一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板和磁芯結構的製作方法

2023-04-22 16:32:51

專利名稱：一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板和磁芯結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源模塊，特別涉及一種用於開關電源模塊無源基板的 鐵氧體嵌板和磁芯結構。
背景技術：
高功率密度、超薄的厚度和低成本一直是開關電源模塊追求的目標。超 薄尺寸的電力電子元件，尤其是超薄尺寸的磁芯元件是實現開關電源小型化、 扁平化的關鍵。將磁芯元件嵌入印刷電路板形成無源基板來實現電感和變壓
器是實現超薄功率變換器的一個技術趨勢。中國專利文獻CN101018446已經 提出了採用與印刷電路板兼容的工藝製作無源基板的方法，但是該方法中用 於無源基板的磁芯元件選用商用鐵氧體扁平磁芯，是採用金剛石切割機切割 而成，或是採用燒結爐按設計需要燒結壓制而成的。這種製備無源基板磁芯 的方法存在以下兩方面主要缺點 一方面是不利於磁芯的標準化、模塊化設 計，磁芯生產效率低，成本高；另一方面，在無源集成模塊中，由於電感磁 芯的扁平結構，磁芯橫截面的縱橫比往往十分懸殊，出現氣隙長度比橫截面 寬度大很多的情況，這樣會導致電感的磁場在氣隙處產生很大的邊緣效應， 常規的電感設計方法不再適用。即使通過對常規電感設計公式加入修正係數 可以減少設計誤差，由扁平電感磁芯中的氣隙產生的邊緣效應，仍舊會加劇 電流在繞線中的不均勻分布，從而導致額外的銅損。另外，由於整塊扁平磁 芯表面積較大且比較薄，在壓制到無源基板中時容易碎片，成品率不高。針對扁平磁芯結構，也有人提出採用鐵氧體聚合物來製作磁芯。鐵氧體聚合物 是將鐵氧體做成粉末，通過參入聚合物形成的複合體。通過控制鐵氧體粉末 和聚合物的比例可以控制鐵氧體聚合物的平均磁導率。雖然鐵氧體聚合物材 料製作的磁芯通過等效，將集中的氣隙平均分布到整段磁路中，從而減小了 邊緣效應對銅損的影響，但是這種材料的磁導率往往過低，磁芯損耗過大， 也不適用於有高頻率高效率要求的開關電源模塊。

發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提供一種用於開關電源模 塊無源基板的磁芯結構，它能夠使磁芯的設計標準化、模塊化，提高生產效 率，降低生產成本；同時，能夠降低磁芯氣隙處的邊緣效應，減小了銅損， 提高效率；另外，壓制到無源基板中時不宜碎片，成品率高。 為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下
技術方案1: 一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在 於，包括墊板以及粘貼在墊板上的鐵氧體單元，所述鐵氧體單元為長方體， 所述鐵氧體單元之間的氣隙中固化有鐵氧體膠狀聚合物。
本技術方案的進一步特點在於
所述鐵氧體膠狀聚合物由鐵氧體粉末和環氧樹脂類聚合物混合而成，或 由鐵氧體粉末和有機矽類聚合物混合而成。
所述墊板為塑料薄膜，或者絕緣紙，或者PCB板，或者鐵氧體聚合物薄膜。
所述鐵氧體單元的上下表面為正方形。 所述鐵氧體單元之間的縱向氣隙和橫向氣隙寬度相等。
技術方案2: —種用於開關電源模塊無源基板的磁芯結構，其特徵在於，由上述鐵氧體嵌板經過裁剪、層疊、拼接或者其組合的方法而做成。
