CN1871671A - 嵌入式环形电感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造嵌入式环形电感器(118)的方法包括在陶瓷衬底(100)中形成沿径向与中心轴(101)隔开第一距离以限定内圆周的第一多个导电性通孔(102)。形成沿径向相对于中心轴隔开第二距离以限定外圆周的第二多个导电性通孔(104)。在陶瓷衬底的第一表面(106)上形成在第一和第二多个导电性通孔中的基本上相邻的导电性通孔之间形成电连接的第一多个导电性迹线(110)。并且，在与第一表面相对的陶瓷衬底的第二表面上形成在第一和第二多个导电性通孔中的沿周向偏移的导电性通孔之间形成电连接的第二多个导电性迹线(110)，以限定三维环形线圈。

Description

嵌入式环形电感器
背景技术
电感器是以磁场的形式存储能量的无源电子部件。每一个电感器都具有与其相关的一定量的电感。为了得到较高值的电感，可以使导线形成环或线圈。可归因于特定的电感器的电感的量一般与线圈的匝数、线圈的半径和线圈缠绕的材料的类型相称。
对于具有特定的匝数和特定的线圈半径的特定的电感器，众所周知，由于空芯具有1.0的导磁率，因此它将导致最小的电感(这里使用的术语导磁率和电容率应分别理解为表示相对导磁率和相对电容率)。如果其它类型的介电芯材料也具有接近1.0的相对导磁率，那么它们的表现也将类似。相反，具有较高的导磁率值的铁磁材料常被用作芯材料，以增加为特定的线圈结构实现的电感。
可以将电感器缠绕在具有从简单的圆柱杆到环形圆环的各种形状的芯周围。众所周知，由于对于给定的芯材料和匝数，圆环与螺线管(杆状)芯相比提供较高的电感，因此它具有一定的优点。圆环还具有在芯区域内基本上包含由电感器产生的磁场以限制RF泄漏并避免与其它附近的部件耦合和相干扰的优点。
在小型RF电路中，电感器常趋于被实施为直接在RF衬底的表面上形成的平面螺旋。但是，这种电感器具有不能基本上包含其产生的磁场的严重缺点。相反，环形电感器在由圆环的芯部限定的区域内有效地包含磁场。但是，圆环在小型化RF电路中的实施带来一般要求它们被实施为表面安装部件的实际困难。
当表面安装部件工作良好时，这些部件所需的电路板实际占用面积成为影响RF系统的外形尺寸的重要因素。事实上，无源表面安装器件可一般包含80％的衬底表面面积。这导致衬底的表面面积较大，而厚度保持相对较小。这不是对电路板实际占用面积的有效利用。
授权给Kron等人的美国专利No.5781091公开了电子电感器件和用于在刚性铜包覆环氧树脂叠层中制造电子电感器件的方法。该工艺包括以下步骤：在环氧树脂叠层中钻取一系列隔开的孔，从板上完全蚀刻掉铜包覆层，在第二叠层上方定位环氧树脂叠层，在各隔开的孔中定位环形铁磁芯，用填充纤维的环氧树脂填充各个孔的剩余部分。这种技术包含一般不是在形成常规的环氧树脂PWB中包含的常规步骤的一部分的许多附加的处理步骤。这些附加的步骤自然会增加成本。并且，该技术不适于诸如下面所述的陶瓷类型的其它类型的衬底。
在850～1000C下煅烧的玻璃陶瓷衬底一般称为低温共烧(co-fired)陶瓷(LTCC)。这类材料具有使得它们作为用于RF系统的衬底特别有用的大量优点。例如，来自Dupont的低温951共烧Green TapeTM是Au和Ag相容的，并且它具有适于许多应用的热膨胀系数(TCE)和相对强度。从Electro-Science Laboratories，Inc.(416 East Church Road，King of Prussia，PA 19406-2625，USA)可得到其它LTCC陶瓷带产品。LTCC产品的制造商一般还提供用于限定金属迹线和通孔的与它们的LTCC产品相容的金属糊剂。
