专利名称：多层电路及其制造方法
技术领域：
本发明涉及多层结构的制造，尤其涉及三维结构的制造及其作为电子组件基底和作为变压器或者电感器的线圈的应用。
印刷电路板在电子设备中常常被用作基底和在两元件之间形成电连接。这种最为常见的电路板是这样制造的在一个铜绝缘体(铜-FR4)叠层板上蚀刻上想要的导电图形，钻出若干个孔，贯穿镀覆使得电路板的一边同另一边电连接。多层印刷电路板是这样制造的，利用预浸渍体通过加热和挤压将多层这样的板叠加到彼此之上并连接在一起。
这样的装配过程通常都是手工的，并且包括了许多要求很高的操作，尤其是将各层对齐。在GB2255451号专利申请中，公开了如何利用特殊的“对准销”将众多层叠在一起并对齐。在WO98/15160号专利申请中公开了一种基于利用连续的材料带的完全自动的装配过程。
多层印刷电路板还可以被用于电感元件，例如电感器和变压器的绕组。如上述例子中的平面的电感元件的好处在于其纵断面低、功率密度高。
在EP0689214号、W001/16970号、US5781093号和US5521573号专利申请中公开了一种平面绕组，是通过将不同的导体层一层叠在一层上面并用适当的方式将其连接的方法制造出来的。在导体层之间有一层绝缘层，用来将导体层隔离并防止短路。然而，实际上这样的结构是很难制造的，并且导致制造成本很高。此外，由于用了许多的绝缘层，铜的占空因数，即铜的体积占绕组可用的总体积的比率，会比较低。这将增加变压器的损耗并减小其功率密度。另外，连接螺栓和用于连接的电镀通孔也会占用实际绕组的空间。
制造多层绕组结构的另外一种方法在US3484731，US5801611，EP0786784，US5276421和US5017902专利申请中均有披露，其中一薄且柔性的绝缘体--导体叠层板被折叠(Z形折叠或者锯齿形折叠)若干次来形成一个多层的结构。在这些解决方案中，在折叠之前都不得不将一绝缘层设置在叠层板上，这将减少铜的占空因数并因此而降低变压器的功率密度，并且这还使得制造的过程变得更为复杂。
本发明的一个目的是使得制造上述多层结构变得更为容易，并且提高制造的电感元件的功率密度。这样的目的将通过如权利要求1所述的装置和如权利要求15所述的方法来实现。
通过使用本发明所述方法可以用灵活的方式制造三维多层结构并使其具有高的铜占空因数。可选择的，本发明还可以制造一种有元件隐藏于其中多层结构。该方法还可以方便地在绕组层之间形成连接。该方法对大规模生产还很容易地自动化。
在本发明的一个实施例中，多层结构是通过利用铜-聚酰亚胺-铜的叠层板用卷到卷的工序来制造的。首先，通过化学蚀刻对叠层板形成绕组图型。叠层板由连续的段组成，每一个段对应于最后形成的多层结构中的每一个分隔的层；铜至少要从随后将与其它层连接的点移去，如偶数段的顶端和奇数段的底端。另外，绕组图型上也不能有铜。随后，聚酰亚胺绝缘体被从适当的位置移去，如随后形成的两个绕组层之间的连接处。上述过程也可以用光刻法实现。随后，沿着设想的段的边缘，叠层板被折叠和挤压。随后通过铆钉或者其它等同的连接方式，如焊接，将绕组层连接在一起。
在本发明的另一个实施例中，其它电子元件在折叠之前也被连接到叠层板上，并且至少某些元件在叠层板被折叠之后会被隐藏在多层结构之中。
通过在多层绕组结构周围设置对拼铁氧体来制造平面元件或者集成整流器。
下面将通过附图对本发明作进一步的详细描述附
图1表示的是一个导体-绝缘体-导体的叠层板1的三维投影图，其中设想的段的边缘5已经标出来了。
附图2表示的是一个导体-绝缘体-导体的叠层板1的侧视图，其中设想的段的边缘5已经标出来了。
附图3表示的是当铜已经被从叠层板的顶部和底部移开之后的一个导体-绝缘体-导体的叠层板1的侧视图，其中设想的段的边缘5已经标出来了。
附图4表示的是当铜已经被从叠层板的顶部和底部移开之后，并且某些绝缘体也已经从位置6处移开时，一个导体-绝缘体-导体的叠层板1的侧视图。
附图5表示的是段7和8如何相互折叠。
附图6表示的是段9和10如何相互折叠。
附图7表示的是段11和12如何相互折叠。
附图8表示的是折叠后的多层结构，具有导电层13、绝缘层14和互相连接的孔15。
附图9表示的是一多层结构，其中导电层13被铆钉16连接起来，铆钉还具有一个为了进一步装配的延长部。
附图10A和10B表示的是当叠层板的两面都是导电层17时，铜层的厚度怎样变成了原来的两倍。
