Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements und induktives Bauelement

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur

Herstellung eines induktiven Bauelements sowie ein induktives Bauelement .

Aus EP 1085535 Bl ist ein Planartransformator bekannt, bei dem dünne Leiterplatten aufeinandergestapelt werden, wobei auf den Leiterplatten Windungen ausgebildet sind und die Windungen über Durchkontaktierungen zu einer Wicklung

verbunden sind. Dabei stellen die Leiterplatten die

erforderliche Isolierung zwischen den Windungen sicher.

Zur Herstellung des Planartransformators werden Aussparungen für das magnetische Material ausgestanzt oder gefräst, wobei das ausgeschnittene Material nicht weiter verwendet werden kann. Darüber hinaus bilden die Durchkontaktierungen

Engstellen, die die Leistungsverträglichkeit des Bauelementes einschränken. Ferner kann ein zur Verfügung stehender Platz im Wickelraum durch den Planartransformator nicht optimal genutzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein

verbessertes induktives Bauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein induktives Bauelement gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch gelöst. Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven

Bauelements vorgeschlagen, bei dem ein leitfähiges Material, das zumindest eine Wicklung bildet, und ein isolierendes Material, das einen Träger für die zumindest eine Wicklung bildet, in einem additiven Fertigungsverfahren aufgetragen werden .

Das isolierende Material kann dabei zwischen den einzelnen Windungen der Wicklung angeordnet sein. Dementsprechend kann das isolierende Material die einzelnen Windungen

gegeneinander isolieren und einen Träger ausbilden, der die Wicklung mechanisch stabilisiert.

Additive Fertigungsverfahren werden auch als generative Fertigungsverfahren bezeichnet. Ein additives

Fertigungsverfahren kann ein Verfahren sein, bei dem auf Basis eines Datenmodells aus einem formlosen oder

formneutralen Material mittels chemischer und/oder

physikalischer Prozesse eine Fertigung erfolgt. Das formlose Material kann beispielsweise ein Gel, eine Paste oder ein Pulver sein. Das formneutrale Material kann beispielsweise bandförmig, drahtförmig oder blattförmig sein.

Bei dem additiven Fertigungsverfahren kann es sich

beispielsweise um einen 3D-Druck handeln. Ein 3D-Druck ist ein Verfahren, bei dem ein Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und so dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden. Dabei erfolgt ein schichtweiser Aufbau

computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische und/oder chemische Härtungs und/oder Schmelzprozesse statt. Alternativ kann es sich bei dem additiven Fertigungsverfahren auch um ein Dispenser-Druckverfahren handeln. Dabei wird ein pasten- oder gelförmiges Material mittels einer Düse oder einer Spritze schichtweise aufgebracht und Schicht für

Schicht zu einem dreidimensionalen Gegenstand

zusammengesetzt .

Das additive Fertigungsverfahren bietet zahlreiche Vorteile bei der Fertigung des induktiven Bauelementes. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es, das Bauelement mit hoher Präzision zu fertigen. Durch den Einsatz des additiven

Fertigungsverfahrens kann eine Fertigung der Wicklung

ermöglicht werden, bei der keine Durchkontaktierung zur Verbindung der einzelnen Windungen der Wicklung erforderlich sind. Die Nachteile des Planartransformators aus EP 1085535 Bl können damit überwunden werden. Da die Wicklung frei von Durchkontaktierungen sein kann, wird die

Leistungsverträglichkeit des induktiven Bauelements nicht durch Durchkontaktierungen einschränken. Bei dem additiven Fertigungsverfahren wird kein Material verschwendet, da keine Aussparungen in der Wicklung ausgestanzt oder gefräst werden müssen. Darüber hinaus ermöglicht das additive

Fertigungsverfahren das Bauelement derart zu konstruieren, dass ein zur Verfügung stehender Platz optimal genutzt werden kann .

Die in dem additiven Fertigungsverfahren gefertigte Wicklung kann frei von Stauchungen oder Dehnungen sein.

