WO2015176919A1 - Mehrlagiges induktives passives bauelement und folienkörper zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2015176919A1
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magnetic
dielectric
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ceramic
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Roman Karmazin
Richard Matz
Ruth MÄNNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to multi-layer passive inductive Bauele ⁇ elements, the blank is in Low Temperature Cofired Ceramics / LTCC (sintered at a low temperature ceramic) embed and a multilayer printed circuit board structure that enables the production-of embedded devices by co-firing.
  • circuit carriers enable the embedding of coils for the purpose of displaying inductors and transformers, for example in power electronic circuits.
  • additional magnetic ceramic elements referred to as ferrite, are generally required. Background is the amplification of the magnetic field and / or its formation.
  • a disadvantage is that ferrite elements share relatively large mecanical ⁇ evidence of serving as a base circuit carrier. This is particularly opposed to miniaturization. The thus occupied area is then no longer available for assembly with SMD components / superficially mounted components.
  • passive components which have, for example resistive, capacitive, inductive or waves ⁇ wavelength-selective function are partially embedded multi-layer printed circuit boards between the layers, also referred to as "passive integration", so that ideally a Ausgewogen- integrated between the use of the Interior through such
  • Embedding and the surface assembly consists. Especially at high operating frequencies have passive components low, advantageous for integration dimensions. passive Integration can be carried out in both organic and ceramic multilayer printed circuit boards, which are built up from polymer-based or green ceramic films.
  • inductive components such as coils and transformers often determine the size due to the lower operating frequencies.
  • inductive components such as coils and transformers often determine the size due to the lower operating frequencies.
  • ferrite cores are usually relatively narrow out ⁇ sets to reduce the space requirement.
  • the cross-section required for the flow must be achieved with a narrow design of the ferrite cores by means of a corresponding overall height.
  • ⁇ KISSING of ferrite cores are available.
  • one reference contemplates a multilayer transformer having Mn-Zn ferrites. It ⁇ the electrical characteristics described, and two types of transformers compared which a have a conventional winding structure and on the other a new winding structure for wherein primärer- and secondary conductor al ternierend not only in the vertical direction, but also in the horizontal Direction are positioned.
  • the coupling coefficients can be optimized.
  • DE 693 14 142 T2 (EP 0 601 779 B1) deals with the problem ⁇ lematics that ferrites, which are embedded in dielectric ceramic Lei ⁇ terplatten, during sintering another
  • the invention has for its object to provide a multilayer inductive passive component with magnetic ceramic part, which is sintered monolithically, specify, wherein the magnetic ceramic parts are covered with planar, conventionally populated dielectric ceramic layers.
  • Ferrite elements are used in particular as magnetic ceramic parts.
  • a cavity is referred to, in which the fo ⁇ lien stresses the presintered magnetic ceramic part befin ⁇ det.
  • Coil windings can be designed using proven technology, such as screen printing of conductive pastes or copper cladding.
  • the technological development is therefore focused on the miniaturization and embedding technologies of the ferrite core.
  • the required ferrite core size increases in proportion to the power of the transformer and to the effective permeability of the core; it decreases reciprocally to the operating frequency and square of the permissible magnetic flux density.
  • lower permeability reduces the magnetic coupling between the primary and secondary windings and increases the minimum frequency of the transformer. sector.
  • the design according to the invention represents an optimum from increased operating frequency, a ferrite core with low effective permeability reduced on ferrite plates with an air gap, and one resulting from the simplification of the shape
  • the invention is based on the recognition that it is possible on the basis of electromagnetic boundary conditions, magnetically schematic field lines inside initially extend in a printed circuit board integrated coil perpendicular to the circuit board surface through both sides Lay-magnetically permeab ⁇ les material into a horizontal run parallel to To force Lei ⁇ terplattenober Structure. Conversely, characterized a largely vertical course of the field lines is stabilized within the circuit board and to technically relevant thicknesses of the circuit board secured a magnetic coupling Zvi ⁇ rule two integrated coils. This allows the realization of an integrated transformer.
  • the coil windings are screen printed on individual green ceramic LTCC tapes by suitable vias and laminated to form a multilayer printed circuit board so that one or the wrong of a transformer le two embedded windings entste ⁇ hen.
  • one pre-sintered ferrite plate is placed on the top or bottom side of the unsintered printed circuit board and, in a second laminating step, covered with unsintered dielectric layers. The result is so-with a consistently LTCC-suitable manufacturing process for embedded power transformers, the use of the conventional film technology, but it employs the laminating ge ⁇ sinterter ferrite in a suitable cavity as an innovative element.
  • the mismatch between shrinkage between magnetic and dielectric ceramic is not tole ⁇ made by sacrificial material ⁇ , but even increased by pre-sintering of the ferrite parts. They then behave sintering inertly; there is no material connection at the interfaces to the dielectric ceramic.
  • Ferrite layers with insulating dielectric layers which can be equipped with surface-mountable components
  • the covering of the ferrite layers can be designed, for example, as a continuation of the internal dielectric layer structure of the printed circuit board in the form of one or more film layers, which may also be prelaminated with one another.
  • the cover is compatible with the material of the circuit ⁇ carrier, in particular, the cover of the same material as the circuit carrier.
  • the height difference is compensated for the adjacent surface of the circuit ⁇ plate by a prelaminated frame of a suitable number of dielectric layers.
  • the final cover laminated on it then gets a level and better
  • Doping material or as a single or multi-component Kochma ⁇ material, are used on the surfaces of the ferrite parts.
