KR20140124851A - 전력 전송 애플리케이션을 위한 고 전류, 저 등가 직렬 저항의 인쇄 회로 기판 코일 - Google Patents

전력 전송 애플리케이션을 위한 고 전류, 저 등가 직렬 저항의 인쇄 회로 기판 코일 Download PDF

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Abstract

회로 기판 위에 전기 코일을 제조하는 방법으로서, 상기 회로 기판 위에 코일 트레이스(coil trace) 및 상기 코일 트레이스의 길이를 따라 분포된 복수의 비아(via)를 포함하는 제1 코일층을 제조하는 단계; 및 상기 제1 코일층 위에 제2 코일층을 중첩시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 코일층의 비아는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층을 연결한다.

Description

전력 전송 애플리케이션을 위한 고 전류, 저 등가 직렬 저항의 인쇄 회로 기판 코일 {HIGH CURRENT, LOW EQUIVALENT SERIES RESISTANCE PRINTED CIRCUIT BOARD COIL FOR POWER TRANSFER APPLICATION}
본 발명은 전력 전송 애플리케이션을 위한 고 전류, 저 등가 직렬저항의 인쇄 회로 기판 코일에 관한 것이다.
관련 출원의 상호참조
본 출원은 Jorge Zabac가 2012년 6월 27일에 발명의 명칭: "High Current, Low Equivalent Series Resistance Printed Circuit Board Coil for Power Transfer Application"로 출원한 미국 특허출원 제13/535,059호 및 Jorge Zabac가 2012년 2월 20일에 발명의 명칭: "Clever Implementation of Wireless Charging Coil Using Standard Printed Circuit Board Technology"로 출원한 미국 가특허출원 제61/600,969호에 대한 혜택을 주장하며, 그 내용 전부가 재현된 것처럼 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
연방 정부의 지원을 받은 연구 또는 개발에 관한 성명서
해당 사항 없음
마이크로피시 부록의 참조
해당 사항 없음
전기 코일(또는 간단히 "코일")은 인덕터를 만들기 위해 비도전성 코어의 주위에 도체(보통 절연된 고체 동선(solid copper wire)을 감아 형성된다. 와이어를 감아 하나의 고리를 이룬 것을 턴(turn)이라고 하며, 코일은 하나 이상의 턴으로 구성된다. 전자 회로에서, 탭(tap)이라고 하는 전기 접속 단자(electrical connection terminal)가 코일에 연결된다. 탭을 구비한 완성된 코일 어셈블리는 보통 권선(winding)이라고 한다. 코일은 전력 변압기(power transformer) 및 전자석과 같은, 상이한 응용 프로그램에 사용된다. 코일은 또한 유도 결합, 예를 들어 두 개체 사이에 전도성 매체(conducting medium) 없이 에너지가 전송되는 유도 충전(inductive charging) 및 공진 유도 결합 애플리케이션에 사용된다. 유도 충전에서는, 두 장치 각각 내의, 에너지의 송신자 및 수신자 측에 위치하는 두 코일 사이에 비교적 작은 간극이 존재한다. 유도 충전은, 두 장치 사이에 배선을 사용하지 않고도 충전이 이루어지므로, 단거리 "무선" 에너지 전송으로 여겨진다. 예를 들어, 유도 충전 애플리케이션은 무선 배터리 충전 장치를 포함한다. 공진 유도 결합은, 동일한 주파수에서 공진하도록 조정된 두 개의 코일 사이에 전기 에너지의 근접장 무선 전송(near field wireless transmission)이다. 공진 유도 결합 애플리케이션은 유도 충전 애플리케이션보다 먼 에너지 전송 거리를 달성할 수 있다. 예를 들어, 공진 유도 결합 애플리케이션은 무선 주파수 식별(radio-frequency identification, RFID) 장치와 같은 근접장 무선 통신을 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 회로 기판 위에 전기 코일을 제조하는 방법을 포함하며, 상기 방법은 상기 회로 기판 위에 코일 트레이스(coil trace) 및 상기 코일 트레이스의 길이를 따라 분포된 복수의 비아(via)를 포함하는 제1 코일층을 제조하는 단계; 및 상기 제1 코일층 위에 제2 코일층을 중첩시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 코일층의 비아는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층을 연결한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 무선 전력 전송용 다층 코일의 전체 두께를 감소시키는 방법을 포함하며, 상기 방법은 제1 권선 트레이스(winding trace)를 포함하는 제1 코일층을 제조하는 단계; 상기 제1 코일층 전역에 복수의 비아를 중첩하여 분포시키는 단계; 및 상기 비아 위에, 상기 제1 권선 트레이스와 실질적으로 동일한 제2 권선 트레이스를 포함하는 제2 코일층을 중첩하는 단계를 포함하고, 상기 비아 사이의 간격은 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면의 비아 커버리지(via coverage)를 증가시키도록 결정된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 다층 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB) 코일용 장치를 포함하며, 상기 장치는, PCB의 제1 코일층;
상기 PCB 내의 제1 코일층의 표면에 연결되고 상기 표면을 실질적으로 덮도록 분포된 복수의 비아; 및 상기 제2 코일층의 표면을 실질적으로 덮는 상기 비아에 연결된 상기 PCB의 제2 코일층을 포함하고,
상기 비아는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이에 위치하여, 상기 다층 PCB 코일에 대해 실질적으로 고 전류 및 저 등가 직렬 저항(ESR)을 가능하게 한다.
