WO2000031760A1 - Induktives bauelement mit planarer leitungsstruktur und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Induktives bauelement mit planarer leitungsstruktur und verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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Rolf Lohrmann
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    • H01F41/041Printed circuit coils
    • H01F41/046Printed circuit coils structurally combined with ferromagnetic material

Definitions

  • the invention relates to an inductive component with a planar line structure according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a component according to claim 7.
  • the z. B. coils or transformers consist of a ferrite core with one or more wire windings. These wire windings can be arranged completely outside of the ferrite core around it or can also be partially guided through openings in the same.
  • a disadvantage of such a component is that it has to be partially manufactured by hand, particularly as far as the introduction of the winding wire into the opening of the ferrite core is concerned.
  • the reproducibility, i.e. the manufacturing tolerance regarding the inductive properties, due to the winding process relatively low.
  • inductive components that can be manufactured automatically. These components consist of a substantially flat carrier substrate made of a ferrite, on which a line structure is applied using planar technology.
  • a disadvantage of this component is that only relatively small inductances can be generated, since the magnetic flux generated by the planar conductor structure outside the carrier substrate in the Airspace, i.e. in an area with low permeability (ie high magnetic resistance).
  • the object of the invention is therefore to create an inductive component which is suitable for automated production but has good inductive properties, and to provide a method for producing such an inductive component.
  • the inductive component according to the invention has a carrier substrate made of a ferrite and at least one planar conductor structure arranged on the carrier substrate, the conductor structure on the carrier substrate being covered by a cover made of a ferrite.
  • the magnetic flux generated by the planar line structure is guided through ferrite along its entire path. Because of the air flow-free guidance of the magnetic flux thus achieved, the component according to the invention has a lower magnetic resistance.
  • the inductive component according to the invention is suitable for mechanical assembly using SMD technology (pick-and-place).
  • the component according to the invention can also advantageously be used in Füp chip technology.
  • the manufacturing process of the component is compatible with the processes used in thin and thick film technology and can therefore be carried out without additional effort. Due to the smaller dimensions of the component in comparison to the previously known solutions, a higher operating frequency range is possible.
  • the cover of the inductive component is preferably attached to the carrier substrate by means of a ferrite-containing adhesive. This leads to a further improvement in the magnetic conductivity between the carrier substrate and the cover.
  • the spaces between the cover and the carrier substrate or line structure are preferably filled without air space by ferrite-containing adhesive. This leads to a further improvement in the magnetic properties of the component.
  • the inductive component is a transformer with predetermined inductances.
  • the method according to the invention for producing an inductive component is defined by the application of at least one line structure to a carrier substrate made of a ferrite, specifically by means of a planar technology, and the covering of the conductor structure on the carrier substrate by a cover made from a ferrite. Since the Leitogstniktur is applied by a planar technology, the production of this component can be carried out highly automated. A thin-film technique such as a lithographic process or a thick-film technique such as a screen printing process can be used. Therefore, a low manufacturing tolerance is achieved, which leads to a high reproducibility and thus to a high yield in the manufacturing process.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an inductive component according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of an inductive component in accordance with a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a horizontal section on the line structures of an inductive component in accordance with a third exemplary embodiment of the invention
  • 1 shows a cross section of an inductive component according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment of the invention.
  • a planar conductive structure 20, which represents an electrical coil, is applied to a ferrite plate 10 as a carrier substrate.
  • the line structure 20 is applied in thin-film technology by means of a lithographic process. Alternatively, the line structure 20 could also be applied using thick-film technology, provided that the structure size allows this.
  • the ferrite plate 10 and the line structure 20 are covered by a flat, unstructured cover 30 made of ferrite on the underside 21.
  • the gap 25 formed here between the ferrite plate 10 and the ferrite cover 30 is filled without air space by ferrite-containing adhesive.
  • the magnetic flux generated by the line structure acting as a coil is conducted entirely in ferrite. This results in a greater inductance than conventional components manufactured in planar technology, since an air gap between the interfaces of the individual structures and thus an increase in the magnetic resistance are avoided.
  • the ferrite-containing adhesive also serves to fix the ferrite cover to the ferrite plate.
  • an insulation layer for example a polymer layer or a glass layer, can be applied below and / or above the line layer.
  • the ferrite cover 30 is recessed on the side oriented toward the ferrite plate 10 in accordance with the applied line structure 20, so that it has a maximum contact surface with the ferrite plate 10.
  • Spaces 25, 35 between the ferrite plate 10 and the ferrite cover 30 or between the gluing structure 20 and the ferrite cover 30 are filled without air space by ferrite-containing adhesive.
  • this guarantees well-defined electrical or magnetic properties of the component, on the other hand, the amount of ferrite-containing adhesive required to fill air gaps is minimized.
  • the magnetic flux generated by the line structure 20 is conducted entirely in ferrite.
  • the component can thus be assembled using SMD technology. This means that there is less assembly effort than the known solutions, and mechanical assembly (pick-and-place) can also be carried out.
  • the inductive component according to the invention is not limited to the function of a coil, that is to say an electrical two-pole system. Rather, precisely because of the implementation of the line structure by means of a lithographic process, any inductive components, e.g. B: Quadrupole, with several inductive circles. In this case, the inductive component according to the invention has a plurality of line structures 20, 20 '.
  • the inductive component is a transformer, the two line structures 20 and 20 'of which are inductively coupled by the ferrite plate 10 and the ferrite cover 30.