  • the sintered magnetic ceramic parts are made by extruding a ferrite paste or by machining from the volume or lamination of drawn ferrite sheets.
  • magnetic ceramics for example, materials based on NiZn and MnZn ferrites are suitable.
  • Typical surface-mounted components are other passive components (resistors, capacitors, coils) or
  • Each transformer comprises at least the following three components: primary winding, secondary winding and magnetizable core.
  • the core is in the simplest case a cylinder on which the windings are wound using an insulated wire having the required number of turns for the primary or secondary side.
  • the magnetization direction of the core can preferably be changed slightly under the influence of the alternating voltage applied on the primary side, ie the core is preferably made of soft magnetic material with a low coercive field.
  • the magnetic flux extends along the common axis of primary and secondary coil of a transformer and is reinforced by the ferrite ⁇ material.
  • Three openings in the multilayered scarf ⁇ tung carrier are used for receiving a ferrite core, which is ge ⁇ staltet that the trapped magnetic overall fell from the middle part of the core above and un- terrenz the board by two sideways / horizontally duri ⁇ Fende Leg and two outer vertical ferrite columns can conclude ⁇ Shen.
  • a ferrite element in the form of an eight which when placed on the board from a E-shaped 3 ⁇ ⁇ and an I-shaped part 3 ⁇ is composed and together with brackets (not shown in Figure 1) together ⁇ hold.
  • brackets not shown in Figure 1
  • ferrite pastes are available within LTCC technology, with the aid of which vertical magnetic plated-through holes could be produced.
  • this technique has regard to the sintering technology decoupling of the dielectric and magnetic see materials and the possible magnetic
  • FIG. 2 shows an arrangement consisting of two windings 2 embedded in a printed circuit board 1, which is equipped with two ferrite plates 3 ⁇ .
  • a dielectric circuit carrier according to FIG. 2 results when the vertical ferrite segments penetrating the circuit carrier 3 ⁇ and 3 ⁇ ⁇ are dispensed with. Although this leads to a reduction in the inductance according to the embodiment of a transformer according to FIG. 1 and leads to limited power in the lower frequency range, but can be produced easily.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of an exemplary embodiment of the component structure.
  • a multilayer inductive passive Bauele ⁇ ment as a transformer, in this embodiment in the form of an integrated planar transformer 10, which can be derived as follows from that shown in Figure 2.
  • the - for example multilayer - circuit board 1 in the primary and the coil winding 2, for example ei ⁇ ne secondary transformer winding are embedded.
  • the printed circuit board 1 comprises, for example, the usual, laminating ⁇ th ceramic layers with low sintering temperature, which can be produced via an LTCC process, so that the conductor ⁇ tracks can be produced by screen printing of silver paste.
  • a cavity 6 of a frame of at least one dielect ⁇ cal position for height compensation 4 is a magnetic
  • Ceramic layer 3 preferably one of at least one ferrite part 3, such as a ferrite plate.
  • This magneti ⁇ cal ceramic layer 3 is - preferably on both sides - surrounded by dielectric layers 4 for height compensation.
  • the - at least one - magnetic ceramic layer 3 is surrounded by the ⁇ lectric layers 4, that a continuous flat Sub ⁇ strat Structure comprising areas of magnetic ceramic layer 3 and dielectric layers for height compensation 4 results.
  • This arrangement is covered by dielectric, referred to herein as "Cover B ⁇ ckung", at least one ply. 5
  • Both the magnetic ceramic layer 3 and the at least one dielectric layer 4, as well as the printed circuit board 1 consist of a single or multiple layers of material. Together with the circuit board 1 and the cover 5, they form a, with at least one magnetic ceramic layer 3 ge ⁇ filled cavity or a cavity 6.
  • the composites can be formed by gluing.
  • they form a monolithic unit outside the magneti ⁇ rule ceramic layer.
  • the preferably flat substrate surface of the cover 5 can be used to produce the multi-layer inductive passive component 10 over the entire surface are equipped with components.
  • Interfaces is suppressed in the desired manner and the at least one magnetic ceramic layer 3 is loosely embedded in the cavity 6.
  • “Loosely embedded” means in the case that cavities between the at least one magnetic ceramic layer 3 and the at least one dielectric layer 4, as well as the cover 5 can be present within certain limits.
  • the material of the dielectric layers 4, the cover 5 and the circuit board 1 is identical or at least sintering technology compatible and comprises at least one dielectric film 4 and / or 5, which magnetic
  • Ceramic layer 3 holds in position.
  • the at least one dielectric layer for height compensation 4 can be omitted, so that the cover 5 is directly sintered to the printed circuit board 1.
  • the cover 5 may be arranged on one side or on both sides of the circuit board 1, depending on whether one or both sides of a magnetic ceramic layer 3, such as a ferrite plate 3, is attached.
  • the cover 5 may, as well as the printed circuit board 1 each comprise one or more films and / or layers.
  • the layers can each be made of the same or mutually compatible material.
  • the individual layers are, for example, equipped with plated-through holes and / or with metallization, particularly preferably with planar Meta ⁇ llization coated.
  • the entire layer structure is fired to produce the finished device and sintered to a solid ceramic.
  • suitable dimensioning of the cavities 6 About is achieved that the pre-sintered ferrite 3 after the sintering shrinkage of the surrounding layer structure ⁇ neither as Example ⁇ , at too small a cavity, cracks shows still has at too large a cavity to low fixation.
