CN1179378C - 独石电感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种独石电感器(10)，包括具有相反末端(14)和(16)的细长基体，每个末端具有从相反末端延伸的端帽，按与印刷电路板隔开的方式支撑基体(12)，端帽形成有非安装区域和偏离区，用于防止基体支撑于非安装区，在非安装区的位于端帽(14)的基体一侧的实质为陡峭的侧壁(16)，在基体一侧上与非安装区实质相反地延伸到端帽顶部的斜坡，部分地围绕每个端帽延伸的导电焊接区，每个焊接区在非安装区具有间隙(34)，从而减小焊接区(30)中的寄生电导，按螺线通路形成在基体上的导电层，导电层延伸于相反末端之间，在斜坡(120)与导电焊接区(30)导电连接。

Description

独石电感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及小型电感器，特别是涉及改进的独石(一体式)电感器及其制造方法。
背景技术
小型电感器广泛地用于射频电子电路。电感器有两种基本构型：绕线式和独石式。绕线电感器通过在绝缘芯子或铁氧体磁芯上卷绕导线制成，或者制成独立式，只要导线厚度足以保证稳定性即可。有几种类型的独石电感器：多层陶瓷和铁氧体的，单层螺线的，和螺旋的。
绕线式电感器特别是在绝缘芯子上卷绕的或者独立式的，通常具有高的Q值，但是其成本高。而且提供具有精确电感值的电感器是相当复杂的，因为导线接线端点的位置通常固定在芯子上，所以常常不可能形成非整数导线匝数。对此问题的解决方法是对各种电感值选择不同直径的芯子，但是这样会导致进一步增大成本，因为需要调节绕线处理设备，并且需要增加芯子库存。
此外，绕线工艺的可重复性，特别是在电感值相当低、仅需几匝导线的情况下，受限于必须把导线端安装在芯子上的固定位置的要求。
多层独石电感器由其表面上淀积有导体图形的多个层叠陶瓷或铁氧体层制成。邻接陶瓷层上的图形是电气互连的。多层电感器通常要比绕线式廉价，但是Q值明显要低，这限制了其在某些应用上的实用性。
螺线式电感器由其上确定有单层平面螺线金属图形的平面陶瓷基体制成。存在与多层电感器相同的限制。
螺旋式独石电感器由形成细长陶瓷或铁氧体芯子的基体构成。基体被一层或多层金属层覆盖，然后腐蚀成或通过机械或激光束切割成螺旋形式。通过切割确定了与导线线圈相同的螺旋绕组。芯子端通常具有与导体层电气连接的金属帽。金属帽一般具有确定接线端的焊接涂层，有利于电感器与印刷电路板的焊接。
本发明人通过深入的实验已经发现，在目前的螺旋独石电感器上的端帽可以起缩短的绕组的作用。这些缩短的绕组产生寄生损耗，这导致Q值减小和电感值降低。本发明人还发现不在端帽进行连续的金属化，可以获得明显提高的Q值和电感值。
通常希望降低电气元件例如电感器的成本，而不损失由其作为部分而构成的系统的性能。还希望提供尽可能接近标称值并且工艺偏离最小的电感器。在已有技术中这称为“高精度公差”。希望使用高精度公差的电感器，因为可以避免在最终产品中使用可调谐元件，例如电感器和电容器。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种改进的独石式电感器及其制造方法。
根据本发明的主要方案，一种独石电感器包括：
细长基体，具有相反末端并且具有在每个所述相反末端的带有外周边缘的一体绝缘端帽，所述一体绝缘端帽沿径向延伸出所述基体的所有侧面从而支撑所述基体并使其与印刷电路板隔开；每个端帽外周边缘有一非安装区，所述非安装区包括一个非平面部分，该非平面部分被配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板；
淀积在所述基体上的导电层，所述导电层在所述相反末端之间延伸用于提供绕组；
在每个所述端帽的所述外周边缘上淀积并局部围绕其延伸的导电接线端区，与所述导电层电气连接，每个接线端区在所述非安装区有一间隙，由此减少寄生损耗。
本发明提供了一种独石电感器的制造方法，包括以下步骤：
提供具有相反末端的细长基体，在每个所述相反末端具有带外周边缘的一体端帽，用于支撑所述基体并使其与印刷电路板隔开，每个端帽外周边缘具有非安装区，所述非安装区包括一个非平面部分，该非平面部分被配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板，
