JP4247518B2 - 小型インダクタ／変圧器及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、電気誘導部品およびその部品の製造方法に関する。
（発明の背景）
電気誘導部品は、通常、強磁性体のコアと絶縁された導体の巻線を使用して製造される。強磁性体のコアには、一般的には、トロイダルコア、ロッドコア、または図１に示されているように、下側がＥ形をした強磁性体部品とＥ形の３本のレッグを結合する強磁性体カップとで構成されたアセンブリなどがある。
【０００２】
トロイダルコアとロッドコアの場合は、変圧器用の多数の複数巻の巻線またはインダクタ用のシングル巻線を形成するために、絶縁された銅線が人手または自動的に巻かれる。そのアセンブリは、銅線を保護するために、通常カプセルに封入される。その回路の接続は、実装される際に必要なワイヤのはんだ接続によって行われる。この方法は、個々のパーツのハンドリングを含むので、高い人件費を必要とする。また、漏れインダクタンス、分散した巻線間キャパシタンス、銅線の正確な位置決めの難しさに起因する巻線間の通常モードのアンバランスというような電気的なパラメータが、大きく変動する可能性を有している。
【０００３】
図１に示したＥ形とＥ形を囲むカップで構成されたアセンブリは、要求されるようなＥ形のレッグの周りに、絶縁された銅線を人手によるか自動的に巻くことによって電気誘導部品に形成される。所定の位置へカップを接着することまたはクランプすることのいずれかと、最終的な封入によって、この組立が終了する。同様に、回路の接続は、実装の際に必要なワイヤのはんだ接合によって形成される。このデバイスは、上記のようなトロイダルコアやロッドコアに限定されるだけではなく、通常デバイスの形状がかなり大きい。その理由は、カップが分離しているために、磁気パス(magnetic path)が、Ｅ形とキャップとの間に、変圧器の効率を低下させる非強磁性ギャップという抵抗を有するからである。
【０００４】
図１に示したような構成を有するパワー変圧器の場合には、さらに、Ｅ形のコアとキャップによって、これらの巻線がヒートシンクから隔離されるために、巻線内の抵抗ロスに起因する熱を、簡単には取り除くことができないという欠点がある。
（発明の開示）
本発明に係る好ましい実施の形態は、最先端の技術を越える極めて重要な利点を有する、インダクタと変圧器およびそれらのデバイスの製造方法を提供する。本発明に係るこれらのインダクタや変圧器は、エレクトロニクス、電気通信、コンピュータの分野で、多くのものへ応用することができる。
【０００５】
以下に説明する好ましい実施の形態では、インダクタや変圧器のコアが、フレキシブル回路（ＦＬＥＸ）またはプリント回路（ＰＣＢ）のような適当な基板の上に支持された、多層の連続した薄い同心の強磁性金属リングによって形成されている。これらの同心リングのコアに近接して設けられたビアホールは、プリント回路に、電気的な接続を提供することにより、インダクタや変圧器の巻線を提供する。この実施の形態によれば、最小の渦電流効果を有する高透磁率のインダクタや変圧器を構成することが可能である。そのような構成のインダクタや変圧器は、小型の低周波電源用に特別に応用される。
【０００６】
上記の利点に加えて、好ましい実施の形態には、多くのその他の重要な長所がある。それらの長所には、優れた抜熱、電気的な接続が簡単化されたより便利な外部接続、磁気性能を向上させるより短いフラックスパス、より簡単な製造、より多く集積された相互接続、より小さな電気誘導デバイス、優れた性能および優れた製造の再現性などが含まれる。
（好ましい実施の形態に関する詳細な説明）
本発明に係る一般的な性質、本質的な特徴および長所は上述のとおりである。図面を参照した以下の詳細な説明によって、当業者には、特定の好ましい実施の形態とその改良が明らかになるであろう。
【０００７】
高い磁束密度を有し渦電流が少ない変圧器／インダクタに係る好ましい実施の形態について説明する。
低周波電力用の変圧器などの多くの電気誘導デバイスは、例えば１０，０００から１００，０００の範囲の比較的高い相対透磁率を有するコアを必要とする。一方、好ましい実施の形態によって示されるコアは、低い値と高い値、すなわち、１，０００から１，０００，０００の範囲に対して適用することができる。ある金属や合金は、これらの高い磁束密度を提供し、それらには、鋼、鉄、珪素鋼、７８パーマロイ、ミューメタル、純鉄およびスーパーアロイが含まれる。これらの高い磁束密度は、変圧器やインダクタを構成する場合に明確な優位性をもたらすことができる。しかし、金属は抵抗値が低いために、より高い磁束密度という長所に反する誘導渦電流が流れることを防止できない。
