磁性裝置的製作方法
2023-05-18 04:27:51
本發明是申請日為2013年9月11日，申請號為201310412807.1，發明名稱為「多層線圈的製造方法及磁性裝置」的中國專利申請的分案申請。
本發明涉及一種多層線圈的製造方法及磁性裝置，特別是涉及一種以變動電流密度電鍍形成多層線圈的方法及應用此多層線圈的磁性裝置。
背景技術：
扼流器(choke)是磁性裝置的一種，其功用在於穩定電路中的電流並達到濾除噪聲的效果，作用與電容器類似，同樣是以存儲、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)的形式來存儲電能，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/dcconverter)或電池充電器(batterycharger)等電子裝置內，並應用於數據機(modem)、異步數字用戶專線(asymmetricdigitalsubscriberlines,adsl)或局部區域網路(localareanetworks,lan)等傳輸裝置中。然而，近幾年來，扼流器被更廣泛地應用於諸如筆記型計算機、手機、液晶屏幕以及數字相機等信息科技產品中。由於信息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。
如圖1所示，美國專利公告第7,209,022號所揭露的扼流器1包括磁芯10、導線12、外裝樹脂14以及一對電極16，其中導線12纏繞於磁芯10的中柱100上。一般而言，中柱100的截面面積越大，扼流器1的特性就越好。然而，由於必須保留用來纏繞導線12的繞線空間s，中柱100的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，相較於現有繞線式線圈結構，因包括環繞中柱纏繞導線的機械操作，這樣的作法在組件的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，會造成良率上的損失)。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：為了彌補現有技術的不足，提供一種以變動電流密度電鍍形成多層線圈的方法及應用此多層線圈的磁性裝置。
本發明的多層線圈的製造方法採用以下技術方案：
所述多層線圈的製造方法包括：提供基板；於所述基板上形成種子層；以及根據n個閾值範圍以n個電流密度於所述種子層上電鍍n個線圈層，以於所述基板上形成多層線圈，所述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是大於1的正整數，i是小於或等於n的正整數；其中，所述n個線圈層中的第1個線圈層是以所述n個電流密度中的第1個電流密度電鍍於所述種子層上；當所述n個線圈層中的第i個線圈層的縱橫比介於所述n個閾值範圍中的第i個閾值範圍之間時，以第i+1個電流密度於所述第i個線圈層上電鍍第i+1個線圈層。
優選地，所述多層線圈呈螺旋形而形成多個圈環，且每兩個圈環之間的間隙小於30微米。
優選地，每兩個圈環之間的間隙小於10微米。
優選地，所述多層線圈的縱橫比大於1.5，且所述多層線圈的高度大於70微米。
本發明的磁性裝置採用以下技術方案：
所述磁性裝置包括基板；多層線圈，形成於所述基板上，所述多層線圈由n個線圈層堆棧而成，所述n個線圈層中的第i個線圈層的縱橫比小於第i+1個線圈層的縱橫比，n是大於1的正整數，i是小於或等於n的正整數；以及磁性體，完全包覆所述基板與所述多層線圈。
優選地，所述多層線圈呈螺旋形而形成多個圈環，且每兩個圈環之間的間隙小於30微米。
優選地，每兩個圈環之間的間隙小於10微米。
優選地，所述多層線圈的縱橫比大於1.5，且所述多層線圈的高度大於70微米。
優選地，所述磁性裝置還包括絕緣保護層，形成於所述多層線圈上及所述多層線圈之間。
優選地，所述磁性裝置還包括導電柱以及電極，所述電極形成於所述磁性體上，所述導電柱電性連接所述多層線圈與所述電極。
因此，根據上述技術方案，本發明的多層線圈的製造方法及磁性裝置至少具有下列優點及有益效果：本發明是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現有的繞線線圈。電鍍形成的多層線圈可比現有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的電性(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，製程較現有技術簡單。
附圖說明
圖1是現有扼流器的剖視圖。
圖2是本發明一實施例的磁性裝置的俯視圖。
圖3是圖2中的磁性裝置沿a-a線的剖視圖。
圖4是圖3中的多層線圈的局部放大圖。
圖5是圖2中的磁性裝置與圖3中的多層線圈的製造方法的流程圖。
圖6是多層線圈蝕刻前後的顯微結構圖。
附圖標記說明：
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。
具體實施方式
請參考圖2至圖5，圖2是本發明一實施例的磁性裝置3的俯視圖，圖3是圖2中的磁性裝置3沿a-a線的剖視圖，圖4是圖3中的多層線圈32的局部放大圖，圖5是圖2中的磁性裝置3與圖3中的多層線圈32的製造方法的流程圖。本發明的磁性裝置3可以是扼流器(choke)或其它磁性組件。磁性裝置3包括基板30、多層線圈32、磁性體34以及一對電極36。多層線圈32是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，執行圖5中的步驟s10，提供基板30。於實際應用中，基板30可包括高分子聚合物，例如環氧樹脂、改質的環氧樹脂、聚脂(polyester)、丙烯酸酯、氟素聚合物(fluoro-polymer)、聚亞苯基氧化物(polyphenyleneoxide)、聚醯亞胺(polyimide)、酚醛樹脂(phenolicresin)、聚碸(polysulfone)、矽素聚合物(siliconepolymer)、bt樹脂(bismaleimidetriazinemodifiedepoxy(btresin))、氰酸聚酯(cyanateester)、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-styrenecopolymer，abscopolymer)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，pet)樹脂、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutyleneterephthalate，pbt)樹脂、液晶高分子(liquidcrystalpolymers，lcp)、聚醯胺(polyamide，pa)、尼龍(nylon)、共聚聚甲醛(polyoxymethylene，pom)、聚苯硫醚(polyphenylenesulfide，pps)或是環狀烯烴共聚高分子(cyclicolefincopolymer，coc)，但不以此為限。
