專利名稱：集成電感的電源模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電源模塊，特別是涉及一種集成電感的電源模塊。
背景技術：
在DC/DC(直流/直流)電源的應用領域中，隨著電子技術的發(fā)展，電子設備體積越來越小，功率密度越來越高，導致電源模塊也必須不斷的往小型化、集成化發(fā)展。電源模塊的體積極大地限制了系統整體的體積，傳統的電路板電源模塊越來越難滿足高集成度系統的要求。而且，無源器件的安裝成本比較高，往往在電源模塊中，無源器件的成本往往大于電源模塊中其他器件的成本，這些無源器件的成本將占據總安裝成本的絕大多數。因此無源器件的集成化是電源模塊發(fā)展的必然趨勢，可以有效減少安裝成本并提高功率密度。其中磁性器件的體積很大，重量也大，能有效解決磁性器件的集成問題也是電源模塊小型化的主要考慮問題。如圖1所示，傳統的電路板電源模塊中主要包括繞線電感30、電源芯片31、貼片電阻32和貼片電容33等電子元件，繞線電感30通過第一焊盤34焊接在電路板35上，電源芯片31、貼片電阻32和貼片電容33都安裝在電路板35上，這樣傳統的電路板電源模塊存在體積大、無源器件多等缺點，極大的限制了其應用范圍。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種集成電感的電源模塊，其體積小，滿足高集成度系統的要求。本實用新型是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種集成電感的電源模塊，其特征在于，包括鐵氧體模塊；設置在所述鐵氧體模塊上并與所述鐵氧體模塊電性連接的裸芯片；以及固定在所述鐵氧體模塊的周邊的至少一個金屬極板。優(yōu)選地，所述鐵氧體模塊的中部開設有凹槽，所述裸芯片嵌入在該凹槽中；所述裸芯片通過焊錫球與鐵氧體模塊電性連接。優(yōu)選地，所述金屬極板為分別固定在鐵氧體模塊的四個角上的四個金屬極板。優(yōu)選地，所述金屬極板與一個供電模塊上的焊盤焊接。優(yōu)選地，所述裸芯片的表面和供電模塊之間填充導熱膠。優(yōu)選地，所述鐵氧體模塊包括依次疊放的集成電感層、第一電容層、第二電容層、 第三電容層；相互連接且位于所述集成電感層上的第一通孔與電感線圈；相互連接且位于所述第一電容層上的第二通孔與第一金屬膜；位于第二電容層上的介質；相互連接且位于所述第三電容層上的第三通孔與第二金屬膜；以及電阻層，該電阻層上具有相互連接的第四通孔與集成電阻。優(yōu)選地，所述電感線圈的結構為平面螺旋電感結構。優(yōu)選地，所述電感線圈的結構為三維疊層結構。[0014]優(yōu)選地，所述裸芯片表貼在鐵氧體模塊上；在所述鐵氧體模塊的表面引出有電路引腳，該電路引腳與所述裸芯片的引腳焊接。本實用新型的積極進步效果在于本實用新型無需使用體積龐大的分離電感，電阻、電容和電感集成為一體，可以省去很多安裝無源器件的成本。

圖1為傳統的電路板電源模塊的結構示意圖。圖2為本實用新型第一種集成電感的電源模塊的平面結構示意圖。圖3為本實用新型第一種集成電感的電源模塊的立體結構示意圖。圖4為本實用新型第一種集成電感的電源模塊與供電模塊安裝的結構示意圖。圖5為本實用新型第二種集成電感的電源模塊的平面結構示意圖。圖6為本實用新型中鐵氧體模塊的內部結構示意圖。圖7為本實用新型中通孔的原理示意圖。圖8為本實用新型中平面螺旋電感結構的電感線圈的結構示意圖。圖9為本實用新型中三維疊層結構的電感線圈的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖給出本實用新型較佳實施例，以詳細說明本實用新型的技術方案。如圖2和圖3所示，本實用新型第一種集成電感的電源模塊包括鐵氧體模塊10、裸芯片11、凹槽12、焊錫球13和金屬極板14，凹槽12開在鐵氧體模塊10的中部，裸芯片11 是電源芯片，裸芯片11嵌入在凹槽12中，裸芯片11通過焊錫球13與鐵氧體模塊10電性連接，即焊錫球13將裸芯片11的焊盤與鐵氧體模塊10內部含有諸多電子元件的電路相連接，金屬極板14固定在鐵氧體模塊10的四個角上，金屬極板14把所需要與供電模塊連接的部分引出鐵氧體模塊的表面，這樣就大大縮小集成電感的電源模塊的體積，滿足高集成度系統的要求。如圖4所示，鐵氧體模塊10的上的金屬極板14直接面向第二焊盤38并與第二焊盤38焊接，第二焊盤38在供電模塊37上，這樣可以實現盡量小的接觸電阻。為增強鐵氧體模塊的散熱，裸芯片11的表面和供電模塊37之間可以填充導熱膠23或其他熱導性好的材料來進一步加強散熱。當然，如圖5所示，本實用新型第二種集成電感的電源模塊基本上與第一種集成電感的電源模塊相同，其不同之處在于把封裝好的裸芯片11直接表貼在鐵氧體模塊10上的，在鐵氧體模塊10的表面引出電路引腳101，該電路引腳101與裸芯片的引腳111焊接， 這樣可以省去刻凹槽的步驟。