磁性部件及其制造方法
【专利说明】磁性部件及其制造方法
[0001]本申请是申请号为201080028151.8 (PCT/US2010/032540)，申请日为 2010 年 04 月27日，发明名称为“磁性部件及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。
【背景技术】
[0002]本发明领域总地涉及磁性部件及其制造，并且更确切地涉及诸如电感器和变压器之类的磁性表面安装电子部件。
[0003]随着电子封装的进步，制造更小但具更大功率的电子装置已变得可行。为了减小这些电子装置的总体尺寸，用于制造这些电子装置的电子部件已变得日益小型化。制造电子部件来满足这些需求存在许多困难，因此使得制造工艺更加昂贵，并且不理想地增大电子部件的成本。
[0004]类似于其它部件那样，用于诸如电感器和变压器之类的磁性部件的制造工艺已被仔细审查，以减小高度竞争的电子制造业的成本。当被制造的电子部件是低成本的并且是高容量的部件时，对于制造成本的降低是尤为理想的。在这些电子部件、以及使用这些电子部件的电子装置的高容量大规模生产工艺中，制造成本的任何降低当然是显著的。
【发明内容】
[0005]本文披露了磁性部件组件以及制造这些磁性部件组件的方法的示范性实施例，且这些示范性实施例有利地用于实现以下益处中的一个或多个:部件结构更顺应以小型化水平进行生产；部件结构更易于在小型化水平下进行组装；部件结构允许免除已知的磁性部件构造常用的制造步骤；通过更有效的制造技术，部件结构具有提高的可靠性；与现有的磁性部件相比，在封装尺寸类似或减小情况下，部件结构具有改进的性能；与传统的小型化磁性部件相比，部件结构具有增大的功率容量；以及与已知的磁性部件构造相比，部件结构具有独特的芯部和线圈构造，以提供显著的性能优点。
[0006]示例的部件组件应被认为尤其有利于构造例如电感器和变压器。能以较小的封装尺寸来可靠地提供这些组件，且这些组件可包括表面安装特征，以易于安装于电路板。
【附图说明】
[0007]参照以下附图来描述非限制和非穷举的实施例，其中除非另有说明，类似的附图标记指代所有各个附图中的类似部件。
[0008]图1示出根据本发明一示例实施例的小型化功率电感器的顶侧的立体图和分解视图。
[0009]图2示出根据一示例实施例的、在中间制造步骤中图1所示小型化功率电感器的顶侧的立体图。
[0010]图3示出根据一示例实施例的图1所示小型化功率电感器的底侧的立体图。
[0011]图4示出根据一示例实施例的图1、图2和图3所示小型化功率电感器的示例绕组构造的立体图。
[0012]图5示出根据本发明一实施例的线圈构造。
[0013]图6示出包括图5所示线圈构造的磁性部件的剖视图。
[0014]图7是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的示意俯视图。
[0015]图8是包括耦合线圈的另一磁性部件组件的示意俯视图。
[0016]图9是图8所示部件组件的剖视图。
[0017]图10是包括耦合线圈的另一磁性部件组件的示意俯视图。
[0018]图11是图10所示部件的剖视图。
[0019]图12是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的另一实施例的示意俯视图。
[0020]图13是图12所示部件的剖视图。
[0021]图14是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的另一实施例的立体图。
[0022]图15是图14所示部件的俯视图。
[0023]图16是图14所示部件的顶侧立体图。
[0024]图17是图14所示部件的底侧立体图。
[0025]图18是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的另一实施例的立体图。
[0026]图19是图18所示部件的顶侧示意图。
[0027]图20是图18所示部件的底侧立体图。
[0028]图21是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的另一实施例的立体图。
[0029]图22是图21所示部件的顶侧示意图。
[0030]图23是图21所示部件的底侧立体图。
[0031]图24是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的另一实施例的立体图。
[0032]图25是图24所示部件的顶侧示意图。
[0033]图26是图24所示部件的底侧立体图。
[0034]图27示出包括根据本发明一示例实施例的耦合线圈的磁性部件与具有物理隔开的离散芯部件的部件相比的模拟和测试结果。
[0035]图28是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的又一分析。
[0036]图29示出包括根据本发明一示例实施例的耦合线圈的磁性部件与具有物理隔开的离散芯部件的部件相比的模拟数据。
[0037]图30是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的又一分析。
[0038]图31是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的又一分析。
[0039]图32是包括根据本发明一示例性实施例的耦合线圈的磁性部件的模拟和测试结果O
[0040]图33示出从图27-31的信息中所得到的耦合结论。
