CN1938794A - 陶瓷衬底中的嵌入式环芯变压器 - Google Patents

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Abstract

在陶瓷衬底中形成变压器(118)的方法。该方法可以包括形成至少一个导电线圈(119a、119b)的步骤，所述导电线圈由环绕未烧陶瓷环芯区域(120a、120b)的多个线匝构成，所述陶瓷环芯区域限定在未烧陶瓷衬底(100)内。该方法还可以包括共烧未烧陶瓷环芯区域(120a、120b)、未烧陶瓷衬底(100)和导电线圈(119a、119b)以形成整体陶瓷衬底结构的步骤，所述整体陶瓷衬底结构带有至少部分嵌入其中的导电线圈。

Description

陶瓷衬底中的嵌入式环芯变压器
背景技术
变压器是将一个电路中的交流或间歇电能转换为另一个电路中的相似类型能量(一般电压和电流值发生改变)的无源电子器件。特定变压器器件中输入电压和输出电压之比一般由主线圈的匝数与辅助线圈匝数之比来确定。存在与两个元件所组成的这个变换有关的微小损耗。第一种损耗源被称为“芯”损耗(也称为无负载损耗)。这种类型的损耗起源于变压器正常操作期间芯的磁化和退磁。第二种损耗元件被称为线圈或负载损耗，因为在变压器的主线圈和辅助线圈中会出现效率损耗。线圈损耗是绕组材料中存在阻抗的结果。
对于具有特定匝数比的特定变压器，公知的是空芯将会导致较低的效率，因为它具有1.0的磁导率(这里使用的术语磁导率或介电常数应当分别被理解成相对磁导率和相对介电常数)。如果其它类型的电介质芯材料也具有接近1.0的相对磁导率，它们将会类似地作用。相反，具有较高磁导率值的铁磁材料常常被用作芯材料，以增加特定线圈结构所要达到的感应系数。
变压器能够缠绕在芯上，芯的形状的变化范围从简单的圆筒棒到圆环形的环形芯。在这点上环形芯是有利的，因为它们将变压器产生的磁场充分包括在芯区域内，以便限制RF泄漏并避免与其它的附近元件耦合和干扰。
在微型RF电路中，倾向于将变压器实现为表面安装器件或直接在RF衬底的表面上形成的耦合平面螺旋。然而，平面螺旋变压器的严重缺陷是它们没有充分包括它们所产生的磁场。与之相反，环芯变压器则能够有效地包括变压器的磁场。然而，微型RF电路中环芯的实现已经呈现出实际困难，即，通常要求它们被实现为表面安装元件。
无论表面安装元件的设计如何精确，这种元件所要求的电路板基板面已经成为RF系统总尺寸的重要因素。实际上，无源表面安装元件典型地构成衬底表面面积的80％。这就引起衬底表面面积的增大，而厚度则保持相对较小。这不是有效利用板基板面的方法。
Krone等人的美国专利第5,781,091号公开了一种电子感应器件和在刚性铜覆环氧薄片中制作该电子感应器件的方法。这个处理过程涉及在环氧薄片中钻一系列间隔的孔，从板上完全蚀掉铜覆层，将环氧薄片置于第二薄片上，将环形铁磁芯置于每个间隔的孔内，并对每个孔的剩余部分用纤维填充环氧树脂进行填充。这项技术涉及大量附加的处理步骤，这些步骤不是形成常规环氧树脂PWB所涉及的常规步骤的通常部分。这些附加的步骤自然涉及到进一步的费用。而且，这样的技术很少适合用于其它类型的衬底，例如下述的陶瓷类型。
在850～1,000℃锻烧的玻璃陶瓷衬底常常被称作低温共烧陶瓷(LTCC，low-temperature co-fired ceramics)。这类材料具有一些优点，使它们特殊用作RF系统的衬底。例如，注册商标为Dupont的低温951共烧Green TapeTM是金和银兼容的，以及它的热膨胀系数(TCE)和相对强度适合许多应用场合。其它可以利用的LTCC陶陶瓷带产品来自Electro-Science Laboratories股份有限公司(位于416East Church Road，King of Prussia，PA 19406-2625，USA)。LTCC产品的制造商们通常也提供与它们的LTCC产品兼容的金属胶，用于限定金属迹线和通孔。
