セラミック基板内の埋込み式トロイダル変圧器
セラミック基板内に変圧器（１１８）を形成する方法。方法は、非焼成セラミック基板（１００）内に定められる非焼成セラミックトロイダルコア領域（１２０ａ，１２０ｂ）についての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイル（１１９ａ，１１９ｂ）を形成するステップを含み得る。方法は、セラミック基板内に少なくとも部分的に埋設される伝導性コイルを備える一体的なセラミック基板構造を形成するために、非焼成セラミックトロイダルコア領域（１２０ａ，１２０ｂ）、非焼成セラミック基板（１００）、及び、伝導性コイル（１１９ａ，１１９ｂ）を同時焼成するステップも含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
変圧器は、１つの回路中の交流又は間欠電気エネルギーを他の回路中の他の種類に変換する受動電気装置であり、一般的に電圧及び電流の変化値を伴う。具体的な変圧器における入力電圧対出力電圧比は、二次コイルと比較した主コイルにおける巻線数によって概ね決定される。この変圧に関連する小さな損失があり、それは２つの成分からなる。第一の損失源は、「コア」損失と呼ばれる（無負荷損失とも呼ばれる）。この種類の損失は、変圧器の通常動作中におけるコアの励磁及び消磁に起因する。第二の損失成分は、コイル又は負荷損失と呼ばれる。何故ならば、変圧器の主コイル及び二次コイルに効率損失が起こるからである。コイル損失は、巻線材料中に存在する抵抗の結果である。
【背景技術】
【０００２】
特定の巻線比を有する特定の変圧器に関して、空気コアがより低い効率を招くことが周知である。何故ならば、空気コアは１．０の透過率を有するからである（ここで用いられる透磁率及び誘電率という用語は、それぞれ比透磁率及び比誘電率を意味すると理解されるべきである）。他の種類の誘電性コア材料も１．０に近い比透磁率を有するならば、それらは同様に挙動する。逆に、特定のコイル構成のために達成されるインダクタンスを増大するために、より高い透磁率値を有する強磁性材料が、コア材料としてしばしば用いられる。
【０００３】
変圧器は、単純な円筒形状ロッドからドーナッツ形状トロイドに及ぶ様々な形状を有するコアの周りに巻回され得る。この関係ではトロイドが有利である。何故ならば、ＲＦ漏れを制限し且つ他の近傍の構成素子との結合及び干渉を回避するために、それらはコア領域内に変圧器によって生成される磁場を実質的に含むからである。
【０００４】
小型ＲＦ回路において、変圧器は、表面実装装置、又は、ＲＦ基板の表面上に直接的に形成される結合平面螺線として実施される傾向を有する。しかしながら、平面螺線変圧器は、それらが形成する磁場を実質的に含まないという点で、重大な欠点を被っている。対称的に、トロイダル変圧器は、変圧器の磁場を効果的に含み得る。しかしながら、小型ＲＦ回路におけるトロイドの実装は、それらが表面実装構成素子として実装されることを典型的に必要とする実際的な困難を提示している。
【０００５】
表面実装構成素子の正確な設計にも拘わらず、そのような構成素子のために必要とされる回路板スペースは、ＲＦシステムの全体的サイズに寄与する顕著な要因となっている。実際には、受動表面実装装置は、典型的には、基板表面領域の８０％を含み得る。これは基板の表面領域を大きくするのに対し、厚さは比較的小さいままである。これは回路板スペースの効果的な使用ではない。
【０００６】
Ｋｒｏｎｅ， ｅｔ ａｌに発効した米国特許第５，７８１，０９１号は、電子誘導装置、及び、剛的な銅張りエポキシ積層板内に電子誘導装置を製造する方法を開示している。プロセスは、エポキシ積層板内に一連の間隔を空けて配置された孔を穿孔し、銅張り全体を回路板からエッチング処理して剥がし、エポキシ積層板を第二積層板の上に配置し、トロイド強磁性コアを間隔を空けて配置された各孔内に位置決めし、且つ、各孔の残部を繊維入りエポキシで充填する。この技法は、通常は従来的なエポキシＰＷＢの形成に含まれる従来的なステップの一部ではない多数の追加的な処理ステップを含む。これらの追加的なステップは、本来、さらなる費用を含む。さらに、そのような技法は、以下に記載されるセラミック型のような、他の種類の基板との使用の適正が不十分である。
【０００７】
８５０〜１，０００度でか焼されるガラスセラミック基板は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）と一般的に呼ばれる。この等級の材料は、それらをＲＦシステムのための基板として特に有用にする多くの利点を有する。例えば、ＤｕＰｏｎｔ（Ｒ）からの低温９５１同時焼成Ｇｒｅｅｎ Ｔａｐｅ（ＴＭ）は、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）と融和性を有し、多くの用途に適した熱膨張係数（ＴＣＥ）及び相対強度を有する。他のＬＴＣＣセラミックテープ製品は、４１６ Ｅａｓｔ Ｃｈｕｒｃｈ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ， ＰＡ １９４０６−２６２５， ＵＳＡのＥｌｅｃｔｒｏ−Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．から入手可能である。ＬＴＣＣ製品の製造業者は、典型的には、金属トレース及びビアを定めるために、それらのＬＴＣＣ製品と融和性を有する金属ペーストも提供する。
【０００８】
従来的なＬＴＣＣ処理のためのプロセス流れは、（１）ロールからグリーン（非焼成）セラミックテープを切断するステップ、（２）グリーンテープからバッキングを除去するステップ、（３）電気ビアのための孔を穿孔するステップ、（４）ビアホールを胴体ペーストで充填し、且つ、印刷パターン化された導体を遮蔽するステップ、（５）個々のテープ層を積み重ね、整列し、且つ、積層化するステップ、（６）粉末を焼結し且つ緻密化するために、スタックを焼成するステップ、及び、（７）焼成されたセラミックを鋸引きして個々の基板にするステップを含む。
【０００９】
ＬＴＣＣ処理は、同時焼成される材料が、化学的に並びに熱膨張係数（ＣＴＥ）に関して溶融性を有することを要求する。典型的には、商業的に入手可能なＬＴＣＣ材料の範囲は、かなり限定的であった。例えば、ＬＴＣＣ材料は、限定的な範囲の誘電率値のみにおいて商業的に入手可能であり、それよりも大きな通電率値を備える材料を一般的に含まなかった。しかしながら、近年、メタマテリアルの開発が、ＬＴＣＣと共に用い得る材料の可能性の範囲を拡張し始めている。さらに、標準的なＬＴＣＣプロセスと融和性を有する新規な高透磁率セラミックテープが、今では商業的に入手可能になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、セラミック基板中に変圧器を形成するための方法に関する。方法は、非焼成セラミック基板内に定められる非焼成セラミックトロイダルコア領域についての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルを形成するステップを含み得る。方法は、セラミック基板内に少なくとも部分的に埋設される伝導性コイルを備える一体的なセラミック基板構造を形成するために、非焼成セラミックトロイダルコア領域、非焼成セラミック基板、及び、伝導性コイルを同時焼成するステップも含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの特徴によれば、方法は、１よりも大きな透磁率を有するセラミック材料のセラミックトロイダルコア領域の少なくとも一部を形成するステップを含み得る。方法は、伝導性コイルとセラミック基板の外面との間に伝導性接地平面を配置するステップも含む。例えば、伝導性コイルとセラミック基板の表面上に配置される少なくとも１つの表面実装構成素子との間に接地平面層を配置し得る。
【００１２】
方法は、セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線を含む第二の伝導性コイルを形成するステップも含み得る。本発明の１つの特徴によれば、第一伝導性コイルのコイル半径と異なるように第二伝導性コイルのコイル半径を選択し得る。本発明の他の特徴によれば、方法は、第一の伝導性コイルが配置されるセラミックトロイダルコアの半径部分を除きセラミックトロイダルコアの半径部分について配置される複数の巻線の第二伝導性コイルを形成するステップを含み得る。さらに、自動変圧器を形成するために、伝導性コイルは、その半径に沿う少なくとも１つの出力タップを備え得る。
【００１３】
他の特徴によれば、ＬＴＣＣ基板内に埋設される変圧器を含み得る。その場合には、発明は、セラミック基板と、セラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコアと、セラミックトロイダルコアについての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルとを含み得る。その結果として、同時焼成プロセスにおいて、セラミックトロイダルコアをセラミック基板と一体的に形成し得る。セラミックトロイダルコアの少なくとも一部は、１よりも大きな透磁率を有し得る。
【００１４】
