Anordnung mit einem induktiven Bauelement

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet induktiver Bauelemente, insbesondere von Antennen und Sensoren mit einem Magnetkern und einer Wicklung für den Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 150 kHz.

Es sind stabförmige Antennen mit einem weichmagnetischen Kern und einer Leiterwicklung für den Anwendungsbereich zwischen 15 kHz und 150 kHz bekannt. Diese werden beispielsweise bei der Diebstahlsicherung von Kraftfahrzeugen, bei Identifikati- ons- und Zugangssystemen sowohl für den Datenaustausch als auch für die einfache Datenabfrage über Entfernungen bis ca. 5 m und für die induktive Energieübertragung, beispielsweise bei Akku- Ladesystemen eingesetzt. Die Länge derartiger induktiver Bauelemente beträgt zwischen wenigen cm und 1 m. Entsprechende Magnetkerne für derartige Antennen bestehen beispielsweise aus Ferritmaterial. Dieses Material hat jedoch den Nachteil eines hohen Gewichts und großer Sprödigkeit. Eine entsprechende Antenne weist keine große Stabilität gegenüber Stößen und Vibrationen oder Verformungen auf . Insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugsystemen ist eine gro- ße Stabilität gegenüber Beschleunigungen gefordert, die durch Ferritantennen nicht leicht zu erfüllen ist.

Auch die Montage von Antennen, die weichmagnetische Kerne besitzen, in elektrischen Schaltungen, ist schwierig, sobald große Beschleunigungen auftreten, da diese Beschleunigungen bei den Gewichten der Magnetkerne große Kräfte erzeugen, die durch Lötstellen abgefangen werden müssen. Deshalb ist es bekannt, entsprechende Antennenelemente auch zusammen mit Be- schaltungselementen einzugießen um die mechanische Stabilität zu erhöhen (vergleiche beispielsweise US 2002/033777) .

Um eine höhere Stabilität der Magnetkerne zu erzielen, können zusammengesetzte Magnetkerne aus amorphen und nanokristalli- nen Bändern oder Dünnschichten mit Dicken zwischen 0,5 und 30 μm zusammengesetzt werden (vergleiche DE 4109840 Al, DE 19513607 C2 , EP 0762545) . Derartige Pakete bilden hocheffiziente Magnetkerne mit entsprechend geringem Gewicht sowie hoher Flexibilität und können mit einer Wicklung durch Verkleben oder Vergießen zu einem handhabbaren Körper zusammen- gefasst werden. Dies erfordert jedoch einen relativ hohen Fertigungsaufwand, da zunächst der Kern hergestellt werden, danach stabilisiert werden muss und mit einer Wicklung versehen wird. Danach kann auch die Wicklung noch mit dem Kern zu einem Gesamtkörper vergossen werden. Dieser Vergusskörper kann letztlich mit Anschlüssen versehen und in eine elektro- nische Schaltung eingefügt werden.

Um einen derartigen Fertigungsaufwand zu verringern, ist es zum Beispiel aus der EP 0554486 bekannt, einen Magnetkern mit einer mit Leiterbahnen bedruckten Folie zu umwickeln und da- bei die Leiterbahnen so anzuordnen und zu verbinden, dass diese Leiter-Windungen bilden, die den Magnetkern spiralig umgeben. Damit wird zumindest eine Wicklung einfach hergestellt, ohne dass ein Wicklungsdraht vielfach um den Magnetkern herumgewunden werden muss.

Es sind damit jedoch mannigfaltige fertigungstechnische Probleme verbunden, da nach dem Umwickeln des Magnetkerns mit der leiterbedruckten Folie entsprechend passende Leiterverbindungen durch Kleben oder Löten hergestellt und dauerhaft gesi- chert werden müssen. Bei diesen Prozessen kann außerdem das

Magnetmaterial geschädigt werden.

Aus der DE 19723068 Cl ist bekannt, in einem Trägersubstrat, das auf einer seiner Seiten Leiterbahnen trägt, eine Ausneh- mung vorzusehen, die einen Magnetkern aufnehmen kann.

