CN1701398A - 层式线圈元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种相对电感(L)高的层式线圈元件，并可减小尺寸与厚度。防止了层式线圈元件通路孔之间绝缘电阻的减小。还提出一种层式线圈元件的制造工艺。层式线圈元件1包括在近似长方体陶瓷层板5内由多根带状电极2和通路孔3组成的线圈导线4，通路孔3连接带状电极2的端部。线圈导线4的轴线与陶瓷层板5的宽度方向Z相对应，Z方向正交于陶瓷层板5的层迭(厚度)方向X和纵向Y。制造工艺包括步骤：层迭具有带状电极2和/或通路孔3的陶瓷生片7与具有构成外电极6的印刷导电图案的陶瓷生片7，再对它们压粘与烧制。

Description

层式线圈元件及其制造方法
                         技术领域
本发明涉及层式线圈元件及其制造方法，具体地说，本发明涉及在陶瓷层板里面构成线圈导线。
                         背景技术
专利文件1揭示的纵向层迭、横向盘绕的片状电感器，是一例层式线圈元件。如图11所示，片状电感器31包括近似长方体陶瓷层板32里的线圈导线33，其轴线与层迭方向(厚度方向)X正交，即轴线沿陶瓷层板32纵向Y的线圈导线33设置在陶瓷层板32里面。带状电极34设置在陶瓷层板32里的上下部，其端部沿厚度方向X穿过陶瓷层板32的通路孔35在陶瓷层板32内相互连接，形成线圈导线33。
通路孔35的形成方法是在组成陶瓷层板32的各陶瓷生片预定的位置设置通孔，并用银膏等导电材料(导电膏)填充这些通孔。一例陶瓷生片是铁氧体片。设置在陶瓷层板32上部的两根最末端的带状电极34，沿陶瓷层板32纵向Y延伸至侧面，分别与涂布在陶瓷层板32侧面的外电极37相接。
对于片状电感器31的陶瓷层板32的制备(未示出)，沿层迭方向X只堆迭多块有通路孔35的陶瓷生片，然后在得到的陶瓷生片层板的顶部与底部腐蚀多块有带状电极34与通路孔35的陶瓷生片，另在其上堆迭多块没有带状电极34与通路孔35的陶瓷生片。
陶瓷层板32的制备法是沿层迭方向X整体压粘层迭的陶瓷生片，然后烧制，再在陶瓷层板32侧面浸渍导电膏并烧制而形成外电极37，由此制成有浸渍端面的片状电感器31。
专利文件1：日本待审专利申请说明书No.2002-252117。
                      发明内容
发明要解决的问题
现在研究层式线圈元件中线圈的相对电感(L)。例如在已知的片状电感器31中，当线圈导线33的内截面面积(内面积)与外截面面积(外面积)相互一样时，线圈导线33就具有最高相对电感(L)，即当将层式线圈元件设计成这些面积之比近似1∶1时，能得到最高相对电感(L)。
设计片状电感器31必须考虑某些限制。为在顶部与底部位置组成外涂层而沿设置在陶瓷层板32内的线圈导线33厚度方向X堆迭的陶瓷生片，其外涂层厚度必须大于预定的程度以防银扩散。不计及层迭或切割中的畸变，为防止带状电极34和通路孔35外露，陶瓷层板32宽度方向Z的侧面空隙必须大于要求的最小空隙。
这些限制随着片状电感器31的外部尺寸减小而更受注意，结果是对设计内外面积几乎相等的线圈导线33相当不利。
片状电感器31的陶瓷层板32通过压粘层迭大量陶瓷生片并经切割后烧制而制备的。通常与陶瓷生片相比，通孔里组成通路孔35的导电材料在压粘期间不易变形，因此可用作抵抗压粘期间压实压力的接线柱，而通路孔35接纳压实压力。
