtained.
  • the use of smaller and individually isolated grains allows increased density of the material, which can achieve increased magnetic saturation and reduced electrical losses in the operation of the inductor.
  • the wire of the coil has a number of turns Z with 1.5 -SZ ⁇ 100.
  • the material of the inner core piece Si ⁇ lizium and iron Si ⁇ lizium and iron.
  • An inner core of silicon and iron is preferred in this case, the iron content preference ⁇ example is significantly larger than the silicon content of the inner core piece. Core pieces without silicon are also possible.
  • the SMD inductance can thus have inductance values L between 0.3 and 100 ⁇ .
  • the inductance may have one or more additional wires.
  • the one additional wire or the plurality of additional wires can be connected in series or in parallel with the above-mentioned wire. In a special embodiment, all the wires of the inductance are connected in parallel. Combination of series and parallel connections is also possible.
  • the total number of wires can be 100 or more.
  • All individual wires can, for example, be combined in a parallel connection to form a stranded wire.
  • the strand with a ⁇ individual wires may be wound around the inner core piece.
  • the wire, the wire and the additional wire and / or the stranded wire can thereby be wound in particular around the central portion of the inner core piece, when the inner core ⁇ piece has a central portion.
  • the outer core piece has an outer wall with a recess.
  • the recess has a first surface and a second surface that is not parallel to the first surface.
  • the transition from the first surface to the second surface is asymmetrically shaped with respect to an angle bisector to both surfaces to avoid stress cracks.
  • the outer core accommodates the inner core with the coil.
  • electrical contacts must be made to the outside
  • SMD inductance Surface of the SMD inductance be led. This contact may be guided through the recess in the outer wall of the outer core piece.
  • the problem with conventional SMD inductors is a recess in an outer wall of the outer core piece, because at edges of the recess mechanically induced stress cracks can occur when the SMD inductance external forces, eg. As the acceleration or the delay in a drop test exposed.
  • Two non-parallel surfaces intersect in a straight line. For these two surfaces there is another surface which intersects the first two surfaces along this line and encloses the same angle with each of the first two surfaces.
  • the cutting line represents the edge of a recess, which is particularly endangered by mechanical influences.
  • Said transition can be provided instead of a sharp edge and in particular be configured asymmetrically with respect to the bisector in order to prevent such stress cracks.
  • the transition may have transitional dimensions a and b, which are different from each other (a + b).
  • the edge of the recess can be defused by a meeting of two mutually perpendicular surfaces by the formation of the transition.
  • Lo is the inductor without current
  • the peak current carrying capacity may be greater than or equal to 1.2mWs.
  • the peak current carrying capacity may be greater than or equal to 0.45 mWs.
  • the peak current capability may be greater than or equal to 0.36 mWs.
  • the peak current capability may be greater than or equal to 0.25 mWs.
  • the corresponding component can have a rectangular base.
  • the losses, z. B. m 3 are at a frequency of 300 kHz, at 30 mT and 20 ° C, less than or equal to 600 kW / in the core material.
  • a method for producing an SMD inductor comprises the steps:
  • the inner core itself may be made by pressing or by pressing and rounding, or by pressing and grinding.
  • the SMD-inductance and the method of manufacturing a SMD-inductance are illustrated by the schematic figures and embodiments shown, which do not limit the subject matter of the applications ahead ⁇ closer.
  • FIG. 2 a comparison with a conventional component with a crimped winding
  • FIG. 3 shows a section through a sagittal plane of a possible inner core piece
  • FIG. 4 shows a section through a sagittal plane of an inno ⁇ vative inner core
  • FIG. 6 shows a section through a transverse plane of a possible inner core piece
  • 7 shows a section through a transverse plane of a ⁇ al ternatives inner core piece
  • FIG. 8 shows a perspective view of a possible inner core piece
  • Figure 10 is a perspective view of an outer core ⁇ piece having a recess
  • FIG. 11 shows a perspective view of a possible outer core piece, in which an edge of the recess is replaced by a rounded transition in order to reduce the risk of stress cracks,
  • Figure 12 the perspective view of the arrangement
  • Figure 13 is a perspective view of a possible äuße ⁇ ren core piece
  • FIG. 14 shows a perspective view of a possible SMD inductance with a section through a sagittal plane
  • FIG. 15 shows the dependence of the inductance value L on
  • FIG. 16 shows the frequency-dependent profile of the quality Q in comparison to the quality Q k onv of a conventional SMD inductance.
