用于放置在功率转换器的功率级之上的表面安装电感器的制作方法

本申请涉及功率转换器，并且更具体地，涉及用于功率转换器的表面安装电感器。

背景技术：

诸如dc-dc转换器的功率转换器包括多个有源和无源部件，包括用于调节负载的电压的功率级(诸如处理器)。功率级通过输出电感器耦合至负载。功率转换器的部件(包括输出电感器)与负载一起附接至印刷电路板(pcb)。pcb具有用于电互连功率转换器的部件以及将转换器的功率级电连接至负载的各种电路径。传统地，功率级在与输出电感器相同的平面中附接至pcb，增加了pcb的大小。此外，用于pcb的传统布局设计实践进一步复杂化功率转换器部件的这种布置。

技术实现要素：

根据用于放置在功率转换器的功率级之上的表面安装电感器的实施例，表面安装电感器包括第一电导体和磁芯，磁芯具有顶主面和底主面以及在顶主面和底主面之间延伸的侧面。第一电导体包括沿着磁芯的第一侧面延伸的第一部分、沿着与第一侧面相对的第二侧面延伸的第二部分以及连接第一和第二部分并延伸穿过磁芯的第三部分。第一电导体还包括第一直引线和第二直引线，第一直引线从第一部分开始向下延伸超过磁芯的底主面，第二直引线从第二部分开始向下延伸超过磁芯的底主面。第一直引线具有被配置用于表面安装至电路板的直末端。第二直引线也具有被配置用于表面安装至电路板的直末端。第一和第二直引线均具有允许功率级被安装至电路板的高度和宽度，电路板至少部分地位于磁芯下方。

根据功率转换器组件的实施例，功率转换器组件包括：电路板，具有第一侧和与第二侧相对的第二侧；功率转换器的功率级裸片，附接至电路板的第一侧；以及表面安装电感器，电连接至功率级裸片的输出并且在电路板的第一侧上设置在功率级裸片之上。表面安装电感器包括第一电导体和磁芯，磁芯具有顶主面和底主面以及在顶主面和底主面之间延伸的侧面。第一电导体包括沿着磁芯的第一侧面延伸的第一部分、沿着与第一侧面相对的第二侧面延伸的第二部分以及连接第一和第二部分并延伸穿过磁芯的第三部分。第一电导体还包括第一直引线和第二直引线，第一直引线从第一部分开始向下延伸超过磁芯的底主面，第二直引线从第二部分开始向下延伸超过磁芯的底主面。第一直引线具有表面安装至电路板的直末端。第二直引线也具有表面安装至电路板的直末端。第一和第二直引线均具有允许功率级被安装至电路板的高度和宽度，电路板至少部分地位于磁芯下方。

根据制造功率转换器组件的方法的实施例，该方法包括：将功率转换器的功率级裸片附接至电路板的第一侧；以及将表面安装电感器附接至电路板的第一侧，使得表面安装电感器电连接至功率级裸片的输出并且在电路板的第一侧上设置在功率级裸片之上。表面安装电感器包括磁芯和第一电导体。第一电导体包括：第一部分，沿着磁芯的第一侧面延伸；第二部分，沿着磁芯的第二侧面延伸；第三部分，连接第一和第二部件并延伸穿过磁芯；第一直引线，从第一部分开始向下延伸超过磁芯的底主面并具有直末端；以及第二直引线，从第二部分开始向下延伸超过磁芯的底主面并具有直末端，第一和第二直引线均具有允许功率级被安装至电路板的的高度和宽度，电路板至少部分地位于磁芯下方。在功率级裸片附接至电路板的第一侧之后，通过将第一和第二直引线的直末端在电路板的第一侧处附接至相应的导电接触区域，表面安装电感器附接至电路板的第一侧，一个导电接触区域电连接至功率级裸片的输出。

