嵌入式线圈组件及其制造方法与流程

背景技术：

包括环形电感器和环形变压器的环形线圈组件均为无源电子元件。环形线圈组件通常包括高磁导率材料(例如铁粉或铁氧体)的圆形环状(环形)磁芯。在至少一个典型的环形电感器中，导线通过其整个周长围绕环形磁芯盘绕。一般来讲，对于环形变压器，第一导线(初级绕组)围绕磁芯的圆周的第一半缠绕，以及第二导线(次级绕组)围绕该磁芯的圆周的第二半缠绕。在变压器和电感线圈组件中，线匝彼此电绝缘。

环形线圈组件已被用于电子应用中。小型环形线圈组件有时被嵌入印刷电路板和模制(molded)块部件中。

技术实现要素：

在所述实施例中，嵌入式线圈组件包括具有上表面的环形金属层、布置在环形金属层的上表面上的内环中的第一多个金属柱、布置在环形金属层的上表面上的中间环中的第二多个金属柱以及布置在环形金属层的上表面上的外环中的第三多个金属柱。铁氧体环位于第一多个金属柱和第二多个金属柱之间的环形金属层的上表面上。多个导电结构各自连接第一多个金属柱和第二多个金属柱中的对应的金属柱。封装层覆盖铁氧体环、第一和第二多个金属柱、第三多个金属柱的至少一部分以及导电结构的至少一部分。

制造嵌入式线圈组件的方法包括提供具有顶表面和底表面的金属层，并且图案化和蚀刻金属层，以便提供被划分成多个分开的圆周部分的环形金属层。

另一嵌入式线圈组件包括具有环形轴的铁氧体环。铁氧体环位于导电金属表面上。多个分开的间隔开的导电结构在铁氧体环上方延伸并附接至位于该铁氧体环的环形轴的径向外侧的导电表面的第一区域中以及位于该铁氧体环的环形轴的径向内侧的导电表面的第二区域中的导电金属表面。封装层覆盖铁氧体环和导电结构的至少一部分。

制造嵌入式线圈组件的另一方法包括在导电金属表面上放置具有环形轴的铁氧体环。该方法包括形成多个分开的间隔开的导电结构，其在铁氧体环上方延伸并附接至位于该铁氧体环的环形轴的径向外侧的导电表面的第一区域中以及位于该铁氧体环的环形轴的径向内侧的导电表面的第二区域中的导电金属表面。该方法也包括封装铁氧体环和导电结构的至少一部分。