이러한 특징 및 다른 특징들은 첨부 도면 및 특허청구범위와 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.
본 발명을 더 완전하게 이해하기 위해, 이제 첨부도면 및 상세한 설명과 함께 이하의 도면의 간단한 설명을 참조하며, 동일유사한 참조부호는 동일유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 멀티코어 디자인의 제1 코일층의 평면도이다.
도 2는 멀티코어 디자인의 제2 코일층의 평면도이다.
도 3은 도 2의 멀티코어 디자인의 실시예의 선 3-3을 따른 단면도이다.
도 4는 일 실시예의 다층 코일 제조 방법의 흐름도이다.
도 5는 다른 실시예의 다층 코일 제조 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 실시예의, 다층 코일 디자인을 포함하는 핸드헬드형 기기의 개략도이다.
하나 이상의 실시예의 예시적 구현이 아래에 제공되지만, 개시된 시스템 및/또는 방법은 공지되어 있거나 존재하는 임의의 수의 기술을 사용하여 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 본 명세서에 예시되고 설명된 예시적인 디자인 및 구현을 포함하는, 예시적인 구현, 도면, 및 이하에 설명하는 기술에 어떠한 방식으로든 제한되지 않으며, 그 등가물의 전체 범위와 함께 첨부된 특허청구범위 내에서 수정될 수 있다.
무선 충전 구성요소로 사용되는 무선 충전 코일은, 비교적 높은 전류 용량과 비교적 낮은 ESR을 필요로 할 수 있다. 고 전류 및 저 ESR은 코일의 전력 전송 효율을 증가시킨다. 예를 들어, 무선 충전 코일은 모바일 기기(예컨대, 스마트 폰) 및 모바일 컴퓨터(예컨대, 랩톱 및 태블릿)를 위한 유도 충전 구성요소로 사용될 수 있다. 이러한 요건을 충족시키기 위해, 이러한 코일을 제조하는 일반적인 방법은 전선 또는 도선을 사용하고 기기의 전기 회로 기판 위에 납땜하는 것에 기초할 수 있다. 그러나, 충전 코일을 구성하는 데 전선을 사용하는 것은, 예컨대 관련된 치수와 재료로 인해 달성될 수 있는 전류 용량 및 저 ESR 저항에 대해 제한이 있을 수 있다. 예를 들어, 무선(또는 유도) 충전을 위해 고 전류 용량 및 비교적 낮은 ESR 저항을 달성하려면, 전선(wire)으로 만들어진 코일은, 비교적 납작한(얇은) 스마트폰 및 태블릿과 같은, 일부 모바일 또는 핸드헬드형 장치에 적합하지 않을 수 있는 최소 두께를 요구할 수 있다. 전류 용량을 증가시키고 ESR를 감소시키기 위한 더 유망 코일 디자인은, PCB 기술과 관련 제조 프로세스를 사용하는 것과 같은, 집적 회로 제조 방법에 기초할 수 있다. 이러한 충전 코일은 기기의 두께에 제한이 있는 비교적 납작한 모바일 기기에 사용될 수 있다. PCB는, 예컨대 기판 위에 적층된 구리 시트로부터 에칭될 수 있는, 도전성 경로, 트랙, 또는 트레이스를 사용하는 전자적인 또는 전기적인 구성요소를 기계적으로 지지하고 전기적으로 연결하는 비도전성 기판일 수 있다. PCB는 또한, 예컨대 왁스, 실리콘 고무, 폴리우레탄, 아크릴, 또는 에폭시를 사용하여, 구성요소를 보호하기 위해 코팅될 수 있다.
본 명세서에는 다층 코일 디자인을 위한 제조 방법 및 장치를 개시한다. 상기 방법은 PCB에 다수의 코일층의 제조 및 복수의 비아를 사용하여 코일층들을 결합하는 것을 포함할 수 있다. 비아는 물리 전자회로에서 상이한 도체층 간의 수직의 전기적 연결에 사용되는 구조체/재료일 수 있다. 전기 코일 디자인은 무선 충전 애플리케이션을 위해 사용될 수 있으며, 상기 방법은 PCB 기술 및 제조 프로세스를 사용할 수 있다. 상기 방법은 PCB 상에 보다 얇은 코일층의 제조를 가능하게 하고 용이하게 할 수 있으며, 코일 트레이스는 이용 가능한 회로 제조 프로세스를 사용하여 제조될 수 있고, 전형적인 전선보다 얇게 만들어질 수 있다. 이것은 또한 기기의 다른 회로 구성요소와 코일 디자인을 통합할 수 있도록 해줄 수 있다. 코일층을 연결(join or link)하는 비아는 코일층의 트레이스의 길이를 따라 분포되어 전체 코일 디자인(다층 코일)의 ESR을 낮추고 전류 용량을 향상시킬 수 있으며, 따라서 효율적인 무선 충전 코일을 얻을 수 있다. 고 전류 및 저 ESR 코일은 근접장 무선 안테나 디자인에 적합할 수 있다. 예를 들면, 코일은 RFID 기기의 근접장 무선 안테나 디자인의 구성요소일 수 있다. 예컨대, 다층 코일은 다른 회로 요소와 통합될 수 있고 따라서 더 콤팩트한 디자인을 가능하도록 할 수 있기 때문에, 상기 방법 및 장치는 또한, 효율적인 전력 전송과 비교적 얇은 디자인을 요구하는 다른 코일 애플리케이션 또는 기기에 사용될 수 있다.
