DE19860691A1

DE19860691A1 - Magnetpaste

Info

Publication number: DE19860691A1
Application number: DE1998160691
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt; Markus Brunner
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1998-12-29
Publication date: 2000-03-09

Abstract

Eine Magnetpaste zur Herstellung planarer Induktivitäten auf Leiterplatten (7) umfaßt flache Magnetteilchen (1) aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung, die aus einer Magnetfolie hergestellt sind. Auf Leiterplatten (7) ausgebildete Magnetbereiche (8) sind trotz der metallischen Magnetteilchen (1) elektrisch nicht leitend. Die Magnetpaste eignet sich auf für die Verwendung in mehrschichtigen Platinen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetpaste zur Herstellung planarer Induktivitäten mit einer Trägermasse, in die eine Viel zahl weichmagnetischer Magnetteilchen eingebettet ist.

Eine derartige Magnetpaste ist beispielsweise aus der US-A-3,798,059 bekannt. Bei der bekannten Magnetpaste sind die Magnetteilchen aus einem Ferrit hergestellt. Die Ferrit teilchen sind in eine Trägermasse aus Epoxidharz mit zugehö rigem Härter eingebettet. Um auf einer Leiterplatte einen Ma gnetbereich auszubilden, wird die Magnetpaste im Siebdruck verfahren auf die Leiterplatte aufgedruckt. Anschließend wird die Magnetpaste zwischen einer halben bis zu einer ganzen Stunde bei eine Temperatur von 150°C ausgehärtet.

Ein Nachteil einer derartigen Magnetpaste ist deren niedrige Permeabilität. Daher wird viel Platz benötigt, um auf einer Leiterplatte einen Magnetbereich mit hoher Induktivität her zustellen. Der dafür benötigte Platz steht jedoch häufig nicht zur Verfügung, da die Bauelemente auf einer Leiterplat te im allgemeinen dicht gedrängt angeordnet werden sollen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Herstellung kompakter Magnet bereiche mit hoher Induktivität geeignete Magnetpaste zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Magnetteilchen aus einer weichmagnetischen Legierung hergestellt sind.

Weichmagnetische Legierungen weisen häufig eine wesentlich höhere Permeabilität als Ferrite auf. Demnach ist es möglich, mit einer Magnetteilchen aus einer weichmagnetischen Legie rung enthaltenden Magnetpaste Magnetbereiche hoher Induktivi tät auf engem Raum herzustellen. Obwohl die einzelnen Ma gnetteilchen metallische Eigenschaften aufweisen und daher elektrisch leitend sind, ist nicht zu befürchten, daß der aus der Magnetpaste hergestellte Magnetbereich insgesamt elek trisch leitend ist, und daß durch derartige Magnetbereiche Leiterbahnen kurzgeschlossen werden. Es ist somit nicht nö tig, zwischen einem Magnetbereich und einer Leiterbahn eine Isolierschicht vorzusehen. Im allgemeinen reicht die natürli che Oxidschicht auf den metallischen Magnetteilchen und die zwischen den Magnetteilchen vorhandene Trägermasse aus, um die Magnetteilchen gegeneinander zu isolieren.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines für eine Ma gnetpaste verwendbaren Magnetteilchens;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines weiteren für die Magnetpasten geeigneten Magnetteilchens;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen mit der Magnetpaste gebildeten Magnetbereich;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen weiteren mit der Magnetpaste gebildeten Magnetbereich;

Fig. 5 ein Diagramm, das gemessene Induktivitäten von Magnetbereichen bei verschiedenen Frequenzen zeigt;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer mit einem Ma gnetbereich aus der Magnetpaste versehenen ein zelnen Laminat einer mehrschichtigen Leiterplat te;

Fig. 7 einen Querschnitt durch das Laminat aus Fig. 6 entlang der Schnittlinie VII-VII;

Fig. 8 eine Explosionsansicht einer mit einem Magnetbe reich aus der Magnetpaste versehenen mehrschich tigen Leiterplatte;

Fig. 9 einen Querschnitt durch die Leiterplatte aus Fig. 8 entlang der Schnittlinie IX-IX;

Fig. 10 eine Explosionsansicht durch eine weitere mehr schichtige Leiterplatte; und

Fig. 11 eine Explosionszeichnung einer Leiterplatte mit einer dreidimensionalen Wicklung um einen Magnet bereich.

