TW201303925A - 低構形高功率電感器 - Google Patents

Abstract

一種低構形高功率電感器，包含：一片至少一側表面具有絕緣表面的基板；至少一個形成於該至少一側絕緣表面上的鸚鵡螺狀線圈；一組導接該至少一個鸚鵡螺狀線圈兩端的電極；及一個封閉該至少一個鸚鵡螺狀線圈的鐵磁性膠體保護層。由於可藉由鐵磁性膠體保護層取代習用電感器所需的磁芯，不僅使晶片電感器的高度大幅降低，體積巨幅縮減，且產品精度極高，完全符合電子產品輕薄短小的潮流趨勢；尤其結構相對簡單，可批次製造，產出效率及良率均可獲提昇。

Description

低構形高功率電感器

本發明係關於一種低構形高功率電感器，尤其是一種利用鐵磁性膠體保護層做為電磁芯的低構形高功率電感器。

電感器是一種用絕緣導線纏繞形成線圈，以產生一自感量的電子元件，而電感器在電子線路的應用相當廣泛，例如應用在振盪、調諧、耦合、濾波、延遲、偏轉的電子線路當中。製造時，通常是將線圈纏繞在一個鐵芯上形成一個導體迴路，當電流流經線圈時，根據法拉第電磁感應定律，導體將產生一個電動勢以「反抗」這種變化，即電磁感應現象，比如，當電流以1安培/秒的變化速率穿過一個1亨利的電感元件，則引起1伏特的感應電動勢，而電磁感應L計算公式為，其中

L=電感單位亨利(H)；

μ₀=自由空間的磁導率=4π×10^-7H/m；

μ_r=芯材料的相對磁導率；

N=線圈纏繞匝數；

A=線圈環繞的橫斷面積單位平方米(m²)；及

l=線圈盤繞長度單位米(m)。

從公式中可得知，纏繞線圈的匝數及橫斷面積對於電感大小所造成的影響。為提供足夠的電感值，所用線圈往往需佔用極大空間，因此電感器常有較大體積，無論在電路板的平面或高度方向，都對電路設計造成相當負擔，使得輕薄短小的設計受阻。

較早期的這類電子元件安裝至電路板的方式，主要是藉由插腳焊接，甚至為降低電路板上元件高度，在電路板上挖孔，供容納電感器的本體部分，無論插件、剪腳、將電感器本體放入預挖孔中，大部份都需輔以手工作業，不僅繁雜費時，電路板面積也受限於此等元件而不易微型化，無法應用在小型電子產品中。為解決這些問題，目前主流的電子元件，一方面體積盡量減小，並且主要配合表面安裝技術(SMT,surface mount technology)安裝至電路板，令電路板上的布線密度提升，減少佔用的面積，更使電子元件的延遲時間減少，電路回應速度更快、提升整體效能。

圖1所示，是一種常見的表面安装晶片電感器，主要包括有磁芯11、線圈12、電極13及殼體15，其中線圈12被纏繞於磁芯11上，線圈12的兩端分別導接至電極13，並以殼體15封裝成為晶片形狀，供表面安裝設置到基板14的安裝面。其製造過程中，需先將線圈12纏繞於磁芯11，再打線連接至電極13，最後進行封裝。然而，一方面磁芯11必然佔有相當高度，會使得電感器晶片的厚度增加，採用這種晶片電感器焊於電路板時，會使得整體電路板不能薄形化；另方面，線圈與電極間的接點結構較脆弱，一旦在封裝灌膠過程中略有推擠偏移，就可能使得接點位置接觸不良，導致產品性能劣化，成本隨之升高；尤其此製程主要是機械作業，製造精度較差，產品價格與品質都無法輕易提昇。

另一種常見的表面安裝電感器如圖2所示，其中，線圈22纏繞方式是從中心點向外以螺旋狀單層纏繞，但是一方面其金屬導線部分尺寸甚大，不符合微型化潮流；另方面在生產過程中，是先將線圈22的兩個端部以焊接的方式焊於一個具有兩電極的長條料帶上，再將料帶及線圈整體封入金屬殼體26，最後切斷料帶與電極間的連結，從而形成個別電感器，最後安裝於基板25上，操作過程較繁複，且許多環節精度都不高，產品良率及精度都因而受限。

因此，如何令表面安裝的晶片電感器薄形化，以減少佔用電路佈局的空間，及提昇薄形化電感器的製造良率與精度，甚至批次大量製造，使得產出效率大增，將是提昇產品市場競爭力的重要思維方向。

