Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung und Verfahren zur Herstellung des Schaltungsträgers

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung mit einer Spule, wobei die Spule insbesondere als Induktivität eines Hochfrequenzfilters zur Anwendung kommt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Schaltungsträgers.

Stand der Technik

Aus der DE 101 39707 A1 ist ein Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung mit einer Spule und einem Kern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Durch eine Integration der Spulenwicklungen in den Schaltungsträger kann eine besonders kleine Baugröße des Schaltungsträgers erzielt werden. Die in den Schaltungsträger integrierte Spule kann als Induktivität für Filterelemente oder als elektronische Drossel zur Reduzierung von elektromagnetischen Interferenzen zum Beispiel in Leistungswandlern Verwendung finden. Durch die kleine Baugröße der Spule und eine üblicherweise geringe Induktivität ist die Spule besonders für hochfrequente Anwendungen geeignet.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Schaltungsträger für eine elektronische Schaltung mit einer Spule und einem Kern mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein Magnetfeld innerhalb der Spule und damit der Spulenstrom messbar ist, um auf eine korrekte Funktionalität der elektrischen Schaltung zu schließen. Hierzu schlägt es die Lehre der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form vor, dass ein Magnetfeldsensor innerhalb einem Wickelfenster der Spule angeordnet ist.

Dabei hat die Erfindung erkannt, dass ein Magnetfeldsensor innerhalb der Spule platzsparend angeordnet werden kann, wenn der Kern die Spule in dem Wickelfenster, das den Bereich innerhalb der Wicklungen der Spule definiert, nicht durchsetzt. Der Magnetfeldsensor kann den Strom durch die Spule messen und den Schaltungsträger mit einer zusätzlichen Funktion ausstatten. Der erfindungsgemäße Schaltungsträger kann deshalb nicht nur als elektronische Drossel elektromagnetische Interferenzen verhindern, sondern zusätzlich zum Beispiel einen Kurzschluss innerhalb der elektronischen Schaltung durch eine Überstromerkennung identifizieren. Außerdem kann der Schaltungsträger mit dem Magnetfeldsensor zum Beispiel in einem Dreiphasensinusfilter zur Phasenstrommessung integriert und somit zu einer Motorregelung verwendet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Hinsichtlich der konkreten Ausführung des Schaltungsträgers gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen nachfolgend einige bevorzugt vorgesehene Varianten genannt werden: So weist der Kern zwei plattenförmige Kernelemente auf, die mit einer Oberseite und einer Unterseite des Schaltungsträgers im Bereich des Wckelfensters verbunden sind, insbesondere mittels einer stoffschlüssigen Verbindung. Plattenförmige Kernelemente sind in einem automatisierten Herstellungsverfahren besonders einfach montierbar.

In einer Weiterbildung weisen die plattenförmigen Kernelemente metallisierte Oberflächen auf und sind mit dem Schaltungsträger verlötet. Alternativ kann das Kernelement verklebt sein, jedoch ist ein Lötprozess besonders für eine automatisierte Montage bevorzugt einsetzbar.

Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise mittig in dem Wckelfenster angeordnet und bevorzugt mit einem aushärtbaren Material mit dem Schaltungsträger verbunden. Dabei kann das aushärtbare Material ein Epoxydharz sein, das ebenfalls die Struktur des Schaltungsträgers ausbildet.

Der Magnetfeldsensor kann bevorzugt als Hallsensor ausgebildet sein.

Weiterhin können die Wicklungen der Spule als planare elektrisch leitende Metallbahnen schichtweise zwischen Isolierschichten angeordnet und mittels Kontaktbereichen elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Insbesondere sind planare Metallbahnen automatisiert und in hoher Stückzahl photolithographisch auf einer Trägerfolie herstellbar, wobei die Trägerfolie gleichzeitig die Isolierschicht ausbilden kann. Als elektrisch leitende Metallbahnen sind bevorzugt Kupferbahnen vorgesehen. Die Isolierschicht weist bevorzugt in Kontaktbereichen für die elektrische Kontaktierung der Metallbahnen Löcher auf, die bevorzugt mittels eines Laserbohrprozesses eingebracht werden.

Weiterhin ist bevorzugt, dass das von der Spule ausgebildete Magnetfeld im Bereich des Magnetfeldsensors homogen ist, also das Magnetfeld eine gleiche Richtung und annähernd gleiche Feldstärke aufweist. Insbesondere in diesem homogenen Magnetfeld korreliert die Intensität des Magnetfeldes mit dem Spulenstrom. Um Streueffekte zu reduzieren und Einflüsse von äußeren Magnetfeldern zu vermeiden, ist der Kern bevorzugt so angeordnet und ausgestaltet, dass das Wickelfenster der Spule zumindest teilweise abgedeckt ist.

