印刷电路板线圈的制作方法

专利名称：印刷电路板线圈的制作方法
技术领域：
本发明有关电磁线圈，尤其涉及多层印刷电路板电磁线圈。背景技术：
电磁线圈广泛用于各种与感应能量传输有关的电应用中。例如，不同形式的电线圈被用在变压器、感应能量耦合器和电动机中。从历史上看，电线圈通过将一股电线卷绕成 一个或多个环而形成。通常，选择线圈的直径、电线的类型和直径、电线和线圈的环数(或 匝数)以及其他特征以提供所需的电磁能量传输特性。众所周知，交流电流(AC)倾向于在导体内分布自身，使得靠近导体表面的电流密 度比其中心更大。这种现象通常被称为“趋肤效应”。趋肤效应导致导体的有效电阻随着 交流电流的频率而增加。为了克服趋肤效应，在高频应用中使用的电磁线圈通常是由绞合 线卷绕。绞合线通常表征为一种特殊类型的电线，其包括许多细电线，各个细电线分别用绝 缘膜包覆并且扭曲在一起。遵循仔细订明的经常涉及几个级别的扭曲(扭曲的电线组再扭 曲在一起等)的模式，各个电线被组合和扭曲。通常地，电线将被扭曲使得每一个单线股消 耗接近于配对的线圈的大致等量的时间。因此，每线股从配对的线圈截取大致等量的磁通 量线，并且大致同等地分摊线圈的自感或互感特性。由于分离的较小电线的组合，组合后的 导体比使用总横截面面积的实心导体具有较大的表面积，从而减少趋肤效应。由于这原因 以及这种独特的扭曲配置的结果，当使用在高频应用中时，与绞合线线圈相关的能量损失 可比现有的实心线线圈本质地较低。即使具有自己的优势，然而绞合线遭受许多弊端。第 一、绞合线线圈的电阻比在理论上可以实现的更高，因为各个线股是圆的并且涂有绝缘体， 从而总横截面包括大量的不导电成分，例如空气和绝缘体。第二、由此产生的结构是比较脆 弱的，每线股易受破损。为了保护线股，经常加入外鞘。该鞘增加了总成本，并且造成了比 理论上可以实现的电阻更大的电阻。第三、导体被热绝缘，除导体自身之外没有载热路径。 因此，基于热量考虑可以减少能量处理。第四，绞合线和绞合线线圈的制造过程比较昂贵， 而且需要特殊的、昂贵的设备。第五，因为从电线到电线的包装密度和线股之间绝缘材料所 占的空间，绞合线可能比所需的一些应用具有较大的体积。电线线圈的制造相对昂贵(尤其是绞合线线圈)，并且线圈占据相对大量的空间， 而且经常需要将线圈机械地安装到印刷电路板。为了解决这些问题，已知的是将线圈直接 集成到印刷电路板上，例如，通过在电路板上使用螺旋形迹线形成线圈。在一些应用中，印 刷电路板包括用过孔(via)连接在一起的多层螺旋迹线，以形成所需匝数的线圈(例如于 2005年7月5日公告的费伦茨等人的美国专利第6，914，508号)。虽然印刷电路板线圈相 对于电线线圈呈现出一些优势，但传统的印刷电路板线圈遭受到传统的实心电线所面临的 某些问题，例如在印刷电路板线圈内与感应电流的不均勻分布以及电感的不均勻分布有关 的问题。此外，由于一些线圈比其他的接受更多的磁场，堆叠的印刷电路板线圈可能引入不 必要的寄生电容。最后，这可能导致更高的电阻和损失。
发明内容本发明提供了多层印刷电路板(PCB)线圈，其模拟由绞合线形成的线圈。该PCB包 括多个交替的导体层和绝缘层。导体层互连，使得他们配合地形成线圈。每个导体层包括 遵循所需的线圈形状的迹线，并且划分成提供多个离散的导体段。在一种实施方式中，PCB 的每个导体层包括具有多个电性离散段的大致螺旋形的迹线。这些段穿叉各层电性连接以 提供在层之间波动的多个电流路径(或细丝(filament))。在一种实施方式中，配置线圈， 使得每个细丝消耗接近于配对的线圈的大致等量的时间。因此，每个细丝大致同等地分摊 线圈的自感或互感。在一种实施方式中，PCB的层包括大致同延的螺旋迹线，其以叠置的关系彼 此覆盖。在本实施方式中，迹线可以包括大致相同的段，从而提供对准的交换位置 (interchange)，以便于不同层上段的电性耦合。在一种实施方式中，不同层的段在交换位置通过层之间延伸的过孔电性耦合。每 个交换位置可以特别成形，以使在过孔处和过孔附近的阻碍最小化。在一种实施方式中，每 个交换位置包括用于每一个导体层的单独的过孔。例如，具有四层的PCB线圈可以包括四 个过孔。在其他实施方式中，一些或所有导体层都可以包括多个过孔。如上所述，细丝向上和向下波动穿过多个导体。此外，在一种实施方式中，细丝可 向内和向外波动以提供另外程度的运动。在一种实施方式中，线圈的每层可包括两个相邻 的成段的迹线，迹线以配对的关系延伸的大致平行螺旋形式存在。在本实施方式中，线圈 可包括层间和/或层内连接器，连接器以限定向上/向下和向内/向外波动的多个细丝的 模式连接不同层和配对迹线的段，使得每一个线股消耗接近于配对的线圈的大致等量的时 间。每一个细丝的向上/向下和向内/向外波动模拟绞合线线圈的线股的扭曲性质。本发明提供了一种简单而有效的PCB线圈，其克服了以前PCB线圈的重大缺点，同 时保持PCB线圈的许多优点。相对于传统的PCB线圈，多个波动电流路径的存在减少了趋 肤效应并且降低了损失。分段和层间连接器的使用提供了一种用于以所需的波动模式电性 耦合线圈的可靠的且易于实现的结构。此外，细丝的波动模式提供了一种线圈，在该线圈 中，每个细丝消耗接近于配对的线圈的大致等量的时间，这进一步提高了线圈的效率，因为 每个细丝大致同等地分摊线圈的自感或互感。本发明还可以用向内/向外波动来实现，以 进一步模拟绞合线线圈的线股的电流路径。通过1)降低线圈表面积到段表面积以及2)引 入彼此相互抵消的边缘效应，分段和层间连接器的使用可以降低寄生电容。较小电容允许 线圈中的电感最大化，这可导致较低的电阻和较小的损失。这些好处全部被提供，同时，在 PCB线圈中具有更薄的线圈并且允许用于比体积较大的绞合线线圈更紧密的耦合。通过参照本实施方式的详细描述以及图示，将容易理解和评价本发明的这些和其 他目的、优点以及特征。

