SMD-Induktivität mit hoher Spitzenstrombelastbarkeit und niedrigen Verlusten und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft SMD-Induktivitäten, also zur Oberflächenmontage geeignete elektrische Bauelemente mit einem ge ^¬ wünschten Induktivitätswert L, sowie Verfahren zur Herstel ^¬ lung solcher Bauelemente.

SMD-Induktivitäten (SMD = Surface Mounted Device = oberflä ^¬ chenmontiertes Bauelement) können in Schaltungen leicht mit anderen Schaltungskomponenten kombiniert werden, da sie auf einfache Weise auf Leiterplatten aufgebracht und mit elektri- sehen Leitern auf der Leiterplatte verschaltet werden können. Im Vergleich zu Induktivitäten, die als strukturierte Leiterbahnabschnitte in oder auf Leiterplatten realisiert sind, weisen SMD-Induktivitäten besonders hohe Güten Q auf. SMD-Induktivitäten sollen geringe Verluste und hohe Spitzen- Strombelastbarkeiten aufweisen. Bisherige Induktivitäten aus Eisenlegierungen werden so hergestellt, dass eine Wicklung mit Material umhüllt und diese dann gepresst wird. Durch diesen Prozess wird der Wickeldraht vorgeschädigt.

Ohnehin sollen SMD-Induktivitäten eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Übliche SMD-Induktivitäten benötigen eine hohe Materialstärke, um ausreichend stabil gegen spezifische Anforderungen, z. B. Drop-Tests, bei denen das Bauelement testweise fallen gelassen wird, bestehen zu können. Übliche SMD-Induktivitäten weisen ferner das Problem auf, dass sie entweder niedrige Verluste oder eine hohe Peak- Strombelastbarkeit aufweisen. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, SMD- Induktivitäten anzugeben, die sowohl eine hohe Peak-Strombe- lastbarkeit als auch niedrige Verluste aufweisen. Ferner sol ^¬ len die Induktivitäten kostengünstig herzustellen sein und mechanisch stabil sein, um die Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung mit der SMD-Induktivität nicht zu gefährden.

Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung solcher Induktivitäten angegeben werden. Diese Aufgaben werden durch die SMD-Induktivität bzw. das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an. Die SMD-Induktivität umfasst ein inneres Kernstück, ein äuße ^¬ res Kernstück und eine Spule mit einem Draht. Das innere Kernstück weist eine Legierung auf. Das äußere Kernstück weist Ferrit auf. Der Draht ist um das innere Kernstück gewi ^¬ ckelt und bildet zusammen mit dem inneren Kernstück die

Spule. Das innere Kernstück mit dem Draht ist im äußeren Kernstück angeordnet.

Zusätzlich kann die SMD-Induktivität externe Anschlüsse auf ^¬ weisen, über die die Spule mit einer externen Schaltungsumge- bung verschaltbar ist.

Das innere Kernstück kann ein DR-Kern sein oder einen ähnlichen Aufbau wie ein DR-Kern aufweisen (DR = DRum-core) . Das innere Kernstück kann dabei eine Eisenlegierung umfassen oder aus einer Eisenlegierung bestehen.

Das äußere Kernstück kann ein RI-Kern sein oder einen Aufbau ähnlich einem RI-Kern haben (RI = RIng-core) .

Es ist möglich, dass das innere Kernstück einen mittleren Abschnitt mit einem runden, ovalen oder polygonförmigen Querschnitt aufweist. Der Draht ist um den mittleren Abschnitt des inneren Kernstücks gewickelt.

Es ist ferner möglich, dass die Legierung des inneren Kernstücks Eisen umfasst.

Es ist ferner möglich, dass die Legierung des inneren Kernstücks ein gesintertes Material umfasst.

Es ist ferner möglich, dass gesintertes Material frei von einem Binder ist.

Das gesinterte Material kann dabei Körner mit einer durch ^¬ schnittlichen Korngröße von wenigen Mikrometern umfassen.