  • FIG. 1 illustrates the basic structure of the SMD
  • the inductance comprises an inner core ⁇ piece IK, a wire D and an outer core piece AK.
  • the wire D is wound around the inner core IK and forms the coil SP of the SMD inductor SMDI.
  • the wire D may have a round or a rectangular cross-section.
  • the shape of the cross section of the wire remains virtually unchanged when wound around the inner core IK.
  • the risk of short circuits within the coil SP is significantly reduced.
  • Figure 2 shows the arrangement of the wound into a coil SP wire D in a conventional SMD inductance.
  • the wire is squeezed together with a matrix material M in a desired shape, wherein the shape of the cross section of the wire changes.
  • by squeezing there is a risk of short circuits within the coil SP, whereby the reliability of the inductance is significantly reduced.
  • FIG. 3 shows a possible form of the inner core IK.
  • the inner core IK has a central portion MA, which may be in the shape of a cylinder or whose shape is similar to that of a cylinder.
  • the inner core further has a lower portion UA and an upper portion OA, between which the middle portion MA is disposed.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment in which the lower portion and the upper portion have rounded edges.
  • FIG. 5 shows a further possible embodiment of the inner core piece, in which, in addition to the lower and the upper portion, the middle portion also has rounded edges at the transition to the outer portions.
  • Figure 6 shows a possible cross section of a Trans ⁇ versalebene in the form of a circle. If the diameter of the circle is constant over the entire length of the middle section MA, the middle section MA is a cylinder.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment in which the cross section through a transversal plane essentially
  • Figure 8 shows a perspective view of a possible inner core piece, wherein the upper portion OA and (not visible in the perspective view) in the lower portion UA a rotationally symmetric recess is present.
  • FIG. 9 shows a simple embodiment of an outer core piece as a hollow cylinder with an upper edge OR.
  • FIG. 10 shows a possible form of the outer core piece, in which a recess AU in the lateral surface of the hollow cylinder is provided, via which the coil of the inductance can be connected to an external circuit environment.
  • the recess AU encompasses two edges at the top and two OR wei ⁇ tere edges K, each of which is defined by the line of intersection of two mutually perpendicular planes.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the outer core for
  • the transition UG represents an edgeless connection of the two vertical planes.
  • Such a transition is described by two transition parameters a, b.
  • the transition parameter a describes the distance that the transition bridges in the vertical direction.
  • the parameter b describes the distance that the transition bridges in the horizontal direction. If the values for a and b are not equal, the transition is asymmetric, resulting in a further improvement in the mechanical reliability of the inductor.
  • one or more of the remaining edges K can also be replaced by such a continuous transition.
  • Figure 12 illustrates the spatial relationships between the two planes to be joined by the transition and the transition UG.
  • An existing without transition edge K is replaced by the continuous transition UG at the point where the surfaces YZ and XZ are to meet.
  • FIG. 13 shows a perspective view of a possible outer core piece with two recesses, wherein each recess has a plurality of transitions.
  • FIG. 14 shows the perspective view of an inductance cut through a sagittal plane with an inner one Core IK, around which a wire D is wound into a coil SP.
  • the inner core IK with the coil is embedded in an outer core AK.
  • the coil can be connected to an external circuit environment via external connections EA, which can be led through recesses in the outer core section AK.
  • FIG. 15 shows the course of the current-dependent inductance L in comparison to the inductance L conv of a conventional inductance.
  • FIG. 16 shows the frequency-dependent profile of the quality Q in comparison to the quality Q k onv of a conventional SMD inductance.
