DE19547091B4 - Antennenspule mit oberflächenmontierbarem Gehäuse und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Antennenspule (gescherte Induktivität) mit oberflächenmontierbarem (SMD-)Gehäuse, vorzugsweise für elektrische Schließ- und Fahrbereitschaftssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein schlanker Ferritstabkern (1) mit einem Scherungsverhältnis L/D > 5 mit untereinander fixierten Lagen isolierten Drahtes (2) bewickelt und in einem bei Löttemperatur hitzebeständigem, nach unten zur Auflagefläche (7) hin offenem Gehäuse (5) aus Kunststoff fixiert ist, von sich dem seitlich, bündig mit der Auflagefläche (7) oder maximal in einem Abstand von dieser, der die Größenordnung des Durchmessers des abisolierten Drahtes (2) Kontaktierungsfortsätze (4) hat, erstrecken, um welche die Enden des Drahtes (2) gewickelt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Antennenspule, d.h. eine Induktivität, deren Magnetkreis zu wesentlichen Anteilen durch Luft verläuft, um elektromagnetische Schwingungen ein- oder auskoppeln zu können, was die Funktion einer Antenne ausmacht. Das Gehäuse dieser Antennenspule muß auf einer Schaltungsplatte mit flächenhaften („gedruckten") Leiterbahnen durch Oberflächenmontage (besser bekannt unter der englischen Bezeichnung „surface mounted device" = SMD) kontaktierbar sein, was gegenüber anderen Montageverfahren den Vorteil der Möglichkeit einer besonders rationellen automatischen Bestückung sowie der besonders geringen Bauhöhe hat. Zugleich müssen die Konstruktion der Antennenspule in Verbindung mit dem Verfahren zu deren Herstellung, welches gleichfalls Gegenstand der Erfindung ist, unter erschwerten Einsatzbedingungen, wie sie beispielsweise für Fahrberechtigungs- und Sicherungssysteme vom Automobilbau vorgegeben werden müssen, eine besonders hohe Prüf- und damit Betriebszuverlässigkeit aufweisen.
• Es ist bereits eine große Anzahl von Induktivitäten in SMD-Ausführung bekannt, wobei zwischen solchen mit geschlossenem oder allenfalls gering geschertem Magnetkreis (Übertrager, Drosseln mit Topfkern, X-Kern oder dergleichen) und Antennenspulen mit weitgehend offenem, zu großen Anteilen durch Luft verlaufenden Magnetkreis zu unterscheiden ist. Bei den zuerst genannten Induktivitäten ist die Achse des Magnetkerns meist senkrecht zur Montagefläche (Leiterplatte) angeordnet (elektronik industrie Nr. 10/1992, S. 92), was die Bauhöhe vergrößert. Solche Induktivitäten können zwar hinsichtlich der Gestaltung der Kontaktflächen, nicht jedoch hinsichlich der Gesamtkonstruktion Anregungen für die Gestaltung von Antennenspulen in SMD-Ausführung geben.
• Aus der erwähnten Veröffentlichung in der Zeitschrift „elektronik industrie" sind verschiedene, in den Kunststoffspulenkörper eingeformte Kontaktanordnungen aus Metall bekannt. Die sogenannten „Tellerstifte" werden in dieser Veröffentlichung als optimal hinsichlich des Flächenbedarfs auf der Leiterplatte, jedoch wegen sogenannter „Eiszapfenbildung" beim Anlöten der Wickeldrähte und wegen der Abschattung beim Reflow-Löten und erschwerter Sichtkontrolle der Lötstellen bereits in der Veröffentlichung als nachteilig eingeschätzt. Hinzu kommt als Nachteil, daß die vertikale Anordnung der Tellerstifte zwar in der Flächenausdehnung auf der Leiterplatte Platz einzusparen hilft, zugleich aber die Bauhöhe vergrößert.
