CN105529150A - 嵌入式磁性部件装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种嵌入式磁性部件装置。磁芯(304)位于空腔(302)中，其中空腔布置在绝缘基板(301)中。空腔(302)和磁芯(304)被覆盖有第一绝缘层(305)。贯通孔(306)然后被形成为穿过第一绝缘层(305)和绝缘基板(301)，并且被电镀以形成导电导通孔(307)。金属迹线添加到第一绝缘层(305)和绝缘基板(301)的外表面上以上下绕组层。金属迹线(308)和导电导通孔形成用于嵌入式变压器的相应的初级侧绕组和次级侧绕组。至少第二组外导电导通孔(411a、421b)与第一组外导电导通孔相比更加远离空腔，并且具有比第一组外导电导通孔中的导通孔的直径大的导通孔直径。这减小了用于给定基板尺寸的绕组的阻抗并且改善了装置的性能。

Description

嵌入式磁性部件装置

技术领域

本申请涉及嵌入式磁性部件装置，并且尤其涉及具有改善的隔离性能的嵌入式磁性部件装置。

背景技术

电源装置，例如变压器和转换器，包含磁性部件，例如变压器绕组，并且经常包含磁芯。磁性部件通常对装置的重量和尺寸贡献最大，使得小型化和低成本化困难。

在解决这一问题时，已知的是提供小轮廓变压器和电感器，其中，磁性部件被嵌入在树脂基板中的空腔中，并且用于变压器或电感器的必要的输入和输出电连接形成在基板表面上。然后可以通过将阻焊层和电镀铜层添加到所述基板的顶表面和/或底表面来形成用于电源装置的印刷电路板(PCB)。然后该装置的必要的电子部件可以表面贴装在PCB上。这使得能够建立一个明显地更紧凑并且更薄的装置。

在US2011/0108317中，例如，对具有可以被集成到印刷电路板中的磁性部件的封装结构以及用于制造所述封装结构的方法进行了描述。在如图1A到1E所示的第一方法中，由环氧树脂基玻璃纤维制成的绝缘基板101具有空腔102(图1A)。细长的环形磁芯103插入到空腔102中(图1B)，并且所述空腔填充有环氧树脂凝胶104(图1C)，以使磁性部件103被完全覆盖。环氧树脂凝胶104然后被固化，形成具有嵌入磁芯103的实心基板105。

然后在环形磁性部件103的圆周内侧和圆周外侧上在实心基板105中钻出用于形成初级侧和次级侧变压器绕组的贯通孔106(图1D)。贯通孔然后被电镀有铜，以形成导通孔107并且金属迹线108形成在实心基板105的顶表面和底表面上，以将相应的导通孔连接起来形成绕组结构(图1E)，并形成输入和输出端子109。以这种方式，在磁性部件周围形成线圈导体。在图1E中所示的线圈导体用于嵌入式变压器并且具有形成初级侧和次级侧绕组的左线圈和右线圈。嵌入式电感器可以以相同的方式形成，但是可以在输入和输出连接、导通孔的间距、以及所使用磁芯的类型方面变化。

然后阻焊层可以被添加到基板的顶表面和底表面上，从而覆盖金属表面端子线，允许另外的电子部件被安装在所述阻焊层上。在为电源转换器装置的实例中，例如，一个或多个晶体管开关装置和相关的控制电子装置，例如集成电路(IC)和无源部件可安装在表面阻焊层上。

以这种方式制造的装置具有许多相关的问题。具体地，在环氧树脂凝胶固化时，气泡可能形成在环氧树脂凝胶中。在基板的表面上的电子部件的回流焊接期间，这些气泡可能膨胀而导致装置失效。

US2011/0108317还描述了一种在其中不用环氧树脂凝胶填充空腔的第二种技术。此第二种技术将关于图2A至2E描述。

如图2A所示，首先在对应于细长的环形磁芯的内部和外部圆周的位置处将贯通孔202钻入实心树脂基板201中。然后对所述贯通孔202电镀以形成变压器绕组的竖直的导电导通孔203并且金属帽204形成在导电导通孔203的顶部和底部上，如图2B所示。然后，用于磁芯的环形空腔205布置在在介于导电导通孔203之间的实心树脂基板201中(图2C)，且环型磁芯206被放置在空腔205中(图2D)。空腔205比磁芯206稍大，因此在磁芯206周围可能存在空气间隙。

一旦磁芯206已经被插入到空腔205中，上环氧树脂介电层207(例如粘合粘绞层(adhesivebondplylayer))被添加到该结构的顶部，以覆盖所述空腔205和磁芯206。相应的层207在基板201的基底上也被添加到该结构的底部(图2E)。另外的贯通孔被钻取穿过所述上和下环氧树脂层207至导电导通孔203的帽204，并被电镀，并且金属迹线208随后形成在该装置的顶表面和底表面上，如之前那样(图2F)。

如上所述，在图1和2的嵌入式磁性部件是变压器的实例，设置在环形磁芯的一侧上的第一组绕组110、210形成初级变压器线圈，并且在磁芯的相反侧上的第二组绕组112、212形成次级绕组。这种变压器可以用在电源装置中，例如隔离式DC-DC转换器，其中初级侧和次级侧绕组之间的隔离是必需的。在图1和2所示的示例性装置中，所述隔离是初级和次级绕组之间的最小间距的度量。

