专利名称：微型功率电感器及其制造方法
微型功率电感器及其制造方法
背景技术：
本发明一般地涉及包括磁芯的电组件的制造，且更特定地涉及具有磁芯和导电线圈绕组的表面安装电组件的制造。各种磁性组件，包括但不限于电感器和变压器，包括围绕磁芯设置的至少一个导电绕组。这样的组件可被用作电气系统中的电源管理设备，包括但不限于电子设备。电子封装的进步已经确保了电子设备尺寸的极大减少。这样，现代手持电子设备非常狭长，有时被认为具有低轮廓或厚度。
图I是根据本发明的磁性组件的透视图。
图2是图I中所示设备的展开视图。图3是图2中所示设备的一部分的部分展开视图。图4是图I中所示设备在部分组装情况下的另一个展开视图。图5是制造图I到4中所示的组件的方法的方法流程图。图6A示出根据一个示例性实施例的具有预成型线圈和至少一个磁粉薄板的微型功率电感器的顶端的透视图和展开视图。图6B示出根据一个示例性实施例的如图6A所示的微型功率电感器的透明透视图。发明详细描述电组件的制造过程被仔细检查以作为减少高度竞争的电子制造行业中的成本的一种途径。当所制造的元件是低成本高容量的元件时，制造成本的减少是特别合乎需要的。在高容量元件中，任何制造成本的减少当然是重要的。此处使用的制造成本是指材料成本和劳动成本，且制造成本的减少对于消费者和制造者等是有利的。因此，期望的是为电路板应用提供具有增加的效率和改进的可制造性的磁性组件，同时不增加组件的尺寸且不在印刷电路板上占据不适当量的空间。为满足新产品，(包括但不限于诸如手机、个人数字助理(PDA)设备、和其他设备之类的手持电子设备)的低轮廓空间要求的磁性组件的微型化，出现了大量挑战和困难。特别对于具有堆叠的电路板的设备(这在目前是普遍的，用于提供这样的设备的增加的功能)，旨在满足设备尺寸的整体低轮廓要求的电路板之间减少的容限，已经提出实际约束，这些约束或者是常规电路板组件可无法全部满足，或者是使得用于制造配套设备(conformingdevice)的常规技术显得非常昂贵。通过本发明有效地克服了现有技术的这些劣势。为了对下述本发明的示例性实施例的创新性方面全面了解，此处的公开将被分为几个部分，其中部分I是对于常规磁性组件及其劣势的介绍；部分II公开了根据本发明的组件设备的示例性实施例及制造其的方法；且部分III公开了根据本发明的模块化组件设备的示例性实施例及制造其的方法。I.低轮廓磁性组件的介绍
常规地，磁性组件，包括但不限于电感器和变压器，利用围绕磁芯设置的导电绕组。在电路板应用的现有组件中，可用螺旋地绑绕在低轮廓磁芯(有时被称为磁鼓)上的细金属丝制成磁性组件。然而，对于较小的磁芯，绕磁鼓绑绕金属丝是困难的。在示例性安装中，期望的是具有小于O. 65mm的低轮廓高度的磁性组件。将金属丝线圈应用在这个尺寸上的挑战容易增加组件的制造成本，并且期望有较低成本的解决方法。已经对制造低轮廓磁性组件(有时称为芯片电感器)做出努力，在高温有机介电衬底(如，FR-4、酚醛或其他材料)上使用沉积金属化技术和用于在FR4板、陶瓷衬底材料、电路板材料、酚醛、和其他刚性衬底上形成线圈和磁芯的形成技术。然而，用于制造这样的芯片电感器的这样的已知技术包括复杂的多步骤制造工艺和错综复杂的控制。期望的是减少在特定制造步骤中这样的工艺的复杂度来因此减少与这样的步骤相关联的必须的时间和劳动。进一步期望的是完全去除一些工艺步骤来减少制造成本。