因此，加到通路孔35附近稠密对准的陶瓷区域的压实压力，小于加到远离通路孔35的陶瓷区域的压实压力。由于压实压力低，烧制时容易在通路孔35附近的陶瓷区域出现脱层与烧结不足。另外，通路孔35的导电材料银容易扩散，降低通路孔35之间的绝缘电阻。
本发明已克服了这些缺点。本发明的一个目的是获得高的相对电感(L)，方法是使线圈导线的内外面积相等，同时保持小尺寸和薄形状。另一目的是提供一种能有效防止通路孔之间绝缘电阻降低的层式线圈元件及其制造方法。
发明内容
按照本发明第一方面的层式线圈元件包括一种线圈导线，它由许多带状电极和在近似长方体陶瓷层板内连接带状电极预定端部的通路孔组成。线圈导线的轴线与陶瓷层板正交于陶瓷层板的层迭方向(厚度方向)和纵向二者的宽度方向相对应，即线圈导线的轴线既正交于陶瓷层板的层迭(厚度)方向，也正交于陶瓷层板的纵向。
按照本发明第二方面，第一方面所述的层式线圈元件的特征在于：外电极设置在陶瓷层板层迭方向主表面上纵向的端区并与线圈导线的端部相接。
按照本发明第三方面，第二方面所述的层式线圈元件的特征在于：外电极覆盖了安排通路孔的区域。
按照本发明第四方面用于制造第三方面所述层式线圈元件的方法，包括步骤：层迭有带状电极和/或通路孔的陶瓷生片和有组成外电极的印刷导电图案的陶瓷生片，并对层迭的陶瓷生片进行压粘与烧制。
发明的有利效果
在有内置线圈导线的层式线圈元件中，为减小尺寸与厚度，尤其为实现低型面，层式线圈元件的厚度小于其长度与宽度。在这种结构中，当线圈导线的轴线对应于陶瓷层板纵向时，线圈导线内面积远远小于外面积。
本发明的层式线圈元件运用其一般特性减小了尺寸与厚度。本发明的层式线圈元件即使外涂层厚度与侧空隙被减至最小，也能得到高的相对电感(L)。因此，由于通路孔数量比已知元件的通路孔减少了，可改善偏置特性并降低制造成本。
在第一方面所述的层式线圈元件中，线圈导线的轴线与陶瓷层板正交于其层迭(厚度)和纵向的两个方向的宽度方向相对应，因此防止了线圈导线内面积过分小于外央积，而且通过使这些面积相等可增大线圈导线的相对电感(L)。相应地，由于通路孔数量比已知元件的通路孔少了，故改善了偏置特性，降低了制造成本。
在第二方面的层式线圈元件中，外电极设置于陶瓷层板层迭方向主表面上纵向的端区并与线圈导线端部相接，即在这种层式线圈元件中，外电极设置于陶瓷层板厚度方向的主表面而不是纵向的侧面。
一般而言，已知层式线圈元件的外电极是通过浸渍陶瓷层板侧面而形成的，外电极不置于陶瓷层板主表面。在本发明的层式线圈元件中，因外电极置于陶瓷层板主表面，故容易执行将层式线圈元件装到基板等上面的处理，即将层式线圈元件的外电极接到基板上布线图案的处理。
例如，利用引线键合(wire-bonding)或设置在层式线圈元件各外电极与基板上各布线图案之间的凸起，很容易把层式线圈元件的外电极与基板上的布线图案相互连接起来。较佳地，为避免滚磨时碎裂或脱层，将外电极设置在陶瓷层板主表面边缘内侧。在这种结构中，杂散电容比带浸渍端面的已知产品的杂散电容更小。
在本发明第三方面所述的层式线圈元件中，因外电极置成覆盖安排了通路孔的区域，故陶瓷层板压粘时的压实压力不仅作用于通路孔，还通过外电极作用于通路孔附近的陶瓷区，所以通路孔附近陶瓷区受压的压实压力等于远离通路孔的陶瓷区的压实压力。
