电感元件通常是用铁磁芯和绝缘电线的绕组制造的。铁磁芯典型 地是环形磁芯、杆形磁芯，或者是如图1所示由下部的E形铁磁部分 以及连接这个E的三条腿的铁磁盖构成的组件。
用绝缘铜导线来手工或者自动地环绕环形磁芯和杆形磁芯，从而 形成用于一个变压器的多个多匝绕组或者用于一个电感器的单个绕 组。所述组件然后通常被封装起来以便保护导线。电路连接是按照用 途的要求，通过焊接导线的终端来形成的。这种方式要付出高昂的人 工代价，因为要处理单个零件。它在电子参数如漏电感、分布电容和 绕组间电容以及绕组之间的共模不平衡(common mode imbalance)上 具有很大的可变性，这是因为难以精确地布置铜导线。
图1中的被制成E形的且包含盖的组件按照要求，通过手工或自 动的方式，环绕E的各个腿而绕上铜绝缘导线，以制成一个电感元件。 使盖粘合或夹紧就位并最后封装从而完成这个子组件。类似地，电路 连接是按照用途的要求，通过焊接导线的终端来形成的。这一器件不 仅受到上述的环形磁芯和杆形磁芯的局限，而且它一般是一个大得多 的器件。由于上述的盖是一个独立器件，所以在E和盖之间的磁路具 有一非铁磁性磁阻的间隙，降低了变压器的效率。
如图1所示构造的电源变压器具有另外的缺点，即由各绕组中的 电阻损耗产生的热不容易消散，这是因为E形磁芯和盖使得这些绕组 与散热片隔离开。

本发明的实施例提供了电感器和变压器以及制造这些器件的方 法，它们提供了优于现有技术的优点。依据本发明的这些电感器和变 压器在电子、电信和计算机领域具有许多用途。在下面所描述的一个 实施例中，在印刷电路之间封装一种铁磁材料的矩形片。在制造该矩 形片时，从片的顶面到片的底面钻通或形成多个通孔(vias)，孔的数 量对应于所需的绕组匝数。这个实施例以一种非常新颖的方式利用安 培定律来制造电路板内的变压器、电感器等等，而不是在电路板上使 用或装配分立的电感器件。因此，绕组不是绝缘的电导线。相反，穿 过片的这些孔借助于通孔电镀(through hole plating)等被制成是导电 的，并且和封装片的印刷电路电性连接。这个被电镀的通孔的图案和 印刷电路便形成电感器和变压器绕组，其中这些电感器和变压器的磁 芯是被钻通的或被形成的铁磁材料片。这个实施例提供了实质性的改 进，特别是在制造高频电感器和变压器方面。
在下面所描述的另一个实施例中，电感器或变压器的磁芯包括由 一系列多层薄同心铁磁金属环形成的磁芯，这些磁芯支撑在合适的衬 底如柔性电路(FLEX)或印刷电路板(PCB)上。靠近这些同心环的 通孔提供了与印刷电路的电性连接，从而构成电感器和变压器绕组。 这个实施例能够构造具有最小涡流效应的高磁导率的电感器和变压 器。这样构造的电感器和变压器对于小型低频率电源具有特殊用途。
在下面描述的又一个实施例中，在一个薄铁磁片中的通孔内形成 单个导体以产生单匝电感器。流过所述导体的电流在靠近通孔的一部 分片中产生一个环形磁场。
在下面描述的其他实施例中，在一个铁磁片的同一通孔内形成第 一导体和第二导体，从而制造出一个匝数比为1比1的单元磁芯变压 器。通过以串联和并联组合的方式来连接多个通孔的第一导体和第二 导体，便可以构造具有所需匝数比的变压器。通过在铁磁片中的附加 通孔内形成附加的感应导体，即可对电感器或变压器附加额外的绕组。 这样构造的电感器和变压器对于具有高次级电路电流的小型电源变压 器具有特殊的用途。
除了上述优点之外，本发明的实施例尚具有许多额外的优点。这 包括：较好的散热，对简化电性连接来说更易操作的外部连接，对改 善磁性来说更短的磁通路径，更简单的制造，集成度更高的互连，更 小的电感器件，更优良的性能，以及极好的制造重复性。
附图说明
在这样总结了本发明的一般特点及其特征和优点后，根据本说明 书参考附图所作的详细描述，本发明的特定实施例及其修改对于本领 域技术人员将变得显而易见，附图中：
图1是一个现有技术的铁磁E形磁芯的概念示意图，该磁芯具有 一个匹配的铁磁盖；
图2A是一个传统环形变压器的俯视图；
图2B是一个传统变压器的侧视图；
图3是一个代表性的铁磁片的俯视图，有25个通孔穿过该铁磁片；
图4A是一个“虚拟(virtual)”环形变压器的侧视图；
图4B是图4A所示的虚拟变压器的俯视图；
图5显示了一个虚拟变压器的其他实施例的俯视图；
图6是一个代表性的“虚拟”环形变压器的俯视图；
图7显示了一个具有70个磁芯的阵列，这70个磁芯层叠到一个 大柔性电路(FLEX)板上，其中移去了顶部柔性电路(FLEX)层以 显示单个的磁芯；
图8是一个放大侧视图，显示层叠到具有70个“磁芯”的一单个 磁芯片上的顶部和底部柔性电路(FLEX)；
图9显示单个片中的一个通孔的横截面；
图10显示一个PCB半固化片(prepreg)的示例，该PCB半固化 片具有25个孔的阵列，用于放置25个磁芯；
图11是一单个磁芯的放大侧视图，显示了层叠到25个“磁芯” 的片中的磁芯上的顶部PCB和底部PCB；
图12所示是在一单个铁磁片中的通孔的放大横截面；
图13所示是一个用屏蔽导电胶(screened conductive paste)填充 的通孔的放大横截面；
图14显示了虚拟磁芯的其他实施例的俯视图；
图15通过改进的表面积和体积比图解说明本发明的热量消散特 征；
图16显示了金属环形磁芯，图解说明涡流产生的方式；
图17图解说明通过蚀刻铁磁金属的同心环而形成的多个磁芯叠片 (core laminations)；
图18是图17所示的其中一个磁芯叠片的放大视图；
