專利名稱：電子變壓器/電感器器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電感元件及這些部件的制造方法。
背景技術(shù)：
電感元件通常是采用鐵磁芯和絕緣電線的線圈制造的。鐵磁芯通常是環(huán)形芯、棒狀芯、或由E下部形狀的鐵磁部分和連接E的三個(gè)腿的鐵磁帽構(gòu)成的組件，如

圖1所示。
環(huán)形和棒狀芯被絕緣銅線手動(dòng)或自動(dòng)纏繞，形成變壓器的大量多匝線圈或電感器的單線圈。然后通常將該組件封裝以保護(hù)銅線。電路接點(diǎn)按照應(yīng)用需要而通過(guò)電線的焊接端形成。這個(gè)方案由于操作單個(gè)部件而具有高的勞動(dòng)力成本。還有電子參數(shù)的很大的可變性，如漏電感、分布和繞組間電容、和由于很難實(shí)現(xiàn)銅線的準(zhǔn)確定位而造成的線圈之間的共態(tài)失衡。
圖1的E形和包封蓋組件按照需要通過(guò)圍繞E的腿手動(dòng)或自動(dòng)纏繞銅絕緣線制成為電感元件。在原位粘接或夾住帽并最后封狀完成這個(gè)子組件。同樣，電路接點(diǎn)借助電線的焊接端按照應(yīng)用的需要而制成。不僅這種器件具有環(huán)形和棒狀芯的限制，如上所述，而且一般是體積較大的器件。由于帽是分離器件，因此磁通路具有在E和帽之間的非鐵磁間隙電阻，因而減小了變壓器的效率。
如圖所示構(gòu)成的功率變壓器還具有以下缺點(diǎn)由線圈中的電阻損失產(chǎn)生的熱量不容易散去，因?yàn)镋芯和帽將這些線圈和散熱片分隔開(kāi)了。
發(fā)明概述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供電感器和變壓器以及制造這些器件的方法，本發(fā)明提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的顯著優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明連接的這些電感器和變壓器在電子、無(wú)線電通信和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域具有大量應(yīng)用。在下述一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，矩形鐵磁材料片被封閉在印制電路之間。在制造期間從片的頂面到片的底面鉆成或形成多個(gè)穿孔(通路)，孔的數(shù)量對(duì)應(yīng)所希望的繞線的匝數(shù)。本實(shí)施例利用安培定律以非常新穎的方式在電路板內(nèi)形成變壓器、電感器等而不是采用或組裝與電路板分立的電感器件。這樣，繞線不是絕緣的電線。而且，穿過(guò)片的孔通過(guò)孔鍍或類似技術(shù)而獲得電導(dǎo)性并與封裝該片的印制電路電連接。鍍覆穿孔的圖形和印制電路形成電感器和變壓器繞線，并且電感器和變壓器的芯是被鉆孔或形成的鐵磁材料片。這個(gè)實(shí)施例提供相當(dāng)大的改進(jìn)，特別是在制造高頻電感器和變壓器時(shí)。
在下述另一優(yōu)選實(shí)施例中，電感器或變壓器的芯包括由支撐在合適基底如柔性電路(FLEX)或印制電路板(PCB)上的薄同心鐵磁金屬環(huán)的多層系列形成?？拷@些同心環(huán)芯的穿孔提供與印制電路的電連接以提供電感器和變壓器繞線。這個(gè)實(shí)施例使得可以制造具有最小渦流效應(yīng)的高導(dǎo)磁率電感器和變壓器。如此構(gòu)成的電感器和變壓器在微小低頻電源供應(yīng)方面有特殊應(yīng)用。
除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，優(yōu)選實(shí)施例具有大量附加的顯著優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括優(yōu)異的散熱性能，更易實(shí)現(xiàn)的外部連接以簡(jiǎn)化電連接，較短的磁通路徑以提高磁性能，更簡(jiǎn)單的制造，更高度集成的互連，較小的電感器件，良好的性能和優(yōu)異的可重復(fù)制造性。