DE10154833A1 - Inductor and process for its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktor, der aufweist eine Spule mit in mindestens einer oberen Metallschicht ausgebildeten oberen Leiterbahnen und in mindestens einer unteren Metallschicht ausgebildeten unteren Leiterbahnen, Verbindungsleitungen, die die oberen Leiterbahnen und die unteren Leiterbahnen miteinander verbinden, und einen Kern aus einem magnetischen Material. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Induktors. The invention relates to an inductor that has a coil with at least one upper metal layer trained upper conductor tracks and in at least one lower metal layer formed lower conductor tracks, Connection lines connecting the upper conductor tracks and the lower ones Connect interconnects, and a core from one magnetic material. The invention further relates to a method for producing such an inductor.
Für die Herstellung von Gleichstromwandlern bzw. DC/DC-Wandlern werden Induktoren benötigt. Problematisch ist hierbei die Integration der Induktoren in z. B. Leiterplatten oder integrierte Schaltkreise. Für geringere Stromstärken, z. B. in der Signalverarbeitung, wird nur eine geringere Induktivität benötigt, die z. T. durch im wesentlichen zweidimensional ausgebildete Induktoren erreicht werden kann, wie sie z. B. in der US 6,114,937 und US 5,717,243 gezeigt sind. Für Leistungsanwendungen, z. B. in DC/DC-Wandlern der Stromversorgung von Mobilfunkgeräten, werden hingegen höhere Induktivitäten benötigt. Für derartige Induktoren wird in der Regel ein erheblicher zusätzlicher Bauraum benötigt, was insbesondere im Mobilfunkbereich problematisch ist. For the production of DC converters or DC / DC converters, inductors are required. This is problematic the integration of the inductors in z. B. printed circuit boards or integrated circuits. For lower currents, e.g. B. in signal processing, will only have a lower inductance needed, the z. T. by essentially two-dimensional trained inductors can be achieved, such as. B. in US 6,114,937 and US 5,717,243. For Power applications, e.g. B. in DC / DC converters of the power supply of mobile devices, however, are higher inductances needed. For such inductors there is usually a considerable additional space is required, which is particularly important in Cellular area is problematic.
Die US 5,978,231 zeigt einen Induktor der eingangs genannten Art. Der Induktor ist hierbei in einer Leiterplatte ausgebildet, wobei Leiterbahnen in verschiedenen Metallschichten der Leiterplatte ausgebildet und über senkrechte Verbindungsleitungen zu einer Spule verbunden werden. Hierbei ist eine Zwischenschicht mit einem magnetischen Material zwischen den Metallschichten vorgesehen, um die Induktivität zu erhöhen. Allerdings ist die erreichbare Induktivität derartiger Induktoren ebenfalls beschränkt. Weiterhin ist die Integration eines derartigen Induktors in einen integrierten Schaltkreis aufgrund der geringen erreichbaren Induktivitäten problematisch. US 5,978,231 shows an inductor of the type mentioned Art. The inductor is in a circuit board formed, conductor tracks in different metal layers of the Printed circuit board and over vertical Connection lines to be connected to a coil. Here is one Interlayer with a magnetic material between the Metal layers are provided to increase the inductance. However, the achievable inductance is more Inductors also limited. Furthermore, the integration of one such inductor in an integrated circuit problematic due to the low achievable inductances.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber bekannten Induktoren Verbesserungen zu schaffen und insbesondere einen Induktor zu schaffen, der mit geringem Bauraum und dennoch mit einer hohen Induktivität ausgebildet werden kann. Dies soll vorteilhafterweise mit relativ geringem Aufwand möglich sein. The invention has for its object over known Inductors to create improvements and especially one To create an inductor with a small space and yet can be formed with a high inductance. This should advantageously be possible with relatively little effort his.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Induktor gelöst, indem der Kern ringförmig mit einer von dem magnetischen Material umgebenen Aussparung ausgebildet ist, und äußere Verbindungsleitungen außerhalb der Aussparung und innere Verbindungsleitungen durch die Aussparung verlaufen. This task is performed with the inductor mentioned at the beginning solved by making the core annular with one of the magnetic material surrounding recess is formed, and outer connecting lines outside the recess and inner Connection lines run through the recess.