图19A是一个横截面图，显示多个层叠的磁芯叠片；
图19B是图19A所示的其中一个磁芯叠片组(core stack)的放大 视图；
图20A是一个横截面图，显示加上顶部和底部印刷电路之后的图 19A的磁芯叠片组；
图20B是图20A所示的其中一个磁芯叠片组的放大视图；
图21A是一个横截面图，显示经过电镀的通孔已经被钻通之后的 图20A的层叠结构；
图21B是图21A所示的其中一个磁芯叠片组的放大视图；
图22是在由1个载流导体励磁的一铁磁片中形成的60个“单元 磁芯(cell core)”的阵列、及电流交替的方向所导致的磁通量取向的 俯视图；
图23显示根据安培定律由通过笔直导体的电流产生的磁通密度；
图24显示根据法拉第定律当导体的路径包围具有随时间变化的磁 通密度的区域时、在该导体中产生的电场强度；
图25是由40个单元磁芯组成的一个阵列的俯视图，说明对应于 所示电流方向的磁通量取向，其中各单元磁芯被1个载流导体励磁；
图26是由40个单元磁芯组成的一个阵列的俯视图，说明对应于 一致的电流方向的磁通量取向，其中各单元磁芯被1个载流导体励磁；
图27是穿过6个单元磁芯而形成一个1比1匝数比变压器的初级 和次级绕组的示意性表示；
图28是穿过6个单元磁芯而形成一个2比1匝数比变压器的初级 和次级绕组的示意性表示；
图29是穿过6个单元磁芯而形成一个3比1匝数比变压器的初级 和次级绕组的示意性表示；
图30是穿过6个单元磁芯而形成一个3比1匝数比变压器的初级 和次级绕组的示意性表示，其中次级绕组已经由图29所示的次级绕组 重新作了排列；
图31是穿过6个单元磁芯而形成一个6比1匝数比变压器的初级 和次级绕组的示意性表示；
图32A～32I是穿过6个单元磁芯而形成更多变压器实施例的初级 和次级绕组的串联和并联的符号化表示；
图33A是一个单元磁芯电源变压器的第一顶部导电层的俯视图， 用于图解说明在50个通孔的一阵列中，穿过每个通孔的各初级导体之 间的电性连接，即50个“单元磁芯”、匝数比5∶1的变压器的初级电路 连接；
图33B是图33A所示的单元磁芯电源变压器的第二顶部导电层的 俯视图，用于图解说明在50个通孔的一阵列中，穿过每个通孔的各次 级导体之间的并联的电性连接，即50个“单元磁芯”、匝数比5∶1的变 压器的次级高电流连接；以及
图33C是图33A所示的单元磁芯电源变压器的横截面侧视图。

图2图解说明了具有环形磁芯30的一个典型的现有技术变压器。 为简单起见，这个变压器具有两个绝缘导线绕组：2匝绕组32和4匝 绕组34。每匝线圈36包围磁芯30材料，从而当电流通过一个绕组时， 便在磁芯30内形成一个环绕的磁通路径38。图2A图解说明绕组32、 34，绕组32、34穿过磁芯30的中心并围绕磁芯30的外部。图2所示 的绕组32和34是通过磁芯30而电感耦连在一起的。磁芯30提供了 一条磁通路径，该磁通路径使第一绕组32与第二绕组34耦连，因此 当在第一绕组上有电压出现时，在第二绕组上便产生电压。
本发明的实施例具有与图2所示非常不同的磁芯和绕组排列。图3 显示了具有多个适当隔开的通孔12的铁磁片10，这些通孔12从铁磁 片10的顶部表面14延伸到底部表面16，由此可以形成电感器或变压 器。虽然图3显示总共25个通孔12已经被钻通或形成于片10内，但 所使用的通孔12的数量应当取决于特定应用所需要的绕组数量。正如 以下将变得明显的，通过在顶部表面14和底部表面16二者上选择地 排列通孔12，并且在通孔12之中及其之间电镀(plating)导体，以形 成初级和次级绕组，即可形成电感器或变压器。次级绕组也可借助于 穿过通孔12而设置第二组绝缘导体来形成。
术语“片(slab)”和“铁磁片(ferromagnetic slab)”被用于整个 本申请中，并且被规定为描述任何铁磁材料的有用结构的广泛术语， 所述有用结构包括但不限于铁磁材料的板(sheets)、薄片(thin sheets)、 平面构件(planar members)和层(layers)。
“虚拟磁芯”
图4图解说明依据本发明的“虚拟磁芯(virtual core)”。由于通孔 56、58形成的方式，图4所示的实施例在这里也称为“虚拟环形磁芯” 或“虚拟环形”。在图4中，铁磁材料片50具有顶部表面52和底部表 面54，以及在横截面中显示的片50内的两个外孔(通孔)56和一个 内孔(通孔)68。如下面的描述，对于小型电感器和变压器，有利的 是片50为一薄铁氧体(ferrite)层，具有相对高的电阻率。
图4A和4B显示一个虚拟磁芯，其被用作依据本发明而构造的虚 拟环形变压器，使用具有8个外通孔56和6个内通孔68(图4B中没 有显示全部的孔)的片50。导体58是形成在所述片的顶部表面52和 底部表面54上的。该导体具有用于连接到其他器件或者电路的焊盘 60。如下面的描述，这些外通孔和内通孔56、68是从顶到底被电镀的， 并且和导体58电性连接，所以完整的电路举例来说延伸于焊盘60和 60′之间。如下面的描述，这样形成的虚拟环形变压器62具有环形路径 64。
图5图解说明一个铁磁片70，其中在这同一个铁磁片70上有两个 独立的虚拟磁芯72、74。第二个变压器74说明本发明的另一个实施例， 其中通孔被重新排列成特定的图案。这种重新排列形成了一个矩形的 虚拟环形75，其具有内矩形76和外矩形77。
