DE19511554A1 - Elektronisches Bauteil mit eingebauter Induktivität - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einge­ bauter Induktivität, das ein Substrat und ein darin ausge­ bildetes induktives Element enthält, und spezieller betrifft sie ein elektronisches Bauteil mit eingebauter Induktivität in Form eines induktiven Elements aus ferromagnetischem Material.

Herkömmliche elektronische Bauteile mit einem Substrat und einem oder mehreren darin vorhandenen induktiven Elementen werden durch eines der folgenden Verfahren (1) bis (3) her­ gestellt:

• (1) Einem Verfahren zum Schaffen eines induktiven Elements, das durch Ausbilden eines Leiters in einem Ferritteil mit leitender Paste hergestellt wird, was in einem ungebrannten Keramiksubstrat erfolgt, mit anschließendem gleichzeitigem Brennen des Substratsmaterials und der leitenden Paste, um dadurch ein Substrat mit eingebauter Induktivität zu erhal­ ten.
• (2) Einem Verfahren zum Schaffen einer Ferritschicht, die vorab mit einem aus einer leitenden Paste bestehenden Leiter versehen wird, was bei einem ungebrannten Keramiksubstrat erfolgt, und Brennen des ungebrannten Keramiksubstrats mit der Ferritschicht und der leitenden Paste.
• (3) Einem Verfahren, das eine Induktivität benutzt, die aus einem in einem Substrat vorhandenen Leiter erzeugt wurde, ohne daß speziell eine ferromagnetische Substanz verwendet wird.

Jedes der Verfahren (1) und (2) umfaßt einen Schritt des gleichzeitigen Brennens des das Substrat bildenden Keramik­ materials und des Ferritmaterials. Daher diffundieren die Ferrit- und die Keramikkomponente beim Brennen ineinander, was die elektrischen Eigenschaften in nachteiliger Weise verschlechtert. Insbesondere diffundiert im Ferritmaterial enthaltenes Eisenoxid schnell ein, was den Isolationswider­ stand bei der Eindiffusion in isolierende Keramik verrin­ gert. Demgemäß ist es erforderlich, eine Erniedrigung des Isolierwiderstands zu unterdrücken, wie durch eine solche Diffusion von Eisenoxid hervorgerufen.

Beim Verfahren (3), das eine Induktivität verwendet, die aus einem in einem Substrat vorhandenen Leiter erzeugt wird, ohne daß eine ferromagnetische Substanz verwendet wird, ist es dagegen erforderlich, die Länge des Leiterteils zum Aus­ bilden der Induktivität zu erhöhen, weswegen die Größe des Bauteils in unvermeidlicher Weise erhöht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Bauteil mit eingebauter Induktivität zu schaffen, bei dem es kaum zu einer Verschlechterung elektrischer Eigenschaften, wie des Isolationswiderstands, kommt, mit verringerter Größe des ein induktives Element bildenden Bereichs.

Das erfindungsgemäße elektronische Bauteil ist durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gegeben.

Im erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil mit eingebauter Induktivität ist mindestens ein ferromagnetischer Metallfilm nahe bei einem Leiter angeordnet, um dadurch eine Induktivi­ tät auszubilden. In diesem Fall kann der ferromagnetische Metallfilm so im Substrat angeordnet sein, daß er mit dem Leiter fluchtet, oder mindestens ein ferromagnetischer Me­ tallfilm kann nahe beim Leiter so ausgebildet sein, daß er sich an einer Position befindet, die über eine durch das Substrat gebildete Isoliermaterialschicht einer Leiterfläche gegenübersteht. Diese zwei Anordnungsarten können miteinan­ der kombiniert werden.

Der Leiter wird dadurch ausgebildet, daß ein ferromagneti­ scher Metallfilm angebracht wird, der aus einem geeigneten ferromagnetischen, metallischen Material hergestellt werden kann. Wenn das Substrat aus Keramik besteht, wird der ferro­ magnetische Metallfilm vorzugsweise aus einem Material her­ gestellt, das dem Brennen des Keramikmaterials standhalten kann, wie aus einem ferromagnetischen Metallfilm, der ganz oder hauptsächlich aus z. B. Ni besteht.