  • the SMD inductance or the method for producing an SMD inductance are not limited by the described or shown embodiments.
  • Inductors with additional elements eg. As mounts or a matrix material surrounding the wound wire, also represent embodiments.
  • IDC current of a direct current
  • IK inner core piece

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Manufacturing Cores, Coils, And Magnets (AREA)

Abstract

Es werden eine SMD-Induktivität als Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität angegeben. Die Induktivität weist gleichzeitig niedrige Verluste und eine hohe Peak-Strombelastbarkeit sowie eine hohe mechanische Stabilität auf. Dazu umfasst sie ein inneres Kernstück, ein äußeres Kernstück und eine Spule mit einem Draht. Das innere Kernstück weist eine Legierung auf. Das äußere Kernstück weist Ferrit auf. Der Draht ist um das innere Kernstück gewickelt und das innere Kernstück mit dem Draht ist im äußeren Kernstück angeordnet.

Description

Beschreibung
SMD-Induktivität mit hoher Spitzenstrombelastbarkeit und niedrigen Verlusten und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft SMD-Induktivitäten, also zur Oberflächenmontage geeignete elektrische Bauelemente mit einem ge¬ wünschten Induktivitätswert L, sowie Verfahren zur Herstel¬ lung solcher Bauelemente.
SMD-Induktivitäten (SMD = Surface Mounted Device = oberflä¬ chenmontiertes Bauelement) können in Schaltungen leicht mit anderen Schaltungskomponenten kombiniert werden, da sie auf einfache Weise auf Leiterplatten aufgebracht und mit elektri- sehen Leitern auf der Leiterplatte verschaltet werden können. Im Vergleich zu Induktivitäten, die als strukturierte Leiterbahnabschnitte in oder auf Leiterplatten realisiert sind, weisen SMD-Induktivitäten besonders hohe Güten Q auf. SMD-Induktivitäten sollen geringe Verluste und hohe Spitzen- Strombelastbarkeiten aufweisen. Bisherige Induktivitäten aus Eisenlegierungen werden so hergestellt, dass eine Wicklung mit Material umhüllt und diese dann gepresst wird. Durch diesen Prozess wird der Wickeldraht vorgeschädigt.
Ohnehin sollen SMD-Induktivitäten eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Übliche SMD-Induktivitäten benötigen eine hohe Materialstärke, um ausreichend stabil gegen spezifische Anforderungen, z. B. Drop-Tests, bei denen das Bauelement testweise fallen gelassen wird, bestehen zu können. Übliche SMD-Induktivitäten weisen ferner das Problem auf, dass sie entweder niedrige Verluste oder eine hohe Peak- Strombelastbarkeit aufweisen. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, SMD- Induktivitäten anzugeben, die sowohl eine hohe Peak-Strombe- lastbarkeit als auch niedrige Verluste aufweisen. Ferner sol¬ len die Induktivitäten kostengünstig herzustellen sein und mechanisch stabil sein, um die Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung mit der SMD-Induktivität nicht zu gefährden.
Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung solcher Induktivitäten angegeben werden. Diese Aufgaben werden durch die SMD-Induktivität bzw. das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an. Die SMD-Induktivität umfasst ein inneres Kernstück, ein äuße¬ res Kernstück und eine Spule mit einem Draht. Das innere Kernstück weist eine Legierung auf. Das äußere Kernstück weist Ferrit auf. Der Draht ist um das innere Kernstück gewi¬ ckelt und bildet zusammen mit dem inneren Kernstück die
Spule. Das innere Kernstück mit dem Draht ist im äußeren Kernstück angeordnet.
Zusätzlich kann die SMD-Induktivität externe Anschlüsse auf¬ weisen, über die die Spule mit einer externen Schaltungsumge- bung verschaltbar ist.
Das innere Kernstück kann ein DR-Kern sein oder einen ähnlichen Aufbau wie ein DR-Kern aufweisen (DR = DRum-core) . Das innere Kernstück kann dabei eine Eisenlegierung umfassen oder aus einer Eisenlegierung bestehen.