  • the dielectric and magnetic layers 1, 3, 4 and 5 are made of low sintering ceramic and fired together in the LTCC process.
  • a component made of a plurality of ceramic layers is referred to as "monolithically sinterable", which in contrast to a component made of separately sintered and glued components
  • Ceramic layers is neither soldered nor glued. At the boundary surfaces of the individual ceramic layers, this method of production is also detectable.
  • the present invention shows for the first time
  • LTCC magnetic low-sinterable
  • the invention provides forms of device and manufacturing process, which to some of the passive integrated inductors and transformer; ⁇ ren, for example, up to 100 watts power, and
  • the invention relates to multilayer inductive components that can be embedded in Low Temperature Cofired Ceramics / LTCC (low-temperature sintered ceramic), as well as a multi-layer printed circuit board assembly, which allows the production of embedded components by co-firing.
  • Low Temperature Cofired Ceramics / LTCC low-temperature sintered ceramic
  • a dielectric Cover B ⁇ ckung which is adapted either from the material of the circuit substrate or from one with the material of the circuit carrier compa ⁇ tiblen dielectric material, the miniaturization of modules by embedding of such passive components to the circuit board and providing the can win ⁇ nen surface for the assembly with other components advantageous influence.
  • the cover is laminated to the magnetic ceramic layers.
  • the multilayer dielectric and magnetic circuit board parts are mechanically decoupled by pre-sintering of the ferrite and a matched cavity, so that the sintering in combination is possible even with unmatched materials.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) einbetten lassen, sowie einen mehrlagigen Leiterplattenaufbau (10), der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht. Es wird offenbart, wie eine dielektrische Abdeckung (5), die entweder aus dem Material des Schaltungsträgers oder aus einem mit dem Material des Schaltungsträgers kompatiblen dielektrischen Material beschaffen ist, die Miniaturisierung von Baugruppen durch Einbettung derartiger passiver Bauteile (2, 3) in die Leiterplatte und Bereitstellung der gewonnenen Oberfläche für die Bestückung mit weiteren Bauteilen vorteilhaft beeinflussen kann. Dazu wird die Abdeckung auf die magnetischen Keramiklagen (3) laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen (1, 4, 5) und magnetischen Leiterplattenteile (3) durch Vorsintern des Ferrits und eine angepasste Kavität (6) mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist.

Description

Beschreibung
Mehrlagiges induktives passives Bauelement und Folienkörper zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive passive Bauele¬ mente, die sich in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) einbetten lassen, sowie einen mehrlagigen Leiterplattenaufbau, der die Herstel- lung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht .
Derartige Schaltungsträger ermöglichen auf Grund ihrer guten Leiterbahn-Qualität die Einbettung von Spulen zur Darstellung von Induktivitäten und Transformatoren, beispielsweise in leistungselektronischen Schaltungen. Zur Erzielung hoher Induktivitätswerte an einzelnen Spulen bzw. zur Erzielung guter magnetischer Kopplungen in den Transformatoren werden in der Regel zusätzliche Elemente aus magnetischer Keramik, bezeich- net als Ferrit, benötigt. Hintergrund ist die Verstärkung des Magnetfeldes und/oder dessen Ausformung.
Nachteilig ist, dass Ferrit-Elemente relativ große Flächenan¬ teile des als Basis dienenden Schaltungsträgers belegen. Dies steht insbesondere einer Miniaturisierung entgegen. Die dadurch belegte Fläche steht dann für eine Bestückung mit SMD- Bauelementen/oberflächlich montierbaren Bauelementen nicht mehr zur Verfügung. Nach dem Stand der Technik werden passive Bauelemente, die beispielsweise resistive, kapazitive, induktive oder wellen¬ längenselektive Funktion haben, teilweise zwischen den Lagen mehrlagiger Leiterplatten eingebettet, auch als „passive Integration" bezeichnet, so dass idealerweise eine Ausgewogen- heit zwischen der Nutzung des Innenraumes durch eine solche
Einbettung und der Oberflächenbestückung besteht. Insbesondere bei hohen Arbeitsfrequenzen besitzen passive Bauelemente geringe, für die Integration vorteilhafte Abmessungen. Passi- ve Integration kann sowohl in organischen als auch in keramischen mehrlagigen Leiterplatten ausgeführt werden, die aus polymer-basierten bzw. grünkeramischen Folien aufgebaut werden .
In der Leistungselektronik sind häufig die induktiven Bauelemente wie Spulen und Transformatoren wegen der geringeren Ar- beitsfrequenzen größenbestimmend . Im Stand der Technik sind bisher nur technisch wesentlich aufwändigere Konzepte zur Einbettung von Ferritkernen bekannt. Ferritkerne werden üblicherweise relativ schmal ausge¬ legt, um den Flächenbedarf zu reduzieren. Andererseits muss der für den Fluss erforderliche Querschnitt bei schmaler Aus- legung der Ferritkerne durch entsprechende Bauhöhe erzielt werden. Auf dem Markt sind unterschiedlichste Formen und Grö¬ ßen von Ferritkernen erhältlich.
