CN102169872B

CN102169872B - 集成电感的电源模块

Info

Publication number: CN102169872B
Application number: CN 201110028844
Authority: CN
Inventors: 赵翔; 陈忠志
Original assignee: SHANGHAI TENGYI SEMICONDUCTORS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI TENGYI SEMICONDUCTORS CO Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: CN102169872A

Abstract

本发明公开了一种集成电感的电源模块，其包括：铁氧体模块；设置在所述铁氧体模块上并与所述铁氧体模块电性连接的裸芯片；以及固定在所述铁氧体模块的周边的至少一个金属极板。本发明集成电感的电源模块的体积小，满足高集成度系统的要求。

Description

集成电感的电源模块

技术领域

本发明涉及一种电源模块，特别是涉及一种集成电感的电源模块。

背景技术

在DC/DC(直流/直流)电源的应用领域中，随着电子技术的发展，电子设备体积越来越小，功率密度越来越高，导致电源模块也必须不断的往小型化、集成化发展。电源模块的体积极大地限制了系统整体的体积，传统的电路板电源模块越来越难满足高集成度系统的要求。

而且，无源器件的安装成本比较高，往往在电源模块中，无源器件的成本往往大于电源模块中其他器件的成本，这些无源器件的成本将占据总安装成本的绝大多数。因此无源器件的集成化是电源模块发展的必然趋势，可以有效减少安装成本并提高功率密度。其中磁性器件的体积很大，重量也大，能有效解决磁性器件的集成问题也是电源模块小型化的主要考虑问题。

如图1所示，传统的电路板电源模块中主要包括绕线电感30、电源芯片31、贴片电阻32和贴片电容33等电子元件，绕线电感30通过第一焊盘34焊接在电路板35上，电源芯片31、贴片电阻32和贴片电容33都安装在电路板35上，这样传统的电路板电源模块存在体积大、无源器件多等缺点，极大的限制了其应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种集成电感的电源模块，其体积小，满足高集成度系统的要求。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种集成电感的电源模块，其特征在于，包括：铁氧体模块；设置在所述铁氧体模块上并与所述铁氧体模块电性连接的裸芯片；以及固定在所述铁氧体模块的周边的至少一个金属极板。

优选地，所述铁氧体模块的中部开设有凹槽，所述裸芯片嵌入在该凹槽中；所述裸芯片通过焊锡球与铁氧体模块电性连接。

优选地，所述金属极板为分别固定在铁氧体模块的四个角上的四个金属极板。

优选地，所述金属极板与一个供电模块上的焊盘焊接。

优选地，所述裸芯片的表面和供电模块之间填充导热胶。

优选地，所述铁氧体模块包括：依次叠放的集成电感层、第一电容层、第二电容层、第三电容层；相互连接且位于所述集成电感层上的第一通孔与电感线圈；相互连接且位于所述第一电容层上的第二通孔与第一金属膜；位于第二电容层上的介质；相互连接且位于所述第三电容层上的第三通孔与第二金属膜；以及电阻层，该电阻层上具有相互连接的第四通孔与集成电阻。

优选地，所述电感线圈的结构为平面螺旋电感结构。

优选地，所述电感线圈的结构为三维叠层结构。

优选地，所述裸芯片表贴在铁氧体模块上；在所述铁氧体模块的表面引出有电路引脚，该电路引脚与所述裸芯片的引脚焊接。

本发明的积极进步效果在于：本发明无需使用体积庞大的分离电感，电阻、电容和电感集成为一体，可以省去很多安装无源器件的成本。

附图说明

图1为传统的电路板电源模块的结构示意图。

图2为本发明第一种集成电感的电源模块的平面结构示意图。

图3为本发明第一种集成电感的电源模块的立体结构示意图。

图4为本发明第一种集成电感的电源模块与供电模块安装的结构示意图。

图5为本发明第二种集成电感的电源模块的平面结构示意图。

图6为本发明中铁氧体模块的内部结构示意图。

图7为本发明中通孔的原理示意图。

图8为本发明中平面螺旋电感结构的电感线圈的结构示意图。

图9为本发明中三维叠层结构的电感线圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图2和图3所示，本发明第一种集成电感的电源模块包括铁氧体模块10、裸芯片11、凹槽12、焊锡球13和金属极板14，凹槽12开在铁氧体模块10的中部，裸芯片11是电源芯片，裸芯片11嵌入在凹槽12中，裸芯片11通过焊锡球13与铁氧体模块10电性连接，即焊锡球13将裸芯片11的焊盘与铁氧体模块10内部含有诸多电子元件的电路相连接，金属极板14固定在铁氧体模块10的四个角上，金属极板14把所需要与供电模块连接的部分引出铁氧体模块的表面，这样就大大缩小集成电感的电源模块的体积，满足高集成度系统的要求。如图4所示，铁氧体模块10的上的金属极板14直接面向第二焊盘38并与第二焊盘38焊接，第二焊盘38在供电模块37上，这样可以实现尽量小的接触电阻。为增强铁氧体模块的散热，裸芯片11的表面和供电模块37之间可以填充导热胶23或其他热导性好的材料来进一步加强散热。