Insbesondere kann die Korngröße der Eisenlegierung der vorliegenden Induktivität kleiner sein als die Korngröße üblicher SMD-Induktivitäten .

Die Körner der Eisenlegierung können dabei voneinander isoliert sein, sodass eine Eisenlegierung mit verringerten Verlusten und dadurch eine SMD-Induktivität mit verbessertem Gü ^¬ tefaktor Q erhalten wird. Die Verwendung kleinerer und einzeln isolierter Körner ermöglicht eine erhöhte Dichte des Materials, wodurch eine erhöhte magnetische Sättigung und verringerte elektrische Verluste beim Betrieb der Induktivität erreicht werden kann.

Es ist möglich, dass der Draht der Spule eine Windungszahl Z mit 1,5 -S Z < 100 aufweist. Durch die Wahl des Materials des inneren Kernstücks, des äußeren Kernstücks und der Windungs ^¬ zahl der Spule kann die Induktivität L der SMD-Induktivität auf eine einfache Weise eingestellt werden.

Es ist möglich, dass das Material des inneren Kernstücks Si ^¬ lizium und Eisen umfasst. Ein inneres Kernstück mit Silizium und Eisen ist dabei bevorzugt, wobei der Eisengehalt vorzugs ^¬ weise deutlich größer als der Siliziumgehalt des inneren Kernstücks ist. Kernstücke ohne Silizium sind auch möglich.

Die SMD-Induktivität kann so Induktivitätswerte L zwischen 0,3 und 100 μΗ aufweisen. Neben dem oben genannten Draht der Spule kann die Induktivität noch einen oder mehrere zusätzliche Drähte aufweisen. Der eine zusätzliche Draht oder die mehreren zusätzlichen Drähte können dabei in Serie oder parallel mit dem oben genannten Draht verschaltet sein. In einer speziellen Ausführungsform sind alle Drähte der Induktivität parallel verschaltet. Kom ^¬ binationen von Serien- und Parallelverschaltungen sind auch möglich .

Die Gesamtzahl an Drähten kann 100 oder mehr betragen.

Alle einzelnen Drähte können z.B. in einer Parallelschaltung zu einer Litze zusammengefasst sein. Die Litze mit den ein ^¬ zelnen Drähten kann um das innere Kernstück gewickelt sein. Der Draht, der Draht und die zusätzlichen Drähte und/oder die Litze können dabei insbesondere um den mittleren Abschnitt des inneren Kernstücks gewickelt sein, wenn das innere Kern ^¬ stück einen mittleren Abschnitt aufweist.

Es ist möglich, dass das äußere Kernstück eine äußere Wand mit einer Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung hat eine erste Fläche und eine zweite Fläche, die nicht parallel zur ersten Fläche ist. Der Übergang von der ersten Fläche zur zweiten Fläche ist zur Vermeidung von Spannungsrissen asymmetrisch bezüglich einer Winkelhalbierenden zu beiden Flächen geformt.

Das äußere Kernstück beherbergt das innere Kernstück mit der Spule. Damit die Spule mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist, müssen elektrische Kontakte zur äußeren

Oberfläche der SMD-Induktivität geführt sein. Dieser Kontakt kann durch die Ausnehmung in der äußeren Wand des äußeren Kernstücks geführt sein. Problematisch an üblichen SMD- Induktivitäten ist eine Ausnehmung in einer äußeren Wand des äußeren Kernstücks, weil an Kanten der Ausnehmung mechanisch induzierte Spannungsrisse auftreten können, wenn die SMD- Induktivität äußeren Kräften, z. B. der Beschleunigung oder der Verzögerung bei einem Drop-Test, ausgesetzt sind. Zwei nicht parallele Flächen schneiden sich in einer Geraden. Zu diesen beiden Flächen gibt es eine weitere Fläche, die die ersten beiden Flächen entlang dieser Geraden schneidet und die denselben Winkel mit jeder der beiden ersten Flächen einschließt. Die Schnittgerade stellt dabei die Kante einer Aus- nehmung dar, die besonders durch mechanische Beeinflussung gefährdet ist. Der genannte Übergang kann anstelle einer scharfen Kante vorgesehen und insbesondere unsymmetrisch bezüglich der Winkelhalbierenden ausgestaltet sein, um solchen Spannungsrissen vorzubeugen .

