EP3769323A1 - Induktives bauelement und hochfrequenz-filtervorrichtung - Google Patents

Induktives bauelement und hochfrequenz-filtervorrichtung

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EP3769323A1
EP3769323A1 EP19708835.4A EP19708835A EP3769323A1 EP 3769323 A1 EP3769323 A1 EP 3769323A1 EP 19708835 A EP19708835 A EP 19708835A EP 3769323 A1 EP3769323 A1 EP 3769323A1
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EP
European Patent Office
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planar
inductive component
track structure
conductor
ferromagnetic core
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EP3769323B1 (de
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Johann W. Kolar
Dominik Bortis
Jannik Robin SCHAEFER
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP3769323B1 publication Critical patent/EP3769323B1/de
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
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    • H01F1/342—Oxides
    • H01F1/344—Ferrites, e.g. having a cubic spinel structure (X2+O)(Y23+O3), e.g. magnetite Fe3O4
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    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F2017/0066—Printed inductances with a magnetic layer

Definitions

  • the present invention relates to an inductive component. Furthermore, the present invention relates to a high-frequency filter device with such an inductive component.
  • inductors which are designed for high currents and high frequencies, often realized as discrete components and then soldered to a circuit board.
  • WO 2004/030001 A1 discloses a high-frequency choke for printed circuit boards with an inductance and a parallel-connected ohmic resistance.
  • the inductance can be realized from a meander-like conductor track.
  • An inductive component with a planar track structure and a ferromagnetic core.
  • the planar conductor track structure has an upper side and a lower side opposite the upper side.
  • Ferromagnetic core is around the planar interconnect structure around
  • the ferromagnetic core comprises at least one gap in the region of the top side and / or the underside of the planar conductor track structure.
  • the planar conductor track structure has a longitudinal extent, which in the direction of a desired current flow through the planar
  • Track structure is aligned.
  • Conductor structure has a transverse extent, which is aligned perpendicular to the direction of the desired current flow through the planar conductor track structure.
  • a diagonal of the cross section of the ferromagnetic core is oriented perpendicular to the direction of the desired current flow.
  • the ferromagnetic core which is preferably configured tubular or annular, at least partially disposed along the longitudinal extent of the planar conductor track structure around the planar conductor track structure around.
  • tubular or annular includes in this description preferably in addition to rectangular or polygonal cross-sections also round or oval cross-sections with a.
  • a high-frequency filter device with an inductive component according to the invention.
  • the present invention is based on the finding that by magnetic cores with an air gap, due to the inhomogeneous distribution of a magnetic field due to the air gap, also a partial current displacement within an electrical conductor can be caused.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this finding into account and to provide an arrangement for an inductive component, which also for high-frequency electrical currents a high
  • planar conductor track structure can initially be any kind of
  • Track structure to be understood, which has a cross-sectional area perpendicular to the intended current flow direction in which the expansion in one direction is significantly greater than the extension in a direction perpendicular thereto extending further direction.
  • the difference between the two dimensions may be at least one order of magnitude or more.
  • Track structures are understood on a printed circuit substrate.
  • planar planar structures are also any other planar ones
  • planar must Conductor structures are not applied to a full-surface carrier substrate.
  • planar conductor track structures it is also possible for the planar conductor track structures to be supported only partially, for example at support points.
  • the planar printed conductor structure can consist, for example, of a linearly extending planar electrically conductive element.
  • the planar wiring pattern may also be formed by a coil-like wiring pattern having any number of two or more turns. The individual turns can in this case, as will be described in more detail below, for example, side by side or one above the other. A combination of these is possible.
  • Conductor structure is arranged opposite the underside of the conductor track structure.
  • the upper side and the lower side of the conductor track structure can be connected to one another in each case by means of two side surfaces in the case of a, for example, rectangular cross-section of the conductor track structure.
  • the planar printed conductor structure is surrounded along a predetermined section with the ferromagnetic core.
  • the ferromagnetic core can at least approximately completely enclose the planar conductor track structure.
  • the ferromagnetic core has one or more gaps in its circulation. This gap or these gaps are arranged in particular in the region of the upper side and / or the lower side of the planar conductor track structure.
  • the term "in the region" of the upper side or the lower side is to be understood as meaning that a virtual line, which can run perpendicular to the upper side or the lower side, also runs through such a gap.
  • a ferromagnetic core of an inductive component according to the present invention comprises preferably no such lateral column in the region of the side surfaces of the planar conductor track structure.
  • the ferromagnetic core may be formed of any ferromagnetic material. Such ferromagnetic materials are known and are therefore not explained here.
  • the gap in the ferromagnetic core may be an air gap or a gap at least partially filled with a dielectric material.
  • the ferromagnetic core may in this case have gaps both in the region of the upper side and in the region of the lower side of the planar printed conductor structure.
  • the arrangement of one or more gaps in the region of the upper side of the planar printed conductor structure and in the region of the underside of the printed conductor structure can be identical or at least approximately equal.
  • fundamentally different designs with one or more gaps in the region of the upper side or the lower side of the planar printed conductor structure are also possible.
  • the ferromagnetic core comprises a plurality of gaps.
  • a plurality of gaps can be provided both in the region of the upper side and in the region of the lower side.
  • the individual gaps can each have an identical gap width.
  • the gap width of individual column can also be varied depending on further requirements.
