DE102013205655A1 - Mehrlagiges induktives passives Bauelement und Folienkörper zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht. Es wird offenbart, wie eine dielektrische Abdeckung, 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 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 laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen und magnetischen Leiterplattenteile durch Abstand haltende Opfermaterialien mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive passive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung 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, bezeichnet als Ferrit, benötigt. Hintergrund ist die Verstärkung des Magnetfeldes und/oder dessen Ausformung.
  • Nachteilig ist, dass Ferrit-Elemente relativ große Flächenanteile 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 wellenlängenselektive Funktion haben, teilweise zwischen den Lagen mehrlagiger Leiterplatten eingebettet, auch als „passive Integration“ bezeichnet, so dass idealerweise eine Ausgewogenheit 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. Passive 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 Arbeitsfrequenzen größenbestimmend..
  • Im Stand der Technik ist bisher kein Konzept bekannt, welches eine umfassende Lösung zur Einbettung von Ferritkernen wiedergibt. Ferritkerne werden üblicherweise relativ schmal ausgelegt, um den Flächenbedarf zu reduzieren. Andererseits muss der für den Fluss erforderliche Querschnitt bei schmaler Auslegung der Ferritkerne durch entsprechende Bauhöhe erzielt werden. Auf dem Markt sind unterschiedlichste Formen und Größen von Ferritkernen erhältlich.
  • In der Literaturstelle [1] wird beispielsweise ein mehrlagiger Transformator betrachtet, der Mn-Zn Ferrite aufweist. Es werden 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 alternierend nicht lediglich in der vertikalen Richtung, sondern ebenso in der horizontalen Richtung positioniert sind. Durch derartige Varianten können die Kopplungskoeffizienten optimiert werden.
  • Weiterhin ist aus der Literaturstelle [2] ein planarer Transformator zur Integration in Leiterplatten bekannt. Ein entsprechender Wandler kann eine Vielzahl von Verbrauchern versorgen. Die planare Vorrichtung besteht aus Spiralwindungen in integrierten Schaltungen und Ferritpolymerplatten, beispielsweise mit magnetischem Kern.
  • Beide oben genannte Literaturstellen geben keine Auskunft zur optimalen Ausnutzung hinsichtlich der Bestückung einer Platine oder eines Schaltungsträgers mit SMD-Bauelementen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauform und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für Bauelemente mit Ferritplatten wie planare Induktivitäten und Transformatoren derart anzugeben, dass sich bei ihrer Integration in mehrlagige Schaltungsträger zumindest ein Teil der mit dem Bauelement belegten Fläche wie ein konventioneller Schaltungsträger oberflächlich weiter bestücken lässt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird wiedergegeben durch die jeweilige Merkmalskombination eines Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen, den Figuren und der Beschreibung entnommen werden.
  • Transformatoren in Leiterplatten einzubetten bedeutet, die Spulenwicklungen und den Ferritkern einzubetten. Spulenwicklungen lassen sich im Rahmen bewährter Technologie, beispielsweise Siebdruck leitfähiger Pasten oder Kupferkaschierung, 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 Transformators. 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, magnetische Feldlinien, die in einer leiterplatten-integrierten Spule innen zunächst senkrecht zur Leiterplattenoberfläche verlaufen, durch beidseitig aufgelegtes, magnetisch permeables Material in einen horizontalen Verlauf parallel zur Leiterplattenoberfläche zu zwingen. Umgekehrt wird dadurch ein weitgehend senkrechter Verlauf der Feldlinien innerhalb der Leiterplatte stabilisiert und eine magnetische Kopplung zwischen zwei integrierten Wicklungen bis zu technisch relevanten Dicken der Leiterplatte gesichert. Dies ermöglicht die Realisierung eines integrierten Transformators.
