磁性部件及其制造方法
【專利說明】磁性部件及其制造方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01080028151.8 (PCT/US2010/032540)，申請(qǐng)日為 2010 年 04 月27日，發(fā)明名稱為“磁性部件及其制造方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明領(lǐng)域總地涉及磁性部件及其制造，并且更確切地涉及諸如電感器和變壓器之類的磁性表面安裝電子部件。
[0003]隨著電子封裝的進(jìn)步，制造更小但具更大功率的電子裝置已變得可行。為了減小這些電子裝置的總體尺寸，用于制造這些電子裝置的電子部件已變得日益小型化。制造電子部件來滿足這些需求存在許多困難，因此使得制造工藝更加昂貴，并且不理想地增大電子部件的成本。
[0004]類似于其它部件那樣，用于諸如電感器和變壓器之類的磁性部件的制造工藝已被仔細(xì)審查，以減小高度競爭的電子制造業(yè)的成本。當(dāng)被制造的電子部件是低成本的并且是高容量的部件時(shí)，對(duì)于制造成本的降低是尤為理想的。在這些電子部件、以及使用這些電子部件的電子裝置的高容量大規(guī)模生產(chǎn)工藝中，制造成本的任何降低當(dāng)然是顯著的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本文披露了磁性部件組件以及制造這些磁性部件組件的方法的示范性實(shí)施例，且這些示范性實(shí)施例有利地用于實(shí)現(xiàn)以下益處中的一個(gè)或多個(gè):部件結(jié)構(gòu)更順應(yīng)以小型化水平進(jìn)行生產(chǎn)；部件結(jié)構(gòu)更易于在小型化水平下進(jìn)行組裝；部件結(jié)構(gòu)允許免除已知的磁性部件構(gòu)造常用的制造步驟；通過更有效的制造技術(shù)，部件結(jié)構(gòu)具有提高的可靠性；與現(xiàn)有的磁性部件相比，在封裝尺寸類似或減小情況下，部件結(jié)構(gòu)具有改進(jìn)的性能；與傳統(tǒng)的小型化磁性部件相比，部件結(jié)構(gòu)具有增大的功率容量；以及與已知的磁性部件構(gòu)造相比，部件結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的芯部和線圈構(gòu)造，以提供顯著的性能優(yōu)點(diǎn)。
[0006]示例的部件組件應(yīng)被認(rèn)為尤其有利于構(gòu)造例如電感器和變壓器。能以較小的封裝尺寸來可靠地提供這些組件，且這些組件可包括表面安裝特征，以易于安裝于電路板。
【附圖說明】
[0007]參照以下附圖來描述非限制和非窮舉的實(shí)施例，其中除非另有說明，類似的附圖標(biāo)記指代所有各個(gè)附圖中的類似部件。
[0008]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一示例實(shí)施例的小型化功率電感器的頂側(cè)的立體圖和分解視圖。
[0009]圖2示出根據(jù)一示例實(shí)施例的、在中間制造步驟中圖1所示小型化功率電感器的頂側(cè)的立體圖。
[0010]圖3示出根據(jù)一示例實(shí)施例的圖1所示小型化功率電感器的底側(cè)的立體圖。
[0011]圖4示出根據(jù)一示例實(shí)施例的圖1、圖2和圖3所示小型化功率電感器的示例繞組構(gòu)造的立體圖。
[0012]圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的線圈構(gòu)造。
[0013]圖6示出包括圖5所示線圈構(gòu)造的磁性部件的剖視圖。
[0014]圖7是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的示意俯視圖。
[0015]圖8是包括耦合線圈的另一磁性部件組件的示意俯視圖。
[0016]圖9是圖8所示部件組件的剖視圖。
[0017]圖10是包括耦合線圈的另一磁性部件組件的示意俯視圖。
[0018]圖11是圖10所示部件的剖視圖。
[0019]圖12是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的另一實(shí)施例的示意俯視圖。
[0020]圖13是圖12所示部件的剖視圖。
[0021]圖14是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的另一實(shí)施例的立體圖。
[0022]圖15是圖14所示部件的俯視圖。
[0023]圖16是圖14所示部件的頂側(cè)立體圖。
[0024]圖17是圖14所示部件的底側(cè)立體圖。