  • the planar conductor track structure may comprise a plurality of parallel conductor tracks.
  • Each of these individual parallel conductor tracks can also have a planar structure, wherein the cross section of such a track structure in a spatial direction is significantly greater than the cross section in a perpendicular thereto Spatial direction.
  • an increased inductance of the inductive component can be achieved by using a plurality of strip conductors.
  • the planar conductor track structure comprises a plurality of conductor tracks arranged one above the other.
  • the term "one above the other" is to be understood as meaning that in each case the underside of a conductor track and the upper side of an adjacent conductor track are located opposite one another.
  • the individual conductor tracks can be spaced apart, for example, by means of an electrically insulating substrate. In this way, a multi-turn coil arrangement can be realized.
  • the planar conductor track structure may comprise a plurality of coplanar conductor tracks. In such a coplanar arrangement several, in particular a plurality of parallel conductor tracks are arranged in a common plane. For example, the individual
  • Conductor tracks may be arranged on a common carrier substrate. It is understood that the arrangement of several komplanar arranged
  • all the gaps of the ferromagnetic core may be filled with the same filler material. But also different filling materials for each column are possible.
  • the magnetic flux can be influenced and thereby the current distribution within the planar conductor track structure can be controlled.
  • the magnetic core are mechanically stabilized.
  • the ferromagnetic core comprises rounded edges in the transition to the gap.
  • the magnetic core in the region of the top side and / or the underside of the planar printed conductor structure comprises a material with ferromagnetic powder particles.
  • the partial use of such ferromagnetic powder particles can also influence the magnetic flux.
  • magnetic cores having such ferromagnetic particles are also known as powder cores or cores having a so-called distributed air gap.
  • the inductive component comprises a
  • planar printed conductor structure can be connected to the underside and / or the upper side with a dielectric carrier substrate.
  • a dielectric carrier substrate For example, it may be in the dielectric
  • Carrier substrate to act around a printed circuit board substrate As a result, for example, a planar can be particularly simple
  • Track structure can be realized.
  • multi-layered structures with a plurality of carrier substrates and / or a plurality of planar
  • Figure 1 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 2 is a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 3 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 4 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 6 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 6 shows a cross section through an arrangement for an inductive
  • Printed wiring pattern 110 On a carrier substrate 130 is an electrically conductive Printed wiring pattern 110 applied.
  • it may be a printed conductor on a printed circuit board substrate.
  • the height h of the conductor track structure 110 is significantly less than the width b of the
  • the conductive pattern 110 is surrounded by two half-shells 120 which are to form a magnetic core. Due to the continuous carrier substrate 130, the core formed by the two half shells 120 is interrupted at the positions 121. Therefore, the
  • magnetic core at the positions 121 each have a gap, which increases the magnetic field strength in this area.
  • the electrical conductor 110 is traversed by a high-frequency electrical current, the current flow also shifts into the edge regions of the electrical conductor 110. In this way, the maximum current carrying capacity is significantly reduced.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a cross section through an inductive component 1 according to an embodiment.
  • the inductive is a schematic illustration of a cross section through an inductive component 1 according to an embodiment.
  • Component 1 comprises a planar conductor track structure 10 and a
  • the cross section of the planar conductor track structure 10 has a height h which is significantly smaller than the width b of the planar conductor track structure.
  • the width b points in the direction of
  • the width b may be greater than the height h by more than an order of magnitude, that is to say the factor 10.
  • the planar printed conductor structure 10 is surrounded by a ferromagnetic core 20.
  • the ferromagnetic core 20 may be formed of any ferromagnetic material.
  • the planar conductor track structure 10 has, in particular, an upper side 11 and an underside 12 opposite the upper side 11.
  • the top 11 and the Bottom 12 are formed by those sides which have the larger dimensions, in this case consequently the width b, which is significantly greater than the height h.
  • the conductor track structure 10 can be formed, for example, from any electrically conductive material, such as copper.
  • planar wiring pattern 10 may be realized as a wiring pattern of a printed circuit.
  • any other planar interconnect structures are possible.
  • the one or more gaps 21 are arranged in a region A of the upper side 11 and / or the lower side 12.
  • a virtual imaginary line V which is perpendicular to the upper side 11 or the lower side 12, passes through the corresponding gap 21.
  • such a virtual line is shown as a dashed line V.
  • the inductive component 1 expressly has no gap in the region B of the side surfaces, that is to say in the region of the surfaces which connect the top side 11 and the underside 12 to one another.
  • the gap 21 of the ferromagnetic core 20 may be filled with a dielectric filling material 22.
  • a dielectric filling material 22 can also influence the course of the magnetic field lines and thus the current distribution within the planar conductor track structure 10. If there are a plurality of gaps 21 in the ferromagnetic core 20, the individual gaps 21 can either be filled with the same filling material 22 or, if appropriate, different dielectric filling materials 22 can also be used for the individual gaps 21.
  • edges of the ferromagnetic core 20 in the region of the transition to the columns 21 may be rounded.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a cross section through an inductive component 1 according to another embodiment.
  • the embodiment shown in Figure 2 differs from the embodiment described above in particular in that instead of a single gap 21 in the region A of the top 11 and the bottom 12 of the planar
  • Track structure 10 now several columns 21 are provided. However, the number of four columns shown here is just one example.
  • any other number of columns 21 on the top and / or the bottom of the planar conductor track structure 10 is possible.