Während ein Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen elektroni­ schen Bauteils mit eingebauter Kapazität dasjenige ist, daß der Leiter und mindestens ein ferromagnetischer Metallfilm in einem Substrat angeordnet sind, wie oben beschrieben, be­ steht für das Substrat keine Beschränkung auf solches aus Keramik, sondern es kann aus einem anderen isolierenden Ma­ terial wie Kunststoff bestehen.

Gemäß der Erfindung ist mindestens ein ferromagnetischer Metallfilm im Substrat nahe bei einem Leiter angeordnet, um eine Induktivität auszubilden. Das heißt, daß das induktive Element dadurch hergestellt ist, daß der ferromagnetische Metallfilm nahe beim Leiter angeordnet ist, wodurch kein Ferritteil als magnetisches Material erforderlich ist. Daher kann das elektronische Bauteil mit eingebauter Induktivität durch ein einzelnes Substratmaterial gebildet werden, wo­ durch keine Schwierigkeiten hinsichtlich einer Verringerung des Isolationswiderstands durch wechselseitige Diffusion von Keramik- und Ferritmaterialien entstehen, wie sie vorliegen, wenn das Substrat aus Keramik besteht. Demgemäß ist es mög­ lich, ein elektronisches Bauteil mit eingebauter Induktivi­ tät zu schaffen, das ausgezeichnete elektrische Eigenschaf­ ten und Zuverlässigkeit aufweist.

Wenn die Länge des im Substrat eines herkömmlichen elektro­ nischen Bauteils vorhandenen Leiters zum Herstellen eines induktiven Elements erhöht wird, wächst die Größe des die Induktivität bildenden Teils in nachteiliger Weise an. Gemäß der Erfindung ist die Induktivität dagegen dadurch ausgebil­ det, daß das vorstehend genannte ferromagnetische Metall vorhanden ist, wodurch es möglich ist, das elektronische Bauteil mit eingebauter Induktivität zu miniaturisieren, ohne daß derjenige Teil, der das induktive Element bildet, eine Abmessungszunahme erfährt.

Wenn der ferromagnetische Metallfilm durch ein Dünnfilm-Her­ stellverfahren hergestellt und durch Photolithographie ge­ mustert wird, kann er mit hoher Genauigkeit hergestellt wer­ den, wodurch die Induktivität genau mit dem geplanten Wert realisiert werden kann.

Während das Verfahren zum Anbringen des ferromagnetischen Metallfilms variiert werden kann, wie oben beschrieben, ist es möglich, dann höhere Induktivität zu realisieren, wenn der ferromagnetische Metallfilm nicht nur fluchtend mit dem Leiter im Substrat angeordnet wird, sondern in einer Posi­ tion nahe beim Leiter, die einer Leiterfläche gegenüber­ steht.

Wenn der ferromagnetische Metallfilm ganz oder hauptsächlich aus Ni besteht, wird er beim Brennen selbst dann kaum oxi­ diert, wenn das Substrat aus Keramik besteht.

Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichts­ punkte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein mit einer geschmolzenen Schmiermittelschicht versehenes Glassubstrat zeigt;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch auf einem Glassubstrat ab­ geschiedene Ag- und Pd-Filme;

Fig. 3 ist ein Querschnitt, der einen gemusterten Zustand (Muster A) der in Fig. 2 erscheinenden Abscheidungsfilme zeigt;

Fig. 4 ist ein Querschnitt, der einen auf einem Glassubstrat abgeschiedenen ferromagnetischen Metallfilm zeigt;

Fig. 5 ist ein Querschnitt, der einen gemusterten Zustand (Muster B) des in Fig. 4 erscheinenden ferromagnetischen Metallfilms zeigt;

