專利名稱：單片的電感性部件，制造該部件的方法以及該部件的應用的制作方法
單片的電感性部件，制造該部件的方法 以及該部件的應用
本發明涉及一種單片的電感性部件。此夕卜，還提出了一種用于制造該 部件的方法和該部件的應用。
陶瓷的多層體在小型化方面具有的優點是，電部件例如印制導線、電
阻、電容和電感可以集成到多層體的體積中。已知的制造方法是HTCC (高溫共燒陶瓷)技術和LTCC (低溫共燒陶瓷)技術。在這些技術中， 未被燒結的陶瓷生膜通過使用金屬填充的、導電的糊料以沖壓和絲網印刷 方法而被設置有穿通接觸部和平面的線路結構，并且隨后共同燒結成堆。 在此形成能耐熱的、氣密的、平面的多層襯底。這些多層襯底可以用作其 他部件的電路支承體。LTCC技術的優點是，熔融溫度低，使得可以使用 在較低的溫度下熔化的并且具有高的導電能力的金屬如銀或銅用于部件 的集成。
對于許多應用領域，例如功率電子電路中的電流和電壓變換或者低通 濾波，由于較低的頻率(兆赫茲范圍中)需要基于磁性原料的具有較好的 磁耦合的電感性部件，它們可以增強和形成磁通。為此，有多種由鐵氧體 陶瓷構成的線圏芯和變壓器芯的變形方案可^H吏用，它們可以事后借助金 屬夾固定在所提及的平面電路支承體上。
由于對材料技術和工藝技術的各種要求，還不能建立這種電感性部件 的集成。尤其是出現兩個問題
-借助陶瓷技術提高鐵氧體的磁效率，即提高芯材料的導磁率根據經 驗隨之出現芯材料的電阻率的下降并且由此隨之出現在變壓器的初級 側和次級側之間的重要的直流隔離的降低。
—如果電流繞組均勻地嵌入到鐵氧體原料中，則磁力線會部分地在較 短的路徑上閉合，而沒有對繞組的磁耦合作出貢獻；這種漏電感降低 了電感性部件的效率。
這兩個困難基本上可以通過將引導電流的繞組嵌入到低導磁率的、良 好絕緣的材料中來解決。在US 5,349,743 A中公開了這種解決方案。其中 公開了一種用于制造帶有集成的變壓器的單片的陶瓷多層體。在此，采用
4了 LTCC技術，其中使用了在較高的電阻率情況下具有低的導磁率的原 料以及在較低的電阻率情況下具有較高的導磁率的原料。這兩種原料的集 成通過在其中一種原料的生膜中沖壓出開口 、用另 一原料的膜塊或者膜堆 填充這些開口，并且接著共同地燒結來實現。這種基本上包含生膜的橫向 結構化的過程費事并且較為昂貴。
因此本發明的任務是，提出如何可以將電感性部件集成在陶瓷多層體中。
為了解決該任務，提出了一種單片的電感性部件，其具有至少一個陶 瓷多層體，該陶瓷多層體帶有集成的繞組和至少一個帶有鐵氧體芯材料的 磁芯，其中磁芯通過成形件來形成。
為了解決該任務，還提出了一種用于制造單片的部件的方法，包括以 下方法步驟a)提供生坯，該生胚具有生膜復合結構，用于形成陶瓷 多層體，該陶瓷多層體具有集成的繞組；和帶有鐵氧體芯材料的成形體， b)對生坯進行熱處理，其中由生膜復合結構形成具有集成的繞組的陶瓷 多層體，并且由成形體形成具有鐵氧體芯材料的磁芯。
生坯是生膜復合結構。成形體是帶有自由成形的鐵氧體芯材料的生 坯。生膜復合結構和成形體一同形成(完整的)生坯，其被輸送給共燒過程。
帶有鐵氧體陶瓷材料的成形體可以是已經壓縮過的鐵氧體芯。然而尤 其是成形體本身為生坯。這意味著，在熱處理時進行鐵氧體陶瓷材料的壓 縮。在生坯之下通常為帶有尚未壓縮的陶瓷材料的陶瓷體。生坯可以具有 有機添加物如粘合劑和M劑。但是，生坯也可以僅僅包括鐵氧體芯材料 構成的壓制品或者鐵氧體芯材料的前體。該前體在鐵氧體芯材料的熱處理 期間形成。生膜復合結構和成形體在共同的熱處理步驟(共燒)中結合為 單片的、即一件式的電感性部件。
