CN111261392A - 功率变压器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率变压器及其制造方法，变压器通过采用一个磁体层的磁芯结构，并将位于所述磁体层的同一侧的至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层设置为平面绕组，且其所在的平面均与所述磁体层平行。从而可以实现比现有的有磁芯的变压器具有更薄的尺寸，且实现比现有的无磁芯的变压器具有较高的耦合系数。

Description

功率变压器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种功率变压器及其制造方法。
背景技术
由于开关频率的提升能显著的减小磁性元件的体积，目前的IC封装集成电源为了提高电源的整体功率密度，不停的向高频化发展。磁性元件的厚度是磁性元件的一个重要指标，相同的损耗，相同材质的情况下，厚度越薄磁性元件的热阻越小，温度越低，整个器件的可靠性越高。然而传统变压器的厚度，其实并不能通过开关频率的提高而有效地改善。目前通常采用的变压器主要分为两种，第一种是绕线式变压器，这种变压器是通过将铜线绕制在磁芯上形成的变压器。第二种是PCB绕组变压器，铜线由印刷电路板来替代。
对于绕线式变压器。变压器的厚度是由上，下磁芯盖板的厚度，绕线窗口的厚度，绕线底座厚度的累加。而变压器的最低厚度是被材料本身物理特性，加工工艺和制程限制的，无论开关频率如何提升都无法改变。如绕线单股漆包线的直径低于0.09mm时，绕线会容易折断。当需要特定匝比时n:1时，变压器至少需要n+1匝。因此窗口的高度，即使在1:1最极端的情况下也需要0.11mm*2＝0.22mm(带漆皮),若考虑窗口高度的填充率0.9，则窗口高度即使在最理想的1匝原边，1匝副边的情况下也需要0.25mm。而铁氧体磁芯的厚度工艺上要求大于0.5mm，否则很容易碎裂。这样使得绕线变压器的厚度至少要大于1.25mm.。实际产品极少会出现原副边只有1匝的情况。因此，商品变压器一般最薄也会大于1.5mm。
对传统的PCB变压器来讲，由于变压器的厚度为磁芯上，下盖板及PCB板三部分厚度的和。而变压器铁氧体磁芯的盖板厚度通常需要大于0.5mm。而PCB板最薄也需要大于0.25mm。因此，传统的PCB变压器结构的厚度也很难做到1mm以下。
进一步地，如果变压器有高隔离度或高耐压的需求，就会更厚。当然，目前有些IC封装集成的数字信号隔离器采用的空心变压器可以做到非常薄。但是，这种空心变压器的耦合系数很低通常在70％左右，并不适合于传输功率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超薄的功率变压器及其制造方法，以解决现有的变压器体积大和耦合系数低的问题。
第一方面，提供一种功率变压器，其特征在于，包括：
有且仅有一个磁体层；以及，
至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层，其所在的平面均与所述磁体层平行；
其中，在所述变压器的垂直方向上，所述初级绕组层以及所述次级绕组层位于所述磁体层的同一侧。
优选地，所述磁体层为片状的薄膜磁体。
优选地，所述片状的薄膜磁体为流延铁氧体薄膜。
优选地，所述初级绕组层和次级绕组层利用IC封装工艺实现。
优选地，所述初级绕组层和次级绕组层利用PCB板工艺实现。
优选地，所述次级绕组层临近所述磁体层，所述初级绕组层临近所述次级绕组层。
优选地，在所述变压器的垂直方向上，所述磁体层位于所述次级绕组层的第一侧，所述初级绕组层位于所述次级绕组层的第二侧，其中，所述次级绕组层的第一侧与第二侧相对。
优选地，所述初级绕组层和次级绕组层的出线端均设在远离所述磁体层的一侧。
优选地，所述磁体层的面积不小于所述初级绕组层中线圈的主体部分的面积，且不小于所述次级绕组层中线圈的主体部分的面积。
优选地，所述磁体层的材料为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉、金属粉芯、非晶带材、纳米晶带材之一。
