TWI399139B - 彎繞線狀電感器及具有此彎繞線狀電感器的基板結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種電感器，且特別是有關於一種具有彎繞線狀電感器結構及具有此電感器之基板結構。
電感元件已被廣泛應用於共振器、濾波器及阻抗轉換網路等電路中。然而，一般小型的電容元件，大部分是藉由表面黏著技術(Surface Mounted Technique，底下簡稱SMT)等複雜製程來完成焊接。雖然此電容元件已日趨小型化，但仍需設置於多層基板之表面，而提高了實體電路之面積及高度。
為了能將電感元件埋藏於多層電路基板之內部，近幾年國內外已有許多研發單位，將電感元件嵌入於多層印刷電路基板之內部，並且應用在各種電子電路中。
在設計高頻電路模組時，電感元件的Q值往往會影響通訊品質。Q值較低的電感器，會整體電路傳輸效能降低，例如，將低Q值電感元件應用於通訊系統之濾波器，會使濾波器頻帶內的植入損耗(Insertion Loss)變大，且頻寬變大，導致系統引入更大的雜訊。或者，將低Q值電感元件應用於振盪器電路中，使得振盪器輸出訊號的相位雜訊變大，使得通訊系統的調變訊號不易解調。
除了Q值，電感元件的另一個重要設計參數，也就是自振頻率f r
，其限制了元件的操作頻率範圍，亦即電感元件的操作頻率必須低於自振頻率，以保有電感特性。
在美國第6,175,727號發明名稱為「Suspended Printed Inductor And LC－Type Filter Constructed Therefrom」的專利中，提出一種懸浮架構的印刷式電感器(Suspended Printed Inductor)，請參照圖1之側視圖。在整個架構100中，印刷電路板130上方與下方各具有金屬外殼110與120分別連接到地極(Ground)，而將此懸浮印刷式電感器140環繞置於其中。而此懸浮印刷式電感器140具有兩個端點(Terminal)142與144，而端點142則經由線路150連接到外部的電路。此專利所提出的懸浮架構的印刷式電感器，將接地面置於電感上、下方十倍基板厚度以上的距離，其目的是使得寄生效應降到最小，因此，電感具有高Q值優點。而圖2則是另外一種具有彎彎曲曲外型的懸浮架構印刷式電感器(Serpentine Suspended Printed Inductor)200的上視圖。但專利所提出的架構最大的缺點是懸浮架構之製作步驟比傳統PCB製程複雜，比較不適合低成本的商品應用。
在美國第6,800,936號發明名稱為「High－Frequency Module Device」的專利，提出一種具有高頻模組元件架構，如圖3A與圖3B所示之剖面圖與上視圖。在基板304上形成高頻元件層302。此基板304具有多層的導電層，例如圖3A所示之導電層340與342等等。而高頻元件層302包括電感元件(Inductor)300，由具有薄膜線圈環繞結構(Thin Film Coil Pattern)310、嵌入導體結構(Embedded Conductor Pattern)320與導出導體結構(Pullout Conductor Pattern)330所組成。而在基板304內的多層導電層，例如340與342，具有導線禁止區域(Wiring Inhibition Region)，位於電感元件300的下方，也就是這些區域不具有導電材質。這種建立在多層基板上的電感元件，其下方的金屬導體用蝕刻方式移除，減少寄生效應，可適度地提高電感的Q值。此法與傳統PCB製程類似，適合低成本的商品應用。
因此，為了增加電感元件的Q值與自振頻率，本發明提出一種彎繞線狀電感器結構以及具有此彎繞線狀電感器結構的基板結構。
在一實施例中，本發明所提出的彎繞線狀電感器，設置在一平面基板。此彎繞線狀電感器包括多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層串接，其中振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層是根據一外圍輪廓佈局。
在一實施例中，本發明所提出具有電感器之多層基板結構，包括基板與彎繞線狀電感器。此基板是由一層介電材質所組成，其中此彎繞線狀電感器設置在基板上。在另一選擇實施例中，此基板是由多層介電層堆疊而成，其中包括多條導線置於其中。而彎繞線狀電感器則是設置在基板上或嵌入(Embedded)基板中的任一介電層上。
