印制電路板集成螺線管型磁芯電感的制作

高奇 ,周國云 ,何為 ,朱永康 ,陳先明

(1.電子科技大學 材料與能源學院,四川 成都 610054;2.江西電子電路研究中心,江西 萍鄉 337006;3.奈電軟性科技電子(珠海)有限公司,廣東 珠海 519175;4.珠海越亞半導體股份有限公司,廣東 珠海 519175)

集成式電壓調節器(IVR)是應對未來高效、高功 耗電路系統的關鍵技術之一,使用高性能的集成式電壓調節器可以減少設備的額外損耗,提高移動設備的電池使用效率。目前,阻礙實現高效率集成式電壓調節器的主要問題在于電感的性能與集成方式。實現高效率集成式電壓調節器除了關注較高的開關損耗,還有電感的損耗,這就要求所使用到的電感電氣性能較為優異,需要具有較高的品質因數Q、電感感值密度(單位面積的感值)以及電感與直流電阻比(L/DCR)等。此外,微型化作為未來的發展趨勢要求電壓調節器必須朝著更高的工作頻率發展才能減少在電壓調節器中電感的感值需求,進而可以減少電感的占取面積,以實現微型化的目標。因此作為集成式電壓調節器(IVR)的重要組成部分,電感成為實現高效率、微型化集成式電壓調節器的重要研究內容。最早報道的電壓調節模塊設計使用的是通過表面貼裝的空心電感[1-3]以及嵌入式的封裝電感[4]。空心電感具有高品質因數Q、低直流電阻,并且可以在80～500 MHz 頻率下工作,負載電流可以達到0.25～30 A。但是由于較低的電感密度以及較大的尺寸,難以滿足電壓調節器的高效率與微型化的工作需求。為解決這個問題,學者們發現通過引入低損耗、高磁導率的軟磁材料可以提高電感密度,減小電感尺寸,但同時會產生額外損耗如渦流損耗、磁滯損耗等,也會因為在較大偏置電流下引起磁芯的飽和,從而導致電感性能下降,這些在Hou 等[5],Krishnamurthy 等[6],Sturcken 等[7],Bowhill 等[8],Lambert 等[9]的研究中得到了驗證。目前,具有代表性的磁芯電感使用的非晶軟磁材料有CoNbZr、CoNiFe、CoNiMn、CoNiWP、CoFeZr、CoZrTa 等[10],形成了主要以Ni、Co、Fe 三種元素為核心的磁芯材料。再使用磁控濺射方法得到磁性薄膜,所得薄膜具有高相對磁導率、低矯頑力、高飽和磁化強度等優點,但是,不足之處在于生產效率低和生產成本較高。此外,對于常見的有機樹脂基板,濺射基底需要的高溫條件難以滿足要求,如濺射YIG(Y-Bi-Fe-O)需要基底溫度高達570 ℃[11]。目前,針對有機樹脂基板濺射也開發了低溫技術(約200 ℃)。但是,有機基板在200 ℃下濺射數小時,不僅其可靠性(壽命)呈指數降低,而且濺射得到的磁芯材料性能欠佳(相對磁導率低、基底表面粗糙度影響大)。因此,目前在有機樹脂基板上進行磁芯制作的報道較少,為了解決這一問題,Sun 等[12]使用磁芯復合材料,在有機樹脂基材上通過絲網印刷的方式將電感集成到BUCK型集成式電壓調節器中,并表現出優異的性能。Bellaredj 等[13]使用環氧樹脂作為粘合劑配合NiZn 磁性粉末制備出復合磁性材料,通過絲網印刷的工藝在有機樹脂基材上形成磁芯層制備磁芯電感,并使用在BUCK 型集成式電壓調節器。英特爾公司在其第十代酷睿處理器的集成式電壓調節器中用到電感器陣列,所使用的就是復合磁性材料制成的超薄磁芯。使用納米尺度的磁性粉末形成的復合磁性材料可以顯著地減少額外損耗,從而使得磁芯電感能在高頻下工作。本文通過將磁性粉末與環氧樹脂混合制備復合磁性材料作為集成磁芯電感的磁芯材料,并通過先進印制電路制作工藝制備出集成在有機樹脂基材上的螺線管型磁芯電感,其感值密度達到7.35 nH/mm2,品質因子達到42.7@ 100 MHz,高于以往報道的螺線管型磁芯電感[3,14-18]。

1 實驗

1.1 復合磁性材料的制備

綜合考慮工藝成本與電感性能,選擇環氧樹脂作為粘合劑混合納米非晶磁性粉末制備復合磁性材料,復合磁性材料通過絲網印刷工藝在有機樹脂基材中沉積磁芯層。將占復合磁性材料質量10%的E-51 型環氧樹脂溶于丙二醇甲醚溶劑,樹脂與丙二醇甲醚的質量比為1 ∶1.4,獲得環氧樹脂溶液。將得到的環氧樹脂溶液放置于烘箱中去除部分溶劑丙二醇甲醚。再加入質量占比90%的磁性粉末機械攪拌4 h 后得到復合磁性漿料。最后加入E-51 型環氧樹脂樹脂質量26%的二亞乙基三胺與丁基縮水甘油醚的加成物作為交聯固化劑。如圖2 所示為完整的復合磁性材料的制備流程。

