包括多层绕组的嵌入式磁设备的制作方法

本发明涉及嵌入式磁设备，并且更具体地，涉及具有多层绕组的嵌入式磁设备。

背景技术：

1、电源设备包括诸如变压器和磁芯之类的磁组件。磁组件通常对电源设备的重量和尺寸影响最大，使得小型化和成本降低变得困难。

2、在解决该问题时，已知提供低轮廓(low-profile)变压器和电感器，其中变压器或电感器嵌入在由树脂制成的基板中的空腔中，并且变压器或电感器的必要输入和输出电连接形成在基板表面上。基板可以是印刷电路板(pcb)，该pcb包括基板的顶表面和/或底表面上的附加阻焊层和镀铜层。然后，电源设备的电子组件可以表面安装在基板上。这允许制造更紧凑且更薄的电源设备。

3、在一种已知方法中，具有磁组件的封装结构可以集成到印刷电路板中。在这种已知方法中，在由环氧基玻璃纤维制成的绝缘基板中形成空腔，将环形磁芯放置到该空腔中，然后用环氧树脂凝胶填充该空腔，使得完全覆盖磁芯。然后固化环氧树脂凝胶，形成具有嵌入式磁芯的固体基板。为了设置初级绕组和次级绕组中包括的过孔和迹线，(1)在环形磁芯的内圆周和外圆周上的固体基板中钻出通孔，(2)然后将通孔镀上铜以形成过孔，以及(3)在固体基板的顶表面和底表面上形成迹线，以将各个过孔一起连接成绕组配置并形成输入端子和输出端子。以这种方式，在磁芯周围产生线圈导体。嵌入式变压器的线圈导体包括形成初级绕组和次级绕组的线圈。嵌入式电感器可以以相同的方式形成，但在输入和输出连接、过孔的间距以及所使用的磁芯的类型方面可以变化。

4、然后可以将阻焊层添加到基板的顶表面和底表面，覆盖表面迹线，从而允许附加电子组件安装在阻焊层上。在电源设备中，例如，一个或多个晶体管和关联的控制电子器件(例如，集成电路(ic)和无源组件)可以安装在阻焊层上。

5、以这种方式制造的电源设备具有若干个关联的问题。当环氧树脂凝胶凝固时，可以在环氧树脂凝胶中形成气泡。在基板的表面上的电子组件的回流焊接期间，这些气泡可以膨胀并导致电源设备的故障。

6、备选地，可以使用第二种已知方法，其中不使用环氧树脂凝胶来填充空腔。在该方法中，首先在固体树脂基板中与环形磁芯的内周和外周相对应的位置处钻出通孔。然后对通孔进行电镀以形成变压器绕组的竖直过孔，并且金属盖形成在过孔的顶部和底部上。然后，在过孔之间的固体树脂基板中铺设(routed)磁芯的环形空腔，并且将环型磁芯放置在空腔中。空腔比磁芯稍大，因此磁芯周围可以存在气隙。

7、一旦磁芯已经插入到空腔中，就将上环氧介电层和下环氧介电层添加到基板以覆盖空腔和磁芯。穿过上环氧树脂层和下环氧树脂层钻出通孔直至过孔的盖，并且进行电镀，随后在基板的顶表面和底表面上形成迹线，以形成输入端子和输出端子。

8、当嵌入式磁组件为变压器时，在磁芯的一侧上设置初级绕组，并且在磁芯的与初级绕组相对的一侧上设置次级绕组。该类型的变压器可以用于电源设备，例如隔离式dc-dc转换器，其中初级侧与次级侧之间需要隔离。隔离距离是初级绕组与次级绕组之间的最小间距。

9、在上述这些已知方法中，初级绕组与次级绕组之间的间距必须足够大以实现高隔离值，因为隔离仅受空气的介电强度的限制，在这种情况下是在空腔中或在设备的顶表面和底表面处。隔离值也可以因空腔或表面被污垢污染而受到不利影响。

10、对于许多产品，需要安全机构的批准来证明隔离特性。如果所需的通过空气的隔离距离较大，则将对产品尺寸产生负面影响。对于电源增强电压(即，250vrms)，在pcb上从初级绕组到次级绕组需要约5mm的间距，以满足en/ul60950的绝缘要求。

