CN103219139A - 电感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电感结构，其包括多个螺线管以及至少一连接线。所述多个螺线管以一螺线管为核心，而其余螺线管依序旋绕于前一螺线管之外，且所述多个螺线管的轴心大致同向。各连接线连接相邻两螺线管的一端，以串联所述多个螺线管。

Description

电感结构
技术领域
本发明涉及一种立体电感结构。
背景技术
某些传统立体电感元件是以镀通孔(plated through hole,PTH)与表层金属线路做为主结构，在基板内形成螺线管(solenoid)电感。然而，由于在某些一般基板制作工艺中，电镀穿孔占据面积甚大，且某些前述螺线管电感结构并未有效利用到基板的内层线路，因此造成某些传统的螺线管电感结构在单位面积电感值表现上，比一般平面式线圈电感差。
虽然某些现有技术另提出了其他类型的立体电感结构，但皆受限于制作工艺设计，而需要任意叠孔制作工艺才可进行制作，相对增加了制作工艺困难度与制作成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电感结构，以解决上述问题。
为达上述目的，本发明提出一种电感结构，其包括多个螺线管以及至少一连接线。所述多个螺线管以一螺线管为核心(core)，而其余螺线管依序旋绕于前一螺线管之外，且所述多个螺线管的轴心大致同向。各连接线连接相邻两螺线管的一端，以串联所述多个螺线管。
为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明的实施例的一种电感结构示意图；
图1B为图1A的电感结构的另一视角的示意图；
图1C为图1A的电感结构沿切面S的剖视图；
图2A为本发明的另一实施例的一种电感结构示意图；
图2B为图2A的电感结构的另一视角的示意图；
图3A为本发明的另一实施例的一种电感结构示意图；
图3B为依照图3A的电感结构的分解图；
图3C为依照图3A的电感结构的另一视角的示意图。
主要元件符号说明
S：切面
100：电感结构
110：第一螺线管
110a：第一螺线管的一端
110b：第一螺线管的另一端
120：第二螺线管
120a：第二螺线管的一端
150：连接线
172：第一导电孔道
174：第二导电孔道
700：四层线路板
710~740：线路层
712：第一导线
722：第二导线
732：第三导线
742：第四导线
792~796：介电层
A1：第一螺线管的轴心
A2：第二螺线管的轴心
L1：第一螺线管的磁力线
L2：第二螺线管的磁力线
S1：四层线路板的平面方向
200：电感结构
210：第一螺线管
210a：第一螺线管的一端
210b：第一螺线管的另一端
220：第二螺线管
220a：第二螺线管的一端
230：第三螺线管
230a：第三螺线管的一端
252：第一连接线
254：第二连接线
272：第一导电孔道
274：第二导电孔道
276：第三导电孔道
800：六层线路板
810~860：线路层
812：第一导线
822：第二导线
832：第三导线
842：第四导线
852：第五导线
862：第六导线
892~899：介电层
B1：第一螺线管的轴心
B2：第二螺线管的轴心
B3：第三螺线管的轴心
S2：六层线路板的平面方向
300：电感结构
310：第一螺线管
320：第二螺线管
372a~372e：导电孔道
374a~374e：导电孔道
900：多层线路板
910~960：线路层
912~962：导线
914~964：导线
912a：导线的开口
912b、922b：导线的第一端
912c：导线的第二端
914a：导线的开口
914b、924b：导线的第一端
914c：导线的第二端
992~999：介电层
C1：第一螺线管的轴心
C2：第二螺线管的轴心
Q1：第一螺线管的磁力线
Q2：第二螺线管的磁力线
S3：多层线路板的平面方向
具体实施方式
以下多个实施例以架构于印刷电路板中的电感结构来说明本发明的技术方案。实际上，本发明所提出的电感结构可以适用于各种具有多层线路结构的元件或基板，例如陶瓷电路板、芯片或中介板等。
图1A绘示依照本发明的实施例的一种电感结构。图1B为依照图1A的电感结构的另一视角的示意图。图1C为图1A的电感结构沿切面S的剖面图。