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明總之，通過(guò)參照附圖的詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很容易理解本發(fā)明的一般原理和基本特征以及優(yōu)點(diǎn)、某些優(yōu)選實(shí)施例及其改型，其中圖1是具有匹配鐵磁帽的現(xiàn)有技術(shù)鐵磁E芯的概念性的示意圖；圖2A是傳統(tǒng)環(huán)形變壓器的頂視圖；圖2B是傳統(tǒng)變壓器的側(cè)視圖；圖3A是表示“虛擬”環(huán)形變壓器的頂視圖；圖3B是圖3的虛擬變壓器的側(cè)視圖；圖4表示虛擬變壓器的另一優(yōu)選實(shí)施例的頂視圖；圖5表示層疊到FLEX的大面片上的70個(gè)磁芯陣列的示意圖，其中為顯示單個(gè)磁芯而除去了頂部FLEX層；圖6是表示層疊到單個(gè)磁芯片的頂部和底部FLEX的放大側(cè)視圖圖7表示單個(gè)片中的一個(gè)穿孔的剖面圖；圖8表示具有安裝了25個(gè)芯的25個(gè)孔的陣列的PCB膠片(prepreg)的例子；圖9是表示層疊到磁芯的頂部和底部PCB的單個(gè)磁芯的放大的側(cè)視圖；圖10表示單個(gè)鐵磁片中的一個(gè)穿孔的放大剖面圖；圖11是用絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電膏填充的穿孔的放大剖面圖；圖12表示通過(guò)提高的表面積與體積比的本發(fā)明的散熱特性；圖13是顯示了一個(gè)金屬環(huán)形芯，其說(shuō)明其中渦流的產(chǎn)生方式；圖14表示通過(guò)刻蝕鐵磁金屬的同心環(huán)而形成的多個(gè)磁芯疊層；圖15是圖14的磁芯疊層之一的放大示意圖；圖16A是表示多個(gè)堆疊磁芯疊層的剖面圖；圖16B是圖16A的磁芯疊置體之一的放大示意圖；圖17A是表示在已經(jīng)添加頂部和底部印制電路之后的圖16A的疊置體的剖面圖17B是圖17A的磁芯疊置體之一的放大示意圖；圖18A是圖17A中的層疊結(jié)構(gòu)在鉆成鍍覆穿孔之后的剖面圖；和圖18B是圖18A的磁芯疊置體之一的放大圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明圖2表示具有環(huán)形磁芯30的現(xiàn)有技術(shù)的典型變壓器。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這個(gè)變壓器具有兩個(gè)絕緣線繞線兩匝繞線32和四匝繞線34。每匝36環(huán)繞磁芯30的材料，以便當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)繞線時(shí)，在磁芯30內(nèi)部流動(dòng)環(huán)形磁通路38。圖2A表示通過(guò)磁芯30的中心并圍繞磁芯30的外部的繞線32、34。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例具有非常不同的磁芯和繞線設(shè)置。在這些優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)中，通常示于圖3中，鐵磁材料片50具有頂表面52和底表面54，并以剖面圖示出，兩個(gè)外孔(穿孔)56和在片50內(nèi)的一個(gè)內(nèi)孔64。如下所述，對(duì)于微型電感器和變壓器，片50有利地是具有相對(duì)高電阻率的鐵氧體薄層。
圖3A和3B表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例采用具有8個(gè)外穿孔56和6個(gè)內(nèi)穿孔68(圖3B中沒(méi)有都示出)的片50構(gòu)成的“虛擬”環(huán)形變壓器。導(dǎo)體58形成在片的頂表面52和底表面54上。導(dǎo)體具有用于連接到其它器件或電路的焊盤60。如下所述，這些外穿孔和內(nèi)穿孔56、68從頂部到底部鍍覆而成并與導(dǎo)體58電接觸，以便完成的電路在例如焊盤60和60’之間延伸。如下所述，由此形成具有環(huán)形通路62的虛擬環(huán)形變壓器62。
圖4表示具有位于同一片70上的兩個(gè)獨(dú)立虛擬磁芯72、74的鐵磁片70。第二變壓器74說(shuō)明本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中穿孔重新設(shè)置為特殊圖形。這個(gè)重新設(shè)置形成具有內(nèi)矩形76和外矩形77的矩形虛擬環(huán)75。