用导电涂层涂敷基体，
提供激光，
操纵所述激光去除所述导电涂层的区域，在所述基体上留下形成绕组的导电图形，并且在所述端帽上包括焊接区，从而形成电感器；以及
在所述激光的操作期间监视电感，使得所述电感器有预定的电感。
本发明还提供了一种独石电感器的制造方法，包括以下步骤：
提供具有相反末端的细长基体，各个末端具有带外周边缘的一个端帽，用于支撑印刷电路板上的所述基体，每个端帽外周边缘具有非安装区，所述非安装区由一个非平面部分确定，该非平面部分配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板，
在所述基体的外表面上形成预定电感的绕组，包括通过用导电涂层涂敷基体，从而在所述端帽的所述非平面部分上焊接具有间隙的端区。
本发明还提供了一种独石电感器，包括：
中央芯子，具有相反末端，每个所述相反末端包括一个具有外周边缘的三角形端帽，其中各个所述端帽支撑印刷电路板上的所述基体；
导电层，所述导电层位于所述基体上并在所述相反末端之间延伸用于提供绕组；以及
导电接线端区，位于每个所述端帽的所述外周边缘上并绕其延伸，延伸到与所述导电层电连接，其中所述独石电感器的特征在于，各个端帽外周边缘在各个导电接线端区中在各个三角形端帽的一个顶点处具有间隙。
附图说明
参考附图，通过以下详细说明将可更易于了解本发明的目的、优点和特征。
图1是根据本发明优选实施例的独石电感器的透视图。
图2是图1实施例的改进例的与图1类似的图。
图3是本发明另一实施例的与图1类似的图。
图4是本发明又一实施例的与图1类似的图。
图5是图4的实施例焊接于印刷电路板的透视图。
图6是图4的实施例的侧视图。
图7是图4实施例的改进例的与图6类似的图。
图8是本发明电感器的制造设备的侧视图。
图9是图8实施例的顶视平面图。
图10是本发明另一实施例的顶视平面图。
图11是图10实施例的端视图。
图12是多个电感器制造工艺所用基体的顶视平面图。
具体实施方式
参见图1，其中展示了本发明的独石电感器的示例性实施例，由参考标号10整体表示。电感器由包含细长中央芯子或基体的支撑结构组成，在所示实施例中包括具有端帽或凸缘14和16的中央芯子12，端帽或凸缘从中央芯子12向外辐射延伸。端帽支撑基体的中央部分，使其安装于印刷电路板上并与之隔开。本实施例的中央芯子12展示为具有通常的矩形剖面构型，但是可以具有任何构型，例如圆形或椭圆形。端帽或凸缘是相同的并且成型为易于定位在印刷电路板上。如图所示，每个端帽形成有三个平面侧和一个弧形或半圆侧。端帽14例如具有通常为平面矩形构型的基底表面18，其侧边缘20和22具有同样的平面矩形构型。顶边缘24形成为弧形或者圆形段提供非安装区，以便如果放在顶边缘上时，芯子或基体将滚到一侧或其它侧。
中央芯子12可以是任何适当的材料，例如陶瓷或铁氧体。其形成有构成绕组的螺旋导电条或带26，与构成接线端区28和30的导电接线端区或条电气连接，接线端区围绕端帽14和16的外周边缘延伸。只有端帽的外周边缘被金属化，端帽14必须是非金属化的。接线端区28和30被端帽的上弧形或圆形部位上的间隙32和34所间断，以使其不成为缩短的绕组。如果电感器被意外地放在此边缘上时，弧形边缘可以保证电感器将滚到一个侧边，并且与印刷电路板焊接时该间隙不会被桥接。
此间隙消除了如上所述的接线端区的缩短的绕组效应。因此，就消除了导致Q值减小和电感值降低的寄生损耗。已经发现这种结构的电感器具有与绕线式电感器基本相等的电感和Q值，但在结构上成本降低很多。
本发明人发现无端帽或者端部无连续金属化的电感器，相对于具有端帽的类似部分其Q值和电感值有显著地提高。
这些端帽设计成可使电感器机械地放在印刷电路板上，被支撑于与顶边缘24相反的平面侧边之一。如果放在圆边则将在被支撑之前滚到侧边，从而当通过回流焊接合于印刷电路板时，间隙将不会被桥接，保留在端帽上。
对基体表面进行金属化涂层处理，然后按螺线方式或图形25以激光切割涂层，按要求在螺旋通路留下导电条或绕组26，由此在基体上形成绕组。激光切割图形25最好在端帽16的内面开始并向内延伸，开始并延续螺旋通路，沿芯子进展到另一端帽14的面。同样，可以通过把金属化表面激光切割成条，由此在端帽上形成间隙32和34。