如图1A~1C所示，电感结构100架构于四层线路板700中，其中四层线路板700包括第一线路层710、第二线路层720、第三线路层730、第四线路层740，以及位于前述线路层710~740之间的第一介电层792、第二介电层794以及第三介电层796。本实施例的电感结构100包括一第一螺线管110以及一第二螺线管120，其中第二螺线管120旋绕于第一螺线管110之外，第一螺线管110的轴心A1与第二螺线管120的轴心A2大致朝向相同的方向延伸，并且平行于四层线路板700中任一层的平面方向S1。换言之，第一螺线管110以及第二螺线管120具有相同的电流流向，以在通电后产生相同方向的磁力线。例如，图1C所示的第一螺线管110的磁力线L1与第二螺线管120的磁力线L2具有相同的方向。如此，除了第一螺线管110以及第二螺线管120自身产生的电感之外，第一螺线管110与第二螺线管120之间也会产生互感，用以增强电感结构100的单位面积电感值。特别是，本实施例还可以选择让第一螺线管110的轴心A1与第二螺线管120的轴心A2重合，使第一螺线管110以及第二螺线管120成为对称的结构，以达到良好的互感效应。
更详细而言，本实施例的第一螺线管110包括位于第二线路层720的多条第二导线722、位于第三线路层730的多条第三导线732，以及贯穿第二介电层794的多个第一导电孔道172。第一导电孔道172用以连接相应的第二导线722以及第三导线732，以构成第一螺线管110。本实施例的第二螺线管120包括位于第一线路层710的多条第一导线712、位于第四线路层740的多条第四导线742，以及贯穿第一介电层792、第二介电层794以及第三介电层796的多个第二导电孔道174。第二导电孔道174用以连接相应的第一导线712以及第四导线742，以构成第二螺线管120。此外，电感结构100还包括连接线150，其位于例如第二线路层720，用以将第一螺线管110的一端110a连接至第二螺线管120，使第一螺线管110与第二螺线管120相互串联。如此，举例而言，由第二螺线管120的一端120a输入的电流可沿着第二螺线管120的旋绕方向流经连接线150进入第一螺线管110，再沿着相同的旋绕方向由第一螺线管110的另一端110b输出。
本实施例有效利用了第二螺线管120内的空间，在线路板700的内层(第二线路层720、第三线路层730以及第二介电层794)设置可与第二螺线管120产生互感的第一螺线管110。因此，电感结构100不仅具有良好的空间利用率，并可通过螺线管之间的互感来提升单位面积电感值。
另一方面，在本实施例中，由于第一螺线管110或第二螺线管120的上层走线与下层走线的电流方向相反，为避免上下层走线过近时会造成电感值与Q值降低，可以对上下层走线间的材料厚度(例如第二介电层794的厚度)进行设定。举例而言，依据现有的标准基板线路制作工艺，线路的线宽与线距多维持在100微米(um)以上，因此优选的上下层走线间的材料厚度(即第二介电层794的厚度)为200um以上。此外，第一螺线管110与第二螺线管120之间虽然具有相同的电流方向，但由于过薄的材料会造成电容性增大，导致自振频率降低，故优选的第一螺线管110与第二螺线管120之间的材料厚度(例如第一介电层792或第三介电层796的厚度)为100um以上。因此，如图1C所绘示的四层线路板700优选的总厚度大于400um。当然，若制作工艺线宽线距小于100um，则其对应优选的板材厚度(如各介电层或线路板的总厚度)还可以再缩小。
本发明还对本实施例的电感结构100的效能进行模拟。在模拟中，四层线路板700的性质如下：第一介电层792、第二介电层794以及第三介电层796的介电常数(dielectric constant,DK)例如为3.3，其耗散因子(dissipationfactor,DF)例如为0.004，第一介电层792以及第三介电层796的厚度例如为91um，第二介电层794的厚度例如为600um，则只具有类似第二螺线管120的传统电感结构的电感值约为6.73纳亨利(nH)，而本实施例的电感结构100的电感值可以达到约13.4nH。换言之，在相同的条件下，特别是在相同的电路面积下，本实施例的电感结构100的电感值比传统的电感构的电感值增进了约一倍。
在制作工艺上，本实施例可整合于既有线路板制作工艺，不需采用任意叠孔制作工艺，即可在四层线路板700内形成电感结构100。更具体而言，先在制作四层线路板700的核心层(即第二介电层794)以及第三线路层730与第二线路层720时，形成第一螺线管110，其中第一导电孔道172例如是通过激光钻孔或机械钻孔等方式形成在第二介电层794中的镀通孔，而第二导线722、第三导线732以及连接线150也在制作第二线路层720以及第三线路层730时一并形成。
