具有导热填充物的磁性元件结构以及其制作方法与流程

具有导热填充物的磁性元件结构以及其制作方法
1.本技术是申请人为乾坤科技股份有限公司，申请日为2020年3月10日，申请号为202010162749.1，发明名称为“具有导热填充物的磁性元件结构以及其制作方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本发明大体上涉及一种磁性元件结构，更具体言之，其涉及一种具有导热填充物的磁性元件结构。


背景技术：

3.磁性元件，例如变压器或电感器，也称之为电抗器，是一种会对流经其间的电流变化产生抵抗的双终端被动电子元件。它含有导体，如一绕线，其通常缠绕成线圈样式。当电流流经其间时，能量会暂时存储在线圈的磁场中。根据法拉第定律中的电磁感应原理，当流经导体的电流产生变化时，随时间改变的电场会在该导体中产生出一电压，以对抗这样的电流变化。许多的磁性元件都具有铁或铁氧体制成的磁芯，其可用来增强电场与电感。
4.磁性元件被广泛地用在使用交流电的电子设备上，特别是无线电设备、功率转换或功率隔离等应用方面。例如电感器被用来阻挡交流电的流动并让直流电通过，被设计来实现此目的的电感器被称为扼流圈。他们也被用在电子滤波器中用来分离不同频率的信号，并且与电容器共同构成调谐电路(tuned circuit)。
5.5g无线系统与车用电子的发展与普及对本领域的业者提供了巨大的商机。市场对于这类无源元件极大的需求造成电感器或是变压器供货短缺。再者，5g无线系统与车用电子对磁性元件的特性会有更加严格的规范与要求。例如，如何更快更有效地将磁性元件中线圈与磁芯生成的热散出是其重要的课题，因为生成的热更多且不断积累会在磁性元件运行中升高其温度并降低其效能，最终或可导致整个元件烧坏。故此，目前业界仍需研发新的方法与构造来改善磁性元件中磁芯与线圈的散热。


技术实现要素：

6.为了改善磁性元件的散热，本发明提出了一种磁性元件，其线圈与磁芯之间具有导热填充物来增进其间的热传导，其中该导热填充物独特的设计不仅可以改善散热，也可减少制作成本。此外，线圈与磁芯的尺寸也可因此减小，轻易达到所需的电感值，有助于磁性元件的微型化。
7.本发明的其一面向在于提供一种具有导热填充物的磁性元件结构，其包含一第一磁芯、一第二磁芯，该第二磁芯与第一磁芯组合成一个具有前开口与后开口的外壳、一线圈组装在该外壳中，其中该线圈的两个端点从该前开口伸出、以及一导热填充物填充在该外壳内且介于该外壳与该线圈之间。
8.本发明的另一面向在于提供一种制作具有导热填充物的磁性元件结构的方法，包含提供一个已装有线圈的模具、用导热材料灌铸该模具形成一个包覆住至少一部分的该线
圈的导热填充物、将该导热填充物以及该线圈从该模具上取下、以及将带有该线圈的该导热填充物与磁芯组合形成一磁性元件结构。
9.本发明的这类目的与其他目的在阅者读过下文中以多种图示与绘图来描述的优选实施例的细节说明后应可变得更为明了显见。
附图说明
10.本说明书含有附图并于文中构成了本说明书的一部分，从而使阅者对本发明实施例有进一步的了解。该些图示是描绘了本发明一些实施例并连同本文描述一起说明了其原理。在该些图示中：
11.图1为根据本发明实施例中一磁性元件结构的分解图；
12.图2为根据本发明实施例中一组装后的磁性元件结构的前立体图；
13.图3为根据本发明实施例中一磁性元件结构的后立体图；
14.图4为根据本发明另一实施例中一磁性元件结构的后立体图；
15.图5为根据本发明又一实施例中一磁性元件结构的后立体图；
16.图6为根据本发明又一实施例中一磁性元件结构的后立体图；
17.图7为根据本发明一实施例中一磁性元件结构的底立体图；
18.图8a与图8b为根据本发明两实施例中磁性元件结构的下磁芯的立体图；
19.图9a与图9b为图8a与图8b中所示磁性元件结构的下磁芯从中芯偏移的顶视图。
20.图10为根据本发明一实施例中一磁性元件结构在组装时的立体图；
21.图11为根据本发明另一实施例中一磁性元件结构在组装时的立体图；
22.图12为根据本发明又一实施例中一磁性元件结构在组装时的立体图；
23.图13为根据本发明又一实施例中一磁性元件结构在组装时的立体图；以及
24.图14a与图14b为根据本发明一实施例中用于磁性元件结构的线圈的立体图。
25.须注意本说明书中的所有图示皆为图例性质，为了清楚与方便图示说明之故，图示中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现，一般而言，图中相同的参考符号会用来标示修改后或不同实施例中对应或类似的元件特征。
