CN116569291A - 包括通风通道和多层绕组的嵌入式磁性组件装置 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括：基板，包括空腔；磁芯，在空腔中；第一绕组，围绕磁芯延伸；以及单个通道，在空腔和该装置的外部之间延伸，并限定开口。第一绕组包括沿着磁芯的外周边与通道相对的过孔。

Description

包括通风通道和多层绕组的嵌入式磁性组件装置

技术领域

本发明涉及嵌入式磁性组件装置。更具体地，本发明涉及包括单个通风通道和多层绕组的嵌入式磁性组件装置。

背景技术

诸如变压器和转换器之类的电源装置包括诸如变压器绕组之类的磁性组件，并且通常包括磁芯。磁性组件通常对装置的重量和尺寸贡献最大，使得小型化和降低成本变得困难。

为了解决这个问题，已知提供了低轮廓的变压器和电感器，其中，磁性组件嵌入在树脂基板的空腔中，并且变压器或电感器的输入和输出电连接形成在基板表面上。然后电源装置的印刷电路板(PCB)可以通过向基板的顶表面和/或底表面添加阻焊剂层和镀铜层来形成。然后电子组件可以被表面安装在PCB上。这允许构建明显更紧凑和更薄的装置。

例如，具有磁性组件的封装结构可以集成到PCB中。在这种结构中，在由环氧基玻璃纤维制成的基板中形成空腔，并且环形磁芯插入空腔中。然后用环氧树脂凝胶填充空腔中的剩余空间，使得磁性组件被完全覆盖。然后固化环氧凝胶，形成具有嵌入磁芯的固体基板。

然后用于形成初级和次级侧变压器绕组的通孔在环形磁性组件的内侧和外侧圆周上的基板中钻出。然后通孔镀铜以形成过孔，并且在基板的顶表面和底表面上形成金属迹线，以将各个过孔连接在一起形成绕组配置，并且形成输入和输出端子。以这种方式，在磁性组件周围产生线圈导体。线圈导体包括在嵌入式变压器中，并且具有初级和次级绕组。嵌入式电感器可以以相同或相似的方式形成，但是可以根据输入和输出连接、过孔的间距、以及所使用的磁芯的类型而变化。

以这种方式制造的装置有许多相关的问题。具体地，当环氧凝胶固化时，可能在环氧凝胶中形成气泡。在基板的表面上回流焊接电子组件期间，这些气泡会膨胀并导致装置的故障。另外，由磁芯、环氧凝胶和基板的热膨胀系数之间的差异引入的机械应力会导致磁芯破裂。

为了解决这个问题，可以制造一种装置结构，其中，不使用环氧凝胶填充空腔，并且在磁芯和空腔的侧面之间保持空气间隙。在这种情况下，初级和次级绕组之间的间距必须很大以实现高隔离值，因为隔离仅受空腔中或装置的顶表面和底表面处的空气的介电强度的限制。隔离值也可能受到空腔或表面被湿气和/或灰尘污染的不利影响。

为了最小化空腔的污染，在中国(台湾)专利申请TWM471030中已经提出了嵌入式磁性组件装置的电路板封装结构100，其中，空腔通向嵌入式磁性组件装置的外部。例如，图1示出了包括环形空腔116的母基板110，每个环形空腔116包括圆形磁性组件130。如图所示，环形空腔116在D1方向上通过通道或狭槽118相互连接。在磁性组件130被放置在环形空腔116中之后，沿着线段(例如，线L1-L4)切割母基板110，以产生具有面积A1的单独装置基板。如图2所示，沿着线段L1和L2切割连接通道118在环形空腔116和单独装置基板的外部之间产生了空气路径。

图2示出了单独嵌入式磁性组件装置的绝缘基板301的示例。如图所示，绝缘基板301包括空腔302和形成在圆形空腔302和基板301的外边缘之间的两个通道303。通道303产生开口或通风孔，以允许空气在空腔302和基板301的外部之间流动。通道303的存在意味着在制造嵌入式磁性组件装置的后续阶段期间，空气可以流入和流出空腔302。因此，在制造的粘合剂固化和随后的回流焊接阶段期间，形成会对嵌入式磁性组件装置造成损坏的空隙的可能性大大降低。此外，当嵌入式磁性组件装置完成时，通道303和空腔302中的空气间隙有助于在操作期间冷却嵌入式磁性组件装置。

然而，使用图2所示的基板301形成的嵌入式磁性组件装置具有固有的问题。例如，图3示出了通道303减小了可以用于定位连接初级绕组410和次级绕组420的金属迹线413、423的通孔或过孔411、412、421、422的基板的面积。增加绕组中的匝数需要更多的通孔，并且可能需要增加基板尺寸以适应所需的增加面积。另外，用空气代替形成通道303所需的基板301的绝缘材料降低了通道区域中的介电强度。由于对高电压的介电强度较小，空气的通道303会变成爬电路径和间隙路径。隔离值也可能受到空腔或表面被污垢污染的不利影响。因此，在磁芯304和绕组之间可能需要更多空间。

例如，为了满足EN/UL60950的绝缘要求，对于电源参考电压(即250Vrms)，需要通过固体绝缘体来实现0.4mm的隔离距离。图3是暴露上部绕组层的嵌入式磁性组件装置的顶视图。在左手侧示出了变压器的初级绕组410，并且在右手侧示出了变压器的次级绕组420。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420必须彼此充分隔离。在图3中，基板305的中心区域，即由芯腔的内壁限定的区域(由同心虚线圆示出)限定了初级绕组410和次级绕组420之间的隔离区域430。初级绕组410和次级绕组420的内过孔412和422之间的最小距离是隔离距离，并且在图3中由箭头432示出。

