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Im Bereich leistungselektronischer Schaltungen spielt die Miniaturisierung der Bauteile heute und in Zukunft eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Multilayer-Technologie mit dem Konzept der embedded passives ist in diesem Zusammenhang für zukünftige Serienproduktionen geeignet. Aktive und passive Komponenten werden dabei in unterschiedlichen Schichten einer Leiterplatte realisiert. Für diese Technologie müssen dem Entwickler neben der eigentlichen Prozesstechnologie auch Dimensionierungsformeln für die einzelnen Bauteile im Vorfeld zur Verfügung stehen. Integrierte Kapazitäten und Widerstände lassen sich weitgehend mit den zur Bestimmung von diskreten Bauteilen bekannten Formeln berechnen. Aber bedingt durch die spiralförmigen Leiterbahnen und den geschichteten Aufbau mit permeablen Materialien bei induktiven, integrierten Komponenten können hier die Berechnungsformeln der diskreten induktiven Bauteile nicht übernommen werden.
Die Arbeit befasst sich deshalb hauptsächlich mit der Bestimmung der magnetischen Feldverteilung innerhalb eines Multilayers, aus der die Berechnungsformeln für induktive Bauelemente abgeleitet werden können. Insgesamt werden dazu drei Lösungsansätze vorgestellt.
Im ersten Ansatz wird das Problem mithilfe der Methode der Spiegelströme untersucht. Dabei ist die Untersuchung auf einfache Geometrien mit rein permeablen Schichten begrenzt, da der Einfluss komplizierter aufgebauter Anordnungen oder die Berücksichtigung leitfähiger Materialien nicht mehr graphisch übersichtlich dargestellt werden kann.
Die zweite Methode nutzt die Lösung eines Randwertproblems. Mit der Kenntnis des magnetischen Vektorpotentials im gesamten Raum lassen sich die gesuchten Bauteilgrößen bestimmen. Die Resultate selbst liefern auch Anhaltspunkte und grundsätzliche Vorschriften für das Design der Bauteile. Gleichzeitig folgen aus den Ergebnissen des Randwertproblems auch Aussagen über die Schirmwirkung der integrierten permeablen oder leitfähigen Schichten.
Sowohl beim Randwertproblem, als auch bei der Methode der Spiegelströme wird darauf geachtet, Vereinfachungen und Vernachlässigungen erst so spät wie möglich vorzunehmen, um eine hohe Genauigkeit der Ergebnisse zu erreichen. Für das Design der Bauteile ist gleichzeitig die Möglichkeit von Parameterstudien nach Material- und Geometriegrößen von großem Vorteil.
Die beiden analytischen Methoden werden durch eine Lösung mittels eines Finite Elemente Verfahrens ergänzt. Damit können komplizierte Aufbauten aus mehreren übereinander geschichteten, unterschiedlichen Materialien einfacher untersucht werden. Aus diesen Ergebnissen lassen sich abschließend einige grundlegende Erkenntnisse für die Optimierung induktiver Komponenten ableiten.
Mithilfe der analytischen Feldberechnungen wird eine neue Bestimmungsmethode vorgestellt, mit der die Permeabilität von weichmagnetischen planaren Werkstoffen bestimmt werden kann. Dabei werden Ergebnisse der Berechnungen mit Messwerten verglichen, wodurch ein Rückschluss auf die Permeabilität des Materials möglich ist. Das Material selbst wird dabei in der vorliegenden planaren Struktur vermessen.
Die Ergebnisse der Feldberechnungen innerhalb des Multilayers liefern Berechnungsformeln zu den verschiedenen passiven Komponenten. Sie werden durch Informationen zum Aufbau, der Herstellung der einzelnen Bauteile und den zur Verfügung stehenden Materialien ergänzt. Für die induktiven Bauelemente sind verschiedene Simulations- und Messergebnisse aufgeführt.
Das Konzept eines Konverters mit integrierten Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten vermittelt einen ersten Eindruck für die Einsatzmöglichkeiten der Technologie und ihren Marktchancen. Durch den kompakten und robusten Aufbau ist im Automobilsektor und im Bereich der Unterhaltungselektronik der größte Einsatzbereich zu erwarten.
Abschließend werden weitere Entwicklungsmöglichkeiten, Verbesserungen der bestehenden Technologie und Einsatzgebiete behandelt.