传统LTCC处理的处理流程包括：(1)从滚轧机切割生(未烧)陶瓷带，(2)从生陶瓷带去除背衬，(3)打孔用于电通孔，(3)用导体胶填充通孔并丝网印刷形成图案的导体，(4)堆叠、对准和层压各带层，(5)烧制叠片以烧结粉末并致密，(6)将烧制后的陶瓷锯成各个衬底。
LTCC处理要求共烧的材料在化学上以及有关热膨胀系数(CTE)是兼容的。典型地，商用LTCC材料的范围已经相当有限。例如，已经商用的LTCC材料只在介电常数值的有限范围内，而且一般不包括磁导率值大于1的材料。然而，最近对金属材料的研究已经开始扩展可以使用的LTCC材料的可能范围。而且，与标准LTCC处理兼容的新的高磁导率陶瓷带材料现在已经变得可以商用。
发明内容
本发明涉及一种在陶瓷衬底中形成变压器的方法。该方法可以包括形成至少一个导电线圈的步骤，该导电线圈包括环绕未烧陶瓷环芯区域的多个线匝，所述陶瓷环芯区域限定在未烧陶瓷衬底内。该方法还可以包括共烧未烧陶瓷环芯区域、未烧陶瓷衬底和导电线圈以形成整体陶瓷衬底结构的步骤，其中所述导电线圈至少部分嵌入所述整体陶瓷衬底结构内。
根据本发明的一个方面，该方法可以包括通过磁导率大于1的陶瓷材料来形成陶瓷环芯区域的至少一部分的步骤。该方法同样包括在导电线圈和陶瓷衬底的外表面之间设置导电接地平面层的步骤。例如，所述接地平面层可以设置在导电线圈和设置在陶瓷衬底表面上的至少一个表面安装元件之间。
该方法还可以包括形成第二导电线圈的步骤，该第二导电线圈包括环绕陶瓷环芯设置的多个线匝。根据本发明的一个方面，可以选择第二导电线圈的线圈半径不同于第一导电线圈的线圈半径。根据本发明的另一个方面，该方法可以包括形成环绕陶瓷环芯的径向部分设置的多个线匝的第二导电线圈的步骤，该径向部分不包括设置第一导电线圈的陶瓷环芯的径向部分。而且，导电线圈可以被形成具有沿其径向的至少一个输出抽头，以形成自耦变压器。
根据本发明的另一个方面，本发明可以包括一种嵌入LTCC衬底中的变压器。在那种情形下，本发明可以包括陶瓷衬底、嵌入陶瓷衬底内的陶瓷环芯和由环绕陶瓷环芯的多个线匝构成的至少一个导电线圈。随后，在共烧过程中可以与陶瓷衬底整体地形成陶瓷环芯。陶瓷环芯的至少一部分可以具有大于1的磁导率。
根据本发明的一个方面，多个线匝可以在所有点包含在陶瓷衬底内。根据本发明的另一个方面，陶瓷环芯可以由磁导率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，第二陶瓷材料构成陶瓷衬底的至少一个其它部分。而且，至少一个导电金属接地平面层可以设置在陶瓷衬底内。例如，所述接地平面层可以插入导电线圈和设置在陶瓷衬底表面的至少一个表面安装元件之间。
所述变压器还可以包括第二导电线圈，该第二导电线圈由环绕陶瓷环芯设置的多个线匝形成，并具有与第一导电线圈不同的线圈半径。根据本发明的一个方面，由多个线匝形成的第二导电线圈可以环绕陶瓷环芯的径向部分设置，该径向部分不包括设置第一导电线圈的陶瓷环芯的第二径向部分。此外，这里所公开的变压器可以形成为自耦变压器。
附图说明
图1是带有在其中形成的通孔的陶瓷衬底的俯视图，用于理解环芯变压器的形成方法。
图2是图1的衬底沿线2-2的横截面图。
图3是加入导电迹线和第二层以形成环芯变压器之后，图1的衬底的俯视图。
图4A是图3中的衬底沿线4-4的横截面图。
图4B是图4A中环芯变压器的第一可供选择实施例的横截面图。
图4C是图4A中环芯变压器的第二可供选择实施例的横截面图。
图4D是图4A中环芯变压器的第三可供选择实施例的横截面图。
图4E是加入了附加层的图4A中的环芯变压器的第四可供选择
实施例的横截面图。
图5是用于理解进行本发明方法的流程图。
图6是图解另一个本发明安排的环芯变压器的俯视图。
图7是图6中的环芯变压器沿线7-7的横截面图。
图8是带有缠绕在一起的绕组的环芯变压器的俯视图。
