TWI598903B - 多層線圈之製造方法及磁性裝置 - Google Patents

Description

多層線圈之製造方法及磁性裝置

本發明關於一種多層線圈之製造方法及磁性裝置，尤指一種以變動電流密度電鍍形成多層線圈之方法及應用此多層線圈之磁性裝置。

扼流器（choke）為磁性裝置的一種，其功用在於穩定電路中的電流並達到濾除雜訊的效果，作用與電容器類似，同樣是以儲存、釋放電路中的電能來調節電流的穩定性，而且相較於電容是以電場（電荷）的形式來儲存電能，扼流器則是以磁場的形式來達成。

扼流器早期通常都使用在直流變壓器（DC/DC converter）或電池充電器（battery charger）等電子裝置內，並應用於數據機（modem）、非同步數位用戶專線（asymmetric digital subscriber lines, ADSL）或局部區域網路（local area networks, LAN）等傳輸裝置中。然而，近幾年來，扼流器亦被更廣泛地應用於諸如筆記型電腦、手機、液晶螢幕以及數位相機等資訊科技產品中。由於資訊科技產品逐漸朝向薄型化與輕量化的趨勢發展，扼流器的高度與尺寸便成為一個重要的設計課題。

如第1圖所示，美國專利公告第7,209,022號所揭露之扼流器1包含一磁芯10、一導線12、一外裝樹脂14以及一對電極16，其中導線12係纏繞於磁芯10之中柱100上。一般而言，中柱100之截面面積愈大，扼流器1之特性就愈好。然而，由於必須保留用來纏繞導線12之繞線空間S，中柱100之截面面積便因此而被限制住了，使得飽和電流無法被有效提升且直流電阻無法被有效降低。此外，相較於現行繞線式線圈結構，因包含環繞中柱纏繞導線的機械操作，這樣的作法在元件之小型化與厚度減小上有一定限制（例如，漆包線尺寸縮小；若機械動作精度不夠，會造成良率上之損失）。

本發明的目的之一在於提供一種以變動電流密度電鍍形成多層線圈之方法及應用此多層線圈之磁性裝置。

根據一實施例，本發明之多層線圈之製造方法包含：提供一基板；於基板上形成一種子層；以及根據N個門檻範圍以N個電流密度於種子層上電鍍N個線圈層，以於基板上形成一多層線圈，其中N個電流密度中的第i個電流密度小於第i+1個電流密度，N為一大於1之正整數，且i為一小於或等於N之正整數。N個線圈層中的第1個線圈層係以N個電流密度中的第1個電流密度電鍍於種子層上。當N個線圈層中的第i個線圈層之高寬比介於N個門檻範圍中的第i個門檻範圍之間時，以第i+1個電流密度於第i個線圈層上電鍍第i+1個線圈層。

根據另一實施例，本發明之磁性裝置包含一基板、一多層線圈以及一磁性體。多層線圈形成於基板上。多層線圈由N個線圈層堆疊而成，且N個線圈層中的第i個線圈層之高寬比小於第i+1個線圈層之高寬比，其中N為一大於1之正整數，且i為一小於或等於N之正整數。磁性體完全包覆基板與多層線圈。

綜上所述，本發明係以變動電流密度於基板上電鍍形成多層線圈，並且以此電鍍形成的多層線圈取代習知的繞線線圈。電鍍形成的多層線圈可比習知的繞線線圈具備較高的空間利用率，不僅有利於磁性裝置微型化，且可有效提高磁性裝置之電性（例如，加大中柱面積、降低直流電阻、增加飽和電流等）。此外，本發明在電鍍形成多層線圈時不需於基板上形成光阻圖案層，製程較為簡單。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱第2圖至第5圖，第2圖為根據本發明一實施例之磁性裝置3的俯視圖，第3圖為第2圖中的磁性裝置3沿A-A線的剖面圖，第4圖為第3圖中的多層線圈32的局部放大圖，第5圖為第2圖中的磁性裝置3與第3圖中的多層線圈32之製造方法的流程圖。本發明之磁性裝置3可為一扼流器（choke）或其它磁性元件。磁性裝置3包含一基板30、一多層線圈32、一磁性體34以及一對電極36。多層線圈32係以變動電流密度電鍍形成於基板30上。磁性體34完全包覆基板30與多層線圈32。電極36則形成於磁性體34上。