本领域技术人员在阅读以下详细描述并查看附图之后意识到附加的特征和优势。

附图说明

附图的元件不是必须相对地按比例绘制。类似的参考标号表示对应的类似部件。各个所示实施例的特征可以组合，除非相互排除。在附图中示出且在以下说明书中详细描述实施例。

图1a至图1f示出了被成形为在电感器下方容纳功率转换器的功率级裸片的表面安装电感器的不同示图。

图2示出了包括在被成形为在电感器下方容纳功率转换器的功率级裸片的表面安装电感器中的磁芯的侧视图。

图3a至图3d示出了图1所示磁芯使用的电导体的不同示图。

图4示出了根据另一实施例的被成形为在电感器下方容纳功率转换器的功率级裸片的表面安装电感器的侧视图。

图5示出了包括一个或多个表面安装电感器的功率转换器组件的顶视图，其中表面安装电感器被成形为在电感器下方容纳功率转换器组件的功率级裸片。

图6示出了被成形为容纳完全或部分放置在电感器下方的两个功率转换器的两个功率级裸片的2相表面安装电感器的侧视图。

图7示出了根据另一实施例的被成形为在电感器下方容纳两相功率转换器的两个功率级裸片的2项表面安装电感器的侧视图。

图8a示出了被成形为容纳完全或部分放置在电感器下方的两个功率转换器的两个功率级裸片的非耦合2相表面安装电感器的实施例的侧视图。

图8b示出了被成形为容纳完全或部分放置在电感器下方的两个功率转换器的两个功率级裸片的耦合2相表面安装电感器的实施例的侧视图。

具体实施方式

根据本文描述的实施例，功率转换器(诸如dc-dc转换器)的每个功率级裸片都被放置在用于该功率级(例如，降压拓扑)的对应输出电感器下方，以减小功率转换器解决方案的总体尺寸。每个功率级都将转换器的输出相提供给负载。在单相dc-dc非隔离转换器的情况下，提供了单个功率级。在多相dc-dc非隔离转换器的情况下，为转换器的每相提供功率级。每个功率级裸片都将通过输出电感器的相电流传输至被功率转换器调节的负载。每个功率级裸片都可以具有高侧晶体管和低侧晶体管，用于通过对应的输出电感器耦合至负载。每个功率级的高侧晶体管可切换地将负载连接至功率转换器的输入电压，并且对应的低侧晶体管在不同的周期可切换地将负载连接至地。每个功率级裸片都可以包括有源半导体部件(诸如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、驱动器等)和对应的无源部件。可以从裸片中排除无源部件并且被设置为独立部件。通常，当附接至诸如pcb的电路板以形成功率转换器组件时，每个功率级裸片都包括用于将功率转换器的输出相提供给负载的至少有源半导体部件并放置在对应的输出电感器下方。功率级裸片不限于整体的单个功率级，但是还可以包括集成封装件(包括一个或多个裸片，包括但不限于驱动器、高侧和低侧fet)。

图1a示出了被成形为在电感器100下方容纳功率转换器的功率级裸片的表面安装电感器100的侧视图。图1b示出了表面安装电感器100的顶视图。图1c示出了表面安装电感器100的底视图。图1d示出了表面安装电感器100的侧视图。图1e示出了表面安装电感器100的前视图。图1f示出了用于表面安装电感器100的电路板的脚印(footprint)的顶视图。

表面安装电感器100包括电导体102和磁芯104，磁芯104具有顶主面和底主面106、108以及在顶主面和底主面106、108之间延伸的侧面110、112、114、116。电导体102包括沿着磁芯104的第一侧面110延伸的第一部分118、沿着与第一侧面110相对的第二侧面112延伸的第二部分120以及连接第一和第二部分118、120并延伸穿过磁芯104的第三部分122。电导体102还包括从第一部分118向下延伸超过磁芯104的底主面108的第一直引线124以及从第二部分120向下延伸超过磁芯104的底主面108的第二直引线126。磁芯104可以包括两个或更多个部分128、130，电导体的第三部分122夹置在它们之间。磁芯部分128、130例如可以通过粘合剂相互附接，以将电导体102固定在适当位置并且确保导体102的直引线124、126可经由标准表面安装工艺接触。

第一和第二直引线124、126均具有被配置用于表面安装至电路板的直末端132、134。此外，第一和第二直末端124、126均具有允许将要安装至电路板的功率级至少部分地位于磁芯104下方的高度(d)和宽度(f)，这将在下面进行详细描述，表示功率级部分或完全被电感器100覆盖。例如，功率级的一侧或多侧可以保持暴露，使得沿着功率级的该侧的管脚容易被看见。为了容易示出表面安装电感器100，在图1a至图1f中未示出功率级。

