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服务器一体成型电感的技术难点与突围之路

2025-05-20 16:59:10 来源:电子变压器与电感网 作者:周执 点击:1028

随着人工智能、云计算及高性能计算的迅猛发展,服务器作为数字时代的核心基础设施,对关键电子元器件的性能要求日益严苛。其中,一体成型电感作为服务器主板电源模块的核心组件,其小型化、高频化、高可靠性及大电流承载能力直接决定了整机效能与稳定性。

近年来,国内企业在这一领域持续突破,逐步实现了从中低端市场替代到高端技术攻关的跨越。然而,在材料研发、工艺优化及设备精度等方面,仍面临诸多挑战。

本文聚焦服务器用一体成型电感的技术现状,深入剖析国产化进程中的技术难点与解决方案,并探讨国内外一体成型电感设备市场格局及未来发展趋势,为行业提供参考与启示。

对话嘉宾

 一、服务器用一体成型电感现状及技术难点

Q:对于服务器主板用一体成型电感,国内企业现状如何?目前存在的技术难点有哪些?

铂科:目前,国内企业在一体成型电感的生产制造方面已经取得了一定进展,部分企业能够满足市场对相关一体成型电感产品的要求。然而,在技术层面仍存在一些难点需要攻克。例如,如何在提升材料磁导率的同时保证材料饱和特性,如何进一步优化生产工艺确保发挥材料最佳特性,以及如何确保产品的稳定性和一致性等。

当前面临的技术难点主要集中在两个方面:一是开发高性能的软磁材料;二是开发新工艺充分发挥材料的潜力,使其达到最佳性能表现。具体而言,这涉及到如何提高材料的功率密度以及优化其磁性特性,以确保材料在电感应用中能够充分发挥其优势。

田村:国内企业具有成本优势,国产电感价格较日系(TDK/村田)低30-50%,在PCIe 4.0及以下规格中已实现批量替代。

目前存在的技术难点有哪些:

(1)高频插入损耗: 2400MHz处≥1.5dB(需双电感滤波);0.8dB(单电感方案)。

(2)磁粉纯度不足(国产98% vs 日系99.5%),导致涡流损耗高。

(3)温度循环可靠性,500次循环后感值漂移±10% (JESD22A108标准±3%)。

(4)大尺寸公差控制;磁芯与基板粘接工艺不稳定。

(5) 模具精度和等静压工艺落后。

(6)AEC-Q200认证,仅少数型号通过。

(7)测试设备与标准体系不完善 。

(8)高温可靠性,125℃下寿命<5年(实测)。

(9)封装树脂耐温性不足。

(10)AECQ101认证无量产认证,主流厂商均通过 。

风华高科:国内的一体成型电感的产业链是比较完善的,企业具有独立的研发能力。部分企业有与院校进行合作研发,也有企业与欧美企业进行代工,国内企业的能力也是多元化的,国内的企业有能力把服务器主板用一体成型电感做好,满足服务器的发展需求。

目前主要存在的问题是材料技术与设备技术还跟不上服务器的发展,电流、电压与频率特性还不能完全达到要求,国内也有部分企业进行技术攻关中,相信这些技术难点很快有突破。

麦捷:服务器作为一个不间断工作的设备,对于一体成型电感的可靠性以及效率提出了新的要求;

除了我们常规关注的DCR,Isat以外,我们还要重点关注一体成型电感效率。另外,公司产品都是严格按照车载可靠性在设计和管控,能够满足服务器高强度连续工作的特点。

铭普:(1)国内一体成型电感企业在中低端市场已实现替代,高端领域(如AI服务器、车规级)占有率还比较低,但需要通过材料革新、工艺升级及与客户深度合作,来攻克高频、大电流技术瓶颈,来满足更高端应用要求。