다층 코일 디자인이 얇을수록, 스마트폰, 태블릿 및 노트북과 같은, 더 얇은 디자인의 휴대용 기기에 적합할 수 있다. PCB 기술은 다른 제조기술, 예를 들어 코일 와이어를 구성하고 무선 충전 회로를 포함하는 PCB에 코일 와이어를 납땜하는 것에 비해, 성숙하고 더 저렴하기 때문에, 상기 코일의 제조 방법은 비용을 줄일 수 있다. 전기 코일 디자인은 단일 PCB를 필요로 할 수 있는 PCB 기술을 이용하여 제조하는 것이 더 용이할 수 있다. 단일 PCB를 사용하는 것은 또한 무선 충전 회로를 포함하는 다른 PCB에 코일을 납땜할 필요를 없앨 수 있다. 또한, 제조중에 코일과 회로가 통합될 수 있는 단일 기판을 사용하는 것은, 두 개의 구성요소(코일과 무선 충전 회로)를 서로 납땜하는 것보다 더 신뢰성이 있을 수 있다.
도 1∼도 3은 PCB 기술을 이용하여 제조될 수 있는 다층 코일 디자인(100)의 실시예를 나타낸다. 다층 코일 디자인(100)은 PCB(190) 위에 제조된 복수의 코일층을 포함할 수 있다. PCB(190)는 비전도성 또는 반도체 기판, 예컨대, 실리콘 기판일 수 있다. 코일층의 수는 코일 애플리케이션에 필요한 전류 용량 및 ESR를 달성하도록 결정될 수 있다. 무선 충전 또는 근접장 통신 애플리케이션을 위한 비교적 높은 전류 용량과 비교적 낮은 ESR을 달성하기 위해, 다수의 코일층이 PCB 제조 기술 및 제조 프로세스를 이용하여 제조되어 중첩될 수 있다. 코일층은 PCB(190) 위에 위치하는 제1 코일층(102)과, 제1 코일층(102) 위에 중첩된 제2 코일층(104)을 포함할 수 있다. 도 1은 제1 코일층(102)의 평면도를 나타내고, 도 2는 제2 코일층(104)의 평면도를 도시한다. 도 3은 도 2의 3-3 선을 따른 다층 코일 디자인(100)의 단면도를 도시한다. 다층 코일 디자인(100)은 제1 코일층(102)과 제2 코일층(104) 사이에 위치한 복수의 바아(108)를 포함할 수 있다. 제1 코일층(102)과 제2 코일층(104), 및 비아(108)는 임의의 적당한 조합으로 리소그래피, 에칭 및 증착 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다.
실질적으로 동일한 패턴을 가질 수 있는, 제1 코일층(102), 제2 코일층(104), 및 선택적으로 임의의 개수의 추가적인 중첩층은, 의도한 애플리케이션, 예컨대, 무선 충전 또는 근접장 통신 기기 또는 구성요소를 위해 필요한 전류 용량 및 ESR을 달성하는 코일 디자인으로 PCB(190) 상에 결합 될 수 있다. 제1 코일층(102)과 제2 코일층(104)은 권선 트레이스(winding trace)(106)를 포함하는 실질적으로 동일한 패턴을 가질 수 있다. 코일층의 권선 트레이스는 코일 패턴으로 성형될 수 있다. 권선 또는 코일 패턴을 가지는 다른 적합한 패턴도 사용될 수 있다. 코일 패턴(또는 권선 트레이스 패턴)은 제1 층, 즉, 제1 코일층(102)에 디자인된 다음, 제2 중첩층, 예컨대 제2 코일층(104)에, 또는 무선 충전 또는 근접장 통신 애플리케이션에 필요한 전류, ESR, 및/또는 임피던스에 충족시키는 데 필요한 만큼 많은 추가적인 중첩층에 복사 또는 미러링(mirroring)될 수 있다. 치수 기준 및/또는 다른 전기 특성 요건과 같은, 다른 디자인 기준이 또한 제조 방법 및 코일층 디자인을 이용하여 충족될 수 있다. 코일층들은 요구 기준을 충족하는 코일 디자인 또는 최종 코일 구조를 형성하도록 (동일 PCB 상에) 중첩 및 결합될 수 있다. 예를 들어, 층의 수를 증가시키는 것은 다층 코일 디자인(100)의 전력 전송 능력(power transfer capability)을 증가시킬 수 있다. 다층 코일의 수 및 치수는 또한 박형 휴대형 기기(예컨대, 스마트폰 또는 태블릿)의 두께(코일층의 높이) 요건을 충족시키도록 결정될 수 있다.