關于開頭描述的問題，特別有利的是，使陶瓷多層體中的繞組電絕緣。 因此，根據一個特別的擴展方案，陶瓷多層體具有介電的陶瓷材料。
為了形成有效的電感性部件，膜復合結構可以具有開口，成形件伸入 這些開口中。例如，這種開口被借助導電的糊料引入膜復合結構中的繞組 包圍。
成形件可以是一件式的。優選的是，成形件是兩件式的或者多件式的。 其由至少兩個部分構成。由此，可以借助芯來實現磁通量的有效控制。于
5是，可以通過實現芯的部分之間的氣隙來影響出現的漏電感。氣隙在此可 以由具有低的導磁率的陶瓷多層體的薄的陶瓷層來形成。為此，例如膜復
合結構的上述開口構建為盲孔，其通過糊料處理(Pastenprozessierung) 或者粉末處理來用鐵氧體成形件的部分填充。
在該方法中，導磁率的功能和電絕緣的功能在部件的相應的空間區域 中通過各定制的特定陶瓷來實現，由此得到器件的設計和要求以及應用的 高效率。根據要求，在此可以使用不同的介電的和鐵氧體的陶瓷材料。如 果該電感性器件務使用在高頻率中，例如在lGHz到2GHz的范圍中的高 頻率中，則可以優選使用六角鐵氧體陶資，特別是鋇六角鐵氧體陶瓷。它 們具有在大約10至30之間的導磁率。
于是當需要在大約10MHz至大約30MHz的中間范圍中的頻率時， 可以使用第二類的陶瓷。在此例如可以使用CuNiZn -鐵氧體材料。對于 使用在該中間頻率范圍中的部件所考慮的鐵氧體陶瓷的導磁率具有大約 150至大約500的導磁率值。
此外，設置了另一類陶瓷，它們用于大約lMHz至大約3MHz的較 低頻率范圍中的部件。在此例如可以使用MnZn -鐵氧體材料。優選的是， 在該類中使用的陶瓷具有大約500到1000之間的導磁率值。
本發明可以使用在HTCC技術中。然而特別有利的是，選擇陶瓷材 料，使得在較低的溫度情況下進行壓縮并且由此可以使用LTCC技術。 在一個特別的擴展方案中，因此使用生膜和/或帶有玻璃的鐵氧體陶瓷材 料。在生膜中的或者鐵氧體陶瓷材料中的玻璃成分負責在較低的溫度情況 下的壓縮。在燒結過程中，形成帶有陶瓷相和玻璃相的玻璃陶瓷。鐵氧體 的陶瓷材料和/或介電的陶瓷材料具有玻璃。
成形件可以是預制的。這意味著，成形件在與生膜復合結構結合之前 被制造。在與生膜復合結構結合期間制造成形件。因此在一個特別的擴展 方案中，為了提供生坯而將生膜復合結構與包封物結合，使得在包封物和 生膜復合結構之間形成帶有空腔開口的空腔，并且空腔通過空腔開口被填 充以還可以變形的鐵氧體芯材料。空腔例如用粒狀材料形式的氧化的初始 材料來填充。然而，也可能的是用漿料來填充空腔，該漿料包^氧體芯 材料或者芯材料的初始材料。
根據一個特別的擴展方案，成形體具有鐵氧體漿料或者可流動的鐵氧 體生粉末。在去除包封物之前將成形體干燥或者在壓力/溫度下壓縮。包封物優選可彈性變形。這意味著，外部壓力可以作用到空腔中填充 的、例如粉末狀的鐵氧體芯材料，使得形成穩定的、自支承的鐵氧體形狀。 優選的是，對此使用硅樹脂構成的包封物。其他可彈性變形的包封物材料 同樣也是可能的。