Das äußere Kernstück kann ein RI-Kern sein oder einen Aufbau ähnlich einem RI-Kern haben (RI = RIng-core) .
Es ist möglich, dass das innere Kernstück einen mittleren Abschnitt mit einem runden, ovalen oder polygonförmigen Querschnitt aufweist. Der Draht ist um den mittleren Abschnitt des inneren Kernstücks gewickelt.
Es ist ferner möglich, dass die Legierung des inneren Kernstücks Eisen umfasst.
Es ist ferner möglich, dass die Legierung des inneren Kernstücks ein gesintertes Material umfasst.
Es ist ferner möglich, dass gesintertes Material frei von einem Binder ist.
Das gesinterte Material kann dabei Körner mit einer durch¬ schnittlichen Korngröße von wenigen Mikrometern umfassen.
Insbesondere kann die Korngröße der Eisenlegierung der vorliegenden Induktivität kleiner sein als die Korngröße üblicher SMD-Induktivitäten .
Die Körner der Eisenlegierung können dabei voneinander isoliert sein, sodass eine Eisenlegierung mit verringerten Verlusten und dadurch eine SMD-Induktivität mit verbessertem Gü¬ tefaktor Q erhalten wird. Die Verwendung kleinerer und einzeln isolierter Körner ermöglicht eine erhöhte Dichte des Materials, wodurch eine erhöhte magnetische Sättigung und verringerte elektrische Verluste beim Betrieb der Induktivität erreicht werden kann.
Es ist möglich, dass der Draht der Spule eine Windungszahl Z mit 1,5 -S Z < 100 aufweist. Durch die Wahl des Materials des inneren Kernstücks, des äußeren Kernstücks und der Windungs¬ zahl der Spule kann die Induktivität L der SMD-Induktivität auf eine einfache Weise eingestellt werden.
Es ist möglich, dass das Material des inneren Kernstücks Si¬ lizium und Eisen umfasst. Ein inneres Kernstück mit Silizium und Eisen ist dabei bevorzugt, wobei der Eisengehalt vorzugs¬ weise deutlich größer als der Siliziumgehalt des inneren Kernstücks ist. Kernstücke ohne Silizium sind auch möglich.
Die SMD-Induktivität kann so Induktivitätswerte L zwischen 0,3 und 100 μΗ aufweisen. Neben dem oben genannten Draht der Spule kann die Induktivität noch einen oder mehrere zusätzliche Drähte aufweisen. Der eine zusätzliche Draht oder die mehreren zusätzlichen Drähte können dabei in Serie oder parallel mit dem oben genannten Draht verschaltet sein. In einer speziellen Ausführungsform sind alle Drähte der Induktivität parallel verschaltet. Kom¬ binationen von Serien- und Parallelverschaltungen sind auch möglich .
Die Gesamtzahl an Drähten kann 100 oder mehr betragen.
Alle einzelnen Drähte können z.B. in einer Parallelschaltung zu einer Litze zusammengefasst sein. Die Litze mit den ein¬ zelnen Drähten kann um das innere Kernstück gewickelt sein. Der Draht, der Draht und die zusätzlichen Drähte und/oder die Litze können dabei insbesondere um den mittleren Abschnitt des inneren Kernstücks gewickelt sein, wenn das innere Kern¬ stück einen mittleren Abschnitt aufweist.
Es ist möglich, dass das äußere Kernstück eine äußere Wand mit einer Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die nicht parallel zur ersten Fläche ist. Der Übergang von der ersten Fläche zur zweiten Fläche ist zur Vermeidung von Spannungsrissen asymmetrisch bezüglich einer Winkelhalbierenden zu beiden Flächen geformt.