11、因此，形成变压器的初级绕组和次级绕组的过孔的尺寸和间距主要由电源设备的规格决定。过孔必须具有足够的直径，使得过孔可以成功地镀有金属，并且使得迹线可以以适当的绕组图案形成以将过孔连接在一起。此外，如果过孔放置得太近或太靠近其他组件(例如磁芯)，则电源设备的电容和隔离特性可能受到不利影响。

12、为了满足en/ul60950的绝缘要求，例如，对于电源参考电压(即，250vrms)，固体绝缘体需要0.4mm的隔离距离。图1是上绕组层暴露的嵌入式磁组件设备的顶视图。变压器的初级绕组410被示出在左侧，并且变压器的次级绕组420被示出在右侧。在隔离式dc-dc转换器中，例如，变压器的初级绕组410和次级绕组420必须彼此充分隔离。在图1中，基板305的中心区域(即，由芯腔的内壁包围的区域)(由同心虚线圆圈示出)限定初级绕组和次级绕组之间的隔离区域430。初级绕组410和次级绕组420的内过孔412和422之间的最小距离是隔离距离，并且在图1中由箭头432示出。

13、图2表示图1所示的已知设备的侧截面图。图2示出了磁芯310、形成初级绕组的迹线413、形成次级绕组的迹线423、外过孔411和421、以及内过孔412和422。如图所示，初级侧和次级侧之间的距离432可以减小到例如约0.4mm，从而允许生产显著更小的设备以及具有更多数量的绕组的设备。

14、然而，图1和图2所示的设备具有初级绕组和次级绕组之间的耦合以及漏电感较高的问题。在操作中，大的漏电感导致电压浪涌，其可以导致连接电路(包括开关组件)损坏。此外，当电路在高频下操作时，漏电感会导致功率传输延迟和不良负载调节。磁芯内部的空间有限，并且如果需要更多的绕组匝数和对应通孔，同时保持最小隔离距离，则需要增加设备尺寸。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了紧凑的嵌入式磁组件设备，每个嵌入式磁组件设备具有围绕磁芯的一侧缠绕的绕组，并且每个嵌入式磁组件设备具有改进的耦合和减小的漏电感。

2、根据本发明的优选实施例，一种嵌入式磁组件设备包括：绝缘基板，包括第一侧、与第一侧相对的第二侧、以及空腔；磁芯，被包括在所述空腔中并且包括内周和外周；第一电绕组，延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯延伸；第二电绕组，延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯延伸；第三电绕组，延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯延伸；以及第四电绕组，延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯延伸。第一电绕组、第二电绕组、第三电绕组和第四电绕组中的每一个包括：上迹线，位于绝缘基板的第一侧上；下迹线，位于所述绝缘基板的第二侧上；内导电连接器，与磁芯的内周相邻地延伸穿过绝缘基板，所述内导电连接器分别限定相应上迹线和相应下迹线之间的电连接；以及外导电连接器，与磁芯的外周相邻地延伸穿过绝缘基板，所述外导电连接器分别限定相应第一上迹线和相应第一下迹线之间的电连接。第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组比第四电绕组更靠近磁芯。

3、第四电绕组的上迹线和下迹线可以比第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组的上迹线和下迹线宽。第四电绕组可以包括每个相应第一上迹线和相应第一下迹线之间的两个外导电连接器。第二电绕组可以与第一电绕组重叠。第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组的上迹线与第四电绕组的上迹线可以在绝缘基板的不同层上，并且第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组的下迹线与第四电绕组的上迹线可以在不同的层上。磁芯可以是八角形形状。

4、嵌入式磁组件设备还可以包括：第一隔离层，位于绝缘基板的第一侧上在第一电绕组和第二电绕组之间；以及第二隔离层，位于绝缘基板的第二侧上在第一电绕组和第二电绕组之间。第一隔离层和/或第二隔离层可以包括单个层。

