Magnetkern, induktives Bauteil und Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern für ein induktives Bauteil, hergestellt in Dünnschichttechnik. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns in Dünnschichttechnik.

Aus der internationalen Patentveröffentlichung WO 2013/072135 A1 ist ein induktives Bauteil, hergestellt in Dünnschichttechnik, bekannt, das einen Magnetkern in Ringform und zwei Spuleneinrichtungen enthält. Der Magnetkern wird mittels Dünnschichttechnik aus einem einzigen, magnetischen Material hergestellt.

Aus der japanischen Patentzusammenfassung JP 2010-278322 A ist ein Magnetkern in Form eines geschlitzten Kreisrings bekannt, der einen inneren Kern und einen äußeren Kern aufweist. Der äußere Kern weist mehrere Schichten aus einem amorphen magnetischen Material, einem Isolierfilm und einer Isolationsschicht zwischen dem amorphen magnetischen Material und dem Isolierfilm auf. Der innere magnetische Kern ist aus mehreren Schichten des amorphen magnetischen Materials und Isolierfilm aufgebaut. Die einzelnen Schichten des amorphen magnetischen Materials sind sowohl im inneren Kern als auch im äußeren Kern stets durch eine Schicht des Isolierfilms voneinander getrennt.

Mit der Erfindung soll ein Magnetkern für ein induktives Bauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns mittels Dünnschichttechnik verbessert werden.

Erfindungsgemäß ist hierzu ein Magnetkern für ein induktives Bauteil, hergestellt in Dünnschichttechnik, vorgesehen, bei dem der Magnetkern aus wenigstens zwei verschiedenen magnetischen Materialien besteht.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung wenigstens zweier unterschiedlicher magnetischer Materialien bei der Herstellung eines Magnetkerns in Dünnschichttechnik sich das Sättigungsverhalten des Magnetkerns verbessern lässt. Vor allem ist es möglich, das Sättigungsverhalten des Magnetkerns gezielt zu beeinflussen, so dass es optimal auf die vorgesehene Anwendung eingestellt werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung wechseln sich über die Länge des Magnetkerns gesehen die verschiedenen magnetischen Materialien ab. Der Magnetkern besteht über seinen Umfang gesehen somit aus mehreren Abschnitten, die aus unterschiedlichen magnetischen Materialien bestehen.

In Weiterbildung der Erfindung nehmen die verschiedenen magnetischen Materialien jeweils den vollständigen Querschnitt des Magnetkerns ein.

Die verschiedenen Abschnitte des Magnetkerns bestehen somit vollständig aus einem einzigen magnetischen Material und sind, bildlich gesprochen, hintereinandergesetzt, um dann den vollständigen Magnetkern zu bilden.

In Weiterbildung der Erfindung erstrecken sich die verschiedenen magnetischen Materialien jeweils über die gesamte Länge des Magnetkerns.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind nicht in Längsrichtung des Magnetkerns, sondern in Querrichtung gesehen mehrere Abschnitte aus unterschiedlichem magnetischen Material vorgesehen. Beispielsweise sind mehrere Schichten aus unterschiedlichen magnetischen Materialien aufeinandergelegt, um den vollständigen Magnetkern zu bilden.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein Querschnitt des Magnetkerns aus verschiedenen magnetischen Materialien gebildet.

In Weiterbildung der Erfindung bildet der Magnetkern einen geschlossenen Ring, wobei der Ring eine kreisrunde, ovale, elliptische, quadratische oder rechteckige Form hat.

Eine quadratische oder rechteckige Form kann dabei spitze oder auch abgerundete Ecken aufweisen. Die Form des Magnetkerns beeinflusst die Induktivität des fertiggestellten induktiven Bauteils und kann somit entsprechend dem vorgesehenen Anwendungszweck gewählt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Magnetkern mittels wenigstens eines äußeren Rings aus einem ersten magnetischen Material und eines inneren Rings aus einem zweiten magnetischen Material gebildet.