如圖2所示的繞線32、34借助磁芯30感應(yīng)耦合在一起。磁芯30提供將第一繞線32耦合到第二繞線34的磁通路，由此當(dāng)在第一繞線上存在電壓時(shí)在第二繞線上產(chǎn)生電壓。這是變壓器的基本原理，從一個(gè)繞線向另一繞線轉(zhuǎn)換能量。磁通的主要部分被限制在磁芯的內(nèi)徑40和外徑42之間。
安培定律限制磁通路而與磁芯的形狀無(wú)關(guān)；因此，如下面詳細(xì)所述，不必實(shí)際上制造環(huán)的環(huán)形形狀以構(gòu)成同樣運(yùn)行的器件。
作為FLEX部件的制造一種制造方法是在FLEX92電路的頂和底層內(nèi)部埋置多個(gè)鐵磁片(磁芯90)，如圖5，6和7所示。在通過(guò)粘接劑粘接到片的頂表面和底表面112、114的環(huán)氧樹(shù)脂板110上形成對(duì)應(yīng)所需繞線的銅電路圖形92。由此通過(guò)層疊工藝將磁芯90包含在電路92中。通過(guò)FLEX92的復(fù)合層和磁芯形成穿孔，以便形成頂部FLEX116電路到底部FLEX117電路的連接，如圖6和7所示。用導(dǎo)電墨水和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鍍覆工藝填充穿孔是用于同時(shí)連接大量虛擬磁芯的最佳方法。這個(gè)結(jié)構(gòu)的剖面圖示于圖6和7中。
作為PCB部件的的制造示于圖8，9和10中的另一制造方法是在PCB電路的頂層170和底層172之間埋置多個(gè)鐵磁片150。圖8表示PCB粘接劑中的孔陣列154或膠片陣列156。這個(gè)膠片156面盤形成得能容納每個(gè)磁芯片150。如圖9所示，將片150插入孔154中之后，PCB的頂部170和底部172層疊到陣列156上。由此通過(guò)層疊工藝包含片150，在兩個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂板之間夾住片150。穿孔190通過(guò)PCB192的復(fù)合層和片150而形成，并形成頂部PCB194和底部PCB196電路之間的連接。用導(dǎo)電墨水198或標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鍍覆工藝填充的穿孔190有利地用于同時(shí)連接大量磁芯。這種結(jié)構(gòu)的剖面類似于圖6和7中所示的FLEX117結(jié)構(gòu)。主要差別是由于PCB材料的非柔性造成的，這不符合單個(gè)片150。
沒(méi)有FLEX或PCB的制造圖11中示出了另一種制造方法，其中多個(gè)磁芯210保持在載體212上。每個(gè)磁芯210用合適的孔214模制而成。然后采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)導(dǎo)電墨水絲網(wǎng)印刷工藝以在磁芯210的底部215和底部216上形成電路，同時(shí)填充孔214，在頂部215和底部216兩側(cè)之間形成所需連接。
安培定律的新應(yīng)用具有通過(guò)磁片的導(dǎo)電穿孔的上述本發(fā)明實(shí)施例以非常新穎的方式利用安培定律。形成穿孔的方式允許形成在基底上的兩個(gè)繞線之間存在磁通路。這樣，如圖3A所示，在內(nèi)穿孔68內(nèi)的任何封閉路徑將包圍零凈電流，因此這種路徑?jīng)]有磁通。包圍外穿孔56的任何路徑也包圍零凈電流，因?yàn)閮?nèi)穿孔68具有與外穿孔56中流動(dòng)的電流相等但相反的電流，因而在包圍外穿孔56的區(qū)域中產(chǎn)生零凈磁通。然而，內(nèi)穿孔和外穿孔68、56之間的封閉路徑由于內(nèi)穿孔68的封閉而具有凈磁通。部分地封閉內(nèi)穿孔或外穿孔68、56的別的路徑將不具有顯著的磁通，因?yàn)榇磐▽⑦x擇最短物理路徑，與電流相同。這樣，這種結(jié)構(gòu)的行為與圖2的環(huán)相同，并且作為虛擬環(huán)62示出。
