TWI440056B - Non-high voltage solid-state packaging method of coil electronic component and coil electronic component made by the method - Google Patents
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Description
本發明係關於一種封裝方法及利用該方法製成的電子元件，詳而言之，係涉及一種線圈電子元件的非高壓固態封裝方法及利用該固態封裝方法製成的線圈電子元件。
線圈電子元件通常設計用來抵禦電流的變化，例如，當電流穿過電感器時會產生磁場，而磁場變化可誘發電壓改變並抑制電流的變化，此抑制電流變化的能力即稱為電感。
一般而言，早期普遍的電感器為第1圖所示之環形電感器1a，具有自屏蔽、高耦合和早期飽等效能。惟，近年來對安裝於電路板上的電感器的要求趨向微型化，而環形電感器1a體積較大，雖然環形電感器應用於電源供應設備時無須考慮體積問題，但線圈纏繞的人力及時間成本亦相對提高。反觀第1圖所示之「一」字型電感器1b或「I」字型電感器1c，兩者的體積較環形電感器1a小，且可透過機械輔助而形成線圈12b和12c。然而，前述三種電感器的磁力線皆暴露於空氣中，導致磁力線不均勻及飽和電流低。
密閉型電感器具有低電阻、高電感且能耐大電流等特性。習知技術提供一種具有外罩的電感器2a，如第2圖所示，包括外罩23a和環繞有線圈(未圖示)的芯材21a，惟，外罩23a和芯材21a的尺寸若公差太大則難以組裝成電感器2a。因此，習知技術提供一種如第2圖所示之一體化粉末合金電感器2b，係依序於模具中放入磁性粉末、線圈22b和磁性粉末，接著施予高壓(例如藉由沖頭進行沖壓)以將磁性粉末壓製為芯材21b，即成型電感器2b，惟，此種技術無法應用於任何形狀的模具，必需使用能提供高壓的設備和能承受該高壓的特定形狀模具，否則，模具內的成品很可能於進行高壓成型步驟時破裂。再者，以大型電感元件為例，由於需要極大的壓力提供機構對電感施壓成型，故其製作成本不易降低。此外，習知技術另提供一種如第2圖所示之電感器2c，由於電感器2c包括芯材21c、線圈22c及包覆體23c，若使用前述高壓壓製成型的技術來成型包覆體23c，勢必會使芯材21c破碎。
因此，現在電感器的製作方法大多利用一模具容置芯材21c和線圈22c，再注入摻有磁性粉末的膠體於該模具中，經過高溫加熱後即成型包覆體23c。然而，雖然採用膠體來包覆芯材和線圈可避免前述高壓壓製成型之芯材破碎的問題，但膠體在注入模具時有可能會產生氣泡，過程中難以達到真空狀態，另外，由於磁性粉末比重較膠體大，因而於膠體中會發生沉降現象，這些問題或現象皆會影響到電感器的特性。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種線圈電子元件的非高壓固態封裝方法及利用該方法製成的線圈電子元件，以節省製作成本及提昇電感品質。
為達到前述目的以及其他目的，本發明提出一種線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，包括以下步驟：(1)以一預設比例混合粉狀磁性材料和粉狀黏著劑，以形成固態混合物；(2)將物件及該固態混合物置入一預定形狀的模具中，以使該固態混合物包覆該物件，其中，該模具無須施以高壓成型；以及(3)加熱該模具中包覆有該物件的固態混合物，以使該粉狀磁性材料藉由該粉狀黏著劑相互黏結以包覆該物件，進而形成對應該模具形狀的線圈電子元件。
上述之該固態混合物中可摻入粉狀絕緣材料或膠狀黏著劑。
上述步驟(3)復包括加熱前震動該模具以使該固態混合物均勻。
上述步驟(3)復包括加熱時藉由一壓力以使該固態混合物均勻填充該模具。
其次，本發明提出一種線圈電子元件，包括：芯材，具有柱狀部及形成於該柱狀部兩端的第一及第二端部，該第一及第二端部之垂直該柱狀部延伸方向的截面面積係大於該柱狀部的截面面積，且該第一端部的截面面積係小於該第二端部的截面面積；線圈，係由一導線螺旋環繞該芯材的柱狀部而形成線圈本體；以及包覆體，係包含由粉狀磁性材料和粉狀黏著劑以一預設比例混合的固態混合物，且該包覆體包覆環繞有該線圈的該芯材並外露該導線的兩末端以作為接線部。