因此，通路孔附近陶瓷区容易阻止烧制期间出现脱层与烧结不充分，从而有效地阻止银向陶瓷区扩散和通路孔之间绝缘电阻的减小。
用模具压粘接，可将置于陶瓷层板主表面的外电极表面做得平坦，因而与浸渍形成的已知外电极相比，例如，有利于改善把接合引线粘合到外电极的粘合强度。
在本发明第四方面所述的层式线圈元件制造工艺中，把有带状电极和/或通路孔的陶瓷生片与有组成外电极的印刷导电图案的陶瓷生片相层迭，然后压粘与烧制。在这种工艺中，容易制成第三方面所述的层式线圈元件。
在这种制造工艺中，通过通路孔将外电极接至线圈导线后，在烧制陶瓷层板的过程中也可烧制外电极的导电图案，因而形成外电极时不必单独对导电膏作涂布与烧制处理，所以减少了加工成本。
                     实施发明的较佳方式
利用一种十分简单的结构与工艺，可实现使线圈导线的内外面积相等的目的，从而保证线圈导线高的相对电感(L)并可减小层式线圈元件的尺寸与厚度，有效地防止通路孔之间绝缘电阻的减小。
第一实施例
图1是第一实施例中层式线圈元件的片状电感器外观的透视图，图2是片状电感器的分解透视图，图3是相对电感(L)与施加电流的特性曲线图，图4是相对电感(L)与施加电流的变化速率曲线，图5示出线圈导线中面积比与偏置特性的关系；图6～8是安装的片状电感器的侧视图，图6示出第一安装结构，图7示出第二安装结构，图8示出第三安装结构。
参照图1的外观和图2的分解结构，片状电感器1包括线圈导线4，它由近似长方体陶瓷层板5里面多根带状电极2和大量通路孔3组成，通路孔3以电气与机械方式连接带状电极2预定的端部。在片状电感器1中，带状电极2以预定间隔设置在陶瓷层板5层迭(厚度)方向X的上下部，其端与以厚度方向X穿过陶瓷层板5的通路孔3相接，故线圈导线4呈螺旋。
在该结构中，线圈导线4的轴线与陶瓷层板5的宽度方向Z相对应，而宽度方向Z与陶瓷层板5的层迭(厚度)方向X和纵向Y都正交，即线圈导线4的轴线方向既正交于陶瓷层板5的层迭方向X，也正交于陶瓷层板5的纵向。对准于陶瓷层板5上部位置宽度方向Z最末端位置的各带状电极2的端部之一，连接至沿厚度方向X穿过陶瓷层板并沿陶瓷层板5厚度方向X延伸到上部主表面的通路孔3。
露出的外电极6沿陶瓷层板5厚度方向X的上部主表面的纵向Y设置在端部位置，通路孔3延伸至陶瓷层板5的上部主表面并与各自的外电极6电气连接。在片状电感器1中，各外电极6沿陶瓷层板5的层迭方向X设置在顶面，覆盖对准通路孔3的区域。
在陶瓷生片7组成带银膏等导电材料(导电膏)的陶瓷层板5表面上，形成带状电极2和外电极6。图2中形成了三层带状电极2，但可以只形成一层带状电极2。形成通路孔3，例如方法是用激光束辐射每块陶瓷生片7，在陶瓷生片7预定的位置形成通孔，再用银膏等导电材料填充通孔。
在该例中，外电极6都对准于比陶瓷层板5主表面边缘更里面的位置，在该状态中，外电极6在滚磨处理中不会碎裂成脱层，但该结构并不限于这一状态，外电极6可以延伸到陶瓷层板5主表面边缘(未示出)。
在片状电感器1中，线圈导线4的轴线与陶瓷层板5的宽度方向Z相对应，方向Z则正交于陶瓷层板5的层迭(厚度)方向X和纵向Y。烧制的片状电感器1的厚度为0.35mm，宽3.2mm，外涂层厚0.04mm，侧隙0.1mm。在这种片状电感器1中，线圈导线4的内外面积极为相似，即发明人观察到这些面积之比为1∶1.4，线圈导线4的相对电感(L)为1.1μH。