II.具有集成线圈层的磁性设备图I是磁性组件或设备100的第一个说明性实施例的俯视图，其中展示了本发明的优点。在示例性实施例中，设备100是电感器，但是可理解的是以下描述的本发明的优点也可对于其它类型的设备而产生。虽然以下描述的材料和技术被认为对低轮廓电感器的制造特别有利，但是可理解的是电感器100仅是可获益于本发明的电组件中的一种类型。因此，下文所作的描述仅仅出于说明性的目的，可以预期本发明的优点可在其它尺寸和类型的电感器以及包括但不限于变压器的其它无源电组件上产生。因此，并不意图将此处的创新性概念的实践唯一地限制在此处描述和附图中所示出的说明性实施例中。根据本发明的示例性实施例，电感器100可具有层叠构造，这将在下文描述，其包括在外部介电层104、106之间延伸的线圈层102。磁芯108以下文说明的方式在线圈的上部、下部、并通过线圈中心延伸(未在图I中示出)。如图I中所示，电感器100—般形状为矩形，并包括相对的拐角切口 110、112。表面安装端子114、116被形成为与拐角切口 110、112相邻且端子114、116各自包括平面端接板118、120和例如用导电镀层金属化的垂直表面122、124。当表面安装板118、120被连接至电路板(未示出)上的电路轨迹时，金属化的垂直表面122、124建立了端接板118、120与线圈层102之间的导电路径。表面安装端子114、116有时被称为塔状(castellated)接触端子，但是可可选地在本发明的其他实施例中采用其他端接结构，诸如接触导线(即，线端接)、围绕端接、浸溃金属化端接、电镀端接、焊接接触和其他已知的连接方案，来对于电路板(未示出)的电感器、端子、接触板、或电路端子提供电连接。在示例性实施例中，电感器100在一个示例中具有小于O. 65mm的低轮廓尺寸H,且更特定为约O. 15mm。该低轮廓尺寸H对应于当电感器100被安装至电路板时、在与电路板表面垂直的方向中测得的电感器100的垂直高度。在电路板的平面中，电感器100可近似正方形，且在一个实施例中在具有约2. 5mm长度的侧边缘。尽管电感器100被图示为矩形形状，有时被称为芯片构造，且另外尽管公开了示例性尺寸，应理解的是在本发明的可选实施例中可替代地使用其他形状和更大或更小的尺寸。图2是电感器100的展开视图，其中线圈层102被图示为在上和下介电层104和106之间延伸。线圈层102包括在基本平面的基层介电层132上延伸的线圈绕组130。线圈绕组130包括数匝来获得期望效果，诸如，例如，对于电感器100的所选终端用途应用的所期望的电感值。线圈绕组130被设置为位于基层132的每一个各自相对表面134 (图2)和135 (图3)上的两个部分130A和130B中。S卩，包括部分130A和130B的双侧线圈绕组130在线圈层102中延伸。每一个线圈绕组部分130A和130B在基层132的主表面134、135上的平面中延伸。线圈层102进一步包括位于基层132的第一表面134上的端接板140A和142A、以及位于基层132的第二表面135上的端接板140B和142B。线圈绕组部分130B的端部144连接至位于表面135上的端接板140B(图3)，且线圈绕组部分130A的端部连接至位于表面134上的端接板142A(图2)。通过位于基层132中的开口 136外围处的导电通孔138(图3)，线圈绕组部分130A和130B可串联地互连。因此，当端子114和116耦合至带电电路时，在端子114和116之间通过线圈绕组部分130A和130B建立导电路径。基层132在形状上可一般是矩形，且可形成为具有在基层132的相对表面134和135之间延伸的中间磁芯开口 136。该磁芯开口 136可被形成为一般如图所示的圆形，但可理解的是在其他实施例中该开口并不需要是圆形。磁芯开口 136如下所述接收磁性材料来为线圈绕组部分130A和130B形成磁芯结构。 线圈部分130A和130B延伸至磁芯开口 136的周边附近并且在每一个线圈绕组部分130A和130B中具有线圈绕组130的各连续匝，建立在线圈层102中的导电路径从开口136的中心以增加的半径延伸。在示例性实施例中，线圈绕组130在基层132上，在线圈绕组部分130A中的表面134上，在基层132之上的绕组导电路径中延伸多匝，且还在线圈绕组部分130B中的表面135上，在基层132之下延伸多匝。