Fig. 6 ist ein Querschnitt, der die Muster A und B nach der Übertragung auf eine ungebrannte Aluminiumoxidfolie zeigt;

Fig. 7 ist ein Querschnitt, der ein beim Beispiel 1 erhalte­ nes Keramiklaminat zeigt;

Fig. 8 ist ein Querschnitt, der ein Keramik-Mehrschichtsub­ strat gemäß dem Beispiel 1 zeigt;

Fig. 9 ist ein Querschnitt zum Veranschaulichen eines beim Beispiel 2 hergestellten ferromagnetischen Metallfilms (Mu­ ster C);

Fig. 10 ist ein Querschnitt, der ein beim Beispiel 2 erhal­ tenes Keramiklaminat zeigt;

Fig. 11 ist ein Querschnitt, der ein Keramik-Mehrschichtsub­ strat gemäß dem Beispiel 2 zeigt;

Fig. 12 ist ein Querschnitt, der ein Keramik-Mehrschichtsub­ strat gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt; und

Fig. 13 ist ein Querschnitt, der ein Keramik-Mehrschichtsub­ strat gemäß einer Modifizierung der Erfindung zeigt.

Beispiel 1

Zunächst wurde ein Glassubstrat 1 hergestellt, das an seiner Oberfläche mit einer geschmolzenen Schmiermittelschicht 2 versehen war. Die geschmolzene Schmiermittelschicht 2 kann dadurch hergestellt werden, daß das Glassubstrat 1 mit einem fluorierten Harz beschichtet wird (Fig. 1).

Dann wurden ein Ag-Film 3 und ein Pd-Film 4 mit einer Dicke von 0,7 µm bzw. 0,1 µm auf der gesamten Hauptfläche des Glassubstrats 1, die mit der geschmolzenen Schmiermittel­ schicht 2 versehen war, abgeschieden, wie in Fig. 2 darge­ stellt. Dieser zweischichtige, abgeschiedene Film 5 wurde durch Photolithographie gemustert, um einen metallischen Dünnfilm 5A (diese ebene Form wird als Muster A bezeichnet) zum Herstellen eines in Fig. 3 dargestellten Leiters auszu­ bilden. Der metallische Dünnfilm 5A erstreckt sich mit einer Breite von 500 µm rechtwinklig zur Ebene dieser Figur.

Ähnlich wie beim vorstehend beschriebenen Ablauf wurde ein Ni-Film 6 mit einer Dicke von 1,0 µm auf einem anderen Glas­ substrat 1 ausgebildet, das auf seiner Oberfläche mit einer geschmolzenen Schmiermittelschicht 2 versehen war (Fig. 4).

Dann wurde der Ni-Film 6 durch Photolithographie gemustert, wie in Fig. 5 dargestellt, um ferromagnetische Metallfilme 6A und 6B auszubilden (diese ebene Form wird als Muster B bezeichnet). Die ferromagnetischen, metallischen Dünnfilme 6A und 6B erstrecken sich mit Breiten von jeweils 500 µm rechtwinklig zur Ebene dieser Figur.

Dann wurde eine ungebrannte Aluminiumoxidfolie 11 mit einer Dicke von 200 µm hergestellt, wie in Fig. 6 dargestellt. Der metallische Dünnfilm 5A und die ferromagnetischen Metallfil­ me 6A und 6B, wie sie in den Fig. 3 und 5 dargestellt sind, wurden auf die ungebrannte Aluminiumfolie 11 übertragen.

Dann wurden blanke, ungebrannte Aluminiumfolien mit Dicken von 200 µm oben und unten auf die ungebrannte Aluminiumfolie 11 geschichtet, und in der Dickenrichtung wurde Druck aus­ geübt, um dadurch ein in Fig. 7 dargestelltes Keramiklaminat 12 zu erhalten. Der metallische Dünnfilm 5A ist im Keramik­ laminat 12 eingebettet, während die ferromagnetischen Me­ tallfilme 6A und 6B zu beiden Seiten des metallischen Dünn­ films 5a so angeordnet sind, daß sie getrennt von ihm vor­ liegen.

