TWI433179B - 使用磁膜的多層晶片功率電感器以及其製造方法 - Google Patents

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Description

使用磁膜的多層晶片功率電感器以及其製造方法
本發明係有關一種有著高直流加疊特徵和高頻特徵的多層晶片功率電感器，尤係有關一種使用填佈了軟質磁性金屬粉末的磁膜以及一磁芯作為磁性基材的多層晶片功率電感器。
由於攜帶型電子裝置的多樣化，因此，用在攜帶型電子裝置操作上的電源供應的類型也多樣化。在這些攜帶型裝置，這一類電源供應有的是用作液晶的驅動、功率放大模組、基本帶寬的IC等等。這些電源供應的每一種都需要不同的工作電壓，以及要求一電源線路用來將從電源供入的電壓轉換到其線路的工作電壓。由於半導體的體積愈來愈小，它們的電源線路之電壓也減降了，因此，即使是很微小的電壓改變也會導致該裝置的功能不正常。為了避免這樣的問題，通常，是使用了一分佈電源線路(負載點，POL)，也就是在一電源和該大型積體電路(LSI)之間使用線上電感或者是接線的電阻來將電源安排在靠近每一個大型積體電路(LSI)以減降電壓的變動。
其結果，攜帶型電子裝置需要數個電源供應以及裝置中的許多電源線路來個別地控制每一個大型積體電路(LSI)。
攜帶型電子裝置的電源線路可以分為二個主要類型：線性控制型和開關控制型。最近的趨勢是朝向減降電力的 消耗以延長電池的壽命，因此，開關控制型電源(通常稱作DC-DC轉換器)在電壓轉換時功率損耗較小，也就更為常用。
同時，就微型化來說，DC-DC轉換器需要連帶的一些零件，比方說，電感、電容等等，而這些零件又使得電源線路面積的增加；因此，為了這類電子裝置的輕薄短小，實有必要首先這些零件微型化。這些零件是可以藉著提高DC-DC轉換器的切換頻率來減降這些電感或電容的所需常數而實現其微型化。
近來，由於半導體製造技術的進步帶來了積體電路(IC)的性能進步，也使得切換頻率進一步提高了。在這樣的趨勢下，藉著在一氧化物磁性材料周圍繞線以製造一繞線轉子型電感器被常用作一DC-DC轉換器線路上的功率電感器。
因此，隨著陶瓷材料科技的進步，學者把目光投向了多層片式功率電感器。
鐵系的金屬氧化物，通常用作多層功率電感器的磁性材料，有著高導磁係數和電阻，而同時有著低飽和磁通密度。因此，由於磁通量飽和，鐵系的金屬氧化物只能達到低電感，而且有著很差的直流加疊特徵。
此外，在傳統的多層功率電感器裡，為了確保直流加疊特徵，有必要在積層之間插入一非磁性的材料作為間隙。
此外，在使用了鐵系金屬的電感器裡，線路是製作在 一鐵系基材上，然後，必須要經燒結，但是，在這種場合，在燒結加工過程裡，該電感器有可能會失真，這樣會在確保某種電感水準以及直流加疊特徵上顯出障礙。因此，這類的電感器就不能被設計成較寬。尤其，在當今的狀況下，電感器的尺寸都經減小，且生產的產品寬度只有1mm或更窄，電感器的寬度是更加受限；因此，使用鐵系金屬的電感器無法達到不同的電感程度和直流加疊特徵。
此外，即使是使用了經以磁性材料填佈的磁膜多層電感器的場合，也無法僅靠著在電感器的導電線路裡使用一磁膜而達到絕佳的電感特徵。
本發明旨在解決前述問題。本發明的一目的乃在提供一種功率電感器，而又不致因為磁性飽和而導致磁液的流漏和電流的受限。
本發明的另一目的乃在提供一高能量、超薄的功率電感器，而其使用不受寬度的限制。
本發明的另一目的乃在提供一多層晶片功率電感器，藉著在該電感器裡使用一磁芯而達到高電感和高直流加疊特徵。