Dementsprechend weist die Wicklung keine

Materialschwachstellen auf. Dadurch kann die Lebensdauer und die Leistungsverträglichkeit des additiven Bauelements verbessert werden. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es, die Windungen der zumindest einen Wicklung sehr flach auszubilden. Dadurch kann eine Struktur geschaffen werden, die optimal für den Einsatz bei Hochfrequenzanwendungen ausgelegt ist.

Das leitfähige Material und das isolierende Material können im gleichen Prozessschritt aufgetragen werden.

Dementsprechend können die beiden Materialien gleichzeitig aufgetragen werden. Beispielsweise können die beiden

Materialien gleichzeitig von verschiedenen Düsen eines 3D- Druckers aufgetragen werden. Durch das Aufträgen des

isolierenden Materials und des leitfähigen Materials im gleichen Prozessschritt kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das schnell durchgeführt werden kann. Dadurch kann eine kurze Fertigungszeit des Bauelements erreicht werden.

Die zumindest eine Wicklung kann spiralförmig sein. Die zumindest eine Wicklung kann in Form einer Spirale mit unterschiedlichen Durchmessern, Querschnitten und

Steigungswinkeln in dem additiven Fertigungsverfahren

hergestellt werden. Das additive Fertigungsverfahren

ermöglicht es dementsprechend, stets die zumindest eine

Wicklung optimal an den gewünschten Einsatzzweck anzupassen.

Das leitfähige Material kann Kupfer aufweisen. Alternativ kann das leitfähige Material Kupfer sein. Kupfer eignet sich gut als leitfähiges Material für die zumindest eine Wicklung, da Kupfer eine hohe Leitfähigkeit aufweist und kostengünstig ist .

Das isolierende Material kann ein keramisches Material aufweisen oder aus einem keramischen Material bestehen.

Handelt es sich bei dem leitfähigen Material um ein Kupfer aufweisendes Material, kann eine Sinterung des induktiven Bauelementes erforderlich sein, da Kupfer erst nach dem

Sinterprozess die gewünschte Leitfähigkeit zeigt.

Dementsprechend sollte für das isolierende Material ebenfalls ein Material gewählt werden, das sinterfähig ist. Aus diesem Grund eignet sich ein keramisches Material für die Verwendung als isolierendes Material, da das keramische Material

sinterfähig ist. Alternativ könnte ein Kunststoff als

isolierendes Material verwendet werden.

Das induktive Bauelement kann frei von Durchkontaktierungen sein. Durchkontaktierungen würden die Leistungsfähigkeit des Bauelementes beschränken. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es, den Träger und die zumindest eine Wicklung in der gewünschten dreidimensionalen Form zu fertigen, sodass auf Durchkontaktierungen verzichtet werden kann.

Das induktive Bauelement kann beispielsweise ein

Planartransformator oder eine planare Spule sein. Bei der planaren Spule kann es sich beispielsweise um eine

Speicherdrossel handeln. Planartransformatoren werden vor allem in der Leistungselektronik bei hohen

Übertragungsleistungen eingesetzt .

Nach der additiven Fertigung der zumindest einen Wicklung und des Trägers kann ein magnetischer Kern derart angeordnet werden, dass der Kern von der zumindest einen Wicklung umgeben ist. Der Kern kann ein Ferritmaterial aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende

Erfindung ein induktives Bauelement. Dabei kann es sich insbesondere um ein Bauelement handeln, das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren gefertigt wurde. Dementsprechend können alle strukturellen und funktionellen Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart wurden, auch auf das Bauelement zutreffen.

Es wird ein Bauelement vorgeschlagen, das zumindest eine spiralförmige Wicklung aus einem leitfähigen Material und einen Träger aus einem isolierenden Material aufweist, in den die spiralförmige Wicklung integriert ist. Dabei wird die Wicklung als in den Träger integriert bezeichnet, wenn das isolierende Material des Trägers zwischen den einzelnen

Windungen der Wicklung angeordnet ist und die Windungen so gegeneinander isoliert.