然而，图3所示的嵌入式磁性组件装置存在初级绕组410和次级绕组420之间的耦合以及大漏电感的问题。在操作中，大漏电感会导致电压浪涌，从而损坏连接的电路，包括开关组件。另外，当电路以高频操作时，漏电感会导致功率传输延迟和负载调节不佳。磁芯内部的空间是有限的，并且如果需要更多的绕组匝数和对应的通孔，装置尺寸将需要增加，同时保持最小的隔离距离。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供了具有改善的隔离特性的嵌入式磁性组件装置。该嵌入式磁性组件装置可以包括以下特征中的一个或多个：

1)第一电绕组和第二电绕组，其中，第一电绕组比第二电绕组更靠近磁芯；

2)具有底壁的单个通风通道，该底壁具有与通道开口相邻的开口凹部；

3)在磁芯的相对侧上的限定单个通风通道的凹槽；

4)具有沿着磁芯的外周边与单个通风通道相对的过孔的绕组。

本发明的优选实施例还提供了制造这种嵌入式磁性组件装置的方法。本发明的优选实施例提供了母基板和制造嵌入式磁性组件装置的单独基板的方法，这种单独基板可以由母基板制成。

在本发明的优选实施例中，嵌入式磁性组件装置包括：绝缘基板，包括空腔和相对的第一侧和第二侧；磁芯，在空腔中，并包括内周边和外周边；第一电绕组和第二电绕组，延伸穿过绝缘基板，并围绕磁芯，第一电绕组和第二电绕组中的每一个包括：上迹线，位于绝缘基板的第一侧上；下迹线，位于绝缘基板的第二侧上；内部导电连接器，延伸穿过绝缘基板并与磁芯的内周边相邻，内部导电连接器分别限定相应的上迹线和相应的下迹线之间的电连接；以及外部导电连接器，延伸穿过与磁芯的外周边相邻的绝缘基板，外部导电连接器分别限定相应的第一上迹线和相应的第一下迹线之间的电连接；顶部覆盖物，在第二电绕组的上迹线上；底部覆盖物，在第二电绕组的下迹线上；以及通道，位于绝缘基板中，并限定将空腔连接到绝缘基板外部的开口。第一电绕组比第二电绕组更靠近磁芯。

嵌入式磁性组件装置还可以包括位于空腔底部的粘合剂层，以将磁芯固定在空腔中。第二电绕组的上迹线和下迹线可以比第一电绕组的上迹线和下迹线宽。第二电绕组可以与第一电绕组重叠。

第一电绕组的上迹线可以与第二电绕组的上迹线在绝缘基板的不同层上，并且第一电绕组的下迹线可以与第二电绕组的上迹线在不同层上。

磁芯可以为八边形。

第一隔离层可以位于绝缘基板的第一侧上并在第一电绕组和第二电绕组之间，并且第二隔离层可以位于绝缘基板的第二侧上并在第一电绕组和第二电绕组之间。

第一隔离层和/或第二隔离层可以包括单个层。

可以在绝缘基板中与通道所在侧相对的一侧上提供凹槽。

在本发明的优选实施例中，一种制造嵌入式磁性组件装置的方法包括：在绝缘基板中形成空腔，该绝缘基板包括第一侧和与第一侧相对的第二侧；在空腔和绝缘基板的边缘之间形成通道；在空腔中安装磁芯，该磁芯包括内周边和外周边；形成延伸穿过绝缘基板并围绕磁芯的第一电绕组和第二电绕组，第一电绕组和第二电绕组中的每一个包括：上迹线，位于绝缘基板的第一侧上；下迹线，位于绝缘基板的第二侧上；内部导电连接器，延伸穿过绝缘基板并与磁芯的内周边相邻，内部导电连接器分别限定相应的上迹线和相应的下迹线之间的电连接；以及外部导电连接器，延伸穿过与磁芯的外周边相邻的绝缘基板，外部导电连接器分别限定相应的第一上迹线和相应的第一下导电迹线之间的电连接；在第二电绕组的上迹线上形成顶部覆盖物；以及在第二电绕组的下迹线上形成底部覆盖物。第一电绕组比第二电绕组更靠近磁芯。

第二电绕组的上迹线和下迹线可以比第一电绕组的上迹线和下迹线宽。第二电绕组可以包括在每个相应的第一上迹线和相应的第一下迹线之间的两个外部导电连接器。第二电绕组可以与第一电绕组重叠。

连接到第一电绕组的上迹线可以与连接到第二电绕组的上迹线在不同的层上，并且连接到第一电绕组的下迹线可以与连接到第二电绕组的下迹线在不同的层上。

绝缘基板中的凹槽可以位于与通道所在侧相对的一侧上。通道的底部的一部分可以比通道的顶部短。凹槽的底部的一部分可以比凹槽的顶部短。通道可以将空腔连接到嵌入式磁性组件装置的外部，而凹槽不连接空腔和嵌入式磁性组件装置的外部。

在本发明的优选实施例中，一种装置包括：基板，包括空腔；磁芯，在空腔中；第一绕组，围绕磁芯延伸；以及单个通道，在空腔和装置的外部之间延伸，限定开口，并包括具有与开口相邻的开口凹部的底壁。

在本发明的优选实施例中，一种装置包括：基板，包括空腔；磁芯，在空腔中；第一绕组，围绕磁芯延伸；单个通道，在空腔和装置的外部之间延伸，并限定开口；以及凹槽，位于磁芯的与单个通道相对的一侧上，不在空腔和装置的外部之间延伸，并限定开口。