另一方面，在已知的片状电感器31中，例如当烧制的片状电感器为厚0.35mm、宽1.6mm、外涂层厚0.04mm、侧隙0.1mm时，线圈导线33的内外面积比为1∶1.8，故其相对电感(L)仅为1.0μH。还观察到，本发明的片状电感器1的相对电感(L)比已知片状电感器31更高。
图3和4示出发明人对电感(L)特性与加电流时电感(L)变化速率的测量所观察到的结果，图中实线代表本发明片状电感器1的结果，虚线代表已知片状电感器31的结果。如图所示，在电感(L)特性和电感(L)变化速率两方面，本发明结构都优于已知结构。
图5示出线圈导线4的面积比与在某一电流电平下的偏置特性在电感减小30％时的关系。就是说，根据观察结果，当线圈导线4的内外面积之比近似1∶1时，它的允许电流电平的上限比面积比远离1∶1的线圈导线更高，因而即使偏置了大量电流，也可保持高电感。结果，在具有本例结构的片状电感器1中，即使外涂层厚度和侧隙被减至最小，仍可改善偏置特性，同时保持高的相对电感(L)。
另在片状电感器1中，外电极6置于陶瓷层板5主表面，覆盖了置于陶瓷层板5内的通路孔3区域，故在压粘陶瓷层板5期间，压粘的压实压力不仅作用于通路孔3，还通过外电极作用于通路孔3附近的陶瓷区。因此，通路孔3之间的陶瓷区被充分压粘，可防止烧制陶瓷层板5时出现脱层和烧结不充分。
发明人研究了置于陶瓷层板5主表面上的外电极厚度与脱层速率的关系。在外电极不形成在陶瓷层板5主表面上时，脱层速率为15％。
另一方面，当通过印刷形成5μm厚的外电极6以在压粘后具有3μm厚度时，脱层率为10％。当通过印刷形成15μm厚的外电极6以在压粘后具有10μm厚度时，脱层率为0％。已发现，外电极6的存在明显改善了脱层率。具体地说，外电极的印刷厚度较佳为15μm或更厚。
若能防止在烧制陶瓷层板5时的脱层和烧结不充分，就可有效地防止银向通路孔3之间的陶瓷区扩散和通路孔之间绝缘电阻的减小。在用模具(未示出)压粘陶瓷层板5时，形成表面平坦的外通路孔6，结果，例如，有利地改善了接合线与外电极6间的粘合强度。
发明人将在片状电感器1中在陶瓷层板5主表面上镀镍(基底)与金的外电极6的粘合强度同在已知片状电感器31中通过浸渍与烧制在陶瓷层板32侧面镀镍(基底)与金的外电极37的粘合强度作了比较，即通过球剪切试验和拉称试验评估了这些片状电感器中的金丝接合，结果表面，片状电感器1，即在陶瓷层板5主表面上有镀镍(基底)与金的外电极6的结构具有比其它结构更高的粘合强度。
当在边缘附近的区域沿片状电感器1中陶瓷层板5厚度方向X的上部主表面的纵向Y设置外电极6时，可按下述方法应用各种安装结构。在图6的第一安装结构中，片状电感器1的各外电极6与其上装片状电感器1的基板上的布线图案8很容易通过丝接合法用金丝9等接合。
在图7的第二安装结构中，可用焊球或金球10键合。此时把焊球或金球10置于片状电感器1的外电极6上，再用回流或超声处理法把它键合到外电极6。然后将片状电感器1翻转来，用回流法把每只焊球或金球10键合到基板上的布线图案8。
在图8的第三安装结构中，片状电感器1的每根镀金的外电极6与基板上的布线图案8直接连接，再通过超声处理键合。片状电感器1的每根外电极6和其上装片状电感器1的基板上的布线图案8，可用导电粘剂或各向异性导电带(未示出)粘合。在这种安装结构中，因焊接产生的高温不加到片状电感器1，故后者的特性不变。
