多相功率基板、多相功率模块及功率基板的制备方法与流程

本发明涉及电路基板，尤其是多相功率基板、多相功率模块及功率基板的制备方法。

背景技术：

1、多相dc-dc转换器凭借大电流输出、低纹波、高动态响应等优势，广泛应用于服务器、ai芯片、新能源汽车等高功率密度供电场景。功率电感作为多相电源的核心储能元件，其性能与集成度直接决定了电源模块的整体体积、效率和可靠性。

2、目前业界提升多相电源集成度的技术路线主要分为三类，均存在各自局限性。

3、第一类：分立多相供电方案。将多个独立的功率电感器逐一焊接在有机pcb基板上，分别与电源芯片的各相输出端连接。该方案工艺成熟、通用性强，但多个分立电感占用大量pcb面积，导致电源模块体积过大。同时，逐一贴装的组装方式效率低、成本高。并且，电感与芯片之间的水平走线较长，引入显著的寄生电阻和寄生电感，导致额外压降损耗和emi问题。

4、第二类：封装独石电感的电源模块方案。将多个独石结构的功率电感封装在有机基板内部或表面，再与电源芯片集成在同一封装内。该方案相比分立电感节省了部分空间，但有机基板的导热系数极低，无法将功率电感产生的热量快速导出，模块温升过高，限制了功率密度的进一步提升。同时，电感与芯片之间仍需通过有机基板的水平走线连接，电流路径依然较长，压降损耗显著。此外，部分采用引线框连接的方案，在经历循环热冲击后，焊接位置易产生裂纹，导致接触电阻升高并降低产品可靠性。

5、第三类：磁性层叠体集成多电感器阵列方案。在单个磁性体层叠体（如铁氧体层叠芯片）内部形成多个螺旋状导体，各螺旋状导体通过通孔导体串联构成独立的电感线圈，从而在一个层叠芯片内集成多个电感器，用于多相dc-dc转换器。具体可参考公开号为cn103608877a、名称为电感器阵列式芯片以及dc-dc转换器的中国发明专利申请。该方案将多个电感器集成于单一元件内，相比上述方案减少了元件数量和贴装工序。但由于层叠芯片本身为独立元件，仍需通过焊接方式安装于pcb基板上，再经由pcb布线连接至电源芯片；各电感器至芯片的电流路径仍然较长，寄生参数和导通损耗未能根本解决；且层叠芯片内部空间有限，在集成多相电感时各电感器之间存在磁路串扰，相间隔离设计难度较大。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术的不足而提出多多相功率基板、多相功率模块及功率基板的制备方法，以解决现有技术中多相功率模块空间占用大、散热效率低、电流路径长的技术问题。

2、为了实现上述技术目标，本发明提出的多相功率基板，包括：

3、由多个绝缘的磁性介质层沿厚度方向叠层形成的基板本体，其具有在厚度方向上相对的第一表面和第二表面；

4、用于连接pcb板的第一焊盘，其设于所述第一表面；

5、用于连接电源芯片的第二焊盘，其设于所述第二表面；

6、设于基板本体内的电路结构，其由垂直导通结构和水平导通结构构成，所述垂直导通结构构成电路结构中沿所述厚度方向延伸的部分，所述水平导通结构构成电路结构中沿所述磁性介质层的层面方向延伸的部分；

7、多个电感单元，各所述电感单元包括输入端、输出端以及由所述电路结构的部分构成的导体，所述输出端的至少部分延伸至所述第一表面；

8、所述第一焊盘、所述第二焊盘和所述输入端通过所述电路结构依次电连通。

9、本发明提出的多相功率基板，磁性介质层叠层形成的基板本体兼具磁芯、线圈载体和互联基板三重功能，将独立的电感器、pcb走线和基板载体集成为一体，缩减了功率模块的体积和元件数量；

10、电路结构中第一焊盘、第二焊盘至电感单元的电连通路径的至少部分沿基板厚度方向贯穿，电流在垂直方向上的传输距离为基板厚度量级，与平面pcb布线相比，寄生电阻和寄生电感更低，适用于高频大电流场景；

11、电感单元的导体由电路结构的部分形成，电感单元的导体与电路结构为一体化连续结构，二者之间不存在额外的焊接界面或机械连接界面，由此省去了分立电感元件的采购、贴装和焊接工序，同时，也消除了因分立电感与基板间的焊点引入的寄生电阻和可靠性隐患；