구체적으로는, 다층 코일 (100)의 디자인에서 전류를 증가시키고 ESR을 감소시키려면, 코일층은, 코일 패턴 전체에 분포될 수 있는 비아(108)를 사용하여 결합되거나 전기적으로 연결될 수 있다. 비아(108)는 원통형 또는 기타 적합한 형상으로, (도 1에 도시 된 바와 같이), 코일층에 대해 수직일 수 있고, 인접하는 코일층 사이에 연정되어, 인접한 코일층들의 대향면(트레이스(106))을 연결한다. 예를 들어, 비아(108)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 코일층(102)의 코일 패턴(트레이스(106)을 실질적으로 덮도록 분산된 속이 찬 원(solid circle) 형상일 수 있다. 예를 들어 제3 코일층(도시되지 않음)이 제2 코일층(104) 위에 중첩되는 경우, 제2 코일층(104)과 제3 코일층을 연결하기 위해 복수의 추가적인 비아(108)가 유사히게 (도 3에 도시된 바와 같이) 제2 코일층(104)의 트레이스(106) 전역에 분산될 수 있다. 비아(108)는 상이한 코일층들을 서로 (전기적으로) 결합하여 복수의 코일층에 전류가 흐를 수 있도록 해주는 전도성 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비아(108)는 코일층의 트레이스와 동일한 재료로 구성될 수 있다. 비아(108)의 수를 증가시키고 두 개의 인접한 코일 표면의 실질적으로 전역에 비아(108)를 분포시키는 것은 두 개의 인접한 코일 트레이스(106) 사이의 전류 흐름을 증가시킬 수 있으므로, 예컨대, 코일 표면의 일부분에 소수의 비어를 분포시키는 것에 비해, 다층 코일 디자인(100)을 위해 ESR를 줄일 수 있다.
또한, 각 층의 비교적 얇은 코일 패턴은 다층 코일 디자인(100)의 전체 직렬 저항(ESR)을 줄일 수 있다. 예를 들어, 두께 약 25마이크로미터의 트레이스를 구비한 두 개의 코일층을 포함하는 코일 다자인은, 약 0.35 옴 이하의 전체 직렬 저항을 가질 수 있다. 코일 트레이스 또는 층은 거의 동일한 두께를 가지며, 이는 다층 코일 디자인(100)을 위해 원한 ESR를 충족시키도록 결정될 수 있다. 비어(108)를 사용하여 서로 결합되어 있는 다수의 코일층의 사용은 또한, 코일의 전도성 재료(트레이스 재료)는 (PCB의 두께를 따라) 높이 방향으로 층을 형성하여 더 적은 영역을 차지하고 거의 동일한 유도 특성(inductive property)을 달성할 수 있기 때문에, 다층 코일 디자인(100)의 폭을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 실질적으로 동일한 코일 트레이스를 중첩시키는 것은, 중첩된 코일 트레이스 중 하나와 실질적으로 동일한 두께를 가지는 하나의 코일 트레이스만을 제조하는 것에 비해, PCB층에서의 코일 트레이스의 전체 폭을 감소시킨다. 코일 디자인의 감소된 전체 폭은, 핸드헬드형 기기와 같은, 콤팩트한 기기에 다층 코일 구조체를 사용할 수 있도록 해줄 수 있다.
코일 트레이스(106) 및 비아(108)는, 예컨대, 제조하는 동안, 다수의 코일층의 적절한 결합을 보장하기 위해, 적절하게 정렬될 수 있다. 코일층은 PCB 제조 기술과 각 층을 구성하기 위해 필요한 만큼 반복될 수 있는 제조 프로세스를 이용하여 동일한 기판 위에 제조되고 중첩될 수 있다. 각 층은 트레이스(예컨대, 와이어 납땜 대신)를 사용하여 얻은 패터닝된 코일을 포함할 수 있다. 트레이스(106)는, 예컨대 구리, 금, 알루미늄,은, 기타 도체, 또는 이들의 조합과 같은, 하나 이상의 도전성 재료를 포함할 수 있고, PCB 제조에 적합한 임의의 유전체 재료(dielectric material )와 같은, 비도전성 재료에 의해 둘러싸일 수 있다. 다수의 층은 또한 통합되거나 동일 기판상의 다른 회로 요소(180)(예컨대, 충전 또는 무선 전송 회로의 구성요소)와 중첩될 수 있다. 다른 회로 구성요소(180)는 PCB(190)상의 코일층 사이에 또는 그것에 인접하여 제조될 수 있다.
