CN102985985A - 层压的磁性组件以及用软磁粉末聚合物复合片材的制造 - Google Patents

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Abstract

电子电路板应用的小型化磁性组件，包括帮助增加的直流容量和更高的电感值的增强的磁性复合片材。可使用相对简单和直接的层压过程制造该组件。

Description

层压的磁性组件以及用软磁粉末聚合物复合片材的制造
相关申请的交叉引用
本申请涉及在2006年9月12日提交的U.S.专利申请系列号11/519,349、和在2008年7月9日提交的U.S.专利申请系列号12/181,436的主题，其全部公开在此处通过整体引用并入本文。
背景技术
本发明的领域大体上涉及电路板应用的小型化磁性组件的构造和制造，且更特定地涉及诸如功率电感器和变压器之类的小型化磁性组件的构造和制造。
制造愈加功能强大、但较小的电子设备的最近的趋势已经导致电子行业的众多挑战。举例而言，诸如智能手机、个人数字助理（PDA）设备、娱乐设备、和便携式计算机设备的电子设备，现在被大量、增长的用户人群所广泛地拥有和操作。这样的设备包括令人印象深刻的、且快速增长的特征阵列，其允许这样的设备与包括但不限于因特网的多个通信网络、以及其他电子设备交互。使用这类设备进行使用无线通信平台的快速信息交换是可能的，且这类设备对于商业和个人用户等已经变得非常方便和流行。
对于这类电子设备所需要的电路板应用的表面安装组件制造商而言，挑战在于提供愈加小型化的组件从而最小化该组件在电路板上占据的面积（有时称为组件“覆盖面积”）还有在与电路板表面平行的方向中测得的其高度（有时称为组件“轮廓”）。通过减少覆盖面积和轮廓，电子设备的电路板组装的尺寸可被减少和/或电路板（多个）上的组件密度可被增加，这允许电子设备本身尺寸的减少，或具有可比尺寸的设备的增加的能力。以成本效益比的方式小型化电子组件对于高度竞争的市场引入了对电子组件制造商的多个实践挑战。由于对于电子设备所需的大量组件的迫切需要，制造组件的成本减少已经变得令电子组件制造商实际上非常地感兴趣。
为了满足日益增长的对电子设备（特别是手持设备）的需要，电子设备的每一代不仅需要小，还提供增加的功能性特征和能力。作为结果，电子设备必须是越来越功能强大的设备。对于一些类型的组件，诸如提供能量存储和调节能力的磁性组件，满足增加的电力需求，同时持续减少已经非常小的组件尺寸，已经证明为有挑战性的。
附图详细描述
参照下面的附图描述非限定性和非穷尽性实施例，其中相同附图标记在各图中表示相同部分，除非另有指明。
图1是示例性磁性组件的分解图。
图2是图1中所示组件的一部分的组装视图。
图3是图2中所示组装件的侧视图。
图4是层压后图3中所示组装件的侧视图。
图5是层压后图1中所示组装件的透视图。
图6是图5中所示被层压的组装件的侧视图。
图7是图6中所示被层压的组装件的侧视图且示出用于组件的完全形成的、表面安装端子。
图8是另一个示例性磁性组件的分解图。
图9是图8中所示组件的一部分的组装视图。
图10是图9中所示组装件的侧视图。
图11是层压后图10中所示组装件的侧视图。
图12是层压后图8中所示组装件的透视图。
图13是图12中所示被层压的组装件的侧视图。
图14是图13中所示被层压的组装件的侧视图且示出用于组件的完全形成的、表面安装端子。
图15是另一个示例性磁性组件的分解图。
图16是图15中所示组件的一部分的组装视图。
图17是图16中所示组装件的侧视图。
图18是层压后图17中所示组装件的侧视图。
图19是层压后图15中所示组装件的透视图。
图20是图18中所示被层压的组装件的侧视图。
具体实施方式
尽管使用现有技术可能已经经济地制造了诸如电感器和变压器之类的常规小型化磁性组件，但它们没有满足更高功率设备的性能要求。类似地，更能满足更高性能要求的构造还没有被证明为被经济地制造。更高功率的电子设备的已知磁性组件构造的成本和/或性能问题仍然要在本领域中被克服。
在历史上，诸如电感器或变压器之类的磁性组件用独立地制造的磁芯件组装，磁芯件被围绕线圈组装并相对彼此物理地间隙。当想要小型化这样的组件时，存在众多问题。特定地，在越发小型化的组件中获得严密地控制的物理间隙被证明为困难且昂贵的。不能控制物理间隙创建还易于对于小型化组件产生不期望的可变性和不可靠性问题。
为了避免磁性组件的物理间隙的磁芯构造中的难题，磁性粉末材料已经被与接合材料组合来产生所谓分布间隙材料。这样的材料可被模制为期望形状且避免组装具有物理间隙的离散磁芯结构的需要。进一步，这样的材料可以半固态浆状或作为粒状绝缘的干粉，直接围绕预先制造的线圈结构来模制以形成包含线圈的单件磁芯结构。以受控且可靠的方式混合并制备磁性粉末与接合材料、并且控制模制步骤，可能是困难的，然而，导致制造磁性组件的增加的成本。相比常规组件，对于以相对更高的电流电平操作的功率电感器，更有可能如此。增加的性能要求可能会要求在制造组件时线圈的不同线圈配置、可模制磁性粉末浆或干颗粒材料和/或更为严格的过程控制，其中任一项可能会增加制造这样的组件的难度和成本。
用于制造小型化磁性组件的另一种已知技术是从薄层材料形成组件从而形成芯片型组件。在这种类型的常规组件中，介电材料层，诸如陶瓷印刷电路基板材料，已经被用于形成磁性组件。导电的线圈元件一般被形成或图案化在一个或多个介电层上，且当组装并形成线圈元件时，线圈元件被封围或内嵌在介电层中。尽管可使用这样的介电材料制造非常小的组件，它们易于提供受限的性能能力。对于大规模制造的组件，处理印刷电路基板可进一步是密集的且相对昂贵的。对于功率电感器要求的更高的电流应用，陶瓷片材还具有相对较差的热传导特性。
还已经提出了从设置在层中的复合磁性薄片材料构造磁性组件。在这种类型的组件中，各层不仅是介电的还是磁性的。即，被用作各层的薄片材料表现出大于1.0的相对导磁率，且一般被认为是磁性响应的材料。当制造组件时，相对于沉积在衬底材料上且由衬底材料支撑的半固态或液态材料，这样的磁性响应薄片材料可包括散布在接合材料中的软磁颗粒、且被设置为可以固态形式组装的独立薄层或膜。因此、且不同于本领域中已知的其他复合磁性材料，这样的独立的薄层或膜能被层压。