本発明の１つの特徴によれば、全ての地点で、複数の巻線をセラミック基板内に含め得る。本発明の他の特徴によれば、セラミックトロイダルコアは、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二のセラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成り得る。さらに、少なくとも１つの伝導性金属接地平面層をセラミック基板内に配置し得る。例えば、伝導性コイルとセラミック基板の表面上に配置される少なくとも１つの表面実装構成素子との間に接地平面層を介装し得る。
【００１５】
変圧器は、セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線からなり且つ第一の伝導性コイルと異なるコイル半径を有する第二の伝導性コイルも含み得る。本発明の１つの特徴によれば、第一の伝導性コイルが配置されるセラミックトロイダルコアの第二の半径部分を除き、複数の巻線から成る第二の伝導性コイルをセラミックトロイダルコアの半径部分について配置し得る。代替的に、ここに開示される変圧器を自動変圧器として形成し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、セラミック基板内に一体化されたトロイダル変圧器、及び、それを製造する方法に関する。図１乃至４、及び、図５中のフロー図を参照して、本方法を記載する。方法は、適切なサイズの一片の未焼成セラミックテープ１００を形成することによって、ステップ５０２で開始し得る。セラミックテープ１００は、約８００℃〜１，０００℃でか焼されるよう設計された、任意の商業的に入手可能な様々なガラスセラミック基板であり得る。この等級の材料は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）と一般的に呼ばれる。そのようなＬＴＣＣ材料は、それらをＲＦシステムのための基板として特に有用にする数多くの利点を有する。例えば、ＤｕＰｏｎｔ（Ｒ）からの低温９５１同時焼成Ｇｒｅｅｎ Ｔａｐｅ（ＴＭ）は、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）融和性を有し、多くの用途に適する熱膨張係数（ＴＣＥ）及び相対強度を有する。他の類似の種類のセラミックテープも用い得る。具体的な用途に依存する多様な要因によって、セラミックテープのサイズを決定し得る。例えば、もしトロイダル変圧器がより大きなＲＦ回路の一部を形成するならば、セラミックテープは、トロイダル変圧器が構成素子になるＲＦ回路を収容するサイズであり得る。
【００１７】
図１及び２を参照すると、セラミックテープ１００内に第一の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂを形成し得る。図１において、複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂは、線１０５の両側上で、ほぼ１８０度の弧の周りにそれぞれ配列されている。よって、伝導性ビアの各組は、おおよそ半円を定める。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わりに、各組の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって形成される弧の組み合わせが、図示されるように、累積的におおよそ３６０度の弧を定めることを条件として、１８０度よりも大きい或いは小さい弧の周りに伝導性ビア１０２ａ又は１０２ｂを配列し得る。
【００１８】
ステップ５０４において、未焼成セラミックテープに孔を穿孔するステップ、及び、ステップ５０８において、ビアホールに伝導性ペーストを充填するステップを含む、従来的な技法を用いて伝導性ビアを形成し得る。図１及び２に示されるように、トロイダル変圧器の内周を定めるために、中心軸１０１から第一距離ｄ１だけ放射状に間隔を空けて第一の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂを配置し得る。ステップ５０６及び５０８において、外周を定めるために、中心軸について第二距離ｄ２だけ放射状に間隔を空けて第二の複数の導電性ビア１０４ａ，１０４ｂを同様に形成し得る。図１において、複数の伝導性ビア１０４ａ，１０４ｂは、伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって定められる弧と対応して、ほぼ１８０度の弧の周りにそれぞれ配列される。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わりに、弧が伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって形成される弧とそれぞれ一致することを条件として、伝導性ビア１０４ａ，１０４ｂを１８０度よりも大きい或いは小さな弧の周りにそれぞれ配列し得る。図２に示されるように、ビアは、実質的にセラミックテープ１００の反対面１０６，１０８の間に延在し得る。
【００１９】
図３及び４Ａを今や参照すると、複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂをセラミックテープ１００上に配置することによって、プロセスはステップ５１０において継続し得る。表面１０６上の伝導性トレース１１０ａは、実質的に放射方向で隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０４ａの夫々のものの間の電気接続を形成している。同様に、表面１０６上の伝導性トレース１１０ｂは、実質的に放射方向で隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂの夫々のものの間の電気接続を形成している。
【００２０】
ステップ５１２において、第二の複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、第二セラミックテープ１００の表面１０８上に設けられている。第二セラミックテープ１００もＬＴＣＣ材料で形成し得る。第二の複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、２つのセラミックテープ層が、図示されるように、整列され且つ積み重ねられるときに、表面１０８上のトレース１１０ａが、第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０４ａの円周方向に位置ずれしたものの間の電気接続をもたらす。同様に、図示されるように、トレース１１０ｂは、伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂの円周方向に位置ずれしたものの間の電気接続をもたらす。
【００２１】
選択的なＬＴＣＣ材料のための同時焼成プロセスと融和性を有する如何なる適切な伝導性ペースト又はインクから伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂを形成し得る。そのような材料は、多様なソースから商業的に入手可能である。さらに、標準的なＬＴＣＣ処理との整合性のために、トレース１１０ａ，１１０ｂが各テープの１つの側面上にのみ配置された状態で、セラミックテープ１００の２つの層が図４Ａ中に示されていることが留意されるべきである。しかしながら、本発明はそのように限定されない。当業者であれば、トレース１１０ａ，１１０ｂが、代わりに、セラミックテープ１００の単一層の両面上に配置されることが可能であり、且つ、そのような代替的な構成が本発明の範囲内で意図されることを理解するであろう。ステップ５１４では、従来的な処理技法を用いて、多様なＬＴＣＣ層１００を積層し、互いに整列し得る。
【００２２】
伝導性ビア１０２ａ，１０４ａ及び伝導性トレース１１０ａ，１１５は、三次元変圧器１１８の第一巻線１１９ａを共に定める。同様に、伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂ及び伝導性トレース１１０ｂ，１１７は、三次元変圧器１１８の第二巻線１１９ｂを定める。これに関して、本発明は、ここで、図１乃至４Ａに例証される正確な配列又はパターンのビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ及びトレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７に限定されないことが理解されるべきである。その代わりに、それが実質的にトロイダル変圧器構成をもたらすことを条件として、セラミックテープ層内に形成される如何なるパターンのビア及びトレースも用いることができ、多くの小さな変更が可能であることが理解されよう。
【００２３】