本發明的另一目的乃在提供一多層晶片功率電感器，藉著使用銅線作為該電感器的導電線路而確保低直流電阻。
為了達成上述的目的，本發明提供了一種使用磁膜的多層晶片功率電感器，其特徵為，數層磁膜經積層，其中，一導電的線路經製作到前述磁膜層的表面上；一端子經製作到最外層部；前述導電的線路與前述端子透過導通孔以電氣方式連接，並以線圈的形式構成一線路；以及在前述線路裡製作了一線圈形式的內中空，而一磁芯經插入到前述內中空裡。
此外，本發明提供了一種使用磁膜的多層晶片功率電感器，其特徵為，數層磁膜經積層；一端子經製作到最外層部；一內中空經製作在前述積層的磁膜裡，而一磁芯(即一導電的線圈經繞線)經插入到前述內中空裡；以及前述導電的線圈和前述端子透過導通孔以電氣方式連接。
此外，本發明提供了一種使用磁膜的多層晶片功率電感器，其特徵為，前述磁膜的內層為同向性的磁膜，其上填佈了同向性的金屬粉末，以及前述磁膜的外層為異向性的磁膜，其上填佈了異向性的金屬粉末。
此外，本發明提供了一種使用磁膜的多層晶片功率電感器，其特徵為，前述磁芯的材質係選自鉬系高導磁合金、導磁合金、鐵-矽-鋁合金、鐵-矽合金、矽鋼片、磁環及非晶金屬中任一種。
此外，本發明提供了一種用以製造一使用磁膜的多層晶片功率電感器的方法，該方法包含下列步驟：藉著蝕刻一銅包磁膜的表面製作一導電的線路；以鑽孔方式製作一導通孔，並且將前述導通孔的內側電鍍以製作一線路層； 將前述線路層進行積層，藉著將一銅包磁膜積層到前述線路層的上側面和下側面上作為一連接盤層而製作一積層體；藉著蝕刻前述積層體連接盤層而製作一連接盤；藉著鑽孔製作一導通孔，並將該導通孔的內側電鍍；藉著將前述積層體的中央部沖壓以製作一內中空，然後，將一磁芯插入到前述內中空裡；以及藉著積層一單獨的銅包磁膜並行蝕刻製作一端子作為一端子層在該積層體的上側面和下側面(而前述磁芯即插入到該積層體裡)，藉著鑽孔製作一導通孔，並且將該導通孔的內側電鍍。
此外，本發明提供了一種用以製造一使用磁膜的多層晶片功率電感器的方法，其特徵為，一填佈了同向性金屬粉末的一同向性磁膜經放到前述線路層，以及填佈了異向性金屬粉末的磁膜經放到前述連接盤層和前述端子層。
此外，本發明提供了一種用以製造一使用磁膜的多層晶片功率電感器的方法，該方法包含了下列步驟：藉著將數層磁膜積層製作一積層體；將前述積層體的中央部沖壓製作一內中空；然後，將一磁芯插入該內中空裡(該磁芯乃為經繞線的導電線圈)，將一銅包磁膜積層到前述積層體的上側面與下側面上作為連接盤層，藉著將前述連接盤層蝕刻製作一連接盤；藉著鑽孔製作一導通孔，並將該導通孔電鍍；藉著將一銅包磁膜積層到前述連接盤層的上側面與下側面，並以蝕刻方式製作一端子層；以鑽孔方式製作一導通孔，並且將該導通孔內側電鍍。
和傳統的功率電感器不同的是，本發明可以取得高頻以及高容量的飽和電流。此外，藉著使用軟質的磁性金屬粉末膜片，本發明可以提供一種經濟型的薄的功率電感器其寬度不受限，因此而能製造出更輕薄短小的手提電腦、智慧型手機、掌上銀幕等等。
 較佳實施例之詳細說明
吾人將在文後，參照後附的圖說，對本發明作一說明。
圖1為本發明的一實施例的一外部圖示。圖1示出了以磁膜進行積層而製作的一電感器(10)，在其最外部製作了一端子(11)。該等磁膜乃是將一接著劑混合軟性磁性金屬合金粉末填製而成。
如前面所述，所使用的是軟質磁性金屬合金粉末、平片形式的異向性的或同向性的粉末。此外，亦可使用鉬系高導磁合金、高導磁合金、SANDUST(鐵-矽-鋁合金)、鐵-矽合金、非晶金屬、奈米結晶粒等材料作為該合金粉末的材料。
