DE102012207833A1 - Method for forming coil in circuit board for e.g. highly efficient bus system, involves forming helical conductor at inner wall of hole for formation of coil in circuit board, where helical conductors are wound around longitudinal axis - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Spule in einer Leiterplatte und eine Leiterplatte, umfassend eine integrierte Spule.The present invention relates to a method of forming a coil in a printed circuit board and a printed circuit board comprising an integrated coil.
Insbesondere für hochfrequente Anwendungen, hochleistungsfähige Bus-Systeme oder EMV-Maßnahmen, werden zunehmend mehr Spulen mit kleiner Induktivität benötigt. In herkömmlicher Weise werden die Spulen als Einzelbauteile auf die Leiterplatte bestückt und gelötet. Dabei muss jedes Bauteil einzeln gefertigt und gewickelt werden. Dies führt zu hohen Einzelteilbaukosten und Montagekosten. Des Weiteren bedarf es einer separaten Überprüfung des Lötkontaktes zwischen Leiterplatte und aufgesetzter Spule.In particular for high-frequency applications, high-performance bus systems or EMC measures, more and more inductance-less coils are needed. In a conventional manner, the coils are assembled as individual components on the circuit board and soldered. Each component must be manufactured and wound individually. This leads to high Einzelteilbaukosten and assembly costs. Furthermore, it requires a separate review of the soldering contact between the circuit board and attached coil.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Bildung einer Spule in einer Leiterplatte sowie eine Leiterplatte mit integrierter Spule anzugeben, die bei kostengünstiger Ausführung eine sehr platzsparende und funktionssichere Integration einer Spule in einer Leiterplatte ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a method for forming a coil in a printed circuit board and a printed circuit board with integrated coil, which allow a cost-effective design a very space-saving and reliable integration of a coil in a circuit board.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.The solution of this object is achieved by the features of the independent claims. The dependent claims have preferred embodiments of the invention the subject.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bildung einer Spule in einer Leiterplatte, umfassend die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen der Leiterplatte, (ii) Setzen eines Lochs entlang einer Längsachse in die Leiterplatte, und (iii) Ausbildung eines spiralförmigen Leiters an der Innenwandung des Lochs zur Bildung der Spule, wobei sich der spiralförmige Leiter um die Längsachse windet. Erfindungsgemäß wird also ein Loch in die Leiterplatte gesetzt. Dies erfolgt bevorzugt durch Bohren der Leiterplatte. In die Innenwandung des Lochs wird eine Spule integriert. Erfindungsgemäß ist somit ein sehr kompakter Aufbau gegeben. Die Spule in der Leiterplatte kann sehr kostengünstig produziert werden und die Streuung der elektrischen Kenndaten der Spule ist äußerst gering.Thus, the object is achieved by a method for forming a coil in a printed circuit board, comprising the following steps: (i) providing the printed circuit board, (ii) placing a hole along a longitudinal axis in the printed circuit board, and (iii) forming a helical conductor the inner wall of the hole for forming the coil, wherein the helical conductor winds around the longitudinal axis. According to the invention, therefore, a hole is placed in the circuit board. This is preferably done by drilling the circuit board. In the inner wall of the hole, a coil is integrated. According to the invention thus a very compact design is given. The coil in the circuit board can be produced very inexpensively and the dispersion of the electrical characteristics of the coil is extremely low.
