CN102237187A - 集成制作平面变压器的方法及该平面变压器 - Google Patents
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Abstract
一种集成制作平面变压器的方法及该平面变压器，该平面变压器包括上下两对称的平面E型磁芯、及设于该两磁芯之间且相互叠合的数层PCB覆铜板，该数层PCB覆铜板之间分别通过一PP片粘合为一体，每一层PCB覆铜板上均蚀刻有相应匝数的绕组，该绕组上设有电气连接点，PCB覆铜板上设有数个通孔，与各电气连接点相对应的通孔通过电镀进行连接，从而实现各电气连接点之间的电性连接。本发明采用在PCB覆铜板上蚀刻相应绕组匝数，用环氧树脂将多层PCB覆铜板经高强度的粘合在一起的平面变压器、平面电感器绕组集成的技术，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面变压器的制作方法，尤其涉及一种集成制作平面变压器的方法及该平面变压器。
背景技术
为了适应节能和环保的要求，微电子电路正在使用越来越低的工作电压，以要求电路中损耗的能量越来越少。目前的这种朝更低的供电电压和更小型的转变正在迅速地改变着电源的供应和包装技术。另一方面，由于直流开关电源正在朝轻薄短小发展，随着功率半导体和信号半导体器件变得越来越小，如何减小由于电源供应系统中扮演关键角色的功率磁性器件外形尺寸变得至关重要。因为功率变压器和电感器的小型化是最大的难点，一直以来都受到国内外专家们的普遍关注。
与传统的变压器采用铜导线作为绕组线圈相比，由于平面变压器的绕组线圈采用的是双层印刷电路板或预制成平面的铜板构成，同时也由于平面磁芯的开发获得了成功，从而平面化的变压器设计得以实现。在功率密度得到大大提高的同时，体积却大大的缩小，只相当于常规变压器的20％，所以平面变压器的厚度远低于传统的变压器，只相当于其20％至40％的高度。由于平面变压器的各种明显优势，采用平面变压器代替传统骨架式变压器是当前开关电源的发展趋势之一。
现有的平面变压器(尤其是大电流、高功率场合)，大多以铜皮作为原/副边绕组，将多个这种绕组堆叠在一起，然后与磁芯一起组成变压器。由于目前的平面变压器结构设计较为复杂，一般用PCB板或加线圈结合，采用开放、人工堆叠组装，绕组各电气连接点通过外置连接，并采用传统的加热焊接(银或锡)工艺，所以平面变压器在结构及工艺设计上需要预留较大的焊接空间，导致平面变压器的功率密度不能达到最大化。其次，由于此传统焊接工艺，在组件组装上需要大量熟练的装配工人组装，将影响变压器的制作成本及可靠性。再者，由于传统焊接工艺受焊接温度、时间控制的差异及焊接材料、以及焊接模式等因素影响，可能会导致各电气连接点电阻值加大及不稳定，从而影响各绕组的电流通过能力及可靠性，进而影响平面变压器的质量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种集成制作平面变压器的方法，其采用在PCB覆铜板上蚀刻相应绕组匝数，用环氧树脂将多层PCB覆铜板经高强度粘合在一起的平面变压器、平面电感器绕组集成的技术，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化的效果；
本发明的另一目的在于，提供一种平面变压器，该平面变压器体积较小，制作成本低廉，且各电气连接点的电阻值较低，具有较高的功率密度和电气连接点的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供一种集成制作平面变压器的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、提供数块磁芯、PCB基板、铜箔、及PP片，在PCB基板与铜箔的中央位置处均设有一窗口；
步骤2、在每一铜箔上蚀刻相应匝数的绕组，该绕组在铜箔的一侧边缘预留有电气连接点；
步骤3、在铜箔上与该电气连接点相对应的位置处开设数个穿孔，在PCB基板的一侧或相对的两侧边缘开设数个通孔；
步骤4、将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，每块PCB基板与铜箔均通过一PP片粘合为一体形成一层PCB覆铜板，各PCB覆铜板同时通过PP片互相粘合为一体；
步骤5、对PCB覆铜板上与各电气连接点相对应的穿孔及通孔内进行电镀，从而实现各电气连接点之间的电性连接；
