將應力消除材料施加到嵌入式磁組件的方法
2023-11-03 09:22:07
將應力消除材料施加到嵌入式磁組件的方法
【專利摘要】一種製造襯底的方法，包括：提供具有腔和該腔中的柱的襯底；在所述腔中分配彈性填充材料；插入包括芯孔洞的磁芯，使得柱延伸穿過芯孔洞；固化彈性填充材料；在腔的外部且在柱中形成襯底中的通孔；以及在孔洞中形成通孔中的通孔結構。
【專利說明】將應力消除材料施加到嵌入式磁組件的方法
【背景技術】
[0001]1.【技術領域】
[0002]本發明涉及具有嵌入式磁組件的襯底。更具體地，本發明涉及具有由應力消除材料圍繞的嵌入式磁組件的襯底。
[0003]2.【背景技術】
[0004]已知通過在印刷電路板202中嵌入磁芯206 (也稱為鐵氧體芯)並且通過使用導體208和通孔210形成繞該磁芯206的繞組，例如，如本申請的圖21所示，該圖對應於來自美國專利N0.8，203，418的附圖，來提供變壓器。
[0005]美國專利N0.8，203，418提供集成平面變壓器和電子組件，其包括設置在平面襯底中的至少一個寬帶平面變壓器。美國專利N0.8，203, 418使用圓柱腔204來保持磁芯206。磁芯206具有中心帶有孔洞的環形形狀。磁芯206中間的孔洞填充有環氧樹脂材料，且帶有鑽通該環氧樹脂材料的孔。在美國專利N0.8，203，418中的腔204是圓柱形的，使得磁芯206的中心部分由環氧樹脂材料支承且暴露於層疊負載，該負載是層疊工藝期間接合不同層時施加到平面襯底和磁芯206的壓縮負載。因為磁芯206的中心部分是環氧樹脂，所以很難在磁芯206的中心部分中形成通孔。平面襯底和中心芯中使用的材料的熱膨脹係數(CTE)的不匹配將形成熱應力，該熱應力將導致通孔和/或通過中所使用的電介質材料失效。
[0006]美國專利N0.7，271，697提供微型電路和電感器組件，其中多層印刷電路形成在平面襯底的每側上。美國專利N0.7，271，697使用預浸潰複合纖維材料(預浸材料)填充圍繞磁芯的空間。在美國專利N0.7，271，697中使用預浸材料，因為它有助於製造工藝，並且因為預浸材料的熱膨脹係數與平面襯底相同，因為預浸和平面襯底由同一材料形成。然而，本申請的發明人隨後發現預浸材料在層疊期間與空間相符並且將特定量的壓力施加到磁芯，由於磁致伸縮這會不利地影響磁芯的磁導率性質。
[0007]美國專利申請公開N0.2008/0816124教示無線電感器件和製造這種電感器件的方法。美國專利申請公開N0.2008/0816124中的製造方法包括在兩個襯底上(頂部和底部)形成導體並且利用兩個襯底之間的磁芯聯接這兩個襯底以形成電感器件。美國專利公開N0.2008/0816124不使用緩衝材料來防止製造工藝期間磁芯的壓縮，這可導致磁芯的損壞且還由於磁致伸縮可不利地影響磁芯的磁導率性質。
[0008]美國專利N0.8，234，778教示襯底電感器件及製造電感器件的方法，該器件包括三個襯底:頂部、底部和中間。頂部和底部襯底包含導體，而中間襯底包含帶有電連接器的磁芯。三個襯底和聯接或組裝以形成器件。這種布置難以大規模製造，並且提供較低的通孔孔洞密度。
【發明內容】
[0009]為了克服上述問題，本發明的優選實施例提供一種提供具有嵌入式磁組件的襯底的方法，該嵌入式磁組件由應力消除材料圍繞，該應力消除材料保護磁組件免受機械應力且消除該磁組件上的磁致伸縮效應。
[0010]根據本發明的優選實施例的製造襯底的方法包括:提供具有腔和該腔中的柱的襯底；在所述腔中分配彈性填充材料；插入包括芯孔洞的磁芯，使得柱延伸穿過芯孔洞；固化彈性填充材料；在腔的外部且在柱中形成襯底中的通孔；以及在孔洞中形成通孔中的通孔(via-1n-via)結構。
[0011]該方法優選地還包括形成連接至通孔中的通孔結構的導體。該導體和通孔中的通孔結構提供變壓器的初級和次級繞組。
[0012]根據本發明的優選實施例的製造襯底的方法包括:提供具有腔和腔中的柱的襯底；插入包括彈性填充材料塗層和芯孔洞的磁芯，使得柱延伸穿過芯孔洞；在腔的外部且在柱中形成襯底中的通孔；以及在孔洞中形成通孔中的通孔結構。