上述之該包覆體包覆該芯材之第一端部及環繞有該導線的柱狀部，且外露該芯材的第二端部。
相較於習知技術，本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法及利用該方法製成的線圈電子元件，得以解決習知技術中，由外罩和芯材組成電感器所產生的公差問題、採用粉末壓製技術之芯材可能碎裂的問題、及利用膠體包覆芯材和線圈所導致之氣泡產生和粉末沈降現象。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟習此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
請參閱第3A及3B圖，第3A圖為本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法的一實施形態流程圖，第3B圖為輔助第3A圖所示之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法的說明圖。
於步驟S301中，以一預設比例混合粉狀磁性材料30和粉狀黏著劑31，以均勻混合成固態混合物3，其中，粉狀磁性材料30和粉狀黏著劑31的混合比例可例如95%和5%、90%和10%、85%和15%、80%和20%、75%和35%、或70%和30%等。原則上粉狀磁性材料30的比例以大於70%較佳，另外，粉狀黏著劑31的比例越高，固態混合物3的固性越高。此外，粉狀磁性材料30可為軟磁性物質，粉狀黏著劑31可為固態樹脂。接著進至步驟S302。
於步驟S302中，將物件(環繞有線圈42的芯材41)和固態混合物3放入模具5中，其中，模具5具有預定的所需形狀。於第3B圖中，可於模具5中依序填充固態混合物3、放入物件(環繞有線圈42的芯材41)、接著再次填充固態混合物3，以使物件(環繞有線圈42的芯材41)周圍均勻包覆有固態混合物3。此外，於步驟S302中，無須對模具5施以高壓即可成型。再者，模具5可開設有供線圈42的末端421伸出的孔洞。接著進至步驟S303。
接著於步驟S303中，加熱在模具5中的物件(環繞有線圈42的芯材41)和固態混合物3，以使粉狀磁性材料30藉由粉狀黏著劑31相互黏結並包覆該物件，進而形成對應模具5形狀的線圈電子元件(如第3B圖中所示之電感器4)。此外，於加熱前可稍微震動模具5以使固態混合物3中的粉狀磁性材料30和粉狀黏著劑31均勻混合。另外，加熱時亦可藉由一輕微的壓力使固態混合物3在加熱過程中均勻填充模具5。需說明的是，該輕微壓力僅輔助固態混合物3均勻填充模具5，而非電感器4成型的必要條件。
最後，由於固態混合物3經加熱後會稍微收縮其體積，因而可輕易與模具5分離，例如透過翻轉模具5的方式，來使包覆環繞有線圈42的芯材41之固態混合物3脫離模具5，以成型電感器4。
此外，於步驟S302中，於模具5中所放入的物件可單獨為線圈42或繞有線圈42的芯材41。當所放入的物件為線圈42時，可製成如第1圖所示之電感器2b，但相對無須高成本的設備即可製成。當所放入的物件為繞有線圈42的芯材41時，可製成如第1圖所示之電感器2c，但相對不會有膠體所造成的磁性不均的問題。
此外，於步驟S301中，固態混合物3中復可摻入粉狀絕緣材料，例如二氧化矽(SiO2
)，以增加固態混合物3的固性。亦可摻入膠狀黏著劑。另外，芯材41可選自鐵氧體、鐵磁性物質或軟磁性物質，粉狀磁性材料30可例如：鐵(Fe)、鐵矽鋁(MPP(FeNiMo)/hi-flux(FeNi50))、鐵矽鋁(sendust：FeSiAl)、亞鐵鹽(Ferrite)、羰基鐵(carbonyl iron)等軟磁性物質，且芯材41與粉狀磁性材料30所選擇的物質可不同，即芯材41與固態混合物3的導磁率可不同。