• Günstiger sind in dieser Beziehung ein Anschluß in Form eines gestreckten „S", der sogenannte „Gullwing"-Anschluß und der L-Anschluß. Sie erfordern zwar mehr Fläche auf der Leiterplatte, aber die Lötstelle ist besser visuell kontrollierbar und die Bauhöhe der ganzen Vorrichtung wird vermindert, wenn auch im vollen Maße soweit es der Spulenkörper oder ggf. ein Gehäuse zulassen. Eine weitere dort veröffentlichte und empfohlene Ausführung, der sogenannte J-Anschluß, weist eine räumliche Trennung der Funktionen von Wicklungsanschluß und Kontaktierung auf der Leiterplatte (mittels einer gerollten Blechzunge) bei einer ansonsten einstückigen Ausführung auf. Diese letzgenannte Ausführung erfordert ein sehr kompliziert geformtes Blech-Stanz- und -Biegeteil. Allen diesen Ausführungen ist gemeinsam, daß die Einformung des Blechteils in das Kunststoffteil insbesondere bei der thermischen Belastung beim Löten aber auch bei mechanischen Belastungen eine Schwachstelle bei Zuverlässigkeitstests darstellen kann. Ein spezielles Umspritzverfahren, bei welchem die Formteilungsebene asymmetrisch in die Ebene der Blechteile gelegt wird ( DE 40 23141 A1 ), hat die Abstellung genau dieses Mangels zur Aufgabe. Es kuriert aber nur an den Symptomen, ohne die Aufgabe der Erreichung höchster Zuverlässigkeit prinzipiell zu lösen.
• Integrierte Ausführungen, bei denen an den Kern einstückig angeformte Kontaktierungs-Füße aus Keramik, insbesondere aus Ferrit, mit der Drahtwicklung verbunden sind, sind sowohl für Übertrager-Lochkerne mit waagerechter, d.h. zur Leiterplatte paralleler Achse ( DE 38 20976 A1 ) auch für Stabkerne ( DE 39 38718 A1 ) bekannt geworden. Im erstgenannten Fall wird ein sehr kompliziert gestaltetes und damit problematisches Keramik-Spritzteil verwendet. Im zweiten Fall ist vorgesehen, nach der Montage auf der Leiterplatte ein vorzugsweise thermoplastisches Oberteil aus der Drahtwicklung herauszuziehen, um die Induktivität durch Biegen derselben abgleichen zu können. Diese an sich erwünschte Möglichkeit birgt hohe Risiken bezüglich der oben erwähnten erforderlichen Zuverlässigkeit des Bauelements in sich.
• Schließlich sind weitere Ausführungsformen von SMD-geeigneten Induktivitäten bekannt geworden, welche verschiedene Möglichkeiten der Platzausnutzung ausgestalten, wiederum ohne dem erwähnten Zuverlässigkeitsaspekt voll Rechnung zu tragen:
  DE 90 17 912 U1 beschreibt, offenbar in Anlehnung an das im Zusammenhang mit DE 40 23 141 beschriebene Herstellungsverfahren, rechtwinklig ausgebildete und parallel aber außermittig am Trägerkörper befestigte Anschlußlaschen.
• DE 89 04 003 U1 beschreibt ein seitlich offenes Kunststoffgehäuse mit eingeformten L-förmigen Anschlußelementen, deren Lötfläche nur wenig aus der Gehäuseunterseite herausragt.
• DE 36 15 307 A1 beschreibt schließlich eine platzparende Luftspule mit rechteckigem Querschnitt ohne Kern und Gehäuse, welche an ihrer Oberseite vorzugsweise mit Silikon beschichtet ist, um dort eine ebene Fläche auszubilden und mit ihren abisolierten Drahtenden direkt mit der Leiterplatte verlötet wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende, platzsparende, für Anwendungsfrequenzen zwischen 50 und 1000 kHz mit Induktivitäten von 50 ... 150 μH ± 5% auslegbare Antennenspule mit oberflächenmontierbarem Gehäuse sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die strengen und höchst komplexen Zuverlässigkeitsanforderungen genügen.
• Weiterhin ist eine Schwingkreisspule bekannt ( EP 0 503 370 A1 ), die zwar platzsparend ausgebildet ist, indem anstelle des Ferritkernes eine Folie aus amorphen, ferromagnetischen Material verwendet wird, die naturgemäß wegen ihrer geringen Dicke wesentlich weniger Volumen einnimmt als ein Ferritkern. Eingeformte Kontaktstifte sind mit den Enden des Wicklungsdrahtes umwickelt. Jene Kontaktstifte dienen jedoch nicht der Oberflächenmontage (SMD), sondern werden entsprechend der ursprünglichen Leiterplatten-Technologie in Bohrungen derselben eingesteckt und auf der von der Schwingkreisspule abgewandten Seite mit einer Leiterbahn verlötet.
• Bei einer weiteren platzsparenden Chip-Induktivität für die Oberflächenmontage sind an den Stirn-Enden entweder einen Kernteiles oder einer allseitigen Umhüllung randoffene Aussparungen eingeformt, in welche plättchenförmige Kontaktelemente eingesteckt werden, welche die elektrische Verbindung zwischen dem Wicklungsdraht und der Leiterplatte herstellen ( EP 0 177 759 A1 ). Gegenüber der erfindungsgemäßen Lösung sind hier in Gestalt der plättchenförmigen Kontaktelemente zusätzliche Bauteile erforderlich.