Erfindungsgemäß kann somit die Menge des benötigten magnetischen Materials gering gehalten werden und eine kompakte Ausbildung in einer Schichtstruktur mit hoher Induktivität erreicht werden. Das magnetische Material ist erfindungsgemäß hierbei ringförmig geschlossen und in einer Spule aufgenommen, die durch die Leiterbahnen der Metallschichten und innere und äußere Verbindungsleitungen gebildet wird. In den Bereichen der Metallschichten, in denen keine Leiterbahnen als Teil der Spule ausgebildet sind, können hierbei weitere Strukturen ausgebildet werden oder weitere Komponenten angeordnet werden. Da das Magnetfeld nicht durch die Luft verläuft, werden weitere Komponenten nicht beeinflusst. Somit kann auf relativ kostengünstige Weise eine kompakte integrierte Ausbildung mit hoher Induktivität erreicht werden. According to the invention, the amount of required magnetic material can be kept low and a compact Training in a layer structure with high inductance can be achieved. The magnetic material is according to the invention closed in a ring and in a coil added by the conductor tracks of the metal layers and inner and outer connecting lines is formed. In the Areas of the metal layers in which there are no conductor tracks are formed as part of the coil, more can Structures are formed or other components to be ordered. Because the magnetic field is not through the air further components are not affected. Consequently can be a compact in a relatively inexpensive way integrated training with high inductance can be achieved.
Die unteren und oberen Leiterbahnen können jeweils parallel und unter einem Winkel zueinander, oder jeweils sternförmig ausgebildet werden, so dass die Verbindungsleitungen senkrecht verlaufen können. The lower and upper conductor tracks can each be parallel and at an angle to each other, or each star-shaped be formed so that the connecting lines can run vertically.
Erfindungsgemäß kann der Induktor sowohl in einer mehrschichtigen Leiterplatte als auch in einem Chip bzw. integrierten Schaltkreis ausgebildet werden. According to the invention, the inductor can be used in one multilayer printed circuit board as well as in a chip or integrated Circuit are trained.
Bei der Integration in einer Leiterplatte wird in der Leiterplatte ein Freiraum ausgebildet, in den der Kern eingesetzt wird. Eine derartige Ausbildung kann gemäß einer Ausführungsform erfolgen, indem zunächst die mittleren Metallschichten in der Leiterplatte integriert werden, der Freiraum in der Leiterplatte ausgebildet wird, der Kern in den Freiraum eingesetzt wird, die unteren und oberen Metallschichten ausgebildet werden und die Bohrungen für die Verbindungsleitungen durch die Leiterplatte ausgebildet werden. Alternativ hierzu kann der Freiraum auch nach Ausbildung der unteren und mittleren Metallschichten von einer Seite durch die Trägerschichten der Leiterplatte gebohrt werden und nach Einsetzen des Kerns die letzte Metallschicht aufgetragen und mit einer der vorher ausgebildeten Metallschichten verbunden werden. When integrating into a circuit board, the Printed circuit board formed a space in which the core is inserted becomes. Such training can be according to one Embodiment take place by first the middle metal layers be integrated in the circuit board, the free space in the Printed circuit board is formed, the core in the free space is used, the lower and upper metal layers are trained and the holes for the connecting lines be formed by the circuit board. Alternatively the space can also be formed after training the lower and middle metal layers from one side through the Carrier layers of the circuit board are drilled and after inserting the Kerns applied the last metal layer and with one of the previously formed metal layers are connected.
