DE29824187U1

DE29824187U1 - Multilayer-Planarinduktivität

Info

Publication number: DE29824187U1
Application number: DE29824187U
Authority: DE
Original assignee: MELCHER AG USTER
Current assignee: Power One AG
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2008-01-24
Also published as: US6369685B1; EP0995205A1; EP0995205B1; DE59813780D1; WO1999003117A1

Description

Multilayer-Planarinduktivität

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Multilayer-Planarinduktivität nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Planarinduktivitäten finden Einsatz etwa in Schaltnetzteilen, Spannungswandlern oder anderen Vorrichtungen der Leistungselektronik, die auf der Basis einer mehrschichtigen, eine Mehrzahl von gegeneinander elektrisch isolierten Leiterschichten aufweisenden Trägerplatte (sog. "Multilayer" oder "Multilayer-Printplatte") realisiert sind. Genauer gesagt weist ein solcher Multilayer neben elektronischen Bauelementen für die Schaltelektronik, die in geeigneter Weise durch eine oder mehrere Leitungsbahnen des Multilayers verbunden sind, Induktivitäten wie Transformatoren oder Drosseln auf, für welche (übereinanderliegende) Leitungsschichten des Multilayers die Funktionen der Wicklungen -- also etwa der Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators — übernehmen: Zu diesem Zweck ist in geeigneter Weise durch einen Durchbruch in dem Multilayer ein Transformatorkern gesteckt, der dann zusammen mit den auf den Leitungsschichten des Multilayers gebildeten Wicklungen den gewünschten Transformator ausbildet.

Auf diese Weise kann dann ein im Aufbau kompaktes und hinsichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften stabiles Gerät hergestellt werden, welches sonstigen herkömmlichen Lösungen -- etwa ein diskreter Transformator auf einer herkömmlichen Printplatte — deutlich überlegen und insbesondere für kommerziellen Einsatz geeignet ist.

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Die Fig. 6 zum Stand der Technik verdeutlicht in der geschnittenen Seitenansicht den Aufbau einer solchen, gattungsbildenden Planarinduktivität:

Auf einem die Planarinduktivität ausbildenden Teilbereich eines Multilayers 70, der eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Leitungsschichten 72 aufweist, ist ein schematisch gezeigter Transformatorkern 74 montiert, der -- etwa im seitlichen Querschnitt E-förmig -- sich mit in der Fig. nicht gezeigten Schenkeln durch entsprechend bemessene Durchbrüche des Multilayers 70 erstreckt. Zum Zusammenwirken mit dem Transformatorkern 74 bilden dabei die Leitungsschichten eine entsprechende Primär- bzw. eine Sekundärwicklung aus, so daß auf die gezeigte Art und Weise die Induktivität unmittelbar in die mit den weiteren elektronischen Bauelementen 76 schematisch angedeutete Peripherie-Elektronik eingebettet bzw. an diese über entsprechende Leitungsschichten 72 angebunden ist.

Auf die in Fig. 6 gezeigte Weise entsteht somit eine äußerst kompakte, elektrisch und mechanisch stabile Anordnung, die zudem aufgrund der guten Reproduzierbarkeit der geometrischen Abmessungen auch überaus serientauglich ist.

Je nach Anwendungszweck und konkret realisiertem, elektronischem Gerät können auf diese Weise eine oder mehrere Planarinduktivitäten auf bzw. in einem Multilayer realisiert sein, wobei jedoch üblicherweise die Induktivitäten nur einen eher geringen Teil der Multilayer-Oberflache bzw. -Bestückungsfläche belegen.

Als nachteilig für einen Einsatz dieser Technologie im Rahmen eines Produktprogrammes mit einer größeren Variantenvielfalt hat es sich jedoch erwiesen, daß für jede einzelne bzw. gesondert hergestellte Variante ein spezieller Entwurf (Design) des zugehörigen Multilayers erfolgen muß: So ist es insbesondere im Fall von Power-Supplyschaltungen notwendig, sowohl die Primärseite als auch die Sekundärseite des

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(Planar-) Transformators für eine Mehrzahl verschiedener Spannungen bzw. Spannungsbereiche anzubieten, etwa auch bemessen durch die gewählte Anzahl der relevanten Leitungsschichten für den Transformator (entsprechend einer Wicklungszahl des Transformators). Bei etwa fünf möglichen, verschiedenen Primärspannungen und fünf angebotenen, verschiedenen Sekundärspannungen würden entsprechend 25 Produktvarianten einer elektronischen Vorrichtung entstehen, die jeweils einen gesonderten, speziell auf die jeweils gewünschte Spannungskombination eingerichteten Multilayer fordern, wobei die Diversifizierung lediglich im Bereich der jeweiligen Pianarinduktivität(en) auftritt.

