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Dokumentenidentifikation DE10062400C2 24.07.2003
Titel Flexible Induktive Bauelemente für Leiterfolien
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Gölz, Werner, Dr., 55131 Mainz, DE;
Kanbach, Helmut, Dr., 63500 Seligenstadt, DE
DE-Anmeldedatum 14.12.2000
DE-Aktenzeichen 10062400
Offenlegungstag 04.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse H01F 17/04
IPC-Nebenklasse H01F 19/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.

Zur Kontaktierung von Integrierten Schaltkreisen (IC) oder von sogenannten SMD (surface mounted devices) werden Leiterfolien eingesetzt. Die Leiterfolien enthalten die zur Kontaktierung der aufgebrachten Bauteile wie IC's oder SMD's notwendigen Leiterbahnen. Diese Leiterfolien wurden in der Vergangenheit oft mit starren, mechanischen Trägern stabilisiert. Sogenannte FPC's (Flexible Printed Circuits) verzichten auf einen starren Träger und enthalten die elektronischen Bauelemente in Form von SMD auf ihrer Oberfläche. Durch ihren folienartigen, flachen und flexiblen Aufbau benötigen diese FPC wenig Einbauraum. Sie eignen sich aufgrund ihres Foliencharakters besonders für den Einbau hinter Verkleidungen oder Abdeckungen. Verbindet man die FPC mit Folienkabeln, sogenannte FLC's (Fiat Laminated Cabels), dann lassen sich sämtliche Zuleitungen und elektronischen Schaltungen als flexible Folien hinter Abdeckungen anbringen. Zusätzliche Bauräume für voluminöse elektronische Schaltungen und Kabelschächte oder Kabelbäume könnten entfallen. Ein Schwachpunkt bei der Realisierung größerer Netzwerke aus FPC und FLC ist das Fehlen von flexiblen, leistungsfähigen induktiven Bauelementen, die sich entweder in die FLC oder in die FPC integrieren lassen. Induktive Bauelemente braucht man in Netzwerken z. B. zur galvanischen Trennung, zur Drosselung oder zur Spannungstranformation.

In der DE 33 15 549 A1 hat man ein gattungsgemäßes induktives Bauelement in Schichttechnik vorgeschlagen. Bei diesem induktiven Bauelement in Dünn- oder Dickschichttechnik sind fünf übereinanderliegende Schichten auf einer Trägerplatte angeordnet. Zur Bildung einer Wicklung sind untere und obere Leiterbahnen in zwei Schichten vorgesehen, die jeweils aus mehreren einzelnen parallelen Bahnen bestehen. Eine obere Leiterbahn verbindet dabei jeweils zwei einzelne untere Bahnen bzw umgekehrt, so daß sich eine Serienschaltung von Bahnen der beiden Schichten ergibt. Zwischen den Leiterbahnschichten befindet sich ein Magnetkern, der von zwei Isolationsschichten umschlossen ist.

In der DE 37 20 739 C2 ist ein Hybridtransformator offenbart, der jedoch in Bezug auf die Erfindung gattungsfremd ist und ein Beispiel für starre Bauelemente ist, die sich mit der Folientechnik nur schwer sinnvoll verknüfen lassen.

Eine Folienspule ohne Magnetkern ist in der DE 34 41 218 A1 beschrieben. In der US 4,080,585 ist ein Folientransformator ohne Magnetkern beschrieben.

Die Aufgabe ist daher, ein flaches, flexibles induktives Bauelement vorzustellen, das gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Magnetkern aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und in den Ausführungsbeispielen enthalten.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:

Die mittels Folien und Drucktechnik hergestellten induktiven Bauelemente sind sehr flach und flexibel und lassen sich daher in Flat Laminated Cables oder in Flexible Printed Circuits integrieren. Alternativ lassen sich auch folienartige Spulen fertigen, die als ultraflache SMD- Bauteile auf FPC's aufgebracht werden können. Mit der Erfindung lassen sich auf Folienbasis galvanische Trennungen, Transformatoren oder Drosselspulen herstellen. Im Zusammenhang mit FLC und FPC lassen sich hiermit z. B. vollständige elektrische Versorgungsnetze in Folientechnologie herstellen.