Der Übergang kann dabei Übergangsmaße a und b aufweisen, die voneinander unterschiedlich sind (a + b) .

Insbesondere kann die Kante der Ausnehmung durch ein Aufei- nandertreffen zweier zueinander senkrechter Oberflächen durch die Ausbildung des Übergangs entschärft werden.

Die Spitzenstrombelastbarkeit W ist das Produkt aus Indukti ^¬ vität L und dem Quadrat des Stroms: W = L * I ² .

Eine hohe Spitzenstrombelastbarkeit definiert sich durch einen Energiegehalt L * I ² mit L = 0,9 * Lo . Dabei ist Lo die Induktivität ohne Strom, I ist der Strom, bei dem L = 0,9 * Lo ist.

Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 12 mm x 12 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 1,2 mWs sein . Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 10 mm x 10 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,45 mWs sein.

Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von 7 mm x 7 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,36 mWs sein. Bei einem Bauelement mit einer Grundfläche von von 6 mm x 6 mm kann die Spitzenstrombelastbarkeit größer oder gleich 0,25 mWs sein.

Das entsprechende Bauelement kann dabei eine rechteckige Grundfläche haben.

Es ist möglich, dass die Verluste, z. B. bei einer Frequenz von 300 kHz, bei 30 mT und bei 20 °C, geringer oder gleich 600 kW/m ³ im Kernmaterial sind.

Ein Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines inneren Kernstücks aus einer Legierung, eines äußeren Kernstücks aus Ferrit und eines Drahts,

- Aufwickeln des Drahts auf das innere Kernstück zu einer Spule,

- Anordnen des inneren Kernstücks mit der Spule im äußeren Kernstück,

- Verschalten der Spule mit externen Anschlüssen.

Im Gegensatz zur Herstellung üblicher SMD-Induktivitäten, bei denen der Draht der Wicklung von einem Material umhüllt und nach Zusammendrücken darin eingebettet ist, ist die Gefahr der Beschädigung des Drahts beim Aufwickeln auf das innere Kernstück quasi eliminiert. Dadurch, dass Vorrichtungen zum Wickeln von Spulen für ähnliche Bauelemente mit geringen Modifikationen zur Herstellung der vorliegenden Induktivitäten Verwendung finden können, ergibt sich ein einfach und kostengünstig zu realisierendes Verfahren zur Herstellung von SMD- Induktivitäten mit verbesserter Ausfallsicherheit der Induktivitäten . Es ist möglich, dass der Draht der Spule mittels Schweiß- o- der Lötverfahren mit den externen Anschlüssen, mit denen die Induktivität mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden kann, verbunden wird.

Das innere Kernstück selbst kann durch Pressen oder durch Pressen und Abrunden oder durch Pressen und Schleifen hergestellt sein.

Die SMD-Induktivität und das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität werden durch die schematischen Figuren und gezeigten Ausführungsbeispiele, die die Gegenstände der vor ^¬ liegenden Anmeldungen nicht einschränken, näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 : einen Schnitt durch eine Sagittalebene einer sche ^¬ matisch gezeigten SMD-Induktivität SMDI,

Figur 2: einen Vergleich mit einem üblichen Bauelement mit gequetschter Wicklung,

Figur 3: einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines mögli chen inneren Kernstücks,

Figur 4 : einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines inno ^¬ vativen inneren Kernstücks,

Figur 5: einen Schnitt durch eine Sagittalebene eines weite ren möglichen inneren Kernstücks,

Figur 6: einen Schnitt durch eine Transversalebene eines möglichen inneren Kernstücks, Figur 7: einen Schnitt durch eine Transversalebene eines al ^¬ ternativen inneren Kernstücks,