由於本發明將鐵氧體燒結或切割成標準形狀為長方體的鐵氧體單元，將 鐵氧體單元粘貼在墊板上，然後經過裁剪、層疊、拼接成所需幾何形狀和尺 寸的磁芯結構，使磁芯的設計更加標準化、模塊化，生產更加簡單，成本低， 效率高。同時，在鐵氧體單元之間的氣隙中固化有鐵氧體膠狀聚合物，鐵氧 體聚合物由鐵氧體粉末和環氧樹脂類聚合物混合而成，或由鐵氧體粉末和有 機矽類聚合物混合而成。鐵氧體膠狀聚合物相對磁導率大於l，鐵氧體單元之 間的等效氣隙長度會減小，從而減小了磁阻，可獲得高電感值的磁芯。
另外，本發明的磁芯結構可以通過將集中的氣隙分段平均分布在磁路 中，降低邊緣效應，使銅損得以減小；本發明通過較小面積磁塊拼接成大面
積磁芯，壓制到無源基板時不宜碎片，提高了成品率。


下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
圖l是鐵氧體單元的示意圖2是單層布滿鐵氧體單元的嵌板的立體示意圖； 圖3是鐵氧體嵌板成型過程示意圖4是不帶中心柱的臥式磁芯結構成型過程示意圖5是帶有中心柱的臥式磁芯結構成型過程示意圖6 (a)是帶有多個中心柱的單層臥式磁芯結構成型過程示意圖6 (b)是圖6 (a)所示磁芯結構的裝配示意圖7 (a)是不帶中心柱的多層臥式磁芯結構成型過程示意圖7 (b)是圖7 (a)所示磁芯結構的裝配示意圖；圖8 (a)是一種不帶中心柱的立式磁芯結構成型過程示意圖； 圖8 (b)是圖8 (a)所示磁芯結構的裝配示意圖； 圖9是不帶中心柱的以PCB板為墊板的臥式磁芯結構成型過程示意圖； 圖10是帶有多個中心柱的小氣隙臥式磁芯結構成型過程示意圖； 圖11是不帶中心柱的小氣隙立式磁芯結構成型過程示意圖。
具體實施例方式
參照圖l，鐵氧體單元2可以採用燒結製成，也可以切割製成；其形狀為 長方體，其中長為l、寬為W、高為h;其上下表面為矩形，最好為正方形。
參照圖2，為單面貼滿鐵氧體單元的嵌板。圖示為8X8個鐵氧體單元2 粘貼在墊板1上，實際可根據設計要求來確定所需鐵氧體單元2的具體個數。 如圖所示，箭頭方向為磁場方向。垂直於磁場方向的氣隙為橫向氣隙，沿著 磁場方向的氣隙為縱向氣隙。鐵氧體單元2之間的縱向氣隙4對於磁芯平均 磁導率的影響可以忽略。通過控制鐵氧體單元2之間的橫向氣隙3可以實現 不同大小的平均磁導率；尤其是，通過平均分布橫向氣隙3，將橫向氣隙3的 寬度與鐵氧體橫截面寬度w的比值控制在0. 1 0. 01之間，可以大大降低磁 場在橫向氣隙3處的邊緣效應。
參照圖3，為鐵氧體嵌板的成型過程示意圖。鐵氧體嵌板包括墊板1和鐵 氧體單元2。墊板l可以為塑料薄膜，也可以為絕緣紙、PCB板、或者鐵氧體 聚合物薄膜。形狀為長方體的鐵氧體單元2以陣列形式粘貼在墊板1上。首 先，按照磁芯結構總體形狀，確定墊板1的面積，在墊板1上精確畫出鐵氧 體單元2的陣列位置；然後，在基板1的單面塗敷粘膠，在相應陣列位置粘 貼鐵氧體單元2，鐵氧體單元2之間有橫向氣隙3和縱向氣隙4，橫向氣隙3 和縱向氣隙4寬度相等。採用單面帶粘性的塑料薄膜對鐵氧體單元的陣列進行固定，無源基板的鐵氧體嵌板製作更加容易。
參照圖4，製作一個不帶中心柱的臥式磁芯結構，只需剝離鐵氧體嵌板中 心的小矩形窗口區域5內的鐵氧體單元；或者割除鐵氧體嵌板中心的小矩形
窗口區域5的墊板。同樣，參照圖5、圖6 (a)，按照磁芯結構，通過割除或 裁剪的方法，可以得到設計或用戶所需要的磁芯結構6。
參照圖6(b)，對於圖6 (a)所示磁芯結構6，先製作PCB限位板9，對 其挖槽構成與磁芯結構相適應的形狀，並垂向層壓在PCB底板10上，將磁芯 結構固定於PCB限位板9中。安裝時，通過外部灌膠、層壓將磁芯結構固定 在無源基板內。