12、磁性介质层自身绝缘，嵌入同一基板本体中的多个电感单元之间无需额外设置绝缘间隔层或屏蔽结构即可实现电隔离；

13、第一焊盘和输出端同在第一表面，第二焊盘在第二表面，与外部pcb板和电源芯片的连接分别在基板两侧完成，装配流程更简洁，磁性介质层在构成磁路的同时也作为基板的机械载体，省去了在基板内部嵌入分立磁芯的步骤。

14、作为优选，多个所述磁性介质层设有沿其厚度方向贯穿的通孔，所述垂直导通结构为填充于所述通孔中的导电体。

15、采用前述技术方案，垂直通孔加工简单，有助于降低加工难度，导电体填充于通孔中，通孔内壁对导电体形成包围约束，导电体与磁性介质层之间紧密贴合，无需额外设置层间连接结构即可实现跨磁性介质层的垂直导通。

16、作为优选，部分所述磁性介质层中设有沿层面方向延伸的槽，填充于所述槽中的水平导电体构成用于传导电流的所述水平导通结构。

17、采用前述技术方案，填充于槽中的水平导电体构成水平导通结构，该水平导电体的截面积由槽深和槽宽共同决定，在相同载流能力下，可增大槽深以收窄宽度，使得导电路径在层面方向上的外廓尺寸减小，回路在层面方向上的跨越距离缩短，回路面积减小，从而降低电路结构的寄生电感。

18、作为优选，所述水平导通结构包括沿磁性介质层的层面方向延伸的导电片，部分所述磁性介质层上设有所述导电片，在厚度方向上间隔的多个所述导电片构成一个所述电感单元的线圈结构，相邻导电片之间通过垂直导通结构串联而形成所述电感单元的导体。

19、采用前述技术方案，水平导通结构包括构成电感单元的导体的导电片，导电片以带状宽面贴合磁性介质层，在相同匝数和相同基板平面面积下，能够获得比传统绕线更高的单匝电感值，有助于在有限的基板尺寸内实现更大的电感量。

20、作为优选，所述输出端与所述第二焊盘在所述厚度方向上间隔，所述垂直导通结构包括自所述第二焊盘至所述输出端贯穿磁性介质层的直通结构，所述直通结构构成所述电感单元的导体部分，环绕所述直通结构的所述磁性介质层构成所述电感单元的磁性部分。

21、采用前述技术方案，直通结构为一根贯穿多个磁性介质层的单根连续导电柱，截面积大、导电路径平直且总长度短，无层间串联连接点，直流电阻低，载流能力强，磁性介质层沿周向包围直通结构，形成闭合磁路，构成立式电感，多根直通结构可在层面方向上间隔设置，各电感单元磁路独立，该方案的直通结构制备工艺简单，并且更加适用于大电流、低感值的多相供电场景。

22、作为优选，还包括设于所述第二表面的第三焊盘，所述第三焊盘与所述电感单元对应设置并用于连接电容，焊接于所述第三焊盘的电容通过所述电路结构与所述电感单元并联。

23、采用前述技术方案，在需要电容和电感单元配合进行滤波稳压的场景下，用于连接电容的第三焊盘设置于第二表面，电容和电源芯片的焊接位于同一侧，有助于降低焊接难度。

24、作为优选，所述多个电感单元在平行于第一表面的平面内间隔排布。

25、采用前述技术方案，多个电感单元在平行于第一表面的平面内间隔排布，使得各电感单元在磁性基板内部占据相对独立的磁性介质层区域，由于磁性介质层自身绝缘，相邻电感单元之间可通过控制间距实现磁路耦合或磁路独立，即，在间距较小时形成耦合电感、在间距较大时实现非耦合电感，兼顾了不同的电路拓扑需求，无需改变基板的层结构；

26、此外，多个电感单元分散在层面平面内，各单元产热分布于基板本体的不同区域，避免热量集中于单一热点，有利于基板的散热均匀性；

27、同时，各电感单元在同一平面内排布而未沿厚度方向堆叠，基板的总厚度不受电感数量增加的影响，有利于保持功率模块的薄型化。

28、作为优选，所述电路结构的材质为固态金属，所述固态金属选自铜和银。

29、采用前述技术方案，有助于降低电路结构的电阻。

30、作为优选，所述磁性介质层由软磁合金粉末烧结形成，所述软磁合金粉末的表面具有绝缘层。

31、采用前述技术方案，磁性介质层由具有绝缘层的软磁合金粉末烧结而成，使得磁性介质层兼具高磁导率、高饱和磁通密度、良好的导热性以及可靠的绝缘性能，一方面为电感单元提供低磁阻的高效磁路，另一方面通过颗粒间的绝缘包覆层实现相邻颗粒和相邻电感单元之间的电隔离，同时较高的导热系数有利于将电感单元和电源芯片产生的热量快速导出，降低基板本体的工作温度。

