CN1236459C - 片状电源电感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
片状电源电感器包括：磁性层和非磁性层形成为一个整体的积层体，作为磁芯的磁性层由大量层叠积，非磁性层插入到构成磁芯的磁性层内部；线圈图案，它形成在作为磁芯的磁性层的大量层上或下表面；和通孔，线圈图案，为了电连接它形成在构成磁芯的组成磁性层的大量层上。通过形成在电源电感器中的非磁性层抑制了磁饱和，因此用传统的多层片状电源电感器不能实现的相当于几百mA到1A的直流偏置特性也能实现了。
Description
技术领域
本发明涉及一种片状电源电感器及其制造方法，尤其是，涉及一种由于磁饱和引起的限流更小的小型片状电源电感器及其制造方法。
背景技术
一般地，片状电感器可分为用于信号线的电感器和用于电源线的电感器。然而信号线电感器有相当于几mA到几十mA的额定电流，电源线电感器有相当于几百mA到几A相对较大的额定电流。
近年来，随着电子仪表变小，使用它的电子元件也变得小而轻。然而，对于电子仪表的整个体积来说，用在电子仪表中的电源电路的相对容量比是增加的。这是因为包括用在每种电子电路中的CPU的每种LSI变的更快而且高集成化，但是磁性元件例如电源电路必需的电路要素电感器和变压器很难变小。
当磁性元件例如电感器和变压器变小并因而使磁性材料的容量降低时，磁芯很容易磁饱和。因此，减小了可用作电力设备的电流量。
作为用于制造电感器的磁性物质，使用铁氧体基磁性材料或金属磁性材料。铁氧体基磁性材料主要用在具有批量生产和小型化优点的多层片状电感器中。铁氧体具有高磁导率和电阻，但是有低的饱和磁通密度。因此，如果还象现在使用铁氧体，磁饱和大大降低了电感，并且直流偏置特性恶化。因此作为传统上的电源电感器，主要使用线绕式电源电感器，其导线缠绕在具有高饱和磁通密度的金属磁性材料上，不管高损失和低电阻。而且，假如使用多层电源电感器，可用的电流范围更小。
近年来，随着便携式设备迅猛增长，减小电池消耗的低耗电部件的需要在增长。根据这一点，在卡车立体声、PDA、笔记本PC等上大量使用丁类放大器。然而甲类和乙类放大器电平通过真空管、晶体管等的放大功能(模拟过程)放大信号。丁类放大器通过开关操作(数字过程)放大信号。丁类放大器具有高效率并且其内部较少产生热量，因此可以不使用大功率部件和散热片，因此放大器就变小了。丁类放大器的输出通过低通滤波器供给扬声器。构成低通滤波器的电感器必须有低损耗和高直流偏置特性。作为用于丁类放大器的电源电感器，如今主要使用绕线式产品。然而，如上所述，由于绕线式产品在小体积上受到限制，强烈需要一种容易安装在便携式装置中的小型多层电源电感器。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供一种小型的多层电源电感器，其中，由于磁饱引起的电流限制更小。
本发明的另一个目的就是提供一种制造片状电源电感器的方法，该片状电源电感器具有批量生产和降低制造成本的优点。
在本发明中，为了防止在低偏置电流时的磁饱和，在片状电源电感器中形成磁芯的磁性物质中提供微气隙。
根据本发明的一个方面，提供一种片状电源电感器，包括：
积层体，是磁性材料和非磁性层作为一个整体构成的，磁性层是由多个层来堆叠而成并构成磁芯，非磁性层是插入构成磁芯的磁性材料内部；
线圈图案，形成在构成磁芯的磁性材料的多个层的上表面或下表面上；
通孔，形成在组成构成磁芯的磁性材料的多个层上，来电连接线圈图案；
外壳层，和构成磁芯的磁性材料的上表面或下表面接触；和
外部电极，电连接线圈图案的一部分，
其中，组成构成磁芯的磁性材料的每一层包括：
非磁性电极层，在其中心具有开口，在其上表面和下表面的至少一个表面上有电极图案；和
磁性层，设置在中心开口和非磁性电极层的侧表面，
其中，非磁性电极层和磁性层组成一个层。作为非磁性材料，使用B2O3-SiO2基的玻璃，Al2O3-SiO2基的玻璃，或其它陶瓷材料，作为磁性材料，可以使用Ni基铁氧体、Ni-Zn基铁氧体、Ni-Zn-Cu基铁氧体等等。
在本发明中，非磁性微气隙形成在铁氧体形成的磁路中，因此阻止了在低电流的情况下发生磁饱和。因此，产品的可用的电流范围得到扩大。