Teilstücke von Leiterbahnen auf dem Trägersubstrat bilden Abschnitte von Windungen für eine den Magnetkern umgebende Spu-

Ie. Andere Teile der Windungen werden durch Bondleiter gebildet, die nach dem Einbringen des Magnetkerns in die Ausnehmung über den Magnetkern gezogen und kontaktiert werden. Dadurch entsteht mit Bonddrähten einerseits und Leiterbahnen andererseits eine durchgehende Wicklung.

Diese Herstellung des induktiven Bauelementes erfordert einen sehr hohen Fertigungsaufwand, da alle Bonddrähte einzeln ge- bondet werden müssen und die Kontaktierung der Bonddrähte na- turgemäß mechanisch nicht besonders stabil und belastbar ist. Der Anwendungsbereich dieser Herstellungsart ist damit eng begrenzt .

Eine Weiterentwicklung der beschriebenen Konzepte, den Mag- netkern in eine Leiterplatte einzubetten, beschreiben DE 101 22 393 Al und DE 101 39 707 Al. Hierbei werden weichmagnetische Elemente direkt in eine Multilayerplatine einlaminiert. Die Spule kann als eine oder mehrere Planarspulen in Schichten ober- und unterhalb des flächenförmigen Kerns ausgebildet sein. Bei ringförmigen Kernen wird eine zylinderförmige Bewicklung durch Realisierung der Spulensegmente ober- und unterhalb des Kerns gebildet, die mittels Durchkontaktierungen zu einer Spule geschlossen werden.

Diese Konstruktion weist allerdings einige Nachteile auf: Die Magnetmaterialien sind bezüglich Klebbarkeit bzw. Haftfestigkeit nicht mit Standardleiterplattenprozessen kompatibel; die Laminiertemperaturen von 150 - 200 ⁰ C sowie der Pressdruck schädigen das Magnetmaterial durch magnetische Alterungspro- zesse, Verspannung oder chemische Veränderung bei Verbundmaterialien Wenn die Magnetschicht nicht die gesamte Leiterplattenfläche einnimmt, müssen die Magnetteile auf Trägern oder in vorgestanzten Schichten aufwendig platziert und fixiert werden. Da übliche Leiterplattenprozesse unter anderem auch mit Ätzflüssigkeiten stattfinden, kann das innenliegende Magnetmaterial generell oder auch durch Undichtigkeiten angriffen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, mit dem Ziel, eine einfache und kosten- günstige Herstellung mit einer mechanisch belastbaren Konstruktion zu verbinden. Von besonderem Interesse sind Antennen oder Sensoren, die aus einem flachen stabförmigen Kern mit einer zylinderförmigen Bewicklung bestehen. Es ist weiterhin Ziel der Erfindung, eine besonders flache, trotzdem belastbare und kostengünstig und sicher herstellbare Konstruktion anzugeben. Insbesondere die Nutzung der preiswerten Massenherstellungstechnik von Leiterplatten ohne Rücksicht auf das Magnetmaterial, und die spätere Verbindung von optimal dünnen Magnetkernen mit der als Leiterplatte aufgebauten Wicklung sind als Aufgabe anzusehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit einem induktiven Bauelement mit wenigstens einem isolierenden Träger, einem Magnetkern und einer Wicklung, wobei der Träger mehrere Lagen von voneinander durch wenigstens eine

Isolierschicht getrennten Leiterbahnen aufweist, wobei der Magnetkern zwischen zwei Lagen von Leiterbahnen in einer Ausnehmung des Trägers angeordnet ist und jeweils Leiterstücke aus beiden Lagen insbesondere mit Durchkontaktierungen zu Leiterwindungen vervollständigt werden, die den Magnetkern umgeben .

Der Magnetkern ist gemäß der Erfindung im wesentlichen innerhalb des Trägers angeordnet und deshalb nach außen geschützt und abgeschirmt. Die Wicklung kann sehr einfach durch Gestaltung der entsprechenden Leiterbahnen verschiedener Lagen in dem Träger gestaltet werden. Bedarfsweise können dabei die Windungen enger oder weiter voneinander entfernt angeordnet werden. Die Leiterstücke zu beiden Seiten des Magnetkerns werden dabei windungsweise jeweils durch entsprechende Durch- kontaktierungen senkrecht zu den Flachseiten des Trägers oder Leiterbahnen an den Außenseiten des Trägers miteinander ver-

bunden. Die Durchkontaktierungen können beispielsweise durch metallische Pins gebildet sein, die den Träger durchsetzen und mit den Leiterbahnen verlötet sind. Die entstehende Anordnung kann platzsparend in beliebigen Geräten eingesetzt werden und zeichnet sich durch hohe mechanische Widerstandsfähigkeit aus.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leiterstücke parallel zueinander und quer zur Längsachse des Magnetkerns mit einer geringen Neigung zur Längsachse hin verlaufen, um eine Windungssteigung zu erzielen.

