電感器件埋入PCB板的設(shè)計原理及加工過程解析

黃江波 胡賢金 王一雄

（深圳市迅捷興電路技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054）

1 前言

隨著電子硬件的高密度小型化發(fā)展趨勢，促使電路板的表面積急劇減少，且板面上要求貼裝的電子元件卻有增無減。在電源模塊中，電感器件所占用電源板表面40%以上的面積，不利產(chǎn)品小型化、高密度化。而且大部分電感器件都需要手工去貼裝，成了影響封裝效率的關(guān)鍵因數(shù)，為了尋求良好的解決方案，部分電子開發(fā)商設(shè)想將電感的磁芯部分埋入PCB的內(nèi)部，減少板面空間以增強(qiáng)板面的布線、布件能力，從而取代板面上的電感器件節(jié)約板面空間，實(shí)現(xiàn)高密度小型化。同時避免了部分電感器件需要手工貼裝的繁瑣，同步實(shí)現(xiàn)自動化組裝，對封裝效率大幅度提升。本文主要解析內(nèi)埋無源電感器件的設(shè)計原理及加工過程，可供同行參考借鑒。

2 電感器件內(nèi)埋的機(jī)理

實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋式電感器件，必須滿足電感的兩個物理?xiàng)l件有磁芯及環(huán)繞的線圈，才能在直流、交流電中利用導(dǎo)電線圈儲存交流磁場能量，完成相應(yīng)的電路功能。所以電感內(nèi)埋磁芯與線圈是必不可缺的。磁芯可以通過鑲嵌的方式埋入PCB內(nèi)部，而環(huán)繞的線圈，則需要環(huán)磁芯內(nèi)外圍布置金屬孔與線路連接來導(dǎo)通，以內(nèi)徑的鉆孔點(diǎn)向外徑鉆孔點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方式連接，并設(shè)計電路回路端口替代環(huán)繞線圈。如圖1所示。

布局金屬孔與線路還需要精確計算疊層厚度、磁芯內(nèi)埋深度、圓環(huán)磁芯內(nèi)徑外徑大小而布置，才能使其在直流、交流電中利用導(dǎo)電線圈儲存交流磁場能量，達(dá)到預(yù)期的電路功能。

3 埋置電感元件的技術(shù)解析

3.1 產(chǎn)品設(shè)計解析

3.1.1 磁芯的選擇及電感值計算

（1）磁芯元件是電力電子電路中關(guān)鍵的元件之一，它對電力電子裝置的體積、效率等有重要影響。磁性材料有很多種類，特性各異，本次選擇鐵粉芯材料的磁環(huán)。鐵粉芯是所有粉芯材料中最為便宜的材料，磁導(dǎo)率一般在4～80左右。由于顆粒之間相互都絕緣，與硅鋼片相比雖然渦流損耗被大大地降低，但高頻情況下由損耗導(dǎo)致的溫升仍很高。所以鐵粉芯一般用于較低開關(guān)頻率的場合。鐵粉芯的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1特斯拉（T）左右。參考嘉城電子公司鐵粉末鐵芯規(guī)格及性能如表1；

（2）根據(jù)嘉城電子公司鐵粉末鐵芯規(guī)格本次試樣選擇型號（T44-26），應(yīng)用軟件模擬計算電感值，如圖2。

表1 鐵粉末鐵芯規(guī)格及性能表

由軟件計算出環(huán)狀線圈電感值Lo=13 mH。為了達(dá)到電感值的恒定量13 mH，設(shè)計的金屬孔及布線必須對磁環(huán)環(huán)繞26圈，因?yàn)殡姼辛恐皇且粋€與線圈的圈數(shù)、大小形狀和介質(zhì)有關(guān)的一個參量，它是電感線圈慣性的量度而與外加電流無關(guān)。同時考慮到導(dǎo)線及金屬孔所能承受的電流值，所以導(dǎo)線承載電流值需要≥0.5 A，參考表2：MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment；