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Abstract

Es werden ein induktives Bauelement mit planarer Leitungsstruktur (20) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements beschrieben. Das induktive Bauelement weist ein Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit und mindestens eine auf dem Trägersubstrat (10) angeordnete planare Leitungsstruktur (20) auf, wobei die Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch ein Abdeckung (30) aus einem Ferrit abgedeckt ist. Beim Verfahren wird durch eine Planartechnologie mindestens eine Leitungsstruktur (20) auf einem Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit aufgebracht und die Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit abgedeckt.

Description

Induktives Bauelement mit planarer Leitungssτruktur und Verfahren zur Herstellung desselben
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit planarer Leitungsstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements gemäß Anspruch 7.
Bekannte induktive Bauelemente, die z. B. Spulen oder Übertrager darstellen, bestehen aus einem Ferritkern mit einer oder mehreren Drahtwicklungen. Diese Drahtwicklungen können vollständig außerhalb des Ferritkerns um diesen herum angeordnet sein oder auch teilweise innerhalb desselben durch Öffnungen geführt sein. Nachteilig an einem derartigen Bauelement ist, daß es teilweise von Hand gefertigt werden muß, insbesondere was die Einmhrung des Wicklungsdrahtes in die Öffnung des Ferritkerns betrifft. Des Weiteren ist die Reproduzierbarkeit, d.h. die Fertigungstoleranz hinsichtlich der induktiven Eigenschaften, aufgrund des Wicklungsvorganges verhältnismäßig gering.
Es sind zwar bereits induktive Bauelemente bekannt, die automatisiert gefertigt werden können. Diese Bauelemente bestehen aus einem im wesentlichen ebenen Trägersubstrat aus einem Ferrit, auf der eine Leitungsstruktur in Planartechnik aufgebracht ist. Nachteilig an diesem Bauelement ist, daß nur verhältnismäßig kleine Induktivitäten erzeugt werden können, da der durch die planare Leiftmgsstruktur erzeugte magnetische Fluß außerhalb der Trägersubstrat im Luftraum, also in einem Bereich mit niedriger Permeabilität (d.h. hohem magnetischem Widerstand) verläuft.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein induktives Bauelement zu schaffen, welches für automatisierte Fertigung geeignet ist, jedoch gute induktive Eigenschaften aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen induktiven Bauelements zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein induktives Bauelement mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement weist ein Trägersubstrat aus einem Ferrit und mindestens eine auf dem Trägersubstrat angeordnete planare Leitαrngsstruktur auf, wobei die Leitungsstruktur auf dem Trägersubstrat durch eine Abdeckung aus einem Ferrit abgedeckt ist. Bei diesem Bauelement ist der durch die planare Leitungsstruktur erzeugte magnetische Fluß auf seinem gesamten Weg durch Ferrit geführt. Aufgrund der somit erreichten luftraumfreien Führung des magnetischen Flusses weist das erfindungsgemäße Bauelement einen geringeren magnetischen Widerstand auf.
Da die Leit mgsstrukturen in Planartechnologie auf die Trägersubstrate aufgebracht werden, entfallen ungenaue Wicklungsvorgänge mit Draht. Die Leitungsstrukturen besitzen daher (durch die Masken) definierte geometrische Formen, weshalb die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauelements mit hoher Genauigkeit in der Serienfertigung reproduzierbar sind. Hierdurch können die Fertigungskosten für das Bauelement sowie die Kosten bei der Verwendung des Bauelements bei der Leite latten-Bestückung erheblich reduziert werden.
Zudem ist das erfindungsgemäße induktive Bauelement für maschinelle Montage in SMD-Technologie (pick-and-place) geeignet.
Bei Anwendung geeigneter Maßnahmen läßt sich das erfindungsgemäße Bauelement auch vorteilhaft in der Füp-Chip-Technik einsetzen.
Der Fertigungsprozeß des Bauelements ist mit den benutzten Prozessen der Dünn- und Dickschichttechnologie kompatibel und kann somit ohne zusätzlichen Aufwand erfolgen. Durch geringere Abmessungen des Bauelements im Vergleich zu den bisher bekannten Lösungen ist ein höherer Betriebsfrequenzbereich möglich.
Vorzugsweise ist die Abdeckung des induktiven Bauelements mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Trägersubstrat befestigt. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Leitfähigkeit zwischen Trägersubstrat und Abdeckung.