Das äußere Kernstück beherbergt das innere Kernstück mit der Spule. Damit die Spule mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist, müssen elektrische Kontakte zur äußeren
Oberfläche der SMD-Induktivität geführt sein. Dieser Kontakt kann durch die Ausnehmung in der äußeren Wand des äußeren Kernstücks geführt sein. Problematisch an üblichen SMD- Induktivitäten ist eine Ausnehmung in einer äußeren Wand des äußeren Kernstücks, weil an Kanten der Ausnehmung mechanisch induzierte Spannungsrisse auftreten können, wenn die SMD- Induktivität äußeren Kräften, z. B. der Beschleunigung oder der Verzögerung bei einem Drop-Test, ausgesetzt sind. Zwei nicht parallele Flächen schneiden sich in einer Geraden. Zu diesen beiden Flächen gibt es eine weitere Fläche, die die ersten beiden Flächen entlang dieser Geraden schneidet und die denselben Winkel mit jeder der beiden ersten Flächen einschließt. Die Schnittgerade stellt dabei die Kante einer Aus- nehmung dar, die besonders durch mechanische Beeinflussung gefährdet ist. Der genannte Übergang kann anstelle einer scharfen Kante vorgesehen und insbesondere unsymmetrisch bezüglich der Winkelhalbierenden ausgestaltet sein, um solchen Spannungsrissen vorzubeugen .
Der Übergang kann dabei Übergangsmaße a und b aufweisen, die voneinander unterschiedlich sind (a + b) .
Insbesondere kann die Kante der Ausnehmung durch ein Aufei- nandertreffen zweier zueinander senkrechter Oberflächen durch die Ausbildung des Übergangs entschärft werden.
Die Spitzenstrombelastbarkeit W ist das Produkt aus Indukti¬ vität L und dem Quadrat des Stroms: W = L * I2.
Eine hohe Spitzenstrombelastbarkeit definiert sich durch einen Energiegehalt L * I2 mit L = 0,9 * Lo . Dabei ist Lo die Induktivität ohne Strom, I ist der Strom, bei dem L = 0,9 * Lo ist.
Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 12 mm x 12 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 1,2 mWs sein . Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 10 mm x 10 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,45 mWs sein.
Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 7 mm x 7 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,36 mWs sein. Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von von 6 mm x 6 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,25 mWs sein.
Das entsprechende Bauelement kann dabei eine rechteckige Grundfläche haben.
Es ist möglich, dass die Verluste, z. B. bei einer Frequenz von 300 kHz, bei 30 mT und bei 20 °C, geringer oder gleich 600 kW/m3 im Kernmaterial sind.
Ein Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität umfasst die Schritte:
- Bereitstellen eines inneren Kernstücks aus einer Legierung, eines äußeren Kernstücks aus Ferrit und eines Drahts,
- Aufwickeln des Drahts auf das innere Kernstück zu einer Spule,
- Anordnen des inneren Kernstücks mit der Spule im äußeren Kernstück,
- Verschalten der Spule mit externen Anschlüssen.
Im Gegensatz zur Herstellung üblicher SMD-Induktivitäten, bei denen der Draht der Wicklung von einem Material umhüllt und nach Zusammendrücken darin eingebettet ist, ist die Gefahr der Beschädigung des Drahts beim Aufwickeln auf das innere Kernstück quasi eliminiert. Dadurch, dass Vorrichtungen zum Wickeln von Spulen für ähnliche Bauelemente mit geringen Modifikationen zur Herstellung der vorliegenden Induktivitäten Verwendung finden können, ergibt sich ein einfach und kostengünstig zu realisierendes Verfahren zur Herstellung von SMD- Induktivitäten mit verbesserter Ausfallsicherheit der Induktivitäten . Es ist möglich, dass der Draht der Spule mittels Schweiß- o- der Lötverfahren mit den externen Anschlüssen, mit denen die Induktivität mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden kann, verbunden wird.
Das innere Kernstück selbst kann durch Pressen oder durch Pressen und Abrunden oder durch Pressen und Schleifen hergestellt sein.