附图11A、11B和11C表示的是焊接连接22如何被在两个导电层18之间作到一点19上，在该点处绝缘体已通过用焊料20电镀导电体并用一热的工具21将它们压在一起而除去。
附图12表示的是导电体的延长部23是如何被翻转到多层结构24的下面，用以实现连接。
附图13表示的是如何利用机械形成的凹陷28或者互相连接球29在导电层26和电路板27之间形成接触。
附图14表示的是从上面看的一个经过加工的叠片的各层，有最上面的导电层30、绝缘层31和底部的导电层32，一些元件33、34也被连接到所述叠层板上。
附图15表示的是沿A-B投影的图14的叠片的侧投影图。
附图16表示的是一个已折叠的多层结构，其中也有电子元件33、34。
附图17a和17b表示的是两个依据本发明的多层结构在未被折叠的状态。
卷到卷形式的加工方法用在制造中是有效的。叠层板作为一个连续的带子被引导通过不同的加工步骤。这可以解决许多手工操作和对齐的问题。并且，在各种不同的加工步骤之间在卷中或其上的半成品可以储存、装船运输。图1显示了一个铜-聚酰亚胺-铜的叠层板1(通常称之为FLEX叠层板)，其中铜2、4和聚酰亚胺3的厚度分别为75微米和25微米。图2表示的是这样的一个叠层板的横剖面。像这样的叠层板是可以用在卷轴上的，其随后的步骤也很容易实现自动化。其目的是将叠层板加工成段5，并最终形成多层结构的层。
如图3所示加工通过在导体层2和4上形成想要的导体图形而开始，因此将导体交替地从每一个段的绝缘体3的顶部或者底部除去。一般而言，至少在随后即将形成的导体层之间的连接部位上会发生上述情况。这里使用附图的目的仅用来说明制造方法，具体的导体图形不予考虑。在位置2、4除去导体暴露出的绝缘层中挖出孔6，如图4所示。孔6的形成可以使用机械钻孔、用激光或者利用等离子或合适的化学蚀刻浴来蚀刻。还可以用多个步骤来形成导体2和4的图形，例如，当在绝缘体3中形成孔6的时候用导体2和4作蚀刻掩膜。绝缘体3也可以在多个步骤中蚀刻。其它的电子设备制造方式，例如附加导体建立、可用光限定的绝缘、机械成型和层压方法也可以应用。多种不同的绝缘体、导体和焊接材料都可以用在制造中。
制造的叠片下一步是折叠阶段，如图5、6、7所示阶段，最后得到一个多层结构(图8)，其中绝缘体14和导电体13交替出现。在适当的位置处叠片还是容易弯曲的，如间断的导体层形成了一个用于弯曲的地方，这还可以在某种程度上将各层排列整齐。
如图5-8所示，在叠层板两边交替出现的导体段使得两导电层之间自然绝缘。当然，这就不需要任何将绝缘层放置在导电体上的步骤。与已知的用其它需要附加绝缘层的方法获得的多层结构相比，这可以减小多层结构的厚度。不用另外的绝缘层，铜占空因数和功率密度都会增加。绕组层一个接一个，并在段的边缘折线处相互绝缘，这应归于虽然被折叠但仍保持连续的绝缘体。不必只在一个方向上折叠，可以以其他任一角度折叠到叠层板的主要方向。
一个在另一个上面的绕组层可以通过孔15单独地看到，绕组层13可以通过例如铆钉连接在一起，如图9所示铆钉在所述孔的位置在导体上打孔。铆钉的形成为印刷电路板提供了焊接的可能。
上述多层结构还可以用这样的一种方式制造，在一个接一个的段中，第一个段的叠片两边都有导电体，接着是一边没有导电体的段。然而，在这样的例子中待处理的绝缘层比上文提到的要困难的多。
在某些例子中，为了直接获得印刷好的FLEX叠片而不用上述蚀刻过程，可将预制图形的铜带叠压在聚酰亚胺薄片上。
也可以在叠压导电层之前在聚酰亚胺薄片上形成孔6。
根据本发明的多层电路包括绝缘材料3有两个面的柔性的薄片，电路部分7、8、9被附着在两个面上，将所述柔性薄片3沿着折叠线5折叠，将所述柔性薄片3分成连续的段，用来形成包括导电层13和绝缘层14相互堆叠的多层结构。
在本发明的另外一种形式中，电路的至少两个连续的部分被设置在柔性薄片3不同的两边，所述电路部分必须相互绝缘。
在本发明的另外一种形式中，电路的连续的部分的较大部分被设置在柔性薄片3的不同的两边，所述电路部分必须相互绝缘。
在本发明的另外一种形式中，需要对顶部和底部层进行特殊的布置，所有连续的电路部分没有位于所述顶部和底部层上，它们被设置在所述柔性薄片3不同的两边以保证相互绝缘。
最后，在本发明的另外一种形式中，所有所述连续的电路部分没有位于所述顶部和底部层上，它们被设置在所述柔性薄片3不同的两边以保证相互绝缘。
