CN1856846A - 超薄挠性电感器 - Google Patents

Abstract

在本领域公知的SMT部件通常具有大约1mm的厚度，且无挠性。按照本发明，优选地通过利用已在基片中的铜层，在一个基片内实现用于电感器的绕组。然后，把高导磁材料的薄金属片层层叠到基片的顶部和底部。构成这些层，然后形成电感器的磁芯。有利地，电感器可以具备很小的组合高度。

Description

超薄挠性电感器

本发明涉及电感器和制造电感器的方法。

在大量的现代电气器件中，例如移动通信器件，需要不同于例如从电池提供的直流电压的电压。为了有效地转换电压需要电感器。现代使用薄表面安装(SMT)电感器。它们被各个制造商提供。这样的典型SMT电感器包括一个由烧结铁氧体(sintered ferrite)制成的薄磁鼓。磁芯的直径会是大约4.3mm，磁芯的高度会是大约1mm。绕组由绕在磁芯的上部和下部之间的细铜丝组成。这样的SMT电感器通常配有带有接头的塑料固定装置，以便把器件安装到印刷电路板上(PCB)。

通常需要提供塑料固定装置；并且，为容纳金属丝绕组需要以大宽高比的间隙专门形成磁芯。由于这一事实，这样的SMT电感器制造复杂，相当昂贵。除此以外，由于附加的塑料固定装置，在1mm范围的SMT电感器的组合高度对于例如移动电话这样的空间敏感的应用来说是太大。

本发明的目的是提供具有减少厚度的电感器。

按照本发明的示例性实施例，可以用如权利要求1中所陈述的电感器来解决上述目的。权利要求1中所陈述的电感器包括带有第一侧面和第二侧面的基片、一个嵌入在基片中的绕组和一个磁芯。磁芯包括第一软磁金属片和第二软磁金属片，所述第一和第二金属片分别布置在基片的第一侧面和第二侧面上，使得绕组至少部分地被第一和第二金属片所覆盖。

换句话说，按照本发明的这个示例性实施例，在包括绕组的基片的侧面上提供两个片状金属薄层。于是，有利地，可以提供带有集成绕组的超薄电感器。此外，按照本发明的这个示例性实施例的电感器具有可以以减少的成本制造的简单设计。不需要提供专门成形的磁鼓磁芯。这使得按照本发明的电感器适于大量制造。还有，有利地，由于其磁芯由基片上提供的金属片形成的这一事实，这种电感器是非常可靠的。由于无需电感器和基片之间的焊接连接的这一事实，也可以提供增加的可靠性。

按照如权利要求2中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，绕组是在基片上的结构铜层。按照本发明的这个示例性实施例，可以使用已含有铜层的基片，例如PCB。于是，可以在PCB上形成其他电路结构期间的同一加工步骤中形成绕组。这样，由于在提供其他电路结构时，在任何情况下必须在基片上提供铜材料，而且在任何情况下构成这些铜层的制造工艺也是必要的，所以绕组是“免费”的。

此外，由于绕组包括在基片上的结构铜层，所以例如通过湿法化学蚀刻可以获得复杂的绕组。这样的复杂绕组布置，例如，对制造变压器或中间连接是必要的。借助于此，电路拓扑会是有可能的，在电路拓扑上，使用用复杂绕组编制的电感器，而不是两个或更多的简单电感器。由于这种情况，有利地，部件个数可以减少，包括这样一些部件的电路的尺寸可以进一步减小。

按照如权利要求3中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，金属片层叠到基片的第一和第二侧面上。由于金属片层叠到基片上，所以可以提供为基片或PCB的一个集成部分的电感器。由于金属片层叠到基片上，电感器可以具有改进的可靠性。此外，由于层叠而无需焊接互连接，这更加改进了可靠性和减少制造成本。

按照如权利要求4中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，金属片由高导磁(permeable)金属制造，例如μ金属、非晶金属或纳晶(nanocristaline)金属。由于这些高导磁金属片可以达到大于10000的导磁率(permeability)，比典型陶瓷铁氧体大10倍，并且它的饱和通量密度比典型陶瓷铁氧体高大约5倍，所以磁芯(即金属片)可以很薄，以致可以提供具有减小厚度的电感器。