步骤6、在粘合为一体的多层PCB覆铜板的上下两侧分别安装一磁芯，该两磁芯的中部插设于PCB基板与铜箔中央位置处的窗口内。
所述数块铁芯的结构相同，该铁芯的侧面呈E型结构。
所述PCB基板采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，该PCB基板为工字型、一字型、或T字型结构。
所述PP片采用环氧树脂材料制作。
所述步骤4中，将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，其中，一部分铜箔的穿孔位置处突出于PCB基板的外侧形成外部连接点，一部分铜箔的穿孔位置对应通孔设于PCB基板的内部形成内部连接点。
所述外部连接点与内部连接点分布于PCB基板上通孔的同侧或异侧。
所述步骤3与步骤5中，开设穿孔的数量及穿孔电镀的厚度由绕组的电流密度大小而决定，各穿孔之间的距离通过电磁场有限元仿真技术而决定。
进一步地，本发明还提供一种平面变压器，其包括上下两对称的平面E型磁芯、及设于该两磁芯之间且相互叠合的数层PCB覆铜板，该数层PCB覆铜板之间分别通过一PP片粘合为一体，每一层PCB覆铜板上均蚀刻有相应匝数的绕组，该绕组上设有电气连接点，PCB覆铜板上设有数个通孔，与各电气连接点相对应的通孔通过电镀进行连接，从而实现各电气连接点之间的电性连接。
所述磁芯的侧面呈E型结构，每一PCB覆铜板均包括一PCB基板、及通过PP片与该PCB基板粘合为一体的铜箔，该PCB基板与铜箔中央位置处均设有一窗口，磁芯E型结构的中部插设于该窗口内；该PCB基板采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，该PCB基板为工字型、一字型、或T字型结构；PP片采用环氧树脂材料制作。
所述铜箔与该电气连接点相对应的位置处设有数个穿孔，在PCB基板的一侧或相对的两侧边缘设有数个通孔，各电气连接点分别通过该穿孔及通孔的电镀进行电性连接；所述数个电气连接点包括数个外部连接点与内部连接点，该外部连接点与内部连接点分布于PCB基板上通孔的同侧或异侧。
本发明的有益效果：本发明的集成制作平面变压器的方法及该平面变压器，其采用在PCB覆铜板上蚀刻相应绕组匝数，用环氧树脂将多层PCB覆铜板经高强度的粘合在一起的平面变压器、平面电感器绕组集成的技术，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化的效果；其电气连接点部分(包括外部连接点和内部连接点)采用了先进的PCB板穿孔电镀的连接技术和集成加工工艺，从而使平面变压器、平面电感器各绕组和电气连接点的装配过程的成本降低；此外，由于采用了PCB板穿孔电镀的电气连接技术，使各电气连接点的电阻值大大降低，从而提高平面变压器的效率，以及提高各电气连接点的可靠性；再者，由于不用预留各电气连接点的焊接空间，从而变压器的体积可以缩小，使变压器的功率密度达到最大化，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。
附图中，
图1为本发明集成制作平面变压器的方法的流程示意图；
图2为采用本发明方法制作的平面变压器一实施例的分解结构示意图；
图3为图2中平面变压器的组合结构示意图；
图4为采用本发明方法制作的平面变压器又一实施例的分解结构示意图；
图5为图4中平面变压器的组合结构示意图；
图6为采用本发明方法制作的平面变压器另一实施例的分解结构示意图；
图7为图6中平面变压器的组合结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种集成制作平面变压器的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、提供数块磁芯、PCB基板、铜箔、及PP片，在PCB基板与铜箔的中央位置处均设有一窗口。其中，数块铁芯的结构相同，该铁芯的侧面呈E型结构。PCB基板采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，该PCB基板可根据需要制作成工字型、一字型、或T字型结构。
步骤2、在每一铜箔上蚀刻相应匝数的绕组，该绕组在铜箔的一侧边缘预留有电气连接点。本发明中，以铜箔为平面变压器绕组，通过蚀刻的方法在铜箔上蚀刻相应匝数的绕组。
步骤3、在铜箔上与该电气连接点相对应的位置处开设数个穿孔，在PCB基板的一侧或相对的两侧边缘开设数个通孔。在该步骤中，穿孔的数量取决于绕组的电流密度大小，各穿孔之间的距离取决于邻近效应，由电磁场的有限元仿真技术来决定。
