TWI604475B - 一種電磁元件 - Google Patents

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Description

一種電磁元件
本發明係有關於一種電磁元件，特別是有關於一種表面貼裝式(surface-mounting)電磁元件。
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，體積可以更小，且可以利用例如電鍍層疊技術或層壓堆疊技術等方式製作，而獲得高良率。
為達上述目的，本發明一實施例提供一種電磁元件，包含有一線圈單元，具有一多層堆疊結構；一成型體，包覆該線圈單元；以及兩個電極，分別電耦合至該線圈單元的兩個端點。該多層堆疊結構的各層的線寬可以介於180~240微米，厚度介於40~60微米。其中該線圈單元可利用電鍍層疊製程或壓合技術製作而成。
本發明一實施例提供一種製作電磁元件的方法。首先形成一線圈單元，具有複數層導線圖案；形成一成型體，包覆該線圈單元，其中該成型體包含一磁性材料；接著，形成兩電極，分別電耦合至該線圈單元的兩端點。
根據本發明一實施例，上述形成線圈單元的方法，首先提供一基板，接著於該基板上形成一第一圖案化光阻層，該第一圖案化光阻層包含有一開口，再將電鍍銅填入該開口，形成一第一導線圖案，然後去除該第一圖案化光阻層；將一介電層覆蓋於該第一導線圖案上，該介電層具有一介層洞，接著於該介電層上電鍍一銅層，使該銅層填滿該介層洞，再於該銅層上形成一第二圖案化光阻層，然後蝕除未被該第二圖案化光阻層覆蓋的該銅層，如此形成一第二導線圖案堆疊在該第一導線圖案上，其中該第一導線圖案與該第二導線圖案共同構成該線圈單元的繞線。
根據本發明另一實施例，上述形成線圈單元的方法，首提供一基板，其上具有一第一線路圖案；使該基板與一積層膜層疊並壓合，該積層膜包含一絕緣層及一銅箔層；再於該積層膜中形成至少一盲孔；再於該積層膜上形成一電鍍銅層，使其填滿該盲孔，形成一介層插塞，電連接該第一線路圖案及該電鍍銅層；以及圖案化該電鍍銅層及該銅箔層形成一第二線路圖 案，其中該第一線路圖案與該第二線路圖案共同構成該線圈單元的繞線。
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‧‧‧電磁元件
1a‧‧‧電磁元件
1b‧‧‧電磁元件
10‧‧‧線圈單元
12、12a、12b‧‧‧成型體
13‧‧‧電極
100‧‧‧線圈堆疊結構
101~106‧‧‧線圈圖案
101a~106a‧‧‧狹縫缺口
120‧‧‧導電柱
201~205‧‧‧介層插塞
3‧‧‧電磁元件
300‧‧‧基板
300a‧‧‧穿孔
301‧‧‧絕緣核心層
302‧‧‧銅層
303‧‧‧介層插塞
310‧‧‧圖案化光阻層
310a‧‧‧開口
320‧‧‧第一導線圖案
330、430、480‧‧‧介電層
330a、430a‧‧‧介層洞
330b‧‧‧開口
340、440‧‧‧銅層
340a、440a‧‧‧介層插塞
350、450‧‧‧圖案化光阻層
360、460‧‧‧第二導線圖案
412‧‧‧成型體
412a‧‧‧中央磁柱
5‧‧‧電磁元件
500‧‧‧基板
500a‧‧‧中央穿孔
501~504‧‧‧線圈圖案
510‧‧‧線圈單元
512‧‧‧成型體
512a‧‧‧中央磁柱
521、525‧‧‧側邊延伸段
521a、525a‧‧‧側面
522、523、524‧‧‧內連層
522a、523a、524a‧‧‧介層插塞
531、532、533、534、541、542、543、544‧‧‧端部
550、552、554‧‧‧介層插塞
561~564‧‧‧狹縫缺口
6a、6b‧‧‧未封裝的電磁元件
600‧‧‧基板
601‧‧‧絕緣核心
602、603‧‧‧銅箔層
604、605‧‧‧電鍍銅層
612、614‧‧‧穿孔
612a、614a‧‧‧介層插塞
620、630‧‧‧積層膜
622、632‧‧‧絕緣層
623、633‧‧‧銅箔層
642、644、652、654‧‧‧盲孔
642a、644a、652a、654a‧‧‧介層插塞