附图说明

图1为常规嵌入式线圈组件的等距横截面图。

图2至图11a为制造嵌入式线圈组件的示例方法中的各个阶段的横截面侧视图；

图11b为图11a的俯视平面图。

图12至图21为制造嵌入式线圈组件的另一示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。

图22至图30为制造嵌入式线圈组件的又一示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。

图31至图38a为制造嵌入式线圈组件的又一示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。

图38b为图38a的结构的替代方案的侧视图。

图39至图48为制造嵌入式线圈组件的另外示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。

图49至图56为制造嵌入式线圈组件的又一示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。

图57为制造嵌入式线圈组件的方法的示例实施例的框图。

图58为制造嵌入式线圈组件的方法的另一示例实施例的框图。

图59为制造嵌入式线圈组件的方法的另外示例实施例的框图。

图60为制造嵌入式线圈组件的方法的又一示例实施例的框图。

具体实施方式

本申请涉及申请号为us14/576,934(与本申请同时提交的相应的pct申请的ti-75696wo)，其通过引用并入本文。

小型环形线圈组件往往被嵌入在印刷电路板和分开的模制部件中。图1为常规嵌入式线圈组件10的等距横截面图。线圈组件10在诸如fr-4的具有顶表面14和底表面16的有机基板12中形成。线圈组件10具有环形(“环状”/“环形”)铁氧体磁芯20。磁芯20具有环状顶表面22、环状底表面24、内圆柱形表面26和外圆柱形表面28。环氧树脂填充的中心柱30具有与铁氧体磁芯20的内圆柱形表面26接合(engage)的圆柱形外表面32。线圈绕组组件40部分地在有机基板12的顶表面14上形成，并且包括具有多个间隔开的径向延伸的段44的大致扇形的图案化金属层42，每个段具有径向内端46和径向外端48。提供线圈绕组组件40的另一部分的镜像线圈绕组组件(未示出)在有机基板12的底表面16上形成。线圈绕组组件40也包括多个电镀通孔50。除了引线附接区域之外，顶部金属层42的每个径向延伸段44在其径向内端46处通过第一电镀通孔52连接，以及在其径向外端48处通过第二电镀通孔54连接到在基板的底表面16上形成图案化金属层的对应部分。当此组件用于提供小型变压器或电感器时，生产涉及钻孔和电镀大量微小通孔。此过程是机器时间密集和昂贵的。

提供嵌入式线圈组件(未示出)的另一常规方法是围绕环形铁氧体磁芯用手缠绕金属绕组，然后将用手缠绕的组件嵌入有机基板中。小型环形磁芯的这种用手缠绕也非常耗时、劳动密集和昂贵。

本说明书公开了若干嵌入式线圈组件和制造此类嵌入式线圈组件的方法。与上述常规方法相比，这些嵌入式线圈组件制造方法中的一些或全部的优点在于可生产此类组件的速度和效率。这些优点至少部分地通过在包括有机印刷电路板和被封入有机材料(诸如模塑化合物(moldcompound))中的独立式电感器部件的新的制造环境中，使用来自半导体制造技术的技术来实现。

图2至图11a为制造嵌入式线圈组件的示例方法中的各个阶段的横截面侧视图。在图2中，环形金属背板或模具110具有圆形基部112。金属背板110具有向上突出的具有顶表面115的中心柱部分114。环形外部部分116具有环状顶表面117。环形空隙118位于中心柱部分114和环形外部部分116之间。环形空隙118具有打开的上端120和封闭的下端122。光可限定的(photo-definable)膜层130被支撑在中心柱部分114的环形顶表面115以及环形外部部分116的环状顶表面117上。铜箔层132被附接至光可限定的膜层130的顶表面以形成常规的铜包层光可限定的膜层。

如图3所示，对铜箔层132进行图案化和蚀刻，以提供外环部分133、位于空隙118上方的环形空隙134、环形内部部分135和中心圆孔136。

如图4所示，位于空隙134下方和空隙118上方的光可限定的膜层130的部分暴露于光并被蚀刻掉，使得图4的空隙118和空隙134从其底表面122到金属层13的顶表面138是合并和连续的。图4示出了该合并的空隙118。

如图5所示，接下来，将铁氧体环150放置在与表面122接合的环形空隙118内。在放置铁氧体环150之后，具有外端156和内端158的多个周向间隔开的接合线154分别附接至金属层232的环形外部部分133和环形内部部分135。接合线156以预定的圆周距离间隔开，并在铁氧体环150上方形成“线笼(wirecage)”。接下来，具有其中带有小中心孔174的圆形横向设置部分172和限定盘形空间178的环形垂直突出壁176的第二金属背板或模具170抵靠着金属层132的外环部分放置。然后如图6所示将该组件反转。作为反转的结果，铁氧体环150通过重力向下移位，直到与接合线154接触，该接合线防止其进一步向下移动。选择每个接合线154的长度，使得铁氧体环150在其面朝上的表面151位于或刚好低于金属层132的面朝上的表面131的高度的位置停止。

接下来，如图7所示，模塑化合物180被注入到空间178中，其覆盖铁氧体环150、接合线154、内环部分135和部分的外环部分133。

接下来，如图8所示，去除金属背板/模具110，并且所注入的模塑化合物180的环形垂直突出部分在支撑板130上方延伸。

如图9所示，然后去除可光限定的膜层，并且将突起182刨平和磨砂，使得模塑化合物180的顶表面181与铁氧体环150的顶表面151以及外金属环部分133的顶表面131和内金属环部分135的顶表面185齐平。

