專利名稱：一種用于開關電源模塊的無源基板及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及開關電源模塊的結構和制備方法，特別涉及了一種用于開關電源模塊的無源基板及其制備方法。
背景技術：
高功率密度和低成本一直是開關電源模塊所追求的目標，在電感和變壓器的設計和制造中采用扁平磁芯能在一定程度上大大促進開關電源的小型化。但是在目前或是將來的需求中，對小功率開關電源的功率密度要求(如需要超薄設計)越來越高，因而采用扁平磁芯的設計方案已經不能滿足這些要求。另外一個方面，在開關電源模塊的制造過程中扁平磁芯的安裝過程比較復雜，需要經過扣磁芯和用夾具固定磁芯的過程，這樣就增加了電源模塊的制造流程，由于磁芯機械固定問題，所以降低了電源模塊的可靠性。現(xiàn)在已有文獻報道，有人采用微電子和PCB(印制電路板)加工工藝來制造開關電源模塊，能實現(xiàn)超薄和高功率密度的開關電源模塊設計制造。但是，這種工藝的加工過程復雜，成本較高，不能實現(xiàn)低成本。另外一個方面，和微加工工藝相兼容的磁芯材料的高頻損耗較大，導致電源的效率較低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于開關電源模塊的無源基板及其制備方法，減小了電源模塊的設計制造步驟，降低了開關電源模塊的制造成本，提高效率和開關電源模塊的功密密度。
本發(fā)明將開關電源中無源元件嵌入到PCB基板中，形成無源基板，在制造過程中采用和PCB兼容的工藝，在無源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的電源模塊。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的用于開關電源模塊的無源基板整體分為兩層無源基板層和電路層；電路層包括上下電路銅層和FR-4板材，上下電路銅層位于FR-4板材的上下；在無源基板層和電路層之間采用一層半固化片絕緣層電氣隔離，無源基板層包括磁芯和相應的上下繞線層，磁芯嵌入在板材中，上下繞線層位于磁芯的上下，上下繞線層通過互連過孔連通，上下繞線層和磁芯之間采用上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層電氣隔離。
所述的板材是FR-4材料，F(xiàn)R-4是標準環(huán)氧樹脂和玻璃布組成的復合物。
一種用于開關電源模塊的無源基板的制備方法，步驟如下(1)先將3F3材料鐵氧體扁平磁芯采用金剛石切割機切割成條狀磁芯，或是采用燒結爐燒結出條狀磁芯；(2)在FR-4原材料板材上切割板材，將板材上下表面銅層腐蝕掉，在形成的光板上加工出嵌入磁芯的槽；(3)將切割成的條狀磁芯嵌入到帶槽的板材中，在凹槽中填充絕緣粉末，固定磁芯防止其移動，然后在板材上下表面層壓上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層，接著再層壓覆銅的上下繞線層；(4)在覆銅的上下繞線層上刻蝕出繞線圖案，然后在形成的層壓板上鉆互連過孔，接著再化學沉銅、電鍍，通孔能夠電氣連接上下繞線層，此時就形成無源基板層；
(5)另在FR-4原材料板材上切割FR-4板材，在FR-4板材上下表面層壓覆銅的上電路銅層和下電路銅層，然后刻蝕出電路圖樣，接著根據(jù)設計鉆孔，接著化學沉銅、電鍍，這樣就形成電路層；(6)在無源基板層和電路層中間插入一層半固化片絕緣層，然后將無源基板層、半固化片絕緣層和電路層層壓，這樣就形成無源基板。
所述的板材是FR-4材料，F(xiàn)R-4是標準環(huán)氧樹脂和玻璃布組成的復合物。
本發(fā)明采用將開關電源中無源元件嵌入到PCB基板中，形成無源基板，在無源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的電源模塊。這種方法減小了電源模塊的設計制造步驟，在制造過程中采用和PCB兼容的工藝，降低了開關電源模塊的制造成本，可以達到比現(xiàn)有無源基板更高的效率，同時大大提高了開關電源模塊的功密密度。由于大大增加了無源元件的散熱面積，使得模塊電源的溫度分布更加均勻，增加了模塊的可靠性。另外，磁性元件嵌入在PCB板材中，具有很好的機械穩(wěn)定性，同時對外界的污染以及摩擦等具有很好的保護作用，并且沒有重量過于集中的地方，在振動的環(huán)境中具有很高的可靠性。