32、作为优选，所述软磁合金粉末为铁硅铬合金粉末。

33、采用前述技术方案，铁硅铬合金粉末在绝缘层热稳定性、涡流损耗、抗氧化性和成本之间取得了较好的平衡，尤其适用于需要高温共烧且对绝缘可靠性要求较高的磁性介质层制备场景。

34、本发明还提出多相功率模块，包括电源芯片以及前述任一技术方案的功率基板，电源芯片焊接于第二焊盘上。

35、本发明的多相功率模块，由于采用了前述任一技术方案的功率基板，故该多相功率模块具有前述所有技术方案的功率基板的全部技术效果。

36、本发明还提出功率基板的制备方法，用于制备前述任一技术方案的功率基板，制备方法包括以下步骤：

37、将软磁合金粉末、粘合剂、分散剂和溶剂混合形成磁性浆料；

38、将所述磁性浆料刮涂于膜带上，所述磁性浆料干燥后制得承载于膜带的磁性生带；

39、在所述磁性生带上加工出垂直通孔；

40、在所述磁性生带上形成导电浆料图案并在所述垂直通孔中填充导电浆料，以分别得到水平导通结构和垂直导通结构；

41、将多个所述磁性生带叠层形成生带结构；

42、将叠层好的所述生带结构压合形成一体的生坯；

43、生坯烧结形成基板。

44、本发明提出的功率基板的制备方法，电感线圈与互联电路采用相同的导电浆料，在同一道共烧工艺中一体成型，无需额外绕线或外购分立电感元件，减少了元件采购、贴装和焊接工序；

45、各磁性生带上垂直通孔的加工与导电图案的印刷可在同一道丝网印刷工序中完成，制程精简；

46、多层磁性生带经视觉对位逐层堆叠后一次压合烧结，各层导电体在共烧中烧结互连为连续导电结构，层间电连接可靠；

47、整个制备流程与叠层共烧工艺兼容，可实现批量化生产。

48、作为优选，所述磁性浆料的具体成分组成及各成分的质量占比如下：

49、软磁合金粉末为铁硅铬粉末，占比为71.0%～83.0%；

50、溶剂为甲苯和醇类，占比为15.5%～25.0%；

51、粘合剂为聚乙烯缩醛树脂，占比为1.25%～2.55%；

52、分散剂为有机硅润湿分散剂，占比为0.25%～1.5%。

53、采用前述技术方案，该配方各组分比例协调，浆料粘度适宜流延成型，生带表面平整、厚度均匀，有利于后续通孔加工和叠层对位的精度。

54、作为优选，所述磁性浆料的具体成分中还包括增塑剂，所述增塑剂为改性酯类和/或多元醇衍生物，以所述磁性浆料的总质量为基准，所述增塑剂的质量占比不超过0.42%。

55、采用前述技术方案，增塑剂的加入可降低粘合剂（聚乙烯缩醛树脂）的玻璃化转变温度，提高磁性生带的柔韧性，使生带在剥离膜带、冲孔加工和叠层搬运过程中不易脆裂，减少生带的破损率；

56、改性酯类和/或多元醇衍生物（如 dinch、optifilm）与聚乙烯缩醛树脂相容性好，挥发温度适中，在排胶阶段可充分分解排出，不易残留；

57、增塑剂的质量占比不超过 0.42%，在提升生带柔韧性的同时不显著降低生带的机械强度，并且也不会显著增加排胶阶段的挥发量，有利于保持烧结后坯体的致密度。

58、作为优选，形成所述水平导通结构的方式选自以下至少一种：

59、在所述磁性生带上印刷导电浆料，以形成导电片；

60、在所述磁性生带上，于预设的导电图案区域周围印刷介质浆料，所述介质浆料固化后形成围堰结构，所述围堰结构围合形成至少一个槽，向所述槽中填入导电浆料，以形成水平导电体。

61、采用前述技术方案，形成水平导通结构的两种方式可根据电流承载需求灵活选用或组合使用，便于根据基板内不同位置的载流需求灵活设计。

62、本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细地揭露。