26.附图标记说明：
27.100
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磁性元件结构
28.101
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外壳
29.101a
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前开口
30.101b
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后开口
31.110
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下磁芯
32.111
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中柱
33.113
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中杠
34.115
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组装平面
35.120
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绕线架
36.120a
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侧壁
37.121
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中心圆柱体
38.130
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线圈
39.131
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端子
40.140
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导热填充物
41.150
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绝缘纸
42.160
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上磁芯
43.170
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弹性胶带
44.180
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外盖
45.190
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导热界面材料
46.c
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中心
具体实施方式
47.下文中本发明将参照随附的图示来进行详细的说明，这些图示构成了本发明的一部分并以绘图以及可据以施行本发明的特定实施例的方式来展示。这些实施例中会描述足够的细节让本领域中的一般技术人士得以施作本发明。为了简明与方便之故，图示中某些部位的尺度与比例可能会刻意缩小或是以夸大的方式来表现。在不背离本发明范围的前提下，发明中还可采用其他的实施例或是具有结构上、逻辑上以及电性上的变化。故此，下文的详细说明不应以局限的方式来看待，而本发明的范围将由随附的相关申请文件来界定。
48.首先请参照图1，其为根据本发明实施例中一磁性元件结构100的分解图。此图表示出了磁性元件结构100中各元件的相对位置以及其排列方式。此实施例所示的磁性元件结构100由下而上可包含一下磁芯110、一绕线架120、一线圈130、一导热填充物140、一绝缘纸或绝缘膜150以及一上磁芯160，上磁芯与下磁芯可任意比对为第一磁芯及第二磁芯。下磁芯110具有一中柱111从组装平面115向上延伸，让绕线架120与/或线圈130可以组装于其上。绕线架120可以是一绕线架，其形状对应了下磁芯110的组装平面与内壁的轮廓，还具有一中空的中心圆柱体121对应了下磁芯110的中柱111并可组装于其上，线圈130是缠绕并组装在绕线架120的该中心圆柱体121上。在本发明实施例中，绕线架120还包含两个侧壁120a，其外型沿着线圈130的外侧延伸来增进线圈130与上下磁芯160,110之间的绝缘性。