接著，執行圖5中的步驟s12，於基板30上形成種子層(seedlayer)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。在本實施例中，種子層31呈螺旋形而形成多個圈環。接著，執行圖5中的步驟s14，將基板30放置於電鍍液中。在本實施例中，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。換句話說，電鍍液可視實際需求而調整其組成成分。接著，執行圖5中的步驟s16，根據n個閾值範圍以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是大於1的正整數，且i是小於或等於n的正整數。在本實施例中，n＝3，但不以此為限。
如圖4所示，三個線圈層320a、320b、320c中的第1個線圈層320a是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的縱橫比介於第1個閾值範圍之間時，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的高度，w0表示種子層31的寬度，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的縱橫比介於第2個閾值範圍之間時，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。
在本實施例中，第1個電流密度可設定成5.39asd，第2個電流密度可設定成8.98asd，第3個電流密度可設定成10.78asd，第1個閾值範圍可設定成1～1.8，第2個閾值範圍可設定成2～2.8，且第3個閾值範圍可設定成2.8～4。此外，種子層31的高度h0可以是30微米，種子層31的寬度w0可以是35微米，且種子層31的每兩個圈環之間的間隙g0可以是55微米。首先，本發明可先以第1個電流密度5.39asd將第1個線圈層320a電鍍於種子層31上，並且在電鍍過程中測量第1個線圈層320a的縱橫比當測量到的第1個線圈層320a的縱橫比介於第1個閾值範圍1～1.8之間時(例如，△y1＝17.1微米，且△x1＝15微米，則)，即可將第1個電流密度5.39asd切換成第2個電流密度8.98asd，以於第1個線圈層320a上電鍍第2個線圈層320b，並且在電鍍過程中測量第2個線圈層320b的縱橫比此時，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。當測量到的第2個線圈層320b的縱橫比介於第2個閾值範圍2～2.8之間時(例如，△y2＝13.2微米，且△x2＝5.5微米，則)，即可將第2個電流密度8.98asd切換成第3個電流密度10.78asd，以於第2個線圈層320b上電鍍第3個線圈層320c，並且在電鍍過程中測量第3個線圈層320c的縱橫比其中△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。當測量到的第3個線圈層320c的縱橫比介於第3個閾值範圍2.8～4之間時(例如，△y3＝13.5微米，且△x3＝4.5微米，則)，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。當測量到的第3個線圈層320c的縱橫比介於第3個閾值範圍2.8～4之間時，即可將第3個電流密度10.78asd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的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的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，在本實施例中，可以第3個電流密度10.78asd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，本發明也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。
在本實施例中，由於種子層31呈螺旋形而形成多個圈環，因此電鍍完成的多層線圈32也呈螺旋形而形成多個圈環，且每兩個圈環之間的間隙小於30微米。優選地，每兩個圈環之間的間隙小於10微米。如上述的實施例，電鍍完成的多層線圈32的每兩個圈環之間的間隙g3可以是5微米。此外，多層線圈32的縱橫比可大於1.5，且多層線圈32的高度可大於70微米，進而有效提高磁性裝置3的電性(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，位於圖3中右側的導電層33可經由導通孔37與導電柱35形成電性連接。
接著，執行圖5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的材料可以是環氧樹脂(epoxyresin)、壓克力樹脂、聚醯亞氨(polyimide,pi)、防焊油墨、介電材料等。
最後，執行圖5中的步驟s20，形成完全包覆基板30與多層線圈32的磁性體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的多層線圈32是由三個線圈層320a、320b、320c堆棧而成，其中第1個線圈層320a的縱橫比(例如，1.14)小於第2個線圈層320b的縱橫比(例如，2.4)，且第2個線圈層320b的縱橫比(例如，2.4)小於第3個線圈層320c的縱橫比(例如，3)。
在本實施例中，磁性體34包括貫穿基板30的中柱300。舉例而言，磁性體34可利用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，磁性粉末可包括鐵粉(ironpowder)、鐵氧體粉末(ferritepowder)、含鐵合金粉末(metallicpowder)、非晶質(amorous)合金或任何適合的磁性材料。其中，鐵氧體粉末可包括鎳鋅鐵氧體(ni-znferrite)粉末或錳鋅鐵氧體(mn-znferrite)粉末，含鐵合金粉末可包括鐵矽鋁合金(sendust)、鐵鎳鉬合金(mpp)或鐵鎳合金(highflux)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的分界線。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的分界線。
請參考圖6，圖6是多層線圈32'蝕刻前後的顯微結構圖。如圖6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。換句話說，由此三條分界線l1-l3可以得知，多層線圈32'是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。
因此，根據上述技術方案，本發明的多層線圈的製造方法及磁性裝置至少具有下列優點及有益效果：本發明是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現有的繞線線圈。電鍍形成的多層線圈可比現有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的電性(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，製程較現有技術簡單。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。