此彎繞線狀電感器包括多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層串接，其中所述振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層是根據一外圍輪廓佈局。
上述彎繞線狀電感器中，此外圍輪廓可以是矩形、正方形、菱形、圓形、三角形或任一幾何形狀其中之一。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明提出一種彎繞線狀電感器，設置在一平面基板。此彎繞線狀電感器包括多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層。
在一實施例中，本發明提出一種具有彎繞線狀電感器之單層基板結構，包括基板與彎繞線狀電感器，此基板是由一層介電材質所組成，其中此彎繞線狀電感器設置在基板上。在另一選擇實施例中，此基板是由多層介電層堆疊而成，其中包括多條導線置於其中。而彎繞線狀電感器則是設置在基板上或嵌入(Embedded)基板中的任一介電層上。
此彎繞線狀電感器包括多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層串接，其中所述振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層是根據一外圍輪廓佈局。上述彎繞線狀電感器中，此外圍輪廓可以是矩形、正方形、菱形、圓形、三角形或任一幾何形狀其中之一。
本發明提出一種新型彎繞線狀電感器，可提高電感器元件的操作頻率，並且可容易地與印刷電路板(PCB)基板整合，具有適用於高密度連結之線路優點。使其可以廣泛地應用於各式的高頻電路模組、產品，例如濾波器、諧振器、分頻器、振盪器、匹配網路、接收模組、發射模組以及各式高頻商用產品。
請參照圖4A與4B，主要說明彎繞線狀電感器之結構示意圖，在元件區域410內，彎繞線狀電感器420的兩端分別與導線430與432相連接，而彎繞線狀電感器420是在兩端距離412內，以一類似弦波的方式彎繞而成。此彎繞線狀電感器420的電路模型則如圖4C所示，其中L為電感值，RC
為介值中的損耗，RL
代表金屬損耗，C為寄生電容。
經由計算可得彎繞線狀電感器420的Q值或自振頻率fr
：
圖4D為說明彎繞線狀電感器420以類似弦波的方式彎繞的示意圖，其組合類似數個具有相同振幅(A1)的弦波狀(圖示中的422、424、426)迴圈組成，此圖示僅為方便說明而將彎繞線狀電感器420分割成多個類似弦波的組成，但並非說明此彎繞線狀電感器420的形狀不連貫。在彎繞線狀電感器420的兩端為了配合應用電路，通常會加上二段連接線路421與422分別與導線430與432相連接，使得整體的外圍輪廓呈現一個矩形。此彎繞線狀電感器420的優點為可單層設計，不需額外的導孔(Via)，以及不會浪費電路佈局的面積。
從理論與上述式(1)與式(2)的結果可知，欲提高電感器之操作頻率，亦即提高電感器的Q值或自振頻率，可從降低寄生電容著手。
本發明提出一種新型彎繞線狀電感器，其外形如圖5A所示，為說明具有此新型彎繞線狀電感器的多層結構印刷電路板結構500。此新型彎繞線狀電感器的外圍輪廓主要根據在基板中可以作為線狀電感器的外框範圍為設計，例如圖5A中所示的矩形區域510，並且可以取得最有效率之佈局方式。此彎繞線狀電感器520包含著許多不同大小的迴路狀線圈，並且每個迴路狀的長度都有所不同。此彎繞線狀電感器520的兩端522與524可分別連接到外部電路的連線或經由導孔連接到多層結構印刷電路板500的其他層導電層或連線。如圖5B所示，為多層結構印刷電路板結構500經由I－I’的剖面圖，多層基板530包括多層介電質材料層所組成，而彎繞線狀電感器520就形成於此多層基板530的上方。在另外一選擇實施例中，如圖5C所示，此彎繞線狀電感器520就形成於此多層基板530內的其中一層。
在此實施例中，彎繞線狀電感器520的外型設計若是根據基板中可以作為線狀電感器的外框範圍，進行不等長度的迴路狀設計，可得到相同面積下最佳的電感器特性。因此，迴圈之間的寄生電容可降低，使得電感器的Q值提升、自振頻率f r
提升，使得電感器可操作的應用範圍變廣。