如图10所示，然后将金属层186电镀在组件的平坦顶表面上。

最后，如图11a所示，铜箔层132的顶部金属层186以及外环部分133和内环部分135被图案化，以围绕铁氧体环150与接合线一起提供多个完成的绕组。如图11b所示，铜箔层132的上面的铜层186和下面的外环部分133和下面的内环部分135被图案化并蚀刻成多个饼形段190，该多个饼形段被饼形空隙192分隔开。因此，提供了嵌入式线圈组件100(图11a、11b)。

嵌入式线圈组件100(图11a、11b)包括具有中心开口152的横向设置的铁氧体环150。上部横向设置的环形金属层186具有与铁氧体环150中的中心开口152对准的中心开口188，并与铁氧体环150的顶表面151接合。下部横向设置的环形金属层132具有与上部金属层188中的中心开口对准的中心开口136，并且在其中具有将环形外部部分133与环形内部部分135分开的环形空隙134。铁氧体环150被放置在环形空隙134中。

图11b为嵌入式线圈组件100的俯视平面图，该图示出了上部金属层186，并且以小的虚线示出了下部金属层132和铁氧体环150的各个部分，并且以较大虚线示出接合线154。作为最终图案化和蚀刻工艺的结果，上部环形金属层186和在其下面的下部环形金属层132被分成由周向空间(circumferentialspace)192分开的多个周向饼形段190。下部金属层132的每个周向段190具有由空隙134径向分开的外部径向延伸部分133和内部径向延伸部分135。下部金属层132的外部部分133和内部部分135接合与其附接的上部金属层186的相同形状的部分。铁氧体环150位于下部金属层132的环形空隙134中。接合线154在其相对端连接至下部金属层132的间隔开的外部部分133和内部部分135，并且在铁氧体环150的下方延伸。模塑化合物层180(图11a)与铁氧体环150、上部金属层186和下部金属层132以及接合线154接合。

与上述嵌入式线圈组件100相同的嵌入式线圈组件200可通过如参考图12-图21所述的替代方法制成。

图12为可变模具210的横截面侧视图。可变模具210具有与上述用于模具110的结构大致相同的结构。除了200系列数字以外，可变模具210中的对应结构由与模具110相同的附图标记指示。可变模具210与模具110不同之处在于，其具有可移位的密封板220，在该密封板中具有中心开口224。在图12-图15中执行的操作基本上与上面参考图2-图5所述的操作相同。

如图12所示，环形金属背板或模具210具有圆形基部212。金属背板210包括具有圆形顶表面215的向上突出的中心柱部分214和具有环状顶表面217的向上突出的环形外部部分216。环形空隙218位于中心柱部分214和环形外部部分216之间。环形空隙218具有打开的上端220。可光限定的膜层230被支撑在中心柱部分214的环形顶表面215以及环形外部部分216的环状顶表面217上。铜箔层232的面表面(facesurface)被附接在可光限定的膜层230的面表面上。

如图13所示，对铜箔层232进行图案化和蚀刻，以提供外环部分233、位于空隙218上方的环形空隙234、环形内部部分235和中心圆孔236。

如图14所示，位于空隙234下方和空隙218上方的光可限定的膜层230的部分暴露于光并然后被蚀刻掉，使得图13的空隙218变成细长的空隙218。如图14所示，空隙218从可移位的板220的顶表面222延伸到金属层232的顶表面238的高度。

如图15所示，铁氧体环250被放置在环形空隙219内并在表面222上停止。在放置铁氧体环250之后，具有外端256和内端258的多个周向间隔开的接合线254分别附接至金属层232的环形外部部分233和环形内部部分235。接下来，具有其中带有孔274的圆形横向设置部分272和限定空的空间278的环形垂直突出壁276的第二金属背板/模具270抵靠着金属层232的外环部分233放置。然后如图16所示将该组件反转。