Mögliche Einsatzfelder im Kraftfahrzeug sind z. B. der Ersatz von platinengebundenen Steuergeräten und Bordnetzen mit Kabelbäumen durch Steuergeräte auf FPC's und Bordnetze aus FLC's. Dadurch wird es z. B. möglich das Steuergerät und die Versorgungsleitungen für einen Fensterhebermotor einfach als Folie auf die Rückseite der Türverkleidung anzubringen, so daß für Steuergeräte und Versorgungsleitungen nur noch minimaler Bauraum vorgehalten werden muß. Eine andere Anwendung ist z. B. die Ansteuerung eines Scheibenwischermotors, insbesondere eines Heckscheibenwischers. Steuergerät und Versorgungsleitungen können dann unter dem Dachhimmel der Karosserie angebracht sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Folientransformator, der in ein Flat Laminated Cable integriert ist,

Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Folienspule,

Fig. 3 schematisch einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Folientransformator,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Folientransformator, der zur galvanischen Trennung in einen Flexible Printed Circuit integriert ist,

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Folienspule als SMD-Bauteil,

Fig. 6 schematisch eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Folienspule.

Fig. 1 zeigt einen Folientransformator 2, der in ein FLC 1 integriert ist. Der Schichtaufbau der einzelnen Folienlagen wird in den Schnitten A:A: und B:B:, gezeigt in den Fig. 2 und 3, näher erläutert. Auf einen geschlossenen Spulenkern 3 sind zwei Spulen S1, S2 mit den Windungszahlen N1 und N2 gewickelt. Der Spannungsabgriff an den Spulen erfolgt mit ebenfalls in das FLC eingelassenen Leiterbahnen 4. Die elektrischen Bauteile und Strukturen, nämlich Spulen S1, S2, Spulenkern 3 sowie Leiterbahnen 4 sind vollständig in den FLC1 eingelassen und vorzugsweise mit einer transparenten Kunststofffolie z. B. aus Polyethylenteraphtalat (PET) an Oberseite und Unterseite des FLC versiegelt. Mit Hilfe des Transformators läßt sich in dem FLC eine galvanische Trennung durchführen und für den Fall, daß sich die beiden Windungszahlen N1 und N2 voneinander unterscheiden auch die am FLC anliegende Spannung entsprechend dem Verhältnis der Windungszahlen transformieren.

Der Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen Spule S2 ist in Fig. 2a) und b) entlang der Schnittlinie A:A: aus Fig. 1 dargestellt. Auf einem Substratlayer 5 aus einer Kunststofffolie ist ein Streifenmuster 6, wie in Fig. 6 dargestellt, aufgebracht. Die streifenförmigen Leiterbahnen bilden die untere Halbwicklung HWU der Spule S2. Auf die untere Halbwicklung wird der Spulenkern 3, bestehend aus einer Metallfolie zwischen zwei Isolierschichten 8, aufgebracht. Die Isolierschichten sind notwendig um einen Kurzschluß in der Spulenwicklung zu unterbinden. Die obere Halbwicklung HWO, die die untere Halbwicklung HWU zur vollständigen Spule ergänzt, kann wie im Fall der Fig. 2b) bereits als Streifenmuster 9 auf die obere Isolierschicht 8 des Spulenkerns 3 aufgebracht sein oder mittels Silberpastendruck aufgebracht werden. Die beiden Streifenmuster 6 und 9 müssen dann noch an ihren Enden miteinander zur vollständigen Spule verbunden werden, bevor der ganze Folienaufbau mit einem isolierenden Kunststoff 10 verklebt und versiegelt wird. Als Klebstoff eignet sich Epoxidharz.

Eine andere Möglichkeit die untere Halbwicklug HWU zu einer vollständigen Folienspule zu ergänzen ist in Fig. 2a) dargestellt. In dieser Ausführungsform wird das Streifenmuster 9 der oberen Halbwicklung auf einer Deckfolie 11 aufgebracht. Die beiden Streifenmuster 6, 9 werden dann, wie in Fig. 6 dargestellt, so miteinander zur Deckung gebracht, daß sich die beiden Halbwicklungen zur vollständigen Folienspule ergänzen. In einem letzten Arbeitsgang wird dann der ganze Folienaufbau aus Substratfolie 5, Spulenkern 3 und Deckfolie 11 miteinander mittels eines Haftvermittlers 10 verbunden, so daß ein Kunststofflaminat mit einer integrierten Folienspule entsteht. Die Ausführungsform der Fig. 2a) eignet sich besonders für die Herstellung von Großserien, da im wesentlichen drei Folien, nämlich Substratfolie, Spulenkern 3 und Deckschichtfolie 11 mit herkömmlichen Druckverfahren, z. B. - mittels Silberpastendruck vorgefertigt werden können und in einem abschließenden Laminierungsverfahren miteinander verbunden werden müssen. Hierzu können die aus der Folienherstellung bekannten Laminierungsverfahren eingesetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2b) eignet sich für die Herstellung kleinerer Serien, da die Schichten notfalls auch von Hand im Labormaßstab beginnend mit der Substratfolie, auf die mittels einer Schablone durch Silberpastendruck die untere Halbwicklung aufgebracht wird, aufgebaut werden können. Das Laminieren der Folien kann dann durch ein Vergiesen oder Bestreichen der einzelnen Lagen des Spulenaufbaus mittels Epoxidharzkleber ersetzt werden. Eine separate Deckschichtfolie entfällt daher bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2b