使用复合磁性薄片材料的被层压的组件的示例在U.S.公开专利申请No.2010/0026443A1中被公开。这样的构造在复合磁性薄片材料可被预先制造的情况下可能是有利的，且各层可被围绕着导电线圈压力层压，其进而可从任何复合磁性薄片材料被独立地预先制造。相对于其他处理，以相对较低的成本和较少的难度，可完成各层的层压。但是这样的构造已被证明为容易受到特定方面性能限制的影响，且还没有完全满足更高功率、更小尺寸的电子设备的需要。这被认为是由于当前可用的复合磁性薄片材料的限制引起的。
现有的复合磁性薄片材料主要为电磁屏蔽目的而开发，且在此条件下，已经被用于构造磁性组件。包括复合磁性片的组件的一个这样的示例在如下专利中被描述：KOKAI(本未审查专利公开)No.10-106839、名为“MultilayerHigh-frequency Inductor”。这个参考文献教导了将作为本征导电材料的平的和/或针状软磁粉末材料揉合到绝缘有机粘合剂中，从而软磁粉末被散布在有机粘合剂中且被形成为可被层叠来构造电感器的材料层。该平的和/或针状软磁粉末材料特定地与近乎球状的磁性粉末材料进行比较和对比。这个参考文献教导，如果软磁粉末被形成为具有平和针状的软磁粉末中至少一个形状，出现期望的磁各向异性，在高频范围内，电感器的导磁率，基于磁共振，增加。这个参考文献给出结论，对于电磁屏蔽，平的和/或针状软磁粉末材料优于球状粉末材料，且当被用于形成多层高频电感器时，独立地被提供的屏蔽特征可被消除且电感器组件的尺寸可被进一步减少。
公开的欧洲专利申请No.EP 0 785 557也公开了用于电磁屏蔽目的的复合磁性材料薄片。这个参考文献，教导被用于制造具有各向异性性质的复合磁性片材的两种类型的软、平的磁性颗粒和有机粘合剂。EP 0 785 557 A1进一步公开了，聚合物粘合剂可被用于形成磁性基板，其中磁性粉末填充了大于所完成固态基板的90%的重量百分比。
WO 2009/113775公开了被用于构造多层功率电感器的复合磁性薄片材料。这个参考文献教导用软磁金属粉末充填的片材，其中软磁粉末末是各向异性的且被设置为平行或垂直于片材的表面。片材的表面被图案化为具有电路路径，其由通孔电连接来定义导电线圈。基板的中间区域具有各向同性性质（如果期望的话），同时基板的其余区域仍是各项异性的。所公开的磁性粉末薄片材料的填充因数为约按重量80%或更少。这个类型的功率电感器构造已经被证明为它们用于更高功率设备的性能能力是受限的。特定地，这样的构造的直流容量低于由更新的电子设备和应用所要求的直流容量。
公开的论文，名为“Permeability and electromagnetic-interferencecharacteristics of Fe–Si–Al alloy flakes–polymer composite”,J.Appl.Phys.85,4636(1999)进一步被认为代表了磁性复合薄片材料的现有技术的状态。在这个论文中，研究了Fe–Si-Al合金薄片–聚合复合物的噪声抑制效果，且比较了包含各向异性磁性粉末的各种类型片材的性质。该论文给出结论，由Fe–Si-Al薄片（具有各向异性性质）制成的复合片材的磁导率（μmax）优于由雾化的磁性粉末材料制成的片材，且使用由Fe-Si-Al薄片制成的复合片材可能有很高的导磁率。
可能意想不到如此，已经被相当地精细化为提供期望的磁性性质的现有的磁性复合薄片材料，没有有效地为可在新的电子设备要求的增加的电流水平下操作的小型化组件提供足够的性能能力。为了提供更低的成本、仍然较高的性能，需要诸如可在更高的电流水平下操作的功率电感器和变压器之类的层压和小型化的磁性组件、其他类型的磁性复合薄片材料。
下文描述了创新的磁性组件构造的示例性实施例，使用提供更高电流和功率应用的改进的性能（这对于使用已知磁性复合薄片材料，即便并非不可能的话，也是难以实现的）的增强磁性复合薄片材料。相对于其他已知功率电感器构造，可用减少的成本制造诸如功率电感器和变压器组件之类的磁性组件。与所描述的设备相关联的制造方法和步骤，部分是显而易见的，且部分在下文特别所描述、但是相信在不需要进一步解释的情况下落在本领域技术人员的范围内。
图1-7示出磁性组件100的第一示例性实施例，包括插在第一和第二磁性复合片材104和106之间的线圈102、和与线圈102组装并且插在第一和第二磁性复合片材104和106之间的任选的磁芯件108。
线圈102根据已知技术由柔性电线导体制成，且线圈102包括第一端或导线110、第二导线112（在图2-4中最佳地看出）、在第一和第二导线110、112之间延伸并包括数匝或环的绕组部分114。在所图示的示例性实施例中，被用于制造线圈102的电线导体具有圆形或环形截面，但是如果期望的话，其在横截面上可选地可以横截面是平的或矩形的。在图示示例中的线圈102是螺旋形地且螺线地围绕绕组轴从而形成例如具有期望电感值的绕组部分114。用于制造线圈102的精准绕组技术是已知的且不在此处进一步详细描述。使用已知技术，线圈102还可任选地被设置有绝缘层，来防止线圈在使用中的潜在的电短路。
如本领域技术人员将了解的，绕组部分114的电感值主要取决于电线的匝数、被用于制造线圈102的电线的特定材料、和被用于制造线圈102的电线的截面积。这样，通过改变线圈匝数、匝的设置、和线圈匝的截面积，可对于不同应用显著地改变磁性组件100的电感额定值。如图所示被紧密地缠绕的线圈102包括相对于被用于小型化组件的常规线圈在紧凑配置中的相对较高的匝数。因此相对于其他已知小型化磁性组件构造而言，组件100的电感值可显著被增大。
任选地，且如图1中所示，端子突出部（tab）114和115可被提供为每一个突出部115、116经由已知的焊接、焊接或铜焊技术、或本领域已知的其他技术，连接至各线圈导线110、112。突出部114、115一般是平面的且矩形的元件，它们彼此对齐且如图所示被设置为彼此基本共面，但是端子元件的其他形状、设置、和配置当然是可能的。当组件100完成时，如下文详细所述，端子突出部114、115被形成到表面安装端子中。
尽管图示的组件100是包括一个线圈102的功率电感器组件，可构想的是，可类似地设置多于一个的线圈102。在多线圈实施例中，线圈可在电路中串联或并联连接。分离的线圈可被类似地设置从而形成变压器组件而不是电感器。