单个通道和凹槽两者都可以包括底壁，该底壁具有与开口相邻的开口凹部。

在本发明的优选实施例中，一种装置包括：基板，包括空腔；磁芯，在空腔中；第一绕组，围绕磁芯延伸；以及单个通道，在空腔和装置的外部之间延伸，并限定开口。第一绕组包括沿着磁芯的外周边与通道相对的过孔。

该装置还可以包括：第二绕组，围绕磁芯并围绕第一绕组的一部分延伸；第一覆盖物，位于基板的第一表面上，并覆盖第二绕组的第一部分；以及第二覆盖物，位于基板的第二表面上，并覆盖第二绕组的第二部分；其中，第一绕组和第二绕组仅围绕磁芯的相同一半延伸。

在本发明的优选实施例中，一种模块包括：根据本发明的其它各种优选实施例中的一个优选实施例的装置；电子组件，安装在第一覆盖物和/或第二覆盖物上；以及保形涂层或模制材料，覆盖电子组件。

该模块可以是谐振转换器，该谐振转换器的谐振频率由第一绕组和第二绕组的重叠确定。

在本发明的优选实施例中，母基板包括：基板；第一空腔和第二空腔；第一通道和第二通道；第一通孔和第二通孔。第一空腔连接到第一通道的第一端，并且不连接到任何其他通道；第一通孔位于第一通道的与第一端相对的第二端；第二空腔连接到第二通道的第一端，并且不连接到任何其他通道；并且第二通孔位于第二通道的与第一端相对的第二端。

在本发明的优选实施例中，一种制造装置基板的方法包括：提供母基板；以及切割母基板以提供第一装置基板和第二装置基板。切割步骤包括：将第一通孔和第二通孔中的每一个分成第一部分和第二部分，并且将第一通道和第二通道中的每一个分成空腔连接部分和非连接部分。第一装置基板包括第一通道的具有第一通孔的第一部分的空腔连接部分，并且包括第二通道的具有第二通孔的第二部分的非连接部分。第二装置基板包括第二通道的具有第二通孔的第一部分的空腔连接部分，并且包括第一通道的具有第一通孔的第二部分的非连接部分。

该方法还可以包括：在切割步骤之前，将电路组件安装到母基板。

在本发明的优选实施例中，一种母基板包括：基板；第一空腔和第二空腔；单个通道，连接第一空腔和第二空腔；以及通孔，在单个通道中。第一空腔和第二空腔不连接到任何其他通道。

在本发明的优选实施例中，一种制造装置基板的方法包括：提供根据本发明的其它各种优选实施例中的一个优选实施例的母基板，以及切割母基板以提供第一装置基板和第二装置基板。切割步骤包括：将通孔分成第一部分和第二部分，以及将单个通道分成第一部分和第二部分。第一装置基板包括通孔的第一部分和单个通道的第一部分。第二装置基板包括通孔的第二部分和单个通道的第二部分。

根据下面参照附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其他特征、元件、特性、步骤和优点将变得更加明显。

附图说明

图1和图2示出了相关技术的嵌入式磁性组件装置的基板的配置。

图3示出了相关技术的嵌入式磁性组件的俯视图。

图4A示出了具有单个通道的嵌入式磁性组件装置的平面图。

图4B示出了沿着图4A的嵌入式磁性组件装置的线A-A的截面图。

图5示出了基板阵列的具有单个通道的母基板的配置。

图6示出了基板阵列的具有单个通道的母基板的备选配置。

图7-图10示出了具有缠绕在磁芯的一侧的绕组的嵌入式磁性组件装置。

图11-图13示出了电路模块，电路组件安装在该电路模块的顶表面上。

图14示出了可以包括具有单个通道的嵌入式磁性组件装置的DC-DC转换器电路的电路图。

具体实施方式

图4A和图4B示出了嵌入式磁性组件装置包括基板401、圆形空腔402、在空腔402和嵌入式磁性组件装置的外部之间形成通风孔的通道403、以及空腔402内的磁芯404。在图4A中用虚线表示磁芯404的轮廓。图4A中的较小圆圈示出了穿过基板401的过孔或导电连接器405，其可以通过连接顶部导电迹线和底部导电迹线(图4A中未示出)的通孔被金属化，这些导电迹线限定了嵌入式磁性组件装置的一个或多个绕组的部分。取决于绕组的布置，嵌入式磁性组件装置可以包括变压器或电感器。图4A中的交叉影线表示不应该设置过孔405的禁止区域。该禁止区域提供了磁芯404和过孔405之间的最小距离，从而可以在磁芯404和过孔405之间保持最小的爬电距离和间隙距离。尽管在虚线框406内没有示出过孔405，但是框406内的区域可用于定位过孔405，因为在空腔402的左侧没有通道。因此，与相关技术的配置中的包括多于一个通道的相同区域相比，可以在绕组中提供更多过孔和匝。

绝缘基板401可以由诸如FR4之类的树脂材料形成。FR4是一种复合‘预浸’材料，其由浸渍有环氧树脂粘合剂的编织玻璃纤维布组成。树脂被预干燥，但没有硬化，使得当树脂被加热时，树脂流动并作为玻璃纤维材料的粘合剂。已经发现FR4具有良好的热和绝缘性能。用于容纳磁芯404的圆环或空腔402在绝缘基板401中布线或以其他方式形成。

