B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten oder auf einem Substrat aufgebrachten Spule, insbesondere zur Herstellung einer Leiterplatte, sowie ein elektronisches Gerät mit zumindest einer Spule.

Aus dem Stand der Technik sind an sich Planarspulen bekannt, bei denen die Spulenwindungen auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht werden. Mit solchen Planarspulen lässt sich kosteneffizient nur eine relativ geringe Induktivität erreichen, wobei die Planarspulen außerdem relativ viel Platz auf der Substratoberfläche ein- nehmen. Aus www.elektroniknet.de, 26. April 2012,„Embedding von aktiven und passiven Bauteilen in die Leiterplatte" sind Embedded-Faltflex-Spulen bekannt. Dabei werden flexible Folienstrukturen so gefaltet, dass man Spulen in jeder Größe mit einer nahezu beliebigen Anzahl an Lagen erzeugen kann. Dies ist besonders vorteilhaft für Sensoranwendungen.

Aus DE 43 06 416 A1 ist eine Spulenstruktur für eine Leiterplattenanordnung bekannt. Eine Wicklung der Spule wird durch metallisierte Bohrungen und Leiterbahn- Abschnitte gebildet. In einem Schütz der Leiterplatte kann seitlich ein Ferritkern ein- geführt werden. Alternativ kann man direkt die Innenlagen der Leiterplatte als Träger aufgedruckter Kernstrukturen verwenden. Nachteilig bei dieser Spulenstruktur ist, dass diese sich einerseits nicht für die Miniaturisierung eignet und andererseits keine großen Induktivitäten hiermit erzielbar sind. Aus DE 103 54 694 A1 ist ein induktiver Sensor mit einer Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds bekannt. Die Spule wird durch zwei Schichten gebildet, zwischen denen sich als Spulenkern ein Streifen eines amorphen Metalls befindet. Die Spu- lenwindungen werden durch auf den Schichten angeordnete Leiterbahnabschnitte und Durchgangskontaktierungen gebildet, die an dem Spulenkern vorbei verlaufen.

Aus DE 103 55 003 A1 ist ein induktiver Sensor bekannt, der eine, ein Magnetfeld erzeugende Spule aufweist, deren Spulenkern in einem Durchbruch eines Schaltungsträgers vorgesehen ist. Aus US 2011/0108317 A1 ist eine gepackte Struktur mit einer magnetischen Komponente und eine Methode um eine solche zu fertigen bekannt. Die gepackte Struktur beinhaltet ein isolierendes Substrat mit einer ringförmigen Ausnehmung, einen Insel-Teilbereich und einen umgebenden Bereich definiert durch die ringartige Ausnehmung, wobei die ringartige Ausnehmung seitlich zwischen dem Insel-Teilbereich und dem umgebenden Bereich liegt. Die gepackte Struktur beinhaltet weiterhin eine ringförmige magnetische Komponente, welche in der ringförmigen Ausnehmung platziert ist; eine obere Verdrahtungsschicht oberhalb des isolierenden Substrats und eine untere Verdrahtungsschicht unterhalb des isolierenden Substrats; ein inneres metallisiertes Durchgangsioch, welches vertikal durch den Insel-Teilbereich verläuft und die obere Verdrahtungsschicht und die untere Verdrahtungsschicht verbin- det; ein äußeres metallisiertes Durchgangsloch, welches vertikal durch den umgebenden Bereich verläuft und die obere Verdrahtungsschicht mit der unteren Verdrahtungsschicht verbindet, sodass das innere metallisierte Durchgangsloch, das äußere metallisierte Durchgangsloch, die obere Verdrahtungsschicht und die untere Verdrahtungsschicht eine Drahtspule bilden, welche die ringartige magnetische Komponente umschließt.

Aus DE 10 2007 024 908 A1 ist ein abstimmbares induktives Bauelement bekannt, mit mindestens einem keramischen Mehrschichtkörper mit mindestens einer Ferritschicht mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschicht- körpers integrierte Spule. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mitte! zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.

Das Dokument DE 101 96 259 T1 bezieht sich auf die Anordnung von Füllmaterial in den Durchgängen eines elektronischen Substrates, wie z.B. durch Anordnen einer elektrische leitfähigen, thermisch leitfähigen oder nicht leitfähigen Paste in und auf elektronischen Platinen, keramischen Substraten und -„Packages" bzw.„Paketen".

Nach US 2003/0057544 A1 wird eine monolithische integrierte Struktur mit einer oder mehreren gepackten Komponenten, wie beispielsweise integrierte Schaltkrei- se, diskrete Komponenten, LEDs, Opto-Kopplern und ähnlichem erzeugt, indem man elektrisch leitende Anschlussflächen auf einer Oberfläche einer jeden gepack- ten Komponente platziert und dann eine oder mehrere gepackte Komponenten in einem Substrat platziert, sodass die Oberfläche jeder gepackten Komponente mit der elektrisch leitenden Anschlussfiäche sichtbar und im Wesentlichen koplanar mit der obersten Oberfläche des Substrats ist.