Dann wurde das Keramiklaminat 12 in reduzierender Atmosphäre gebrannt, um ein in Fig. 8 dargestelltes keramisches Mehr­ schichtsubstrat 13 zu erhalten. In diesem keramischen Mehr­ schichtsubstrat 13 ist ein Sinterkörper 14 durch Brennen des Keramikmaterials ausgebildet, während ein Leiter 15 durch den metallischen Dünnfilm 5a gebildet ist, der während des Brennens legierte. Die ferromagnetischen Metallfilme 6A und 6B sind zu den beiden Seiten des Leiters 15 angeordnet. Ein induktives Element ist durch den Leiter 15 sowie die ferro­ magnetischen Metallfilme 6A und 6B gebildet.

Beispiel 2

Ähnlich wie beim Beispiel 1 wurden ein Ni-Film 21 und ein Mo-Film 22 mit einer Dicke von 0,9 µm bzw. 0,1 µm aufeinan­ derfolgend auf einer Hauptfläche eines Glassubstrats 1 auf­ getragen, die mit einer geschmolzenen Schmiermittelschicht 2 versehen war. Danach wurde ähnlich wie beim Beispiel 1 ein Musterungsvorgang durch Photolithographie ausgeführt, um einen mehrschichtigen Metallfilm 23 mit einer Breite von 1,0 mm herzustellen, wie in Fig. 9 dargestellt (diese ebene Form wird als Muster C bezeichnet). Dieser mehrschichtige Metallfilm 23 wurde durch die vorstehend genannten Filme 21 und 22 aus Ni bzw. Mo gebildet, die als untere bzw. obere Schicht dienten.

Andererseits wurde ähnlich wie beim Beispiel 1 ein metalli­ sches Dünnfilm-Übertragungsmetall aus einem metallischen Dünnfilm 5a (Muster A) aus einem Cu-Film 3 (ohne obere Schicht 4), ähnlich dem in Fig. 3 dargestellten, herge­ stellt. Ferner wurde ein anderes Übertragungsmetall so her­ gestellt, daß es einen mehrschichtigen Metallfilm (Muster B) aus Ni- und Mo-Filmen mit Dicken von 0,9 µm bzw. 0,1 µm als untere bzw. obere Schicht aufwies, ähnlich wie dies für den in Fig. 9 dargestellten mehrschichtigen Metallfilm 23 gilt, und zwar anstelle der beim Beispiel 1 hergestellten ferro­ magnetischen Metallfilme 6A und 6B, wie in Fig. 5 darge­ stellt.

Dann wurde eine ungebrannte Aluminiumoxidfolie mit einer Dicke von 200 µm hergestellt, und der in Fig. 9 dargestellte mehrschichtige Metallfilm 23 wurde auf eine Hauptfläche die­ ser ungebrannten Aluminiumoxidfolie übertragen. Danach wurde eine andere ungebrannte Aluminiumoxidfolie mit einer Dicke von 7 µm auf den mehrschichtigen Metallfilm 23 übertragen, mit einer weiteren Übertragung des in Fig. 3 dargestellten metallischen Dünnfilms 5a (Muster A), und des vorstehend genannten Paars mehrschichtiger Metallfilme (Muster B). Zu­ sätzlich wurde darauf noch eine andere ungebrannte Alumi­ niumoxidfolie mit einer Dicke von 7 µm gestapelt, und ein weiterer mehrschichtiger Metallfilm 23 (Muster C), wie in Fig. 9 dargestellt, wurde zusätzlich auf diese ungebrannte Aluminiumoxidfolie übertragen. Danach wurde eine weitere un­ gebrannte Aluminiumoxidfolie mit einer Dicke von 200 µm auf den mehrschichtigen Metallfilm 23 gestapelt. Unter Druckaus­ übung in Dickenrichtung wurde ein Keramiklaminat 24 erhal­ ten, wie es in Fig. 10 dargestellt ist.