Auf diese Weise kann das gewünschte Sättigungsverhalten des Magnetkerns eingestellt werden, beispielsweise durch die Dicke des äußeren und des inneren Rings sowie auch die Auswahl des ersten magnetischen Materials und des zweiten magnetischen Materials. In Weiterbildung der Erfindung sind die verschiedenen magnetischen Materialien aus den Materialien Ni, NiFe, CoFe, CoP und CoZrTi ausgewählt.

Diese Materialien haben sich bei der Herstellung von Magnetkernen in Dünnschichttechnik bewährt und weisen unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf, so dass gemäß der Erfindung ein gewünschtes Sättigungsverhalten des Magnetkerns eingestellt werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine den Magnetkern abschnittsweise umgebende Spule mittels Dünnschichttechnik hergestellt.

Auf diese Weise kann nicht nur der Magnetkern, sondern das vollständige induktive Bauteil mittels Dünnschichttechnik hergestellt werden.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns gelöst, bei dem das Auftragen eines ersten magnetischen Materials mittels Dünnschichttechnik auf ein Substrat und das Auftragen eines zweiten magnetischen Materials mittels Dünnschichttechnik auf das Substrat vorgesehen sind, wobei das erste magnetische Material wenigstens abschnittsweise unmittelbar an das zweite magnetische Material angrenzt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Magnetkern in Dünnschichttechnik hergestellt werden und gleichzeitig können die gewünschten Eigenschaften des Magnetkerns, speziell dessen Sättigungsverhalten, durch Auswahl unterschiedlicher magnetischer Materialien sowie auch der Abmessungen der Abschnitte des Magnetkerns aus den unterschiedlichen Materialien eingestellt werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird das erste magnetische Material in Form eines ersten geschlossenen Rings auf das Substrat aufgetragen und das zweite Material wird in Form eines zweiten geschlossenen Rings auf das Substrat aufgetragen, wobei der zweite geschlossene Ring mit einer Seite unmittelbar an den ersten geschlossenen Ring angrenzt.

Über den Querschnitt des Magnetkerns gesehen wechseln sich damit das erste und das zweite Material ab. Aus jedem der beiden unterschiedlichen magnetischen Materialien ist aber ein vollständiger Ring gebildet, wobei die Ringe wenigstens mit einer Seite unmittelbar aneinander anliegen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Auftragen eines Abschnitts einer Spulenwicklung in Dünnschichttechnik auf das Substrat vorgesehen, nachfolgend ist das Auftragen des ersten und des zweiten Materials zum Bilden des Magnetkerns vorgesehen und weiter nachfolgend ist dann das Auftragen weiterer Abschnitte der Spulenwicklung vorgesehen, so dass die fertiggestellte Spulenwicklung den Magnetkern abschnittsweise umgibt.

Auf diese Weise kann das vollständige induktive Bauteil einschließlich Magnetkern und Spulen mittels Dünnschichttechnik hergestellt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, dargestellten Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Magnetkerns gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm einer normierten Induktivität einer Spule mit dem Magnetkern der

Fig. 1 über der Stromaufnahme,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Magnetkerns gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm der normierten Induktivität einer Spule mit dem Magnetkern der

Fig. 3 über der Stromaufnahme,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte bei der Herstellung des

Magnetkerns der Fig. 1 und

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung des Magnetkerns der Fig. 3.

Die Darstellung der Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Magnetkern 10, der in Dünnschichttechnik auf einem nicht dargestellten Substrat hergestellt wurde. Der Magnetkern 10 weist eine Ringform auf. Speziell weist der Magnetkern 10 die Form eines rechteckigen Rings mit abgerundeten Ecken auf. Der Magnetkern 10 besteht aus insgesamt vier Abschnitten 12, 14, 16 und 18. Die Abschnitte 12, 14, 16, 18 bilden, in Umfangsrichtung oder Längsrichtung des Magnetkerns 10 gesehen, jeweils einen Abschnitt der Länge des Magnetkerns. Mit ihren Enden liegen die Abschnitte 12, 14, 16, 18 unmittelbar aneinander an. Die Abschnitte 12, 14, 16, 18 bilden somit einen durchgehenden, nicht unterbrochenen Ring.