Aus DE 689 23 717 T2 ist ferner ein zusammengesetztes Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante bekannt

Keines der vorgenannten Dokumente offenbart jedoch ein Verfahren, durch welches eine in einem Substrat integrierte Spule erzeugt werden kann, wobei die Spule vollständig von Kernmaterial umgeben ist. Dies hat jedoch Vorteile hinsichtlich der Streufelder einer Spulenanordnung, sowie hinsichtlich der Homogenität des Magnetfeldes außerhalb der Spule gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Spulenanordnungen. Dies wird im Folgenden detailliert erläutert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten oder auf einem Substrat aufgebrachten Spule, insbesondere zur Herstellung einer Leiterplatte, sowie ein elektronisches Gerät mit einer solchen Spule zu schaffen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Nach Ausführungsformen der Erfindung wird zur Herstellung einer Spule wie folgt vorgegangen:

Zunächst wird in einem Substrat eine Kavität erzeugt, die zum Beispiel zur Vorderseite des Substrats offen ist. Bei dem Substrat kann es sich um ein flächiges Mate- rial handein, wie es üblicherweise für die Leiterplattenfertigung verwendet wird, wie zum Beispiel einen faserverstärkten Kunststoff, eine Kunststofffolie oder ein anderes elektrisch isolierendes Material.

Die Erzeugung der Kavität in dem Substrat kann durch eine Material abhebende Bearbeitung des Substrats hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Abtragung des Materials mithilfe eines Lasers, mitteis Ausstanzen oder durch eine spanabhebende Bearbeitung, vorzugsweise durch Fräsen, sowie auch durch Heißprägen.

Nach der Herstellung der Kavität in dem Substrat wird die Kavität mit einer Paste gefüllt, die ferromagnetische Partikel beinhaltet. Unter einer Paste wird hier eine Mischung der Partikel und einer Flüssigkeit, beispielsweise eines Lösungsmittels, verstanden, beispielsweise eine Suspension. Durch die eingebrachte Paste wird ein Kernmaterial in der Kavität gebildet, welches zur Realisierung eines Spulenkerns dient.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kavität nach der Einbringung der Paste durch Aufbringung einer Deckschicht zur Überbrückung der Unterbrechung der Oberfläche des Substrats geschlossen. Die Aufbringung einer Deckschicht ist aber optional: Statt auf die Deckschicht können die zweiten Windungsab- schnitte auch auf die Oberseite des Kernmaterials aufgebracht werden, z.B. durch Aufdrucken. Die Aufbringung der zweiten Windungsabschnitte auf die Oberfläche des Substrats kann also beispielsweise dadurch erfolgen, dass die zweiten Windungsabschnitte auf die Deckschicht, die die Kavität verschließt oder unmittelbar auf die Oberseite des Kernmaterials, die ebenfalls die Kavität nach oben hin ab- schließt, aufgebracht werden.

Bei der Deckschicht kann es sich um ein sogenanntes Prepreg handeln, das heißt eine ungehärtete duroplastische Kunststoffmatrix, in der Fasern eingebettet sind. Ein solches Prepreg kann mittels Heißpresstechnik auf das Substrat aufgebracht werden, um so die Kavität zu schließen. Dabei können auch eventuelle nach dem Auffüllen der Kavität zwischen der Oberfläche des Substrats und der Oberfläche der Paste an der offenen Seite der Kavität verbleibende Unebenheiten durch die Deck- schicht ausgeglichen werden, sodass die nunmehr die Oberfläche des Substrats bildende Deckschicht eben ist.

Insbesondere kann es sich bei der Deckschicht um eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte handeln (z.B. FR-4 Materialien), die auf die mit dem Kernmaterial gefüllte Kavität aufgebracht wird, oder eine andere Materialschicht z.B. eine Kunststoffschicht, die durch Auflaminieren aufgebracht wird.

Die Windungen der Spule werden nun wie folgt hergestellt: Zunächst werden erste Windungsabschnitte in das Substrat eingebracht, wobei die Windungsabschnitte senkrecht zur Oberfläche des Substrats stehen. Beispielsweise können die ersten Windungsabschnitte durch sogenannte Vias (Vertical Interconnect Access) gebildet werden. Diese Vias verlaufen zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Substrats und/oder verbinden zwei verschiedene Substrate einer mehrschichtigen ge- druckten Schaltung (Multilayer PCB) .

Die zweiten Windungsabschnitte der Spule werden auf die Vorder- und die Rückseite des Substrats aufgebracht, wobei die zweiten Windungsabschnitte die Enden von je zwei der ersten Windungsabschnitte miteinander elektrisch kontaktiert.

Auf diese Art und Weise können verschiedene Spulengeometrien realisiert werden, wie zum Beispiel eine Zylinderspule, deren Spulenachse parallel zu der Oberfläche des Substrats verläuft, oder eine ring- bzw. torusförmige Spule, die parallel zu der Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist.

Ausführungsformen der Erfindung sind besonders vorteilhaft, da mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte durch den in der Kavität befindlichen Spulenkern hindurch verlaufen, was eine Miniaturisierung der Spule bei gleichzeitig relativ gro ^¬ ßer Windungszahl ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist, wenn alle der ersten Win- dungsabschnitte durch den in der Kavität befindlichen Spulenkern hindurchverlaufen. Neben der hierdurch ermöglichten Miniaturisierung bei gleichzeitig relativ gro- ßer Induktivität hat dies auch prozesstechnische Vorteile, da der Prozess für alle ersten Windungsabschnitte dann einheitlich durchgeführt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Streu-Magnetfeld eines Leiters, welcher durch den Spulenkern hindurch verläuft, reduziert wird. Besonders vorteilhaft ist, wenn alle ersten Windungsabschnitte durch den Spulenkern hindurchveriaufen, da dann das seitliche Streufeld der Spule stark reduziert wird und sich das äußere Magnetfeld, welches von der Spule erzeugt wird, auf die Stirnflächen der Spule konzentriert. Ein weiterer Vorteil hierbei ist, dass die Homogenität des Magnetfelds, das an den Stirnflächen im Außenbereich der Spule erzeugt wird, verbessert wird.