Die Leiterplatte weist bevorzugt zumindest eine nichtleitende Trägerschicht auf. Beidseitig der Trägerschicht befindet sich je eine Leiterebene. In diesen Leiterebenen sind verschiedene Leiterbahnen angeordnet. Das Loch erstreckt sich von der ersten Leiterebene durch die Trägerschicht hindurch zur zweiten Leiterebene. Bei einer Mehrschichtleiterplatte müssen die zwei Leiterebenen nicht ganz oben bzw. unten liegen, sondern können auch in Zwischenschichten angeordnet werden. Zur Ausbildung des spiralförmigen Leiters von der ersten Leiterebene zur zweiten Leiterebene wird bevorzugt durch das Loch durchkontaktiert. Es wird also die Innenwandung des Lochs mit einem leitenden Material ausgekleidet. In einer bevorzugten Variante wird der spiralförmige Leiter durch Ausbildung eines Innengewindes an der Innenwandung des Lochs gebildet. Hierzu gibt es zwei mögliche Verfahrensabläufe:
In der ersten Variante erfolgt zunächst das Durchkontaktieren des Loches. Es wird also die Innenwandung des Loches mit einem leitenden Material ausgekleidet. Im Anschluss daran wird das Innengewinde geschnitten oder gepresst. Dabei wird das Innengewinde in das leitende Material an der Wandung des Lochs eingebracht. Das Innengewinde wird insbesondere so tief geschnitten, dass die Gewindegänge bis zu der nichtleitenden Trägerschicht reichen. Durch das Innengewinde ist der spiralförmige Leiter gebildet. Dieser spiralförmige Leiter wiederum stellt die Spule dar.The printed circuit board preferably has at least one non-conductive carrier layer. On both sides of the carrier layer is ever a conductor level. In these conductor levels different tracks are arranged. The hole extends from the first conductor level through the carrier layer to the second conductor level. In a multilayer printed circuit board, the two conductor planes do not have to be all the way up or down, but can also be arranged in intermediate layers. For the formation of the spiral conductor from the first conductor level to the second conductor level is preferably through-contacted by the hole. Thus, the inner wall of the hole is lined with a conductive material. In a preferred variant, the spiral-shaped conductor is formed by forming an internal thread on the inner wall of the hole. There are two possible procedures for this:
In the first variant, the hole is first plated through. It is therefore lined with a conductive material, the inner wall of the hole. Subsequently, the internal thread is cut or pressed. The internal thread is introduced into the conductive material on the wall of the hole. In particular, the internal thread is cut so deeply that the threads extend as far as the nonconductive backing layer. Through the internal thread of the spiral-shaped conductor is formed. This helical conductor in turn represents the coil.
In einer zweiten Variante wird vor dem Durchkontaktieren das Innengewinde in dem Loch ausgebildet. Daraufhin erfolgt ein Durchkontaktieren durch das Loch hindurch. Dabei wird das Gewinde, insbesondere die Gewindegänge, mit leitendem Material ausgekleidet. Nach dem Durchkontaktieren muss ein innenliegender Anteil der Gewindegänge entfernt werden, so dass der spiralförmige Leiter entsteht. Dies erfolgt insbesondere durch Ausbohren entlang der Längsachse.In a second variant, the internal thread is formed in the hole before the through-contacting. This is followed by a through-hole through the hole. In this case, the thread, in particular the threads, lined with conductive material. After through-plating, an internal portion of the threads must be removed to form the spiral conductor. This is done in particular by drilling along the longitudinal axis.
Eine dritte Alternative zur Ausbildung der Spule sieht vor, dass die Leiterplatte als Mehrschichtleiterplatte ausgebildet ist. Solch eine Mehrschichtleiterplatte weist mehrere, parallel angeordnete nichtleitende Schichten (auch: Trägerschichten) auf. Die Schichten sind leicht voneinander beabstandet, so dass auf den einzelnen Schichten Leiterebenen mit bestimmten Leiterbahnen ausgebildet werden können. Zur Ausbildung der Spule in der Mehrschichtleiterplatte sind bevorzugt folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Zunächst erfolgt ein Ausbilden von Ausnehmungen in einzelnen Schichten der Mehrschichtleiterplatte. Insbesondere wird in jeder zweiten Schicht eine Ausnehmung ausgebildet. Die Ausnehmungen können verschiedenste Formen annehmen, sind jedoch stets zumindest teilweise umlaufend um die Längsachse angeordnet. Vor oder nach dem Ausbilden der Ausnehmungen erfolgt das Setzen des Lochs entlang der Längsachse.A third alternative to the formation of the coil provides that the circuit board is formed as a multilayer printed circuit board. Such a multilayer printed circuit board has a plurality of parallel non-conductive layers (also: carrier layers). The layers are slightly spaced apart, so that conductor planes can be formed with specific conductor tracks on the individual layers. To form the coil in the multilayer printed circuit board, the following method steps are preferably provided: First, recesses are formed in individual layers of the multilayer printed circuit board. In particular, a recess is formed in every second layer. The recesses can take a variety of forms, but are always arranged at least partially circumferentially about the longitudinal axis. Before or after the formation of the recesses, the hole is set along the longitudinal axis.