Die beiden Abschnitte 12, 16 bestehen dabei aus einem ersten magnetischen Material, beispielsweise Nickel-Eisen (NiFe). Dabei kann Nickel-Eisen in verschiedenen Legierungen eingesetzt werden, beispielsweise NiFe 81/19, NiFe 45/55 usw. Die Abschnitte 14, 18 bestehen dahingegen aus einem zweiten magnetischen Material mit anderen magnetischen Eigenschaften. Hier kann beispielsweise Kobalt-Eisen (CoFe) oder auch andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise ist auch die Verwendung von Nickel-Eisen sowohl in den Abschnitten 12, 16 als auch in den Abschnitten 14, 18 möglich, wobei dann unterschiedliche Legierungen verwendet werden, beispielsweise NiFe 81/19 in den Abschnitten 12, 16 und NiFe 45/55 in den Abschnitten 14, 18. Die unterschiedlichen magnetischen Materialien für die Abschnitte 12, 14, 16, 18 können beispielsweise aus der Gruppe mit den Materialien Nickel (Ni), Nickel-Eisen (NiFe), Kobalt-Eisen (CoFe), Kobalt-Phosphor (CoP), Kobalt-Zirkonium-Titan (CoZrTi) ausgewählt werden.

Die Kombination zweier unterschiedlicher magnetischer Materialien in dem Magnetkern 10 erlaubt es, die Sättigung des Magnetkerns 10 auf einen gewünschten Verlauf einzustellen.

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Diagramm, in dem die Induktivität L als Funktion des Stroms I aufgetragen ist. Die Induktivität L ist dabei normiert aufgetragen, um unabhängig von der den Magnetkern umgebenden Spule einen typischen Verlauf aufzuzeigen. In gestrichelten Linien ist in Fig. 1 dabei zum Vergleich die Induktivität L eines Magnetkerns mit den Abmessungen der Fig. 1 dargestellt, wobei dieser Magnetkern dann ausschließlich aus dem Material NiFe besteht. In gepunkteten Linien ist dann die Induktivität L des Magnetkerns 10 der Fig. 1 aufgetragen, wobei dann die Abschnitte 12, 16 aus NiFe und die Abschnitte 14, 18 aus CoFe bestehen. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, weist der Magnetkern der Fig. 1 durchgängig eine höhere Sättigung auf. Dies wird durch die Kombination der aus unterschiedlichen magnetischen Materialien bestehenden Abschnitte 12, 14, 16, 18 erzielt, die dann gemeinsam den segmentierten Magnetkern 10 bilden.

Durch Aufteilen des Magnetkerns 10 in Abschnitte 12, 14, 16, 18 aus unterschiedlichen Materialien lässt sich dadurch ein verbessertes Sättigungsverhalten erzielen. Die gewünschten Eigenschaften können dabei durch die geometrischen Abmessungen der Abschnitte 12, 14, 16, 18 sowie auch durch die Auswahl der magnetischen Materialien eingestellt werden. Die Darstellung der Fig. 3 zeigt einen Magnetkern 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Magnetkern 20 weist, wie der Magnetkern 10 der Fig. 1 , die Form eines rechteckformigen Rings mit abgerundeten Ecken auf. Im Unterschied zum Magnetkern 10 der Fig. 1 besteht der Magnetkern 20 aus einem inneren Ring 22 aus einem ersten magnetischen Material und einem äußeren Ring 24 aus einem zweiten magnetischen Material. Der innere Ring 22 grenzt dabei mit seiner Außenseite unmittelbar an die Innenseite des äußeren Rings 24. Auch bei dem Magnetkern 20 sind somit Abschnitte aus unterschiedlichen magnetischen Materialien miteinander kombiniert, wobei sich die Abschnitte, nämlich die beiden Ringe 22, 24, jeweils über die vollständige Länge des Magnetkerns 20 erstrecken. Beispielsweise ist der innere Ring 22 aus Nickel-Eisen (NiFe) hergestellt, der äußere Ring 24 dahingegen aus Kobalt- Eisen (CoFe).