[0013]該方法優選地還包括在插入磁芯的步驟之前在腔中設置一個或多個預浸環。該方法優選地還包括形成連接至通孔中的通孔結構的導體。該導體和通孔中的通孔結構優選地提供變壓器的初級和次級繞組。
[0014]形成通孔中的通孔結構的步驟優選地包括在孔洞中形成金屬層。形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在孔洞中的金屬層上形成絕緣塗層。形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在絕緣塗層上形成金屬層。
[0015]參照附圖，根據本發明的優選實施例的以下詳細描述，本發明的上述和其他特徵、元件、步驟、特性和優點將變得顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1-12示出根據本發明的第一優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。
[0017]圖1是具有腔11的襯底10的透視圖。
[0018]圖2是示出被插入腔11的磁芯14的橫截面側視圖。
[0019]圖3是具有磁芯14的襯底10的透視圖。
[0020]圖4是示出層疊到襯底10的銅箔15的橫截面側視圖。
[0021]圖5是示出在襯底10中鑽出的通孔孔洞16的橫截面側視圖。
[0022]圖6是示出在襯底10上和通孔孔洞16內部的銅鍍層17的橫截面側視圖。
[0023]圖7是示出襯底10上的導體18的透視圖。
[0024]圖8是示出襯底10上的聚對二甲苯塗層19的橫截面側視圖。
[0025]圖9是層疊在襯底10上的預先鑽孔的粘合劑20a和銅層20b的側截面圖。
[0026]圖10是示出在襯底10上的銅箔20b中形成的通孔孔洞開口 21的側截面圖。
[0027]圖11是示出在襯底10上和通孔孔洞16內部形成的銅鍍層22的側截面圖。
[0028]圖12是示出襯底10上形成的導體23的透視圖。
[0029]圖13-20示出根據本發明的第二優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。
[0030]圖13是具有腔31的襯底30的透視圖。
[0031]圖14是示出被插入腔31的磁芯34的橫截面側視圖。
[0032]圖15是具有預塗覆的磁芯34的襯底30的透視圖。[0033]圖16是示出襯底30上的預浸層34b和銅箔35的橫截面側視圖。
[0034]圖17是示出層疊至襯底30的預浸層34b和銅箔35的橫截面側視圖。
[0035]圖18是示出在襯底30中鑽出的通孔孔洞36的橫截面側視圖。
[0036]圖19是示出在襯底30上和通孔孔洞36內部的銅鍍層37的橫截面側視圖。
[0037]圖20是示出襯底30上的導體38的透視圖。
[0038]圖21示出將磁芯嵌入印刷電路板的已知方法。
【具體實施方式】
[0039]圖1-12示出根據本發明的第一優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。圖13-20示出根據本發明的第二優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。
[0040]與美國專利N0.8，203，418不同，本發明的優選實施例包括環形腔，其包括設置在該環形腔中間的平面襯底的支柱。該支柱減小磁芯上的層疊負載。在本發明的優選實施例中，磁芯中心內的通孔在平面襯底的支柱中形成，而不是像美國專利N0.8，203，418那樣在環氧樹脂材料中形成。因為在本發明的優選實施例中通孔形成在支柱內而不是環氧樹脂材料中，所以可更加可靠地形成通孔。因為通孔被設置在平面襯底的通常均質的材料中，所以顯著減少或防止熱應力，因為在平面襯底和環氧樹脂材料之間沒有熱膨脹係數不匹配。環形腔顯著減小且防止任何應力作用在磁芯上。平面襯底的支柱將吸收在電路層的層疊期間施加的壓縮負載，以便顯著減小施加到磁芯的壓縮力。