662、663‧‧‧電鍍銅層
702~705‧‧‧線路圖案
722~725‧‧‧線路圖案
730‧‧‧絕緣保護層
第1圖為依據本發明一實施例所繪示的電磁元件的側視透視示意圖。
第2圖為第1圖中電磁元件的線圈單元的爆炸示意圖。
第3圖至第12圖為依據本發明實施例所繪示的製作電磁元件的方法的剖面示意圖。
第13至14圖繪示本發明另一實施例的電磁元件，其中第13A圖及第13B圖為電磁元件的線圈單元的不同角度透視側視圖，第14A圖至第14D圖為線圈單元的各層線路佈局示意圖。
第15圖至第23圖為依據本發明另一實施例所繪示的製作電磁元件的方法剖面示意圖。
第24圖及第25圖例示本發明實施例電磁元件封裝件的不同態樣。
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。
請參閱第1圖及第2圖，其中第1圖為依據本發明一實施例所繪示的電磁元件的側視透視示意圖，第2圖為第1圖中電磁元件的線圈單元的爆炸示意圖。如第1圖及第2圖所示，電磁元件1，例如扼流線圈或電感，包含有一單繞的(single-winding)線圈單元10，被成型體(molded body)12封裝包覆，其中成型體12可以為，例如長方體、正方體或其它形狀，並無一定限制。此外，電磁元件1還包含兩個電極(electrode)13，分別電耦合至線圈單元10的相應兩端點。其中，電極13可以從成型體12的相對兩側面伸出，方便與其他電路組件電連接。根據本發明實施例，上述成型體12可以由樹脂及磁性粉末組成的磁性材料，經過加壓成型而形成在線圈單元10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。
根據本發明實施例，上述兩個電極13可以與線圈單元10的相應層共同形成，而成一體結構。然而，熟習該項技藝者應理解上述兩個電極13可以是屬於導線架的一部份。上述兩個電極13可以沿著成型體12的相對兩側面凹折，方便後續表面貼裝製程使用。
根據本發明實施例，線圈單元10係以電鍍層疊技術或層壓堆疊技術製作而成，其製程細節容後描述。根據本發明實施例，線圈單元10係為單圈單繞、多層結構，例如，第2圖中的六層金屬堆疊結構。線圈單元10的各層線圈圖案，如第2圖中的標號101~106，可以具有約180~240微米的線寬，例如，各層線圈圖案101~106線寬可以為210微米，以及約40~60微米的厚度，例如，46微米。在各層線圈圖案101~106之間具有一絕緣層(圖 未明示)，使各層線圈圖案101~106彼此絕緣。為簡化圖示，第1圖及第2圖中將上述形成在線圈單元10的各層線圈圖案101~106之間的絕緣層省略。根據本發明實施例，上述絕緣層的厚度可以介於2~10微米之間，例如，5微米。此外，線圈單元10的層數可以介於2~8之間。然而，熟習該項技藝者應理解上述線圈單元10的層數可以依據設計需求而調整，本發明因此不以此為限。
根據本發明實施例，俯視時，線圈單元10的各層線圈圖案101~106可以是環形或卵形條狀圖案，而且是非封閉式環形圖案，換言之，如第2圖中的標號101a~106a所示，在各層線圈圖案101~106的兩末端之間具有一狹縫缺口。根據本發明實施例，線圈單元10的狹縫缺口101a~106a並非在厚度方向上對準，而是刻意使相鄰的兩層的狹縫缺口具有一偏移量，例如，順時鐘方向上150~180微米的偏移量，如此使得上層的後端，例如線圈圖案101，可以經由介層插塞(以標號201~205表示)電連接至下一層的前端，例如線圈圖案102，構成在此單繞線圈單元上各圈的串聯組態。上述的介層插塞201~205係分別穿過各層絕緣層的厚度，並位於線圈圖案101~106之間，且可以具有約180微米左右的直徑。