Nach dem Ausbilden der Ausnehmungen und nach dem Setzen des Lochs erfolgt ein Entfernen der losen Anteile der Schichten. Diese losen Anteile entstehen zwischen dem Loch und den Ausnehmungen. Nach dem Entfernen der losen Anteile sind in der Mehrschichtplatte Hohlräume gebildet. Diese Hohlräume erstrecken sich von der Innenwandung des Lochs in Richtung senkrecht zur Längsachse. Diese Hohlräume werden mit einem leitenden Material ausgefüllt und derart miteinander verbunden, so dass die Spule entsteht. Die ausgefüllten Hohlräume stellen einzelne Windungen der Spule dar.After forming the recesses and after setting the hole, the loose portions of the layers are removed. These loose parts are created between the hole and the recesses. After removing the loose components, voids are formed in the multilayer board. These cavities extend from the inner wall of the hole in the direction perpendicular to the longitudinal axis. These cavities are filled with a conductive material and connected to each other, so that the Coil is created. The filled cavities represent individual turns of the coil.
Bevorzugt wird das Loch zum Ausfüllen der Hohlräume durchkontaktiert. Bei diesem Durchkontaktieren wird die Innenwandung des Lochs mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet. Dabei füllen sich gleichzeitig die Hohlräume mit dem elektrisch leitenden Material. Nach dem Durchkontaktieren muss das Loch erneut aufgebohrt werden, so dass lediglich die Hohlräume mit dem elektrisch leitenden Material gefüllt sind, die Wandung des Lochs jedoch nicht mehr durchgehend beschichtet ist mit dem elektrisch leitenden Material.Preferably, the hole is plated through to fill in the cavities. In this through-contacting, the inner wall of the hole is lined with electrically conductive material. At the same time fill the cavities with the electrically conductive material. After the via, the hole must be reamed again so that only the cavities are filled with the electrically conductive material, but the wall of the hole is no longer continuously coated with the electrically conductive material.
Die Verbindung der einzelnen, ausgefüllten Hohlräume untereinander, erfolgt außerhalb des Lochs, insbesondere in Durchkontaktierungen, die sich beabstandet und parallel zum Loch befinden. Es kann entweder über die gesamte Dicke der Mehrschichtleiterplatte, beispielsweise durch Bohrung und Durchkontaktierung, eine Verbindung der einzelnen Hohlräume geschaffen werden. Alternativ dazu ist es möglich, in einzelnen, ausgewählten Schichten der Mehrschichtplatte durch HDI-Durchkontaktierung (gelasert) die ausgefüllten Hohlräume zu verbinden.The connection of the individual, filled cavities with each other, takes place outside the hole, in particular in vias, which are spaced and parallel to the hole. It can be created either over the entire thickness of the multilayer printed circuit board, for example by drilling and through-hole, a compound of the individual cavities. Alternatively, it is possible to connect the filled cavities in individual, selected layers of the multilayer board by HDI through-hole (lasered).
Insbesondere sind die Ausnehmungen exzentrisch zur Längsachse ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich die Hohlräume in eine Richtung senkrecht zur Längsachse weitererstrecken als in die gegenüberliegende Richtung. Durch dieses versetzte Ausbilden der Hohlräume können die entsprechenden ausgefüllten Hohlräume durch senkrechtes Durchkontaktieren sehr einfach miteinander verbunden werden.In particular, the recesses are formed eccentrically to the longitudinal axis. This means that the cavities extend in a direction perpendicular to the longitudinal axis as in the opposite direction. By this staggered formation of the cavities, the corresponding filled cavities can be very easily interconnected by vertical through-contacting.
Besonders bevorzugt sind die Ausnehmungen und somit auch die entstehenden Hohlräume als durchgehend umlaufende Ringe um die Längsachse ausgebildet.Particularly preferably, the recesses and thus also the resulting cavities are formed as continuous circumferential rings around the longitudinal axis.
