CN103402300A

CN103402300A - 基于ltcf的磁性集成基板及制备方法

Info

Publication number: CN103402300A
Application number: CN2013103404892A
Authority: CN
Inventors: 赵勇
Original assignee: SOUTHWEST INSTITUTE OF APPLIED MAGNETICS
Current assignee: SOUTHWEST INSTITUTE OF APPLIED MAGNETICS
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明涉及开关电源领域，其公开了一种基于LTCF的磁性集成基板，包括内埋磁性元件（1）、磁性基板（2）、屏蔽层（3）、电路线路（4），所述内埋磁性元件（1）和电路线路（4）印刷在所述磁性基板（2）上，所述内埋磁性元件（1）与电路线路（4）进行连通，所述电路线路（4）与内埋磁性元件（1）通过屏蔽层进行屏蔽。本发明的有益效果是：可实现超低高度的电源模块，可实现高密度电路设计，可提高电源模块的功率密度，电源模块可靠性高，一致性好。

Description

基于LTCF的磁性集成基板及制备方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种基于LTCF的磁性集成基板及制备方法。

背景技术

开关电源是电子系统的心脏部件，其中磁性元件占电源变换器总重量的30％～40％，总体积的20％～30％，因此磁性元件是影响整个系统的体积大小和性能的关键。近年来，对小功率开关电源的高功率密度、超低高度、高可靠方面的要求越来越高。

目前电源模块主要采用变压器独立式结构和磁心嵌入式结构；变压器独立式结构的特征在于采用独立绕线式变压器或平面式变压器，变压器焊接装配于基板上，基板常采用PCB或陶瓷基板；磁心嵌入式结构特征在于使用多层PCB实现变压器绕组和线路，平面磁心直接装配于PCB上构成变压器。这些方案的核心都是采用平面磁心，其磁心利用率较低，变压器占据了很大的空间和高度，PCB导热率低，线路载流发热厉害，这都阻碍了电源模块的功率密度提高，而且平面磁心的安装过程比较复杂，需要经过扣磁心和用夹具固定磁心的过程，降低了电源模块的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种低温共烧陶瓷器件及制备方法，通过采用LTCF工艺，将磁性元件集成到基板中，解决现有技术中电源模块安装过程复杂且功率密度不高的问题。

本发明提供了一种基于LTCF的磁性集成基板，包括内埋磁性元件、磁性基板（2）、屏蔽层、电路线路，所述内埋磁性元件和电路线路印刷在所述磁性基板上，所述内埋磁性元件与电路线路进行连通，所述电路线路与内埋磁性元件通过屏蔽层进行屏蔽；所述磁性基板的磁性材料经流延形成生瓷带，所述生瓷带按按预先设计的层数和次序进行叠压成为巴块，经排胶、低温烧结LTCF工艺后形成。

作为本发明的进一步改进，所述磁性基板内为层叠结构，所述磁性基板内设2~80层；所述内埋磁性元件、电路线路和屏蔽层分别安装在所述磁性基板的层叠结构中。作为本发明的进一步改进，所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通。

作为本发明的进一步改进,所述磁性基板中的磁性材料为铁氧体材料。

作为本发明的进一步改进，所述磁性基板的厚度为1~4mm。

本发明同时提供了一种基于LTCF的磁性集成基板的制备方法，包括如下步骤：（A）制备生瓷带；（B）制备孔；（C）导带印刷；（D）叠片、热压及切片；（E）排胶工艺；（F）低温共烧；所述步骤（A）中，LTCF材料掺加有机填充物,经浆化形成浆料，通过流延工艺形成厚度均匀的生瓷带，所述步骤（B）中，所述生瓷带通过钻孔并采用银浆进行填孔，所述步骤（C）中，采用厚膜丝网工艺将电路图形印刷到生瓷带上，所述步骤（D）中，按预先设计的层数和次序依次叠放到一起并粘接形成完整的基于LTCF的磁性集成基板胚体。

作为本发明的进一步改进，所述按预先设计的层数为2至80层。

作为本发明的进一步改进，所述基于LTCF的磁性集成基板的厚度为1~4mm。

作为本发明的进一步改进，所述基于LTCF的磁性集成基板内埋电路线路、内埋磁性元件和屏蔽层，所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通，所述电路线路与内埋磁性元件通过屏蔽层进行屏蔽。

