具有集成电感器的印刷电路板的制作方法

专利名称：具有集成电感器的印刷电路板的制作方法
技术领域：
本发明涉及印刷电路板和电感器。特别是，本发明涉及具有电感器的印刷电路板、电感器和制造电感器的方法。
在大量的现代电气器件中，例如移动通信器件，需要不同于例如从电池提供的直流电压的电压。为了有效地转换电压需要电感器。现代使用薄的表面安装(SMT)电感器。它们被各个制造商提供。这样的典型SMT电感器包括一个由烧结铁氧体(sintered ferrite)制造的薄磁鼓。磁芯的直径可以是大约4.3mm，磁芯的高度可以是大约1mm。绕组由绕在磁芯的上部和下部之间的细铜丝组成。这样的SMT电感器通常配有带有接头的塑料固定装置，以便把器件安装到印刷电路板上(PCB)。
通常需要提供塑料固定装置；并且，磁芯需要以大宽高比的间隙来专门形成，以便容纳细铜丝绕组。由于这些事实，这样的SMT电感器制造复杂，相当昂贵。除此以外，由于附加的塑料固定装置，1mm范围的SMT电感器的组合高度对于例如移动电话这样的空间敏感的应用来说是太大。
DE 31 35 962 A1披露了一种微线圈布置。在这种布置中，在夹在磁材料之中的绝缘基片上提供扁平导线。
本发明的目的是提供带有具有简单布置的电感器的印刷电路板。
按照如权利要求1中所陈述的本发明的一个示例性实施例，提供这样一种具有电感器的印刷电路板。它包括基片、电感器芯和第一绕组。在基片上提供第一绕组。电感器芯包括第一软磁层和第二软磁层，它们提供在基片的第一和第二侧面上。
由于绕组提供在基片上，可以有利地提供带有具有非常简单、坚固和由此而可靠的布置的电感器的印刷电路板。此外，简单软磁层组成电感器芯，而不是专门形成的磁芯，由于这一事实，就可以用简单的制造工艺以低成本制造按照本发明的这个示例性实施例的印刷电路板。电感器芯不需要预先制造。
有利地，按照本发明的这个示例性实施例，相对于电感值和/或当电感器用于变压器时的变压比而言，提供高挠性。
此外，有利地，由于本发明的这个示例性实施例，无需在基片上形成或提供用于容纳电感器芯的孔或凹槽。有利地，由于不需要孔这一事实，电感器绕组可以利用可以允许为具有小尺寸的电感器提供的空间。
按照如权利要求2中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，基片包括导电层。此外还提供接线。例如，可以为接触绕组而提供接线。绕组和接线提供在基片的同一导电层上。
换句话说，电感器绕组和例如用于接触电感器绕组的接线提供在例如可以是铜或铝层的基片的同一导电层上。
有利地，按照本发明的这个示例性实施例，绕组基本上是免费的，因为绕组是由导电层制成的。无论如何，在印刷电路板的基片上也会提供导电层。
在这个实施例的进一步改进中，提供对磁场的屏蔽。为了屏蔽基片的第一侧面，在第一软磁层的顶部上提供一个导电层是特别合适的。最优选地，该导电层由铝制成。这种金属优于铜，因为用溅射或其他已知沉积技术能够容易地把它沉积在软磁层上。尽管如此，但与μ金属相反，铝层的屏蔽是优良的。
替换地，但优选是另外地，能够在基片的导电层上进行屏蔽，在该层上绕组也是受限定的。发现在电感器绕组周围的短路线圈提供对基片侧面的良好屏蔽。该屏蔽线圈的位置适合在软磁层覆盖的表面区域的外边，并优选直接邻近它。该屏蔽导致磁场的明显限定。如果没有屏蔽线圈，发现磁场从与基片平行和垂直的基片边缘延伸。对于12mm半径的基片，发现该延伸为在这两个方向上距离边缘6mm。在按照本发明的器件中，对于相同尺寸的基片，该延伸被减小到2mm和4mm。
按照另一个示例性实施例，在与绕组同一基片导电层上提供的接线是用于把电感器与在印刷电路板上可以提供的元件互连。
有利地，这可以允许在例如用光刻工艺和相继的蚀刻的同一制造步骤提供绕组和与其他元件的互连线。
按照如权利要求4中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，第一和第二磁层是烧结铁氧体片。
