TWI493577B - 電磁元件 - Google Patents

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TWI493577B
TWI493577B TW102114660A TW102114660A TWI493577B TW I493577 B TWI493577 B TW I493577B TW 102114660 A TW102114660 A TW 102114660A TW 102114660 A TW102114660 A TW 102114660A TW I493577 B TWI493577 B TW I493577B
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Chia Chi Wu
Lang Yi Chiang
Tsung Chan Wu
Jih Hsu Yeh
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Description

電磁元件
本發明係有關於一種電磁元件及其線圈結構。
如熟習該項技藝者所知，過去如電感(inductor)或扼流線圈(choke coil)等電磁元件通常是將導體或導線，例如，被絕緣包覆的銅線，纏繞一圓柱核心而成，且一般將此電磁元件設計成適合表面貼裝製程使用的表面貼裝元件(SMD)結構。
近年來，隨著電子零組件朝向更小體積及更高效能發展，因此對於更小尺寸及高效能的線圈元件的需求日益增加。又上述線圈元件的效能高低可以從其飽和電流(saturation current,Isat )及直流電阻(DC resistance,DCR)來衡量。然而，以目前的線圈元件結構，要進一步微縮其尺寸及體積已十分困難。
因此，目前該技術領域仍需要一種改良的電磁元件，除了具備較佳的效能，例如，較大的飽和電流、較低的直流電阻以及較佳的效率，其體積及尺寸還能夠進一步被微縮。
本發明之主要目的在提供一種改良的電磁元件及其線圈結構，體積可以更小，且製程上可以獲得高良率。
為達上述目的，本發明一實施例提供一種電磁元件，包含有一多層的線圈結構，嵌入在一成型體中；其中該線圈結構的各層包含有一較寬的中段，兩端的細長終線段彼此捲繞重疊在一起，其間具有一間隙，以及漸縮的頸部段分別連結所述較寬的中段至所述兩端的細長終線段。
根據本發明另一實施例，一種電磁元件，包含有一基板；一多層的線圈結構，位於該基板上；以及一成型體，密封包覆該基板及該線圈結構，其中該成型體填入一中央穿孔，構成一被所述線圈結構環繞的中央磁柱；其中該線圈結構的線圈繞線螺旋的纏繞著該中央磁柱複數圈。其中所述線圈結構的線圈繞線包含複數段，包括兩細長終線段、均寬的中段，以及漸縮段。其中至少一該漸縮段其輪廓配合所述線圈結構的線圈繞線的一內端點的輪廓。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1、1a、1b、1c‧‧‧電磁元件
10a、10b、10c、10d‧‧‧線圈結構
12‧‧‧成型體
20‧‧‧基板
102‧‧‧中段
103a、103b‧‧‧頸部段
104a、104b‧‧‧細長終線段
106、108‧‧‧終端接點
200‧‧‧中央穿孔
200a‧‧‧中央磁柱
202‧‧‧鋸齒突出部
206、208‧‧‧表面貼裝電極
300‧‧‧基板
301‧‧‧絕緣核心層
302‧‧‧銅層
302a、302b、302c‧‧‧中段
303‧‧‧介層導通孔
303a、303b‧‧‧漸縮段
304a、304b‧‧‧細長終段
306‧‧‧端點
310‧‧‧圖案化光阻層
310a‧‧‧開口
320‧‧‧第一導線圖案
330、430、530‧‧‧介電層
330a、430a‧‧‧介層洞
330b‧‧‧開口
340、440‧‧‧銅層
340a、440a‧‧‧介層導通孔
350、450‧‧‧圖案化光阻層
360、460‧‧‧第二導線圖案
410‧‧‧環形線圈圖案
410a‧‧‧外圈輪廓
A‧‧‧內端點
第1圖為依據本發明一實施例所繪示的電磁元件的線圈結構透視圖。
第1A圖例示具有正方體形的成型體的電磁元件。
第1B圖為第1圖中電磁元件沿切線I-I’所示的剖面示意圖。
第2圖至第10圖為依據本發明實施例所繪示的製作電磁元件的線圈結構的方法剖面示意圖。
第11A圖為依據本發明另一實施例所繪示的電磁元件的螺旋線圈結構透視圖。
第11B圖為第11A圖中的螺旋線圈結構的上視圖。
第12圖例示電磁元件的環形線圈圖案具有圓形的外圈輪廓，而中央磁柱輪廓則是卵形。
在下文中，將參照附圖說明細節，該些附圖中之內容亦構成說明書細節描述的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。當然， 亦可採行其他的實施例，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不應被視為是限制，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。