另一方面，雖然提高粉狀黏著劑的比例或摻入粉狀絕緣材料可提升固態混合物的固性，然，粉狀磁性材料的比例相對降低將會使導磁率降低。解決的方法可透過例如選擇粉狀磁性材料和芯材的物質種類來提升導磁率，例如，當為了增加固性而提高粉狀黏著劑比例而導致固態混合物的導磁率下降時，可選擇導磁率較高的物質作為芯材的材料。又，導磁率較高的物質通常在高壓之下容易脆裂，因而絕對不可能採用習知的粉末壓製製程成型的技術，但若採用摻有磁性粉末的膠體又可能產生氣泡或粉末沉降的問題。因此，惟有採用本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法才可能兼顧電感器的固性和導磁率。
值得說明的是，粉狀磁性材料可藉由粉狀黏著劑而彼此黏結，且混合有粉狀磁性材料和粉狀黏著劑的固態混合物亦可藉由粉狀黏著劑而包覆線圈或環繞有線圈的芯材。
具體實施時，例如，粉狀黏著劑和粉狀磁性材料的比例可為10%和90%、15%和85%、20%和80%、25%和85%、或30%和70%，均勻混合並填充模具以包覆物件後，再以溫度約100度加熱2小時，即完成固態封裝。
再者，第4圖為應用本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法所製成的電感器的結構示意圖。電感器6包括芯材61、線圈62和包覆體63’。
芯材61具有柱狀部610及形成於柱狀部610兩端的第一及第二端部611及612，第一及第二端部611及612之垂直柱狀部610延伸方向的截面面積係大於柱狀部610的截面面積，且第一端部611的截面面積係小於第二端部612的截面面積。線圈62乃由一導線螺旋環繞芯材61的柱狀部610而形成線圈62的本體。
包覆體63’包含由粉狀磁性材料630和粉狀黏著劑631以一預設比例混合的固態混合物63，且包覆環繞有線圈62的芯材61，並外露導線末端621以作為接線部。此外，如第4圖所示，包覆體63’包覆芯材61之第一端部611及環繞有該導線的柱狀部610，且外露芯材61的第二端部612。
製程時，可先均勻混合粉狀磁性材料630和粉狀黏著劑631以成為固態混合物63，接著將環繞有該導線的柱狀部610置入模具7，再利用固態混合物63填充環繞有該導線的柱狀部610與模具7之間的空隙，最後進行加熱，以使粉狀磁性材料630藉由粉狀黏著劑631而彼此黏結並包覆芯材61的第一端部611和環繞有線圈62的柱狀部610以成型為包覆體63’，且外露芯材61的第二端部612和導線末端621，俾製成電感器6。
另一方面，本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法除可應用於前述電感器外，更可應用於變壓器，如第5圖所示，變壓器包括兩個E型磁芯8、環繞於E型磁芯8的中柱之線圈9，並利用固態混合物3填充兩磁芯8之間的空隙以進行封裝，如此可減少漏磁、增加磁芯截面積及增加效率，更可減少雜訊。
固態混合物3可包含粉狀磁性材料和粉狀黏著劑，還可包含粉狀絕緣材料，或者亦可摻有些許膠狀黏著劑。
綜上所述，本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，係利用粉狀磁性材料和粉狀黏著劑以一預設比例混合成的固態混合物來進行線圈電子元件的封裝。製作時，由於粉狀黏著劑受熱後會熔融，因而以固態混合物填充模具以包覆物件(僅為線圈或為環繞有線圈的芯材)並加熱後，固態混合物可緊密黏附於物件上而使線圈電子元件成為閉磁路。此外，利用粉狀黏著劑的製程中無須高壓，僅需一微小壓力來輔助粉末均勻填充模具而以，因而不用擔心芯材碎裂的問題，故可提高芯材種類的選擇性，亦可降低設備的成本負擔。再者，黏著劑與磁性材料皆為同相(固態)，因而可輕易混合均勻，且於混合過過程中粉狀磁性材料可藉由粉狀黏著劑而彼此黏結，受熱後固態混合物縮小體積以包覆芯材，因此，不會發生利用膠體注入模具所導致之氣泡產生及粉末沈降現象。
因此，藉由本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法所製成的線圈電子元件，相較於習知技術可降低製作成本，且其包覆體磁性均勻，因而所製成的線圈電子元件品質穩定、電感或電磁特性佳。
上述各實施形態僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1a．．．環形電感器