Die Darstellung der Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die normierte Induktivität L des Magnetkerns 20 der Fig. 3 über der Stromaufnahme aufgetragen wurde. Die gestrichelte Linie stellt die Induktivität eines Magnetkerns dar, der ausschließlich aus Nickel-Eisen besteht. Im Vergleich hierzu ist mit einer gepunkteten Linie die Induktivität des Magnetkerns 20 der Fig. 3 aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass der Magnetkern 20 der Fig. 3 ein erheblich verbessertes Sättigungsverhalten aufweist. Dies wird durch die Kombination der unterschiedlichen magnetischen Materialien im inneren Ring 22 und im äußeren Ring 24 erreicht. Das Sättigungsverhalten des Magnetkerns 20 lässt sich durch die geometrischen Abmessungen des inneren Rings 22 bzw. des äußeren Rings 24 sowie auch die Auswahl der magnetischen Materialien für den inneren Ring 22 und den äußeren Ring 24 auf den vorgesehenen Anwendungsfall abstimmen.

Die Darstellung der Fig. 5 zeigt schematisch Verfahrensschritte zur Herstellung eines induktiven Bauteils mit dem Magnetkern 10 der Fig. 1 in Dünnschichttechnik oder Dünnfilmtechnik.

Ausgehend von einem Substrat 30 beginnt der Herstellungsprozess des Magnetkerns. Das Substrat 30 enthält dabei bereits Abschnitte 32 einer Spulenwicklung, die ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellt wird. Das Substrat 30 enthält damit bereits die untere Spulenlage 32 und der noch herzustellende magnetische Kern befindet sich dann zwischen der unteren Spulenlage 32 und einer oberen, nicht dargestellten Spulenlage.

Im Schritt A wird auf das Substrat 30 eine metallische Startschicht 32 aufgetragen. Im Substrat 30 ist, wie auch bei den nachfolgenden Verfahrensschritten, der Übersichtlichkeit halber die untere Spulenlage 23 nicht mehr eingezeichnet. Die metallische Startschicht 32 wird beispielsweise durch Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht. Als Startschicht können Nickel (Ni), Titan (Ti), Tantal (Ta), Nickel-Eisen (NiFe) oder Kupfer (Cu) verwendet werden. Im Schritt B wird eine Photoresist-Maskierung 34 durchgeführt, wobei die Photoresist- Maskierung 34 dann die Form für die nachfolgende galvanische Abscheidung eines ersten magnetischen Materials bildet.

Im Schritt C wird die galvanische Abscheidung des ersten magnetischen Materials 36 vorgenommen und die zugehörige Abbildung zeigt den Zustand nach beendeter Abscheidung. Das erste magnetische Material 36 füllt nun die Zwischenräume zwischen der Photoresist- Maskierung 34 auf. Bezogen auf die Fig. 1 werden durch das erste magnetische Material 36 nun die Abschnitte 12, 16 des Magnetkerns 10 gebildet. Das erste magnetische Material ist bei der dargestellten Ausführungsform Nickel-Eisen (NiFe).

Im Schritt D wird die Photoresist-Maskierung 34 entfernt, so dass auf der metallischen Startschicht 32 nun nur noch das erste magnetische Material 36 in Form der Abschnitte 12, 16, siehe Fig. 1 , angeordnet ist.

Im Herstellungsschritt E wird eine zweite Photoresist-Maskierung 38 aufgetragen, die dann eine Form für das Auftragen des zweiten magnetischen Materials bildet. Bezogen auf die Fig. 1 lässt die zweite Photoresist-Maskierung 38 lediglich die Abschnitte 14, 18 frei, die dann mit dem zweiten magnetischen Material gefüllt werden sollen.

Im Herstellungsschritt F wird dann das zweite magnetische Material 40 abgeschieden, das dann unmittelbar an das erste magnetische Material 36 angrenzt. Bezogen auf die Fig. 1 sind nun die beiden Abschnitte 12, 14 aus dem ersten magnetischen Material 36 durch die beiden Abschnitten 14, 18 aus dem zweiten magnetischen Material 40 miteinander verbunden. Das zweite magnetische Material ist bei der dargestellten Ausführungsform Kobalt-Eisen.