Eine integrierte Schaltung mit dem erfindungsgemäßen Induktor kann geschaffen werden, indem auf einem Substrat eine Isolationsschicht, vorzugsweise eine Oxidschicht, ausgebildet wird, auf der Isolationsschicht die unteren Leiterbahnen aufgetragen werden, mittlere Isolationsschichten aufgetragen werden, in den Isolationsschichten ein Freiraum ausgebildet wird, in dem Freiraum das Material mit hoher magnetischer Permeabilität aufgetragen wird, eine obere Isolationsschicht ausgebildet wird, und nachfolgend die oberen Leiterbahnen aufgetragen werden. An integrated circuit with the inductor according to the invention can be created by placing a on a substrate Insulation layer, preferably an oxide layer the lower conductor tracks on the insulation layer medium insulation layers are applied become, a free space is formed in the insulation layers, in the free space the material with high magnetic Permeability is applied to an upper layer of insulation is formed, and subsequently the upper conductor tracks be applied.
Hierbei werden - anders als bei der Ausführungsform mit der Leiterplatte - die Verbindungsleitungen bevorzugt während der Ausbildung der mittleren Isolationsschicht ausgebildet. Here - unlike the embodiment with the Printed circuit board - the connecting lines preferred during the Formation of the middle insulation layer formed.
Um eine sichere Verbindung der oberen und unteren Leiterbahnen mit geringem ohmschen Widerstand zu erhalten, können zwischen den Anschlusspunkten jeweils mehrere Verbindungsleitungen ausgebildet werden. To securely connect the top and bottom Can obtain conductor tracks with low ohmic resistance several between the connection points Connection lines are formed.
Aufgrund der relativ geringen erforderlichen Schichtdicke des magnetischen Materials kann somit der Induktor unter Verwendung bekannter Beschichtungstechniken und einer magnetischen Schicht hergestellt werden. Due to the relatively small layer thickness required The inductor can thus be under magnetic material Use of known coating techniques and a magnetic one Layer.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described with reference to the accompanying Drawings explained in some embodiments. It demonstrate:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Induktors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Figure 1 is a perspective view of an inductor according to a first embodiment of the invention.
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung von Fig. 1 mit der Ausbildung der Leiterbahnen; FIG. 2 shows an enlarged detail of FIG. 1 with the formation of the conductor tracks;
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Induktor von Fig. 1 und 2; Fig. 3 is a top view of the inductor of Figs. 1 and 2;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte bei Herstellung eines Induktors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4 is a perspective view of a circuit board in manufacturing an inductor according to a second embodiment of the invention;
Fig. 5 einen Querschnitt durch die Anordnung von Fig. 4; Fig. 5 shows a cross section through the arrangement of Fig. 4;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Anordnung gemäß einem der Fig. 5 nachfolgenden Verfahrensschritt; FIG. 6 shows a cross section through an arrangement according to a method step subsequent to FIG. 5;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Kerns und der Leiterbahnen eines Induktors der zweiten Ausführungsform. Fig. 7 is a perspective view of the core and the conductor tracks of an inductor of the second embodiment.
In den Fig. 1 bis 3 ist hierbei die Leiterplatte mit den Trägerschichten und den integrierten mittleren Metallschichten zunächst nicht gezeigt. Gemäß Fig. 1 weist ein Induktor einen magnetischen Kern 1 aus einem magnetischen, d. h. ferromagnetischen, Material auf, der ringförmig beziehungsweise toroidal ausgebildet ist mit einer Aussparung 5, die von dem magnetischen Material umgeben ist. Der magnetische Kern 1 ist hierbei in einem Freiraum in den Trägerschichten der vierschichtigen Leiterplatte zwischen einer unteren Metallschicht mit unteren Leiterbahnen 3 und einer oberen Metallschicht mit oberen Leiterbahnen 2 angeordnet. Die unteren Leiterbahnen 3sowie die oberen Leiterbahnen 2 verlaufen hierbei gemäß Fig. 3 jeweils parallel. Sie sind durch senkrecht verlaufende innere Verbindungsleitungen 6 und äußere Verbindungsleitungen 4 miteinander derartig verbunden, dass eine Spule mit im wesentlichen schraubenförmigem Verlauf gebildet wird, in deren Innenraum ein Teilbereich des ringförmigen Kerns 1 verläuft, der außerhalb der Spule geschlossen wird. In Figs. 1 to 3, the circuit board in this case is not shown with the carrier layers and the integrated middle metal layers initially. According to FIG. 1, an inductor has a magnetic core 1 made of a magnetic, ie ferromagnetic, material which is ring-shaped or toroidal with a recess 5 which is surrounded by the magnetic material. The magnetic core 1 is arranged in a free space in the carrier layers of the four-layer circuit board between a lower metal layer with lower conductor tracks 3 and an upper metal layer with upper conductor tracks 2 . The lower conductor tracks 3 and the upper conductor tracks 2 each run parallel in accordance with FIG. 3. They are connected to one another by vertically running inner connecting lines 6 and outer connecting lines 4 in such a way that a coil with an essentially helical course is formed, in the interior of which a partial area of the annular core 1 runs, which is closed outside the coil.