空腔402仅包括形成在圆形空腔402和基板401的外边缘之间的一个通道403。当刳刨机钻头开始和结束圆形空腔402的刳刨过程时，通道403可以由刳刨机钻头形成。即，刳刨机钻头可以经由同一通道403进入和离开基板401。备选地，可以通过以形成空腔402和通道403的形状堆积树脂层来形成圆形空腔402和通道403。可选地，城堡形部分445可以包括在基板401中。通道403的底壁可以包括凹部409。如图4A所示，凹部409可以仅沿凹部409的周边的一部分用壁打开，而不必沿凹部409的整个周边用壁封闭。当切割包括通孔的母基板时，可以形成凹部409，分割通孔，如下面关于图5所讨论的。凹部409可以由如图5所示的单个通孔形成，或者由如图13所示的两个或更多个通孔形成。

在磁芯404插入空腔402之后，可以将粘合剂施加到空腔402的底部，以将磁芯404固定在适当的位置。空腔402可以略大于磁芯404，从而在磁芯404和空腔402的侧面之间保持空气间隙。磁芯404可以手动安装在空腔中，或者通过诸如取放机之类的表面安装装置安装在空腔中。磁芯404可以位于粘合剂上，从而在磁芯404和空腔402的内表面之间形成牢固的接合。如果粘合剂是热活化的，粘合剂的固化步骤可以立即进行，或者随后与在装置上形成后续绝缘层的步骤一起进行。

图5示出了具有基板501阵列的母基板500，基板501具有单独的空腔502和通道503。线段L5(示出为水平虚线和垂直虚线)指示母基板500将被切割以形成单独的基板501的位置。另外，穿过通道503的底部的通孔509可以位于通道503中。该通孔509允许湿气或任何流体在处理期间逸出。例如，诸如当在空腔502和通道503上方层压顶部覆盖物时，或者当将电路组件焊接到顶表面和/或底表面时，通道503中的任何水或清洗液可以被蒸发，并且允许在包括切割前加热的后续过程期间逸出，。如下面进一步讨论的，电路组件可以在切割之前安装到母基板500的顶表面和/或底表面。

因为通孔509可以位于从磁芯到相邻电路的初级电路或次级电路的高压电路径中，所以通孔509可以远离空腔502朝向通道503的外部定位。在沿着线段L5切割的过程中，母基板500中的对准的通孔509可以被分成第一部分和第二部分，并且通道503可以被分成连接到空腔502的连接部分和不连接到空腔502的非连接部分。所得的单独基板501中的每一个包括单个空腔502、通道502中的一个通道的与分开的通孔509中的一个通孔的第一部分的连接部分、以及另一通道502的与分开的通孔中的另一通孔的第二部分的非连接部分。

尽管图5示出了切割之前母基板中的通道503，但是可以在切割母基板500之后将通道503添加到基板501中的每一个。通道503可以通过布线、铣削、切割或任何其他合适的方法来添加。还可以在基板501中提供与通道503相对的第二通道(未示出)。第二通道可以在切割之前添加到母基板500，或者可以在切割之后添加到基板501。

参照图4B，在磁芯404插入空腔402之后，绝缘层407被固定或层压在基板401上，以覆盖空腔402和磁芯404。该绝缘层407可以由与基板401相同的材料制成，这有助于基板401的顶表面和第一绝缘层407的下表面之间的接合。因此，该绝缘层407可以是层压到基板401上的FR4。层压可以经由粘合剂或经由预浸材料层之间的热激活接合来进行。备选地，其他材料可以用于绝缘层407。

以这种方式切割包括通道、通道中的孔和覆盖绝缘层的单独基板导致具有如图4B所示的横截面的嵌入式磁性装置。在一侧，通道403将磁芯404暴露于嵌入式磁性组件装置的外部，并且提供用于冷却的空气路径。与通道403相对，另一侧可以具有凹槽408，该凹槽408不延伸到空腔402，但是提供了用于冷却的增加的表面积。这种配置还提供了区域406，其中可以提供孔和过孔405。如上所述，凹槽408可以用从磁芯404延伸到嵌入式磁性组件装置的外部的通道来代替。

在随后的步骤中，穿过绝缘基板401和绝缘层407制作用于过孔405的通孔。该通孔设置在可以形成初级绕组和次级绕组的过孔或导电连接的合适位置。由于嵌入式磁性组件装置包括圆形或环形的磁芯404，因此通孔沿着与空腔402的内侧和外侧上的禁止区域外侧的内圆周和外圆周相对应的两个圆弧的部分设置。通孔可以通过钻孔或其他合适的技术形成。钻孔可以包括例如使用钻头或激光。由于通道403的存在，通孔和随后的过孔405不能位于空腔402周围的3点钟位置，因为这将在通道403中放置孔，而没有形成过孔405所需的从基板401的顶部到底部的连续支撑。然而，区域406内的9点钟位置可用于在其中定位通孔和过孔405。图4A中示出了用于形成导电过孔405的通孔的示例图案的图示。

图6示出了具有备选的基板601阵列的母基板600，该基板601具有与图5所示不同的单独的空腔602、通道603和通孔609。线段L6(由水平虚线和垂直虚线示出)指示母基板600将被切割以形成单独的基板601的位置。如图6所示，来自两个相邻的基板601的空腔602通过具有一个通孔609的一个通道603连接。通孔609允许湿气或任何流体在处理期间逸出。例如，诸如当在空腔602和通道603上方层压顶部覆盖物时，或者当将电路组件焊接到顶表面和/或底表面时，通道603中的任何水或清洗液可以被蒸发，并且允许在包括切割前加热的后续过程期间逸出。如下面进一步讨论的，电路组件可以在切割之前安装到母基板600的顶表面和/或底表面。在沿着线段L6切割的过程中，通道603和通孔609被一分为二，使得每个单独的基板601将包括一个空腔602、以及通道603和通孔609的一部分。以这种方式制造的单独的基板601具有与参照图4和图5描述的那些相同的优点，并且具有附加的优点，即在通道603的相对侧上有更多空间来包括用于过孔的通孔，因为在孔509被一分为二之后，在那个位置没有通道的剩余部分，如图4B所示。