第3圖至第12圖為依據本發明實施例所繪示的製作電磁元件的方法的剖面示意圖。如第3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，例如介電層或環氧樹脂玻璃等，以及至少一介層插塞303，穿過基板300全部厚度。上述介層插塞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4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圖及第2圖中的層101~106。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5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，顯露出各第一導線圖案320的部分上表面，其中以虛線表示介層洞330a與目前圖中剖面結構處於不同切面。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6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形成一介層插塞340a。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7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圖及第2圖中的層101~106， 且經由介層插塞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8圖至第10圖所示，重複如第5圖至第7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8圖)，其中介層洞430a與介層洞330a係處於不同剖面(如第2圖中介層插塞上、下位置錯開)。接著在基板300上全面電鍍銅層440，於介層洞430a中形成介層插塞440a，於銅層440上形成圖案化光阻層450(第9圖)，以及形成第三導線圖案460(第10圖)。同樣的，上述第三導線圖案460的形狀如第1圖及第2圖中的層101~106，且經由介層插塞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11圖所示，於第三導線圖案460上共形的覆蓋介電層480，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。
如第12圖所示，最後以雷射或機械鑽孔等方式將部分的基板300去除，於線圈堆疊結構100中央形成穿孔300a，後續再以由樹脂及磁性粉末組成的磁性材料，經過加壓成型封裝形成在線圈堆疊結構100周圍的成型體412。成型體412填滿穿孔300a，俾構成一中央磁柱412a，使線圈堆疊結構100環繞著中央磁柱412a，如此完成一電磁元件3。需注意，圖中電磁元件3僅顯示在基板300單側的線圈堆疊結構100，當然，電磁元件3可以另包括在基板300另一側的線圈堆疊結構，同樣被成型體412所密封包覆。
請參閱第13至14圖，其繪示本發明另一實施例的電磁元件，其中第13A圖及第13B圖為電磁元件的線圈單元的不同角度透視側視圖，第14A圖至第14D圖為電磁元件的各層線路佈局示意圖。如第13至14圖所示， 電磁元件5的線圈單元510同樣具有多層線圈結構，層層堆疊在一基板500上。在此例中，線圈單元510的各層線圈均為非封閉的圓形線圈圖案，彼此以上、下錯開的介層插塞550、552、554相互連結，各層線圈之間可以是介電層或絕緣層(圖未示)。多層線圈結構可以利用雷射或機鑽形成中央穿孔500a，再以樹脂及磁性粉末經過加壓成型封裝出成型體512，並於中央穿孔500a構成一中央磁柱512a(第14圖)。
如第14A圖所示，第一層(M1)線圈圖案501的一端包括一側邊延伸段521，其連接端部541。端部541與端部531之間有一狹縫缺口561，介層插塞550的位置則設在靠近端部531處，用來將第一層線圈圖案501連結至第二層線圈圖案502。側邊延伸段521有未被成型體512包覆的裸露側面521a，可以耦合一外部電極。
如第14B圖所示，第二層(M2)線圈圖案502同樣有兩端部532、542，以及一狹縫缺口562，其中狹縫缺口561與狹縫缺口562上、下錯開。介層插塞552的位置則設在靠近端部542處，用來將第二層線圈圖案502連結至第三層線圈圖案503。