In einem Herstellungsschritt G wird die zweite Photoresist-Markierung 38 entfernt. Auf der metallischen Startschicht 32 ist nun der Magnetkern 10 angeordnet, wobei, wie ausgeführt wurde, die Abschnitte 12, 16 aus dem ersten magnetischen Material 36 und die Abschnitte 14, 18 aus dem zweiten magnetischen Material 40 gebildet sind.

Im Verfahrensschritt H wird die Startschicht 32 in den Bereichen entfernt, in denen sie nicht durch den Magnetkern 10 bedeckt ist. Die Startschicht 32 wird dabei entweder durch Plasmaätzen, lonenstrahlätzen oder auch durch ein nasschemisches Verfahren mit Säure entfernt.

Nach dem Verfahrensschritt H befindet sich auf dem Substrat 30 somit der fertiggestellte Magnetkern 10. In weiteren Verfahrensschritten kann nun das induktive Bauteil vollständig herge- stellt werden, indem die untere Spulenlage 32 mit einer oberen Spulenlage und seitlichen Spulenabschnitten kombiniert wird.

Die Darstellung der Fig. 6 zeigt schematisch mehrere Herstellungsschritte des Magnetkerns 20 der Fig. 3.

Das Substrat 30 enthält wieder eine untere Spulenlage 32, die dann nach Herstellung des Magnetkerns 20 mit seitlichen Spulenabschnitten und einer oberen Spulenlage zu einer vollständigen, den Magnetkern 20 abschnittsweise umgebenden Spule vervollständigt wird.

Im Herstellungsschritt A erfolgt das Aufbringen der metallischen Startschicht 32.

Im Herstellungsschritt B wird eine erste Photoresist-Maskierung 34 aufgetragen, wobei die erste Photoresist-Maskierung 34 in diesem Fall die Form für den inneren Ring 22 des Magnetkerns 20 der Fig. 3 bildet. In der zum Herstellungsschritt B gehörenden Darstellung sowie auch in den nachfolgenden Darstellungen ist die untere Spulenlage 32 der Übersichtlichkeit halber nicht mehr dargestellt.

Im Herstellungsschritt C wird dann das erste magnetische Material 36 galvanisch abgeschieden, das dann, siehe Fig. 3, den inneren Ring 22 bildet.

Im Herstellungsschritt D wird die erste Photoresist-Maskierung 34 entfernt.

Im Herstellungsschritt E wird die zweite Photoresist-Maskierung 38 aufgetragen, die dann die Form für den äußeren Ring 24 des Magnetkerns 20 der Fig. 3 bildet.

Im Herstellungsschritt F wird das zweite magnetische Material 40 abgeschieden, das dann unmittelbar an das erste magnetische Material 36 angrenzt und dann den äußeren Ring 24 des Magnetkerns 20 der Fig. 3 bildet. Es ist dabei festzustellen, dass die Darstellungen der Fig. 6 schematisch sind und lediglich ein Schnitt durch den Magnetkern 20 dargestellt ist, um die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte zu verdeutlichen.

Im Verfahrensschritt G wird die zweite Photoresist-Maskierung 38 entfernt.

Im Verfahrensschritt H wird dann die metallische Startschicht 33 in den Bereichen entfernt, in denen sie nicht durch das erste magnetische Material 36 oder das zweite magnetische Material 40 abgedeckt ist. Auf dem Substrat 30 ist somit nur noch der magnetische Kern 20, siehe Fig. 3, angeordnet. Die untere Spulenlage 32 kann nun in den nachfolgenden Verfahrensschritten zu einer, den Magnetkern 20 abschnittsweise umgebenden Spule vervollständigt werden.

Die Erfindung findet für mikrotechnische induktive Bauteile Anwendung, beispielsweise Speicherdrosseln und Transformatoren für hohe Schaltfrequenzen, wie sie insbesondere bei DC- DC-Wandlern eingesetzt werden. Die Möglichkeit, das Sättigungsverhalten der verwendeten magnetischen Kerne 10, 20 auf ein gewünschtes Sättigungsverhalten einstellen zu können, bietet dabei erhebliche Vorteile.