1b．．．一字型電感器
1c．．．I字型電感器
12b、12c．．．線圈
2a、2b、2c．．．電感器
21a、21b、21c．．．芯材
22b、22c．．．線圈
23a．．．外罩
23c．．．包覆體
3、63．．．固態混合物
30、630．．．粉狀磁性材料
31、631．．．粉狀黏著劑
4、6．．．電感器
41、61．．．芯材
42、62．．．線圈
421．．．末端
5、7．．．模具
610．．．柱狀部
611．．．第一端部
612．．．第二端部
621．．．導線末端
63’．．．包覆體
8．．．磁芯
9．．．線圈
S301~S303．．．步驟
第1圖係繪示習知技術之環形電感器、一字型電感器和I字型電感器；
第2圖為繪示習知技術的各種密閉式電感器；
第3A及3B圖係分別為本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法的一實施形態的流程圖及說明示意圖；
第4圖係應用本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法所製成的電感器的架構示意圖；以及
第5圖係應用本發明之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法所製成的變壓器的架構示意圖。
S301~S303．．．步驟
Claims (10)
- 一種線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，包括以下步驟：(1)以一預設比例混合粉狀磁性材料和粉狀黏著劑，以形成固態混合物；(2)將物件及該固態混合物置入預定所需形狀的模具中，以使該固態混合物包覆該物件，其中，該模具無須施以高壓成型；以及(3)加熱該模具中包覆有該物件的固態混合物，以使該粉狀磁性材料藉由該粉狀黏著劑相互黏結以包覆該物件，進而形成對應該模具形狀的線圈電子元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，其中，該固態混合物中摻有粉狀絕緣材料或膠狀黏著劑。
- 如申請專利範圍第1項所述之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，其中，步驟(3)復包括加熱前震動該模具以使該固態混合物均勻混合。
- 如申請專利範圍第1項所述之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，其中，步驟(3)復包括加熱時藉由一壓力以使該固態混合物均勻填充該模具。
- 如申請專利範圍第1項所述之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，其中，該物件為線圈、或繞有線圈的芯材。
- 如申請專利範圍第5項所述之線圈電子元件的非高壓 固態封裝方法，其中，該模具係開設有供該線圈的末端伸出的孔洞。
- 如申請專利範圍第1項所述之線圈電子元件的非高壓固態封裝方法，其中，該粉狀磁性材料和該粉狀黏著劑的該預定混合比例之範圍係重量比至重量比。
- 一種線圈電子元件，包括：芯材，具有柱狀部及形成於該柱狀部兩端的第一及第二端部，該第一及第二端部之垂直該柱狀部延伸方向的截面面積係大於該柱狀部的截面面積，且該第一端部的截面面積係小於該第二端部的截面面積；線圈，係由一導線螺旋環繞該芯材的柱狀部而形成線圈本體；以及包覆體，係由粉狀磁性材料和粉狀黏著劑以一預設比例混合的固態混合物所製作形成，且該包覆體包覆環繞有該線圈的該芯材並外露該導線的兩末端以作為接線部，其中，該粉狀磁性材料藉由該粉狀黏著劑相互黏結以包覆環繞有該線圈的該芯材而無須高壓成型。
- 如申請專利範圍第8項所述之線圈電子元件，其中，該包覆體包覆該芯材之第一端部及環繞有該導線的柱狀部，且外露該芯材的第二端部。
- 如申請專利範圍第8項所述之線圈電子元件，其中，該粉狀磁性材料為軟磁性物質，該粉狀黏著劑為固態樹脂。
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