CN109545532A - 一种基于ltcc的平面变压器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于LTCC的平面变压器及其制作方法,该方法包括:S1、准备采用第一磁导率的LTCC材料生瓷片的上基板、下基板和多个中基板;S2、在至少一个中基板上开设孔洞;S3、在多个中基板上制作初级和次级电极图案,并填充孔洞,形成多个电极层;S4、将第二磁导率的LTCC材料填充在多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域以形成多个填充电极层,其中第二磁导率大于第一磁导率;S5、将多个填充电极层、上基板、下基板进行叠压处理,并进行排胶烧结,形成LTCC平面变压器,其中第一磁导率的LTCC材料和第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于两者之间的中间磁导率材料。本发明能够有效提高平面变压器的耦合系数,降低其初级、次级的漏感。
Description
技术领域
本发明涉及LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic,低温共烧陶瓷)及叠层器件领域,特别是一种基于LTCC的平面变压器及其制作方法。
背景技术
随着电子工业的发展,特别是近20年的技术发展,广大消费者对电子产品的需求日益增大,而变压器作为电子产品中不可或缺的电子元器件,具有巨大消费需求和市场。
传统绕线变压器具有较大的功率、变压比等优良的性能,但线圈结构单一、散热特性以及参数一致性差等问题,已无法满足开关电源高频化和低截面的发展趋势,且其较大尺寸难以适应电子元器件微型化、集成化趋势,平面变压器成为发展趋势。平面变压器主要分为LTCC变压器、压电陶瓷变压器、PCB变压器等三大类,其中LTCC变压器基于LTCC技术,LTCC集结了共烧技术和厚膜技术的优点,将印刷电路叠层热压后并一次烧结,减少烧结过程,节省时间,从而降低成本;同时厚膜技术可以减小电路的尺寸,提高生产效率。更重要的是其品质因数更高、稳定性更好、集成度更高等优点。因此,LTCC已成为民用和军品电子系统理想的选用材料。此外,LTCC采用高电导率的银等金属作导电介质,在烧结过程中不会氧化,因此无需电镀保护;LTCC陶瓷基片的组成成分可变,根据配料的不同可生成具有不同电气性能的介质材料,各参量在一定范围内可调整,从而增加了设计的灵活性。LTCC平面变压器与传统绕线变压器最大不同点在于不存在传统骨架,具有更小体积和质量,其工艺流程大体为:(磁性)铁氧体材料—被流延成片状磁层—切割—(在磁层所需位置)加导电通孔—印刷导电浆料(在通孔处截止)—利用通孔将印刷后的磁层连通。其多层结构是利用热压等作用物理结合在一起,再将该结构转移到烧结炉中,形成均匀一体的铁氧体多层变压器。但在整个多层结构中,磁导率是均匀的,那么就导致了导电线圈生成的磁通量线可穿过相邻的绕组。如:初级绕组和次级绕组互相交错,但并不是所有的初级绕组产生的磁通线都可被次级绕组切断,这就导致了初级绕组和次级绕组之间的磁链是低效的,且初级绕组和次级绕组之间的磁通效率由磁耦合系数决定。其单一的磁导率材料结构限制了平面变压器的性能发展,还存在耦合系数较低,漏感较大等缺点。因此在均匀一体下的传统多层平面变压器面对电子工业的发展,平面变压器的漏感有必要改良。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于LTCC的平面变压器及其制作方法,以提高平面变压器的耦合系数,降低其初级、次级的漏感。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于LTCC的平面变压器的制作方法,包括以下步骤:
S1、准备上基板、下基板和多个中基板,所述上基板、下基板和多个中基板为具有第一磁导率的LTCC材料生瓷片;
S2、在至少一个所述中基板上开设用于连接不同层间电极的孔洞;
S3、在所述多个中基板上制作作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案,并填充所述孔洞以对应地连接不同板层间的电极图案,形成多个电极层;
S4、将第二磁导率的LTCC材料填充在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域以形成多个填充电极层,其中所述第二磁导率大于所述第一磁导率;
S5、将所述多个填充电极层、所述上基板、所述下基板进行叠压处理,并进行排胶烧结,形成LTCC平面变压器,其中所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料。
进一步地:
所述初级和次级电极图案为圆环或矩形环或方形环。
步骤S5中,所述叠压处理包括静水压处理,实现高压叠层。
步骤S3中,所述初级和次级电极图案印刷形成。
所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
一种基于LTCC的平面变压器,使用所述的制作方法制作而成。