按照如权利要求5中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，磁芯片(即金属片)如此靠近在一起以致于它们之间的距离可以被认为是电感器工作期间在磁芯中出现的磁通路的气隙。因此，按照本发明的这个示例性实施例，更优选地，应用具有小于1.2mm或小于1mm厚度的薄基片。

按照如权利要求6中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，基片是一个挠性(flexible)基片。由于此种情况以及由于金属片不是像例如烧结铁氧体那样易碎的这一事实，可以提供可弯曲的和有挠性的电感器。此外，按照本发明的这个示例性实施例的小的磁芯厚度对电感器的挠性有所增加。

按照如权利要求7中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，在金属片上提供狭缝。有利地，布置这些狭缝使得在电感器工作期间在金属片中出现的涡流电流最小或者被阻止。按照本发明的这个示例性实施例的一方面，把狭缝布置成垂直于可能有的涡流电流方向。因为有效的涡流电流基本上垂直于磁场流动，所以按照本发明的这个示例性实施例的另一方面，与工作期间在电感器中出现的磁通量方向基本平行地布置狭缝。由于此种情况，使可能有的涡流电流最小，而狭缝对磁通量只有很小的影响。假如提供圆形电感器，按照本发明的这个示例性实施例的另一方面，由于在圆形电感器中磁通量是径向取向的这一事实，把狭缝布置成径向方向。

按照如权利要求8中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，狭缝数目向着磁芯外侧，即向圆金属片外侧径向地增加。有利地，这些狭缝很窄。

按照如权利要求9中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，在金属片上提供另外的狭缝，它们与电感器工作期间在磁芯中出现的磁通量的方向垂直。有利地，这些狭缝可以允许降低磁通量，也可以允许降低电感器的感应率。这在有必要避免电感器饱和的应用中会是有利的。

按照如权利要求10中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，在分别互相堆叠的多个片金属上提供多层电感器。有利地，这可以允许电感器在磁芯具有较高的磁通量。有利地，按照本发明的这个示例性实施例的这样多层电感器可以以低成本制造。

按照如权利要求11中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，在金属片上提供的狭缝的宽度在互相堆叠的金属片的不同层中是不同的。按照本发明的这个示例性实施例的一方面，内层配有比外层大的狭缝，有利地，这可以允许在磁芯中的均匀通量分布。

按照如权利要求12中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，提供一种制造电感器的方法，其中，第一和第二金属片层叠在基片的侧面，基片包括嵌入在基片中的绕组。有利地，按照本发明的这个示例性实施例，为制造超薄电感器提供一个很简单的制造方法。权利要求13和14提供按照如权利要求12中所陈述的本发明的一个示例性实施例的方法的另外一些示例性实施例。

作为本发明的一个示例性实施例的要点可以看出，提供一种电感器，该提供的电感器包括一个带有嵌入绕组的基片和布置在基片两个侧面形成电感器磁芯的金属片。按照一个方面，电感器绕组由基片上的铜迹线(coppert rack)制成，基片可以是PCB或挠曲箔(flexfoil)。于是，磁芯可以由薄高导磁金属片制成，薄高导磁金属片可以构成和层叠到基片上。有利地，与已知解决办法比较，这可以允许减小电感器的组合高度，而不扩大足迹区域。此外，可以减少制造这些电感器的成本。