本发明的有益效果是：可实现超低高度的电源模块，可实现高密度电路设计，可提高电源模块的功率密度，电源模块可靠性高，一致性好。

【附图说明】

图1为本发明的剖面平面结构图。

图2为本发明内埋变压器的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

一种基于LTCF的磁性集成基板，包括内埋磁性元件、磁性基板（2）、屏蔽层、电路线路，所述内埋磁性元件和电路线路印刷在所述磁性基板上，所述内埋磁性元件与电路线路进行连通，所述电路线路与内埋磁性元件通过屏蔽层进行屏蔽；所述磁性基板的磁性材料经流延形成生瓷带，所述生瓷带按按预先设计的层数和次序进行叠压成为巴块，经排胶、低温烧结LTCF工艺后形成。

所述磁性基板内为层叠结构，所述磁性基板内设2~80层；所述内埋磁性元件、电路线路和屏蔽层分别安装在所述磁性基板的层叠结构中。所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通。

所述磁性基板中的磁性材料为铁氧体材料。

所述磁性基板的厚度为1~4mm。

所述按预先设计的层数为2至80层。

所述基于LTCF的磁性集成基板的厚度为1~4mm。

所述基于LTCF的磁性集成基板内埋电路线路、内埋磁性元件和屏蔽层，所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通，所述电路线路与内埋磁性元件通过屏蔽层进行屏蔽。

一种实施例中，如图1，所述基于LTCF的磁性集成基板，包括内埋磁性元件1、基板2、屏蔽层3、电路线路4，基板磁性材料经流延形成生瓷片，所述内埋磁性元件和电路线路通过金属材料图形的方式印刷在生瓷片上，内埋磁性元件与电路线路的各层之间通过互连过孔连通，电路线路层与内埋磁性元件之间采用屏蔽层进行屏蔽，生瓷带按按预先设计的层数和次序进行叠压成为巴块，经排胶、低温烧结等LTCF工艺后形成基板；最后在表面安装元件5，构成DC/DC模块电源。

所述磁性基板内为层叠结构，所述磁性基板内设2~80层。磁性基板同时是多层PCB，LTCF的层叠工艺决定了其天然具有多层PCB的能力，通常其可以实现的层数为2-80层，充分利用这个优势可以实现多层PCB所无法达到的布线密度，信号线路，地线和电源层都可以有足够的层数实现。通过设计屏蔽结构，可以隔离内埋磁性元件对电路线路的影响，从而实现高密度布线。

所述基板设有基于LTCF烧结的生瓷片。

所述内埋磁性元件、电路线路和屏蔽层分别安装在所述磁性基板的层叠结构中。

所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通。

所述磁性基板中的磁性材料为铁氧体材料。

所述内埋磁性元件包括变压器和电感。

为了同时满足磁性能和工作频率的要求，本实例的基板材料使用低温共烧功率镍锌铁氧体材料，但不排除使用其他磁性材料，如功率锰锌铁氧体材料等。

本实例的通孔、线路和屏蔽材料采用银，但不排除使用其它金属材料。

一种在基于LTCF的磁性集成基板内埋变压器的具体步骤如下：

根据电路要求，设计内埋磁性元件，然后对磁性元件进行仿真分析，优化结构参数，确定磁性元件的匝数，间距等参数，各绕组匝间通过通孔进行连接；一实例中，如图2，初级绕组为16匝，次级绕组为8匝。按照多层PCB的设计方法进行电路的线路设计，各层间通过通孔进行连接。将线路层和磁性元件按照设计要求进行层叠，检查电路连接通断性。采用LTCF工艺实现该基板。最终基板厚度为2mm。在集成基板上焊接电路5就构成了一个超薄及高功率密度的电源模块

LTCF技术即低温共烧铁氧体技术，所述磁性元件包括变压器、电感等，所述基板磁性材料为满足LTCF工艺要求的功率铁氧体材料，所述金属材料为与基板磁性材料相匹配的金属材料，所述屏蔽层材料为与基板磁性材料相匹配的金属材料。

由于磁性元件集成到基板内部，长宽方向尺寸大幅度增加，即便保持体积不变，也可将磁性元件高度降低到2mm以下，这个高度是目前独立式变压器或磁心嵌入式结构难以达到的。磁性元件不占据模块表面上的安装面积，其所节约出来的空间又为实现电路元件的高密度安装提供了可能，因此电源模块的整体高度超低。