当然，如图5所示，本发明第二种集成电感的电源模块基本上与第一种集成电感的电源模块相同，其不同之处在于把封装好的裸芯片11直接表贴在铁氧体模块10上的，在铁氧体模块10的表面引出电路引脚101，该电路引脚101与裸芯片的引脚111焊接，这样可以省去刻凹槽的步骤。

如图6所示，铁氧体模块10包括第一通孔151、第二通孔152、第三通孔153、第四通孔154、电感线圈16、第一金属膜171、第二金属膜172、集成电感层18、第一电容层191、第二电容层192、第三电容层193、电阻层20、集成电阻21和介质22，集成电感层18、第一电容层191、第二电容层192、第三电容层193、电阻层20依次叠放，第一通孔151与电感线圈16连接，第一通孔151与电感线圈16位于集成电感层18上，第二通孔152与第一金属膜171连接，第二通孔152与第一金属膜171位于第一电容层191上，介质22位于第二电容层192上，第三通孔153与第二金属膜172连接，第三通孔153与第二金属膜172位于第三电容层193上，第四通孔154与集成电阻21连接，第四通孔154与集成电阻21位于电阻层20上。裸芯片11可以设在集成电阻层20的下方，往上依次是第三电容层193、第二电容层192、第一电容层191和集成电感层18，这样电感对裸芯片的磁干扰可以适当的小一些。如图7所示，第一通孔151、第二通孔152、第三通孔153、第四通孔154可以让相邻的两层或多层实现连接关系，即通过第一通孔151至第四通孔154来实现上下两面表层线路的电气连接。具体是在第一通孔151至第四通孔154的内壁涂敷一定厚度的导体，用内壁上的导体实现上层浆料24和下层浆料25的电气连接。

其中，电感由电感线圈和集成电感层构成。集成电感层制作根据频率要求，选用NiZn或其他频率性质好的铁氧体材料做磁芯，在LTCC(LowTemperature Cofired Ceramic，低温共烧陶瓷)工艺制作的时候在铁氧体模块内加入Cu元素。在集成电感层的尺寸选择中，厚度不能太厚，以免烧结开裂，但是太薄的话，电阻值会比较大，一般采用6um到9um的厚度合适，要得到更大的横截面积，可以采用两层导体并联的方式。在内部集成的DC/DC电源模块中，电感上通过的电流比较大，为了整个电路的高效率，在满足足够高的饱和磁通量同时还要尽量小的寄生串联电阻。电感线圈使用平面螺旋电感结构(如图8所示)或三维叠层结构(如图9所示)，两类结构需要根据情况综合考虑。根据对集成电感所需要的电感值和集成串联电阻值来考虑采用的结构。平面螺旋结构和三维叠层结构各有优劣，平面螺旋电感结构的电感线圈将导体印制在一个平面上的，因此，这样的结构可以减少在LTCC工艺中的打孔和天孔两道工序，而填孔工序相对复杂且容易由于操作不当导致短路和断路。但是当要求电感量比较大时，就需要很多匝数，这样会使线圈所占面积较大，不利于小型化。另一方面，三维叠层结构的电感线圈可以通过在垂直方向上多增加一圈来增加匝数，很容易将电感量增大，但是这样的结构需要大量的层间电气连接，大大增加工艺复杂度，而且在垂直方向上大量存在的孔会导致铁氧体内烧结开裂。电感线圈的材料可以选用Ag、Au、Cu、Al、Pt以及这些材料的混合物，不同的材料有不同的烧结温度、烧结环境和应用范围。电容可以通过第一电容层、第二电容层、第三电容层与各层之间的极板电容来实现。中间的介质通过陶瓷浆料等介电常数比较高的介质来实现，中间的介质厚度也不宜太多，以免出现烧结时的热收缩性不一致产生的开裂现象。集成电阻的形式可采用金属氧化膜电阻、碳膜电阻等，各个电阻的电路连接可以用金属薄膜来完成，电阻的浆料也需要考虑和铁氧体材料的热收缩性来决定薄膜的尺寸和各个烧结的温度的时间。

