CN101651404B - 基板、磁性器件集成型dc-dc变换器及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器，在变换器电路基板内集成磁性器件，表面电子线路设置在基板表面上，其中基板为铁氧体基板，磁性器件为“回”字型导体线圈，并与其周围的铁氧体构成一个闭合式电感，导体线圈两端延长至基板的侧面，通过侧面的封端将导体线圈和表面电子线路相连接。该变换器导体线圈内埋在基板内，基板是磁性器件和表面电子线路的载体，实现了磁芯器件和电路基板的无源集成，使基板同时具有磁性器件的功能，装配过程中不再需要安装分离的电感或变压器，大大减小了电源模块的整体体积。

Description

基板、磁性器件集成型DC-DC变换器及其制备工艺
技术领域
本发明涉及电子电力领域，具体涉及一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器及其制备工艺。 
背景技术
随着电子技术的飞速发展，各种电子系统体积越来越小，供电系统的随之不断地往小型化、高功率密度发展。在整机的各小功率模块(如电脑中的CPU)和便携式设备中，都通过二次电源供电，如何减小二次电源的体积也成了实现系统小型化的一个课题。 
随着集成电路的发展，一块芯片能实现很多功能，使电源模块的控制电路实现了高度的集成化；但是在有较大功率的部分，必须依靠分离的器件来处理。在各种分离器件中，又属磁性器件最大。 
电感或变压器包括磁芯和线圈两个部分，传统的做法是将线圈绕制在分离的磁芯上，这样造成整个器件的体积比较大。目前解决磁性器件体积过大的方法主要是采用PCB平板变压器，特点是用PCB板上印刷线圈，再将扁平状的磁芯安装在线圈上，从而实现线圈的集成。但这种方式仍然需要独立的磁芯，而铁氧体磁芯又占据了较大的体积，使小型化遇到了瓶颈。 
  企业   产品型号   功率(W)   体积(mm3)
  日本Murata   7803SRH-C   1.65   19.1×10.4×9.3
  台湾P-DUKE   TEA1P5   1.3   28×16×7.8
  广州MORNSUN   KRB0305S-1W   1   19.5×10×6.8
  广州listec   PDC3356NS-1W   1.12   19.6×10.2×7.1
表1市面上的小功率模块参数 
上表是市面上的小功率电源模块参数，从表中可以看出，小功率模块仍然有较大的厚度。通过对变换器器件分析可知，制约整体厚度的因素是其中的磁性元器件，因此，使磁性器件扁平化或者避免磁性器件的使用是使DC-DC变换 器片式化的关键。 
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器及其制备工艺，实现了磁芯器件和电路基板的无源集成，使基板同时具有磁性器件的功能，装配过程中不再需要安装分离的电感或变压器，大大减小了电源模块的整体体积。 
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器，其特征在于，在变换器电路基板内集成磁性器件，表面电子线路设置在基板表面上，其中基板为铁氧体基板，磁性器件为“回”字型导体线圈，并与其周围的铁氧体构成一个闭合式电感，导体线圈两端延长至基板的侧面，通过侧面的封端将导体线圈和表面电子线路相连接。 
一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤： 
①在低温烧结铁氧体粉料中添加分散剂、塑型剂和粘合剂，球磨均匀，用湿法工艺流延成30um厚的膜，然后裁切成规定尺寸的单张膜片； 
②在膜片上设计好的位置打盲埋孔，作为层与层间的电气连接孔； 
③在盲埋孔中填上纯银导体； 
④在膜片上设计好的位置用丝网印刷导体，形成导体线圈和表面电子线路，其中导体线圈为“回”字型结构，为纯银材料，厚度小于10um，它与周围的铁氧体构成一个闭合式电感，并将其两端线圈延长至基板侧面； 
⑤将若干张膜片按设计好的顺序叠成一个整体，有表面电子线路的在上面，有导体线圈的膜片在中间； 
⑥通过等静压将这个整体压成一个致密的巴块(俗称)； 
⑦将步骤⑥所得的巴块切割成实际需要的尺寸，排胶以去除添加剂，温度370～390℃，时间36～38小时； 
⑧通过烧结，将步骤⑦排胶后的巴块烧成致密而集成了磁性器件的基板，通过封端，将导体线圈延长至基板侧面导体引线与表面电子线路连接起来。 
按照本发明所提供的基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的制备工艺，其特征在于，步骤①中铁氧体材料为NiZnCu铁氧体，烧结温度低于960℃。 
按照本发明所提供的基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的制备工艺，其特征在于，步骤⑥中等静压的条件为：压力22MPa，温度55～57℃，时间25～35分钟。 
按照本发明所提供的基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的制备工艺，其特征在于，步骤⑧中烧结条件为：升温5小时，保温2小时，烧结温度900～930℃ 
本发明的有益效果：第一，本发明实现了磁芯器件和电路基板的无源集成，使基板同时具有磁性器件的功能，装配过程中不再需要安装分离的电感或变压器，大大减小了电源模块的整体体积；第二，在基板内集成磁性器件，能实现磁性器件的超薄化，增加器件的相对表面积而改善其散热条件，与此同时，还能降低整个电源的高度；第三，用丝网印刷的线圈，厚度可以做到小于10微米，这样一方面增加了线圈与基板的接触面积，有利于线圈散热；另一方面能使导线圈完全忽略开关频率下的趋肤效应，降低铜损、保证线圈的通流能力；第四，用LTCC工艺实现功率磁性器件，实现了完全自动化的生产，能有效避免手工绕制造成的器件误差，显著提高生产效率。 
附图说明
图1是本发明的基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的内埋电感的示意图； 
图2是本发明的基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的工艺流程图； 
图3是基板/磁性器件集成型DC-DC变换器的结构示意图； 
具体实施方式
图4是加装了封装盖板的基板/磁性器件集成型DC-DC变换器的侧面结构示意图。 
下面结合附图对本发明作进一步描述： 
本发明对基板、磁性器件集成型DC-DC变换器制作具有通用性。 
1.结构设计：本发明中线圈是回字形线圈，线圈与其周围的铁氧体构成了一个闭合式的电感如图1所示，并将两端线圈延长至基板侧面，通过侧面封端将线圈与基板上的电子线路连接起来。 
2.工艺实现：本发明采用的是LTCC(低温共烧陶瓷)工艺，如图2，具体流程如下。在低温烧结铁氧体粉料中添加分散剂、塑型剂和粘合剂，型号分别为：M1135、M1125和B75702，球磨均匀，用湿法工艺流延成30um厚的膜，然后裁切成规定尺寸的单张膜片；在膜片上设计好的位置打盲埋孔，作为层与层间的电气连接孔；在盲埋孔中填上纯银导体；在膜片上设计好的位置用丝网印刷导体，形成导体线圈和表面电子线路；将若干张膜片按设计好的顺序叠成一个整体，有线圈的膜片在中间；通过等静压将这个整体压成一个更致密的整体(俗称巴块)，23MPa，温度56℃，时间39分钟；将巴块切割成实际需要的尺寸；排胶以去除添加剂，温度370～390℃，时间36～38小时；通过烧结，将巴块烧成致密而集成了磁性器件的基板，升温5小时，保温2小时，烧结温度900～930℃；通过封端，将侧面的导体引线与表面电子线路连接起来。 
该基板、磁性器件集成型DC-DC变换器，包括LTCC基板、内埋线圈以及表贴元件，采用NiZnCu铁氧体作为基板材料，内埋导体线圈，再在表面印刷可焊电路，用LTCC技术一次烧成集成了磁性器件的电路基板，用可焊材料进行封端，通过二次烧银实现磁性器件与电路的连接。 
基板和磁芯材料选用NiZnCu铁氧体，属于低温共烧铁氧体(LTCF)，其烧结温度要低于960℃。内埋导体线圈用纯银材料，保证与NiZnCu铁氧体共烧匹配性，同时增加导线圈的电导率，降低导线直流电阻。 
内埋导体线圈是一匝的回字形的结构，这样能增加中柱的磁通量，增加磁芯的储能；导线厚度小于10um，有利于增加其与基板接触面积，有利于减小寄生参数。 
内埋导体线圈的引出采用侧面引出的方式，这样避免了银通孔太厚而导致的共烧失败。 
为了使基板表面可焊元件，基板表面印刷电路材料选用纯银材料，采用丝网印刷的方式印刷电路。 
上述得到的基板/磁性器件集成型DC-DC变换器具有如下特点：1、开关频率：1MHz；2、输出功率：1.3W；3、温升：＜10℃；4、体积：10mm×10mm×2mm，5、无需分离电感，无需散热设备。 