包封物可以留在帶有成形件和生膜復合結構的復合部分中用于熱處 理。優選的是，包封物為此由有機材料構成，該有機材料在熱處理時被氧 化并且經由氣相而被去除。然而尤其可能的是，包封物在形成成形件之后 并且在熱處理之前被去除。為此，包封物可以在空腔中具有抗粘膜，其簡 化了成形件和包封物的分離。
特別有利的是，該方法可以在使用(imNutzen)中執行。可以并行 制造多個部件。
電感性部件的構型是任意的。優選的是，該電感性部件包括至少一個 線圏和/或至少一個變壓器。
該器件使用在功率電子設備中，例如用于電流變換或者電壓變換，或 者用作低通濾波器。例如，該部件是用于放電燈的電子鎮流器(EVG) 的電路元件。
總之，借助本發明得到以下的特別優點
-通過全陶瓷的結構類型，該部件實現了高的溫度相容性。由此其適 于安裝在熱源如燈和發動機附近。
—低燒結的鐵氧體材料、例如特殊的MiiZii鐵氧體能夠實現在與陶瓷 多層體(電路板)一同的單個的燒結過程中使用中成本低廉的制造。
-通過鐵氧體的單片集成，降低了相對于電路板的溫度差。
-通過僅僅在電感性部件上有目的地使用鐵氧體，實現了與其他電路 部件的成本低廉的可集成性。不需要如在簡單的連續的膜技術中的整 面的鐵氧體。
-借助本發明，可以將鐵氧體體積最小化。通過最小化的鐵氧體體積， 將不同的原料之間的熱應力最小化。這引起了高的穩定性和更為可靠 的工藝管理。
-鐵氧體成形件可以單獨地或者直接地在多層體上在模膛中通過擠壓 生粉末、通過注塑或者類似的方法來制造。由此，不需要處理小的膜 塊。—鐵氧體芯的結構高度比由陶瓷生膜構建時受到更小的限制，使得沿 著整個磁路徑長度實現足夠大的恒定的磁橫截面，并且避免了鐵氧體 芯的過載。
—導磁率和電絕緣的功能在其相應的空間范圍中通過各定制的特定陶 瓷來實現，由此得到器件i殳計的高效率和器件的高性能。
在下面借助多個實施例和關聯的附圖來進一步描述本發明。附圖是示 意性的并且并未示出合乎比例的圖。
圖1和2分別以側面的橫截面示出了單片的電感性部件。
圖3示出了一種用于制造單片的電感性部件的方法。
借助LTCC技術制造具有集成的電感性部件的單片的陶瓷多層體。 電感性部件是變壓器。所使用的陶瓷生膜具有玻璃成分，使得可以在較低
的溫度下(卯ox:以下)燒結。
未被燒結的鐵氧體材料隨后與生膜復合結構連接用于共同的燒結(共燒)。
圖1至3分別以垂直于帶有相應的功能性原料和部件的電路支承體的 截面示出了平面的變壓器或者平面的線圏。
該部件包括陶瓷多層體(多層電i^板)1，其帶有開口2、 3和4。在 多層體的區域5和6中，封閉的、引導電流的繞組^在層之間。通過合 適的布局，在此例如實現了所有電流在區域5中流入到圖平面中，并且在 區域6中從其中流出，使得在開口 2中通過成分的疊加形成高的磁通量密 度。
在此，變壓器通過兩個線圏實現，它們彼此間沒有導電連接，而是通 it/磁場(電感性地)彼此耦合。
帶有鐵氧體材料的芯包括兩個部分7和8 (圖1和2 )。才艮據一個可替 選的實施形式，芯是一件式的。該芯僅僅包括唯一的部分7(圖3)。在兩 個實施例中，該芯的腿部i更置在陶瓷多層體的開口 2、 3和4中。
為了借助鐵氧體陶瓷材料制造成形體，使用不同的成形方法。