如第14C圖所示，第三層(M3)線圈圖案503也具有兩端部533、543，以及一狹縫缺口563，其中狹縫缺口563與狹縫缺口562錯開。介層插塞554的位置則設在靠近端部543處，用來將第三層線圈圖案503連結至第四層線圈圖案504。
如第14D圖所示，第四層(M4)線圈圖案504的一端包括一側邊延伸段525，其一端部534與端部544之間有一狹縫缺口564，介層插塞554的位置則設在靠近端部534處，用來將第四層線圈圖案504連結至第三層線圈圖案503。側邊延伸段525有未被成型體512包覆的裸露側面525a，可以耦 合一外部電極。此外，側邊延伸段521可以透過內連層522、523、524及介層插塞522a、523a、524a堆疊至與側邊延伸段525共面。當然，本發明的電磁元件可以不止四層，也可以有更多層。
第15圖至第23圖為依據本發明另一實施例所繪示的製作電磁元件的方法剖面示意圖。首先如第15圖所示，提供一基板600，包括一絕緣核心601，在其相對兩面上具有銅箔層602、603。接著進行鑽孔製程，例如機械鑽孔，於基板600中形成穿孔612、614。
如第16圖所示，接著進行填孔電鍍，於銅箔層602、603上形成電鍍銅層604、605，並使電鍍銅層604、605填滿穿孔612、614，構成介層插塞612a、614a。
如第17圖所示，接著進行線路圖案蝕刻，分別將電鍍銅層604、605及銅箔層602、603蝕刻成線路圖案702、703及線路圖案722、723。其中，線路圖案702、722可以類似第14B圖中的第二層線圈圖案502及內連層522，線路圖案703、723可以類似第14C圖中的第三層線圈圖案503及內連層523。介層插塞612a、614a則類似第14C圖中的介層插塞552、523a。
如第18圖所示，接著將積層膜620、630，例如樹脂塗層銅箔，其中積層膜620包括絕緣層622與銅箔層623，積層膜630包括絕緣層632與銅箔層633，層疊並與基板600壓合。
如第19圖所示，可以利用雷射燒蝕方式，於積層膜620中形成盲孔642、644，於積層膜630中形成盲孔652、654。盲孔642、652分別顯露出部分的線路圖案702、703，盲孔644、654分別顯露出部分的線路圖案722、723。
如第20圖所示，進行去膠渣製程及銅電鍍製程，形成電鍍銅層 662及663。電鍍銅層662及663分別填滿盲孔642、644及盲孔652、654，形成介層插塞642a、644a及介層插塞652a、654a。
如第21圖所示，再進行線路圖案蝕刻，分別將電鍍銅層662、663及銅箔層623、633蝕刻成線路圖案704、705及線路圖案724、725。其中，線路圖案704、724可以類似第14A圖中的第一層線圈圖案501及側邊延伸段521，線路圖案705、725可以類似第14D圖中的第四層線圈圖案504及內連層524。介層插塞642a、644a則類似第14A圖中的介層插塞550、522a。介層插塞652a、654a則類似第14D圖中的介層插塞554、524a。
接著，如第22A圖及第23A圖所示，可以利用機械鑽孔或微蝕等方式，去除掉部分的絕緣層622、632及絕緣核心601，然後噴塗上絕緣保護層730，如此完成單獨未封裝的電磁元件6a。或者，如第22B圖及第23B圖所示，先網印絕緣保護層730，再以機械鑽孔或微蝕等方式，去除掉部分的絕緣保護層730、絕緣層622、632及絕緣核心601，完成單獨未封裝的電磁元件6b。後續可繼續再以樹脂及磁性粉末加壓成型封裝。
第24圖及第25圖例示本發明實施例電磁元件封裝件的不同態樣。
如第24圖所示，電磁元件1a包含如第1圖中所示的單繞的線圈單元10，並以成型體12模封成，例如，長方體、正方體或其它立體結構。另有兩個電極13，分別電耦合至線圈單元10的相應的兩端點。上述兩個電極13係被完整包覆在成型體12內。上述成型體12可以由包含樹脂及磁性粉末的磁性材料，經過加壓成型而形成在線圈單元10周圍。磁性粉末可以包含鐵粉(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。此外，在成型體12內嵌有兩個導電件或導電柱120，電連接至電極13，使線圈單元10可以與電路板或外界模組(圖未示)連結。