Claims (2)

1.一种基板、磁性器件集成型DC-DC变换器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
①在低温烧结铁氧体粉料中添加分散剂、塑型剂和粘合剂，球磨均匀，用湿法工艺流延成30um厚的膜，然后裁切成规定尺寸的单张膜片，铁氧体材料为NiZnCu铁氧体，烧结温度低于960℃；
②在膜片上设计好的位置打盲埋孔，作为层与层间的电气连接孔；
③在盲埋孔中填上纯银导体；
④在膜片上设计好的位置用丝网印刷导体，形成导体线圈和表面电子线路，其中导体线圈为“回”字型结构，为纯银材料，厚度小于10um，它与周围的铁氧体构成一个闭合式电感，并将其两端线圈延长至膜片侧面；
⑤将若干张膜片按设计好的顺序叠成一个整体，有表面电子线路的在上面，有导体线圈的膜片在中间；
⑥通过等静压将这个整体压成一个致密的巴块，等静压的条件为：压力22MPa，温度55～57℃，时间25～35分钟；
⑦将步骤⑥所得的巴块切割成实际需要的尺寸，排胶以去除添加剂，温度370～390℃，时间36～38小时；
⑧通过烧结，将步骤⑦排胶后的巴块烧成致密而集成了磁性器件的基板，通过封端，将导体线圈延长至基板侧面导体引线与表面电子线路连接起来，烧结条件为：升温5小时，保温2小时，烧结温度900～930℃。
2.根据权利要求1所述制备工艺所得的变换器，其特征在于，在变换器基板内集成磁性器件，表面电子线路设置在基板表面上，其中基板为铁氧体基板，磁性器件为一匝的回字形的结构的导体线圈，并与其周围的铁氧体构成一个闭合式电感，导体线圈两端延长至基板的侧面，通过侧面的封端将导体线圈和表面电子线路相连接。
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