金属化可以采用任何适当的公知方式，可以使用任何适当的导电金属或涂料。同样，基体或芯子可以由任何适当的材料形成，例如绝缘材料、铁氧体材料、或金属材料或陶瓷材料的其它任何适当形式。举例而言，涂层可以包含钨底层或涂层，具有镍的第二涂层和最终的焊料层。在基体的涂敷过程中端帽的端面可以不接受金属涂层。为了保证绕组和接线端区之间的连接，在中央芯子和端帽边缘之间设置桥接或斜坡，仅展示了一个36。在基体上淀积金属时此斜坡接受金属涂敷。
参见图2，展示了图1实施例的进一步改进，整体表示为10。此改进只是在端帽14’和16’形成槽口38和40，代替导电接线条中的间隙。这些槽口的深度足以保证槽口中不会产生桥接间隙的金属化片或金属化。这样就消除了在端帽上形成导电环的可能性。两个电感器10和10’的其余部分是相同的。
端帽形状的变化也可以提供一定的优点，如下所述。例如参见图3，由参考标号42整体表示的电感器具有中央芯子44和三角形端帽46和48。如同在先实施例，端帽具有外周导电条或接线端50和52，其与芯子上的绕组55导电或电气连接。端帽的端面上没有金属化。端帽46和48形成有在端点交叉的平面矩形侧面。在此实施例中，接线端区或外周导体中的间隙54和56形成在三角形端帽的顶点。按此实施例，在印刷电路板上机械放置电感器，保证其支撑于端帽的直线侧或矩形侧。不会支撑于其三角形的顶点。此外，通过磨耗处理，比如研磨端帽的对应顶点或端点，可以极容易地形成间隙。此实施例还设置有斜坡，仅展示了其中一个58。
参见图4-6，展示了又一实施例，其中电感器整体表示为参考标号60，包括具有端帽64和66的中央芯子62。此实施例的端帽形成有平面矩形基底68和70，其具有的基本连续弯曲的侧边72、74、76和78从基底端部延伸，在形成了槽口80和82的急剧弯曲区域或点处相接。在围绕端帽64和66外周边缘延伸的导电接线端区102或104中，槽口80和82提供了必需的间隙。
这种构型还保证了当放置在印刷电路板88上时，如图5所示，如果电感器支撑于侧边而不是基底，则在焊料倒角90、92和94所封闭的位置将不与间隙或槽口80和82接触，使电感器与印刷电路板接合。当支撑于侧边时，如图5所示，电感器将支撑于每个侧边的下部，从而使间隙80和82与印刷电路板表面隔开。
参见图6，电感器60的侧视图展示了本发明的其它特征。在此实施例中，用于电感器60的基体例如具有中央芯子，在其长度的主要部位形成有圆柱状或矩形剖面。但是，在与间隙相反的底侧或侧边是斜坡98和100，用于提供从芯子上的绕组到端帽64和66上的接线端条或区102和104的导电通路。这将保证足够的金属化涂层从中央芯子上的涂层延伸到端帽上。端帽也在端帽64和66的芯子一侧上设置有陡峭内壁106和108，用于防止或避免在金属化处理中被金属化，减少间隙被桥接和/或短路的机会。这种配置对于通过蒸发来淀积金属膜是特别有效的。
参见图7，端壁也可以是倒凹的，以便进一步保证非金属化，因此接线端通路的间隙不会短路。如图所示，由60’表示的图4-6实施例的改进例，至少在间隙114和116附近具有倒凹壁110和112。但是，端帽的壁最好是除了桥或斜坡118和120之外，其余周围全部是倒凹的。陡峭壁和倒凹均不被通常使用的导电层施加法所涂敷，例如丝网印刷、电镀或无电镀、等离子体喷涂等。以上分别所示和所述的任何特征和全部特征，均可以应用于这里所述的每个实施例及其等同物。
本发明还提供了保证电感器的制造尽可能地接近标称值的工艺。众所周知这是指具有高精度公差。这样就消除了对可调谐元件的需要，例如最终产品中的微调电感器和电容器。
参见图8和9，其中示意性地展示了根据本工艺优选实施例的设备，在开始制造电感器的螺旋绕组的同时监测电感值。该设备包括一对可旋转的绝缘芯轴122和124，在相对位置上对齐。芯轴具有啮合支承用于电感器的预成型坯(即金属化的基体)126的内端，在其绕组的激光加工或形成过程中使其旋转。臂122a和124a使高频条线128和130定位，与形成端帽的导电区125和127导电接触。高频条线128和130沿芯轴延伸，通过滑环132和134与测量仪136连接。
定位激光束138对金属化层切割出沟槽，形成电感器的螺旋导电通路。
在对电感器的导电绕组进行激光切割工艺的同时，测量仪136监测电感值以使电感器比常规更有效地切割成要求的电感值。当达到要求的电感值时，通过直接与接线端区连接而终止卷绕。这样就消除了对配置电感器的电路所要求的一定的可调节性。