一种基于LTCC的平面变压器,包括采用第一磁导率的LTCC材料生瓷片形成的上基板、下基板和多个中基板,所述多个中基板上具有作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案,不同板层间的所述电极图案对应地通过所述中基板上开设的孔洞由填充材料电连接,形成多个电极层,其特征在于,在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域填充有第二磁导率的LTCC材料,所述第二磁导率大于所述第一磁导率,所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料,每个电极层的所述初级电极和所述次级电极在电极层之间及线圈外围区域由所述第二磁导率的LTCC材料隔离和包裹。
进一步地,所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
本发明具有如下有益效果:
本发明提供一种基于LTCC的平面变压器及其制作方法,实现平面变压器漏感的改善,本发明能够有显著提高变压器的耦合系数,降低其初级、次级的漏感。
各层基板采用较低的第一磁导率,在多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域填充第二磁导率的LTCC材料,所述第二磁导率大于各层基板的第一磁导率,所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料,每个电极层的所述初级电极和所述次级电极在电极层之间及线圈外围区域由所述第二磁导率的LTCC材料隔离和包裹,设计出这种不同磁导率材料共存的结构,实现了在保证平面变压器的电感等电性优良前提下,减小电极层间的漏磁,重叠感应区域磁导率得以提升,提高了初级线圈和次级线圈耦合作用,即提高电极间的磁通,从而降低了平面变压器的漏感。同时,以本发明的方式将低磁导率和高磁导率LTCC材料结合使用,不仅能保证高耦合系数,低漏感的优良性能,还能适应电感量等其他电性要求的设计,具有更宽广的应用范围。
附图说明
图1为常规平面变压器电极层截面图;
图2为常规平面变压器截面图;
图3为根据本发明的一个实施例的多层平面变压器电极层截面图;
图4为根据本发明的一个实施例的多层平面变压器充填电极层截面图;
图5为根据本发明的一个实施例的多层平面变压器截面图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图3至图5,在一种实施例中,一种基于LTCC的平面变压器12的制作方法,包括以下步骤:
S1、准备上基板5、下基板6和多个中基板7,所述上基板5、下基板6和多个中基板7为具有第一磁导率的LTCC材料生瓷片;
S2、在至少一个所述中基板7上开设用于连接不同层间电极的孔洞2;
S3、在所述多个中基板7上制作作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案3、4,并填充所述孔洞2以对应地连接不同板层间的电极图案,形成多个电极层;
S4、将第二磁导率的LTCC材料9填充在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域以形成多个填充电极层10(含中基板7),其中所述第二磁导率大于所述第一磁导率;
S5、将所述多个填充电极层10、所述上基板5、所述下基板6进行叠压处理,并进行排胶烧结,形成LTCC平面变压器12,其中所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料9共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料11。
各层基板采用较低的第一磁导率,在多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域填充第二磁导率的LTCC材料,所述第二磁导率大于各层基板的第一磁导率,所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料,每个电极层的所述初级电极和所述次级电极在电极层之间及线圈外围区域由所述第二磁导率的LTCC材料隔离和包裹,设计出这种不同磁导率材料共存的结构,实现了在保证平面变压器的电感等电性优良前提下,减小电极层间的漏磁,重叠感应区域磁导率得以提升,提高了初级线圈和次级线圈耦合作用,即提高电极间的磁通,从而降低了平面变压器的漏感。同时,以本发明的方式将低磁导率和高磁导率LTCC材料结合使用,不仅能保证高耦合系数,低漏感的优良性能,还能适应电感量等其他电性要求的设计,具有更宽广的应用范围。
在不同的实施例中,所述初级和次级电极图案可以为圆环或矩形环或方形环。
在优选的实施例中,步骤S5中,所述叠压处理包括静水压处理,实现高压叠层。
在优选的实施例中,步骤S3中,所述初级和次级电极图案印刷形成。
在优选的实施例中,所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
一种基于LTCC的平面变压器,使用所述的制作方法制作而成。