在以上图1和2的实例中，初级侧和次级侧绕组之间的间距必须较大，以实现高隔离值，因为隔离仅由空气的介电强度限定，在该实例中，由在空腔中或在该装置的顶表面和底表面处的空气的介电强度限定。隔离值也可能受到空腔的污染或具有污垢的表面的不利影响。

对于许多产品，需要安全机构的批准来保证隔离特性。如果所需的穿过空气的隔离距离大，则将对产品尺寸产生负面影响。对于干线加强电压(250Vms)，例如，跨越PCB从初级绕组到次级绕组需要大约5mm的间隔，以满足EN/UL60950的绝缘要求。

因此，形成变压器的初级和次级绕组的导通孔的尺寸和间距很大程度上由用于装置的技术规范所确定。导通孔必须具有足够大的尺寸以被成功地电镀有金属，并且从而金属迹线能够以适当的绕组图案形成以将导通孔连接在一起。此外，如果导通孔被放置得过于彼此靠近或者靠近诸如磁芯的其他部件，装置的电容和隔离特性将被不利地影响。

我们已经认识到，理想的是提供一种嵌入式磁性部件装置，其具有改进的隔离特性，并提供一种制造这种装置的方法。

发明内容

本发明在现在将参考的独立权利要求中进行限定。

根据本发明的第一方面，提供一种嵌入式磁性部件装置，包括：绝缘基板，所述绝缘基板具有第一侧和与第一侧相反的第二侧，并且在所述绝缘基板中具有空腔，所述空腔具有内周缘和外周缘；磁芯，所述磁芯被容纳在空腔中；电绕组，所述电绕组穿过绝缘基板并且围绕磁芯设置；其中所述电绕组包括：设置在所述绝缘基板的第一侧上的上导电迹线；设置在所述绝缘基板的第二侧上的下导电迹线；内导电连接器，所述内导电连接器在邻近磁芯的内周缘处贯穿绝缘基板，所述内导电连接器分别在相应的上导电迹线和相应的下导电迹线之间形成电连接；外导电连接器，所述外导电连接器在邻近磁芯的外周缘处贯穿绝缘基板，其中所述外导电连接器分别在相应的第一上导电迹线和相应的第一下导电迹线之间形成电连接；其中，外导电连接器包括第一组外导电连接器和第二组外导电连接器；其中，第一组外导电连接器沿着空腔的外周缘设置并且与空腔的外周缘间隔开第一距离；以及其中，第二组外导电连接器被设置成与第一组外导电连接器相比与空腔的外周缘相距更大的距离；其中，第一和第二组外导电连接器中的每一个都通过上导电迹线中的一个或者下导电迹线中的一个电连接至内导电连接器中的一个。

绝缘基板的第一侧和第二侧可以是平面四边形形状，并且第二组外导电连接器可以位于平面四边形形状的角部。

在装置中可以存在如下的区域：在该区域中，第二组外导电连接器中的连接器被连续地设置。

内导电连接器可以包括多组内导电连接器，各组沿着空腔的内周缘设置，并且与空腔的内周缘相距与其他组不同的距离。

第二组外导电连接器中的外导电连接器与第一组外导电连接器中的外导电连接器相比可以具有较大的截面面积。

电子部件可以被安装在绝缘基板的第一侧和/或第二侧上。

磁芯可以具有第一区段和第二区段，并且所述电绕组包括围绕所述第一区段设置的初级电绕组和围绕所述第二区段设置的次级电绕组；其中初级电绕组和次级电绕组被彼此隔离；并且其中初级电绕组和次级电绕组分别包括上导电迹线、下导电迹线、内导电连接器以及外导电连接器。

所述装置还可以包括：第一隔离屏障，所述第一隔离屏障形成在所述绝缘基板的第一侧上，以至少覆盖第一侧的初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第一侧形成紧密结合连接；以及第二隔离屏障，所述第二隔离屏障形成在所述绝缘基板的第二侧上，以至少覆盖第二侧的初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第二侧形成紧密结合连接。

第一隔离屏障和/或第二隔离屏障可以只包括单个层。可选地，第一隔离屏障和/或第二隔离屏障可以包括多个层。

电子部件可以被安装在第一隔离屏障和/或第二隔离屏障上。

磁芯可以是细长的环状、圆形环状、有间隔的圆形环状或细长环状，或者具有EE、EI、I、EFD、EP、UI或者UR环形芯形状。

内导电连接器和外导电连接器可以是形成为通过绝缘基板的导电线、管脚或细丝。

本发明还提供一种用于制造上述装置的方法。在第二方面中，提供一种用于制造嵌入式磁性部件装置的方法，包括：a)制备绝缘基板，所述绝缘基板具有第一侧和与第一侧相反的第二侧，并且在所述绝缘基板中具有环形空腔，所述环形空腔具有内周缘和外周缘；b)将磁芯安装在环形空腔中；c)形成电绕组，所述电绕组穿过绝缘基板并且围绕磁芯设置；其中所述电绕组包括：设置在所述绝缘基板的第一侧上的上导电迹线；设置在所述绝缘基板的第二侧上的下导电迹线；内导电连接器，所述内导电连接器在邻近磁芯的内周缘处贯穿绝缘基板，所述内导电连接器分别在相应的上导电迹线和相应的下导电迹线之间形成电连接；外导电连接器，所述外导电连接器在邻近磁芯的外周缘处贯穿绝缘基板，其中所述外导电连接器分别在相应的第一上导电迹线和相应的第一下导电迹线之间形成电连接；d)在步骤c)中，形成外导电连接器以包括第一组外导电连接器和第二组外导电连接器；其中，第一组外导电连接器沿着空腔的外周缘设置并且与空腔的外周缘间隔开第一距离；以及其中，第二组外导电连接器被设置成与第一组外导电连接器相比与空腔的外周缘相距更大的距离；其中，第一和第二组外导电连接器中的每一个都通过上导电迹线中的一个或者下导电迹线中的一个被电连接到内导电连接器中的一个。