• Schließlich ist noch ein für die SMD-Montage geeignetes induktives Bauelement mit einer nach unten offenen Umhüllung bekannt ( DE 38 26 431 A1 ). Diese Öffnung dient nicht der Platzeinsparung, sondern ermöglicht einen Abgleich des Induktivitätswertes des Bauelementes durch Abtragung des Kernwerkstoffes (Ferrit oder Karbonyleisen). Der Kern muß demzufolge relativ dick sein und kann nicht schlank ausgeführt werden, um Material zur Abtragung ohne Festigkeitsverlust vorzuhalten. Um einen Zugang für die Abtragung zu schaffen, verläuft die Achse der Bewicklung demzufolge, anders als bei der erfindungsgemäßen Lösung, senkrecht zur Leiterplattenebene, was insbesondere in der Höhendimension einen erhöhten Platzbedarf zur Folge hat.
• Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.
• Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet die mit der Einformung von Blechteilen in ein Kunststoffgehäuse verbundenen Probleme und hat, unter Ausnutzung daß die offene Unterseite durch Auflage auf der Leiterplatte im Gebrauch ausreichend geschützt ist, eine extrem niedrige Bauhöhe.
• Beispielsweise wurden mit erfindungsgemäß ausgeführten Antennenspulen die folgenden Tests bestanden:
• – Trockene Kälte nach IEC 68-2-1 und trockene Wärme nach IEC 68-2-2 zur Gewährleistung eines Betriebstemperaturbereichs von –40 bis +125°C sowie eines Lagertemperaturbereichs von –50 bis +150°C.
• – Lötfähigkeit einschließlich Reflowlötfähigkeit nach IEC 68-2-20.
• – Beschleunigungsbeständigkeit bis 30 g.
• – Schwingungsfestigkeit von 50 Hz gleitend bis 2000 Hz nach IEC 68-2-6.
• – Flußmitteldichtheit nach DIN 41640, Teil 83.
• – Waschmittelbeständigkeit nach IEC 68-2-45.
• – Widerstandsfähigkeit gegen rasche Temperaturwechsel nach IEC 68-2-14.
• – Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schockbeanspruchung nach IEC 68-2-27.
• – Lagerung und Betrieb bei feuchter Wärme und zyklischen Temperaturänderungen nach IEC 68-2-30.
• – Widerstandsfähigkeit gegen halbsinusförmige mechanische Dauerschocks nach IEC 68-2-29.
• – Widerstandsfähigkeit gegen 8 kPa Unterdruck nach IEC 68-2-13, was einem Höhentest von etwa 17.000 m entspricht.
• – Widerstand gegen Entflammen nach IEC 695-2-2.
• – Mechanische Widerstandsfähigkeit der Anschlüsse nach IEC 68-2-21.
• Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die erfindungsgemäße Antennenspule soll beispielsweise bei einer Betriebsfrequenz von 100 kHz eine Induktivität von 100 μH ± 5% aufweisen. Die beigefügten Zeichnungen zeigen eine solche Antennenspule mit oberflächenmontierbarem Gehäuse stark vergrößert und gegenüber den tatsächlichen Proportionen in der Längserstreckung etwas verkürzt:
• 1: Ansicht von unten, vormontiert, vor dem Verzinnen.
• 2: Ansicht von einer Längsseite ohne Kern und Wicklung, wobei ein Kontaktierungsfortsatz weggebrochen ist.
• 3: Ansicht von oben ohne Kern und Wicklung.
• 4: Schnittdarstellung in Schmalseitenrichtung.
• 5 schließlich zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Auf einem Ferritstabkern 1 von 1,65 mm Durchmesser und 12 mm Länge aus einem Werkstoff für Antennenstäbe mit einer relativen Anfangspermeabilität μ_i = 2000 sind 100 Windungen eines lackisolierten Kupferdrahtes 2 von 0,06 mm Durchmesser aufgebracht. Der Lack benachbarter Windungen dieses Drahtes 2 ist durch eine Wärmebehandlung bei 230°C miteinander „verbacken", um die Windungen untereinander zu fixieren. Die Enden 3 des Drahtes 2 sind von ihrer Isolierung befreit und jeweils zweimal um T-förmige Kontaktierungsfortsätze 4 eines Gehäuses 5 aus Polyamid, welches bis 250°C wärmebeständig, also lötfest ist und dort mittels Weichlot fixiert. Die Fixierung des bewickelten Ferritstabkerns 1 im Gehäuse 5 erfolgt an den beiden Enden durch jeweils einen Tropfen eines durch Ultraviolettstrahlung aushärtbaren Klebers (nicht dargestellt): Das Gehäuse 5 weist zwischen den Kontaktierungsfortsätzen 4 und im gleichen Bereich seiner gegenüberliegenden Wandung ei ne Aussparung 6 auf derart, daß das Gehäuse 5 dort nicht bis zur Auflagefläche 7 auf einer gedruckten Schaltung herabreicht. Dadurch soll die sichere Auflage bei der Montage dort gewährleistet werden, welche beispielsweise durch Schwallöten erfolgt. Zur Durchführung der Enden des Drahtes 2 zu den Kontaktierungsfortsätzen 4 weist die Aussparung 6 auf der Seite der Kontaktierungsfortsätze 4 jeweils an der der Mitte des Ferritstabkerns 1 zugewandten Seite eine Erweiterung 8 über die allgemeine Höhe der Kontaktierungsfortsätze 4 hinaus auf.