如前述所，作為接著劑，亦即塗佈作為有機的高分子矩陣材料，可使用EPDM、丙烯酸樹脂、聚亞胺酯、矽橡膠等等。
一端子係以一導電金屬(比方說，銅)製成。前述端子乃是藉著一種方法製作的，其法乃是有選擇性地在一銅包磁膜上進行蝕刻，只留下銅部份，而在該銅端子的周圍 則鍍上鎳或錫。
該端子以外的部份則塗佈環氧樹脂絕緣材料。
圖2為依照本發明的多層晶片功率電感器沿著圖1中線段A-A的剖視圖。圖2示出了一多層晶片功率電感器(10)，其中，一線路層(12)(在一磁膜的一表面上製作了一導電線路)經積層，而一連接盤層(14)(其上製作了一連接盤)以及一端子層(16)(其上製作了一端子)則相繼積層到前述線路層(12)的上側面和下側面上。
在前述線路層(12)的磁膜上，一導電的線路可經製作在一表面上或可經製作在二表面上。
如果是導電線路經製作在二表面上，一磁膜(其上並無製作導電線路)經插入在該等磁膜之間並有著絕緣層的功能。
線路層(12)的每一層上的導電線路、連接盤、端子通過導通孔以電氣方式連接，以構成一線圈形式的整個線路，而一內中空經製作在前述線路裡，以及一磁芯(18)經插入到前述內中空裡。換句話說，它的結構乃是一線圈形式的線路繞線在一磁芯(18)的周圍。鉬系高導磁合金、高導磁合金、鐵-矽-鋁合金、鐵-矽合金、矽鋼片、磁環以及非晶金屬等可用來製作該磁芯(18)。
圖3為依照本發明的另一實施例的多層晶片功率電感器的一剖視圖。圖3示出了一多層晶片功率電感器(20)，其中(如圖2中所示)，製作了一線路層(22)( 即在一磁膜的一表面上製作了一導電的線路)、一連接盤層(24)以及一端子層(26)，而一磁芯(28)經插入到裡面。
在這個實施例裡，一同向性磁膜(即軟質的磁性粉末填佈到一球面的磁膜，其長寬約彼此相等，就其磁通路徑來說係有著同向性)經放到線路層(22)，而一異向性磁膜(即軟質的磁性粉末形狀如碎片並且相對該磁通路經呈平行)經放到連接盤層(24)和端子層(26)。
如果是數個線路層(22)，則前述線路層可被分為在內線路層的同向性磁膜和在上層和下層裡的異向性磁膜。
在圖3裡，發生在多層晶片功率電感器裡的磁通路徑方向乃是與軟質磁性粉末的排列方向有關聯。換句話說，一異向性磁膜經放到該電感器的上面和下面，而一同向性的磁膜被放到前述電感器的中間部，藉此形成在圖3裡箭頭所指方向的一磁通路徑(29)：在這個實施例裡，當沿著前述異向性磁膜的異向性合金粉末的長度方向與該磁通路徑呈平行時，電感會增加。
在一些個實施例裡，一異向性金屬粉末會被垂直地排列在該線路層(22)的左側和右側，藉此使它與該磁通路徑(29)呈平行。
圖4為依照本發明的另一實施例的一剖視圖。這個實施例係有關一多層晶片功率電感器(70)，其中，一銅線導電線圈經繞線在一磁芯的周圍並經插入到一磁膜裡。 藉著將磁膜積層製作一積層體(72)而其上並無製作一導電的線路；在前述積層體(72)裡製作了一內中空；一磁芯(78)(即一導電線圈經繞線)經插入到該內中空裡；而一連接盤層(74)和一端子層(76)(其上製作了一端子(71))經積層到該等磁膜的上側面和下側面上。
接下來，我們要對一種用以製造依照本發明的一電感器的方法作說明。
圖5係一種用來製造依照本發明的一多層晶片功率電感器的方法的一實施例的示意圖。
一銅包磁膜(32)的一表面經蝕刻以及一導電的線路(34)經製作以製備數層線路層(30)。前述導電的線路(34)經鑽孔製作一導通孔(36)，前述導通孔的內側經電鍍一導電材料。數層線路層(30)經積層，而一單獨的銅包磁膜(42)經積層到其上側面和下側面作為連接盤層(40)，經蝕刻以製作一連接盤(44)；連接盤(44)經鑽孔以製作一導通孔(46)；然後，前述導通孔(46)的內側經電鍍一導電材料。在這個實施例裡，如果是在該磁膜(32)的二側面上同時製作了一導電的線路(34)，則在其中間會放入一其上並無製作導電線路的磁膜(35)。磁膜(35)的功能有如一絕緣層使得該等導電的線路(34)不致相互接觸。