图6图解说明虚拟磁芯的另一个实施例，该虚拟磁芯形成于具有 顶部表面80和底部表面(没有显示)的铁磁片78中。铁磁片78有8 个外通孔82，其排列形成一个虚拟环形的外径84，以及8个内通孔83， 其排列形成虚拟环形的内径85。导体86形成在片78的顶部表面80 和底部表面上，并且被电镀通过外通孔82和内通孔83，从而形成一个 连续的电路径或者绕组。如下面所描述的，图6所示虚拟磁芯形成了 具有一个8匝绕组的虚拟环形电感器。
作为FLEX的一部分的制造
一种制造方法是在如图7、8、9所示的FLEX 92电路的顶层和底 层内嵌入多重铁磁片(磁芯90)。对应于所需绕组的铜电路图案92形 成在环氧树脂板110上，环氧树脂板110由粘合剂115粘合到铁磁片 的顶部表面112和底部表面114。这样就通过层叠处理而使磁芯90被 包含在电路92中。通孔是穿过FLEX 92的复合层和磁芯来形成的，用 于形成顶部FLEX 116电路到底部FLEX 117电路之间的连接，如图8 和图9所示。用导电墨水(conductive inks)填充通孔和标准的工业电 镀工艺是用来同时连接大量虚拟磁芯的方法。这个结构的横截面显示 在图8和图9中。
作为PCB的一部分的制造
在图10、11、12中所显示的另一种制造方法是在PCB电路的顶层 170和底层172之间嵌入多重铁磁零件(pieces)150。图10显示了在 一个PCB粘合剂或半固化片(prepreg)阵列156中的孔154的阵列。 这个半固化片156板是被形成用来安置各个磁芯零件150的。如图11 所示，在零件150被插入孔154之后，PCB的顶层部分170和底层部 分172被层叠到阵列156上。这样便通过使得零件150被夹在两个环 氧树脂板之间的层叠处理，而将零件150包含在内。通孔190是穿过 PCB 192的复合层和零件150而形成的，用于形成顶部PCB电路194 到底部PCB电路196之间的连接。有利的是，用导电墨水198或标准 的工业电镀工艺来填充的通孔190被用于同时连接大量磁芯。这种结 构的横截面类似于图8和9所示的FLEX 117结构。主要的不同在于 PCB材料的不弯曲特性不适合单个的零件150。
没有FLEX和PCB的制造
另一种制造方法显示在图13中，其中多个磁芯210被置于载体212 上。各磁芯210是用合适的孔214模制的。然后用标准的工业导电墨 水屏蔽(screening)工艺在磁芯210的顶部215和底部216上形成电路， 同时填充孔214以在顶部215和底部216之间建立所需的连接。
使用安培定律的虚拟磁芯
上述的本发明的实施例有导电通孔穿过磁片，以一种非常新颖的 方式利用了安培定律。所述通孔的形成方式使得形成在衬底上的两个 绕组之间存在磁通路径。因此，如图4A所示，落入内通孔68内的任 何封闭路径将包含零值净电流(net current)，因此这种路径就没有磁通 量。包围外通孔56的任何路径也将包含零值净电流，这是因为对流到 外通孔56中的电流来说，内通孔68具有大小相等而方向反向的电流， 从而在包围外通孔56的区域中产生零值磁通量。但是，由于内通孔68 的封闭，内通孔68和外通孔56之间的封闭路径将具有净磁通量。部 分包围内通孔68或外通孔56的其他路径将没有有效的磁通量，这是 因为磁通量会选择最短的物理路径，类似于电流。因此，这种结构的 工作将类似于图2的环形，并被表示为虚拟环形62。
安培定律由以下方程表示：
∮H·(dl)＝∑I                                (方程1)
其中围绕闭合路径的磁场强度H的线积分等于穿过被该路径包围 的区域的电流I之和。参考图6，安培定律说明落入内通孔83中的任 何闭合路径的线积分将包含零值净电流，因为在这个区域内没有带电 流的通孔。因此，在虚拟环形的内径85内便不会产生磁通量。包围外 通孔82的任何闭合路径的线积分也具有穿过被包围区域的零值净电 流，这是因为有电流流出的8个内通孔83被流入8个外通孔82的等 量电流所抵消。因此，在包围所示虚拟环形的外径84的任何区域内将 没有磁通量产生。
存在连续磁通量的唯一区域是介于虚拟环形磁芯的内径85和外径 84之间的区域。在这个区域中，闭合路径的线积分将包括来自8个内 通孔83的穿过被包围区域的电流之和。因此，图6中显示的通孔图案 形成了一个虚拟环形电感器，其中内径85和外径84构成一个由8匝 绕组励磁的虚拟环形磁芯。点划线圆圈88表示被限定到环形磁芯的区 域上的磁通路径的方向。
显而易见，适当选择通孔，便可使衬底上有许多不同形状的虚拟 磁芯和磁芯排列。因此，可以在同一衬底上构造许多独立的磁路。正 因如此，通过在图4所示的铁磁片50的顶部表面52和底部表面54上 适当设置通孔和电路导体，就有可能构造比简单的电感器和变压器更 为复杂的电路。例如利用传统PCB和柔性电路板(FLEX)工业中所 用的工艺(光沉积、蚀刻和电镀)，即能将多个元件如电阻器、电容器 和集成电路设置在同一衬底上，从而形成微型电路组件。
图14图解说明位于同一铁磁片218上的多个虚拟磁芯220、222、 224。每个虚拟磁芯220、222、224独立工作，并且可以如图6所示那 样具有介于电镀的通孔之间和穿过这些通孔的电路连接，从而形成虚 拟环形变压器或虚拟环形电感器。第一虚拟磁芯220可由一个8匝绕 组如图6所示的虚拟环形磁芯来励磁。第二虚拟磁芯222说明另一个 实施例，其中用和图6中虚拟环形磁芯相同的几何图形来排列各通孔， 但通孔数较少，从而形成一个可由4匝绕组来励磁的虚拟环形磁芯。 点划线圆圈223表示磁通路径的方向，该磁通路径封闭上述虚拟环形 磁芯的区域。第三个虚拟磁芯224说明又一个实施例，其中通孔图案 已经被重新排列，从而形成一个由内部矩形226和外部矩形227界定 的矩形虚拟环形磁芯。矩形虚拟磁芯224可以由一个12匝绕组来励磁。 点划线圆圈228表示磁通路径的方向，该磁通路径封闭矩形虚拟环形 磁芯的区域。