如圖6所示，鐵氧體模塊10包括第一通孔151、第二通孔152、第三通孔153、第四通孔154、電感線圈16、第一金屬膜171、第二金屬膜172、集成電感層18、第一電容層191、 第二電容層192、第三電容層193、電阻層20、集成電阻21和介質22，集成電感層18、第一電容層191、第二電容層192、第三電容層193、電阻層20依次疊放，第一通孔151與電感線圈16連接，第一通孔151與電感線圈16位于集成電感層18上，第二通孔152與第一金屬膜171連接，第二通孔152與第一金屬膜171位于第一電容層191上，介質22位于第二電容層192上，第三通孔153與第二金屬膜172連接，第三通孔153與第二金屬膜172位于第三電容層193上，第四通孔巧4與集成電阻21連接，第四通孔IM與集成電阻21位于電阻層20上。裸芯片11可以設在集成電阻層20的下方，往上依次是第三電容層193、第二電容層192、第一電容層191和集成電感層18，這樣電感對裸芯片的磁干擾可以適當的小一些。 如圖7所示，第一通孔151、第二通孔152、第三通孔153、第四通孔巧4可以讓相鄰的兩層或多層實現連接關系，即通過第一通孔151至第四通孔IM來實現上下兩面表層線路的電氣連接。具體是在第一通孔151至第四通孔154的內壁涂敷一定厚度的導體，用內壁上的導體實現上層漿料M和下層漿料25的電氣連接。其中，電感由電感線圈和集成電感層構成。集成電感層制作根據頻率要求，選用 NiSi或其他頻率性質好的鐵氧體材料做磁芯，在LTCC(LowiTemperature Cofired Ceramic, 低溫共燒陶瓷)工藝制作的時候在鐵氧體模塊內加入Cu元素。在集成電感層的尺寸選擇中，厚度不能太厚，以免燒結開裂，但是太薄的話，電阻值會比較大，一般采用6um到9um的厚度合適，要得到更大的橫截面積，可以采用兩層導體并聯的方式。在內部集成的DC/DC電源模塊中，電感上通過的電流比較大，為了整個電路的高效率，在滿足足夠高的飽和磁通量同時還要盡量小的寄生串聯電阻。電感線圈使用平面螺旋電感結構(如圖8所示)或三維疊層結構(如圖9所示)，兩類結構需要根據情況綜合考慮。根據對集成電感所需要的電感值和集成串聯電阻值來考慮采用的結構。平面螺旋結構和三維疊層結構各有優(yōu)劣，平面螺旋電感結構的電感線圈將導體印制在一個平面上的，因此，這樣的結構可以減少在LTCC 工藝中的打孔和天孔兩道工序，而填孔工序相對復雜且容易由于操作不當導致短路和斷路。但是當要求電感量比較大時，就需要很多匝數，這樣會使線圈所占面積較大，不利于小型化。另一方面，三維疊層結構的電感線圈可以通過在垂直方向上多增加一圈來增加匝數， 很容易將電感量增大，但是這樣的結構需要大量的層間電氣連接，大大增加工藝復雜度，而且在垂直方向上大量存在的孔會導致鐵氧體內燒結開裂。電感線圈的材料可以選用Ag、Au、 Cu、Al、Pt以及這些材料的混合物，不同的材料有不同的燒結溫度、燒結環(huán)境和應用范圍。電容可以通過第一電容層、第二電容層、第三電容層與各層之間的極板電容來實現。中間的介質通過陶瓷漿料等介電常數比較高的介質來實現，中間的介質厚度也不宜太多，以免出現燒結時的熱收縮性不一致產生的開裂現象。集成電阻的形式可采用金屬氧化膜電阻、碳膜電阻等，各個電阻的電路連接可以用金屬薄膜來完成，電阻的漿料也需要考慮和鐵氧體材料的熱收縮性來決定薄膜的尺寸和各個燒結的溫度的時間。其中，鐵氧體模塊采用LTCC工藝制成，使用鐵氧體材料，其能耗低、布線密度高、 生產效率好。LTCC工藝的制造過程包括混料、流延、裁切、打孔、填孔、印刷、疊片、切割、共燒、封端以及產品測試等環(huán)節(jié)。流延環(huán)節(jié)之前，需要在球磨罐中加入陶瓷粉料、粘合劑、增塑劑、酒精以及甲苯，用兩步法進行球磨，使各種成分混合均勻，最終形成液狀的流延漿料。 將磨好的漿料均勻涂覆在PET (Polyethylene Ter印hthalate，聚對苯二甲酸乙二醇酯)膜上，以便加工制作。在LTCC工藝中，可能對精度由影響的工序有打孔、填孔、絲網印刷和疊片，其中任何一個工序造成的位置差將導致整個流程的失效。由于LTCC工藝中的器件內埋導線較多，而且精度要求高，所以每個工序的精度要求都是很高的。在填孔和絲網印刷時， 采用三點對位的方式，可以確保偏差在Ium以下。在疊片過程中，采用了消泡處理，最大限度避免疊片產生的氣泡對精度的影響；同時，由電極處的厚度比沒有電極處的要高一些，在疊片時，可以通過改變疊片溫度、疊片壓力和保持時間來消除高度不一致對精度的影響，從而提高疊片的精度和可靠性。因此也可以看出，三維疊片結構的電感比平面螺旋結構的電感多了打孔和填孔的環(huán)節(jié)，增加了工藝的復雜度和難度。