之后，再通过例如压合的方式在第二介电层794的上下两侧形成第一介电层792以及第三介电层796，且通过例如激光钻孔或机械钻孔等方式搭配第一线路层710以及第四线路层740的制作来形成贯穿第一介电层792、第二介电层794以及第三介电层796的镀通孔，以作为第二导电孔道174。此外，第一导线712以及第四导线742是在制作第一线路层710以及第四线路层740时一并形成。如此，可形成旋绕于第一螺线管110之外的第二螺线管120。
基于上述，本实施例不需采用任意叠孔制作工艺，即可在四层线路板700内形成立体电感结构100，有助于节省制作工艺成本。
图2A绘示依照本发明的另一实施例的一种电感结构。图2B为依照图2A的电感结构的另一视角的示意图。
如图2A与2B所示，本实施例的电感结构200与前述实施例的电感结构100类似。两者的主要差异在于，本实施例的电感结构200架构于六层线路板800中，并且包括第一螺线管210、第二螺线管220以及第三螺线管230。其中，第二螺线管220旋绕于第一螺线管210之外，第三螺线管230旋绕于第二螺线管220之外，且第一螺线管210的轴心B1、第二螺线管220的轴心B2以及第三螺线管230的轴心B3大致朝向相同的方向延伸，并且平行于六层线路板800中任一层的平面方向S2。换言之，第一螺线管210、第二螺线管220以及第三螺线管230具有相同的电流流向，以在通电后产生相同方向的磁力线。
更具体而言，本实施例的六层线路板800包括第一线路层810、第二线路层820、第三线路层830、第四线路层840、第五线路层850以及第六线路层860，以及位于前述线路层810~860之间的第一介电层892、第二介电层894、第三介电层896、第四介电层898以及第五介电层899。
第一螺线管210包括位于第三线路层830的多条第三导线832、位于第四线路层840的多条第四导线842，以及贯穿第三介电层896的多个第一导电孔道272。第一导电孔道272用以连接相应的第三导线832以及第四导线842，以构成第一螺线管210。
第二螺线管220包括位于第二线路层820的多条第二导线822、位于第五线路层850的多条第五导线852，以及贯穿第二介电层894、第三介电层896以及第四介电层898的多个第二导电孔道274。第二导电孔道274用以连接相应的第二导线822以及第五导线852，以构成第二螺线管220。此外，电感结构200还包括第一连接线252，其位于第四线路层840，用以将第一螺线管210的一端210a连接至第二螺线管220，使第一螺线管210与第二螺线管220相互串联。
第三螺线管230包括位于第一线路层810的多条第一导线812、位于第六线路层860的多条第六导线862，以及贯穿第一介电层892、第二介电层894、第三介电层896、第四介电层898以及第五介电层899的多个第三导电孔道276。第三导电孔道276用以连接相应的第一导线812以及第六导线862，以构成第三螺线管230。此外，电感结构200还包括第二连接线254，其位于第二线路层820，用以将第二螺线管220的一端220a连接至第三螺线管230，使第一螺线管210、第二螺线管220与第三螺线管230通过第一连接线252以及第二连接线254相互串联。
如此，举例而言，由第三螺线管230的一端230a输入的电流可沿着第三螺线管230的旋绕方向流经第二连接线254进入第二螺线管220，再沿着相同的旋绕方向流经第二螺线管220以及第一连接线252，之后，进入第一螺线管210，再沿着相同的旋绕方向由第一螺线管210的另一端210b输出。
在制作工艺上，类似前述实施例，本实施例同样可整合于既有线路板制作工艺，不需采用任意叠孔制作工艺，即可在六层线路板800内依序制作第一螺线管210与第一连接线252、第二螺线管220与第二连接线254，以及第三螺线管230，以形成电感结构200。详细制作工艺可参考前述实施例，此处不再赘述。
基于上述，本实施例同样不需采用任意叠孔制作工艺，即可在六层线路板800内形成立体电感结构200，有助于节省制作工艺成本。
当然，不论是本实施例的电感结构200或是前述实施例的电感结构100，还可以采用任意叠孔制作工艺或其他适合的制作工艺，在线路板中制作叠孔或具有类似功能的导电元件，来串联各线路层中的导线，以形成螺线管。