In einer Literaturstelle wird beispielsweise ein mehrlagiger Transformator betrachtet, der Mn-Zn Ferrite aufweist. Es wer¬ den die elektrischen Merkmale beschrieben und zwei Typen von Transformatoren verglichen, welche zum Einen eine konventionelle Windungsstruktur und zum Anderen eine neue Windungsstruktur aufweisen, wobei primärer- und sekundärer Leiter al- ternierend nicht lediglich in der vertikalen Richtung, sondern ebenso in der horizontalen Richtung positioniert sind. Durch derartige Varianten können die Kopplungskoeffizienten optimiert werden. DE 693 14 142 T2 (EP 0 601 779 Bl) befasst sich mit der Prob¬ lematik, dass Ferrite, die in dielektrische keramische Lei¬ terplatten eingebettet sind, beim Sintern ein anderes
Schrumpfungsverhalten aufweisen. Die Fehlanpassung kann zwar durch Trennschichten aus ausbrennbarem Opfermaterial aufge- fangen werden, jedoch können die dabei entstehenden Hohlräume als Senke für metallische Bestandteile des Ferrits wirken. Zur Kompensation der resultierenden stöchiometrischen Degradation des Ferrits wird die Zugabe einer geeigneten Metall- Verbindung zu dem jeweiligen Opfermaterial angegeben, beispielsweise einer Zn-Legierung bei MnZn-Ferriten .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrlagiges in- duktives passives Bauelement mit magnetischem Keramikteil, das monolithisch sinterbar ist, anzugeben, wobei die magnetischen Keramikteile mit ebenen, konventionell bestückbaren dielektrischen keramischen Lagen abgedeckt sind. Außerdem ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Integration von Fer- ritplatten in Niedertemperatur-gebrannte keramische Leiter¬ platten (LTCC) . Das Verfahren ist bevorzugt an kommerzielle LTCC-Fertigungslinien problemlos anpassbar.
Die Lösung dieser Aufgabe wird wiedergegeben durch die jewei- lige Merkmalskombination der Hauptansprüche 1, 8 und 10. Vor¬ teilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen, den Figuren und der Beschreibung entnommen werden.
Als magnetische Keramikteile werden insbesondere Ferritele- mente eingesetzt.
Als Kavität wird ein Hohlraum bezeichnet, in dem sich im Fo¬ lienkörper das vorgesinterte magnetische Keramikteil befin¬ det .
Transformatoren in Leiterplatten einzubetten bedeutet, die Spulenwicklungen und den Ferritkern einzubetten. Spulenwicklungen lassen sich im Rahmen bewährter Technologie, beispielsweise Siebdruck leitfähiger Pasten oder Kupferkaschie- rung, darstellen. Die technologische Entwicklung ist deshalb auf die Miniaturisierung und auf Einbettungstechnologien des Ferritkerns ausgerichtet. Die erforderliche Ferritkerngröße wächst proportional zur Leistung des Transformators und zur effektiven Permeabilität des Kerns; sie nimmt reziprok zur Betriebsfrequenz und zum Quadrat der zulässigen magnetischen Flussdichte ab. Eine geringere Permeabilität senkt allerdings die magnetische Kopplung zwischen der primären und der sekundären Wicklung und erhöht die Minimalfrequenz des Transforma- tors . Die erfindungsgemäße Bauform stellt ein Optimum dar aus erhöhter Betriebsfrequenz, einem auf Ferritplatten mit Luftspalt reduzierten Ferritkern geringer effektiver Permeabilität und einer aus der Formvereinfachung folgenden
Prozessierbarkeit vor allem im Rahmen mehrlagiger LTCC- Technologie .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es auf Grund elektromagnetischer Randbedingungen möglich ist, magne- tische Feldlinien, die in einer leiterplatten-integrierten Spule innen zunächst senkrecht zur Leiterplattenoberfläche verlaufen, durch beidseitig aufgelegtes, magnetisch permeab¬ les Material in einen horizontalen Verlauf parallel zur Lei¬ terplattenoberfläche zu zwingen. Umgekehrt wird dadurch ein weitgehend senkrechter Verlauf der Feldlinien innerhalb der Leiterplatte stabilisiert und eine magnetische Kopplung zwi¬ schen zwei integrierten Wicklungen bis zu technisch relevanten Dicken der Leiterplatte gesichert. Dies ermöglicht die Realisierung eines integrierten Transformators.
Physikalisch folgt dies aus der Randbedingung, dass die senkrechte Normal-Komponente der magnetischen Flussdichte B und die parallele Tangential-Komponente des Magnetfeldes H an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum (Material 1) und Ferrit (Material 2), stetig, also zu beiden Seiten der Grenzfläche gleich groß sind. Aus
Bln = B2n
Figure imgf000006_0001
folgt für den Winkel Θ der magnetischen Flussdichte relativ zur Flächennormalen in beiden Medien
Figure imgf000006_0002
Dieses, der Lichtbrechung ähnliche, „Brechungsgesetz" für die magnetische Flussdichte beschreibt die wirksame Kopplung zwi¬ schen integrierten Leiterplatten-Spulen durch aufgelegte Ferritplatten .
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Spulenwindungen durch Siebdruck auf einzelnen grünkeramischen, LTCC-Folien mit geeigneten Durchkontaktierungen aufgebracht und zu einer mehrlagigen Leiterplatte laminiert, so dass eine bzw. im Fal- le eines Transformators zwei eingebettete Wicklungen entste¬ hen. Erfindungsgemäß werden je eine vorgesinterte Ferritplat¬ te auf der Ober- bzw. Unterseite der ungesinterten Leiterplatte platziert und in einem zweiten Laminierschritt mit ungesinterten dielektrischen Lagen überdeckt. Es entsteht so- mit ein durchgängig LTCC-tauglicher Fertigungsprozess für eingebettete Leistungstransformatoren, der sich der üblichen Folientechnologie bedient, dabei aber das Einlaminieren ge¬ sinterter Ferritplatten in einer geeigneten Kavität als innovatives Element einsetzt. Anders als in bekannten Verfahren wird die Fehlanpassung durch Schwindung zwischen magnetischer und dielektrischer Keramik nicht durch Opfermaterial tole¬ rierbar gemacht, sondern durch Vorsinterung der Ferrit-Teile sogar erhöht. Sie verhalten sich dann sintertechnisch inert; es kommt an den Grenzflächen zur dielektrischen Keramik zu keiner materiellen Verbindung.