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Folientransformator aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie B:B:. Das Streifenmuster 6 der unteren Halbwicklung ist mit dem Streifenmuster 9 der oberen Halbwicklung jeweils an den Streifenenden 12 miteinander in Kontakt und bildet nach der technischen Lehre aus Fig. 6 eine geschloßene Spule S1, S2, die jeweils einen magnetischen Spulenkern 7 umschließt. Die Kontaktierung der Streifenenden 12 erfolgt im Falle des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2a, durch positionsgenaues Aufeinanderlegen Folien nach der Zuordnungsvorschrift der Fig. 6 und platieren der Folien im Laminierungsproßes. Im Fall des Ausführungsbeispiels aus Fig. 2b) wird das obere Streifenmuster 9 mittels Schablone direkt durch Silberpastendruck mit dem unteren Streifenmuster 6 an den Streifenenden kontaktiert.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Folientransformator. Der Folientransformator 2 mit zwei Spulen S1 und S2, die auf einen geschlossenen Spulenkern 3 gewickelt sind, ist in einen Flexible Printed Circuit integriert. Über Kontaktflächen 13 kann die Primärseite des Folientransformators mit einer Spannung versorgt werden. Die primärseitige Spannung wird in dem FPC sekundärseitig durch die Spule S2 galvanisch getrennt und entsprechend dem Verhältnis der Wicklungszahlen der beiden Spulen transformiert und über Leiterbahnen 4 an weitere Bauelemente, vorzugsweise SMD-Bauelemente auf dem FPC weitergeleitet. Dargestellt sind IC's (integrated circuits), die als SMD Bauteile auf die Leiterfolie aufgebracht sind. Die einzelnen IC's können untereinander über eine Busschnittstelle miteinander verbunden sein. In diesem Fall ist auf dem FPC auch eine Busschnittstelle 14 vorgesehen, mit der der FPC an weitere Einheiten angeschlossen werden kann. Die Funktion der einzelnen IC's ist für die Erfindung nicht wesentlich. Beispielhafte Anwendungen, die sich mit einem FPC wie er in Fig. 4 dargestellt ist, realisieren lassen, sind z. B. Integrierte Meßsysteme für Spannungen oder Ströme, die potentialfrei die Spannung oder den Strom eines an den Klemmen 13 angeschlossenen Meßobjektes messen. Eine andere Anwendung ist die Realisierung von Steuergeräten für z. B. Fensterhebermotoren oder Scheibenwischermotoren in einem Kraftfahrzeug. In diesem Fall dient der Folientransformator der Spannungsversorgung der einzelnen IC's des Steuergerätes. Die Steuerbefehle werden dann über die Busschnittstelle 14, an das angeschlossene Gerät weitergeleitet.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Folienspule als SMD Bauteil (SMD = Surface Mounted Device). Der Schichtenaufbau der Folienspule S ist im Prinzip den in Fig. 2 und 3 gezeigten Schnittdarstellungen zu entnehmen. Mit Kontaktflächen 13 läßt sich die Folienspule als SMD Bauteil auf sogenannte Printed Circuits auflöten. Typische Abmessungen, die sich mit einer Folienspule realisieren lassen sind eine Spulenlänge von ca. 100 mm bei einem Spulendurchmesser von 5-10 mm und einer Windungszahl von 5-100 Windungen. Folienspulen lassen sich als SMD Bauteile in vielfältiger Weise in elektrischen Schaltungen verwenden, z. B. als Drossel, als Bestandteil eines Schwingkreises, als Bestandteil eines Transformators oder als Bestandteil eines Hoch- oder Tiefpasses, um nur einige typische Anwendungen für Spulen zu nennen.

