CN105811753A - Ltcc耐大电流dc-dc变换器基板 - Google Patents

Ltcc耐大电流dc-dc变换器基板 Download PDF

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CN105811753A CN201610154834.7A CN201610154834A CN105811753A CN 105811753 A CN105811753 A CN 105811753A CN 201610154834 A CN201610154834 A CN 201610154834A CN 105811753 A CN105811753 A CN 105811753A
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李元勋
叶剑
苏桦
谢云松
张怀武
唐晓莉
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Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
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Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
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    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K1/00—Printed circuits
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Abstract

本发明提供一种LTCC耐大电流DC‑DC变换器基板，包括底部含有气隙层的电感、金属屏蔽层、陶瓷层、表面印制电路、表贴器件，电感包括上下两磁性层、夹在两磁性层之间的非磁性层、内埋的导线，所述非磁性层即气隙层；本发明通过磁性材料与非磁性材料的匹配共烧，在电感中通过引入非磁性的气隙层，提高的电感的抗直流偏置的能力，使得整个变换器能在更大电流的情况下工作；避免了原来直接在磁性层上印制表面电路，走线之间的耦合问题；同时屏蔽层的加入，使得底层的磁性器件和表面的电路处在两个相对独立的工作环境中，减少了磁性器件工作时对电路产生的影响。