Berücksichtigt man dann, daß insbesondere Multilayer mit einer relativ hohen Lagenzahl (etwa acht oder elf Lagen) verglichen mit Multilayern niedriger Lagenanzahl überproportional hohe Einkaufs- und entsprechend Lagerkosten verursachen, ist insbesondere der erwünschte, flexible Einsatz der Multilayer-Technik äußerst aufwendig und bei zunehmender Variantenvielfalt mit herkömmlicher Technologie nicht konkurrenzfähig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Anordnung mit einer Multilayer-Planarinduktivität zu schaffen, deren Herstellung im Hinblick auf mögliche Variationen der Induktivitätswicklungen vereinfacht und flexibilisiert werden kann, wobei insbesondere auch die Beschaffung und Bevorratung der teuren, als Multilayer realisierten plattenförmigen Träger vereinfacht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Multilayer-Planarinduktivität mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhaft ermöglicht dabei der in dem Teilbereich vorgesehene, zweite Multilayer, der bevorzugt mit seinen Abmessungen auch auf diesen Bereich beschränkt ist, das flexible, variable Ergänzen zusätzlicher Leitungsschichten und

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somit Induktivitätswicklungen zu den im Basis-Multilayer (dem ersten plattenförmigen Träger) bereits vorhandenen ersten Leitungsschichten, so daß durch entsprechendes Aufsetzen und Ausbilden eines oder mehrerer lokal beschränkter Multilayer die für eine jeweilige Produktvariante benötigte Induktivität mit geringem Aufwand hergestellt werden kann, ohne daß etwa für diese Variante ein spezieller, gesonderter Multilayer-Komplettentwurf vorgesehen werden muß.

Da darüber hinaus in der Regel eine größere Anzahl von elektrischen Leitungsschichten lediglich im Bereich der Planarinduktivität benötigt wird, für die umgebene Peripherie-Elektronik jedoch nicht, ist es erfindungsgemäß und vorteilhaft möglich, die Peripherie-Elektronik auf dem ersten Träger mit einer geringen Anzahl von Leiterschichten (mit entsprechend geringem Kostenaufwand) zu realisieren, während lediglich im Bereich der Planarinduktivität die benötigten, zusätzlichen Leitungsschichten durch das Aufsetzen eines oder mehrerer zusätzlicher Multilayer lokal und selektiv erfolgt.

Im Ergebnis wird dann das teuere Multilayer-Material optimal ausgenutzt.

Darüber hinaus ist es durch die Erfindung vorteilhaft möglich, ein für eine Vielzahl von Varianten taugliches Herstellungssystem zu entwickeln, welches variantenübergreifende Komponenten auf dem ersten, plattenförmigen Träger enthält, während variantenspezifische Komponenten -- neben zusätzlichen Wicklungen ggf. auch zusätzliche, spezifisch notwendige Peripherie-Elektronik — auf dem bzw. den zusätzlichen Trägern enthalten sind. Konstruktiver Aufwand und Lagerhaltung für eine Mehrzahl von Varianten verringern sich somit drastisch.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

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So ist es erfindungsgemäß möglich, ein- oder beidseitig des Basisträgers (des ersten Trägers) einen oder mehrere der auf den konkreten Bereich der Induktivität beschränkten, zusätzlichen Multilayer-Träger anzubringen, wobei insbesondere bei beidseitiger Anbringung eine Anordnung maximaler Kompaktheit entstehen kann.

Besonders geeignet ist die Erfindung zudem bei der Verwendung der Planarinduktivität als Transformator, da hier Primär- und Sekundärwicklung den Leitungsschichten des zweiten bzw. des ersten Trägers unmittelbar zugeordnet werden können und somit die unmittelbare Beeinflussung des Wicklungsverhältnisses je nach Spezifikation möglich ist.

Erfindungsgemäß sind verschiedene Wege möglich, den zweiten Träger in geeigneter Weise mechanisch (und auch elektrisch) mit dem zugrundeliegenden, ersten Träger zu verbinden, wobei sich hinsichtlich Festigkeit und mechanischer Belastbarkeit eine Lötverbindung im seitlichen Bereich des zweiten Trägers als besonders geeignet und bevorzugt herausgestellt hat. Weiter vorteilhaft wäre eine solche Anordnung durch eine (ggf· zusätzliche) Klebverbindung der Leiterschichten zu ergänzen bzw. weiter zu stabilisieren.

Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung ein flexibel einsetzbares Planar-Induktivitätensystem geschaffen, welches auf der Basis der vorteilhaften Multilayer-Technik die Möglichkeit zur weitgehenden Fertigungs- und Logistikoptimierung schafft.

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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

Fig. 1: eine Draufsicht auf eine auf einem Multilayer realisierte elektronische Schaltungsvorrichtung mit einem Paar von Planarinduktivitäten auf einem Teilbereich des Multilayers;

Fig. 2: eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine Planarinduktivität der Darstellung gemäß Fig. 1;

Fig. 3: eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Multilayer-Planarinduktivität gemäß Fig. 2 und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (best mode);

Fig. 4: eine zweite, alternative Ausführungsform der Erfindung mit einseitig aufgeklemmtem, zweiten Multilayer-Stück;

Fig. 5: eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit beidseits des Basis-Multilayers aufgeklemmten Multilayer-Stücken zur Ausbildung der Planarinduktivität und

Fig. 6: eine seitliche Schnittansicht einer herkömmlichen Multilayer-Planarinduktivität zur Erläuterung des Standes der Technik.

In Fig. 1 trägt eine Multilayer-Karte 10, etwa im Außenformat einer Europakarte, ein Paar von Planarinduktivitäten in Form von Planartransformatoren 12, die im Zentrum der Karte angeordnet sind und etwa 20% der Kartenoberfläche belegen .

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Jeder Planartransformator 12 ist elektrisch mittels einer Sekundärwicklung realisiert, die durch Leitungsschichten 14 der Multilayer-Karte 10 (Basis-Multilayer) bereitgestellt werden, sowie durch eine Primärwicklung, die durch Leitungsschichten 16 und 18 eines beidseits des Basis-Multilayers vorgesehenen ersten bzw. zweiten zusätzlichen Multilayer-Stücks 20 bzw. 22 bereitgestellt werden.

Die Leitungsschichten 14 bis 18 werden von einem im seitlichen Querschnitt E-förmigen Transformatorkern 24 (vgl. Draufsicht der Fig. 2) durchdrungen, wobei dieser mit seinen Schenkeln durch die geschichtete Multilayer-Anordnung 20-10-22 hindurchgreift.

Genauer gesagt sind in den Multilayer-Stücken 20 bzw. 22 randseitige Ausnehmungen 26 sowie eine zentrale Ausnehmung 28 gebildet, die mit Durchbrüchen 30 des Basis-Multilayers 10 fluchten, so daß die (in der Darstellung der Fig. 2, abwärts in die Zeichenebene hinein gerichteten) Schenkel' des Transformatorkerns 24 durch alle drei Multilayer-Schichten hindurchgreifen und bodenseitig durch ein entsprechend zugeordnetes, in den Fig. nicht näher gezeigtes Kernelement verbunden werden können.

Durch die Leitungsschichten 14 des Basis-Multilayers bzw. die weiteren Leitungsschichten 16, 18 der Multilayer-Stücke 20, 22 findet eine elektrische Verbindung zu den weiteren elektronischen Bauelementen 32 auf der Multilayer-Karte 10 statt, so daß die Planarinduktivität in der ansonsten bekannten Weise in den Schaltungsaufbau einbezogen werden kann.

Wie die Draufsichten der Fig. 1 bzw. Fig. 2 zeigen, erstrecken sich die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 über einen Teilabschnitt der Multilayer-Karte 10 (beidseits von dieser), wobei die zusätzlichen Stücke 20, 22 mittels eines nur geringen Zwischenraumes 34 (vgl. Fig. 3) auf der