图9是配置成自耦变压器的环芯变压器的俯视图。
具体实施方式
本发明涉及一种集成在陶瓷衬底内的环芯变压器及其制作方法。将参照图1-图4以及图5中的流程图来描述该方法。该方法可以从步骤502开始，形成块尺寸合适的生陶瓷带100。该陶瓷带100可以是任何设计成在大约800℃至1,050℃锻烧的各种商用玻璃陶瓷衬底。这种类型的材料常常被称为低温共烧陶瓷(LTCC)。这样的LTCC材料具有一些优点，使得它们特殊用作RF系统的衬底。例如，来自注册商标Dupont的低温951共烧Green TapeTM是金银兼容的，而且它的热膨胀系数(TCE)和相对强度适合于许多应用。也可以使用其它类似类型的陶瓷带。陶瓷带的尺寸可由各种因素来确定，这取决于特定应用。例如，如果环芯变压器准备构成部分较大RF电路，则可以调整陶瓷带的尺寸来适应在其中环芯变压器构成一个元件的RF电路。
参照图1和图2，可以在未烧陶瓷带100中形成第一组多个通孔102a、102b。在图1中，多个通孔102a、102b的每一个在线105的每一边排列在大约180度的弧上。因此，每组通孔大致限定一个半圆。然而，在这点上本发明并不做任何限制。相反，可以将通孔102a或102b每个排列在大于或小于180度的弧上，只要由每组通孔102a、102b形成的弧的组合累积限定所示大致360度的弧。
可以使用常规的技术来形成导电通孔，这包括在步骤504中在未烧陶瓷带100上打孔，并在步骤508中用导电胶来填充通孔。如图1和图2所示，可以将第一组多个通孔102a、102b与中心轴101径向间隔第一距离d1，以便限定环芯变压器的内圆周。在步骤506和508中，可以类似地形成第二组多个通孔104a、104b，围绕中心轴径向间隔第二距离d2，以便限定外圆周。在图1中，多个通孔104a、104b每个排列在大约180度的弧上，与通孔102a、102b所限定的弧相对应。然而，在这点上本发明并不作任何限制。相反，通孔104a、104b每个都可以排列在大于或小于180度的弧上，只要这些弧分别与通孔102a、102b所形成的弧一致。如图2所示，这些通孔可以在陶瓷带100的相对表面106、108之间充分延伸。
现在参照图3和图4A，在步骤510中继续这个过程，在陶瓷带100上设置多个导电迹线110a、110b。表面106上的导电迹线110a在基本径向相邻的各个第一组多个通孔102a和第二组多个通孔104a之间形成电连接。类似地，表面106上的导电迹线110b在基本径向相邻的各个第一组多个通孔102b和第二组多个通孔104b之间形成电连接。
在步骤512中，在第二陶瓷带100的表面108上提供第二组多个导电迹线110a、110b。第二陶瓷带100也可以由LTCC材料形成。布置第二组多个导电迹线110a、110b，使得当这两个陶瓷带层如图所示对准并堆叠时，表面108上的迹线110a将在圆周偏移的第一组多个通孔102a和第二组多个通孔104a之间提供电连接。类似地，迹线110b将在圆周偏移的通孔102b、104b之间提供电连接，如图所示。
可以由与选择的LTCC材料的共烧处理兼容的任何适当导电胶或导电墨水来形成导电迹线110a、110b。这样的材料来自各种商用源。而且，应当注意的是，为了与标准的LTCC处理一致，两层陶瓷带100如图4A所示，迹线110a、110b只设置在每个陶瓷带的一侧。然而，本发明并不仅限于此，本领域技术人员将期望迹线110a、110b可以设置在单层陶瓷带100的相对面上，而且这样可供选择的布局在本发明的范围内。在步骤514中，可以利用常规的处理技术来堆叠并对准各LTCC层100。
通孔102a、104a和导电迹线110a、115一起限定了三维变压器118的第一绕组119a。同样地，通孔102b、104b和导电迹线110b和117限定了该三维变压器118的第二绕组119b。在这一点上，应当理解，本发明在这里并不仅限于图1-4A所图解的通孔102a、102b、104a、104b和迹线110a、110b、115、117的精确布局和图形。相反，可以在陶瓷带层上形成任何通孔和迹线的图案，只要它一般导致充分环形的变压器布局，应当理解可能存在许多微小变化。
