CN107437457A - 一多层电感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层电气部件，其中多层电气部件包含：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，且其中对于每一个磁性层，在磁性层中形成一沟槽，所述沟槽的下表面位于比所述磁性层的下表面更高的位置；与第一材料不同的一第二材料设置在磁性层中的沟槽中；且在所述沟槽上设置一导电层以形成所述电气部件的一导电组件。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感器，尤其涉及由一层压陶瓷工艺制成的一种电感器。
背景技术
近年来，例如便携设备的电子产品已经变得越来越薄，而它们的功能不断增加。因此，需要从便携设备的一电池产生不同的电压，使得不同的电压可以施加到不同的组件，例如便携设备中的一液晶屏幕或无线模块。多层层压陶瓷技术可用于制造可用于DC-DC转换器的一多层电感器，其设计目标包括一较高的饱和电流，一较低的直流电阻(DCR)和一较高的谐振频率。
现有的层压陶瓷工艺可分为湿式和干式。以多层电感器为例，可以透过电性连接形成在多个磁性层上的导电层来形成一螺旋线圈。
请参考图1A，其示出一包括设置在一聚对苯二甲酸乙二酯膜(PET膜)101上的一磁性层102的一现有结构100的一剖面图。
请参考图1B，其示出一导电层103设置在磁性层102上的一现有结构100的一剖面图。
请参考图1C，其示出一现有结构200的一剖面图，其中一粘合层104设置在磁性层102上，用于封装一导电层103的导电图案。
请参考图1D，其示出一现有结构的一剖面图，其中图1C的多个结构堆栈在一起。
请参考图2A，其示出一包括设置在一聚对苯二甲酸乙二酯膜(PET膜)101上的一磁性层102之一现有结构100的一剖面图。
请参考图2B，其示出一现有结构100的一剖面图，其中一导电层103b设置在一磁性层102上。
请参考图2C，其示出一现有结构200b的一剖面图，其中一粘合层104设置在磁性层102上，用于封装导电层103b的导电图案。
请参考图2D，其示出一现有结构的一剖面图，其中图1C的多个结构堆栈在一起。
请参考图2E，其示出一现有结构200b之一放大部分的一剖面图，其中导电层103b设置在磁性层102上，且粘合层104设置在磁性层102上，用于封装导电层103b的导电图案。
为了获得如图1D所示的电感器的一低直流电阻(DCR)，每个电路层的厚度需要尽可能厚以减小电感器的直流电阻(DCR)。然而，藉由这样做，随着堆栈层数的增加，导电层和陶瓷层之间的总厚度差也增加，因此不仅难以控制电感值，且容易引起多层电感器的结构变形。
因此，本发明提出了一种更好方式设计多层电感器，以克服上述的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种减小其整体厚度的多层层压电感器。
本发明的一个目的是提供一种具有高饱和电流(High Saturation Current)和低直流电阻(DCR)的多层层压电感器。
本发明一实施例提供一种多层电气部件，其中所述多层电气部件包含：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，且其中对于每一个磁性层，一沟槽形成在磁性层中，沟槽的下表面位于比磁性层的下表面更高的位置；与第一材料不同的一第二材料设置在磁性层中的沟槽中；以及包含至少一个导电图案的一导电层，其中所述至少一个导电图案的至少一部分设置在所述第二材料上，用于形成所述电气部件的一导电组件。
本发明一实施例提供一种多层电感器，其中所述多层电感器包含：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，并且其中对于每一个磁性层，一沟槽形成在磁性层中，沟槽的下表面位于比磁性层的下表面更高的位置；一第二材料设置在磁性层中的沟槽中；且一导电层设置在第二材料上，其中第二材料与第一磁性材料不同并具有比第一磁性材料一更低的导磁率，其中导电层电性连接以形成一线圈。
在一实施例中，第二材料由一介电系数低于第一材料的介电材料制成。
在一实施例中，第二材料由一介电系数在4至8的范围内的介电材料制成。
在一实施例中，第二材料由导电和粘合材料制成。
在一实施例中，导电层由导电和粘合材料制成。
在一实施例中，导电层由第二材料制成，其中导电层延伸到至沟槽中。
在一实施例中，每个导电层由第二材料制成，其中导电层延伸到至沟槽中，且其中由第一材料制成的两个相邻的磁性层通过一压制工艺彼此接触。
在一实施例中，第二材料由介电材料制成，且第一磁性材料和介电材料之间的界面361起作用以形成一屏蔽层，用于阻挡由线圈的电流环(Current Loop)产生的磁通量，以便增加电感器的饱和电流并获得一较高的电感器谐振频率。