很顯然穿孔的合適選擇可以形成很多不同形狀的磁芯和在基底上的磁芯設(shè)置。這樣，將在同一基底上構(gòu)成很多獨(dú)立的磁電路。因此，通過(guò)在圖3所示的鐵磁片50的頂表面和底表面52、54上適當(dāng)設(shè)置穿孔和電路導(dǎo)體，可以構(gòu)成比簡(jiǎn)單電感器和變壓器更復(fù)雜的電路。例如，采用在常規(guī)PCB和FLEX(柔性電路板)工業(yè)中使用的工藝(光學(xué)淀積、刻蝕和鍍覆)可以在同一基底上設(shè)置多個(gè)元件如電阻器、電容器和集成電路，以便形成微觀小型電路組件。
可以根據(jù)前述實(shí)施例構(gòu)成的電感器和變壓器適用于高頻電路，通常是在100KHz到100MHz范圍內(nèi)的射頻電路。有利的是鐵磁片50由薄層鐵氧體材料形成，該材料具有在100-10000范圍內(nèi)的典型導(dǎo)磁率和在1000歐姆/cm-109歐姆/cm的電阻率。典型的鐵氧體成分包括氧化鐵和磁鋼。這種鐵氧體材料具有足夠高的電阻率以致通過(guò)磁片的鍍覆穿孔互相絕緣。如此構(gòu)成的變壓器和電感器適于微型化。它們不再需要復(fù)雜的管腳或引線框架。這樣，一個(gè)長(zhǎng)1.5英寸、寬1英寸和厚0.05英寸并具有直徑為0.03英寸穿孔的片可提供用于兩個(gè)或更多個(gè)變壓器的磁芯。鐵磁片可以非常小。頂表面和底表面上的表面焊盤形成接點(diǎn)，并且可以是直接安裝到PCB上，由此減少了器件的著腳點(diǎn)(footprint)并給其它元件留下更多的空間。設(shè)計(jì)的繞線基本上處于兩個(gè)平行平面內(nèi)。因此通常使用的十(10)層平面變壓器件的繞線可以在總高度上減少五(5)倍。鐵磁片可以非常薄，例如0.05英寸，因此本發(fā)明的電感器和變壓器可以基本上在一個(gè)非常薄的平面內(nèi)構(gòu)成而不是三維E磁芯結(jié)構(gòu)，這又進(jìn)一步大大減少了總高度。
具有高磁通密度和最小渦流的變壓器/電感器器件的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例很多電感器件如低頻功率變壓器需要具有通常在10000-100000范圍內(nèi)的相對(duì)高的相對(duì)導(dǎo)磁率的磁芯。然而，由優(yōu)選實(shí)施例提供的改進(jìn)可用于更低和更高值，例如1000-1000000范圍內(nèi)。某些金屬和金屬合金提供這些高磁通密度，包括鋼、鐵、硅鋼(silica Iron)、78導(dǎo)磁合金(permalloy)、阿姆科鐵(Mumetal)、精煉鐵和超導(dǎo)磁合金(supermalloy)。雖然這些高磁通密度在構(gòu)成變壓器和電感器上可提供顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是金屬的低電阻率允許感應(yīng)渦流流動(dòng)，這抵消了較高磁通密度的優(yōu)點(diǎn)。由在金屬磁芯中流動(dòng)的磁通產(chǎn)生的感應(yīng)渦流300示于圖13中。通過(guò)在層疊金屬E條外部構(gòu)成環(huán)形或E形磁芯，并且每個(gè)條由某種類型的絕緣粘合材料分離，減少了目前用金屬作磁芯的變壓器/電感器的這些渦流。整個(gè)E芯包含很多這種條以形成整個(gè)磁芯。借助這種結(jié)構(gòu)，將渦流限制到每個(gè)條的橫截面區(qū)域。如上所述，本發(fā)明的明顯優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)一步減少了磁芯截面面積。
采用鐵磁金屬用于磁芯材料的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造示于圖14-18中，其中柔性電路或印制電路板290支撐形成在FLEX或PCB上并由絕緣層分開(kāi)的一系列層疊薄金屬圓環(huán)。圓環(huán)的中心和外部的鍍覆穿孔和鍍覆完成圍繞磁芯的電氣繞線。如下所述，通過(guò)顯著減小每個(gè)疊層磁芯截面的橫截面面積，這個(gè)實(shí)施例顯著地最小化了渦流。
通過(guò)首先在PCB或FLEX290上層疊鐵磁金屬片，然后刻蝕掉部分鐵磁片以形成多個(gè)緊密排列的、窄的連續(xù)磁芯段的圖形，形成多個(gè)磁芯疊層。這樣，圖14示出了具有16個(gè)被刻蝕磁芯陣列的PCB或FLEX310的單個(gè)層。應(yīng)該理解本領(lǐng)域中公知的層疊和刻蝕工藝一般允許制造16個(gè)以上的這種陣列，這取決于陣列和圖形的尺寸。有利地，采用公知的雙面工藝刻蝕磁芯陣列315，以便在片310的頂部和底部形成相同的陣列。
