CN101964249B - 功率电感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种功率电感结构，其通过将磁性材料块设置于多条打线与多个焊接手指或焊接手指对之间，以得到多种功率电感结构。此功率电感结构可以提供高电感以及大电流，且同时符合小尺寸的需求。

Description

功率电感结构
技术领域
本发明涉及一种电感结构，且特别是涉及一种功率电感(power inductor)结构。
背景技术
一般而言，功率电感器用于在电路中汲取能量，在磁场中储存能量，并且反馈能量至电路。在电子产品中，功率电感器常被作为直流-直流转换器(DC-to-DC converter)或是应用于电源管理电路(power management circuit)中
然而，一般的表面接着型态(surface mount type，SMT)的功率电感器因尺寸较大且造价昂贵，并不适于作为封装模块的部件。另一方面，无线射频芯片(radio frequency chip，RF Chip)电感器虽然体积较小，但无法提供高电感也无法承受大电流。
因此，有必要发展同时具备小尺寸、低造价、可提供高电感以及高电流耐受力等条件的功率电感器。
发明内容
承上所述，本发明的目的在于提供一种功率电感结构，其具有高电感以及高电流耐受力。此功率电感结构同时具有较小的封装尺寸以及低制作成本。
为达上述目的，本发明提出一种功率电感结构，其包括一封装结构、一磁性材料块以及多条打线。封装结构上具有一金属层。此金属层包括多个独立的焊接手指，且每一焊接手指包括相互分离的两个加宽部以及连接于该两加宽部之间的一连接部。磁性材料块位于封装结构上，且位于连接部上方以及位于加宽部之间。所述多条打线位于封装结构之上且跨越磁性材料块，并电连接所述多个焊接手指。
本发明还提出一种功率电感结构，其包括一封装结构、多个导电通孔、一磁性材料块以及多条打线。封装结构的两相对表面分别具有一第一金属层以及一第二金属层。导电通孔位于封装结构内。磁性材料块位于封装结构上。第一金属层包括多个焊接手指对，而第二金属层包括多个导电线段。每一焊接手指对包括相互分离的两个加宽部，且该两加宽部通过相应的该些导电通孔以及该导电线段相互电连接。打线位于封装结构之上并跨越磁性材料块，且打线电连接焊接手指对。
依据本发明的一实施例，前述的封装结构的一介电芯层包括一沟槽紧邻磁性材料块，且此沟槽位于加宽部与磁性材料块之间。
依据本发明的一实施例，所述沟槽为环状且环绕磁性材料块。
依据本发明的一实施例，前述的封装结构的一介电芯层包括一凹洞，且磁性材料块配置于此凹洞内。磁性材料块可突出凹洞并且高于封装结构的一顶面。
依据本发明的一实施例，功率电感结构更包括两粘着层分别配置于所述磁性材料块的两个相对表面上，以增强粘着效果。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1A绘示依照本发明的一实施例的一种功率电感结构的上视图；
图1B绘示图1A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图；
图1C绘示图1A的焊接手指的一种设置的范例；
图2A绘示依照本发明的另一实施例的一种功率电感结构的上视图；
图2B绘示图2A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图；
图2C绘示图2A的功率电感结构由底面视之的局部立体图；
图3A绘示依照本发明的第三实施例的一种功率电感结构的上视图；
图3B绘示图3A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图；
图4A绘示依照本发明的另一实施例的一种功率电感结构的上视图；
图4B绘示图4A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图。
主要元件符号说明
100：封装结构
100a：介电层
100b：顶部金属层
10a：封装结构的顶面
10b：封装结构的底面
102：焊接手指
102a：加宽部
102b：连接部
104：连接线
106：打线
108：磁性材料块
110：粘着层
D：焊接手指的分布区域
200：封装结构
200a：介电层