本發明之一目的在提供一種大幅降低晶片電感器厚度的低構形高功率電感器。

本發明之另一目的在提供一種高精度的低構形高功率電感器。

本發明之又一目的在提供一種可批次製造而提昇產出效率的低構形高功率電感器。

本發明之再一目的在提供一種以鐵磁性膠體取代磁芯、使得結構簡易的低構形高功率電感器。

依照本發明揭露的一種低構形高功率電感器，包含：一片至少一側表面具有絕緣表面的基板；至少一個形成於該至少一側絕緣表面上的鸚鵡螺狀線圈；一組導接該至少一個鸚鵡螺狀線圈兩端的電極；及一個封閉該至少一個鸚鵡螺狀線圈的鐵磁性膠體保護層。

由於本案所揭露之低構形高功率電感器，是在基板上藉由例如濺鍍等製程成形鸚鵡螺狀線圈，經過增厚，並且以鐵磁性材質的膠體封裝定型而形成鐵磁性膠體保護層，使得鐵磁性膠體保護層可以取代習用電感器所需的磁芯，一方面使得晶片電感器的高度大幅降低，體積巨幅縮減，且產品精度極高，完全符合電子產品輕薄短小的潮流趨勢；尤其結構相對簡單，可批次製造，產出效率及良率均可獲提昇，一舉達成所有上述目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本案低構形高功率電感器之第一較佳實施例，如圖3所示，是以一整片例如絕緣的氧化鋁材質之基材30，藉由例如雷射加工而預切割出虛線所示例釋為刻痕的脆弱部310，從而形成複數個彼此連結的基板31，由於氧化鋁具有絕緣的特性，因而可以在其表面上設置其他電路結構。如圖4及圖5所示，在基板31的上述絕緣表面上，先濺鍍一層厚度約數微米的銅層3310，隨後在銅層3310上塗佈一層光阻膜361，並將一個具有預定圖案的光罩40覆蓋於光阻膜361上進行曝光，使光阻膜361裸露部分被固化。

其中，預定圖案呈多個螺旋狀，每一個螺旋恰對應上述的一個基板31，再以顯影劑(TMAH;Tetra methyl ammonium hydroxide)將未被固化的光阻膜361洗掉進行顯影，如圖6所示，使剩餘的光阻膜361以螺旋狀分佈於銅層3310之上。接下來，對露出的銅層3310進蝕刻行，再去除固化的光阻膜361，即形成如圖7所示的呈螺旋狀的銅層3310，由於其厚度僅數微米，故如圖8所示，在螺旋狀的銅層3310上進行電鍍使其增厚，使得每一基板31上分別形成一個如圖9所示的鸚鵡螺狀線圈32。

其後，是將鸚鵡螺狀線圈32的最中心與最外側的兩端部，分別以雷射鑽孔，形成如圖10所示貫穿基板31形成兩個穿孔330、340，並且在各基板31的反面、對應於穿孔330、340處，分別如圖11形成兩個導接電極331、341。因此，當以例如導電銀膠填滿穿孔330、340後，即可將基板31上方的鸚鵡螺狀線圈32兩端分別導接至位於各基板31下方的兩個導接電極331、341，以備將來表面安裝時供焊接之用。

此時，如圖12所示，將混有鐵磁性材質的膠體塗佈於各基板31上方，一方面填滿鸚鵡螺狀線圈32的間隙，同時包覆各鸚鵡螺狀線圈32，待膠體凝固後，即形成一個鐵磁性膠體保護層38。鐵磁性膠體保護層38一則用以保護鸚鵡螺狀線圈32不受潮氣或氧化，另方面由於其中具有鐵磁性物質，可降低磁阻，讓線圈導電所生磁力線得以順利在鐵磁性膠體保護層38中行進，提供良好的磁迴路，藉此替代習知電感器所需的磁芯。最後，利用預切割時所形成的脆弱部310，以例如敲擊方式將各基板31分離，便形成如圖13所示的個別晶片電感器。

由於製作過程是利用半導體製程，其中的精密度是以微米計算，遠優於目前常見的晶片電感器，所製成的電感器電氣性能因而精準。加以，整體僅有基板、線圈、保護層等簡單架構，製造流程相當便捷，相較於習知技術需逐個繞線形成線圈，本案電感器是利用基材整批製造，以例如濺鍍與電鍍等技術一次生產數百甚至數千顆元件，產出效率與良率相對極高；且電感器整體高度可低於1 mm，大幅節約所佔用電路空間。