Des weiteren sind die Zwischenräume zwischen Abdeckung und Trägersubstrat oder Leitungsstruktur durch ferrithaltigen Klebstoff vorzugsweise luftraumfrei gefüllt. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Bauelements. In einer vorteilhaften Ausführungsförm stellt das induktive Bauelement einen Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements ist definiert durch das Aufbringen mindestens einer Leitungsstruktur auf ein Trägersubstrat aus einem Ferrit, und zwar durch eine Planartechnologie, und das Abdecken der Leitrmgsstiτktur auf dem Trägersubstrat durch eine Abdeckung aus einem Ferrit. Da die Leitogsstniktur durch eine Planartechnologie aufgebracht wird, kann die Herstellung dieses Bauelements hochgradig automatisiert durchgeführt werden. Hierbei kann eine Dünnschicht-Teclrriik, wie etwa ein lithographisches Verfahren, oder eine Dickschicht-Technik, wie etwa ein Siebdruck- Verfahren zum Einsatz kommen. Daher wird eine geringe Fertigungstoleranz erzielt, was zu einer hohen Reproduzierbarkeit und damit zu einer hohen Ausbeute beim Fertigungsprozeß führt.
Zeichnung
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung und Fig. 3 einen horizontalen Schnitt auf die Leitungsstrukturen emes induktiven Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Auf einer Ferritplatte 10 als Trägersubstrat ist eine planare Leirungsstruktur 20, die eine elektrische Spule darstellt, aufgebracht. Die Leitungsstruktur 20 ist in Dünnschicht- Technik durch ein lithographisches Verfahren aufgebracht. Alternativ könnte die Leitungsstruktur 20 auch in Dickschicht-Technik aufgebracht werden, sofern die Strukturgröße dies erlaubt. Die Ferritplatte 10 und die Leitungsstmktur 20 sind durch einen auf der Unterseite 21 ebenen, unstrukturierten Deckel 30 aus Ferrit abgedeckt. Der hier entstehende Spalt 25 zwischen der Ferritplatte 10 und dem Ferritdeckel 30 ist durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt. Somit wird der durch die als Spule wirkende Leitungsstruktur erzeugte magnetische Fluß vollständig in Ferrit geführt. Dies bewirkt eine im Vergleich zu herkömmlichen, in Planartechnologie gefertigten Bauelementen größere Induktivität, da ein Luftspalt zwischen den Grenzflächen der einzelnen Strukturen und damit eine Erhöhung des magnetischen Widerstands vermieden werden.
Der ferrithaltige Klebstoff dient gleichzeitig der Fixierung des Ferritdeckels mit der Ferritplatte.
Um die elektrische Isolation zwischen Leitungsschicht und Ferrit zu verbessern, kann eine Isolationsschicht, beispielsweise eine Polymerschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der Leitungsschicht aufgebracht sein.
Fig. 2 zeigt ein induktives Bauelement gemäß dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Hier ist der Ferritdeckel 30 auf der zur Ferritplatte 10 orientierten Seite entsprechend der aufgebrachten Leitungsstruktur 20 ausgespart, so daß er mit der Ferritplatte 10 eine maximale Auflagefläche aufweist. Zwischenräume 25, 35 zwischen der Ferritplatte 10 und Ferritdeckel 30 bzw. zwischen Leimngsstruktur 20 und Ferritdeckel 30 sind durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt. Hierdurch werden einerseits wohldefinierte elektrische bzw. magnetische Eigenschaften des Bauelements garantiert, andererseits wird auch die benötigte Menge von ferrithaltigem Klebstoff zum Auffüllen von Luft-Zwischenräumen minimiert. Somit wird auch hier der durch die Leitungsstruktur 20 erzeugte magnetische Fluß vollständig in Ferrit geführt.
Die elektrischen Kontakte der Leitongsslrukturen 20 bzw. 20' sind in geeigneter Weise auf die Unterseite 101 der Ferritplatte 10 herausgeführt. Das Bauelement ist somit in SMD-Technik montierbar. Somit besteht ein geringerer Montageaufwand gegenüber den bekannten Lösungen, wobei auch eine maschinelle Bestückung (pick- and-place) durchgeführt werden kann.
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement ist nicht auf die Funktion einer Spule, also einen elektrischen Zweipol, beschränkt. Vielmehr lassen sich, gerade wegen der Realisierung der Leitungsstruktur durch ein lithographisches Verfahren, beliebige induktive Bauelemente, z. B: Vierpole, mit mehreren induktiven Kreisen bilden. In diesem Fall weist das erfindungsgemäße induktive Bauelement mehrere Leitungsstrukturen 20, 20' auf.
In dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt das induktive Bauelement einen Übertrager dar, dessen zwei Lei ngsstrukturen 20 bzw. 20' durch die Ferritplatte 10 und den Ferritdeckel 30 induktiv gekoppelt sind.