於製造多層線圈32時，首先，執行第5圖中的步驟S10，提供基板30。於實際應用中，基板30可包含一高分子聚合物，例如環氧樹脂、改質之環氧樹脂、聚脂(Polyester)、丙烯酸酯、氟素聚合物(Fluoro-polymer)、聚亞苯基氧化物(Polyphenylene Oxide)、聚醯亞胺(Polyimide)、酚醛樹脂(Phenolicresin)、聚碸(Polysulfone)、矽素聚合物(Silicone polymer)、BT樹脂(Bismaleimide Triazine Modified Epoxy(BT Resin))、氰酸聚酯(Cyanate Ester)、聚乙烯(Polyethylene)、聚碳酸酯樹脂(polycarbonate，PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer，ABS copolymer)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)樹脂、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，PBT)樹脂、液晶高分子(liquid crystal polymers，LCP)、聚醯胺(polyamide，PA )、尼龍(Nylon)、共聚聚甲醛(polyoxymethylene，POM)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)或是環狀烯烴共聚高分子(cyclic olefin copolymer，COC)，但不以此為限。

接著，執行第5圖中的步驟S12，於基板30上形成一種子層（seed layer）31。於實際應用中，可利用銅箔蝕刻或電鍍形成種子層31，但不以此為限。於此實施例中，種子層31係呈螺旋形而形成複數個圈環。接著，執行第5圖中的步驟S14，將基板30放置於一電鍍液中。於此實施例中，電鍍液主要可由硫酸銅、硫酸、氯離子以及其它添加劑（例如，光澤劑、平整劑、抑制劑等）組成，但不以此為限。換言之，電鍍液可視實際需求而調整其組成成分。接著，執行第5圖中的步驟S16，根據N個門檻範圍以N個電流密度於種子層31上電鍍N個線圈層320a、320b、320c，以於基板30上形成多層線圈32，其中N個電流密度中的第i個電流密度小於第i+1個電流密度，N為一大於1之正整數，且i為一小於或等於N之正整數。於此實施例中，N=3，但不以此為限。

如第4圖所示，三個線圈層320a、320b、320c中的第1個線圈層320a係以三個電流密度中的第1個電流密度電鍍於種子層31上。當第1個線圈層320a之高寬比介於第1個門檻範圍之間時，以第2個電流密度於第1個線圈層320a上電鍍第2個線圈層320b，其中△Y1=H1-H0，△X1=(W1-W0)/2，H0表示種子層31之高度，W0表示種子層31之寬度，H1表示第1個線圈層320a與種子層31的總高度，且W1表示第1個線圈層320a與種子層31的總寬度。當第2個線圈層320b之高寬比介於第2個門檻範圍之間時，以第3個電流密度於第2個線圈層320b上電鍍第3個線圈層320c，其中△Y2=H2-H1，△X2=(W2-W1)/2，H2表示第2個線圈層320b、第1個線圈層320a與種子層31的總高度，且W2表示第2個線圈層320b、第1個線圈層320a與種子層31的總寬度。