线圈绕组130可在基层132的相对的主要表面134和135上各自延伸特定匝数，诸如在基层132每一侧上延伸十匝(导致串联连接的线圈部分130A和130B的总共二十匝)。在说明性实施例中，二十匝的线圈绕组130产生约4到5μ H的电感值，将该电感器100呈现为良好地适用为低功率应用的功率电感器。线圈绕组130可可选地用任意数量匝制成来定制用于特定应用或终端用途的线圈。如本领域技术人员所了解的，电感器100的电感值主要取决于线圈绕组130中电线的匝数、用于制造线圈绕组130的材料、和线圈匝分布于基层132上的方式(即，在线圈绕组部分130Α和130Β中匝的截面积)。这样，通过改变线圈匝数、匝的设置、和线圈匝的截面积，可对于不同应用显著地改变电感器100的电感额定值。因此，尽管说明了在线圈绕组部分130Α和130Β中的十匝，可使用更多或更少的匝来产生具有如所期望的大于或小于4到5μ H电感值的电感器。另外，尽管示出了双侧线圈，可理解的是，可在可选实施例中类似地使用仅在基层表面中的一个134或135上延伸的单侧线圈。线圈绕组130可以是，例如独立地由上和下介电层104和106制造并形成的电铸材料金属箔片。特定地，在说明性实施例中，在基层132的每一个主表面134、135上延伸的线圈部分130Α和130Β，可根据已知添加工艺制造，诸如电铸工艺，其中线圈绕组130的期望形状和匝数被镀上且负性图像被铸造(cast)在涂覆光敏抗蚀剂的基层132上。薄层金属，诸如铜、镍、锌、锡、铝、银、其合金(如，铜/锡、银/锡、和铜/银合金)可随后被镀在被铸造在基层132上的负性图像上来同时形成线圈部分130A和130B。在本发明的各实施例中可使用各种金属材料、导电组合物、和合金来形成线圈绕组130。从介电层104和106分别且独立形成线圈绕组130相比芯片传感器的现有结构是有利的，现有结构例如利用在无机衬底上的金属沉积技术并且随后经由蚀刻工艺等移除或减去所沉积的金属来形成线圈结构。例如，线圈绕组130的分别且独立形成允许当电感器100被构建时线圈绕组130相对于介电层104、106的控制和定位方面的更大的准确度。相比已知这些设备的蚀刻工艺，线圈绕组130的独立形成还允许对于线圈导电路径形状上的更多的控制。尽管蚀刻易于产生一次成形的导电路径的倾斜(oblique)或歪斜(sloped)的侧边缘，可能用电铸工艺形成基本垂直的侧边缘，因此在电感器100的操作特性方面提供更可重复性的性能。又进一步，可在分开且独立的形成工艺中使用多个金属或金属合金，也可改变设备的性能特性。尽管以与介电层104和106分开且不同的预制方式来电铸线圈绕组130被认为是有利的，可理解的是线圈绕组130可替代地由其他方法形成也可获得本发明的一些优势。例如，线圈绕组130可以是根据现有技术施加至基层132的电沉积金属箔片。诸如丝网印刷和沉积技术之类的其他添加技术也可被使用，且诸如化学蚀刻、等离子体蚀刻、激光微调等现有技术中已知的减除技术也可被用于塑形线圈。可选地，预制的线圈绕组完全不需要被制造并形成在任何预先存在的衬底材料上，而是可以是缠绕绕组轴形成用组件的各介电层组装的自支撑、独立式线圈结构的柔性电线导体。·
上和下介电层104、106分别位于线圈层102上方和下方。S卩，线圈层在上下介电层104、106之间延伸并与两者紧密接触。在示例性实施例中，上和下介电层104和106夹持线圈层102，且上和下介电层104和106各自包括形成为通过其的中间磁芯开口 150、152。磁芯开口 150、152可被形成为一般如图所示的圆形，但可理解的是在其他实施例中开口并不需要是圆形。分别位于第一和第二介电层104和106中的开口 150、152暴露出线圈部分130A和130B且分别在线圈部分130A和130B延伸的地方界定了在双侧线圈层102之上和之下的容器(receptacle),用于引入磁性材料来形成磁芯108。