KR20110123115A

KR20110123115A - 평면 변압기 및 평면 변압기와 메인보드의 접합 방법

Info

Publication number: KR20110123115A
Application number: KR1020100042586A
Authority: KR
Inventors: 엄재석
Original assignee: 엄재석
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-11-14
Also published as: KR101278255B1

Abstract

다층의 인쇄회로기판으로 구성된 평면 변압기 및 이를 메인보드에 접합하는 방법애 개시된다. 평면 변압기의 인쇄회로기판에 인쇄된 코일은 동박 및 동박과 동일한 전기전도도를 가지는 도전성 페이스트가 적층된 2층 구조로 구성되며, 또한 평면 변압기는 솔더볼이 아닌 비아홀 내부의 도금 재질과 동일한 재질로 구성된 접합핀과 물리적으로 연결하되나, 접합핀 없이 메인 보드의 공극에 삽입되도록 접합된다.

Description

평면 변압기 및 평면 변압기와 메인보드의 접합 방법{Planar transformer and method of mounting planar transformer on mainboard}

본 발명은 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하세는 다층 PCB를 이용한 평면 변압기와 평면 변압기를 메인보드에 접합하는 방법에 관한 것이다.

휴대용 전자 기기의 급속한 발달과 함께 안정된 전원을 공급하는 스위칭 전원장치의 소형화, 경량화가 요구되고 있다. 특히 전원장치의 박형화는 전체 시스템의 밀도를 향상시킨다. 변압기는 철심 또는 페라이트 코어를 사용한 권선형 소자를 필수적으로 이용하므로 장치의 높이가 제한되고, 개발기간이 길어지며, 제품의 원가에 많은 영향을 미친다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 동박 패턴의 코일이 형성된 PCB 기판을 이용하여 권선형 변압기의 크기 및 무게를 줄여 소형화 및 박형화가 가능한 평면 변압기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 연결부분이 물리적, 화학적 특성에 의한 변형을 최소화하여 접합부분의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 접합 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 평면 변압기를 접합핀 없이 메인보드에 접합하는 구조 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 평면 변압기의 일 실시예는, 1차 권선을 이루는 코일 패턴이 형성된 1차 인쇄 회로 기판; 상기 1차 인쇄 회로 기판의 상부 및 하부에 각각 위치하고, 2차 권선을 이루는 코일 패턴이 형성된 2차 인쇄 회로 기판; 및 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 관통하는 코어;를 포함하고, 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선의 코일은 동박 및 상기 동박 위에 상기 동박과 동일한 전기전도도를 가지는 도전성 페이스트가 적층된 2층 구조인 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 방법의 일 실시예는, 인쇄회로기판으로 구성된 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 방법에 있어서, 인쇄회로기판의 가장자리를 관통하는 비아홀을 형성하는 단계; 상기 비아홀 내부를 도전성 페이스트로 채우는 단계; 상기 다층 인쇄회로기판의 상부를 도전성 물질로 도금하는 단계; 상기 도전성 물질을 상기 비아홀 상의 일정 부분만을 남기고 식각하는 단계; 및 상기 평면 변압기의 코어의 크기에 상응하는 공극이 있는 메인보드에 상기 코어가 일정 깊이만큼 인입한 상태에서 상기 비아홀 상부에 남아있는 도전성 물질과 메인보드를 솔더 볼을 이용하여 접합하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 평면 변압기는 종래 권선형 변압기의 무게 및 크기의 문제점을 해결하여 소형화 및 경량화가 가능하다. 또한 평면 변압기를 메인 보드에 연결하는 접합핀을 평면 변압기의 내부 도금 재질과 동일한 재질로 구성하여 솔더링이 아닌 물리적인 방식으로 접합함으로써 종래 열 응력 등에 의한 접합핀과 평면 변압기 사이의 솔더링 부분의 신뢰성 문제를 극복한다.