為了提高燒結的成功率，將排膠和燒結分開進行。排膠是利用高溫將鐵氧體內的黏合劑、分散劑、塑形劑、甲苯、酒精等有機添加劑進行揮發(fā)，使鐵氧體模塊內部僅有鐵氧體材料和需要的電子元件材料。驗證排膠是否合理的依據是鐵氧體內粉化程度和鐵氧體外外形完整度等。在排膠過程中，主要調整的工藝參數有排膠溫度和排膠時間。不同的材料由于燒結溫度、致密化速度和熱膨脹速率的不同，在共燒時候容易在界面處產生應力，造成器件翹曲、變形、開裂，劣化器件的性能。因此需要對鐵氧體材料、各類金屬、電阻和介質漿料的燒結特性進行分析，主要以收縮率和收縮速率為出發(fā)點。在燒結時候，收縮速率差別大的材料要考慮在這個溫度范圍內升溫時間適當加長。燒結升溫速度慢，收縮率相應增大。這時因為升溫速度越慢，陶瓷體內氣泡排除也越多，固相、液相反應充分，相互間間隙填充越充分，燒結后陶瓷較致密，因此燒結收縮率大。反之，升溫速度過快，陶瓷體內氣泡來不及排除，燒結收縮率變小，因此又要避免升溫速度過慢導致的收縮過大。此外在降溫過程也容易產生應力，包括同質材料內的應力和異質材料界面處的應力，應力大小與降溫速率成正比，因此適當降低降溫速度可以提高燒結的成功率。綜上所述，本實用新型集成電感的電源模塊分別使用金屬漿料、電阻漿料和電容漿料把電感、電阻和電容等元件集成在鐵氧體模塊中，這些集成的電子元件的值通過調整漿料的成分、形態(tài)和尺寸可以達到設計需要值，并形成所設計所需要的連接關系。本實用新型集成電感的電源模塊無需使用體積龐大的分離電感，電阻、電容和電感集成為一體，可以省去很多安裝無源器件的成本。本實用新型集成電感的電源模塊的鐵氧體模塊的熱導率優(yōu)于傳統電路板，有利于器件的散熱。雖然以上描述了本實用新型的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解， 這些僅是舉例說明，在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改。因此，本實用新型的保護范圍由所附權利要求書限定。
權利要求1.一種集成電感的電源模塊，其特征在于，包括 鐵氧體模塊；設置在所述鐵氧體模塊上并與所述鐵氧體模塊電性連接的裸芯片；以及固定在所述鐵氧體模塊的周邊的至少一個金屬極板。
2.如權利要求1所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述鐵氧體模塊的中部開設有凹槽，所述裸芯片嵌入在該凹槽中；所述裸芯片通過焊錫球與鐵氧體模塊電性連接。
3.如權利要求1或2所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述金屬極板為分別固定在鐵氧體模塊的四個角上的四個金屬極板。
4.如權利要求3所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述金屬極板與一個供電模塊上的焊盤焊接。
5.如權利要求4所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述裸芯片的表面和供電模塊之間填充導熱膠。
6.如權利要求1所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述鐵氧體模塊包括 依次疊放的集成電感層、第一電容層、第二電容層、第三電容層；相互連接且位于所述集成電感層上的第一通孔與電感線圈； 相互連接且位于所述第一電容層上的第二通孔與第一金屬膜； 位于第二電容層上的介質；相互連接且位于所述第三電容層上的第三通孔與第二金屬膜；以及電阻層，該電阻層上具有相互連接的第四通孔與集成電阻。
7.如權利要求1所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述電感線圈的結構為平面螺旋電感結構。
8.如權利要求1所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述電感線圈的結構為三維疊層結構。
9.如權利要求1所述的集成電感的電源模塊，其特征在于，所述裸芯片表貼在鐵氧體模塊上；在所述鐵氧體模塊的表面引出有電路引腳，該電路引腳與所述裸芯片的引腳焊接。
專利摘要本實用新型公開了一種集成電感的電源模塊，其包括鐵氧體模塊；設置在所述鐵氧體模塊上并與所述鐵氧體模塊電性連接的裸芯片；以及固定在所述鐵氧體模塊的周邊的至少一個金屬極板。本實用新型集成電感的電源模塊的體積小，滿足高集成度系統的要求。
文檔編號H02M1/00GK202034888SQ20112002681
公開日2011年11月9日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2011年1月26日
發(fā)明者趙翔, 陳忠志 申請人:上海騰怡半導體有限公司