磁性基板同时是元件载体和散热器，其所用材料的导热系数为2-6W/m.℃，而常用PCB的FR-4基材导热系数仅0.3-0.6 W/m.℃，高导热系数使得同样损耗情况下，电源模块相对环境温升更低。绕组线圈与磁性材料烧结为一个整体，绕组为平面化布局，电源模块散热面积大，从而易于实现电源模块的高功率密度设计。

磁性基板具有足够的强度承载元件，其抗冲击振动能力远高于普通PCB。磁性元件集成到基板内部，与基板形成一体结构，不存在活动部件，因此电源模块可靠性高；采用LTCF工艺制作的磁性元件性能稳定，电源模块一致性好。

LTCF集成开关电源基板制备方法如下:

1、制备生瓷带：LTCF材料掺加有机填充物,经浆化形成浆料，通过流延工艺形成厚度均匀、致密并具有足够强度的生瓷带。

2、制备孔：生瓷带通过激光等方式钻孔，然后采用银浆进行填孔。

3、导带印刷：采用厚膜丝网工艺将电路图形印刷到生瓷带上。

4、叠片、热压及切片：将印刷好导体和形成互联通孔的生瓷带，按预先设计的层数和次序依次叠放到一起，在一定温度和压力下粘接形成完整的多层基板胚体。

5、排胶工艺：排胶对共烧多层铁氧体基板的质量有严重影响，排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形和分层，排胶过量，又会使金属化图形脱落或基板破碎。

6、低温共烧：低温共烧技术关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性，烧结时升温过快会导致基板平整度差，炉膛温度均匀性差，烧结后基板收缩率的一致性也差。

7、电镀端电极，组装，从而形成了LTCF集成DC-DC电源基板。

本发明通过将变压器、电感等磁性元件集成在磁性基板内部，实现了电源模块的超低高度，实现了超小型化、提高了可靠性，具有很强的实用价值。本技术可广泛应用于各电子系统，特别是国防电子、航空、航天等高性能、高可靠性要求领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于LTCF的磁性集成基板，包括内埋磁性元件（1）、磁性基板（2）、屏蔽层（3）、电路线路（4），其特征在于：所述内埋磁性元件（1）和电路线路（4）印刷在所述磁性基板（2）上，所述内埋磁性元件（1）与电路线路（4）进行连通，所述电路线路（4）与内埋磁性元件（1）通过屏蔽层进行屏蔽；所述磁性基板的磁性材料经流延形成生瓷带，所述生瓷带按按预先设计的层数和次序进行叠压成为巴块，经排胶、低温烧结LTCF工艺后形成。

2.根据权利要求1所述基于LTCF的磁性集成基板，其特征在于：所述磁性基板（2）内为层叠结构，所述磁性基板（2）内设2~80层；所述内埋磁性元件（1）、电路线路（4）和屏蔽层（3）分别安装在所述磁性基板（2）的层叠结构中。

3.根据权利要求1所述基于LTCF的磁性集成基板，其特征在于：所述内埋磁性元件（1）与电路线路（4）通过互连过孔进行连通。

4.根据权利要求1所述基于LTCF的磁性集成基板，其特征在于：所述磁性基板（2）中的磁性材料为铁氧体材料。

5.根据权利要求1所述基于LTCF的磁性集成基板，其特征在于：所述磁性基板（2）的厚度为1~4mm。

6.一种基于LTCF的磁性集成基板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（A）制备生瓷带；（B）制备孔；（C）导带印刷；（D）叠片、热压及切片；（E）排胶工艺；（F）低温共烧；所述步骤（A）中，LTCF材料掺加有机填充物,经浆化形成浆料，通过流延工艺形成厚度均匀的生瓷带，所述步骤（B）中，所述生瓷带通过钻孔并采用银浆进行填孔，所述步骤（C）中，采用厚膜丝网工艺将电路图形印刷到生瓷带上，所述步骤（D）中，按预先设计的层数和次序依次叠放到一起并粘接形成完整的基于LTCF的磁性集成基板胚体。

7.根据权利要求6所述的基于LTCF的磁性集成基板的制备方法，其特征在于：所述按预先设计的层数为2至80层。

8.根据权利要求6所述的基于LTCF的磁性集成基板的制备方法，其特征在于：所述基于LTCF的磁性集成基板的厚度为1~4mm。

9.根据权利要求6所述的基于LTCF的磁性集成基板的制备方法，其特征在于：所述基于LTCF的磁性集成基板内埋电路线路、内埋磁性元件和屏蔽层，所述内埋磁性元件与电路线路通过互连过孔进行连通，所述电路线路与内埋磁性元件通过屏蔽层进行屏蔽。