또한 평면 변압기를 접합핀을 사용하지 않고 메인보드에 접합하는 방법을 통해 접합핀에 의해 발생할 수 있는 신뢰성 문제를 원천적으로 방지할 뿐만 아니라 메인보드에 평면 변압기의 일부가 삽입됨으로 인해 전체 제품의 높이를 낮추어 박형화를 용이하게 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 평면 변압기의 PCB 기판상에 형성된 동박 패턴의 코일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 평면 변압기의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 평면 변압기의 외부 모습을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 평면 변압기를 접합핀을 이용하여 메인보드에 접합하는 구조의 일 예를 도시한 도면,
도 5는 접합핀의 상세 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 다른 일 예를 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 도 6의 예에 따른 접합 방법을 구현하기 위한 평면 변압기의 가공 방법의 일 예를 도시한 도면, 그리고,
도 9는 도 6에 따른 방법을 통해 평면 변압기를 메인보드에 접합하였을 때의 높이 변화를 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 사용하여 본 발명에 따른 평면 변압기에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 평면 변압기의 PCB 기판상에 형성된 동박 패턴의 코일 예를 도시한 도면이다.

본 실시예에 따른 평면 변압기는 다층의 PCB 기판으로 구성된 구조로서, 도 2에 도시된 바와 같다. 우선, 도 1을 참조하여 평면 변압기를 구성하는 PCB 기판(100)을 살펴보면, PCB 기판(100)은 에폭시(110)와 같은 절연체로 구성되며, 그 에폭시(110) 위에는 코어(130)를 나선형으로 감싸는 코일(120)을 포함한다. 코일(120)은 에폭시(110)에 형성된 동박(copper layer)으로 구성되며, 그 동박의 패턴은 도 1에 도시된 모양 외에 다양하게 변형 가능하다. 또한 기판의 가장자리에는 PCB 기판들 사이의 전기적 연결을 위한 비아홀(140)이 존재한다.

변압기에서 권선의 단면적을 확보하기 위하여 PCB 기판상의 동박의 두께는 일정이상의 두께(예를 들어, 130~150μm)이어야 하나, 상대적으로 두꺼운 동박의 높이 때문에 코일 패턴 형성시 불량 발생이 높이며, 또한 에칭(부식) 방식 매커니즘에서 PCB 기판상의 회로 모양이 불균일하게 되어 전체 변압기의 특성치가 저하되는 단점이 발생한다.

따라서 본 실시예에서는 PCB 기판상, 즉 에폭시(110) 위에 상대적으로 높이가 낮은 동박(124)을 부식방법으로 형성하고, 그 동박(124) 위에 구리와 전기 전도도는 동등하면서 열전도도가 우수한 전도성 페이스트(122)를 동박(122) 상부에 인쇄한다. 이를 통해 기존의 상대적으로 높은 동박 두께에 의한 패턴 형성 공정의 불량률을 낮추고 전도성 페이스트를 통해 변압기 전체에서 발생하는 열을 더 잘 방출할 수 있도록 하여 제품의 수명뿐만 아니라 변압기의 특성치를 향상시킬 수 있다.

도 1에 도시된 기판은 한쪽 면만을 도시하였으나 기판은 한쪽 면 또는 양면이 사용가능한 기판을 사용할 수 있으며 양면이 사용가능한 기판을 이용하는 경우 기판에 대칭하여 밑면에도 윗면과 동일한 패턴의 코일이 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 평면 변압기의 전체 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 평면 변압기는 상하면의 페라이트 코어(200a, 200b), 다층 PCB로 구성된 1차 권선(220), 양면 PCB로 구성된 상하면의 2차 권선(210a, 210b)으로 이루어지며, 1차 권선(220)과 2차 권선(210a, 210b)은 절연체(230a, 230b)로 구분된다.

먼저, 1차 권선(220)을 살펴보면, 1차 권선(220)은 양면 PCB가 다수개 적층된 구조로서 각각의 PCB 기판은 도 1과 같은 코일 패턴을 포함한다. PCB 기판에 형성된 코일은 기판의 가장자리에 위치한 비아홀(미도시)을 통해 서로 다른 층의 PCB 기판상의 코일과 전기적으로 연결된다.

