表面安装的磁性组件模块的制作方法

表面安装的磁性组件模块
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年7月9日递交的美国专利申请no.62/871,854的权益。该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及磁性组件和磁性组件模块，并且更具体地，涉及变压器和表面安装的变压器模块。


背景技术：

4.变压器用于许多应用，例如，用于改变输入电的电压。变压器具有一个或多个初级绕组和一个或多个围绕磁性材料的公共核心进行缠绕的次级绕组。初级绕组接收例如来自电源的电能，并通过变化的磁场将该电能耦合到次级绕组。该电能表现为穿过次级绕组的电磁力。通过初级绕组与次级绕组之间的匝数比，次级绕组中产生的电压与初级绕组中的电压相关。通常的变压器使用相邻线圈的布置来实现。在环形变压器中，绕组围绕环形核心进行缠绕。
5.包括电信、可植入医疗设备和电池供电的无线设备的许多领域的需求例如已经促使设计努力以较低成本的解决方案最小化组件的大小，这些解决方案表现出相同或更好的性能，但是以降低的功耗运行。降低的功耗通常由降低各种电路的电源电压的其他要求引起。因此，持续需要提供更高效、更小且成本更低的变压器。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题并满足上述需要，本发明的优选实施例提供了磁性组件模块，每个磁性组件模块包括基板、头部和绕组，该头部在基板上并包括支撑核心的盘形部分和接纳核心的孔的圆柱形部分，该绕组包括头部上的迹线。
7.根据本发明的优选实施例，磁性组件模块包括第一头部、第一头部上的核心、以及包括第一头部上的第一迹线的绕组。第一头部包括支撑核心的盘形部分以及接纳核心的孔的圆柱形部分。
8.磁性组件模块还可以包括第一头部与核心之间的核心支座。第一迹线可以电连接到基板。
9.磁性组件模块还可以包括包含第二迹线的第二头部。第二头部可以堆叠在第一头部上。磁性组件模块还可以包括在核心上并将第一头部上的第一迹线与第一头部上的第二迹线连接的第一布线接合部、以及在核心上并将第二头部上的第一迹线与第二头部上的第二迹线连接的第二布线接合部。磁性组件模块还可以包括封装第一头部、核心、第二头部、第一布线接合部、以及第二布线接合部的包覆成型材料。
10.第一头部可以包括将绕组电连接到基板的支座，以及包覆成型材料可以封装第一头部的一部分。电子组件可以安装在第一头部与基板之间的基板上。
11.磁性组件模块还可以包括布线接合部，其在核心上并且将第一头部上的第一迹线与第一头部上的第二迹线连接。磁性组件模块还可以包括封装第一头部、核心和布线接合部的包覆成型材料。
12.根据本发明的优选实施例，磁性组件模块包括具有带有内缘和外缘的杯形的第一头部、第一头部上的核心、以及绕组，该绕组包括第一头部上的第一迹线、以及在第一头部的内缘与外缘之间延伸并与第一迹线连接的第一布线接合部。
13.磁性组件模块还可以包括第一头部与核心之间的核心支座。磁性组件模块还可以包括具有带有内缘和外缘的杯形的第二头部，其包括第二迹线并堆叠在第一头部上。磁性组件模块还可以包括在第二头部的内缘与外缘之间延伸并与第二迹线连接的第二布线接合部。
14.第一头部可以包括将绕组电连接到基板的支座，以及包覆成型材料可以封装第一头部的一部分。电子组件可以安装在第一头部与基板之间的基板上。磁性组件模块还可以包括封装第一头部、核心和布线接合部的包覆成型材料。
15.根据以下参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征、元件、特性、步骤和优点将变得更显而易见。
附图说明
16.图1和图2示出了具有镀层绕组的头部。
17.图3示出了头部和核心。
18.图4示出了头部和具有布线接合部的核心。
19.图5和图6示出了具有杯形并具有支座的头部的顶部和底部。
20.图7示出了图5的头部，其具有核心和布线接合部。
21.图8示出了具有杯形并具有短支座的头部。
22.图9示出了具有杯形并具有取放表面的头部。