圖1是本發(fā)明基于無源基板的開關電源模塊剖面平面結構圖；圖2是本發(fā)明嵌入式磁芯加工流程圖；圖3是本發(fā)明無源基板的層壓加工制造結構圖；下面結合附圖對本發(fā)明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1所示，上電路銅層1和下電路銅層3位于FR-4板材2上下；電路12位于上電路銅層1上面；半固化片絕緣層4位于下電路銅層3與上繞線層5之間；磁芯8嵌入在板材7中，上下繞線層5、10位于磁芯8的上下，上下繞線層5、10通過互連過孔11連通，上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層6、9分別位于上下繞線層5、10與磁芯8之間。
參照圖2所示，采用金剛石切割機將商用3F3材料鐵氧體扁平磁芯14切割成條狀磁芯8，然后將條狀磁芯8圍成電感或變壓器用閉合磁路。
參照圖3所示，上電路銅層1和下電路銅層3位于FR-4板材2上下；半固化片絕緣層4位于下電路銅層3與上繞線層5之間；磁芯8嵌入在板材7中，上下繞線層5、10位于磁芯8的上下，上下繞線層5、10通過互連過孔11連通，上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層6、9分別位于上下繞線層5、10與磁芯8之間。
采用該結構和方法設計制造一個具有高功率密度的電源模塊，其主要制備步驟如下(1)先將商用3F3材料鐵氧體扁平磁芯14采用金剛石切割機切割出條狀磁芯8，或是采用燒結爐燒結出條狀磁芯8或回字形磁芯。
本無源基板樣機中采用的Philip公司的3F3材料的鐵氧體扁平磁芯14，形狀為長方體，其邊長為64mm×50mm×10mm。在此基礎上，采用金剛石切割機切割出的長方體條形磁芯8的尺寸為32mm×8mm×2mm。然后將此時圍成回字型，以形成閉合回路，閉合回路中預留3mm的氣隙13。磁芯8加工流程如圖2所示。
(2)在FR-4原材料板材上切割出板材7，將板材7上下表面銅層腐蝕掉，然后在板材7上加工出嵌入磁芯所需要的槽。
在原材料上切割出的板材7面積大小為56mm×40mm，板材7的厚度為2.4mm，被腐蝕的上下電路銅層1、3的厚度為0.07mm。按照上一步驟中磁芯8圍成的回字型尺寸，在板材7上開一個U和I字型槽，形成一個回字型槽，保證磁芯8剛好能夠嵌入到板材7中去。在開槽過程中，在槽的兩側要保證各1.5mm厚度的氣隙13，氣隙13可以用相同厚度的FR-4板材實現(xiàn)，即U字槽和I字槽之間的距離為1.5mm。如圖2左所示。
(3)將切割成的條狀磁芯8嵌入到帶槽的板材7中，在凹槽中適當填充絕緣粉末，固定磁芯8防止其移動。然后在板材7上下表面層壓上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層6、9，接著再層壓覆銅的上下繞線層5、10。
層壓的上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層6、9厚度為0.06mm，層壓的覆銅的上下繞線層5、10的厚度稍小于2 OZ(1OZ＝0.035mm)。
(4)在覆銅的上繞線層5和下繞線層10上刻蝕出繞線圖案，然后在形成的層壓板上鉆互連過孔11，然后化學沉銅，電鍍，互連過孔11能電氣連接上下繞組層5、10，此時形成無源基板層。
上繞線層5和下繞線層10，厚度為2 OZ，無源基板上的互連過孔11孔壁厚為1OZ，此時加工而成的無源基板的厚度為2.485mm。
(5)電路層的制作。在FR-4板材2上下表面層壓上電路銅層1和下電路銅層3，然后刻蝕出電路圖樣，接著在PCB上鉆互連過孔11，最后化學沉銅、電鍍，這樣就形成電路層。
電路層原材料FR-4板材2的厚度為0.2mm，上下電路銅層1、3的厚度稍小于2 OZ，加工形成互連過孔11的孔壁厚為1 OZ，此時加工形成的電路板厚度為0.235mm。
(6)在無源基板層和電路層中間插入一層半固化片絕緣層4，然后將無源基板層、半固化片絕緣層4和電路層層壓。接著在基板上根據(jù)設計要求鉆互連過孔11，然后化學沉銅、電鍍，形成開關電源模塊基板。