本发明的这些和其他方面将从下述的实施例变得明显，并将参照这些实施例来进行解释。

在下面，将参照下面附图来说明本发明的示例性实施例。

图1表示按照本发明的第一示例性实施例的电感器的截面视图。

图2表示如可以用于图1电感器的绕组布置的一个示例性实施例。

图3表示如可以用于图1电感器的绕组布置的另一示例性实施例。

图4是磁芯层(即金属片)的一个示例性实施例的顶视图。按照本发明的一个示例性实施例，该磁芯层具有在上面铜层上的径向狭缝和下面的绕组。

图5表示按照本发明的电感器的第二示例性实施例的不同制造状态的截面视图。

图6表示按照本发明的电感器的第三示例性实施例的制造状态的截面视图。

图7表示按照本发明的电感器的第四示例性实施例的截面视图。

图8表示按照本发明的电感器的第五示例性实施例的截面视图。

图9表示一个挠曲箔。它具有如可以用于例如图1、5、6、7和8电感器的按照本发明的一个示例性实施例的绕组。

图10表示如可以用于图1、5、6、7和8上所描绘的电感器磁芯的圆形金属片。

图11表示按照本发明的一个示例性实施例的绕曲箔。它具有图9的绕组和布置在绕性基片上的图10的挠曲电感器。

图1表示按照本发明的电感器的第一示例性实施例的截面视图。该电感器包括一个有第一侧面和第二侧面的基片2。在基片2内提供绕组6和8。绕组6、8嵌入在基片2中，由此形成基片2的一个集成部分。电感器的磁芯由软磁金属片4形成。把软磁金属片4布置在基片2的第一侧面和第二侧面上，使得绕组6、8至少部分地被金属片4所覆盖。布置在基片2上的软磁金属片4具有圆形形状。金属片4的厚度可以很薄，例如，在25μm到100μm的范围。然而，也有可能使用具有50μm到150μm或者15μm到75μm范围厚度的金属片。金属片可以由具有可大于1000的导磁率的高导磁材料制成。这样的导磁率比典型陶瓷铁氧体的导磁率高10倍。此外，这种材料的磁通量饱和度，按照本发明的这个示例性实施例的一个方面来说，比铁氧体的磁通量饱和度高大约5倍。有利地，由于这个原因，同由烧结铁氧体制作的磁芯比较，磁芯(即金属片4)可以制作得薄得多。按照本发明的这个示例性实施例的一个方面，金属片4由从包括μ金属、纳晶金属和非晶金属的组中选择的一种材料制成。所有这三种材料都是可以从德国Hanua的Vakuumschmelze公司获得的。当可以使用非晶金属，例如Vitro Vac时，这种材料也是可以从德国Hanua的Vakuumschmelze公司获得的。

有利地，μ金属是最熟知的种类。它只具有中等的磁滞损耗。VitroVac具有更低的磁滞损耗，纳晶金属具有上面列举的材料中最低的磁滞损耗，所以，可以是为本发明的优选实施例选择的材料。这些材料可以作为具有从25μm到50μm以及直到几百μm不等厚度的金属片从Vakuumschmelze公司获得。

有利地，绕组被嵌入在基片2中，它本身用作部件，即电感器的一部分。由于这一事实，同传统的SMT元件比较，电感器的总组合高度14可以显著减小。例如，可以达到小于1毫米的总组合高度。小于200μm的更低组合高度也是做得到的。

按照本发明的这个示例性实施例的一方面，图1中所描绘的电感器具有与例如传统的10μH SMT电感器相同的长度和高度。所以，按照本发明的这个示例性实施例的集成电感器可以直接用来代替相同区域中的SMT电感器。因为，如已在上面提到的，磁芯片4的厚度可以如0.025mm这样低，所以，总厚度可以减小到200μm或更小。

此外，如从图1可以理解到的，提供两个电感器层6和8，它们优选实现为铜层。

可用于绕组6、8的绕组布置描绘在图2和3中，并将在下面说明。

图1中的附图标记10标示可以用于互连的铜迹线。

可以选择基片2的厚度和由此选择层叠到基片2侧面上的金属片4的距离，从而使得可以把金属片之间的距离认为是电感器工作期间在磁通路中出现的磁通路的气隙。于是，优选地使用例如像挠曲箔这样的薄的基片2，这允许这些电感器没有太大的“气隙”，即金属片4之间的距离。

由于按照本发明的这个示例性实施例的一方面，基片2是个挠性基片，例如挠曲箔，以及由于使用金属片4，而不使用如本专业中已知的烧结铁氧体，所以可以提供可弯曲的和有挠性的电感器。此外，由于磁芯，即金属片4具有很小的厚度这一事实，挠性被改进。于是，有利地，按照本发明的这个示例性实施例的一方面的挠性电感器可以用于，例如在衣服里、在医疗电子设备中、在例如为汽车应用的挠性显示器或可弯曲的电子管中的各种电子设备。此外，这样的带有集成绕组和挠性磁芯的挠曲箔电感器会对移动电话显示电路特别有利。