Die Vorteile sind:
• sehr flache Bauform,
• Platz sparende Einbettung in den Schaltungsträger, · ins Herstellungsverfahren integrierte Überdeckung der
Ferritschichten mit isolierenden dielektrischen Lagen dadurch bestückbar mit oberflächenmontierbaren Bauteilen,
• hohe chemische Stabilität und magnetische Performanz der Ferrit-Teile, da unter idealen Bedingungen separat vorgesintert,
• große Auswahl unter verschiedenen Ferritarten, • geringe Zusatzkosten bei Verwendung kommerzieller Standard-Ferrite .
Die Abdeckung der Ferritlagen kann beispielsweise als Fort- setzung des innen liegenden dielektrischen Lagenaufbaus der Leiterplatte in Form einer oder mehrerer Folienlagen ausgestaltet sein, die untereinander auch vorlaminiert sein können . Bevorzugt ist die Abdeckung mit dem Material des Schaltungs¬ trägers kompatibel, insbesondere ist die Abdeckung aus dem gleichen Material wie der Schaltungsträger.
Bei größerer Stärke der Ferritplatten wird vorteilhafterweise der Höhenunterschied zur benachbarten Oberfläche der Leiter¬ platte durch einen vorlaminierten Rahmen aus einer geeigneten Zahl dielektrischer Lagen ausgeglichen. Die darauf laminierte finale Abdeckung erhält dann eine ebenere und besser
bestückbare Oberfläche.
Auch wenn erfindungsgemäß keine Zusatzstoffe eingesetzt wer¬ den, können solche nach wie vor, beispielsweise als
Dotiermaterial oder als ein- bzw- mehrkomponentiges Opferma¬ terial, auf den Oberflächen der Ferrit-Teile verwendet wer- den.
Beispielsweise sind die gesinterten magnetischen Keramikteile durch Extrusion einer Ferritpaste oder durch mechanische Bearbeitung aus dem Volumen oder durch Lamination gezogener Ferritfolien hergestellt. Als magnetische Keramiken eignen sich beispielsweise Werkstoffe auf der Basis von NiZn- und MnZn-Ferriten.
Übliche oberflächenmontierte Bauelemente sind weitere passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Spulen) oder
gehäuste Halbleiter-ICs . Diese können gemäß der Erfindung auf der Abdeckung montiert werden. Jeder Transformator umfasst zumindest die drei folgenden Komponenten: Primärwicklung, Sekundärwicklung und magnetisierba- ren Kern. Der Kern ist im einfachsten Fall ein Zylinder, auf den die Wicklungen unter Verwendung eines isolierten Drahtes mit den erforderlichen Windungszahlen für die Primär- oder Sekundärseite aufgewickelt sind. Die Magnetisierungsrichtung des Kerns lässt sich bevorzugt unter dem Einfluss der primär- seitig anliegenden Wechselspannung leicht verändern, d.h. der Kern ist bevorzugt aus weichmagnetischem Werkstoff mit nied- rigem Koerzitivfeld .
Bei niedrigen Frequenzen werden i.a. Eisenlegierungen verwendet, die zur Unterdrückung von Wirbelströmen als Bleche zu mehrlagigen Formen gestapelt werden. Bei höheren Frequenzen werden magnetische Keramiken als Vollform wegen ihrer geringeren Verluste vorgezogen. Dafür eignen sich Werkstoffe auf der Basis von NiZn-und MnZn-Ferriten . Um die magnetischen Feldlinien auch außerhalb der Wicklungen kontrolliert zu schließen, wird der zylindrische Kern i.a. außerhalb der Spu- lenwindungen durch ein oder zwei Bögen zu einem die Windungen umfassenden Rechteck oder einer liegenden Acht geschlossen.