Die SMD-Induktivität und das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität werden durch die schematischen Figuren und gezeigten Ausführungsbeispiele, die die Gegenstände der vor¬ liegenden Anmeldungen nicht einschränken, näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : einen Schnitt durch eine Sagittalebene einer sche¬ matisch gezeigten SMD-Induktivität SMDI,
Figur 2: einen Vergleich mit einem üblichen Bauelement mit gequetschter Wicklung,
Figur 3: einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines mögli chen inneren Kernstücks,
Figur 4 : einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines inno¬ vativen inneren Kernstücks,
Figur 5: einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines weite ren möglichen inneren Kernstücks,
Figur 6: einen Schnitt durch eine Transversalebene eines möglichen inneren Kernstücks, Figur 7: einen Schnitt durch eine Transversalebene eines al¬ ternativen inneren Kernstücks,
Figur 8: eine perspektivische Ansicht eines möglichen inne- ren Kernstücks,
Figur 9: eine mögliche einfache Ausführungsform eines äuße¬ ren Kernstücks mit einem Mantel, Figur 10: eine perspektivische Ansicht eines äußeren Kern¬ stücks mit einer Ausnehmung,
Figur 11: eine perspektivische Darstellung eines möglichen äußeren Kernstücks, bei dem eine Kante der Ausneh- mung durch einen gerundeten Übergang zur Verringerung der Gefahr von Spannungsrissen ersetzt ist,
Figur 12: die perspektivische Darstellung der Anordnung
zweier Ebenen und des dazu orientierten Übergangs,
Figur 13: eine perspektivische Ansicht eines möglichen äuße¬ ren Kernstücks,
Figur 14: eine perspektivische Ansicht einer möglichen SMD- Induktivität mit einem Schnitt durch eine Sagittal- ebene,
Figur 15: die Abhängigkeit des Induktivitätswertes L vom
Strom im Vergleich zur Induktivität Lkonv einer üblichen SMD-Induktivität , Figur 16: den frequenzabhängigen Verlauf der Güte Q im Vergleich zur Güte Qkonv einer üblichen SMD- Induktivität . Figur 1 illustriert den grundsätzlichen Aufbau der SMD-
Induktivität SMDI . Die Induktivität umfasst ein inneres Kern¬ stück IK, einen Draht D und ein äußeres Kernstück AK. Der Draht D ist um das innere Kernstück IK gewickelt und bildet die Spule SP der SMD-Induktivität SMDI. Der Draht D kann einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Form des Querschnitts des Drahts bleibt beim Aufwickeln um den inneren Kern IK praktisch unverändert. Die Gefahr von Kurzschlüssen innerhalb der Spule SP ist deutlich verringert. Im Vergleich dazu zeigt Figur 2 die Anordnung des zu einer Spule SP gewickelten Drahts D in einer üblichen SMD- Induktivität. Dabei wird der Draht zusammen mit einem Matrix- Material M in eine gewünschte Form gequetscht, wobei sich die Form des Querschnitts des Drahts ändert. Insbesondere durch das Quetschen besteht die Gefahr von Kurzschlüssen innerhalb der Spule SP, wodurch die Zuverlässigkeit der Induktivität deutlich verringert ist.
Figur 3 zeigt eine mögliche Form des inneren Kerns IK. Der innere Kern IK hat einen mittleren Abschnitt MA, der die Form eines Zylinders haben kann oder dessen Form der eines Zylinders ähnelt. Das innere Kernstück hat ferner einen unteren Abschnitt UA und einen oberen Abschnitt OA, zwischen denen der mittlere Abschnitt MA angeordnet ist. Dadurch erhält das innere Kernstück IK eine Form, auf die der Draht für die Spule einfach aufgewickelt werden kann. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der untere Abschnitt und der obere Abschnitt abgerundete Kanten aufweisen . Figur 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des inne¬ ren Kernstücks, bei dem zusätzlich zum unteren und zum oberen Abschnitt auch der mittlere Abschnitt beim Übergang zu den äußeren Abschnitten abgerundete Kanten aufweist. Figur 6 zeigt einen möglichen Querschnitt durch eine Trans¬ versalebene in Form eines Kreises. Ist der Durchmesser des Kreises über die gesamte Länge des mittleren Abschnitts MA konstant, so ist der mittlere Abschnitt MA ein Zylinder. Figur 7 zeigt einer alternative Ausführungsform, bei der der Querschnitt durch eine Transversalebene im Wesentlichen ein Oval mit abschnittsweise geraden Seitenkanten darstellt.
Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines möglichen inneren Kernstücks, wobei der obere Abschnitt OA und (auf der perspektivischen Ansicht nicht sichtbar) im unteren Abschnitt UA eine rotationssymmetrische Ausnehmung vorhanden ist.
Figur 9 zeigt eine einfache Ausführungsform eines äußeren Kernstücks als Hohlzylinder mit einem oberen Rand OR.
Figur 10 zeigt eine mögliche Form des äußeren Kernstücks, bei dem eine Ausnehmung AU in der Mantelfläche des Hohlzylinders vorgesehen ist, über die die Spule der Induktivität mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist. Die Ausnehmung AU umfasst dabei zwei Kanten am oberen Rand OR und zwei wei¬ tere Kanten K, von denen jede durch die Schnittgerade zweier zueinander senkrechten Ebenen definiert ist. Die in Figur 10 gezeigten Kanten K bergen das größte Potenzial für Spannungs¬ risse für den Fall, dass die Induktivität äußeren Kräften ausgesetzt wird. Figur 11 zeigt eine Ausführungsform des äußeren Kerns zur
Vermeidung von Spannungsrissen, wobei zumindest eine der beiden unteren Kanten durch einen Übergang UG entschärft ist. Der Übergang UG stellt eine kantenlose Verbindung der beiden senkrechten Ebenen dar. Ein solcher Übergang wird durch zwei Übergangsparameter a, b beschrieben. Der Übergangsparameter a beschreibt die Strecke, die der Übergang in vertikaler Richtung überbrückt. Der Parameter b beschreibt die Strecke, die der Übergang in horizontaler Richtung überbrückt. Sind die Werte für a und b nicht gleich, ist der Übergang asymmet- risch, was zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit der Induktivität führt.
Analog zum Ersatz der einen Kante K durch den Übergang UG können auch eine oder mehrere der übrigen Kanten K durch ei- nen solchen kontinuierlichen Übergang ersetzt sein.
Figur 12 illustriert die räumlichen Beziehungen zwischen den beiden durch den Übergang zu verbindenden Ebenen und dem Übergang UG. Eine ohne Übergang vorhandene Kante K wird durch den kontinuierlichen Übergang UG an der Stelle ersetzt, an der die Flächen YZ und XZ zusammentreffen sollen.
Figur 13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines möglichen äußeren Kernstücks mit zwei Ausnehmungen, wobei jede Ausneh- mung mehrere Übergänge aufweist.
Figur 14 zeigt die perspektivische Ansicht einer durch eine Sagittalebene geschnittene Induktivität mit einem inneren Kernstück IK, um das ein Draht D zu einer Spule SP gewickelt ist. Das innere Kernstück IK mit der Spule ist in ein äußeres Kernstück AK eingebettet. Über externe Anschlüsse EA, die durch Ausnehmungen im äußeren Kernstück AK geführt sein kön- nen, ist die Spule mit einer externen Schaltungsumgebung ver- schaltbar .
Figur 15 zeigt den Verlauf der stromabhängigen Induktivität L im Vergleich zur Induktivität Lkonv einer konventionellen In- duktivität.
Figur 16 zeigt den frequenzabhängigen Verlauf der Güte Q im Vergleich zur Güte Qkonv einer konventionellen SMD- Induktivität .
Die SMD-Induktivität oder das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität sind durch die beschriebenen oder gezeigten Ausführungen nicht beschränkt. Induktivitäten mit zusätzlichen Elementen, z. B. Halterungen oder einem Matrix-Material, das den aufgewickelten Draht umgibt, stellen ebenso Ausführungsbeispiele dar.