图1中的附图标记12标示在上面金属片4上的狭缝。按照本发明的这个示例性实施例的一方面，在两个形成电感器磁芯的金属片4上都提供这样的狭缝12。然而，也有可能，只在电感器的一个金属片4上提供这些狭缝12。

为了克服高导磁金属片4的潜在的不利方面而提供狭缝12，潜在的不利方面是，这些金属片的材料是高度传导的。这会在片4中引起大涡流电流的感应。这些涡流电流会引起无用损耗，也会恶化电感器的电感性能。

按照本发明的这个示例性实施例的一方面，由于在金属磁芯中，即在金属片4中引入狭缝12，这样的涡流电流的流动将被阻止或者减少。

狭缝12可以布置成与电感器工作期间出现的涡流电流的方向垂直，或者阻止涡流电流的减少。减少的涡流电流与电感器工作期间在电感器中的磁场垂直。所以，优选地，可以布置狭缝12在基本平行于磁通量方向的方向上。由于这种情况，可以使涡流电流最小，而狭缝12对电感器工作期间在磁芯中出现的磁通量只有很有限的影响。在如图1上所描绘的电感器那样的圆形电感器中，磁芯中的磁通量径向取向。由于这种情况，如图1上所描绘的，也是沿径向方向布置。

狭缝的宽度应该在工艺上尽可能地小。作为一种估计，剩余磁芯段的宽度应该小于贯穿深度，这说明这样事实，即，高频率电流倾向在导体的表面或边缘上流动。因为，由于工艺限制，最小宽度也受到限制，所以如同图1上所描绘的成层会是优选的，其中，狭缝的数目向着磁芯的外侧，即向磁片4的外侧径向增加。

如上面已表明的，金属片4可以层叠到基片2，例如挠曲箔上。这可以以与铜层2，例如挠曲箔的层叠相同的方式进行。为了改进金属片对挠曲箔表面的附着力，例如，可以在要被层叠到基片2上的各个表面上硅化(silicate)金属片。

除了这些电感器的上述应用外，由于这样的电感器对如10MHz以下的较低频率上的应用会是有利的这一事实，这些电感器的优选应用可以是功率转换器。

图2和3表示按照本发明的一个示例性实施例的绕组布置的顶视图，假若它们可以用于图1上所描绘的电感器的绕组6、8(即，铜层6、8)的话。如从图2和3可以理解到的，这些绕组可以具有螺旋形状。图2和3的绕组方向的比较表明，按照本发明的这个示例性实施例的一方面，两层的绕组方向是互相相反的。在图2上绕组方向是顺时针方向，而在图3上绕组方向是逆时针方向。

图2和3上所描绘的绕组布置可以用来形成10μH电感器，它用80μm迹线宽度和80μm迹线距离的标准规格的两个铜层来实现。如图1上所描绘的，图2和3上所描绘的两个螺旋线布置在基片2上，一个在另一个之上。它们通过接头16和18之间的通孔互相连接。这样的绕组布置，例如，会对于在移动电话显示电路中的使用特别有利。螺旋线外侧的接头16和18可以用于例如图1上的两条铜迹线10的互连。

例如，通过湿法化学蚀刻、光刻工艺以及适当的制造工艺，在铜层上实现绕组布置。由于这一事实，可以获得复杂的绕组布置，例如变压器。此外，如图2和3上所表明的，例如借助通孔可以实现中间连接。在这种情况下，这样的电路布置会是有可能的，即，其中只使用一个带有复杂绕组的部件，而不是两个或更多个简单电感器。这可以有利地减少部件数目和电路尺寸。

图4表示圆形金属片20的顶视图。这个圆形金属片20包括狭缝22和为螺旋绕组的下面绕组24。片20布置在基片26上，绕组24嵌入在基片26中。

如从图4可以理解到的，如狭缝径向地向金属片20的外侧延伸这样布置狭缝。此外，狭缝的数目向磁芯，即金属片20的外侧径向增加，以致狭缝20具有不同的长度。

布置狭缝20，使得它们与电感器工作期间出现的涡流电流的方向垂直。因为感应的涡流电流垂直于磁场方向，所以狭缝20应该优选地与磁通量方向基本平行布置，在具有如图4上所描绘的圆形金属片20的圆形电感器中的磁通量方向是径向取向的。