  • column 21, as shown here, both in the region of the top 11 and in the region of the bottom 12 can be attached. In principle, however, it is also possible to provide the column 21 only in the region of the upper side 11 or alternatively only in the region of the lower side 12.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a cross section through an inductive component 1 according to yet another embodiment. The embodiment shown here differs from the previously
  • planar Conductor structure 10 is disposed on an electrically insulating carrier substrate 30.
  • one side of the planar conductor track structure 10, here in particular the underside 12 of the planar conductor track structure 10, is connected to one side of the carrier substrate 30.
  • planar printed conductor structure 10 In addition to the embodiment of a planar printed conductor structure 10 shown here, arrangements with a plurality of printed conductors are also possible. For example, planar conductor tracks may be arranged on two opposite sides of the carrier substrate 30. In addition, it is
  • a layer structure with a plurality of carrier substrates 30 and optionally a plurality of planar conductor tracks possible. It is also possible, if appropriate, to arrange a plurality of conductor tracks as a planar printed conductor structure 10 next to one another on the carrier substrate 30.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a part of an inductive
  • Track structure 10 comprise a plurality of individual tracks 10-i. These individual conductor tracks 10-i can be arranged one above the other, for example. On top of each other in this context, for example, that in each case the underside of a conductor track 10-1 to an upper side of a
  • the individual conductor tracks 10-i of the conductor track structure 10 may also have different dimensions.
  • the upper two conductor tracks 10-1 and 10-2 have a smaller width than the conductor tracks 10-3 and 10-4 arranged underneath.
  • the width d 1, d 2 of the column 21 can vary.
  • the width d 1, d 2 of the column 21 can be adapted as a function of the respective interconnect structure 10.
  • a larger gap width d 1 can be selected, while for a smaller number of Conductor tracks 10-i or a lower expected current density a smaller gap width d2 can be adjusted.
  • the number of gaps 21 may be varied across the width according to the configuration of the wiring pattern 10. In this way, depending on the characteristics of the planar printed conductor structure 10, the density of the gaps 21 in the ferromagnetic core 20 can be varied.
  • FIGS. 5a and 5b show a perspective view of an inductive component 1 according to an embodiment.
  • the planar conductor track structure 10 is shown.
  • the planar conductor track structure 10 in this case has several turns.
  • the partial image 5b shows how the planar printed conductor structure 10 can be enclosed by a ferromagnetic core 20. This ferromagnetic core 20 can be
  • the course of the planar conductor track structure 10 have one or more column 21.
  • the course of the current flow within the planar conductor track structure 10 can be influenced in a targeted manner.
  • the gap 21 of the ferromagnetic core 20 is also designed annular.
  • the inductive component 1 described above can be used, for example, as an inductive filter element for a high-frequency filter device.
  • Resistor and / or a capacitive component can be combined.
  • the present invention relates to an inductive component with a planar conductor track structure.
  • the planar track structure is along a given section with a ferromagnetic core
  • gaps are provided in the ferromagnetic core in a targeted manner.
  • the gaps in the ferromagnetic core are arranged in regions above and / or below the planar conductor track structure.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einer planaren Leiterbahnstruktur. Die planare Leiterbahnstruktur ist entlang eines vorgegebenen Abschnittes mit einem ferromagnetischen Kern umschlossen. Zur gezielten Steuerung des Stromflusses innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur und insbesondere der Stromdichte im Querschnitt der planaren Leiterbahnstruktur sind dabei gezielt Spalte im ferromagnetischen Kern vorgesehen. Die Spalte im ferromagnetischen Kern werden dabei in Bereichen oberhalb und/oder unterhalb der planaren Leiterbahnstruktur angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Induktives Bauelement und Hochfrequenz- Filtervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Hochfrequenz- Filtervorrichtung mit einem solchen induktiven Bauelement.
Stand der Technik
In elektronischen Schaltungen werden Induktivitäten, die für hohe Ströme und hohe Frequenzen ausgelegt sind, oft als diskrete Bauelemente realisiert und anschließend auf einer Leiterplatte festgelötet. Im Zuge einer Optimierung ist es wünschenswert, auch für induktive Bauelemente die Wicklungen in Form von Kupferbahnen direkt auf einer Leiterplatte zu integrieren.
Die Druckschrift WO 2004/030001 Al offenbart eine Hochfrequenz-Drossel für Leiterplatten mit einer Induktivität und einem parallel geschalteten ohmschen Widerstand. Hierbei kann die Induktivität aus einer mäanderartig geführten Leiterbahn realisiert werden.
Bei Anwendungen mit hohen Frequenzen fließt aufgrund des sogenannten Skin- Effekts der elektrische Strom mit steigender Frequenz nur in einem Randbereich des elektrischen Leiters. Daher steht gerade bei gedruckten elektrischen Schaltungen für höherfrequente Anwendungen nur der Randbereich der Leiterbahnen für einen elektrischen Stromfluss zur Verfügung.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart ein induktives Bauelement mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie eine Hochfrequenz- Filtervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein induktives Bauelement mit einer planaren Leiterbahnstruktur und einem ferromagnetischen Kern. Die planare Leiterbahnstruktur weist eine Oberseite sowie eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite auf. Der
ferromagnetische Kern ist um die planare Leiterbahnenstruktur herum
angeordnet. Insbesondere umfasst der ferromagnetische Kern im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite der planaren Leiterbahnenstruktur mindestens einen Spalt.