  • Die dafür maßgebliche 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 sein muss, wurde bei der hier offenbarten Erfindung genutzt. Sie liefert die Grundlage der vorgeschlagenen Größenreduktion des Transformators. Aus B1n = B2n
    Figure DE102013205655A1_0002
    folgt für den Winkel θ der magnetischen Flussdichte relativ zur Flächennormalen in beiden Medien
    Figure DE102013205655A1_0003
  • Dieses, der Lichtbrechung ähnliche, „Brechungsgesetz“ für die magnetische Flussdichte beschreibt, dass diese beim Übergang vom Dielektrikum in den Ferrit bei hoher relativer Permeabilität um fast 90° gebrochen wird. Die Folge sind ein praktisch vertikal verlaufendes Magnetfeld in der Mitte des Transformators und ein konzentriertes horizontales Feld in den magnetischen Schichten auf der Oberfläche der dielektrischen Leiterplatte. Der vertikale Verlauf führt zu vorteilhafter magnetischer Verkopplung der Primär- und Sekundärwicklung, während die horizontale Kompression dünne, LTCC-kompatible Ferritschichten ermöglicht.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die gemäß der DE 10 2008 031 148.0 offenbarte Lösung zum Co-Firing, also dem gemeinsamen Brennen der magnetischen und der dielektrischen Keramik, eingesetzt. Dabei werden beim Co-Firing fehlangepasster Materialien diese mit Hilfe zwischenliegender, so genannter Sintersperrschichten, mechanisch entkoppelt. Es entsteht somit ein durchgängig LTCC-tauglicher Fertigungsprozess für eingebettete Leistungstransformatoren, der sich der üblichen Folientechnologie bedient.
  • Die Vorteile sind:
    • • sehr flache Bauform,
    • • Platz sparende Einbettung in den Schaltungsträger,
    • • ins Herstellungsverfahren integrierte Überdeckung der Ferritschichten mit isolierenden dielektrischen Lagen (Verfahren vergleichbar mit DE 10 2008 031 148.0 ) dadurch bestückbar mit oberflächenmontierbaren Bauteilen.
  • Die Abdeckung der Ferritlagen kann beispielsweise als Fortsetzung des innen liegenden dielektrischen Lagenaufbaus der Leiterplatte in Form einer oder mehrerer Folienlagenausgestaltet sein.
  • Bevorzugt ist die Abdeckung mit dem Material des Schaltungsträgers kompatibel, insbesondere ist die Abdeckung aus dem gleichen Material wie der Schaltungsträger.
  • Zur Vermeidung von thermisch induzierten Spannungen, die wegen der ungleichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien auftreten können, werden die magnetischen Ferritplatten vor dem Einlaminieren in den Folienverbund auf beiden Oberflächen mit einem beim Sinterprozess ausbrennbaren Opfermaterial beschichtet, beispielsweise durch Roll- oder Drucktechnik. Das Opfermaterial kann außer den ausbrennbaren organischen Bestandteilen auch hoch sinternde Pulver, beispielsweise Aluminiumoxid, enthalten, das nach dem Binderausbrand während der Sinterung eine lose Pulverschicht bildet, die einen festen Verbund zwischen den magnetischen und dielektrischen Keramikschichten verhindert. Die beiden keramischen Werkstoffe können dadurch frei von mechanischen Spannungen gesintert werden, ohne ihre Position zu ändern.
  • Beispielsweise können als Material für den dielektrischen Schaltungsträger neben grünkeramischen Laminaten wie LTCC und HTCC, die anschließend zu sintern sind, übliche polymerbasierte Laminate aus Epoxid oder Teflon verwendet werden.
  • Beispielsweise sind die ungesinterten magnetischen Keramikplatten durch Extrusion einer Ferritpaste 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 magnetisierbaren 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 primärseitig anliegenden Wechselspannung leicht verändern, d.h. der Kern ist bevorzugt aus weichmagnetischem Werkstoff mit niedrigem 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 Spulenwindungen durch ein oder zwei Bögen zu einem die Windungen umfassenden Rechteck oder einer liegenden Acht geschlossen.
  • Der Schaltungsträger kann durch übliche Techniken, z.B. als glasfaserverstärktes Epoxid-Laminat oder keramisches Laminat (LTCC) hergestellt sein. Die Abdeckung ist im Material an den Schaltungsträger angepasst und als Teil desselben anzusehen.