Hierdurch lässt sich leicht eine besonders dichte Wicklung verwirklichen. Die Leiterbahnen auf einer der Seiten des Trä- gers können genau senkrecht zur Achse des Magnetkerns verlaufen. Die Durchkontaktierungen können dann den Träger senkrecht zu dessen die Leiterbahnen tragenden Oberflächen verlaufen.

Im Unterschied zum Stand der Technik und zur Umgehung der damit verbundenen und oben erläuterten Probleme ist es vorgesehen, dass die Ausnehmung eine Öffnung zu einer Schmalseite des Trägers hin aufweist, durch die der Magnetkern erst nach Fertigstellung des Trägers eingeschoben wird und in der Aus- nehmung beispielsweise durch Verklemmen, Verkleben oder Vergießen fixiert wird. Damit werden die Herstellprozesse für Träger und Kern vollständig voneinander getrennt und im Ergebnis trotzdem eine sichere Integration beider Elemente realisiert. Dieser Weg ist besonders für stabförmige Kerne ge- eignet und umgeht alle Einflüsse des Fertigungsprozesses des Trägers einschließlich der Leiterbahnen auf das Magnetmaterial des Kern.

Der Magnetkern kann dann entweder völlig in der Ausnehmung verschwinden oder aus der Öffnung herausragen. Wenn der Magnetkern aus der Öffnung herausragt, kann grundsätzlich auch das zweite Ende in einer Ausnehmung eines zweiten Trägers fi-

xiert und dort ebenfalls von einer Wicklung umgeben sein. Der Magnetkern kann auf diese Weise ein Verbindungsglied zwischen zwei Trägern mit jeweils separaten Leiterbahnen bilden.

Eine besonders günstiges Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, dass bei der Herstellung des Trägers mit den Leiterbahnen in wenigstens einer inneren Schicht die Ausnehmung zur Aufnahme des Magnetkerns vorgesehen wird. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass bei der Schichtung des Trägers eine einzelne Isolierschicht mit einem Ausschnitt, z.B. durch Ausstanzen, versehen wird, in die ein Magnetkern hineinpasst. Es können jedoch auch Ausnehmungen in mehreren aufeinanderfolgenden Lagen des Trägers vorgesehen sein.

Beim Laminieren der verschiedenen Schichten muss darauf geachtet werden, dass kein Kleber in die Ausnehmung gelangt, der das spätere Einführen des Kerns behindert. Dazu kann beispielsweise ein Metall- oder Kunststoffteil, z.B. Teflon, den Hohlraum als Platzhalter ausfüllen, der nach dem Laminierpro- zess entfernt (herausgezogen) wird. Ebenfalls kann in den fertiggestellten Träger durch eine mechanische Nachbearbeitung wie z. B Fräsen eine Ausnehmung eingebracht oder eine vorhandene gesäubert werden.

Die Erfindung kann auch dadurch ausgestaltet sein, dass der Träger bereits vor dem Einführen des Kerns elektrische Komponenten zur Beschaltung des induktiven Elements trägt. In diesem Fall ist der Integrationsgrad der Gesamtanordnung beson- ders hoch. Die elektrischen Komponenten können beispielsweise der Beschaltung des induktiven Elementes als Antenne (Sendeoder Empfangsantenne) oder Sensors, z.B. eines magnetischen Positionssensors dienen.

Eine besonders hohe mechanische Stabilität wird dadurch erreicht, dass der Magnetkern nach dem Einführen in den Träger eingeklebt, eingegossen oder mindestens an der Öffnung der

Ausnehmung versiegelt ist. Der Magnetkern kann in die Ausnehmung des Trägers auch eingeklemmt und dabei zum Einklemmen auch ein zusätzlicher elastischer Körper beigelegt sein.