表面安装电感器100的尺寸可以根据至少部分地容纳在电感器100下方的功率级裸片或部件的尺寸而显著变化。在图1b至图1e中，表面安装电感器100的总长度被标为a，总宽度标为b，以及总高度标为c。此外，在图1b至图1e中，电导体的直引线的高度标为d，直引线之间的间隔标为e，直引线的宽度标为f，以及直引线的厚度标为g。图1f示出了用于表面安装电感器100的示例性电路板脚印，其中，h表示用于电路板上的引线脚印的外间隔，i表示用于电路板上的引线脚印的内间隔，以及j表示用于电路板上的引线脚印的长度。

直引线124、126应该足够宽且足够厚以确保磁芯104可以上升到电路板上方的给定距离，以提供用于在电感器100下方放置功率级裸片的足够空隙，并且使得在表面安装工艺期间电感器100保持适当地位于电路板上。例如，在表面安装电感器具有约10-11mm的长度(a)和约8.5至9.5mm的宽度(b)的情况下，直引线124、126的高度(d)可以在约1.0至1.5mm的范围内，直引线124、126的宽度(f)可以在约3.5至5.5mm的范围内，并且直引线124、126的厚度(g)可以在约0.8至1.0mm的范围内。这些尺寸范围仅用于说明的目的。在广义上来说，直引线124、126的尺寸是总体电感器尺寸的函数，而总体电感器尺寸又是至少部分地容纳在电感器100下方的功率级裸片的尺寸的函数。直引线124、126的尺寸可以根据期望进行选择，只要引线124、126足够宽且足够厚以确保磁芯104可以上升到需要至少部分地在电感器100下方容纳功率级裸片的特定距离，并且使得电感器100在上述表面安装工艺期间保持适当地位于电路板上。在功率级和电感器组件在板的同一侧上期间，这些部件不相互碰触并且不是整体(或模制在一片中)功率模块的部分。

通常，电导体102的直引线124、126应该具有相同高度(d)以确保电感器100的适当表面安装。直引线124、126的高度(d)必须在足够大以至少部分地在表面安装电感器100下方容纳功率级裸片。直引线124、126从电导体102的相应第一和第二部分118、120延伸到磁芯104的底主面108下方，以提供容纳功率级裸片的所需间隔。第一直引线118可以具有与电导体102的第一部分118相同的宽度(f)，并且第二直引线126可以具有与电导体102的第二部分120相同的宽度。在其他情况下，直引线124、126可以宽于或窄于从其中延伸的电导体102的对应部分118/120。

图2示出了包括在图1a至图1e所示表面安装电感器100中的磁芯104的底部分128的一个实施例。根据该实施例，磁芯104的第一侧面110具有用于接收电导体102的第一部分118的第一通道200，磁芯104的第二侧面112具有用于接收电导体102的第二部分120的第二通道202，以及磁芯104的底部分128具有用于接收电导体102的第三部分122的第三通道204。

图3a至图3d示出了图1a至图1e所示表面安装电感器100中包括的电导体102的不同示图。图3a示出了电导体102的侧视图。图3b示出了电导体102的侧视图。图3c示出了电导体102的前视图。图3d示出了电导体102的侧视图。根据该实施例，电导体102的第三部分122窄于第一和第二部分118、120。例如，电导体102的第三部分122可以具有第一和第二部分118、120的宽度(w2)的50％和75％之间的宽度(w1)。电导体102可以成形为例如类似订书钉，并且具有单个连续的构造。

图3a至图3d所示电导体102可以通过利用直金属导体来形成，该直金属导体在中间具有小宽度(w1)且朝向端部具有大宽度(w2)，并且在宽度过渡点处弯曲导体，使得电导体在第一和第三部分118、122中间具有第一弯曲部300且在第二和第三部分120、122之间具有第二弯曲部302。根据该实施例，电导体102在第一弯曲部300和第一直引线124之间和在第二弯曲部302和第二直引线126之间的宽度大于第一和第二弯曲部300、302之间的宽度，即w2>w1。通过这种结构，电导体102的第三(中间)部分122在通过磁芯104时提供较大的电感，并且较宽端部118、120提供较低dcr，即电感器的金属导体中的固有电阻。可选地，与磁芯104相邻的电导体102的所有部分118、120、122都具有相同宽度，即，w2＝w1。