  • Bei der Ausführungsform mit einem mehrlagigen Schaltungsträger aus organischem Material wird ebenfalls eine Schutzschicht aus demselben Material eingesetzt. Dabei entfällt dann das Co-Firing. Die magnetischen Keramikschichten, also beispielsweise die Ferritplatten, werden vorab separat gesintert und beim Herstellen des Bauelements in das Laminat eingebaut. Die Sintertemperatur der magnetischen Keramikplatten kann in diesem Fall unabhängig von Einschränkungen gewählt werden, die bei der vollkeramischen Bauform aus dem Co-Firing-Prozess resultieren können. Zusammen mit dem Co-Firing entfällt in dieser Aufbauform auch das Opfermaterial 4 aus 4.
  • Die bekannten und häufig eingesetzten Strukturen derartiger Bauelemente, vorzugsweise mit Ferritanteilen, sind in den 1 und 2 dargestellt.
  • Mittels einer Kernstruktur entsprechend 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 Ferritmaterial verstärkt. Drei Öffnungen in dem mehrlagigen Schaltungsträger dienen der Aufnahme eines Ferritkerns, der so gestaltet ist, dass sich der eingeschlossene magnetische Gesamtfluss aus dem mittleren Teil des Kerns oberhalb und unterhalb der Platine durch zwei seitwärts/waagerecht verlaufende Schenkel und zwei äußere vertikale Ferritsäulen schließen kann. Auf diese Weise entsteht ein Ferrit-Element in Form einer Acht, welches beim Aufsetzen auf die Platine aus einem E-förmigen 3‘‘ und einem I-förmigen Teil 3‘ zusammengesetzt ist und mit Klammern (in 1 nicht gezeigt) zusammengehalten wird.
  • Zur Nachbildung von Ferritkernen nach 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 magnetischen Werkstoffe und der möglichen magnetischen Querschnittsflächen ihre Grenzen. Sie stellt kein praktikables Verfahren für die Integration von Leistungstransformatoren in keramische Leiterplatten dar.
  • Eine einfachere Struktur ist in 2 gezeigt. Diese Figur zeigt eine Anordnung, bestehend aus zwei Windungen 2 in einer Leiterplatte 1 eingebettet, die von zwei Ferritplatten 3 zusammengehalten werden. Ein dielektrischer Schaltungsträger 4 entsprechend 2 ergibt sich, wenn die vertikalen, den Schaltungsträger durchdringenden, Ferritsegmente 3‘ und 3‘‘ entfallen. Dies führt zwar zu einer Verminderung der Induktivitäten entsprechend der Ausführung eines Transformators nach 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 Verkleinerung des Bauelementes, da ein erheblicher Anteil der zu übertragenden Leistung im Luftspalt gespeichert werden kann.
  • Ausgehend von der Transformatorstruktur gemäß 2 erfolgt ein wesentlicher Schritt zur Miniaturisierung durch den Gegenstand der DE 10 2009 010 874 , deren Inhalt Teil der vorliegenden Beschreibung ist, wobei Ferritplatten als niedrig sinterndes Multilayer im Verbund mit einer dielektrischen keramischen Abdeckung und integrierten Leiterbahnen gesintert werden. Die Abdeckung kann dann konventionell mit Bauelementen bestückt werden, so dass der Flächenbedarf des darunter liegenden Transformators für die Größe der gesamten Baugruppe unerheblich ist.
  • Im Folgenden wird beispielhaft eine Bauelement-Struktur mit dielektrischen und ferritischen Lagen angegeben.
  • Die in 3 gezeigte Graphik stellt die Amplitudenpermeabilität von niedrig sinternden MnZn-Ferritfolien bei 2,5 MHz als Funktion der magnetischen Flussdichte mit Sättigungseffekten 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 = √ 2RP und die magnetische Flussamplitude nach dem Induktionsgesetz Φ = V/ωN2 = √ 2RP /ωN2 = 4 × 10–8 Wb.
  • Die Ferritschichten sind bevorzugt in ihren Dicken so bemessen, dass die magnetische Flussdichte die Sättigungsgrenze nicht überschreitet. Diese beträgt, wie in 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
    Figure DE102013205655A1_0004
  • 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.
  • 4 zeigt eine schematische Querschnitts-Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Bauelement-Struktur.