第1圖為依據本發明一實施例所繪示的電磁元件的線圈結構透視圖。如第1圖所示，電磁元件1，例如扼流線圈或電感，包含有一線圈結構10a設於基板20的一側面上。其中基板20可以是一絕緣基板，但不限於此。線圈結構10a可以是由單層導體或多層導體堆疊而成，若為多層導體堆疊，則各層導體之間還可以有絕緣膜。在基板20的另一側面，可以有另一線圈結構10b，其結構可以同線圈結構10a，例如同為多層導體堆疊而成。
基板20的外型輪廓接近設在基板20各側面上的線圈結構10a或10b，均為環形輪廓，中間是由基板20的側壁及線圈結構10a、10b的側壁所定義出來的中央穿孔200。中央穿孔200可以利用雷射或機械鑽孔技術形成，通常在線圈結構10a、10b完成後才形成中央穿孔200。根據本發明實施例，基板20在沿著中央穿孔200的邊緣上可以有不規則側邊結構，例如，鋸齒狀結構。為了使中央穿孔200可以容納更多的磁性材料，通常希望中央穿孔200的邊緣上由基板20突出的鋸齒突出部202可以盡量減少，俾使電磁元件1的效能能夠提升。
電磁元件1可以另包含有一成型體(molded body)12，其外型可以為長方體或其它形狀，並無一定限制。成型體12將線圈結構10a、10b以及基板20密封包覆。熟習該項技藝者應理解，成型體12的外型可以為其他形狀，不限圖中所示，如第1A圖例示的電磁元件1a即具有正方體形的成型體12，在此例中，從上往下看時的線圈結構10a、10b可以是圓形，但不限於此。
根據本發明實施例，上述成型體12可以由樹脂，如熱固性樹脂，及磁性粉末經過加壓成型而形成在線圈結構10a、10b周圍。此外，磁性粉末，包含鐵粉(ion powder)、鐵氧體粉末(ferrite powder)、含鐵合金粉末(metallic powder)或任何適合的磁性材料。成型體12填入中央穿孔200構成一被線圈 結構10a、10b環繞的中央磁柱200a，其中，從上往下看時，中央穿孔200及中央磁柱200a也可以有不同的外型或輪廓，例如，圓形、卵形、多邊形或橢圓形。
根據本發明實施例，電磁元件1可以被製作成一表面貼裝元件(SMD)結構，而可以被直接安裝在電路板或導線架的表面。例如，電磁元件1可以包含有兩個表面貼裝電極206、208電性連結至線圈結構10a、10b的相應終端接點106、108。舉例而言，表面貼裝電極206、208可以包含有錫焊或電鍍金屬。
根據本發明實施例，線圈結構10a、10b可以是多層結構的繞線，其中線圈結構的各層至少繞成一圈以上，例如，從上往下看時，線圈結構的各層可纏繞成一又四分之一圈的螺旋狀圖案。舉例而言，如第1圖中所示，線圈結構10a的各層可包括一較寬的中段102，其具有大致均等的線寬w1，例如，約210微米左右，兩端為細長終線段(或尾段)104a及104b彼此捲繞重疊在一起，其間具有約5-30微米的間隙S，較佳為5-10微米，漸縮的頸部段103a及103b則分別連結較寬的中段102至兩端的細長終線段104a及104b。
根據本發明實施例，上述的細長終線段104a及104b具有較細的線寬w2及w3，舉例來說，線寬w2及w3均小於或等於100微米。此外，線寬w2可以不等於線寬w3。熟習該項技藝者應理解，上述的線寬w1、w2及w3可以根據設計需求進行調整。第1B圖為第1圖中沿切線I-I’所示的剖面示意圖，中間的絕緣層並顯示於圖中。如第1B圖所示，線寬w1約略等於線寬w2及w3、以及重疊的細長終線段104a及104b之間的間隙S的總和。
值得注意的是，上述較寬的中段102、漸縮的頸部段103a及103b，以及兩端的細長終線段104a及104b均處於同一水平面，並且可以在相同的製程中形成。從上往下看時，線圈結構10a、10b的各層可以是環狀、卵形的線條圖案，且線圈結構10a、10b的各層可彼此藉由夾設其間的絕緣層(圖未示)隔離開。線圈結構10a、10b的相鄰兩層可藉由形成在各絕緣層中的介層 導通孔連結並串接在一起，如此而能充分有效率的運用空間，使得電磁元件1的效能可以被提升，而電磁元件1的尺寸可以更小。
根據本發明實施例，線圈結構10a、10b可以利用以下所描述的製作方法進行製作，包括，但不限於，蝕刻、電鍍等步驟。熟習該項技藝者應理解，以下所描述的製程步驟僅為例示，其他方法及製程技術，例如，印刷等，亦可以被應用在其他實施例中。
第2圖至第10圖為依據本發明實施例所繪示的製作電磁元件的線圈結構的方法剖面示意圖。如第2圖所示，首先提供一基板300，例如，一銅箔基板(copper clad laminate,CCL)。基板300上可以具有至少一銅層302，其層疊於一絕緣核心層301上，絕緣核心層301例如介電層或環氧樹脂玻璃等，以及至少一介層導通孔303，穿過基板300全部厚度。上述介層導通孔303可以是電鍍通孔，其可以是利用機械穿孔或雷射穿孔，配合電鍍製程製作而成。為簡化說明，僅例示形成在基板300單面上的各層結構，然而，熟習該項技藝者應理解同樣的堆疊結構可以形成在基板300的另一面上，並利用揭露於實施例中的相同步驟來完成。