圖1 復合磁性材料的制備流程Fig.1 The production process of the composite magnetic material

1.2 印制電路集成磁芯電感的設計與制作

在目前的工藝水平內設計并優化,最終得到一款螺線管型集成磁芯電感,具體設計參數如表1 所示。使用HFSS 軟件進行建模,圖2 為建立的一個螺線管型磁芯電感,磁芯埋嵌在FR-4 基材內部,在其上下兩面各有一層銅線路通過實心銅柱連接形成繞組將磁芯圍繞在中心位置。與Müllerr 等[19]的結構相比,本工作中的電感因為磁性粉末與絕緣的環氧樹脂充分混合,并未在磁芯與銅繞組之間使用絕緣層。

表1 印制電路集成磁芯電感詳細設計參數Tab.1 Detailed design parameters of PCB integrated core inductor

圖2 螺線管型磁芯電感模型Fig.2 The model of solenoid core inductor

制備螺線管型磁芯電感,是采用一種將電感集成到印制電路板中的制造工藝。首先在基板上通過表面掩膜和蝕刻,形成規定形狀尺寸的空腔;然后在基板背側使用膠帶;接下來通過絲網印刷的方式將復合磁性漿料填入到基板的空腔當中,并在真空干燥箱中80℃的溫度下抽氣干燥1 h,如圖3(a),(b)所示絲網印刷的機器與擋點網;然后再將基材表面多余的復合磁性材料去除后,在磁芯表面濺射Ti/Cu 的種子層;最后通過掩膜電鍍銅工藝制作線路連接基材中的各個銅柱,形成繞組。具體流程如圖4 所示。

圖3 填埋復合磁性材料所使用的機器與擋點網Fig.3 Machine and baffle mesh for embedding composite magnetic material

圖4 制作印制電路集成磁芯電感的流程Fig.4 Process of preparing PCB integrated core inductor

2 結果與討論

2.1 復合磁性材料的表征結果

使用環氧樹脂作為粘合劑與納米磁性粉末混合,制備復合磁性材料作為集成磁芯電感的磁芯部分,如圖5(a)所示為磁性粉末的SEM 圖像,圖5(b)所示為合成的復合磁性材料表面SEM 圖像。如圖6(a)所示為使用Keysight 16454A 夾具與矢量網絡分析儀測試復合磁性材料所得的電磁性能,如圖6(b)所示為使用振動樣品磁強計(VSM)測試所得復合磁性材料的M-H曲線。

圖5 (a)磁性粉末的SEM 圖;(b)復合磁性材料的SEM 圖Fig.5 (a) SEM image of the magnetic powder;(b) SEM image of the composite magnetic material

圖6 (a)復合磁性材料的電磁性能;(b)復合磁性材料的M-H 曲線;(c)復合磁性材料的矯頑力Fig.6 (a) Performance of the composite magnetic material;(b) M-H curve of the composite magnetic material;(c) Coercive force of composite magnetic material

在對埋嵌磁芯后的基板進行陶瓷刷加不織布刷,研磨整平處理后得到如圖7(a),(b)所示的磁芯表面與剖面的樣貌。可以看出磁芯上下表面較為平整,可以保證后續在磁芯表面形成銅線路時不會出現斷路的情況。

圖7 (a) 10 倍顯微鏡下磁芯表面樣貌;(b) 50 倍顯微鏡下磁芯剖面樣貌Fig.7 (a) Surface appearance of magnetic core under 10X microscope;(b) Profile of magnetic core under 50X microscope

2.2 印制電路集成磁芯電感的表征結果

經過上述過程制備出的集成磁芯電感整體樣貌如圖8 所示,其中圖8(a,b)是制成印制電路集成磁芯螺線管電感的整體樣貌圖,圖8(c)是螺線管磁芯電感的剖面結構,可以看出電感磁芯是集成在FR-4 樹脂基板內部,在磁芯的上下表面形成銅線路,上下兩層銅線路通過實心銅柱連接形成繞組,如圖8(d)所示,得到的結構與使用有限元仿真軟件HFSS 建模仿真時的電感結構保持一致。使用輪廓儀掃描磁芯電感的正反面如圖9 所示,可以看出電感樣品中銅導線繞組的寬度、厚度等數據。測試電感性能與關鍵尺寸得到如表2 所示數據,單位面積的電感密度為7.34 nH/mm2,品質因子Q在100 MHz 時為42.7。

表2 印制電路集成磁芯電感的性能Tab.2 Performance of PCB integrated core inductor

圖8 (a,b)為集成磁芯電感的樣貌;(c,d)為集成磁芯電感的剖面圖像Fig.8 (a,b) Image of PCB integrated core inductor;(c,d) Image of integrated core inductor profile

圖9 (a)正面銅線路的測量數據;(b)背面銅線路的測量數據Fig.9 (a) Measurement data of the front copper line;(b) Measurement data of copper lines on the back side

3 結論

本文使用了一種新的制備集成式螺線管型磁芯電感的路徑,通過絲網印刷復合磁性材料,在有機樹脂基材內部沉積磁芯層,同時使用垂直實心銅柱互聯兩層線路的方式形成繞組,達到了高電感與直流電阻比、高感值密度和低輪廓的優勢效果。經過表征,制備得到的集成式螺線管磁芯電感在100 MHz 時感值密度達到7.35 nH/mm2,品質因子Q達到42.7,高于以往報道的螺線管磁芯電感。本文制備集成式螺線管磁芯電感的方法貼合印制電路板的各環節工藝,非常適用于板級封裝的電源管理模塊。