於此實施例中，第1個電流密度可設定為5.39 ASD，第2個電流密度可設定為8.98 ASD，第3個電流密度可設定為10.78 ASD，第1個門檻範圍可設定為1~1.8，第2個門檻範圍可設定為2~2.8，且第3個門檻範圍可設定為2.8~4。此外，種子層31之高度H0可為30微米，種子層31之寬度W0可為35微米，且種子層31之每兩個圈環之間的間隙G0可為55微米。首先，本發明可先以第1個電流密度5.39 ASD將第1個線圈層320a電鍍於種子層31上，並且在電鍍過程中量測第1個線圈層320a之高寬比。當量測到的第1個線圈層320a之高寬比介於第1個門檻範圍1~1.8之間時（例如，△Y1=17.1微米，且△X1=15微米，則=1.14），即可將第1個電流密度5.39 ASD切換成第2個電流密度8.98 ASD，以於第1個線圈層320a上電鍍第2個線圈層320b，並且在電鍍過程中量測第2個線圈層320b之高寬比。此時，每兩個第1個線圈層320a之間的間隙G1=G0-2△X1=55-2*15=25微米。當量測到的第2個線圈層320b之高寬比介於第2個門檻範圍2~2.8之間時（例如，△Y2=13.2微米，且△X2=5.5微米，則=2.4），即可將第2個電流密度8.98 ASD切換成第3個電流密度10.78 ASD，以於第2個線圈層320b上電鍍第3個線圈層320c，並且在電鍍過程中量測第3個線圈層320c之高寬比，其中△Y3=H3-H2，△X3=(W3-W2)/2，H3表示第3個線圈層320c、第2個線圈層320b、第1個線圈層320a與種子層31的總高度，且W3表示第3個線圈層320c、第2個線圈層320b、第1個線圈層320a與種子層31的總寬度。此時，每兩個第2個線圈層320b之間的間隙G2=G1-2△X2=25-2*5.5=14微米。當量測到的第3個線圈層320c之高寬比介於第3個門檻範圍2.8~4之間時（例如，△Y3=13.5微米，且△X3=4.5微米，則=3），每兩個第3個線圈層320c之間的間隙G3=G2-2△X3=14-2*4.5=5微米。當量測到的第3個線圈層320c之高寬比介於第3個門檻範圍2.8~4之間時，即可將第3個電流密度10.78 ASD切換成第4個電流密度，以於第3個線圈層320c上電鍍第4個線圈層。然而，由於在電鍍過程中，多層線圈32之尺寸變化會造成質傳分布狀況改變，進而影響電鍍效應。所以當多層線圈32之每兩個圈環之間的間隙過小時，橫向尺寸的電鍍成長效率也會下降，因此可利用此特性達到異方向成長的目的。因此，於此實施例中，可以第3個電流密度10.78 ASD繼續進行電鍍，直到第3個線圈層320c成長至所需的高度為止。

需說明的是，本發明亦可根據實際需求以三個以上由小至大的電流密度於種子層31上電鍍三層以上的線圈層。

於此實施例中，由於種子層31係呈螺旋形而形成複數個圈環，因此電鍍完成的多層線圈32亦呈螺旋形而形成複數個圈環，且每兩個圈環之間的間隙小於30微米。較佳地，每兩個圈環之間的間隙小於10微米。如上述之實施例，電鍍完成的多層線圈32之每兩個圈環之間的間隙G3可為5微米。此外，多層線圈32之高寬比可大於1.5，且多層線圈32之高度可大於70微米，進而有效提高磁性裝置3之電性（例如，降低直流電阻、增加飽和電流等）。

需說明的是，在電鍍形成多層線圈32的過程中，可同時在多層線圈32的兩側電鍍形成導電層33以及導電柱35。此外，位於第3圖中右側的導電層可經由導通孔37與導電柱35形成電性連接。

接著，執行第5圖中的步驟S18，於多層線圈32上及多層線圈32之間形成絕緣保護層38。絕緣保護層38之材料可為環氧樹脂（epoxy resin）、壓克力樹脂、聚醯亞氨（polyimide, PI）、防焊油墨、介電材料等。

最後，執行第5圖中的步驟S20，形成完全包覆基板30與多層線圈32之磁性體34，且於磁性體34上形成電極36，以完成磁性裝置3。電極36係經由導電柱35與導電層33電性連接多層線圈32。因此，磁性裝置3之多層線圈32係由三個線圈層320a、320b、320c堆疊而成，其中第1個線圈層320a之高寬比（例如，1.14）小於第2個線圈層320b之高寬比（例如，2.4），且第2個線圈層320b之高寬比（例如，2.4）小於第3個線圈層320c之高寬比（例如，3）。