接著於基板300的表面形成一圖案化光阻層310。其中，圖案化光阻層310包含有開口310a，顯露出部分的銅層302。舉例來說，各開口310a的寬度約為210微米，以及深度約為50微米。
如第3圖所示，接著進行一電鍍製程，將開口310a填滿銅金屬，如此形成線寬為210微米，厚度約為46微米的第一導線圖案320。然後，去除圖案化光阻層310。上述第一導線圖案320的形狀如第1圖中的各層形狀。另，值得注意的是，上述第一導線圖案320可以具有一垂直側壁輪廓，但不限於此。
如第4圖所示，在形成第一導線圖案320後，接著去除第一導線圖案320之間的銅層302。接下來，於第一導線圖案320表面上共形的覆蓋一介電層330。在介電層330中形成有一介層洞330a，顯露出第一導線圖案 320的部分上表面。在第一導線圖案320之間的介電層330中可以形成有開口330b。
如第5圖所示，可以進行另一電鍍製程，於基板300上全面形成一銅層340。形成銅層340之前，可以先以濺鍍方式形成一銅晶種層(圖未示)。上述銅層340可以填入介層洞330a形成一介層導通孔340a，其以虛線表示介層導通孔340a與目前圖中剖面結構處於不同切面。此外，上述銅層340可以填入開口330b。然後，於銅層340上形成一圖案化光阻層350，定義出電磁元件的線圈單元的第二層圖案。
如第6圖所示，接著蝕除未被圖案化光阻層350覆蓋的銅層340，例如，利用濕蝕刻方法，如此形成一第二導線圖案360，堆疊在第一導線圖案320上。上述第二導線圖案360的形狀如第1圖中的各層形狀，且經由介層導通孔340a與下方的第一導線圖案320電連接。上述第二導線圖案360可以具有一傾斜側壁輪廓，但不限於此。
如第7圖至第9圖所示，重複如第4圖至第6圖之步驟，於第二導線圖案360上形成具有一介層洞430a的介電層430(第7圖)。接著在基板300上全面電鍍銅層440，於介層洞430a中形成介層導通孔440a，於銅層440上形成圖案化光阻層450(第8圖)，以及形成第三導線圖案460(第9圖)。同樣的，上述第三導線圖案460的形狀如第1圖中的各層形狀，且經由介層導通孔440a與下方的第二導線圖案360電連接。另，上述第三導線圖案460可以具有一傾斜側壁輪廓，但不限於此。
如第10圖所示，於第三導線圖案460上共形的覆蓋介電層530，如此即形成基板300單側的線圈堆疊結構100。如前所述，可以利用上述相同步驟，在基板300的另一側形成相同的線圈堆疊結構。
第11A圖為依據本發明另一實施例所繪示的電磁元件的螺旋線圈結構透視圖，第11B圖為第11A圖中的螺旋線圈結構的上視圖。如第11A圖所示，電磁元件1b包含有一螺旋纏繞的線圈結構10c設於基板20的一側面 上。其中基板20可以是一絕緣基板，但不限於此。線圈結構10c可以是多層導體堆疊而成，各層導體之間還可以有絕緣膜。在基板20的另一側面，可以有另一線圈結構10d，其結構可以同線圈結構10c，例如同為多層導體堆疊而成。電磁元件1b可以另包含有一成型體12，由熱固性樹脂及磁性金屬粉末，例如鐵氧體粉末經過加壓成型而形成。成型體12將線圈結構10c、10d以及基板20密封包覆。其中成型體12填入中央穿孔200構成一中央磁柱200a。
根據本發明實施例，線圈結構10c、10d各線圈繞線可以以螺旋放射狀在同一水平面上環繞著中央磁柱200a纏繞數圈。如第11B圖所示，舉例而言，線圈結構10c的三圈單繞螺旋線圈可以從內圈的內端點A開始，其中內端點A位於細長終線段304a的最頂端處，而結束於端點306。可以另提供表面貼裝電極(圖未示)電連結至端點306。而從內端點A，線圈結構10c可以藉由一介層導通孔電連結至下方的線圈結構。
線圈結構10c的螺旋線圈繞線各層可包括數段，包括但不限於，兩端的細長終線段(或尾段)304a及304b、均寬的中段302a~302c、及漸縮段303a及303b。為充分利用有限空間，漸縮段303a具有陡峭、直角般的邊緣，其輪廓配合內端點A的邊緣輪廓，使得漸縮段303a至少部分環繞包圍著內端點A的相鄰兩邊緣。相較於漸縮段303a，漸縮段303b則沒有這樣陡峭、直角般的邊緣，而是較為平滑。如第11B圖所示，漸縮段303a連接均寬的中段302a及均寬的中段302b，漸縮段303b連接均寬的中段302b及均寬的中段302c。兩端的細長終線段304a及304b、均寬的中段302、漸縮段303a及303b以及其間的間隙共同構成一環繞著中央磁柱200a的且整體而言均寬的環形線圈圖案，其寬度為W。
