März 2011

Multilayer-Chip-Induktivitäten mit hohen Güten

Hochfrequenzschaltungen rauschfrei halten

TDK-EPC hat dank seiner fortschrittlichen hochpräzisen Multilayer-Technologie Chip-Induktivitäten der Baugrößen 0402 und 0603 mit hohen Güten entwickelt.

Die neuen Serien MLG0402Q und MLG0603P von TDK sind für den Einsatz in Hochfrequenzschaltungen und -modulen von Mobiltelefonen ausgelegt.


Mobiltelefone werden immer kleiner und bieten gleichzeitig immer mehr und immer komplexere Funktionen. In der Folge wird sowohl eine weitere Miniaturisierung als auch Leistungssteigerung aller Bauelemente gefordert – einschließlich der Induktivitäten. Insbesondere die Multilayer-Chip-Induktivitäten müssen kleiner werden und gleichzeitig hohe Güten aufweisen. TDK-EPC ist diesen Anforderungen durch die Weiterentwicklung der Prozesstechnologie für Multilayer-Substrate aus LTCC-Keramiken (Low Temperature Co-fired Ceramics) gerecht geworden. Der Fertigungsprozess der neu entwickelten Innenelektroden des Chips bietet sogar eine noch präzisere Lageregelung. Das Ergebnis sind die Multilayer-Chip-Induktivitäten der Serien MLG0402Q und MLG0603P in den Baugrößen 0402 und 0603 mit hoher Güte. Für die Fertigung von Multilayer-Chip-Induktivitäten werden dünne Substrate aus Ferrit oder anderen Materialien verwendet, auf die mit einer Metallpaste, meist Silber, Spulenmuster aufgedruckt werden. Durch schichtweise Anordnung mehrerer Lagen dieser Substrate wird ein spiralförmiges Muster für die Innenelektroden geformt. Durch die von TDK entwickelte Multilayer-Technik wird es somit möglich, Spulen ohne Umwicklung eines Kerns zu fertigen. Das erleichtert sowohl die Miniaturisierung als auch die Massenfertigung.

Niedriger Verlust und hohe Güte – ein Muss für Hochfrequenzanwendungen
Bei Multilayer-Chip-Induktivitäten für Hochfrequenzanwendungen kommen Substrate aus dielektrischer Keramik anstelle von Ferriten zum Einsatz. Dies ist erforderlich, da Ferrite im Frequenzbereich von mehreren hundert MHz und darüber hohe Verluste aufweisen, wodurch sich kaum mehr hohe Güten erreichen lassen (Abbildung 1). Gleichstrom kann ungehindert durch Spulen fließen, bei Wechselstrom wirken sie jedoch als Widerstand. Dieses Verhalten wird als Blindwiderstand bezeichnet. Je höher die Frequenz des Wechselstroms, desto höher der induktive Blindwiderstand. Andererseits weist jede Spule, auch wenn ihre Drahtwicklung ein Leiter ist, einen gewissen Gleichstromwiderstand (R) auf. Das Verhältnis zwischen Gleichstromwiderstand und frequenzabhängiger Induktivität (R/2πfL) wird als Verlustfaktor bezeichnet. Dessen Kehrwert ist die Güte. Da f die Frequenz des durch die Spule fließenden Stroms darstellt, variiert die Güte in Abhängigkeit von der Frequenz. Einfach ausgedrückt, bedeutet eine höhere Güte niedrigere Verluste und eine bessere Eignung als Hochfrequenzinduktivität. Da die steigende Anzahl an Funktionen von Mobiltelefonen zu einem höheren Verbrauch der Akkuladung führt, müssen die in Hochfrequenzschaltungen eingesetzten Multilayer-Chip-Induktivitäten besonders niedrige Verluste und hohe Güten aufweisen.

Abbildung 1: Gütefaktor und Frequenzgang von Induktivitäten mit unterschiedlichem Substratmaterial
Die Güte verändert sich je nach Frequenz und Substratmaterial. Ferritsubstrate können im Frequenzbereich von mehreren hundert MHz und darüber nicht verwendet werden. An ihre Stelle treten Substrate aus dielektrischer Keramik.

Parasitäre Kapazitäten vermeiden
Induktivitäten für Hochfrequenzschaltungen von Mobiltelefonen müssen neben hohen Güten auch eine kleine Baugröße haben. Durch die Miniaturisierung erhöht sich allerdings der Gleichstromwiderstand, was wiederum einen niedrigeren Gütefaktor nach sich zieht. Darüber hinaus wirken sich die verteilten parasitären Kapazitäten der Innenelektroden und anderer Teile bei höheren Frequenzen stärker auf die Güte aus. Der induktive Blindwiderstand X der Spule ist direkt proportional zur Frequenz und zur Spuleninduktivität und wird durch die Gleichung X=2πfL definiert. Bei der idealen Spule verhält sich der Blindwiderstand proportional zur Frequenz, wenn die Induktivität konstant ist. Tatsächlich aber fällt der Blindwiderstand bei höheren Frequenzen ab. Dies ist auf die verteilten parasitären Kapazitäten der Spule zurückzuführen: In Multilayer-Chip-Induktivitäten wirken die Spulenmuster wie Kondensatorelektroden, sodass eine über das Bauelement verteilte Kapazität entsteht (Abbildung 2). In ähnlicher Weise sind auch zwischen den Anschlusselektroden und den Spulenmustern verteilte Kapazitäten vorhanden.