제조 프로세스의 하나의 시나리오에서, 유전체는 먼저, PCB(190) 위에 증착 또는 스퍼터링될 수 있다. 각 층에 대해, 트레이스(106)가 패터닝된 다음 에칭될 수 있다. 에칭된 패턴은 증착법을 사용하여 도전성 재료로 충전될 수 있다. 코일층은, 예컨대 동일한 패턴을 사용하여, 유사한 방식으로 제조되고, 중첩되어 코일 패턴들(트레이스(106))의 오버레이를 얻기 위해 그에 맞춰 중첩될 수 있다. 두 코일층 사이의 비아(108)는, 두 개의 인접한 코일 층의 제조 단계 중에, 코일층과는 별개의 제조 단계로서, 코일층 중 하나(예컨대, 하부 코일층)의 제조 단계의 일부로서 증착, 패터닝, 에칭, 및 선택적으로 다른 필요한 프로세스, 또는 그 조합을 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, 비아(108)는 리소그래피를 사용하여 트레이스(106) 위에 비아(108)를 패터딩한 다음 에칭함으로써 제조될 수 있다. 증착은 진공 증착 절차 또는 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 트레이스(106)는 리소그래피(예컨대, 포토리소그래피, 전자빔 리스그래피 또는 기타 리소그래피 기술) 또는 다른 적당한 회로 패터닝 방법(예컨대, 임프린팅)을 사용하여 패터닝될 수 있다. 패터딩된 구조체는, 예컨대 화학 에칭, 기체 에칭, 플라즈마, 또는 다른 적당한 방법을 사용하여 에칭될 수 있다. 다른 회로 구성요소(180)도 또한 PCB(190)상에 제조되어 코일 디자인 또는 구조체와 통합될 수 있다.
도 4는 PCB 기술을 사용하여, 다층 코일 디자인(100)과 같은, 고 전류 및 저 ESR를 가지는 비교적 얇은 코일 디자인을 얻기 위한 일 실시예의 다층 코일 제조 방법(400)을 나타낸다. 블록 402에서는, 코일층의 길이를 따라 분포되고/되거나, 코일층, 예컨대 코일 트레이스의 표면의 실질적인 부분을 덮는 복수의 비아를 포함하는 코일층을 제조할 수 있다. 비아는 코일 패턴 또는 트레이스의 전역에 분포될 수 있고 전류 흐름 및 직렬 저항을 최적화하거나 향상시키도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 코일 표면상의 비아의 수를 증가시키고 그 비아를 표면 전체에 비례적으로 또는 고르게 분포시키거나 배치하는 것은 코일층에서의 저항을 감소시키고 전류 흐름을 증가시킬 수 있다. 비아는 비아 사이의 공간을 제외한 거의 전체 표면를 덮도록 코일 트레이스의 길이를 따라 분포될 수 있다. 비아 사이의 공간은 비아에 의한 코일 트레이스의 표면 커버리지를 증가시키기 위해 제조 프로세스에 의해 허용되는 한 작도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 개별 비아는 거의 동일한 사이즈, 표면, 및/또는 치수를 가질 수 있으며, 이것이 코일 트레이스의 표면을 덮는 비아의 양을 결정할 수 있다. 예를 들어, 개별 비아의 표면을 증가시키는 것은 코일 트레이스의 표면상의 비아의 총수를 감소시킬 수 있다. 이와는 달리, 개별 비아의 표면을 감소시키는 것은 코일 트레이스의 표면 상의 비아의 총수를 증가시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 비아 중 적어도 일부는 전류 흐름(current flow) 또는 직렬 저항을 최적화하거나 증가시키기 위해 상이한 사이즈 및 표면을 가질 수 있다.
블록 404에서는, 코일층 위에 추가적인 코일층을 중첩하여 코일층의 비아가 그 코일층과 추가적인 코일층을 연결(접속)하도록 할 수 있다. 추가적인 코일층 패턴(또는 트레이스)는 실질적으로 상기 코일층의 패턴과 실질적으로 동일할 수 있고 두 개의 코일층은 완전히 또는 실질적으로 포개지도록 중첩될 수 있다. 추가적인 코일층은 또한, 추가적인 코일층을 상기 코일층, 상기 코일층의 비아, 또는 추가적인 중첩된 코일층에 연결하는 복수의 추가적인 비아를 포함할 수 있다. 블록 402 및 404는 필요에 따라 전체 코일 디자인을 위한 전류 용량 및 직렬 저항을 충족시키기 위해 필요한 만큼 많은 코일층을 확립하기 위해, 도 4에서 점선의 화살표로 나타낸 바와 같이 반복될 수 있다.
도 5는, 다층 코일 디자인(100)과 같은, 고 전류 및 저 ESR를 가지는 비교적 얇은 코일 디자인을 얻기 위한 다른 실시예의 다층 코일 제조 방법(500)을 나타낸다. 상기 방법(500)은 블록 502에서 시작하여, 예컨대 PCB, 기타 회로 기판, 실리콘 기판, 또는 실리콘/반도체 웨이퍼 위에, 제1 권선 트레이스를 포함하는 제1 코일층을 제조할 수 있다. 블록 504에서, 복수의 비아를 제1 코일층 전역에 중첩 및 분포시킬 수 있다. 비아는 전체 권선 트레이스의 길이를 따라 트레이스 포면을 실질적으로 덮도록 분포될 수 있다. 블록 506에서, 제1 권선 트레이스와 실질적으로 동일한 제2 권선 트레이스를 포함하는 제2 코일층을 비아들 위에 중첩할 수 있다. 이와 같이, 비아는 제2 코일층을 제1 코일층에 결합 또는 연결할 수 있다.