根据本发明的另一方面，提供一种用以制造上述片状电源电感器的方法，包括：
制备在载体膜上分别形成有磁性层和非磁性层的生片；
在磁性层生片和非磁性层生片上形成切割线；
在形成有切割线的非磁性层生片上形成通孔，在非磁性层生片的上表面上形成电极图案；
从磁性层生片和非磁性层生片除去不需要的部分，这样，磁性材料的剩余部分和非磁性材料的除去部分相一致或者磁性材料的除去部分和非磁性材料的剩余部分相一致；
在插入没有形成切割线和电极图案的非磁性层状态下，堆叠通过构造磁性层和形成有通孔和电极图案的非磁性层使其成为一个单元制成的多个层；
在被堆叠的上下表面堆叠由磁性层构成的外壳层；
烧制积层体；和
在烧制过的积层体的外表面形成外部电极。在本发明中，通过形成在电源电感器内部的非磁性微气隙抑制了磁饱和，得到了相当于几百mA到1A的直流偏流特性，这是用传统上的多层片状电感器不能实现的，根据这种片状电源电感器的结构和制造方法实现了可以应用于小型便携式设备中的的小而轻的片状电源电感器。
结合附图下面对本发明进行详细描述，将使前面所述的和本发明的其他的目的、特征、状况和优点变得更明显。
附图说明
结合进来并构成详细描述的一部分用于帮助理解本发明的附图揭示了本发明并与描述部分仪器用于解释本发明的原理。
在图中：
图1是根据现有技术的片状电源电感器结构的剖面模拟图；
图2A是根据本发明的片状电源电感器结构的剖面模拟图；
图2B是根据本发明的片状电源电感器另一种结构的剖面模拟图；
图3是根据片状电源电感器结构的电特性曲线图；
图4A是磁性层或非磁性层浇注在载体膜上的模拟图；
图4B是在磁性层或非磁性层上形成有通孔和切割线的模拟图；
图4C是电极图案形成在非磁性层上的模拟图；
图4D是不必要部分被除去的非磁性层模拟图；
图4E是不必要部分被除去的磁性层模拟图；
图5A是根据本发明的片状电源电感器的堆叠的流程图；
图5B是根据本发明的片状电源电感器的另一种堆叠的流程图；
图6A是按图5A的过程制成的片状电源电感器的模拟图；
图6B是按图5B的过程制成的片状电源电感器的模拟图；
图6C是制成的片状电源电感器内部的透视图；
图6D是制成的片状电源电感器内部的剖面图；和
图6E是形成有外部电极的片状电源电感器。
具体实施方式
参考本发明的优选实施例详细论述，实施例在附图中说明。
图1示出片状电源电感器的一个实施例。如图所示，电极图案12形成在构成磁芯10的磁性材料中，该磁芯10是由多个磁性层堆叠整体形成的。在所述结构的片状电源电感器中，不能避免低电流时的磁饱和。
图2A是根据本发明的电源电感器的基本结构，其中非磁性层24形成在构成磁芯20的磁性材料中。非磁性层增大了构成磁芯的磁性材料的磁阻，因此避免了低电流时发生磁饱和。构成磁芯的磁性材料由几个单元层组成，在每层上都形成有电极图案22，非磁性层24最好插在组成构成磁芯的磁性材料的几层之间的一个位置，它的厚度由考虑电源电感器的电特性决定。电极图案不必形成在非磁性层上，为了彼此电连接形成在位于非磁性层上表面和下表面的电极图案最好有通孔。
图2B是本发明电源电感器变形实施例的剖面模拟图，其中堆叠了多层的构成磁芯的磁性材料被分成磁性材料区30和非磁性材料区36。磁性材料区被分成形成在由非磁性材料区围绕的中心的磁性材料和形成在非磁性材料区周边的磁性材料。非磁性层34插在构成磁芯的磁性材料中，因此屏蔽构成磁芯的磁性材料的磁路，从而象图2A中所示实施例一样增大了磁阻。尽管每个区似乎彼此是独立的，但是在基本制造时，每个区构成一层并整体形成堆叠的层。将详细描述制造过程。在所述结构的电源电感器中，电极图案32形成在构成磁芯的磁性材料内部构成非磁性材料区的每层的上表面和下表面之间的至少一个表面上。如果电极图案形成在比磁性材料有更高电阻和更低磁导率和介电常数的非磁性材料层上，可以避免由于每层厚度变小导致的绝缘降低并且限制寄生电容产生，因此，改善了频率特性。
下述的表1示出了图1、2A和2B所示各个结构的电源电感器的电特性，图3示出了以曲线图的形式的结果。
[表1]
对所设计的每种结构的电源电感器的电特性的比较。
| 电感(μH) | 磁饱和电流(mA) | |
| 没有插入非磁性层的情况(图1) | 30 | 50 |