Abbildung 2: Parasitäre Kapazitäten zwischen den Elektroden einer TDK Multilayer-Chip-Induktivität

Dies hat zur Folge, dass bei hohen Frequenzen eine äquivalente LC-Parallelschaltung gebildet wird. Im Gegensatz zu einer Induktivität sperrt ein Kondensator Gleichstrom, wirkt aber für Wechselstrom mit höher werdender Frequenz immer stärker als Leiter. Ähnlich wie ein paralleles LC-Element, das als Resonanzkreis verwendet wird, besitzt die Multilayer-Chip-Induktivität mit ihrer verteilten Kapazität eine Resonanzfrequenz, die so genannte Eigenresonanzfrequenz. Bei Frequenzen oberhalb der Eigenresonanzfrequenz verliert der Chip seine Eigenschaften als Induktivität und die Güte fällt auf null. Daher ist bei der Auswahl von Multilayer-Chip-Induktivitäten für den Einsatz in Hochfrequenzschaltungen und -modulen nicht nur die geforderte Induktivität zu berücksichtigen, sondern die Eigenresonanzfrequenz muss auch ausreichend höher sein als die Einsatzfrequenz. Außerdem ist bei Induktivitäten für Hochfrequenzanwendungen der Skin-Effekt zu berücksichtigen, denn er erhöht den elektrischen Widerstand beträchtlich und bewirkt somit einen Abfall der Induktivität.


Präzise interne Spiralleiter dank modernster Prozesstechnologie
Erst der Einsatz hochpräziser Fertigungstechniken ermöglicht es, Form, Lagenbreite und Layout der inneren Leiter zu optimieren. So ist eine Minimierung der verteilten Kapazitäten und des Skin-Effekts auf vernachlässigbare Werte bei gleichzeitig hoher Güte möglich. Außerdem optimiert die LTCC-Prozesstechnologie von TDK-EPC die exakte Ausformung der Innenelektroden, was der entscheidende Faktor für kompakte Abmessungen ist. Darüber hinaus ermöglicht diese Prozesstechnologie eine stabile Massenproduktion von Multilayer-Chip-Induktivitäten.


Möglich wurde dies durch ein grundlegend neues Design der Spulenmuster und Layouts für die Serien MLG0402Q und MLG0603P. Nur durch die Summe aller Maßnahmen konnten die verteilten parasitären Kapazitäten zwischen den Anschlusselektroden erfolgreich minimiert werden, ohne wesentliche Änderungen an der Spulenfläche vorzunehmen. Das Ergebnis sind hervorragende Güten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Güte in Abhängigkeit von der Frequenz bei den TDK Serien MLG0402Q und MLG0603P

Schon geringfügige Veränderungen des Spulenmusters lassen die Güte abfallen. Um dies zu vermeiden, kamen bei der Entwicklung der Serie MLG0402Q eine hochpräzise Lageregelung und weitere richtungsweisende Konzepte zum Einsatz. Eine Weiterentwicklung dieser Technologien führte zur Serie MLG0603P mit ihren neuartig gestalteten Innenelektroden, die jetzt die Produktpalette von TDK-EPC ergänzt. Diese neue Serie bietet deutlich höhere Gütefaktoren, besonders bei Frequenzen über 800 MHz. Die neuen Serien MLG0402Q und MLG0603P sind beispielsweise für Hochfrequenzschaltungen in Mobiltelefonen, für Impedanzanpassungen von SAW-Filtern und VCO-Schaltungen sowie zur Verwendung als Drosseln ausgelegt. Andere Anwendungen, in denen diese Multilayer-Chip-Induktivitäten optimale Leistungen erbringen, sind Bluetooth, WLAN, UWB, digitale TV-Tuner und weitere Hochfrequenzschaltungen und -module.

Tabelle: Technische Daten der TDK Multilayer-Chip-Induktivitäten der Serien MLG0402Q und MLG0603P

Parameter/ TypSerie MLG0402Q Serie MLG0603P
Induktivität [nH]1 bis 150,6 bis 120
Betriebstemperaturbereich [°C]−40 bis +85−40 bis +85
Gleichstromwiderstand (max.) [Ω]0,4 bis 2,60,06 bis 5
Nennstrom [mA]100 bis 25080 bis 1000
Maße [mm³]0,4 × 0,2 × 0,20,6 × 0,3 × 0,3

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