图IA是根据本发明一种实施方式的印刷电路板(PCB)线圈的侧视图。图IB是PCB线圈的迹线(trace)的代表性的分解透视图。图IC是与图IB类似的代表性的分解透视图，其中通过对选择的段(segments)力口 阴影以显示单个细丝的路径。
图2A是PCB线圈的第一(或顶)层的迹线的俯视图。图2B是PCB线圈的第二层的迹线的俯视图。
图2C是PCB线圈的第三层的迹线的俯视图。图2D是PCB线圈的第四(或底)层的迹线的俯视图。图3是单个螺旋迹线的拐角部(corner portion)的俯视图。图4是单个螺旋迹线的直部(traight portion)的俯视图。图5是一种替代的PCB线圈的部分透视图，其显示用于最小化界面处的收缩的替 代构造。图6是各层的段之间的连接方案的示意图。图7是显示段的重叠排列的交换位置(interchange)的透视图。图8A是第一替代PCB线圈的顶部导体层的俯视图，其中具有向上/向下和向内/ 向外细丝波动(filament undulations)。图8B是第一替代PCB线圈的底部导体层的俯视图。图9是第一替代PCB线圈的一部分的代表性的分解透视图。图10是具有三层和“三重”(tripled)迹线的第二替代PCB线圈的示意图。图IlA是第二替代PCB线圈的顶部导体层的俯视图。图IlB是第二替代PCB线圈的中部导体层的俯视图。图IlC是第二替代PCB线圈的底部导体层的俯视图。图12是第二替代PCB线圈的一部分的代表性的分解透视图。图13是第三替代PCB线圈三层线圈的示意图，其中具有向上/向下和向内/向外 波动。图14是第四替代PCB线圈的示意图。图15A是图14的第四替代PCB线圈的第一层的俯视图。图15B是图14的第四替代PCB线圈的第二层的俯视图。图15C是图14的第四替代PCB线圈的第三层的俯视图。图15D是图14的第四替代PCB线圈的第四层的俯视图。图16是图14的第四替代PCB线圈的连接方案的视图。图17是第五替代PCB线圈的示意图。图18是第六替代PCB线圈的示意图。
具体实施方式
图1A、1B和IC揭示了根据本发明一种实施方式的印刷电路板(PCB)线圈20。PCB 线圈20通常包括配合形成多层线圈的多个交替的导体层14a_d和绝缘体层16a_c (见图 1A)。每个导体层14a-d包括由多个离散的段18限定的迹线52a_d (见图1B)。不同导体层 14a-d中的不同迹线52a-d的段18通过连接器40互连来限定通过层以预定模式波动的“细 丝”54a-d(离散的电流路径)(见图1C、6和7)。预定模式设计成使得当PCB线圈和第二感 应线圈配对时将在细丝54a-d中(among)具有大致均勻的感应能量分布。在所示的实施方 式中，PCB线圈20模拟绞合线线圈(litzwire coil)，因为，细丝54a_d虽然偏移，但遵循通 过导体层14a_d的、大致平行的波动。在所示的实施方式中，细丝54a_d遵循大致规则的重复的波动，其中每一细丝54a-d在PCB线圈20的每一层14a_d上消耗大致等量的总时间。该波动频繁发生，足以使得所有细丝54a-d从配对的线圈(未显示)截取大致等量的磁通 量线，因此，感应地产生大致等量的能量，并且呈现大致等量的电感。在所示的实施方式中， 每一个细丝54a-d穿过每一层大约四次，但是波动的次数可根据不同的应用而有所改变。虽然揭示了四层PCB线圈，但本发明可很好地适于并容易地用于具有不同层数的 PCB线圈。例如，可使用更多或更少的层数以提供具有所需特性的线圈。在具有较多层数的 应用中，在此所揭露的段连接模式可结转(carry forward)到另外的层或可开发的替代连 接方案。可以改变每一层中的迹线和段的大小、形状和配置，以提供具有所需特性的PCB线 圈。例如，本发明结合通常椭圆形线圈进行说明。线圈的形状可以按需要根据不同的应用 而有所改变。例如，本发明可以以圆形的、矩形的、正方形的和不规则形状的线圈实现。本发明结合无心PCB线圈进行揭示。本发明可以引入(incorporatedinto)到配 对的一组线圈中，线圈包括核心(core)，例如磁芯。例如，PCB线圈可以在足够大小的线圈 中心内设定开孔以收容核心(未显示)。核心可以单独制造并且在装配时安装在开孔内。 如果需要，一层磁性材料，例如，铁磁或亚铁磁材料之类可以引入到PCB基板中，从而PCB基 板有效地起到屏障的作用以使电磁场偏离。如果需要，本发明可以引入到柔性电路板设计 中。在柔性电路设计中，在柔性基板上可设置柔性导体层和绝缘体层。柔性电路设计也可 以包括柔性的非晶磁芯材料(amorphousmagnetic core material)。虽然没有显示，但将与PCB线圈联合使用的电气/电子元件可以组装在承载PCB 线圈的相同的PCB组件上。