Bevorzugt weist die planare Leiterbahnstruktur eine Längsausdehnung auf, welche in Richtung eines gewünschten Stromflusses durch die planare
Leiterbahnstruktur ausgerichtet ist. Bevorzugt weist die planare
Leiterbahnstruktur eine Querausdehnung auf, welche senkrecht zu der Richtung des gewünschten Stromflusses durch die planare Leiterbahnstruktur ausgerichtet ist. Eine Diagonale des Querschnitts des ferromagnetischen Kerns ist senkrecht zu der Richtung des gewünschten Stromflusses ausgerichtet. Somit ist der ferromagnetische Kern, welcher bevorzugt röhrenförmig oder ringförmig ausgestaltet ist, zumindest teilweise entlang der Längsausdehnung der planaren Leiterbahnstruktur um die planare Leiterbahnstruktur herum angeordnet. Der Begriff röhrenförmig oder ringförmig schließt in dieser Beschreibung bevorzugt neben rechteckigen oder vieleckigen Querschnitten auch runde oder ovale Querschnitte mit ein.
Weiterhin ist vorgesehen:
Eine Hochfrequenz- Filtervorrichtung mit einem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement.
Vorteile der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei
hochfrequenten elektrischen Strömen durch einen elektrischen Leiter aufgrund des Skin- Effekts der Stromfluss vermehrt nur im Außenbereich des elektrischen Leiters stattfindet. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch magnetische Kerne mit einem Luftspalt, aufgrund der durch den Luftspalt bedingten inhomogenen Verteilung eines magnetischen Feldes, ebenfalls eine partielle Stromverdrängung innerhalb eines elektrischen Leiters hervorgerufen werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Anordnung für ein induktives Bauelement zu schaffen, welches auch für hochfrequente elektrische Ströme eine hohe
Stromtragfähigkeit aufweist. Hierzu wird eine Anordnung aus einem planaren elektrischen Leiter und einem den elektrischen Leiter umgebenden
ferromagnetischen Kern geschaffen, wobei die Stromverdrängungseffekte aufgrund eines Spaltes in dem ferromagnetischen Kern den
Stromverdrängungseffekten aufgrund des Skin- Effekts entgegenwirken.
Hierdurch ist es möglich, gerade bei planaren Leiterbahnstrukturen den elektrischen Stromfluss über einen großen Bereich des Querschnitts des elektrischen Leiters zu verteilen. Auf diese Weise kann die Stromtragfähigkeit des planaren elektrischen Leiters erhöht werden.
Als planare Leiterbahnstruktur kann dabei zunächst jede Art von
Leiterbahnstruktur verstanden werden, die eine Querschnittsfläche senkrecht zur beabsichtigten Stromflussrichtung aufweist, bei der die Ausdehnung in eine Richtung signifikant größer ist als die Ausdehnung in eine senkrecht dazu verlaufende weitere Richtung. Insbesondere kann der Unterschied der beiden Ausdehnungen dabei mindestens eine Größenordnung oder mehr betragen. Als planare Leiterbahnstrukturen können beispielsweise gedruckte
Leiterbahnstrukturen auf einem Leiterplattensubstrat verstanden werden.
Beispielsweise kann auf dem Leiterplattensubstrat ein elektrisch leitfähiges Material, wie zum Beispiel Kupfer oder ähnliches, aufgebracht werden, das gemäß einer gewünschten Leiterbahnstruktur verläuft. Darüber hinaus sind als planare Leiterbahnstrukturen jedoch auch beliebige andere planare
Leiterbahnstrukturen zu verstehen. Insbesondere müssen die planaren Leiterbahnstrukturen dabei nicht auf einem vollflächigen Trägersubstrat aufgebracht werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die planaren Leiterbahnstrukturen nur partiell, beispielsweise an Stützstellen getragen werden.
In einem einfachen Fall kann die planare Leiterbahnstruktur beispielsweise aus einem linear verlaufenden planaren elektrisch leitfähigen Element bestehen. Darüber hinaus kann die planare Leiterbahnstruktur jedoch auch durch eine spulenartige Leiterbahnstruktur mit einer beliebigen Anzahl von zwei oder mehr Windungen gebildet werden. Die einzelnen Windungen können hierbei, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, beispielsweise nebeneinander oder übereinander verlaufen. Auch eine Kombination hiervon ist möglich.
Als Oberseite und Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur sind hierbei insbesondere diejenigen Seiten der Leiterbahnstruktur zu verstehen, welche senkrecht zu dem gewünschten elektrischen Stromfluss die größere,
insbesondere die größte Ausdehnung aufweisen. Die Oberseite der
Leiterbahnstruktur ist gegenüber der Unterseite der Leiterbahnstruktur angeordnet. Die Oberseite und die Unterseite der Leiterbahnstruktur können bei einem beispielsweise rechteckförmigen Querschnitt der Leiterbahnstruktur jeweils mittels zwei Seitenflächen miteinander verbunden sein.