23.图10示出了堆叠的第一头部和第二头部。
24.图11是图10的堆叠的第一头部和第二头部的横截面图。
25.图12是第一头部和第二头部的分解图。
26.图13示出了与基板和包覆成型件连接的磁性组件模块。
27.图14示出了具有与基板连接的盖子的磁性组件模块。
28.图15示出了图14的没有盖子的磁性组件模块。
29.图16是磁性组件模块的实现的示例的框图。
30.图17是可以包括图16中所示的一个或多个磁性组件模块的栅极驱动电路应用的框图。
31.图18是可以包括图17的栅极驱动单元的电机控制应用的电路图。
具体实施方式
32.图1至图4示出了具有核心106、绕组101和头部105的磁性组件模块100。绕组101可以由头部105上的迹线102以及核心106上的布线接合部103限定。图1和图2示出了头部105。头部105可以通过模塑制成并且可以包括迹线102和核心支座108。限定绕组101的迹线102
可以通过电镀、气相沉积或任何其他合适的工艺来提供。图3示出了头部105上的核心106。图4示出了将头部105上的迹线102连接的布线接合部103。为了清楚起见，图4中仅示出了布线接合部103中的一些。磁性组件模块100可以是具有围绕核心106延伸的初级绕组和次级绕组的变压器。备选地，也可以使用包括例如具有单个绕组的电感器或具有三个或更多个绕组的变压器的其他磁性组件。此外，绕组101可以具有任何合适的匝数并且可以具有一个或多个抽头。如图2中所示，头部105可以包括脊107或其他合适的表面安装(sm)结构，该表面安装(sm)结构可以位于头部105的底表面上，其可以用于将头部105附接到基板(未在图1至图4中示出)。图2示出了三个脊107，但是可以使用任何数量的脊107。可以使用任何合适的基板，包括例如印刷电路板(pcb)。
33.如图1中所示，头部105可以包括主体，该主体可以包括支撑核心106的大致盘形部分以及可以插入核心106的孔中的圆柱形部分。图1还示出了设置在头部105上并且通常从头部105的中心径向延伸到外周的迹线102。如图所示，头部105还可以包括核心支座108，其从迹线102之间的主体突出并且高于迹线102使得核心106不接触迹线102。图1示出了用于将核心106与迹线102隔开的三个核心支座108。可以使用任何数量的核心支座108。备选地，如果核心106和/或迹线102是绝缘的，则可以不使用核心支座。核心106可以位于头部105上或者可以以任何合适的方式附接到头部105。头部105的中心可以包括附接到头部105的平台109。平台109可以通过四个臂或任何合适数量的臂附接到头部105。备选地，平台109可以在没有任何臂的情况下被附接，使得由平台109限定的顶表面是没有孔的实心。如果平台109利用臂连接到头部105使得由平台109限定的顶表面上存在孔，则包覆成型材料可以通过孔流入头部105的内部。平台109可以用于取放放置。
34.图2是图1中所示的头部105的下侧的透视图。图2示出了对迹线102中的一些迹线进行电镀可以从头部105的顶侧围绕边缘延伸到头部105的底侧，使得这些迹线102能够与基板上的焊盘(未在图2中示出)电连接。迹线102可以延伸到头部105下侧上的脊107上。
35.图3示出了位于头部105上方的核心106，其中头部105的圆柱形部分高于核心106。核心106可以位于核心支座108上，远离迹线102以消除核心106与迹线102之间的短路。然而，核心106和/或迹线102可以被绝缘材料覆盖或部分覆盖，这可以消除对核心支座108的需要。
36.图4示出了具有迹线102的头部105、核心106、以及接合到头部105以连接头部105上的迹线102以限定绕组的布线接合部103。布线接合部103可以连接头部105上的相邻迹线102。