用于形成绕组的切割最好具有如图9所示的三个区域，基本直线的起始区140、螺旋线圈区142和基本直线的结束区144。根据实现具体的电感值所需的匝数、导电轨迹的间距和宽度及其之间的间隙，这些区可以具有不同的各自长度。轨迹的几何形状、相邻匝之间的距离以及轨迹与线圈中心线所构成的角度影响所得电感器的特性。例如，较宽的导电轨迹将产生电阻较低的电感器，因此Q值较高。如果螺旋区142占据了基体端面之间的整个空间，则起始和结束区140和144可以全不存在。
螺旋切割可以是采用连续的、或者快速脉冲的激光束进行的，激光束按相对于基体纵轴的螺旋方式平移。通常这是在沿基体纵轴平移激光束的同时旋转基体而实现的。另外，可以围绕静止的基体按螺旋路径平移激光。
直线切割段最好通过沿基体纵轴平移的激光束来制成，而基体保持静止。或者，在基体围绕其纵轴旋转时，采用在特定位置向基体照射的激光脉冲，可以切割出直线段。这种工艺需要在产生每次激光脉冲之前检测基体角位置，所以激光束可以沿基体外周精确位移，于是沿基体纵轴产生基本直线的切割。
参见图10，展示了本发明另一改进例的顶视平面图，整体由参考标号148表示。此实施例由具有通常的中央小直径的主部位150的基体形成，并具有大直径的端帽或凸缘152和154。端帽形成有从中央部位150到大直径的端部凸缘152和154的平缓变化区156。在电感器的形成中，基体的整个外表面用导电涂层160进行金属化，通过切口162形成一匝或多匝的绕组，包括在端帽上的外周区的间断，如同上述实施例。
如上所述，例如采用激光切刀按照螺线布置形成导电结构或绕组。具有从基体的中央部位到大直径的端部凸缘的较为平缓的变化区的这种构型，有利于连续金属化，易于切割和形成从端帽到端帽的螺线导电绕组。
参见图11，由参考标号148整体表示的端片和基体，可以具有如上所述的任何适当的构型。此外，芯子或基体也可以形成有通孔164，用于进一步提高Q值。
参见图12，由参考标号170整体表示的基体按照产生多个电感器的方式形成。为此目的，电感器形成有中央支撑段172、174和176，具有在其之间形成端帽或凸缘的结构。端帽或凸缘178、180、182和184分隔中央部位，形成用于各个基体的端部凸缘。在电感器的形成中，整个基体如上所述地金属化，覆盖整个中央段、变化区和端帽。之后，可以进行激光切割制成形成螺线卷绕导体的连续切口186，包括在各个端帽上的间隙。一旦电感器形成基本构型，可以例如通过在线188和190上划线和截断或切割来分离它们，从而把所示基体分离成三个分立的电感器。可以按此方式制成任意多数个电感器。此外，按此方式可以制成任意个所示电感器。
虽然通过具体实施例本发明人已经展示和说明了本发明，但是应该知道在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以作出许多变化和改进，如权利要求书所限定的。例如由任意实施例所示的任何特征或改进均可以应用于任何其它实施例。

Claims (34)

1.一种独石电感器，包括：
细长基体(12)，具有相反末端并且具有在每个所述相反末端的带有外周边缘的一体绝缘端帽(14，16)，所述一体绝缘端帽沿径向延伸出所述基体的所有侧面从而支撑所述基体并使其与印刷电路板隔开；每个端帽外周边缘有一非安装区，所述非安装区包括一个非平面部分，该非平面部分被配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板；
淀积在所述基体上的导电层(26)，所述导电层在所述相反末端之间延伸用于提供绕组；
在每个所述端帽的所述外周边缘上淀积并局部围绕其延伸的导电接线端区(28，30)，与所述导电层电气连接，每个接线端区在所述非安装区有一间隙，由此减少寄生损耗。
2.根据权利要求1的电感器，其中，所述基体由陶瓷形成。
3.根据权利要求1的电感器，其中，所述基体由铁氧体材料形成。
4.根据权利要求1的电感器，其中，所述导电层是金属层。
5.根据权利要求4的电感器，其中，所述金属层是铜。
6.根据权利要求1的电感器，其中，所述非安装区在周边方向被倒成圆状。
7.根据权利要求6的电感器，其中，所述导电层是金属层。
8.根据权利要求1的电感器，其中，所述端帽形成有与所述间隙相邻的实质为陡峭的侧壁。
9.根据权利要求1的电感器，其中，在与所述间隙的所述区域实质相反的所述基体上，所述基体形成有延伸到所述端帽顶部的斜坡。