[0025]圖18是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的另一實(shí)施例的立體圖。
[0026]圖19是圖18所示部件的頂側(cè)示意圖。
[0027]圖20是圖18所示部件的底側(cè)立體圖。
[0028]圖21是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的另一實(shí)施例的立體圖。
[0029]圖22是圖21所示部件的頂側(cè)示意圖。
[0030]圖23是圖21所示部件的底側(cè)立體圖。
[0031]圖24是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的另一實(shí)施例的立體圖。
[0032]圖25是圖24所示部件的頂側(cè)示意圖。
[0033]圖26是圖24所示部件的底側(cè)立體圖。
[0034]圖27示出包括根據(jù)本發(fā)明一示例實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件與具有物理隔開的離散芯部件的部件相比的模擬和測試結(jié)果。
[0035]圖28是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的又一分析。
[0036]圖29示出包括根據(jù)本發(fā)明一示例實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件與具有物理隔開的離散芯部件的部件相比的模擬數(shù)據(jù)。
[0037]圖30是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的又一分析。
[0038]圖31是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的又一分析。
[0039]圖32是包括根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施例的耦合線圈的磁性部件的模擬和測試結(jié)果O
[0040]圖33示出從圖27-31的信息中所得到的耦合結(jié)論。
[0041]圖34示出磁性部件組件和電路板設(shè)計(jì)布局的實(shí)施例。
[0042]圖35示出具有耦合線圈的另一種磁性部件組件。
[0043]圖36是圖35所示組件的剖視圖。
[0044]圖37示出具有耦合線圈的本發(fā)明一實(shí)施例與不具有耦合線圈的離散磁性部件的波紋電流的比較。
[0045]圖38是磁性部件的另一實(shí)施例的立體圖。
[0046]圖39是圖38所示部件的俯視圖。
[0047]圖40是圖38所示部件的仰視圖。
[0048]圖41是另一磁性部件的立體圖。
[0049]圖42是圖41所示部件的側(cè)視圖。
[0050]圖43是移除了線圈的圖41中所示部件的替代實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0051]圖44是圖43所示部件的替代實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0052]圖45是圖44所示部件的替代實(shí)施例的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]本文描述了獨(dú)創(chuàng)的電子部件設(shè)計(jì)的示例實(shí)施例，這些電子部件克服了本領(lǐng)域的各種難題。為了最完整地理解本發(fā)明，以下披露具有不同部段或部分，其中部分I討論具體問題和難題，而部分II描述用于克服這些問題的示例部件構(gòu)造和組件。
[0054]1.對(duì)于本發(fā)明的引言
[0055]諸如電感器之類的用于電路板應(yīng)用的傳統(tǒng)磁性部件通常包括磁性芯部和位于磁性芯部內(nèi)的導(dǎo)電繞組(有時(shí)被稱為線圈)。芯部可由離散的芯部件制成，這些芯部件由磁性材料制成，同時(shí)將繞組放置在芯部件之間。各種形狀和類型的芯部件以及組件對(duì)于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的，包括但并不必要局限于U芯部和I芯部組件、ER芯部和I芯部組件、ER芯部和ER芯部組件、壺形芯部和T芯部組件以及其它匹配的形狀。這些離散芯部件可利用粘合劑粘結(jié)在一起，并且通常在物理上彼此隔開或間隔開。