在一实施例中，第一磁性材料是藉由混合铁氧体粉末和有机载体制成的。
在一实施例中，第一磁性材料是藉由混合金属合金粉末和有机载体制成的。
在一实施例中，第二材料由玻璃橡胶制成。
在一实施例中，导电层由导电和粘合材料制成，其中导电和粘合材料包含铜或银。
在一实施例中，每一个磁性层上的导电层包含设置在一相应介电层上的一螺旋线圈图案，其中每一个磁性层上的螺旋线圈的宽度大于沟槽的宽度。
在一实施例中，每一个磁性层上的导电层包含设置在一相应介电层上的一螺旋线圈图案，其中每一个磁性层上的螺旋线圈的宽度等于沟槽的宽度
在一实施例中，第二材料由介电材料制成，其中包含磁性与粘合材料的一第三材料被填充到每个导电层的未图案化区域中。
在一实施例中，多个磁性层透过一干式层压陶瓷工艺彼此堆栈。
在一实施例中，多个磁性层透过一湿式层压陶瓷工艺彼此堆栈。
本发明一实施例提供一种多层电感器，其中所述多层电感器包含：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，且其中对于每一个磁性层，一沟槽形成在磁性层中，沟槽的下表面位于比磁性层的下表面更高的位置；一介电材料设置在磁性层中的沟槽中；且一导电层设置在介电材料上，其中介电材料与第一磁性材料不同并具有比第一磁性材料一更低的导磁率，其中导电层电性连接以形成一线圈。
本发明的一实施例提供一种多层电感器，其中所述多层电感器包括：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，且其中对于每一个磁性层，一沟槽形成在磁性层中，沟槽的下表面位于比磁性层的下表面更高的位置，其中一导电层设置在磁性层上并延伸到至沟槽中，其中导电层电性连接以形成一线圈。
本发明的一实施例提供一种形成一电感组件的方法，该方法包含：分别形成多个磁性层，其中对于每一个磁性层，在磁性层的上表面上形成一沟槽，所述沟槽的下表面位于比所述磁性层的下表面更高的位置，其中一介电层设置在所述磁性层上，其中一导电层设置在所述介电层上，并将多个磁性层堆栈在一起，其中导电层电性连接以形成一线圈。
本发明一实施例提供一种形成一电感器的方法，包含：在一第一磁性层的上表面上形成一第一沟槽，所述第一沟槽的下表面位于比所述第一磁性层的下表面更高的位置；在所述第一磁性层上的所述第一沟槽中形成一第一介电层；在所述第一介电层上形成一第一导电层；在所述第一磁性层上形成一第二磁性层；在所述第二磁性层的上表面上形成一第二沟槽，所述第二沟槽的下表面位于比所述第二磁性层的下表面更高的位置；在所述第二磁性层上的所述第二沟槽中形成一第二介电层；在所述第二介电层上形成一第二导电层；并电性连接导电层以形成一线圈。
对于本领域技术人员来说，在随附图式的以下段落中描述了针对实现本发明的详细技术和以上较佳实施例，以便很好地理解所要求保护的发明的特征。
附图说明
图1A-1D示出一多层电感器的一现有结构的剖面图。
图2A-2E示出一多层电感器的另一现有结构的剖面图。
图3A-3E示出根据本发明一实施例的一多层电感器结构的剖面图。
图4A-4E示出根据本发明一实施例的另一多层电感器结构的剖面图。
图5A示出一现有多层电感器的磁通量分布图。
图5B示出根据本发明一实施例的一多层电感器的磁通量分布图。
图6示出根据本发明一实施例的一多层电感器的外观。
附图标记说明：100-现有结构；101-聚对苯二甲酸乙二酯膜；102-磁性层；103-导电层；103b-导电层；104-粘合层；200-现有结构；200b-现有结构；301-结构；302-结构；303-结构；304-结构；305-堆栈结构；311-载体；312-磁性层；313-导电层；314-材料；315-沟槽；316-介电材料；361-界面；401-结构；402-结构；403-堆栈结构；404-结构；405-结构；411-载体；412-磁性层；413-导电和粘合材料；415-沟槽；600-多层电感器；610-模制体；620-电极。
具体实施方式
以下对本发明进行详细说明。所描述的较佳实施例是为了说明和描述的目的而呈现的，并且它们并不旨在限制本发明的范围。
以下实施例公开了一种多层电感器，其中所述多层电感器包含：彼此堆栈的多个磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，且其中对于每一个磁性层，一沟槽形成在磁性层中，所述沟槽的下表面位于比所述磁性层的下表面更高的位置；一第二材料设置在磁性层中的沟槽中；且一导电层设置在第二材料上，其中第二材料与第一磁性材料不同并且具有比第一磁性材料一更低的导磁率，其中导电层电性连接以形成一线圈。