參照圖7 (a)、 7 (b)，製作不帶中心柱的多層臥式磁芯結構。首先製作 單層的不帶中心柱結構的鐵氧體嵌板，三層垂向重疊，如圖7 (a)所示；再 製作PCB限位板9，並垂向層壓在PCB底板10上，將不帶中心柱結構的鐵氧 體嵌板依次垂直方向層疊固定於PCB限位板9中。
參照圖8 (a)，製作一種不帶中心柱的立式磁芯結構。首先製作單層的不 帶中心柱結構的鐵氧體嵌板，將其做為底板；然後，通過切割或裁剪的辦法， 得到矩形側板7，在底板兩邊分別層疊多層側板7，本實施例多層側板7為兩 層；最後，將與底板同樣大小的鐵氧體嵌板做為頂板垂向層疊，即通過裁剪、 層疊、拼接而成立式磁芯結構。
參照圖8 (b)，對於圖8(a)所示磁芯結構。首先通過切割或裁剪鐵氧體 嵌板的辦法，得到矩形側板7，並製作側板7的PCB限位板9;製作兩套單層 的不帶中心柱結構的鐵氧體嵌板和相應的PCB限位板9，其中一套垂向壓制層 疊在PCB底板10上，再壓制側板7對應的PCB限位板9，並層疊側板7，最 後再垂向壓制、層疊另一套。安裝時，通過外部灌膠、層壓，將整個磁芯結構固定在無源基板內。
參照圖9，製作不帶中心柱的以PCB板為墊板的單層臥式磁芯結構。首先
根據用戶所需的磁芯結構，將PCB限位板9切割，挖槽成與用戶所需的磁芯 結構相適應的形狀，並壓制在作為墊板的PCB板8上；然後貼裝鐵氧體單元， 即可得到相應的磁芯結構。
參照圖IO，製作帶有多個中心柱的小氣隙臥式磁芯結構。在圖6 (b)所 示的多個中心柱的單層臥式磁芯結構基礎上，在磁芯結構的鐵氧體單元之間 的氣隙中，填入並固化鐵氧體膠狀聚合物ll，可以減小等效氣隙長度。
參照圖ll，製作不帶中心柱的小氣隙立式磁芯結構。與圖8 (b)所示的 不帶中心柱的立式磁芯結構的製作過程的不同之處在於，在所有嵌板上的鐵 氧體單元之間的氣隙中，填入並固化鐵氧體膠狀聚合物11，用來減小等效氣 隙長度。且除底板外，其他層鐵氧體單元可直接貼裝在下層結構上。
鐵氧體膠狀聚合物由鐵氧體粉末和環氧樹脂類聚合物混合而成，或由鐵 氧體粉末和有機矽類聚合物混合而成。將鐵氧體粉末與環氧樹脂類聚合物或 有機矽類聚合物按不同比例混合，可以製成不同相對磁導率的鐵氧體膠狀聚 合物，將此鐵氧體膠狀聚合物填入鐵氧體單元之間的氣隙中，由於其相對磁 導率大於l，等效氣隙長度會按比例減小。雖然其損耗密度相對燒結鐵氧體單 元較大，但由於其體積在磁芯總體積所佔比例很小，故總損耗很小。
鐵氧體膠狀聚合物製作過程中，鐵氧體粉末為粒度小於10微米的MnZn 或者NiZn鐵氧體粉末，該粉末可由MnZn或者NiZn燒結的鐵氧體打磨、過篩 而獲得。環氧樹脂類聚合物和有機矽類聚合物要求在常溫下能夠迅速固化。 環氧樹脂類聚合物可以為TW GXHY-104膠粘劑(西安同維通訊技術有限公司)， 或者高溫環氧膠KH0201 (中國科學院化學所)。有機矽類聚合物可以為KH-SP-RTV空間加成型矽橡膠(中國科學院化學所)。以TW GXHY-104膠粘劑 為例進行說明，它為雙組份膠粘劑，分為A、 B兩組份，在室溫下A、 B組份 按不同比例混合可獲得不同稠度的膠狀形態，本實例按2: l體積混合。此膠 粘劑在室溫下可保持稀薄膠狀形態12小時，加熱到6(TC可以在30分鐘內固 化。