绝缘基板的第一侧和第二侧可以是平面四边形形状，并且第二组外导电连接器位于平面四边形形状的角部。

第二组外导电连接器可以在一个区域中被连续地形成。

内导电连接器可以包括多组内导电连接器，各组沿着空腔的内周缘设置，并且与空腔的内周缘相距与其他组不同的距离。

第二组外导电连接器中的外导电连接器与第一组外导电连接器中的外导电连接器相比可以具有较大的截面面积。

所述方法可以包括将电子部件安装在绝缘基板的第一侧和/或第二侧上。

磁芯可以具有第一区段和第二区段，并且所述电绕组包括围绕所述第一区段设置的初级电绕组和围绕所述第二区段设置的次级电绕组；其中初级电绕组和次级电绕组被彼此隔离；并且其中初级电绕组和次级电绕组分别包括上导电迹线、下导电迹线、内导电连接器以及外导电连接器。

所述方法还可以包括：在所述绝缘基板的第一侧上形成第一隔离屏障，以至少覆盖第一侧的初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第一侧形成紧密结合连接；并且在所述绝缘基板的第二侧上形成第二隔离屏障，以至少覆盖第二侧的初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第二侧形成紧密结合连接。

本发明还可以提供包括嵌入式磁性部件装置的电力电子装置。

附图说明

现在将仅通过举例说明的方式并参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1A至1E示出了用于制造包括嵌入式磁性部件的基板的第一种已知的技术；

图2A至2F示出了用于制造包括嵌入式磁性部件的基板的第二种已知的技术；

图3A至3F示出了用于制造根据第一实施例的装置的实施例的技术；

图3G示出了图3F的装置的一种变型；

图4A示出了空腔、磁芯和导电导通孔的俯视图；

图4B示出了该装置和空腔的相反的一侧；

图4C是导电导通孔的示意图，其示出了将相邻的导通孔连接起来以形成绕组的迹线图案；

图5示出了装置的第二实施例；

图6示出了第三示例性实施例，其将图3或5的嵌入式磁性部件装置并入更大的装置；以及

图7示出了具有另外的绝缘材料层的第四示例性实施例。

具体实施方式

实施例1

现在将参照图3A至3F描述嵌入式磁性部件装置的第一示例性实施例。根据本发明的第一实例的完整的嵌入式磁性部件装置示于图3F中。

在图3A中示出的第一步骤中，用于容纳磁芯的空腔302布置在绝缘基板301中。在本实例中，绝缘基板由树脂材料形成，例如FR4。FR4是由织造的玻璃纤维布浸渗环氧树脂粘结剂组成的复合“预浸”材料。将树脂预干燥，但没有硬化，使得当它被加热时，它流动并充当用于玻璃纤维材料的粘合剂。FR4已被发现具有良好的热性能和绝缘性能。

如图3B所示，环形磁芯304随后将被安装在空腔302中。空腔302可以比该磁芯304略大，使得空气间隙可存在于磁芯304周围。磁芯304可手动地或通过表面贴装装置(例如拾取和放置机器)安装在空腔中。

在如图3C所示的下一步骤中，第一绝缘层或覆盖层305被固定或层合在绝缘基板301上，以覆盖空腔302和磁芯304。优选地，覆盖层305由与绝缘基板301相同的材料形成，因为这有助于在绝缘基板301的顶表面和覆盖层305的下表面之间的结合。因此，覆盖层305也可由层合在绝缘基板301上的材料形成，例如FR4。层合可以通过粘合剂或通过预浸材料层之间的热激活结合进行。在其他实施例中，对于覆盖层305可以使用其他材料。

在如图3D所示的下一个步骤中，贯通孔306被形成为穿过绝缘基板301和覆盖层305。贯通孔306被形成在适当的位置以形成嵌入式变压器的初级和次级线圈导体绕组。在该示例性实施例中，因为该变压器具有形状为圆(round)的或环形(circular)的磁芯304，因此贯通孔沿着对应于内和外环形圆周的两个圆弧的区段适当地形成。如本领域已知的，贯通孔306可以通过钻孔或其它合适的技术来形成。导电导通孔的示例性图案的示意图示于图4中并在后面描述。

如图3E所示，然后对贯通孔306进行电镀以形成导电导通孔307，其从覆盖层305的顶表面延伸到基板301的底表面。金属迹线308添加到覆盖层305的顶表面上以形成连接对应的导电导通孔307的上绕组层，并得到形成所述变压器的绕组的部分。上绕组层通过图3E中的右手侧的示例示出。该金属迹线308和导电导通孔的电镀通常由铜形成，并且可以以任何合适的方式形成，例如通过将随后对其蚀刻以形成必要图案的铜导体层添加到层305的外表面的方式，通过将铜沉积在表面上的方式，等等。