图7-图10示出了具有多层绕组的嵌入式磁性组件装置。该多层绕组包括缠绕在磁芯710的一侧的初级绕组720和次级绕组730。

图7示出了具有多层绕组的嵌入式磁性组件装置，其包括磁芯710、初级绕组720、以及初级绕组720的外部的次级绕组730。图7中所示的磁芯710为八边形，但是也可以使用其他形状，包括例如椭圆形、矩形。如果使用带角的形状，则角可以是尖的或圆的。例如，磁芯710可以具有带圆角的八边形形状，或者可以具有带圆角的矩形形状。初级绕组720和次级绕组730中的每一个都由通过过孔连接的迹线限定。尽管次级绕组730被示出为在初级绕组720的外部，但是内部绕组可以是次级绕组730，并且外部绕组可以是初级绕组720。

初级绕组720和次级绕组730仅围绕磁芯710的相同一半延伸。如图7-图10所示，有可能初级绕组720或次级绕组730的任何一匝都不围绕磁芯710的另一半延伸。初级绕组720和次级绕组730可以具有任意匝数。在一些应用中，辅助绕组(未示出)可以围绕初级绕组720和次级绕组730围绕其延伸的磁芯710的相同一半和/或初级绕组720和次级绕组730不围绕其延伸的磁芯710的另一半延伸。

初级绕组720可以包括在延伸穿过磁芯710的孔中的两排内过孔和在磁芯710的外部的一排外过孔。次级绕组730可以包括在延伸穿过磁芯710的孔中的一排内过孔和在磁芯710的外部的一排外过孔。

如图7所示，初级绕组720和次级绕组730的内过孔可以布置成三排。但是其他布置也是可能的。

如图7所示，初级绕组720的一排外过孔可以与磁芯710的外周边的一部分相邻，并且可以沿着磁芯710的外周边的一部分延伸。次级绕组730的一排外过孔可以与初级绕组720的一排外过孔相邻，并且与初级绕组730的一排外过孔相比，与磁芯710间隔得更远。初级绕组720和次级绕组730的外过孔可以沿着磁芯710的外周边的一部分延伸，该部分小于磁芯710的整个外周边的一半。例如，如果磁芯710具有如图7所示的八边形形状，则初级绕组720和次级绕组730的外过孔可以沿着磁芯710的一侧、两侧或三侧延伸。如果磁芯710具有矩形形状，则初级绕组720和次级绕组130的外过孔可以沿着磁芯710的一侧延伸。

限定磁芯710的内周边的磁芯710中间的孔可以具有任何合适的形状。例如，在图7中，内周边和外周边两者可以具有相同的八边形形状。但是内周边和外周边可以具有不同的形状。

如前所述，磁芯710可以安装在可以在绝缘基板中形成的空腔内。第一绝缘层可以固定或层压在基板的顶部上，以覆盖空腔和磁芯710。第一绝缘层可以包括限定初级绕组720的一部分的迹线的第一金属层，或者可以随后添加该金属层。基板的底表面可以包括限定初级绕组720的另一部分的迹线的第二金属层，或者可以随后添加该第二金属层。可选地，第二绝缘层和第二金属层可以固定到基板的底部。

随后，第三绝缘层和第三金属层可以固定或层压在第一绝缘层的顶部上，以限定次级绕组730的一部分的迹线。第四绝缘层和第四金属层可以固定或层压在基板的底表面或第二绝缘层上，以限定次级绕组730的另一部分的迹线。

如图8所示，可以使用附加的绝缘层。例如，在基板和第一绝缘层之间可以包括一个或多个附加绝缘层，在第一绝缘层和第三绝缘层之间可以包括一个或多个附加绝缘层，在基板和第二绝缘层之间可以包括一个或多个附加绝缘层，并且在第四绝缘层和基板或第二绝缘层之间可以包括一个或多个附加绝缘层。另外，还可以在装置的外部添加附加绝缘层，以覆盖任何暴露的金属层。用附加绝缘层覆盖暴露的金属层可以减少绕组和位于装置的外部的任何安装构件之间的爬电距离和间隙距离。

添加的绝缘层可以由与基板相同的材料形成，以促进基板的顶表面和底表面与中间绝缘层之间的接合。因此，添加的绝缘层可以层压到基板上且彼此层压。层压可以通过施加粘合剂或通过在预浸材料层之间执行热激活接合来执行。基板和附加绝缘层可以是FR4、G10或任何其他合适的材料。备选地，添加的绝缘层和基板可以包括不同的材料。

图8示出了图7所示的嵌入式磁性组件装置的侧截面图。图8示出了可以穿过基板和附加绝缘层形成过孔825和835，以将顶部绕组层和底部绕组层相互连接。图8示出了磁芯710、初级绕组720、次级绕组730、连接初级绕组720的内层的过孔825、以及连接次级绕组730的外层的过孔835。图8还示出了将空腔和磁芯710通向嵌入式磁性组件装置的外部的通道703。