对高频电路如用于典型范围在100KHz到100MHz的射频频率的 电路，可以依据前述的实施例来构造适用的电感器和变压器。有利的 是，前述实施例中的铁磁片可以用铁氧体(ferrite)材料的薄层形成， 该铁氧体材料所具有的典型磁导率范围为100到10000，而电阻率范围 为1000欧姆/cm到10.sup.9欧姆/cm。典型的铁氧体合成物包括铁氧体 氧化物(ferric oxide)和铝镍钴(alnico)。这类铁氧体材料具有足够高 的电阻率以使得穿过铁磁片的电镀通孔相互绝缘。这样构造的电感器 和变压器适于小型化。它们不需要复杂的引线和引线框(lead-frames)。 因此，1.5英寸长、1英寸宽和0.05英寸厚，具有0.03英寸直径通孔 的片能为两个或更多个变压器提供磁芯。铁磁片可以非常小。顶部表 面和底部表面上的表面焊盘形成连接，并且能够被直接地平面式安装 到PCB，因而减少了器件的底面积(footprint)且给其他组件提供了更 多空间。所示绕组实际处于两个平行的平面中。因此一个典型应用的 十(10)层的平面变压器器件的绕组的总高度可以被减少1/5。铁磁片 可以非常薄，例如为0.05英寸，因此本发明的电感器和变压器能够实 际上被构造于一个非常薄的平面中，而不是一个三维E形磁芯中，这 进一步以更大因数减少了总高度。
具有高磁通量密度和最小涡流的变压器/电感器器件的更多实施例
许多电感器件如低频电源变压器都要求磁芯有相对高的磁导率， 典型地处于10000到100000的范围。但是，本发明的实施例所提供的 改进适用于更低和更高的数值，例如1000到1000000。某些金属和金 属合金，包括钢、铁、硅铁(silica iron)、78坡莫合金、镍铁高磁导率 合金、纯铁和高导磁合金，提供了这些高磁通量密度。虽然这些高磁 通量密度在构造变压器和电感器时能够提供显著的益处，但这些金属 的低电阻率让感应出的涡流能够流动，抵消了较高磁通量密度的优点。 图16示意说明由磁通量引起的感应涡流300流进金属磁芯。目前使用 金属作为磁芯的变压器/电感器通常通过层叠的金属E形片来构造环形 或E形磁芯，其中每个片被某种类型的绝缘体粘合材料分隔开。整个E 形磁芯包含许多这样的片，从而形成完整的磁芯。使用这种结构，涡 流便被限制在每个片的横截面区域内。如下面的描述，本发明的一个 特征是进一步减少磁芯部分区域。
在图17～21中，示意说明了本发明的一个实施例的制造，其能够 将铁磁金属用作磁芯材料，其中柔性电路或印刷电路板290支撑一系 列层叠的薄金属环，这些薄金属环形成于柔性电路或印刷电路板上并 被绝缘板所隔开。电镀的通孔处于这些环的中心内和外部，并被电镀 而围绕磁芯构成电气匝(electrical turns)。如下面的描述，这个实施例 通过实质上减少每个层叠的磁芯部分的横截面面积而实际使涡流达到 最小。
通过首先将铁磁金属片层叠到印刷电路板或柔性电路290，然后蚀 刻掉部分铁磁片，以形成多个紧密间隔、狭窄而连续的磁芯段的图案， 来形成多个磁芯叠片。因此，图17显示了具有16个被蚀刻磁芯的阵 列的PCB或FLEX 310的单个层。应该理解的是本领域公知的层叠和 蚀刻工艺一般允许制造超过16的这种阵列，这取决于阵列和图案的尺 寸。有利的是，使用众所周知的双面工艺来蚀刻磁芯阵列315，以便在 片310的顶部和底部上形成相同的阵列。
图18图解说明了一单个磁芯阵列315的放大视图，其中显示了具 有16个同心铁磁导电金属环320a～320p的阵列，金属环320a～320p通 过各自被蚀刻出间隔或空隙325a～325o而彼此绝缘。类似地，在阵列 315外部的区域330以及在最里面的环320内部的区域335是磁材料的 空隙。但是本发明不局限于同心环阵列，而是可构造其他磁芯阵列如 一系列相互绝缘的、渐次更大的正方形或矩形磁芯阵列，这对于本领 域的技术人员来说是显而易见的。
下一个制造步骤是层叠多个印刷电路板(PCB)和柔性电路 (FLEX)层310，其中阵列315基本对齐。如图19A所示，同心环磁 芯阵列315a～315h彼此层叠在顶部，其中在每一层上的磁芯图案是对 齐的。结果是制成了多个高磁通量、具有非常小涡流区的金属磁芯。 因此，被用于蚀刻阵列315的原始片的厚度能够非常薄，典型范围是 0.0005到0.010英寸。ky可以使用传统的PCB或FLEX(FPC)蚀刻 技术来将同心环蚀刻到非常窄的宽度，其量级为0.002英寸到0.003英 寸。结果使得称为磁芯的横截面的涡流产生区域的尺寸被极大减少了。
作为层叠工艺的一部分，绝缘材料340的薄层被放置在邻近每个 被蚀刻的同心环阵列315的顶部表面。典型的是使用环氧树脂材料。 这个绝缘板和该绝缘板支撑的被蚀刻的铁磁环可能是不同材料。代表 性d的材料包括由Dupont and Rogers Corp.制造的用于制作印刷电路板 和柔性电路(FLEX)的环氧树脂和丙烯酸树脂。环氧树脂和半固化片 (以及带有玻璃的环氧树脂)一般被用于构造印刷电路板，而丙烯酸 树脂(acrylics)一般被用于制造FLEX。在层叠过程中，图18中显示 的空隙325、空隙330和335被用图21A和图21B中所显示的绝缘材 料加以填充。