【０００８】
図２に、金属コア内に流れる磁束によって生じる誘導渦電流３００が示されている。コアに金属を用いる現在の変圧器／インダクタでは、通常、トロイダルコアまたはＥ形のコアを、積層されたＥ形の薄板で構成することによって、これらの渦電流を減少させている。なお、Ｅ形のそれぞれの薄板は、いくつかのタイプの絶縁性ボンディング材料で電気的に分離されている。すべてのＥ形コアは、フルコアを形成するために、多数のそのような薄板を含んで構成されている。この構成によって、渦電流は、それぞれの薄板の断面領域に限定される。以下に説明するように、本発明の重要な特徴は、コアを構成する薄板の断面積をさらに減少させられることにある。
【０００９】
図３〜図７Ｂは、コア材料として強磁性金属の使用を可能にする本発明の実施の形態に係る製造方法を示す図である。これらの図において、フレキシブル回路またはプリント回路基板２９０は、ＦＬＥＸまたはＰＣＢ上に形成され、絶縁シートで分離された、積層された連続する薄い金属の環状リングを支持している。環状のリングの中心側と外側に位置するめっきされたビアホールによって、コアの周りに電気的なターンが完成される。以下に説明するように、この実施の形態では、それぞれの積層されたコア部の断面積を実質的に減少させることによって、渦電流を実質的に最少化している。
【００１０】
複数のコア積層体が、ＰＣＢまたはＦＬＥＸ２９０に対して強磁性金属のシートによる第１の積層を行うステップと、それに続く、近接した間隔で、連続した幅が狭い複数のコアセグメントのパターンを形成するために、強磁性金属のシートの一部をエッチングするステップによって形成される。図３は、エッチングされた１６のコアアレイを有するＰＣＢまたはＦＬＥＸ３１０の単一の層を示す図である。この技術分野で知られている積層プロセスとエッチングプロセスによって、通常、アレイのサイズとパターンに依存する１６を超えるアレイを製造することができる。コアアレイ３１５は、シート３１０のトップとボトムの両方に同一のアレイが形成されるように、周知のダブルサイズプロセスを利用して、エッチングすることが好ましい。
【００１１】
図４は、単一のコアアレイ３１５を示す拡大図であり、１６個の同心の強磁性導電性金属リング３２０ａ−３２０ｐで構成された１つのアレイを示している。なお、リング３２０ａ−３２０ｐは、それぞれエッチングにより除去されたスペースまたはボイド３２５ａ−３２５ｏによって、相互に絶縁されている。さらに、アレイ３１５の外側の領域３３０と、もっとも内側のリング３２０内の領域３３５とは、強磁性材料のボイドとなっている。ただし、本発明は同心のリングアレイに限定されない。また、当業者であれば、相互に絶縁された、順により大きなものが連続する正方形や長方形などのコアアレイを構成できることが明らかなはずである。
【００１２】
次の製造ステップは、コアアレイ３１５を有する複数のＰＣＢまたはＦＬＥＸ層３１０を、正確に位置合わせして積層することである。図５Ａに示されているように、同心リング３１５ａ−３１５ｈのコアアレイが、各基板上にコアセグメントのパターンを有する層のトップ面に相互に位置合わせされて積層される。その結果、極めて小さな渦電流発生領域を有する複数の高磁束容量の金属コアが製造される。このように、コアアレイ３１５をエッチングするのに使われるはじめの強磁性金属シートの厚さは、例えば、０．０００５インチ（０．０１３ｍｍ）から０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）の範囲というように、非常に薄くすることができる。また、同心リングは、従来のＰＣＢやＦＬＥＸ（ＦＰＣ）のエッチング技術を使い、０．００２インチ（０．０５１ｍｍ）から０．００３インチ（０．０７６ｍｍ）のオーダという極めて狭い幅にエッチングすることができる。その結果、渦電流を生成するコアの断面積に関しては、そのサイズが大幅に減少する。
【００１３】
積層プロセスの一環として、絶縁材料３４０の薄い層が、トップ面のエッチングされた同心リングアレイ３１５のそれぞれに隣接して配置される。その絶縁材料３４０には、例えば、エポキシが使用される。この絶縁シートとエッチングされた強磁性材料のリングをサポートする絶縁シートとは、異なった材料でもよい。代表的な材料には、ＰＣＢボードやＦＬＥＸ製造用のDupont社とRogers社製のエポキシとアクリルがある。エポキシとプリプレグ（ガラス含有エポキシ）は、通常、ＰＣＢボードの製造に使われ、アクリルは、通常、ＦＬＥＸの製造に使われる。積層プロセスの間に、図４に示したボイド３２５、ボイド３３０とボイド３３５は、図７Ａと図７Ｂに示した絶縁材料３４０で埋められる。
