Beschreibung
VielSchichtbauelement
Aus der Druckschrift DE 102005025680 Al ist ein
Vielschichtbauelement mit einem Varistor und einem LC-Filter bekannt .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vielschichtbauelement anzugeben, das ein weites Spektrum an möglichen LC-Filterdesigns ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Vielschichtbauelement nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Vielschichtbauelements sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es wird ein Vielschichtbauelement angegeben, das wenigstens einen induktiven Bereich aufweist. Der induktive Bereich umfasst eine Ferritkeramik, die Elektrodenstrukturen aufweist. Durch die Elektrodenstrukturen wird in dem induktiven Bereich wenigstens eine Induktivität gebildet. Vorzugsweise umfasst die Induktivität eine Spulenstruktur.
Das Vielschichtbauelement weist zudem wenigstens einen kapazitiven Bereich auf. Der kapazitive Bereich des Vielschichtbauelements umfasst wenigstens eine Varistorkeramik. Durch Innenelektroden des kapazitiven Bereichs wird wenigstens eine Kapazität gebildet.
Durch den wenigstens einen induktiven Bereich und den wenigstens einen kapazitiven Bereich des Vielschichtbauelements wird wenigstens ein LC-Filter gebildet .
Die Elektrodenstrukturen umfassen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen .
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Durchkontaktierungen eine konische Form auf. Konische
Durchkontaktierungen können beispielsweise mittels konischer Nadeln oder mittels eines Lasers in den Grünfolien eines Vielschichtbauelements erzeugt werden.
Durch konische Durchkontaktierungen ist es beispielsweise möglich, dass breite Leiterbahnen auf einer ersten Seite einer Schicht des Vielschichtbauelements mit relativ schmalen nahe beieinander liegenden Leiterbahnen auf einer zweiten Seite der Schicht kontaktiert werden können. Dadurch ist beim Design der Leiterbahnen eine größere Gestaltungsfreiheit möglich.
In einer weiteren Ausführungsform können beispielsweise die konusförmigen Durchkontaktierungen zweier übereinander liegender Schichten mit den Spitzen zueinander gerichtet sein. Dadurch kann beispielsweise eine Kontaktierung von einer breiten über eine relativ schmale Leiterbahn hin zu einer breiten Leiterbahn erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die
Varistorkeramik eine ESD (electrostatic discharge) - Schutzfunktion auf.
Die Ferritkeramik kann Nickelzink (NiZn) -Ferrite umfassen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ferritkeramik
Nickelkupferzink (NiCuZn) -Ferrite umfasst. In einer weiteren
Ausführungsform kann die Ferritkeramik auch
Nickelzinkkobalt (NiZnCo) -Ferrite umfassen. Es ist jedoch auch
möglich, dass die Ferritkeramik hexagonale Ferrite enthält. In möglichen Ausführungsformen umfasst die Ferritkeramik beispielsweise Bariumhexaferrit, Manganzinkferrit oder Nickelzinkferrit. Bariumhexaferrit weist in einer Ausführungsform beispielsweise eine Permeabilität von vorzugsweise zwischen 1 und 20 auf. Die Permeabilität von Nickelzinkferrit weist in einer weiteren Ausführungsform beispielsweise einen Wert zwischen 10 und 1000 auf. Manganzinkferrit weist in einer weiteren Ausführungsform beispielsweise eine Permeabilität von vorzugsweise zwischen 2000 und 20000 auf.
Die Varistorkeramik des Vielschichtbauelements kann in einer Ausführungsform eine Zinkoxidwismutantimon (ZnO-BiSb) -Keramik umfassen. Es ist jedoch auch möglich, dass die
Varistorkeramik eine Zinkoxidpraseodym (ZnOPr) -Keramik umfasst .
Der induktive Bereich des Vielschichtbauelements weist vorzugsweise in mehreren Ebenen verlaufende Leiterbahnen und Leiterbahnen miteinander verbindende Durchkontaktierungen auf .