37.图5至图7示出了具有核心206、绕组201和头部205的磁性组件模块200。绕组201可以由头部205上的迹线202以及核心206上的布线接合部203限定。图5和图6示出了具有中间有孔的杯形的头部205。头部205可以通过模塑制成并且可以包括迹线202和核心支座208。限定绕组201的迹线202可以通过电镀、气相沉积或任何其他合适的工艺来提供。图7示出了头部205上的核心206以及连接头部205上的迹线202的布线接合部203。磁性组件模块200可以是具有围绕核心206延伸的初级绕组和次级绕组的变压器。备选地，也可以使用包括例如具有单个绕组的电感器或具有三个或更多个绕组的变压器的其他磁性组件。此外，绕组201可以具有任何合适的匝数并且可以具有一个或多个抽头。如图6中所示，头部205可以包括支座207或其他合适的表面安装(sm)结构，该表面安装(sm)结构可以位于头部205的底表面
上，用于将头部205附接到基板(未在图5至图7中示出)。图8示出了可以使用短支座217代替支座207。支座207允许头部205附接到基板，其中电子组件在头部205与基板之间，如图14和图15中所示，而短支座217允许头部205附接到基板，无需头部205与基板之间的任何组件，如图13中所示。图6示出了四个支座207，但是可以使用任何数量的支座207。可以使用任何合适的基板，包括例如印刷电路板(pcb)。
38.如图5中所示，头部205可以包括具有内缘和外缘的杯形主体。如图5中所示，内缘可以比外缘高。备选地，内缘和外缘在制造公差内可以具有相同的高度或基本上相同的高度。头部205可以包括主体，该主体可以包括内缘和外缘从其延伸并且支撑核心206的大致盘形部分，以及可以包括限定内缘并且可以插入核心206的孔中的圆柱形部分。头部205可以包括孔211，如果头部205与例如如图14中所示的盖子215一起使用，则孔211可以允许封装绕组201。图5还示出了设置在头部205上并且通常从头部205的中心径向延伸到外缘的迹线202。如图所示，头部205还可以包括核心支座208，其从迹线202之间的主体突出并且高于迹线202使得核心206不接触迹线202。图5示出了用于将核心206与迹线202隔开的四个核心支座208。可以使用任何数量的核心支座208。备选地，如果核心206和/或迹线202是绝缘的，则可以不使用核心支座。核心206可以位于头部205内或者可以以任何合适的方式附接到头部205。如图9中所示，头部205的中心可以包括附接到头部205的平台209。平台209可以通过四个臂或任何合适数量的臂附接到头部205。备选地，平台209可以在没有任何臂的情况下被附接，使得由平台209限定的顶表面是没有孔的实心。如果平台209利用臂连接到头部205使得由平台209限定的顶表面上存在孔，则包覆成型材料可以通过孔流入头部205的内部。平台209可以用于取放放置。
39.图6是图5中所示的头部205的下侧的透视图。图6示出了对迹线202中的一些迹线进行电镀可以从头部205的顶侧围绕边缘延伸到头部205的底侧，使得这些迹线202能够与基板上的焊盘(未在图6中示出)电连接。迹线202可以延伸到头部205下侧上的支座207上。支座207可以具有任何合适的高度并且可以足够高，例如，当头部205附接到基板时允许电子组件位于头部205的下方。作为使迹线202延伸到头部205的下侧的备选方案，布线接合部(未示出)可以将绕组与基板上的焊盘直接连接。
40.图7示出了位于头部205之上的核心206。核心206可以位于核心支座208上，远离迹线202以消除核心206与迹线202之间的短路。然而，核心206和/或迹线202可以被绝缘材料覆盖或部分覆盖，这可以消除对核心支座208的需要。
41.图7示出了具有迹线202的头部205、核心206、以及接合到头部205以连接头部205上的迹线202以限定绕组的布线接合部203。布线接合部203可以连接头部205上的相邻迹线202。布线接合部203在头部205的内缘与外缘之间延伸。
42.图10至图12示出了具有堆叠的第一头部304和第二头部305以及位于第一头部304和第二头部305上的核心306的磁性组件模块300。核心306可以位于核心支座308上，远离迹线302以消除核心306与迹线302之间的短路。然而，核心306和/或迹线302可以被绝缘材料覆盖或部分覆盖，这可以消除对核心支座308的需要。图11是图10中所示的第一头部304和第二头部305的截面图。图12是第一头部304和第二头部305的分解图，其示出了第一头部304可以布置为适配第二头部205的内部。在图12中，当第一头部304插入到第二头部305中时，核心306在第二头部305中。备选地，可以在将核心306放入到第二头部305中之前将第一