例えば、表面１０６上の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、実質的に半径方向に隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビアの各１つの間の電気接続を形成することが上記に述べられている。ビア１０３−１及び１０３−２は、半径方向に隣接する伝導性ビアの例である。しかしながら、半径方向に隣接する伝導性ビアは、その用語がここで用いられるとき、必ずしも半径方向に精密に整列される必要はないことが留意されるべきである。そのような半径方向に隣接するビアは、互いにある程度円周方向に位置ずれしたビアを含み得る。ビア１０３−１及び１０３−３は、円周方向に位置ずれしたビアを示している。図１に見られるように、円周方向に位置ずれしたビアは半径方向に整列されていない。伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７及びビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ｂの組み合わせが、連続的なトロイダル変圧器の少なくとも半径方向の一部を定めることを条件として、本発明はこれらの素子の如何なる特定の幾何にも限定されない。
【００２４】
図１及び３を参照すると、第一巻線１１９ａ及び第二巻線１１９ｂを定めるトロイダル変圧器のための第一の及び組の電気接点を定めるために、１つ又はそれよりも多くの追加的なビア１１２ａ，１１２ｂ及び追加的なトレース１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂを設け得る。顕著に、第二巻線１１９ｂと比べられるとき、第一巻線１１９ａが異なる巻線数を有することが望ましくあることができ、本発明は、いずれのコイルに関して如何なる特定の巻線数にも限定されない。全てのビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ，１１２ａ，１１２ｂ及びトレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ、１１６ｂが揃えられるや否や、特定の種類のセラミックテープにふさわしい温度及び時間に従って、ステップ５１６において、セラミックテープ１００，ビア、及び、トレースを一緒に焼成し得る。
【００２５】
プロセスは、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分と異なる少なくとも１つの電気特性を有するセラミックテープ１００内に、少なくともトロイダル形状コア領域１２０ａ，１２０ｂを形成するステップも含み得る。例えば、電気特性は、透磁率又は誘電率であり得る。有利に、１よりも大きな透磁率を有する低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）材料のコア領域１２０ａ，１２０ｂの少なくとも一部を形成するために、少なくともトロイダル形状コア領域の透磁率を増大し得る。好適実施態様によれば、少なくともコア領域は、実質的に１よりも大きな透磁率を有し得る。例えば、コア領域における透磁率は、現在の技術を用いて、約１５０〜４００で変動し得る。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わり、高透磁率は約１．０よりも大きな値を有し得る。
【００２６】
如何なる適切な手段によっても高透磁率コア領域を形成し得る。例えば、図４Ｂに示されるようなものの透磁率を有する従来的な非鉄セラミックテープと共に、非焼成高透磁率セラミックテープの１つ又はそれよりも多くの層を積み重ねることによって、高透磁率コア領域を形成し得る。高透磁率層は、コア領域と交差するように有利に配置される。代替的な実施態様では、高透磁率領域が排他的にコア領域を含むように基板を形成することもできる。コア領域と一致しない他のＬＴＣＣ型層も高透磁率材料で形成し得る。例えば、全ての層を高透磁率ＬＴＣＣテープ層で形成し得る。
【００２７】
図４Ｂに例証されるように、非焼成セラミックテープ１２２，１２４を複数の非焼成セラミックテープ層１００と共に積み重ね得る。１つの実施態様によれば、セラミックテープ１２２，１２４は、セラミックテープ層１００と比べ、より高い比透磁率を有し得る。それらの少なくとも一部の部分がコア領域１２０内に含まれるのを保証するために、非焼成テープ層１２２，１２４を配置し得る。非焼成テープ層１２２，１２４は、積層内の残余のテープ層１００と親和性のある如何なるセラミックテープであり得る。例えば、高透磁率ＬＴＣＣテープは、４１６ Ｅａｓｔ Ｃｈｕｒｃｈ Ｒｏａｄ， Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ， ＰＡ １９４０６−２６２５， Ｕ．Ｓ．Ａ．のＥｌｅｃｔｒｏ−Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。具体的には、１５０〜４００の透磁率を有する製品番号ＥＳＬ４００１０が言及される。代替的な実施態様によれば、全てのテープ層は高透磁率材料からなり得る。
【００２８】
図４Ｃは、非焼成セラミックテープ層１２６が複数の非焼成テープ層１００と組み合わされた構成を例証している。さらに、テープ層１２６は、コア領域１２０と交差する部分を含み得る。部分１２８は、テープ１２６及びテープ１００の残部と比べ、より高い透磁率を有し得る。図４Ｄは、図示のように複数の非焼成テープ層１２６が非焼成テープ層１００と積み重ねられた類似の構成を例証している。
【００２９】
多くの場合、回路トレース又は他の表面実装構成素子の配置のために、トロイダル変圧器の上及び／又は下の表面領域を使用することが有利であり得る。トレース１１０ａ，１１０ｂを覆う１つ又はそれよりも多い追加的なＬＴＣＣ層の追加は、そのような配置を促進し得る。図４Ｅは、変圧器を積層内に完全に埋設するために、追加的なＬＴＣＣ層１３０がその上に配置された、図４Ｅ中のトロイダル変圧器を示している。ビア１３２，１３４は、トロイダル変圧器のトレース１１４ａ，１１４ｂへの電気接点を供給し得る。トレース１１６ａ，１１６ｂのために、図示されていない類似のビアを設け得る。図示のように、回路トレース１２２，１２４及び回路構成素子１２６，１２８を積層の外面上に配置し得る。顕著に、図４Ｅ内の構成素子は、トロイダル変圧器の１つの側面上にのみ示されているが、本発明はそのように限定されない。
【００３０】
ＲＦ回路板の場合、伝導性トレースと接地平面との間の所定間隔を維持することがしばしば重要である。伝導性トレースがマイクロストリップ伝送線のようなＲＦ伝送線を定める場合には、これは特に重要である。伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂ、ビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ、及び、如何なる高透磁率セラミック基板も、線の特性インピーダンスにおける望ましくない変化を生み出し得る。従って、必ずしも必要ではないが、セラミックテープ層１３０の外側のものの下方に離間して配置される少なくとも１つの伝導性層１３６を設けることが望ましくあり得る。
【００３１】
伝導性層１３６は、様々なサブ表面構造を表面実装構成素子及び伝送線から隔離し得る接地平面を定め得る。もし伝導性層１３６が設けられるならば、伝導性ビア１３２，１３４との如何なる電気的接触も回避するよう、適切な開口を形成し得る。顕著に、トロイダル変圧器は、殆どの磁場を構造内部に維持する。従って、表面構成素子（又は他の電気トレース）をトロイドから遮蔽することは一般的に不要である。例外は、ＲＦ伝送線を定める電気トレースである。その場合には、基板における不連続性の存在によって、線の特性インピーダンスを変更し得る。さらに、トロイドのための基板を形成するために用いられる高透磁率層は、ＲＦ伝送線のための基板には不適であり得る。その場合には、接地平面層が、高透磁率層をＲＦ伝送線及び関連する基板から隔離するよう働き得る。結合平面螺線変圧器構成と比べたときのトロイド変圧器構造の他の利点は、トレースがその下方の接地平面を必要とする場合（即ち、マイクロストリップ）、インダクタンスに影響を及ぼすことなしに、トロイド付近のどこかに接地平面を配置し得る。対称的に、平面螺線変圧器付近の接地平面は、その動作パラメータを著しく変更し得る。
【００３２】
前述から明らかであるように、本発明は、１つの実施態様において、ＬＴＣＣセラミック基板とセラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコア領域とで構成されるプリント回路基板から成り得る。変圧器を形成する伝導性金属コイルは、図３に示されるようなセラミックトロイダルコアについての複数の巻線から成り得る。伝導性金属コイルは、伝導性ビア１１０ａ，１１０ｂ及びトレース１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂによって定められるトロイダルインダクタであり得る。セラミックコア領域を、セラミック層、例えば、セラミックテープ層１００，１３０の同時焼成プロセスの結果として、セラミック基板と一体的に形成し得る。上記のように、セラミックトロイダルコア領域は、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二セラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成り得る。
【００３３】