在一实施例中，第二材料由具有一低介电系数的介电材料制成，其中第一磁性材料和介电材料之间的界面361起作用以形成一屏蔽层，用于阻挡由线圈电流回路产生的磁通量，以增加电感器的饱和电流并获得一较高的电感器谐振频率。
第一实施例
本实施例公开了一种基于一干式或湿式层压陶瓷工艺，制造具有一低直流电阻(DCR)和一高饱和电流的多层电感器的方法。
请参考图3A，其示出包括设置在一载体311上的一磁性层312的一结构301的一剖面图，其中磁性层312可由铁氧体粉末和有机材料制成，或者第一磁性材料可由金属合金粉末和有机载体制成，但不限于此，载体311可由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚酯薄膜(Mylar)制成，但不限于此。在一实施例中，磁性层312由包含例如铁或铁基氧化物的磁性粉末的一磁性材料制成，其可进一步包括铁氧磁体(NiCuZn)、镍锌(NiZn)或锰锌(MnZn)，但不限于此，其中磁性粉末的导磁率范围在150-600。在一实施例中，磁性层312由包含例如FeCrSi或FeAlSi的金属合金粉末的一磁性材料制成，但不限于此，其中磁性粉末的导磁率范围在30-50。
请参考图3B，示出了包括设置在载体311上的磁性层312的一结构302的一剖面图，其中一沟槽315形成在磁性层312中。在一实施例中，沟槽315可为一螺旋形状，用于在其上形成一线圈图案。请注意，沟槽315不会穿透整个磁性层。也就是说，沟槽315下表面位于比所述磁性层的下表面更高的位置。沟槽315可以藉由物理或化学蚀刻，例如闸刀切除、钻孔、热熔雷射、紫外线雷射等来产生，但不限于此。在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层厚度的一半。
在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层的厚度的2/3。在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层的厚度的3/4。
请参考图3C，其示出包括设置在载体311上的磁性层312的一结构303的一剖面图，其中沟槽315形成在磁性层中，其中一电介质材料316设置在沟槽315中。在一实施例中，介电材料316透过网板印刷设置在沟槽315中。在一实施例中，介电材料316具有比形成磁性层312的材料一更低的介电系数和更低的导磁率。在一实施例中，介电材料316是具有低介电系数和低导磁率的一玻璃橡胶。
在一实施例中，介电材料316具有一介电系数在4至8的范围内。在一实施例中，介电材料316具有一介电系数在5至7的范围内。在一实施例中，介电材料316具有6至7的一介电系数。在一实施例中，导电层313可具有一宽度，大于或等于设置在沟槽315中介电材料316的宽度。
请参考图3D，其示出了包括设置在载体311上的磁性层312的的一结构304的一剖面图，其中沟槽315形成在磁性层中，一介电材料316设置在沟槽315中，一导电层313设置在介电材料316上，其中介电材料316不同于制造磁性层312的磁性材料并具有比所述磁性材料一更低的导磁率，介电材料316上的导电层313设置在磁性层的沟槽315中，其中一材料314被填充到每个导电层的未图案化区域中，用于封装导电层313的导电图案。在一实施例中，材料314可为一磁性与粘合材料，其具有比形成磁性层312的材料一更低的介电系数和一更低的导磁率，其中磁性材料可为Cu-Zn-Fe氧化物、掺杂有Si或B的Al2O3或MgO；或者材料314可为与粘合材料混合的一玻璃陶瓷，其中玻璃陶瓷具有比形成磁性层312的材料一更低的介电系数和一更低的导磁率。本实施例不限于上述材料。
请参考图3E，其示出一结构305的一剖面图，显示多个堆栈的第3D图的结构304。在一实施例中，设置在多个磁性层312上的导电层313电性连接以形成例如一线圈的一导电组件。
上述描述在多层电感器烧结之前进行，其中每一个磁性层也可称为一磁性生胚。当多层电感器处于一烧结过程时，烧结过程可在一空气或一氮/氢气氛中进行。烧结过程包括去除磁性生胚中的有机粘合剂的一步骤，由此可实现磁性生胚的致密化。在烧结过程中，磁性层的磁性材料和设置在沟槽中的介电材料之间的界面处的材料起作用，以形成一屏蔽层，用于阻挡由线圈的电流环产生的磁通量，从而增加电感器的饱和电流并获得较高的电感器谐振频率。请注意，即使在烧结之后，磁性层也可与沟槽和导电层一起被界定，因为每个导电层具有一相应的磁性层，其中导电层设置在生成于相应磁性层中的一沟槽上，且所述沟槽被填充一介电质或导电材料。
在一实施例中，第二材料由导电和粘合材料制成，其中沟槽中的导电和粘合材料形成一屏蔽层，用于阻挡由线圈的电流环产生的磁通量，以便增加电感器的饱和电流并获得较高的电感器谐振频率。另外，透过在沟槽中配置导电和粘合材料可减小多层电感器的厚度和直流电阻(DCR)。