如图16所示，作为反转的结果，铁氧体环250通过重力向下移位，直到与接合线254接触，该接合线防止铁氧体环250进一步向下移动。选择每个接合线254的长度，使得铁氧体环250在其面朝上的表面251被定位成与金属层232的面朝上的表面231具有相同高度的位置停止。

接下来，如图17所示，可移位的金属板220向下移动直到其向下定位的表面221与光可限定的膜层230的面朝上的表面和铁氧体环250的面朝上的表面251平齐。然后，如图18所示，由可移位的板220和下部模具270限定的空腔275被注入模塑化合物280。

如图19所示，在模塑化合物280固化之后，将模具210移除/打开；并且已经基本上平坦的剩余模塑化合物281的顶表面根据需要被进一步刨平和磨砂，因此它与金属层232的上表面231、285和251以及铁氧体环250齐平。

如图20所示，然后移除底部模具270，并且将上部金属层280电镀到组件的平坦顶表面上，从而接合表面231和251。此时，图20中所示的组件与图10所示的组件相同。接下来，对图20的组件执行参考图11a和图11b所述的操作，从而产生与图11a和11b基本相同的图21中所示的产品200。

在图22-图30中示出了制造另一嵌入式线圈组件300的方法中的各个生产阶段。

图22为印刷电路板(“pcb”)预浸料组件310的侧视图。预浸料组件310包括下部金属层312和上部金属层314，两者均可为铜箔层。夹在金属层312、314之间的为在基体中的复合纤维材料的预浸料层316，诸如环氧树脂中的玻璃织物，这里也称为“复合层”316。

如图23所示，围绕预浸料310的周边钻有多个通孔322、324。然后对通孔322、324进行电镀以提供如图24所示的电镀通孔326、328。

接下来，如图25所示，在金属层312、314和316上对电路进行图案化和蚀刻。该过程形成外金属环332，其包括电镀通孔326和328。金属环332在金属环332的中间高度处支撑复合层桥336。内金属环334被支撑在复合桥336的顶表面处。环形金属桥335是连续的并连接两个金属环332和334。在所示实施例中，金属桥具有金属环332和334中的每者的高度的一半的高度。在其他实施例中，环形金属桥335可具有与金属环332和334相同的高度，或者它可具有另一高度。

如图26所示，在外环332上形成有第一多个周向间隔开的金属柱338，以及在内环334上形成有第二多个周向间隔开的柱340。在一个实施例中，这些柱338和340是常规制造的，并且然后通常以预定的间隔附接至环332、334。在另一实施例中，用3d打印机将柱打印到环332和334上，并然后暴露于高温以将该柱烧结/熔合到环332和334。在一些实施例中，金属柱338、340为银或铜。

如图27所示，铁氧体环346被放置在环形金属桥335上，环形金属桥335被支撑在外柱338和柱340的内环之间的环形空间中的复合桥336上。

接下来，如图28所示，接合线348被连接在第一多个柱338和第二多个柱340中的径向排列的柱之间，使得接合线348在铁氧体环346上方延伸。

如图29所示，然后如通过使用转移模具，使得模塑化合物352的块覆盖整个组件，仅使外金属环332的底表面暴露，来模制图28的组件。

接下来，如图30所示，i/o引线块362、364在直径相对的电镀通孔326、328下方形成。在一个实施例中，引线块362、364以两步法形成。首先，施加焊膏，并且然后加热焊膏以回流焊料并将其熔合到金属环332和电镀通孔328或332上。在线圈组件300为具有单组绕组的电感器线圈组件的情况下，通常仅存在两个电镀通孔328和332。对于具有两组绕组的典型变压器线圈组件，其中，在磁芯的每个周向半部上有一组绕组，通常存在四个此类i/o引线块。i/o引线362、364等的形成可完成嵌入式线圈组件300。

参考图31-图38描述制造嵌入式线圈组件400的另一实施例的方法。如图31所示，基板410具有在其上面形成的金属箔层412，诸如铜包层。接下来，如图32所示，在金属层412中形成电路图案，(在本实施例中)该金属层包括在其中具有中心孔419的环形主体部分416和单独的岛部分418。在其他实施例中，没有形成这种孔419，并且金属箔层在图案化和蚀刻之后是对称的，而不形成单独的岛418。