10.一种独石电感器的制造方法，包括以下步骤：
提供具有相反末端(14、16)的细长基体(12)，在每个所述相反末端具有带外周边缘的一体端帽，用于支撑所述基体并使其与印刷电路板隔开，每个端帽外周边缘具有非安装区，所述非安装区包括一个非平面部分，该非平面部分被配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板，
用导电涂层(26)涂敷基体，
提供激光，
操纵所述激光去除所述导电涂层的区域，在所述基体上留下形成绕组的导电图形，并且在所述端帽上包括焊接区，从而形成电感器；以及
在所述激光的操作期间监视电感，使得所述电感器有预定的电感。
11.根据权利要求10的独石电感器的制造方法，其中，形成电感器的步骤包括在所述基体上形成多个电感器。
12.根据权利要求10的方法，其中，所述提供所述基体的步骤包括提供由介电材料形成的基体。
13.根据权利要求10的方法，其中，所述提供所述基体的步骤包括提供由铁氧体材料形成的基体。
14.根据权利要求10的方法，其中，所述涂敷所述基体的步骤包括用金属层涂敷所述基体。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述涂敷所述基体的步骤包括用铜涂敷所述基体。
16.根据权利要求10的方法，其中，所述在所述端帽上形成所述焊接区的步骤包括以一定间隙形成所述焊接区。
17.根据权利要求16的方法，其中，所述端帽设有防止所述基体位于所述间隙的所述区域的装置。
18.根据权利要求16的方法，其中所述非安装区各自在所述间隙区域基本形成有一点。
19.根据权利要求16的方法，其中，所述非安装区各自在所述间隙区内圆周方向是倒圆角的。
20.根据权利要求16的方法，其中，所述端帽形成有与所述间隙相邻的实质为陡峭的内侧壁。
21.根据权利要求16的方法，其中，所述端帽形成有与所述间隙相邻的实质为锥形的内侧壁。
22.根据权利要求16的方法，其中，在与所述间隙的所述区域实质相反的所述基体上，所述基体形成有延伸到所述端帽顶部的斜坡。
23.一种独石电感器的制造方法，包括以下步骤：
提供具有相反末端的细长基体，各个末端具有带外周边缘的一个端帽，用于支撑印刷电路板上的所述基体，每个端帽外周边缘具有非安装区，所述非安装区由一个非平面部分确定，该非平面部分配置为防止所述非安装区连接到所述印刷电路板，
在所述基体的外表面上形成预定电感的绕组，包括通过用导电涂层(26)涂敷基体，从而在所述端帽的所述非平面部分上焊接具有间隙的端区。
24.根据权利要求23的独石电感器的方法，其中，所述提供所述基体的步骤包括提供由介电材料形成的基体。
25.根据权利要求23的方法，其中，所述提供所述基体的步骤包括提供由铁氧体材料形成的基体。
26.根据权利要求23的方法，其中，所述形成绕组的步骤包括用金属层涂敷所述基体。
27.根据权利要求23的方法，其中，所述形成绕组的步骤包括用铜涂敷所述基体。
28.根据权利要求23的方法，其中，所述非安装区包括防止所述基体位于所述间隙的所述区域内的装置。
29.根据权利要求23的方法，其中所述非安装区各自在所述间隙区域基本形成有一点。
30.根据权利要求23的方法，其中，所述非安装区各自在所述间隙区内圆周方向是倒圆角的。
31.根据权利要求23的方法，其中，所述端帽形成有与所述间隙相邻的实质为陡峭的内侧壁。
32.根据权利要求23的方法，其中，所述端帽形成有与所述间隙相邻的实质为锥形的内侧壁。
33.根据权利要求23的方法，其中，在与所述间隙的所述区域实质相反的所述基体上，所述基体形成有延伸到所述端帽顶部的斜坡。
34.一种独石电感器，包括：
中央芯子(42)，具有相反末端，每个所述相反末端包括一个具有外周边缘的三角形端帽(46，48)，其中各个所述端帽(46，48)支撑印刷电路板上的所述基体；
导电层(55)，所述导电层位于所述基体上并在所述相反末端之间延伸用于提供绕组；以及
导电接线端区(50，52)，位于每个所述端帽的所述外周边缘上并绕其延伸，延伸到与所述导电层电连接，其中所述独石电感器的特征在于，各个端帽外周边缘在各个导电接线端区(50，52)中在各个三角形端帽(46，48)的一个顶点处具有间隙(54，56)。
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