磁性复合片材104和106被设置为独立、固态片材层且因此可被更容易地组装（相对于为制造目的而沉积在衬底材料上或由衬底材料支撑的现有技术中已知的浆或半固态材料、和液态材料而言）。磁性复合片材104和106是柔性的且可服从如下所述的层压处理。
尽管存在本领域中被接受的理解，即在复合磁性片材构造中，磁性粉末颗粒的形状各向异性是理想的。申请人相信这样的形状各向异性实际上对于构造磁性组件（包括但不一定限于较高的电流、小型化的功率电感器）可具有相反的作用。即，且可能没有预料到如此，特定磁性组件（组件100是其中一个示例）的磁性性能，可实际上通过使用不具形状各向异性、而具有下述其他性质的磁性复合片材104、106而被改进。
如本领域技术人员所了解的，形状各向异性是指被用于形成磁性复合片材104和106的磁性粉末颗粒的形状。高度对称的磁性粉末颗粒被认为不具有形状各向异性，从而给定磁场将粉末颗粒在所有方向上磁化到相同程度。正方形颗粒和球状颗粒是不具有形状各向异性的颗粒的示例，但是其他对称的情况是可能的。尽管磁性颗粒本身大小可在某种程度上变化，磁性复合片材104、106的均匀形状将不提供形状各向异性。可选地陈述，尽管磁性颗粒的实际尺寸不相同，但磁性复合片材104、106中颗粒的长径比（在很多方面与之前描述的组件100类似的三维组件200中，是最长尺寸与最短尺寸的比。因此在实施例100和200中，对于相对应的特征使用类似的参考标号。对于与组件100尺寸坐标系的特征重叠的组件200的特征，读者参看上述讨论）基本是统一的。有可能，在磁性复合片材104、106中，即使组合使用，颗粒的两个或更多个不同形状可具有相同的长径比且不提供形状各向异性，但是具有不同长径比的不同形状（甚至可能是随机分布的形状和长径比）的磁性颗粒不会提供不具有形状各向异性的磁性复合片材。
如上所述，且与磁性复合片材104和106不一样，现有的磁性复合薄片材料一般被配制并精细化为提供预定程度的形状各向异性（即，使得磁性颗粒具有细长的、高度对称的形状和较大的长径比）。从功率磁性（power magnetics）角度而言，形状各向异性被认为是衰减、而不是改进，磁性性能，且目前为止已经呈现了由常规、形状异性磁性复合片材构造而成的磁性组件的实践性能限制。
应该了解的是，尽管没有形状各向异性对于磁性复合片材104、106而言是有益的，但是在进一步和/或可选的实施例中在磁性复合片材104、106中存在或可呈现其他形式的各向异性。例如，即使在不具有形状各向异性的颗粒中可存在磁晶各向异性。作为另一个示例，还可存在一定程度的应力各向异性。即，尽管磁性复合片材104、106不具有形状各向异性，它们可能在其他方式上是各向异性的。然而，当磁性粉末颗粒大小较小时，形状各向异性易于成为各向异性的主导形式。
在各实施例中，被用于制造磁性复合片材104、106的软磁粉末颗粒可包括铁素体颗粒、铁（Fe）颗粒、铝硅铁（Fe-Si-Al）颗粒、MPP（Ni-Mo-Fe）颗粒、HighFlux（Ni-Fe）颗粒、Megaflux（Fe-Si合金）颗粒、基于铁的非晶粉末颗粒、基于钴的非晶粉末颗粒、和本领域中已知的其他合适的材料。如果期望的话，还可使用这样的磁性粉末颗粒材料的组合。可使用已知方法和技术获得磁性粉末颗粒。任选地，磁性粉末颗粒可被涂覆绝缘材料。
在被形成后，磁性粉末颗粒可被与粘合剂材料混合且组合。粘合剂材料可以是基于聚合物的树脂，其具有在用于组件100的高电流、高功率使用的组件100的层叠构造中所期望的热流特性。该树脂可进一步是本质上热塑性或热固性，无论哪一个有助于用热和压力层压片材层104、106。可任意地添加溶剂等来帮助复合材料处理。复合粉末颗粒和树脂材料可被形成并被固化为明确的形状和形式，诸如基本平的和柔性的薄片材104、106，如图所示。用于制造磁性片材104、106的特定方法和技术是已知的，且此处不予单独描述。用于制造现有复合磁性片材的很多方法和技术仍然有用，但是例外在于如上述的形状各向异性以及下文简短说明的复合物中的一些细节。
被用于形成片材104、106的磁性复合材料的各种配方可能实现所使用的组件100的各种水平的磁性性能。一般而言，然而，在功率电感器应用中，材料的磁性能一般成比例于所用的磁性颗粒的磁通密度饱和点（Bsat）、磁性颗粒的磁导率（μ）、薄板中磁性颗粒的填充率（loading）（重量%）、以及如下文所述绕线圈被压制后所完成的复合物的体密度。即，通过增加磁性饱和点、磁导率、填充率、和体密度，将实现较高的电感并改进性能。
另一方面，组件的磁性能反比于复合物中所用的粘合剂材料的量。因此，当具有粘合剂材料复合物的填充率增加时，端组件（end component）的电感值，以及组件的整体磁性能，易于减少。Bsat和μ都是与磁性颗粒相关联的材料性质且可随颗粒类型变化，而磁性颗粒的填充率和粘合剂的填充率可随复合物的不同设计而变化。
对于电感器组件，可利用上述考虑来战略性地选择材料和复合物设计从而实现特定目的。作为一个示例，相对铁氧体材料而言更优选金属粉末材料用于高功率电感器应用中的磁性粉末材料，因为诸如Fe-Si颗粒之类的金属粉末具有较高的Bsat值。Bsat值是指通过应用外部磁场强度H达到的磁场中的最大流量密度B。磁化曲线，有时称为B-H曲线，其中相对于磁场强度H的范围描绘的流量密度B可展现任意给定材料的Bsat值。B-H曲线的初始部分定义了将变得磁化的磁芯20的材料的导磁率或倾向。Bsat是指B-H曲线中某一点，在此处建立了材料的最大状态的磁化或通量，从而即使磁场强度持续增加磁通量保持不变。换言之，B-H曲线达到并维持最小斜率的点代表了通量密度饱和点（Bsat）。
此外，诸如Fe-Si颗粒之类的金属粉末颗粒，具有相对高的磁导率，而诸如FeNi（坡莫合金）之类的铁氧体材料具有相对较低的磁导率。一般而言，所使用的金属颗粒的B-H曲线中的导磁率斜率越高，复合物材料将磁通量和能量存储在特定当前值的能力越大，这引起产生通量的磁场。