本发明基本上可代替电线线圈或传统的PCB线圈用在任何应用 中。在一些应用中，PCB线圈可以取代在耦合的一对线圈中的所有两个线圈。在其他应用 中，PCB线圈可与如传统的电线线圈或传统的PCB线圈之类的传统线圈结合使用。为了揭露的目的，方向术语，例如“顶”、“底”、“上”和“下”是用来表示相对于图示 所示的PCB线圈方位的方向。类似地，如“向内”和“向外，，之类的术语是用来表示朝向和 远离线圈中心的方向。这些术语是为便于描述所示的实施方式，而不是用来将本发明限制 于任何特定方向上的实现方式。或许最好如图IB所示，PCB线圈20被引入到多层电路板12中。多层电路板12可 以根据用于制造包括刚性和柔性电路板构造的多层电路板的任何合适的技术和设备来制 造。图IB的PCB线圈20由彼此通过绝缘体层16a-c间隔开的多个导体层14a_d所限定。 导体层14a_d和绝缘体层16a_c基本上可以是适合使用在多层电路板的制造中的任何材 料。在所示的实施方式中，每个导体层14a_d是由沉积在一层电路板基板材料，例如玻璃纤 维的一个主要表面上的薄铜层所形成。导体层可以沉积在一层电路板基板材料的两个主要 表面上，使得可以将两个迹线应用至单层电路板基板材料。在需要两个以上导体层的应用 中，可以在电路板基板材料的另外的(additional)层上沉积另外的迹线。电路板基板材料 层可堆叠在一起，以形成多层PCB。当包括多个电路板基板材料层时，相邻层可以通过另外 的绝缘层，例如薄玻璃纤维层分隔开。如果需要，PCB线圈的各种导电和绝缘层可加热并且 压在一起，以形成一个单一的多层PCB。例如，多层PCB可使用传统的层压技术和设备来制 造。此外，PCB线圈还可以使用一叠分离的印制电路板基板来制造，这些印制电路板基板通 过绝缘层分隔开并且例如通过螺丝(未显示)以机械的方式互连。在所示的实施方式中，导体层14a_d包括大致相同的迹线52a_d。图2A-2D揭示了用于根据本发明一种实施方式制造的四层PCB线圈20的迹线52a-d。图2A揭示了 PCB线 圈20的第一并且最上层的螺旋迹线52a。图2B揭示了用于第二层的螺旋迹线52b。图2C 揭示了用于第三层的螺旋迹线。最后，图2D揭示了用于第四并且最下层的螺旋迹线52d。 虽然大致相同，但迹线52a-d之间存在一些差异。例如，段18从层到层可以偏移，以便利不 同层的段18之间的互连。假定螺旋迹线52a-d是大致相同的，仅对最上层的螺旋迹线52a 进行详细描述。有必要说明与具体讨论的最上层迹线52a的不同的程度上，将个别地描述 其余的迹线52b-d。如所示，最上层的螺旋迹线52a包括以大致椭圆形、螺旋式模式排列的 多个导体段18。在该迹线52a中的段18是彼此间隔开的导电材料的长形段，使得他们所有 的都电性隔离(参见例如图2A-2D)。其余迹线52b-d中的每一个包括大致相同的段18排 列。当导体层14a_d和绝缘体层16a_c结合时，迹线52a_d是大致同延(coextensive)的。如上所述，不同导体层14a_d的段18通过多个连接器40电性互连，连接器40将段18链接在一起以限定细丝54a-d(以下将更加详细描述)。在所示的实施方式中，层间 连接器(interlayer connectors) 40设置在位于每段18相对端的交换位置(interchange s)22。或许最好如图7所示，迹线52a-d在交换位置22被配置成使得这些段18重叠以允 许使用基本上传统的用于互连不同层的段18的过孔(via) 24。所示的实施方式的最下层包 括具有更加复杂形状的交换位置。最下的交换位置包括旁路部60和62，其便于连接最下层 段18的外端与最上段的内端。过孔24设置成以一种以下更加详细描述的排列模式在从段 到段的层14a-d之间竖向延伸。每一个过孔24通常包括贯穿绝缘材料设置的开孔26和贯 穿开孔26延伸以提供流经绝缘材料的电流路径的导体28。过孔24可通过钻穿成叠的电路 板以形成开孔26，然后在开孔26上镀铜以形成导体28所形成。例如，可使用电镀、无电镀 或其他镀覆技术。虽然每个过孔24可竖向延伸贯穿所有层14a-d，但是过孔24仅连接到 需要电性连接以产生所需的电流模式的那些段18。对于需要电性连接的段18，过孔开孔的 钻孔过程将段18的一部分暴露在过孔的开孔26内。因此，当导体28被添加到过孔24 (例 如，钻孔电镀上铜)时，段18和过孔24之间达成电性连接。对于不需要电性连接的段18， 段18可设置将段18与过孔24隔离的绝缘开孔42。如图7所示，绝缘开孔42与过孔开孔 24同中心，并且具有大于相应的过孔开孔26的直径。由于绝缘开孔42具有大于过孔开孔 26的直径，因此，导体28与段18不能实现电性连接。虽然在所示的过孔24中的导体28是 由电镀铜形成，但是导体28也可以由其他导电材料形成。例如，像一节电线之类的导体材 料可被压配合贯穿在PCB线圈20 (未显示)中的过孔开孔24。作为另一个例子，过孔开孔 24可用焊料填充以限定导体28 (未显示)。为了解决由移除绝缘开孔42的导体材料而引起的增加电阻的潜在问题，交换位 置22可具有特殊的形状。例如，或许最好如图3和4所示，在绝缘开孔42和过孔24的周 围可以提供每个迹线的扩大部44，以为电流提供另外的导体面积。在所示的实施方式中，迹 线在绝缘开孔42的周围被扩大到希望在相邻环(loop)的迹线中提供降低宽度的部分46 的程度。图5揭示了替代交换位置构造。在该替代构造中，每个迹线在每个绝缘开孔42而 非每个过孔24周围被扩大。扩大区域并非绝对必要，如果需要的话，可以除去。例如，在一 些应用中，相邻环之间的间距可大到足以不需要减少相邻环的迹线中的部分的宽度。在其 他应用中，由为了绝缘开孔42而移除导体材料所引起的对电阻的影响可能不足以保证迹 线52a-d的扩大区域。