图4示出了根据另一实施例的包括在图1a至图1e所示表面安装电感器100中的电导体102的侧视图。在这种情况下，电导体的第一部分118(其沿着磁芯104的第一侧面110延伸)在其整个长度上不具有均匀的宽度。相反，电导体102的第一部分118在远离磁芯104的底主面108的端部处具有较小宽度(w2a)，并且在接近磁芯104的底主面108的端部处具有较大宽度(w2b)。电导体102的第二(相对)部分120(其沿着磁芯103的第二(相对)侧面112延伸)也在其整个长度上不具有均匀宽度，但是在图4中未示出。

图5示出了包括一个或多个本文所述表面安装电感器的功率转换器组件400的实施例的部分示图。根据该实施例，功率转换器组件400包括诸如pcb的电路板404，其具有第一主侧和与第一侧相对的第二主侧。功率转换器的至少一个功率级裸片406附接至电路板400的第一侧。在一个实施例中，功率转换器是dc-dc转换器，其具有附接至电路板400的第一侧的多个功率级裸片406。在这种情况下，dc-dc转换器是多相转换器，并且每个功率级裸片406都将通过输出电感器100的相电流传输至由dc-dc转换器调节的负载。负载的vout节点附接至电路板400与功率级裸片406相同的一侧，并且在板400相对于负载的同一侧或相对侧处连接。负载可以是任何类型的要求调节电压的电路，诸如一个或多个处理器。负载和功率转换器的各个部件(诸如输出电容器、控制器等)在图5中未示出。这些部件在图5中未示出，因为它们的示出并不需要帮助理解本发明。

图5的左手侧示出了在将输出电感器100附接至电路板400的第一侧之前的多相dc-dc转换器的一相，以及右手侧示出了在对应的输出电感器100附接至电路板400的第一侧之后的第二相。每个输出电感器100都是本文所述种类的表面安装电感器。还附接至电路板400的第一侧的是功率转换器的无源部件402，诸如输入电容器、输出电容器、电阻器等。在一个实施例中，功率转换器的一些无源部件402可以容纳在输出电感器100下方。在任意情况下，在相应的输出电感器100之前，无源部件402和功率级裸片406附接至电路板400的第一侧。一个功率级裸片406在图5的左手侧可见。用于安装至电路板该部分的对应输出电感器的脚印对应于图5中的标为“pre”的实线框。在无源部件402和功率级裸片406之后，输出电感器100附接至电路板400的第一侧。在图5的右手侧可见一个输出电感器100。用于具有弯曲引线的传统输出电感器的脚印对应于图5中标为“con”的虚线框。

附接至电路板400的部件(包括输出电感器100)通过导电通孔408和/或迹线410、412(它们是电路板400的一部分)电连接至功率级裸片406的各个终端。每个输出电感器100都是本文所述种类的表面安装电感器，并且电连接至对应功率级裸片406的输出并且设置在电路板400的第一侧上的该裸片406之上。如此，每个输出电感器100都具有磁芯和电导体，电导体包括沿着磁芯的第一侧面延伸的第一部分、沿着磁芯的相对的第二侧面延伸的第二部分以及连接第一和第二部分并延伸穿过磁芯的第三部分。每个电导体还包括第一直引线和第二直引线，第一直引线从第一部分向下延伸超过磁芯的底主面并具有被配置用于表面安装至电路板400的直末端，第二直引线从第二部分向下延伸超过磁芯的底表面并具有被配置用于表面安装至电路板400的直末端。如本文先前所述，第一和第二直引线均具有允许安装至电路板400的功率级裸片406至少部分地位于磁芯下方的高度和宽度。

在功率级裸片406附接至电路板400的同一侧之后，每个表面安装电感器100都通过在电路板400的第一侧处将直引线的直末端附接至相应的导电接触区域410、412而附接至电路板400的第一侧。一个导电接触区域410电连接至对应功率级裸片406的输出(vout)。另一导电接触区域412电连接至功率转换器的切换输出(vsw)。

图6示出了被成形为在电感器500下方容纳功率转换器的一个或多个功率级裸片的表面安装电感器500的另一实施例的侧视图。根据该实施例，表面安装电感器500是2相耦合或非耦合电感器。即，表面安装电感器500还包括与第一电导体102隔开的第二电导体502。第一电导体102与功率转换器的功率级的第一相相关联，并且第二电导体502与功率级的第二相相关联。类似于第一电导体102，第二电导体502包括沿着磁芯104的第一侧面110延伸的第一部分504、沿着磁芯104的第二侧面112延伸的第二部分(未示出)以及连接第一和第二部分且延伸穿过磁芯104的第三部分506。