如上所述，有利的是，由磁芯结构的两面上的与印刷电路接触的 导电通孔，来提供本发明的实施例的电绕组。图17～21的实施例的绕 组的制造步骤显示在图20A、20B、21A、21B中。
参考图20A和图20B，附加的铜层350、355分别层叠在顶部表面 和底部表面，有两个附加的绝缘层360、365将铜表面与被蚀刻的金属 表面分隔开。
图21A和21B中图示说明完整的结构，其中通孔370钻通了整个 层叠阵列。这些通孔位置靠近低电阻率的铁磁环但典型地不与其接触， 使得由被电镀通孔所提供的绕组线匝从电气上绝缘。然后用导电材料， 通常是铜，来电镀这些通孔370。也可以利用这些通孔内的导电墨水和 导电胶。铜层350、355然后受到蚀刻，从而形成和被电镀通孔370电 接触的电路图案，用以形成围绕同心环磁芯阵列315的绕组。
为简化说明，图21A和21B所示的实施例图解说明了用于每个变 压器的少量通孔370a、370b、370c、370d。图17～21的实施例通过增 加附加的通孔能够具有多个绕组，这对于本领域的技术人员来说是显 而易见的。如果必要，尚可在层350和355上层叠附加的铜层，以提 供对附加通孔的必要连接。
通过从阵列“模”切(“die”cutting)或铣切(routing)一些零件 的通常方法，从图21A、21B的层叠阵列中取出各个变压器和电感器 器件。每个这样的器件能够被用于替代图1和16中所显示的传统电感 器件。而且，由于蚀刻的金属磁芯是如图19所示的阵列的一部分，它 能够与其他组件互连。
具有“单元磁芯”的变压器/电感器器件的更多优选实施例
图22图解说明了本发明的另一个实施例，它被称为“单元磁芯”， 其中一个或多个电感器件是由60个通孔402形成的，60个通孔402 形成铁磁片400内的一个阵列。如图22所示，电流要么流入要么流出 阵列内的每个通孔402。电流可以如图4B所示，由穿过通孔402和介 于通孔402之间的被电镀的导体(图中未示)携载。如下面的讨论， 每个通孔402和铁磁片400的一个围绕部分(由点划线圆圈404表示) 建立一个“单元磁芯”，其单独地、或者与一个或多个其他单元磁芯组 合，而形成一个电感器件。
可以使用前述的用于制造虚拟磁芯的方法来制造图22。例如，可 以像前述图7、8、9所公开的那样作为柔性电路(FLEX)的一部分， 像前述图10、11和图12所公开的那样作为印刷电路板(PCB)的一部 分，来制造图22，或者如前述图13所公开的那样没有FLEX和PCB 而制造图22。
单元磁芯对安培定律的使用
根据安培定律，在图22中，穿过通孔402的每个携带电流的导体 将产生如点划线圆圈404表示的环形磁场。尽管传统的电感器件典型 地使用绝缘导体来环绕铁氧体环形磁芯，从而构造出通过磁芯的中心 孔的“线匝”，但这种绕组或线匝并不一定在磁芯内产生磁力线构成的 磁场。例如，图23图解说明了安培定律的一种形式，其中环形磁场410 是由流过笔直导体412的电流产生的。因此，弯曲的导体不一定产生 磁场。但是，磁场路径取决于电流路径。例如，环形电流路径会产生 通过该电流路径的中心的一个直线场。
因此，根据安培定律，可以通过让单个载流导体穿过图22中的通 孔22，而在基本包围通孔402的一部分铁磁片400内产生磁场，来制 造相当于单匝电感器的单个电感器件。如点划线圆圈404所表示的， 由载流导体产生的磁通量位于直接围绕铁磁片400的区域内。
单元磁芯对法拉第定律的使用
在本发明的另一个优选实施例中，设置穿过图22的一个或多个通 孔402的第二个绝缘导体而形成一个变压器，这里称之为“单元磁芯 变压器”或“单元变压器”。通过图解说明的方式，图24显示了法拉 第定律的一种形式，其中当导体420的路径包围携带随时间变化的磁 通密度B的区域A时，在导体420中产生电场强度E。这个定律是由 以下方程描述的：
∮E·(dl)＝∮dB/dt·(dA)                        (方程2)
当围绕一个闭合路径的电场强度E的线积分等于穿过该路径所包 围的区域A的随时间变化的磁通量B之和时，它是感应的电压。
因此，在图22所示的实施例中，由通孔402的次级导体所检测到 的磁通量等于由同一个通孔402内的初级电流所产生的直接环绕的磁 通量。相当于一个1∶1匝数比变压器的单个电感器件，是通过让初级载 流导体和次级导体或感应导体穿过图22中的同一个通孔402，来制造 的。如下面详细描述的，多个通孔402的初级导体和次级导体可以通 过串联和并联组合的方式，在电气上耦连，从而产生具有所需匝数比 的单元变压器的初级绕组和次级绕组。只要当合并来自每个通孔402 的信号时，感应电压的极性是正的，则合成绕组就会作为一个有效变 压器的一部分来工作。
图22的电流流动图案被排列成使得在阵列的同一行或同一列中， 任何单个通孔402中的电流流动方向都和任何邻近通孔402中的电流 流动方向相反。表示围绕每个通孔402的环绕的磁通量方向的点划线 圆圈404说明，在两个相邻磁场交叉的情况下，在每个通孔402之间 产生的合成磁通量具有相同的方向。但是，这样的取向不是必需的， 而且各种电流图案都是可能的。例如，图25图解说明了本发明的一个 实施例，其中40个通孔432形成了铁磁片434内的一个阵列。如图25 表示的电流图案被排列成在一列内，使电流以相同的方向流过每个通 孔432，而且在每一列内，流过通孔432的电流方向与任何相邻列的电 流方向相反。点划线圆圈436说明，在同一行中的两个相邻通孔432 之间，所产生的合成磁通量具有相同的方向，但是在同一列中的两个 相邻通孔432之间，所产生的磁通量具有相反的方向。图26图解说明 了本发明的另一个实施例，其中在铁磁片440内形成的40个通孔438 中，每一个通孔的电流都在同一个方向上。点划线圆圈442说明，在 两个相邻的磁场交叉的情况下，在每个通孔438之间产生的合成磁通 量具有相反的方向。