代替的な種類のトロイダル変圧器を構成するために、上述の技法を利用し得る。図６及び７を今や参照すると、本発明の代替的な実施態様に従ったトロイダル変圧器６１８が示されている。第一トロイダル巻線６００は、図１乃至４に関して記載されたプロセスを用いて形成し得るビア６０２，６０４及びトレース６１０から成る。単一のトロイダル巻線６００は、図示のように約３６０度の弧の周りに連続的に延在し得るが、より少ない角度の弧にも限定され得る。これは、それぞれ３６０度の弧の一部のみから成る図１乃至４中の第一巻線１１９ａ及び第二巻線１１９ｂから区別されるべきである。トロイダル巻線６００との電気接点をもたらすために、端子６１４，６１６を形成し得る。ビア（図示せず）は、端子６１４，６１６とトロイダル巻線６００との間の電気接続を形成し得る。
【００３４】
ビア７０２，７０４及びトレース７１０から成る第二トロイダル巻線７００が、図１乃至４に関して記載されたものと類似する技法を用いて形成されている。明瞭性のために、基板の底面上のトレース７１０は、図６中に示されていない。単一のトロイダル巻線７００は、図示のように約３６０度の弧の周りに連続的に延在し得るが、より少ない角度の弧にも限定され得る。端子７１４，７１６が、トロイダル巻線７００との電気接点をもたらしている。第二トロイダル巻線７００は、より大きなコイル直径を有し、且つ、第一トロイダル巻線６００と同軸であるので、２つの巻線は共通のトロイダルコア７２０を共有している。図示のように形成された巻線６００は、トロイダル変圧器６１８を形成する。各巻線６００，７００におけるコイルの数の比は、変圧器６１８の電圧変圧特性を決定し、特定の変圧器用途のために選択され得る。ここに記載される技法を用いて、追加的な巻線も設け得る。
【００３５】
図６及び７において、表面７２２上に配置されているトレース７１０は露出され、従って、表面実装構成素子の配置と干渉し、或いは、回路の一部を形成する他の信号トレースの表面上での位置決めを妨げ得る。従って、１つ又はそれよりも多くの追加的なＬＴＣＣ層及び／又は接地平面層を表面７２２上で図７中の積層に加えることが望ましくあり得る。明瞭性のために、これらの層は図７から省略されている。しかしながら、そのような層は、図４Ｅに関して記載されたような追加的な層１３０，１３６と類似し得る。同様に、トロイダル変圧器６１８を形成するＬＴＣＣ層の積層内の１つ又はそれよりも多くの層１００は、前述されたような高透磁率のＬＴＣＣ層を含み得る。
【００３６】
本発明の他の実施態様が図８に例証されている。図１乃至７に関してここに記載されたのと同一の技法を用いて、図８中のトロイダル変圧器を形成し得る。しかしながら、この実施態様において、第一巻線８１０及び第二巻線９１０は、図示のように編み合わされている。端子８１４，８１６は、電気接点にトロイダル巻線８００を提供するのに対し、端子９１４，９１６は、電気接点にトロイダル巻線９００を提供する。図１乃至４に関して上記されたように、表面９２２上で図７に示されるような積層に１つ又はそれよりも多くのＬＴＣＣ層及び／又は接地平面層を加えるのが望ましい。明瞭性のために、これらの層は図７及び８から省略されている。しかしながら、そのような層は、図４Ｅに関して記載されたような追加的な層１３０，１３６と類似し得る。同様に、トロイダル変圧器８００を形成するＬＴＣＣ層の積層中の１つ又はそれよりも多くの層１００は、高透磁率コア領域を定めるために、前記されたような高透磁率のＬＴＣＣ層を含み得る。
【００３７】
本発明のさらに他の実施態様が図９に例証されている。図９は、ＤＣ通過型自動変圧器である。図９中の自動変圧器は、ＬＴＣＣ基板中に埋設される単一のトロイダル巻線から成り得る。ここで図１乃至８に関して記載されたものと類似する製造技術を用いて、単一のトロイダル巻線９５０を形成し得る。しかしながら、１つの電圧から他の電圧に変圧するために複数の巻線を用いる代わりに、１つ又はそれよりも多くのタップが、その半径に沿った選択的な場所に配置される。自動変圧器は当業者に既知である。しかしながら、ここに記載される発明的な方法を使用することによって、トロイダル型変圧器９５８をＬＴＣＣサブ基板内に埋設し得る。図９において、接点９５４ａ，９５４ｂは、ビア９６０，９６２を用いて、トロイダル巻線９５０に電気的に接続されている。少なくとも１つのタップ９５６ａが、ビア９５８を用いて、その半径に沿った選択的な場所で、トロイダル巻線９５０に接続されている。電圧変圧比は、入力９５４ｂと自動変圧器９５６ａとの間の巻数に対するトロイダル巻線における総巻数の比によって決定される。例えば、図９中の自動変圧器の巻線比は、約１：４である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】トロイダル変圧器を形成する方法を理解するのに有用な、その内部に形成されたビアを備えるセラミック基板を示す上面図である。
【図２】線２−２に沿って取られた、図１の基板を示す断面図である。
【図３】トロイダル変圧器を形成するために伝導性トレース及び第二層が加えられた後の図１中の基板を示す上面図である。
【図４Ａ】線４−４に沿って取られた、図３中の基板を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第一の代替的な実施態様を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第二の代替的な実施態様を示す断面図である
【図４Ｄ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第三の代替的な実施態様を示す断面図である
【図４Ｅ】追加的な層が加えられた、図４Ａ中のトロイダル変圧器の第四の代替的な実施態様を示す断面図である
【図５】本発明を製造する方法を理解するのに有用なフロー図である。
【図６】代替的な発明的な構成を示すトロイダル変圧器の上面図である。
【図７】線７−７に沿って取られた、図６中のトロイダル変圧器の断面図である。
【図８】編み合わされた巻線を備えるトロイダル変圧器を示す上面図である。
【図９】自動変圧器として構成されたトロイダル変圧器を示す上面図である。
【技術分野】
【０００１】
変圧器は、１つの回路中の交流又は間欠電気エネルギーを他の回路中の他の種類に変換する受動電気装置であり、一般的に電圧及び電流の変化値を伴う。具体的な変圧器における入力電圧対出力電圧比は、二次コイルと比較した主コイルにおける巻線数によって概ね決定される。この変圧に関連する小さな損失があり、それは２つの成分からなる。第一の損失源は、「コア」損失と呼ばれる（無負荷損失とも呼ばれる）。この種類の損失は、変圧器の通常動作中におけるコアの励磁及び消磁に起因する。第二の損失成分は、コイル又は負荷損失と呼ばれる。何故ならば、変圧器の主コイル及び二次コイルに効率損失が起こるからである。コイル損失は、巻線材料中に存在する抵抗の結果である。
【背景技術】
【０００２】
特定の巻線比を有する特定の変圧器に関して、空気コアがより低い効率を招くことが周知である。何故ならば、空気コアは１．０の透過率を有するからである（ここで用いられる透磁率及び誘電率という用語は、それぞれ比透磁率及び比誘電率を意味すると理解されるべきである）。他の種類の誘電性コア材料も１．０に近い比透磁率を有するならば、それらは同様に挙動する。逆に、特定のコイル構成のために達成されるインダクタンスを増大するために、より高い透磁率値を有する強磁性材料が、コア材料としてしばしば用いられる。
【０００３】
変圧器は、単純な円筒形状ロッドからドーナッツ形状トロイドに及ぶ様々な形状を有するコアの周りに巻回され得る。この関係ではトロイドが有利である。何故ならば、ＲＦ漏れを制限し且つ他の近傍の構成素子との結合及び干渉を回避するために、それらはコア領域内に変圧器によって生成される磁場を実質的に含むからである。
【０００４】
小型ＲＦ回路において、変圧器は、表面実装装置、又は、ＲＦ基板の表面上に直接的に形成される結合平面螺線として実施される傾向を有する。しかしながら、平面螺線変圧器は、それらが形成する磁場を実質的に含まないという点で、重大な欠点を被っている。対称的に、トロイダル変圧器は、変圧器の磁場を効果的に含み得る。しかしながら、小型ＲＦ回路におけるトロイドの実装は、それらが表面実装構成素子として実装されることを典型的に必要とする実際的な困難を提示している。
【０００５】
表面実装構成素子の正確な設計にも拘わらず、そのような構成素子のために必要とされる回路板スペースは、ＲＦシステムの全体的サイズに寄与する顕著な要因となっている。実際には、受動表面実装装置は、典型的には、基板表面領域の８０％を含み得る。これは基板の表面領域を大きくするのに対し、厚さは比較的小さいままである。これは回路板スペースの効果的な使用ではない。
【０００６】
Ｋｒｏｎｅ， ｅｔ ａｌに発効した米国特許第５，７８１，０９１号は、電子誘導装置、及び、剛的な銅張りエポキシ積層板内に電子誘導装置を製造する方法を開示している。プロセスは、エポキシ積層板内に一連の間隔を空けて配置された孔を穿孔し、銅張り全体を回路板からエッチング処理して剥がし、エポキシ積層板を第二積層板の上に配置し、トロイド強磁性コアを間隔を空けて配置された各孔内に位置決めし、且つ、各孔の残部を繊維入りエポキシで充填する。この技法は、通常は従来的なエポキシＰＷＢの形成に含まれる従来的なステップの一部ではない多数の追加的な処理ステップを含む。これらの追加的なステップは、本来、さらなる費用を含む。さらに、そのような技法は、以下に記載されるセラミック型のような、他の種類の基板との使用の適正が不十分である。