블록 508에서, 상기 방법(500)은 전류, 저항, 두께, 사이즈, 및/또는 다른 전기 및 물리 특성과 같은, 코일 디자인 요건을 충족시키기 위해 더 많은 코일층이 필요한지를 판정할 수 있다. 더 많은 코일층이 필요하면, 상기 방법(500)은 블록 510으로 진행될 수 있다. 그렇지않으면, 상기 방법(500)은 종료될 수 있다. 블록 510에서, 복수의 추가적인 비아를 마지막 중첩 코일층, 예컨대 제2 코일층 전역에 중첩하여 분포시킬 수 있다. 추가적인 비아는, 제1 권선 트레이스 전역의 비아와 실질적으로 동일하게 제2 권선 트레이스 위에 분포될 수 있다. 일부 시나리오에서, 제1 권선 트레이스와 제2 권선 트레이스는 전체 다층 코일 디자인을 위해 전류 흐름 및/또는 ESR을 최적화하기 위해 대응하는 표면(코일층) 전역에 다르게 분포될 수 있다. 블록 512에서, 상기 권선 트레이스와 실질적으로 동일한 추가적인 권선 트레이스를 포함하는 추가적인 코일층이 추가적인 비아 위에 중첩될 수 있다. 이와 같이, 추가적인 비아는 추가적인 코일층을 이전에 제조되어 중첩된 코일층에 결합 또는 연결하여 원하는 특성을 갖는 다층 코일 디자인을 달성할 수 있다.
도 6은 다층 코일 디자인, 예컨대 다층 코일 디자인(100)을 포함할 수 있는 핸드헬드형 기기(600)의 일 실시예의 개략도이다. 핸드헬드형 기기(600)는, 예컨대 다층 코일 디자인을 포함하고 스마트폰의 배터리(도시되지 않음)의 충전에 사용될 수 있는 무선 충전 회로와 같은, 무선 충전 구성요소(도시하지 않음)를 포함하는 스마트폰일 수 있다. 예를 들어, 핸드헬드형 기기(600)는 유도성의 충전 코일을 포함하는 충전국(charging station ) 근처에 위치하여, 핸드헬드형 기기(600)를 충전할 수 있다. 스마트폰은 (표준적인 스마트폰 기기에 비해) 비교적 얇은 스마트폰일 수 있다, 예컨대, 두께가 약 1센티미터 미만일 수 있다. 이 스마트폰은 셀룰러 네트워크, 무선 충실도(Wireless Fidelity, WiFi) 네트워크, 또는 이 둘 다를 사용하여 무선 데이터/음성 통신용으로 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스마트폰은 또한 근접장 구성요소, 예컨대 마찬가지로 다층 코일 디자인을 포함할 수 있는 무선 주파수 식별 기기를 포함할 수 있다.
핸드헬드형 기기(600)는 하우징(601), 마이크로폰(612), 터치스크린(614), 스피커(616), 전방(얼굴) 카메라(619), 하나 이상의 음량 제어 버튼(650), 및 하나 이상의 기기 기능 버튼(660)을 포함할 수 있다. 하우징(601)은 핸드헬드형 기기(600)의 바깥 표면을 형성하는 케이싱일 수 있으며, 무선 충전 구성요소, 배터리, 안테나 회로, 및 기타 전자적인 구성요소를 포함하는, 핸드헬드형 기기(600)의 내부 구성요소에 대한 보호를 제공한다. 하우징(601)은 플라스틱 케이싱과 같은 비도전성 케이싱일 수 있다. 마이크로폰(612)은, 하우징(601) 나래의 마이크로폰 회로에 결합될 수 있는, 하우징(601) 내의 하나 이상의 슬롯을 을 포함할 수 있다. 터치스크린(614)은 텍스트, 비디오, 또는 그래픽을 표시하고 대응하는 지점(예컨대, 텍스트 또는 그래픽)에서 터치스크린(614)을 두드리거나 터치하는 것에 의한 사용자로부터의 입력 수신하도록 구성될 수 있다. 스피커(616)는, 하우징(601) 아래의 스피커 회로에 결합될 수 있는, 하우징(601) 내의 하나 이상의 슬롯(예컨대, 원형 또는 다른 형상의 슬롯)을 포함할 수 다. 전방(얼굴) 카메라(619)는 하우징(601) 내의 슬롯 내부에 위치할 수 있고 하우징(601) 내부의 디지털 비디오 처리 회로에 연결된 하나 이상의 광학 구성요소(예컨대, 하나 이상의 렌즈)를 포함할 수 있다. 음량 제어 버튼(650)은, 음량의 증가, 감소, 및 묵음(muting)을 포함하는, 스피커의 음량을 조정하도록 구성될 수 있다. 기기 기능 버튼(660)은, 홈 메뉴 버튼, 복귀 버튼, 전화 목록 번호, 전원 버튼, 잠금 버튼, 및/또는 다른 기기 기능 버튼과 같은, 상이한 기능들을 실현하기 위한 복수의 버튼을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 핸드헬드형 기기(600)는, 하우징(601)의 측면 주위에 위치한 금속 스트림(metal strip)과 같은, 안테나를 포함할 수 있다. 핸드헬드형 기기(600)는 또한 후방 카메라, 전원 코드를 연결하기 위한 하나 이상의 연결 슬롯, 데이터 전송 코드(예컨대, 범용 직렬 버스(USB) 케이블), 또는 휴대형 메모리 ?, 또는 이들의 조합과 같은, 다른 외부 구성요소(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 핸드헬드형 기기(600)의 다른 내부 회로 및 구성요소 중 적어도 일부는 동일한 회로 기판, 예컨대 PCB상에 제조될 수 있다. 핸드헬드형 기기(600)의 상기한 구성요소는 도 6에 도시된 바와 같이 또는 임의의 적당한 형태 또는 디자인으로, 성형, 배치, 및 위치될 수 있다.