Die planare Leiterbahnstruktur ist entlang eines vorgegebenen Abschnitts mit dem ferromagnetischen Kern umgeben. Der ferromagnetische Kern kann zumindest annähernd vollumfänglich die planare Leiterbahnstruktur umschließen. Dabei weist der ferromagnetische Kern jedoch in seinem Umlauf einen oder mehrere Spalte auf. Dieser Spalt bzw. diese Spalte sind insbesondere im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur angeordnet. Unter dem Ausdruck "im Bereich" der Oberseite bzw. der Unterseite ist zu verstehen, dass eine virtuelle Linie, welche senkrecht zu der Oberseite bzw. der Unterseite verlaufen kann, auch durch einen solchen Spalt verläuft. Somit unterscheidet sich ein solcher Spalt im Bereich der Oberseite bzw. der Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur eindeutig von Spalten, die seitlich an einer planaren Leiterbahnstruktur angeordnet sind. Ein ferromagnetischer Kern eines induktiven Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise keine solchen seitlichen Spalte im Bereich der Seitenflächen der planaren Leiterbahnstruktur.
Der ferromagnetische Kern kann aus einem beliebigen ferromagnetischen Material gebildet werden. Derartige ferromagnetische Materialien sind bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Wie im Nachfolgenden noch näher ausgeführt wird, kann es sich bei dem Spalt in dem ferromagnetischen Kern um einen Luftspalt oder einen zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material ausgefüllten Spalt handeln.
Der ferromagnetische Kern kann hierbei sowohl im Bereich der Oberseite als auch im Bereich der Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur Spalte aufweisen. Insbesondere kann die Anordnung von einem oder mehreren Spalte im Bereich der Oberseite der planaren Leiterbahnstruktur und im Bereich der Unterseite der Leiterbahnstruktur gleich oder zumindest annähernd gleich ausgeführt sein. Darüber hinaus sind jedoch auch grundsätzlich unterschiedliche Ausführungen mit einem oder mit mehreren Spalte im Bereich der Oberseite bzw. der Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur möglich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der ferromagnetische Kern mehrere Spalte. Insbesondere können sowohl im Bereich der Oberseite als auch im Bereich der Unterseite jeweils mehrere Spalte vorgesehen sein. Die einzelnen Spalte können beispielsweise jeweils eine gleiche Spaltbreite aufweisen. Darüber hinaus kann die Spaltbreite einzelner Spalte auch in Abhängigkeit von weiteren Anforderungen variiert werden. Durch das Anordnen mehrerer Spalte kann insbesondere ein magnetischer Fluss eingestellt werden, der die homogene Verteilung des Stromflusses innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur weiter verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform kann die planare Leiterbahnenstruktur mehrere parallel verlaufende Leiterbahnen umfassen. Jede dieser einzelnen parallel verlaufenden Leiterbahnen kann ebenfalls eine planare Struktur aufweisen, wobei der Querschnitt einer solchen Leiterbahnstruktur in eine Raumrichtung signifikant größer ist als der Querschnitt in eine senkrecht dazu verlaufende Raumrichtung. Durch die Verwendung mehrerer Leiterbahnen kann dabei insbesondere eine gesteigerte Induktivität des induktiven Bauteils erzielt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die planare Leiterbahnenstruktur mehrere übereinander angeordnete Leiterbahnen. Dabei ist unter dem Ausdruck "übereinander" zu verstehen, dass sich jeweils die Unterseite einer Leiterbahn und die Oberseite einer benachbarten Leiterbahn beabstandet gegenüberliegen. Die einzelnen Leiterbahnen können beispielsweise mittels eines elektrisch isolierenden Substrates voneinander beabstandet werden. Auf diese Weise kann eine Spulenanordnung mit mehreren Windungen realisiert werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die planare Leiterbahnenstruktur mehrere komplanare Leiterbahnen umfassen. Bei einer solchen komplanaren Anordnung sind mehrere, insbesondere mehrere parallel verlaufenden Leiterbahnen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Beispielsweise können die einzelnen
Leiterbahnen auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sein. Es versteht sich, dass die Anordnung mehrerer komplanar angeordneter
Leiterbahnen und die Anordnung mehrerer übereinander angeordneter
Leiterbahnen wie zuvor bereits beschrieben, auch miteinander kombiniert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist insbesondere bei einer komplanaren
Anordnung mehrerer Leiterbahnen im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite jeder Leiterbahn mindestens ein Spalt angeordnet. Auf diese Weise kann für jede Leiterbahn der Leiterbahnstruktur eine möglichst homogene Stromverteilung innerhalb der jeweiligen Leiterbahn erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens ein Spalt des
ferromagnetischen Kerns zumindest teilweise mit einem dielektrischen
Füllmaterial ausgefüllt sein. Insbesondere können auch sämtliche Spalte des ferromagnetischen Kerns mit dem gleichen Füllmaterial ausgefüllt sein. Aber auch unterschiedliche Füllmaterialien für die einzelnen Spalte sind möglich.