有利地，这可以为印刷电路板提供具有制造便宜的非常简单布置的电感器。因为，与成形磁芯相反，这样的铁氧体片不需要抛光就能获得可再现的磁性能。此外，由铁氧体片制成的电感器可以容易地由散装材料制造，例如，通过从大砖块破解铁氧体片。
按照如权利要求5中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，基片是一种挠曲箔，烧结铁氧体片胶结到挠曲箔上，这便于提供集成到印刷电路板上的平面电感器。
按照如权利要求6中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，基片没有用于电感器芯的孔，这便于简单制造。因为在基片上不需要孔，所以电感器绕组可以利用通常被用于容纳电感器芯的孔所占据的空间。有利地，这允许保证具有很小尺寸的电感器。
然而，在一个替换的实施例中，基片包括一个孔，这个孔至少部分地用软磁材料填充。这个孔是个通孔，同用于安置完整电感器芯的孔比较，可以是显著减小尺寸的。磁互连允许感应性增强。
有利地，通孔用多个层填充通孔侧面的导电层、绝缘层以及软磁材料。在这里，导电层是用来接触平面绕组的内端。绝缘层具有充分绝缘的目的，但也可省去，特别是，如果软磁材料包含这样的绝缘。
最适当地，软磁层优选含有在其中嵌入软磁粉末的聚合物材料基质(matrix)。由此，软磁材料包含电绝缘。合适的软磁粉末材料，其中包括铁氧体、μ金属、非晶金属和纳晶金属。聚合物基质可以作为糊剂(paste)施加，除了磁功能和电绝缘功能外，它还有粘结功能。适当地，在基片的两个侧面上都施加聚合物基质。然后，用这种聚合物基质作为粘结剂能够把第一和第二软磁层附着到基片上。例如用加热或紫外线辐射或者随着暴露于空气中的氧的结果，到后来糊剂会固化。
在所述有利填充布置的进一步改进中，导电层只在通孔侧面的一部分存在。换句话说，从第一侧面延伸到第二侧面的侧面的一部分没有导电材料。这有实质上的优点，即，所述导电层不起短路作用。显著地，短路会成为电感元件损耗的原因之一，特别是在小螺旋绕组情况下。考虑到增加磁通量，这种限定导电层延伸的措施，对于在通孔带有软磁材料的本实施例来说是特别希望的。
同传统的印刷电路板通孔比较，这个减少的导电层延伸可以按第一适当形式作为附加绕组线圈被设计。在第二形式中，通孔可以用于多于一个绕组的连接。这样的多个绕组是与某些电感元件，例如平面变压器一起存在。在第三形式中，多个用软磁材料填充的通孔存在。这对应于分立磁芯的结构，例如U形、E形等结构。
按照如权利要求7中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，提供多层布置，其中在基片的多个层上提供多个绕组。
有利地，这可以供复杂的绕组布置之用，例如，供变压器或者供带有中间连接线的绕组之用。有利地，由于这种情况，可以实现电路拓扑，其中，只使用一个元件，例如一个带有复杂绕组的电感器，而不是两个或更多个简单的电感器。借此，可以减小在印刷电路板上提供的电路的元件数目和电路尺寸。
按照如权利要求8中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，设定软磁层之间的距离，使得能把它认为是电感器工作期间在第一和第二软磁层之间出现的磁通量的磁通路中的气隙。
按照如权利要求9中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，提供这样的电感器，即，其中软磁层提供在基片的侧面上形成电感器芯，并且其中电感器绕组提供在基片上。
有利地，可以提供具有非常简单又牢固布置的电感器。此外，由于不需要基片上的孔的电感器芯，可以提供具有减小厚度的非常小的电感器。
权利要求10供给按照本发明的电感器的一个示例性实施例。
按照如权利要求11中所陈述的本发明的另一个示例性实施例，提供一种制造电感器的方法。其中，软磁层提供在已把绕组嵌入到里面的基片的侧面上。