當然，如熟悉本技術領域者所能輕易理解，上述實施例中，基板的選擇、是否需預切割、電極導接成形方式等均有其他方式可實施，本案第二較佳實施例的基材是例釋為燒結成形的陶瓷基片，且為便於說明起見，雖然整片基材上並無任何脆弱部分隔，但在本例中仍將未來會形成個別電感器的部分稱為個別基板31’，並如圖14及15所示以虛線分隔。本例中，整片基材在燒結成形前，處於生胚狀態時，先於各基板31’中央處內埋一個貫通基板31’上下表面的導體柱320’，因此，燒結完成的各基板31’中央分別形成有一個貫穿基板31’的穿孔311’，以及埋在穿孔311’內的導體柱320’。此外，在各基板31’的上、下層絕緣表面分別藉由燒結的陶瓷形成一個環繞側壁36’，使得每一基板31’的上、下表面處都形成有一個圓柱狀凹陷的容置部360’。

接下來，以相同的方式在各基板31’上、下雙層絕緣表面的容置部360’中，分別形成一個如圖16及17所示鸚鵡螺狀線圈32’，並於各環繞側壁36’的頂面分別形成兩個導接電極331’、341’。由於上、下兩個鸚鵡螺狀線圈32’位於中心的端部是經由導體柱320’相互導接，且其中的電路是循相同的順時針或逆時針方向繞行，使得上下兩個線圈形成的磁力彼此加成。隨後，將上方線圈的最外側端部打線連接至上方環繞側壁36’上的導接電極331’；下方線圈的最外側端部打線連接至下方環繞側壁36’上的導接電極341’。

請一併參考如圖18所示，此時於容置部360’內灌入鐵磁性材質的膠體，將上下兩側的鸚鵡螺狀線圈32’完全包覆其中；並讓環繞側壁36’及其上的導接電極331’、341’暴露於鐵磁性材質的膠體以外，待鐵磁性材質的膠體凝固後即形成鐵磁性膠體保護層38’。隨後，將預熱樹脂加壓至容置空間內，直到填滿環繞側壁36’，待樹脂硬化後即形成對應各個基板31’的殼體，而上下兩側的導接電極331’、341’均仍暴露。

接下如，以例如鑽石刀切割，將基板31’與基板31’成條狀分離，並使形成有導接電極331’、341’的側邊暴露，再如圖19所示，將成條的基板31’疊置後，同時對各個基板31’側邊以例如濺鍍的方式濺鍍一層側邊導電層，使上下方的導接電極331’、341’均可延伸導接至側邊，接下來將整條的複數個元件逐個分離，再進行滾鍍作業，使得側邊電極增厚，並使得基板31’上方的導接電極331’、341’分別妥善導接至下方的導接電極331’、341’。因此，元件的上方與下方形成對稱的構造，無論上方或下方都可供焊接，從而完成如圖20所示，本例之低構形高功率電感器。

更進一步，如果是將前一實施例中，上下兩側的鸚鵡螺狀線圈彼此斷路不導接，並且讓其中一方所形成的磁力線感應至另一方，則可構成一個微型變壓器，故參考圖21所示，本案之第三較佳實施例，在本例中，基板31”同樣具有一個貫穿上下的鐵芯320”，並在基板31”的兩相反面上，同樣形成兩個鸚鵡螺狀線圈32”，以及分別形成一個環繞側壁36”，由於在本例中，上、下兩個鸚鵡螺狀線圈32”所繞的線圈匝數並不同，且各鸚鵡螺狀線圈32”的最中央端部並未接觸鐵芯320”，而是將上方鸚鵡螺狀線圈32”最中心與最外側的兩端部分別導接至上方環繞側壁36”的導接電極331”、341”，以及下方鸚鵡螺狀線圈32”最中心與最外側的兩端部分別導接至下方環繞側壁36”的導接電極331”、341”。

最後如圖22所示，在上、下容置部中分別填入鐵磁性膠體，形成鐵磁性膠體保護層38”，並進行各元件的分離，以及形成側邊電極，使得上方的導接電極如圖23及24所示被導引至底面，供未來表面安裝時的焊接之用。如此，藉由基板兩側之電感器元件即可共同架構出本例之晶片變壓器。

由於本發明之低構形高功率電感器，具有薄形化的結構，因此表面安裝於電路板上時，即可減少電路佈局所佔用的空間，而且在製造過程中相當精密，使得電感值(L)精確，尤其本案之晶片電感器結構簡單，單次製造過程可以製造大量元件，不受限於習知技術的個別繞線，使得作業程序簡化，提昇產品良率與產出效率，達成上述各項目的。

