Multilayer-Chip-Induktivitäten Dielektrische Keramiken machen Hf-Stufen von Mobiltelefonen rauschfrei

In den Hochfrequenz-Schaltungen und -modulen etwa von Mobiltelefonen sind Chip-Induktivitäten mit gleichzeitig hohen Güten gefordert. Mit Multilayer-Substraten aus LTCC-Keramiken lassen sich diese hohen Anforderungen erfüllen.

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TDK Electronics AG

Mobiltelefone werden immer kleiner und bieten gleichzeitig immer mehr und immer komplexere Funktionen. Deshalb wird sowohl eine weitere Miniaturisierung als auch Leistungssteigerung aller Bauelemente gefordert – und das gilt selbstverständlich auch für 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.

Spiralförmiges Muster formt die Innenelektroden der Multilayer-Chip-Induktivitäten

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.

Dielektrische Keramik in Chip-Induktivitäten für Hf-Stufen

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 (Bild 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.

Die Güte einer Induktivität variiert mit der Frequenz

Andererseits weist jede Spule, auch wenn ihre Drahtwicklung ein Leiter ist, einen gewissen Gleichstromwiderstand (R) auf. Das Verhältnis zwischen Gleichstromwiderstand und frequenzabhängiger Induktivität (R/2 π f L) 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.

Parasitäre Kapazitäten in Induktivitäten für Hf-Schaltungen von Mobiltelefonen 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 = 2 π f L 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 (Bild 2).

Verteilte Kapazitäten zwischen Anschlusselektroden und Spulenmustern der Induktivitäten

In ähnlicher Weise sind auch zwischen den Anschlusselektroden und den Spulenmustern verteilte Kapazitäten vorhanden. 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.

Die Eigenresonanzfrequenz von Chip-Induktivitäten muss ausreichend hoch sein

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.

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