一線路層(30)和一連接盤層(40)經積層以製作一積層體(如上所示)，而前述積層體的中間部形成一 內中空，然後，一磁芯(50)經插入到其中。
在該磁芯(50)經插入之後，一單獨的銅包磁膜經積層到其上側面和下側面作為一端子層(60)，其經蝕刻以製作一端子(64)，並經鑽孔以製作一導通孔，而前述導通孔的內側經電鍍。經積層的導電線路的每一層通過前述經電鍍的導通孔連接以形成一形如線圈的整個線路。最後，前述端子以外的表面部份可以環氧樹脂之類的絕緣材料填佈。
在本發明的另一實施例中，一多層晶片功率電感器如圖4中所示，其中，可製造以一導電線圈繞線的一磁芯經插入其中。
在以上所述的方法裡，如果不用銅包磁膜(32)，通常是用一無銅包的磁膜來積層製作一積層體(72)，然後，經沖壓以製作一內中空，以及一磁芯(78)(其有一繞線的線圈)經插入到該內中空裡。
一單獨的銅包磁膜經積層到上側面和下側面上作為連接盤層(74)，並經蝕刻以製作一連接盤，其經鑽孔以製作一導通孔，然後，前述導通孔的內側經電鍍一導電材料。
同樣地，一單獨的銅包磁膜在上側面和下側面進行積層作為一端子層(76)，並經蝕刻製作一端子(71)，然後，鑽孔以製作一導通孔，然後，前述導通孔的內側經電鍍。
施作例1
將鐵矽磁性粉末與EPDM混合，在50℃溫度溶入氯化鐵溶液中三分鐘，製備一210×300×0．1mm銅包磁膜，在該磁膜的上表面和下表面進行蝕刻以製作一導電線路，製造成三層線路層。
以精密鑽孔機，使用一外徑0．2mm的鑽頭，在電路板上鑽出一小孔作為導通孔，而該導通孔的內側經電鍍銅。
將三層線路層進行積層，另一單獨的銅包磁膜層經積層到前述線路層的上表面和下表面，構成一連接盤層，並經蝕刻構成一連接盤、鑽導通孔，而導通孔的內側面經電鍍一導電材料。
該線路層和該連接盤層經積層，然後，在內側進行沖壓製作一1mm寬的內部中空，然後，將一高導磁合金磁芯插入該內中空裡。
在該磁芯經插入後，同樣地，一單獨的銅包磁膜經積層到該線路層的上側面和下側面，作為一端子層，並經蝕刻以製作一端子，然後，鑽導通孔，該導通孔的內側經電鍍。最後，前述端子以外的表面部份填佈環氧樹脂。
施作例2
將鐵矽磁性粉末與EPDM混合，製備三片210×300×0．1mm的磁膜被進行積層，然後前述磁膜的內側經沖壓。
一高導磁合金磁芯(其以0．15mm的銅線繞線)經插入到前述1mm的沖壓孔裡。一單獨的銅包磁膜 經積層為其上側面與下側面的一連接盤層，並經蝕刻製作一連接盤，其上鑽一導通孔，而前述導通孔的內側經以一導電材料電鍍。
同樣地，一單獨的銅包磁膜經積層為在其上側面與下側面的一端子層，並經蝕刻製作一端子，其上鑽一導通孔，而前述導通孔的內側經電鍍。最後，前述端子以外的表面部份經填佈環氧樹脂。
比對例1
將鐵矽磁性粉末與EPDM混合製備三片210×300×0．1mm磁膜進行積層，在50℃溫度以一氯化鐵溶液蝕刻三分鐘比在其頂部面和底部面上製作線路層，以構成一導電的線路。
以精密鑽孔機，使用一外徑0．2mm的鑽頭，電路板上鑽出一小孔作為導通孔，而該導通孔的內側經電鍍銅。
三片線路層經積層，一單獨的銅包磁膜經積層到前述線路層的上側面與下側面作為一連接盤層，並經蝕刻製作一連接盤，其上鑽一小導通孔，而前述導通孔的內側經以一導電的材料電鍍。
