高奇 ,周國云 ,何為 ,朱永康 ,陳先明

(1.電子科技大學(xué) 材料與能源學(xué)院,四川 成都 610054;2.江西電子電路研究中心,江西 萍鄉(xiāng) 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(dǎo)體股份有限公司,廣東 珠海 519175)

集成式電壓調(diào)節(jié)器(IVR)是應(yīng)對未來高效、高功 耗電路系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,使用高性能的集成式電壓調(diào)節(jié)器可以減少設(shè)備的額外損耗,提高移動設(shè)備的電池使用效率。目前,阻礙實(shí)現(xiàn)高效率集成式電壓調(diào)節(jié)器的主要問題在于電感的性能與集成方式。實(shí)現(xiàn)高效率集成式電壓調(diào)節(jié)器除了關(guān)注較高的開關(guān)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(yōu)異,需要具有較高的品質(zhì)因數(shù)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(fā)展趨勢要求電壓調(diào)節(jié)器必須朝著更高的工作頻率發(fā)展才能減少在電壓調(diào)節(jié)器中電感的感值需求,進(jìn)而可以減少電感的占取面積,以實(shí)現(xiàn)微型化的目標(biāo)。因此作為集成式電壓調(diào)節(jié)器(IVR)的重要組成部分,電感成為實(shí)現(xiàn)高效率、微型化集成式電壓調(diào)節(jié)器的重要研究內(nèi)容。最早報(bào)道的電壓調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)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]?？招碾姼芯哂懈咂焚|(zhì)因數(shù)Q、低直流電阻,并且可以在80～500 MHz 頻率下工作,負(fù)載電流可以達(dá)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(diào)節(jié)器的高效率與微型化的工作需求。為解決這個(gè)問題,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)通過引入低損耗、高磁導(dǎo)率的軟磁材料可以提高電感密度,減小電感尺寸,但同時(shí)會產(chǎn)生額外損耗如渦流損耗、磁滯損耗等,也會因?yàn)樵谳^大偏置電流下引起磁芯的飽和,從而導(dǎo)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(yàn)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(dǎo)率、低矯頑力、高飽和磁化強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),但是,不足之處在于生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本較高。此外,對于常見的有機(jī)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(dá)570 ℃[11]。目前,針對有機(jī)樹脂基板濺射也開發(fā)了低溫技術(shù)(約200 ℃)。但是,有機(jī)基板在200 ℃下濺射數(shù)小時(shí),不僅其可靠性(壽命)呈指數(shù)降低,而且濺射得到的磁芯材料性能欠佳(相對磁導(dǎo)率低、基底表面粗糙度影響大)。因此,目前在有機(jī)樹脂基板上進(jìn)行磁芯制作的報(bào)道較少,為了解決這一問題,Sun 等[12]使用磁芯復(fù)合材料,在有機(jī)樹脂基材上通過絲網(wǎng)印刷的方式將電感集成到BUCK型集成式電壓調(diào)節(jié)器中,并表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Bellaredj 等[13]使用環(huán)氧樹脂作為粘合劑配合NiZn 磁性粉末制備出復(fù)合磁性材料,通過絲網(wǎng)印刷的工藝在有機(jī)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(diào)節(jié)器。英特爾公司在其第十代酷睿處理器的集成式電壓調(diào)節(jié)器中用到電感器陣列,所使用的就是復(fù)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(fù)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(huán)氧樹脂混合制備復(fù)合磁性材料作為集成磁芯電感的磁芯材料,并通過先進(jìn)印制電路制作工藝制備出集成在有機(jī)樹脂基材上的螺線管型磁芯電感,其感值密度達(dá)到7.35 nH/mm2,品質(zhì)因子達(dá)到42.7@ 100 MHz,高于以往報(bào)道的螺線管型磁芯電感[3,14-18]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合磁性材料的制備