[0041]本發明的優選實施例通過減小在形成變壓器的製造步驟期間施加在磁芯上的負載來解決美國專利N0.7，271，697的問題。本發明的優選實施例利用分配在磁芯周圍空間中的精確體積的彈性填充材料來防止磁材料的壓縮並且消除孔隙。已知空隙導致製造工藝期間的分層。彈性填充材料優選為具有低粘性的矽材料，然而，也可使用其它適當的材料，包括能承受製造工藝的條件(諸如溫度)的其它彈性材料。典型地，在製造開始之前確定彈性填充材料的體積。可利用例如表面掃描來確定腔和磁芯的體積。然後，在考慮彈性填充材料的性質(諸如在任何固化工藝期間的膨脹或壓縮)時，可通過從腔的體積減去磁芯的體積來確定彈性填充材料的體積。優選的是精確確定彈性填充材料的體積，因為太多的彈性填充材料可導致破裂。在製造公差內，彈性填充材料的體積等於或基本等於腔的體積減去磁芯的體積。製造公差包括與腔和磁芯的形成相關聯的公差以及與所使用的彈性填充材料類型的具體性質相關聯的公差。
[0042]通過使用可控體積的彈性填充材料,本發明的優選實施例確保彈性填充材料僅位於磁芯周圍的空間中，且不遷移到將形成通孔的電路區域。將分配的彈性填充材料的體積等於或基本等於環形腔的體積減去磁芯的體積。使用自動分配設備來施加彈性填充材料消除了包含磁芯的腔的過填充/不足填充的可能性。這還防止彈性填充材料遷移到通孔孔洞區域。
[0043]本發明的優選實施例包括將磁材料嵌入平面襯底的方法。更具體地，本發明的優選實施例包括將磁芯嵌入印刷電路板或剛性撓曲電路的方法。本發明的優選實施例的方法實現用於形成具有高功能可靠性且具有用於電感器或變壓器的嵌入式磁芯的微型電路的聞成品率製造工藝嵌入工藝和電路構造實現微型電路的聞效率且可重複製造，並且使具有高電壓、高電流能力以及對物理應力的高容限的磁裝置微型化。用於填充環形腔的彈性填充材料保護磁芯免受機械應力且消除磁芯上的磁致伸縮效應。
[0044]本發明的一些優選實施例優選地包括通孔中的通孔結構，其中諸通孔共享同一通孔孔洞，這顯著減小且方式變壓器的初級和次級繞組之間的漏電感，且可減少通孔孔洞的總數，這可提供進一步的微型化。美國專利N0.8，203，418 B2和/或美國專利公開N0.2008/0186124 Al不使用通孔中的通孔結構，因此不能實現通過通孔中的通孔結構而成為可能的較高定線密度。
[0045]在使用通孔中的通孔結構的本發明的優選實施例中，在平面襯底中磁芯附近鑽出的通孔孔洞壁上製造多個同軸獨立導體。平面襯底通常是印刷電路板或剛性撓曲電路。印刷電路板可由FR-4環氧樹脂層疊板或任意其它適當的材料製造。可使用任意適當的材料，例如，包括基於聚醯胺的覆蓋層、銅覆蓋層聚醯胺、環氧樹脂、丙烯酸粘合劑、銅覆蓋層環氧樹脂層置。
[0046]圖1-12示出根據本發明的第一優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。
[0047]為了製造根據本發明的第一優選實施例的具有嵌入式磁組件的襯底，提供襯底
10。襯底10優選具有平面形狀。襯底10通常是印刷電路板，例如，FR-4環氧樹脂層疊板。如圖1所示，利用數控(NC)的可控深度定線機，在襯底10中形成腔11。腔11優選地具有環形形狀，且柱12在腔11的中心中。可使用任何其它適當的方法形成腔，例如，包括模壓和成形。可使用的可能方法取決於所使用的襯底的類型。取代具有圓形周長，腔11的周長可具有任何適當的形狀，包括例如橢圓形或正方形。
[0048]接下來，如圖12所示，使用可控體積自動分配設備，將彈性填充材料13分配到腔11中。彈性填充材料13優選是低粘性矽材料。也可使用能夠承受製造工藝條件(諸如溫度)的任何其它彈性材料。
[0049]將磁芯14插入腔11。優選地使用拾取和放置設備；然而，可利用任何適當的方法(包括手動插入)將磁芯14插入腔11。磁芯14通常為鐵氧體；然而，也可使用其它適當的透磁材料,諸如鐵粉芯。磁芯14的材料選擇影響可將何種類型的材料用於彈性填充材料13。