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Basiskarte 10 aufliegen, durch zusätzliche Klebeverbindungen 36 mit dieser verbunden sind und so eine geschichtete Anordnung einer Mehrzahl i.w. paralleler Leitungsanordnungen entsteht: Im beispielhaft angenommenen Fall, daß der Basis-Multilayer vier Leitungsschichten aufweist und die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 jeweils fünf Leitungsschichten, entsteht somit im Bereich der Planarinduktivität eine Schichtung von vierzehn Leitungsschichten, die hinsichtlich ihrer elektrischen bzw. mechanischen Eigenschaften gegenüber einem einzelnen, vierzehn-schichtigen Multilayer nur unwesentlich verschlechtert ist, jedoch nur einen Bruchteil der Beschaffungs- bzw. Herstellungskosten erfordert. Darüber hinaus ist dann durch geeignete Wahl bzw. Bemessung der aufzusetzenden Multilayer-Stücke 20, 22 ein nahezu beliebiges Anpassen an gewünschte Dimensionierungen möglich, wobei die Erfindung auch nicht auf etwa die in den Fig. gezeigte ein- bzw. zweiseitige Anordnung zusätzlicher Multilayer-Stücke beschränkt ist, sondern vielmehr auch eine beliebige, geeignete Anzahl von aufeinanderliegenden Multilayer-Stücken (ein- oder zweiseitig) befestigt werden kann.

Im weiteren wird unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 ein erster Weg erläutert, wie erfindungsgemäß die zusätzlichen Multilayer-Stücke 20, 22 auf dem Basis-Multilayer 10 befestigt werden können. Wie die Draufsicht der Fig. 2 zeigt, sind die Multilayer-Stücke 20, 22 im Bereich ihrer Schmalkanten jeweils mit einem Paar seitlicher Aussparungen 38 versehen, die als periphere Fräsungen realisiert und in diesem Bereich metallisiert sind. Wie zudem in der Seitenansicht der Fig. 3 zu erkennen, erstreckt sich die Metallisierung auch über einen randseitigen Bereich der Ober- bzw. Unterfläche eines jeweiligen Multilayer-Stücks.

Befestigt sind diese Multilayer-Stücke 20, 22 nunmehr mittels geeignet aufgebrachter Lot- bzw. Schweißpunkte 40 im Bereich der metallisierten Aussparungen 38, wodurch das jeweilige Plattenelement in für eine automatisierte Be-

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stückung und Befestigung (etwa SMD) geeigneter Weise auf entsprechenden, metallisierten Befestigungspunkten 42 der Basisplatte 10 festgelegt werden kann.

Die so entstehende, besonders gut aus der Schnittansicht der Fig. 3 zu erkennende Anordnung ist dann mechanisch stabil und hält die einzelnen Leitungsschichten möglichst dicht aufeinander, so daß bei der entstehenden Planarinduktivität nur äußerst geringe Streuverluste anzunehmen sein werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen alternative Möglichkeiten, erfindungsgemäß eines oder mehrere zusätzliche Multilayer-Stücke auf einer Multilayer-Basiskarte 10 im Bereich der Planarinduktivität und zum variablen Ausbilden derselben zu befestigen.

So ist gemäß Fig. 4 ein zusätzliches Multilayer-Stück 44 mittels eines wiederum an vier Punkten gemäß Fig. 2 angreifenden Klammerelements 4 6 mit der Basiskarte 10 verbunden, wobei die Klammerelemente 4 6 in entsprechende Aufnahmedurchbrüche 48 der Basiskarte 10 eingeführt und dort mittels einer Lötverbindung od.dgl. festgelegt sind.

Durch diese in Fig. 4 gezeigte Ausbildung entsteht dann zwar ein etwas größerer Abstand zwischen Basiskarte 10 und zusätzlichem Multilayer 44 (bzw. den jeweiligen Leitungsschichten), erkennbar gestattet jedoch die Anordnung in Fig. 4 ein leichtes, austauschbares Montieren des zusätzlichen Multilayers.

Entsprechendes gilt für die beidseitige Anordnung wiederum eines Paares von Multilayer-Zusatzstücken für eine PIanarinduktivität gemäß Fig. 5, beidseits des Basis-Multilayers 10. Durch wiederum analog zur obigen Weise angeordnete Einzelklemmen 50, die jeweils bodenseitig auf Befestigungsflächen 52 des Basis-Multilayers IO aufgelötet sind, entsteht diese flexible Befestigungsmöglichkeit. Alternativ

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können die jeweiligen Einzelelemente 50 auch in Form von Profilen gebildet sein, die sich über eine jeweilige Kantenlänge der gezeigten Multilayer-Stücke 54 erstrecken.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind rein exemplarisch zu verstehen, und es liegt im Rahmen des fachmännischen Verständnisses, auf der Basis der geschilderten Ausführungsbeispiele das Erfindungsprinzip auf weitere, geeignete Anwendungsfälle anzuwenden.