多层电感器的自谐振频率(SRF)可由下列公式表示：
多层电感器的两个相邻的导电层之间的寄生电容可由下列公式表示：
本发明此实施例可减小多层电感器两个相邻的导电层之间的寄生电容，因为设置在沟槽中的介电材料具有比形成磁性层312的材料一更低的介电系数，根据上述SRF公式，从而增加了多层电感器的自谐振频率(SRF)。
第二实施例
本实施例公开了一种基于一干式或湿式层压陶瓷工艺，制造具有一低直流电阻(DCR)和一高饱和电流的一多层电感器的方法。
请参考图4A，其示出包括设置在一载体411上的一磁性层412的一结构401之一剖面图，其中磁性层412可由铁氧体粉末和有机材料制成，或者第一磁性材料可由金属合金粉末和有机载体制成，但不限于此。载体411可由具有粘合剂材料或聚酯薄膜的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)制成，但不限于此。在一实施例中，磁性层312由包含例如铁或铁基氧化物的磁性粉末的一磁性材料制成，其可以进一步包括铁氧磁体(NiCuZn)、镍锌(NiZn)或锰锌(MnZn)，但不限于此，磁性粉末导磁率在的范围内。在一实施例中，磁性层312由包含例如FeCrSi或FeAlSi的金属合金粉末的一磁性材料制成，但不限于此，其中磁性粉末的导磁率在30-50的范围内。在一实施例中，磁性层312由包含例如Cu-Zn-Fe氧化物的磁性粉末的一磁性材料制成，但不限于此，磁性粉末的导磁率在3-20的范围内。
请参考图4B，其示出包括设置在载体411上的磁性层412的一结构402的一剖面图，其中一沟槽415形成在磁性层412中。在一实施例中，沟槽415可为一螺旋形状，用于在其上形成一线圈图案。请注意，沟槽415不穿透整个磁性层，即沟槽415的下表面位于比磁性层的下表面更高的位置。在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层厚度的一半。在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层厚度的2/3。在一实施例中，沟槽的深度等于或大于磁性层的厚度的3/4。
请参考图4C，其示出包括设置在载体411上的磁性层412的一结构402的一剖面图，其中沟槽415形成在磁性层中，其中一导电和粘合材料413设置在沟槽415中。在一实施例中，导电和粘合材料413透过网板印刷设置在沟槽415中。在一实施例中，导电和粘合材料413是具有低介电系数和低导磁率的一磁性橡胶。在一实施例中，导电和粘合材料413是具有低介电系数和低导磁率的一玻璃橡胶。
请参考图4D，其示出一结构404的一剖面图，显示图4C的多个堆栈结构403。在一实施例中，设置在磁性层的沟槽415中的导电和粘合材料413电性连接以形成例如一线圈的一导电组件。在一实施例中，导电和粘合材料413可具有一宽度，大于或等于沟槽415的宽度。
请参考图4E，其示出一结构405的一剖面图，显示设置在磁性层的沟槽415中的导电和粘合材料413与上磁性层接触，在所有磁性层经由一压制工艺处理堆栈在一起之后。也就是说，导电和粘合材料413在磁性层上形成一导电层并延伸到至沟槽中，其中磁性层上的导电和粘合材料413被形成多个磁性层的第一磁性材料完全包围。藉由这样做，不需要这样的一粘合层104，用于将导电图案封装在导电层103b上，如图2E所示。此外，由于导电层延伸到至沟槽中，可使多层电感器变薄，同时仍然保持多层电感器的导电图案或线圈的厚度。
图5A示出一现有多层电感器的磁通量分布的一测试结果。图5B示出根据本发明一实施例的一多层电感器的磁通量分布的一测试结果。如图5A所示，现有多层电感器的磁通量分布与如图5B所示，根据本发明一实施例的多层电感器的磁通量分布相比，容易饱和，因为在根据本发明一实施例的多层电感器中，设布置的介电材料或导电材料可设置在每一个磁性层的沟槽中，从而形成用于阻挡由线圈电流环产生的磁通量的一屏蔽层，以增加多层电感器的饱和电流。
图6示出根据本发明一实施例的一多层电感器600的一外观，其中一多层电感器600被封装在一模制体610中，其中一电极620用于与一外部电路连接。
总而言之，藉由在每一个磁性层上形成一沟槽，本发明可减小多层电感器的总体厚度。此外，设置在每一个磁性层的沟槽中的介电材料或导电和粘合材料可以形成用于阻挡由线圈的电流环产生的磁通量的一屏蔽层，以增加多层电感器的饱和电流及获得一较高的电感谐振频率。此外，藉由将导电和粘合材料设置在每一个磁性层的沟槽中，可减小整体厚度以及多层电感器的直流电阻(DCR)。请注意，本发明可应用于一电感器以及其他电气部件。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (20)
1.一种多层电气部件，其特征在于，包含：