單個(gè)磁芯陣列315的放大圖示于圖15中，該圖示出了具有16個(gè)同心鐵磁導(dǎo)電金屬環(huán)320a-320p的陣列，這些金屬環(huán)通過(guò)各個(gè)被刻蝕的間隔或空隙325a-325o而互相絕緣。同樣，陣列315外部的區(qū)域330和最內(nèi)部環(huán)320內(nèi)部的區(qū)域335沒(méi)有磁性材料。然而，本發(fā)明不限于同心環(huán)陣列，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然可以構(gòu)成其它磁芯陣列，如互相絕緣的一系列連續(xù)更大的正方形或矩形形狀。
下一制造步驟是將多個(gè)PCB和FLEX層310基本上對(duì)準(zhǔn)地與陣列315堆疊起來(lái)。如圖16A中所示，同心環(huán)315a-315h的磁芯陣列安裝每層上的磁芯圖形對(duì)準(zhǔn)的方式一個(gè)一個(gè)堆疊在一起。結(jié)果是制造了具有非常小的渦流面積的多個(gè)高磁通承載金屬磁芯。這樣，用于刻蝕陣列315的原片可以是非常薄的，通常在0.0005”到0.010”英寸范圍內(nèi)。可以采用傳統(tǒng)的PCB或FLEX(FPC)刻蝕技術(shù)將同心環(huán)刻蝕到在0.002”-0.003”量級(jí)上的非常窄的寬度。結(jié)果是，關(guān)于磁芯的橫截面渦流產(chǎn)生的區(qū)域，大大減小了尺寸。
作為部分堆疊工藝，薄層絕緣材料340與每個(gè)被刻蝕同心環(huán)陣列315的頂表面相鄰設(shè)置。通常，采用環(huán)氧樹(shù)脂材料。這種絕緣片和支撐被刻蝕鐵磁環(huán)的絕緣片可以是不同材料的。代表性材料包括由Dupont和Rogers Corp制造的用于制造PCB板和FLEX的環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸(acrylics)。環(huán)氧樹(shù)脂和膠片(具有玻璃的環(huán)氧樹(shù)脂)一般用于構(gòu)成PCB板，丙烯酸一般用于制造FLEX。在層疊工藝期間，圖15中所示的間隙325、間隙330和間隙335用絕緣材料340填充，如圖18A和18B所示。
如上所述，通過(guò)與磁芯結(jié)構(gòu)兩側(cè)上與印制電路接觸的導(dǎo)電穿孔，有利地提供本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例電氣繞線。用于圖14-18的實(shí)施例的繞線的制造步驟示于圖17A、17B、18A和18B中。
參見(jiàn)圖17A和17B，附加銅層350、355分別層疊在頂表面和底表面上，而兩個(gè)附加絕緣層360、365將銅表面與被刻蝕金屬表面分開(kāi)。
圖18A和18B中示出了具有通過(guò)整個(gè)層疊陣列鉆成的穿孔370的完成結(jié)構(gòu)。這些穿孔位于低電阻率鐵磁環(huán)附近但不與其接觸，以便電絕緣由鍍覆穿孔提供的繞線匝。然后用導(dǎo)電材料、(通常為銅)鍍覆這些孔370。也可以采用在穿孔內(nèi)的導(dǎo)電墨水和導(dǎo)電膏。然后刻蝕銅層350、355以便形成與鍍覆穿孔370電接觸的電路圖形，用于形成圍繞同心環(huán)磁芯陣列315的繞線。
為了清楚示出，圖18A和18B中所示的實(shí)施例表示每個(gè)變壓器的少量穿孔370a，370b，370c，和370d。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然圖14-18的實(shí)施例可以通過(guò)添加附加穿孔而具有多個(gè)繞線。如果需要，附加銅層可以疊置在層350、355上以提供到附加穿孔的所需連接。
可通過(guò)“沖模”(die)切割或從陣列選擇部件的常用方法從圖18A和18B中的層疊陣列中抽取單個(gè)變壓器和電感器器件。每個(gè)這種器件可用于替代圖1-13中所示的傳統(tǒng)電感器件。而且，由于刻蝕金屬磁芯是陣列的一部分，如圖16中所示，因此可以互連到其它元件。