无论电流流动的图案是怎样的，由单个通孔所产生的磁通量继续 位于围绕通孔的铁磁材料的邻近区域内。因此，当产生绕组的串联和 并联的组合时，可以选择各种电流流动的图案来简化电路路径。
单元磁芯组合
如上所述，穿过图22的单个通孔402来放置第二绝缘导体，将会 形成一个1∶1匝数比的单元变压器。多个通孔402内的初级导体和次级 导体也可用串联和并联方式组合，从而形成任何具有所需匝数比的单 元变压器。图27图解说明了本发明的一个实施例，其中6单元变压器 456是用形成于铁磁片460(其一部分被表示为围绕着每个通孔458) 中的6个通孔458来制造的。单元变压器456包括初级绕组462，该初 级绕组提供一条电流路径，使得出现在初级绕组462的两端466、468 上的电压信号Vin导致电流Iin通过每个串联的通孔458，从第一端466 流到第二端468。单元变压器456还包括次级绕组464，该次级绕组提 供一条通过每个串联通孔458的电流路径。初级绕组462和次级绕组 464可以包括在铁磁片460的顶部表面470和底部表面472上，穿过通 孔458和介于通孔458之间的导体(图中未示)。
由于初级绕组462是串联的，电流Iin流过每个通孔458，并且在 通过每个通孔458的那部分次级绕组464中感应出一个等于Iin的电流。 由于次级绕组464也是串联的，因此通过每个通孔458的次级绕组464 中的最大电流是Iout，该电流等于Iin。因此Vout等于Vin且图27所示的 6单元变压器具有匝数比1∶1。
图28图解说明了本发明的又一个实施例，其中图27的6单元变 压器456的次级绕组464已经被重新排列，以便提供并联穿过两个通 孔组488、490的电流路径，其中穿过每个组488、490的电流路径以 串联方式穿过三个通孔458。在通过每个通孔458的那部分次级绕组 464中感应出一个等于Iin的电流，导致电流I1和I2都等于Iin。因此， 根据欧姆定律和能量守恒，Iin等于Iout除以2而Vin等于Vout乘以2。 所得到的单元变压器具有2∶1匝数比(初级比次级)，其中在次级绕组 464中通过每个通孔458的最大电流等于Iout的一半。
图29图解说明了本发明的再一个实施例，其中图27所示的6单 元变压器456的次级绕组464已经重新排列，以提供并联穿过三个通 孔组492、494、496的电流路径，其中穿过每个组492、494、496的 电流路径以串联方式穿过两个通孔458。在通过每个通孔458的那部分 次级绕组464中感应出一个等于Iin的电流，导致各电流I3、I4和I5都 等于Iin。因此，Iin等于Iout除以3而Vin等于Vout乘以3。所得到的单 元变压器具有3∶1匝数比(初级比次级)，其中在次级绕组464中通过 每个通孔458的最大电流等于Iout的三分之一。
图30图解说明了本发明的另外一个实施例，其中图27的6单元 变压器456的次级绕组464已被重新排列，以提供串联穿过两个通孔 组499、500的电流路径，其中穿过每个组498、500的电流路径以并 联方式穿过三个通孔458。这种配置产生与上图29中所使用的次级绕 组464的配置相同的结果，说明许多不同的绕组配置能够取得相同的 结果。
图31图解说明了本发明的另一个实施例，其中图27所示的6单 元变压器456的次级绕组464已被重新排列，以提供并联穿过所有6 个通孔458的电流路径。根据欧姆定律和能量守恒，使用和以上相同 的原理，Iin等于Iout除以6而Vin等于Vout乘以6。所得到的单元变压 器具有6∶1匝数比(初级比次级)，其中在次级绕组464中通过每个通 孔458的最大电流等于Iout的六分之一。
图32A～32I使用图27中的6单元变压器456的初级绕组462和次 级绕组464的符号表示法，来图解说明本发明的具有各种匝数比的其 他实施例。在初级绕组462和次级绕组464中所显示的实箭头符号512 表示当每个绕组通过通孔时的方向。实箭头符号512之间的串联连接 514和并联连接516仅仅作为举例，说明让初级绕组462和次级绕组 464通过图27的6个通孔458的各种组合，用来产生所需的匝数比。
本发明的6单元变压器456的前述实施例不限于图27～32I中所表 示的。如以下表1所示，对于图27中的6单元变压器456，有36种可 能的连接组合，虽然并非每种组合都是平衡的。正如这里所使用的， “平衡的”单元变压器有相同的电流量通过每个通孔。表1显示总共 有16种可能的平衡配置(以灰度高亮来表示)，其中10种是唯一的组 合(下面划线)。
表1：6单元变压器及同等匝数比的可能的绕组组合

本发明不限于图27～32I的前述描述中公开的6单元变压器456。 可以用任何数量的通孔来形成具有所需匝数比的单元变压器。随通孔 数量的增加，绕组组合的数量急剧增加，可以用各种各样的匝数比、 电感和配置来满足设计需求。例如，在一个铁磁片中形成的20个单元 磁芯的阵列会产生400种不同的配置，36种是平衡的而21种是完全唯 一的。