적어도 하나의 실시예가 개시되며 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진자(당업자)에 의해 이루어진 실시예(들)의 변형, 조합, 및/또는 수정, 및/또는 실시예(들)의 특징은 본 발명의 범위 내이다. 실시예(들)의 특징의 조합, 통합, 및/또는 생략으로부터 얻은 다른 실시예도 역시 본 발명의 범위 내이다. 수치적 범위 또는 제한이 명시적으로 언급되는 경우, 그러한 표현 범위 또는 제한은, 명확하게 언급된 범위 또는 제한(예컨대, 약 1에서 약 10까지는, 2, 3, 4 등을 포함하고, 0.10보다 큰 것은 0.12, 0.13, 등을 포함함) 내에 속하는 유사한 크기의 반복 범위 또는 제한을 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 하한 Rl 및 상한 Ru인 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 수는 구체적으로 개시된다. 특히, 그 범위 내의 다음과 같은 수치가 구체적으로 개시된다: R = Rl + k * (Ru - Rl), 여기서 k는 1% 증분의 1% ∼ 100% 범위의 변수이며, 여기서 k는 1퍼센트, 2퍼센트, 3퍼센트, 4퍼센트, 7퍼센트, ..., 70퍼센트, 71퍼센트, 72퍼센트, ..., 96퍼센트, 97퍼센트, 98퍼센트, 99퍼센트 또는 100퍼센트이다. 또한, 위에서 정의된 바와 같이 두 개의 R의 수에 의해 정의된 임의의 수치 범위도 또한 구체적으로 개시된다. 용어 약(about)의 사용은, 달리 언급하지 않는 한, 후속 숫자의 ±10%를 의미한다. 청구항의 임의의 요소에 대한 용어 "선택적으로(optionall)"의 사용은, 그 요소가 필요하거나, 또는 달리 그 요소가 필요하지 않다는 것을 의미하고, 두 대안 모두가 청구항의 범위 내에 속한다는 것을 의미한다. "포함하는", "가지는" 등의 범위가 넓은 용어의 사용은, "~로 구성되는" "필수적으로 ~로 구성되는". "실질적으로 ~를 포함하여 구성되는"과 같은, 범위가 좁은 용어에 대한 지원을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 보호 범위는 상기 제시된 설명에 의해 한정되는 것은 아니고 아래의 특허청구범위에 의해 의해 정의되며, 그 범위는 특허청구범위의 대상(subject matter)의 모든 등가물을 포함하는 범위이다. 개개의 청구항은 추가적인 발명으로서 본 명세서에 통합되고 청구항은 본 발명의 실시예이다. 본 발명에서의 참고문헌에 대한 언급은 그것이 종래기술이라고 인정하는 것은 아니며, 특히, 공개일이 본 출원의 우선일 이후인 모든 참고문헌은 그러하다. 본 발명에서 인용된 모든 특허, 특허출원 및 간행물의 개시내용은, 본 명세서에 대해 예시적, 절차적, 또는 다른 상세한 보충정보를 제공하는 정도까지 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
몇몇 실시 예들이 본 발명에서 제공되었지만, 개시된 시스템 및 방법은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 많은 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 생각되어야 하며, 그 의도는 주어진 상세한 설명에 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 요소 또는 성분이 다른 시스템에 결합 또는 통합될 수 있거나 특정한 특징이 생략되거나 구현되지 않을 수 있다.