Die bekannten und häufig eingesetzten Strukturen mehrlagiger induktiver passiver Bauelemente, vorzugsweise mit Ferritan- teilen, sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
Mittels einer Kernstruktur entsprechend Fig. 1 lassen sich hohe Induktivitäten erzielen. Dabei erstreckt sich der magnetische Fluss entlang der gemeinsamen Achse von Primär- und Sekundärspule eines Transformators und wird durch das Ferrit¬ material verstärkt. Drei Öffnungen in dem mehrlagigen Schal¬ tungsträger dienen der Aufnahme eines Ferritkerns, der so ge¬ staltet ist, dass sich der eingeschlossene magnetische Ge- samtfluss aus dem mittleren Teil des Kerns oberhalb und un- terhalb der Platine durch zwei seitwärts/waagerecht verlau¬ fende Schenkel und zwei äußere vertikale Ferritsäulen schlie¬ ßen kann. Auf diese Weise entsteht ein Ferrit-Element in Form einer Acht, welches beim Aufsetzen auf die Platine aus einem E-förmigen 3λ λ und einem I-förmigen Teil 3λ zusammengesetzt ist und mit Klammern (in Figur 1 nicht gezeigt) zusammenge¬ halten wird. Zur Nachbildung von Ferritkernen nach Fig. 1 stehen im Rahmen der LTCC-Technologie zwar Ferritpasten zur Verfügung, mit deren Hilfe vertikale magnetische Durchkontaktierungen herstellbar wären. Diese Technik besitzt jedoch hinsichtlich der sintertechnischen Entkopplung der dielektrischen und magneti- sehen Werkstoffe und der möglichen magnetischen
Querschnittsflächen ihre Grenzen. Sie stellt kein praktikables Verfahren für die Integration von Leistungstransformato¬ ren in keramische Leiterplatten dar. Eine einfachere Struktur ist in Figur 2 gezeigt. Diese Figur zeigt eine Anordnung, bestehend aus zwei Windungen 2 in einer Leiterplatte 1 eingebettet, die mit zwei Ferritplatten 3 be¬ stückt ist. Ein dielektrischer Schaltungsträger entsprechend Fig. 2 ergibt sich, wenn die vertikalen, den Schaltungsträger durchdringenden, Ferritsegmente 3λ und 3λ λ entfallen. Dies führt zwar zu einer Verminderung der Induktivitäten entsprechend der Ausführung eines Transformators nach Fig. 1 und führt zu eingeschränkter Leistung im unteren Frequenzbereich, lässt sich jedoch einfacher herstellen.
Insbesondere ist diese Bauform kompatibel mit den
Laminiertechnologien bei der Leiterplattenherstellung. Des Weiteren unterstützt die durch den Luftspalt zwischen beiden Ferritplatten reduzierte effektive Permeabilität die Verklei- nerung des Bauelementes, da ein erheblicher Anteil der zu übertragenden Leistung im Luftspalt gespeichert werden kann.
Im Folgenden wird beispielhaft eine Bauelement-Struktur mit dielektrischen und ferritischen Lagen angegeben, die ähnlich der in DE 10 2009 010 874 beschriebenen aufgebaut ist. Hier sind die Ferrit-Teile jedoch nicht durch konventionelle Auf¬ bau- und Verbindungstechnik appliziert, sondern monolithisch integriert und im Verbund gesintert. Die in Figur 3 gezeigte Graphik stellt die Amplitudenpermea¬ bilität von niedrig sinternden MnZn-Ferritfolien bei 2,5 MHz als Funktion der magnetischen Flussdichte mit Sättigungsef- fekten bei 40 mT dar.
Als Beispiel wird ein Transformator mit Innendurchmesser der Windungen von 2r = 6 mm betrachtet, der mit N2=16 Sekundärwicklungen bei 2,5 MHz die Leistung P = 100 W an eine Last von R = 25 Ω überträgt. Die Amplitude der Spannung am Lastwiderstand ist demnach V = und die magnetische Flussampli¬ tude nach dem Induktionsgesetz Φ = Υ/ωΝ2 = 2RP/a)N2 = 4x 1(T8 Wb .
Die Ferritschichten sind bevorzugt in ihren Dicken so bemessen, dass die magnetische Flussdichte die Sättigungsgrenze nicht überschreitet. Diese beträgt, wie in Figur 3 gezeigt, für MnZn-Ferritfolien Bmax = 40mT bei 2,5 MHz. An der Stelle höchster Flussdichte, d.h. auf dem inneren Umfang der Wicklungen muss deshalb die Ferritschicht dicker sein als
Φ 4xW*Wb
= = 53um
2;zrtfmax π■ 0.006m-0.04Γ
Selbst wenn aus Gründen der Minimierung der Ferritverluste eine drei- bis vierfache Dicke für die Ferritplatten gewählt wird, ermöglicht eine solch geringe Schichtdicke eine sehr flache Bauweise und gute Integration in den LTCC- Fertigungsprozess . Figur 4 zeigt eine schematische Querschnitts- Darstellung ei¬ nes Ausführungsbeispiels der Bauelement-Struktur.
Zu erkennen ist ein mehrlagiges induktives passives Bauele¬ ment wie ein Transformator, in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines integrierten Planartransformators 10, der sich wie folgt von dem in Figur 2 gezeigten ableiten lässt. Zu erkennen ist die - beispielsweise mehrlagige - Leiterplatte 1, in der die primäre und die Spulen-Wicklung 2, beispielsweise ei¬ ne sekundäre Transformator-Wicklung eingebettet sind. Die Leiterplatte 1 umfasst beispielsweise die üblichen, laminier¬ ten keramischen Lagen mit niedriger Sintertemperatur, die über einen LTCC-Prozess herstellbar sind, so dass die Leiter¬ bahnen durch Siebdruck von Silberpaste erzeugt werden können.
Auf zumindest einer Seite der Leiterplatte 1, beispielsweise zu beiden Seiten, befindet sich innerhalb einer Kavität, also eines Hohlraums 6 eines Rahmens aus zumindest einer dielekt¬ rischen Lage zum Höhenausgleich 4 eine magnetische
Keramiklage 3, vorzugsweise eine aus zumindest einem Ferrit- Teil 3, wie beispielsweise einer Ferritplatte. Diese magneti¬ sche Keramiklage 3 ist - bevorzugt beidseitig - von dielekt- rischen Lagen 4 zum Höhenausgleich umgeben. Bevorzugt ist die - zumindest eine - magnetische Keramiklage 3 so von den die¬ lektrischen Lagen 4 umgeben, dass eine durchgehend ebene Sub¬ stratfläche umfassend Bereiche aus magnetischer Keramiklage 3 und dielektrischen Lagen zum Höhenausgleich 4, resultiert. Diese Anordnung wird durch dielektrische, hier als „Abde¬ ckung" bezeichnete, zumindest eine Lage 5 überdeckt.