在图10A和10B中，显示了多层结构中导体的厚度如何变成了两倍，例如可以减小绕组电阻，但仍然用原来厚度的铜制成的叠片。导体被移去了，尤其是在右边的段的顶部的导体。在左边，导体被移去仅仅是为了给绝缘体一个加工的通道；如果与图3中的叠片相比较，应当注意的是导体17现在位于左边段的下方。
折叠之后，这个导体将和下一个段的导体相接触，在这个例子中，它们一个在另一个的顶部，这使得铜的厚度变成了两倍。换句话说，导体图形在连续段的同一边，则它们能连接在一起。如果相互连接的层进一步地永久地接触在一起，例如通过焊接连接，那么折叠结构的机械稳定性将得到提高。
除上面提到的铆钉连接，还有一种更柔软和有效率的方式在折叠的过程中将相继的绕组层连接在一起。这使得制造被称为“埋孔”成为可能，其中在每一个连接点处只有某些绕组层才连接在一起。在图11A中，导电体图形18的触点19被镀上了焊料20。在图11B中，通过工具21将导电层压在了一起形成触点22。所述工具可以是例如烙铁或者超声工具。如图11C所示的已完成的连接是可靠的，这是因为柔性的多层结构能够减小例如由于热膨胀而带来的压力。这种方式还不需要对通孔进行电镀。还可以获得层之间较低的接触电阻。一个格外的优点，层之间的连接能够使结构稳定。结构之外的折叠边缘，或者其中的某些，在折叠之后可以切掉。导电层还可以机械地形成，例如具有能够连接在一起的延长部分或者凹陷并形成连接。孔6还可以被灌满焊料膏或者焊料，只需要简单地将折叠结构加热就可以形成相互连接了。
为了将完成的多层结构24连接在电路板上，作为表面安装元件，可以利用焊料的延长部分23，将其折叠到元件下面的位置25处，如图12A、12B和12C所示。结构中的某些层还可以设有机械式凹陷28或者连接端26或者相互连接球29以使其与基底之间形成电和机械的接触。位于最外面表面上的导体图形也可以用作充分的互连表面。连接延长部分23可以用来实现与多层结构的内部和外部的连接。
图17a和17b表示的是本发明的两个进一步的实施例，其中显示了在折叠操作之前，被蚀刻的柔性叠层板处在没有被折叠时的状态。
图17a表示的是一个电路，其中电路的每一个段7、8、9都各自组成了一个圈，所有的圈串联起来以形成一个高电感系数的线圈。随后结构被折叠，通过建立“埋孔”使得电路各段之间在蚀刻孔6处实现了电连接，例如通过前面的实施例中提到的方式。中心孔，当折叠完成并能够插入例如磁芯时，被设置在能对准的位置上。
图17b表示的是另一个电路，其中电路的每一个段7、8、9都各自组成了一个圈，所有的圈并联起来以形成一个高电流容量的线圈。在该实施例中，所有蚀刻孔6对应于线圈上的一个极并对准；可以通过插入铆钉将它们连接起来，如图9所示方法。
通过加入磁性元件例如铁氧体到多层结构中去，能够得到电感元件。可以在折叠之前或者之后加入铁氧体元件。
这种方法还可以用来制造它他元件，例如电容和电阻及其组合，如集成的LC元件，又如制造小尺寸滤波器。换句话说，多层结构中的导体既可以用作电感元件线圈，也可以用作某一电容器的电容器极板。与此同时，它还可以有效地用同样的叠压方式来制造多个分立元件。
在本发明的另外一个实施例中，多层结构包括除了导体和绝缘体层之外的其它装配于其上的电气元件。图14表示的是多种相互分离的层的叠压过程。最上面的导体层30有一个设置于其上的元件33，并且类似地，底部的导体层32上也设置了一个元件34。导体层30和32和绝缘层上都有材料被移去的大孔。沿着A-B的剖视图如图15所示。图16表示的是一个多层结构，其中第一元件33在结构的外部，导体层和绝缘层上的孔形成了一个凹穴，第二元件34在凹穴里面。将元件埋在多层结构里面可以减小组装件的尺寸。还可以将有噪音的元件罩在结构里面，这样可以减少电磁干扰。
元件可以是常用的通孔或者表面安装元件或者是更高级的倒装片元件和无源的薄的和厚的薄膜元件。如果将开关式电源元件包括到电感元件中，那就非常好了。绝缘体还可以被用于引导光，例如在结构的不同部分之间传达信息。在结构内形成的凹穴可以用来冷却。尤其是通过凹穴和孔增加结构的表面积来促进冷却。
权利要求
1.一种多层电路，包括绝缘材料(3)的柔性的薄片，该薄片具有两个面，电路部分(7、8、9)被附着在所述两个面上，将所述柔性薄片(3)沿着折叠线(5)折叠，将所述柔性薄片(3)分成连续的段，用来形成包括导电层(13)和绝缘层(14)相互叠置的多层结构，其特征在于被设置在所述柔性薄片(3)不同的两边的电路中至少两个连续部分是相互绝缘的。