Der Aufbau des Vielschichtbauelements ist vorzugsweise hinsichtlich der Anordnung von kapazitiven und induktiven Bereichen in Bezug auf eine Ebene, die parallel zu den Schichten des Vielschichtbauelements angeordnet ist, symmetrisch. Ein symmetrischer Aufbau weist insbesondere Vorteile hinsichtlich der Charakteristik des Filters auf. Des Weiteren hat ein symmetrischer Aufbau Vorteil bei der Herstellung des Vielschichtbauelements.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aufbau des Vielschichtbauelements folgende Abfolge der Keramikbereiche auf: Eine Anzahl von n Bereichen einer Varistorkeramik werden gefolgt von m Bereichen einer Ferritkeramik die wiederum gefolgt werden von n Bereichen einer Varistorkeramik, wobei n ≥ 1 und m ≥ 1 ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das
Vielschichtbauelement einen Aufbau der Keramikbereiche auf, der mittels n Bereichen einer Ferritkeramik, gefolgt von m Bereichen einer Varistorkeramik die von n Bereichen einer Ferritkeramik gefolgt sind, aufgebaut ist, wobei n ≥ 1 und m ≥ 1 ist.
Das Vielschichtbauelement kann zwischen dem kapazitiven Bereich und dem induktiven Bereich eine metallhaltige Zwischenschicht umfassen. Die metallhaltige Zwischenschicht dient vorzugsweise als Diffusionssperre zwischen einem kapazitiven und einem induktiven Bereich des Vielschichtbauelements. Durch die metallhaltige
Zwischenschicht wird die Diffusion von Dotierstoffen zwischen den beiden Bereichen annähernd vollständig unterbunden. Ohne einer metallhaltigen Zwischenschicht könnten beispielsweise Dotierstoffe aus der Varistorkeramik in die Ferritkeramik diffundieren oder Dotierstoffe der Ferritkeramik in die Varistorkeramik.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein kapazitiver Bereich die Eigenschaften eines Vielschicht-Keramik- Kondensators (MLCC) aufweisen, der keine Varistorfunktion aufweist, wobei das Vielschichtbauelement wenigstens einen weiteren kapazitiven Bereich aufweist, der eine Varistorkeramik umfasst.
Der LC-Filter, der durch den induktiven und kapazitiven Bereich des Vielschichtbauelements gebildet ist, weist in einer Ausführungsform eine Pi-Struktur auf. Es ist jedoch auch möglich, dass der LC-Filter eine T-Struktur aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass auf der Oberfläche des Vielschichtbauelements eine Widerstandsstruktur aufgebracht ist. Eine Widerstandstruktur kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf der Oberfläche des Vielschichtbauelements aufgebracht sein. Durch einen derartigen zusätzlichen Widerstand ist es beispielsweise möglich, dass das Vielschichtbauelement die Eigenschaften eines RLC-Filters aufweist.
Das Vielschichtbauelement umfasst zur Kontaktierung der
Elektrodenstrukturen im Inneren des Vielschichtbauelements mehrere Außenkontakte. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Außenkontakte in Arrayform ausgeführt. Hierbei kann es sich um ein Land Grid Array (LGA) oder auch um ein Ball Grid Array (BGA) handeln.
Durch die Verwendung einer Ferritkeramik für den Aufbau der Induktivität können sehr hohe Induktivitäten erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Vielschichtbauelementen weisen Ferritkeramiken eine wesentlich höhere Permeabilität auf. Die Ferritkeramiken des Vielschichtbauelements weisen vorzugsweise eine Permeabilität auf, die größer als 1 ist. Vorzugsweise weist die Ferritkeramik eine Permeabilität zwischen 1 und 20000 auf.
Durch die Verwendung einer Varistorkeramik im kapazitiven Bereich können aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante der Varistorkeramik hohe Kapazitäten erreicht werden. Dadurch
kann ein weites Spektrum an möglichen LC-Filterdesigns realisiert werden.