• Die oben erwähnten besonderen Zuverlässigkeitsanforderungen beispielsweise für den Einsatz der Antennenspulen in der Automobilindustrie lassen sich mit besonders hoher Sicherheit bei der Herstellung nach dem in 5 illustrierten erfindungsgemäßen, weitgehend automatisierten Verfahren erreichen. Durch einen Schwingförderer werden die Ferritstabkerne in einem Maschinensytem I einer automatischen, mit einer Schnellstopp-Einrichtung versehenen Wickelmaschine zugeführt, bei welcher die ausgeführte Windungszahl mittels eines (nicht dargestellten) elektronischen Zählwerkes und die Gleichförmigkeit und Regelmäßigkeit der ausgeführten Windungen optoelektronisch mittels einer CCD-(charge coupled devices) Kamera überwacht werden. Dann durchlaufen die bewickelten Ferritstabkerne im gleichen Maschinensystem I einen Infrarot-Heiztunnel, wo die Isolierung angrenzender Drahtwindungen bei etwa 230°C „zusammengebacken" wird, um den Draht auf dem Ferritstabkern zu fixieren. Ein zweiter Schwingförderer führt nun die Gehäuse zu und in der letzen Station des Maschinensystems I werden Antennenspule und Gehäuse zusammengefügt.
• Im räumlich und auch hinsichtlich des Arbeitstaktes getrennten Maschinensystem II folgen als Arbeitsschritte das Fixieren der Antennenspule im Gehäuse mittels zweier Tropfen eines in der gleichen Station durch UV-Strahlung ausgehärteten Klebers, das Anwickeln der abisolierten Drahtenden um die T-förmigen Kontaktierungsfortsätze und die gruppenweise Ablage in Magazinen zum Verzinnen und damit Fixieren dieser Drahtenden.

Claims (5)

1. Antennenspule (gescherte Induktivität) mit oberflächenmontierbarem (SMD-)Gehäuse, vorzugsweise für elektrische Schließ- und Fahrbereitschaftssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß ein schlanker Ferritstabkern (1) mit einem Scherungsverhältnis L/D > 5 mit untereinander fixierten Lagen isolierten Drahtes (2) bewickelt und in einem bei Löttemperatur hitzebeständigem, nach unten zur Auflagefläche (7) hin offenem Gehäuse (5) aus Kunststoff fixiert ist, von sich dem seitlich, bündig mit der Auflagefläche (7) oder maximal in einem Abstand von dieser, der die Größenordnung des Durchmessers des abisolierten Drahtes (2) Kontaktierungsfortsätze (4) hat, erstrecken, um welche die Enden des Drahtes (2) gewickelt sind.
2. Antennenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsfortsätze (4) T-förmig sind.
3. Antennenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Kontaktierungsfortsätzen (4) und im gleichen Bereich der gegenüberliegenden Wandung des Gehäuses (5) eine Aussparung (6) befindet derart, daß das Gehäuse (5) dort nicht bis zur Auflagefläche (7) herabreicht.
4. Antennenspule nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausparung (6) zumindest neben den Kontaktierungsfortsätzen (4) zur Durchführung des Drahtes (2) Erweiterungen (8) aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Antennenspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickeln des Drahtes auf den Ferritstabkern, das Verschweißen seiner Isolierung sowie das Fügen von bewickeltem Ferritstabkern in das Gehäuse einerseits und die Fixierung des bewickelten Ferritstabkerns im Gehäuse, das Anwickeln des Drahtes an die Kontaktierungsfortsätze sowie die Ablage der solcherart vorbereiteten Antennenspule in einer Verzinnungseinrichtung andererseits in jeweils ein Maschinensystem integriert sind.