在示例性实施例中，磁性粉末颗粒至少占据复合物的90%重量百分比。此外，复合片材104、106可具有至少3.3克每立方厘米的密度，以及至少10的有效磁导率。复合材料被形成为片材104、106从而在片材中不产生任何物理空隙或间隙。因此，片材104、106具有分布的间隙性质，其避免在组件构造中产生物理间隙的需要。当被完全形成时，磁性复合片材104、106具有绝缘、介电、和磁性性质。对于本文讨论的上下文，术语“绝缘体”是指较低程度的导电，且因此片材104、106在使用中将不导通电流。术语“介电”是指在所施加的电场中复合材料的高极化性（即，电极化率）。术语“磁性”是指响应于所施加的磁场，复合物获得的磁化程度（即，导磁率）。使用这样的复合片材104和106、具有较大电感值以及相对较大的直流容量的功率电感器可能用于较小大小的高功率的电子设备。
如前所述，对比于具有不明确形状的本领域已知的半固态和液态材料，磁性复合片材104和106是独立的、在室温下是柔性固体、且在形状上是明确的。因此，磁性复合片材104和106可***作、处理、并以明确形状组装，从而在不必要使用在其他已知磁性组件构造中半固态或液态复合材料所必须的支撑衬底、沉积技术等的情况下形成磁性组件。更特定地，且如图1-3中所示，以手动或自动步骤，复合片材104、106可被层叠为如图所示，且相比很多现有的小型化磁性组件构造，以更为简单和直接的过程被层压。
两个片材104、106被图示在图1-7的说明性实施例中。依在与片材平面垂直的方向中所测，每一个片材104、106相对较薄，可得到特别低轮廓的磁性组件。然而，可理解的是，可可选地使用多于两个的片材104、106，虽然这样，因为增加了附加片材，所完成的组件大小增加。还可构想的是，在特定实施例中，在不使用下片材106或任何其他片材的情况下，可将诸如上片材104之类的单个片材层压至线圈102还有，尽管示出基本正方形的片材，可选地可采用其他几何形状的磁性复合片材104、1006。
磁芯件108独立于第一和第二复合片材104、106被提供。磁芯件108可包括具有第一尺寸的第一部分118和具有第二尺寸的第二部分120。在图示示例中，第一部分118一般是环状或盘形的且具有从组件100的中心轴122开始测得的第一直径R1(图3)，且第二部分120一般是圆柱形的且具有基本小于第一直径R1的不同的第二直径R2。第二部分120从第一部分118向上延伸，且一般占据线圈绕组部分114的打开的中间区域。即，R2基本等于线圈绕组部分114的内径。磁芯件108有时称为T-磁芯，且因此可由本领域技术人员所识别。
线圈绕组部分114坐落在或靠在磁性件的第一部分118上。在示例的实施例中，第一部分118的半径R1相对较大以使第一部分118的外周基本完全延伸在片材104、106相对的端部边缘之间，如图3中最佳所示。除了磁芯件108的第一部分118的圆形形状和片材104和106的正方形形状，磁芯件第一部分118在面积上与下片材106同边界并提供较大的接触面积。
与第一部分118相比，具有较小半径R2的第二部分120，并不与上片材104同边界，且提供较小的接触面积。线圈绕组部分114中的多个匝围绕着磁芯件108的第二部分延伸，且第二部分120沿与轴122平行的方向延伸超过线圈102较短距离（图3）。在一个实施例中，当组件100被组装时，线圈102被预先缠绕并装配在磁芯件第二部分120上。端子突出部114、115（图1）可帮助将线圈102组装至磁芯件108。在另一个实施例中，线圈102可被直接形成在磁芯件上并围绕磁芯件缠绕。
磁芯件108可由铁氧体、上述公开的任意磁性粉末颗粒、或本领域已知的其他合适的磁性材料制成。磁芯件108在层压处理过程中对于线圈102提供结构支撑、帮助相对于复合片材104、106定位线圈102、并提供完成组件100的附加磁性能，特别是当磁芯件108相比复合片材104、106具有更大的磁导率时。在这样的实施例中，具有较高的直流容量的线圈102可因此与对于甚至更大的电感具有更大磁导率的磁芯件108耦合。
一旦线圈102、片材104和106、和磁芯件108被如图2和3所示地被组装，该组件被如图4-6中所示地被层压。使用压力或可能热（这取决于被用于形成片材104、106的特定粘合剂），片材104和106被层压至线圈102和磁芯件108。当被如图4所示地压缩时，柔性片材104和106在较为刚性的线圈102和磁芯件108的可应用表面上变形，同时在没有任何物理间隙的情况下完整地内嵌线圈102和磁芯件108并定义组件100的单块、单片磁芯结构124。磁芯结构124在所示实施例中是基本正方形的，但是其他形状是可能的。
由于片材104和106在压缩力作用下变形并定义磁芯结构124，各片材104和106的厚度在每一个片材的表面中、且相对于彼此，以不均匀的方式被改变。即，片材104和106在片材的不同区域中或相对彼此不必要被变形至同一程度。片材104和106彼此接触并在组件100的一些区域（如，在线圈102的边缘和片材104和106的外边缘之间）中结合彼此，且片材104接触到线圈102和磁芯件108的外表面并在其他区域中结合至它们。由于在与轴122平行的方向上的线圈102和磁芯件104的几何形状（图3），在与轴122平行的方向中测得的片材104和106的厚度，在层压后，如图4所示，变化了。在图示示例中，被层压的磁芯结构124的厚度不等于层压前片材104和106的厚度之和。
尽管片材104和106在磁芯结构104被定义时它们接触到的地方被接合至彼此，片材104和106没有混合而是在构造中仍是被接合的层。即，尽管由于在将片材层压至三维线圈102和磁芯件108中所涉及的几何形状的关系，片材104和106之间的接合线可以是复杂的，但是接合线仍然存在。反之，且为清楚起见，其中这样的对应层确实互混并混淆从而实际上变得不能彼此区分的构造，将不形成层压且不会构成为本发明的目的层压过程。特定地，在本发明的上下文中，变得液态化并互混的层将不被层压。
被组装的线圈102、片材104和106、和磁芯件108可被放置在模具中且在模具中被层压从而保持如图4和5中所示的被层压的组件的形状，其可如图所示是矩形的，但是其他形状是可能的。由于磁性复合片材104和106被设置为固态柔性材料，然而，没有材料需要被压注至模具，且不需要涉及与注模处理相关联的高温。反之，固态材料的相对简单的压缩模制、和可能一些加热，就是为完成磁芯结构124所需要的全部步骤。不需要一般与注模处理相关联的提升的压力和温度。相应地节省了与生成、维持、和控制提升的温度和压力条件相关联的成本。