於此實施例中，磁性體34包含貫穿基板30之中柱300。舉例而言，磁性體34可利用一磁性粉末混合黏合劑，經過模塑加壓成型及固化等步驟而形成。此外，磁性粉末可包含鐵粉(iron powder)、鐵氧體粉末(ferrite powder)、含鐵合金粉末(metallic powder)、非晶質(Amorous)合金或任何適合的磁性材料。其中，鐵氧體粉末可包含鎳鋅鐵氧體（Ni-Zn ferrite）粉末或錳鋅鐵氧體（Mn-Zn ferrite）粉末，含鐵合金粉末可包含鐵矽鋁合金(Sendust)、鐵鎳鉬合金(MPP)或鐵鎳合金(High Flux)等。

需說明的是，多層線圈32在電鍍完成後並無法由肉眼直接看出每一個線圈層之分界線。必須將多層線圈32以蝕刻處理(例如使用過酸微蝕)或藉由熱處理改變晶界結構後，才能藉由電子顯微鏡觀察到每一個線圈層之分界線。

請參閱第6圖，第6圖為多層線圈32'蝕刻前後的顯微結構圖。如第6圖所示，多層線圈32'在蝕刻後有三條分界線L1-L3，其中分界線L1介於第1個線圈層320a與第2個線圈層320b之間，分界線L2介於第2個線圈層320b與第3個線圈層320c之間，且分界線L3介於第3個線圈層320c與第4個線圈層320d之間。換言之，由此三條分界線L1-L3可以得知，多層線圈32'係由四個由小至大的電流密度於種子層31上電鍍四層的線圈層320a-320d而形成。

綜上所述，本發明係以變動電流密度於基板上電鍍形成多層線圈，並且以此電鍍形成的多層線圈取代習知的繞線線圈。電鍍形成的多層線圈可比習知的繞線線圈具備較高的空間利用率，不僅有利於磁性裝置微型化，且可有效提高磁性裝置之電性（例如，加大中柱面積、降低直流電阻、增加飽和電流等）。此外，本發明在電鍍形成多層線圈時不需於基板上形成光阻圖案層，製程較為簡單。

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‧‧‧扼流器
3‧‧‧磁性裝置
10‧‧‧磁芯
12‧‧‧導線
14‧‧‧外裝樹脂
16、36‧‧‧電極
30‧‧‧基板
31‧‧‧種子層
32、32'‧‧‧多層線圈
33‧‧‧導電層
34‧‧‧磁性體
35‧‧‧導電柱
37‧‧‧導通孔
38‧‧‧絕緣保護層
100、300‧‧‧中柱
320a-320d‧‧‧線圈層
G0-G3‧‧‧間隙
H0-H3‧‧‧高度
W0-W3‧‧‧寬度
L1-L3‧‧‧分界線
S‧‧‧繞線空間
A-A‧‧‧剖面線
S10-S20‧‧‧步驟

第1圖為習知扼流器之剖面圖。 第2圖為根據本發明一實施例之磁性裝置的俯視圖。 第3圖為第2圖中的磁性裝置沿A-A線的剖面圖。 第4圖為第3圖中的多層線圈的局部放大圖。 第5圖為第2圖中的磁性裝置與第3圖中的多層線圈之製造方法的流程圖。 第6圖為多層線圈蝕刻前後的顯微結構圖。

30‧‧‧基板

31‧‧‧種子層

32‧‧‧多層線圈

320a-320c‧‧‧線圈層

G0-G3‧‧‧間隙

H0-H3‧‧‧高度

W0-W3‧‧‧寬度

Claims (10)