例如，可以由各個層構建鐵氧體芯并且隨后以機械方式處理(圖2)。 對此可替選地，使用陶資漿料的澆注或者利用準確測定的鐵氧體材料的塑 性變形。這例如也可以直接在電路支承體上進行，如圖3中所示的那樣。 為此，生膜復合結構被與包封物9、 10結合，該包封物具有包封物開口91。通過包封物開口，鐵氧體材料作為漿料或者粉末來填充。在干燥或者 壓力/熱處理之后，包封物可以被去除以便以后的再利用。隨后進行燒結， 其中形成陶瓷多層體和鐵氧體芯。
權利要求
1.一種用于制造單片的電感性部件的方法，包括以下方法步驟a)提供生坯，該生胚具有生膜復合結構，用于形成陶瓷多層體，該陶瓷多層體帶有集成的繞組；以及成形體，其包括鐵氧體材料，其中生膜復合結構與包封物(9，10)結合，使得在包封物和生膜復合結構之間形成帶有空腔開口(91)的空腔，并且通過空腔開口將該空腔填充以鐵氧體芯材料，b)對生坯進行熱處理，其中由生膜復合結構形成帶有集成的繞組的陶瓷多層體，并且由成形體形成帶有鐵氧體芯材料的磁芯。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中成形體具有鐵氧體漿料或者能 夠流動的鐵氧體生粉末，并且在去除包封物之前將成形體干燥或者在壓力 /溫度下壓縮。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中在熱處理之前去除包封物。
4. 根據權利要求1至3中的任一項所述的方法，其中使用硅樹脂構 成的包封物。
5. 根據權利要求3或4所述的方法，其中包封物在空腔中設置有抗 粘膜。
6. 根據權利要求3至5中的任一項所述的方法，其中在使用中制造 多個單片的電感性部件。
7. —種單片的電感性部件(100 ),其根據權利要求1至6中的任一 項所述的方法來制造并且具有-帶有集成的繞組的至少一個陶瓷多層體(1)，和-帶有鐵氧體芯材料的至少一個磁芯(7, 8),其中—磁芯通過成形件來形成。
8. 根據權利要求7所述的部件，其中陶瓷多層體具有介電的陶瓷材料。
9. 根據權利要求7或8所述的部件，其中成形件是兩件式的。
10. 根據權利要求7至9中的任一項所述的部件，其中鐵氧體陶瓷材 料和/或介電的陶瓷材料包括玻璃。
11. 根據權利要求7至10中的任一項所述的部件，其中電感性部件 包括電感線圏和/或變壓器。
12. 根據權利要求7至11中的任一項所述的電感性部件使用在功率 電子設備中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種單片的電感性部件，其具有帶有集成的繞組的至少一個陶瓷多層體(1)，和帶有鐵氧體芯材料的至少一個磁芯(7)，該磁芯通過成形件來形成。此外還提出了一種用于制造該部件的方法，包括以下方法步驟a)提供生坯，該生胚具有生膜復合結構用于形成陶瓷多層體，該陶瓷多層體帶有集成的繞組；以及成形體，其包括鐵氧體材料，其中生膜復合結構與包封物(9，10)結合，使得在包封物和生膜復合結構之間形成帶有空腔開口(91)的空腔，并且該空腔通過空腔開口以鐵氧體芯材料填充，b)對生坯進行熱處理，其中由生膜復合結構形成帶有集成的繞組的陶瓷多層體，并且由成形體形成帶有鐵氧體芯材料的磁芯。該方法特別是可以借助LTCC(低溫共燒陶瓷)技術來實現。該器件在功率電子設備中用作電路元件。
文檔編號H01F41/02GK101681714SQ200880021235
公開日2010年3月24日 申請日期2008年6月18日 優先權日2007年6月20日
發明者理查德·馬茨 申請人:奧斯蘭姆有限公司