Dies ist besonders vorteilhaft für induktive Sensoren, insbesondere induktive Näherungssensoren. Besonders vorteilhaft ist dabei ferner, dass solche erfindungsgemäßen Spulen eine größere Belastbarkeit und Zuverlässigkeit mit sich bringen, da auf den sonst bei induktiven Sensoren üblichen Luftspalt verzichtet werden kann. Bei einem solchen Luftspalt ist nachteilig, dass dessen Abmessungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder aufgrund mechanischer Belastung variieren können. Von ganz besonderem Vorteil ist hierbei ferner, dass die Miniaturisierung der Spule nicht durch die Größe oder Herstellungstoleranzen der Kavität limitiert ist, da vorzugsweise alle ersten Windungsabschnitte durch die Kavität und damit durch das Kernmaterial hindurch verlaufen, so dass das von den ersten Windungsabschnitten umschlossene Kernmateria! den Spulenkern bildet. Die Erfindung wendet sich von dem Paradigma ab, dass sich das Kernmaterial vollständig im Spuleninneren befinden muss. Im Gegenteil erlaubt die Erfindung sogar, dass in einer einzigen Kavität mehrere Spulen nebeneinander angeordnet werden, da die Spulenwindungen, d.h. die ersten Windungsabschnitte, jeweils durch das in der Kavität befindliche Kernmaterial hindurch verlaufen können. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Spulenkern in der Kavität ringförmig, torusförmig oder scheibenförmig ausgebildet, wobei der Spulenkern eine runde oder eine eckige Form haben kann, Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat die Kavität eine zu der Oberfläche des Substrats parallele Bodenfläche. Von der Bodenfläche gehen seitliche Flanken aus, die die Öffnung der Kavität bilden. Die seitlichen Flanken bilden vorzugsweise einen rechten Winkel oder einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des Substrats, beispielsweise einen Winkel zwischen 30 und 60°, vorzugsweise 45°.

Ein solcher Winkel hat den überraschenden Vorteil, dass Lufteinschlüsse beim Einbringen der Paste in die Kavität vermieden werden, da die Luft entlang der seitlichen Flanken während des Einbringungsprozesses entweichen kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Paste in die Kavität gedruckt wird, wie zum Beispiel mittels Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck oder mithilfe eines Dispensers.

Als besonders vorteilhaft hat es sich überraschenderweise erwiesen, wenn die Einbringung der Paste mittels Siebdruck erfolgt und die seitlichen Flanken der Kavität einen Winkel von etwa 45° mit der Oberfläche einschließen. Nach einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Partikel aus einer weichmagnetischen amorphen und/oder nanokristallinen Legierung.

Besonders vorteilhaft sind dabei Partikel, die eine nanokristalline Struktur aufweisen, da dies zu einer sehr hohen Permeabilität bei einer kleinen Koerzitivfeldstärke führt. Weitere Vorteile solcher nanokristallinen Materialien sind überragende Magnetwerte, kostengünstige Legierungszusammensetzungen, eine sehr gute Tempe- raturstabilität und sehr günstige Frequenzeigenschaften. Die nanokristallinen Partikel können aus einer weichmagnetischen metallischen Legierung, zum Beispie! auf der Basis von Fe, Si und/oder B mit Zusätzen von Nb und/oder Cu, zusammenge- setzt sein. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der durch die Einbringung der Paste in die Kavität eingebrachte Kernmaterial elektrisch leitfähig. Um die ersten Win- dungsabschnitte gegenüber dem Kernmaterial elektrisch zu isolieren, kann wie folgt vorgegangen werden: Zunächst wird zur Herstellung eines Vias ein Durchgangsloch durch das Substrat gebohrt, wobei das Durchgangsloch durch das Kernmaterial hindurch verläuft.

Dieses Durchgangsloch wird dann mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, wie zum Beispiel mit einem Harz. Anschließend wird ein Durchgangsloch durch die- ses elektrisch isolierende Material hindurchgebohrt, sodass eine Schicht des elektrisch isolierenden Materials verbleibt. Hierauf wird dann elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel durch eine Metallisierung aufgebracht, um das Via zur Herstellung eines der ersten Windungsabschnitte herzustellen. Nach Ausführungsformen der Erfindung werden für die Aufbringung der zweiten

Windungsabschnitte auf die Oberfläche des Substrats, das heißt auf dessen Vorder- und Rückseiten, Strukturierungstechniken verwendet, wie zum Beispiel Ätztechniken. Nach Ausführungsformen der Erfindung wird die Paste nach dem Einbringen in die Kavität verdichtet, indem die Paste mit einem Anpressdruck beaufschlagt wird und/oder einer Temperaturerhöhung auf zum Beispiel 70 °C - 80°C ausgesetzt wird. Auf diese Art und Weise wird der Flüssigkeitsanteil der Paste reduziert, was zu einer Volumenverringerung führt.

Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Viskosität der Paste zunächst so gewählt werden muss, dass die Paste durch ein Druckverfahren, wie zum Beispiel Siebdruck, aufgebracht werden kann. Um ein drucktechnisches Aufbringen der Paste zu ermöglichen, darf nämlich deren Viskosität nicht zu hoch sein, um eine ausreichen- de Fließfähigkeit der Paste zu gewährleisten. Nachdem die Paste in die Kavität eingebracht worden ist, ist auf der anderen Seite ein möglichst geringer Flüssigkeitsan- teil erwünscht, um die Partikel zu verdichten, damit die Induktivität der resultierenden Spule möglichst groß ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Flüssigkeitsanteil der Paste nach der Einbringung in die Kavität reduziert wird. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das durch die Verdichtung in der Kavität freigewordene Volumen durch erneutes Einbringen der Paste, zum Beispiel durch einen weiteren Siebdruckvorgang, aufgefüllt. Hierdurch kann die Induktivität der resultierenden Spule noch weiter erhöht werden, da das Volumen der Kavität trotz der vorherigen Verdichtung vollständig ausgenutzt wird.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Verdichtung der Partikel in der Kavität wie folgt vorgegangen:

Zunächst wird eine Trennschicht auf die offene Seite der Kavität aufgebracht. Die Trennschicht ist für den Fiüssigkeitsanteil der Paste durchlässig, insbesondere wenn dieser aufgrund der Temperaturerhöhung in seine gasförmigen Phase übergeht. Beispielsweise kann es sich bei der Trennschicht um eine perforierte Kunst- stofffolie handeln. Auf die Trennschicht wird eine Aufnahmeschicht aufgebracht, die zur Aufnahme des durch die Trennschicht hindurchtretenden Flüssigkeitsanteils der Paste ausgebildet ist. Beispielsweise kann es sich bei der Aufnahmeschicht um ein Vlies handeln.

Wird nun durch Beaufschlagung der Paste in der Kavität mit einem Anpressdruck und/oder durch eine Temperaturerhöhung der Flüssigkeitsanteil der Paste in der Kavität reduziert, so tritt dieser Anteil in seiner flüssigen oder gasförmigen Phase durch die Trennschicht, beispielsweise durch die Perforationen der Trennschicht, hindurch und gelangt dadurch zu der Aufnahmeschicht, wo dieser Anteil absorbiert wird. Durch die Trennschicht wird gleichzeitig vermieden, dass Teile, z.B. Fasern, der Aufnahmeschicht an der Paste anhaften. Anschließend werden die Trennschicht und die Aufnahmeschicht entfernt und die Kavitäten werden durch die Deckschicht geschlossen. Optional kann zuvor das durch die Reduzierung des Flüssigkeitsanteils freigewordene Volumen durch erneutes Einbringen der Paste aufgefüllt werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden mehrere der integrierten Spulen auf diese Art und Weise in dem Substrat hergestellt. Diese Spulen können zum Beispiel zu einem Sensorarray verschaltet werden, zum Beispiel um einen hochempfindlichen induktiven Positionssensor zu realisieren.

Nach einer weiteren Ausführungsform können die zweiten Windungsabschnitte aufgedruckt werden. Die zweiten Windungsabschnitte können zum Beispiel mittels leitfähiger Tinte aufgedruckt werden; weitere Schaltungskomponenten, die polymerelektronisch ausgebildet sein können, können ebenfalls auf das Substrat aufge- druckt werden, um diese mit der oder den Spulen zu verschalten.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Kavität durch eine Heißpragtechnik hergestellt. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird unter einer„Kavität" eine Ausnehmung aus dem Substrat, ein Durchbruch durch das Substrat oder auch ein Durchbruch durch zwei oder mehrere übereinander angeordnete Substrate einer Multilay- er-PCB verstanden. Die Ausbildung der Kavität als Durchbruch kann Vorteile beim Füllen der Kavität mit dem Kernmaterial haben: Im Fall der Verwendung eines pastösen oder flüssigen Grundmaterials, durch welches das Kernmaterial gebildet werden soll, können Lufteinschlüsse oder Gaseinschlüsse in dem Kernmaterial vermieden werden, da Luftbzw, ein Lösungsmittel beidseitig aus der Kavität ausgasen kann. Nach einer Ausführungsform wird die Paste nach Einbringung in die Kavität zunächst einem Trocknungsprozess unterzogen, während dessen die Paste aushärtet - beispielsweise entweicht während des Trocknungsprozess ein Lösungsmittel der Paste. Während des Trocknungsprozess wird die Paste in eine Vibration versetzt, z. B. durch einen Rütteltisch auf dem das Substrat fixiert wird oder durch einen Uitra- schallsender, um eine Durchmischung der Paste während des Trocknungsprozess zu erreichen, und damit einer Pfropfenbildung während des Trocknungsprozess an der oder den offenen Seiten der Kavität entgegenzuwirken. Durch die Vermeidung einer Pfropfenbiidung wird sichergestellt, dass das Lösungsmittel vollständig ent- weicht und dass der Trocknungsvorgang schnell erfolgt. Nach der Aushärtung der Paste werden z.B. die Löcher gebohrt, um die ersten Windungsabschnitte einzubringen.

Als Alternative zu einem pastösen oder flüssigen Grundmaterial können auch Folien für das Kernmaterial verwendet werden, insbesondere mehrlagige Folien, insbesondere Folien aus nanokristallinen Magnetlegierungen auf der Basis von Fe, Si und B mit Zusätzen von Nb und Cu, wie sie zum Beispiel unter dem Handelsnamen Vitroperm von der Firma Vacuumschmelze erhältlich sind. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der Spulenkern zunächst separat als Festkörper hergestellt, und dann in der Kavität befestigt, zum Beispiel formschlüssig und/oder kraftschlüssig, z.B. durch Einpressen in die Kavität.