49.上磁芯160的形状与下磁芯110对应，且在组装后，它会与下磁芯110结合来围住上述磁性元件结构100的所有组件。导热填充物140会被填入并形成在上磁芯160与下磁芯110之间一部分或整个的剩余空间中。绝缘纸150是设置在导热填充物140与上磁芯160之间来提供更佳的绝缘性质。此外，也可以选择在磁性元件结构100的后方贴附一层弹性胶带170来封住其由上磁芯160与下磁芯110组合形成的后开口。请注意前文所说明的排列方式与设定仅为本发明的一优选实施范例，实际施作中可能不会使用某些组件，如绕线架120、绝缘纸150以及/或弹性胶带170等，或是该些组件会以其他组件来取代。此外，其他的实施例变体可能会修改现有组件或是添加其他组件。再者，组装后所形成的该前开口与该后开口是分别在膨胀应力的两个平行且相反的方向上彼此相对。这些开口的作用是释放运行期间发热所产生的膨胀应力，可大幅降低上下磁芯160,110所承受的应力。导热填充物140与导热界面材料的热导率约大于0.3瓦/米
·
克尔文(w/mk,watts per meter-kelvin)。根据本发明其他实施例，导热界面材不会包覆上磁芯160与下磁芯110的外表面。
50.在本发明中，上磁芯160与下磁芯110的材料可为具有低导磁率的铁粉芯，如铁硅合金与铁镍合金，或是具有较高导磁率的铁氧体。绝缘纸/膜150的材料可为杜邦nomex纤维
或是kapton薄膜，其厚度足以实现电绝缘需求，且面积大于带电的线圈130顶面。绕线架120的材料可为塑胶，如工程塑胶，其可承受线圈绕线时的张力。导热填充物140(热导率大于0.3w/mk)的材料可为具有良好热导率的无机材料，如环氧树脂、硅胶、聚氨酯(pu)，或是热导率大于0.3w/mk的热固性酚醛树脂、热塑性聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚酰胺(pa)、聚苯硫醚(pps)以及聚醚醚酮(peek)等材料。
51.接着请参照图2，其为根据本发明实施例一组装后磁性元件结构100的前立体图。在此实施例中，下磁芯110与上磁芯160组合形成了外壳101，其内含括了磁性元件结构100的各组件，同时也形成了一前开口101a让线圈130的端子131从外壳101前方伸出。绕线架120沿着外壳101的内壁部位组装，导热填充物140则填满其内部至少部分或整个剩余的空间并包覆住至少部分或整个线圈130(不含其两个引出端子131)以及绕线架120。绝缘纸150是设置在成型的导热填充物140与上磁芯160之间。
52.在运行中，线圈130所生成的热会先传导至包覆在其周围的导热填充物140。具有优异导热性质的导热填充物140可有效地将热从线圈130传导至周围的外壳101，其间的绝缘纸150可促进此传导行为。上磁芯160与下磁芯110本身也是良好的热导体，可进一步地将热传导到外部磁性元件结构100所装的散热结构上，如手机或是车辆的冷却板。
53.在一实施例中，导热填充物140是在由上磁芯160与下磁芯110所组成的模具中灌铸导热材料形成的，其会整个或部分地包覆住已组装在其内的线圈130。
54.接着请参照图3，其为根据本发明实施例一磁性元件结构100的后立体图。下磁芯110与上磁芯160组合所形成的后开口(未示出)可以用一个外盖180来挡住。在此实施例中，外盖180是外壳101的一部分且可以与外壳101形状齐平的方式粘合在上磁芯160与下磁芯110的后方。在磁性元件结构100中加入外盖180结构是为了封住外壳101的后开口，使得导热填充物在灌注工艺中保留在内部的封闭空间中，直到其固化。
55.接着请参照图4，其为根据本发明其他实施例中一磁性元件结构100的后立体图。在此实施例中，外壳101的后开口101b并没有像图3一样被外盖挡住，使得导热填充物140可从外壳101的内部空间向外伸出。此设计适合那些有部分线圈超出外壳101后方范围的磁性元件结构。就算超出外壳101后方的范围，伸出的导热填充物140可以完全包覆住这类线圈。在制作中，此伸出的填充结构可以经由在灌铸导热填充材料的过程中使用上磁芯160与下磁芯110作为模具以及一个类似图3中外盖180的后方额外模件(未示出)的方式来形成。此后方额外模件提供了内部模塑空间来成型该导热填充物140的伸出部位。导热填充物140固化后，此额外模件就可以从磁芯110,160与导热填充物140上取下。如果有与外部的冷却结构接触，此伸出的导热结构也可以提供更佳的散热效果。