Durch die Verwendung eines geeigneten Füllmaterials kann der magnetische Fluss beeinflusst werden und hierdurch die Stromverteilung innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur gesteuert werden. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines Füllmaterials auch die Anordnung, insbesondere der magnetische Kern mechanisch stabilisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der ferromagnetische Kern im Übergang zu dem Spalt abgerundete Kanten. Durch das Abrunden der Kanten in dem ferromagnetischen Kern, insbesondere durch die Verwendung abgerundeter Kanten im Bereich der Spalte kann ebenfalls eine Beeinflussung des
magnetischen Feldes und somit eine Beeinflussung der Stromverteilung innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der magnetische Kern im Bereich der Oberseite und/oder der Unterseite der planaren Leiterbahnenstruktur ein Material mit ferromagnetischen Pulverteilchen. Durch die partielle Verwendung derartiger ferromagnetischer Pulverteilchen kann ebenfalls der magnetische Fluss beeinflusst werden. Insbesondere sind magnetische Kerne mit solchen ferromagnetischen Teilchen auch als Pulverkerne oder Kerne mit einem sogenannten verteilten Luftspalt bekannt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das induktive Bauelement ein
Trägersubstrat. Insbesondere kann die planare Leiterbahnstruktur mit der Unterseite und/oder der Oberseite mit einem dielektrischen Trägersubstrat verbunden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem dielektrischen
Trägersubstrat um ein Leiterplattensubstrat für gedruckte Schaltungen handeln. Hierdurch kann beispielsweise besonders einfach eine planare
Leiterbahnstruktur realisiert werden. Insbesondere sind auch mehrschichtige Aufbauten mit mehreren Trägersubstraten und/oder mehreren planaren
Leiterbahnstrukturen möglich.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder
Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angeführten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein
induktives Bauelement gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein
induktives Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein
induktives Bauelement gemäß noch einer Ausführungsform;
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen
Teilbereich eines induktiven Bauelements gemäß einer
Ausführungsform;
Figur 5a, 5b: eine perspektivische Darstellung eines induktiven Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Figur 6: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein
konventionelles Bauelement.
Beschreibung der Ausführungsformen
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche oder gleichartige Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Darüber hinaus können die
nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung für ein induktives
Bauelement. Auf einem Trägersubstrat 130 ist eine elektrisch leitfähige Leiterbahnstruktur 110 aufgebracht. Beispielsweise kann es sich dabei um eine gedruckte Leiterbahn auf einem Leiterplattensubstrat handeln. Die Höhe h der Leiterbahnstruktur 110 ist dabei signifikant geringer als die Breite b der
Leiterbahnstruktur 110. Die Leiterbahnstruktur 110 ist von zwei Halbschalen 120 umgeben, welche einen magnetischen Kern bilden sollen. Aufgrund des durchgängigen Trägersubstrats 130 ist der durch die beiden Halbschalen 120 gebildete Kern an den Positionen 121 unterbrochen. Daher weist der
magnetische Kern an den Positionen 121 jeweils einen Spalt auf, der die magnetische Feldstärke in diesem Bereich erhöht.
Bei einer gemäß Figur 6 dargestellten Anordnung führt der Verlauf der magnetischen Feldlinien aufgrund der Position der Spalte 121 im magnetischen Kern zu einer Stromverdrängung in der Leiterbahn 110 hin zu den Rändern der Leiterbahnstruktur 110.
Wird darüber hinaus der elektrische Leiter 110 von einem hochfrequenten elektrischen Strom durchflossen, so verschiebt sich der Stromfluss ebenfalls in die Randbereiche des elektrischen Leiters 110. Hierdurch wird die maximale Stromtragfähigkeit signifikant herabgesetzt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein induktives Bauelement 1 gemäß einer Ausführungsform. Das induktive
Bauelement 1 umfasst eine planare Leiterbahnstruktur 10 und einen
ferromagnetischen Kern 20. Der Querschnitt der planaren Leiterbahnstruktur 10 weist dabei eine Höhe h auf, die signifikant geringer ist als die Breite b der planaren Leiterbahnstruktur. Die Breite b zeigt in die Richtung der
Querausdehnung der planaren Leiterbahnstruktur 10. Insbesondere kann die Breite b um mehr als eine Größenordnung, das heißt den Faktor 10 größer als die Höhe h sein. Entlang eines vorbestimmten Abschnittes in Richtung der Längsausdehnung der Leiterbahnstruktur 10 ist die planare Leiterbahnstruktur 10 von einem ferromagnetischen Kern 20 umgeben. Der ferromagnetische Kern 20 kann aus einem beliebigen ferromagnetischen Material gebildet werden.
Die planare Leiterbahnstruktur 10 weist insbesondere eine Oberseite 11 und eine der Oberseite 11 gegenüberliegende Unterseite 12 auf. Die Oberseite 11 und die Unterseite 12 werden durch diejenigen Seiten gebildet, welche die größeren Abmessungen aufweisen, in diesem Falle folglich die Breite b, welche signifikant größer ist als die Höhe h. Die Leiterbahnstruktur 10 kann beispielsweise aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, z.B. Kupfer, gebildet werden.
Zum Beispiel kann die planare Leiterbahnstruktur 10 als eine Leiterbahnstruktur einer gedruckten Schaltung realisiert werden. Darüber hinaus sind jedoch beliebige andere planare Leiterbahnstrukturen möglich.
Der ferromagnetische Kern 20, welcher die planare Leiterbahnstruktur 10 in einem vorgegebenen Abschnitt umschließt, weist mindestens einen Spalt 21 auf. Der oder die Spalte 21 sind dabei in einem Bereich A der Oberseite 11 und/oder der Unterseite 12 angeordnet. Hierunter ist zu verstehen, dass beispielsweise eine virtuelle gedachte Linie V, welche senkrecht zu der Oberseite 11 oder der Unterseite 12 steht, durch den entsprechenden Spalt 21 hindurch verläuft.