200b：顶部金属层
200c：底部金属层
20a：封装结构的顶面
20b：封装结构的底面
202：焊接手指对
202a：加宽部
203：导电通孔
204：连接线
205：导电线段
206：打线
208：磁性材料块
300：封装结构
300a：介电层
302：焊接手指对
308：磁性材料块
312：沟槽
400：封装结构
400a：介电芯层
400b：顶部金属层
400c：底部金属层
40a：封装结构的顶面
40b：封装结构的底面
402：焊接手指对
402a：加宽部
403：导电通孔
404：连接线
405：导电线段
406：打线
408：磁性材料块
410：粘着层
412：凹洞
A：磁芯区域
N：线圈的打线匝数
l：线圈的长度
具体实施方式
本发明所提出的电感结构或其相关变化可被应用于一般或是高频的封装模块。如下述的内埋式电感结构是指至少有部分内埋或设置于线路板或印刷电路板的电感结构。当然，本发明其他实施例的功率电感结构也可设置于线路板或是印刷电路板上，并未超出本发明的范围。
本发明所提出的电感结构可结合打线接合技术，且所使用的材料可相容于现有的封装材料。因此，相比较于以往的功率电感器，本发明的功率电感结构的制作成本较低。
图1A绘示依照本发明的一实施例的一种功率电感结构的上视图。图1B绘示图1A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图。
依据本发明的实施例，封装结构100可为线路板，如双层或四层印刷电路板，或层压板(laminated board)。在图1A中，封装结构100为双层印刷电路板，其具有至少一顶部金属层100b配置于介电层100a上。封装结构100的顶面10a具有多个焊接手指102。该些焊接手指102平行设置并且相互分离。基于设计需求，焊接手指102的数量为N，其中N为大于3的正整数。每一焊接手指102包括相对设置的两个加宽部102a以及位于所述两个加宽部102a的一连接部102b，连接部102b连接两加宽部102a。图1C绘示焊接手指102的一种设置的范例。然而，本范例并非用以限定焊接手指102的形状或设置方式。本发明可依据微型化或是电气特性的需求来调整焊接手指102的形状或设置方式。除此之外，最外围的焊接手指102旁可设置连接线104，以电连接焊接手指102至外部电路或元件。焊接手指102以及连接线104是通过对封装结构100的顶部金属层100b进行图案化所形成。顶部金属层100b的材料例如是铜(copper)。
应用封装制作工艺的打线接合技术，多条打线106被形成于焊接手指102之间，以及焊接手指102与连接线104之间，如图1A所示。打线106的材料例如是铜。每一打线106连接焊接手指102的一加宽部102a至下一个焊接手指102的另一侧的加宽部102a。在此，每一焊接手指102与另一焊接手指102相互分离，每一焊接手指102电连接至其最接近的焊接手指102或连接线104。通过前述打线106以及焊接手指102的设置与连接方式，可得到连续线圈。
在焊接手指102的分布区域D中，磁性材料块108配置于封装结构100上，且位于焊接手指102上方以及打线106下方。磁性材料块108位于加宽部102a之间，且位于连接部102b的正上方。较佳者，两粘着层110分别设置于磁性材料块108的相对的两个表面，以增强磁性材料块108与焊接手指102之间的粘着效果或是磁性材料块108与打线106之间的粘着效果。磁性材料块108的材料可为导电材料，例如镍(nickel)或铁氧体(ferrite)。粘着层110可为非导电环氧树脂层(non-conductive epoxy layer)或非导电薄膜(non-conductive adhesive film)。
图2A绘示依照本发明的另一实施例的一种功率电感结构的上视图。图2B绘示图2A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图。图2C绘示图2A的功率电感结构由底面视之的局部立体图。
本实施例不在重述与前述实施例相同或相似的特征。在图2A中，封装结构200为双层印刷电路板，其具有一顶部金属层200b以及一底部金属层200c分别设置于介电层200a的两个相对的表面上。封装结构200的顶部金属层200b包括位于顶面20a的多个焊接手指对202，而底部金属层200c包括位于底面20b的多个导电线段205。另外，若封装结构200为四层或更多层的印刷电路板，则底部金属层200c可为此多层印刷电路板的任一内层金属层。