Die Spulenkerne können zum Beispiel durch Strangpressen eines Polymer-Ferrit- Kompositmaterials hergestellt werden. Beispielsweise werden durch das Strangpressen Endlosprofile aus dem Polymer-Ferrit-Kompositmaterial hergestellt, von denen einzelne Spulenkerne durch Abtrennen von Abschnitten des Strangpressprofils gewonnen werden.

Ein solcher Strang kann auch als flexibles Band hergestellt werden, und mit einem Kleber auf das Substrat aufgebracht werden, und zwar insbesondere dort, wo eine höhere Baudicke toleriert werden kann. In diesem Fall kann sich also der Spulenkern auch über die Oberfläche des Substrats hinaus erstrecken, wobei auch Mischformen möglich sind, beispielsweise also die Füllung der Kavität in dem Substrat mit einem pastösen oder flüssigen Materia! und anschließend nach Aushärtung die Aufbringung einer oder mehrerer Materialschichten desselben oder eines anderen Kernmaterials auf die bereits gefüllte Kavität, Eine solche zusätzliche Folie könnte auch auf eine Seite einer Leiterplatte, insbesondere einer Multilayer-PCB aufgeklebt werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Sensor an der Stirnfläche angeordnet sein soll.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Querschnitt einer Kavität bzw. des Spulenkerns unterschiedliche geometrische Formen haben, die symmetrisch oder asymmetrisch sein können. Die Form der Kavität und damit die Form des Spulenkerns kann dabei so gewählt werden, dass das Magnetfeld eine für die jeweilige Anwendung optimierte Geometrie und Stärke erhält.

Neben einer Rechteckform kann der Spulenkern zum Beispiel dreieckig, rund oder ballig ausgebildet sein. Solche geometrische Formen der Kavität können zum Beispiel durch Ausfräsen oder durch Wasserstrahlschneiden hergestellt werden und die Füllung der Kavität mit dem Kernmaterial kann zum Beispiel durch Drucken, insbesondere durch Inkjet, erreicht werden.

Ferner ist es auch möglich, dass innerhalb des Spulenkerns das Kernmaterial Örtlich variiert wird, um eine gewünschte Form des Magnetfelds zu erreichen, wobei eine solche örtliche Variation der Materialzusammensetzung in dem Spulenkern zum Beispiel durch schichtweises Aufdrucken unterschiedlicher Kernmaterialien erreicht werden kann.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Kavität über mehrere Substratschichten in vertikaler Richtung, wobei die Vias, das heißt die Durchgangs- kontaktierungen, zum Beispiel durch Bohren, lasern, plasmieren oder Wasserstrahl- schneiden hergestellt werden können. Auch Kombinationen solcher Techniken sind möglich, wie z.B. Wasserstrahischneiden mit Laserführung.

Ausführungsformen der Erfindung erlauben die Herstellung von miniaturisierten Spulen mithilfe von preiswerten hochdurchsatzfähigen Strukturierungs- und Produktionstechnologien, wie sie für die Massenproduktion geeignet sind.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Spule nicht oder nicht vollständig in dem Substrat integriert, sondern ragt über die Oberfläche des Substrats hinaus. Zur Herstellung einer solchen Spule wird beispielsweise wie folgt vorgegangen:

Zunächst werden zweite Windungsabschnitte der Spule auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht, zum Beispiel durch Aufdrucken oder Strukturie- rungstechniken. in dem Bereich der Oberfläche, in der sich die zweiten Windungsabschnitte befinden, wird das Kernmaterial auf das Substrat aufgebracht, so dass es die zweiten Windungsabschnitte überdeckt. - Die ersten Windungsabschnitte werden dann in das Kernmaterial eingebracht, wozu beispielsweise Löcher in das Kernmaterial gebohrt und diese dann metallisiert werden.

Auf die Oberfläche des Kernmaterials werden dann weitere zweite Bindungsab- schnitte aufgebracht, zum Beispiel durch Drucken, insbesondere dreidimensionales Drucken, wie Aerosoldrucken oder Inkjetdrucken, um so die verschiedenen Windungsabschnitte elektrisch miteinander zu kontaktieren und die Spulenwindungen auszubilden. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte. In unterschiedlichen Schichten der Leiterplatte werden jeweils ein oder mehrere der Spulen integriert und diese Spulen werden über die Leiterplatte miteinander verschaltet. Ferner kann die Leiterplatte mit weiteren elektrischen oder elektronischen Komponenten bestückt werden, um hierdurch ein elektronisches Gerät zu realisieren.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein elektronisches Gerät mit zumindest einer Spule, die in ein Substrat integriert ist, wobei das Substrat eine geschlossene Kavität aufweist, in der sich ferromagnetische Partikel befinden, welche den Spulenkern der Spule bilden, wobei die Windungen der Spule durch erste Win- dungsabschnitte und zweite Windungsabschnitte gebildet werden, wobei mehrere oder alle der ersten Windungsabschnitte durch die Kavität hindurch verlaufen, und die zweiten Windungsabschnitte die ersten Windungsabschnitte miteinander elektrisch kontaktieren. Nach einer Ausführungsform des elektronischen Geräts werden die ersten Windungsabschnitte durch Vias gebildet, die eine elektrisch isolierende innenbeschich- tung aufweisen, um eine elektrische Isolierung zu den Partikeln des Kernmaterials herzustellen. Nach einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem elektronischen Gerät um einen Sensor, insbesondere einen Druck-, Kraft-, Beschleunigungs-, Positionsoder agnetfeldsensor, und/oder um einen elektromagnetischen Aktor.

Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 - Figur 9 verschiedene Schritte einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Herstellen einer in einem Substrat integrierten Spule, Figur 10 eine Ausführungsform der Kavität mit senkrechten Flanken im Querschnitt, Figur 1 1 eine Ausführungsform der Kavität mit einem halbkreisförmigen Profil im

Querschnitt,

Figur 12 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterplatte mit einer integrierten Ringspule,

Figur 13 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterplatte mit einer integrierten ovalen Spule,

Figur 14 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leiterplatte mit zwei in

Reihe geschalteten Spulen,

Figur 15 und

Figur 16 Verfahrensschritte zur Verdichtung der Paste in der Kavität. Figur 17 eine Explosionsansicht einer Ausführungsform einer zweilagigen PCB,

Figur 18 eine Draufsicht auf den Feldverlauf des mit der in das zweilagige PCB gemäß Figur 17 integrierten Spule, Figur 19 einen Querschnitt durch eine Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht ist.

Figur 20 eine Ausführungsform der Kavität als Durchbruch Im Weiteren werden identische oder einander entsprechende Elemente der nachfolgenden Ausführungsformen jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figur 1 zeigt den Querschnitt eines Substrats 100. Bei dem Substrat 00 kann es sich zum Beispiel um eine noch nicht bestückte Leiterplatte handeln, wie sie für die Hersteilung von Leiterkarten, Platinen oder gedruckten Schaltungen verwendet wird. Das Substrat 00 ist flächig ausgebildet und hat eine Oberfläche 02 auf seiner Vorderseite sowie eine Oberfläche 104 auf seiner Rückseite.

In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Kavität 106 in dem Substrat erzeugt. Die Kavität hat eine nach oben offene Seite 108, durch welche die Oberfläche 102 des Substrats 100 unterbrochen wird.

Die Kavität 106 hat eine Bodenfläche 1 10, die im Wesentlichen parallel zu den Oberflächen 102 und 104 verläuft. An die Bodenfläche 110 schließen Flanken 2 bzw. 1 4 an, die jeweils von der Bodenfläche 110 bis zu der Oberfläche 102 verlau- fen, wodurch die offene Seite 108 gebildet wird.

Die Flanken 1 12 und 14 schließen jeweils einen Winkel mit der Oberfläche 102 ein. Bei dem Winkel α handelt es sich um einen spitzen Winkel mit dem Wertebereich 0 < α < 90°. Vorzugsweise beträgt der Winkel α zwischen 30 und 60°, insbe- sondere ca. 45°. Diese Wahl des Winkels α ist besonders vorteilhaft, wenn die Paste in die Kavität 106 mithilfe eines Siebdruckverfahrens eingebracht wird, da dann die Bildung von Lufteinschlüssen in der Paste besonders effizient vermieden wird.

Die Figur 3 zeigt das Substrat 100, nachdem eine Paste in die Kavität eingebracht worden ist. Bei der Paste kann es sich um ein Festkörper-Flüssigkeitsgemisch handeln, insbesondere eine Suspension, in der Partikel 1 18 von einer Flüssigkeit 120 umgeben sind.

Die Einbringung der Paste in die Kavität 106 kann mithilfe eines Dispensers oder drucktechnisch, wie zum Beispiel durch Siebdruck, Tiefdruck, Tampondruck oder dergleichen erfolgen. Die Viskositätspaste muss dabei entsprechend des gewählten Verfahrens ange- passt sein; beispielsweise darf die Viskosität der Paste für die Einbringung der Paste in die Kavität 106 mittels Siebdruck nicht zu hoch sein, da die Paste hierzu eine gewisse Fließfähigkeit haben muss. Durch die Einbringung der Paste wird das

Kernmaterial 116 in die Kavität 106 eingebracht, mit Hilfe dessen eine oder mehrere Spulen realisiert werden können.

Die Erzeugung der Kavität 106 kann durch einen Laser, einen Ätzvorgang oder me- chanisch, insbesondere durch Fräsen, erfolgen. Durch die Einbringung der Paste in die Kavität wird diese in der hier betrachteten Ausführungsform zu einer Scheibenform geformt. Alternativ kann die Kavität 106 auch ein anderes Profil haben, um einen ring- oder torusförmigen Spulenkern zu erhalten. Die Figur 4 zeigt das Substrat 100, nachdem eine Deckschicht 122 auf die Oberfläche 102 des Substrats 100 aufgebracht worden ist. Bei der Deckschicht 122 kann es sich zum Beispiel um ein sogenanntes Prepreg handeln. Alternativ kann es sich bei der Deckschicht 122 zum Beispiel um eine Kunststoffschicht handeln, welche auf die Oberfläche 102 auflaminiert wird.

Die Deckschicht 122 überbrückt die offene Seite 108 der Kavität 106 und gleicht dabei auch eventuelle Unebenheiten im Übergangsbereich zwischen Oberfläche 02 und der Oberfläche der Paste an der offenen Seite 108 aus, sodass eine plane Oberfläche 124 resultiert, die die Oberfläche 102 vollflächig überdeckt.