如上所述，段18是通过连接器40互连，以限定多个细丝54a_d或者流经线圈的离 散的电流路径。图1C揭示了迹线52a-d，其中单个细丝(即细丝54a)的段18被加阴影。加 阴影的段18从S1到S78连续编号，以显示段电性连接的顺序。例如，迹线52a的段S1电性 连接到迹线52b的段S2，段S2电性连接到迹线52c的段S3等等直到段S78。图6揭示了本 发明所示实施方式的电性连接方案的示意图，其揭示了所有四个细丝54a-d的部分，每个 细丝54a-d具有不同的阴影。图示呈现了线圈20的七段长的部分的侧视图，并揭示了通过 层间连接器40互连的不同层的段18。本所示的连接方案旨在提供一种线圈，在该线圈中， 细丝消耗接近于配对的线圈(例如与PCB线圈感应耦合的一个分离的线圈)的大致等量的 时间，从而像绞合线线圈的线股一样，细丝54a-d中的每一个截取大致等量的磁通量线，从 而感应产生大致等量的电流，并且大致同等地分摊线圈的自感或互感。这提供了流经不同 的细丝大致均勻的电流分布，从而减少损失，并且提高了 PCB线圈20的总效率。通过减少 线圈的电容可以部分地提供这些好处。代替因为由一距离分开的堆叠线圈的表面积产生的 相对较大的寄生电容，由一距离分开的段的较小表面积产生相对较小的寄生电容。此外，因 为段排列，由段所引起的一些电容边缘效应可以相互抵消。较小电容允许电感最大化，这可 以导致较低电阻和较小损失。这样，PCB线圈20模拟绞合线线圈，但PCB线圈比由其包装 密度牵制的绞合线线圈更薄并且允许更紧密的耦合。根据PCB线圈和配对的线圈的设计和 配置，连接方案从应用到应用可以改变。在所示的方案中，PCB线圈20包括互连的段18，以 限定通过螺旋迹线从层到层14a-d波动的四个细丝(或分离的电流路径)，并且在每一层 14a-d上具有大致等量的段18。不同的细丝54a-d在图6中通过不同的阴影呈现出。限定 细丝54a的所有段18和连接器40在图6中被编号。为了避免混乱，其余细丝54c_d中的 每一个仅有一个段18被编号。像细丝54a —样，其余细丝54b-d由相同阴影的所有段18 和互连相同阴影的段18的所有连接器40所限定。当使用所示的连接方案时，细丝的数目 将等于导体层14a_d的数目，然而，本发明不仅限于遵循这一规则的连接方案。为便于应用 在所示的实施方式中的连接方案的披露，每个段18将被限定为具有内端18a和外端18b。 内端18a是最接近螺旋中心的端，外端18b是最远离螺旋中心的端。除一个例外以外，每个 段的内端18a均电性连接到在紧接下层的段的外端18b。在最下层14d上的段18的内端 18a电性连接到最上层14a的段18的外端18b。遵循这种连接方案，当接近线圈的最内端 移动一段18时，每个细丝54a_d向下移动一层14a_d。当细丝54a_d到达底层14d时，它 跳回到顶层14a，同时，接近线圈的最内端移动一段18，然后重复单层下移模式。对于通过 螺旋线圈长度的每个细丝54a_d，这种模式会再重复。因此，在所示的实施方式中，当转换 (transition)时，每个细丝54a_d依次穿过每一中间层14b和14c在顶层14a和底层14d 之间反复波动。可以看出，当它们穿过PCB线圈20波动时，不同段54a-d遵循基本上平行 (但偏移)的路径。具体的段和连接模式从应用到应用可以根据提出线圈的目的需要而改 变，在该线圈中，每个细丝54a-d从配对的线圈中感应接收到大致等量的能量，并且充分同 等地分摊感应耦合的自感或互感特性。例如，模式可以颠倒，每一个细丝向上逐层穿过到达 最上层，然后返回到最底层。可以看出，PCB线圈20包括多个细丝，当它们向内螺旋通过线圈20时，多个细丝 向上/向下波动穿过层。在替代的实施方式中，PCB线圈220可以配置成另外提供有在每 层内向内/向外波动的细丝。图8A-8B和9显示了本发明的替代实施方式，其提供了向上/向下和向内/向外波动。在本实施方式中，PCB线圈220包括通过绝缘体层(未显示)隔 开的两个导体层202a-b。现在参照图8A及8B，每个导体层202a_b可包括两个相邻的、成 段(segmented)的迹线206a和206b，其以配对的关系螺旋的大致平行线形式存在。PCB线 圈220包括层间连接器(interlayer connectors) 210 (见图9)和层内连接器(intralayer connecters) 212，其共同地连接不同层202a_b与不同迹线206a和206b的段214以限定四 个分离的细丝208a-d。或许最好如图9所示，层间连接器210连接配对层202a_b的段214来提供细丝 208a-d的向上/向下波动。图9揭示了用于PCB线圈210的一部分的两层202a_b和两迹 线206a-b。