例如，上面叙述的是表面106上的导电迹线110a、110b在充分径向相邻的第一组多个通孔和第二组多个通孔之间形成电连接。通孔103-1和103-2是径向相邻的通孔的例子。然而，应当注意，作为这里使用的术语，径向相邻的导电通孔不一定是精确地径向对准。这种径向相邻的通孔也可以包括在圆周上彼此偏移某个角度的通孔。通孔103-1和103-3表示圆周偏移的通孔。如图1所示，圆周偏移的通孔并不径向对准。本发明并不打算限制导电迹线110a、110b、115、117以及通孔102a、102b、104a、104b的任何特定几何形状，只要这些元件的组合限定连续环芯变压器的至少一个径向部分。
参照图1和图3，可以提供一个或多个附加通孔112a、112b以及附加迹线114a、114b、116a、116b，来限定环芯变压器的第一和第二电触头组，所述环芯变压器限定第一绕组119a和第二绕组119b。特别地，可期望与第二绕组119b相比，第一绕组119a具有不同的匝数，且本发明并不限制每一个线圈的任何特定匝数。一旦所有的通孔102a、102b、104a、104b、112a、112b和迹线110a、110b、115和117、114a、114b、116a、116b完成，则可以在步骤516中，根据适合特定类型的陶瓷带的温度和时间，将陶瓷带100、通孔和迹线一起进行烧制。
该处理也可以包括在陶瓷带100内形成至少一个环芯区域120a、120b的步骤，该环芯区域的至少一个电特性不同于陶瓷衬底的至少一个其它部分。例如，电特性可以是磁导率或介电常数。有利地是，通过用磁导率大于1的低温共火陶瓷(LTCC)材料来形成至少一部分芯区域120a、120b，可以增加至少环芯区域的磁导率。根据优选实施例，至少芯区域可以具有充分大于1的磁导率。例如，利用当前技术，芯区域的磁导率的范围可以在大约150到400之间。然而，本发明在这一点上并不做任何限制。相反，高磁导率可以包括大于大约1.0的值。
可以通过任何合适的方法来形成高磁导率芯区域。例如，如图4B所示，可以通过与磁导率为1的传统非铁陶瓷带结合堆叠一层或多层未烧高磁导率陶瓷带，来形成高磁导率芯区域。高磁导率层被有利地排列以横断芯区域。在另一个实施例中，也可以形成衬底，使得高磁导率区域只包括芯区域。不与芯区域一致的其它LTCC带层也可以由高磁导率材料形成。例如，所有层可以由高磁导率LTCC带层形成。
如图4B所示，未烧陶瓷带122、124可以与多个未烧陶瓷带层100叠在一起。根据一个实施例，陶瓷带122、124可以具有与陶瓷带层100相比相对较高的磁导率。可以定位未烧带层122、124，以确保它们的至少一部分将包含在芯区域120中，未烧带层122、124可以是与叠片中剩余带层100兼容的任何陶瓷带。例如，可以从Electro-Science Laboratories股份有限公司(位于416 East ChurchRoad，King of Prussia，PA 19406-2625，USA)买到高磁导率LTCC带。特别是，可以参照具有磁导率150-400的产品号ESL 40010。根据另一个实施例。所有带层可以由高磁导率材料形成。
图4C示出未烧陶瓷带层126与多个未烧带层100组合的布局。而且，带层126可以包括横断芯区域120的部分。部分128可以具有与带126和带100的其余部分相比较高的磁导率。图4D示出多个未烧带层126与未烧带层100叠在一起的类似布局。