Die Herstellung kann zum einen erfolgen, indem bei der Herstellung der Leiterplatte zunächst die mittleren Metallschichten zwischen den Trägerschichten integriert werden. Anschließend wird ein Freiraum durch die Leiterplatte gebohrt mit der Größe des Außendurchmessers des magnetischen Kerns in einem Bereich, wo keine zweite oder dritte Metallschicht ausgebildet ist. Der Kern mit einer Dicke von 1,1 mm wird in den Freiraum eingesetzt und der verbleibende Freiraum mit Epoxy- Harz aufgefüllt. Dann werden die äußeren Metallschichten, d. h. die erste und vierte Metallschicht, mit den gezeigten parallelen Leiterbahnen 2 und 3 ausgebildet. Nachfolgend werden Bohrungen durch die Leiterplatte ausgebildet, in die die inneren und äußeren Verbindungsleitungen 4, 6 eingesetzt und mit den Leiterbahnen kontaktiert werden. On the one hand, production can take place by initially integrating the middle metal layers between the carrier layers when producing the printed circuit board. Subsequently, a free space is drilled through the circuit board with the size of the outer diameter of the magnetic core in an area where no second or third metal layer is formed. The core with a thickness of 1.1 mm is inserted into the free space and the remaining free space is filled with epoxy resin. Then the outer metal layers, ie the first and fourth metal layers, are formed with the parallel conductor tracks 2 and 3 shown. Bores are subsequently formed through the circuit board, into which the inner and outer connecting lines 4 , 6 are inserted and contacted with the conductor tracks.
In den Fig. 4 bis 7 ist ein hierzu alternatives Herstellungsverfahren gezeigt, bei dem gemäß Fig. 4 und 5 zunächst eine Leiterplatte mit einer unteren Metallschicht 9, ersten Trägerschicht bzw. Epoxy-Schicht 10, zweiten Metallschicht 11, zweiten Trägerschicht bzw. Epoxy-Schicht 12, dritten Metallschicht 13 und dritten Trägerschicht bzw. Epoxy-Schicht 14 hergestellt wird. Dies kann durch ein Standard-Herstellungsverfahren für eine Leiterplatte mit drei Epoxy-Schichten und vier Metallschichten erfolgen, wobei die vierte - oberste - Metallschicht zunächst noch nicht aufgetragen wird. In der unteren Metallschicht 9 sind untere Leiterbahnen 20 im wesentlichen sternförmig ausgerichtet. In Figs. 4 to 7, a this alternative manufacturing process is shown in which according to Fig. 4 and 5 first of all a circuit board having a lower metal layer 9, first carrier layer or epoxy layer 10, second metal layer 11, second carrier layer or epoxy Layer 12 , third metal layer 13 and third carrier layer or epoxy layer 14 is produced. This can be done by a standard manufacturing process for a printed circuit board with three epoxy layers and four metal layers, whereby the fourth - topmost - metal layer is not yet applied. In the lower metal layer 9 , lower conductor tracks 20 are aligned essentially in a star shape.