Fig. 1 zeigt ein Magnetteilchen 1, das für eine zur Herstel lung von planaren Induktivitäten auf Leiterplatten verwendba re Magnetpaste geeignet ist. Das in Fig. 1 dargestellte Ma gnetteilchen 1 ist aus einer Magnetfolie aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung hergestellt. Amorphe Legie rungen auf Eisenbasis sind beispielsweise aus der US-A-4,144,058 bekannt. Amorphe weichmagnetische Legierungen auf Kobaltbasis sind zum Beispiel in der EP-A-0 021 101 beschrie ben. Nanokristalline Legierungen gehen schließlich aus der EP-A-0 271 657 hervor. Aus den amorphen und nanokristallinen Legierungen lassen sich Magnetfolien mit Dicken d im Bereich zwischen 15 und 25 µm herstellen. Die so hergestellten Ma gnetfolien werden anschließend durch ein übliches Zerkleine rungsverfahren, beispielsweise durch Mahlen in einer Kugel mühle zerkleinert. Da die Magnetfolien aus den amorphen und nanokristallinen Legierungen spröde sind, kommt es zu zer klüfteten Bruchflächen 2, die scharfe Kanten 3 aufweisen. Die so hergestellten Magnetteilchen 1 weisen somit einerseits ei ne verhältnismäßig flache Oberseite 4 und Unterseite 5 auf, die von scharfen Kanten 3 begrenzt sind. Das in Fig. 1 dar gestellte Magnetteilchen 1 weist Abmessungen a auf, die grö ßer als die Dicke d der ursprünglichen Magnetfolie sind. Auf der flachen Oberseite 4 und der flachen Unterseite 5 befindet sich im allgemeinen eine isolierende Oxidschicht oder Sili katschicht, durch die insbesondere bei Verwendung der Teil chen 1 aus Fig. 1 elektrische Ströme durch die Magnetpaste hindurch verhindert werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres für die Magnetpaste geeignetes aus einer Magnetfolie hergestelltes Magnetteilchen 6. Die äußeren Abmessungen a des Magnetteilchens 6 sind kleiner als die Dic ke d der ursprünglichen Magnetfolie. Das Magnetteilchen 6 er hält man, indem eine Magnetfolie lange in einer Kugelmühle gemahlen wird und der Grobanteil abgesiebt wird. Demgegenüber erhält man das Magnetteilchen 1 aus Fig. 1 durch kurzzeiti ges Mahlen in der Kugelmühle und Absieben des Feinanteils.

Zur Herstellung der Magnetpaste werden die flockenförmigen Magnetteilchen 1 oder 6 mit einer Trägermasse 9 zu einer Ma gnetpaste verrührt. Als Trägermasse 9 kommen insbesondere ein- oder zweikomponentige Harzmassen auf der Basis von Epoxid, Polyurethan oder Silikon in Frage.

Von Bedeutung ist insbesondere das Fließverhalten der verwen deten Trägermasse 9. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen auf einer Leiterplatte 7 aufgebrachten Magnetbereich 8, der mit Hilfe der die Magnetteilchen 1 enthaltenden Magnetpa ste gebildet worden ist. Wenn die Trägermasse 9 eine hohe Viskosität aufweist, findet kein Sedimentationsprozeß nach dem Aufbringen der Magnetpaste auf die Leiterplatte 7 statt, so daß die Magnetteilchen 1 unausgerichtet bleiben. Auf den Magnetbereich 8 aus Fig. 3 darf daher vor dem Aushärten kein Druck ausgeübt werden, da sonst die scharfen Kanten 3 anein anderliegender Magnetteilchen 1 die auf der Oberseite 4 und der Unterseite 5 ausgebildeten isolierenden Schichten durch stoßen und auf diese Weise einen elektrischen Kontakt zwi schen benachbarten Magnetteilchen 1 herstellen, so daß der Magnetbereich 8 insgesamt elektrisch leitend wird.