磁芯710可以是铁氧体磁芯，因为这为装置提供了所需的电感。其他类型的磁性材料和作为在绕组之间形成的未填充空腔的空气芯也是可能的。尽管在所示示例中磁芯710具有八边形形状，但是它可以具有不同的形状。磁芯710的八边形形状使磁芯内的用于感应磁场的磁空间和用于过孔825和835的物理空间最大化。磁芯710可以涂有绝缘材料，以降低在导电磁芯710与过孔825和835或迹线之间发生击穿的可能性。初级绕组靠近次级绕组的这种配置改善了耦合、电感和电阻，同时最小化或减小了物理尺寸。例如，耦合可以从图3所示配置中的大约0.916提高到图7-图10所示配置中的大约0.991。另外，漏电感和诸如图14所示的使用嵌入式变压器的谐振转换器的谐振频率可以通过初级绕组720和次级绕组730的重叠部分来控制。

在不包括任何绕组的磁芯710的另一部分上可以包括附加绕组。然而，在这种情况下，变压器的物理尺寸会增加，并且穿过磁芯710的开口的尺寸也需要增加，以容纳附加的必要通孔。

图8还示出了内部绕组层和外部绕组层之间的约0.28mm或约0.21mm的距离、以及初级绕组720的金属层和次级绕组730的过孔735之间的约0.4mm的距离的示例性尺寸。为了满足EN/UL60950的绝缘要求，例如，对于电源参考电压(250Vrms)，需要穿过固体绝缘体的0.4mm的间隔。

如果添加的绝缘层和基板是FR4，则图8示出了初级绕组720和次级绕组730可以在制造和测量公差(即，在制造和测量公差内总共约为0.28mm)内由厚度约为0.14mm的两个绝缘层竖直地间隔开(即，初级绕组720和次级绕组730的相邻迹线之间的距离)，或者可以在制造和测量公差(即，在制造和测量公差内总共约为0.21mm)内由厚度约为0.07mm的三个绝缘层竖直地间隔开。图8还示出了初级绕组720和次级绕组730可以在制造和测量公差内水平地间隔开约0.4mm(即，初级绕组的迹线或过孔与次级绕组的过孔之间的最短距离)。

IEC和UL安全标准要求当绕组集成在基板的同一层中时，电绕组之间的距离大于0.4mm。在IEC和UL标准的其他规则中，介电“薄膜片”应用于应在竖直方向上固定的隔离。如果用作基板的材料具有30kV/mm的隔离距离，则两个介电层需要0.28mm的最小间隔。对于三个介电层，最小距离应为0.21mm。因此，水平方向和竖直方向上的隔离距离可以彼此不同。过孔825和835形成在合适的位置，以形成初级绕组720和次级绕组730。因为变压器具有八边形的磁芯710，并且在中心具有对应的八边形开口，因此过孔825和835沿着开口的部分并沿着外圆周的一侧适当地形成。

可以通过钻孔、蚀刻或任何其他合适的工艺或技术的任意组合来形成通孔。然后，通孔可以被电镀或以其他方式金属化，以形成在对应的初级绕组720和次级绕组730的顶部迹线和底部迹线之间延伸的过孔825和835。

连接相应的过孔825和835的迹线限定了初级绕组720和次级绕组730。过孔825和835的迹线和镀层通常由铜或其他合适的金属或合金形成，并且可以以任何合适的方式形成，诸如通过将铜导体层添加到绝缘层或基板的外表面，然后对其进行蚀刻以形成必要的图案，将铜沉积到绝缘层或基板的表面上，将铜镀到绝缘层或基板上等。形成初级绕组820和次级绕组830的迹线的宽度和形状可以被配置为减小或最小化电阻。例如，如图所示，形成次级绕组730的迹线的宽度朝着离穿过磁芯710的开口最远的迹线的外侧变宽。另外，如图所示，可以有两个过孔835用于连接限定次级绕组730的迹线，以减小或最小化较长的次级绕组730的电阻。取决于迹线的宽度，可以使用附加过孔来连接相同的迹线。

图9和图10分别是图7的嵌入式磁性组件装置的顶部透视图和底部透视图，没有示出基板或绝缘层的材料。图9和图10示出了磁芯710、初级绕组720的层、次级绕组730的层、初级绕组720的过孔925和次级绕组的过孔935。图10的仰视图示出了初级绕组720可以包括绕组延伸部722和724，该绕组延伸部722和724可以用于定位和提供端子850以将初级绕组720连接到电路，如图8所示。

图11-图13示出了包括安装到电路模块的顶表面的电路组件的电路模块。图11是包括嵌入式变压器的电路模块1100的侧截面图，图12是基板的绝缘材料被制成透明的电路模块1200的图，并且图13是具有嵌入式变压器的电路模块1300的透视图，其中嵌入式变压器不可见。

图11示出了具有嵌入式变压器的电路模块1100，该嵌入式变压器包括芯体1110、初级绕组1120、次级绕组1130和如前所述的过孔。电路模块1100还包括安装构件，安装构件包括顶部安装构件1160和底部安装构件1150。如图所示，底部安装构件1150是如图8中所示的焊盘，其可以安装到基板上以电连接到基板上的其他电路组件。顶部安装构件1160被示出为用于将嵌入式变压器连接到安装在电路模块1100的顶部上的电路组件1190的焊盘。

如前所述，顶部覆盖物允许附加的电路组件1190安装在电路模块1100的顶表面上以提供附加功能。电路组件1190可以在母基板被切割之前安装到顶表面上。附加的电路组件1190可以使用包括模制材料或保形涂层的任何合适的密封剂来密封。在图11中，电路模块1100包括图左侧的连接到次级绕组1130的次级侧电路组件1190，并且包括图11右侧的连接到初级绕组1120的初级侧电路组件1191。例如，当需要4.2kV隔离时，利用例如FR4层作为嵌入式变压器的顶部上的顶部覆盖物，可以在顶部安装构件1160和次级绕组1130之间使用约0.28mm的距离。