金属迹线308还形成在绝缘基板301的底表面上，以形成也连接对应的导电导通孔307的下绕组层，以部分地形成变压器的绕组。上下绕组层308和导电导通孔307一起形成变压器的初级和次级绕组。

最后，如图3F所示，第二和另外的第三绝缘层309形成在图3E中所示结构的顶表面和底表面上以形成第一和第二隔离屏障(isolationbarrier)。这些层可以通过层合或其它合适的技术来固定就位。第二绝缘层或第一隔离屏障309a的底表面粘附到覆盖层的顶表面上，并覆盖上绕组层的端子线308。另一方面，第三绝缘层309b的顶表面粘附到基板301的底表面上，并因此覆盖下绕组层的端子线308。有利的是，第二和第三层也可以由FR4制成，并因此使用与对于覆盖层305来说相同的工艺层合在绝缘基板301和覆盖层305上。

贯通孔和导通孔导体(viaconductor)可以被形成为穿过第二和第三绝缘层以连接到初级和次级变压器绕组的输入和输出端子(未示出)。其中，穿过第二和第三绝缘层的导通孔定位成与穿过基板和第一绝缘层305的导通孔分离开，在上绕组层上将需要金属迹线来将输入和输出导通孔连接至初级和次级绕组中每一个绕组的第一和最后一个导通孔。其中输入和输出导通孔形成在重叠的位置上，然后导电帽或金属帽可以添加至初级和次级绕组中每一个绕组的第一和最后一个导通孔。

图3F示出了根据本发明的第一示例性实施例的成品嵌入式磁性部件装置300。第一和第二隔离屏障309a和309b与变压器的上或下绕组层308形成于其上的相邻的层(覆盖层305或基板301)形成紧密结合连接。因此，第一和第二隔离层309a和309b沿着嵌入式磁性部件装置的表面提供紧密绝缘边界，大大减少了产生电弧或击穿的机会，并允许初级和次级侧绕组之间的隔离间距大大减小。

为了满足EN/UL60950的绝缘要求，对于干线基准电压(250Vrms)，仅需要通过0.4mm的实心绝缘体。

第一和第二隔离屏障309a和309b形成在基板301和第一绝缘层305上而没有任何空气间隙残留在层之间。应当理解的是，如果装置中存在空气间隙，如在绕组层上方或下方存在，则将存在装置产生电弧和失效的风险。因此，第一和第二隔离屏障309a和309b、覆盖层305和基板301形成绝缘材料的实心块。

在上述图中，第一和第二隔离屏障309a和309b被示出为覆盖嵌入式磁性部件装置300的整个覆盖层305和基板301的底表面。然而，在替代的实施例中，如果第一和第二隔离屏障被施加到覆盖层305和基板301的底部，使得它们至少覆盖覆盖层305的表面和基板301表面的仅位于初级和次级绕组之间、所述初级和次级绕组彼此最接近的部分，则这可能是足够的。例如在图3G中，第一和第二隔离屏障309a和309b可以设置为绝缘材料构成的长条形，其被放置在平行于该装置的短边的表面上并至少覆盖初级侧和次级侧绕组之间的隔离区域430(参见下面的图4)。在替代实施例中，因为初级侧和次级侧绕组遵循绕组缠绕在其周围的磁芯304的弧形，所以将隔离屏障309a和309b仅放置在初级侧和次级侧绕组彼此最接近处是足够的，所述彼此最接近处在这种情况下是在12点钟和6点钟的位置。然而，如上所述，覆盖嵌入式部件装置的整个表面的309a和309b的完整层可能是有利的，因为它提供了用于将部件进一步安装在装置的表面上的位置。

现在将参照图4A更详细地描述形成该变压器的上和下绕组层的贯通孔306、导电导通孔307和金属迹线308的图案。图4A是上绕组层被露出的嵌入式磁性部件装置的俯视图。变压器的初级绕组410显示在装置的左手侧，而变压器的次级绕组420显示在右手侧。也可以使用导电导通孔307和金属迹线308形成一个或多个第三级或辅助变压器绕组，但在这里没有示出。在图4A中，也省略了连接到变压器绕组的输入和输出连接，以避免遮掩了细节。

该变压器的初级绕组410包括布置在容纳磁芯304的空腔302的外周缘周围的外导电连接器或导通孔411。如这里所示，外导电导通孔411紧密地吻合空腔302的外周或外周缘，并沿圆弧的一段排列成一排。

内导电连接器或导通孔412设置在基板的内部区域或中心隔离区域中，并且靠近容纳磁芯304的空腔302的内圆周排列成一排。由于与外腔壁相比，内腔壁包围更小的半径，所以与外导电导通孔411相比，具有更小的空间来设置内导电导通孔412。结果，内导电导通孔412被交错和更广泛地设置在具有不同半径的两排或两排以上中。因此，初级绕组中的内导电导通孔412中的一些被定位成比其他内导电导通孔412更加靠近空间302的壁，其中其他内导电导通孔412被定位成更加靠近装置的中心部分。在图4中，可以看出内导电导通孔412被设置在三排中。