[0050]將附加彈性填充材料13分配到磁芯14的頂部上。利用用於在空腔11中分配最初彈性填充材料13的同一可控體積自動分配設備來分配附加彈性填充材料13。然而，可將不同設備用於分配附加彈性填充材料13。
[0051]然後熱固化所有的彈性填充材料13。熱固化彈性填充材料的條件(包括時間和溫度)取決於用於彈性填充材料的材料。固化得到的襯底10帶有插入腔11內的磁芯14，如圖3所示。
[0052]如圖4所示，將銅箔15層疊在襯底10的頂面和底面上。優選地利用真空層疊工藝來層疊銅箔15 ;然而也可使用其它適當的工藝。儘管層疊銅是優選的，但可使用其它適當的導電材料以及使用其它適當的提供導電材料的方法。例如，代替使用銅，可使用諸如銀或鋁之類的其它導電材料，並且代替層疊銅，可印刷導電墨。
[0053]圖5示出在磁芯14周圍和柱12中鑽入襯底10的通孔孔洞16。優選地利用NC鑽機鑽出通孔孔洞16 ;然而，可利用任何適當的方法或機器形成通孔孔洞16。
[0054]圖6示出利用銅鍍層17鍍敷襯底10和通孔孔洞16的頂面和底面。
[0055]在圖7中，導體18形成在襯底10的頂面和底面上。優選地利用標準PCB工藝印刷和蝕刻導體18。導體18例如可用作變壓器的繞組。
[0056]接下來，如圖8所示，將聚對二甲苯塗層19施加到襯底10的頂面和底面上以及通孔孔洞16內部，以形成絕緣體，從而可形成通孔中的通孔結構。可使用環氧樹脂、聚合物、液態聚醯胺或任意其它絕緣材料來代替聚對二甲苯。
[0057]如圖9所示，將預先鑽孔的粘合劑和銅層20層疊在襯底10的頂面和底面上。優選地利用真空層疊層疊預先鑽孔的粘合劑和銅層20 ;然而，可使用其它適當的工藝。
[0058]如圖10所示，在襯底10的頂面和底面上形成通孔孔洞開口 21。優選地利用標準PCB工藝印刷和蝕刻通孔孔洞開口 21。
[0059]如圖11所示，銅鍍層22鍍敷在襯底10的頂面和底面上以及通孔16內部以形成通孔中的通孔結構。
[0060]最後，在圖12中，導體23形成在襯底10的頂面和底面上。優選地利用標準PCB工藝印刷和蝕刻導體23。導體23可以是匝數比為5:1的變壓器的次級繞組。
[0061]圖13-20示出根據本發明的第二優選實施例製造具有嵌入式磁組件的襯底的方法。本發明的第一和第二優選實施例之間的差別之一是利用彈性材料預先塗覆磁芯34並且預浸潰(預浸)環用於填充腔31。第二優選實施例去除彈性填充材料13分配步驟和固化步驟，並且防止使矽烷著於襯底30的表面上，這增加成品率。
[0062]為了製造根據本發明的第二優選實施例的具有嵌入式磁組件的襯底，提供襯底30。正如襯底10—樣，襯底30優選具有平面形狀。襯底30通常是印刷電路板，例如，FR-4環氧樹脂層疊板。如圖13所示，利用NC可控深度定線機，在襯底30中形成腔31。腔31優選地具有環形形狀，且柱32在腔31的中心中。可使用任何其它適當的方法形成腔，例如，包括模壓和成形。可使用的可能方法取決於所使用的襯底的類型。取代具有圓形周長，腔31的周長可具有任何適當的形狀，包括例如橢圓形或正方形。
[0063]接下來，如圖14和15所示，提供具有彈性材料塗層33的磁芯34。彈性材料塗層33優選是低粘性矽材料。也可使用能夠承受製造工藝條件(諸如溫度)的任何其它彈性材料。還提供預浸環34a。預浸環34a優選為利用樹脂預浸的複合纖維植物。優選的材料是中等或高Tg環氧樹脂預浸體。
[0064]將一個或多個預浸環34a插入腔31中，然後將磁芯34插入腔31中。拾取和放置設備優選地用於將一個或多個預浸環34a插入腔32 ;然而，能以任何適當的方式(手動插入)將一個或多個預浸環34a插入腔31。拾取和放置設備優選地用於將磁芯34a插入腔31 ；然而，能使用任何適當的方式(手動插入)將磁芯34插入腔31。磁芯34通常為鐵氧體；然而，也可使用其它適當的透磁材料，諸如鐵粉芯。磁芯34的材料選擇影響可將何種類型的材料用於彈性材料塗層33。