Beispielsweise ist in Figur 1 eine solche virtuelle Linie als gestrichelte Linie V dargestellt.
Im Gegensatz zu Figur 6 weist das induktive Bauelement 1 dabei ausdrücklich keinen Spalt im Bereich B der Seitenflächen auf, also im Bereich der Flächen, welche die Oberseite 11 und die Unterseite 12 miteinander verbinden.
Durch die Spalte 21 im Bereich A der Oberseite 11 bzw. der Unterseite 12 der planaren Leiterbahnstruktur 10 entstehen Inhomogenitäten im Verlauf des magnetischen Feldes, welche den Stromfluss durch die planare
Leiterbahnstruktur 10 beeinflussen können. Insbesondere wird durch diese Inhomogenitäten im magnetischen Feld der Stromfluss zumindest teilweise vom Rand weg Richtung Mitte der planaren Leiterbahnstruktur 10 gedrängt. Dies wirkt insbesondere bei hochfrequenten Signalen einem eventuell auftretenden Skin- Effekt entgegen, wodurch der elektrische Stromfluss zur Außenseite hin gedrängt würde. Somit kann durch gezieltes Positionieren und Einstellen der Spalte 21 in dem ferromagnetischen Kern 20 ein elektrischer Stromfluss in der planaren Leiterbahnstruktur 10 erreicht werden, der auch im Innenbereich der planaren Leiterbahnstruktur 10 erfolgt. Insbesondere kann der elektrische Stromfluss vom Randbereich weg in den Innenbereich der planaren Leiterbahnstruktur 10 verschoben werden. Auf diese Weise kann die Stromtragfähigkeit der planaren Leiterbahnstruktur 10 erhöht werden.
Gegebenenfalls kann der Spalt 21 des ferromagnetischen Kerns 20 mit einem dielektrischen Füllmaterial 22 ausgefüllt werden. Durch die Wahl eines geeigneten dielektrischen Füllmaterials 22 kann ebenfalls Einfluss auf den Verlauf der magnetischen Feldlinien und somit auf die Stromverteilung innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur 10 genommen werden. Sind mehrere Spalte 21 in dem ferromagnetischen Kern 20 vorhanden, so können die einzelnen Spalte 21 entweder mit dem gleichen Füllmaterial 22 ausgefüllt werden, oder es können gegebenenfalls auch unterschiedliche dielektrische Füllmaterialien 22 für die einzelnen Spalte 21 verwendet werden.
Weiterhin können die Kanten des ferromagnetischen Kerns 20 im Bereich des Übergangs zu den Spalten 21 abgerundet sein.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein induktives Bauelement 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform insbesondere dadurch, dass anstelle eines einzigen Spaltes 21 im Bereich A der Oberseite 11 bzw. der Unterseite 12 der planaren
Leiterbahnstruktur 10 nun mehrere Spalte 21 vorgesehen sind. Die hier dargestellte Anzahl von vier Spalten ist jedoch nur ein beliebiges Beispiel.
Darüber hinaus ist auch eine beliebige andere Anzahl von Spalten 21 an der Oberseite und/oder der Unterseite der planaren Leiterbahnstruktur 10 möglich. Darüber hinaus sei auch angemerkt, dass Spalte 21, wie hier dargestellt, sowohl im Bereich der Oberseite 11 als auch im Bereich der Unterseite 12 angebracht werden können. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Spalte 21 nur im Bereich der Oberseite 11 oder alternativ auch nur im Bereich der Unterseite 12 vorzusehen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein induktives Bauelement 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die planare Leiterbahnstruktur 10 auf einem elektrisch isolierenden Trägersubstrat 30 angeordnet ist. Insbesondere ist eine Seite der planaren Leiterbahnstruktur 10, hier insbesondere die Unterseite 12 der planaren Leiterbahnstruktur 10 mit einer Seite des Trägersubstrats 30 verbunden.
Neben der hier dargestellten Ausführungsform einer planaren Leiterbahnstruktur 10 sind darüber hinaus auch Anordnungen mit mehreren Leiterbahnen möglich. Beispielsweise können an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats 30 jeweils planare Leiterbahnen angeordnet sein. Darüber hinaus ist
beispielsweise auch ein Schichtaufbau mit mehreren Trägersubstraten 30 und gegebenenfalls mehreren planaren Leiterbahnen möglich. Auch können gegebenenfalls mehrere Leiterbahnen als planare Leiterbahnstruktur 10 nebeneinander auf dem Trägersubstrat 30 angeordnet sein.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines induktiven
Bauelements 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zu erkennen ist, kann die planare
Leiterbahnstruktur 10 mehrere einzelne Leiterbahnen 10-i umfassen. Diese einzelnen Leiterbahnen 10-i können beispielsweise übereinander angeordnet sein. Übereinander bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise dass jeweils die Unterseite einer Leiterbahn 10-1 zu einer Oberseite einer
benachbarten Leiterbahn 10-1 weist. Darüber hinaus können die einzelnen Leiterbahnen 10-i der Leiterbahnstruktur 10 auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Beispielsweise weisen die oberen beiden Leiterbahnen 10-1 und 10-2 eine geringere Breite auf, als die darunter angeordneten Leiterbahnen 10-3 und 10-4. Ferner ist es auch möglich, mehrere Leiterbahnen 10-i in einer
gemeinsamen Ebene nebeneinander anzuordnen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine komplanare Leiterbahnanordnung 10 realisiert werden.