主体部分416进一步被图案化成多个分开的径向延伸部分，其可为与图11b中所示的那些相似的饼形部分。岛部分416可为由单个饼形部分中的单个小孔419形成的周向短部分。岛部分416可用作与线圈组件400不同并隔离的电路(未示出)的一个端子(图37)。在其他实施例中，从线圈组件400省略该孔419。

接下来，如图33所示，柱422的内环、柱424的中间环和柱426的外环被烧结或放置在图案化的环形金属层412上，每个饼形部分的每个径向端上和径向中间中有一个柱(除了与岛418对准的径向缩短的饼形部分之外，环形金属层在其上仅具有两个柱，而岛418本身在其上具有一个柱)。如图33所示，铁氧体环432然后被放置在柱422的内环和柱424的中间环之间的位置处的金属层412上。

如图35所示，然后，接合线434的相对端部被附接在柱422的内环中的柱和柱424的中间环中的柱之间，使得接合线434在铁氧体环432上方延伸。

接下来，如图36所示，在金属层412、柱422、424、426、铁氧体环432和接合线434上模制模塑化合物层440。模塑化合物层440也填充孔417和419。图31-图36各自示出了包含多个相同组件的未分开的(unsingulated)组件的一部分。

如图37所示，在图36中示出的多个组件中的每个然后通过锯切切口(cut)被分开，该锯切切口穿过柱426的外环以及金属层412的部分和紧接定位在该金属层下面的支撑层410。这些金属部分在模塑化合物440块的侧面表面暴露，并且可用作图38a的完成的线圈组件400的一个或更多个绕组的端子。

如图38a所示，通过移除图37所示的基层410来提供完成的嵌入式线圈组件400。

在图38b中示出了嵌入式线圈组件400的替代实施例。替代实施例与图38a相同，除了孔419被省略之外。

图39-图48示出了类似于线圈组件400的另一嵌入式线圈组件500的形成阶段。如图39所示，金属箔层512被支撑在基层510上。箔层512具有以与参考图32所示和所述相同的方式在其上图案化和蚀刻的电路，以提供其中具有孔517的环形主体部分516和由孔519形成的外部岛部分518。

接下来，如图41所示，在金属箔层512上放置非粘性预成型模具520。然后，如图42所示，将金属粉末被印刷到预成型模具520的空隙中，以提供布置在内环中的多个金属柱532、布置在中间环中的多个金属柱534和布置在外环536中的多个金属柱536。然后将金属粉末烧结或固化以形成固体柱。

然后如图43所示去除预成型模具520，并且将铁氧体环540放置在内环中的柱532和中间环中的柱534之间的环形空隙中，如图44所示。

如图45所示，接合线546然后被附接在与柱532的内环和柱546的中间环中的柱对准的铁氧体环542上面。

接下来，图45的组件具有施加到其上的模塑化合物层550，该模塑化合物层覆盖金属层512、多个柱532、534、536的内部、中间和外部、铁氧体环540和接合线546。

然后移除基层510以提供如图48所示的完成的嵌入式线圈组件500，其可以与上述的组件400基本相同。

参考图33-图37和图42-图48描述的用于完成生产阶段的替代过程在图49-图56中示出。使用该替代过程制造的最终产品为图56所示的嵌入式线圈组件600。

该过程通过如图49所示的组件开始，其中，支撑基层610支撑已被图案化和蚀刻的图案化金属层612，以提供具有环形主体部分616的电路，该环形主体部分616具有中心开口617和由孔619分开的小的外部岛部分618，即与上述相同的图案，该电路形成嵌入式线圈组件400和500的一部分。如图49所示，在金属层612的表面上形成金属柱622的内环、金属柱624的中间环和金属柱626的外环。铁氧体环632被放置在中心环中的金属柱622与中间环中的金属柱624之间的环形空间中。