即，开口 150、152为磁芯的部分108A和108B提供受限的位置。图4示出处于堆叠关系的线圈层102和介电层104和106。层102、104、106可以已知方式(诸如层压工艺)紧固至彼此。如图4中所示，线圈绕组130在磁芯开口 150和152中暴露(图2)，且磁芯件108A和108B可被应用于开口 150、152和线圈层102中的开口 136。在示例性实施例中，磁芯部分108A和108B被应用为粉末或浆液材料来填充上下介电层104和106中的开口 150和152、还有线圈层102中的磁芯开口 136(图2和3)。当磁芯开口 136、150、和152被填充时，磁性材料围绕或封闭线圈部分130A和130B。在固化时，磁芯部分108A和108B形成单片磁芯件且线圈部分130A和130B被内嵌在磁芯108中，且磁芯件108A和108B被安装为与上下介电层104和106平齐。S卩，磁芯件108A和108B具有基本是层104、106、和132的厚度之和的延伸通过开口的组合高度。换言之，磁芯件108A和108B也满足低轮廓尺寸H (图I)。磁芯108可由已知导磁材料制成，诸如在一个实施例中的铁氧体或铁粉，但是还可类似地使用具有导磁性的其他材料。在说明性实施例中，第一和第二介电层104和106、和线圈层102的基层132各自由基于聚合物的介电膜制成。上下绝缘层104和106可包括粘合膜来将这些层紧固至彼此且紧固至线圈层102。基于聚合物的介电膜的优势在于其在层叠构造中具有热流动特性。在电感器100中的热流量成比例于所使用的材料的热传导率，且热量流动可导致电感器100中的功率损失。一些示例性已知材料的热传导率被列在下表中，且可见，通过减少所使用的绝缘层的传导率，可显著减少在电感器100中的热量流动。特别注意的是，在本发明的说明性实施例中可采用作为层104、106、和132中的绝缘材料的聚酰亚胺的极低的热传导率。衬底热导率(W/mK)
权利要求
1.一种磁性组件，包括 层压结构，包括 线圈绕组，包括第一端、第二端、和在所述第一和第二端之间延伸并完成数匝的绕组部分；和 多个层叠的介电材料层，该介电材料层被压向彼此并与彼此相结合，所述层叠的介电材料层围绕着所述线圈绕组的绕组部分； 其中所述线圈绕组是与所有的所述层叠介电层分开制造的；和 端子，耦合至所述线圈绕组的所述第一端和第二段，用于建立表面安装电路连接至所述线圈绕组。
2.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述介电薄板包括柔性复合膜。
3.如权利要求2所述的磁性组件，其特征在于，所述复合膜材料包括热塑性树脂。
4.如权利要求3所述的磁性组件，其特征在于，所述复合膜进一步包括磁性粉末。
5.如权利要求4所述的磁性组件，其特征在于，所述磁性粉末包括软性磁性颗粒。
6.如权利要求2所述的磁性组件，其特征在于，所述复合膜包括聚酰亚胺材料。
7.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述多个层叠的介电层包括柔性磁性粉末薄板。
8.如权利要求7所述的磁性组件，其特征在于，所述磁性粉末薄板包括磁性聚合物复合膜。
9.如权利要求8所述的磁性组件，其特征在于，所述复合膜材料包括与热塑性树脂混合的柔性磁性粉末。
10.如权利要求9所述的磁性组件，其特征在于，所述柔性磁性粉末薄板可层叠为固态材料。
11.如权利要求10所述的磁性组件，其特征在于，所述柔性磁性粉末薄板具有约10.O或更大的相对导磁率。
12.如权利要求7所述的磁性组件，其特征在于，所述柔性磁性粉末薄板被围绕所述线圈绕组的外表面压制，其中所述柔性磁性粉末薄板绕所述线圈弯曲而在所述柔性磁性粉末薄板和所述线圈之间不产生物理间隙。