鐵氧體膠狀聚合物混合可有以下兩種方式(a)首先在室溫下將鐵氧體 粉末分別與A、 B組份混合均勻，然後將A、 B組份混合均勻。(b)首先將A、 B組份混合均勻，然後加入鐵氧體粉末混合均勻。鐵氧體膠狀聚合物混合均勻 後，以圖11為例，在室溫下將其填入底層鐵氧體單元之間的氣隙中，將溢出 鐵氧體單元表面的鐵氧體膠狀聚合物去除，並加熱至6(TC， 30分鐘後使鐵氧 體膠狀聚合物固化；再在底板上壓制限位板，層疊鐵氧體單元組成的側板7， 側板7的鐵氧體單元之間的氣隙中再次灌入鐵氧體膠狀聚合物，將溢出鐵氧 體單元表面的鐵氧體膠狀聚合物去除，然後加熱、固化；最後再壓制限位板， 層疊鐵氧體單元組成的頂板，頂板的鐵氧體單元之間的氣隙中再次灌入鐵氧 體膠狀聚合物，並加熱、固化。
本發明也可以先在墊板上粘貼鐵氧體單元，並鐵氧體單元之間的氣隙中 直接填入並固化有鐵氧體膠狀聚合物，作為鐵氧體嵌板；然後，將鐵氧體嵌 板經過裁剪、層疊、拼接或者其組合的方法而做成所需的磁芯結構。也可以 先在墊板上粘貼鐵氧體單元，並切割或裁剪為磁芯結構所需形狀，然後在鐵 氧體單元之間的氣隙中直接填入並固化有鐵氧體膠狀聚合物，作為鐵氧體嵌 板；最後，將鐵氧體嵌板經過層疊、拼接或者其組合的方法而做成所需的磁 芯結構。
儘管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但發明並不局限於上述的具體實施方案，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而 不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下，在不脫離本發 明權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於 本發明保護之列。
權利要求
1、一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在於，包括墊板以及粘貼在墊板上的鐵氧體單元，所述鐵氧體單元為長方體，所述鐵氧體單元之間的氣隙中固化有鐵氧體膠狀聚合物。
2、 根據權利要求1所述的一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在於，所述鐵氧體膠狀聚合物由鐵氧體粉末和環氧樹脂類聚合物混合而成，或由鐵氧體粉末和有機矽類聚合物混合而成。
3、 根據權利要求1所述的一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在於，所述墊板為塑料薄膜，或者絕緣紙，或者PCB板，或者鐵氧體聚合物薄膜。
4、 根據權利要求1所述的一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在於，所述鐵氧體單元的的上下表面為正方形。
5、 根據權利要求1所述的一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板，其特徵在於，所述鐵氧體單元之間的縱向氣隙和橫向氣隙寬度相等。
6、 一種用於開關電源模塊無源基板的磁芯結構，其特徵在於，由權利要求1-5之任一所述的鐵氧體嵌板經過裁剪、層疊、拼接或者其組合的方法而做成。
全文摘要
本發明涉及開關電源模塊，公開了一種用於開關電源模塊無源基板的鐵氧體嵌板和磁芯結構。鐵氧體嵌板包括墊板以及粘貼在墊板上的鐵氧體單元，所述鐵氧體單元為長方體，所述鐵氧體單元之間的氣隙中固化有鐵氧體膠狀聚合物；磁芯結構通過鐵氧體嵌板經過裁剪、層疊、拼接或者其組合的方法而做成。
文檔編號H01F1/11GK101593592SQ200910021868
公開日2009年12月2日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者旭 楊, 王佳寧, 王兆安 申請人:西安交通大學