一种基于LTCC的平面变压器,包括采用第一磁导率的LTCC材料生瓷片形成的上基板、下基板和多个中基板,所述多个中基板上具有作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案,不同板层间的所述电极图案对应地通过所述中基板上开设的孔洞由填充材料电连接,形成多个电极层,其特征在于,在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域填充有第二磁导率的LTCC材料,所述第二磁导率大于所述第一磁导率,所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料,每个电极层的所述初级电极和所述次级电极在电极层之间及线圈外围区域由所述第二磁导率的LTCC材料隔离和包裹。
在优选的实施例中,所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
如图1和图2所示,常规平面变压器制作包括以下步骤:
S1:选取普通磁导率材料并制备成对应生瓷片1;
S2:将生瓷片开孔形成孔洞2;
S3:通过印刷技术填充孔洞2,导通上下电极,并在生瓷片上印刷初级线圈和次级线圈单层电极3和4;
S5:将多层电极层7及上基板5、下基板6进行叠压并静水压,实现高压叠层,并排胶烧结形成磁导率均匀的LTCC平面变压器8。
本发明的一个典型实施例如图3-5所示,其中,在初级和次级电极之间填充高磁导率材料9,以形成填充电极层10;将多层填充电极层10、上基板5和下基板6进行叠层并静水压,相对高的第二磁导率的LTCC材料9和相对低的第一磁导率的LTCC材料1在共烧下形成中间磁导率材料11,并热压烧结成初级线圈和次级线圈耦合加强和漏感下降的平面变压器。
按照本发明的方法,可以采用基于厚膜技术的填充工艺,将高磁导率LTCC材料填充在初级和次级电极之间,提高局域材料的磁导率,即提高电极间的磁通,提高电极间的耦合作用,从而降低平面变压器的漏感。
以下通过具体实例对本发明及其优势进行进一步阐述。
实例:
下面以本公司编号为HP30(磁导率为30)和GTN4(磁导率为200)两种LTCC材料相结合印刷填充制备的LTCC平面变压器与单一磁导率材料(HP30)LTCC平面变压器为例,通过更具体的实例对本发明实施方法及结论进行进一步验证。
通过以上工艺流程分别制备单磁导率材料LTCC平面变压器和本发明实施例的LTCC平面变压器,并对其电性性能进行测试对比。其电感及漏感参数如下表所示:
由表可以看出高磁导率材料的填充,使平面变压器电感量增大,幅度在10%-15%,而漏感得到明显改良,改良幅度达到20%左右。在相同的电感量要求下,本发明实施例的平面变压器的尺寸可以更小,耦合系数及漏感性能可以更优,从而满足电子工业发展的需求。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于LTCC的平面变压器的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、准备上基板、下基板和多个中基板,所述上基板、下基板和多个中基板为具有第一磁导率的LTCC材料生瓷片;
S2、在至少一个所述中基板上开设用于连接不同层间电极的孔洞;
S3、在所述多个中基板上制作作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案,并填充所述孔洞以对应地连接不同板层间的电极图案,形成多个电极层;
S4、将第二磁导率的LTCC材料填充在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域以形成多个填充电极层,其中所述第二磁导率大于所述第一磁导率;
S5、将所述多个填充电极层、所述上基板、所述下基板进行叠压处理,并进行排胶烧结,形成LTCC平面变压器,其中所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料。
2.如权利要求1所述的制作方法,其特征在于,所述初级和次级电极图案为圆环或矩形环或方形环。
3.如权利要求1或2所述的制作方法,其特征在于,步骤S5中,所述叠压处理包括静水压处理,实现高压叠层。
4.如权利要求1至3任一项所述的制作方法,其特征在于,步骤S3中,所述初级和次级电极图案印刷形成。
5.如权利要求1至4任一项所述的制作方法,其特征在于,所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
6.一种基于LTCC的平面变压器,其特征在于,使用如权利要求1至5任一项所述的制作方法制作而成。
7.一种基于LTCC的平面变压器,包括采用第一磁导率的LTCC材料生瓷片形成的上基板、下基板和多个中基板,所述多个中基板上具有作为初级和次级线圈的初级和次级电极图案,不同板层间的所述电极图案对应地通过所述中基板上开设的孔洞由填充材料电连接,形成多个电极层,其特征在于,在所述多个电极层的初级电极和次级电极相互感应重叠的区域填充有第二磁导率的LTCC材料,所述第二磁导率大于所述第一磁导率,所述第一磁导率的LTCC材料和所述第二磁导率的LTCC材料共烧后紧密结合形成磁导率介于所述第一磁导率和所述第二磁导率之间的中间磁导率材料,每个电极层的所述初级电极和所述次级电极在电极层之间及线圈外围区域由所述第二磁导率的LTCC材料隔离和包裹。
8.如权利要求7所述的平面变压器,其特征在于,所述多个中基板为3个或更多个中基板,所述多个电极层分别形成在各中基板的上表面上。
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