层间连接器210在图9中通过线呈现，但应该理解，层间连接器210可以是传 统的过孔或者能够提供不同层202a-b的段214之间电性连接的其他导体。例如，层间连接 器210可基本上与以上所讨论的层间连接器相同，并且每一个可以包括交换位置216和一 个或多个过孔218。本实施方式的层内连接器212连接在同一层202a-b内的段214。如所 示，层内连接器212可与迹线206a-b是整体的。例如，不同迹线206a_b的段214可通过用 于形成段214的相同导体材料整体连接。替代地，段214可以由添加到构造中的分离的 电 连接器连接。在本实施方式中，PCB线圈段214以一种限定向上/向下和向内/向外波动的多个 细丝208a-d的模式连接。可以选择模式，以便每个细丝208a-d消耗接近于配对的线圈的大 致等量(未显示)的时间。这可以实现，例如，通过使每个细丝208a_d以一种规则的重复的 模式波动，从而每个细丝在每一层上和在每一个迹线内消耗大致等量的时间。可以选择波 动的频率以提供段208a_d之间所需的均勻度。向上/向下波动与向内/向外波动的组合 可允许每个细丝208a-d比仅向上/向下波动的PCB线圈更接近地模拟绞合线线圈的线股 的扭曲性质。图8A-8B使用参考标号去代表层间连接器210。在此处的约定(convention) 中，两个相像的参考标号代表层间连接器210的相对端。例如，参考标号A和A'代表电性 连接两个相应段214的层间连接器210的相对端，参考标号B和B'代表另一层间连接器 210的相对端。向上/向下和向内/向外细丝波动的概念可应用到另外的层和另外的配对迹线 上。例如，图10、11A-11C和12揭示了具有三层302a-c和“三重”迹线304a-c (例如一起螺 旋的三个迹线)的第二替代线圈320。图10揭示了一个代表性的剖面图，其说明了可包含 在具有三层和“三重”迹线的PCB线圈中的连接306。图10中的每个箭头代表从一段314 的外端到下一段314的内端的连接。因此，所示的剖面图显示了一个细丝的九段长的部分。 第九段的外端连接到和第一段位于同一层和同一迹线、只是向着PCB线圈的内端前进了九 段的第十段的内端。每个细丝316a-i将以一种规则的重复的方式遵照基本上相同的流动 路径。图11A-11C揭示了 PCB线圈320 —种实现的三层302a-c的迹线。图11A-11C使用 与上述结合图8A-8B所述的基本上相同的约定，来揭示PCB线圈320的层间连接器310。例 如，参考标号A和k丨代表电性连接两个相应的段314的层间连接器310的相对端，参考标 号B和B'代表另一层间连接器310的相对端。段连接进一步在图12中说明。图12揭示 了用于PCB线圈320的一部分的所有三层和所有三个迹线。图12还揭示了层间连接器310 和层内连接器312。图13说明了另一替代线圈配置，其使用与结合图10使用的基本上相同的说明约定(如上所述)。在该替代实施方式中，线圈520包括由绝缘体层(未显示)隔开的三个导体层502a-c。最上层502a包括“三重”迹线504a_C，第二层502b包括“四重”迹线506a-d， 最下层502c包括“三重”迹线508a-c。如所示，第二层502b是与迹线506a-d相配置，迹线 506a-d与最上层502a和最下层502c的迹线504a_c和508a_c之间的间隙竖向对准。因 此，迹线504a-C、506a-d和508a-c重叠，从而没有通过PCB线圈520的开放的垂直路径。穿 叉各层的重叠迹线的使用可通过减少或消除任何潜在的间隙来改进PCB线圈520的效率， 通过该间隙，磁通量可竖向穿过而不被导体层截获。图14是另一个替代印刷电路板线圈620的示意图。该实施方式的线圈620包括替 代交换位置配置，其提供降低的电阻和降低的电容。此图显示了上下叠置定位(positioned one atop another)的线圈620的层602a_d，其中段618由方框(box)代表，过孔由互连方 框的线代表。在图14的实施方式中，线圈620包括四层602a-d，其中每一层602a_d具有 单一的成段的迹线604a-d。交换位置方案给线圈620提供了细丝608a_d，当它们沿着迹线 604a-d向内/向外螺旋时，细丝608a-d从层到层向上/向下波动。在图14中，每个细丝 608a-d是由共用共同阴影的多个相连的方框代表。如所示，线圈620包括一次只是向上/ 向下移动不多于单层的四个细丝608a-d。例如，按照细丝608a穿过单个循环，我们看到， 它始于层602a，在第一交换位置622a向下转换到层602b，在第二交换位置622b向下到层 602c，最后在第三交换位置622c向下到层602d。在到达底层602d之后，细丝608a穿过第 四交换位置622d保持在底层602d。在第五交换位置622e，细丝608a开始转换回到第一层 602a。更具体地，细丝608a在第五交换位置622e向上转换到层602c，在第六交换位置622f 向上到层602b，最后在第七交换位置622g回到顶层602a。在返回到顶层602a之后，细丝 608a穿过下一交换位置(在该情况下，第八交换位置)保持在顶层602a，然后反复重复该 循环，直到到达线圈的相对端为止。