(2)材料与工艺限制:小型化(如4.5mm×4.0mm)封装易导致散热不良,需优化树脂填充工艺以平衡体积与热管理。

开关频率提升至 MHz级,铁基金属粉芯制成的传统一体成型电感磁芯损耗显著增加,亟需开发出损耗媲美铁氧体磁芯的低损耗材料。

AI服务器瞬时负载波动大,电感需在微秒级完成能量释放,对磁芯动态特性要求极高。

需通过2000小时或更长时间的高温高湿测试,及高达万次温度循环,国产一体成型电感在极端环境下的耐久性仍需提升。

星特:目前在服务器电源中,服务器一体成型电感的生产对于我们的设备而言,已不存在显著的技术难点。实际上,电感生产过程中最大的痛点并非设备本身,而在于粉材的开发与应用。一体成型电感设备仅是执行生产任务的工具,只要明确生产要求,设备即可完成相应操作。因此,设备并非电感生产的瓶颈,真正的挑战在于产品的开发与性能优化。

国内在粉材开发方面曾面临较大困难。过去,国内企业多依赖进口粉材,例如乾坤公司目前仍使用日本进口的粉材。然而,随着国内相关产业的兴起,国内企业已开始逐步开发并应用国产粉材,羰基粉、合金粉以及非晶材料等,粉材与胶水的配方比例是粉材开发的核心要点。不同粉材具有不同的特性,例如合金粉具有耐腐蚀性,而羰基粉则可能采用半包覆型结构。

Q:针对这些技术难点,贵司是如何解决的?推出了哪些产品?

铂科:在材料选择方面,市场上有多种方案可供选择,如铁硅、铁硅铬、非晶、铁氧体等。而国内部分企业采用的是铁硅铬合金材料,铂科通过高性能铁硅材料结合铜铁共烧工艺实现高磁导率与低损耗的特性,这种工艺能够满足服务器主板对一体成型电感小尺寸、大电流和高效率的要求。

麦捷:麦捷科技在材料选择上,优化材料组合,如选用低热膨胀系数的磁芯材料。

采用扁平绕组减少趋肤效应,磁芯表面涂敷绝缘层来抑制涡流;我司全面导入 MEMS系统实现精密结构。导入激光焊接并引入自动检测。

麦捷先后推出MPIM系列,MPSM系列,MAPM-D系列,MAPM-DH系列,MPF系列等一体成型电感工艺的产品,年产能已超百亿只,且在持续扩充优势品类产能,目前在大陆市场产品占有率处于领先水平。

麦捷科技作为国内一体成型电感行业的龙头,在材料开发和工艺创新上都积累了深厚的经验。麦捷科技全资收购了国内合金粉料制造商安可远,对电感的供应链进行了垂直整合,也是国内率先实现原材料自产的电感企业。

  二、一体成型电感的制作工艺难点及解决方案

Q:随着一体电感厚度的不断减小,工艺方面的挑战日益凸显。一体成型电感所面临的制作工艺有哪些难点?对于这些难点,有哪些解决方案?

麦格米特:1. 大电流与小体积的平衡:在高功率应用场景中,如何在保持小体积的同时满足大电流的需求,是当前面临的一大挑战。

2. 铜铁共烧工艺的局限性:

高温退火问题:铜铁共烧工艺需要较高的温度,通常达到400℃-500℃。然而,目前所用的绝缘材料的耐温能力一般仅在200℃多度,难以承受如此高的温度,这限制了工艺的应用范围。

电感量的提升瓶颈:目前铜铁共烧电感的圈数通常仅有一匝,电感量一般处于纳亨(nH)级别。若该工艺能够实现微亨(uH)甚至更高级别的电感量,则有望突破现有局限。

3.工艺拓展性不足:铜铁共烧工艺是将粉料和线圈同时成型后进行烧制。由于绝缘材料的耐温限制,目前难以实现多匝设计。若能突破这一瓶颈,该工艺不仅可用于芯片电感,还可广泛应用于主板、电源板等其他领域,从而有效解决大电流、小体积的矛盾。

铂科:随着一体成型电感尺寸的小型化,其制作工艺面临的挑战愈发显著。一体成型电感的制造工艺存在诸多难点。传统模压一体工艺虽然相对成熟,但存在功密度难以提升的问题,产品特性不佳。为了获得高性能采用高压成型,但高压可能引发诸多次生灾害,例如降低绝缘阻抗、增加短路风险等。而高达MHz频率,对材料要求更低的损耗。