優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)一片磁芯在E形磁芯結(jié)構(gòu)中，如圖1所示，不可避免地在E形磁芯和帽之間形成間隙。大多數(shù)變壓器采用要求采用例如環(huán)氧樹(shù)脂和夾子將一半磁芯連接到其它磁芯上的E型磁芯。這些工藝是耗時(shí)的、造成損失和由于E形磁芯和帽之間形成的間隙而使器件參數(shù)變化。相比較而言，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的磁芯是連續(xù)片的，由此提供改進(jìn)的變壓器效率。一片設(shè)計(jì)不再需要在分離處理步驟中將兩個(gè)分立片連接在一起。
如果希望在圖14-18的實(shí)施例中有意形成間隙以避免磁飽和，可以在圖15中所示的同心環(huán)中刻蝕形成間隔。這種被刻蝕間隙環(huán)消除了E形芯的傳統(tǒng)機(jī)械分隔的大變化。
減少了渦流按照?qǐng)D14-18的方式構(gòu)成的電感器和變壓器通過(guò)在兩個(gè)方向分隔金屬疊層可提供具有很少渦流的優(yōu)異性能。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果是因?yàn)樗緝?yōu)選實(shí)施例借助(a)由其刻蝕環(huán)320的金屬片可以是比采用PCB或FLEX制造材料更薄(b)單個(gè)絕緣環(huán)320可以制成為非常窄而具有比傳統(tǒng)層疊磁芯薄的磁芯。由于渦流與段的橫截面面積的平方成正比，因此與制造變壓器或電感器的傳統(tǒng)方法相比優(yōu)選實(shí)施例顯著地減少了渦流。例如，參照?qǐng)D1中所示的傳統(tǒng)E形磁芯，這種磁芯的金屬疊層不能在兩個(gè)方向分開(kāi)，因?yàn)闂l會(huì)散開(kāi)或簡(jiǎn)單地說(shuō)不具有機(jī)械整體性。
表面安裝根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例形成的繞線可以在不需要分開(kāi)的引線框架結(jié)構(gòu)、復(fù)雜管腳或最終鍍覆的情況下形成為表面安裝引線。
互連由于刻蝕變壓器/電感器是采用與制造PCB或FPC的相同工藝制造的，因此變壓器可以有利地成為電源或電路組件的集成部件，由此減小物理尺寸，減少接點(diǎn)，和通常使組件更緊湊和更小。電路元件可以直接設(shè)置在被刻蝕變壓器的上面或下面，用變壓器的區(qū)域作為用于平衡電路的載體，以便整個(gè)電路的面積將與變壓器面積一樣小。
磁性噪聲根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成的磁芯提供具有損失比傳統(tǒng)變壓器少的更有效的磁通路徑。這些特性在設(shè)計(jì)和功能上更類似于環(huán)。磁通路徑短于采用傳統(tǒng)磁芯如E—磁芯和PQ磁芯的可比變壓器。
尺寸優(yōu)選實(shí)施例可以做得更小，因?yàn)樗鼈儾恍枰獜?fù)雜的管腳或引線框架。頂表面和底表面上的表面焊盤形成它們自己的接點(diǎn)，并且它們可以直接表面安裝到PCB上，由此減少器件著腳點(diǎn)和給其它元件留出更多的空間。繞線處于2個(gè)平面內(nèi)，因此通常使用的十(10)層平面變壓器器件的繞線可在總高度上減少五(5)倍?！按判尽碧幱谝粋€(gè)平面內(nèi)代替三維E形磁芯結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步大大減少了總高度。
成本優(yōu)選實(shí)施例可以由柔性電路制成并可以比多層平面繞線更便宜地制造。而且不再需要引線框架、封裝、和帽粘接，由此使器件更容易制造。
散熱性能根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成的電感器和變壓器的顯著優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)熱繞線不埋置在組件內(nèi)或互相纏繞在每個(gè)繞線的頂部，如傳統(tǒng)變壓器那樣，而且它們不需要像平面變壓器那樣疊置在一起。代替地，鍍覆繞線基本上位于變壓器或電感器器件的頂面和底面。這種布置提供優(yōu)異的散熱性能而不會(huì)將熱量收集掩埋在繞線內(nèi)。只通過(guò)通常只有0.005英寸厚的薄焊接掩膜，將繞線的一半放置成與散熱片熱接觸，可以將PCB有利地固定到散熱片上，由此提供優(yōu)異的表面面積與熱量比。圖12示出了用于優(yōu)異散熱性能的安裝到如銅和鋁的散熱片232上的大表面面積230的一個(gè)例子。
