CN101018446A - 一种用于开关电源模块的无源基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于开关电源模块的无源基板及其制备方法，整体分为无源基板层和电路层；无源基板层包括磁芯和相应的上下绕线层，磁芯嵌入在板材中，上下绕线层位于磁芯的上下，上下绕线层通过互连过孔连通，上下绕线层和磁芯之间采用上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层电气隔离。本发明采用将开关电源中无源元件嵌入到PCB基板中，形成无源基板，在无源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的电源模块。这种方法减小了电源模块的设计制造步骤，在制造过程中采用和PCB兼容的工艺，降低了开关电源模块的制造成本，可以达到比现有无源基板更高的效率，同时大大提高了开关电源模块的功密密度。

Description

一种用于开关电源模块的无源基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及开关电源模块的结构和制备方法，特别涉及了一种用于开关电源模块的无源基板及其制备方法。
背景技术
高功率密度和低成本一直是开关电源模块所追求的目标，在电感和变压器的设计和制造中采用扁平磁芯能在一定程度上大大促进开关电源的小型化。但是在目前或是将来的需求中，对小功率开关电源的功率密度要求(如需要超薄设计)越来越高，因而采用扁平磁芯的设计方案已经不能满足这些要求。另外一个方面，在开关电源模块的制造过程中扁平磁芯的安装过程比较复杂，需要经过扣磁芯和用夹具固定磁芯的过程，这样就增加了电源模块的制造流程，由于磁芯机械固定问题，所以降低了电源模块的可靠性。现在已有文献报道，有人采用微电子和PCB(印制电路板)加工工艺来制造开关电源模块，能实现超薄和高功率密度的开关电源模块设计制造。但是，这种工艺的加工过程复杂，成本较高，不能实现低成本。另外一个方面，和微加工工艺相兼容的磁芯材料的高频损耗较大，导致电源的效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于开关电源模块的无源基板及其制备方法，减小了电源模块的设计制造步骤，降低了开关电源模块的制造成本，提高效率和开关电源模块的功密密度。
本发明将开关电源中无源元件嵌入到PCB基板中，形成无源基板，在制造过程中采用和PCB兼容的工艺，在无源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的电源模块。
本发明的技术方案是这样实现的：
用于开关电源模块的无源基板整体分为两层：无源基板层和电路层；电路层包括上下电路铜层和FR-4板材，上下电路铜层位于FR-4板材的上下；在无源基板层和电路层之间采用一层半固化片绝缘层电气隔离，无源基板层包括磁芯和相应的上下绕线层，磁芯嵌入在板材中，上下绕线层位于磁芯的上下，上下绕线层通过互连过孔连通，上下绕线层和磁芯之间采用上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层电气隔离。
所述的板材是FR-4材料，FR-4是标准环氧树脂和玻璃布组成的复合物。
一种用于开关电源模块的无源基板的制备方法，步骤如下：
(1)先将3F3材料铁氧体扁平磁芯采用金刚石切割机切割成条状磁芯，或是采用烧结炉烧结出条状磁芯；
(2)在FR-4原材料板材上切割板材，将板材上下表面铜层腐蚀掉，在形成的光板上加工出嵌入磁芯的槽；
(3)将切割成的条状磁芯嵌入到带槽的板材中，在凹槽中填充绝缘粉末，固定磁芯防止其移动，然后在板材上下表面层压上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层，接着再层压覆铜的上下绕线层；
(4)在覆铜的上下绕线层上刻蚀出绕线图案，然后在形成的层压板上钻互连过孔，接着再化学沉铜、电镀，通孔能够电气连接上下绕线层，此时就形成无源基板层；