[0065]如圖16所示，在銅箔35頂部成層的預浸層34b的組合優選地被層疊至襯底30的頂部。預浸環34a和預浸層34b優選由相同材料製成。如圖17所示，預浸層34b和銅箔35優選在規定壓力和規定溫度下被層疊到襯底30的頂面。還可使用其它適當的工藝。儘管層疊銅是優選的，但可使用其它適當的導電材料以及使用其它適當的提供導電材料的方法。例如，代替使用銅，可使用諸如銀或鋁之類的其它導電材料，並且代替層疊銅，可印刷導電墨。還可使用環氧樹脂粘合劑來將銅箔35層疊到襯底30。在層疊工藝期間，從預浸環34a和預浸層34b熔化的樹脂填充磁芯34和襯底30之間的腔中的空隙。[0066]圖18示出在磁芯34周圍和柱32中鑽入襯底30的通孔孔洞36。優選地利用NC鑽機鑽通孔孔洞36 ;然而，可利用任何適當的方法或機器形成通孔孔洞36。
[0067]圖19示出利用銅鍍層37鍍敷襯底30和通孔孔洞36的頂面和底面。
[0068]在圖20中，導體38形成在襯底30的頂面和底面上。優選地利用標準PCB工藝印刷和蝕刻導體38。導體38例如可用作變壓器的繞組。
[0069]可利用以上關於圖8-12討論的步驟在襯底30中形成通孔中的通孔結構。
[0070]應當理解，本發明的上述描述僅是示例性的。本領域的普通技術人員可設計出多種替代方案和修改，而不背離本發明。因此，本發明旨在包含落入所附權利要求的範圍的所有此類變更、修改和變型。
【權利要求】
1.一種製造襯底的方法，包括: 提供具有腔和所述腔中的柱的襯底； 在所述腔中分配彈性填充材料； 插入包括芯孔洞的磁芯， 使得所述柱延伸穿過所述芯孔洞； 固化所述彈性填充材料； 在所述腔的外部且在所述柱中形成所述襯底中的通孔；以及 在所述孔洞中形成通孔中的通孔結構。
2.如權利要求1所述的方法，還包括形成連接至所述通孔中的通孔結構的導體。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述導體和所述通孔中的通孔結構提供變壓器的初級和次級繞組。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟包括在所述孔洞中形成金屬層。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在所述孔洞中在所述金屬層上形成絕緣塗層。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在所述絕緣塗層上形成金屬層。
7.一種製造襯底的方法，包括: 提供具有腔和所述腔中的柱的襯底； 插入包括彈性填充材料塗層和芯孔洞的磁芯，使得所述柱延伸穿過所述芯孔洞； 在所述腔的外部且在所述柱中形成所述襯底中的通孔；以及 在所述孔洞中形成通孔中的通孔結構。
8.如權利要求7所述的方法，還包括在插入所述磁芯的步驟之前在所述腔中設置一個或多個預浸環。
9.如權利要求7所述的方法，還包括形成連接至所述通孔中的通孔結構的導體。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述導體和所述通孔中的通孔結構提供變壓器的初級和次級繞組。
11.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟包括在所述孔洞中形成金屬層。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在所述孔洞中的所述金屬層上形成絕緣塗層。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述形成通孔中的通孔結構的步驟還包括在所述絕緣塗層上形成金屬層。
【文檔編號】H01F17/00GK103907164SQ201380001563
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】C·馬可尼 申請人:維訊柔性電路板有限公司