第二方面，提供一种功率变压器制作方法，其特征在于，包括：
提供一磁体层，
形成层叠的第一绕组层和第二绕组层，其所在的平面均与所述磁体层平行，
其中，在所述变压器的垂直方向上，所述第一绕组层以及所述第二绕组层位于所述磁体层的同一侧。
第三方面，提供一种功率变压器的制作方法，其特征在于，包括：在基板上镀铜以形成第一绕组层，并包封形成包封体；
在所述包封体上打孔，并镀铜填孔；
在所述包封体上镀铜以形成第二绕组层；
在所述第二绕组层上添加磁体层，并再次包封。
优选地，所述磁体层为片状的薄膜磁体。
优选地，所述第一绕组层为初级绕组层，所述第二绕组层为次级绕组层。
优选地，所述第一绕组层和所述第二绕组层的出线端均设在远离所述磁体层的一侧，所述第二绕组层通过所述孔出线。
优选地，所述磁体层的面积不小于所述第一绕组层中线圈的主体部分的面积，且不小于所述第二绕组层中线圈的主体部分的面积。
优选地，所述磁体层的材料为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉、金属粉芯、非晶带材、纳米晶带材之一。
本发明的功率变压器，通过采用一个磁体层的磁芯结构，并将位于所述磁体层的同一侧的至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层设置为平面绕组，且其所在的平面均与所述磁体层平行。从而可以实现比现有的有磁芯的变压器具有更薄的尺寸，且实现比现有的无磁芯的变压器具有较高的耦合系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的功率变压器的结构图；
图2为本发明的功率变压器的IC封装工艺流程图；
图3为本发明的功率变压器的两种绕组布置的示意图；
图4为现有的和本发明的功率变压器的磁路示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1为本发明的功率变压器的结构图。如图所示，功率变压器10有且仅有一个磁体层11，以及，至少一个初级绕组层13和至少一个次级绕组层12，初级绕组层13和次级绕组层12所在的平面均与磁体层11平行，且初级绕组层13和次级绕组层12位于磁体层11的同一侧，图1中的实施方式为均设置在磁体层11的上侧。需要说明的是，本发明实施例中，假设次级绕组层12临近磁体层11，即在变压器的垂直方向上，磁体层11位于次级绕组层12的第一侧，初级绕组层13位于次级绕组层12的第二侧，其中，次级绕组层12的第一侧与第二侧相对。当然，在其他实施方式中，也可以选择初级绕组层13临近磁体层11。
优选地，磁体层11为片状的薄膜磁体，以减小功率变压器10的厚度。磁体层11的材料可以选用锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉、金属粉芯、非晶带材、纳米晶带材等中的之一。进一步地，片状的薄膜磁体可以为流延铁氧体薄膜，优选采用锰锌铁氧体或者镍锌铁氧体以提高磁导率和饱和磁感应强度，并使得磁损耗降低。
进一步地，磁体层11的覆盖面积不小于初级绕组层13中线圈的主体部分的面积，且不小于次级绕组层12中线圈的主体部分的面积，从而为主磁通提供磁阻较小的路径，以达到提高耦合系数的目的。另外，磁体层11的形状可以选用方形或者圆形，只要能覆盖线圈的主体部分即可。
初级绕组层13和次级绕组层12可以利用IC封装工艺实现。再次参考图1，磁体层11选用片状薄膜磁芯，可以为用流延工艺形成的铁氧体薄膜。目前工艺的厚度大概为0.08mm到0.6mm。初级绕组层13和次级绕组层12中的线圈结合IC封装工艺实现时，当选用铜线时，其厚度理论上可以做到0.27mm(10um铜厚度，0.15mm薄膜铁氧体厚度)。当然，在具体设计中，可能会使用常规厚度50um的铜，0.2mm的铁氧体。这样的话，变压器厚度也可以控制在0.5mm附近。这比传统的商品变压器厚度至少减少了三分之二。可以理解的是，初级绕组层13和次级绕组层12中的线圈也可以选用其他材料的绕线，例如银。