(5)另在FR-4原材料板材上切割FR-4板材，在FR-4板材上下表面层压覆铜的上电路铜层和下电路铜层，然后刻蚀出电路图样，接着根据设计钻孔，接着化学沉铜、电镀，这样就形成电路层；
(6)在无源基板层和电路层中间插入一层半固化片绝缘层，然后将无源基板层、半固化片绝缘层和电路层层压，这样就形成无源基板。
所述的板材是FR-4材料，FR-4是标准环氧树脂和玻璃布组成的复合物。
本发明采用将开关电源中无源元件嵌入到PCB基板中，形成无源基板，在无源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的电源模块。这种方法减小了电源模块的设计制造步骤，在制造过程中采用和PCB兼容的工艺，降低了开关电源模块的制造成本，可以达到比现有无源基板更高的效率，同时大大提高了开关电源模块的功密密度。由于大大增加了无源元件的散热面积，使得模块电源的温度分布更加均匀，增加了模块的可靠性。另外，磁性元件嵌入在PCB板材中，具有很好的机械稳定性，同时对外界的污染以及摩擦等具有很好的保护作用，并且没有重量过于集中的地方，在振动的环境中具有很高的可靠性。
附图说明
图1是本发明基于无源基板的开关电源模块剖面平面结构图；
图2是本发明嵌入式磁芯加工流程图；
图3是本发明无源基板的层压加工制造结构图；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，上电路铜层1和下电路铜层3位于FR-4板材2上下；电路12位于上电路铜层1上面；半固化片绝缘层4位于下电路铜层3与上绕线层5之间；磁芯8嵌入在板材7中，上下绕线层5、10位于磁芯8的上下，上下绕线层5、10通过互连过孔11连通，上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层6、9分别位于上下绕线层5、10与磁芯8之间。
参照图2所示，采用金刚石切割机将商用3F3材料铁氧体扁平磁芯14切割成条状磁芯8，然后将条状磁芯8围成电感或变压器用闭合磁路。
参照图3所示，上电路铜层1和下电路铜层3位于FR-4板材2上下；半固化片绝缘层4位于下电路铜层3与上绕线层5之间；磁芯8嵌入在板材7中，上下绕线层5、10位于磁芯8的上下，上下绕线层5、10通过互连过孔11连通，上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层6、9分别位于上下绕线层5、10与磁芯8之间。
采用该结构和方法设计制造一个具有高功率密度的电源模块，其主要制备步骤如下：
(1)先将商用3F3材料铁氧体扁平磁芯14采用金刚石切割机切割出条状磁芯8，或是采用烧结炉烧结出条状磁芯8或回字形磁芯。
本无源基板样机中采用的Philip公司的3F3材料的铁氧体扁平磁芯14，形状为长方体，其边长为：64mm×50mm×10mm。在此基础上，采用金刚石切割机切割出的长方体条形磁芯8的尺寸为：32mm×8mm×2mm。然后将此时围成回字型，以形成闭合回路，闭合回路中预留3mm的气隙13。磁芯8加工流程如图2所示。
(2)在FR-4原材料板材上切割出板材7，将板材7上下表面铜层腐蚀掉，然后在板材7上加工出嵌入磁芯所需要的槽。
在原材料上切割出的板材7面积大小为：56mm×40mm，板材7的厚度为2.4mm，被腐蚀的上下电路铜层1、3的厚度为0.07mm。按照上一步骤中磁芯8围成的回字型尺寸，在板材7上开一个U和I字型槽，形成一个回字型槽，保证磁芯8刚好能够嵌入到板材7中去。在开槽过程中，在槽的两侧要保证各1.5mm厚度的气隙13，气隙13可以用相同厚度的FR-4板材实现，即U字槽和I字槽之间的距离为1.5mm。如图2左所示。
(3)将切割成的条状磁芯8嵌入到带槽的板材7中，在凹槽中适当填充绝缘粉末，固定磁芯8防止其移动。然后在板材7上下表面层压上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层6、9，接着再层压覆铜的上下绕线层5、10。