有利地，由于不需要在基片上提供用于形成电感器芯的孔，按照本发明的这个示例性实施例的方法是简单、坚固和可靠的。
权利要求12到14提供按照本发明的方法的再一些示例性实施例，其中，按照这些示例性实施例之一，烧结铁氧体片用作胶结到基片的顶部和底部的软磁层。这可以为简单又便宜的制造创造条件。
作为本发明的一个示例性实施例的要点可以看出，电感器绕组提供在基片上。由于这种情况，基片上的导电层，例如铜层可以用于绕组。无论如何，铜层用于例如电感器到印刷电路板上的其他元件的连接线。此外，简单的铁氧体片可以用来形成电感器芯，这为电感器或具有电感器的印刷电路板的便宜制造创造条件。借此，可以提供具有很小组合高度的电感器，它集成到基片或印刷电路板上。
本发明的这些和其他方面将从下述的实施例变得明显，并将被参照这些实施例解释。
在下面，将参照下面附图来说明本发明的示例性实施例。


图1表示按照本发明的一个示例性实施例的电感器的截面视图。
图2表示如可以用于图1电感器的绕组布置的一个示例性实施例。
图3表示如可以用于图1电感器的绕组布置的另一个示例性实施例。
图4表示如可以用于图1电感器的绕组布置的再另一个示例性实施例。
图5表示如可以用于图1电感器的绕组布置的再另一个示例性实施例。
图6表示形成多层元件的图4和图5绕组布置与互连线的组合的透视图。
图1表示按照本发明的具有电感器的印刷电路板(PCB)的截面视图。如从图1可以理解的，PCB包括具有第一侧面和第二侧面的基片2。在基片2上提供有绕组6和8。绕组6和8嵌入在基片2上，由此形成基片2的一个集成部分。由布置在基片2的第一侧面和第二侧面上的软磁层4形成电感器的磁芯，从而使得绕组6和8至少部分地被软磁层4所覆盖。
在图1上，电感器具有圆形形状。由此，布置在基片2上的软磁层4也具有圆形形状。软磁层4的厚度可以很薄，例如在25μm到100μm的范围。然而，也有可能使用具有50μm到150μm或者50μm到75μm范围厚度的软磁层4。也可以使用具有100μm到500μm范围厚度的铁氧体片。优选地，磁芯由铁氧体片制成。
按照本发明的一个示例性实施例，第一软磁层4由铁氧体制成。例如，软磁层4可以利用胶结到基片的上侧和下侧的铁氧体片来实现。优选地，铁氧体片由烧结铁氧体制成。
按照本发明的这个示例性实施例的一方面，电感器的尺寸和接头布置是与传统SMT元件对应的，以致可以用它来代替已完成设计的传统SMT元件。然而，应该注意到，电感器的总组合高度14比SMT元件的小得多，例如，可以达到小于1mm的总组合高度。小于200μm的更低组合高度14也是可行的。
如从图1可以理解到的，在基片2上以平齐布置(flusharrangement)提供绕组6和8。按照本发明的一方面，绕组由基片上的例如铜或铝层的相同导电层制成。这些层用来制作可以布置在印刷电路板上的其他元件之间的互连钱或者到外边的连接线。借此，如已在上面提到的，可以提供很小的组合高度14。换句话说，绕组6和8形成到与接线10同一导电层上。接线10的提供是为形成电感器和基片上提供的其他元件或其他电路的电路结构之间的互连线。由于这种情况，绕组是“免费的”，因为它由导电层制造，而导电层无论如何也要为接线10或其他接线被提供在基片上。
例如，基片2可以具有在导电层之间的例如由FR4材料制成的刚性绝缘层。然而，基片2也可以是个挠性基片。挠性基片例子是适用于这种印刷电路板的挠曲箔。在印刷电路板上，绝缘层是挠性的，它由例如聚合物制成，提供在如铜层这样的导电层之间。
此外，按照本发明的这个示例性实施例的一方面，基片本身可以是印刷电路板。
如上所述，软磁层4优选用铁氧体片来实现。有利地，作为电感器芯的这样铁氧体片不需要抛光就能获得可再现的磁性能。此外，它们能很容易地由例如从大块料破解的散装材料制成，这保证简单的制造。此外，必须注意到，电感器绕组和/或磁芯的正方形、矩形形状或其他适当形状都是有可能的。绕组和磁芯未必需要具有相同的形状，例如，圆形绕组(用于低电阻)可以与方形磁芯(容易制造)组合。