在许多例子中，利用环芯变压器的上和/或下表面区域来布置电路迹线或其它表面安装元件是有利的。在迹线110a、110b上增加一个或多个附加LTCC层可以便于这种布置。图4E示出的是附加LTCC层130设置在其上以便完全将变压器嵌入叠片内的环芯变压器。通孔132、134可以为环芯变压器的迹线114a、114b提供电连接。可以为迹线116a、116b提供没有示出的类似通孔。电路迹线122、124和电路元件126、128可以布置在所示叠片的外表面上。特别是，尽管图4E中的元件被示出只在环芯变压器的一侧，但是本发明并不仅限于此。
在RF电路板的情形中，常常重要的是在导电迹线和接地平面之间保持预定的间隔。这在导电迹线限定RF传输线(例如微带传输线)的情况下特别重要。导电迹线110a、110b、通孔102a、102b、104a、104b以及任何高磁导率陶瓷衬底的存在可在线路的特征阻抗方面产生不期望的变化。因此，可以期望(尽管不是必需的)提供在外侧的一个陶瓷带层130下面隔有至少一个导电层136。
导电层136可以限定能够将各种副表面结构与表面安装元件和传输线相隔离的接地平面。如果提供了导电层136，则能够形成合适的开孔以避免与通孔132、134的任何电接触。特别地是，环芯变压器将大部分磁场维持在结构内。因此，通常不需要将表面元件(或其它电迹线)屏蔽于环形器件。限定RF传输线的电迹线是个例外。在那种情形下，线路的特征阻抗可能会通过衬底中存在不连续性而发生改变。而且，用于形成环形器件衬底的高磁导率层可能对于RF传输线不是合适的衬底。在那种情形下，接地平面层可以用于将高磁导率层与RF传输线和相关的衬底相隔离。与耦合平面螺旋变压器的布局相比，环芯变压器结构的另一个优点在于，在那些迹线需要接地平面(即微带)在其下的例子中，接地平面可以放置在环形器件附近的任何地方，而不会影响感应系数。相反，平面螺旋变压器附近的接地平面可能会显著地改变它的工作参数。
从前述中变得更为明显的是，本发明能够在一个实施例中由印刷电路板构成，该印刷电路板由LTCC陶瓷衬底和嵌入该陶瓷衬底内的陶瓷环芯区域形成。形成变压器的导电金属线圈可以由环绕图3所示陶瓷环芯的多个线匝组成。导电金属线圈可以是由导电通孔110a、110b和迹线102a、102b、104a、104b限定的环形感应器。作为陶瓷层(例如陶瓷带层100、130)的共烧处理的结果，可以与陶瓷衬底整体形成陶瓷环芯区域。正如上面所提到的那样，陶瓷环芯区域可以由磁导率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，而第二陶瓷材料构成陶瓷衬底的至少一个其它部分。
可以利用前述技术来构造另一种类型的环芯变压器。现在参照图6和图7，示出的是根据本发明的另一个实施例的环芯变压器618。第一环形绕组600由能够利用关于图1-图4所述的处理形成的通孔602、604和迹线610构成。如图所示，单个环形绕组600可以连续扩展到大约360度的弧上，但也可以限制在稍小角度的弧上。这是与图1-图4中的第一和第二绕组119a和119b的区别，第一和第二绕组119a和119b的每一个仅形成360度弧的一部分。可以形成端子614、616以提供与环形绕组600的电接触。通孔(没有示出)可以在端子614、616和环形绕组600之间形成电连接。
利用类似于图1-图4所述的技术来形成由通孔702、704和迹线710构成的第二环形绕组700。为了清楚起见，衬底底部上的迹线710没有在图6中示出。如图所示，单个环形绕组700可以连续地绕着大约360度的弧扩展，但也可以限制在角度稍小的弧上。端子714、716提供与环形绕组700的电接触。第二环形绕组700具有较大的线圈直径并与第一环形绕组600共轴，使得两个绕组共享公共环芯720。如图所示，绕组600、700形成环芯变压器618。每个绕组600、700的线圈数之比将确定变压器618的变压特性，并可为特殊变压器应用进行选择。利用这里所述的技术也可以提供附加的绕组层。