Die Figur 5 zeigt das Substrat 100, nachdem Durchgangslöcher 126 zur Herstellung sogenannter Vias durch das Substrat 100 gebohrt worden sind, wobei die Durchgangslöcher 126 durch die Kavität 106 und die darin befindliche Paste hindurch verlaufen. Das Bohren der Durchgangslöcher kann durch einen Laser oder mechanisch erfolgen. Die Durchgangslöcher 126 verlaufen von der Oberfläche 124 zu der Oberfläche 104 und stehen senkrecht sowohl auf der Oberfläche 124 als auch auf der Oberfläche 104. Wenn das durch die Paste in der Kavität 106 gebildete Material, d.h. das Kernmaterial 116, elektrisch leitfähig ist, so wird vor der Metallisierung der Durchgangslöcher 126 (vergleiche Figur 8) zur Aufbringung einer isolationsschicht 128 (vergleiche Figur 7) wie folgt vorgegangen: Die Durchgangslöcher 126 werden mit einem elektrisch isolierenden Material 130 ausgefüllt. Bei dem Material 130 kann es sich zum Beispiel um ein Harz handeln.

Anschließend werden Durchgangslöcher 132 durch die Durchgangslöcher 126 und das isolierende Material 130 hindurchgebohrt, wie es in der Figur 7 dargestellt ist. Dabei wird ein kleinerer Bohrerdurchmesser verwendet als für die Durchgangslö- eher 126, sodass auf der Innenwandung der Durchgangslöcher 1 6 die Isolationsschicht 128 des isolierenden Materials 130 verbleibt.

Anschließend wird eine Metallisierung des Substrats 100 durchgeführt, wie zum Beispiel in einem Kupferbad, sodass eine Schicht 134 eines leitfähigen Materials, wie zum Beispiel Kupfer, auf der isolationsschicht 128, der Oberfläche 124 und der Oberfläche 104 abgeschieden wird. Hierdurch werden die Durchgangslöcher 132 metallisiert, sodass man die ersten Windungsabschnitte 136 der herzustellenden Spule erhält. Die zweiten Windungsabschnitte 138 werden bei der hier betrachteten Ausführungsform durch Strukturierung der Schicht 134 zum Beispiel durch ein Ätzverfahren, hergestellt. Durch die Windungsabschnitte 138 werden die Windungsabschnitte 136 elektrisch kontaktiert, sodass man bei der hier betrachteten Ausführungsform eine kreisförmige oder ovale Ringspule 140 erhält, wie in den Figuren 12 bzw. 13 in einer Draufsicht dargestellt. Die Figur 10 zeigt als Alternative zu der Figur 2 eine rechteckige Ausbildung des Querschnitts der Kavität 106 und die Figur 1 zeigt als weitere Ausbildungsform eine Kavität 106 mit einem halbkreisförmigen Profil. Andere geometrische Formen für die Kavität 06 sind je nach Anwendungsfali ebenfalls möglich.

Die Figur 12 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 122 mit den in dieser Ebene verlaufenden Windungsabschnitten 138, die jeweils zwei der Windungsabschnitte 136 miteinander elektrisch verbinden. Die ersten und letzten Windungsabschnitte 136 der Spule 140 sind hier über Leiterbahnen 142 bzw. 144 mit Kontaktflächen 143 bzw. 145 verbunden.

Der Durchmesser der Spule 140 kann kleiner als 5 mm sein, wie zum Beispiel 3,5 mm.

Die Figur 13 zeigt eine entsprechende Spule 140 in einer ovalen Ausführungsform.

Die Figur 14 zeigt eine Leiterplatte 146, die zwei Schichten beinhaltet, die durch die Substrate 100 und 100' gebildet werden. In dem Substrat 100 ist eine erste Spule integriert und in dem Substrat 100' eine zweite Spule, zum Beispiet jeweils gemäß der Ausführungsform nach Figur 12 oder 13. Die beiden Substrate 100 und 100' sind über eine Verbindungsschicht 150 zu einer baulichen Einheit verbunden. Die erste Spule und die zweite Spule werden durch eine Leiterbahn 152 in Reihe geschaltet, sodass sich die Induktivitäten der ersten und zweiten Spu!e aufaddieren.

Die Figuren 15 und 16 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die in die Kavität 106 eingebrachte Paste verdichtet wird. Hierzu wird eine Trennfoüe 154 mit einer Perforation 156 auf die Oberfläche 02 aufgebracht, sodass die offenen Seiten 108 der Kavitäten 106 hierdurch überdeckt wer- den. Auf die Trennfolie 154 folgt ein Vlies 158 und auf dem Vlies 158 kann optional eine weitere Trennfolie 160 aufgebracht sein.

Dieser Aufbau wird anschließend mit einem Anpressdruck beaufschlagt und auf eine Temperatur von zum Beispiel 70 - 80°C erhitzt. Dies kann in einem Vakuum er- folgen.

Aufgrund des Drucks und/oder der Temperatur wird der Flüssigkeitsanteil der Paste reduziert, sodass die Partikel 1 18 hierdurch verdichtet werden. Beispielsweise verdampft in der Paste empfindliches Lösungsmittel 162 und tritt durch die Perfora- tion 156 hindurch. Es wird dann von dem Vlies 158 absorbiert, wie in der Figur 16 dargestellt.