不论本实施例或前述实施例都有效地利用了多层线路板内部的空间，在同一个空间内形成多个相互串联且可产生互感的多个螺线管，用以提升多层线路板的单位面积电感值。
再者，前述两实施例的螺线管的数量并非用以限制本发明的范围。实际上，螺线管的数量以及位置可取决于线路板的层数以及实际需求。概括而论，倘若多层线路板包括N个线路层以及位于该些线路层之间的多个介电层，则螺线管的数量可为M，且M大于1且小于或等于N/2。如前述两实施例所示，当多层线路板为四层线路板而具有四个线路层时，螺线管的数量最多为两个。此外，当多层线路板为六层线路板而具有六个线路层时，螺线管的数量最多为三个或少于三个。此时，定义线路层沿一方向依序被称为第1线路层至第N线路层，且螺线管由内而外排序为第1螺线管至第M螺线管，则各螺线管的组成可以下列方式来表示，其中：
第(i)螺线管包括位于第(ai)线路层的多条第(ai)导线、位于第(bi)线路层的多条第(bi)导线，以及多个第(i)导电孔道。每一第(i)导电孔道贯穿第(ai)线路层以及第(bi)线路层之间的所有介电层，并且连接相应的第(ai)导线与该些第(bi)导线，以构成第(i)螺线管，其中i为1~M之间的整数，且ai与bi为1~N之间的整数，并ai<bi，另外a1>a2…>aM-1>aM，b1<b2…<bM-1<bM。
依前述原则类推，不论是前述实施例由两个螺线管组成的电感结构或是由三个螺线管组成的电感结构，或者甚至由更多螺线管组成的电感结构皆可被推演出来。
此外，本发明可以选择将位于最内圈的螺线管设置于多层线路板的核心层上，通过位于核心层相对两侧的线路层来形成此最内圈的螺线管的导线，并且以贯穿此核心层的镀通孔来作为导电孔道。换言之，依据前述原则，当i=1时，位于第a1线路层以及第b1线路层之间的介电层为多层线路板的核心层。
除前述实施例之外，本发明还可以改变电容结构中的螺线管的轴心方向，例如，使螺线管的轴心方向垂直于多层线路板的一平面方向。下文再通过实施例来说明此类型的电容结构。
图3A绘示依照本发明的另一实施例的一种电感结构。图3B为依照图3A的电感结构的分解图，用以清楚表达各螺线管的结构。图3C为依照图3A的电感结构的另一视角的示意图。
如图3A~图3C所示，本实施例的电感结构300架构于多层线路板900中，包括第一螺线管310以及第二螺线管320，其中第二螺线管320旋绕于第一螺线管310之外，且第一螺线管310的轴心C1以及第二螺线管320的轴心C2大致朝向相同的方向延伸，并且大致垂直于多层线路板900中任一层的平面方向S3。本实施例的第一螺线管310以及第二螺线管320具有相同的电流流向，可分别在通电后产生相同方向的磁力线Q1与Q2。
更具体而言，本实施例针对第一螺线管310，分别在多层线路板900的线路层910~960中制作导线912~962，并且分别在线路层910~960之间的多个介电层992、994、996、998、999内制作多个导电孔道372a、372b、372c、372d、372e，用以串联导线912~962。更具体而言，导电孔道372a用以连接导线912与922，导电孔道372b用以连接导线922与932，导电孔道372c用以连接导线932与942，导电孔道372d用以连接导线942与952，导电孔道372e用以连接导线952与962。类似地，针对第二螺线管320，分别在多层线路板900的线路层910~960中制作导线914~964，并且在线路层910~960之间的多个介电层992、994、996、998、999内制作多个导电孔道374a、374b、374c、374d、374e，用以串联导线914~964。更具体而言，导电孔道374a用以连接导线914与924，导电孔道374b用以连接导线924与934，导电孔道374c用以连接导线934与944，导电孔道374d用以连接导线944与954，导电孔道374e用以连接导线954与964。此外，连接线350位于线路层960，用以连接第一螺线管310的导线962与第二螺线管320的导线964。