如图5和6中所示，当端子突出部114和115被设置时，它们从磁芯结构124的相对侧边缘125、127延伸，且位于磁芯结构124的侧边缘125、127的中间(它们依靠在此处)。进一步，端子突出部114从各磁芯结构侧边缘125、127突出达充分的距离、在图示示例中垂直于侧边缘125和127延伸，其可被形成、弯曲、或以其他方式围绕磁芯结构124的侧边缘125、127和磁芯结构124的底表面128的部分延伸，从而在组件的底面侧上提供基本平面的安装端子126。当安装端子126被安装至电路板时，可完成电路路径：从电路板、通过端子126之一到相应的线圈导线110或112、通过线圈绕组部分114到另一个线圈导线110或112、然后通过另一个端子126回到电路板。当被这样安装至电路板时，组件100可被配置为功率电感器或变压器，这取决于所使用的线圈配置（多个）的细节。
尽管使用端子突出部114和115来形成如图所示的示例性表面安装端子126，可选地可以另一种方式形成表面安装端子。例如，如图4中所示，当组件被层压时，线圈导线110和112延伸至侧边缘125和127，其他端子结构可被附连至线圈导线110和112。在本领域中已知各种技术用于提供印刷电路板应用的表面安装端子，可使用其中的任意。仅为说明性目的提供如图所示的端子126，且了解，其他端接技术是已知的且可被使用。
图8-14示出在很多方面与上文所述的组件100的很多方面类似的磁性组件200的另一个实施例。因此，在实施例100和200中，对于对应特征使用类似的附图标号。对于与组件100特征重叠的组件200的特征，请读者参看上述讨论。
对于图1-7和图8-14的研究将展现组件100和200之间的差异是组件200使用了与磁芯件108不同的磁芯件201。
磁芯件201，与磁芯件108类似，独立于第一和第二磁性复合片材104、106被提供。磁芯件201可包括具有第一尺寸的第一部分204、具有第二尺寸的第二部分204（图10）、和具有第三尺寸的第三部分206。在图示示例中，第一部分202一般是环状或盘形的且具有从组件100的中心轴122开始测得的第一直径R1(图10)，且第二部分204一般是圆柱形的且具有基本小于第一直径R1的不同的第二直径R2。第二部分204从第一部分202向上延伸，且一般占据线圈绕组部分114的打开的中间区域。即，R2基本等于线圈绕组部分114的内径。
第三部分206延伸超出第二部分204，基本是环形或盘状的，且具有从组件100的中心轴122测得的第三半径R3（图10）。第三半径R3大于R2但小于R1，从而第三部分206定义了相对于第二部分204的悬伸凸缘。第二部分204，在各自具有较大半径的部分202和206之间延伸，因此为线圈102的绕组部分114定义了受限的空间或位置。磁芯件202有时称为鼓芯，且因此可由本领域技术人员所识别。
线圈绕组部分114坐落在或靠在磁性件的第一部分202上。在示例实施例中，第一部分202的半径R1相对较大以使第一部分202的外周基本完全延伸在片材104、106相对的端部边缘之间，如图10中最佳所示。除了磁芯件201的第一部分202的圆形形状和片材104和106的正方形形状，磁芯件第一部分202在面积上与下片材106同边界并提供较大的接触面积。
与第一部分118相比，具有较小半径R2和R3的第二和第三部分204和206，并不与上片材104同边界，且提供较小的接触面积。线圈绕组部分114中的多个匝围绕磁芯件201的第二部分204延伸。线圈102可被直接形成在鼓芯201上且围绕鼓芯201缠绕，从而在第二部分204上缠绕绕组部分114。绕组102可被预先制造在鼓芯201上并被提供作为用于制造组件200的子组件。
磁芯件201可由铁氧体、上述公开的任意磁性粉末颗粒、或本领域已知的其他合适的磁性材料制成。
磁芯件201在层压处理过程中对于线圈102提供结构支撑、帮助相对于复合片材104、106定位线圈102、并提供完成组件200的附加磁性能，特别是当磁芯件201相比复合片材104、106具有更大的磁导率时。在这样的实施例中，因此，具有较高的直流容量的线圈102可与对于甚至更大的电感具有更大磁导率的磁芯件201耦合。
除了用来替代磁芯件108的磁芯件201，组件200的制造与上述基本一样，具有类似的益处和优势。
图15-20示出在很多方面与上述组件100和200类似的磁性组件300的另一个实施例，但是完全省略了独立地提供的磁芯件。即，既不使用磁芯件108也不使用磁芯件201。在组件300中，片材104和106变形，因为它们被压缩并占据线圈102的开口中间区域，且因此被内嵌在线圈周围且在开口的线圈中间。因此，以相比其他已知的小型化磁性组件而言减少的成本，提供可接受的磁性组件300用于较低的电流应用。如前文所述，在特定实施例中，下片材106可被认为是任选的，仅上片材104可被层压至线圈。在本发明的所有被构想的实施例中，并不都需要多个磁性复合片材。
此外，组件300在所有方面类似于上述组件100。因此，在实施例100和300中，对于对应特征使用类似的附图标号。对于与组件100特征重叠的组件300的特征，读者请参看上述讨论。
借助于所述片材104和106的介电、磁性、和聚合物性质，可用较大的电感值和较大的直流容量提供诸如功率电感器之类的小型化、低轮廓磁性组件，这在迄今为止是根本非常难以用经济的方式制造的。对于诸如变压器之类的其他类型的小型化磁性组件，可发生类似的益处。
现在本发明的优点和优势相信已经相关于所描述的示例性实施例充分地公开了。
已经公开了磁性组件，包括：至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；和至少一个绝缘、介电、和磁性片材，包含不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒和粘合剂材料的复合混合物，所述复合物物被提供为独立、固态的片材层；其中该至少一个绝缘、介电、和磁性片材被层压向该线圈，藉此定义内嵌至少一个线圈的单块磁芯结构。