在图14的实施方式中，其余细丝608b-d遵循本质上相 同的和平行的路径通过线圈，路径彼此偏移，因为它们开始于线圈620的不同层602b-d。图15A-D显示线圈620的四个迹线604a_d。四个迹线604a_d以相同方位显示，使 得这些图可重叠，以揭示其在组装后的线圈620中的对准。前两个迹线604a-b可设置在单 个电路板基板的相对侧上，而后两个迹线604c-d可设置在第二电路板基板的相对侧上。携 带该四个迹线604a-d的这两个电路板基板可相互固定以形成一个具有四层602a-d和四个 迹线604a-d的组件。这两个电路板基板可以通过粘合剂，例如通过浸渍环氧的玻璃纤维， 或通过任何其他合适的制造方法连接在一起。现在将结合图16描述该实施方式的交换位置配置。图16是线圈620的一部分的 示意，其显示了并排排列所示的四层602a_d的线圈的相应段。应该理解，这四层在组装后 的线圈620中彼此上下叠置(one atop theother)。它们并非叠置而是并列放置，仅是为了 便于披露。通常，线圈620包括两种不同类型的交换位置，它们在线圈620的长度上彼此交 替。第一种类型的交换位置，由交换位置622a和622c示出，包括层602a和602b之间以及 层602c和602d之间的“盲”过孔。盲过孔互连层602a中的第一段和层602b中的第二段， 并且互连层602b中的第一段和层602a中的第二段。类似地，盲过孔互连层602c中的第一 段和层602d中的第二段，并且互连层602b中的第一段和层602c中的第二段。可以看出， 第一种类型的交换位置电性互连前两层602a和602b以及电性连接后两层602c和602d。 在两个基板组装到线圈620中之前，盲过孔例如可通过单独钻孔626穿过两个电路板基板而制造。钻孔626可镀上铜以提供在顶两层602a和602b之间以及在底两层602c和602d 之间的电性连接。在它们彼此分离的情况下，铜镀层可应用于两个电路板基板上的盲过孔。在一种实施方式中，或许最好如图18所示，每一层602a_d包括多个过孔。也就是 说，多个过孔626被钻孔穿过每个电路板基板。作为其他的实施方式，钻孔626可镀铜以提 供不同层之间的电性连接。第二种类型的交换位置，由交换位置622b示出，包括过孔，过孔整体地延伸穿过 组件，并且电性互连层602b和602c。再次参照图16，第二种类型的交换位置互连层602b 的第二段和层602c的第三段，并且互连层602c的第二段和层602b的第三段。可以看出， 第二种类型的交换位置仅电性连接中间两层602b和602c。第二种类型的交换位置可通过 整体地穿过组装后的线圈(例如基板和分离两基板的材料)的钻孔626而制造，然后对孔 626采用铜镀层。如所示，在顶层和底层602a和602b中的迹线604a和604d具有扩大的孔 穴644，孔穴644将孔626中的铜镀层与迹线604a和604d分离。为了减少由孔穴644产 生的电阻和电容，同一层中的相邻孔穴644可根据需要沿迹线的长度偏移。该偏移排列减 少穿过两孔穴644之间的铜电镀的电流限制。应当注意，然而，层602c包括跨接在偏移的 孔穴644之间距离的指部645。指部645具有减小的横截面积，因此与具有完全横截面积 的迹线的部分相比可以防止对电流的一些限制。因此，通过相应地增加指部645长度来平 衡在孔穴644之间的偏移程度是可取的。可以看出，中间两层602b和602c中的迹线604b 和604c不包括这些孔穴644，而是直接用铜电镀电性连接。因此，铜电镀互连第二和第三层 602b和602c的段。通过交替改变第一种类型的交换位置(例如交换位置622a)和第二种 类型的交换位置(例如交换位置622b)，线圈620提供以上所述的细丝波动模式。图17是另一个替代实施方式的示意，在该实施方式中，图14的实施方式的交换位 置配置用六层来实现。这种示意遵循结合图6和图14所使用的相同约定。如所示，线圈 720包括三种不同类型的交换位置。第一种类型的交换位置，由交换位置722a、722d、722g 和722j示出，提供了三套盲过孔。第一套盲过孔互连层702a和702b，第二套互连层702c 和702d，第三套互连层702e和702f。盲过孔可基本上按照与如上所述的线圈620的盲过孔 相同的方式制造。第二种类型的交换位置，由交换位置722b、722e和722h示出，仅连接层 702b和702c。对于这种类型的交换位置，层702b可包括类似于在图16的交换位置622b的 层602b的完整端，层702c可包括类似于在图16的交换位置622b的层602c的指部。为方 便过孔电性连接层702b和702c的需要，层702a和702d_f可包括类似于线圈620的孔穴 644的孔穴。第三种类型的交换位置，由交换位置722c、722f和722i示出，仅互连层702d 和702e。对于这种类型的交换位置，层702d可包括类似于在图16的交换位置622b的层 602b的完整端，层702e可包括类似于图16的交换位置622b的层602c的指部。为方便过 孔电性连接层702d和702e的需要，层702a_c和702f可包括类似于线圈620的孔穴644 的孔穴。通过反复地循环穿过这三种类型的交换位置，细丝708a-f向上向下波动穿过层 702a-f, 一次不超过通过一层。在所示的实施方式中，单个细丝708a在层702a上保持近似 等于三段的距离，向下转换到层702b上保持一段的距离，向下转换到层702c上保持近似等 于两段的距离，向下转换到层702d上保持近似等于两段的距离，向下转换到层702e上保持 一段的距离，然后转换到层702f上保持近似等于三段的距离。当它一次转换一层返回到顶 层时，细丝708a然后遵循相同的模式(尽管以镜向)。