传统LTCC处理的工艺流程包括以下步骤：(1)从滚筒上切割未加工(未烧制)陶瓷带，(2)从未加工带上去除衬里，(3)冲压出电通孔，(3)用导体糊剂填充通孔并遮蔽印刷构图导体，(4)堆叠、对准和层叠各个带层，(4)烧制叠层以烧结粉末和致密化，(4)将烧成的陶瓷锯成各个衬底。
LTCC处理要求被共烧的材料在化学上和在热膨胀系数(CTE)方面相容。一般地，市售LTCC材料的范围相当有限。例如，LTCC材料仅在有限范围的电容率值中有市售产品，并且一般不包含导磁率值大于1的材料。但是，最近，偏材料(metamaterial)的发展开始扩展可与LTCC一起使用的材料的可能的范围。并且，与标准LTCC工艺相容的新的高导磁率陶瓷带材料已开始有市售产品。
发明内容
本发明涉及电感器和用于形成电感器的方法。该方法包括在陶瓷衬底中形成沿径向与中心轴隔开第一距离以限定内圆周的第一多个导电性通孔。形成沿径向相对于中心轴隔开第二距离以限定外圆周的第二多个导电性通孔。在与所述中心轴正交的第一平面中形成在第一和第二多个导电性通孔中的基本上相邻的导电性通孔之间形成电连接的第一多个导电性迹线。并且，在与所述第一平面隔开并与所述中心轴正交的第二平面中形成在第一和第二多个导电性通孔中的沿周向偏移的导电性通孔之间形成电连接的第二多个导电性迹线。导电性通孔和导电性迹线共同限定三维环形线圈。
该方法还可包括在形成导电性通孔和迹线后烧制陶瓷衬底的步骤。根据本发明的一个方面，该方法可包括形成在环形线圈内限定的陶瓷衬底的至少环形芯区的步骤。芯区可由具有与陶瓷衬底的至少一个其它部分不同的至少一种电特性的陶瓷材料形成。例如，电特性可以为导磁率。衬底的高导磁率区可只限于芯区，或它可以包含整个衬底层。有利的是，至少高导磁率区的导磁率可大于1。并且，可将陶瓷材料选择为低温共烧陶瓷(LTCC)材料。
根据另一方面，该方法可包括通过层叠多个未烧制的陶瓷层形成陶瓷衬底，并选择未烧制的陶瓷层中的至少一个使其具有大于1的导磁率。在这种情况下，本发明还可包括将导磁率大于1的陶瓷层定位为至少部分被包含在陶瓷衬底的环形芯区内的步骤。并且，该方法可包括在形成导电性通孔和导电性迹线后烧制陶瓷衬底的步骤。
值得注意的是，不同的高导磁率的环形区可位于与标准低导磁率LTCC带层相同的层上。但是，这会包含附加的处理步骤。为了避免这些附加的处理步骤，所有的层都可由与一般具有约1的导磁率的标准LTCC带层相比相对较高的导磁率构成。并且，所有的LTCC衬底层可由导磁率大于约1的LTCC层形成。由于可以在不对常规的LTCC处理技术做任何改变的情况下构成这些LTCC构件，因此在这一点上可以获得显著的优点。如果附加的处理步骤是可接受的，那么LTCC带层可具有不同的导磁率值，或者，可以用集成到低导磁率带中的高导磁率环形芯区形成选择的带层。
根据另一方面，该方法可包括形成沿径向与中心轴隔开第三距离以限定第二内圆周的第三多个导电性通孔，这里第三距离小于第一距离。并且，可形成沿径向相对于中心轴隔开第四距离以限定第二外圆周的第四多个导电性通孔，这里第四距离大于第二距离。还可以在与中心轴正交的第三平面上设置第三多个导电性迹线。第三多个导电性迹线可在第三和第四多个导电性通孔中的基本上沿径向相邻的导电性通孔之间形成电连接。最后，可以在与第一平面隔开并与中心轴正交的第四平面上设置第四多个导电性迹线，以在第三和第四多个导电性通孔中的沿周向偏移的导电性通孔之间限定电连接，以限定第二个三维环形线圈。
如果以这种方式形成第二个三维线圈，那么该方法还可包括在第一和第二个三维导电性环形线圈之间形成电连接的步骤。例如，可以以使得第一和第二环形线圈沿共同的方向产生磁场的方式设置电连接。