Grundsätzlich bietet es sich an, einen Multilayer als Basisplatte zu benutzen, der mindestens zwei Leitungsschichten aufweist; üblicherweise wird ein praktisch nutzbarer Multilayer etwa sechs Leitungsschichten aufweisen. Darauf werden dann in geeigneter Weise und abhängig von den Wicklungserfordernissen Multilayer-Stücke im Bereich der auszubildenden Induktivität angebracht, die der geforderten Wicklungszahl bzw. dem geforderten Wicklungsverhältnis entsprechen .

Während im geschilderten Ausführungsbeispiel bevorzugt die Sekundärwicklung der Basisplatte zugeordnet wurde, da diese oftmals weniger Wicklungen benötigt, ist natürlich -- je nach Anwendungsfall -- auch eine Umkehrung oder andere Ausgestaltung möglich, etwa das Verwenden von Leitungsschichten der Basisplatte als Primärwicklung.

Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Befestigungs- und Kontaktiermöglichkeiten für die aufzusetzende(n) zusätzliche Multilayer-Platte(n) beschränkt; so könnte es sich insbesondere auch anbieten, aus der Hybrid-Technik bekannte Kontaktier- und Befestigungsverfahren vorzusehen, etwa in Form eines Verbindungskammes.

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Ergänzend oder alternativ erscheint es möglich, gezielte, elektrische Kontakte zwischen einer Leitung eines aufgesetzten, zusätzlichen Multilayers und einem Kontaktpunkt auf der Basisplatte durch Bonden oder ein vergleichbares Verbindungsverfahren herzustellen.

Im Ergebnis entsteht somit eine Vorrichtung, welche erfindungsgemäß die Vorteile der Multilayer-Technologie hinsichtlich Kompaktheit, Reproduzierbarkeit in der Fertigung und mechanischer Belastbarkeit durch die Möglichkeit ergänzt, auf eine einfache und flexible Art und Weise eine beliebig konfigurierbare Multilayer-Planarinduktivität auszubilden, ohne daß etwa speziell hierfür der zugrundeliegende Basis-Multilayer gesondert ausgebildet sein muß.

Claims

1. Multilayer-Planarinduktivität auf einem Teilbereich eines ersten plattenförmigen Trägers (10), der eine Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden, ersten Leitungsschichten (14) aufweist und zum Halten und Kontaktieren weiterer elektronischer Bauelemente (32) ausgebildet ist,
wobei eine Mehrzahl von eine erste elektrische Windung realisierenden Leitungsschicht (14) des ersten Trägers zum Zusammenwirken mit einem zum Führen eines magnetischen Flusses vorgesehenen, in dem Teilbereich anzuordnenden Kern (24) eingerichtet ist,
in dem Teilbereich mindestens ein zweiter plattenförmiger Träger (20; 22; 44; 54) mit einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden, zweiten Leitungsschichten (16; 18) so parallel zu dem ersten Träger (10) angeordnet ist, daß eine Mehrzahl von eine zweite elektrische Windung realisierenden Leitungsschichten (16) des zweiten Trägers mit dem Kern (24) und der ersten elektrischen Windung induktiv zusammenwirken kann, und wobei der zweite Träger durch an seine Schmalkanten seitlich angreifende Halteelemente, Lötverbindungen oder andere Kontaktier- und Befestigungsverfahren mit dem ersten Träger verbunden ist.

2. Planarinduktivität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite plattenförmige Träger eine geometrische Ausdehnung parallel zum ersten Träger aufweist, die sich auf den Teilbereich beschränkt.

3. Planarinduktivität nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits des ersten Trägers jeweils mindestens ein zweiter Träger fluchtend übereinander angeordnet ist.

4. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität als Transformator realisiert ist, dessen Sekundärwindung durch die erste elektrische Windung und dessen Primärwindung durch die zweite elektrische Windung realisiert ist.

5. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger durch mindestens zwei, an gegenüberliegenden Seiten angreifende, auf dem ersten Träger befestigte Halteelemente (46, 50) mit dem ersten Träger befestigbar ist.

6. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger durch mindestens eine, seitlich angreifende Lötverbindung mit dem ersten Träger verbunden ist.

7. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Träger mittels einer Klebverbindung auf dem ersten Träger befestigbar ist.

8. Planarinduktivität nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Träger und der zweite Träger im aufeinander angeordneten Zustand mindestens einen fluchtenden Durchbruch (30) zum Hindurchführen eines Abschnittes des Kerns (24) aufweisen.