Der Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens ermöglicht es, die Wicklung spiralförmig auszubilden. Die Spiralform bietet den Vorteil, dass auf Durchkontaktierungen verzichtet werden kann, so dass eine Leistungsverträglichkeit des Bauelements nicht eingeschränkt wird. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es, die zumindest eine Wicklung mit nahezu

beliebigen Querschnitten, Durchmessern und Steigungswickeln zu fertigen.

Die zumindest eine spiralförmige Wicklung kann frei von

Dehnungen und Stauchungen sein. Dehnungen und Stauchungen würden Schwächungen des Materials darstellen, die die

Leistungsverträglichkeit des induktiven Bauelementes

einschränken könnten und zu einer Beschädigung des

Bauelementes über dessen Lebensdauer führen könnten. Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens kann es ermöglicht werden, die spiralförmige Wicklung frei von

Dehnungen und Stauchungen zu fertigen. Die zumindest eine spiralförmige Wicklung kann frei von

Durchkontaktierungen sein. Durch die Verwendung des additiven Fertigungsverfahrens kann auf Durchkontaktierungen verzichtet werden, die andernfalls die Leistungsverträglichkeit des Bauelements beschränken würde.

Das induktive Bauelement kann ein Planartransformator oder eine planare Spule sein.

Bei dem leitfähigen Material kann es sich um Kupfer oder um ein Kupfer aufweisendes Material handeln. Das isolierende Material kann ein keramisches Material aufweisen oder ein keramisches Material sein.

Das leitfähige Material und das isolierende Material können in einem additiven Fertigungsverfahren aufgetragen worden sein .

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der

Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Wicklung eines induktiven Bauelementes in perspektivischer Ansicht.

Figur 2 zeigt das induktive Bauelement in perspektivischer Ansicht .

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren induktiven Bauelements.

Figur 4 zeigt einen Planartransformator. Figur 1 zeigt eine Wicklung 2 eines induktiven Bauelementes 1 in perspektivischer Ansicht. Bei dem induktiven Bauelement 1 handelt es sich hier um eine planare Spule. Die Wicklung 2 weist mehrere übereinander verlaufende Windungen 3 auf. Die Windungen 3 sind zu einer spiralförmigen Wicklung 2

verbunden .

Das induktive Bauelement 1 weist eine erste Anschlussfläche 4 und eine zweite Anschlussfläche 5 auf. Ein erstes Ende der spiralförmigen Wicklung 2 mit der ersten Anschlussfläche 4 verbunden. Ein zweites Ende der spiralförmigen Wicklung 2 mit der zweiten Anschlussfläche 5 verbunden. Die beiden

Anschlussflächen 4, 5 sind an einer Unterseite 6 des

Bauelementes 1 angeordnet und ermöglichen eine

Oberflächenmontage des Bauelements 1. Es handelt sich bei dem Bauelement 1 somit um ein oberflächenmontiertes Bauelement (Surface Mounted Device = SMD) .

Die in Figur 1 gezeigte Wicklung 2 und die Anschlussflächen 4, 5 werden durch ein additives Fertigungsverfahren

hergestellt. Bei dem additiven Fertigungsverfahren kann es sich beispielsweise um einen 3D-Druck handeln. Bei dem additiven Fertigungsverfahren wird ein leitfähiges Material, beispielsweise Kupfer, aufgetragen und so werden die Wicklung 2 und die Anschlussflächen 4, 5, die jeweils aus dem

leitfähigen Material bestehen, erzeugt. Wie im Folgenden erläutert wird, werden die Wicklung 2 und die

Anschlussflächen 4, 5 dabei zeitgleich mit einem isolierenden Träger 7 gefertigt.

Figur 2 zeigt das induktive Bauelement 1 in perspektivischer Ansicht. Das induktive Bauelement 1 weist zusätzlich zu der Wicklung 2 den isolierenden Träger 7 auf. Die Wicklung 2 ist in den isolierenden Träger 7 integriert. Dabei ist ein Material des Trägers 7 zwischen den Windungen 3 der spiralförmigen Wicklung 2 angeordnet. Der isolierende Träger 7 bildet dadurch eine mechanische Stütze der Wicklung 2. Ferner bildet der Träger 7 einen Isolator, der einen

Kurzschluss zwischen den Windungen 3 der Wicklung 2

vermeidet. Auf der Unterseite 6 des Bauelements 1 sind die Anschlussflächen 4, 5 nicht von dem isolierenden Träger 7 bedeckt .