本发明还可包含设置在陶瓷衬底内的电感器。在陶瓷衬底中设置沿径向与中心轴隔开第一距离以限定内圆周的第一多个导电性通孔。设置沿径向相对于中心轴隔开第二距离以限定外圆周的第二多个导电性通孔。并且，在与中心轴正交的第一平面中设置第一多个导电性迹线，以在第一和第二多个导电性通孔中的基本上相邻的导电性通孔之间形成电连接。最后，在与所述第一平面隔开并与所述中心轴正交的第二平面中设置第二多个导电性迹线。第二多个导电性迹线在第一和第二多个导电性通孔中的沿周向偏移的导电性通孔之间形成电连接。组合的电感器结构限定三维环形线圈。
根据本发明的一个方面，陶瓷衬底由适于与导电性通孔和导电性迹线共烧的材料形成。并且，在环形线圈内限定的陶瓷衬底的至少环形芯区由具有与陶瓷衬底的至少一个其它部分不同的至少一种电特性的陶瓷材料形成。例如，电特性可以为导磁率。如果电特性为导磁率，那么导磁率有利地大于1。并且，陶瓷材料有利地为低温共烧陶瓷(LTCC)材料。
根据本发明的一个方面，陶瓷衬底由陶瓷层的共烧叠层构成，并且陶瓷层中的至少一个具有大于1的导磁率。在这种情况下，具有大于1的导磁率的至少一个陶瓷层被定位为至少部分包含于在环形线圈内限定的陶瓷衬底的环形芯区内。并且，陶瓷衬底、导电性通孔和导电性迹线适于共烧。端子连接可位于环形线圈的相对的端部以将电感器连接到电路。根据替代性实施例，所有的LTCC带层都可具有相对较高的导磁率，即，大于约1.
根据另一方面，本发明可包括印刷电路板。印刷电路板可以由陶瓷衬底和集成到所述陶瓷衬底的陶瓷环形芯构成。可通过使用标准陶瓷衬底制造工艺与印刷电路板同时产生该环形芯结构。因此，产生环形结构不需要附加的处理步骤。围绕所述陶瓷环形芯设置包含多个圈的导电性金属线圈。并且，作为共烧工艺的结果与所述陶瓷衬底整体地形成陶瓷环形芯。值得注意的是，至少陶瓷环形芯可由导磁率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，该第二陶瓷材料包含陶瓷衬底的至少一个其它部分。
根据另一方面，本发明可包括在陶瓷衬底中形成电感器的方法。该方法可包括以下步骤：形成包含围绕在未烧制的陶瓷衬底内限定的未烧制的陶瓷环形芯区的多个圈的导电性金属线圈。然后可共烧陶瓷环形芯区、陶瓷衬底和导电性金属线圈，以形成导电性金属线圈至少部分嵌入其中的整体陶瓷衬底结构。根据本发明的另一个方面，金属线圈和陶瓷环形芯区可全部被嵌入陶瓷衬底内。陶瓷环形芯区可由导磁率大于1的陶瓷材料形成。
附图说明
图1是对理解形成本发明的环形电感器的方法有用的其中形成通孔的陶瓷衬底的顶视图。
图2是沿线2-2截取的图1的衬底的断面图。
图3是在添加导电性迹线和第二层以形成环形电感器后图1中的衬底的顶视图。
图4是沿线4-4截取的图3中的衬底的断面图。
图4A是沿线4-4截取的图4中的环形电感器的第一替代性实施例的断面图。
图4B是沿线4-4截取的图4中的环形电感器的第二替代性实施例的断面图。
图4C是沿线4-4截取的图4中的环形电感器的第三替代性实施例的断面图。
图5是对理解本发明的制作方法有用的流程图。
图6是对理解图1～4中的环形电感器的结构有用的示意图。
图7是表示替代性发明配置的环形电感器的顶视图。
图8是沿线8-8截取的图7中的环形电感器的断面图。
图9是在添加附加层和导电性迹线以形成多层绕组环形电感器后图4中的衬底的顶视图。
图10是沿线10-10截取的图9中的衬底的断面图。
具体实施方式
本发明涉及集成在陶瓷衬底内的环形电感器及其制造方法。参照图1～2和图5中的流程图说明该方法。该方法可通过形成适当尺寸的一段未烧制的陶瓷带100从步骤502开始。陶瓷带100可以为被设计为在800～1050℃煅烧的各种市售玻璃陶瓷衬底中的任意一种。这类材料一般称为低温共烧陶瓷(LTCC)。这种LTCC材料具有使得它们作为用于RF系统的衬底特别有用的大量优点。例如，来自Dupont的低温951共烧Green TapeTM是Au和Ag相容的，并且它具有适于许多应用的热膨胀系数(TCE)和相对强度。也可以使用其它类似的类型的陶瓷带。可以通过取决于特定应用的各种因素确定陶瓷带的尺寸。例如，如果环形电感器要形成较大的RF电路的一部分，那么可以将陶瓷带的尺寸定为容纳RF电路，在该RF电路中环形电感器形成部件。