Wenn die Trägermasse 9 jedoch eine niedrige Viskosität auf weist, neigen die Magnetteilchen 1 dazu, sich flach aufeinan derzustapeln. Dadurch ergibt sich zum einen ein hoher Füll grad an magnetischen Teilchen im Magnetbereich 8, so daß der Magnetbereich 8 insgesamt eine hohe Permeabilität aufweist. Zum anderen beschädigen die flach aufeinanderliegenden Ma gnetteilchen 1 nicht die auf der Oberseite 4 und der Unter seite 5 ausgebildeten isolierenden Schichten benachbarter Ma gnetteilchen 1, so daß sich trotz des Kontakts benachbarter Teilchen kein insgesamt leitender Magnetbereich 8 ausbildet. Außerdem kann der Magnetbereich 8 aus Fig. 4 auch vor dem Aushärten mit Druck belastet werden, ohne daß der Magnetbe reich 8 elektrisch leitend wird. Ein Verdichten der Ma gnetteilchen 1 in der Trägermasse 9 ist somit möglich, was die magnetischen Eigenschaften des Magnetbereichs 8 weiter verbessert.

Auch bei einer aus den Magnetteilchen 6 hergestellten Magnet paste gilt, daß ein aus dieser Magnetpaste hergestellter Ma gnetbereich nur dann elektrisch leitend wird, wenn der Ma gnetbereich vor dem Aushärten mit einem hohen Druck belastet wird, denn im allgemeinen bildet sich auf den Bruchflächen 2 der Magnetteilchen 6 nach dem Mahlen rasch eine neue Oxid schicht aus. Diese Oxidschicht auf den Bruchflächen 2 ist zwar sehr dünn, aber dennoch ausreichend dick, um die Isola tion der Magnetteilchen 6 untereinander zu gewährleisten. Falls der Aufbau einer Oxidschicht aufgrund der Materialei genschaft des Magnetteilchens 6 für das Herstellungsverfahren zu langsam erfolgt, ist es möglich, den Aufbau einer Oxid schicht durch eine Temperbehandlung unter Luft zu beschleuni gen.

Allgemein gilt jedoch, daß der Volumenanteil an Magnetteil chen 1 oder 6 in der zur Herstellung des Magnetbereichs 8 verwendeten Magnetpaste 50% nicht übersteigen soll. Andern falls besteht die Gefahr, daß die Magnetbereiche auch ohne Anwendung äußeren Drucks elektrisch leitend werden.

Zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften einer aus den Magnetteilchen 6 hergestellten Magnetpaste wurde Stabkerne aus dieser Magnetpaste hergestellt. Dazu wurden fein gemahle ne Magnetteilchen 6 mit einem Durchmesser <10 µm aus einer nanokristallinen Legierung mit der Zusammensetzung Fe_81,9Si_8,7Cu_1,3Nb_5,6B_1,5Mo₁ verwendet. Als Trägermasse diente ein Epoxidharz. Der Volumenanteil der Magnetteilchen 6 an der Ma gnetpaste betrug 50%. Die aus der Magnetpaste hergestellten Stabkerne wurden mit zehn Windungen eines herkömmlichen Kup ferdrahts umwickelt. Das Ergebnis der Messung der Induktivi tät dieser Stabkerne ist in Fig. 5 anhand der Meßkurven 10 bis 12 dargestellt. Die Meßkurve 10 wurde an einem kleinen Stabkern mit den Abmessungen 1 cm × 1 mm × 50 µm gemessen. Die Meßkurve 11 wurde an einem mittleren Stabkern mit den Ab messungen 1 cm × 1,5 mm × 50 µm aufgenommen. Die Meßkurve 12 schließlich wurde an einem großen Stabkern mit den Abmessun gen 1 cm × 2,5 mm × 50 µm gemessen. Aus Fig. 5 ist erkenn bar, daß die A_L-Werte etwa 1 nH bis 2 nH betragen. Die A_L-Wer te sind die auf das Quadrat der Windungszahl bezogenen In duktivitätswerte, so daß gilt L = A_L.N², wobei N die Zahl der Windungen ist.

Mit der Magnetpaste lassen sich somit Magnetbereiche mit ei ner Anfangspermeabilität µ zwischen 5 und 50 herstellen. Je nach spezifischem Widerstand der Magnetteilchen 1 oder 6 und der Isolation der Magnetteilchen 1 oder 6 untereinander liegt die Wirbelstromgrenzfrequenz zwischen 10 MHz und 500 MHz. Die Wirbelstromgrenzfrequenz hängt wesentlich von der elektri schen Leitfähigkeit der Magnetteilchen 1 oder 6 ab. Durch ei ne zusätzlich auf die Magnetteilchen 1 oder 6 aufgebrachte Isolierschicht läßt sich insbesondere die Wirbelstromgrenz frequenz zu höheren Frequenzen hin verschieben.