Description

LTCC耐大电流DC-DC变换器基板
技术领域
本发明属于电子元器件领域，具体涉及一种LTCC耐大电流DC-DC变换器基板。
背景技术
在现在的电子产品中，如笔记本电脑、智能手机、平板手机、MP3、智能穿戴设备，电源模块都充当着举足轻重的作用。在这些单电源供电的设备中，各个模块往往需要不同的电压。单一的电源电压经过DC-DC变换器，可以转换成多路稳定的不同幅度的电压。DC-DC变换器以其高效率、集成度高、稳压范围宽等的特点在便携式电子产品中得到了广泛的应用。
DC-DC变换器是开关电源的一种，电路中包含有控制芯片、电阻、电容和磁性器件等电子元器件。传统的DC-DC变换器制作在PCB电路板上，各种元器件采用表贴技术。这样做有以下两个明显的缺点：采用分立器件，组装焊接工艺程序比较多；磁性器件占用了电路板很大的面积。所以与现在电子系统的小型化和高可靠性的特点相悖。
LTCC技术是一种新型的无源集成技术。将低温烧结陶瓷粉制或铁氧体制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上制出所需要的电路图形，然后叠压在一起在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板。利用LTCC技术在无源集成方面的优势，可以把三维立体组装技术与DC-DC变换器结合，把占用面积最大的磁性器件-电感，制作在了磁性的LTCC基板中，并在基板的表面印制工作电路。这样做很好的解决了磁性器件占用面积比较大的问题。
将LTCC技术应用在DC-DC变换器中，成为了市场研究的一个热点。LXDC3EP25F系列、LXDC2UR30A系列是Murata出产了几款基于LTCC技术的DC-DC变换器。从其产品的规格参数中，可以看到产品的最大使用电流都不超过1A，不能满足特殊的大电流应用。同时，石玉、郭海平等人的专利(CN101651404A)基板、磁性器件集成型DC-DC变换器及其制备工艺也描述了一种利用LTCC实现变换器的方式。该专利中，将表面电路直接印制在磁性材料层表面，表面线路间线路的耦合问题增加了电路设计的难度，也使得电路存在潜在不稳定因素。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种DC-DC变换器基板，内部集成了能够在大电流偏置下使用的磁性器件；并且有效抑制磁性器件工作时，对周围电路产生的影响，降低变换器其他电路设计的难度。
本发明所提供的技术问题是这样解决的：在传统DC-DC变换器LTCC基板中，利用匹配共烧技术，在磁性层中间加入非磁性的气隙层，提高电感的饱和电流值，使得变换器能在更大的直流偏置下工作。并在磁性层上，印制一层金属屏蔽层，将磁性器件隔离开来。金属层的另一边使用陶瓷层，并在陶瓷层表面印制电路。底层的磁性器件通过盲孔与表面电路连接。有效抑制了磁性器件工作对周围电路的影响；印制在陶瓷层表面的电路也克服了原来直接在磁性材料上直接印制线路，线路之间的强耦合问题。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，包括底部含有气隙层的电感、电感上方的金属屏蔽层、金属屏蔽层上方的陶瓷层、陶瓷层上方的表面印制电路、焊接在基板表面的表贴器件，所述电感包括上下两磁性层、夹在两磁性层之间的非磁性层、内埋的导线，所述非磁性层即气隙层。
作为优选方式，金属屏蔽层上设有开槽，开槽内部设有盲孔，底层的电感通过盲孔与表面电路电气连接。
作为优选方式，所述磁性层的材料选自低温烧结NiZn铁氧体材料。
作为优选方式，所述非磁性层材料为陶瓷。
作为优选方式，所述陶瓷材料选自所述陶瓷材料选硅酸锌、硅酸锌镁、硅酸钙其中的一种或是多种。
作为优选方式，所述磁性层、非磁性层和导线所用的银浆三者在烧结升温过程中的收缩率随温度变化的曲线基本相似。这样材料的匹配共烧性能较好，避免因为材料收缩率不匹配使在烧结好的LTCC基板中出现开裂、翘曲等问题。
作为优选方式，所述非磁性层通过匹配共烧方法引入。
本发明的有益效果为：1)通过磁性材料与非磁性材料的匹配共烧技术，在电感中通过引入非磁性的气隙层，提高的电感的抗直流偏置的能力，使得整个变换器能在更大电流的情况下工作。2)通过银浆与磁性材料的匹配共烧技术、银浆与陶瓷材料的共烧技术，在磁性层上印制一层金属屏蔽层，并在另一边制作陶瓷层，表面电路印制在陶瓷层上。避免了原来直接在磁性层上印制表面电路、走线之间的耦合问题；同时屏蔽层的加入，使得底层的磁性器件和表面的电路处在两个相对独立的工作环境中，减少了磁性器件工作时对电路产生的影响。
附图说明
附图1为本发明的整体结构示意图。
附图2为含气隙层的电感结构图。
附图3为盲孔结构示意图。
附图4为烧结后样品横截面SEM图。
其中，1为磁性层，2为气隙层，3为金属屏蔽层，4为陶瓷层，5为表面印制电路，6为表贴器件，7为导线，8为开槽，9为盲孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，包括底部含有气隙层2的电感、电感上方的金属屏蔽层3、金属屏蔽层上方的陶瓷层4、陶瓷层4上方的表面印制电路5、焊接在基板表面的表贴器件6，所述电感包括上下两磁性层1、夹在两磁性层1之间的非磁性层2、内埋的导线7，所述非磁性层即气隙层。
金属屏蔽层3上设有开槽8，开槽8内部设有盲孔9，底层的电感通过盲孔9与表面电路5电气连接。
所述磁性层的材料选自相对磁导率低于100的NiZn铁氧体材料。这样能避免材料过早在电流偏置下产生饱和
所述非磁性层2材料为陶瓷。所述陶瓷材料选自所述硅酸锌、硅酸锌镁、硅酸钙其中的一种或是多种。
所述非磁性层通过匹配共烧方法引入。
匹配共烧时，所述磁性层1、非磁性层2的材料与导线7所用的银浆三者在烧结升温过程中的收缩率随温度的变换曲线相同。这样材料的匹配共烧性能较好，避免因为材料收缩率不匹配使在烧结好的LTCC基板中出现开裂、翘曲等问题。
具体的，所述基板的制备方法为(1)选用LTCC湿法流延工艺：用载膜板通过流延泵，首先经过铁氧体浆料，过膜至指定厚度，使用丝网印制第一层内导体图案和内导体连接点，导体采用用于低温共烧体系的银浆；然后，再让此载膜板经过陶瓷浆料或是铁氧体浆料，过膜至需要的厚度并露出导体连接点；然后再印制第二层内导体和连接点；如此反复直到层叠电感按照设计的结构制作完成；在制作好的电感膜片上，印制一层金属屏蔽层并留有电感与表面电路连接的空隙，之后再流延一层陶瓷层，在陶瓷层表面印制电路，最后得到整个器件的膜片；电感用过在盲孔与表层电路连接；(2)湿法流延工艺后，得到产品的湿法膜片；湿法膜片经过烘烤，得到湿法生胚；将生胚在75℃-80℃、10-15MPa的条件下等静压2-3小时；将膜片切割成设计的大小并进行烧结；排胶温度220～280℃，排胶时间18-20个小时；排胶后升温6-8小时至870℃-900℃进行烧结，烧结时间4-6小时。
最后得到的各个层的整体结构如图1所示，电感的结构如图2所示。如图3所示，电感通过盲孔与表层电路连接。附图4为烧结后样品横截面SEM图，SEM说明本实施例匹配共烧的效果良好，各个层之间分层明显，达到了设计的预期值。
本实施例用LTCC技术一次制成了具有耐大电流特性的DC-DC变换器基板。使用上述基板的DC-DC变换器具有以下特性：可以在更大的电流下工作；抑制了磁性器件工作时对周围产生的影响；无需分立的电感。在0A、0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A和3A的偏置电流下下，对内埋电感的感值测量值为：1.23μH、1.21μH、1.18μH、1.05μH、0.97μH、0.91μH和0.86μH，当电流为3A的时候电感值与0A时候相比下降了30％。采用LTCC技术DC-DC变换器基板的好处是提高电路的可靠性同时也减少了整个变换器电路的体积，对比传统的LTCC片式叠层电感直流偏置性能有了很大提高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：包括底部含有气隙层(2)的电感、电感上方的金属屏蔽层(3)、金属屏蔽层上方的陶瓷层(4)、陶瓷层(4)上方的表面印制电路(5)、焊接在基板表面的表贴器件(6)，所述电感包括上下两磁性层(1)、夹在两磁性层(1)之间的非磁性层(2)、内埋的导线(7)，所述非磁性层即气隙层。
2.根据权利要求1所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：金属屏蔽层(3)上设有开槽(8)，开槽(8)内部设有盲孔(9)，底层的电感通过盲孔(9)与表面电路(5)电气连接。
3.根据权利要求1所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：所述磁性层的材料选自低温烧结NiZn铁氧体材料。
4.根据权利要求1所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：所述非磁性层(2)材料为陶瓷。
5.根据权利要求4所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：所述陶瓷材料选自硅酸锌、硅酸锌镁、硅酸钙其中的一种或是多种。
6.根据权利要求1所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：所述磁性层(1)、非磁性层(2)和导线(7)所用的银浆三者在烧结升温过程中的收缩率随温度变化的曲线基本相似。
7.根据权利要求1所述的LTCC耐大电流DC-DC变换器基板，其特征在于：所述非磁性层通过匹配共烧方法引入。
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