可以在未烧制的陶瓷带100中形成第一多个导电性通孔102。可以通过使用常规的技术执行该步骤，包括在步骤504中在未烧制的陶瓷带100中冲孔和在步骤508中用导电性糊剂填充通孔。如图1和图2所示，第一多个导电性通孔102可沿径向与中心轴101隔开第一距离d1以限定环形电感器的内圆周。在步骤506和508中，第二多个导电性通孔104可类似地形成为沿径向相对于该中心轴隔开第二距离d2以限定外圆周。如图2所示，通孔可基本上在陶瓷带100的相对表面106、108之间延伸。
现在参照图3和图4，该工艺可通过在陶瓷带100上设置多个导电性迹线110在步骤510中继续。表面106上的导电性迹线在第一和第二多个导电性通孔中的基本上沿径向相邻的各个导电性通孔之间形成电连接。在步骤512中，在第二陶瓷带100的表面108上设置第二多个导电性迹线110。第二陶瓷带100也可由LTCC材料形成。第二多个导电性迹线110被配置为使得当如图所示对准和层叠两个陶瓷带层时，表面108上的迹线110将在第一和第二多个导电性通孔中的沿周向偏移的导电性通孔之间提供电连接。
导电性迹线110可由与用于选择的LTCC材料的共烧工艺相容的任何适当的导电性糊剂或印剂形成。可以在商业上从许多来源得到这些材料。并且，应注意，为了与标准LTCC处理一致，在图4中示出两层陶瓷带100，使得仅在每一陶瓷带的一侧设置迹线110。但是，本发明不限于此。本领域技术人员可以理解，可以替代地在单层陶瓷带100的相对的两侧设置迹线110，并且这种替代性配置也在本发明的范围内。在步骤514中，可以通过使用常规的处理技术相互层叠和对准各LTCC层。
导电性通孔102、104和导电性迹线110共同限定三维导电性环形线圈118，在图3中最佳地示出该环形线圈118。通过通孔102、104和导电性迹线110的三维组合形成该环形线圈。图6中的示意图对理解从关于图1～4说明的配置得到的环形线圈结构也是有用的。在这一点上，应当理解，这里的本发明不限于图1～4中所示的通孔102、104和迹线110的精确配置。替代地，只要一般导致与图6中所示的配置类似的类型的基本上环形线圈配置，就可以使用在陶瓷带层中形成的任何图案的通孔和迹线，将其理解为可以进行许多小的变更。
例如，上面说明了表面106上的导电性迹线110在第一和第二多个导电性通孔中的基本上沿径向相邻的各个导电性通孔之间形成电连接。通孔103A和103B是沿径向相邻的通孔的例子。但是，应当注意，当在这里使用术语沿径向相邻的导电性通孔时，不必沿径向精确地对准这些沿径向相邻的导电性通孔。这种沿径向相邻的通孔还可以包含沿周向相互偏移一定程度的通孔。与此对比，通孔103A和103C表示沿周向偏移的通孔。从图1可以看出，沿周向偏移的通孔没有被沿径向对准。本发明不限于任何特定几何结构的导电性迹线110和通孔，只要这些单元的组合限定连续的环形线圈。
参照图1和图3，可以设置一个或更多个附加的通孔112和附加的迹线114、116，以为环形电感器限定一组电接点。一旦完成所有的通孔102、104和迹线110，就可以根据适于特定类型的陶瓷带的温度和时间，在步骤516中将陶瓷带100、通孔和迹线烧制在一起。