Innerhalb des Schaltungsträgers oder auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite des Schaltungsträgers können zusätzliche Bauteile angeordnet sein. Besonders durch die platzsparende Integration der Spule und des Magnetfeldsensors weist die Oberfläche des Schaltungsträgers zusätzlich nutzbaren Bauraum auf.

Alternativ oder ergänzend ist der Schaltungsträger stoffschlüssig mit einem bevorzugt größeren und einschichtigen zusätzlichen Schaltungsträger verbindbar. Der Schaltungsträger mit integrierter Spule und Magnetfeldsensor kann dann als ein so genanntes surface mounted device (SMD) zum Beispiel in die elektronische Schaltung eines Steuergerätes integriert und mit ähnlich großen weiteren elektronischen Bauteilen verbunden sein.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltungsträgers, wobei die schichtweise übereinander angeordneten Wicklungen zuerst in dem Schaltungsträger integriert werden, der Magnetfeldsensor innerhalb der Wicklung in einem Wickelfenster positioniert wird und anschließend ein Kern so angeordnet wird, dass das Wickelfenster der Spule abgedeckt wird.

In dem Verfahren werden bevorzugt planare elektrisch leitende Metallbahnen mit einem Photolithographieprozess strukturiert und Isolierschichten, die auch als Trägerfolie für die Metallbahnen dienen, werden entsprechend dem Wickelfenster der Spule zugeschnitten und anschließend schichtweise in einem Laminierherstellungsverfahren des Schaltungsträgers integriert. Die elektrischen Kontakte zu den in dem Schaltungsträger integrierten Wicklungen und dem Magnetfeldsensor können mittels eines Laserbohrprozesses freigelegt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a zeigt eine perspektivische Darstellung eines Querschnitts des Schaltungsträgers mit schichtweise übereinander angeordneten Wicklungen, einem Magnetfeldsensor innerhalb der Spulenwicklung und zwei plattenförmigen Kernelementen,

Fig. 1b eine Ansicht des Querschnitts des Schaltungsträgers gemäß der Fig. 1a,

Fig. 1c eine Draufsicht des Schaltungsträgers gemäß der Fig. 1a,

Fig. 2a bis

Fig. 2c eine Draufsicht der einzelnen Wicklungen gemäß der Fig. 1a mit elektrischen Kontaktpunkten,

Fig. 3 eine Ansicht des Querschnitts des Schaltungsträgers gemäß der

Fig. 1b mit Pfeilen zur Kennzeichnung der Richtung und der Feldstärke eines Magnetfeldes und

Fig. 4 eine Ansicht des Schaltungsträgers gemäß der Fig. 1b, der mit einem größeren zusätzlichen Schaltungsträger verbunden ist.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente beziehungsweise Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In den Fig. 1a bis Fig. 1c ist ein Schaltungsträger 100 mit einer Spule 10 mit schichtweisen Wcklungen 12 und einem Kern 14 dargestellt, wobei ein Magnetfeldsensor 16 innerhalb der Spule 10 in einem Wckelfenster 18 angeordnet ist. Der Kern 14 ist außerhalb des Wckelfensters 18 der Spule 10 angeordnet. Bevorzugt ist der Kern 14 auf einer Oberseite 22 und einer Unterseite 24 des Schaltungsträger 100 angeordnet. Mit dieser bevorzugten Anordnung sind keine Bohrungen oder Aussparungen in dem Schaltungsträger 100 notwendig, sodass die Herstellung des Schaltungsträgers 100 und die Montage des Kerns 14 besonders einfach ausführbar ist.

Der Kern 14 der Spule 10 weist zwei plattenförmige Kernelemente 20 auf, die im Bereich des Wckelfensters 18 mit dem Schaltungsträger 100 verbunden sind, insbesondere mittels einer stoffschlüssigen Verbindung. Die Kernelemente 20 sind bevorzugt so dimensioniert und angeordnet, dass das Wickelfenster 18 zumindest teilweise abgedeckt ist. So können die Kernelemente 20 ein Magnetfeld 36 (Fig. 3) innerhalb der Spule 10 vor äußeren Magnetfeldern abschirmen und Streueffekte können vermieden werden. Des Weiteren sind die Kernelemente 20 so dimensioniert, dass ein magnetischer Fluss außerhalb des Wickelfensters 18 und den Wicklungen 12 gewährleistet ist. Vorzugsweise sind die Kernelemente 20 als Ferritkerne oder aus einem gepressten Ferrit/Kunststoff- Gemisch hergestellt.