初级绕组层13和次级绕组层12也可以利用PCB板工艺实现。初级绕组层13和次级绕组层12中的线圈用PCB板实现时，当选用RDL铜线时，其厚度可以做到0.4mm(0.25mm PCB板，0.15mm薄膜铁氧体)，甚至更薄。
需要说明的是，本发明的功率变压器不限于只有一个初级绕组层13和一个次级绕组层12的结构，其中，初级绕组层13和次级绕组层12均可以具有多个，以满足不同应用场合下的设计要求。当具有多个初级绕组层13和多个次级绕组层12的场合，由于PCB板工艺的自身特点，可以更好地进行多层布线。
优选地，初级绕组层13和次级绕组层12的中的线圈的出线端均设在远离磁体层11的一侧。相较于传统的绕组两侧都具有磁芯的变压器，本发明的功率变压器10由于只具有一个磁体层11，因此，初级绕组层13和次级绕组层12远离磁体层11的那一侧，在没有磁体层阻碍的情况下，可以较为方便的引出出线端。
在一个优选的实施方式中，根据电路仿真结果，当设置次级绕组层12临近磁体层11，初级绕组层13临近次级绕组层12时，正如图1中所示的绕组设置方式，能够实现较高的耦合系数。
本发明的功率变压器可以适用的电路拓扑可以为电力电子领域，应用传统变压器的所有拓扑。另外，本发明的功率变压器的两个绕组层，同样可以是耦合电感的两个绕组，作为耦合电感使用。
至此可知，本发明功率变压器，通过采用一个磁体层的磁芯结构，并将位于所述磁体层的同一侧的至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层设置为平面绕组，且其所在的平面均与所述磁体层平行。从而可以实现比现有的有磁芯的变压器具有更薄的尺寸，且实现比现有的无磁芯的变压器具有较高的耦合系数。
图2为本发明的功率变压器的IC封装工艺流程图。如图2所示，本发明的功率变压器的制作方法，包括：
S1、在基板上镀铜以形成第一绕组层21，并包封形成包封体；
S2、在所述包封体上打孔，并镀铜填孔；
S3、在所述包封体上镀铜以形成第二绕组层22；
S4、在所述第二绕组层上添加磁体层23，并再次包封。
具体地，如图2a中，示出了在基板上镀铜以形成第一绕组层21，图2b示出了对第一绕组进行并包封形成包封体；图2c示出了在所述包封体上打孔，图2d示出了对所述孔进行镀铜填孔；图2e示出了在所述包封体上镀铜以形成第二绕组层22；图2f示出了在所述第二绕组层上添加磁体层23，图2g示出了再次包封成型。
优选地，第一绕组层21为初级绕组层，第二绕组层22为次级绕组层。且第一绕组层21和第二绕组层22的出线端均设在远离磁体层23的一侧，由于第一绕组层21的下面没有遮挡物，可以直接引出出线端，但第二绕组层22需要通过所述镀铜的孔出线。
在一个优选的实施方式中，根据电路仿真结果，磁体层23的面积不小于第一绕组层21中线圈的主体部分的面积，且不小于第二绕组层22中线圈的主体部分的面积，能够实现较高的耦合系数。
图3为本发明的功率变压器的两种绕组布置的示意图，下面结合仿真模型进行阐述。本发明提出的结构作为功率变压器需要确认的是初次级之间具备高耦合系数，初级绕组和次级绕组的位置可以有图3a和图3b中的两种设置方法：图3a中，设置为初级绕组PRI临近磁体层，次级绕组SEC远离磁体层时，得到耦合系数K＝0.905；图3b中，设置为初级绕组PRI远离磁体层，次级绕组SEC临近磁体层时，得到耦合系数K＝0.983。由此可以看出，两种绕组的设置方法都可以实现0.9以上的较高的耦合系数，且进一步地，将次级绕组SEC贴近磁体层的方式可以实现初次级绕组之间具有更高的耦合系数。
图4为现有的和本发明的功率变压器的磁路示意图。下面结合图4阐述本发明的功率变压器的初次级绕组之间的耦合系数比无磁芯盖板的空心变压器的耦合系数高的原因。图4a是无磁芯盖板的空心变压器磁路示意图，图4b为本发明的功率变压器的磁路示意图。其中，漏磁通回路用虚线表示，主磁通回路用实线表示。相较于无磁芯盖板的空心变压器，本发明的功率变压器，主要起传输作用的主磁通回路的路径会因为磁体层的存在，使得磁路的磁阻减小很多，因此，耦合到次级绕组中的主磁通所占比例会增加，从而耦合系数会更高。