该工艺还可包含在陶瓷带100内形成具有与陶瓷衬底的至少一个其它部分不同的至少一种电特性的至少环形芯区120的步骤。例如，该电特性可以是导磁率或电容率。有利的是，可以通过用导磁率大于1的低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成芯区120的至少一部分来增加至少环形芯区的导磁率。根据优选实施例，至少芯区可具有显著大于1的导磁率。例如，通过使用当前的技术，芯区中的导磁率可为约150～400。但是，本发明不限于这一点。替代地，高导磁率可包含大于约1的值。
可以通过任何适当的手段形成该高导磁率芯区。例如，可如图4A所示通过结合导磁率为1的常规非铁陶瓷带层叠一层或更多层未烧制的高导磁率陶瓷带形成高导磁率芯区。可有利地将高导磁率层配置为贯穿芯区。在替代性实施例中，也可将衬底形成为使得高导磁率区仅包含芯区。与芯区不符合的其它LTCC带层也可由高导磁率材料形成。例如，所有各层都可由高导磁率LTCC带层形成。
如图4A所示，可以与多个未烧制的陶瓷带层100一起层叠未烧制的陶瓷带122、124。根据一个实施例，陶瓷带122、124可比陶瓷带层100具有更高的相对导磁率。未烧制的带层122、124可被定位为保证在芯区120中包含它们的至少一部分。未烧制的带层122、124可以为与叠层中的剩余的带层100相容的任何陶瓷带。例如，可以从Electro-Science Laboratories，Inc.(416 East Church Road，King ofPrussia，PA 19406-2625，USA)得到市售的高导磁率LTCC带。特别要参考导磁率为150～400的产品号ESL40010。根据替代性实施例，所有的带层都可由高导磁率材料形成。
图4B示出未烧制的陶瓷带层126与多个未烧制的带层100组合的配置。并且，带层126可包含贯穿芯区120的部分128。部分128可具有与带126和带100的剩余部分相比更高的导磁率。图4C示出如图所示多个未烧制的带层126与未烧制的带层100层叠的类似的配置。可以如以上关于图1说明的在形成导电性通孔和迹线后烧制该叠层。
现在参照图7和图8，示出其中包含附加的陶瓷层的本发明的另一替代性实施例。在图7和图8中，用相似的附图标记标识与图1～4共同的构件。在图7和图8中，可以设置一层或更多层未烧制的陶瓷带128。可以以以上关于图1～4说明的方式在叠层800中形成通孔102、104和迹线110。可以替代性地如关于图4A～4C说明的方式配置一层或更多层未烧制的陶瓷带128，使得高导磁率带区域或高导磁率部分贯穿芯区120。可以在叠层800之上和/或之下设置一层或更多层附加的陶瓷带130，以完全将环形电感器718嵌入陶瓷材料内。
在一些情况下，利用环形电感器718之上和/或之下的表面区域以布置电路迹线701或其它表面安装部件702、704可能是有利的。在迹线110之上添加陶瓷层可有利于这种布置。在这种情况下，形成到环形电感器718的电连接的导电性通孔804、806可延伸到衬底叠层的外表面以提供到该叠层的电连接。
在RF电路板的情况下，在导电性迹线和接地面之间保持预定的间隔常常十分重要。在导电性迹线限定诸如微带传输线706的RF传输线的情况下，这一点尤其重要。在传输线706下存在导电性迹线110、通孔102、104和任何高导磁率陶瓷衬底会在线的特性阻抗中产生不希望有的变化。因此，虽然不是必须，但可能希望设置隔在一个外部陶瓷带层130之下的至少一个导电层802。
导电层802可限定可将各种表面下构件与表面安装部件和传输线隔开的接地面。如果设置导电层802，那么可以形成适当的开口以避免与导电性通孔804、806的任何电接触。值得注意的是，圆环在结构内保持大部分的磁场。因此，一般不需要相对于圆环屏蔽表面部件(或其它电迹线)。例外情况是限定RF传输线的电迹线。在这种情况下，在衬底中存在不连续会改变线的特性阻抗。并且，用于形成圆环的衬底的高导磁率层可能不是适于RF传输线的衬底。在这种情况下，接地面层可用于将高导磁率层与RF传输线和相关的衬底隔开。与平面螺旋电感器相比，环形结构的另一优点是，在迹线在其(即，微带)下面需要接地面的情况下，可以在不影响电感的情况下将接地面放在圆环附近的任何位置。相反，平面螺旋附近的接地面将大大降低电感。