Anschließend wird ein Freiraum 15 von oben durch die Schichten 14, 13, 12, 11 und einen Teil der ersten Epoxy-Schicht 10 gebohrt. Der hier gezeigte Freiraum 15 weist einen runden Querschnitt auf; es kann jedoch auch z. B. der in den Fig. 1 bis 3 gezeigte rechteckige Querschnitt ausgebildet werden. Zum Ausbohren kann bevorzugt ein Bohrkopf mit einem Winkel von 90 Grad verwendet werden, um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. In der ersten Epoxy-Schicht 10 wird eine untere Isolatorschicht 16 am Boden des Freiraums 15 nicht ausgebohrt. A free space 15 is then drilled from above through the layers 14 , 13 , 12 , 11 and part of the first epoxy layer 10 . The free space 15 shown here has a round cross section; however, it can also be e.g. B. the rectangular cross section shown in FIGS. 1 to 3 are formed. A boring head with an angle of 90 degrees can preferably be used for boring in order to achieve the required accuracy. In the first epoxy layer 10 , a lower insulator layer 16 is not drilled out at the bottom of the free space 15 .
Anschließend wird gemäß Fig. 6 ein ringförmiger magnetischer Kern 17 mit einer Aussparung 5 in den Freiraum 15 gesetzt. Dann wird der Freiraum einschließlich der Aussparung des Kerns mit Epoxy-Harz als Füllmaterial aufgefüllt. Danach wird die vierte Metallschicht mit oberen Leiterbahnen 19 ausgebildet. Anschließend werden Bohrungen zwischen den unteren Leiterbahnen 20 und den oberen Leiterbahnen 19 durch das Epoxy- Harz gebohrt bis zu der unteren Metallschicht 9, ohne die unteren Leiterbahnen 20 zu zerstören. In die Bohrungen werden äußere Verbindungsleitungen 22 und innere Verbindungsleitungen 21 eingebracht, die mit den Leiterbahnen 19, 20 die Wicklung bilden. In Fig. 7 ist hierzu der Anschaulichkeit halber eine perspektivische Darstellung des Kerns mit Leiterbahnen und Verbindungsleitungen dargestellt, wobei der Anschluss an die Anschlussleitung 8 nicht gezeigt ist. Fig an annular magnetic core is then mutandis. 6 set 17 with a recess 5 in the free space 15. Then the space including the recess in the core is filled with epoxy resin as filler. The fourth metal layer is then formed with upper conductor tracks 19 . Then holes between the lower conductor tracks 20 and the upper conductor tracks 19 are drilled through the epoxy resin to the lower metal layer 9 without destroying the lower conductor tracks 20 . Outer connecting lines 22 and inner connecting lines 21 are introduced into the bores and form the winding with the conductor tracks 19 , 20 . For the sake of clarity, FIG. 7 shows a perspective view of the core with conductor tracks and connecting lines, the connection to the connecting line 8 not being shown.
Alternativ hierzu können bei der vierschichtigen Leitplatte je nach Dicke des einzusetzenden Kerns z. B. auch die zweite und vierte Metallschicht Metallschicht durch die Verbindungsleitungen zu der Spule verbunden werden. Alternatively, the four-layer guide plate depending on the thickness of the core to be used z. B. also the second and fourth metal layer through the metal layer Connection lines to the coil are connected.
Claims (17)
eine Spule mit in mindestens einer oberen Metallschicht ausgebildeten oberen Leiterbahnen (2; 19) und in mindestens einer unteren Metallschicht ausgebildeten unteren Leiterbahnen (3; 20),
Verbindungsleitungen (4, 6; 21, 22), die die oberen Leiterbahnen (2; 19) und die unteren Leiterbahnen (3; 20) miteinander verbinden, und
einen Kern (1; 17) aus einem magnetischen Material,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (1; 17) ringförmig mit einer von dem magnetischen Material umgebenen Aussparung (5) ausgebildet ist, und
äußere Verbindungsleitungen außerhalb der Aussparung (5) und innere Verbindungsleitungen (6, 21) durch die Aussparung (5) verlaufen. 1. inductor comprising:
a coil with upper conductor tracks ( 2 ; 19 ) formed in at least one upper metal layer and lower conductor tracks ( 3 ; 20 ) formed in at least one lower metal layer,
Connection lines ( 4 , 6 ; 21 , 22 ) which connect the upper conductor tracks ( 2 ; 19 ) and the lower conductor tracks ( 3 ; 20 ) to each other, and
a core ( 1 ; 17 ) made of a magnetic material,
characterized in that
the core ( 1 ; 17 ) is ring-shaped with a recess ( 5 ) surrounded by the magnetic material, and
outer connecting lines outside the recess ( 5 ) and inner connecting lines ( 6 , 21 ) run through the recess ( 5 ).