至此可知，本发明功率变压器，通过采用一个磁体层的磁芯结构，并将位于所述磁体层的同一侧的至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层设置为平面绕组，且其所在的平面均与所述磁体层平行。从而可以实现比现有的有磁芯的变压器具有更薄的尺寸，且实现比现有的无磁芯的变压器具有较高的耦合系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种功率变压器，其特征在于，包括：
有且仅有一个磁体层；以及，
至少一个初级绕组层和至少一个次级绕组层，其所在的平面均与所述磁体层平行；
其中，在所述变压器的垂直方向上，所述初级绕组层以及所述次级绕组层位于所述磁体层的同一侧。
2.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述磁体层为片状的薄膜磁体。
3.根据权利要求2所述的功率变压器，其特征在于，所述片状的薄膜磁体为流延铁氧体薄膜。
4.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述初级绕组层和次级绕组层利用IC封装工艺实现。
5.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述初级绕组层和次级绕组层利用PCB板工艺实现。
6.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述次级绕组层临近所述磁体层，所述初级绕组层临近所述次级绕组层。
7.根据权利要求6所述的功率变压器，其特征在于，在所述变压器的垂直方向上，所述磁体层位于所述次级绕组层的第一侧，所述初级绕组层位于所述次级绕组层的第二侧，其中，所述次级绕组层的第一侧与第二侧相对。
8.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述初级绕组层和次级绕组层的出线端均设在远离所述磁体层的一侧。
9.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述磁体层的面积不小于所述初级绕组层中线圈的主体部分的面积，且不小于所述次级绕组层中线圈的主体部分的面积。
10.根据权利要求1所述的功率变压器，其特征在于，所述磁体层的材料为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉、金属粉芯、非晶带材、纳米晶带材之一。
11.一种功率变压器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一磁体层，
形成层叠的第一绕组层和第二绕组层，其所在的平面均与所述磁体层平行，
其中，在所述变压器的垂直方向上，所述第一绕组层以及所述第二绕组层位于所述磁体层的同一侧。
12.一种功率变压器的制作方法，其特征在于，包括：在基板上镀铜以形成第一绕组层，并包封形成包封体；
在所述包封体上打孔，并镀铜填孔；
在所述包封体上镀铜以形成第二绕组层；
在所述第二绕组层上添加磁体层，并再次包封。
13.根据权利要求12所述的功率变压器的制作方法，其特征在于，所述磁体层为片状的薄膜磁体。
14.根据权利要求12所述的功率变压器的制作方法，其特征在于，所述第一绕组层为初级绕组层，所述第二绕组层为次级绕组层。
15.根据权利要求12所述的功率变压器的制作方法，其特征在于，所述第一绕组层和所述第二绕组层的出线端均设在远离所述磁体层的一侧，所述第二绕组层通过所述孔出线。
16.根据权利要求12所述的功率变压器的制作方法，其特征在于，所述磁体层的面积不小于所述第一绕组层中线圈的主体部分的面积，且不小于所述第二绕组层中线圈的主体部分的面积。
17.根据权利要求12所述的功率变压器的制作方法，其特征在于，所述磁体层的材料为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铁粉、金属粉芯、非晶带材、纳米晶带材之一。
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