然而，熟習該項技藝者應理解，上述環繞著中央磁柱200a的環形線圈圖案也可以有不同的厚(寬)度或尺寸。舉例而言，如第12圖所示，圖中所例示的電磁元件1c的上視圖顯示出環形線圈圖案410具有圓形的外圈輪廓410a，而緊圍繞著的中央磁柱200a其輪廓則是卵形或橢圓形，反之亦可。如 此，環形線圈圖案410即具有較寬的相對部，其寬度為w4，以及較窄的相對部，其寬度為w5。此外，寬度w4以及寬度w5之間的關係可隨不同設計需求來改變。環形線圈圖案410可以有如第1圖、第1A圖或第11A-11B圖的線圈繞線，在第12圖中並未明示。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1‧‧‧電磁元件
10a、10b‧‧‧線圈結構
12‧‧‧成型體
20‧‧‧基板
102‧‧‧中段
103a、103b‧‧‧頸部段
104a、104b‧‧‧細長終線段
106、108‧‧‧終端接點
200‧‧‧中央穿孔
200a‧‧‧中央磁柱
202‧‧‧鋸齒突出部
206、208‧‧‧表面貼裝電極

Claims (17)

  1. 一種電磁元件，包含有：一多層的線圈結構，嵌入在一成型體中；其中該線圈結構包含多個層疊的導線圖案，最下層的該導線圖案具有垂直的側壁輪廓，其他的該導線圖案具有傾斜的側壁輪廓，且該線圈結構的一層包含有一較寬的中段、兩端的細長終線段彼此捲繞重疊在一起且其間具有一間隙、以及漸縮的頸部段連結該較寬的中段至該兩端的細長終線段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中尚包含有兩個電極分別電性連結至該線圈結構相應兩終端接點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該間隙為5-30微米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該間隙為5-10微米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該線圈結構的各層至少纏繞成一圈繞線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該較寬的中段具有相等的線寬。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中從上往下看時，該線圈結構為一環狀卵形線條圖案。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該較寬的中段的線寬約略等於該兩端的細長終線段的線寬以及該間隙的總和。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該線圈結構設於一環狀基板上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電磁元件，其中該基板以及該線圈結構的側壁界定出一中央穿孔，該成型體填入該中央穿孔的部分構成了一被該線圈結構環繞的中央磁柱。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電磁元件，其中於該中央穿孔的邊緣上具 有由該環狀基板突出的鋸齒突出部。
  12. 一種電磁元件，包含有：一基板；一多層的線圈結構，位於該基板上，其中該基板以及該線圈結構的側壁界定出一中央穿孔；以及一成型體，密封包覆該基板及該線圈結構，其中該成型體填入該中央穿孔的部分構成了一被該線圈結構環繞的中央磁柱；其中該線圈結構包含多個層疊的導線圖案，最下層的該導線圖案具有垂直的側壁輪廓，其他的該導線圖案具有傾斜的側壁輪廓，且該線圈結構的一線圈繞線螺旋的纏繞著該中央磁柱複數圈，且該線圈結構的一層包含有一較寬的中段、兩端的細長終線段彼此捲繞重疊在一起且其間具有一間隙、以及漸縮的頸部段連結該較寬的中段至該兩端的細長終線段。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電磁元件，其中該線圈結構的該線圈繞線係在同一水平面上纏繞。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之電磁元件，其中該漸縮的頸部段的輪廓配合該線圈結構的該線圈繞線的一內端點的輪廓。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電磁元件，其中該基板為一絕緣基板。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之電磁元件，其中該基板為一環狀基板。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之電磁元件，其中該成型體包含有一熱固性樹脂及一磁性粉末。
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