In allen hier vorgestellten Möglichkeiten zur Bildung der Spule in der Leiterplatte ist bevorzugt vorgesehen, dass die Innenwandung des Lochs nach Ausbildung der Spule passiviert, insbesondere isoliert, wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einem Lötstopplack. Daraufhin wird das Loch mit einem ferromagnetischen Kern ausgefüllt.In all possibilities presented here for forming the coil in the printed circuit board, it is preferably provided that the inner wall of the hole is passivated, in particular insulated, after the coil has been formed. This is done for example by means of a solder resist. Then the hole is filled with a ferromagnetic core.
Bei der Mehrschichtplatte und dem Ausbilden der Ausnehmungen spricht man auch von einem „No flow Prepreg”. Das Entfernen der losen Anteile kann beispielsweise mittels chemischer Auflösung erfolgen. Das Durchkontaktieren, insbesondere über die gesamte Dicke der Leiterplatte, erfolgt bevorzugt in einem galvanischen Prozess.In the multi-layer plate and the formation of the recesses one speaks of a "no flow prepreg". The removal of the loose components can be done for example by means of chemical dissolution. The through-contacting, in particular over the entire thickness of the printed circuit board, preferably takes place in a galvanic process.
Die vorgestellten Verfahren können natürlich auch dazu verwendet werden, eine Spule derart in eine Leiterplatte zu integrieren, so dass die Fläche oberhalb und unterhalb der Spule auf der Leiterplatte zur Bestückung von weiteren Komponenten zur Verfügung steht. insbesondere ist dabei die Spule in Zwischenschichten einer Mehrschichtleiterplatte integriert, wobei es über und unter der Spule durchgehende Schichten gibt. Man spricht hier auch davon, dass die Spule in die Leiterplatte „embedded” ist.Of course, the presented methods can also be used to integrate a coil into a printed circuit board such that the area above and below the coil on the printed circuit board is available for equipping further components. In particular, the coil is integrated in intermediate layers of a multilayer printed circuit board, wherein there are continuous layers above and below the coil. One speaks here also of the fact that the coil in the circuit board is "embedded".
Die elektrischen Werte der Spule (auch: Induktivität) können neben der Steigung der geschnittenen Gewinde auch über den Bohrungsdurchmesser für das Loch beeinflusst werden.The electrical values of the coil (also: inductance) can be influenced not only by the pitch of the cut threads but also by the hole diameter for the hole.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Leiterplatte mit zumindest einer ersten Leiterebene und einer zweiten Leiterebene. In der Leiterplatte ist ein Loch von der ersten Leiterebene zur zweiten Leiterebene entlang einer Längsachse ausgebildet. In die Innenwandung des Lochs ist ein spiralförmiger Leiter zur Ausbildung einer Spule integriert, wobei sich der spiralförmige Leiter um die Längsachse windet. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten vorteilhaften Ausbildungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf die erfindungsgemäße Leiterplatte.The invention further comprises a printed circuit board having at least a first conductor level and a second conductor level. In the circuit board, a hole is formed from the first conductor plane to the second conductor plane along a longitudinal axis. In the inner wall of the hole, a spiral-shaped conductor for forming a coil is integrated, wherein the spiral-shaped conductor winds around the longitudinal axis. The presented in the context of the inventive method advantageous embodiments and subclaims find correspondingly advantageous application to the circuit board according to the invention.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures. Show it:
Gemäß
Die in den
Die
Im Schritt S9 wird die Bohrung
Im Schritt S12 wird wieder der innerste Kern entfernt, wie dies vergleichbar auch im Schritt S7 durchgeführt wurde. Dadurch wird die direkte Verbindung zwischen den Leiterebenen
In der Variante a) des Schritts S13 werden somit gebohrte Verbindungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leiterplattecircuit board
- 22
- SpuleKitchen sink
- 33
- nichtleitende Schicht (Trägerschicht)non-conductive layer (carrier layer)
- 4, 54, 5
- LeiterebeneDirector level
- 66
- Lochhole
- 77
- Längsachselongitudinal axis
- 88th
- Innengewindeinner thread
- 99
- Innenwandunginner wall
- 1010
- Durchkontaktierungvia
- 1111
- Ausnehmungrecess
- 1212
- lose Anteileloose shares
- 1313
- Hohlräumecavities
- 1414
- gebohrte Verbindungdrilled connection
- 1515
- gelaserte Verbindunglasered compound
- 1616
- Lötstopplackschichtsolder resist layer
- 1717
- Kerncore
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