die Trägerschichten mit integrierten mittleren Metallschichten ausgebildet werden,
ein Freiraum in den Trägerschichten ausgebildet wird,
der magnetische Kern in dem Freiraum angeordnet und mit einem Füllmaterial aufgefüllt wird,
die obere Metallschicht mit den oberen Leiterbahnen und die untere Metallschicht mit den unteren Leiterbahnen ausgebildet wird,
die Bohrungen durch die Trägerschichten ausgebildet werden, und
die Verbindungsleitungen in den Bohrungen ausgebildet werden. 13. A method of manufacturing an inductor according to any one of claims 7 to 10, in which
the carrier layers are formed with integrated middle metal layers,
a free space is formed in the carrier layers,
the magnetic core is arranged in the free space and filled with a filling material,
the upper metal layer is formed with the upper conductor tracks and the lower metal layer with the lower conductor tracks,
the holes are formed through the carrier layers, and
the connecting lines are formed in the holes.
die Trägerschichten (10, 12, 14) mit integrierten mittleren Metallschichten (11, 13) und der unteren Metallschicht (9) ausgebildet werden,
ein Freiraum (15) in den Trägerschichten ausgebildet wird,
der ringförmige magnetische Kern (17) in dem Freiraum (15) angeordnet und mit dem Füllmaterial aufgefüllt wird,
die obere Metallschicht mit den oberen Leiterbahnen (19) ausgebildet wird,
die Bohrungen durch die Trägerschichten (10, 12, 14) zwischen der oberen Metallschicht und der unteren Metallschicht (9) oder zwischen der oberen Metallschicht und einer mittleren Metallschicht ausgebildet werden, und
die Verbindungsleitungen (21, 22) in den Bohrungen ausgebildet werden. 14. A method of manufacturing an inductor according to any one of claims 7 to 10, in which
the carrier layers ( 10 , 12 , 14 ) are formed with integrated middle metal layers ( 11 , 13 ) and the lower metal layer ( 9 ),
a free space ( 15 ) is formed in the carrier layers,
the annular magnetic core ( 17 ) is arranged in the free space ( 15 ) and filled with the filling material,
the upper metal layer is formed with the upper conductor tracks ( 19 ),
the holes are formed through the carrier layers ( 10 , 12 , 14 ) between the upper metal layer and the lower metal layer ( 9 ) or between the upper metal layer and a middle metal layer, and
the connecting lines ( 21 , 22 ) are formed in the bores.
auf der Isolationsschicht die untere Metallschicht mit den unteren Leiterbahnen aufgetragen wird,
die mindestens eine mittlere Isolationsschicht aufgetragen wird,
in der mittleren Isolationsschicht ein Freiraum ausgebildet wird,
das magnetische Material in dem Freiraum aufgetragen wird,
eine obere Isolationsschicht ausgebildet wird, und nachfolgend die obere Metallschicht mit den oberen Leiterbahnen aufgetragen wird. 15. A method for producing an inductor according to claim 11 or 12, in which an insulation layer, preferably an oxide layer, is formed on a substrate,
the lower metal layer with the lower conductor tracks is applied to the insulation layer,
the at least one middle insulation layer is applied,
a free space is formed in the middle insulation layer,
the magnetic material is applied in the free space,
an upper insulation layer is formed, and subsequently the upper metal layer with the upper conductor tracks is applied.
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