Figur 8: eine perspektivische Ansicht eines möglichen inne- ren Kernstücks,

Figur 9: eine mögliche einfache Ausführungsform eines äuße ^¬ ren Kernstücks mit einem Mantel, Figur 10: eine perspektivische Ansicht eines äußeren Kern ^¬ stücks mit einer Ausnehmung,

Figur 11: eine perspektivische Darstellung eines möglichen äußeren Kernstücks, bei dem eine Kante der Ausneh- mung durch einen gerundeten Übergang zur Verringerung der Gefahr von Spannungsrissen ersetzt ist,

Figur 12: die perspektivische Darstellung der Anordnung

zweier Ebenen und des dazu orientierten Übergangs,

Figur 13: eine perspektivische Ansicht eines möglichen äuße ^¬ ren Kernstücks,

Figur 14: eine perspektivische Ansicht einer möglichen SMD- Induktivität mit einem Schnitt durch eine Sagittal- ebene,

Figur 15: die Abhängigkeit des Induktivitätswertes L vom

Strom im Vergleich zur Induktivität L _konv einer üblichen SMD-Induktivität , Figur 16: den frequenzabhängigen Verlauf der Güte Q im Vergleich zur Güte Q _k onv einer üblichen SMD- Induktivität . Figur 1 illustriert den grundsätzlichen Aufbau der SMD-

Induktivität SMDI . Die Induktivität umfasst ein inneres Kern ^¬ stück IK, einen Draht D und ein äußeres Kernstück AK. Der Draht D ist um das innere Kernstück IK gewickelt und bildet die Spule SP der SMD-Induktivität SMDI. Der Draht D kann einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Form des Querschnitts des Drahts bleibt beim Aufwickeln um den inneren Kern IK praktisch unverändert. Die Gefahr von Kurzschlüssen innerhalb der Spule SP ist deutlich verringert. Im Vergleich dazu zeigt Figur 2 die Anordnung des zu einer Spule SP gewickelten Drahts D in einer üblichen SMD- Induktivität. Dabei wird der Draht zusammen mit einem Matrix- Material M in eine gewünschte Form gequetscht, wobei sich die Form des Querschnitts des Drahts ändert. Insbesondere durch das Quetschen besteht die Gefahr von Kurzschlüssen innerhalb der Spule SP, wodurch die Zuverlässigkeit der Induktivität deutlich verringert ist.

Figur 3 zeigt eine mögliche Form des inneren Kerns IK. Der innere Kern IK hat einen mittleren Abschnitt MA, der die Form eines Zylinders haben kann oder dessen Form der eines Zylinders ähnelt. Das innere Kernstück hat ferner einen unteren Abschnitt UA und einen oberen Abschnitt OA, zwischen denen der mittlere Abschnitt MA angeordnet ist. Dadurch erhält das innere Kernstück IK eine Form, auf die der Draht für die Spule einfach aufgewickelt werden kann. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der untere Abschnitt und der obere Abschnitt abgerundete Kanten aufweisen . Figur 5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des inne ^¬ ren Kernstücks, bei dem zusätzlich zum unteren und zum oberen Abschnitt auch der mittlere Abschnitt beim Übergang zu den äußeren Abschnitten abgerundete Kanten aufweist. Figur 6 zeigt einen möglichen Querschnitt durch eine Trans ^¬ versalebene in Form eines Kreises. Ist der Durchmesser des Kreises über die gesamte Länge des mittleren Abschnitts MA konstant, so ist der mittlere Abschnitt MA ein Zylinder. Figur 7 zeigt einer alternative Ausführungsform, bei der der Querschnitt durch eine Transversalebene im Wesentlichen ein Oval mit abschnittsweise geraden Seitenkanten darstellt.

Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines möglichen inneren Kernstücks, wobei der obere Abschnitt OA und (auf der perspektivischen Ansicht nicht sichtbar) im unteren Abschnitt UA eine rotationssymmetrische Ausnehmung vorhanden ist.

Figur 9 zeigt eine einfache Ausführungsform eines äußeren Kernstücks als Hohlzylinder mit einem oberen Rand OR.