在图6和图7中，暴露设置在表面722上的迹线710，并因此可能干扰表面安装元件的布置或妨碍在其上定位形成电路部分的其它信号迹线。因此，可以期望将一个或多个附加LTCC层和/或接地平面层加到图7的叠片表面722上。为了清楚起见，这些层已经从图7中省略了。然而，这些层可与图4E所述的附加层130、136相类似。类似地，形成环芯变压器618的LTCC层的叠片中的一层或多层100可以包括前述高磁导率的LTCC层。
图8中图解了本发明的另一个实施例。可以利用这里关于图1-图7所述的相同技术来形成图8中的环芯变压器。然而，在这个实施例中，第一和第二绕组810、910如图所示缠绕在一起。端子814和816提供与环形绕组800的电接触，而端子914和916提供与环形绕组900的电接触。正如图1-图4中所描述的那样，可以期望将一个或多个附加LTCC层和/或接地平面层加到图7和8的叠片表面922上。为了清楚起见，这些层从图7和图8中已经省略了。然而这样的层与图4E所述的附加层130、136相类似。类似地，形成环芯变压器800的LTCC层的叠片中的一个或多个层100可以包括前述高磁导率的LTCC层，以便限定高磁导率芯区域。
图9图解了本发明的再一个实施例。图9是DC无源类型的自耦变压器。图9中的自耦变压器可以由嵌入LTCC衬底内的单个环形绕组构成。可以使用类似于这里关于图1-图8所述的制造技术来形成该单个环形绕组950。然而，不是利用多个绕组将一个电压变换成另一个电压，而是在沿其半径的选择位置上布置一个或多个抽头。本领域技术人员对自耦变压器非常熟悉，然而，通过利用这里所述的本发明的方法，环型自耦变压器958可被嵌入LTCC衬底内。在图9中，触头954a、954b借助于通孔960、962与环形绕组950电连接。至少一个抽头956a借助于通孔958在沿其半径的选择位置与环形绕组950相连。将由环形绕组中的总匝数与输入954b和输出抽头956a之间的匝数之比来确定电压变换率。例如，图9中的自耦变压器的匝数比为大约1∶4。

Claims (10)

1、一种嵌入LTCC衬底中的变压器，包括：
陶瓷衬底；
嵌入所述陶瓷衬底内的陶瓷环芯；和
由环绕所述陶瓷环芯的多个线匝构成的至少一个导电线圈，其中，所述陶瓷环芯与所述陶瓷衬底在共烧处理中整体形成。
2、如权利要求1所述的变压器，其中，所述陶瓷环芯由磁导率大于第二陶瓷材料的陶瓷材料构成，所述第二陶瓷材料构成所述陶瓷衬底的至少一个其它部分。
3、如权利要求1所述的变压器，进一步包括设置在所述陶瓷衬底内的至少一个导电金属接地平面层。
4、如权利要求1所述的变压器，进一步包括第二导电线圈，所述第二导电线圈包括环绕所述陶瓷环芯设置的多个线匝，并具有不同于所述第一导电线圈的线圈半径。
5、如权利要求1所述的变压器，进一步包括第二导电线圈，所述第二导电线圈由环绕所述陶瓷环芯的径向部分设置的多个线匝构成，所述径向部分不包括设置所述第一导电线圈的所述陶瓷环芯的第二径向部分。
6、一种在陶瓷衬底中形成变压器的方法，包括下列步骤：
形成至少一个导电线圈，所述至少一个导电线圈包括环绕未烧陶瓷环芯区域的多个线匝，所述陶瓷环芯区域限定在未烧陶瓷衬底内；和
共烧所述未烧陶瓷环芯区域、所述未烧陶瓷衬底和所述导电线圈，以形成导电线圈至少部分嵌入其中的整体陶瓷衬底结构。
7、如权利要求6所述的方法，进一步包括由磁导率大于1的陶瓷材料形成所述陶瓷环芯区域的至少一部分的步骤。
8、如权利要求6所述的方法，进一步包括形成第二导电线圈的步骤，所述第二导电线圈包括环绕所述陶瓷环芯设置的多个线匝。
9、如权利要求8所述的方法，进一步包括选择所述第二导电线圈的线圈半径不同于第一导电线圈的线圈半径的步骤。
10、如权利要求6所述的方法，进一步包括形成第二导电线圈的步骤，所述第二导电线圈由环绕所述陶瓷环芯的径向部分设置的多个线匝构成，所述径向部分不包括设置所述第一导电线圈的所述陶瓷环芯的所述径向部分。
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