任选地，粘合剂材料可以是热塑性或热固性树脂之一。树脂可以是基于聚合物的。该至少一个绝缘、介电、和磁性片材可用热和压力中至少一个被层压至线圈。在至少一个绝缘、介电、和磁性片材中，磁性粉末颗粒可包括混合物的至少90%的重量百分比。该至少一个绝缘、介电、和磁性片材的有效导磁率可至少为10。该至少一个绝缘、介电、和磁性片材的密度可至少是3.3克每立方厘米。端子突出部可被耦合至第一和第二导线中每一个。表面安装端子耦合至各自对应的第一和第二导线。
磁芯件可独立于该至少一个绝缘、介电、和磁性片材而提供，其具有围绕该磁芯件延伸的多个匝，且该至少一个片材层压至线圈和磁芯件。该磁芯件可包括具有第一半径的第一部分和具有不同于第一半径的第二半径的第二部分，且第二部分从第一部分延伸且多个匝围绕第二部分延伸。被独立制造的磁芯件可以是鼓芯，且线圈可以缠绕鼓芯。
组件可以是功率电感器。该至少一个绝缘、介电、和磁性片材可包括第一片材和第二片材，且第一和第二片材的每一个包含不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒和粘合剂材料的复合混合物，所述复合物被提供为独立、固态的片材层；其中至少一个线圈***在第一和第二片材之间，且其中第一和第二片材被层压至线圈和彼此，从而将至少一个线圈内嵌在单块磁芯结构中。
还公开了磁性组件的另一个实施例，包括：第一和第二绝缘、介电、和磁性片材；至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；其中该至少一个导线线圈***在第一和第二绝缘、介电、和磁性片材之间；其中该第一和第二绝缘、介电、和磁性片材被层压向线圈从而在其中内嵌线圈并在不创建物理间隙的情况下定义单块磁芯结构；且第一和第二绝缘、介电、和磁性片材各自包括：复合片材，包括不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒和聚合物粘合剂，该粘合剂包括可被用热和压力层压的热塑性或热固性树脂；该复合物可被提供为独立、固态的片材层；其中复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；其中磁性粉末颗粒包括复合物的至少90%的重量百分比；且其中复合物的有效导磁率是至少10。
磁性组件可进一步包括独立于第一和第二片材而提供的磁芯件，具有围绕磁芯件延伸的多个匝，且该第一和第二片材被层压至线圈和独立制造的磁芯件来形成单块磁芯结构。被独立制造的磁芯件可包括具有第一半径的第一部分和具有不同于第一半径的第二半径的第二部分，且第二部分从第一部分延伸且多个匝围绕第二部分延伸。该磁芯件可以是鼓芯，且线圈可以缠绕鼓芯。该磁性组件可进一步包括表面安装端子，且该组件可以是功率电感器。
附加地公开了磁性组件的实施例，包括：第一和第二绝缘、介电、和磁性片材，各自包括被提供为独立、固态片材层的复合物；至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；独立于该第一和第二绝缘、介电、和磁性片材而提供的磁芯件；围绕该磁芯件延伸的多个匝；其中该至少一个导线线圈和该磁芯件***在第一和第二绝缘、介电、和磁性片材之间；其中该第一和第二绝缘、介电、和磁性片材被层压向线圈和磁芯件从而内嵌该线圈和磁芯件并在不创建物理间隙的情况下定义单块磁芯结构；和连接至第一和第二线圈导线的表面安装端子。
该磁芯件可包括具有第一半径的第一部分和具有不同于第一半径的第二半径的第二部分，且第二部分从第一部分延伸且多个匝围绕第二部分延伸。被独立制造的磁芯件可以是鼓芯，且线圈可以缠绕鼓芯。复合物可包括：不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒；和聚合物粘合剂，包括可被用热和压力层压的热塑性或热固性树脂；其中复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；其中磁性粉末颗粒包括复合物的至少90%的重量百分比；且其中复合物的有效导磁率是至少10。组件可以是功率电感器。
还公开了制造磁性组件的方法，该磁性组件包括线圈和至少一个绝缘、介电、和磁性片材。该方法包括：将至少一个线圈与至少一个绝缘、介电、和磁性片材层组装；该至少一个片材包括被提供为独立、固态的片材层的复合物，该复合物包括不具有形状各项异性的软磁性粉末颗粒；并将至少一个绝缘、介电、和磁性片材层压向至少一个线圈，藉此在没有物理间隙的情况下形成其中内嵌线圈的单块磁芯结构。
任选地，将至少一个线圈与至少一个片材组装可包括：将至少一个线圈***第一和第二绝缘、介电、和磁性片材，每一个片材是被提供为独立、固态片材层的复合物，每一个片材中的复合物包括不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒；并将第一和第二绝缘、介电、和磁性片材层压向至少一个线圈，藉此在没有物理间隙的情况下形成其中内嵌线圈的单块磁芯结构。该方法还可包括提供连接至第一和第二导线的表面安装端子。该线圈可包括至少一个导电线圈，其包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；且该组件可进一步包括独立于至少一个绝缘、介电、和磁性片材而提供的磁芯件，该方法进一步包括：将多个匝围绕该磁芯件的一部分延伸；并将至少一个绝缘、介电、和磁性片材层压向该线圈和磁芯件。将多个匝围绕该磁芯件的一部分延伸可包括围绕鼓芯缠绕线圈。
由该方法可形成产品，且该产品可以是功率电感器。该复合物可进一步包括：聚合物粘合剂，包括可被用热和压力层压的热塑性或热固性树脂；其中复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；其中磁性粉末颗粒包括复合物的至少90%的重量百分比；且其中复合物的有效导磁率是至少10。
36.还公开了磁性组件的实施例，包括：至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；和磁性复合材料，在不产生物理间隙的情况下定义内嵌至少一个线圈的单块磁芯结构；其中磁性复合材料包括不具有形状各向异性的金属粉末颗粒和粘合剂；其中复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；其中金属粉末颗粒包括复合物的至少90%的重量百分比；且其中复合物的有效导磁率是至少10。