為更清楚地說明本發明所提出的彎繞線狀電感器的外型設計，如何根據基板上或其多層架構中的其中一層可以作為線狀電感器的範圍外框彎繞，請參照圖6所示。在可以作為線狀電感器的區域610內，彎繞線狀電感器620是由多個類似半個弦波狀或是多個弦波狀的彎繞線狀導體所組成，例如圖式中的半弦波線狀導體621~628等八個所組成，而以接近區域610對角線的斜角線605為中心，半弦波線狀導體621~628分別具有不同彎繞長度B1~B8，而其長度主要是根據區域610所能涵蓋的距離而設計。如彎繞長度B5長度就比B1長。此設計主要是為了配合基板上或其多層架構中的其中一層作為彎繞線狀電感器範圍外框的大小。
為了驗證本發明所提出的彎繞線狀電感器的Q值或自振頻率確實可以提升，在此，使用高頻電磁場模擬軟體SONNET，進行高頻散射參數模擬實驗。首先，以相同的基板結構與參數，如圖7A所示，兩層厚度約為2 mil厚度的介電質層堆疊結構，其上形成線狀電感器。而此介電質層堆疊結構包括一HiDK20的介電質層(DK約為17，而DF約為0.05)與其上的Low Loss介電質層(DK約為3.5，而DF約為0.01)。為了驗證本發明所提出的彎繞線狀電感器與傳統的彎繞線狀電感器，在相同的形成區域中的高頻電性差異，在此以相同面積60 mil×100 mil的區域下，如圖7B與圖7C所示，圖7B為傳統的彎繞線狀電感器，圖7C則為本發明所提出新型彎繞線狀電感器。圖7D則為傳統與本發明的新型彎繞線狀電感器之高頻電性比較，左上圖示為頻率與電感值的模擬結果，包括傳統的彎繞線狀電感器結果710與本發明彎繞線狀電感器的結果720。另外右上圖則是頻率與Q值的模擬結果，包括傳統的彎繞線狀電感器結果730與本發明彎繞線狀電感器的結果740。從模擬結果可知，新型平面彎繞線狀電感器的Q值比傳統彎繞線狀電感器的Q值高出約16.7%，同時，自振頻率(SRF，也就是Self Resonant Frequency)提高9.2%。
另外，為了驗證本發明所提出的彎繞線狀電感器與傳統的彎繞線狀電感器，在相同的形成區域中的高頻電性差異，在此以相同面積100 mil×100 mil的區域下，如圖8A與圖8B所示，分別對傳統的彎繞線狀電感器810與本發明所提出的彎繞線狀電感器820進行高頻電磁場模擬軟體SONNET的高頻散射參數模擬實驗。圖8C則為傳統與本發明的新型彎繞線狀電感器之高頻電性比較，左上圖示為頻率與電感值的模擬結果，包括傳統的彎繞線狀電感器結果811與本發明彎繞線狀電感器的結果812。另外右上圖則是頻率與Q值的模擬結果，包括傳統的彎繞線狀電感器結果813與本發明彎繞線狀電感器的結果814。從模擬結果可知，新型平面彎繞線狀電感器的Q值比傳統彎繞線狀電感器的Q值高出約15%，同時，自振頻率(如圖之SRF，也就是Self Resonant Frequency)提高2%。
綜上所述，本發明所提出的彎繞線狀電感器的外型設計，根據基板中可以作為彎繞線狀電感器的外框範圍，進行不等長度的迴路狀設計，因此，在相同面積的條件下，可使電感器的Q值提升、自振頻率f r
提升，電感器可操作的應用範圍變廣。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．元件架構
130．．．印刷電路板
110、120．．．金屬外殼
140．．．懸浮印刷式電感器
142、144．．．端點(Terminal)
150．．．線路
200．．．彎曲外型的懸浮架構印刷式電感器(Serpentine Suspended Printed Inductor)
300．．．電感元件(Inductor)
302．．．高頻元件層
304．．．基板
310．．．薄膜線圈環繞結構(Thin Film Coil Pattern)
320．．．嵌入導體結構(Embedded Conductor Pattern)
330．．．導出導體結構(Pullout Conductor Pattern)
340、342．．．多層導電層
410．．．元件區域
420．．．彎繞線狀電感器
421與422．．．線路
430與432．．．導線
500．．．多層結構印刷電路板結構
510．．．矩形區域
520．．．彎繞線狀電感器
530．．．多層基板
610．．．區域
620．．．彎繞線狀電感器
621~628．．．半弦波線狀導體
605．．．斜角線
B1~B8．．．彎繞長度
圖1與2分別是習知的一種懸浮架構的印刷式電感器側視示意圖與上視示意圖。
圖3A與3B是習知的一種具有高頻模組元件架構，分別為剖面示意圖與上視示意圖。
圖4A與4B說明彎繞線狀電感器之結構示意圖。
圖4C說明彎繞線狀電感器的電路模型。
圖4D為說明彎繞線狀電感器以類似弦波的方式彎繞的示意圖。
圖5A說明本發明一實施例之具有此新型彎繞線狀電感器的多層結構印刷電路板結構示意圖。