现在参照图2描述制造片状电感器1的方法。对磁性材料即镍铜锌铁氧体加上水基粘剂(乙酸乙烯、水溶性丙烯酸树脂等)或有机粘剂(聚乙烯醇缩丁醛等)。在添加了分散剂和消泡剂后，用刮刀或反转涂布器形成陶瓷生片7。激光束在各陶瓷生片7预定的位置辐射预定数量的陶瓷生片7，为通路孔3形成通孔。
应用丝网印刷法对设置到陶瓷生片7的通孔填充银膏，形成通路孔3。通过丝网印刷银膏，在每块陶瓷生片7表面的预定位置形成构成线圈导线4部分的带状电极2，在其它陶瓷生片7表面的预定位置形成构成外电极6的导电图案。
沿层迭方向X堆迭只含通路孔3的预定数量的陶瓷生片7，然后在得到的陶瓷生片7层板的顶部和底部堆迭有带状电极2和通路孔3的预定数量的陶瓷生片7。另外，在得到的陶瓷生片7层板顶部堆迭具有构成外电极6的导电图案的陶瓷生片7，还在得到的陶瓷生片7层板底部堆迭不含任何带状电极2、通路孔3和构成外电极6的导电图案的陶瓷生片7。
以这种工艺形成的片状层板11沿层迭方向X压粘，再切成预定大小。接着通过脱脂与烧制，制出陶瓷层板5。然后，在构成外电极6的导电图案上镀镍(基底)与金，形成外电极6，做成片状电感器1。电镀可用镍(基底)与锡，不用镍(基底)与金。片状层板11的压粘压力为98MPa～120MPa(1.0t/cm2～1.2t/cm2)。
在该制造工艺中，在经通路孔3将外电极6的导电图案连接到线圈导线4后，可在陶瓷层板5烧制工艺中烧制外电极6的导电图案。因此，为了形成外电极6，不必单独对导电膏作涂布与烧制处理。
在本例的层式线圈元件中，片状电感器1在陶瓷层板5内设置了一只线圈导线4，但本发明的层式线圈元件并不限于上述的片状电感器1，即可在陶瓷层板5内平行对准多个线圈导线4。具有这种结构的片状电感器被用作变压器或共模扼流圈。另外，本发明还适用于其它层式线圈元件，诸如多层阻抗器与多层LC滤波器等。
第二实施例
图9是本发明第二实施例中片状电感器的外观透视图，图10是该片状电感器的分解透视图。该片状电感器标为21，其结构与第一实施例的片状电感器1基本上相同，但外电极结构除外。
因此在图9和10中，与图1和图2中相同的元件采用图1和图2中同样的标号且不再详述。因第二实施例的片状电感器21的制造工艺和功能同第一实施例的片状电感器1也基本上一样，故不再详述。
如图9和10所示，片状电感器21的外观和分解结构都与片状电感器1相似，即片状电感器21包括线圈导线4，它由近似长方体陶瓷层板22内的多根带状电极2和大量通路孔3组成。通路孔3与带状电极2的预定端部电气与机械连接。线圈导线4的轴线与陶瓷层板22的宽度方向Z相对应，而方向Z正交于陶瓷层板22的层迭(厚度)方向X和纵向Y。
在陶瓷层板22上部位置沿宽度方向Z对准于最末端位置的各带状电极2的端部之一连接通路孔3，而通路孔3沿厚度方向X穿过陶瓷层板22，并沿陶瓷层板22的厚度方向X延伸到上部主表面，外电极23沿陶瓷层板22厚度方向X的上部主表面的纵向Y设置于侧面位置。
各外电极23包括一对相互分开的顶电极24和一根直接在顶电极24下面的底电极25，顶电极24与底电极25通过通路孔3连接。外电极23沿陶瓷层板22的层迭方向X置于顶面，覆盖对准通路孔3的区域。