| 插入非磁性层并且构成磁芯的磁性材料是由磁性材料形成的情况(图2A) | 4 | 260 |
| 插入非磁性层并且构成磁芯的磁性材料是由磁性材料和非磁性材料形成的情况(图2A) | 3 | 1250 |
在所述的表中，磁饱和电流是在施加直流偏置时的电流值，因此电感值下降了10％。在没有插入非磁性层的情况下，与其它结构比较电感值是高的，但是产生的磁饱和是50mA。相反，在插入非磁性层的电源电感器的情况，磁饱和电流值变大。尤其是，在插入非磁性层并且构成磁芯的磁性材料是由磁性材料和非磁性材料形成的情况，磁饱和电流值超过了1A，这是一个比没插非磁性材料大20倍的值。
根据本发明的电源电感器中，不仅提高了电特性，而且使批量生产成为可能，并且生产成本下降。参考图2A，电极图案形成在多个磁性片上，堆叠磁性片，没有形成电极图案的非磁性层插在堆叠的片内。下面，基于图2B所示电源电感器的结构进行详细说明过程，这种过程也可以应用到图2A所示的结构中。
参考图4A到4E说明每一个过程。图4A示出了准备生片的步骤。磁性层或非磁性层42形成在载体膜40上。在本发明中，通过用于在厚层堆叠过程中使用的刮刀片绝缘带浇注(doctor blade tape casting)方法分别形成磁性层生片或非磁性层生片。作为载体膜，使用PET膜，也可以使用另外的材料。在完成每层的制造后按顺序堆叠每一层时，除去载体膜。
由磁性层或非磁性层形成在载体模上的生片可以单独或堆叠几层作为外壳层。
形成生片后，如图4B所示，连续地形成切割线。切割线由作为窗口44b的内部切割线和两侧边切割线44a组成。可以用激光工艺或机械工艺形成切割线，其中不能破坏载体膜。图4B的切割工艺应用于磁性层生片和非磁性层生片。
形成有切割线的磁性层生片或非磁性层生片可以单独或堆叠几层用作缓冲层。在其中没有形成作为窗口的内部切割线的非磁性层生片用作单独或堆叠层插入到构成磁芯的磁性材料内部的非磁性层。
正如图4B所示，在非磁性层42生片上，除切割线44a和44b外还形成有通孔46。通过用激光冲孔或机械冲孔形成通孔。
正如图4C所示，在形成有切割线和通孔的非磁性层42生片上，形成电极图案48。电极图案以非磁性电极层的顺序可以形成不同的图案(例如，一种图案，其中的第一片的电极图案和第二片的电极图案是彼此对称的)，并且根据线圈图案的使用目的改变成不同形状。而且，电极图案的一端向上延伸到生片的一端，由此实现与外部电极的电连接。通过采用丝网印刷的方法把导电胶印制到非磁性生片的上表面由此形成电极图案，在通孔46中充入导电材料。参考图4C，电极图案48的另一端连接到通孔46。这种形式是通过每一层将非磁性电极层上的每个电极图案彼此电连接的一种方式。
除去形成有切割线的磁性生片和形成有电极图案的非磁性生片上的不必要部分。此时，磁性生片和非磁性生片的除去区彼此相对，因此，在后面将要描述的堆叠过程时组成了磁性生片和非磁性生片的单一的层。图4D和4E示出除去了不必要部分的磁性和非磁性生片。在图4D中，除去非磁性生片的中心区域和边缘区域，在图4E中，仅在和与非磁性生片的磁性层相对区域仅保留了磁性生片的磁性层42b。图4E中所示的中心磁性层被除去的磁性层生片和没有形成作为窗口的内部切割线的非磁性层生片插入到构成磁芯的磁性材料内部，由此作为非磁性层。
一旦完成了每层的制造，每层顺序堆叠。图5示出了堆叠过程，其中每一层顺序堆叠成一个整体。
参考图5A，堆叠了多个电极层，这些电极层是由位于两端的外壳层51之间的磁性层42b和非磁性层42a所组成的单个层。外壳层由磁性层构成，但是作为另一个实施例，也可以由磁性层和非磁性层构成(参考图5B，51表示磁性外壳层，52表示非磁性外壳层)。附加的非磁性外壳层减小了在磁性层和非磁性层在烧制过程时产生的微小热膨胀率差异，由此稳固了产品的机械结构。
没有形成电极图案的非磁性层42’可以用作缓冲层，以避免形成在非磁性层上的电极图案与上面外壳层直接接触。在图4A、4B中制成的生片和形成有切割线的生片在分别除去了载体膜时用作外壳层和缓冲层。
在图4D和4E中制成的非磁性层42a和磁性层42b间隔地堆叠形成电极层。尽管图中电极层由四层构成，更可取的是，堆叠更多的层。非磁性层42a和磁性层42b间隔地堆叠，因此存在于同一层。通过这种堆叠，形成在非磁性层上的电极图案彼此电连接。因此，电极图案的一端(图4C的48)连到通孔(图4C的46)实现了与另一层的电极图案的另一端的电连接。