【０００７】
８５０〜１，０００度でか焼されるガラスセラミック基板は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）と一般的に呼ばれる。この等級の材料は、それらをＲＦシステムのための基板として特に有用にする多くの利点を有する。例えば、ＤｕＰｏｎｔ（Ｒ）からの低温９５１同時焼成Ｇｒｅｅｎ Ｔａｐｅ（ＴＭ）は、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）と融和性を有し、多くの用途に適した熱膨張係数（ＴＣＥ）及び相対強度を有する。他のＬＴＣＣセラミックテープ製品は、４１６ Ｅａｓｔ Ｃｈｕｒｃｈ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ， ＰＡ １９４０６−２６２５， ＵＳＡのＥｌｅｃｔｒｏ−Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．から入手可能である。ＬＴＣＣ製品の製造業者は、典型的には、金属トレース及びビアを定めるために、それらのＬＴＣＣ製品と融和性を有する金属ペーストも提供する。
【０００８】
従来的なＬＴＣＣ処理のためのプロセス流れは、（１）ロールからグリーン（非焼成）セラミックテープを切断するステップ、（２）グリーンテープからバッキングを除去するステップ、（３）電気ビアのための孔を穿孔するステップ、（４）ビアホールを胴体ペーストで充填し、且つ、印刷パターン化された導体を遮蔽するステップ、（５）個々のテープ層を積み重ね、整列し、且つ、積層化するステップ、（６）粉末を焼結し且つ緻密化するために、スタックを焼成するステップ、及び、（７）焼成されたセラミックを鋸引きして個々の基板にするステップを含む。
【０００９】
ＬＴＣＣ処理は、同時焼成される材料が、化学的に並びに熱膨張係数（ＣＴＥ）に関して溶融性を有することを要求する。典型的には、商業的に入手可能なＬＴＣＣ材料の範囲は、かなり限定的であった。例えば、ＬＴＣＣ材料は、限定的な範囲の誘電率値のみにおいて商業的に入手可能であり、それよりも大きな通電率値を備える材料を一般的に含まなかった。しかしながら、近年、メタマテリアルの開発が、ＬＴＣＣと共に用い得る材料の可能性の範囲を拡張し始めている。さらに、標準的なＬＴＣＣプロセスと融和性を有する新規な高透磁率セラミックテープが、今では商業的に入手可能になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、セラミック基板中に変圧器を形成するための方法に関する。方法は、非焼成セラミック基板内に定められる非焼成セラミックトロイダルコア領域についての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルを形成するステップを含み得る。方法は、セラミック基板内に少なくとも部分的に埋設される伝導性コイルを備える一体的なセラミック基板構造を形成するために、非焼成セラミックトロイダルコア領域、非焼成セラミック基板、及び、伝導性コイルを同時焼成するステップも含む。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
１つの特徴によれば、方法は、１よりも大きな透磁率を有するセラミック材料のセラミックトロイダルコア領域の少なくとも一部を形成するステップを含み得る。方法は、伝導性コイルとセラミック基板の外面との間に伝導性接地平面を配置するステップも含む。例えば、伝導性コイルとセラミック基板の表面上に配置される少なくとも１つの表面実装構成素子との間に接地平面層を配置し得る。
【００１２】
方法は、セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線を含む第二の伝導性コイルを形成するステップも含み得る。本発明の１つの特徴によれば、第一伝導性コイルのコイル半径と異なるように第二伝導性コイルのコイル半径を選択し得る。本発明の他の特徴によれば、方法は、第一の伝導性コイルが配置されるセラミックトロイダルコアの半径部分を除きセラミックトロイダルコアの半径部分について配置される複数の巻線の第二伝導性コイルを形成するステップを含み得る。さらに、自動変圧器を形成するために、伝導性コイルは、その半径に沿う少なくとも１つの出力タップを備え得る。
【００１３】
他の特徴によれば、ＬＴＣＣ基板内に埋設される変圧器を含み得る。その場合には、発明は、セラミック基板と、セラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコアと、セラミックトロイダルコアについての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルとを含み得る。その結果として、同時焼成プロセスにおいて、セラミックトロイダルコアをセラミック基板と一体的に形成し得る。セラミックトロイダルコアの少なくとも一部は、１よりも大きな透磁率を有し得る。
【００１４】
本発明の１つの特徴によれば、全ての地点で、複数の巻線をセラミック基板内に含め得る。本発明の他の特徴によれば、セラミックトロイダルコアは、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二のセラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成り得る。さらに、少なくとも１つの伝導性金属接地平面層をセラミック基板内に配置し得る。例えば、伝導性コイルとセラミック基板の表面上に配置される少なくとも１つの表面実装構成素子との間に接地平面層を介装し得る。
【００１５】
変圧器は、セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線からなり且つ第一の伝導性コイルと異なるコイル半径を有する第二の伝導性コイルも含み得る。本発明の１つの特徴によれば、第一の伝導性コイルが配置されるセラミックトロイダルコアの第二の半径部分を除き、複数の巻線から成る第二の伝導性コイルをセラミックトロイダルコアの半径部分について配置し得る。代替的に、ここに開示される変圧器を自動変圧器として形成し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、セラミック基板内に一体化されたトロイダル変圧器、及び、それを製造する方法に関する。図１乃至４、及び、図５中のフロー図を参照して、本方法を記載する。方法は、適切なサイズの一片の未焼成セラミックテープ１００を形成することによって、ステップ５０２で開始し得る。セラミックテープ１００は、約８００℃〜１，０００℃でか焼されるよう設計された、任意の商業的に入手可能な様々なガラスセラミック基板であり得る。この等級の材料は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）と一般的に呼ばれる。そのようなＬＴＣＣ材料は、それらをＲＦシステムのための基板として特に有用にする数多くの利点を有する。例えば、ＤｕＰｏｎｔ（Ｒ）からの低温９５１同時焼成Ｇｒｅｅｎ Ｔａｐｅ（ＴＭ）は、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）融和性を有し、多くの用途に適する熱膨張係数（ＴＣＥ）及び相対強度を有する。他の類似の種類のセラミックテープも用い得る。具体的な用途に依存する多様な要因によって、セラミックテープのサイズを決定し得る。例えば、もしトロイダル変圧器がより大きなＲＦ回路の一部を形成するならば、セラミックテープは、トロイダル変圧器が構成素子になるＲＦ回路を収容するサイズであり得る。
【００１７】
図１及び２を参照すると、セラミックテープ１００内に第一の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂを形成し得る。図１において、複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂは、線１０５の両側上で、ほぼ１８０度の弧の周りにそれぞれ配列されている。よって、伝導性ビアの各組は、おおよそ半円を定める。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わりに、各組の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって形成される弧の組み合わせが、図示されるように、累積的におおよそ３６０度の弧を定めることを条件として、１８０度よりも大きい或いは小さい弧の周りに伝導性ビア１０２ａ又は１０２ｂを配列し得る。
【００１８】