Bezugs zeichenliste a, b: Übergangsparameter
AK: äußeres Kernstück
AU: Ausnehmung
D: Draht
EA: externer Anschluss
f: Frequenz
IDC: Stromstärke eines Gleichstroms
IK: inneres Kernstück
K: Kante
L, Lkonv: Induktivitätswert
M: Matrix-Material
MA: mittlerer Abschnitt
OA: oberer Abschnitt
OR: oberer Rand
Q, QkonV : Gütefaktor
SMDI: SMD-Induktivität
SP: Spule
UA: unterer Abschnitt
UG: Übergang
YZ, XZ : durch einen Übergang zu verbindende Flächen

Claims

Patentansprüche
1. SMD-Induktivität mit hoher Spitzenstrombelastbarkeit und niedrigen Verlusten, umfassend
- ein inneres Kernstück, ein äußeres Kernstück und eine Spule mit einem Draht, wobei
- das innere Kernstück eine Legierung aufweist,
- das äußere Kernstück Ferrit aufweist,
- der Draht um das innere Kernstück gewickelt ist,
- das innere Kernstück mit dem Draht im äußeren Kernstück angeordnet ist.
2. SMD-Induktivität nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- das innere Kernstück einen mittleren Abschnitt mit runden, ovalem oder polygonförmigem Querschnitt aufweist und
- der Draht um den mittleren Abschnitt gewickelt ist.
3. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Legierung Eisen umfasst.
4. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Legierung des inneren Kernstücks gesintert ist.
5. SMD-Induktivität nach dem vorherigen Anspruch, wobei das innere Kernstück einzelne, isolierte Körner umfasst.
6. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Draht der Spule 1,5 ^ Z < 100 Windungen aufweist.
7 SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen oder mehrere Drähte, wobei die Drähte parallel oder in Serie geschaltet sind.
8. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das innere Kernstück einen mittleren Abschnitt umfasst und alle Drähte um den mittleren Abschnitt gewickelt sind.
9. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- das äußere Kernstück eine äußere Wand mit einer Ausnehmung aufweist,
- die Ausnehmung eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die nicht parallel zur ersten Fläche ist, aufweist,
- der Übergang von der ersten Fläche zur zweiten Fläche zur Vermeidung von Spannungsrissen unsymmetrisch bezüglich einer Winkelhalbierenden zu beiden Flächen geformt ist.
10. SMD-Induktivität nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Übergang unterschiedliche Übergangsmaße a + b aufweist.
11. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
die Spitzenstrombelastbarkeit durch den Energiegehalt
L * I2 bestimmt ist,
L = 0, 9 * L0 ist,
Lo die Induktivität ohne Strom ist,
I der Strom ist, bei dem L = 0,9 * Lo ist und
L * I2 größer oder gleich 1,2 mWs bei einer Baugröße mit einer Grundfläche von 12 mm x 12 mm,
L * I2 größer oder gleich 0,45 mWs bei einer Baugröße mit einer Grundfläche von 10 mm x 10 mm,
L * I2 größer oder gleich 0,36 mWs bei einer Baugröße mit einer Grundfläche von 7 mm x 7 mm oder
L * I2 größer oder gleich 0,25 mWs bei einer Baugröße mit einer Grundfläche von 6 mm x 6 mm ist.
12. SMD-Induktivität nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verluste bei einer Frequenz von 300 kHz, bei 30 mT und bei 20 °C geringer oder gleich 600 kW/m3 im Kernmaterial sind .
13. Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität,
umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines inneren Kernstücks aus einer Legierung, eines äußeren Kernstücks aus Ferrit und eines Drahts,
- Aufwickeln des Drahts auf das innere Kernstück zu einer Spule,
- Anordnen des inneren Kernstücks mit der Spule im äußeren Kernstück,
- Verschalten der Spule mit externen Anschlüssen.
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