惟以上所述者，僅本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．磁芯

12、22．．．線圈

13．．．電極

14、25、31、31’、31”．．．基板

15．．．殼體

26．．．金屬殼體

30．．．基材

310．．．脆弱部

3310．．．銅層

361．．．光阻膜

40．．．光罩

32、32’、32”．．．鸚鵡螺狀線圈

330、340．．．穿孔

331、341、331’、341’、331”、341”．．．導接電極

38、38’、38”．．．鐵磁性膠體保護層

320’．．．導體柱

311’．．．穿孔

36’、36”．．．環繞側壁

360’．．．容置部

320”．．．鐵芯

圖1是習知表面安装晶片電感器；

圖2是習知具有螺旋狀單層纏繞線圈的表面安装晶片電感器；

圖3是本案低構形高功率電感器之第一較佳實施例之基材預切割而形成複數個彼此連結的基板之示意圖；

圖4是圖3之基板上先濺鍍一層銅層，於銅層上塗佈一層光阻膜，並將一個具有預定圖案的光罩覆蓋於光阻膜的側視圖；

圖5是圖4之基板的俯視圖；

圖6是圖4之剩餘的光阻膜以螺旋狀分佈於基板及銅層之上的側視圖；

圖7是圖6之分佈於基板之銅層呈螺旋狀的側視圖；

圖8是圖7之螺旋狀的銅層進行電鍍使其增厚形成一個鸚鵡螺狀線圈的側視圖；

圖9是圖8之基板形成有鸚鵡螺狀線圈的俯視圖；

圖10是圖8之基板以雷射鑽孔貫穿基板形成兩個穿孔的側視圖；

圖11是圖10之穿孔填滿導電銀膠，令鸚鵡螺狀線圈兩端分別導接至基板下方的兩個導接電極的側視圖；

圖12是圖11之鸚鵡螺狀線圈由混有鐵磁性材質填滿間隙及包覆，待膠體凝固後形成一個鐵磁性膠體保護層的側視圖；

圖13是圖12之基板切割分離後形成本例之晶片電感器的側視圖；

圖14是本案低構形高功率電感器之第二較佳實施例之基材內埋一個貫通基板上下表面的導體柱，以及在各基板的上、下層絕緣表面分別藉由燒結的陶瓷形成一個環繞側壁的側視圖；

圖15是圖14之基板的俯視圖；

圖16是圖14之上、下環繞側壁內分別形成兩個鸚鵡螺狀線圈，以及於各環繞側壁的頂面分別形成兩個導接電極的側視圖；

圖17是圖16之基板的俯視圖；

圖18是圖16之環繞側壁內灌入鐵磁性材質的膠體，待鐵磁性材質的膠體凝固後即形成鐵磁性膠體保護層的側視圖；

圖19是圖18之基板成條疊置後，同時對各個基板側邊以例如濺鍍的方式濺鍍一層側邊導電層的側視圖；

圖20是圖19的基板切割分離後形成本例之晶片電感器的側視圖；

圖21是本案低構形高功率電感器之第三較佳實施例之上、下兩個環繞側壁內分別形成兩個不同線圈匝數之鸚鵡螺狀線圈的側視圖；

圖22是圖21之環繞側壁灌入鐵磁性材質的膠體，待鐵磁性材質的膠體凝固後即形成鐵磁性膠體保護層的側視圖；

圖23是圖22之基板側邊分別形成有側邊電極的側視圖；及

圖24是圖23之基板的仰視圖。

指定代表圖之元件無編號

Claims (5)

1. 一種低構形高功率電感器，包含：一片至少一側表面具有絕緣表面的基板；至少一個形成於該至少一側絕緣表面上的鸚鵡螺狀線圈；一組導接該至少一個鸚鵡螺狀線圈兩端的電極；及一個封閉該至少一個鸚鵡螺狀線圈的鐵磁性膠體保護層。
2. 如申請專利範圍第1項的低構形高功率電感器，其中該基板在兩相反面具有兩絕緣表面，且該兩絕緣表面上分別形成有前述鸚鵡螺狀線圈，以及該鐵磁性膠體保護層封閉前述各鸚鵡螺狀線圈。
3. 如申請專利範圍第2項的低構形高功率電感器，其中該基板中更形成有一個穿孔，且該穿孔中形成有一導接前述兩鸚鵡螺狀線圈之導接電極。
4. 如申請專利範圍第1、2、或3項的低構形高功率電感器，更包含形成於對應該基板外側邊緣、與該基板共同形成一個容置部的環繞側壁，且該鐵磁性膠體保護層是填充於該容置部。
5. 如申請專利範圍第4項的低構形高功率電感器，其中該容置部是一個圓柱狀凹陷。