Fig. 6 zeigt eine Explosionsdarstellung des Folienaufbaus einer Folienspule, wie sie in Fig. 5 als SMD-Bauteil gezeigt ist. Der Folienaufbau ist dargestellt in einer Schnittdarstellung, einer Aufsicht D, von unten auf die Deckfolie und eine Aufsicht C von oben auf die Substratfolie. Gezeigt ist der Aufbau für eine Spule mit 4 Windungen. Auf dem Foliensubstrat 5 ist ein erstes Streifenmuster 6 aus metallischen Folienstreifen aufgebracht. Die Folienstreifen 6 sind parallel nebeneinander angeordnet und bilden die untere Halbwicklung der Spule. Im mittleren Bereich ist das Streifenmuster mit einer Isolierfolie 8 und mit einer Metallfolie 7 abgedeckt. Die Enden der einzelnen Streifen des Streifenmusters 6 stehen links und rechts unter der Isolierfolie 8 mit einer Kontaktlänge über. Die Metallfolie 7 ist aus einem ferromagnetischen Metall. Vorzugsweise wird für den Spulenkern eine möglichst hohe relative magnetische Permeabilität µR angestrebt bei gleichzeitiger maximaler Flexibilität der Metallfolie. Vorzugsweise ist deshalb der Spulenkern aus einer sogenannten Metallglassfolie oder aus einem amorphen Metall. Beide Bergiffe werden synonym zueinander gebraucht und meinen jeweils ein ultraschnell abgeschrecktes Metall, das aus der Schmelze in seinem amorphen glasähnlichen Zustand bei Raumtemperatur eingefroren wird. Derartige metallische Gläser haben typischerweise einen metallischen Anteil von 80% Eisen und Nickel und einen 20%igen Sauerstoffanteil. Hergestellt und vertrieben werden solche metallischen Gläser von der Firma Vakuumschmelze unter dem Markennamen "Vitrovac".

Auf die dermaßen vorbereitete Substratfolie 5 wird die in der Aufsicht D gezeigte Deckschichtfolie 11 aufgelegt und miteinander verbunden. An der Unterseite der Deckschichtfolie ist ein zweites Streifenmuster 9 aus metallischen Leitern angebracht. Das zweite Streifenmuster 9 bildet die obere Halbwicklung der Spule. Das zweite Streifenmuster 9 ist hierbei gegenüber dem Streifenmuster um einen Orientierungswinkel α gedreht. Der Orientierungswinkel α ist derart bemessen, daß, wenn man die beiden Streifenmuster übereinanderlegt, die Leiterbahnen des zweiten Streifenmusters jeweils die auf der rechten Seite überstehende Kontaktlänge eines Streifens des ersten Streifenmuster mit der auf der linken Seite überstehenden Kontaktlänge des benachbarten Streifens des ersten Streifenmuster verbinden. Diese Bedingung ist erfüllt wenn für den Orientierungswinkel α gilt:



tanα = Δ/L



wenn L die Länge der Streifen des ersten Streifenmusters ist und Δ der Abstand der Streifen des ersten Streifenmusters ist.

In seinem mittleren Bereich ist auch das zweite Streifenmuster 9 mit einer Isolierfolie 8 abgedeckt. Nach dem Zusammenfügen der einzelnen Lagen bilden die beiden Isolierfolie 8 zusammen mit der Metallfolie 7 den Spulenkern 3.

Die ersten und zweiten Streifenmuster lassen sich auf der Substratfolie 5 und der Deckschichtfolie 11 mit bekannten Drucktechniken aufdrucken. Ein Beispiel für eine Drucktechnik ist der Siebdruck mittels Silberpaste. Die Laminierung der einzelnen Folien zu einem mehrschichtigen Kunststofflaminat kann ebenfalls mit z. B. aus der Folienherstellung oder der Verpackungsindustrie bekannten Laminierungsverfahren im großtechnischen Maßstab ausgeführt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Induktives Bauelement (1) für Leiterfolien bestehend aus:
    1. a) einer Substratfolie (5) auf die ein erstes Streifenmuster (6) aus Leiterbahnen aufgebracht ist,
    2. b) einem Spulenkern (3) aus einer Metallfolie (7) zwischen zwei Isolierschichten (8),
    3. c) einem zweiten Streifenmuster (9) aus metallischen Leiterbahnen,
    wobei,

    das erste Streifenmuster (6), der Spulenkern (3) und das zweite Streifenmuster (9) einzelne Lagen eines Folienlaminates bilden und das erste Streifenmuster (6) mit dem zweiten Streifenmuster (9) eine Spule bildet, die den Spulenkern (3) mit mehreren Windungen umschließt,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die Metallfolie (7) aus einem amorphen, metallischen Glas besteht.
  2. 2. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem das zweite Streifenmuster (9) auf die obere Isolierschicht (8) des Spulenkerns (3) aufgebracht ist.
  3. 3. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem das zweite Streifenmuster (9) auf eine Deckschichtfolie (11) aufgebracht ist und die Deckschichtfolie (11) auf den Spulenkern (3) aufgebracht ist.
  4. 4. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem das induktive Bauelement ein Transformator (2) ist.
  5. 5. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem das induktive Bauelement eine Folienspule (S) als SMD-Bauteil ist.
  6. 6. Verwendung eines induktiven Bauelements nach Anspruch 1 in Folienkablen (1).
  7. 7. Verwendung eines induktiven Bauelements nach Anspruch 1 in Flexible Printed Circuits (FPC).






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