在非耦合电感器结构中，第二电导体502还包括从第一部分508向下延伸超过磁芯104的底主面108且具有被配置用于表面安装至电路板的直末端510的第一直引线508以及从第二部分向下延伸超过磁芯104的底主面108且也具有被配置用于表面安装至电路板的直末端514的第二直引线512。在两相耦合电感器结构中，电导体102、502均在磁材料的同一侧处进出磁芯104。另外，以延伸引线512和126结束的另一相电导体(未示出)对应于第二相的vsm和vout节点。在任意结构中，第二电导体502的直引线508、512(类似于第一电导体102的直引线124、126)均具有允许将被安装至电路板的一个或多个功率级裸片至少部分地位于磁芯104下方的高度和宽度。这种概念可一般延伸到m相表面安装电感器。

图7示出了被成形为在电感器下方容纳两个功率转换器的两个功率级裸片的表面安装电感器的又一实施例的侧视图。图7所示实施例类似于图6所示的实施例。然而，不同在于，2相耦合或非耦合电感器的电导体102、502的相对第一和第二部分的每一对在它们的相应长度之上不具有均匀的宽度。相反，沿着磁芯104的第一侧面110延伸的每个电导体102、502的第一部分118、504在远离磁芯104的底主面108的端部处具有较小宽度(w2a1、w2a2)以及在接近磁芯104的底主面108的端部处具有较大宽度(w2b1、w2b2)。沿着磁芯104的第二(相对)侧面112延伸的每个电导体102、502的第二(相对)部分也在其长度之上不具有均匀的宽度，但是在图7中未示出。

图6和图7所示的多相表面安装电感器可以实施为上述耦合或非耦合电感器。图8a示出了2相电感器的非耦合实施方式，其中，每个电导体102、502都从磁芯104的相对侧进出。图8b示出了2相电感器的耦合实施方式，其中，一个电导体102从磁芯104的一侧进出，以及另一电导体502从磁芯104的相对侧进出。在图8a和图8b中，针对电导体102、502的每一终端标记相应相的vsw和vout节点。该概念可一般延伸至m相表面安装电感器。

本文描述的表面安装电感器具有直引线，其可表面安装并且具有充分的高度来允许功率转换器的功率级至少部分地容纳在电感器下方。直引线的高度取决于电感器和功率级的尺寸，但是在一些情况下可以在1.0至1.5mm的范围内。在板制造期间，可以在单个焊料回流中的功率级放置或者手动作为部件组装的第二步骤之后来组装直引线表面安装电感器。在单个焊料回流的情况下，电感器下方的功率级控制管脚的视觉检查不可以通过自动显微镜检查来进行，意味着x射线机器应该用于检查被电感器覆盖的管脚。通过在用于功率级和功率转换器的其他部件的焊料回流工艺之后手动安装直引线表面安装电感器，在电感器附接之前可以经由显微镜进行视觉光学检查。

与具有弯曲引线的可比较表面安装电感器相比，对于相同类型的电流应用来说，本文描述的直引线电感器具有例如大约2mm的较短总体电感器长度。直引线被制造得特别厚(例如，0.8至1.0mm厚)以防止电感器在焊料回流期间滑动。直引线还足够宽(例如，3.5至5.5mm宽)以实现显著较低的电感器dcr。例如，0.17-19mω范围内的dcr在用于5相服务器电压调节器的全负载下节省1w功率。本文描述的表面安装电感器可用于服务器cpu(中央处理单元)、图形卡gpu(图形处理单元)、电信asic(专用集成电路)和fpga(现场可编程门阵列)应用等。

诸如“下方”、“以下”、“下部”、“之上”、“上部”等的空间相对术语用于容易解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语用于包括除图中所示不同定向之外的不同定向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语还用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不用于限制。类似的术语在说明中表示类似的元件。

如本文所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”等是开放性术语，其表示所指元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。冠词“一个”和“该”用于包括多个以及单个，除非另有明确指定。

通过上述范围的变形和应用，应该理解，本发明不通过前文的描述来进行限定也不通过附图来进行限定。相反，本发明仅通过以下权利要求及其等效物来进行限定。