其中，铁氧体模块采用LTCC工艺制成，使用铁氧体材料，其能耗低、布线密度高、生产效率好。LTCC工艺的制造过程包括混料、流延、裁切、打孔、填孔、印刷、叠片、切割、共烧、封端以及产品测试等环节。流延环节之前，需要在球磨罐中加入陶瓷粉料、粘合剂、增塑剂、酒精以及甲苯，用两步法进行球磨，使各种成分混合均匀，最终形成液状的流延浆料。将磨好的浆料均匀涂覆在PET(Polyethylene Terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜上，以便加工制作。在LTCC工艺中，可能对精度由影响的工序有：打孔、填孔、丝网印刷和叠片，其中任何一个工序造成的位置差将导致整个流程的失效。由于LTCC工艺中的器件内埋导线较多，而且精度要求高，所以每个工序的精度要求都是很高的。在填孔和丝网印刷时，采用三点对位的方式，可以确保偏差在1um以下。在叠片过程中，采用了消泡处理，最大限度避免叠片产生的气泡对精度的影响；同时，由电极处的厚度比没有电极处的要高一些，在叠片时，可以通过改变叠片温度、叠片压力和保持时间来消除高度不一致对精度的影响，从而提高叠片的精度和可靠性。因此也可以看出，三维叠片结构的电感比平面螺旋结构的电感多了打孔和填孔的环节，增加了工艺的复杂度和难度。为了提高烧结的成功率，将排胶和烧结分开进行。排胶是利用高温将铁氧体内的黏合剂、分散剂、塑形剂、甲苯、酒精等有机添加剂进行挥发，使铁氧体模块内部仅有铁氧体材料和需要的电子元件材料。验证排胶是否合理的依据是：铁氧体内粉化程度和铁氧体外外形完整度等。在排胶过程中，主要调整的工艺参数有排胶温度和排胶时间。不同的材料由于烧结温度、致密化速度和热膨胀速率的不同，在共烧时候容易在界面处产生应力，造成器件翘曲、变形、开裂，劣化器件的性能。因此需要对铁氧体材料、各类金属、电阻和介质浆料的烧结特性进行分析，主要以收缩率和收缩速率为出发点。在烧结时候，收缩速率差别大的材料要考虑在这个温度范围内升温时间适当加长。烧结升温速度慢，收缩率相应增大。这时因为升温速度越慢，陶瓷体内气泡排除也越多，固相、液相反应充分，相互间间隙填充越充分，烧结后陶瓷较致密，因此烧结收缩率大。反之，升温速度过快，陶瓷体内气泡来不及排除，烧结收缩率变小，因此又要避免升温速度过慢导致的收缩过大。此外在降温过程也容易产生应力，包括同质材料内的应力和异质材料界面处的应力，应力大小与降温速率成正比，因此适当降低降温速度可以提高烧结的成功率。

综上所述，本发明集成电感的电源模块分别使用金属浆料、电阻浆料和电容浆料把电感、电阻和电容等元件集成在铁氧体模块中，这些集成的电子元件的值通过调整浆料的成分、形态和尺寸可以达到设计需要值，并形成所设计所需要的连接关系。本发明集成电感的电源模块无需使用体积庞大的分离电感，电阻、电容和电感集成为一体，可以省去很多安装无源器件的成本。本发明集成电感的电源模块的铁氧体模块的热导率优于传统电路板，有利于器件的散热。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种集成电感的电源模块，其特征在于，包括：

铁氧体模块；

设置在所述铁氧体模块上并与所述铁氧体模块电性连接的裸芯片；以及

固定在所述铁氧体模块的周边的至少一个金属极板；

其中，所述铁氧体模块包括：

依次叠放的集成电感层、第一电容层、第二电容层、第三电容层；

相互连接且位于所述集成电感层上的第一通孔与电感线圈；

相互连接且位于所述第一电容层上的第二通孔与第一金属膜；

位于第二电容层上的介质；

相互连接且位于所述第三电容层上的第三通孔与第二金属膜；以及

电阻层，该电阻层上具有相互连接的第四通孔与集成电阻；

所述铁氧体模块的中部开设有凹槽，所述裸芯片嵌入在该凹槽中；所述裸芯片通过焊锡球与铁氧体模块电性连接。

2.如权利要求1所述的集成电感的电源模块，其特征在于，所述金属极板为分别固定在铁氧体模块的四个角上的四个金属极板。

3.如权利要求2所述的集成电感的电源模块，其特征在于，所述金属极板与一个供电模块上的焊盘焊接。

4.如权利要求3所述的集成电感的电源模块，其特征在于，所述裸芯片的表面和供电模块之间填充导热胶。

5.如权利要求1所述的集成电感的电源模块，其特征在于，所述电感线圈的结构为平面螺旋电感结构。

6.如权利要求1所述的集成电感的电源模块，其特征在于，所述电感线圈的结构为三维叠层结构。