  • Zu erkennen ist ein integrierter Planartransformator 10, der sich wie folgt von dem in 2 gezeigten ableiten lässt. Zu erkennen ist die – beispielsweise mehrlagige – Leiterplatte 1, in der die primäre und die sekundäre Transformator-Wicklung 2 eingebettet sind. Die Leiterplatte 1 umfasst beispielsweise die üblichen, laminierten keramischen Lagen mit niedriger Sintertemperatur, die über einen LTCC-Prozess herstellbar sind, so dass die Leiterbahnen durch Siebdruck von Silberpaste erzeugt werden können.
  • Auf zumindest einer Seite der Leiterplatte 1, idealerweise zu beiden Seiten, befindet sich eine magnetische Keramiklage 3, vorzugsweise eine Ferritplatte, die aus einer einzelnen oder aus mehreren Materiallagen bestehen kann. Diese wird durch dielektrische, hier als „Abdeckung“ bezeichnete, Lagen 5 überdeckt, die durch den Sinterprozess außerhalb der Ferritplatten eine monolithische Einheit mit der Leiterplatte 1 bildet und sowohl dort wie auch oberhalb der Ferritplatten mit Einzelbauelementen bestückt werden kann. Vor dem Einlaminieren der Ferritplatten werden diese mit einer organischen, ausbrennbaren Paste 4, dem so genannten Opfermaterial beschichtet, die nach dem Ausbrand zu einem ungefüllten Hohlraum während des Sinterns führen. Dadurch sind Ferrit und Dielektrikum mechanisch entkoppelt und die Notwendigkeit einer sintertechnischen Materialanpassung entfällt, so dass das Ferritmaterial nach anwendungsspezifischen Gesichtspunkten ausgewählt werden kann. Das Opfermaterial 4 kann zusätzlich mit hoch sinterndem Pulver gefüllt sein, das zusätzlich als inerte bewegliche Abstandsschicht fungiert. Vorteilhafterweise liegt die Sintertemperatur des Pulvers mindestens 200°C über der Sintertemperatur der magnetischen und/oder der dielektrischen Keramik.
  • Bevorzugt ist das Material der Abdeckung 5 mit dem Material des Schaltungsträgers 1 identisch oder kompatibel und umfasst zumindest eine dielektrische Folie 5, die die Ferritfolie 3 in Position hält. Die Abdeckung 5 kann einseitig oder beidseitig an der Leiterplatte 1 angeordnet sein, abhängig davon ob ein oder beidseitig eine magnetische keramische Lage, wie eine Ferritplatte 3 angebracht ist. 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 Metallisierung, beschichtet.
  • Der gesamte Schichtaufbau wird zur Herstellung des fertigen Bauelements gebrannt und zu einer festen Keramik gesintert. Dabei bilden die Pasten 4, die ein keramisch gefülltes Verbundmaterial darstellen können, nach Binderausbrand beim Sintern einen Hohlraum oder eine lose Pulverschicht 4 zwischen den Keramiken 3 und 5, die dadurch keinen festen mechanischen Verbund und folglich keine Spannungsrisse entwickeln können.
  • Beispielsweise werden die dielektrischen und magnetischen Schichten 3 und 5 aus niedrig sinternder Keramik hergestellt und im LTCC-Verfahren gemeinsam gebrannt. Die Sintertrennschicht 4 ist bevorzugt aus einem Material, dessen Binder während der Sinterung der magnetischen und /oder dielektrischen keramischen LTCC-Schichten ausbrennt.
  • Als Binder eignen sich beispielsweise 300 bis 500 °C zersetzbare Binder wie Polyimid, Acrylat, unterschiedliche Kohlenstoff-Formen oder Zellulose, beispielsweise in Form von
  • Papier. Die aus der Paste 4 entstehende Sintertrennschicht 4 wirkt im fertigen Bauteil als Sintersperre.