Danach wurde dieses Keramiklaminat 24 in reduzierender Atmo­ sphäre gebrannt, um ein keramisches Mehrschichtsubstrat 25 zu erhalten, wie es in Fig. 11 dargestellt ist. In diesem keramischen Mehrschichtsubstrat 25 ist ein durch den beim Brennen gesinterten metallischen Dünnfilm 5a gebildeter Lei­ ter 15 in einer mittleren, vertikalen Position angeordnet. Ferner sind die aus den Ni- und Mo-Filmen bestehenden mehr­ schichtigen Metallfilme legiert, und sie bilden ferromagne­ tische Metallfilme 27A und 27B, die hauptsächlich aus Ni be­ stehen und die zu den beiden Seiten des Leiters 15 angeord­ net sind. Zusätzlich sind die mehrschichtigen Metallfilme 23 legiert und sie bilden ferromagnetische Metallfilme 28, die über und unter dem Leiter 15 angeordnet sind.

Beispiel 3

Ein Ni- und ein Fe-Film mit einer Dicke von 0,8 µm bzw. 0,2 µm wurden der Reihe nach auf der gesamten Hauptfläche eines leitenden Substrats abgeschieden, das anstelle des beim Beispiel 1 verwendeten Glassubstrats 1 verwendet wurde. Der Ni-Fe-Film wurde photolithographisch gemustert, um ein Muster C mit einer Breite von 1,0 mm herzustellen, ähnlich wie beim in Fig. 9 dargestellten mehrschichtigen Metallfilm 23. Auf ähnliche Weise wurden ferromagnetische Metallfilm-Über­ tragungsmaterialien (Muster B) dadurch hergestellt, daß die die ferromagnetischen Metallfilme 6A und 6B von Fig. 5 bildenden Materialien durch Fe-Filme ersetzt wurden, ähnlich wie oben genannt. Ferner wurde auf einer Hauptfläche eines Glassubstrats 1, das ähnlich wie das beim Beispiel 1 verwen­ dete mit einer Schmiermittelschicht 2 versehen war, ein Pt-Film mit einer Dicke von 1,0 µm abgeschieden und ähnlich wie bei Fig. 3 gemustert (Muster A), um ein Übertragungsmaterial aus einem Pt-Film mit einer Dicke von 500 µm herzustellen.

Danach wurden, ähnlich wie beim Beispiel 2, Übertragungs­ materialien mit den Mustern A bis C zum Herstellen eines keramischen Mehrschichtsubstrats verwendet.

Vergleichsbeispiel

Ein Ag-Film 3 und ein Pd-Film 4 wurden auf einer Hauptfläche eines Glassubstrats 1, das ähnlich wie das beim Beispiel 1 verwendete mit einer Schmiermittelschicht 2 versehen war, abgeschieden und ähnlich wie beim Beispiel 1 gemustert, um ein Muster A herzustellen.

Dann wurde der Metallfilm mit dem Muster A auf eine Haupt­ fläche einer ungebrannten Aluminiumoxidfolie mit einer Dicke von 200 µm übertragen, und darauf wurde eine andere unge­ brannte Aluminiumoxidfolie mit einer Dicke von 200 µm gesta­ pelt. Danach erfolgte Druckausübung in Dickenrichtung, um ein Keramiklaminat zu erhalten.

Das auf die vorstehend genannte Weise erhaltene Keramiklami­ nat wurde gebrannt, um als Vergleichsbeispiel ein Keramik­ substrat 31 zu erhalten, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Bei diesem Keramiksubstrat 31 ist ein aus einer Ag-Pd-Legie­ rung bestehender Leiter 35 in einem Keramiksinterkörper 32 angeordnet.

Auswertung der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels

Für die jeweiligen Mehrschichtsubstrate der Beispiele 1 bis 3 und des Vergleichsbeispiels, die auf die vorstehend be­ schriebene Weise erhalten wurden, wurden Induktivitäten ge­ messen. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.