铜铁共烧产品成型性差以及和良品率低。由于磁粉芯工艺缺少高分子材料的粘结,一般企业生产的产品成型性较差,绝缘特性(IR低)差。

总体而言,工艺方面的核心挑战在于如何提高材料的功率密度,功率密度越高,其尺寸可以更小。因此,企业需要通过优化工艺来提升性能。

解决方案:

铂科主要采用铜铁共烧工艺,该工艺基于传统磁粉芯技术。铂科在软磁粉芯领域积累了丰富的技术经验,涵盖材料技术、成型技术和退火技术等。凭借这些综合技术优势,铂科能够有效解决当前面临的工艺难题。

目前,国内许多企业试图模仿我们的铜铁共烧工艺,但面临两大挑战:一是缺乏高端材料支持;二是磁粉芯工艺本身较为复杂,压制后容易出现难成型、绝缘不良等问题。而铂科凭借多年的技术积累,已攻克了这些痛点和难点。

在磁粉芯的特性方面,磁导率、饱和磁感应强度和损耗是关键指标。传统铁硅材料难以实现低损耗,但我们通过不断迭代磁粉芯技术,从第一代到第四代,损耗不断降低,即使在高频条件下也能保持低损耗。这种材料是我们独有的,其他企业难以具备,这也是我们的核心优势之一。

在市场份额方面,铂科专注于特定领域。传统一体电感在市场中占据较大份额。但铂科目前主要聚焦于高功率密度需求的GPU市场,传统一体成型电感市场占率相对较低。在该领域,我们与台湾电感头部企业表现较为突出,国外企业则鲜有在该领域表现出色的。由于AI领域的GPU应用定制化程度高、市场规模相对较小且较为细分,我们目前主要为AI服务器提供一体电感解决方案。

田村:工艺有以下难点

难点

关键技术突破案例

1. 超薄电感量产工艺(厚度≤2mm)

  • 材料创新: 日本TDK采用Fe-Si-Al纳米晶复合粉体(粒径5nm),在1.5mm厚度下实现μi=1200@1MHz,涡流损耗tanδ<0.008%。
  • 工艺优化: 分步加压法:预压(50MPa)→半固化(150℃/30min)→终压(300MPa)→退火(200℃/2h),模具设计:4阶台阶式模具结构,解决边缘应力集中问题(开裂率从12%降至2%)。

2. 高频薄型电感封装技术

三维堆叠结构: 村田制作所开发"三明治"封装(电感层+陶瓷基板+接地层),将2.5mm厚电感压缩至0.8mm,SRF提升至12GHz。

界面强化工艺:采用银浆凸点(直径50μm,高度30μm)替代传统焊锡,结合力提升至15N(行业平均10N)。

国产化工艺瓶颈与对策

1. 材料端

痛点:国产FeSiAl粉体粒径分布(D50=15μm vs 日系D50=5μm),导致涡流损耗高30%。

解决方案:与清华大学合作开发气雾化制粉设备(粒径控制&plusmn;2μm),已在中试阶段产出合格粉体。

2. 设备端

痛点: 国产等静压机最大压力仅100MPa(日系达500MPa),无法满足薄型化需求

解决方案:引进德国Buhler液压系统,改造现有设备至300MPa压力等级(成本增加200%)。

3. 工艺标准

痛点:缺乏薄型电感专用工艺规范(如绕线张力控制标准)。

解决方案:制定《高频薄型电感制造工艺规范》(GB/T XXXXX-2024),涵盖20项核心参数。

胜美达:对于尺寸较小的一体成型电感,例如4mm×4mm、高度约0.8mm的产品,常用于可穿戴设备等对体积要求严格的场景。当一体成型电感尺寸减小时,粉料和胶水的性能至关重要。如果粉料和胶水质量不佳,会导致材料过于脆弱,难以成型。一旦成型失败,材料和胶水的兼容性问题将导致产品无法正常使用。

此外,一些车载应用中的一体成型电感会采用灌封工艺,即将一体成型电感整体灌封在保护材料中,以增强其机械强度和环境适应性。然而,这种灌封工艺在面对如刮风等恶劣环境时,仍可能引发问题,影响产品可靠性。因此,目前此类产品的出货量尚未达到大规模水平,仍需进一步优化工艺以提升产品稳定性和市场接受度。