多个彼此层迭的磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，其中，针对所述多个彼此层迭的磁性层中的每一个磁性层：
一沟槽形成在所述磁性层，所述沟槽的下表面位于所述磁性层的下表面的上方，其中一第二材料设置在所述沟槽中，其中所述第一磁性材料不同于所述第二材料，且所述第一磁性材料的导磁率高于所述第二磁性材料的导磁率；以及
一导电层，设置在所述磁性层上且包含至少一个导电图案，其中所述至少一个导电图案的至少一部分设置在所述第二材料上，用于形成所述电气部件的一导电组件。
2.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述电气部件为一电感器。
3.根据权利要求2所述的电气部件，其特征在于，所述沟槽具有一螺旋形状，以及所述导电组件为一螺旋线圈。
4.根据权利要求2所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料由介电材料制成。
5.根据权利要求2所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料由导电材料制成。
6.根据权利要求2所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料为一导电材料，其中所述导电材料设置在所述磁性层的一上表面上并延伸到至所述沟槽中。
7.根据权利要求2所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料为一导电材料，其中所述导电材料在所述磁性层上形成所述导电层并延伸到至所述沟槽中，其中所述磁性层上的所述导电材料被形成所述多个磁性层的所述第一磁性材料完全包围。
8.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述第一磁性材料包含铁磁性末，其中所述磁性粉末的导磁率在的范围内。
9.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述第一磁性材料包含磁性粉末，其中所述磁性粉末的导磁率在3-20的范围内。
10.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述第一磁性材料包含金属合金磁性粉末，其中所述磁性粉末的导磁率在20-50的范围内。
11.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料由具有粘合材料的玻璃制成。
12.根据权利要求4所述的电气部件，其特征在于，所述磁性层上的所述导电层包含设置在一相应沟槽上的一螺旋线圈图案，其中所述螺旋线圈图案的最大宽度大于所述沟槽的宽度。
13.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，每一个磁性层上的导电层包含设置在一相应沟槽上的一螺旋线圈图案，其中螺旋线圈图案的最大宽度等于沟槽的宽度。
14.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述第二材料由介电与粘合材料制成，其中包含磁性与粘合材料的一第三材料被填充到所述导电层的一未被图案化的区域中，用以包覆所述导电层。
15.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述多个磁性层透过一干式陶瓷工艺来制成。
16.根据权利要求1所述的电气部件，其特征在于，所述多个磁性层透过一湿式陶瓷工艺来制成。
17.一种多层电感器，其特征在于，包含：多个彼此层迭的磁性层，其中每一个磁性层由一第一磁性材料制成，其中，针对所述多个彼此层迭的磁性层中的每一个磁性层：
一沟槽形成在所述磁性层中，所述沟槽的下表面位于所述磁性层的下表面的上方，其中一第二材料设置在所述磁性层的沟槽中，其中所述第一磁性材料不同于所述第二材料，且所述第一磁性材料的导磁率高于所述第二磁性材料的导磁率；以及
一导电层，设置在所述磁性层上且包含至少一个导电图案，其中所述至少一个导电图案的至少一部分设置在所述第二材料上；以及
其中所述多个导电层电性连接以形成一线圈。
18.根据权利要求17所述的电感器，其特征在于，所述第二材料由介电材料制成。
19.根据权利要求17所述的电感器，其特征在于，所述第二材料由导电材料制成。
20.根据权利要求17所述的电感器，其特征在于，所述第二材料为一导电材料，其中所述导电材料设置在所述磁性层的一上表面上并延伸到至所述沟槽中以形成所述导电层，其中所述导电材料被形成所述多个磁性层的所述第一磁性材料完全包围。
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