从以上说明可以清楚地看出，本发明可在一个实施例中由陶瓷衬底128、130和嵌入陶瓷衬底内的陶瓷环形芯区120的印刷电路板构成。导电性金属线圈可由围绕陶瓷环形芯的多个圈构成。导电性金属线圈可以为由导电性通孔110和迹线102、104限定的环形电感器718。可作为例如图7～8中的陶瓷带层128、130的陶瓷层的共烧工艺的结果与陶瓷衬底整体形成陶瓷环形芯区。如上所述，陶瓷环形芯区可由导磁率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，该第二陶瓷材料包含所述陶瓷衬底的至少一个其它部分。
现在参照图9，示出本发明的替代性实施例。在图9中，用相似的附图标记标识与图4对应的构件。图9表示在添加附加的陶瓷带层、通孔902、904和导电性迹线910以形成环形电感器918的第二绕组层后与图3中所示的衬底类似的衬底的顶视图。以幻象示出环形线圈118。图9中的各个绕组层限定围绕陶瓷环形芯120设置并具有与相邻的绕组层不同的线圈半径的环形线圈。在图9中，迹线110、910和通孔102、104、902、904形成可在接点914开始并可在916终止的连续绕组。绕组形成为使得由流过各迹线110、910和通孔102、104、902、904的交变电流感应的磁场沿共同的方向产生磁场。为了清楚起见，在图9中没有示出衬底的底侧的迹线910。
图10是沿线10-10截取的图9中的衬底的断面图。在图10中可以看到，由通孔902、904和迹线910形成的外部绕组层的线圈半径比由通孔102、104和迹线110形成的内部绕组层大。还可以通过使用这里所述的技术设置附加的绕组层。

Claims (10)

1.一种印刷电路板，包括：
陶瓷衬底；
嵌入所述陶瓷衬底内的陶瓷环形芯；和
包括围绕所述陶瓷环形芯的多个圈的导电性线圈，其中，在共烧工艺中与所述陶瓷衬底整体形成所述陶瓷环形芯。
2.根据权利要求24的印刷电路板，其特征在于，所述多个圈完全被包含于所述陶瓷衬底内。
3.根据权利要求24的印刷电路板，其特征在于，所述陶瓷环形芯由导磁率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，该第二陶瓷材料包括所述陶瓷衬底的至少一个其它部分。
4.根据权利要求24的印刷电路板，还包括设置在所述陶瓷衬底内的至少一个导电性金属接地面层。
5.根据权利要求27的印刷电路板，其特征在于，所述接地面层被插在所述导电性线圈和设置在所述印刷电路板上的至少一个表面安装部件之间。
6.根据权利要求24的印刷电路板，其特征在于，所述导电性线圈具有多个绕组层，每一个绕组层限定围绕所述陶瓷环形芯设置并具有与相邻的绕组层不同的线圈半径的环形线圈。
7.一种在陶瓷衬底内形成电感器的方法，包括以下步骤：
形成包括围绕在未烧制的陶瓷衬底内限定的未烧制的陶瓷环形芯区的多个圈的导电性线圈；以及
共烧所述陶瓷环形芯区、所述陶瓷衬底和所述导电性线圈，以形成所述导电性线圈至少部分嵌入其中的整体陶瓷衬底结构。
8.根据权利要求30的方法，还包括由导磁率大于1的陶瓷材料形成所述陶瓷环形芯区的步骤。
9.根据权利要求30的方法，还包括在所述导电性线圈和所述陶瓷衬底的外表面之间设置导电性接地面层的步骤。
10.根据权利要求30的方法，还包括形成具有多个绕组层的所述导电性线圈的步骤，其中每一个绕组层限定围绕所述陶瓷环形芯设置并具有与相邻的绕组层不同的线圈半径的环形线圈。
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