本实施例的导线912~962或914~964例如是环形且分别具有开口。如图3B所示，导线912具有开口912a以及导线914具有开口914a。各导线912~962或914~964具有位于开口两侧的第一端以及第二端。如图3B所示，导线912具有位于开口912a两侧的第一端912b以及第二端912c，且导线914具有位于开口914a两侧的第一端914b以及第二端914c。此外，在任两相邻的导线中，上层导线的第二端通过相应的导电孔道连接到下层导线的第一端。如图3B所示，导线912的第二端912c通过相应的导电孔道372a连接到下层的导线922的第一端922b，而导线914的第二端914c通过相应的导电孔道374a连接到下层的导线924的第一端924b。如此，可通过导线912~962、914~964以及相应的导电孔道372a~372e、374a~374e构成第一螺线管310以及第二螺线管320。
举例而言，由第一螺线管310的导线912的第一端912b输入的电流可依序流经导线912~962与其间的导电孔道372a~372e，并经由连接线350进入第二螺线管320，再沿着相同的旋绕方向依序流经导线964~914与其间的导电孔道374a~374e，再由导线914的第一端914b输出。
在制作工艺上，本实施例可采用例如任意叠孔制作工艺，在多层线路板900的各个介电层992~999内制作连接线路层910~960的叠孔，用以作为导电孔道372a~372e与374a~374e。此外，由于适用任意叠孔制作工艺，因此本实施例还可以改变各导电孔道372a~372e与374a~374e的位置、其贯穿的介电层层数或导通的线路层层数，而不限于如图3A~图3C所示的结构。当然，本实施例还可以采用其他适合的制作工艺在线路板中制作具有类似功能的导电元件，来串联各线路层中的导线，以形成螺线管。
综上所述，本发明的电感结构具有良好的空间利用率，可通过螺线管之间的互感来提升单位面积电感值。此外，在特定制作工艺结构下，本发明可以不需采用任意叠孔制作工艺，即可在多层线路板内制作三维的电感结构，有助于节省制作工艺成本。
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具有通常知识者，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 (11)

1.一种电感结构，包括：
多个螺线管，其中以一螺线管为核心，其余螺线管依序旋绕于前一螺线管之外，且该些螺线管的轴心大致同向；以及
至少一连接线，各该连接线连接相邻两螺线管的一端，以串联该些螺线管。
2.如权利要求1所述的电感结构，其中该些螺线管的轴心重合。
3.如权利要求1所述的电感结构，其架构于一多层线路板内。
4.如权利要求3所述的电感结构，其中该些螺线管的轴心平行于该多层线路板的一平面方向。
5.如权利要求4所述的电感结构，其中该多层线路板包括N个线路层以及位于该些线路层之间的多个介电层，该些螺线管的数量为M，且M大于1且小于或等于N/2。
6.如权利要求5所述的电感结构，其中该些线路层沿一方向排序为第1线路层至第N线路层，且该些螺线管由内而外排序为第1螺线管至第M螺线管，则各螺线管被表示为：
第(i)螺线管，包括：
多条第(ai)导线，位于第(ai)线路层；
多条第(bi)导线，位于第(bi)线路层；以及
多个第(i)导电孔道，每一第(i)导电孔道贯穿该第(ai)线路层以及该第(bi)线路层之间的所有介电层，并且连接相应的该些第(ai)导线与该些第(bi)导线，以构成该第(i)螺线管，其中i为1至M之间的整数，且ai与bi为1至N之间的整数，并ai<bi，另外a1>a2…>aM-1>aM，b1<b2…<bM-1<bM。
7.如权利要求6所述的电感结构，其中当i=1时，位于该第a1线路层以及该第b1线路层之间的该介电层为该多层线路板的一核心层。
8.如权利要求3所述的电感结构，其中该些螺线管的轴心垂直于该多层线路板的一平面方向。
9.如权利要求8所述的电感结构，其中该多层线路板包括多个线路层以及位于该些线路层之间的多个介电层，而各该螺线管包括：
多条导线，分别位于该些线路层内；以及
多个导电孔道，分别位于该些介电层内，用以连接相邻两导线的一端，以串联该些导线。
10.如权利要求9所述的电感结构，其中各该导线实质上为环形且具有开口，各该导线具有位于该开口两侧的第一端以及第二端，且在任两相邻的导线中，上层导线的该第二端通过相应的该导电孔道连接到下层导线的该第一端。
11.如权利要求3所述的电感结构，其中该多层线路板为印刷电路板、陶瓷电路板、芯片或中介板。
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