綜合考慮工藝成本與電感性能,選擇環(huán)氧樹脂作為粘合劑混合納米非晶磁性粉末制備復(fù)合磁性材料,復(fù)合磁性材料通過絲網(wǎng)印刷工藝在有機(jī)樹脂基材中沉積磁芯層。將占復(fù)合磁性材料質(zhì)量10%的E-51 型環(huán)氧樹脂溶于丙二醇甲醚溶劑,樹脂與丙二醇甲醚的質(zhì)量比為1 ∶1.4,獲得環(huán)氧樹脂溶液。將得到的環(huán)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(zhì)量占比90%的磁性粉末機(jī)械攪拌4 h 后得到復(fù)合磁性漿料。最后加入E-51 型環(huán)氧樹脂樹脂質(zhì)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(lián)固化劑。如圖2 所示為完整的復(fù)合磁性材料的制備流程。

圖1 復(fù)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(shè)計(jì)與制作

在目前的工藝水平內(nèi)設(shè)計(jì)并優(yōu)化,最終得到一款螺線管型集成磁芯電感,具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。使用HFSS 軟件進(jìn)行建模,圖2 為建立的一個(gè)螺線管型磁芯電感,磁芯埋嵌在FR-4 基材內(nèi)部,在其上下兩面各有一層銅線路通過實(shí)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(jié)構(gòu)相比,本工作中的電感因?yàn)榇判苑勰┡c絕緣的環(huán)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(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)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(guī)定形狀尺寸的空腔;然后在基板背側(cè)使用膠帶;接下來通過絲網(wǎng)印刷的方式將復(fù)合磁性漿料填入到基板的空腔當(dāng)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(wǎng)印刷的機(jī)器與擋點(diǎn)網(wǎng);然后再將基材表面多余的復(fù)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(gè)銅柱,形成繞組。具體流程如圖4 所示。

圖3 填埋復(fù)合磁性材料所使用的機(jī)器與擋點(diǎn)網(wǎng)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(jié)果與討論

2.1 復(fù)合磁性材料的表征結(jié)果

使用環(huán)氧樹脂作為粘合劑與納米磁性粉末混合,制備復(fù)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(fù)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(wǎng)絡(luò)分析儀測試復(fù)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(qiáng)計(jì)(VSM)測試所得復(fù)合磁性材料的M-H曲線。

圖5 (a)磁性粉末的SEM 圖;(b)復(fù)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(fù)合磁性材料的電磁性能;(b)復(fù)合磁性材料的M-H 曲線;(c)復(fù)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(jìn)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?？梢钥闯龃判旧舷卤砻孑^為平整,可以保證后續(xù)在磁芯表面形成銅線路時(shí)不會出現(xiàn)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(jié)果

經(jīng)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(jié)構(gòu),可以看出電感磁芯是集成在FR-4 樹脂基板內(nèi)部,在磁芯的上下表面形成銅線路,上下兩層銅線路通過實(shí)心銅柱連接形成繞組,如圖8(d)所示,得到的結(jié)構(gòu)與使用有限元仿真軟件HFSS 建模仿真時(shí)的電感結(jié)構(gòu)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(dǎo)線繞組的寬度、厚度等數(shù)據(jù)。測試電感性能與關(guān)鍵尺寸得到如表2 所示數(shù)據(jù),單位面積的電感密度為7.34 nH/mm2,品質(zhì)因子Q在100 MHz 時(shí)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(shù)據(jù);(b)背面銅線路的測量數(shù)據(jù)Fig.9 (a) Measurement data of the front copper line;(b) Measurement data of copper lines on the back side

3 結(jié)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(wǎng)印刷復(fù)合磁性材料,在有機(jī)樹脂基材內(nèi)部沉積磁芯層,同時(shí)使用垂直實(shí)心銅柱互聯(lián)兩層線路的方式形成繞組,達(dá)到了高電感與直流電阻比、高感值密度和低輪廓的優(yōu)勢效果。經(jīng)過表征,制備得到的集成式螺線管磁芯電感在100 MHz 時(shí)感值密度達(dá)到7.35 nH/mm2,品質(zhì)因子Q達(dá)到42.7,高于以往報(bào)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(huán)節(jié)工藝,非常適用于板級封裝的電源管理模塊。