Für die stoffschlüssige Verbindung weisen die plattenförmigen Kernelemente 20 metallisierte Oberflächen 26 auf, an denen die plattenförmigen Kernelemente 20 mit dem Schaltungsträger 100 verlötet sind. Bevorzugt sind die zwei metallisierten Oberflächen 26 an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten der plattenförmigen Kernelemente 20 ausgeführt. Alternativ können die Kernelemente 20 auch auf den Schaltungsträger 100 geklebt werden.

Der Magnetfeldsensor 16, zum Beispiel ein Hallsensor, ist bevorzugt mittig in dem Wckelfenster 18 angeordnet, da dort von einem besonders homogenen Magnetfeld 36 (Fig. 3) auszugehen ist, und mit einem aushärtbaren Material mit dem Schaltungsträger 100 verbunden. Das aushärtbare Material kann ein Epoxidharz sein, das auch den gesamten Schaltungsträger 100 ausbilden kann. Für die elektrische Kontaktierung ist der Magnetfeldsensor 16 mit bevorzugt fünf nicht dargestellten elektrischen Kontakten oder Leiterbahnen auf der Oberseite 22 und/oder der Unterseite 24 des Schaltungsträgers 100 verbunden.

Beispielhaft sind in den Fig. 2a bis Fig. 2c drei Wcklungen 12 als jeweils planare elektrisch leitende Metallbahnen 28a, 28b, 28c im Detail dargestellt. Die Metallbahnen 28a, 28b, 28c sind jeweils auf einer Isolierschicht 32 aufgebracht, die jeweils an der Kontaktstelle 30a eine Bohrung für die elektrische Verbindung zu der Kontaktstelle 30b der jeweils nächsten Metallbahn 28a, 28b, 28c aufweist. Des Weiteren ist die Isolierschicht 32 so zugeschnitten, dass das Wickelfenster 18 für die Anordnung des Magnetfeldsensors 16 freigelegt ist.

Für die elektrische Kontaktierung ist die Wicklung 12 mit bevorzugt zwei hier nicht dargestellten elektrischen Kontakten oder Leiterbahnen auf der Oberseite 22 und/oder der Unterseite 24 des Schaltungsträgers 100 verbunden.

Die Metallbahnen 28a, 28b, 28c können zum Beispiel aus Kupfer hergestellt sein und mittels eines photolithographischen Prozesses strukturiert sein. Die Bohrungen an den Kontaktstellen 30a können mittels eines Laserbohrprozesses ausgeführt sein.

In der Fig. 3 sind beispielhaft die Richtung und die Feldstärke des Magnetfeldes 36 im Bereich der Spule 10 mit Pfeilen 34 dargestellt. Insbesondere innerhalb des Wickelfensters 18 kann ein homogenes Magnetfeld 36 mit gleicher Richtung und annähernd gleicher Feldstärke ausgebildet sein. Das Magnetfeld 36 außerhalb des Wckelfensters 18 zeigt teilweise sich ändernde Beträge und Richtungen. Damit das gemessene Magnetfeld 36 mit dem Spulenstrom korreliert, ist der Magnetfeldsensor 16 bevorzugt innerhalb des Wckelfensters 18 im Bereich des homogenen Magnetfelds 36 angeordnet.

Zusätzlich zu den plattenförmigen Kernelementen 20 können weitere elektronische Elemente auf der Oberseite 22 und/oder der Unterseite 24 des Schaltungsträgers 100 angeordnet sein. Des Weiteren können zusätzliche Bauteile, zum Beispiel kapazitive Bauteile, innerhalb des Schaltungsträgers 100 integriert sein.

Alternativ oder zusätzlich kann der gesamte Schaltungsträger 100 als elektrisches Bauteil angesehen werden, das bevorzugt mittels Lötverbindungen 38 als surface mounted device (SMD) auf einem bevorzugt einschichtigen zusätzlichen Schaltungsträger 40 aufgebracht ist. Der einschichtige zusätzliche Schaltungsträger 40 oder ein zusätzlicher Schaltungsträger 40 mit wenigen Schichten oder ein zusätzlicher Schaltungsträger 40 ohne integrierte Bauteile ist im Vergleich zu dem mehrschichtigen Schaltungsträger 100 kostengünstig herstellbar. Deshalb bietet es sich an, dass bei größeren elektrischen Schaltungen, zum Beispiel für Steuergeräte, der gesamte Schaltungsträger 100 selbst als elektrisches Bauteil mit dem größeren zusätzlichen Schaltungsträger 40 verbunden ist. Dabei hat der Schaltungsträger 100 eine bevorzugte Breite von 15mm bis 25mm und eine bevorzugte Länge von 25mm bis 35mm.

Der soweit beschriebene Schaltungsträger 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt oder modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es zum Beispiel denkbar, dass ein spiralförmiger Draht die Wicklungen 12 ausbildet. Des Weiteren können kapazitive Elemente zusätzlich im Bereich der Spule 10 integriert sein.