2차 권선(210a, 210b) 또한 도 1에 도시된 PCB 기판으로 구성되며, 다층 PCB 기판으로 구성될 수도 있다.

특히 본 발명에 따른 평면 변압기는 2차 권선(210a, 210b)을 1차 권선의 상부 및 하부의 각각에 배치시켜 변압기의 특성을 보다 향상시킨다. 상하부의 2차 권선(210a, 210b) 또한 1차 권선(220)과 같이 PCB의 가장자리에 위치한 비아홀을 통해 상호 전기적으로 연결된다.

페라이트 코어(200a,200b)는 1차 권선(220) 및 2차 권선(210a,210b)을 이루는 PCB 기판들을 외부에서 감싸는 형태이며 또한 PCB 기판의 중심을 관통한다.

도 3은 본 발명에 따른 평면 변압기의 외부 모습을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 평면 변압기는 전체적으로 페라이트 코어(200a, 200b)가 감싸는 형태이며, 1차 권선 및 2차 권선들을 구성하는 다층의 PCB 기판들(300)들은 비아홀(310)을 통해 서로 전기적으로 연결되며 또한 그 비아홀(310)을 통해 메인 보드와 전기적으로 연결된다.

도 4는 본 발명에 따른 평면 변압기를 접합핀을 이용하여 메인보드에 접합하는 구조의 일 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 접합핀의 상세 구조를 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 평면 변압기는 다층 PCB 기판들(300)의 가장자리에 위치한 비아홀을 관통하는 접합핀(400)을 이용하여 메인보드(450)에 접합된다. 접합핀(400)/변압기의 PCB 기판(300)/메인보드(450)를 솔더링(slodering)하여 접합할 수 있으나, 제품 사용 환경에 따라 각 솔더(sloder) 접합부의 신뢰성 저하 문제로 제품 수명이 단축되거나 변압기의 특성치가 변동되는 문제가 발생한다. 즉 열응력(Thermal Stress)으로 인한 솔더 접합부의 접합 신뢰성이 문제가 되며, 접합부의 신뢰성 저하로 인한 전기적 특성치, 안정성이 불안정해주는 문제점이 발생하고 있다.

따라서, 본 실시예에서는 평면 변압기의 접합핀을 솔더링하는 경우 발생하는 열 응력의 문제점을 해결하고자, 비아홀의 내부에 도금된 재질(410)과 동일한 재질로 구성되고 비아홀의 크기와 동일한 크기의 접합핀(400)을 물리적으로 비아홀에 끼움으로써 메인보드(450)에 접합한다. 따라서 평면 변압기는 솔더링 방식이 아닌 물리적인 접합 방식을 통해 접합핀과 연결되므로 종래 솔더링시 열 응력 등에 의해 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 비아홀의 내부 도금층(예를 들어, 구리)(410)과 동일재질의 접합핀(400)을 사용하므로 접합되는 두 재료(비아홀 내부 도금층과 접합핀)의 물리적, 화학적 특성에 의한 변형/영 응력의 영향을 최소화할 수 있어, 접합 신뢰성이 향상된다. 또한 도금층(410)과 접합핀(400)의 전기적 특성이 동일하므로 전기적 흐름이 향상되어 변압기의 특성이 향상된다. 구리의 경우 열적 특성이 우수하므로 평면 변압기의 사용 환경하에서 발생하는 열을 효과적으로 제어할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 다른 일 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 평면 변압기의 비아홀 내부(610)를 전도성 페이스트로 채우고, 비아홀 상면에 구리 도금층(620,630)을 형성한 후 솔더볼(sloder ball)(640)을 이용하여 메인 보드(650)에 접합한다. 이때 메인보드에는 평면 변압기의 크기에 상응하는 공극(670)이 있어 평면 변압기가 메인 보드에 접합될 때 그 일부가 메인보드의 공극(670) 내부로 삽입될 수 있어 평면 변압기가 실장된 전체 제품의 높이가 낮아지는 효과가 있다.