5、根据本发明的优选实施例，一种电路包括：电路基板；以及本发明的各种其他优选实施例中的任一个的嵌入式磁组件设备，安装到电路基板的第一表面。

6、根据本发明的优选实施例，一种制造嵌入式磁组件设备的方法包括：在绝缘基板中形成空腔，该绝缘基板包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；在空腔中安装磁芯，该磁芯包括内周和外周；形成第一电绕组，该第一电绕组延伸穿过绝缘基板并围绕磁芯延伸；形成第二电绕组，该第二电绕组延伸穿过绝缘基板并围绕磁芯延伸；形成第三电绕组，该第三电绕组延伸穿过绝缘基板并围绕磁芯延伸；以及形成第四电绕组，该第四电绕组延伸穿过绝缘基板并围绕磁芯延伸。第一电绕组、第二电绕组、第三电绕组和第四电绕组中的每一个包括：上迹线，位于绝缘基板的第一侧上；下迹线，位于所述绝缘基板的第二侧上；内导电连接器，与磁芯的内周相邻地延伸穿过绝缘基板，所述内导电连接器分别限定相应上迹线和相应下迹线之间的电连接；以及外导电连接器，与磁芯的外周相邻地延伸穿过绝缘基板，所述外导电连接器分别限定相应第一上迹线和相应第一下导电迹线之间的电连接。第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组比第四电绕组更靠近磁芯。

7、第四电绕组的上迹线和下迹线可以比第一电绕组、第二电绕组和第三电绕组的上迹线和下迹线宽。第四电绕组可以包括每个相应第一上迹线和相应第一下迹线之间的两个外导电连接器。第二电绕组可以与第一电绕组重叠。连接到第一电绕组的上迹线与连接到第二电绕组的上迹线可以在不同的层上，并且连接到第一电绕组的下迹线与连接到第二电绕组的下迹线可以在不同的层上。磁芯可以是八角形形状。

8、该方法还可以包括：形成第一隔离层，其位于绝缘基板的第一侧上在第一电绕组和第二电绕组之间；以及形成第二隔离层，其位于绝缘基板的第二侧上在第一电绕组和第二电绕组之间。第一隔离层和/或第二隔离层可以包括单个层。

9、根据本发明的优选实施例，一种提供电路的方法包括：提供电路基板；以及将本发明的各种其他优选实施例中的任一个的嵌入式磁组件设备安装到该电路基板。

10、该方法还可以包括：将电子组件安装到电路基板的与第一表面相对的第二表面。

11、根据本发明的优选实施例，一种设备包括：基板；磁芯，在所述基板中，包括孔，并且被划分为第一半部和与第一半部相对的第二半部；第一绕组，延伸穿过所述孔并围绕所述磁芯延伸；第二绕组，延伸穿过孔并围绕磁芯延伸；以及第三绕组，延伸穿过孔、围绕磁芯延伸、并围绕第一绕组的一部分延伸。第一绕组和第三绕组仅围绕磁芯的第一半部延伸。第二绕组的至少一个第一匝围绕磁芯的第二半部延伸。

12、第一绕组、第二绕组和第三绕组中的每一个可以包括通过内迹线和外迹线连接的顶部迹线和底部迹线；第一绕组的顶部迹线与第三绕组的顶部迹线可以在基板的不同层上；第一绕组的底部迹线与第三绕组的底部迹线可以在基板的不同层上；第一绕组、第二绕组和第三绕组的内过孔可以位于该孔内；以及第一绕组、第二绕组和第三绕组的外过孔可以位于磁芯的外部上。第二绕组的至少一个第二匝可以围绕磁芯的第一半部延伸。第一绕组的内过孔可以布置在第一排和第二排中，并且第二绕组的内过孔可以布置在第三排中。

13、磁芯可以具有八边形形状，并且初级绕组和次级绕组的外过孔可以沿磁芯的三侧布置。该设备还可以包括第一绕组的顶部迹线与第二绕组的顶部迹线之间的第一绝缘层。该设备还可以包括覆盖第二绕组的顶部迹线的第二绝缘层、以及覆盖第二绕组的底部迹线的第三绝缘层。

14、根据本发明的优选实施例，一种模块包括：模块基板；以及本发明的各种其他优选实施例之一的设备，安装到模块基板。该模块还可以包括同步整流器，其中，第二绕组可以连接到同步整流器的栅极。该模块可以是谐振转换器，其具有由第一绕组和第二绕组的重叠确定的谐振频率。

15、根据以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征、元件、特性、步骤和优点将变得更显而易见。