具有一个通气空腔结构的配置允许保形涂层或模制材料来加强初级到次级隔离屏障。在不应用保形涂层的情况下，如果有多于一个通风口，则爬电距离需要被视为从初级电路到次级电路(包括通道和磁芯)的距离。只有一个通道的配置实现了相对显著的尺寸减小。

图12是基板1201的绝缘材料被制成透明的电路模块1200的图。因此，磁芯1210、形成绕组的金属化、底部安装构件1250和顶部安装构件1260、城堡形部分1245、以及磁芯1210是可见的。还示出了安装在电路模块1200的顶部上的电路组件1290。

图13是具有嵌入式变压器1380的电路模块1300的透视图，其中嵌入式变压器1380的绕组和磁芯不可见。图13示出了如何将电路组件1390安装到电路模块1300的一个表面上。电路组件1390可以安装在电路模块1300的顶表面和底表面之一或两者上。备选地，电路组件1390可以安装在电路模块1300的底表面上，并且底部安装构件可以是柱，使得电路组件1390位于嵌入式变压器1380和安装有电路模块1300的基板之间的电路模块1300上。图13还示出了将内部空腔连接到电路模块1300的外部的通道，其中可以看到磁芯1310的一部分。

图14示出了可以包括嵌入式磁性组件装置的DC-DC转换器电路的示意图。DC-DC转换器包括：输入电压V1；包括两个晶体管Q1和Q2的开关级；包括谐振电容器C1、谐振电感器L1和磁化电感器L2的谐振回路1495；包括初级绕组P1和次级绕组S1的变压器TX1；包括桥式布置的二极管D1、D2、D5和D6的整流级；输出电容器C5；以及表示负载的电阻器R1。晶体管Q1、Q2串联连接，并且连接到输入电压V1。谐振回路1495连接在晶体管Q1、Q2之间的节点和变压器TX1之间。谐振电容器C1和谐振电感器L1可以串联连接，但是其他布置也是可能的。谐振电感器L1可以是变压器TX1的漏电感。磁化电感器L2与初级绕组P1并联。

在图14所示的谐振拓扑中，可以调整谐振电感L1以实现期望的谐振频率，这可以通过在图7-图10所示的嵌入式磁性组件装置中实现的多层嵌入式变压器来实现。

应该理解，前面的描述仅是对本发明的说明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代方案和修改。因此，本发明旨在包含落入所附权利要求范围内的所有这些替代方案、修改和变化。

Claims (30)

1.一种嵌入式磁性组件装置，包括：

绝缘基板，包括空腔和相对的第一侧和第二侧；

磁芯，在所述空腔中，并包括内周边和外周边；

第一电绕组和第二电绕组，延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯，所述第一电绕组和所述第二电绕组中的每一个包括：

上迹线，位于所述绝缘基板的所述第一侧上；

下迹线，位于所述绝缘基板的所述第二侧上；

内部导电连接器，延伸穿过所述绝缘基板并与所述磁芯的所述内周边相邻，所述内部导电连接器分别限定相应的上迹线和相应的下迹线之间的电连接；以及

外部导电连接器，延伸穿过与所述磁芯的所述外周边相邻的所述绝缘基板，所述外部导电连接器分别限定相应的第一上迹线和相应的第一下迹线之间的电连接，

顶部覆盖物，在所述第二电绕组的上迹线上；

底部覆盖物，在所述第二电绕组的下迹线上；以及

通道，位于所述绝缘基板中，并限定将所述空腔连接到所述绝缘基板的外部的开口，其中，

所述第一电绕组比所述第二电绕组更靠近所述磁芯。

2.根据权利要求1所述的嵌入式磁性组件装置，还包括粘合剂层，所述粘合剂层位于所述空腔的底部，以将所述磁芯固定在所述空腔中。

3.根据权利要求1或2所述的嵌入式磁性组件装置，其中，所述第二电绕组的上迹线和下迹线比所述第一电绕组的上迹线和下迹线宽。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的嵌入式磁性组件装置，其中，所述第二电绕组与所述第一电绕组重叠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的嵌入式磁性组件装置，其中，

所述第一电绕组的上迹线与所述第二电绕组的上迹线在所述绝缘基板的不同层上，并且

所述第一电绕组的下迹线与所述第二电绕组的上迹线在所述绝缘基板的不同层上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的嵌入式磁性组件装置，其中，所述磁芯为八边形。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的嵌入式磁性组件装置，还包括：

第一隔离层，位于所述绝缘基板的所述第一侧上并在所述第一电绕组和所述第二电绕组之间；以及

第二隔离层，位于所述绝缘基板的所述第二侧上并在所述第一电绕组和所述第二电绕组之间。

8.根据权利要求7所述的嵌入式磁性组件装置，其中，所述第一隔离层和/或所述第二隔离层包括单个层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的嵌入式磁性组件装置，还包括凹槽，所述凹槽在所述绝缘基板中并在与所述通道所在侧相对的一侧上。