Claims

Ansprüche
1. Induktives Bauelement, aufweisend: ein Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit, mindestens eine auf dem Trägersubstrat (10) angeordnete planare Leitungsstruktur (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit abgedeckt ist.
2. Induktives Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume (25,35) zwischen Abdeckung (30) und Trägersubstrat (10) oder Leitungsstruktur (20) durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt sind.
3. Induktives Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (30) mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Trägersubstrat (10) befestigt ist.
4. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (30) derart slxrikturiert ist, daß sie die Leitangsslruktur (20) im wesentlichen luftraumfrei umschließt.
5. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten bildet.
6. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Spule mit vorbestimmter Induktivität bildet.
7. Induktives Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht, vorzugsweise eine Polymerschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der Leitungsstruktur (20) angeordnet ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines induktives Bauelements, die folgenden Schritte aufweisend:
Aufbringen, durch eine Planartechnologie, mindestens einer Leimngsstruktur (20) auf einem Trägersubstrat (10) aus einem Ferrit und
Abdecken der Leitungsstruktur (20) auf dem Trägersubstrat (10) durch eine Abdeckung (30) aus einem Ferrit.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (30) mittels eines ferrithaltigen Klebstoffs auf dem Trägersubstrat (10) befestigt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume zwischen Abdeckung (30) und Trägersubstrat (10) oder Leitungsstruktur (20) durch ferrithaltigen Klebstoff luftraumfrei ausgefüllt werden.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (30) derart strukturiert wird, daß sie die Leitungsstruktur (20) im wesentlichen luftraumfrei umschließt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übertrager mit vorbestimmten Induktivitäten hergestellt wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule mit vorbestimmter Induktivität hergestellt wird.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht, vorzugsweise eine Polymerschicht oder eine Glasschicht, unterhalb und/oder oberhalb der LeitTingsstruktur (20) angeordnet wird.
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