参照图10描述制造片状电感器21的方法。先形成陶瓷生片7，然后在预定数量陶瓷生片7的预定位置形成通路孔3的通孔。再用银膏通过丝网印刷填充通孔而形成通路孔3。在陶瓷生片7各表面预定的位置，通过丝网印刷银膏形成组成线圈导线4部分的带状电极2。
在其它陶瓷生片7表面的预定位置形成导电图案，构成外电极23的顶电极24与低电极25。沿层迭方向X堆迭预定数量的只有通路孔3的陶瓷生片7，然后在得到的陶瓷生片7层板的顶部与底部，堆迭预定数量的具有带状电极2和通路孔3的陶瓷生片7。
另在得到的陶瓷生片7层板顶部，堆迭有构成外电极23底电极25的导电图案的陶瓷生片7，然后在得到的陶瓷生片7层板顶部，堆迭有构成外电极23顶电极24的导电图案的陶瓷生片7。另一方面，在得到的陶瓷生片7层板底部，堆迭不含任何带状电极2、通路孔3和用于外电极6的顶电极24与底电极25的导电图案的陶瓷生片7。
用这种工艺形成的片状层板27沿层迭方向X压粘，再切成预定大小。然后用脱脂与烧制法制备陶瓷层板22，再用镍(基底)与金电镀构成外电极23顶电极24的导电图案形成外电极23，做成具有图9所示外观的片状电感器。由于片状电感器21具有这种结构的镀金区比第一实施例的片状电感器1的镀金区更窄，故降低了制造成本。
                        工业适用性
层式线圈元件不限于片状电感器，变压器和共模扼流圈都可以使用两个或多个线圈导线平行安置在陶瓷层板内的层式线圈元件。本发明还适用于其它层式线圈元件，诸如多层阻抗器与多层LC滤波器等。
                          附图简介
图1是本发明第一实施例中层式线圈元件的片状电感器外观的透视图。
图2是片状电感器的分解透视图。
图3是电感(L)特性与施加电流的关系曲线。
图4是电感(L)随施加电流的变化速率曲线。
图5示出线圈导线的面积比与偏置特性的关系。
图6是片状电感器第一安装结构的侧视图。
图7是片状电感器第二安装结构的侧视图。
图8是片状电感器第三安装结构的侧视图。
图9是本发明第二实施例中层式线圈元件的片状电感器外观的透视图。
图10是片状电感器的分解透视图。
图11是已知实例中层式线圈元件的片状电感器外观的透视图。
图中标号：
1：片状电感器(层式线圈元件)；
2：带状电极；
3：通路孔；
4：线圈导线；
5：陶瓷层板；
6：外电极；
7：陶瓷生片；
21：片状电感器(层式线圈元件)；
22：陶瓷层板；
23：外电极；
X：陶瓷层板层迭方向(厚度方向)；
Y：陶瓷层板纵向；
Z：陶瓷层板宽度方向。

Claims (4)

1.一种包括线圈导线的层式线圈元件，所述线圈导线包括多根带状电极和在近似长方体的陶瓷层板内连接带状电极预定端部的通路孔，其特征在于，线圈导线的轴线与陶瓷层板的宽度方向相对应，所述宽度方向正交于陶瓷层板的层迭(厚度)方向与纵向。
2.如权利要求1所述的层式线圈元件，其特征在于，还包括设置在陶瓷层板层迭方向主表面上纵向的端区并与线圈导线端部相连接的外电极。
3.如权利要求2所述的层式线圈元件，其特征在于，外电极覆盖安排通路孔的区域。
4.一种制造权利要求3的层式线圈元件的方法，其特征在于包括步骤：
层迭具有带状电极和/或通路孔的陶瓷生片与具有构成外电极的印刷导电图案的陶瓷生片；和
压粘和烧制层迭的陶瓷生片。
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