可通过至少一个绝缘、介电、和磁性片材层压向至少一个线圈而形成单块磁芯结构。该至少一个片材可包括第一和第二片材，且导电线圈***在该第一和第二绝缘、介电和磁性片材之间。
所写的描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，且还可使得本领域技术人员实践本发明，包括制造并使用任何设备或***以及执行任何所结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求界定，且可包括对于本领域技术人员而言显而易见的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面含义没有区别的结构元件、或者这样的其他示例包括具有与权利要求没有本质区别的等效的结构元件的话，这些其他示例意在落在权利要求的范围中。

Claims (38)

1.一种磁性组件，包括：
至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在所述第一和第二导线之间的多个匝；和
至少一个绝缘、介电、和磁性片材，包含不具有形状各向异性的软性磁性粉末颗粒和粘合剂材料的复合混合物，所述复合物被提供为独立、固态的片材层；
其中所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材被层压向所述线圈，藉此定义内嵌至少一个线圈的单块磁芯结构。
2.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，所述粘合剂材料是热塑性或热固性树脂之一。
3.如权利要求2所述的磁性组件，其特征在于，所述树脂是基于聚合物的。
4.如权利要求2所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材用热和压力中至少一个被层压至所述线圈。
5.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，所述磁性粉末颗粒包括在所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材中的混合物的至少90%的重量百分比。
6.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材的有效磁导率为至少10。
7.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材的密度为至少3.3克每立方厘米。
8.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，还包括耦合至所述第一和第二导线中每一个的端子突出部。
9.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，还包括耦合至各自对应的第一和第二导线的表面安装端子。
10.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，还包括独立于所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材而提供的磁芯件，多个匝围绕所述磁芯件延伸，且所述至少一个片材层压至所述线圈和所述磁芯件。
11.如权利要求10所述的磁性组件，其特征在于，所述磁芯件包括具有第一半径的第一部分和具有不同于所述第一半径的第二半径的第二部分，且所述第二部分从所述第一部分延伸且所述多个匝围绕所述第二部分延伸。
12.如权利要求11所述的磁性组件，其特征在于，所述被独立制造的磁芯件包括鼓芯，且所述线圈围绕所述鼓芯缠绕。
13.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，所述组件是功率电感器。
14.如权利要求1所述的磁性组件，其特征在于，
其中所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材包括第一片材和第二片材，且所述第一和第二片材的每一个包含不具有形状各向异性的软性磁性粉末颗粒和粘合剂材料的复合混合物，所述复合物被提供为独立、固态的片材层；
其中所述至少一个线圈***在所述第一和第二片材之间，且
其中所述第一和第二片材被层压向所述线圈和彼此，来将所述至少一个线圈内嵌在单块磁芯结构中。
15.一种磁性组件，包括：
第一和第二绝缘、介电、和磁性片材；
至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在所述第一和第二导线之间的多个匝；
其中所述至少一个导线线圈***在所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材之间；
其中所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材被层压向线圈，从而在其之间内嵌线圈，并在不产生物理间隙的情况下定义单块磁芯结构；和
所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材各自包括：
可用热和压力而层压的复合片材，其包括不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒和聚合物粘合剂，所述粘合剂包括热塑性或热固性树脂；
所述复合物可被提供为独立、固态的片材层；
其中所述复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；
其中所述磁性粉末颗粒包括所述复合物的至少90%的重量百分比；和
其中所述复合物的有效导磁率是至少10。
16.如权利要求15所述的磁性组件，其特征在于，还包括独立于所述第一和第二片材而提供的磁芯件，所述多个匝围绕所述磁芯件延伸，且所述第一和第二片材被层压至所述线圈和所述独立制造的磁芯件来形成单块磁芯结构。