单元磁芯电源变压器
在电源和其他高二次电流应用中，图26中显示的电流图案的均匀 性有利地简化了初级绕组连接以及高电流次级绕组连接，其中大部分 或全部单元磁芯是并联的。图33A、33B和33C显示了单元磁芯电源 变压器530的一个实施例，其包括嵌入PCB粘合剂528中的铁磁片534。 仅仅作为举例，图33A、33B和33C中的单元磁芯电源变压器530被 配置成具有5∶1匝数比和50安培的二次输出电流。由于为了电镀能够 携带超过1安培的电流穿过一个通孔的导体，所必需付出的成本和大 量时间，通常必须限制每个通孔中的电流不得超过1安培。如下面描 述的，图33A、33B和33C中显示的50个通孔536被并联以提供50 安培的次级电流输出，最大为1安培的电流通过每个通孔536中的次 级导体。
参考图33A、33B和图33C，50个通孔536穿过顶部PCB复合层 550、铁磁片534和底部PCB复合层552，而形成具有5行的一个阵列。 为了讨论目的，在图33A中将这些行标记为R1到R5。50个通孔536 中，每一个可包括彼此相互绝缘的初级导体(图中未示)和次级导体 (图中未示)。4个电镀通孔538穿过不包含铁磁片534的印刷电路板 532区域。为简洁起见，在图33C的横截面侧视图中，显示了穿过铁 磁片的10个电镀通孔536和穿过印刷电路板532区域的两个电镀通孔。 顶部PCB电路550包括第一顶部导电层540和第二顶部导电层544， 它们被绝缘层548分隔开。底部PCB电路552包括第一底部导电层542 和第二底部导电层546，它们被绝缘层548分隔开。
图33A显示了单元磁芯电源变压器530的俯视图，其中第二顶部 导电层544和绝缘层548被移去以暴露第一顶部导电层540。第一顶部 导电层540的一部分形成在铁磁片534的一个面上的行R1中的每个通 孔536的初级导体之间的电性连接，而第一底部导电层542的一部分 形成在铁磁片534的另一个面上的行R1中的每个通孔536的初级导体 之间的电性连接。因此，行R1中的所有10个初级导体是以并联方式 连接于第一顶部导电层540的一部分和第一底部导电层542的一部分 之间的。类似地，每个通孔536的初级导体是沿着行R2到行R5的每 一行以并联方式连接的。此外，位于印刷电路板532区域中的通孔538 被电性连接到第一顶部导电层540和第一底部导电层542部分，从而 在行R1到行R5之间产生串联连接。如图33A所示，流过该阵列中的 每个通孔536的初级电流都是处于同一方向。
图33B显示了单元磁芯电源变压器530的俯视图。第二顶部导电 层544形成在铁磁片534的一个面上的每个通孔536的次级导体之间 的电性连接，而第二底部导电层546形成在铁磁片534的另一面上的 每个通孔536的次级导体之间的电性连接。因此所有50个次级导体都 是以在并联方式连接于第二顶部导电层544和第二底部导电层546之 间。
参考图33A、33B和33C中所示的单元磁芯电源变压器的工作， 施加在节点554的10安培初级电流将并行通过行R1中的每个通孔 536。因此，当初级电流从行R1中的一部分第一顶部导电层540通过， 到达一部分第一底部导电层542时，每个通孔536将只传导1安培初 级电流。10安培初级电流然后将从行R1上的这部分第一底部导电层 542通过，穿过PCB区域532中的通孔538，到达行R2上的一部分第 一顶部导电层540。通过这种方式，这10安培初级电流便从行R1中 的节点554通过，穿过印刷电路板区域中串联的4个通孔538，并且穿 过每一行中并联的每个通孔536，通过每一个后续的行，而到达行R5 中的节点556，因此所有50个通孔536都携带穿过铁磁片534的1安 培初级电流。为了携带10安培电流，仅作为举例，印刷电路板532区 域中的4个通孔538可包括：加大的槽，多个通孔，实心(solid)高 载流引线，单条厚导线和多条导线。
通过每个通孔536的1安培初级电流将在穿过每个通孔536的次 级导体中感应出1安培次级电流。由于在第二顶部导电层544和第二 底部导电层546之间，各个通孔536的次级导体是并联连接的，所以 50安培的次级电流将从第二顶部导电层544中的节点558流到第二底 部导电层546中的节点560。因此，单元磁芯电源变压器530具有5∶1 的匝数比及50安培的次级电流。
图33A、33B和33C中所示的实施例具有非常简单的排列，并使 初级绕组和次级绕组的电阻率达到最小。高电流下的次级电阻非常低， 这是因为第二顶部导电层544和第二底部导电层546都有利地包含导 电材料如铜平面。同时，由于穿过每个通孔536的实际路径长度相同， 每个通孔536中的初级导体和次级导体趋于具有相等的电流。此外， 对于初级绕组(由节点554和556表示)和次级绕组(由节点558和 560表示)的输入和输出连接是便于安排的。
虚拟和单元磁芯的组合
图33A、33B和图33C中所示的实施例使用了图26中显示的电流 方向，它能够被容易地改变以实现许多不同的输出电流和匝数比的技 术规格。图26中所显示的电流图案的均匀性也可以被有利地和虚拟磁 芯的安排结合使用，以形成包括两个或更多个次级绕组的变压器。具 有穿过单个通孔的两个或更多个次级导体的单元磁芯，可能对制造来 说非常难且昂贵。但是，具有附加的次级导体的通孔可以被安排得靠 近单元磁芯，以便感应在围绕该单元磁芯的铁磁材料内流动的环绕磁 通量。例如，如在前面对图33A、33B和图33C的描述中所讨论的， 铁磁片534内的每个通孔536具有形成于其中的一个初级载流导体和 一个次级载流导体，初级导体在次级导体中感应出次级电流。通过在 铁磁片534的各区域中形成电镀通孔，便可将一个或更多个附加的次 级绕组耦连到初级导体，在铁磁片534上例如在阵列的外部周边处， 磁通量表现为流出围绕单元磁芯的紧邻区域。