【００１４】
上記のように、本発明の好ましい実施の形態に係る電気的な巻線は、コア構造体の両側に設けられた、プリント回路を接続する導電性ビアホールによって提供されることが好ましい。図３〜図７Ｂに示した実施の形態に係る巻線の製造ステップは、図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂに示されている。
【００１５】
図６Ａと６Ｂに示したように、追加される銅の層３５０、３５５が、この銅の面とエッチングされた金属面とを分離するための２つの追加された絶縁材料の層３６０、３６５を介して、トップ面とボトム面に積層される。
【００１６】
図７Ａ、７Ｂは、積層されたアレイを貫通して穿孔されたビアホール３７０ａ〜３７０ｄを備える完成した構造を示す図である。これらのビアホールのうち、ビアホール３７０ａ及び３７０ｄは、低抵抗の強磁性材料のリングの外側に近接して、ビアホール３７０ｂ及び３７０ｃは、低抵抗の強磁性材料のリングの中心側に近接して、ただし、接触しないように配設される。接触させないのは、めっきされたビアホールによって提供される巻線ターンを電気的に絶縁するためである。次に、これらのビアホール３７０ａ〜３７０ｄは、例えば銅のような導電性材料でめっきされる。導電性インクと導電性のペーストも、ビアホールの充填に利用される。次に、銅の層３５０、３５５がエッチングされ、同心リングコアアレイ３１５の回りに巻線を形成するために、めっきされたビアホール３７０ａ〜３７０ｄに電気的に接続された回路パターンが形成される。
【００１７】
図７Ａ、７Ｂに示した実施の形態では、図面を簡単化するために、各変圧器に対して、少数のビアホール３７０ａ、３７０ｂ、３７０ｃと３７０ｄだけを図示した。当業者であれば、図３〜図７Ｂに示した実施の形態は、さらにビアホールを追加することによって、多数の巻線の設置が可能なことが明らかなはずである。追加されたビアホールに必要な接続を提供するために、必要に応じて、銅の層３５０、３５５の上に、さらに別の銅の層を積層してもよい。
【００１８】
個々の変圧器とインダクタは、アレイからパーツをダイカッティングまたはルーティングする通常の方法によって、図７Ａ、７Ｂに示した積層アレイから切り出される。切り出されたそれぞれのデバイスは、図１と２に示した従来の電気誘導デバイスと置き換えて使用することができる。また、エッチングされた金属コアは、図５Ａ、５Ｂに示したようなアレイの一部であるので、他のコンポーネントと内部接続されることも可能である。
【００１９】
好ましい実施の形態の優位性：
ワンピースコア：
図１に示したようなＥ形コア構造では、Ｅ形コアと不可欠のキャップとの間にギャップが生じる。ほとんどの変圧器では、例えばエポキシやクランプを用いて別のコアに接合される半分のコアを必要とするＥタイプコアが用いられている。これらのプロセスは、時間を要し、導入ロス(introduce loss)、デバイスのパラメータの不一致の発生がある。なお、このパラメータの不一致は、Ｅ形コアとキャップとの間に生じるギャップに起因するものである。一方、本発明の好ましい実施の形態に係るコアは、連続したピースであり、それは変圧器の効率の向上をもたらす。また、ワンピースのデザインは、分離した２つのピースを、別の処理ステップで一体に接合するというプロセスを不要にする。
【００２０】
図３〜図７Ｂに示した実施の形態において、磁気の飽和を避けるために、意図的なギャップが必要とされる場合には、図４に示したそれぞれの同心リングに、エッチングにより分離部を形成することができる。そのようなエッチングされたギャップが設けられたリングによれば、Ｅ形コアにおける従来の機械的な分離の場合に生じる大きなばらつきが解消される。
【００２１】
渦電流の低減：
図３〜図７Ｂに示した態様で構成されたインダクタと変圧器は、金属の積層を２方向に分けることにより、渦電流が極めて少ないという優れた性能を発揮する。これは、上記の好ましい実施の形態の場合には、（ａ）リング３２０がエッチングされる金属のシートは、ＰＣＢやＦＬＥＸの製造に用いられる材料より大幅に薄いものとすることができること、（ｂ）個々の絶縁されたリング３２０は非常に狭い幅に製造可能なことという事実によって、従来の積層コアに比べてより薄いコアを有するからである。渦電流は、セグメントの断面積の二乗に比例するので、好ましい実施の形態の場合には、従来の変圧器やインダクタの製造方法に比べて、渦電流を大幅に減少させることができる。例えば、図１に示した従来のＥ形コアの場合には、このコアの金属積層体は、薄板がばらばらになるか、またはまったく機械的な完全性を保てないので、２方向に分けることができない。
【００２２】
表面実装：