在上绕组层308中的每个外导电导通孔411通过金属迹线413连接到一个单独的内导电导通孔412。金属迹线413形成在覆盖层305的表面上，因此不能彼此重叠。虽然所述内导电导通孔不必严格地排列成排，但这样做是有帮助的，因为内导电导通孔412的有序排列有助于布置金属迹线413，以便它们将外导电导通孔411连接到内导电导通孔412。

在至少一个区域中，初级绕组的外导电导通孔411a比其他外导电导通孔411更加远离空腔的周缘。例如，在图4中，在由410a所指示的区域中具有多个外导电导通孔411a，这些外导电导通孔411a沿着具有比其他外导体411的半径更大的半径的一段圆弧设置。圆弧的更大半径意味着区域410a中的导电导通孔可以具有比更靠近空腔302的周缘的那些导电导通孔的周长大的周长，从而导电导通孔411a并没有彼此更加靠近。区域410a和420a中的导通孔的阶跃出(stepped-out)式特征和相关的更大直径意味着用于电流传输部件之间的公差和间距的整体参数能够被保持。由于中心隔离区域中的有限空间，所以这对于内导电导通孔412而言是不可能的，这些内导电导通孔412的尺寸趋于更加受限。

导通孔411a的较大周长也意味着导通孔411a的截面面积可能比围绕磁芯的周缘间隔布置的其他导通孔411的截面面积大。总体而言，区域410a中的导电导通孔411a可能因此对流过初级绕组的电流体现出较小的电阻抗并且提高设备的电特征。

在图4中，包含导电导通孔411a和421a的区域410a和420a分别出现在基本上4点钟和8点钟的位置上，基本上位于或朝向矩形基板的角部。然而，也可能将阶跃出的部分定位在围绕磁芯的周缘的其他位置处。阶跃出的特征部允许围绕磁芯的外边缘安装更多的导通孔，并且允许形成更大的导通孔。

变压器的次级绕组420也包括通过相应的金属迹线423以与初级绕组相同的方式彼此连接的外导电导通孔421和内导电导通孔422。与初级绕组一样，在至少一个区域420a中，次级绕组的外导电导通孔421a被放置成比其他外导电导通孔421更加远离空腔302的周缘或者从空腔302的周缘阶跃出，并且具有更大的周长和截面面积，从而由此对流过绕组的电流体现出较小的电阻抗。虽然区域410a和420a中的外导电导通孔411a和421a的直径增大，但是设备的整体尺寸不受影响。

变压器的下绕组层308被以相同的方式布置，并示于图4B中。导电导通孔被以与在上绕组层中的那些导电导通孔相同或互补的位置布置。然而，在下绕组层308中，金属迹线413、423被形成为将每个外导电导通孔411、421连接到与在上绕组层中与该外导电导通孔连接的内导电导通孔412、422相邻的内导电导通孔412、422上。以这种方式，在上和下绕组层308上的外导电导通孔411、421和内导电导通孔421、422、以及金属迹线413、423在磁芯304周围形成线圈形式的导体。这通过实例在图4C中示出，该图借助于点划线或虚线示出在内部区域和外部区域中相邻导通孔之间的连接。应当理解的是，分配给初级和次级绕组中的每一个的导电导通孔的数量决定了变压器的绕组比。

在图4A和4B中，也示出形成在所述装置的基板301中的可选端子440。它们可以采取边缘城堡结构(edgecastellation)的形式，提供从该装置到安装该装置的印刷电路板的表面贴装应用(SurfaceMountApplication，SMA)连接。

另外，通过导通孔415、416、417和418示出了变压器绕组的输入和输出连接。

例如在隔离的DC-DC转换器中，变压器的初级绕组410和次级绕组412必须彼此充分地隔离。在图4A中，基板的中心区域、由空腔302的内壁限制的区域形成初级和次级绕组之间的隔离区域430。初级和次级绕组410和420的内导电导通孔412和422之间的最小距离是绝缘距离，并通过箭头432示出在图4A中。

由于本实施例中设置的第一和第二隔离屏障309a和309b、第二和第三绝缘层，所述初级和次级侧之间的距离432可以减小至0.4mm，允许生产显著地更小的装置，以及具有更多数目的变压器绕组的装置。第二和第三层仅需要位于装置的顶部和底部上在初级和次级绕组之间的中心区域中。然而，在实践中，有利的是使第二和第三绝缘层覆盖与它们形成在其上的第一层305和基板301的区域相同的区域。如将在下面描述的，这提供了用于在顶部上的安装板的支撑层，并提供在该板上的部件和下方的变压器绕组之间的附加的绝缘。

第一和第二隔离屏障309a和309b的优选厚度可取决于装置所需的安全认证以及预期的工作条件。例如，FR4具有约每密耳(0.0254mm)750V的介电强度，而且如果电场强度试验中使用的电场的相关联的幅值为3000V，例如这可能是UL60950-1标准规定的，则对于屏障309a和309b将需要0.102mm的最小厚度。第一和第二隔离屏障309a和309b的厚度可大于这个，但受制于最终装置的期望的尺寸。类似地，对于1500V和2000V的测试电压，如果由FR4形成，第二和第三层的最小厚度将分别是0.051mm和0.068mm。