头部304插入到第二头部305中。绕组301可以由第一头部304和第二头部305上的迹线302以及核心306上的布线接合部303限定。第一头部304与第二头部305可以通过布线接合跳线311连接。尽管图10至图12中仅示出了第一头部304和第二头部305，但是附加头部可以堆叠在第一头部304和第二头部305上。每个附加头部产生附加绕组301。第二头部305的中心可以包括平台(未示出)，其可以用于取放放置。第一头部304可以包括如图10中所示的短支座317，其允许第一头部304附接到基板而在第一头部304与基板之间没有任何组件，如图13中所示。备选地，如图14和图15中所示，第一头部304可以包括支座，其允许第一头部304附接到基板，其中电子组件在第一头部304与基板之间。第一头部304和第二头部305可以包括键和/或极化结构，当第一头部304插入到第二头部305中时，该键和/或极化结构使第一头部304和第二头部305相对于彼此定向并且固定第一头部304与第二头部305之间的关系使得第一头部304和第二头部305不相对于彼此旋转。
43.图13示出了具有与基板220连接的头部205的磁性组件模块200。头部205的短支座217可以焊接到基板220以在磁性组件模块200与基板220之间产生电气和机械连接。电路组件和/或连接器222可以位于基板的底表面上。图13还示出了头部和布线接合部可以用包覆成型材料230进行包覆成型。包覆成型材料230可以包括任何合适的包覆成型材料。为了清楚起见，包覆成型材料230在图13中被示出为透明，但是包覆成型材料230不需要是透明的。尽管图13示出了没有内层的基板220，但也可以使用多层基板。基板220可以包括可以与主基板(未示出)附接的支座221。
44.图14和图15示出了具有通过头部205上的支座207与基板220连接的头部205的磁性组件模块200。代替支座207，头部205可以用任何合适的结构(包括例如引线框架)附接到基板220。引线框架可以由任何合适的导电材料制成。如图14中所示，磁性组件模块200可以包括覆盖头部205的盖子215。盖子215可以包括防止盖子215与布线接合部203进行接触的结构，例如支座、止动件、凸耳等。图14示出了盖子215可以覆盖核心206、布线接合部203、以及头部205的部分。头部205的支座207可以安装在基板220上，其中头部205的底部与基板220的顶表面之间具有空间。头部205与基板220之间的空间可以用于安装电路组件和其他电子组件222并增加磁性组件模块200的表面积以促进冷却。头部205的支座207可以用于节省空间并增加电路密度。尽管图14和图15示出了没有内层的基板220，但是也可以使用多层基板。基板220可以包括可以与主基板(未示出)附接的支座221。
45.图16是磁性组件模块txm的实现的示例的框图。在图16中，磁性组件模块txm被实现为隔离转换器，其中通过变压器tx的虚线示出了隔离边界。在图16的左侧并与初级绕组pr连接的初级侧与位于图16右侧并与次级绕组sec连接的次级侧隔离。例如，图16示出了电子模块txm可以包括开关级ss、控制级cs、变压器tx、整流器级rs和输出滤波器lc。变压器tx可以包括由前述布线接合部和迹线限定的核心和绕组。除了变压器tx之外的电路和组件可以包括附接到其上安装有变压器tx的基板或pcb上的其他电子组件，如前所述。
46.如图16所示，开关级ss接收输入电压vin并向变压器tx的至少一个初级绕组pri输出电压ssout。开关级可以包括控制功率流的开关或晶体管。控制级cs包括输入控制信号csin。控制级cs可以控制开关级ss中的开关的切换并且可以经由辅助绕组aux来监控变压器tx。通过变压器tx的竖直虚线表示初级绕组pri和辅助绕组aux与次级绕组sec之间的电流隔离。变压器tx的次级绕组可以连接到整流器级rs，该整流器级rs又连接到输出滤波器