好ましい実施の形態に従って形成された巻線は、別のリードフレーム構造や複雑なピンニングや終端めっきを必要とすることなく、表面実装リードに成形することができる。
【００２３】
相互接続：
エッチングにより形成される変圧器／インダクタは、ＰＣＢやＦＰＣの製造に用いられるものと同じプロセスを利用して製造されるので、変圧器は、電源や回路アセンブリに一体化された部品とされることが好ましい。それによって、物理的な大きさを小さくし、接続部を減らし、アセンブリ全体をよりコンパクト化、小型化することができる。回路全体の面積が変圧器の面積程度に小さいので、回路のバランスをとるためのキャリアとして変圧器の領域を使用することにより、回路コンポーネントを、エッチングされた変圧器の上または下に直接載置することができる。
【００２４】
磁気的な健全性(Magnetically Sound)：
好ましい実施の形態に従って構成されたコアは、従来の変圧器よりもロスが少ない、より効率的な磁束パスを提供する。これらの特性は、デザインや機能の点で、トロイダルコアに極めて近似している。磁束パスは、Ｅ形コアやＰＱコアなどの従来のコアを使用する変圧器より短い。
【００２５】
サイズ：
好ましい実施の形態によれば、それらは複雑なピンやリードフレームを必要としないので、さらに小さく作ることができる。トップとボトム面の表面パッドは、それら自体の接続を形成し、ＰＣＢに直接実装される。それによって、デバイスのフットプリント（設置面積）を減らし、他のコンポーネントに対して、より広いスペースを生み出す。巻線は２つの面に存在するので、代表的な応用である１０層のプレーナ変圧器の巻線は、５層だけ全体の高さが減少する。さらに、３次元のＥ形コア構造ではなく１つの面にあるコアは、全体の高さを大きな割合で減少させる。
【００２６】
コスト：
好ましい実施の形態に係るインダクタ及び変圧器は、フレキシブル回路で作製可能であり、平坦な多層の巻線を製造する場合よりも製造コストが大幅に安い。また、リードフレームやポッティングやキャップ接着の必要性がないので、デバイスの製造がより容易になる。
【００２７】
抜熱：
本発明に係る好ましい実施の形態に従って構成されたインダクタや変圧器の重要な特徴は、従来の変圧器におけるように、熱を発生する巻線がアセンブリ内に埋め込まれたり、相互のトップで巻かれているのではなく、平坦な変圧器の場合のように一緒に積層されているのでもないということである。そうではなく、めっきされた巻線は、実質的に、変圧器やインダクタのトップとボトム面に配置されている。このレイアウトは、巻線内に埋もれてトラップされる熱がほとんどないという、優れた熱放散性を発揮する。また、ＰＣＢは、ヒートシンクに取り付けられることが好ましい。なお、そのヒートシンクは、例えば、わずか０．００５インチ（０．１３ｍｍ）の厚さの薄いはんだマスクだけで隔てられ、その結果、ヒートシンクに熱的に接触する状態で巻線の半分が配設されることになる。それによって熱放散性に優れた表面領域が提供される。図８は、銅やアルミニウムなどのヒートシンク２３２に直接装着された効率のよい抜熱用の広い表面領域２３０の一例を示す図である。
【００２８】
本発明は、ここでは、ある好ましい実施の形態に関して開示したが、これらの実施の形態は、例を示すためだけに開示したものであり、本発明に係る技術的範囲を限定するものではない。したがって、本発明に係る技術的範囲は、特許請求の範囲における記載に基づいて解釈されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】マッチング強磁性体キャップを有する従来の強磁性体Ｅ形コアを示す概念図である。
【図２】渦電流が発生する態様を説明する金属トロイダルコアを示す図である。
【図３】エッチングによって強磁性金属の同心リングが形成された複数のコアアレイを有する単一の層を示す図である。
【図４】図３に示したコアセグメントの一つを示す拡大図である。
【図５Ａ】複数のコアアレイが積層された積層体を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したコアの積層体の一つを示す拡大図である。
【図６Ａ】トップとボトムのプリント回路が追加された後の図５Ａに示した積層体を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示したコアの積層体の一つを示す拡大図である。
【図７Ａ】図６Ａに示した積層体を貫通して穿孔されたビアホール全体にめっきが施された後の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示したコアの積層体の一つを示す拡大図である