如第25圖所示，電磁元件1b包含如第1圖中所示的單繞的線圈單元10，被成型體12a及成型體12b部分包覆。另有兩個電極13，分別電耦合至線圈單元10的相應的兩端點。上述兩個電極13係被部分顯露在成型體12之外，使線圈單元10可以與電路板或外界模組(圖未示)連結。
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
10‧‧‧線圈單元
12‧‧‧成型體
13‧‧‧電極
201~205‧‧‧介層插塞

Claims (9)

  1. 一種電磁元件，包含有：一導電結構，所述導電結構包括一被至少一絕緣層所分開之複數個線圈圖案層以形成一線圈，其中，一穿孔由該導電結構之上表面經由該線圈之中空部位延伸至該導電結構之下表面；以及一磁性成型體，包覆該導電結構及該線圈，並延伸至該穿孔中，其中，所述延伸至該穿孔中之該磁性成型體與形成於該複數個線圈圖案層上之該線圈之內側相接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中該導電結構更包含一基板，其中，該複數線圈圖案層設置於該基板上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中一盲孔設置於一位於一第一線圈圖案層上之一第一走線之上方之一絕緣層中，其中一位於一第二線圈圖案層上之一第二走線設置於該盲孔上方並延伸至該盲孔中以形成一介層插塞，以電性連接該第二走線至位於該第一線圈圖案層上之該第一走線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中，所述延伸至該穿孔中之該磁性成型體與該線圈位於該複數個線圈圖案層之每一線圈圖案層之內側相接觸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中，該導電結構之上表面具有一第一線圈圖案層，該導電結構之下表面具有一第二線圈圖案層， 所述磁性成型體與該第一線圈圖案層及該第二線圈圖案層相接觸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電磁元件，其中，相鄰之任二線圈圖案層經由至少一盲孔電性連接。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電磁元件，其中，位於一第一線圈圖案層上之該線圈具有兩個端點，其中，該兩個端點間有一狹縫缺口，所述兩個端點分別經由一盲孔電性連接至相鄰於該第一線圈圖案層上方與下方之兩個線圈圖案層。
  8. 一種電磁元件，包含有：一基板；一導電結構，設置於該基板上，所述導電結構包括一被至少一絕緣層所分開之複數個線圈圖案層以形成一線圈，其中，一穿孔由該導電結構之上表面經由該線圈之中空部位延伸至該導電結構之下表面；以及一磁性成型體，包覆該導電結構及該線圈，並延伸至該穿孔中，其中，所述延伸至該穿孔中之該磁性成型體與形成於該複數個線圈圖案層上之該線圈之內側相接觸。
  9. 一種電磁元件，包含有：一導電結構，所述導電結構包括一被至少一絕緣層所分開之複數個線圈圖案層以形成一線圈，其中，一絕緣層位於一第一線圈圖案層上方，一第二線圈圖案層位於該絕緣層上方，其中，一盲孔設置於一位於該第一線 圈圖案層上之一第一走線之上方之該絕緣層中，其中一位於一第二線圈圖案層上之一第二走線設置於該盲孔之上方並延伸至該盲孔中以形成一介層插塞，以電性連接該第二走線至位於該第一線圈圖案層上之該第一走線，其中，一穿孔由該導電結構之上表面經由該線圈之中空部位延伸至該導電結構之下表面；以及一磁性成型體，包覆該導電結構及該線圈，並延伸至該穿孔中，其中，所述延伸至該穿孔中之該磁性成型體與形成於該複數個線圈圖案層上之該線圈之內側相接觸。
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