Die die Magnetteilchen 1 oder 6 enthaltende Magnetpaste eig net sich insbesondere zum Herstellen mehrschichtiger Leiter platten, auf denen dicht gedrängt eine große Zahl von Bauele menten Platz finden soll, und die wenig Platz für passive Bauelemente, insbesondere für sperrige Induktivitäten, bie ten.

Die Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten geht im allge meinen so vor sich, daß zunächst auf einem sogenannten Kern Leiterbahnen ausgebildet werden. Anschließend werden auf den Kern beidseitig Laminate aufgebracht und mit dem Kern ver preßt. Bei den Laminaten handelt es sich im allgemeinen um noch nicht vollständig ausgehärtete Epoxidplatten, die jedoch kurze Zeit nach dem Aufpressen auf den Kern vollständig aus gehärtet sind. Auf der Außenseite der Laminate werden nun im üblichen Ätzverfahren Leiterbahnen ausgebildet sowie die Durchkontaktierungen zwischen den Leiterbahnen auf dem Kern und den Leiterbahnen auf der Außenseite des Laminats herge stellt. Nach dem Abschluß dieser Arbeitsschritte können er neut Laminate auf die Außenseiten der vorhergehenden Laminate aufgepreßt werden und so vielschichtige Leiterplatten herge stellt werden.

In Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Laminats 13 dargestellt. Dabei handelt es sich im allgemeinen um Epoxidplatten, die untereinander zu einer mehrschichtigen Leiterplatte verbunden werden. Der Einfachheit halber ist in Fig. 6 nur ein einzelnes Laminat 13 dargestellt. Auf dem La minat 13 befinden sich Bauelemente 14, die durch eine Leiter bahn 15 verbunden sind. Die Leiterbahn 15 kann beispielsweise auf herkömmliche Weise aus Kupfer gefertigt sein. Unmittelbar auf die Leiterbahn 15 ist der Magnetbereich 8 aufgebracht und bildet eine der Leiterbahn 15 zugeordnete Induktivität. Da der Magnetbereich 8 nicht elektrisch leitend ist, braucht keine isolierende Schicht zwischen der metallischen Leiter bahn 15 und dem Magnetbereich 8 vorgesehen zu werden.

Die Leiterbahn 15 ist auf herkömmliche Weise durch Belichten eines auf das Laminat 13 aufgebrachten Photolacks und nach folgende Ätzprozesse hergestellt. Der Magnetbereich 8 wird dann im Siebdruckverfahren auf dem Laminat 13 ausgebildet. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Trägermasse 9 tixotrope Ei genschaften aufweist, so daß der Magnetbereich 8 nach dem Aufdrucken nicht zerläuft. Anschließend wird der Magnetbe reich 8 ausgehärtet.

Bei einem abgewandelten Herstellungsverfahren wird vor dem aushärten des Magnetbereichs 8 ein äußeres Magnetfeld an den Magnetbereich 8 angelegt, um auf diese Weise die Magnetteil chen 1 oder 6 auszurichten. Je nach Ausrichtung der Magnet teilchen 1 oder 6 wird die dem Magnetbereich 8 zugeordnete Hystereseschleife mehr oder weniger stark geschert. Außerdem ist es möglich, auf diese Weise im Magnetbereich Vorzugsrich tungen für die Magnetisierung auszubilden. Dies ist insbeson dere dann möglich, wenn die Magnetteilchen 1 eine längliche Gestalt aufweisen. Wenn die Magnetteilchen 1 oder 6 flach aufeinander liegen ergibt sich eine hohe Anfangspermeabili tät. Diese hohe Anfangspermeabilität kann jedoch durch Auf stellen der Magnetteilchen 1 und 6 durch Anlegen eines äuße ren Magnetfelds gesenkt werden. Die magnetischen Eigenschaf ten des Magnetbereichs 8 lassen sich somit auch nach dem Auf bringen auf dem Laminat 13 einstellen.