此外，如从图1可以理解到的，在基片2上没有提供用于容纳电感器芯的孔。有利地，这可以允许绕组可以利用通常被这些磁芯孔所占据的空间。借此可以提供很小的电感器。
由于使用铁氧体片作为电感器芯，电感器工作期间在磁芯中感应的磁通路不完全封闭。然而，按照本发明的一个示例性实施例的一方面，可以把铁氧体片，即软磁层靠近在一起，使得可以把它们之间的距离认为是磁通路中的气隙。例如，软磁层，即铁氧体片之间的距离可以在50μm到500μm范围。两层挠曲箔的典型厚度可以是大约200μm。
图2和3表示按照本发明的一个示例性实施例的绕组布置的顶视图，它们可以用于图1上所描绘的电感器的绕组6、8(两个铜层6、8)。如从图2和3可以理解到的，这些绕组可以具有螺旋形状。视图2和3的绕组方向的比较表明，按照本发明的这个示例性实施例的一方面，两层的绕组方向是互相相反的，在图2上绕组方向是顺时针方向，而在图3上绕组方向是逆时针方向。
图2和3上所描绘的绕组布置可以用来形成10μH电感器。它是以80μm迹线宽度和80μm迹线距离的标准工艺用两个铜层实现的。可以为在移动电话显示电路中的使用而设计这样的电感器。绕组的直径可以配合在传统10μH SMT电感器的路径之间。磁芯片可以有6.9mm的直径，这是传统SMT电感器的路径的外部距离。所以，如图1所描绘的集成电感器可以直接代替在相同区域上的SMT电感器。因为磁芯片的厚度可以如0.2mm这样低，所以与传统SMT电感器的大于1mm相对照，总厚度，即总组合高度14可以减少到600μm。
如图1所描绘的，图2和3上所描绘的两个螺旋线布置在基片2上，一个在另一个之上，优选采用平齐布置。它们借助接头16和18之间的通路彼此互连。在螺旋线外边的接头16和18可以用于与例如图1上的导线，即铜迹线10的另外互连。
例如，通过湿法化学蚀刻、光刻工艺以及适当的蚀刻工艺，在铜层上实现绕组布置。由于这一事实，可以获得例如用于变压器的复杂绕组布置。此外，如图2和3上所表明的，例如借助通路可以实现中间连接线。由此，堆叠布置会是有可能的。其中只使用一个带有复杂绕组的元件，而不是两个或更多个简单电感器。这可以有利地减少一个电路规模中的元件数目。
此外，不是每个导电层只提供一个绕组，而是也有可能在一个层上实现多于一个的绕组。此外，有可能在两个层上实现多于一个的绕组。假若两个绕组容纳在两个层上，优选交错绕组。通过在同一层上交错饶组，例如在(两层)挠曲箔上可以实现这样的布置。此外，可以实现在两个层上延伸的一个绕组。
图4到6表示如它们可以用于图1上所描绘的电感器这样的交错绕组的示例性实施例。
图4表示如它可以用于如图6上描绘的交错绕组布置的绕组布置的顶视图。图5表示如它可以用于如图6上所描绘的交错绕组布置的底层布置的顶视图。图6表示图4和5的绕组布置连同互连线的透视图。
如从图4和5可以理解到的，绕组布置各有用于绕组与外边联系的接头20和在里边提供的接头22。
如从图6可以理解到的，借助组合，即互连图4和5上所描绘的这两个绕组布置，可以实现带有不同匝数的两个交错绕组。借助于分别互相连接两个绕组的接头22的互连线24，把这些绕组互相连接。优选地，这样的绕组布置可以用于带有交错绕组的变压器。尽管借助适当提供这些不同层上的绕组之间的互连线24可以实现匝数的任何组合，但这要考虑到相对电感值的大的挠性或者是否绕组用于相对变压比的高挠性的变压器。
可以实现不是两层布置而是多层布置。在这样的布置中，为获得一个带有高感应性的绕组，可以把这些层串联地互连。也有可能把某些层并联地互连，以便达到较低的电感器的电阻。当然，并联和串联连接的组合也会是有利的。此外，可以把某些层与第一绕组联系起来，而其他层与第二或另外的绕组联系起来。这样，绕组不需要是交错的，而是互相堆叠的。然而，由交错绕组和堆叠绕组的组合组成的多绕组器件也是有可能的。例如，这对于在次级侧具有多个输出的变压器来说会是很有利的。次级绕组作为交错绕组(即抽头绕组)在第一和第二层上实现，它堆叠在由第3和第4层实现的初级绕组上。