有别于前述实施例，每一焊接手指对202包括相互分离的两个加宽部202a，该两个加宽部202a位于磁性材料块208的两侧。基于设计需求，焊接手指对202的数量为N，其中N为大于3的正整数。加宽部202a的形状不限为椭圆，更可为圆、矩形或其他多边形。如图2C所示，每一焊接手指对202的两个分离的加宽部202a通过介电层200a内的导电通孔203以及封装结构200的底面20b上的一个导电线段205相互连接。导电通孔203以及导电线段205可对比为前述实施例中用以连接两个加宽部102a的连接部102b。在本实施例中，此种设置方式可以达到较佳的空间利用率，并提供设计上的弹性。本范例并非用以限定焊接手指对202的形状或设置方式。本发明可依据微型化或是电气特性的需求来调整焊接手指对202的形状或设置方式。除此之外，最外围的焊接手指对202旁可设置连接线204，以电连接焊接手指对202至外部电路或元件。
如图2A-图2B所示，多条打线206被形成于焊接手指对202的加宽部202a之间，且所述打线206位于加宽部202a与连接线204之间。在图2A中，打线206跨越磁性材料块208并且连接焊接手指对202(位于磁性材料块208的一侧)的加宽部202a以及下一个焊接手指对202的另一加宽部202a(即，位于磁性材料块208另一侧的加宽部202a)。换言之，如图2C所示，同一焊接手指对202的相互分离的两个加宽部202a经由导电通孔203以及导电线段205相互电连接，而每一焊接手指对202通过打线206电连接至最接近的另一焊接手指对202或连接线204。通过打线206、内埋的导电通孔203、导电线段205以及焊接手指对202的设置，可得到一连续线圈。在此连续线圈中，焊接手指对202的数量N即为线圈的匝数。
磁性材料块208配置于封装结构200的顶面20a，且位于焊接手指对202的两个加宽部202a之间以及位于打线206下方。较佳者，粘着层210分别被设置于磁性材料块208的两个相对表面上，以增强磁性材料块208与封装结构200之间或磁性材料块208与打线206之间的粘着效果。
另一方面，磁性材料块的附近或是周围可设置沟槽。如图3A-图3B所示，环状沟槽312位于封装结构300的介电层300a内并且环绕磁性材料块308。沟槽312架构于介电层300a中且位于焊接手指对302与磁性材料块308之间，但与图2A相比，沟槽312并不会使磁性材料块308的位置降低。沟槽312可沿着磁性材料块308的四个边设置，或沿着磁性材料块308的任两个相对边设置。沟槽312的深度或形状可依据电气特性或布局需求来调整。电感器的品质因数(quality factor，Q)为一给定频率下其有感电抗(inductivereactance)与阻抗(resistance)的比值，用以评估电感器的效率。本实施例的功率电感结构的沟槽设计可提高品质因数。如此，搭配沟槽设计的功率电感结构因部分介电材料被空气取代(形成沟槽)，达到低正切损耗(tangent loss)，而可具有高虚部组抗(imaginary impedance)。
另外，在下列实施例中，封装结构内可形成凹洞，而磁性材料块深埋于此凹洞内，以降低封装模块的高度，并对电感结构提供较大的磁芯。
图4A绘示依照本发明的另一实施例的一种功率电感结构的上视图。图4B绘示图4A的功率电感结构沿I-I’线的剖视图。
在图4A中，封装结构400为四层印刷电路板，其具有至少一顶部金属层400b以及一底部金属层400c分别设置于介电芯层400a的两个相对的表面上。介电芯层400a可能包括更多金属层或内连线结构。封装结构400的顶部金属层400b包括位于顶面40a上的多个焊接手指对402，而底部金属层400c包括位于底面40b上的多个导电线段405。介电芯层400a包括连接焊接手指对402与导电线段405的多个导电通孔403。每一焊接手指对402包括相互分离的两个加宽部402a分别位于磁性材料块408的两侧，且每一焊接手指对402的相互分离的两个加宽部402a通过介电芯层400a内的导电通孔403以及位于封装结构400的底面40b的导电线段405相互连接。此外，连接线404可以被设置于最外围的焊接手指对402旁，以电连接焊接手指对402至外部电路或元件。