Sowohl die magnetische Keramiklage 3 als auch die zumindest eine dielektrische Lage 4 können, wie auch die Leiterplatte 1 aus einer einzelnen oder aus mehreren Materiallagen bestehen. Zusammen mit der Leiterplatte 1 und der Abdeckung 5 bilden sie eine, mit zumindest einer magnetischen Keramiklage 3 ge¬ füllte, Kavität oder einen Hohlraum 6. Beispielsweise können die dielektrischen Lagen zum Höhenausgleich 4, die Abdeckung 5 und die Leiterplatte 1 zunächst jeweils separat laminiert und/oder verpresst und für den finalen Sinterprozess unterei¬ nander verbunden werden. Nach einer Ausführungsform können die Verbünde durch Verkleben gebildet werden. Beispielsweise werden die dielektrischen Lagen 4, die Abdeckung 5 und/oder die Leiterplatte 1 aber auch zusammen oder im Zweierverbund laminiert werden. Bevorzugt bilden sie außerhalb der magneti¬ schen Keramiklage 3 eine monolithische Einheit. Die bevorzugt ebene Substratfläche der Abdeckung 5 kann zur Herstellung des mehrlagigen induktiven passiven Bauelements 10 ganzflächig mit Bauelementen bestückt werden.
Vor dem Einlaminieren der magnetischen Keramiklage 3 werden diese zumindest teilweise vorgesintert, so dass sie die we¬ sentliche Sinterschrumpfung bereits erfahren haben. Während der finalen Sinterung im Verbund ergeben sich somit ausgeprägte Relativbewegungen zwischen magnetischen und dielektrischen Schichten, so dass ein materieller Verbund an den
Grenzflächen in der erwünschten Weise unterdrückt wird und die zumindest eine magnetische Keramiklage 3 locker in die Kavität 6 eingebettet ist. „Locker eingebettet" heißt in dem Fall, dass in gewissen Grenzen durchaus Hohlräume zwischen der zumindest einen magnetischen Keramiklage 3 und der zumin- dest einen dielektrischen Lage 4, sowie der Abdeckung 5 vorhanden sein können.
Bevorzugt ist das Material der dielektrischen Lagen 4, der Abdeckung 5 und der Leiterplatte 1 identisch oder zumindest sinterungstechnisch kompatibel und umfasst zumindest eine dielektrische Folie 4 und/oder 5, die die magnetische
Keramiklage 3 in Position hält. In einer vereinfachten Ausführungsform für dünne magnetische Keramiklagen 3 kann die zumindest eine dielektrische Lage zum Höhenausgleich 4 ent- fallen, so dass die Abdeckung 5 unmittelbar mit der Leiterplatte 1 versintert wird. Die Abdeckung 5 kann einseitig oder beidseitig an der Leiterplatte 1 angeordnet sein, abhängig davon ob ein oder beidseitig eine magnetische keramische Lage 3, wie eine Ferritplatte 3, angebracht ist.
Die dielektrischen Lagen zum Höhenausgleich 4, also der Rahmen des Hohlraums 6 garantiert die Beweglichkeit der Ferrit¬ platten 3 und damit die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Abdeckung 5 kann- ebenso wie die Leiterplatte 1 jeweils einzelne oder mehrere Folien und/oder Lagen umfassen. Die Lagen können jeweils aus gleichem oder aus zueinander kompatiblem Material sein. Die einzelnen Schichten sind beispielsweise mit Durchkontaktierungen ausgestattet und /oder mit Metallisierung, insbesondere bevorzugt mit planarer Meta¬ llisierung, beschichtet.
Der gesamte Schichtaufbau wird zur Herstellung des fertigen Bauelements gebrannt und zu einer festen Keramik gesintert. Durch geeignete Überdimensionierung der Kavitäten 6 wird erreicht, dass der vorgesinterte Ferrit 3 nach der Sinter¬ schrumpfung des umgebenden Lagenaufbaus weder, wie beispiels¬ weise bei zu kleiner Kavität, Risse zeigt noch, bei zu großer Kavität, zu geringe Fixierung besitzt.
Beispielsweise werden die dielektrischen und magnetischen Schichten 1, 3, 4 und 5 aus niedrig sinternder Keramik hergestellt und im LTCC-Verfahren gemeinsam gebrannt.
Als „monolithisch sinterbar" wird vorliegend ein Bauelement aus mehreren Keramiklagen bezeichnet, das im Gegensatz zu einem Bauelement aus getrennt gesinterten und verklebten
Keramiklagen weder verlötet noch verklebt ist. An den Grenz- flächen der einzelnen Keramiklagen ist diese Herstellungsweise auch nachweisbar.