前面已經(jīng)參照一些優(yōu)選實(shí)施例介紹了本發(fā)明，這些實(shí)施例僅是借助例子提供的，并不限制本發(fā)明的范圍。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)該只根據(jù)所附權(quán)利要求書(shū)界定。
權(quán)利要求
1.一種具有最小渦流效應(yīng)的小型電感器/變壓器的制造方法，包括刻蝕鐵磁金屬薄片以形成所述鐵磁金屬的同心窄環(huán)的多個(gè)陣列；疊置由絕緣材料分開(kāi)的多個(gè)所述陣列，以便形成多個(gè)磁芯，使得所構(gòu)成的所述磁芯具有由鐵磁材料片的厚度和所述同心窄環(huán)的寬度限定的非常小的橫截面面積，以便最小化渦流效應(yīng)；在銅片之間層疊所述陣列疊置體；將所述銅片形成為印制電路；形成通過(guò)靠近所述層疊鐵磁陣列的所述印制電路的穿孔；和鍍覆所述穿孔使其與所述印制電路電接觸以形成電線圈。
2.一種具有最小渦流效應(yīng)的小型電感器/變壓器，包括分別由它們的絕緣層分開(kāi)的多個(gè)基本上相同的薄同心鐵磁環(huán)的疊置體；在同心鐵磁環(huán)的所述疊置體的相對(duì)兩面上的第一印制電路和第二印制電路；和通過(guò)所述疊置體并與所述印制電路電接觸的導(dǎo)電穿孔，所述穿孔的軸基本上平行于所述同心環(huán)的中心軸。
3.一種小型電感器/變壓器，包括在基底上的鐵磁性鐵氧體材料薄層；和通過(guò)所述鐵氧體材料的多個(gè)鍍覆穿孔，所述穿孔提供所述電感器/變壓器的電氣繞組。
4.一種小型電感器/變壓器的制造方法，包括在絕緣材料薄片上形成薄鐵磁層；在第一和第二薄片之間層疊具有所述鐵磁材料層的所述片；形成通過(guò)所述層疊片的穿孔；在所述穿孔內(nèi)鍍覆導(dǎo)電材料，在所述第一和第二薄片上形成與所述導(dǎo)電穿孔電接觸的印制電路，所述印制電路提供所述電感器/變壓器的一部分電氣繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述片是印制電路板。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述片是柔性電路。
7.一種制造多個(gè)小型電感器/變壓器的方法，包括將多個(gè)間隔開(kāi)的鐵磁芯與電路的頂層和底層層疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述頂層和底層是柔性電路片。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述頂層和底層是印制電路板。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中在由鐵氧體材料制造所述鐵磁芯期間在所述鐵磁芯中形成穿孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中在制造所述鐵磁芯之后通過(guò)對(duì)所述鐵磁芯鉆孔形成穿孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述鐵磁芯形成在穿孔內(nèi)，并采用導(dǎo)電墨水工藝在所述鐵磁芯的頂部和底部并通過(guò)所述穿孔形成電路。
13.一種制造小型電感器/變壓器的方法，包括形成其上具有印制電路的第一薄片；形成其上具有印制電路的第二薄片；在所述第一和第二薄片之間層疊具有所述鐵磁材料層的所述片；形成貫穿所述層疊片的穿孔；和在所述穿孔內(nèi)鍍覆導(dǎo)電材料以與所述第一和第二薄片上的所述印制電路電接觸，所述導(dǎo)電穿孔提供所述電感器/變壓器的電氣繞線的一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述片是印制電路板。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述片是柔性電路。