또, 다양한 실시예에서 이산적 또는 개별적인(discrete or separate) 것으로 설명 및 예시된 기술, 시스템, 서브 시스템 및 방법은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 시스템, 모듈, 기술 또는 방법과 통합될수 있다. 서로 결합되거나 직접 결합되거나 통신하는 것으로 도시되거나 설명된 다른 항목들은, 일부 인터페이스, 기기, 또는 전기적이거나 기계적이거나 다른 방식의 중간 구성요소를 통해 간접적으로 결합되거나 통신할 수 있다. 당업자에 의해 확인 가능한 변경, 대체, 및 개조의 다른 예는 당업자에 의해 본 명세서에 개시된 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (23)

  1. 회로 기판 위에 전기 코일을 제조하는 방법으로서,
    상기 회로 기판 위에 코일 트레이스(coil trace) 및 상기 코일 트레이스의 길이를 따라 분포된 복수의 비아(via)를 포함하는 제1 코일층을 제조하는 단계; 및
    상기 제1 코일층 위에 제2 코일층을 중첩시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 코일층의 비아는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층을 연결하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비아는 실질적으로 코일 전체에 걸쳐 분포되어, 상기 전기 코일에 대해 더 높은 전류 용량, 더 낮은 등가 직렬 저항(equivalent series resistance, ESR) 또는 둘 다를 달성하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층은 상기 회로 기판 위에 중첩되고(overlaid),
    상기 회로 기판 위의 상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층과 통합, 중첩, 또는 둘 다 되는 추가 회로 구성요소를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일층은 제2 코일 트레이스 및 복수의 제2 비아를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 비아는 상기 제2 코일 트레이스를 상기 코일 트레이스, 상기 비아, 또는 둘 다에 연결하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 코일층 위에 제3 코일층을 중첩하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 코일층의 제2 비아는 상기 제2 코일층과 상기 제3 코일층을 연결하는, 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 코일 트레이스는 상기 코일 트레이스를 미러링(mirroring)하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전기 코일에 대한 전류 용량, 등가 직결 저항(ESR), 또는 둘 다를 충족시키기 위해, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 위에 하나 이상의 추가 코일층을 중첩하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 무선 전력 전송용 다층 코일의 전체 두께를 감소시키는 방법으로서,
    제1 권선 트레이스(winding trace)를 포함하는 제1 코일층을 제조하는 단계;
    상기 제1 코일층 전역에 복수의 비아를 중첩하여 분포시키는 단계; 및
    상기 비아 위에, 상기 권선 트레이스와 실질적으로 동일한 제2 권선 트레이스를 포함하는 제2 코일층을 중첩하는 단계
    를 포함하고,
    상기 비아 사이의 간격은 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면의 비아 커버리지(vias coverage)를 증가시키도록 결정되는,
    방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이의 비아는, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면 전역에 실질적으로 고르게 분포되어 있는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 코일층 전역에 복수의 제2 비아를 중첩하여 분포시키는 단계; 및
    상기 제2 비아 위에, 상기 권선 트레이스와 실질적으로 동일한 제3 권선 트레이스를 포함하는 제3 코일층을 중첩하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 비아 사이의 간격을 줄여서 상기 제2 코일층과 상기 제3 코일층의 표면의 상기 제2 비아 커버리지를 증가시키는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이의 비아 및 상기 제2 코일층과 상기 제3 코일층 사이의 제2 비아는, 상기 다층 코일에서의 전체 전류 흐름과 직렬 저항을 증가시키기 위해 동일하게 또는 다르게 분포되어 있는, 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 비아는, 상기 제1 코일층 및 상기 제2 코일층의 실질적으로 전체 표면에 걸쳐 중첩되어 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이의 전류 흐름을 증가시키고, 등가 직렬 저항(ESR)을 감소시키며, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면의 일부분에 보다 적은 수의 비아는 중첩하는 것에 비해 전력 전송을 증가시키는, 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층은, 다층 코일에 대해 원하는 등가 직렬 저항(ESR)를 충족시키도록 결정된 두께를 가져, 상기 다층 코일을 비교적 얇은 핸드헬드 기기의 무선 충전 구성요소로 사용할 수 있도록 하는, 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 비아는 리소그래피 후 에칭을 사용하여 상기 제1 코일층 위에 패터닝에 의해 제조되는, 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 비아 사이의 간격은 PCB 제조에서 허용되는 만큼 감소되어 상기 비아에 의해 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면 커버리지를 증가시키는, 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 비아들은, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면을 덮는 비아의 양을 결정하기 위해 디자인되는, 거의 동일한 크기, 표면, 및 치수인, 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 비아 중 적어도 일부는, 다층 코일에서의 전류 흐름 및 직렬 저항을 증가시키도록 결정되는 상이한 크기를 가지는, 방법.
  19. 다층 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB) 코일용 장치로서,
    PCB의 제1 코일층;
    상기 PCB 내의 제1 코일층의 표면에 연결되고 상기 표면을 실질적으로 덮도록 분포된 복수의 비아; 및
    상기 제2 코일층의 표면을 실질적으로 덮는 상기 비아에 연결되는 상기 PCB의 제2 코일층
    을 포함하고,
    상기 비아는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층 사이에 위치하고, 상기 다층 PCB 코일에 대해 실질적으로 고 전류 및 저 등가 직렬 저항(ESR)을 가능하게 하는,
    장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 PCB 위의 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층과 통합되는 하나 이상의 회로 구성요소를 더 포함하는 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 다층 PCB 코일은 무선 충전 기기에 사용되는 구성요소인, 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 다층 PCB 코일은 근접장 전송 기기에 사용되는 구성요소인, 장치.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 비아는 원통형(cylindrical shape)이고 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층의 표면에 수직인, 장치.
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