Der isolierende Träger 7 wird in dem additiven

Fertigungsverfahren aus einem isolierenden Material

hergestellt. Der Träger und die Windung können in dem

gleichen Prozessschritt des additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Dabei werden das isolierende Material, das den Träger ausbildet, und ein leitfähiges Material, das die Wicklung ausbildet, gleichzeitig schichtweise

aufgetragen .

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren induktiven Bauelements 1, das mittels des additiven

Fertigungsverfahrens hergestellt wurde. Bei dem Bauelement 1 handelt es sich um einen Planartransformator. Das Bauelement 1 weist zwei Wicklungen und einen Träger 7 auf. Insbesondere weist das Bauelement eine Primärwicklung 8 und eine

Sekundärwicklung 9 auf. Die Primärwicklung 8 weist Windungen auf, die eine spiralförmige Wicklung ausbilden. Die

Sekundärwicklung 9 weist ebenfalls Windungen auf, die eine spiralförmige Wicklung ausbilden.

Ferner weist das induktive Bauelement 1 vier Anschlussflächen 4, 5, 10, 11 auf. Die erste und die zweite Anschlussfläche 4, 5 sind mit der Primärwicklung 8 verbunden. Die dritte und die vierte Anschlussfläche 10, 11 sind mit der Sekundärwicklung 9 verbunden. Die vier Anschlussflächen 4, 5, 10, 11 sind an der Unterseite 6 des Bauelements 1 angeordnet und sind an der Unterseite 6 des Bauelements 1 frei von dem Träger 7. Die Anschlussflächen 4, 5, 10, 11 ermöglichen dadurch eine

Oberflächenmontage des Bauelements 1.

Ferner weist das Bauelement 1 den isolierenden Träger 7 auf, in den die Primärwicklung 8 und die Sekundärwicklung 9 integriert sind. Der isolierende Träger 7, die Primärwicklung 8 und die Sekundärwicklung 9 werden in dem additiven

Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei werden der Träger 7 und die Wicklungen 8, 9 in einen einzigen Prozessschritt hergestellt, bei dem sowohl das isolierendes Material, das den Träger 7 für die Wicklungen 8, 9 bildet, als auch das leitfähige Material, das die beiden Wicklungen 8, 9

ausbildet, additiv aufgebracht werden.

Der Planartransformator unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Spule dahingehend, dass bei dem Transformator zwei Wicklungen 8, 9 voneinander galvanisch getrennt in dem Bauelement 1 ausgebildet sind. Der Träger 7, der aus dem isolierenden Material gebildet wird, sorgt sowohl für eine Isolation zwischen der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 als auch für eine Isolation zwischen den einzelnen Windungen der jeweiligen Wicklungen 8, 9. Dadurch können Anforderungen bezüglich Isolationsstrecken innerhalb des Bauelementes 1 genau eingehalten werden. Der zur

Verfügung stehende Platz im Wickelraum kann optimal

ausgenutzt werden. Figur 4 zeigt den Planartransformator in einer

perspektivischen Ansicht, wobei ein magnetischer Kern 12 an dem Planartransformator befestigt wurde. Der magnetische Kern 12 kann beispielsweise aus einem Ferritmaterial bestehen. Der magnetische Kern 12 ist derart angeordnet, dass er von der

Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 umgeben wird. Der magnetische Kern 12 besteht aus zwei Teilen, die fest

miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verkleben.

Bezugszeichenliste

1 induktives Bauelement

2 Wicklung

3 Windung

4 erste Anschlussfläche

5 zweite Anschlussfläche

6 Unterseite

7 Träger

8 Primärwicklung

9 Sekundärwicklung

10 dritte Anschlussfläche 11 vierte Anschlussfläche 12 magnetischer Kern