Tabelle 1

Wie es deutlich aus der Tabelle 1 erkennbar ist, ist es mög­ lich, bei jedem der Beispiele 1 bis 3 hohe Induktivität zu erzielen, da mindestens ein ferromagnetischer Metallfilm an einer Seite des Leiters angeordnet ist. Insbesondere ist es möglich, die Induktivität beim Beispiel 2 im Vergleich zu der beim Beispiel 1 zu verbessern, da ferromagnetische Me­ tallfilme nicht nur auf den beiden Seiten, sondern auch über und unter dem Leiter angeordnet sind, während beim Beispiel 3 höhere Induktivität erzielt werden kann, da als die ferro­ magnetischen Metallfilme bildendes Material eine Ni-Fe-Le­ gierung verwendet ist.

Während es möglich ist, wie oben beschrieben, beim Beispiel 3 hohe Induktivität zu erzielen, da das die ferromagneti­ schen Metallfilme bildende Material aus Fe hergestellt wird, muß die Brennatmosphäre für die Keramik eine stark reduzie­ rende Atmosphäre sein, um ein Mehrschichtsubstrat gemäß dem Beispiel 3 zu erhalten, da Fe leicht oxidiert wird.

Ferner ist es aus der Tabelle 1 deutlich erkennbar, daß die Länge des Leiters deutlich verlängert werden muß, um bei der Struktur des Vergleichsbeispiels bei der lediglich ein Lei­ ter im Keramiksubstrat angeordnet ist, eine Induktivität zu erzielen, die ähnlich der bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung ist. Außerdem benötigt ein herkömmlicher Leiter, der durch Aufeinanderstapeln einer Ferritlage und eines Lei­ ters und durch Ausbilden eines Ferritbereichs um den Leiter herum hergestellt wird, eine Substratdicke, die ungefähr das Drei- bis Fünffache derjenigen des bei den Ausführungsbei­ spielen verwendeten Substrats ist, um eine Induktivität zu erzielen, die ähnlich der des induktiven Elements gemäß je­ dem in der Tabelle 1 gezeigten Beispiel ist. Daraus ist er­ sichtlich, daß es gemäß der Erfindung möglich ist, ein mi­ niaturisiertes elektronisches Bauteil mit eingebauter Induk­ tivität mit hohem Induktivitätswert zu schaffen.

Wie in Fig. 13 dargestellt, können ferromagnetische Metall­ filme 46 und 47, die nahe bei einem Leiter 45 angeordnet sind, gekrümmte Flächen aufweisen, wobei der Leiter 45 zwi­ schen ihnen liegt.

Claims (6)

1. Elektronisches Bauteil mit eingebauter Induktivität mit

• - einem Substrat (13; 25) aus isolierendem Material und
• - einem Leiter (15; 45) innerhalb des Substrats;
  gekennzeichnet durch
• - mindestens einen ferromagnetischen Metallfilm (6A, 6B; 27A, 27B, 28; 47) innerhalb des Substrats nahe beim Leiter, jedoch getrennt von diesem.

2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ferromagnetische Metallfilm (6A, 6B; 27A, 27B) so im Substrat angeordnet ist, daß er mit dem Leiter (15) fluchtet.

3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein ferromagnetischer Metallfilm (28) im Substrat (25) an einer Position angeordnet ist, die einer Leiterfläche getrennt über eine durch das Substrat ge­ bildete isolierende Materialschicht gegenübersteht.

4. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ferromagnetische Metallfilm (6A, 6B; 27A, 27B) an einer Position angeordnet ist, die einer Leiterflä­ che über eine durch das Substrat gebildete isolierende Mate­ rialschicht gegenübersteht.

5. Elektronisches Bauteil nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Metallfilm (6A, 6B; 27A, 27B, 28; 46, 47) ganz oder teilwei­ se aus Ni besteht.

6. Elektronisches Bauteil nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (13; 25) ein keramisches Mehrschichtsubstrat ist.