按IPC三級標(biāo)準(zhǔn)，面銅控制35 mm，孔銅25 mm時，設(shè)計線路及金屬過孔線寬需≥0.2 mm，金屬過孔≥0.2 mm。

3.1.2 PCB資料設(shè)計解析

（1）根據(jù)鐵芯尺寸11.2 mm、4.04 mm、5.82 mm，在PCB文件中設(shè)計圓環(huán)槽外框線，在環(huán)槽的內(nèi)圍及外圍設(shè)計鉆孔點(diǎn)（圖3）；考慮到鉆孔加工的孔位精度，所設(shè)計的鉆孔點(diǎn)與磁芯的間距保證在0.2 mm以上。

表2 MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment

圖3 磁芯內(nèi)外圍設(shè)計金屬孔導(dǎo)通

（2）在頂層及底層布線，各層的布線以內(nèi)徑的鉆孔點(diǎn)向外徑鉆孔點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方式連接，并設(shè)計電路回路端口。對磁環(huán)的環(huán)繞圈數(shù)為26圈，其線寬要求≥0.2 mm。如圖4布線所示。

圖4 布線與鉆孔連接對磁環(huán)形成環(huán)繞

如上設(shè)計利用鉆孔點(diǎn)及布線替代線圈對圓環(huán)磁芯進(jìn)行環(huán)繞。滿足電感的兩個物理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)電感內(nèi)埋。

3.1.3 流程設(shè)計

開料→控深銑→單面蝕刻→鑲嵌磁芯→壓合→鉆孔→沉銅加厚→圖形制作→鍍銅蝕刻→產(chǎn)品檢測

3.2 加工過程解析

3.2.1 銑出鑲嵌槽

PCB板件在開料后，根據(jù)磁芯材料的尺寸，采用機(jī)械控深的方式，銑出所需要的圓環(huán)槽，如圖5所示。

環(huán)形槽孔中間的樹脂保留著，在層壓過程中不存在大量填膠的問題。為了將磁芯放入銑出的槽孔，則銑出的內(nèi)徑需要比磁芯內(nèi)徑最小尺寸還小，比磁芯外徑最大尺寸要大，同時考慮到機(jī)器的精度問題以及填膠的問題，所以銑槽孔的內(nèi)徑需要比磁芯外徑規(guī)格下限小0.075 mm，槽孔外徑需要比磁芯外徑規(guī)格上限大0.075 mm。如果槽孔內(nèi)徑太小，外徑太大則在層壓過程中需要更多樹脂來填充，很容易導(dǎo)致粘接層缺膠、爆板。

3.2.2 鑲嵌圓環(huán)磁芯并壓合

在PCB壓合前需要把磁芯鑲?cè)氩蹆?nèi)，其粘接材料選擇含膠量高的半固化片，為了使層壓過程中磁芯位置填膠效果更佳，所以通過減少牛皮紙的張數(shù)提高升溫速率來保證樹脂的流動性，同時考慮到壓合過程中需要PP與磁芯直接接觸，推后高壓時間，在樹脂達(dá)到充分流動的時候，再上高壓，使磁芯縫隙樹脂填充更飽滿。如圖6所示。

3.2.3 金屬孔及線路制作

為保證鉆孔不傷磁芯，在資料制作過程要求鉆孔與磁芯的間距保證＞0.2 mm以上，在實(shí)際加工中微下調(diào)鉆孔參數(shù)即可。鉆孔效果見圖7；線路制作采用正片鍍銅錫工藝制作，其孔銅、面銅的控制需滿足IPC三級標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 產(chǎn)品測試

3.3.1 測試項(xiàng)目(表3)

4 結(jié)論

電感埋置技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是電源模塊小型化的一個重要解決方案，將磁環(huán)整體埋入PCB內(nèi)部，由過孔實(shí)現(xiàn)通電線圈，可使得PCB表層面積得以大大優(yōu)化。在組裝過程中可以極大提升電源模塊的組裝效率。所以電感埋置將逐漸應(yīng)用在PCB設(shè)計中，電源模塊將迎來一次新的改革。

表3

[1]周海勝,涂有超. 高速高密度PCB設(shè)計中電容器的選擇[J]. 微計算機(jī)信息, 鑲?cè)胧较到y(tǒng)應(yīng)用精選200例, 2005, 第21卷, 第10-2期.

[2]陳建,黃良榮. 一種在組裝過程中的電感磁芯埋入PCB技術(shù)[C]. 2010秋季國際PCB技術(shù)/信息論壇:215-218.