以上描述是本发明当前的实施方式。在不脱离所附的权利要求书限定的本发明的 精神和较宽的方面的情况下，可以作出各种改动和变化，这根据专利法的包括等同原则等 原则是可以解释的。任何以单数形式界定的元件参考，例如，使用冠词“一”(“a”、“an”)、 “该”(“the”)或“所述”(“said”)不应理解为限制该元件为单数。
权利要求
用于以配对的线圈方式使用的印刷电路板线圈，包括基板；多个导体层，每一个导体层包括多个离散的线圈段；以及多个层间连接器，其电性互连不同层的线圈段以限定多个离散的细丝，所述细丝中的每一个遵循穿过所述多个层的大致相同但偏移的波动。
2.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述细丝中的每一个遵循穿过所述多个 层的大致相同但偏移的、规则的、重复的波动。
3.根据权利要求1所述的印刷电路板，其中，所述线圈与第二线圈配对；以及其中所述段和所述层间连接器配置成使得每一个细丝消耗接近于配对的线圈的大致等量的时间，从而印刷电路板线圈模拟绞合线线圈。
4.根据权利要求1所述的印刷电路板线圈，其还包括设置在所述导体层的相邻对之间 的绝缘体层。
5.根据权利要求1所述的印刷电路板线圈，其中，所述多个导体层中的每一个包括螺 旋迹线。
6.根据权利要求5所述的印刷电路板线圈，其中，所述迹线中的每一个包括交换位置， 所述层间连接器包括经过所述交换位置选择性地设置路线的多个过孔。
7.根据权利要求1所述的印刷电路板线圈，其中，每一个所述螺旋迹线包括最内端和 最外端，所述段中的每一个包括朝向所述螺旋迹线的所述最内端的内端和朝向所述螺旋迹 线的所述最外端的外端；以及其中所述细丝中的每一个通过从所述迹线的所述最外端到所述迹线的所述最内端以 连续链形式把所述段中的一段的所述内端和所述段中的另一段的所述外端电性连接而被 限定。
8.根据权利要求1所述的印刷电路板线圈，其中，所述多个段在每一导体层上限定了 第一螺旋迹线和第二螺旋迹线；以及还包括多个层内连接器，用于电性连接在所述导体层中的单个层内来自所述第一螺旋 迹线的所述段和所述第二螺旋迹线的所述段，遵循在所述层中的每一层内和穿过所述多个 层中的每一层的大致相同但偏移的波动，所述层间连接器和所述层内连接器配合限定所述 细丝。
9.根据权利要求1所述的印刷电路板线圈，其中，所述导体层的第一导体层包括具有 多个环的螺旋迹线，而且其中所述第一导体层的所述迹线的每一段从所述第一导体层的任 意相邻环的所述段间隔开以限定一间距；以及其中所述导体层的第二导体层包括具有多个环的螺旋迹线，而且其中所述第二导体层 的所述迹线的每一段被定位成叠置在所述第一导体层的所述间距上。
10.印刷电路板组件，其包括绝缘基板；设置在所述基板上的第一导体层，所述第一导体层包括具有多个离散的导体段的第一 迹线；设置在所述基板上与所述第一导体层相对一侧的第二导体层，所述第二导体层包括具 有多个离散的导体段的第二迹线；以及多个层间连接器，其把所述第一层的所述段和所述第二层的所述段以预定模式互连， 其中，所述互连的段限定至少两个细丝，该细丝在所述第一导体层和所述第二导体层之间 以预定模式波动。
11.根据权利要求10所述的印刷电路板线圈组件，其还包括邻近所述第一绝缘基板定位的第二绝缘基板；设置在所述第二基板上的第三导体层，所述第三导体层具有包括多个离散的导体段的 第三迹线；设置在所述第二基板上与所述第三导体层相对一侧的第四导体层，所述第四导体层包 括具有多个离散的导体段的第四迹线；以及多个层间连接器，其把所述第一层的所述段、所述第二层的所述段、所述第三层的所述 段以及所述第四层的所述段以预定模式电性互连，其中所述互连的段限定至少两个细丝， 所述细丝在所述第一导体层、所述第二导体层、所述第三导体层和所述第四导体层之间以 预定模式波动。
12.根据权利要求10所述的印刷电路板线圈组件，其中，所述第一导体层包括具有多 个离散的导体段的第二迹线；以及还包括多个层内连接器，其把所述第一迹线的所述段和所述第三迹线的所述段电性连 接，从而所述细丝在所述第一导体层和所述第二导体层之间以及在所述第一迹线和所述第 三迹线之间以预定模式波动。
13.根据权利要求12所述的印刷电路板线圈组件，其中，所述第二导体层包括具有多 个导体段的第四迹线；以及还包括多个层内连接器，其把所述第二迹线的所述段和所述第四迹线的所述段电性连 接，从而所述细丝在所述第一导体层和所述第二导体层之间以及在所述第一迹线和所述第 三迹线之间以及在所述第二迹线和所述第四迹线之间以预定模式波动。
14.根据权利要求10所述的印刷电路板线圈组件，其中，所述细丝遵循以规则的、重复 的模式关于所述线圈波动的大致平行但偏移的路径。