虽然阻焊剂可以添加到第二和第三绝缘层的外表面，但是鉴于由层本身所提供的绝缘这是可选的。

虽然在上述的实例中，基板301、覆盖层305、第一和第二隔离屏障309a和309b由FR4制成，但是可以包括具有足够的介电强度以提供所需的绝缘的任何合适的PCB层合系统。非限制性示例包括FR4-08、G11和FR5。

除了材料本身的这些绝缘性能，覆盖层305以及第一和第二隔离屏障309a和309b必须与基板301良好结合以形成紧密结合连接。术语“紧密结合连接”是指在两种材料之间具有小的空隙的紧密的一致结合连接或接合。这种连接将在相关的环境条件之后仍应保持其一体性，例如，在高温或低温、热冲击、潮湿等。应当指出的是，已知的PCB基板上的阻焊层不能形成这样的紧密结合连接，因此，绝缘层305和309与这样的阻焊层不同。出于这个原因，用于附加的层的材料优选地与基板相同，因为这改善了它们之间的结合。然而，层305、309和基板301可以由不同的材料制成，从而在它们之间提供充分的结合，以形成实心体。所选的任何材料也需要具有良好的热循环性能，以便在使用期间不破裂，且优选地是疏水的，以便水不会影响装置的性能。

在其他实施例中，绝缘基板301可以由其它绝缘材料，例如热塑性塑料和环氧树脂形成。它们可形成为其中磁芯嵌入内部的实心块。和之前一样，然后覆盖层305以及第一和第二隔离屏障309a和309b将被层合在基板301上，以提供附加的绝缘。

磁芯304优选为铁氧体芯，因为这为装置提供所需的电感。在替代实施例中，其他类型的磁性材料，并且即使是形成在变压器的绕组之间的未填充空腔的空气芯(aircore)，也是可能的。虽然在上面的示例中，磁芯是环形的，但是在其他实施例中，它可以具有不同的形状。非限制性示例包括，椭圆形或细长的环形形状，圆环形形状，具有间隙的圆形环状或椭圆环状，EE、EI、I、EFD、EP、UI和UR磁芯形状。在本示例中，圆形环状或椭圆环状被认为是最稳定的，并且提供足够的空间以围绕磁芯定位导电导通孔。磁芯304可以涂覆有绝缘材料以减小在导电磁芯和导电导通孔307或金属迹线308之间发生击穿的可能性。磁芯还可以具有倒角边缘，从而提供圆形的轮廓或横截面。

此外，虽然以上示出的嵌入式磁性部件装置使用导电导通孔307来连接上下绕组层308，但是应当理解，在替代实施例中，可使用其它连接，例如导电管脚、导电线或导电细丝。导电管脚可以插入到贯通孔306中，或者可以被预先形成在绝缘基板301和覆盖层305中适当的位置。从这个意义上讲，导电导通孔307或者实际上当它们的被设置为管脚、线或导电细丝等时的等同物可以更概括性地称为层间导电绕组部(interlayerconductivewindingsection)，然而金属迹线308或它们的作为管脚、线或导电细丝的等同物可以更概括地被称为层内导电部(intra-layerconductivesection)。术语“层内”被用于表示上下绕组层的导电绕组部基本上位于装置的相同的一层或多层上，而术语“层间”被用于表示导电绕组部从上绕组层贯穿到下绕组层以贯穿所述装置。

在本说明书中，术语顶部、底部、上、下仅用于相对于彼此并根据在附图中所示的取向限定装置的特征的相对位置，即假想的z轴从页面的底部延伸到页面的顶部。这些术语并不因此意在表示装置特征在使用时的必要位置，或限制一般意义上的特征位置。

实施例2

将参考图5描述第二实施例。

在实施例1中，变压器初级绕组410和次级绕组412的下绕组层被直接形成在绝缘基板301的下侧，并且第二隔离屏障309b随后层合到绝缘基板301上在下绕组层308上。

在实施例2中，装置300a的结构与图3中描述的结构是相同的，但在图3C中所示的步骤中，在贯通孔306形成之前，附加的层，第四绝缘层或第二覆盖层305b被层合在绝缘基板301上。贯通孔然后穿过基板301以及第一覆盖层305a和第二覆盖层305b形成，并且贯通孔306被电镀以形成导电导通孔307。因此，如图5所示，在本实施例中，当形成下绕组层308时，在前面图3E所示的步骤中，它形成在第二覆盖层305b上，而不是形成在绝缘基板301的下侧上。

第二覆盖层305b对下绕组层308提供附加的绝缘。

实施例3

除了显著改善变压器的初级侧和次级侧绕组之间的电绝缘，所述第一和第二隔离屏障309a和309b有用地用作附加的电子部件可以安装于其上的安装板。这允许嵌入式磁性部件装置的绝缘基板301用作更复杂装置的PCB，例如用作电源装置的PCB。在这方面，电源装置可以例如包括DC-DC转换器、LED驱动电路、AC-DC转换器、逆变器、电力变压器、脉冲变压器和共模扼流圈。由于变压器部件嵌入在基板301中，所以在PCB上更多的板空间可用于其它部件，并且该装置的尺寸可以被制得很小。

因此现在将参照图6描述本发明的第三实施例。图6示出示例性的电子部件501、502、503和504，它们表面贴装在第一和第二隔离屏障309a和309b上。这些部件例如可以包括一个或多个电阻器、电容器、开关装置(例如晶体管)、集成电路和运算放大器。连接盘网格阵列(Landgridarray，LGA)和球栅格阵列部件也可设置在层309a和309b上。