同樣地，一單獨的銅包磁膜經積層為在其上側面和下側面的一端子層，並經蝕刻製作一端子，其上鑽一導通孔，而前述導通孔的內側經電鍍。最後，前述端子以外的表面部份經填佈環氧樹脂。
施作例與比對例的電感特徵的量測結果列示在圖6裡 。
圖示裡依照頻率顯示了電感的差異。大家應當知道，依照施作例1和施作例2的頻率電感比起比對例1的電感顯得高得多。
以上所述的本發明的較佳實施例僅為例舉，但本發明不應如此受限，而是有可能作出不同的修改與變更。
(10)‧‧‧電感器
(12)‧‧‧線路層
(16)‧‧‧端子層
(18、28、78)‧‧‧磁芯
(14、24、74、40)‧‧‧連接盤層
(26、60、76)‧‧‧端子層
(29)‧‧‧磁通路徑
(30)‧‧‧數層線路層
(35、50)‧‧‧磁膜
(34)‧‧‧導電的線路
(36、46)‧‧‧導通孔
(32、42)‧‧‧銅包磁膜
(44)‧‧‧連接盤
(11、64、71)‧‧‧端子
(20、70)‧‧‧多層晶片功率電感器
(72)‧‧‧積層體
第1圖：為依照本發明的一實施例的一多層晶片功率電感器的一透視圖。
第2圖：為依照本發明的一實施例的一多層晶片功率電感器的一剖視圖。
第3圖：為依照本發明的另一實施例的一多層晶片功率電感器的一剖視圖。
第4圖：為依照本發明的另一實施例的一多層晶片功率電感器的一剖視圖。
第5圖：為一流程圖，說明了依照本發明製造一多層晶片功率電感器的方法。
第6圖：為一圖表，示出了依照本發明的一多層晶片功率電感器的特徵。
(10)‧‧‧電感器
(11)‧‧‧端子
(12)‧‧‧線路層
(14)‧‧‧連接盤層
(16)‧‧‧端子層
(18)‧‧‧磁芯

Claims (3)

  1. 一種使用磁膜的多層晶片功率電感器，其特徵為，數片磁膜經積層，其中，一導電的線路經製作到前述積層的表面上；一端子經製作到一最外層部；前述導電的線路與前述端子通過導通孔作電氣的連接，並且製作成一線圈的形式線路；一內部中空以一線圈形式製作在前述線路裡，而一磁芯經插入到前述內部中空裡；前述磁膜的內層係同向性的磁膜，其填佈了同向性的金屬粉末；前述磁膜的外層係異向性的磁膜，其填佈了異向性的金屬粉末；以及前述內層的兩側填佈了異向性的金屬粉末，且該金屬粉末呈垂直排列。
  2. 根據申請專利範圍第1項的使用磁膜的多層晶片電感器，其特徵為，前述磁芯材質為鉬系高導磁合金、導磁合金、鐵-矽-鋁合金、鐵-矽合金、矽鋼片、磁環及非晶金屬中任一種。
  3. 一種製造一使用磁膜的多層晶片功率電感器的方法，該方法包含下列步驟： 在一銅包磁膜的表面上以蝕刻方式製作一導電的線路，以鑽孔方式製作導通孔，並且在前述導通孔的內側電鍍以製作一線路層；將前述線路層進行積層，藉著將銅包磁膜積層到前述線路層的上側面及下側面上構成一連接盤層，藉著將前述連接盤層以蝕刻方式製作的連接盤，以鑽孔方式製作導通孔，並將導通孔電鍍；藉著將前述積層體的中央部份以沖壓方式製作一內部中空，然後將一磁芯插入到前述內部中空裡；以及藉著積層及蝕刻方式，製作一端子，將一單獨的銅包磁膜製作成一端子層，在前述積層體的上側面和下側面(前述磁芯經插入到該積層體)，藉著鑽孔製作導通孔，並且對導通孔進行電鍍，其中，一同向性的磁膜經填佈同向性的金屬粉末，經製作到前述線路層，一異向性的磁膜經填佈異向性的金屬粉末，經製作到前述連接盤層及前述端子層，以及前述線路層的兩側填佈了異向性的金屬粉末，且該金屬粉末呈垂直排列。
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