此外，这些层的一个或多个可以用于绕组的彼此互连或者与外部元件的互连。作为例子，考虑一个具有3层的布置。第一层用于第一螺旋形绕组，第二层用于第二螺旋形绕组，以及第三层用来把每个绕组的中心点单独地连接到变压器的外边。
这些电感元件可以有利地用在电力电子电路中，例如像升压转换器(向上转换器)、降压转换器(向下转换器)、降压-升压转换器、反激式转换器、半桥转换器、谐振转换器。它们可以具有单一输出或多个输出。它们可以用于各种应用，优选地例如用于使电池电压适合于手持装置中的电子电路的低功率应用(从几mW到约5W)，如控制电路、显示和显示器背光这样的应用。另外的应用可以是电池充电电路或发光二极管(LED)的驱动器。
权利要求
1.具有电感器的印刷电路板，包括基片，其中该基片具有第一和第二侧面；电感器芯；以及第一绕组；其中，在基片上提供第一绕组；其中，电感器芯包括第一软磁层和第二软磁层；其中，在基片的第一侧面上提供第一软磁层，以及在基片的第二侧面上提供第二软磁层。
2.权利要求1的印刷电路板，其中基片包括导电层；其中提供接线；以及其中在导电层上提供第一绕组和接线。
3.权利要求2的印刷电路板，其中，在导电层上限定短路线圈，该短路线圈围绕绕组并充当磁屏蔽的一部分，该屏蔽还包括在第一软磁层顶部上的导电层。
4.权利要求1的印刷电路板，其中第一和第二软磁层是烧结铁氧体片。
5.权利要求4的印刷电路板，其中基片是挠曲箔；以及其中把烧结铁氧体片胶结到挠曲箔上。
6.权利要求1的印刷电路板，其中基片配备有通孔，在这个通孔中提供到第一绕组内端的电连接，以及在这个通孔中提供第一和第二软磁层之间的磁桥。
7.权利要求6的印刷电路板，其中，磁桥包括填充有磁粉的聚合物材料，该填充的聚合物材料作为第一及第二软磁层和基片之间的粘合剂在基片的第一和第二侧面延伸。
8.权利要求1的印刷电路板，其中基片包括第一层和第二层；其中第一绕组包括第二绕组和第三绕组；其中，在第一层上提供第二绕组以及在第二层上提供第三绕组，使得在基片上提供第二和第三绕组。
9.权利要求1的印刷电路板，其中，选择第一软磁层和第二软磁层之间的距离，使得能把该距离认为是电感器工作期间在第一和第二软磁层之间出现的磁通量的磁通路中的气隙。
10.电感器，包括基片，其中该基片具有第一和第二侧面；电感器芯；以及第一绕组；其中，在基片上提供第一绕组；其中，电感器芯包括第一软磁层和第二软磁层；其中，在基片的第一侧面上提供第一软磁层，以及在基片的第二侧面上提供第二软磁层。
11.一种制造电感器的方法，该方法包括以下步骤提供基片，其中该基片具有第一和第二侧面；在基片上提供绕组；以及在基片的第一侧面上提供第一软磁层，以及在基片的第二侧面上提供第二软磁层；其中第一和第二软磁层组成电感器的电感器芯。
12.权利要求11的方法，还包括步骤提供接线，使得在基片的一个导电层上提供接线和绕组。
13.权利要求11的方法，其中第一和第二软磁层是烧结铁氧体片。
14.权利要求11的方法，其中基片是印刷电路板和挠曲箔其中之一；以及其中把烧结铁氧体片胶结到印刷电路板上。
全文摘要
具有集成电感器的印刷电路板。在现代电子器件中，如电感器这样的元件需要具有小的组合高度。按照本发明，电感器的磁芯可以借助于胶合到基片上的铁氧体片来实现。电感器的绕组提供在基片上。有利地，这可以允许提供具有简单布置和减少组合高度的电感器。
文档编号H01F17/04GK1842879SQ200480024410
公开日2006年10月4日 申请日期2004年8月24日 优先权日2003年8月26日
发明者E·瓦芬-施密德特, B·阿克尔曼, H·P·M·德尔克斯, W·J·R·利尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司