【図８】体積に対する広い表面積により熱放散特性が向上することを示す図である。

Claims (17)

1. 絶縁性材料の基板上に形成されたリングであって、それぞれ閉パスを有し、近接した間隔で、幅の狭い連続したコアセグメントのパターンを形成する、同心で複数の強磁性金属の前記リングを備え、
   複数の前記リングを形成した前記基板が、前記コアセグメントのパターンを有するトップ面に、相互に実質的に整合して積層されてコアが形成され、前記コアセグメントのパターンが、前記絶縁性材料の基板によって電気的に絶縁されており、
   さらに、前記リングに近接して位置し、変圧器又はインダクタの巻線を提供する導電性ビアホールを備え、前記導電性ビアホールが、前記リングの中心側及び外側に位置している小型インダクタ／変圧器。
2. 前記基板が、プリント回路基板である請求項１に記載の小型インダクタ／変圧器。
3. 前記基板が、フレキシブル回路基板である請求項１に記載の小型インダクタ／変圧器。
4. 前記リングが、前記基板の両側の面に形成されている、請求項１〜３のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器。
5. 前記リングが正方形である、請求項１〜４のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器。
6. 前記リングが長方形である、請求項１〜４のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器。
7. 前記リングの厚さが、０．０００５〜０．０１０インチ（０．０１３〜０．２５ｍｍ）である、請求項１〜６のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器。
8. 前記リングの幅が、０．００２〜０．００３インチ（０．０５１〜０．０７６ｍｍ）である、請求項１〜７のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器。
9. 絶縁性材料の基板上に、強磁性金属のシートを形成するステップと、
   前記強磁性金属のシートの一部をエッチングすることにより、前記絶縁性材料の基板上に、それぞれ閉パスを有し、近接した間隔で、幅の狭い連続したコアセグメントのパターンを前記基板上に形成する、同心で複数の強磁性金属のリングを形成するステップと、
   前記コアセグメントのパターンを有するそれぞれの前記基板のトップ面に、相互に実質的に整合させて複数の前記リングを形成した前記基板を積層してコアを形成するステップであって、前記コアセグメントのパターンが、前記絶縁性材料の基板によって電気的に絶縁されるように積層するステップと、
   前記リングの中心側及び外側に近接させて、導電性ビアホールを形成することにより、インダクタ又は変圧器の巻線を提供するステップを含む小型インダクタ／変圧器の製造方法。
10. 前記基板が、プリント回路基板である請求項９に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
11. 前記基板が、フレキシブル回路基板である請求項９に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
12. 前記コアのトップ面及びボトム面に導電体を形成する、請求項９〜１１のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
13. 前記リングが、前記基板の両側の面に形成されている、請求項９〜１２のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
14. 前記リングが正方形である、請求項９〜１３のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
15. 前記リングが長方形である、請求項９〜１３のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
16. 前記リングのエッチングに用いられる前記強磁性金属のシートの厚さが、０．０００５〜０．０１０インチ（０．０１３〜０．２５ｍｍ）である、請求項９〜１５のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。
17. 前記リングの幅が、０．００２〜０．００３インチ（０．０５１〜０．０７６ｍｍ）である、請求項９〜１６のいずれかの項に記載の小型インダクタ／変圧器の製造方法。

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