ステップ５０４において、未焼成セラミックテープに孔を穿孔するステップ、及び、ステップ５０８において、ビアホールに伝導性ペーストを充填するステップを含む、従来的な技法を用いて伝導性ビアを形成し得る。図１及び２に示されるように、トロイダル変圧器の内周を定めるために、中心軸１０１から第一距離ｄ１だけ放射状に間隔を空けて第一の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂを配置し得る。ステップ５０６及び５０８において、外周を定めるために、中心軸について第二距離ｄ２だけ放射状に間隔を空けて第二の複数の導電性ビア１０４ａ，１０４ｂを同様に形成し得る。図１において、複数の伝導性ビア１０４ａ，１０４ｂは、伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって定められる弧と対応して、ほぼ１８０度の弧の周りにそれぞれ配列される。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わりに、弧が伝導性ビア１０２ａ，１０２ｂによって形成される弧とそれぞれ一致することを条件として、伝導性ビア１０４ａ，１０４ｂを１８０度よりも大きい或いは小さな弧の周りにそれぞれ配列し得る。図２に示されるように、ビアは、実質的にセラミックテープ１００の反対面１０６，１０８の間に延在し得る。
【００１９】
図３及び４Ａを今や参照すると、複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂをセラミックテープ１００上に配置することによって、プロセスはステップ５１０において継続し得る。表面１０６上の伝導性トレース１１０ａは、実質的に放射方向で隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０４ａの夫々のものの間の電気接続を形成している。同様に、表面１０６上の伝導性トレース１１０ｂは、実質的に放射方向で隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂの夫々のものの間の電気接続を形成している。
【００２０】
ステップ５１２において、第二の複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、第二セラミックテープ１００の表面１０８上に設けられている。第二セラミックテープ１００もＬＴＣＣ材料で形成し得る。第二の複数の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、２つのセラミックテープ層が、図示されるように、整列され且つ積み重ねられるときに、表面１０８上のトレース１１０ａが、第一及び第二の複数の伝導性ビア１０２ａ，１０４ａの円周方向に位置ずれしたものの間の電気接続をもたらす。同様に、図示されるように、トレース１１０ｂは、伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂの円周方向に位置ずれしたものの間の電気接続をもたらす。
【００２１】
選択的なＬＴＣＣ材料のための同時焼成プロセスと融和性を有する如何なる適切な伝導性ペースト又はインクから伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂを形成し得る。そのような材料は、多様なソースから商業的に入手可能である。さらに、標準的なＬＴＣＣ処理との整合性のために、トレース１１０ａ，１１０ｂが各テープの１つの側面上にのみ配置された状態で、セラミックテープ１００の２つの層が図４Ａ中に示されていることが留意されるべきである。しかしながら、本発明はそのように限定されない。当業者であれば、トレース１１０ａ，１１０ｂが、代わりに、セラミックテープ１００の単一層の両面上に配置されることが可能であり、且つ、そのような代替的な構成が本発明の範囲内で意図されることを理解するであろう。ステップ５１４では、従来的な処理技法を用いて、多様なＬＴＣＣ層１００を積層し、互いに整列し得る。
【００２２】
伝導性ビア１０２ａ，１０４ａ及び伝導性トレース１１０ａ，１１５は、三次元変圧器１１８の第一巻線１１９ａを共に定める。同様に、伝導性ビア１０２ｂ，１０４ｂ及び伝導性トレース１１０ｂ，１１７は、三次元変圧器１１８の第二巻線１１９ｂを定める。これに関して、本発明は、ここで、図１乃至４Ａに例証される正確な配列又はパターンのビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ及びトレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７に限定されないことが理解されるべきである。その代わりに、それが実質的にトロイダル変圧器構成をもたらすことを条件として、セラミックテープ層内に形成される如何なるパターンのビア及びトレースも用いることができ、多くの小さな変更が可能であることが理解されよう。
【００２３】
例えば、表面１０６上の伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂは、実質的に半径方向に隣接する第一及び第二の複数の伝導性ビアの各１つの間の電気接続を形成することが上記に述べられている。ビア１０３−１及び１０３−２は、半径方向に隣接する伝導性ビアの例である。しかしながら、半径方向に隣接する伝導性ビアは、その用語がここで用いられるとき、必ずしも半径方向に精密に整列される必要はないことが留意されるべきである。そのような半径方向に隣接するビアは、互いにある程度円周方向に位置ずれしたビアを含み得る。ビア１０３−１及び１０３−３は、円周方向に位置ずれしたビアを示している。図１に見られるように、円周方向に位置ずれしたビアは半径方向に整列されていない。伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７及びビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ｂの組み合わせが、連続的なトロイダル変圧器の少なくとも半径方向の一部を定めることを条件として、本発明はこれらの素子の如何なる特定の幾何にも限定されない。
【００２４】
図１及び３を参照すると、第一巻線１１９ａ及び第二巻線１１９ｂを定めるトロイダル変圧器のための第一の及び組の電気接点を定めるために、１つ又はそれよりも多くの追加的なビア１１２ａ，１１２ｂ及び追加的なトレース１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ，１１６ｂを設け得る。顕著に、第二巻線１１９ｂと比べられるとき、第一巻線１１９ａが異なる巻線数を有することが望ましくあることができ、本発明は、いずれのコイルに関して如何なる特定の巻線数にも限定されない。全てのビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ，１１２ａ，１１２ｂ及びトレース１１０ａ，１１０ｂ，１１５，１１７，１１４ａ，１１４ｂ，１１６ａ、１１６ｂが揃えられるや否や、特定の種類のセラミックテープにふさわしい温度及び時間に従って、ステップ５１６において、セラミックテープ１００，ビア、及び、トレースを一緒に焼成し得る。
【００２５】
プロセスは、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分と異なる少なくとも１つの電気特性を有するセラミックテープ１００内に、少なくともトロイダル形状コア領域１２０ａ，１２０ｂを形成するステップも含み得る。例えば、電気特性は、透磁率又は誘電率であり得る。有利に、１よりも大きな透磁率を有する低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）材料のコア領域１２０ａ，１２０ｂの少なくとも一部を形成するために、少なくともトロイダル形状コア領域の透磁率を増大し得る。好適実施態様によれば、少なくともコア領域は、実質的に１よりも大きな透磁率を有し得る。例えば、コア領域における透磁率は、現在の技術を用いて、約１５０〜４００で変動し得る。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されない。その代わり、高透磁率は約１．０よりも大きな値を有し得る。
【００２６】
如何なる適切な手段によっても高透磁率コア領域を形成し得る。例えば、図４Ｂに示されるようなものの透磁率を有する従来的な非鉄セラミックテープと共に、非焼成高透磁率セラミックテープの１つ又はそれよりも多くの層を積み重ねることによって、高透磁率コア領域を形成し得る。高透磁率層は、コア領域と交差するように有利に配置される。代替的な実施態様では、高透磁率領域が排他的にコア領域を含むように基板を形成することもできる。コア領域と一致しない他のＬＴＣＣ型層も高透磁率材料で形成し得る。例えば、全ての層を高透磁率ＬＴＣＣテープ層で形成し得る。
【００２７】
図４Ｂに例証されるように、非焼成セラミックテープ１２２，１２４を複数の非焼成セラミックテープ層１００と共に積み重ね得る。１つの実施態様によれば、セラミックテープ１２２，１２４は、セラミックテープ層１００と比べ、より高い比透磁率を有し得る。それらの少なくとも一部の部分がコア領域１２０内に含まれるのを保証するために、非焼成テープ層１２２，１２４を配置し得る。非焼成テープ層１２２，１２４は、積層内の残余のテープ層１００と親和性のある如何なるセラミックテープであり得る。例えば、高透磁率ＬＴＣＣテープは、４１６ Ｅａｓｔ Ｃｈｕｒｃｈ Ｒｏａｄ， Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ， ＰＡ １９４０６−２６２５， Ｕ．Ｓ．Ａ．のＥｌｅｃｔｒｏ−Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。具体的には、１５０〜４００の透磁率を有する製品番号ＥＳＬ４００１０が言及される。代替的な実施態様によれば、全てのテープ層は高透磁率材料からなり得る。