Durch den Aufbau des Vielschichtbauelements aus Varistorkeramik und Ferritkeramik können ESD-Schutzfunktion und Filterfunktion in einem Bauteil integriert werden. Dabei wird die ESD-Schutzfunktion durch die Verwendung einer Varistorkeramik und die Filterfunktion durch die Verwendung einer Ferritkeramik erreicht.
Es ist möglich mehrere LC-Filter in einem Bauelement als Array anzuordnen. Dazu werden mehrere LC-Filter beispielsweise nebeneinander in einem gemeinsamen Bauelement angeordnet .
Die oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren
Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente die einander gleichen oder die die gleichen Funktionen übernehmen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements, das einen induktiven und einen kapazitiven Bereich umfasst,
Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements,
das einen induktive und zwei kapazitive Bereiche umfasst,
Figur 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements, bei dem zwischen einem induktiven und einem kapazitiven Bereich eine Zwischenschicht angeordnet ist,
Figur 4 zeigt einen schematischen Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements, das einen induktiven und zwei kapazitive Bereiche umfasst,
Figur 5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters,
Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Pi-Typ LC-Filters,
Figur 7 zeigt einen schematischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements, bei dem auf der Oberfläche ein Widerstand angeordnet ist,
Figur 8 zeigt ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters mit einem Widerstand der in Reihe mit Induktivität geschaltet ist,
Figur 9 zeigt ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters mit T-
Struktur .
In Figur 1 ist ein schematischer Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Vielschichtbauelements gezeigt. Das Vielschichtbauelement umfasst einen induktiven Bereich
(1) und einen kapazitiven Bereich (2) . Der induktive Bereich
(1) umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Ferritkeramik, die Elektrodenstrukturen, bestehend aus Leiterbahnen und Durchkontaktierungen, enthält. Die Elektrodenstrukturen des induktiven Bereichs (1) bilden wenigstens eine Spulenstruktur und wenigstens eine Induktivität. Der kapazitive Bereich (2) umfasst vorzugsweise eine Varistorkeramik, wobei der kapazitive Bereich (2) wenigstens eine Kapazität und wenigstens einen Widerstand bildet. Der induktive Bereich (1) und der kapazitive Bereich
(2) bilden zusammen wenigstens einen LC-Filter. Die elektrischen Elemente des induktiven (1) und kapazitiven (2) Bereichs sind als Ersatzschaltbild in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Das Vielschichtbauelement ist zum Anschluss der Elemente nach Außen mit mehreren Außenkontakten (8) versehen.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vielschichtbauelements, wobei das Vielschichtbauelement einen induktiven Bereich (1) aufweist, der zwischen zwei kapazitiven Bereichen (2) angeordnet ist. Der erste kapazitive Bereich (2) kann beispielsweise die Funktion eines Varistors aufweisen. Der zweite kapazitive Bereich (2) kann hierbei beispielsweise eine rein kapazitive Funktion aufweisen. Durch den symmetrischen Aufbau des Vielschichtbauelements wird die Herstellung vereinfacht. Des Weiteren weist ein symmetrischer Aufbau beispielsweise Vorteile bzgl. der Volumenausdehnung der einzelnen Keramiken im Sinterschritt auf.
In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform des
Vielschichtbauelements nach einem vergleichbaren Aufbau wie in Figur 1 dargestellt, bei dem zwischen dem induktiven Bereich (1) und dem kapazitiven Bereich (2) eine
metallhaltige Zwischenschicht (7) angeordnet ist. Die Zwischenschicht (7) dient vorzugsweise als Diffusionssperre zwischen dem induktiven Bereich (1) und dem kapazitiven Bereich (2) .
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Vielschichtbauelements, wobei das Vielschichtbauelement einen induktiven Bereich (1) aufweist, der zwischen zwei kapazitiven Bereichen (2) angeordnet ist. Ein erster kapazitiver Bereich (2) umfasst eine Varistorkeramik. Ein zweiter kapazitiver Bereich (2') umfasst einen
Vielschichtkeramikkondensator (Multi^ayer Ceramic (Capacitor = MLCC) .