在电子部件501、502、503和504被安装在安装表面上之前，将多个金属迹线形成在第一和第二隔离屏障309a和309b的表面上，以便与所述部件形成合适的电连接。金属迹线505、506、507、508和509被形成在该装置的所希望的电路结构的适当位置中。电子部件然后可以被表面贴装在该装置上，并例如通过回流焊接固定就位。表面贴装部件501、502、503和504中的一个或多个优选连接到变压器的初级绕组410，而一个或多个其它的部件501、502、503和504优选连接到变压器的次级绕组420。

在图6中所示的得到的电源装置500可以基于例如在图3F或5中所示的嵌入式磁性部件装置300和300a来构造。

实施例4

现在将参考图7描述另外的实施例。除了在装置上设置另外的绝缘层，图7的嵌入式磁性部件与图3F和5中的嵌入式磁性部件是相同的。在图7中，例如附加的金属迹线612形成在第一和第二隔离屏障309a和309b上，并且第五和第六绝缘层610a和610b然后形成在金属迹线612上。如之前那样，第五和第六绝缘层610a和610b可以通过层合或粘合被固定到第二和第三层309a和309b上，通过层合或粘合被固定到第一和第二隔离屏障309a和309b上。作为形成在第一和第二隔离屏障上的替代，第五和第六绝缘层可以通过将第一和第二隔离屏障构造成具有多个层来提供，使得第五和第六层是第一和第二隔离屏障309a和309b的一部分。

附加的层610a和610b提供电路线可被构造于其中的附加深度。例如，金属迹线612可以是添加至金属迹线505、506、507、508和509的附加层的金属迹线，从而允许形成更为复杂的电路图案。外表面上的金属迹线505、506、507、508和509可被布置到该装置的内层610a和610b中并且使用导电导通孔从其引回。于是，金属迹线可以在出现在表面上的金属迹线下方交叉而无干扰。因此，中间层510a和510b允许用于辅助散热性能的PCB设计或更复杂的PCB设计的额外留迹(tracking)。图7中所示的装置因此可有利地与图6所示的表面贴装部件501、502、503和504一起使用。

替代地，或附加地，可以使用第五和第六附加的绝缘层610a和610b的金属迹线以提供用于初级和次级变压器绕组的附加的绕组层。在上面讨论的示例中，上和下绕组308形成在单一的水平高度上。通过将上和下绕组层308形成在一个以上的层上，还能够把一个层的金属迹线与另一个层的金属迹线放置在重叠的位置中。这意味着它更直接地将金属迹线连接到在所述磁芯的内部区段中的导电导通孔，而且可能地更多的导电导通孔可以被并入装置中。

可能在实践中两个附加的绝缘层中的仅一个附加的绝缘层610a或610b是必要的。替代地，一个以上的附加的绝缘层610a或610b可设置在该装置的上侧或下侧上。附加的绝缘层610a和610b可被与实施例1、2或3中所说明的任何装置一起使用。

在实践中，对于图4，外导电导通孔411a、412a相距空腔的周缘的较大间距意味着在设计用于连接的电子部件的迹线和电路板时存在更大的自由度。此外，由于导电导通孔411a和412a可以具有比其它导通孔更大的截面面积，所以它们可以用来减小对流过初级绕组和次级绕组的电流的整体阻抗，由此改进了所述装置的电特性。

在描述的所有装置中，可选的阻焊盖可被添加到该装置的外表面上，第一和第二隔离屏障309a和309b或者第五和第六绝缘层610a和610b。

本发明的示例性实施例已被描述仅用于说明的目的。这些都不是旨在限制由所附权利要求所限定的保护范围。应当理解，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征一起使用。

Claims (21)

1.一种嵌入式磁性部件装置，包括：

绝缘基板，所述绝缘基板具有第一侧和与第一侧相反的第二侧，并且所述绝缘基板中具有空腔，所述空腔具有内周缘和外周缘；

磁芯，所述磁芯被容纳在空腔中；

电绕组，所述电绕组穿过绝缘基板并且围绕磁芯设置；

其中所述电绕组包括：

设置在所述绝缘基板的第一侧上的上导电迹线；

设置在所述绝缘基板的第二侧上的下导电迹线；

内导电连接器，所述内导电连接器在邻近磁芯的内周缘处贯穿绝缘基板，所述内导电连接器分别在相应的上导电迹线和相应的下导电迹线之间形成电连接；

外导电连接器，所述外导电连接器在邻近磁芯的外周缘处贯穿绝缘基板，其中所述外导电连接器分别在相应的第一上导电迹线和相应的第一下导电迹线之间形成电连接；

其中，外导电连接器包括第一组外导电连接器和第二组外导电连接器；

其中，第一组外导电连接器沿着空腔的外周缘设置并且与空腔的外周缘间隔开第一距离；以及

其中，第二组外导电连接器被设置成与第一组外导电连接器相比与空腔的外周缘相距更大的距离；

其中，第一和第二组外导电连接器中的每一个都通过上导电迹线中的一个或者下导电迹线中的一个电连接至内导电连接器中的一个。

2.根据权利要求1所述的嵌入式磁性部件装置，其中，绝缘基板的第一侧和第二侧是平面四边形形状，并且第二组外导电连接器位于平面四边形形状的角部。

3.根据权利要求1或2所述的嵌入式磁性部件装置，其中，第一组外导电连接器和第二组外导电连接器被设置在基板的分开的区域中。

4.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，内导电连接器包括多组内导电连接器，每一组内导电连接器都沿着空腔的内周缘设置，并且与空腔的内周缘相距与其他组不同的距离。