16.一種制造小型電感器/變壓器的方法，包括在絕緣材料薄片上形成薄鐵磁材料層；刻蝕所述薄層以形成一系列薄的分立的連續(xù)鐵磁部件；形成其上具有印制電路的第一薄片；形成其上具有印制電路的第二薄片；在所述第一和所述第二薄片之間疊置具有所述刻蝕鐵磁材料部件的多個(gè)所述片；形成貫穿所述層疊片的穿孔；和在所述穿孔內(nèi)鍍覆導(dǎo)電材料以與所述第一和第二薄片上的所述印制電路電接觸，所述導(dǎo)電穿孔提供所述電感器/變壓器的電氣繞線的一部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述片是印制電路板。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述片是柔性電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述連續(xù)鐵磁材料部件是具有連續(xù)大直徑的一系列分立同心環(huán)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述薄分立連續(xù)部件是一系列相似的連續(xù)較大的幾何結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的薄分立的連續(xù)鐵磁部件的厚度在約0.0005英寸到0.010英寸范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述薄的分立的連續(xù)鐵磁部件的被刻蝕寬度約為0.002英寸到0.003英寸。
23.一種制造小型電感器/變壓器的方法，包括刻蝕所述薄層以形成系列分立的連續(xù)鐵磁部件，該部件形成所述第一和第二薄片上的印制電路；在第一和第二薄片之間層疊具有所述鐵磁材料刻蝕層的多個(gè)所述片；形成貫穿所述層疊片的穿孔；和在所述穿孔內(nèi)鍍覆導(dǎo)電材料，刻蝕所述薄層，在所述第一和第二薄片上形成系列分立連續(xù)鐵磁部件的印制電路，與所述第一和第二薄片上的所述印制電路電接觸，所述導(dǎo)電穿孔提供所述電感器/變壓器的電氣繞線的一部分。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述片是印制電路板。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述片是柔性電路。
26.一種制造用在印制電路板設(shè)計(jì)中的器件的方法，包括在所述電路板上印制電路圖形；形成貫穿所述電路板的穿孔；用導(dǎo)電材料填充所述孔；和采用連接和所述圖形，以便制成用所述電路板作為磁芯的器件。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括向所述印制電路板中引入鐵磁基底，并形成通過(guò)所述基底的所述穿孔。
28.一種電感器或變壓器，包括具有貫穿其中的間隔開(kāi)的系列孔的一片磁性材料；所述孔內(nèi)的導(dǎo)電材料；位于所述片的頂表面和底表面上并分別與所述導(dǎo)電材料電接觸的印制電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及優(yōu)選由鐵磁材料構(gòu)成電感元件的方法，如用作制造PCB或FLEX的集成部分的電感器、扼流器和變壓器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，貫穿鐵磁基底(50)形成孔(56，58)并用導(dǎo)電材料鍍覆。這些孔的設(shè)置以及后面的設(shè)計(jì)將在其中形成該器件的介質(zhì)平面內(nèi)形成電感元件；該基底(50)用于磁芯(90)。通過(guò)采用這種方案，電感元件可以最小化到與用于集成電路(IC)的現(xiàn)代表面安裝技術(shù)(SMT)的需求相容的物理尺寸。這種工藝還允許這些元件采用大批量生產(chǎn)技術(shù)制造，由此避免在制造工藝期間需要操縱單個(gè)器件。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在基底(330)上刻蝕一系列薄的、同心的高導(dǎo)磁率的環(huán)(315)，以便提供具有最小渦流效應(yīng)的高導(dǎo)磁率變壓器和電感器。
文檔編號(hào)H01F17/04GK1466679SQ01816181
公開(kāi)日2004年1月7日 申請(qǐng)日期2001年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月22日
發(fā)明者P·A·哈丁, P A 哈丁 申請(qǐng)人:M-福來(lái)克斯多精線電子學(xué)公司