56.接着请参照图5，其为根据本发明另一实施例中一磁性元件结构的后立体图。此实施例中并不像图3所示使用外盖180来挡住外壳101的后开口，而是使用具有粘性的弹性胶带170贴附在外壳101的后方来封住其后开口。此设计的优点在于其为形成在外壳101中导热填充物提供了弹性空间与容差。在实际制作中，固化的导热填充物会对组合后的磁芯110,160施加相当的应力，如果没有足够的空间让导热填充物膨胀，其甚至可能会造成磁芯破裂。所贴附的弹性胶带170可在灌铸过程中作为一底盖将导热填充材料维持在内部，且如果需要的话，它也可以被固化膨胀的导热填充物挤脱来提供向外延伸的空间。如果没有膨胀的话，导热填充物的表面将会与外壳101的后开口齐平。
57.接着请参照图6，其为根据本发明又一实施例中一磁性元件结构100的后立体图。在本发明的另一变体中，磁性元件结构100中的导热填充物140可以是半填满或部分填满形态的。如图6所示，导热填充物140是从下磁芯110往上磁芯160方向半填满的。部分半填满的导热填充物140会像图4一样从外壳101的后开口101b伸出。从图6中可以看到，未填充的空间中有部分的绕线架120与线圈130是从导热填充物140中裸露出来的。此即表示在此实施例中导热填充物140并未完全包覆内部的组件。此半填满或部分填满形态的优点在于它可以节省可观的材料成本并降低运行时的热能所产生的膨胀应力。因为在此工艺中几乎只需要用到原本一半的量的导热填充物140，同时由于导热填充物140与下磁芯110之间仍有足够的热传导接触面积，它又能维持适当的热传导性质。在制作中，此半填满又外伸的结构可以经由将导热填充物140横向灌铸并固化而形成，其外壳101前后方需要辅助的模件来维持为固化的导热填充材料，直到它们被固化成导热填充物140。
58.接着请参照图7，其为根据本发明实施例中一磁性元件结构100的底部与内立体图。与图6实施例类似的，此实施例的导热填充物140也是半填满或部分填满的形态的。然而在此实施例中，导热填充物140是以直立灌铸的方式形成的，其外壳101的后开口101b会用弹性胶带或外壳挡住。导热填充物140从后开口101b往前开口101a的方向部分填满外壳101。与图6的实施例相比，此实施例中导热填充物140与下磁芯110之间的接触面积小的多。尽管妥协了其热传导能力，此设计的优点在于其采用简单的直立灌铸工艺。被灌铸、未固化的导热填充物140不需要辅助模件的帮助就可以简单地维持在壳中成型。上下磁芯160,110对应导热填充物140的外表面会是散热面，用以接触散热器。
59.接着请参照图8a与图8b，其为根据本发明两实施例中磁性元件结构的下磁芯110的立体图。本发明的磁性元件结构可以采用多种类型的下磁芯110，诸如图8a所示的eq形磁芯或是图8b所示的e形磁芯。eq形下磁芯110具有一中柱111让线圈或绕线架组装于其上。与前者不同，e形下磁芯110具有一中杠113让线圈缠绕于其上。这两种类型的下磁芯110都具备前开口101a与后开口101b让内部组件从中伸出。请注意上述说明中的下磁芯110类型都只是用来作为实施范例，其他类型的下磁芯110，如ep形磁芯、er形磁芯、etd形磁芯、pm形磁芯以及pq形磁芯等，都可适用于本发明，来与具有相同磁芯类型相配的上磁芯160组装接合，或是直接使用简单的i形磁芯来结合即可。
60.接着请参照图9a与图9b，其分别为图8a与图8b所示的磁性元件结构的下磁芯110从中心偏移后的顶视图。如此图所示，此两实施例中的下磁芯110的中柱111与中杠113会从下磁芯110上的组装平面115从中心c往前开口101a偏移一段距离。此设计的目的在于避免组装在这些中柱111或中杠113上的线圈超出下磁芯110后方的范围。以此方式，缠绕在柱上或杠上的线圈也可向前开口101a偏移，因此后开口101b可用弹性胶带封住，使其在灌铸后可以轻易地移除，提供较佳的工艺弹性。此两实施例中模塑的导热填充物140都可与后开口101b齐平，而非像图4般从中伸出。
61.在说明完上述各种不同的实施例后，现在请参照图10-图13，其示出根据本发明多种实施例中一磁性元件结构的组装示意图。本发明的导热填充物140可以模塑成不同的形态。首先请参照图10。在此实施例中，导热填充物140被形成为部分地包覆线圈130且几乎完全包覆住整个下磁芯110。在制作中，导热填充材料会被灌注到内含下磁芯110与其上线圈130的模具(未示出)中。受灌注的导热填充材料会固化成型为导热填充物140，其包覆住下