10.一种制造嵌入式磁性组件装置的方法，所述方法包括：

在绝缘基板中形成空腔，所述绝缘基板包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；

在所述空腔和所述绝缘基板的边缘之间形成通道；

在所述空腔中安装磁芯，所述磁芯包括内周边和外周边；

形成延伸穿过所述绝缘基板并围绕所述磁芯的第一电绕组和第二电绕组，所述第一电绕组和所述第二电绕组中的每一个包括：

上迹线，位于所述绝缘基板的所述第一侧上；

下迹线，位于所述绝缘基板的所述第二侧上；

内部导电连接器，延伸穿过与所述磁芯的所述内周边相邻的所述绝缘基板，所述内部导电连接器分别限定相应的上迹线和相应的下迹线之间的电连接；以及

外部导电连接器，延伸穿过与所述磁芯的所述外周边相邻的所述绝缘基板，所述外部导电连接器分别限定相应的第一上迹线和相应的第一下导电迹线之间的电连接；

在所述第二电绕组的上迹线上形成顶部覆盖物；以及

在所述第二电绕组的下迹线上形成底部覆盖物，其中，

所述第一电绕组比所述第二电绕组更靠近所述磁芯。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二电绕组的上迹线和下迹线比所述第一电绕组的上迹线和下迹线宽。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述第二电绕组包括在每个相应的第一上迹线和相应的第一下迹线之间的两个外部导电连接器。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述第二电绕组与所述第一电绕组重叠。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，

连接到所述第一电绕组的上迹线与连接到所述第二电绕组的上迹线在不同的层上，并且

连接到所述第一电绕组的下迹线与连接到所述第二电绕组的下迹线在不同的层上。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括：在所述绝缘基板中在与所述通道所在侧相对的一侧上形成凹槽。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述通道的底部的一部分比所述通道的顶部短。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述凹槽的底部的一部分比所述凹槽的顶部短。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，所述通道将所述空腔连接到所述嵌入式磁性组件装置的外部，而所述凹槽不将所述空腔连接到所述嵌入式磁性组件装置的外部。

19.一种装置，包括：

基板，包括空腔；

磁芯，在所述空腔中；

第一绕组，围绕所述磁芯延伸；以及

单个通道，在所述空腔和所述装置的外部之间延伸，限定开口，并包括具有与所述开口相邻的开口凹部的底壁。

20.一种装置，包括：

基板，包括空腔；

磁芯，在所述空腔中；

第一绕组，围绕所述磁芯延伸；

单个通道，在所述空腔和所述装置的外部之间延伸，并限定开口；以及

凹槽，位于所述磁芯的与所述单个通道相对的一侧上，不在所述空腔和所述装置的外部之间延伸，并限定开口。

21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述单个通道和所述凹槽两者都包括具有与所述开口相邻的开口凹部的底壁。

22.一种装置，包括：

基板，包括空腔；

磁芯，在所述空腔中；

第一绕组，围绕所述磁芯延伸；以及

单个通道，在所述空腔和所述装置的外部之间延伸，并限定开口；其中

所述第一绕组包括沿着所述磁芯的外周边与所述单个通道相对的过孔。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的装置，还包括：

第二绕组，围绕所述磁芯并围绕所述第一绕组的一部分延伸；

第一覆盖物，位于所述基板的第一表面上，并覆盖所述第二绕组的第一部分；以及

第二覆盖物，位于所述基板的第二表面上，并覆盖所述第二绕组的第二部分；其中

所述第一绕组和所述第二绕组仅围绕所述磁芯的相同一半延伸。

24.一种模块，包括：

根据权利要求23所述的装置；

电子组件，安装在所述第一覆盖物和/或所述第二覆盖物上；以及

保形涂层或模制材料，覆盖所述电子组件。

25.根据权利要求24所述的模块，其中，所述模块是谐振转换器，所述谐振转换器的谐振频率由所述第一绕组和所述第二绕组的重叠确定。

26.一种母基板，包括：

基板；

第一空腔和第二空腔；

第一通道和第二通道；以及

第一通孔和第二通孔；其中

所述第一空腔连接到所述第一通道的第一端，并且不连接到任何其他通道；

所述第一通孔位于所述第一通道的与所述第一端相对的第二端；

所述第二空腔连接到所述第二通道的第一端，并且不连接到任何其他通道；并且

所述第二通孔位于所述第二通道的与所述第一端相对的第二端。

27.一种制造装置基板的方法，所述方法包括：

提供根据权利要求26所述的母基板；以及

切割所述母基板以提供第一装置基板和第二装置基板；其中

所述切割步骤包括：将第一通孔和第二通孔中的每一个分成第一部分和第二部分，以及将第一通道和第二通道中的每一个分成空腔连接部分和非连接部分；

所述第一装置基板包括所述第一通道的具有所述第一通孔的第一部分的空腔连接部分，并且包括所述第二通道的具有所述第二通孔的第二部分的非连接部分；并且

所述第二装置基板包括所述第二通道的具有所述第二通孔的第一部分的空腔连接部分，并且包括所述第一通道的具有所述第一通孔的第二部分的非连接部分。

28.根据权利要求27所述的制造装置基板的方法，还包括：在所述切割步骤之前，将电路组件安装到所述母基板。

29.一种母基板，包括：

基板；

第一空腔和第二空腔；

单个通道，连接所述第一空腔和所述第二空腔；以及

通孔，在所述单个通道中；其中

所述第一空腔和所述第二空腔不连接到任何其他通道。

30.一种制造装置基板的方法，所述方法包括：

提供根据权利要求29所述的母基板；以及

切割所述母基板以提供第一装置基板和第二装置基板；其中

所述切割步骤包括：将通孔分成第一部分和第二部分，以及将单个通道分成第一部分和第二部分；

所述第一装置基板包括所述通孔的第一部分和所述单个通道的第一部分；并且

所述第二装置基板包括所述通孔的第二部分和所述单个通道的第二部分。