  • Als „monolithisch sinterbar“ wird vorliegend ein Bauelement aus mehreren Keramiklagen bezeichnet, das im Gegensatz zu einem Bauelement aus getrennt sinterbaren und verklebten Keramiklagen weder verlötet noch verklebt ist. An den Grenzflächen 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.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform zeigt die Abdeckung 5 Öffnungen, beispielsweise mit einem Durchmesser von jeweils 100 bis 200 µm, so dass die flüchtigen Zersetzungsprodukte des Binders entweichen können.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals gezeigt, wie sich dielektrische und magnetische niedrig sinterbare (LTCC) Keramiklagen im Verbund 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, mit einem Opfermaterial beschichtet und vor dem Sintern beidseitig der Spulenwindungen in die Leiterplatte einlaminiert. Dadurch ist eine Oberflächenbestückung 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 Transformatoren beispielsweise für bis zu einigen 100W Leistung und 100kHz bis 10MHz Betriebsfrequenz ermöglichen.
  • Die Erfindung betrifft mehrlagige induktive Bauelemente, die sich beispielsweise in Low Temperature Cofired Ceramics/LTCC (bei niederer Temperatur gesinterte Keramik) oder kupferkaschierte, organische Leiterplatten einbetten lassen, sowie einen Folienkörper, der die Herstellung der eingebetteten Bauelemente durch Co-Firing ermöglicht.
  • Es wird offenbart, wie eine dielektrische Abdeckung, 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 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 laminiert. Bei monolithischer keramischer Bauweise werden die mehrlagigen dielektrischen und magnetischen Leiterplattenteile durch Abstand haltende Opfermaterialien mechanisch entkoppelt, so dass das Sintern im Verbund auch bei nicht angepassten Werkstoffen möglich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008031148 [0016, 0017]
    • DE 102009010874 [0032]

Claims (11)

  1. Mehrlagiges induktives passives Bauelement im Verbund aus dielektrischen und magnetischen Keramiklagen, das monolithisch sinterbar ist und folgende Elemente umfasst: mindestens eine dielektrische ein- oder mehrlagige Leiterplatte (1) mit mindestens einer integrierten planaren Spulen-Wicklung (2) und zumindest einer einseitig aufgebrachten magnetischen Keramikplatte (3), dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Keramikplatte (3) durch eine Abdeckung (5), die Teil des Schaltungsträgers ist, fixiert und zur Oberflächenbestückung nutzbar gemacht wird.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (5) aus keramischem Material ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 2, wobei zwischen der magnetischen Keramikplatte (3) und der Abdeckung (5) eine Sintersperrschicht (4) vorgesehen ist.
  4. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte (1) und/oder die Abdeckung (5) aus organischem Material sind.
  5. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei beidseitig an der Leiterplatte (1) magnetische Keramikplatten (3) angeordnet sind.
  6. Bauelement nach Anspruch 5, wobei beidseitig an der Leiterplatte(1) eine Abdeckung (5) über der magnetischen Keramikplatte (3) angebracht ist.
  7. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abdeckung (5) mit der Leiterplatte (1) einen Hohlraum definiert, in dem zumindest eine magnetische Keramikplatte (3) angeordnet ist.
  8. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche 2, 3 oder 5 bis 7, wobei zumindest eine Abdeckung (5) zumindest eine Öffnung hat, durch die beim Sintervorgang organische Zersetzungsprodukte entweichen können.
  9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei die Öffnung in der Abdeckung einen Durchmesser im Bereich von 100 bis 200 µm hat.
  10. Folienkörper zur Herstellung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, folgenden Schichtaufbau zeigend: eine Leiterplatte(1) mit eingebetteten Transformator-Wicklungen (2) und zumindest einseitig aufgebrachter magnetischer Keramikplatte (3), wobei zwischen der Leiterplatte (1) und der Keramikplatte (3) eine Paste (4) als Abstandshalter vorgesehen ist, die magnetische Keramikplatte (3) durch eine Abdeckung (5), die mit der Leiterplatte (1) einen Hohlraum definiert, in Position gehalten und für Oberflächenbestückung nutzbar gemacht wird und /oder zwischen der magnetischen Keramikplatte (3) und der Abdeckung (5) eine Abstand haltende Paste (4) vorgesehen ist.
  11. Folienkörper nach Anspruch 10, wobei die Abstand haltende Paste (4) neben flüchtigen und ausbrennbaren organischen Anteilen mindestens ein anorganisches Pulver enthält, das auf Grund seiner hohen Sintertemperatur während der Sinterung des Schaltungsträgers inert bleibt und mechanische Spannungen abbaut.
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