Anschließend können die Trennfolien 154 und gegebenenfalls 160 sowie das Vlies 158 entfernt werden, wonach die Deckschicht 122 (vergleiche Figur 4) aufge- bracht wird. Optional können die Kavitäten 106 vor dem Aufbringen der Deckschicht 122 mit Paste aufgefüllt werden, um das durch die Verdichtung frei gewordene Volumen aufzufüllen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Paste während des Trocknungsprozess in eine Vibration versetzt werden, z. B. durch einen Rütteltisch oder Ultraschallsender, um eine Konvektion in der Paste zu erzeugen, und damit einer Pfropfenbildung während des Trocknungsprozess an der offenen Seite 108 entgegenzuwirken.

Die Figur 17 zeigt eine zweilagige PCB mit einem oberen Substrat 100 und einem unteren Substrat 100'. Beispielsweise ist in das obere Substrat 100 eine Kavität 106 eingefräst, die zur Aufnahme eines Kernmaterials 1 16 zur Bildung des Spulenkerns dient, wie zum Beispiel einer Paste 1 16. Die Paste kann zum Beispiel in die Kavität 106 durch ein oder mehrere Druckvorgänge eingedruckt werden. Alternativ kann es sich hierbei um eine Folie oder einen Folienaufbau handeln, der in die Kavität 106 eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch das untere Substrat 00' eine Kavität haben, wobei in diesem Fall die Kavitäten des oberen Substrats 100 und des unteren Substrats 100' eine resultierende Kavität zur Aufnahme des Kernmaterials 116 bilden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kavität 06 auch als Durchbruch durch das Substrat 100 ausgebildet sein. Dies ist schematisch in Figur 20 gezeigt. In dieser Ausführungsform werden die Windungsabschnitte 138 nicht auf die Oberseite des Substrats 100, sondern auf die Oberseite 168 des in die Kavität 106 eingebrachten Kernmaterials 16 aufgebracht. Durch die vorgenannten Ausführungsformen kann eine Spule hergestellt werden, deren Spulenachse parallel zu der Oberfläche des Substrats 00 verläuft, wie in der Fig. 17 dargestellt.

Wie in der Figur 17 gezeigt, verlaufen die dort exemplarisch dargestellten Win- dungsabschnitte 136 durch das Kernmaterial 1 16, das heißt beispielsweise die Paste 116, hindurch, sodass die Windungsabschnitte 136 beim Durchtritt durch die Kavität 106 allseitig von Kernmaterial 116 umgeben sind, und nicht - wie sonst bei einer Spule üblich - lediglich einseitig auf dem Kernmaterial 1 16 aufliegen. Dies hat den besonderen überraschenden Vorteil, dass das von der resultierenden Spule erzeugte Streufeld im Außenbereich reduziert wird, da das Kernmaterial 1 16 die Feldlinien entlang der Längsachse der Spule in Richtung auf das Spuleninnere konzentriert, wie in der Figur 18 dargestellt. Dies hat zur Folge, dass das resultierende Magnetfeld im Außenbereich der Spule auf die beiden Stirnflächen kon- zentriert wird und dort einen homogeneren Verlauf erhält, was insbesondere für sensorische Anwendungen vorteilhaft ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auf eine der Stirnseiten der Spule 140, wie zum Beispiel die Stirnseite 164, Kernmaterial 1 16 aufgebracht werden, zum Beispiel durch Aufkleben eines Folienabschnitts, um den Verlauf der Feldlinien an der Stirnseite weiter zu optimieren. Die Figur 19 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Spule 140 auf eine Oberfläche 102 eines Substrats 100 aufgebracht wird. Hierzu werden zunächst Windungsabschnitte 138 auf die Oberfläche 102 aufgebracht. Anschlie- ßend wird dann das Kernmaterial 116 zum Beispiel in Form einer Paste auf die Oberfläche 102 aufgebracht, wobei die Paste die Windungsabschnitte 138, die auf der Oberfläche 102 aufgebracht wurden, bis auf einen Anschlusskontakt überdeckt.

Nach Aushärtung der Paste werden in das Kernmaterial 1 16 Löcher gebohrt, in die die Windungsabschnitte 136 der Spule eingebracht werden, zum Beispiel durch Metallisierung der Bohrungen.

Schließlich werden auf die Oberfläche 166 des Kernmaterials 1 16 weitere Windungsabschnitte 138 aufgebracht, um so die Spulenwindungen zu bilden.

Nach Ausführungsformen der Erfindung läßt sich so eine Spule gemäß der obigen Ausführungsformen z.B. nach Fig. 12, 13 oder 17 herstellen, mit dem Unterschied, dass die Spule nicht einer Kavität des Substrats integriert ist, sondern auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist.

Bezugszeichenliste

100, 100 ¹ Substrat

5 102 Oberfläche

104 Oberfläche

06 Kavität

108 offene Seite

1 10 Bodenfiäche

10 1 12 Flanke

1 14 Flanke

1 16 Kernmaterial

1 18 Partikel

120 Flüssigkeit

15 122 Deckschicht

124 Oberfläche

126 Durchgangslöcher

128 Isolationsschicht

130 isolierendes Material

20 132 Durchgangslöcher

134 Schicht

136 Windungsabschnitt

138 Windungsabschnitt

140 Spule

25 142 Leiterbahn

143 Kontaktfläche

144 Leiterbahn

145 Kontaktfläche

146 Leiterplatte

30 150 Verbindungsschicht

152 Leiterbahn 154 Trennfoiie

156 Perforation

158 Vlies

160 Trennfolie

162 Lösungsmittel

164 Stirnseite

166 Oberfläche

168 Oberfläche