步骤4、将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，每块PCB基板与铜箔均通过一PP片粘合为一体形成一层PCB覆铜板，各PCB覆铜板同时通过PP片互相粘合为一体。在本发明中，PP片采用环氧树脂材料制作，用PP片环氧树脂在高温高压长时间下将铜箔和PCB基板的FR-4玻纤材料粘接为一体。在该步骤4中，将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，其中，一部分铜箔的穿孔位置处突出于PCB基板的外侧形成外部连接点，一部分铜箔的穿孔位置对应通孔设于PCB基板的内部形成内部连接点。该外部连接点与内部连接点可分布于PCB基板上通孔的同侧或异侧。
步骤5、对PCB覆铜板上与各电气连接点相对应的穿孔及通孔内进行电镀，从而实现各电气连接点之间的电性连接。该电镀的厚度同样取决于绕组的电流密度的大小。在本发明中，我们采用PCB穿孔电镀技术来连接各绕组的电气连接点以形成初级绕组及次级绕组，其中，穿孔的数量以Hn表示，电镀的厚度以TH表示，其之间的关系如下式所示：
IT-电流
J-电流密度
Ssh-单孔的导体截面积
TH＝2δ (B)
δ-穿透深度
步骤6、在粘合为一体的多层PCB覆铜板的上下两侧分别安装一磁芯，该两磁芯的中部插设于PCB基板与铜箔中央位置处的窗口内。
进一步地，如图2-7所示，本发明还提供一种平面变压器，其包括上下两对称的平面E型磁芯10、20、及设于该两磁芯10、20之间且相互叠合的数层PCB覆铜板30，该数层PCB覆铜板30之间分别通过一PP片40粘合为一体，每一层PCB覆铜板30上均蚀刻有相应匝数的绕组(未图示)，该绕组上设有电气连接点32，PCB覆铜板30上设有数个通孔302，与各电气连接点32相对应的通孔通过电镀进行连接，从而实现各电气连接点32之间的电性连接。
作为本发明的一种选择性实施例，所述磁芯10、20的侧面呈E型结构，每一PCB覆铜板30均包括一PCB基板34、及通过PP片40与该PCB基板34粘合为一体的铜箔36，该PCB基板34与铜箔中36央位置处均设有一窗口305，磁芯10、20的E型结构的中部插设于该窗口305内。铜箔36与该电气连接点32相对应的位置处设有数个穿孔32’，在PCB基板34的一侧或相对的两侧边缘设有数个通孔302，各电气连接32点分别通过该穿孔32’及通孔302的电镀进行电性连接，该穿孔32’的数量及电镀的厚度均取决于绕组的电流密度的大小，各穿孔32’、及各通孔302之间的距离取决于邻近效应，由电磁场的有限元仿真技术来决定。进一步地，所述数个电气连接点32包括数个外部连接点322与内部连接点324，该外部连接点322与内部连接点324可分布于PCB基板34上通孔302的同侧或异侧。该PCB基板34采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，其采用PP片环氧树脂在高温高压长时间下将铜箔36和PCB基板34的FR-4玻纤材料粘接为一体，再以PCB穿孔电镀技术来连接各绕组的电气连接点32(包括外部连接点322和内部连接点324)以形成初级绕组及次级绕组，取代了传统的焊接技术，不仅极大地降低了装配过程的成本，且使各电气连接点32的电阻值大大降低，提高了各电气连接点32的可靠性，从而提高了平面变压器的效率。
本发明的平面变压器，其PCB基板34可以采用工字型(图2、3所示)、一字型(图4、5所示)、或T字型(图6、7所示)结构。在采用工字型结构时及一字型结构时，在PCB基板34的两侧边缘均设有通孔302，其各电气连接点32的外部连接点322与内部连接点324分别分布于该通孔302的异侧，即该平面变压器的初级绕组与次级绕组分别在PCB基板通孔302的异侧引出接线。在采用T字型结构时，只在PCB基板34的一侧边缘设有通孔302，其各电气连接点32的外部连接点322与内部连接点324均分布于该通孔302的同侧，即该平面变压器的初级绕组与次级绕组分别在PCB基板通孔302的同侧引出接线。