[0056]例如，在一些已知的部件中，線圈由導(dǎo)電金屬絲制成，該導(dǎo)電金屬絲卷繞于芯部或端子線夾。也就是說，在芯部件已完全形成之后，金屬絲可圍繞于芯部件，該芯部件有時(shí)稱為滾筒芯部或線軸芯部。線圈的每個(gè)自由端可稱作引線，并且可用于經(jīng)由直接附連于電路板或者經(jīng)由通過端子線夾的間接連接、而將電感器聯(lián)接于電路。尤其是對(duì)于較小的芯部件來說，以成本有效并且可靠的方式來卷繞線圈是富有挑戰(zhàn)性的。手繞部件在它們的性能方面趨于不穩(wěn)定。芯部件的形狀致使它們相當(dāng)脆弱，并且在卷繞線圈時(shí)、芯部易于破裂，且芯部件之間的間隙變化會(huì)使部件性能產(chǎn)生不理想的變化。又一難題在于:DC阻抗(“DCR”)會(huì)由于在卷繞工藝過程中、不均勻地卷繞和張力而不理想地變化。
[0057]在其它的已知部件中，已知表面安裝磁性部件的線圈通常與芯部件分開制成，并且之后與芯部件組裝起來。也就是說，這些線圈有時(shí)被認(rèn)為是被預(yù)成形或預(yù)卷繞的，以避免手繞線圈所產(chǎn)生的問題，并且簡化磁性部件的組裝。這些預(yù)成形線圈對(duì)于較小的部件尺寸來說尤其有利。
[0058]為了當(dāng)將磁性部件表面安裝于電路板上時(shí)、進(jìn)行與線圈的電連接，通常提供導(dǎo)電端子或線夾。線夾組裝在成形芯部件上，并且電連接于線圈的相應(yīng)端部。端子線夾通常包括大體平坦且平面的區(qū)域，這些區(qū)域可使用例如已知的軟釬焊(soldering)技術(shù)電連接于電路板上的導(dǎo)電跡線和焊盤。當(dāng)如此連接時(shí)并且當(dāng)電路板通電時(shí)，電流可從電路板流至其中一個(gè)端子線夾、通過線圈流至另一個(gè)端子線夾并返回至電路板。在電感器的情形中，流過線圈的電流會(huì)在磁性芯部中感應(yīng)產(chǎn)生磁場和磁能?？商峁┮粋€(gè)以上的線圈。
[0059]在變壓器的情形中，設(shè)置有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，其中流過初級(jí)線圈的電流在次級(jí)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電流。變壓器部件的制造具有與電感器部件類似的問題。
[0060]對(duì)于日益小型化的部件來說，提供在物理上間隔開的芯部是具有挑戰(zhàn)性的。難于以成本有效的方式來可靠地實(shí)現(xiàn)建立并維持恒定間隙尺寸。
[0061]關(guān)于在小型化的表面安裝磁性部件中、在線圈和端子線夾之間進(jìn)行電連接方面也存在多個(gè)實(shí)際問題。線圈和端子線夾之間的相當(dāng)易損連接通常在芯部外部進(jìn)行，且因此在分開時(shí)易損壞。在一些情形中，已知將線圈的端部圍繞于線夾的一部分纏繞，以確保線圈和線夾之間的可靠機(jī)械和電連接。然而，從制造角度，這已被證明是繁瑣的，且更容易且更快速的端接方案會(huì)是理想的。此外，線圈端部的纏繞對(duì)于某些類型的線圈并不適用，例如具有帶有平坦表面的矩形橫截面的線圈，此種線圈并不具有如薄且圓的導(dǎo)線構(gòu)造那樣的撓性。
[0062]隨著電子裝置持續(xù)變得日益大功率化的近期趨勢，還需要諸如電感器之類的磁性部件來傳導(dǎo)增大的電流量。于是，通常增大用于制造線圈的線規(guī)。由于用于制造線圈的導(dǎo)線的尺寸增大，當(dāng)圓形導(dǎo)線用于制造線圈時(shí)，端部通常壓扁至合適的厚度和寬度，以令人滿意地適用例如軟釬焊、熔焊或?qū)щ娬澈蟿┲惻c端子線夾進(jìn)行機(jī)械和電連接。然而，線規(guī)越大，則越難于將線圈的端部壓扁，以適當(dāng)?shù)貙⑦@些端部連接于端子線夾。這些難題已在線圈和端子線夾之間引致不穩(wěn)定的連接，而這會(huì)在使用中使磁性部件產(chǎn)生不理想的性能問題和變化。減小此種變化已被證明非常困難且成本。
[0063]對(duì)于某些應(yīng)用來說，由平坦的而非圓形導(dǎo)電體制造線圈可緩解這些問題，但平坦的導(dǎo)電體首先趨于更剛性并且更難于成形為線圈，因此引起其它的制造問題。與圓形導(dǎo)電體相反，使用平坦的導(dǎo)電體還會(huì)有時(shí)不理想地在使用中改變部件的性能。此外，在一些已知構(gòu)造中，尤其是那些包括由平坦導(dǎo)電體制成的線圈的構(gòu)造中，諸如鉤或其它結(jié)構(gòu)特征之類的端接特征可形成到線圈的端部中，以便于與端子線夾的連接。然而，將這些特征形成到線圈的端部中會(huì)在制造工藝中引起進(jìn)一步的費(fèi)用。
[0064]對(duì)于減少電子裝置的尺寸、但又要增大它們的功率和容量的新趨勢仍存在更多的挑戰(zhàn)。隨著電子裝置的尺寸減小，用于這些電子裝置中的電子部件的尺寸須相應(yīng)地減小，因此已試圖經(jīng)濟(jì)地制造功率電感器和變壓器，而這些功率電感器和變壓器具有相對(duì)較小、有時(shí)是微型化的結(jié)構(gòu)，但又承載增大電流量來為電子裝置供電。