도 7 및 도 8은 도 6의 예에 따른 접합 방법을 구현하기 위한 평면 변압기의 가공 방법의 일 예를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 구리층(710)이 상하면에 도금된 다층 PCB(700)의 가장 자리에 비아홀을 형성한다(a,b)(S800). 비아홀에 전도성 페이스트(730)를 채운 후(S810) 상부 및 하부의 표면을 구리층(740)으로 도금한다(c,d)(S820). 그리고 표면의 구리층을 식각하여 비아홀 상부에 SMD(Surface Mount Device) 패드(740a)를 형성한다(e)(S830). 그 패드와 메인보드를 솔더볼을 이용하여 접합한다(S840).

도 9는 도 6에 따른 방법을 통해 평면 변압기를 메인보드에 접합하였을 때의 높이 변화를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 메인보드에 페라이트 코어의 크기에 해당하는 공극을 형성하여 평면 변압기가 메인보드에 접합되었을 때, 페라이트 코어의 일부가 메인보드 내부로 삽입되어 전체 부품의 높이가 낮아진다. 따라서 평면 변압기에 의한 제품의 높이를 낮출 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

1차 권선을 이루는 코일 패턴이 형성된 1차 인쇄 회로 기판;
상기 1차 인쇄 회로 기판의 상부 및 하부에 각각 위치하고, 2차 권선을 이루는 코일 패턴이 형성된 2차 인쇄 회로 기판; 및
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 관통하는 코어;를 포함하고,
상기 1차 권선 및 상기 2차 권선의 코일은 동박 및 상기 동박 위에 상기 동박과 동일한 전기전도도를 가지는 도전성 페이스트가 인쇄도포된 2층 구조인 것을 특징으로 하는 평면 변압기.

제 1항에 있어서,
상기 1차 인쇄 회로 기판은 적어도 하나 이상의 양면 인쇄 회로 기판으로 구성되어 상기 양면 인쇄 회로 기판의 양면에 코일 패턴이 대칭되게 형성된 것을 특징으로 하는 평면 변압기.

제 1항에 있어서,
상기 1차 인쇄회로기판 및 상기 2차 인쇄회로기판의 가장자리를 관통하는 비아홀; 및
메인보드에 연결하는 수단으로서, 상기 비아홀 내부의 도금층과 동일한 재질로 구성되고 상기 비아홀의 크기와 동일한 크기를 가지는 접합핀;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 변압기.

제 3항에 있어서,
상기 메인보드는 상기 코어의 크기에 상응하는 공극을 포함하여 상기 코어가 상기 공극에 인입되도록 하는 것을 특징으로 하는 평면 변압기.

제 1항에 있어서,
상기 1차 인쇄회로기판 및 상기 2차 인쇄회로기판의 가장자리를 관통하는 비아홀;
상기 비아홀을 채우고 있는 도전성 페이스트; 및
상기 비아홀의 상부 일정 면적에 위치한 도전성 패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 변압기.

제 5항에 있어서,
상기 코어의 크기에 상응하는 공극이 있는 메인보드에 상기 코어가 인입한 상태에서 상기 도전성 패드와 상기 메인보드를 연결하는 솔더볼;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 변압기

인쇄회로기판으로 구성된 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 방법에 있어서,
인쇄회로기판의 가장자리를 관통하는 비아홀을 형성하는 단계;
상기 비아홀 내부를 도전성 페이스트로 채우는 단계;
상기 다층 인쇄회로기판의 상부를 도전성 물질로 도금하는 단계;
상기 도전성 물질을 상기 비아홀 상의 일정 부분만을 남기고 식각하는 단계; 및
상기 평면 변압기의 코어의 크기에 상응하는 공극이 있는 메인보드에 상기 코어가 일정 깊이만큼 인입한 상태에서 상기 비아홀 상부에 남아있는 도전성 물질과 메인보드를 솔더 볼을 이용하여 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 평면 변압기를 메인 보드에 접합하는 방법.