【００２８】
図４Ｃは、非焼成セラミックテープ層１２６が複数の非焼成テープ層１００と組み合わされた構成を例証している。さらに、テープ層１２６は、コア領域１２０と交差する部分を含み得る。部分１２８は、テープ１２６及びテープ１００の残部と比べ、より高い透磁率を有し得る。図４Ｄは、図示のように複数の非焼成テープ層１２６が非焼成テープ層１００と積み重ねられた類似の構成を例証している。
【００２９】
多くの場合、回路トレース又は他の表面実装構成素子の配置のために、トロイダル変圧器の上及び／又は下の表面領域を使用することが有利であり得る。トレース１１０ａ，１１０ｂを覆う１つ又はそれよりも多い追加的なＬＴＣＣ層の追加は、そのような配置を促進し得る。図４Ｅは、変圧器を積層内に完全に埋設するために、追加的なＬＴＣＣ層１３０がその上に配置された、図４Ｅ中のトロイダル変圧器を示している。ビア１３２，１３４は、トロイダル変圧器のトレース１１４ａ，１１４ｂへの電気接点を供給し得る。トレース１１６ａ，１１６ｂのために、図示されていない類似のビアを設け得る。図示のように、回路トレース１２２，１２４及び回路構成素子１２６，１２８を積層の外面上に配置し得る。顕著に、図４Ｅ内の構成素子は、トロイダル変圧器の１つの側面上にのみ示されているが、本発明はそのように限定されない。
【００３０】
ＲＦ回路板の場合、伝導性トレースと接地平面との間の所定間隔を維持することがしばしば重要である。伝導性トレースがマイクロストリップ伝送線のようなＲＦ伝送線を定める場合には、これは特に重要である。伝導性トレース１１０ａ，１１０ｂ、ビア１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂ、及び、如何なる高透磁率セラミック基板も、線の特性インピーダンスにおける望ましくない変化を生み出し得る。従って、必ずしも必要ではないが、セラミックテープ層１３０の外側のものの下方に離間して配置される少なくとも１つの伝導性層１３６を設けることが望ましくあり得る。
【００３１】
伝導性層１３６は、様々なサブ表面構造を表面実装構成素子及び伝送線から隔離し得る接地平面を定め得る。もし伝導性層１３６が設けられるならば、伝導性ビア１３２，１３４との如何なる電気的接触も回避するよう、適切な開口を形成し得る。顕著に、トロイダル変圧器は、殆どの磁場を構造内部に維持する。従って、表面構成素子（又は他の電気トレース）をトロイドから遮蔽することは一般的に不要である。例外は、ＲＦ伝送線を定める電気トレースである。その場合には、基板における不連続性の存在によって、線の特性インピーダンスを変更し得る。さらに、トロイドのための基板を形成するために用いられる高透磁率層は、ＲＦ伝送線のための基板には不適であり得る。その場合には、接地平面層が、高透磁率層をＲＦ伝送線及び関連する基板から隔離するよう働き得る。結合平面螺線変圧器構成と比べたときのトロイド変圧器構造の他の利点は、トレースがその下方の接地平面を必要とする場合（即ち、マイクロストリップ）、インダクタンスに影響を及ぼすことなしに、トロイド付近のどこかに接地平面を配置し得る。対称的に、平面螺線変圧器付近の接地平面は、その動作パラメータを著しく変更し得る。
【００３２】
前述から明らかであるように、本発明は、１つの実施態様において、ＬＴＣＣセラミック基板とセラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコア領域とで構成されるプリント回路基板から成り得る。変圧器を形成する伝導性金属コイルは、図３に示されるようなセラミックトロイダルコアについての複数の巻線から成り得る。伝導性金属コイルは、伝導性ビア１１０ａ，１１０ｂ及びトレース１０２ａ，１０２ｂ，１０４ａ，１０４ｂによって定められるトロイダルインダクタであり得る。セラミックコア領域を、セラミック層、例えば、セラミックテープ層１００，１３０の同時焼成プロセスの結果として、セラミック基板と一体的に形成し得る。上記のように、セラミックトロイダルコア領域は、セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二セラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成り得る。
【００３３】
代替的な種類のトロイダル変圧器を構成するために、上述の技法を利用し得る。図６及び７を今や参照すると、本発明の代替的な実施態様に従ったトロイダル変圧器６１８が示されている。第一トロイダル巻線６００は、図１乃至４に関して記載されたプロセスを用いて形成し得るビア６０２，６０４及びトレース６１０から成る。単一のトロイダル巻線６００は、図示のように約３６０度の弧の周りに連続的に延在し得るが、より少ない角度の弧にも限定され得る。これは、それぞれ３６０度の弧の一部のみから成る図１乃至４中の第一巻線１１９ａ及び第二巻線１１９ｂから区別されるべきである。トロイダル巻線６００との電気接点をもたらすために、端子６１４，６１６を形成し得る。ビア（図示せず）は、端子６１４，６１６とトロイダル巻線６００との間の電気接続を形成し得る。
【００３４】
ビア７０２，７０４及びトレース７１０から成る第二トロイダル巻線７００が、図１乃至４に関して記載されたものと類似する技法を用いて形成されている。明瞭性のために、基板の底面上のトレース７１０は、図６中に示されていない。単一のトロイダル巻線７００は、図示のように約３６０度の弧の周りに連続的に延在し得るが、より少ない角度の弧にも限定され得る。端子７１４，７１６が、トロイダル巻線７００との電気接点をもたらしている。第二トロイダル巻線７００は、より大きなコイル直径を有し、且つ、第一トロイダル巻線６００と同軸であるので、２つの巻線は共通のトロイダルコア７２０を共有している。図示のように形成された巻線６００は、トロイダル変圧器６１８を形成する。各巻線６００，７００におけるコイルの数の比は、変圧器６１８の電圧変圧特性を決定し、特定の変圧器用途のために選択され得る。ここに記載される技法を用いて、追加的な巻線も設け得る。
【００３５】
図６及び７において、表面７２２上に配置されているトレース７１０は露出され、従って、表面実装構成素子の配置と干渉し、或いは、回路の一部を形成する他の信号トレースの表面上での位置決めを妨げ得る。従って、１つ又はそれよりも多くの追加的なＬＴＣＣ層及び／又は接地平面層を表面７２２上で図７中の積層に加えることが望ましくあり得る。明瞭性のために、これらの層は図７から省略されている。しかしながら、そのような層は、図４Ｅに関して記載されたような追加的な層１３０，１３６と類似し得る。同様に、トロイダル変圧器６１８を形成するＬＴＣＣ層の積層内の１つ又はそれよりも多くの層１００は、前述されたような高透磁率のＬＴＣＣ層を含み得る。
【００３６】
本発明の他の実施態様が図８に例証されている。図１乃至７に関してここに記載されたのと同一の技法を用いて、図８中のトロイダル変圧器を形成し得る。しかしながら、この実施態様において、第一巻線８１０及び第二巻線９１０は、図示のように編み合わされている。端子８１４，８１６は、電気接点にトロイダル巻線８００を提供するのに対し、端子９１４，９１６は、電気接点にトロイダル巻線９００を提供する。図１乃至４に関して上記されたように、表面９２２上で図７に示されるような積層に１つ又はそれよりも多くのＬＴＣＣ層及び／又は接地平面層を加えるのが望ましい。明瞭性のために、これらの層は図７及び８から省略されている。しかしながら、そのような層は、図４Ｅに関して記載されたような追加的な層１３０，１３６と類似し得る。同様に、トロイダル変圧器８００を形成するＬＴＣＣ層の積層中の１つ又はそれよりも多くの層１００は、高透磁率コア領域を定めるために、前記されたような高透磁率のＬＴＣＣ層を含み得る。
【００３７】
本発明のさらに他の実施態様が図９に例証されている。図９は、ＤＣ通過型自動変圧器である。図９中の自動変圧器は、ＬＴＣＣ基板中に埋設される単一のトロイダル巻線から成り得る。ここで図１乃至８に関して記載されたものと類似する製造技術を用いて、単一のトロイダル巻線９５０を形成し得る。しかしながら、１つの電圧から他の電圧に変圧するために複数の巻線を用いる代わりに、１つ又はそれよりも多くのタップが、その半径に沿った選択的な場所に配置される。自動変圧器は当業者に既知である。しかしながら、ここに記載される発明的な方法を使用することによって、トロイダル型変圧器９５８をＬＴＣＣサブ基板内に埋設し得る。図９において、接点９５４ａ，９５４ｂは、ビア９６０，９６２を用いて、トロイダル巻線９５０に電気的に接続されている。少なくとも１つのタップ９５６ａが、ビア９５８を用いて、その半径に沿った選択的な場所で、トロイダル巻線９５０に接続されている。電圧変圧比は、入力９５４ｂと自動変圧器９５６ａとの間の巻数に対するトロイダル巻線における総巻数の比によって決定される。例えば、図９中の自動変圧器の巻線比は、約１：４である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】トロイダル変圧器を形成する方法を理解するのに有用な、その内部に形成されたビアを備えるセラミック基板を示す上面図である。