5.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，第二组外导电连接器中的外导电连接器与第一组外导电连接器中的外导电连接器相比具有较大的截面面积。

6.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，电子部件被安装在绝缘基板的第一侧和/或第二侧上。

7.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，磁芯具有第一区段和第二区段，并且所述电绕组包括围绕所述第一区段设置的初级电绕组和围绕所述第二区段设置的次级电绕组；

其中初级电绕组和次级电绕组被彼此隔离；并且

其中初级电绕组和次级电绕组分别包括上导电迹线、下导电迹线、内导电连接器和外导电连接器。

8.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，还包括：

第一隔离屏障，所述第一隔离屏障形成在所述绝缘基板的第一侧上，并且至少覆盖第一侧的位于初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第一侧形成紧密结合连接；

第二隔离屏障，所述第二隔离屏障形成在所述绝缘基板的第二侧上，并且至少覆盖第二侧的位于初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，并与绝缘基板的第二侧形成紧密结合连接。

9.根据权利要求8所述的嵌入式磁性部件装置，其中，第一隔离屏障和/或第二隔离屏障包括单个层。

10.根据权利要求8所述的嵌入式磁性部件装置，其中，第一隔离屏障和/或第二隔离屏障包括多个层。

11.根据权利要求8、9或10所述的嵌入式磁性部件装置，其中，电子部件被安装在第一隔离屏障和/或第二隔离屏障上。

12.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，磁芯是细长的环状、圆形环状、有间隔的圆形环状或细长环状，或者具有EE、EI、I、EFD、EP、UI或者UR环形芯形状。

13.根据前述权利要求的任一项所述的嵌入式磁性部件装置，其中，内导电连接器和外导电连接器是形成为通过绝缘基板的导电线、管脚或细丝。

14.一种用于制造嵌入式磁性部件装置的方法，包括：

a)制备绝缘基板，所述绝缘基板具有第一侧和与第一侧相反的第二侧，并且所述绝缘基板中具有环形空腔，所述环形空腔具有内周缘和外周缘；

b)将磁芯安装在环形空腔中；

c)形成电绕组，所述电绕组穿过绝缘基板并且围绕磁芯设置；

所述电绕组包括：

设置在所述绝缘基板的第一侧上的上导电迹线；

设置在所述绝缘基板的第二侧上的下导电迹线；

内导电连接器，所述内导电连接器在邻近磁芯的内周缘处贯穿绝缘基板，所述内导电连接器分别在相应的上导电迹线和相应的下导电迹线之间形成电连接；

外导电连接器，所述外导电连接器在邻近磁芯的外周缘处贯穿绝缘基板，所述外导电连接器分别在相应的第一上导电迹线和相应的第一下导电迹线之间形成电连接；

d)在步骤c)中，形成外导电连接器以包括第一组外导电连接器和第二组外导电连接器；

其中，第一组外导电连接器沿着环形空腔的外周缘设置并且与环形空腔的外周缘间隔开第一距离；以及

其中，第二组外导电连接器被设置成与第一组外导电连接器相比与环形空腔的外周缘相距更大的距离；

其中，第一和第二组外导电连接器中的每一个都通过上导电迹线中的一个或者下导电迹线中的一个电连接至内导电连接器中的一个。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，绝缘基板的第一侧和第二侧分别是平面四边形形状，并且第二组外导电连接器位于平面四边形形状的角部。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，第一组外导电连接器和第二组外导电连接器被设置在基板的分开的区域中。

17.根据权利要求14至16中的任一项所述的方法，其中，内导电连接器包括多组内导电连接器，每一组内导电连接器沿着环形空腔的内周缘设置，并且与环形空腔的内周缘相距与其他组不同的距离。

18.根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，其中，第二组外导电连接器中的外导电连接器与第一组外导电连接器中的外导电连接器相比具有较大的截面面积。

19.根据权利要求14至18中的任一项所述的方法，包括将电子部件安装在绝缘基板的第一侧和/或第二侧上。

20.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其中，磁芯具有第一区段和第二区段，并且所述电绕组包括围绕所述第一区段设置的初级电绕组和围绕所述第二区段设置的次级电绕组；

其中初级电绕组和次级电绕组被彼此隔离；并且

其中初级电绕组和次级电绕组分别包括上导电迹线、下导电迹线、内导电连接器和外导电连接器。

21.根据权利要求14至20中的任一项所述的方法，还包括：

在所述绝缘基板的第一侧上形成第一隔离屏障，以至少覆盖第一侧的位于初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，第一隔离屏障与绝缘基板的第一侧形成紧密结合连接；

在所述绝缘基板的第二侧上形成第二隔离屏障，以至少覆盖第二侧的位于初级电绕组和次级电绕组之间的初级电绕组和次级电绕组彼此最接近的部分，第二隔离屏障与绝缘基板的第二侧形成紧密结合连接。