如图4A-图4B所示，多条打线406被形成于磁性材料块408之上，该些打线406位于焊接手指对402的加宽部402a之间，且位于加宽部402a与连接线404之间。
有别于前述实施例，封装结构400的介电芯层400a内形成有凹洞412。磁性材料块408配置于凹洞412内，且位于打线406下方。较佳者，磁性材料块408部分突出于凹洞412且高于封装结构400的顶面40a。磁性材料块408的尺寸可随需求的模块高度或电感而改变。因此，凹洞412的深度可随封装结构的厚度或是需求的模块高度来调整。例如，采用大尺寸的磁性材料块时，可形成较深的凹洞，以得到较薄的封装模块。在上视图中，磁性材料块408配置于焊接手指对402的加宽部402a之间。粘着层410分别形成于磁性材料块408的两个相对的表面，以强化磁性材料块408与基板400之间或是磁性材料块408与打线406之间的粘着效果。
应用于线路板或是印刷电路板，功率电感结构的高度可被缩减，且功率电感结构可提供高电感值并可忍受大电流。
如图1A-图1B所示的功率电感结构，通过打线以及焊接手指对的电连接来得到连续线圈。另外，如图2A-图4B所示的功率电感结构，通过打线、导电通孔、导电线段以及焊接手指对之间的电连接来得到连续线圈。所述实施例的电感结构的电感值可由以下公式求得：
L = N 2 μA l [ H ]
其中L代表单位为亨利(Henry)的电感值，N代表线圈的打线匝数，μ代表磁芯的导磁率(permeability)，l代表线圈的长度，而A代表电感结构的截面积(即如图1B、图2B、图3B或图4B所示的磁芯的区域A)。
显然，电感结构的电感值正比于N(线圈的打线匝数)、μ(磁芯的导磁率)以及A(线圈的截面积)。相对而言，图2B、图3B或图4B所示的电感结构因为其线圈截面积包括部分的封装结构，因此图2B、图3B或图4B的线圈截面积大于图1B所示者。在此情况下，线圈截面积A增加，而电感值也相应增加。在本发明的电感结构的布局设计中，线圈的打线匝数N或是线圈的长度l可以被改变，以符合适当的电气特性。另一方面，可通过沟槽的设计来调整磁芯的导磁率μ。
以图1A-图1B所示的电感结构为例，其电感值约为2μH，若是磁铁材料为铁氧体，则其磁芯的导磁率μ为100H□m-1，N为25，l为3.6mm。事实上，相比较于现有的表面接着型态功率电感器，不论是图2A-图4B所示的电感结构或是图1A-图1B所示的电感结构皆可在应用频率10MHz或更低的频率下，提供令人满意的电感值(如0.4-5μH)，大电流(如5-15安培)，并符合小尺寸的需求。
综上所述，本发明的功率电感结构可以提供令满意的电感值并且有助于缩小封装尺寸。此外，本发明的功率电感结构不需更换封装材料，且可相容于现有的封装制作工艺，因此制作成本低廉。
据此，本发明提出的设计可应用于功率电感结构，作为封装结构中的直流-直流转换器。
虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (5)

1.一种功率电感结构，包括：
封装结构，其上具有金属层，其中该金属层包括多个独立的焊接手指，且每一焊接手指包括相互分离的两个加宽部以及位于该两个加宽部之间的一连接部；
磁性材料块，位于该封装结构上，该磁性材料块位于该些连接部上方且位于该些加宽部之间；以及
多条打线，位于该封装结构上并且跨越该磁性材料块，该些打线电连接该些焊接手指，
其中每一打线连接一焊接手指的位于该磁性材料块一侧的加宽部至下一个焊接手指的位于该磁性材料块另一侧的加宽部。
2.如权利要求1所述的功率电感结构，还包括第一粘着层以及第二粘着层，其中该第一粘着层配置于该磁性材料块与该些打线之间，而该第二粘着层配置于该磁性材料块与该封装结构之间。
3.如权利要求1所述的功率电感结构，其中该磁性材料块的材料包括镍或铁氧体。
4.如权利要求2所述的功率电感结构，其中该第一粘着层或该第二粘着层的材料包括非导电环氧树脂。
5.如权利要求1所述的功率电感结构，其中该金属层还包括至少两连接线，分别电连接至最外围的两个焊接手指对。
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