没有形成电极图案的非磁性层42c插入到堆叠的电极层之间形成屏蔽积层体内部磁路的微隙。非磁性层42c和磁性层42b’构成一层。尽管图中内部磁通屏蔽层由一层非磁性层构成，根据最终产品的电特性也可以插入几层非磁性层。
在堆叠后，形成在非磁性层上的电极图案的至少两端向上延伸到非磁性层的一侧边用作外部的电连接，外部电极形成在延伸端。图6A示出了叠积完成的状态，其中可以看见电极图案的外延伸端46’。图6B示出了通过图5B的过程附加形成的非磁性外壳层52。图6C和6D是制成的电源电感器内部的透视图和剖视图。
在堆叠后，当通过烧制积层体同时对内部电极图案、非磁性材料和磁性材料进行烧制时，形成了线圈形式的电极图案、非磁性材料的绝缘区和磁性材料的磁路。
在烧制过程后，通过用酸洗或滚轴在积层体侧表面上形成外部电极。图6E示出了外部电极已形成的最终产品。
通过所述制造过程，可以经济地制造本发明的片状电源电感器，并且可以快速地制造大量的装置。
如上所述，在本发明中，可以控制电源电感器内部的磁通，结果传统的多层片状电源电感器不能实现的相当于几百mA到1A的直流偏置特性也能实现了。而且，用于笔记本PC、其它小型通讯设备和电子设备中的很小体积的多层电源电感器也可以制造了。另外，根据本发明的制造方法，生产率优良因而可以实现经济地生产大量产品。
由于本发明可以以不脱离其核心或其本质特性的多种形式体现，应该知道前面所述的实施例并不受前面的任何详细描述所限制，除非有其它具体的说明，否则应当广泛解释为在如权利要求所限定的精神和实质之内，因此，所有落在权利要求限定范围内的变化和改进或同等的这种限定范围都包含在权利要求中。
Claims (8)
1.一种片状电源电感器包括：
积层体，是磁性材料和非磁性层作为一个整体构成的，磁性层是由多个层来堆叠而成并构成磁芯，非磁性层是插入构成磁芯的磁性材料内部；
线圈图案，形成在构成磁芯的磁性材料的多个层的上表面或下表面上；
通孔，形成在组成构成磁芯的磁性材料的多个层上，来电连接线圈图案；
外壳层，和构成磁芯的磁性材料的上表面或下表面接触；和
外部电极，电连接线圈图案的一部分，
其中，组成构成磁芯的磁性材料的每一层包括：
非磁性电极层，在其中心具有开口，在其上表面和下表面的至少一个表面上有电极图案；和
磁性层，设置在中心开口和非磁性电极层的侧表面，
其中，非磁性电极层和磁性层组成一个层。
2.根据权利要求1所述的片状电源电感器，其中外壳层还包括非磁性层。
3.根据权利要求1所述的片状电源电感器，还包括在形成磁芯的磁性材料的上和下表面与外壳层之间组成为非磁性层的缓冲层。
4.根据权利要求1所述的片状电源电感器，其中非磁性层包括B2O3-SiO2基玻璃、Al2O3-SiO2基玻璃或者其它陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的片状电源电感器，其中磁性材料层包括Ni基铁氧体、Ni-Zn基铁氧体、Ni-Zn-Cu基铁氧体。
6.一种用以制造权利要求1所述片状电源电感器的方法，包括：
制备在载体膜上分别形成有磁性层和非磁性层的生片；
在磁性层生片和非磁性层生片上形成切割线；
在形成有切割线的非磁性层生片上形成通孔，在非磁性层生片的上表面上形成电极图案；
从磁性层生片和非磁性层生片除去不需要的部分，这样，磁性材料的剩余部分和非磁性材料的除去部分相一致或者磁性材料的除去部分和非磁性材料的剩余部分相一致；
在插入没有形成切割线和电极图案的非磁性层状态下，堆叠通过构造磁性层和形成有通孔和电极图案的非磁性层使其成为一个单元制成的多个层；
在被堆叠的上下表面堆叠由磁性层构成的外壳层；
烧制积层体；和
在烧制过的积层体的外表面形成外部电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其中载体膜上的磁性层或非磁性层是用刮刀片绝缘带浇注方法分别形成的。
8.根据权利要求6所述的方法，其中非磁性层生片上表面的电极图案是通过丝网印刷形成的。
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