Bei einem weiteren abgewandelten Herstellungsverfahren wird das zum Ausrichten der Magnetteilchen 1 oder 6 im Magnetbe reich 8 verwendete Magnetfeld von einem durch die Leiterbahn 15 fließenden Strom erzeugt. Bei diesem Herstellungsverfahren richten sich die Magnetteilchen 1 oder 6 im Magnetbereich 8 von selbst so aus, daß der magnetische Fluß durch den Magnet bereich 8 maximiert ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, den Magnetbereich 8 von der Leiterbahn 15 zu trennen. Wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt, ist es beispielsweise möglich, die Leiterbahn 15 abschnittsweise auf einer anderen Laminatebene zu führen und die Verbindung zwischen den Laminatebenen über Durchkontak tierungen 16 herzustellen. Da es dann auf die elektrische Leitfähigkeit des Magnetbereichs 8 nicht mehr ankommt, können derartige Magnetbereiche einen Volumenanteil an Magnetteil chen 1 oder 6 mit mehr als 50% enthalten.

Umgekehrt ist es aufgrund der hohen Isolationsfestigkeit des Magnetbereichs 8 möglich, die Leiterbahn 15 im Magnetbereich schleifenförmig, mäanderförmig oder spiralförmig zu führen, um auf diese Weise die Induktivität der Leiterbahn 15 zu er höhen. In Fig. 10 ist ein derartiges Ausführungsbeispiel dargestellt.

Auch dreidimensionale Wicklungen können aufgrund der hohen Isolationsfestigkeit des Magnetbereichs 8 ohne großen Aufwand hergestellt werden. Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Magnetbereich 8 ringförmig ausgebildet ist und die Leiterbahnen 15 zusammen mit den Durchkontaktierungen 16 eine Spule um den Magnetbereich 8 bilden.

Wenn die vom Magnetbereich 8 gebildete Induktivität abgegli chen werden muß, um beispielsweise eine Resonanzfrequenz auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, kann der Abgleich durch ein nachträgliches Entfernen von Teilen des Magnetbereichs 8 abgeglichen werden. Durch einen Laser lassen sich zum Bei spiel Teile des Magnetbereichs 8 verdampfen. Eine andere Mög lichkeit besteht darin, durch Einschnitte im Magnetbereich 8 eine Scherung der dem Magnetbereich 8 zugeordneten Hysterese schleife zu erzielen.

Durch den Volumenanteil an Magnetteilchen 1 oder 6 im Ver hältnis zur Trägermasse und durch die Größe der Magnetteil chen 1 oder 6 ist die Höhe der mit dem Magnetbereich 8 er reichbaren Induktivitäten in bestimmten Grenzen einstellbar. Bei höheren Dichten der Magnetteilchen 1 und 6 und bei größe ren Abmessungen der Magnetteilchen 1 oder 6 lassen sich höhe re Permeabilitäten erzielen. Andererseits nimmt die Wirbel stromgrenzfrequenz mit zunehmender Größe der Magnetteilchen 1 und 6 ab. Eine niedrige Wirbelstromgrenzfrequenz kann jedoch bei der Verwendung des Magnetbereichs 8 in Drosseln zur Un terdrückung unerwünschter Frequenzkomponenten durchaus von Vorteil sein.

Abschließend sei angemerkt, daß durch die Verwendung von amorphen oder nanokristallinen weichmagnetischen Magnetteil chen 1 oder 6 Magnetbereiche mit geringer mechanischer Emp findlichkeit und sehr hoher Energiedichte herstellbar sind. Die hohe mechanische Belastbarkeit aufgrund der geringen Ma gnetostriktion ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Magnetbereich 8 während der Herstellung der mehrschichtigen Leiterplatten mit einem Laminat 13 überpreßt wird.

Claims

1. Magnetpaste zur Herstellung planarer Induktivitäten (8) mit einer Trägermasse (9), in die eine Vielzahl weichmagneti scher Magnetteilchen (1, 6) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetteilchen (1, 6) aus einer weichmagnetischen Legie rung hergestellt sind.

2. Magnetpaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetteilchen (1, 6) flockenförmige Bruchstücke einer weichmagnetischen Legierung sind.

3. Magnetpaste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetteilchen (1, 6) aus einer amorphen oder nanokri stallinen Magnetfolie hergestellt sind.

4. Magnetpaste nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetteilchen (1, 6) in wenigstens eine Richtung größer als die Dicke der ursprünglichen Magnetfolie sind.

5. Magnetpaste nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Magnetteilchen (1, 6) kleiner als die Dicke der ursprünglichen Magnetfolie sind.

6. Magnetpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetteilchen (1, 6) mit einer isolierenden Beschichtung versehen sind. 7. Magnetpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse (9) tixotrop ist.

8. Magnetpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermasse (9) ein unter UV-Licht härtendes Harz ist.