Figur 10 zeigt eine mögliche Form des äußeren Kernstücks, bei dem eine Ausnehmung AU in der Mantelfläche des Hohlzylinders vorgesehen ist, über die die Spule der Induktivität mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltbar ist. Die Ausnehmung AU umfasst dabei zwei Kanten am oberen Rand OR und zwei wei ^¬ tere Kanten K, von denen jede durch die Schnittgerade zweier zueinander senkrechten Ebenen definiert ist. Die in Figur 10 gezeigten Kanten K bergen das größte Potenzial für Spannungs ^¬ risse für den Fall, dass die Induktivität äußeren Kräften ausgesetzt wird. Figur 11 zeigt eine Ausführungsform des äußeren Kerns zur

Vermeidung von Spannungsrissen, wobei zumindest eine der beiden unteren Kanten durch einen Übergang UG entschärft ist. Der Übergang UG stellt eine kantenlose Verbindung der beiden senkrechten Ebenen dar. Ein solcher Übergang wird durch zwei Übergangsparameter a, b beschrieben. Der Übergangsparameter a beschreibt die Strecke, die der Übergang in vertikaler Richtung überbrückt. Der Parameter b beschreibt die Strecke, die der Übergang in horizontaler Richtung überbrückt. Sind die Werte für a und b nicht gleich, ist der Übergang asymmet- risch, was zu einer weiteren Verbesserung der mechanischen Zuverlässigkeit der Induktivität führt.

Analog zum Ersatz der einen Kante K durch den Übergang UG können auch eine oder mehrere der übrigen Kanten K durch ei- nen solchen kontinuierlichen Übergang ersetzt sein.

Figur 12 illustriert die räumlichen Beziehungen zwischen den beiden durch den Übergang zu verbindenden Ebenen und dem Übergang UG. Eine ohne Übergang vorhandene Kante K wird durch den kontinuierlichen Übergang UG an der Stelle ersetzt, an der die Flächen YZ und XZ zusammentreffen sollen.

Figur 13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines möglichen äußeren Kernstücks mit zwei Ausnehmungen, wobei jede Ausneh- mung mehrere Übergänge aufweist.

Figur 14 zeigt die perspektivische Ansicht einer durch eine Sagittalebene geschnittene Induktivität mit einem inneren Kernstück IK, um das ein Draht D zu einer Spule SP gewickelt ist. Das innere Kernstück IK mit der Spule ist in ein äußeres Kernstück AK eingebettet. Über externe Anschlüsse EA, die durch Ausnehmungen im äußeren Kernstück AK geführt sein kön- nen, ist die Spule mit einer externen Schaltungsumgebung ver- schaltbar .

Figur 15 zeigt den Verlauf der stromabhängigen Induktivität L im Vergleich zur Induktivität L _konv einer konventionellen In- duktivität.

Figur 16 zeigt den frequenzabhängigen Verlauf der Güte Q im Vergleich zur Güte Q _k onv einer konventionellen SMD- Induktivität .

Die SMD-Induktivität oder das Verfahren zur Herstellung einer SMD-Induktivität sind durch die beschriebenen oder gezeigten Ausführungen nicht beschränkt. Induktivitäten mit zusätzlichen Elementen, z. B. Halterungen oder einem Matrix-Material, das den aufgewickelten Draht umgibt, stellen ebenso Ausführungsbeispiele dar.

Bezugs zeichenliste a, b: Übergangsparameter

AK: äußeres Kernstück

AU: Ausnehmung

D: Draht

EA: externer Anschluss

f: Frequenz

IDC: Stromstärke eines Gleichstroms

IK: inneres Kernstück

K: Kante

L, L _konv : Induktivitätswert

M: Matrix-Material

MA: mittlerer Abschnitt

OA: oberer Abschnitt

OR: oberer Rand

Q, Qkon _V : Gütefaktor

SMDI: SMD-Induktivität

SP: Spule

UA: unterer Abschnitt

UG: Übergang

YZ, XZ : durch einen Übergang zu verbindende Flächen