风华高科:随着一体成型电感的厚度不断减小,目前以阿尔法绕线及干压成型工艺来制作一体成型电感将面临着产品空间太小、本体强度不足、设备精度不足、良率过低、材料成本过高等问题,也给设计工程师、工艺工程师、设备工程师提出很大的考验。目前国外有用到薄膜工艺及交迭印刷工艺去制作小尺寸、薄形化的功率电感,国内也有企业进行研究薄膜工艺及交迭印刷工艺。

解决方案:

我们成立了专门团队在传统阿尔法绕线及干压成型工艺上不断进行研究及升级、对薄膜工艺及交迭印刷工艺进行研究,计划在两个方向上都能有所突破。目前我们主要推出小尺寸的一体成型电感及车规级的一体成型电感,已经形成大批量出货,并得到国内外客户的认可。我们的2025规模是月产3亿只小尺寸一体成型电感及2亿只车规一体成型电感,计划2027年达到10亿只小尺寸一体成型电感及5亿只车规一体成型电感。

麦捷:一体成型电感是个工艺的统称,我们也在不断的创新。从最早的料片式到H-core工艺,再到打扁工艺,到现在流行的铜铁共烧工艺。麦捷都有相应的工艺平台;

难点主要体现在以下几个方面

1: 材料兼容性:

磁芯材料(非晶/合金)与铜线的热膨胀系数差异大,高温烧结或固化时易产生应力,导致磁芯开裂或绕组变形。

2:高频损耗与寄生参数控制

高频下导体趋肤效应和邻近效应显著,导致电阻增大。多层绕组的寄生电容也会降低 Q 值。

3:小型化与散热矛盾

一体成型电感需在极小空间内集成高电感值和大电流能力,导致散热困难,易引发温升过高

4: 制造工艺挑战

精密成型:磁芯与绕组的一体化成型需要高精度模具,如粉末冶金或注塑工艺,否则易出现尺寸偏差。

电极连接:绕组与外部电极的焊接或压接需保证低接触电阻和机械可靠性,尤其在高频大电流下。

铭普:随着电子设备薄型化、高密度化发展,一体成型电感的厚度要求也由3~4mm快速提升到2mm以下,极端情况已经突破1mm以下,这对磁粉粒径级配精度、压制工艺要求和烧结条件,都提出了更高的要求。

磁粉粒径级配精度:采用气流分级,将粉末粒径分布控制在5~20μm,配合高频微幅震动,将填充精度变差提升至&plusmn;2%;

压制工艺提升:引入等静压成型技术,实现多向均匀施压,消除边缘应力集中效应,密度一致性提升至99%以上;

烧结条件优化:通过AI仿真,预测材料收缩行为,优化烧结梯度曲线,提高收缩率与封装工艺的配合精度,降低烧结变形引起的各种外观缺陷。

解决方案:

铭普光磁在一体成型电感领域,布局有传统冷压工艺全自动化产线和热压工艺全自动线接近20条,已覆盖2.5mm*2.0mm*1.0mm~22mm*22mm*13mm近乎全系列产品量产,被广泛应用在PC、服务器、汽车、AI及算力中心等领域,年产一体成型电感达到产量产值 双“亿”级规模,力争在2028年成为国内一体成型电感第一梯队。

  三、国内外一体成型电感设备市场情况

Q:目前服务器一体电感设备的市场情况如何?客户使用国产设备多,还是国外品牌多一些?市占率多少?