磁芯110与线圈130的下半部。从模具上脱下后，包覆着线圈130的下磁芯110会与上磁芯160组装接合，形成磁性元件结构。此设计的好处在于其工艺相当简单，且相较于那些下磁芯110没受到包覆的实施例而言，完整包覆的导热填充物140可为磁性元件结构提供更佳的散热效率并更低的热膨胀应力。
62.接着请参照图11。此实施例的导热填充物140可以另一种形态与下磁芯110一同形成。如图11所示，导热填充物140是形成在下磁芯110的组装平面115上，其形状顺着下磁芯110的内壁并与其后表面至少部分地或整个齐平。此实施例中的导热填充物140可以经由将导热填充材料灌注到由下磁芯110与上模件(未示出)所组成、具有预定形状与侧壁轮廓的模具中来形成。在将导热填充物140固化从上模件上脱下后，内部包覆有部分或整个下磁芯110与线圈130的导热填充物140可与上磁芯160组装接合，形成磁性元件结构。同样地，此设计的好处在于其工艺相当简单，且导热填充物140可与下磁芯110一同形成来避免成型后的导热填充物140在组装时与磁芯之间有公差存在，特别是针对那些烧结形成、尺寸会不预期缩小的铁氧磁芯。
63.接着请参照图12。与图10相似，此实施例中的导热填充物140是与下磁芯110一同形成的。然而在此实施例中，绕线架120是包含在导热填充物140的成型中。制作时，线圈130会先缠绕在绕线架120上，绕线架120会进一步组装在下磁芯110上。在这三个部件组装后，将整个组件置入具有特定形状与内轮廓的模具(未示出)中进行灌铸。线圈130可被导热填充物140整个地或部分地包覆在绕线架120与下磁芯110上方，只露出绕线架120的顶部。脱模后，连同包覆的导热填充物140、绕线架120以及组装于其上的线圈130，下磁芯110会与上磁芯160组装接合，形成磁性元件结构。此设计的优点在于它将绕线架120纳入了导热填充物140的成型中，其可适用于更复杂的设计，如较为复杂的线圈结构或复杂的内部组装。此外，可选择在导热填充物140与上磁芯160之间或是导热填充物140与下磁芯110之间设置一具有弹性的导热界面材料190，其可吸收导热填充物140所产生的应力、填补绕线架120与上磁芯160之间可能的空隙，并提供更佳的绝缘与导热性质。弹性导热界面材料190可以是导热胶、散热膏、散热片或导热间隙材料等，其硬度小于导热填充物140与/或上下磁芯160,110，以进一步降低热应力与组装公差。
64.接着请参照图13。与图12的实施例不同的，此实施例中的导热填充物140并非与下磁芯110一起形成，它是使用具有对应其中一磁芯110,160的内轮廓的模具(未示出)独立成型的。固化成型后的此导热填充物140会包覆住线圈130，并可适形地组装在下磁芯110与上磁芯160之间，以形成磁性元件结构。同样地，导热填充物140与上磁芯160之间或是导热填充物140与下磁芯110之间可以设置具有弹性的导热界面材料190，其可吸收磁芯所产生的应力、填补导热填充物140与上磁芯160之间可能的空隙，并提供更佳的绝缘与导热性质。此实施例的优点在于它为组装提供了较佳的弹性设计，因为其导热填充物140、磁芯110,160是个别形成的，可以在适当的时机才加以组装。
65.最后，请参照图14a与图14b，其为根据本发明实施例用于磁性元件结构中的两种类型的线圈130的立体图。图14a示出一圆线类型的线圈130，图14b则示出一铜片类型的线圈。请注意上述所说明的线圈130类型只是作为实施范例之用，其他类型的线圈，诸如扁线、多股线、多股自粘线或是其组合等，都可适用于本发明中。如果线圈是扁线、铜片或是粗圆线的形态，这类线圈可以不使用绕线架，直接用导热填充物140模固。如果线圈是圆线、多股
线或是复合线的形态，这类线圈在灌铸过程中利用绕线架来固定使其位置较不易偏移且形状较不易变形，如同图12所示。
66.本发明中，在线圈与磁芯之间灌铸固化导热填充材料而形成导热填充物的做法可以大幅改善磁性元件结构的散热效率，因此可以进一步减少其线圈直径、磁芯体积以及整体的磁路来增加电感值。此设计可以在较少的线圈数以及较小的磁芯基础上达到期望的电感值，其磁性元件结构在电性上与制作成本上都有优势。
67.以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。