17.如权利要求16所述的磁性组件，其特征在于，所述独立制造的磁芯件包括具有第一半径的第一部分和具有不同于所述第一半径的第二半径的第二部分，且所述第二部分从所述第一部分延伸且所述多个匝围绕所述第二部分延伸。
18.如权利要求17所述的磁性组件，其特征在于，所述磁芯件包括鼓芯，且所述线圈围绕所述鼓芯缠绕。
19.如权利要求15所述的磁元件，其特征在于，还包括表面安装端子。
20.如权利要求19所述的磁性组件，其特征在于，所述组件是功率电感器。
21.一种磁性组件，包括：
第一和第二绝缘、介电、和磁性片材，各自包括被提供为独立、固态片材层的复合物；
至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在该第一和第二导线之间的多个匝；
独立于所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材而提供的磁芯件；
围绕所述磁芯件延伸的多个匝；
其中所述至少一个导线线圈和所述磁芯件***在所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材之间；
其中所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材被层压向所述线圈和所述磁芯件，从而内嵌所述线圈和所述磁芯件，并在不产生物理间隙的情况下定义单块磁芯结构；和
连接至所述第一和第二线圈导线的表面安装端子。
22.如权利要求21所述的磁性组件，其特征在于，所述磁芯件包括具有第一半径的第一部分和具有不同于所述第一半径的第二半径的第二部分，且所述第二部分从所述第一部分延伸，且所述多个匝围绕所述第二部分延伸。
23.如权利要求22所述的磁性组件，其特征在于，所述被独立制造的磁芯件包括鼓芯，且所述线圈围绕所述鼓芯缠绕。
24.如权利要求21所述的磁性组件，其特征在于，所述复合物包括：
不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒；和
聚合物粘合剂，包括可用热和压力而层压的热塑性或热固性树脂；
其中所述复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；
其中所述磁性粉末颗粒包括复合物的至少90%的重量百分比；和
其中所述复合物的有效导磁率是至少10。
25.如权利要求21所述的组件，其特征在于，所述组件是功率电感器。
26.一种用于制造磁性组件的方法，所述磁性组件包括线圈和至少一个绝缘、介电、和磁性片材，
所述方法包括：
将所述至少一个线圈与所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材层组装；所述至少一个片材包括被提供为独立、固态的片材层的复合物，所述复合物包括不具有形状各项异性的软磁性粉末颗粒；和
将所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材层压向所述至少一个线圈，藉此在没有物理间隙的情况下形成其中内嵌线圈的单块磁芯结构。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述至少一个线圈与所述至少一个片材组装包括将至少一个线圈插在第一和第二绝缘、节点、和磁性片材之间，该片材的每一个是被提供为独立、固态片材层的复合物，每一个片材中的所述复合物包括不具有形状各向异性的软磁性粉末颗粒；和
将所述第一和第二绝缘、介电、和磁性片材层压向所述至少一个线圈，藉此在没有物理间隙的情况下形成其中内嵌线圈的单块磁芯结构。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括提供连接至所述第一和第二导线的表面安装端子。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述线圈包括至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在所述第一和第二导线之间的多个匝，且所述组件进一步包括独立于所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材而提供的磁芯件，所述方法还包括：
将所述多个匝围绕所述磁芯件的一部分延伸；且
将所述至少一个绝缘、介电、和磁性片材层压向所述线圈和所述磁芯件。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，将所述多个匝围绕所述磁芯件的一部分延伸包括围绕着鼓芯缠绕所述线圈。
31.由权利要求26所述的方法形成的产品。
32.如权利要求31所述的产品，其特征在于，所述产品是功率电感器。
33.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述复合物还包括：
聚合物粘合剂，包括可用热和压力而层压的热塑性或热固性树脂；
其中所述复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；
其中所述磁性粉末颗粒包括所述复合物的至少90%的重量百分比；和
其中所述复合物的有效导磁率是至少10。
34.由权利要求33所述的方法形成的产品。
35.如权利要求34所述的产品，其特征在于，所述产品是功率电感器。
36.一种磁性组件，包括：
至少一个导电线圈，包括第一导线、第二导线、和在所述第一和第二导线之间的多个匝；和
磁性复合材料，在不产生物理间隙的情况下定义内嵌所述至少一个线圈的单块磁芯结构；
其中所述磁性复合材料包括不具有形状各向异性的金属粉末颗粒和粘合剂；
其中所述复合物的密度是至少3.3克每立方厘米；
其中所述金属粉末颗粒包括所述复合物的至少90%的重量百分比；和
其中所述复合物的有效导磁率是至少10。
37.如权利要求36所述的磁性组件，其特征在于，通过被层压向所述至少一个线圈的至少一个绝缘、介电、和磁性片材而形成单块磁芯结构。
38.如权利要求36所述的磁性组件，其特征在于，所述至少一个片材包括第一和第二片材，且所述导电线圈***在所述第一和第二绝缘、介电和磁性片材之间。
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