2.如权利要求1所述的多层电路，进一步的特征在于所述必须相互绝缘的电路的连续部分是通过一个单层的所述柔性薄片(3)来隔离的。
3.如权利要求1或2所述的多层电路，进一步的特征在于所述必须相互绝缘的电路的连续部分在柔性薄片(3)上的相邻的段上位于所述折叠的柔性薄片(3)的相对的两边。
4.如上面任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于不是必须被相互隔离的电路部分在所述柔性薄片(3)上的相邻的段上位于所述折叠的柔性薄片(3)的相同的一边。
5.如上面任一权利要求所述的多层电路，进一步包括了在所述导体层(13)之间的电连接装置(16、20)。
6.如权利要求5所述的多层电路，进一步包括了对应于所述的电连接装置(16、20)位于所述柔性薄片(3)上的孔(6、15)。
7.如权利要求5所述的多层电路，进一步的特征在于所述电连接装置是铆钉(16)。
8.如权利要求5所述的多层电路，进一步的特征在于所述电连接装置是焊接连接或者焊接层(20)。
9.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于为了引导折叠，所述的导体层(13)在对应折叠线(5)处是中断的。
10.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于它包括磁性元件。
11.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于它包括电气或电子元件(33)。
12.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于所述电子元件(33)在所述多层结构内。
13.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于它包含凹穴或者孔。
14.如上述任一权利要求所述的多层电路，进一步的特征在于可以使之构造成电感器或者变压器或者滤波器。
15.一种制造多层电路的方法，包括如下步骤获得导体-绝缘体-导体叠层板(1)，其具有中间绝缘柔性薄片(3)，用一定方式将在柔性薄片(3)两面上的电路段移开，使得必须相互绝缘的的电路的连续部分分布在柔性薄片(3)的不同的面上；沿着折叠线(5)将叠片(1)折叠，这将所述柔性薄片(3)分成连续的若干部分，以形成包括导体层(13)和绝缘层(14)相互叠置的多层结构。
16.如权利要求15所述的制造方法，其中所述得到导体-绝缘体-导体叠层板(1)的步骤进一步包括从导体-绝缘体-导体叠层板(1)上有选择地移去一部分导体的步骤。
17.如权利要求15所述的制造方法，其中所述得到导体-绝缘体-导体叠层板(1)的步骤进一步包括如下步骤将一片导体材料(2、4)切成预先确定的图形；将预先确定图形的导体材料叠压在一柔性的绝缘体(3)上。
18.如权利要求15-17中任一所述的制造方法，进一步包括如下步骤在柔性薄片上对应于所述电路部分必须被连接起来的地方形成孔(6、15)；将用于连接所述电路部分的连接装置(16、20)设置在所述孔(6、15)中。
19.如前面所述权利要求所述的制造方法，其中所述电连接装置是焊锡层(20)，并且进一步包括了融化所述焊料得到电连接的步骤。
20.如权利要求15-19中任一所述的制造方法，其中若干所述多层电路同时由所述叠层板(1)形成。
21.如权利要求15-20中任一所述的制造方法，其中所述叠层板(1)是作为一条连续的带被引导通过不同的加工步骤的。
全文摘要
本发明涉及多层结构的制造，尤其涉及三维结构的制造及其作为电子设备组件基底和作为变压器或者电感器的线圈的应用。通过将导体－绝缘体－导体叠层板折叠的方式来制造多层结构时，其中被相互隔离的导体层彼此依次被设置在导体－绝缘体－导体叠层板相反的两边，在折叠之后从导电层要相互连接起来的地方的绝缘层被移去了。本发明还可以用来制造宽范围的三维多层结构，其中绕组所占整个总容积的容量能最大化。可选择地，通过使用该方法还可以制造一种将元件埋置于其中的多层结构。该方法还能以灵活的方式在层之间进行连接。其中，该方法对大量生产易于自动化。
文档编号H05K1/11GK1575500SQ02821173
公开日2005年2月2日 申请日期2002年10月23日 优先权日2001年10月23日
发明者M·M·西波拉 申请人:沙夫纳Emv股份公司