In der Figur 5 ist ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines Ausführungsbeispiels des Vielschichtbauelements dargestellt. Das Schaltbild zeigt einen LC-Filter (6) zu dem zwei Varistoren (9) parallel geschaltet sind. Der LC-Filter (6) bestehend aus einer Induktivität (3) und einer Kapazität (4), die parallel zueinander verschaltet sind. Die
Induktivität (3) ist in Leitungsrichtung geschaltet. Die Kapazität (4) ist zwischen zwei Leitungen des LC-Filters (6) geschaltet .
Die Figur 6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines weiteren Ausführungsbeispiels des Vielschichtbauelements. Der LC-Filter (6) hat die Gestalt eines Pi-Typ LC-Filters. Der LC-Filter (6) umfasst eine Induktivität (3) und zwei parallel zur Induktivität (3) geschaltete Kapazitäten (4) . Parallel zu dem LC-Filter (6) sind zwei Varistoren (9) geschaltet, die als ESD-Schutzelemente für den LC-Filter (6) dienen.
In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform des Vielschichtbauelements nach einem vergleichbaren Aufbau wie in Figur 1 dargestellt, bei dem auf der Oberfläche des Vielschichtbauelements ein Widerstand (5) angeordnet ist. Der Widerstand (5) kann beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens aus der Oberfläche des
Vielschichtbauelements aufgebracht sein. Vorzugsweise ist der Widerstand (5) in Reihe zu wenigstens einer Induktivität geschaltet. Die elektrische Kontaktierung des Widerstands (5) zu der Induktivität kann beispielsweise mittels Durchkontaktierungen oder auf der Oberfläche des Vielschichtbauelements aufgebrachten Leiterbahnen erfolgen. Eine derartige Anordnung bildet beispielsweise einen RLC- Filter, der in der Figur 8 als Ersatzschaltbild dargestellt ist. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, dass weitere Widerstände oder andere elektronische Bauelemente auf der Oberfläche des Vielschichtbauelements aufgebracht sein können, die mit dem LC-Filter verschaltet sind. Es ist auch möglich, den Widerstand (5) oder weitere elektrische Bauelement mit LC- Filtern zu kombinieren, die in den Figuren 5,6 und 9 dargestellt sind.
Die Figur 8 zeigt ein Ersatzschaltbild eines RLC-Filters eines Ausführungsbeispiels des Vielschichtbauelements. Das Schaltbild zeigt einen RLC-Filter (10), zu dem zwei Varistoren (9) parallel geschaltet sind. Der RLC-Filter (10) bestehend aus einer Induktivität (3) und einem Widerstand (5) , die seriell geschaltet sind. Zu der Induktivität (3) und dem Widerstand (5) ist eine Kapazität (4) parallel geschaltet. Die Induktivität (3) und der Widerstand (5) sind in Leitungsrichtung geschaltet. Die Kapazität (4) ist zwischen zwei Leitungen des RLC-Filters (10) geschaltet.
In Figur 9 ist Ersatzschaltbild eines LC-Filters eines weiteren Ausführungsbeispiels des Vielschichtbauelements dargestellt. Der LC-Filter (6) hat die Gestalt eines T-Typ LC-Filters. Der LC-Filter (6) umfasst zwei Induktivitäten (3] und eine parallel zu Induktivitäten (3) geschaltete
Kapazität (4) . Parallel zu dem LC-Filter (6) sind zwei Varistoren (9) geschaltet.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildung der Erfindung beschrieben werden konnte ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, dass das Vielschichtbauelement eine höhere Anzahl an Keramikbereichen aufweist.
Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen soweit technisch sinnvoll beliebig miteinander kombiniert werden .
Bezugs zeichenliste
1 induktiver Bereich
2, 2' kapazitiver Bereich
3 Induktivität
4 Kapazität
5 Widerstand
6 LC-Filter
7 Zwischenschicht
8 Außenkontakte
9 Varistor
10 RLC-Filter