【図２】線２−２に沿って取られた、図１の基板を示す断面図である。
【図３】トロイダル変圧器を形成するために伝導性トレース及び第二層が加えられた後の図１中の基板を示す上面図である。
【図４Ａ】線４−４に沿って取られた、図３中の基板を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第一の代替的な実施態様を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第二の代替的な実施態様を示す断面図である
【図４Ｄ】図４Ａ中のトロイダル変圧器の第三の代替的な実施態様を示す断面図である
【図４Ｅ】追加的な層が加えられた、図４Ａ中のトロイダル変圧器の第四の代替的な実施態様を示す断面図である
【図５】本発明を製造する方法を理解するのに有用なフロー図である。
【図６】代替的な発明的な構成を示すトロイダル変圧器の上面図である。
【図７】線７−７に沿って取られた、図６中のトロイダル変圧器の断面図である。
【図８】編み合わされた巻線を備えるトロイダル変圧器を示す上面図である。
【図９】自動変圧器として構成されたトロイダル変圧器を示す上面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
該セラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコアと、
該セラミックトロイダルコアについての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルとを含み、
前記セラミックトロイダルコアは、同時焼成プロセスにおいて、前記セラミック基板と一体的に形成される、
低温同時焼成セラミック基板内に埋設される変圧器。
【請求項２】
前記セラミックトロイダルコアは、前記セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二セラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成る、請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
前記セラミック基板内に配置された少なくとも１つの伝導性金属接地平面をさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項４】
前記セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線を含み且つ前記第一の伝導性コイルと異なるコイル半径を有する第二の伝導性コイルをさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項５】
前記第一の伝導性コイルが配置される前記セラミックトロイダルコアの第二半径部分を除き前記セラミックトロイダルコアの半径分部について配置される複数の巻線から成る第二の伝導性コイルをさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項６】
非焼成セラミック基板の内部に定められる非焼成セラミックトロイダルコア領域についての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルを形成するステップと、
前記伝導性コイルが前記セラミック基板内に少なくとも部分的に埋設された状態の一体的なセラミック基板構造を形成するために、前記非焼成セラミックトロイダルコア領域、前記非焼成セラミック基板、及び、前記伝導性コイルを同時焼成するステップとを含む、
セラミック基板何変圧器を形成する方法。
【請求項７】
１よりも大きな透磁率を有するセラミック材料の前記セラミックトロイダルコア領域の少なくとも一部を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記セラミックトロイダルコアについて配置された複数の巻線を含む第二の伝導性コイルを形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第一の伝導性コイルのコイル半径と異なるよう前記第二伝導性コイルのコイル半径を選択するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第一の伝導性コイルが配置される前記セラミックトロイダルコアの前記半径部分を除き前記セラミックトロイダルコアの半径部分について配置される複数の巻線の第二の伝導性コイルを形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１】
セラミック基板と、
該セラミック基板内に埋設されたセラミックトロイダルコアと、
該セラミックトロイダルコアについての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルとを含み、
前記セラミックトロイダルコアは、同時焼成プロセスにおいて、前記セラミック基板と一体的に形成される、
低温同時焼成セラミック基板内に埋設される変圧器。
【請求項２】
前記セラミックトロイダルコアは、前記セラミック基板の少なくとも１つの他の部分を含む第二セラミック材料よりも大きな透磁率を有するセラミック材料から成る、請求項１に記載の変圧器。
【請求項３】
前記セラミック基板内に配置された少なくとも１つの伝導性金属接地平面をさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項４】
前記セラミックトロイダルコアについて配置される複数の巻線を含み且つ前記第一の伝導性コイルと異なるコイル半径を有する第二の伝導性コイルをさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項５】
前記第一の伝導性コイルが配置される前記セラミックトロイダルコアの第二半径部分を除き前記セラミックトロイダルコアの半径分部について配置される複数の巻線から成る第二の伝導性コイルをさらに含む、請求項１に記載の変圧器。
【請求項６】
非焼成セラミック基板の内部に定められる非焼成セラミックトロイダルコア領域についての複数の巻線を含む少なくとも１つの伝導性コイルを形成するステップと、
前記伝導性コイルが前記セラミック基板内に少なくとも部分的に埋設された状態の一体的なセラミック基板構造を形成するために、前記非焼成セラミックトロイダルコア領域、前記非焼成セラミック基板、及び、前記伝導性コイルを同時焼成するステップとを含む、
セラミック基板何変圧器を形成する方法。
【請求項７】
１よりも大きな透磁率を有するセラミック材料の前記セラミックトロイダルコア領域の少なくとも一部を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記セラミックトロイダルコアについて配置された複数の巻線を含む第二の伝導性コイルを形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第一の伝導性コイルのコイル半径と異なるよう前記第二伝導性コイルのコイル半径を選択するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第一の伝導性コイルが配置される前記セラミックトロイダルコアの前記半径部分を除き前記セラミックトロイダルコアの半径部分について配置される複数の巻線の第二の伝導性コイルを形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図４Ｅ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２００７−５２９９１１（Ｐ２００７−５２９９１１Ａ）
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０４１８６（Ｐ２００７−５０４１８６）
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００９６０３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９９２８０
【国際公開日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（５９４０７１６７５）ハリス コーポレイション (287)
【氏名又は名称原語表記】Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２２日（２００５．３．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００９６０３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０９９２８０
【国際公開日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（５９４０７１６７５）ハリス コーポレイション (287)
【氏名又は名称原語表記】Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]