Je nach den speziellen elektrischen, magnetischen und mechanischen Erfordernissen kann der Träger in seinen einzelnen isolierenden Lagen aus Kunststoff, Keramik oder einem Halbleiterelement bestehen. Die zwischen, über und unter diesen isolierenden Schichten liegenden Leiterbahnen können bei- spielsweise aus Kupfer oder Silber bestehen.

Zu den verwendeten Magnetkernen sei noch bemerkt, dass diese beispielsweise aus einem amorphen oder nanokristallinen Material auf einer Fe- oder Co-Basis bestehen können, welches mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellt wird. Dün- Schichten oder Stäbe von etwa 10 bis 30 μm Dicke werden gebündelt beziehungsweise geschichtet und zu Paketen zusammen- gefasst, die elastisch biegbar sind. Es ist auch die Verwendung von Ferritmaterialien möglich, jedoch weisen diese wegen ihrer Sprödigkeit eine nicht vergleichbare mechanische Stabilität auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt

Figur 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit außenliegenden

Leiterbahnen,

Figur 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit an den Innenwänden der Ausnehmung liegenden Leiterbahnen,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Anordnung mit zusätzlichen elektronischen Bauelementen,

Figur 4 eine Anordnung ähnlich der in Figur 3 mit zusätzlichen Befestigungselementen,

Figur 5 eine erfindungsgemäße Anordnung mit mehreren Trä- gern .

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Träger 1, der eine erste Lage 2 von Leiterbahnen auf seiner O- berseite trägt, sowie eine zweite Lage 3 von Leiterbahnen auf seiner Unterseite und dazwischen eine dritte Lage 4, die aus einem isolierenden Material besteht. Die erste Lage 2 kann für sich auch wieder unterteilt sein in eine leitende Folie und eine diese tragende isolierende Schicht. Ebenso kann die zweite Lage 3 aufgebaut sein. In die erste Lage 2 sind durch eines der bekannten industriellen Verfahren wie beispielsweise Drucken oder Ätzen von Leiterbahnen eine Vielzahl von Leiterstücken 5 eingebracht, die parallel zueinander verlaufen und gegenüber der Längsachse 6 des Trägers 1 nahezu senkrecht stehen, jedoch leicht zur Längsachse hin geneigt sind. Jedem dieser Leiterstücke 5 ist an jedem seiner Enden eine Durch- kontaktierung 7, 8 zugeordnet, die beispielsweise aus einem metallischen Pin besteht, der die erste, zweite und dritte Lage des Trägers durchsetzt und mit der Leiterbahn an deren Ende verlötet ist. Die Durchkontaktierungen gehen durch den Träger 1 hindurch bis zu der zweiten Lage 3, die ebenso aufgebaut ist wie die erste Lage 2 und die Durchkontaktierungen treffen dort ebenso auf Enden von Leiterstücken. Die Leiterstücke und Durchkontaktierungen sind so geformt und angeordnet, dass sie insgesamt einen in dem Träger 1 gebildeten Hohlraum 9, der als Ausnehmung ausgebildet ist, schraubenförmig oder spulenförmig umgeben. Ein Anfang der so entstehenden Spule ist am rechten Ende des Trägers 1 angeordnet, ein Ende am linken Ende des Trägers 1. Dort sind auch jeweils entsprechende Anschlüsse für die Spule gebildet. Die Leiterbahnen bestehen aus Kupfer oder Silber oder einem anderen passenden Leiter, ebenso wie die Pins.

In den Hohlraum 9 wird ein Magnetkern 10 aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere einem amorphen durch Rasch- erstarrungstechnologie hergestellten eisen- oder kobaltbasierten Material eingeführt.

Vorteilhaft ist der Magnetkern so aufgebaut, dass er magnetstriktionsarm ist. Er besteht beispielsweise aus einem Stapel von sehr dünnen (10 bis 30 μm) und ca. 1 bis 20 mm breiten, vorzugsweise 5 bis 15 mm breiten Streifen. Durch diese bündel- oder stapelartige Zusammensetzung des Magnetkerns wird dieser flexibel und mechanisch sehr widerstandsfähig. Der Magnetkern kann für sich nach der Bündelung auch zu einem stabilen Körper mittels eines Gießharzes vergossen sein.