層壓順序由上到下為電路板層、半固化片絕緣層4和無源基板層。絕緣層材料為環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物，厚度為0.12mm。無源基板的厚度為2.485mm，電路板層的厚度為0.235mm，層壓之后形成開關電源模塊基板的厚度為2.8mm?；鍖訅喉樞蚪Y構如圖3所示。
(7)在無源基板上焊接電路12這就構成了一個超薄以及高功率密度的開關電源模塊，這個工藝過程都是采用和PCB相兼容的加工工藝。
權利要求
1.一種用于開關電源模塊的無源基板，包括整體分為兩層無源基板層和電路層；電路層包括上下電路銅層(1、3)和FR-4板材(2)，上下電路銅層(1、3)位于FR-4板材(2)的上下；在無源基板層和電路層之間采用一層半固化片絕緣層(4)電氣隔離，其特征在于，無源基板層包括磁芯(8)和相應的上下繞線層(5、10)，磁芯(8)嵌入在板材(7)中，上下繞線層(5、10)位于磁芯(8)的上下，上下繞線層(5、10)通過互連過孔(11)連通，上下繞線層(5、10)和磁芯(8)之間采用上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層(6、9)電氣隔離。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于開關電源模塊的無源基板，其特征在于，板材(7)是FR-4材料，F(xiàn)R-4是標準環(huán)氧樹脂和玻璃布組成的復合物。
3.一種用于開關電源模塊的無源基板的制備方法，其特征在于，制備方法包括以下步驟(1)先將3F3材料鐵氧體扁平磁芯(14)采用金剛石切割機切割成條狀磁芯(8)，或是采用燒結爐燒結出條狀磁芯(8)；(2)在FR-4原材料板材上切割板材(7)，將板材(7)上下表面銅層腐蝕掉，在形成的光板上加工出嵌入磁芯(8)的槽；(3)將切割成的條狀磁芯(8)嵌入到帶槽的板材(7)中，在凹槽中填充絕緣粉末，固定磁芯(8)防止其移動，然后在板材(7)上下表面層壓上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層(6、9)，接著再層壓覆銅的上下繞線層(5、10)；(4)在覆銅的上下繞線層(5、10)上刻蝕出繞線圖案，然后在形成的層壓板上鉆互連過孔(11)，接著再化學沉銅、電鍍，通孔能夠電氣連接上下繞線層(5、10)，此時就形成無源基板層；(5)另在FR-4原材料板材上切割FR-4板材(2)，在FR-4板材(2)上下表面層壓覆銅的上電路銅層(1)和下電路銅層(3)，然后刻蝕出電路圖樣，接著根據(jù)設計鉆孔，接著化學沉銅、電鍍，這樣就形成電路層；(6)在無源基板層和電路層中間插入一層半固化片絕緣層(4)，然后將無源基板層、半固化片絕緣層(4)和電路層層壓，這樣就形成無源基板。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于開關電源模塊的無源基板的制備方法，其特征在于，板材(7)是FR-4材料，F(xiàn)R-4是標準環(huán)氧樹脂和玻璃布組成的復合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于開關電源模塊的無源基板及其制備方法，整體分為無源基板層和電路層；無源基板層包括磁芯和相應的上下繞線層，磁芯嵌入在板材中，上下繞線層位于磁芯的上下，上下繞線層通過互連過孔連通，上下繞線層和磁芯之間采用上下環(huán)氧樹脂和玻璃纖維復合物絕緣層電氣隔離。本發(fā)明采用將開關電源中無源元件嵌入到PCB基板中，形成無源基板，在無源基板上焊接其它所需的功率器件，最后形成超薄尺寸的電源模塊。這種方法減小了電源模塊的設計制造步驟，在制造過程中采用和PCB兼容的工藝，降低了開關電源模塊的制造成本，可以達到比現(xiàn)有無源基板更高的效率，同時大大提高了開關電源模塊的功密密度。
文檔編號H05K3/00GK101018446SQ20071001739
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權日2007年2月9日
發(fā)明者陳橋梁, 龔湛坤, 楊旭, 王兆安 申請人:西安交通大學