图5表示按照本发明的电感器的第二示例性实施例的不同制造状态的截面图。

图5中所描绘的上面制造状态表示带有铜绕组30的基片28，即挠曲箔。第二个状态表示层叠到带有铜绕组的挠曲箔上的两个高导磁金属片32。图5中的附图标记34标示粘结剂和绝缘材料，它们分别夹在带有铜绕组30的挠曲箔28和高导磁金属片32之间。

图5上所描绘的第三制造状态表示按照本发明的电感器的第二示例性实施例的最终电感器，其中，高导磁金属片32已被构成，以形成结构磁芯36。

在图5上的第一状态所描绘的带有铜绕组30的挠曲箔可以以已知的方式来制造。例如，通过把形成铜绕组30的铜迹线层叠到挠曲箔上。然而，铜绕组也可以由光刻工艺和蚀刻形成。

然后，为形成第二制造状态，可以把例如由μ金属、纳晶金属或非晶金属制成的高导磁金属片层叠到带有铜绕组30的挠曲箔20的任一侧面上。优选地，如图4上所描绘的，层叠使粘结剂和/或绝缘材料夹在高导磁金属片32和铜绕组30之间。

为构成高导磁金属片以形成结构磁芯36，可以进行湿法化学蚀刻，这适于大量制造。在新金属的情况下能够进行与在铜层的情况下相同的湿法化学蚀刻。特别是，可以使用相同的光刻工艺和相同的溶剂。

代替湿法化学蚀刻，可以用切割方法进行高导磁金属片32的构成。形成结构磁芯36的高导磁金属片32的构成包括形成狭缝。

图6表示按照本发明的电感器的第三示例性实施例的制造状态的截面视图。在图6中，用相同的附图标记标示与在图5上的相同或相对应的元件。

从图6可以理解到，图6中所描绘的第一制造状态对应图5中所描绘的最终制造状态，除了在图6中，已借助粘结剂和层叠材料38把附加高导磁金属片40层叠到图5中所描绘的最终制造状态。然后，在图6中所描绘的第二制造状态中，例如通过湿法化学蚀刻构成附加高导磁金属片40，以形成结构磁芯42。如从该第二制造状态可以理解到的，提供了具有两层磁芯36和42的传感器。

通过增加另一个附加高导磁金属片和通过构成这个附加高导磁金属片，可以增加另外的结构磁芯44到电感器上，以致提供多层磁芯。

这样的多层磁芯，对于其中需要在磁芯中具有较高磁通量的电感器的应用是特别有利的。由于磁通量的趋肤效应，不可能只靠简单地增加磁芯厚度来实现在磁芯中的高磁通量。按照通量的趋肤效应，流动只在离开磁芯层表面的地方出现，以及按照趋磁通量的肤效应，磁芯内侧会是无磁场的，并因此是未利用的。按照该趋肤效应，使用几个薄的堆叠的绝缘高导磁片层允许明显地增加在磁芯中的磁通量。

如从图5和6可以理解到的，这样的多层电感器的制造与如图5中所描绘的最终制造状态中所示的较简单的一层电感器的制造类似，除了必须进行另外的层叠步骤和构成步骤。

代替按图6提出的制造方法，可以在一个步骤蚀刻所有的层。然而，必须在层间提供粘合剂。这些层可以用用来蚀刻高导磁金属片层相同的蚀刻溶剂来构成。

图7表示按照本发明的第四示例性实施例的电感器的截面视图。如从图7可以理解到的，绕组层52布置在基片50上，高导磁金属片层54已被层叠到绕组层52上形成电感器磁芯。如从图7的横截侧面视图可以理解到的，磁芯，即结构高导磁金属片层54配有狭缝56。按照本发明的这个示例性实施例的一方面，这些狭缝56与磁芯中出现的磁通量方向垂直。有利地，这些狭缝56会降低磁通量，也会降低按照本发明的这个示例性实施例的电感器的感应率。这对于有必要防止饱和的某些绕组布置来说会是有利的。

图8表示按照本发明的电感器的第五示例性实施例的截面视图。如从图8可以理解到的，这个电感器是多层电感器。它包括在基片62上提供的两个绕组层60的每个侧面上的3个磁芯层58。如从图8可以理解到的，磁芯层58配有狭缝64。