15.根据权利要求10所述的印刷电路板线圈组件，其中，所述线圈具有最内端和最外 端；以及所述第一迹线的所述段中的每一个具有内端和外端，所述第二迹线的所述段中的每一 个具有内端和外端，所述细丝中的每一个由通过从所述线圈的所述外端到所述线圈的所述 内端以连续链形式把所述段中的一段的内端和所述段中的另一段的外端电性连接而互连 的多个所述段限定。
16.多层电磁线圈，其用于无线能量连接，包括第一导体层，其具有多个离散的导体段；第二导体层，其邻近所述第一导体层设置，所述第二导体层包括多个离散的导体段；以及多个连接器，其把所述第一层的所述段和所述第二层的所述段以预定模式互连，其中 所述互连的段限定至少两个细丝，所述细丝在所述第一导体层和所述第二导体层之间以预 定模式波动。
17.根据权利要求16所述的多层线圈，其中，所述段和所述连接器排列成使得所述细丝中的每一个遍及线圈大致均勻地分布，从而所述细丝中的每一个大致同等地分摊线圈的 电感。
18.根据权利要求16所述的多层线圈，其还包括邻近所述第二导体层设置的第三导体 层，所述第三导体层包括多个离散的导体段；以及所述多个连接器把所述第一导体层、第二导体层和第三导体层的所述段以预定模式 互连，其中所述互连的段限定至少三个细丝，所述细丝穿过所述第一导体层、所述第二导体 层和所述第三导体层以预定模式波动，从而所述细丝中的每一个大致同等地分摊线圈的电 感。
19.根据权利要求16所述的多层线圈，其结合有第二感应线圈，所述第二感应线圈与 线圈感应耦合，其中所述段和所述连接器排列成使得所述细丝中的每一个遍及线圈大致均 勻地分布，从而所述细丝中的每一个从所述第二线圈接收大致均勻量的磁通量。
20.根据权利要求16所述的多层线圈，其结合有第二感应线圈，所述第二感应线圈与 所述线圈感应耦合；以及还包括邻近所述第二导体层设置的第三导体层，所述第三导体层包括多个离散的导体 段，所述多个连接器把所述第一导体层、所述第二导体层和所述第三导体层的所述段以预 定模式互连，其中所述互连的段限定至少三个细丝，所述细丝穿过所述第一导体层、所述第 二导体层和所述第三导体层以预定模式波动，从而所述细丝中的每一个从所述第二线圈接 收大致均勻量的磁通量。
21.根据权利要求16所述的多层线圈，其中，所述第一层的所述导体段限定第一迹线 和第二迹线，以及其中所述多个连接器把所述第一迹线和所述第二迹线的所述段与所述第二层的所述 段以预定模式互连，其中所述互连的段限定至少两个细丝，所述细丝在所述第一导体层的 所述第一迹线、所述第一导体层的所述第二迹线和所述第二导体层之间以预定模式波动。
22.根据权利要求16所述的多层线圈，其中，所述第一和第二导体层到所述配对的线 圈的平均距离相等。
23.根据权利要求16所述的印刷电路板，其中，所述第一和第二导体层中的每一层传 送或接收均勻量的磁通量。
24.多层电磁线圈，其用于无线能量连接，包括 第一导体层，其具有第一导体段和第二导体段；邻近所述第一导体层设置的第二导体层，所述第二导体层包括第一导体段、第二导体 段和第三导体段；邻近所述第二导体层设置的第三导体层，所述第三导体层包括第一导体段、第二导体 段和第三导体段；邻近所述第三导体层设置的第四导体层，所述第四导体层包括第一导体段和第二导体段；第一交换位置，其互连所述第一导体层的所述第一段和所述第二导体层的所述第二段；第二交换位置，其把所述第一导体层的所述第二段和所述第二导体层的所述第一段互连；第三交换位置，其把所述第三导体层的所述第一段和所述第四导体层的所述第二段互连；第四交换位置，其把所述第三导体层的所述第二段和所述第四导体层的所述第一段互连；第五交换位置，其把所述第二导体层的所述第二段和所述第三导体层的所述第三段互连；第六交换位置，其把所述第二导体层的所述第三段和所述第三导体层的所述第二段互连。
25.根据权利要求24所述的多层电磁线圈，其中，所述第一导体层的所述第二段和所 述第四导体层的所述第二段中的每一个包括多个孔穴，所述孔穴防止所述第五交换位置和 第六交换位置与所述第一导体层的所述第二段和所述第四导体层的所述第二段互连。
26.根据权利要求24所述的多层电磁线圈，其中，所述第一导体层、所述第二导体层、 所述第三导体层和所述第四导体层彼此上下叠置。
27.根据权利要求24所述的多层电磁线圈，其中，所述导体层中的每一层到配对的线 圈的平均距离相等。
28.根据权利要求24所述的多层电磁线圈，其中，所述导体层中的每一层传送或者接 收均勻量的磁通量。
全文摘要
本发明涉及模拟由绞合线形成的线圈的多层印刷电路板(PCB)线圈。PCB包括多个交替的导体层和绝缘层，这些层互连从而配合形成线圈。每一导体层包括遵循所需线圈形状的迹线并被划分为多个离散的导体段。穿叉各层电性连接这些段，以提供在层之间以规则的、重复的模式波动的多个电流路径(或细丝)。线圈可配置成使得每一个细丝消耗接近于配对的线圈的大致等量的时间，因此同等地分摊线圈的自感或互感。每一导体层可包括互连的多个关联的迹线和层内连接器，从而使得每一细丝不仅向上/向下而且向内/向外以规则的重复的模式波动。
文档编号H05K1/16GK101810062SQ200880110041
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月28日
发明者D·W·巴曼, J·K·施万内克, P·杜克沃思, R·A·瓦尔, W·E·古斯里 申请人:捷通国际有限公司