1. 一種多層線圈之製造方法，包含：提供一基板；於該基板上形成一種子層，其中所述種子層具有複數個圈環，其中每兩個相鄰圈環具有一間隙；將基板放置於一電鍍液中；以及以變動電流密度於該種子層上電鍍形成包覆該複數個圈環之多個金屬層以形成一多層線圈，其中該多個金屬層之每一金屬層係以不同之電流密度形成且分別接觸該基板上表面之一不同之區域。
2. 如請求項1所述之多層線圈之製造方法，其中每一金屬層的電流密度隨著金屬層的層次增加而增加，且每兩個相鄰的金屬層之間的電流密度差值隨著金屬層的層次增加而減小。
3. 如請求項2所述之多層線圈之製造方法，其中該多層線圈之高寬比大於1.5，且該多層線圈之高度大於70微米。
4. 如請求項1所述之多層線圈之製造方法，其中該種子層係利用銅箔蝕刻形成。
5. 一種磁性裝置，包含：一基板；一多層線圈，形成於該基板上，所述多層線圈包含一種子層以及電鍍形成之多個金屬層，其中所述種子層具有複數個圈環，其中每兩個相鄰圈環具有一間隙，其中該多個金屬層包覆該複數個圈環以形成所述多層線圈， 其中該多個金屬層之每一金屬層係以不同之電流密度形成且分別接觸該基板上表面之一不同之區域；一磁性體，完全包覆該基板與該多層線圈；一導電柱，形成於該磁性體內；以及一電極，形成於該磁性體之一表面上，其中，該導電柱電性連接該多層線圈與該電極。
6. 如請求項5所述之磁性裝置，其中該導電柱與該基板相接觸以電性連接該多層線圈。
7. 如請求項5所述之磁性裝置，其中該多層線圈之高寬比大於1.5，且該多層線圈之高度大於70微米。
8. 一種磁性裝置，包含：一基板；一多層線圈，形成於該基板上，其中，所述多層線圈包含一種子層以及電鍍形成之多個金屬層，其中所述種子層具有複數個圈環，其中每兩個相鄰圈環具有一間隙，其中該多個金屬層包覆該複數個圈環以形成所述多層線圈，其中該多個金屬層之每一金屬層係以不同之電流密度形成且分別接觸該基板上表面之一不同之區域，其中，一貫穿開口於該多層線圈所圍繞之一中間部份貫穿該基板；一磁性體，包覆該基板與該多層線圈並延伸於該貫穿開口內；一導電柱，形成於該磁性體內；以及一電極，形成於該磁性體上，其中，該導電柱電性連接該多層線圈與該電極。
9. 一種磁性裝置，包含：一基板；一多層線圈，形成於該基板之上表面與下表面上，其中，所述多層線圈包含一種子層以及電鍍形成之多個金屬層，其中所述種子層具有複數個圈環，其中每兩個相鄰圈環具有一間隙，其中該多個金屬層包覆該複數個圈環以形成所述多層線圈，其中該多個金屬層之每一金屬層係以不同之電流密度形成且分別接觸該基板上表面之一不同之區域，其中，一貫穿開口於該多層線圈所圍繞之一中間部份貫穿該基板；一磁性體，包覆該基板與該多層線圈並延伸於該貫穿開口內；一導電柱，形成於該磁性體內；以及一電極，形成於該磁性體上，其中，該導電柱電性連接該多層線圈與該電極。
10. 一種磁性裝置，包含：一基板；一多層線圈，形成於該基板上，其中，所述多層線圈包含一種子層以及電鍍形成之多個金屬層，其中所述種子層具有複數個圈環，其中每兩個相鄰圈環具有一間隙，其中該多個金屬層包覆該複數個圈環以形成所述多層線圈，其中該多個金屬層之每一金屬層係以不同之電流密度形成且分別接觸該基板上表面之一不同之區域，其中，一貫穿開口於該多層線圈所圍繞之一中間部份貫穿該基板；一磁性體，包覆該基板與該多層線圈並延伸於該貫穿開口內，其中磁性體與該多層線圈之一部分接觸；以及 一電極，形成於該磁性體上，其中，該電極電性連接該多層線圈。