Der Magnetkörper kann außen mit dem Träger 1 abschließen, er kann jedoch auch soweit in die Ausnehmung 9 eingeschoben sein, dass seine Stirnfläche hinter der Randkontur des Trägers 1 zurückbleibt, so dass der Träger 1 insgesamt unter Auffüllung des verbleibenden Hohlraumes mit. dem Magnetkern vergossen werden kann.

Es entsteht eine Spule mit einem Magnetkern, die eine kleine Bauform bei hoher Induktivität aufweist und mit geringem Auf- wand herzustellen ist.

Die Figur 2 zeigt einen ähnlichen Träger wie die Figur 1, jedoch sind dort die erste Lage 2 und die zweite Lage 3 quasi umgedreht, so dass ihre Leiterbahnen nach innen zu dem Hohl- räum 9 zeigen. Der Träger weist an seinen Außenseiten jeweils isolierende Schichten auf, die die Leiterbahnen nach außen schützen. Ansonsten sind die Durchkontaktierungen 7, 8 ebenso gestaltet wie gemäß der Figur 1 und es ergibt sich ebenso eine den Hohlraum 9 umgebende Leiterspule. Wird ein entspre- chender Magnetkern in die Ausnehmung 9 hineingeschoben, so entsteht das erfindungsgemäße induktive Bauelement. Dabei kann es sinnvoll sein, zusätzlich eine Deckschicht über den

Leiterbahnen im Inneren der Ausnehmung 9 vorzusehen, um eine Beschädigung der Leiterstücke 5 beim Einschieben des Magnetkerns oder allgemein zu vermeiden. Die Deckschicht kann beispielsweise durch eine Folie oder durch eine Lackierung ver- wirklicht sein.

Figur 3 zeigt einen Träger wie in Figur 2 gezeigt, wobei die erste Lage 2 wegen der vorhandenen Leiterbahnen und der Möglichkeit, weitere Leiterbahnen vorzusehen, zusätzlich dazu genutzt ist, elektronische Bauelemente 11, 12 dort vorzusehen und zu kontaktieren. Dies sind vorzugsweise die Bauelemente, die für eine Ansteuerschaltung des induktiven Bauelementes insbesondere als Antenne benötigt werden. Dadurch ergibt sich ein Sende- oder Empfangsmodul, das hochintegriert und platz- sparend sowie einfach herzustellen ist.

Der erfindungsgemäße Träger kann dabei vollständig mit industriellen Methoden wie automatischer Bestückung von Leiterplatten hergestellt werden. Die Bauelemente 11, 12 können beispielsweise in SMD-Technik aufgebracht sein. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit des späteren Einschiebens des Magnetkerns werden Einflüsse des Lötprozesses (z.B. Temperaturen > 200 ⁰ C) auf den Magnetkern ausgeschlossen.

Die Figur 4 zeigt zusätzlich zu dem in Figur 3 Gezeigten eine Verbreiterung 13 des Trägers 1, in die Bohrungen 14, 15 zur Befestigung des Trägers an einem Gehäuse oder einer weiteren Leiterplatte angebracht sind.

Figur 5 zeigt zwei Träger 1, 1', von denen jeder eine Ausnehmung für einen Magnetkern aufweist sowie einen langen Magnetkern 16, der, wie dargestellt, sehr biegsam ist und mit seinen Enden 17, 18 jeweils in eine Ausnehmung eines der Träger 1, 1' hineinragt. Damit kann bei Anwendungen, die relativ lange Magnetkerne erfordern, die entsprechende Elektronik, die im Zusammenhang mit der Verwendung des Magnetkerns notwendig ist, platzsparend in den Aufbau mit integriert sein

und die gesamte Anordnung kann leicht an verschiedene Einbauverhältnisse angepasst werden, beispielsweise zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, wo die Gesamtanordnung leicht durch Biegen an einen zur Verfügung stehenden Hohlraum angepasst werden kann. Die beiden voneinander beabstandeten, so an den Enden des Trägers gebildeten Spulen können separat genutzt, aber auch mittels einer Leitung miteinander verbunden werden.