实施例的优点
单片磁芯
在E形磁芯构造中，如图1所示，在E形磁芯和盖之间形成一个 间隙。大多数变压器所用的E形磁芯要求利用例如环氧树脂和夹具来 使磁芯的一半和另一半相结合。这些工艺是耗时而且导致损失的，并 且由于在E形磁芯和盖之间形成的间隙而引起器件的参数变化。相反， 本说明书所公开的磁芯有利地包括一种连续式元件，因此提供了改善 的变压器效率。这种单片设计也消除了以单独一个处理步骤来结合两 个分开的部件的需要。
如果在图17～21的实施例中，希望有一个间隙来避免磁饱和，那 么可以在图18所示的各同心环中蚀刻出间隙。这种蚀刻间隙环消除了 E形磁芯的传统机械隔离参数的大幅变化。
涡流的减少
以图17～21的方式构造的电感器和变压器通过在两个方向上隔离 金属叠片而提供了更好的性能，且涡流远为更少。这是因为所示实施 例具有的磁芯由于以下事实而比传统的层叠磁芯都薄：(a)与使用印 刷电路板或柔性电路制造材料相比，用来蚀刻环320的金属片可以薄 很多；和(b)可以将单个绝缘环制造得非常窄。由于涡流与器件截面 面积的平方成正比，因此与传统的变压器或电感器的制造方法相比， 所述实施例极大地减小了涡流。例如，参考图1所示的传统E形磁芯， 这种磁芯的金属叠片是不能在两个方向上被隔离的，这是因为这些条 块会分开，或者完全不具备机械完整性。
表面安装
依据本发明的实施例所形成的绕组能够形成表面安装引线，而不 需要隔离的引线框结构、复杂的引线或端部电镀(end plating)。依据 本发明构造的平面电感器件对于表面安装技术来说，是非常被容易修 改而安装到在其他表面、如PCB或FLEX电路上的。
互连
由于蚀刻的变压器/电感器是使用被用来制造印刷电路板或柔性电 路的相同工艺制造的，变压器能够有利地成为电源或电路组件的一个 组成部分，因此减少了物理尺寸，减少了连接，并且总体而言使得组 件更为紧凑和更小。电路元件能够被直接置于蚀刻的变压器之上或之 下，利用变压器的表面积作为载体以使电路平衡，所以整个电路的面 积会和变压器的面积一样小。例如，在电源应用中，开关器件(如二 极管和场效应二极管(FET)半导体)能够被直接安装在铁磁片的顶部， 因此便减少了电源电路的长度和尺寸。
磁学效果
依据本发明的实施例所构造的磁芯与传统变压器相比，提供的磁 通路径更为高效而损耗则更少。这些特征在设计和功能上更类似于环 形磁芯。该磁通路径与使用传统磁芯如E形磁芯和PQ磁芯的可比变 压器相比更短。
单元磁芯实施例，如图22～33C所示，具有优于传统电感器件的改 善性能。通过穿过与初级绕组相同的通孔来设置次级绕组，在初级绕 组和次级绕组之间的漏电感能够被显著减少，因为这些绕组拥有相同 的磁通量。通过穿过与初级绕组相同的通孔来设置次级绕组，由于初 级绕组和次级绕组的抵消效应以及初级电路与次级电路之间的隔离， 邻近效应能够被显著减少。因为制造PCB或FLEX电路所用的普通工 艺能够实现导体的布局，所以能够实现有利的绕组图案，来减少各个 导体中的电流和降低导体的电阻。
尺寸
所述实施例能够被制造得比传统电感器件小，因为它们不需要复 杂的引线和引线框。在顶部表面和底部表面上的表面焊盘自己形成连 接，并且它们可以被直接表面安装到印刷电路板上，由此便减少了器 件的面积并为其他组件让出更多空间。各绕组处于两个平面中，所以 一个典型应用的十(10)层平面变压器器件的绕组的整体高度能够被 减少1/5。这个“磁芯”位于一个平面中而不是一个三维E形磁芯结构 中，这进一步使整体高度以更大的因子减少。可以建造非常平的变压 器或电感器，所述因为铁磁片是一个薄平表面。通过在薄铁磁片内制 造小且间隔紧密的通孔，可以构造非常微型的电感器件。如图22～33C 所示的单元磁芯的安排便能够被有利地用来实现基本铁磁磁芯，该铁 磁磁芯包括一个通孔以及围绕着它的紧邻的铁磁区域。
成本
所述实施例能够用柔性电路制造，并且比多层平面绕组低廉得多。 变压器或电感器所必需的导体能够用通常用来构造PCB或FLEX电路 的自动处理技术来设置。而且，消除了对引线框、封装(potting)和盖 粘合的需要，使得器件更易于制造。
热量消除
依据本发明的实施例所构造的电感器和变压器的一个特征是产生 热量的绕组不像传统的变压器那样，不是埋在组件内或盘绕在各自的 顶部，也不像在平面变压器中那样层叠在一起。相反，电镀的绕组基 本处于变压器或电感器器件的顶部平面和底部平面上。这种布局提供 了更好的热量耗散且没有截留的热量埋在绕组内。印刷电路板能够有 利地附着到散热片上，只由通常仅0.005英寸厚的薄焊接掩模隔开，一 半绕组和散热片热学接触，因此提供了更好的表面积热量比(surface area to heat ratio)。图15显示了一个直接安装到散热片232如铜和铝上 从而消除热量极佳的大表面积230的例子。
广泛的应用
借助当前本发明的实施例，可以实现许多不同的可能的匝数比。 此外，通过层叠具有对齐通孔的铁磁片，能够用大量等效的绕组线匝 来实现多维器件。
虽然本说明书参考特定实施例来描述本发明，但这些实施例仅仅 是作为例子，并不限制本发明的范围。因此，本发明的范围应该仅仅 根据所附权利要求来限定。