13.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述线圈绕组包括被缠绕为独立式、自支撑结构的柔性电线导体。
14.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述线圈绕组定义了开口中心区域，且磁性材料占据所述开口中心区域。
15.如权利要求14所述的磁性组件，其特征在于，所述磁性材料与所述层叠的介电材料被分开提供。
16.如权利要求14所述的磁性组件，其特征在于，所述磁性材料与所述层叠的介电材料被一体地提供。
17.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述多个层叠的介电材料是用压力而非热量而层压的层。
18.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述表面安装端被形成在所述层叠的介电材料层的至少其中一个上。
19.如权利要求I所述的磁性组件，其特征在于，所述组件是微型功率电感器。
20.一种制造磁性组件的方法，因此所述组件包括线圈绕组和磁芯结构；所述线圈绕组具有第一端、第二端、和在所述第一和第二端之间延伸并完成数匝的绕组部分；所述磁芯结构包括多个介电材料层；所述方法包括 获得多个预先制造的介电材料层； 获得至少一个预先制造的线圈绕组； 经由压力层压工艺将所述至少一个预先制造的线圈绕组耦合至所述多个预先制造的介电材料层；以及 提供端子，用于建立表面安装电路连接至所述线圈绕组的第一和第二端。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述压力层压工艺不包括热层压工艺。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述线圈绕组包括开口中心，所述方法还包括 获得预先制造的磁芯材料；和 用所述预先制造的磁芯材料填充所述开口中心。
23.由权利要求20所述的方法获得的产品。
24.如权利要求23所述的产品，其特征在于，所述介电材料层包括热塑性树脂。
25.如权利要求24所述的产品，其特征在于，所述介电材料层还包括磁性颗粒。
26.如权利要求25所述的产品，其特征在于，所述介电材料具有至少约10的相对导磁率。
27.如权利要求26所述的产品，其特征在于，所述产品是微型功率电感器。
28.一种磁性组件，包括 层压结构，包括 线圈绕组，包括第一端、第二端、和在所述第一和第二端之间延伸并完成数匝的绕组部分；和 至少一个被压向并与所述线圈层相结合的至少一个介电材料层，藉此所述至少一个介电材料层围绕着所述线圈绕组的绕组部分； 其中所述绕组部分与所述至少一个介电层被分开地制造；和 端子，耦合至所述线圈绕组的所述第一端和第二端，用于建立表面安装电路连接至所述线圈绕组。
29.如权利要求28所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个介电材料层包括多个介电材料层，该介电材料层被压向彼此并与彼此相组合。
30.如权利要求28所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个介电层包括单层。
全文摘要
电路板应用的诸如功率电感器之类的磁性组件包括压力层压构造，涉及可一体地包括磁性粉末材料的柔性介电薄板。介电薄板可以经济可靠的方式围绕线圈绕组被压力层压，具有超出已知磁性组件构造的性能优势。
文档编号H01F17/04GK102893345SQ201180020357
公开日2013年1月23日 申请日期2011年3月16日 优先权日2010年4月23日
发明者颜毅鹏, R·J·博格特, D·M·马努基安 申请人:库柏技术公司