圖5B與5C分別說明圖5A的多層結構印刷電路板結構，在經由I1－I1’線在兩種不同實施例中的剖面示意圖。
圖6說明說明本發明實施例的彎繞線狀電感器與基板上或其多層架構中的其中一層，作為線狀電感器的範圍外框彎繞設計。
圖7A~7D是說明說明本發明實施例的彎繞線狀電感器與傳統電感器在相同環繞面積(60mil*100mil)下的彎繞設計佈局，並進行高頻散射參數模擬實驗之結果比較示意圖。
圖8A~8C是說明說明本發明實施例的彎繞線狀電感器與傳統電感器在相同環繞面積(100mil*100mil)下的彎繞設計佈局，並進行高頻散射參數模擬實驗之結果比較示意圖。
610．．．區域
620．．．彎繞線狀電感器
621~628．．．半弦波線狀導體
605．．．斜角線
Claims (16)
- 一種彎繞線狀電感器，設置在一平面基板，該彎繞線狀電感器包括：多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層串接，其中該些振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層是根據一外圍輪廓佈局；以及兩側端點，分別位於串接的該些彎繞線狀導電層的兩端，用以連接外部的兩導線，其中，每一該彎繞線狀導電層包括一對垂直延伸部與一水平延伸部，其中該些垂直延伸部實質上垂直該些兩側端點連線方向，而該些水平延伸部實質上平行該些兩側端點連線方向，而在該些彎繞線狀導電層中，鄰近該些兩側端點的該些彎繞線狀導電層的該對垂直延伸部長度，小於位於該外圍輪廓中接近該些兩側端點中心區域的該些彎繞線狀導電層的該對垂直延伸部長度。
- 如申請專利範圍第1項所述的彎繞線狀電感器，其中該外圍輪廓為一矩形。
- 如申請專利範圍第1項所述的彎繞線狀電感器，其中該外圍輪廓為一正方形。
- 如申請專利範圍第1項所述的彎繞線狀電感器，其中該外圍輪廓為一菱形。
- 如申請專利範圍第1項所述的彎繞線狀電感器，其中該外圍輪廓為一圓形。
- 如申請專利範圍第1項所述的彎繞線狀電感器，其 中該外圍輪廓為一三角形。
- 一種具有彎繞線狀電感器之多層基板結構，包括一基板；以及一彎繞線狀電感器，位於該基板，其中該彎繞線狀電感器包括：多條振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層串接，其中該些振幅不等的弦波狀迴圈外型的彎繞線狀導電層是根據一外圍輪廓佈局；以及兩側端點，分別位於串接的該些彎繞線狀導電層的兩端，用以連接外部的兩導線，其中，每一該彎繞線狀導電層包括一對垂直延伸部與一水平延伸部，其中該些垂直延伸部實質上垂直該些兩側端點連線方向，而該些水平延伸部實質上平行該些兩側端點連線方向，而在該些彎繞線狀導電層中，鄰近該些兩側端點的該些彎繞線狀導電層的該對垂直延伸部長度，小於位於該外圍輪廓中接近該些兩側端點中心區域的該些彎繞線狀導電層的該對垂直延伸部長度。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該基板由多層介電層堆疊而成，其中包括多條導線置於其中，其中該彎繞線狀電感器位於該基板上。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該基板由多層介電層堆疊而成，其中包括多條導線置於其 中，其中該彎繞線狀電感器嵌入該基板中的任一該介電層上。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該外圍輪廓為一矩形。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該外圍輪廓為一正方形。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該外圍輪廓為一菱形。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該外圍輪廓為一圓形。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該外圍輪廓為一三角形。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該基板為一印刷電路基板、一陶瓷基板或一積體電路基板。
- 如申請專利範圍第7項所述的多層基板結構，其中該基板的該些介電層包括高導磁係數材料。
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