接下来，图49所示的组件诸如通过转移模具被模制，以提供覆盖金属层616、所有金属柱622、624、626和铁氧体环632并且填充孔617和619的模塑化合物层640。

接下来，如图51所示，可在模具复合层640的顶表面上形成可为覆铜层压层的金属层650。如图52所示，微通孔652然后如通过使用穿过顶部金属层650和模具层640的一部分延伸到金属柱622的内环以及金属柱624的中间环中的每个的表面的激光器形成。

如图53所示，通孔652然后进行金属电镀以提供从每个柱延伸通过顶部镀层650的连续垂直金属路径654。

接下来，如图54所示，位于中间柱624外侧的顶部镀层650的外环部分655被蚀刻掉、中心开口657被蚀刻掉以及顶层进一步被蚀刻成当从顶部观看时的多个饼形部分，该饼形部分类似于图11b所示的饼形部分。因此，形成多个桥结构666，每个桥结构666包括由层650形成的水平部分和由单独的柱622、624和位于其上方的填充的通孔654形成的两个垂直端部。从顶部观察，每个桥结构666通常为饼形。

接下来，如图55所示，将图54所示的组件和相邻组件分开。之后，移除底层610，在图56中留下完成的嵌入式线圈组件600。在该组件中，金属桥666在内柱环和中间柱环中的每对柱622、624之间延伸。外柱环中的一些柱626由分开的切口通过模塑化合物640的横向侧壁暴露。在另一个实施例(未示出)中，提供了相同的结构，不同之处在于在图49的过程中孔619未被蚀刻，因此完成的组件是对称的(例如，没有孔619)，并且任何暴露的柱626可用于将外部引线(未示出)连接至线圈组件绕组。

铜已被描述为可用于各种金属层和填充的通孔和接合线中的典型金属，但是其他导电材料(诸如，银或金)可以提供本文所述的金属元件。

图57示出了制造嵌入式线圈组件的示例方法。如框701所示，该方法包括在第一模具上支撑金属箔薄片。如框702所示，该方法还包括图案化金属箔薄片以提供由环形空隙分开的外环箔部分和内环箔部分。如框703所示，该方法包括将铁氧体环放置在第一模具中的与金属箔薄片中的环形空隙对准的环形通道中。

图58示出了制造嵌入式线圈组件的另一方法。如框711所示，该方法包括提供具有内部非导电层、顶部金属层和底部金属层的层压板。如框712所示，该方法还包括图案化和蚀刻层压板以提供非导电板，该非导电板具有周边部分、在其内部周边部分支撑非导电板的外部周边部分的外金属环、由该非导电板的上表面支撑的内金属环和连接外金属环和内金属环的环形金属桥接部分。如框713所示，该方法也包括将第一多个金属柱的底端附接至外金属环的顶表面以及将第二多个金属柱的底端附接至内金属环的顶表面。如框714所示，该方法进一步包括将铁氧体环放置在环形桥接部分的顶表面上。如框715所示，该方法另外包括将多个接合线的第一端接合至第一多个金属柱的顶表面并且将另一多个接合线的第二端接合至第二多个金属柱的顶表面。

图59示出了制造嵌入式线圈组件的方法。如框721所示，该方法包括提供具有顶表面和底表面的金属层并且图案化。如框722所示，该方法包括蚀刻金属层，以便提供被划分成多个分开的周向节段的环形金属层。

图60示出了制造嵌入式线圈组件的方法，其包括在导电金属表面上放置铁氧体环(其具有环形轴)，如731所示。如框732所示，该方法还包括形成多个分开的间隔开的导电结构，其在铁氧体环上方延伸并附接至位于铁氧体环的环形轴的径向外侧的导电表面的第一区域中以及位于该铁氧体环的环形轴的径向内侧的导电表面的第二区域中的导电金属表面。该方法进一步包括如框733所示，封装铁氧体环和至少一部分导电结构。

在权利要求的范围内，所述实施例中的修改是可能的，并且其他实施例也是可能的。