lc，该输出滤波器lc输出 vout与-vout之间的dc电压。整流器级可以包括对次级绕组sec处的电压进行整流的二极管和/或同步整流器。输出滤波器lc可以包括电感器和电容器的布置以过滤不想要的频率。
47.图17是可以包括图16中所示的一个或多个磁性组件模块txm的栅极驱动电路应用的框图。竖直虚线和水平虚线表示电流隔离。图17示出了磁性组件模块txm可以包括例如 12vdc的输入以及-5vdc和 18vdc的输出，它们例如可以用于驱动金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或绝缘栅双极晶体管(igbt)。磁性组件模块txm的输出可以连接到栅极驱动器ixdd614yi。控制器cont可以发送以及接收由虚线框中所示的那些控制信号表示的控制信号，其包括例如电源禁用、脉宽调制pwm启用、低侧和高侧pwm、过电流检测等。可以在控制器cont与隔离电路iso之间以及在控制器cont和磁性组件模块txm之间发送以及接收控制信号。隔离电路iso可以接收以及发送反馈信号vds测量。隔离电路可以包括变压器、电容器、光耦合器、数字隔离器等。栅极驱动电路的输出可以与位于逆变器单元电路中的开关的栅极连接，作为用于如图18所示的电机控制应用的逆变器的一部分。
48.图18示出了用于电机控制应用的电路，该电机控制应用可以包括以50hz或60hz的固定频率运行的电源ps例如逆变器inv、以及以其所需频率运行的电机mtr。如图所示，逆变器inv可以包括功率转换器pc、平滑电路s、以及由pwm控制所控制的逆变器单元电路iu。图18示出了控制器cont可以被包括以控制图17的栅极驱动单元gdu。栅极驱动单元gdu可以控制逆变器单元电路iu内的开关的栅极。反馈fb可以从电机mtr提供给控制器cont以稳定栅极驱动单元gdu的控制。
49.包括磁性组件模块的封装可以是任何大小。例如，封装可以是约12.7mm
×
约10.4mm
×
约4.36mm。具有这些尺寸的封装可以提供更高的隔离。磁性组件模块可用于许多不同应用，包括例如工业、医疗和汽车应用。例如，如上所说明，磁性组件模块可以被包括在栅极驱动器中。例如，磁性组件模块可以提供1w至2w的功率，其中效率超过80％，以及取决于磁性组件模块的占用面积可以提供3kv或5kv击穿额定电压。例如，磁性组件模块可以包括ul要求的增强隔离，并且可以在约-40℃与约105℃之间或者约-40℃与约125℃之间的温度下操作。例如取决于应用，磁性组件模块可以具有1或2的湿气敏感度等级(msl)。磁性组件模块可用于电池管理系统或可编程逻辑控制器以及符合rs484/232的数据采集和通信。
50.如果磁性组件模块包括变压器，则例如初级绕组可以包括至少20匝而次级绕组可以包括12匝。例如，变压器的耦合系数可以是0.99。例如，初级绕组可具有约17.8ω/匝的直流电阻(dcr)，而次级绕组可具有约16.9ω/匝的dcr。最大电流可以是600ma(过流保护)，通常电流是300ma，例如以确保磁性组件模块在这种过流情况下不被损坏。例如，核心可具有约5.4mm的内径、约8.8mm的外径、以及约1.97mm的高度。例如，间隔物可具有约5.1mm的内径、约8.8mm的外径、以及约0.2mm的高度。例如，变压器可以具有约12.7mm
×
约10.4mm
×
约2.5mm的大小。核心可以由任何合适的材料制成，包括例如mn-zn、ni-zn、feni等。间隔物可以由任何合适的材料制成，包括例如环氧树脂粘合剂。布线接合部可以由任何合适的材料制成，包括例如铝或铜。引脚可以由任何合适的材料制成，包括例如具有ni-sn涂层的cu。包覆成型材料可以由任何合适的材料制成，包括例如环氧树脂。
51.应当理解，上述描述仅仅用于说明本发明。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员可以设计出各种替代和修改。因此，本发明旨在包含落在所附权利要求范围内的所有
这些替代、修改和变化。