Bei monolithischer Sinterung werden die Lagen eines Folienkörpers zusammen gebrannt und miteinander versintert. Diese Keramiklagen sind im Bauelement weder verlötet noch verklebt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals gezeigt,
wie sich dielektrische und magnetische niedrig sinterbare (LTCC) Keramiklagen im Verbund ohne materiellen oder prozess- technischen Zusatzaufwand sintern lassen, so dass sich induktive Bauteile, wie Spulen und Transformatoren, im Rahmen gewöhnlicher Leiterplattentechnologie Platz sparend einbetten lassen. Dazu werden die für solche Bauelemente erforderlichen Ferritteile in Plattenform ausgeführt, vorgesintert und vor dem finalen Verbund-Sintern beidseitig der Spulenwindungen in die Leiterplatte einlaminiert. Dadurch ist eine Oberflächen¬ bestückung der Leiterplatte auch im Bereich des eingebetteten Bauelementes möglich, dessen Flächenbedarf nun für die Größe der Baugruppe unkritisch ist.
Die Erfindung gibt Bauelementformen und Herstellungsverfahren an, die die passive Integration von Spulen und Transformato¬ ren beispielsweise für bis zu einigen 100W Leistung und
100kHz bis 10MHz Betriebsfrequenz ermöglichen.
Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) einbetten lassen, sowie einen mehrlagigen Leiterplattenaufbau, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht.
Hier wird erstmals offenbart, wie eine dielektrische Abde¬ ckung, die entweder aus dem Material des Schaltungsträgers oder aus einem mit dem Material des Schaltungsträgers kompa¬ tiblen dielektrischen Material beschaffen ist, die Miniaturisierung von Baugruppen durch Einbettung derartiger passiver Bauteile in die Leiterplatte und Bereitstellung der gewonne¬ nen Oberfläche für die Bestückung mit weiteren Bauteilen vorteilhaft beeinflussen kann. Dazu wird die Abdeckung auf die magnetischen Keramiklagen laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen und magnetischen Leiterplattenteile durch Vorsintern des Ferrits und eine angepasste Kavität mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrlagiges induktives passives Bauelement im Verbund aus dielektrischen und magnetischen Keramiklagen, das monoli- thisch sinterbar ist und folgende Elemente umfasst:
mindestens eine dielektrische ein- oder mehrlagige Leiter¬ platte (1) mit mindestens einer integrierten Spulen-Wicklung (2) und zumindest einer magnetischen Keramiklage (3), dadurch gekennzeichnet, dass
die magnetische Keramiklage (3) in einem Hohlraum (6), der zumindest durch die Leiterplatte (1) und eine Abdeckung (5) definiert wird, vorgesehen ist,
wobei durch Vorsinterung der magnetischen Keramiklage (3) vor dem Einbringen in den Hohlraum (6) thermisch induzierte Span- nungen, die wegen der ungleichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien während der Sinterung entstehen, reduziert sind und
wobei die Abdeckung (5) Teil eines Schaltungsträgers ist, der zur Oberflächenbestückung nutzbar ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (5) aus dem gleichen Material und /oder Laminat wie die Leiterplatte (1) besteht.
3. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine auf der Leiterplatte (1) angebrachte mag¬ netische Keramiklage (3) die Form einer flachen Platte hat.
4. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (6) durch die Leiterplatte (1) die Abdeckung (5) und zumindest eine dielektrische Lage (4) zum Höhenausgleich definiert wird.
5. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine auf der Leiterplatte (1) angebrachte mag¬ netische Keramiklage (3) von einem ein- oder mehrlagigen Rahmen aus dielektrischen Lagen (4) zum Höhenausgleich so umgeben ist, dass die Abdeckung (5) beim Aufbringen auf dem Rah- men (4) eine durchgehend ebene Substratfläche vorfindet und sich ein Hohlraum (6) mit konstanter Höhe über der Leiterplatte (1) ausbildet.
6. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beidseitig an der Leiterplatte (1) magnetische Keramiklagen (3) angeordnet sind.
7. Bauelement nach Anspruch 6, wobei beidseitig an der Lei- terplatte(l) ein Rahmen (4) neben und eine Abdeckung (5) über den magnetischen Keramiklagen (3) angebracht ist.
8. Folienkörper zur Herstellung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, folgenden Schichtaufbau zeigend: eine Leiterplatte ( 1 ) mit zumindest einer eingebetteten Spu¬ len-Wicklung (2), zumindest einer einseitig aufgebrachten magnetischen Keramiklage (3) und einer dielektrischer Abdeckung (5), wobei Leiterplatte (1) und Abdeckung (5) separat laminierte, mehrlagige Strukturen darstellen, die mit zumin- dest einer vorgesinterten magnetischen Keramiklage (3) an den ungesinterten Grenzflächen verbunden und/oder in einem weiteren Laminierschritt zusammengefügt sind.
9. Folienkörper nach Anspruch 8, wobei auf Grund der Vor- Sinterung der magnetischen Keramiklage (3) der Hohlraum (6) passend bemessen ist, damit thermisch induzierte Spannungen während der finalen Sinterung zwischen magnetischer und dielektrischer Keramik verhindert werden.
10. Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen induktiven Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, folgende Ver¬ fahrensschritte umfassend:
Aufbringen von Spulenwindungen (2) auf einzelnen grünkeramischen LTCC-Folien mit geeigneten Durchkontaktierungen - Laminieren der grünkeramischen LTCC-Folien zu einer mehrlagigen Leiterplatte mit zumindest einer eingebetteten Wicklung Platzierung zumindest einer vorgesinterten magnetischen Keramiklage auf der Ober- und/oder Unterseite der
ungesinterten Leiterplatte
- Auflaminieren ungesinterter dielektrischer Keramiklagen auf den Aufbau mit der zumindest einen vorgesinterten magne¬ tischen Keramiklage.
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