在一些情况下，会出现磁通量集中在最内侧的磁芯层，即靠近绕组层60的磁芯层58。由于这些内层58相对外层会有屏蔽效应这一事实，这种情况会发生。特别是当在磁芯层58之间提供的绝缘太厚时，这种情况会发生。

按照本发明的这个示例性实施例的一方面，在磁芯层58上形成垂直于磁通量方向的狭缝64。由于这种情况，迫使磁通量也流入到其他更外层，这可以改进在这些层上的磁通量分布。可以有利地达到均匀的磁通量分布。为进一步改进均匀性，在不同的磁芯层58上的狭缝的宽度可以改变。特别是，内层58上的狭缝宽度可以比外层58上的狭缝宽度大。

图9和10表示电感器绕组(图9)和结构挠性磁芯(图10)的例子。带有图9中所描绘的铜绕组的挠曲箔是按照标准挠曲箔工艺制造的。磁芯(图10)是借助激光切割由25μm Vitro Vac高导磁金属箔制作的。然后，用tesafilm粘结带靠手工把磁芯附加到挠曲箔上。

图11表示包括螺旋绕组和在其上层叠的结构磁芯的挠曲箔基片的照片。如从图1可以理解到的，按照本发明的电感器的挠性是相当显著的。

Claims (14)

1.电感器，包括：

具有第一侧面和第二侧面的基片；

绕组；以及

磁芯；

其中把绕组嵌入在基片中；

其中，磁芯包括布置在基片的第一侧面上的第一金属片和布置在基片的第二侧面上的第二金属片，从而使得绕组至少部分地被第一金属片和第二金属片所覆盖；以及，

其中第一和第二金属片是软磁的。

2.权利要求1的电感器，

其中绕组是在基片中的结构铜层。

3.权利要求1的电感器，

其中第一和第二金属片是高导磁金属片；以及

其中第一和第二金属片被层叠到基片的第一和第二侧面上。

4.权利要求1的电感器，

其中，第一和第二金属片由从包括μ金属、非晶金属和纳晶金属的组中选择的至少一种材料制成。

5.权利要求1的电感器，

其中，基片的厚度和由此第一和第二金属片之间的距离是这样的距离，即能把该距离认为是磁芯的磁通路中的气隙。

6.权利要求1的电感器，

其中基片是挠性的。

7.权利要求1的电感器，

其中第一和第二金属片具有第一狭缝；

其中把第一狭缝布置成基本与电感器工作期间在第一和第二金属片中出现的涡流电流垂直，以减少涡流电流。

8.权利要求7的电感器，

其中绕组的铜结构具有螺旋形状；

其中第一和第二金属片是圆形的；以及

其中第一和第二金属片中的第一狭缝的数目径向增加。

9.权利要求1的电感器，

其中第一和第二金属片具有第二狭缝；

其中第二狭缝垂直于电感器工作期间在第一和第二金属片中出现的磁通量的方向。

10.权利要求1的电感器，

其中布置多个第一和第二金属片；

其中一个在另一个上地布置多个第一金属片；以及

其中多个第二金属片是一个在另一个上的。

11.权利要求10的电感器，

其中多个第一和第二金属片配备有第三狭缝；

其中第三狭缝垂直于电感器工作期间在多个第一和第二金属片中出现的磁通量的方向；

其中，第一和第二金属片中里面的金属片具有带有第一宽度的第三狭缝，而第一和第二金属片中外面的金属片具有带有第二宽度的狭缝；以及

其中第一宽度大于第二宽度。

12.制造电感器的方法，该方法包括下列步骤：

提供具有第一侧面和第二侧面的基片，其中把绕组嵌入在基片中；以及，

将第一金属片层叠到基片的第一侧面上和将第二金属片层叠到基片的第二侧面上，使得绕组至少部分地被第一金属片和第二金属片所覆盖，以借此形成磁芯；

其中第一和第二金属片是软磁的。

13.权利要求12的方法，还包括步骤：

构成铜层以在基片中形成绕组。

14.权利要求12的方法，还包括步骤：

在第一和第二金属片上提供第一狭缝，

其中通过湿法化学蚀刻或激光切割制作第一狭缝。

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