[0041]图34示出磁性部件组件和电路板设计布局的实施例。
[0042]图35示出具有耦合线圈的另一种磁性部件组件。
[0043]图36是图35所示组件的剖视图。
[0044]图37示出具有耦合线圈的本发明一实施例与不具有耦合线圈的离散磁性部件的波纹电流的比较。
[0045]图38是磁性部件的另一实施例的立体图。
[0046]图39是图38所示部件的俯视图。
[0047]图40是图38所示部件的仰视图。
[0048]图41是另一磁性部件的立体图。
[0049]图42是图41所示部件的侧视图。
[0050]图43是移除了线圈的图41中所示部件的替代实施例的侧视图。
[0051]图44是图43所示部件的替代实施例的侧视图。
[0052]图45是图44所示部件的替代实施例的侧视图。
【具体实施方式】
[0053]本文描述了独创的电子部件设计的示例实施例，这些电子部件克服了本领域的各种难题。为了最完整地理解本发明，以下披露具有不同部段或部分，其中部分I讨论具体问题和难题，而部分II描述用于克服这些问题的示例部件构造和组件。
[0054]1.对于本发明的引言
[0055]诸如电感器之类的用于电路板应用的传统磁性部件通常包括磁性芯部和位于磁性芯部内的导电绕组(有时被称为线圈)。芯部可由离散的芯部件制成，这些芯部件由磁性材料制成，同时将绕组放置在芯部件之间。各种形状和类型的芯部件以及组件对于那些本领域技术人员是已知的，包括但并不必要局限于U芯部和I芯部组件、ER芯部和I芯部组件、ER芯部和ER芯部组件、壶形芯部和T芯部组件以及其它匹配的形状。这些离散芯部件可利用粘合剂粘结在一起，并且通常在物理上彼此隔开或间隔开。
[0056]例如，在一些已知的部件中，线圈由导电金属丝制成，该导电金属丝卷绕于芯部或端子线夹。也就是说，在芯部件已完全形成之后，金属丝可围绕于芯部件，该芯部件有时称为滚筒芯部或线轴芯部。线圈的每个自由端可称作引线，并且可用于经由直接附连于电路板或者经由通过端子线夹的间接连接、而将电感器联接于电路。尤其是对于较小的芯部件来说，以成本有效并且可靠的方式来卷绕线圈是富有挑战性的。手绕部件在它们的性能方面趋于不稳定。芯部件的形状致使它们相当脆弱，并且在卷绕线圈时、芯部易于破裂，且芯部件之间的间隙变化会使部件性能产生不理想的变化。又一难题在于:DC阻抗(“DCR”)会由于在卷绕工艺过程中、不均匀地卷绕和张力而不理想地变化。
[0057]在其它的已知部件中，已知表面安装磁性部件的线圈通常与芯部件分开制成，并且之后与芯部件组装起来。也就是说，这些线圈有时被认为是被预成形或预卷绕的，以避免手绕线圈所产生的问题，并且简化磁性部件的组装。这些预成形线圈对于较小的部件尺寸来说尤其有利。
[0058]为了当将磁性部件表面安装于电路板上时、进行与线圈的电连接，通常提供导电端子或线夹。线夹组装在成形芯部件上，并且电连接于线圈的相应端部。端子线夹通常包括大体平坦且平面的区域，这些区域可使用例如已知的软钎焊(soldering)技术电连接于电路板上的导电迹线和焊盘。当如此连接时并且当电路板通电时，电流可从电路板流至其中一个端子线夹、通过线圈流至另一个端子线夹并返回至电路板。在电感器的情形中，流过线圈的电流会在磁性芯部中感应产生磁场和磁能。可提供一个以上的线圈。
[0059]在变压器的情形中，设置有初级线圈和次级线圈，其中流过初级线圈的电流在次级线圈中感应产生电流。变压器部件的制造具有与电感器部件类似的问题。
[0060]对于日益小型化的部件来说，提供在物理上间隔开的芯部是具有挑战性的。难于以成本有效的方式来可靠地实现建立并维持恒定间隙尺寸。
[0061]关于在小型化的表面安装磁性部件中、在线圈和端子线夹之间进行电连接方面也存在多个实际问题。线圈和端子线夹之间的相当易损连接通常在芯部外部进行，且因此在分开时易损坏。在一些情形中，已知将线圈的端部围绕于线夹的一部分缠绕，以确保线圈和线夹之间的可靠机械和电连接。然而，从制造角度，这已被证明是繁琐的，且更容易且更快速的端接方案会是理想的。此外，线圈端部的缠绕对于某些类型的线圈并不适用，例如具有带有平坦表面的矩形横截面的线圈，此种线圈并不具有如薄且圆的导线构造那样的挠性。
[0062]随着电子装置持续变得日益大功率化的近期趋势，还需要诸如电感器之类的磁性部件来传导增大的电流量。于是，通常增大用于制造线圈的线规。由于用于制造线圈的导线的尺寸增大，当圆形导线用于制造线圈时，端部通常压扁至合适的厚度和宽度，以令人满意地适用例如软钎焊、熔焊或导电粘合剂之类与端子线夹进行机械和电连接。然而，线规越大，则越难于将线圈的端部压扁，以适当地将这些端部连接于端子线夹。这些难题已在线圈和端子线夹之间引致不稳定的连接，而这会在使用中使磁性部件产生不理想的性能问题和变化。减小此种变化已被证明非常困难且成本。
[0063]对于某些应用来说，由平坦的而非圆形导电体制造线圈可缓解这些问题，但平坦的导电体首先趋于更刚性并且更难于成形为线圈，因此引起其它的制造问题。与圆形导电体相反，使用平坦的导电体还会有时不理想地在使用中改变部件的性能。此外，在一些已知构造中，尤其是那些包括由平坦导电体制成的线圈的构造中，诸如钩或其它结构特征之类的端接特征可形成到线圈的端部中，以便于与端子线夹的连接。然而，将这些特征形成到线圈的端部中会在制造工艺中引起进一步的费用。
[0064]对于减少电子装置的尺寸、但又要增大它们的功率和容量的新趋势仍存在更多的挑战。随着电子装置的尺寸减小，用于这些电子装置中的电子部件的尺寸须相应地减小，因此已试图经济地制造功率电感器和变压器，而这些功率电感器和变压器具有相对较小、有时是微型化的结构，但又承载增大电流量来为电子装置供电。