综上所述，本发明的集成制作平面变压器的方法及该平面变压器，其采用在PCB覆铜板上蚀刻相应绕组匝数，用环氧树脂将多层PCB覆铜板经高强度的粘合在一起的平面变压器、平面电感器绕组集成的技术，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化的效果；其电气连接点部分(包括外部连接点和内部连接点)采用了先进的PCB板穿孔电镀的连接技术和集成加工工艺，从而使平面变压器、平面电感器各绕组和电气连接点的装配过程的成本降低；此外，由于采用了PCB板穿孔电镀的电气连接技术，使各电气连接点的电阻值大大降低，从而提高平面变压器的效率，以及提高各电气连接点的可靠性；再者，由于不用预留各电气连接点的焊接空间，从而变压器的体积可以缩小，使变压器的功率密度达到最大化，可使平面变压器达到高度集成模块化、功率密度最大化、及制作工艺标准化。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种集成制作平面变压器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、提供数块磁芯、PCB基板、铜箔、及PP片，在PCB基板与铜箔的中央位置处均设有一窗口；
步骤2、在每一铜箔上蚀刻相应匝数的绕组，该绕组在铜箔的一侧边缘预留有电气连接点；
步骤3、在铜箔上与该电气连接点相对应的位置处开设数个穿孔，在PCB基板的一侧或相对的两侧边缘开设数个通孔；
步骤4、将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，每块PCB基板与铜箔均通过一PP片粘合为一体形成一层PCB覆铜板，各PCB覆铜板同时通过PP片互相粘合为一体；
步骤5、对PCB覆铜板上与各电气连接点相对应的穿孔及通孔内进行电镀，从而实现各电气连接点之间的电性连接；
步骤6、在粘合为一体的多层PCB覆铜板的上下两侧分别安装一磁芯，该两磁芯的中部插设于PCB基板与铜箔中央位置处的窗口内。
2.如权利要求1所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述数块铁芯的结构相同，该铁芯的侧面呈E型结构。
3.如权利要求1所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述PCB基板采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，该PCB基板为工字型、一字型、或T字型结构。
4.如权利要求1所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述PP片采用环氧树脂材料制作。
5.如权利要求1所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述步骤4中，将数块PCB基板与铜箔间隔式层叠放置，其中，一部分铜箔的穿孔位置处突出于PCB基板的外侧形成外部连接点，一部分铜箔的穿孔位置对应通孔设于PCB基板的内部形成内部连接点。
6.如权利要求5所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述外部连接点与内部连接点分布于PCB基板上通孔的同侧或异侧。
7.如权利要求1所述的集成制作平面变压器的方法，其特征在于，所述步骤3与步骤5中，开设穿孔的数量及穿孔电镀的厚度由绕组的电流密度大小而决定，各穿孔之间的距离通过电磁场有限元仿真技术而决定。
8.一种平面变压器，其特征在于，包括上下两对称的平面E型磁芯、及设于该两磁芯之间且相互叠合的数层PCB覆铜板，该数层PCB覆铜板之间分别通过一PP片粘合为一体，每一层PCB覆铜板上均蚀刻有相应匝数的绕组，该绕组上设有电气连接点，PCB覆铜板上设有数个通孔，与各电气连接点相对应的通孔通过电镀进行连接，从而实现各电气连接点之间的电性连接。
9.如权利要求8所述的平面变压器，其特征在于，所述磁芯的侧面呈E型结构，每一PCB覆铜板均包括一PCB基板、及通过PP片与该PCB基板粘合为一体的铜箔，该PCB基板与铜箔中央位置处均设有一窗口，磁芯E型结构的中部插设于该窗口内；该PCB基板采用FR-4的玻纤材料为绝缘制作，该PCB基板为工字型、一字型、或T字型结构PP片采用环氧树脂材料制作。
10.如权利要求9所述的平面变压器，其特征在于，所述铜箔与该电气连接点相对应的位置处设有数个穿孔，在PCB基板的一侧或相对的两侧边缘设有数个通孔，各电气连接点分别通过该穿孔及通孔的电镀进行电性连接；所述数个电气连接点包括数个外部连接点与内部连接点，该外部连接点与内部连接点分布于PCB基板上通孔的同侧或异侧。
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