Wie darüber hinaus in dem Beispiel gemäß Figur 4 zu erkennen ist, kann die Breite dl, d2 der Spalte 21 variieren. Beispielsweise kann die Breite dl, d2 der Spalte 21 in Abhängigkeit der jeweiligen Leiterbahnstruktur 10 angepasst sein.
So kann beispielsweise für eine höhere Anzahl von Leiterbahnen 10-i oder Leiterbahnen 10-i, für welche eine höhere Stromdichte zu erwarten ist, eine größere Spaltbreite dl gewählt werden, während für eine geringere Anzahl von Leiterbahnen 10-i bzw. eine geringere zu erwartende Stromdichte eine geringere Spaltbreite d2 eingestellt werden kann. Darüber hinaus kann beispielsweise auch die Anzahl der Spalte 21 entsprechend der Konfiguration der Leiterbahnstruktur 10 über die Breite variiert werden. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit der Eigenschaften der planaren Leiterbahnstruktur 10 die Dichte der Spalte 21 in dem ferromagnetischen Kern 20 variiert werden.
Figur 5a und 5b zeigen eine perspektivische Darstellung eines induktiven Bauelements 1 gemäß einer Ausführungsform. In dem Teilbild 5a ist dabei die planare Leiterbahnstruktur 10 dargestellt. Die planare Leiterbahnstruktur 10 weist hierbei mehrere Windungen auf. In dem Teilbild 5b ist darüber hinaus dargestellt, wie die planare Leiterbahnstruktur 10 von einem ferromagnetischen Kern 20 umschlossen werden kann. Dieser ferromagnetische Kern 20 kann
beispielsweise entsprechend dem Verlauf der planaren Leiterbahnstruktur 10 einen oder mehrere Spalte 21 aufweisen. Auf diese Weise kann der Verlauf des Stromflusses innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur 10 gezielt beeinflusst werden. Entsprechend des ringförmigen Verlaufs der Leiterbahnenstruktur 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist daher auch der Spalt 21 des ferromagnetischen Kerns 20 ebenfalls ringförmig ausgeführt.
Das zuvor beschriebene induktive Bauelement 1 kann beispielsweise als induktives Filterelement für eine Hochfrequenz- Filtervorrichtung verwendet werden. Gegebenenfalls kann das zuvor beschriebene induktive Bauelement 1 hierzu mit weiteren Bauelementen, wie beispielsweise einem ohmschen
Widerstand und/oder einem kapazitiven Bauelement kombiniert werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein induktives Bauelement mit einer planaren Leiterbahnstruktur. Die planare Leiterbahnstruktur ist entlang eines vorgegebenen Abschnittes mit einem ferromagnetischen Kern
umschlossen. Zur gezielten Steuerung des Stromflusses innerhalb der planaren Leiterbahnstruktur und insbesondere der Stromdichte im Querschnitt der planaren Leiterbahnstruktur sind dabei gezielt Spalte im ferromagnetischen Kern vorgesehen. Die Spalte im ferromagnetischen Kern werden dabei in Bereichen oberhalb und/oder unterhalb der planaren Leiterbahnstruktur angeordnet.

Claims

Ansprüche
1. Induktives Bauelement (1), mit: einer planaren Leiterbahnstruktur (10), die eine Oberseite (11) und eine Unterseite (12) umfasst, wobei die Oberseite (11) gegenüber der Unterseite (12) angeordnet ist, und einem ferromagnetischen Kern (20), der um die planare
Leiterbahnstruktur (10) herum angeordnet ist, wobei der ferromagnetische Kern (20) in einem Bereich (A) der
Oberseite (11) und/oder der Unterseite (12) der planaren
Leiterbahnenstruktur (10) mindestens einen Spalt (21) umfasst.
2. Induktives Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei der
ferromagnetische Kern (20) mehrere Spalte (21) umfasst, die im Bereich (A) der Oberseite (11) und/oder der Unterseite (12) der planaren Leiterbahnstruktur (10) angeordnet sind.
3. Induktives Bauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die planare Leiterbahnstruktur (10) mehrere parallel verlaufende Leiterbahnen (10-i) umfasst.
4. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die planare Leiterbahnstruktur (10) mehrere übereinander angeordnete Leiterbahnen (10-i) umfasst.
5. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die planare Leiterbahnstruktur (10) mehrere komplanare Leiterbahnen (10-i) umfasst, und wobei im Bereich (A) der Oberseite (11) und/der Unterseite (12) jeder Leiterbahnen (10-i) mindestens ein Spalt (21) angeordnet ist.
6. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Spalt (21) des ferromagnetischen Kerns (20) zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllmaterial (22) ausgefüllt ist.
7. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der ferromagnetische Kern (20) am Übergang zu dem Spalt (21)
abgerundete Kanten umfasst.
8. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der magnetische Kern (20) im Bereich der Oberseite (11) und/oder der Unterseite (12) der planaren Leiterbahnenstruktur (10) ein Material mit ferromagnetischen Pulverteilchen umfasst.
9. Induktives Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit
einem Trägersubstrat (30), wobei die Unterseite (11) und/oder die Oberseite (12) der planaren Leiterbahnenstruktur (10) auf dem Trägersubstrat (30) angeordnet ist.
10. Hochfrequenz- Filtervorrichtung mit einem induktiven Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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