星特:几年前,国外一体成型电感设备的使用比例相对较高,尤其是日本一体成型电感设备,例如日特品牌较为常见。然而,随着一体成型电感工艺的逐渐成熟,国内一些新兴企业如和博、凡贤,星特等迅速崛起,开始为国内龙头企业(如顺络电子、麦捷科技等)提供设备支持。目前,这些国内龙头企业所使用的一体成型电感设备中,约70%以上为国产一体成型电感设备,而剩余30%为早期从国外进口的一体成型电感设备。

设备

在某些特定设备方面,如共模绕线机和多轴机,过去由于国内加工尺寸精度难以满足客户对高精度、小型化产品的要求,国外设备曾占据一定优势。但随着国内自动化设备的快速发展,国产设备在尺寸加工精度上已取得显著进步。同时,国产设备在价格上具有较大优势,尤其在电感需求量不断增加的背景下,企业为了降低成本、提升竞争力,更倾向于选择性价比更高的国产设备,从而逐步取代了部分国外设备。

市占率:

从数量上看,国产一体成型电感设备在国内市场已实现对日本进口一体成型电感设备的全面替代。市场上调研,顺络电子、麦捷科技等国内企业已基本不再使用国外一体成型电感设备,国产一体成型电感设备的市场占有率高达95%以上。以顺络电子为例,其500台TC设备中仅有几台八轴机为国外品牌,占比微乎其微,因此国产一体成型电感设备在该细分领域的市场占有率可视为接近100%,已在国内市场实现全面替代。

然而,对于其他类型的产品,如共模产品或精密陶瓷相关设备,部分企业仍会选择日特等国外品牌,但其市场占比相对较低,且因产品特性不同而有所差异。因此,不能一概而论地认为国产一体成型电感设备在所有产品领域都已完全取代国外一体成型电感设备。

Q:相比国外的设备,国内一体成型电感设备的成本优势大概的幅度有多少?

星特:国内设备相比国外设备的成本优势大致在30%至50%之间,甚至可能更高。国外设备因涉及进出口税、关税等附加费用,整体成本相对较高。此外,国外设备在售后服务方面,由于人员培训、差旅及住宿等费用的增加,进一步推高了使用成本。

相比之下,国内一体成型电感设备在本地化服务方面具有显著优势。例如,国内设备供应商与客户地理位置相近,能够有效降低运输、安装调试以及售后服务等环节的成本。以维护顺络电子为例,若设备供应商距离其公司仅20公里,可大幅节省差旅、住宿等费用。因此,国内设备在综合成本上更具竞争力,能够为客户提供更具性价比的选择。

Q:星特的设备能实现一体电感的哪些生产工序?是否可以实现全线自动化?

星特:目前一体成型电感行业主推两种工艺。

一种是02系的TC小型电感工艺。从冷压、绕线到热压成型的整线段工艺,星特能够实现从设备生产到配合客户进行产品类目开发的全流程服务。星特具备从粉料加工到成型的完整能力,能够满足客户在02系产品方面的需求。

另一种是目前主推的车规类产品工艺。针对车规级产品的需求,如小米汽车等,行业推出了04、05、06系车规产品。针对这些产品,星特能够做到从绕线到折弯,再到封装、组装,均采用整线式流程,确保工艺的完整性和产品的可靠性。

  结语

国内一体成型电感在中低端市场已实现规模化替代,部分一体成型电感价格较日系低30%-50%,但在高端领域(如AI服务器、车规级)仍面临核心技术瓶颈,包括磁粉纯度不足(国产98% vs 日系99.5%)、高频插入损耗高、高温可靠性不足(125℃下寿命<5年)、封装散热矛盾等。此外,测试标准体系与认证能力(如AEC-Q200)尚未完善,制约高端应用渗透。

与此同时,国内各一体成型电感厂商正通过材料创新与工艺优化应对挑战:

材料端:开发高性能软磁材料(如铂科的铁硅合金、TDK的纳米晶粉体),降低涡流损耗;

工艺端:引入铜铁共烧技术(铂科)、等静压成型(铭普)、三维堆叠封装(村田),提升功率密度与良率;

设备端:国产设备(如星特)实现70%以上国产化替代,成本较进口低30%-50%,并在自动化产线、精密加工领域逐步突破。

未来,随着AI算力与车规级需求爆发,一体成型电感将向更薄(≤1mm)、高频(MHz级)、高可靠性方向迭代。一体成型电感产业链需协同攻克材料纯度、工艺标准、测试认证等短板,同时加速垂直整合(如麦捷收购粉料企业安可远),以提升国际竞争力。

 

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