层压的上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层6、9厚度为0.06mm，层压的覆铜的上下绕线层5、10的厚度稍小于2 OZ(1OZ＝0.035mm)。
(4)在覆铜的上绕线层5和下绕线层10上刻蚀出绕线图案，然后在形成的层压板上钻互连过孔11，然后化学沉铜，电镀，互连过孔11能电气连接上下绕组层5、10，此时形成无源基板层。
上绕线层5和下绕线层10，厚度为2 OZ，无源基板上的互连过孔11孔壁厚为1OZ，此时加工而成的无源基板的厚度为2.485mm。
(5)电路层的制作。在FR-4板材2上下表面层压上电路铜层1和下电路铜层3，然后刻蚀出电路图样，接着在PCB上钻互连过孔11，最后化学沉铜、电镀，这样就形成电路层。
电路层原材料FR-4板材2的厚度为0.2mm，上下电路铜层1、3的厚度稍小于2 OZ，加工形成互连过孔11的孔壁厚为1 OZ，此时加工形成的电路板厚度为0.235mm。
(6)在无源基板层和电路层中间插入一层半固化片绝缘层4，然后将无源基板层、半固化片绝缘层4和电路层层压。接着在基板上根据设计要求钻互连过孔11，然后化学沉铜、电镀，形成开关电源模块基板。
层压顺序由上到下为：电路板层、半固化片绝缘层4和无源基板层。绝缘层材料为环氧树脂和玻璃纤维复合物，厚度为0.12mm。无源基板的厚度为2.485mm，电路板层的厚度为0.235mm，层压之后形成开关电源模块基板的厚度为2.8mm。基板层压顺序结构如图3所示。
(7)在无源基板上焊接电路12这就构成了一个超薄以及高功率密度的开关电源模块，这个工艺过程都是采用和PCB相兼容的加工工艺。

Claims (4)

1、一种用于开关电源模块的无源基板，包括整体分为两层：无源基板层和电路层；电路层包括上下电路铜层(1、3)和FR-4板材(2)，上下电路铜层(1、3)位于FR-4板材(2)的上下；在无源基板层和电路层之间采用一层半固化片绝缘层(4)电气隔离，其特征在于，无源基板层包括磁芯(8)和相应的上下绕线层(5、10)，磁芯(8)嵌入在板材(7)中，上下绕线层(5、10)位于磁芯(8)的上下，上下绕线层(5、10)通过互连过孔(11)连通，上下绕线层(5、10)和磁芯(8)之间采用上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层(6、9)电气隔离。
2、根据权利要求1所述的用于开关电源模块的无源基板，其特征在于，板材(7)是FR-4材料，FR-4是标准环氧树脂和玻璃布组成的复合物。
3、一种用于开关电源模块的无源基板的制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
(1)先将3F3材料铁氧体扁平磁芯(14)采用金刚石切割机切割成条状磁芯(8)，或是采用烧结炉烧结出条状磁芯(8)；
(2)在FR-4原材料板材上切割板材(7)，将板材(7)上下表面铜层腐蚀掉，在形成的光板上加工出嵌入磁芯(8)的槽；
(3)将切割成的条状磁芯(8)嵌入到带槽的板材(7)中，在凹槽中填充绝缘粉末，固定磁芯(8)防止其移动，然后在板材(7)上下表面层压上下环氧树脂和玻璃纤维复合物绝缘层(6、9)，接着再层压覆铜的上下绕线层(5、10)；
(4)在覆铜的上下绕线层(5、10)上刻蚀出绕线图案，然后在形成的层压板上钻互连过孔(11)，接着再化学沉铜、电镀，通孔能够电气连接上下绕线层(5、10)，此时就形成无源基板层；
(5)另在FR-4原材料板材上切割FR-4板材(2)，在FR-4板材(2)上下表面层压覆铜的上电路铜层(1)和下电路铜层(3)，然后刻蚀出电路图样，接着根据设计钻孔，接着化学沉铜、电镀，这样就形成电路层；
(6)在无源基板层和电路层中间插入一层半固化片绝缘层(4)，然后将无源基板层、半固化片绝缘层(4)和电路层层压，这样就形成无源基板。
4、根据权利要求1所述的用于开关电源模块的无源基板的制备方法，其特征在于，板材(7)是FR-4材料，FR-4是标准环氧树脂和玻璃布组成的复合物。
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