一种用于微型电源模块的薄膜电感器
摘要： 文章提出了一种把电感器、电容器和控制集成电路紧密地封装在一起的、高度仅为1.3mm的高效率低高度的DC-DC电压变换器。实现这种微小型电源模块的关键是使其采用的电感器达到微小型化，本文将重点介绍采用薄膜磁心绕线型电感器的制作与性能。
关键字： 微型电源模块，薄膜电感器，DC-DC变换器
1 引言近些年来，集成封装的低高度、低输出电压、高功率密度和高效率的DC-DC变换器发展迅速。这在很大程度上取决于无源元件不断微小型化作出的贡献。依靠半导体技术发展的支持，无源元件和控制IC集成的电源组件在功率密度和效率方面更有长足进步，不断向着尺寸小，重量轻的方向迈进。但是，在对电子设备的微小型化进程系统分析后，我们仍然会感觉到系统中的电感元件还是在发生着阻碍作用。所以，这方面的研发力度也在不断增加。现在，将DC-DC变换器所必需的控制IC，MOSFET、二极管和其它元器件集成封装在一个芯片上已是比较成熟的工艺。这种高密度的集成封装不仅很大程度上减小了电源模块的尺寸、重量和提高了功率密度，同时在控制成本上也很有裨益。
本文介绍一种采用薄膜生产设备制作的磁心和平面线圈电感器，它与其它元器件一起封装成的电压变换器厚度仅仅1mm，这就使电感元件在DC-DC变换器中占据的体积重量大为减小，而且，紧凑的集成封装也提高了元器件连接的可靠性。
2 非隔离型降压型DC-DC变换器的组成
图1是非隔离降压型DC-DC变换器基本电路图，它由包括用作同步整流器的开关晶体管Tr1和Tr2、电感器L和电容器C组成。这种DC-DC变换器的总厚度被限制在1mm以下，所以其电感器采用薄膜磁心的绕线平面电感器，电源控制用的集成电路(IC)采用裸片，这样就为电源组件实现小型化与减小结构厚度创造了条件。为了解决其散热问题，研发工程师们采用模压塑封，使得其封装尺寸达到了6.0×6.0×1.0(mm3)。
用作电源控制的集成电路，由在硅裸片上用作同步整流的晶体管Tr1和Tr2组成。以下表1至表4列出了这种DC-DC变换器中一些元件的结构与性能：表1显示了裸片尺寸为2.0×1.3mm2，厚度为0.25mm，与其同类封装的产品如SON8(3.0×2.9×0.9mm3)比较，它的面积减小了约70%。硅基片末端的接地在厚度方向，键合点以90μm2的方形铝(Al)电极作为连接线。控制IC的电气性能列于表2，其工作频率为800kHz，采用PWM/VFM的开关模式，并采用同步整流方式。使用VFM开关模式时，输入电压Vin=2.4~5.5V，输出电压Vout=0.8~0.2V。
表1 控制IC的结构与尺寸
尺寸 2.0×1.3×0.25(mm3)
背面材料 Si
键合点 Al
表2 控制IC的电气性能指标
Vin 2.4~5.5V
Vout 0.8~0.2V
f 500kHz
表3 用薄膜磁心螺旋线圈电感器的构成
尺寸 4.4×2.7×0.6(mm3)
结构 电感器(0.45mm)装在MPS基片上(FR， 4×1.14mm2)
键合点 Au(0.2μm)，Ni(3.0μm)在MPS基片上
表4 薄膜磁心螺旋线圈电感器的电气性能
Ls 5.0±0.5μH (@F=800kHz)
Rs 1.4±0.1Ω (@F=800kHz)
3 薄膜磁心螺旋线圈电感器结构性能
薄膜磁心螺旋线圈电感器的构成见图2和表3所示。按照DC-DC变换器微小型化的要求，其使用的电感器由CoFeSiB/SiO2磁性叠层薄膜和聚酰胺片组成的复合叠层磁心和2层螺旋线圈构成，它们均被安装在MPS电路板的键合点上。而磁性薄膜则沉积在厚度为12.5μm的柔性聚酰胺片的两个面上，然后用8片叠合得到复合多层磁心。线圈是用直导线在磁心上绕两层，形成螺旋状线圈结构。MPS电路板的结构组成为：100μm厚的玻璃环氧树电路板上布有12μm厚度的铜箔条状图形，并镀有Au/Ni层的键合点，作为封装布线是用Au线连接。
薄膜磁心绕线电感器的尺寸是4.4×2.3×0.45mm3，将其安装在MPS电路板上（其尺寸为4.4×2.7×0.15mm3），整体结构尺寸为4.4×2.7×0.6mm3。表4列出了该电感器的电气性能指标。当电流达到最大值即0.3A时，将获得L=5.0±0.5μH的电感量，Rs=1.4±0.1Ω的电阻值，其开关频率为800kHz。如图3(a)所示，在100kHz到10MHz频率范围内，电感器有恒定的电感量，说明这种元件具有优良的高频特性；而从图3(b)可见，作为直流偏置特性，电流在0.4A之前，电感值均保持恒定。由此证明，将该电感器用作平滑扼流使用可具有良好的令人满意的特性。
4 集成封装微型电源模块的性能检测
4.1 电性能指标
图4所示为该电源模块变换效率的检测结果。图4(a)显示了输出电压Vout=2V时的变换效率曲线：在Vin=3V时有最大的变换效率92%，而输出电流达到峰值即Iout=30mA。这说明它的变换效率与普通分立元件安装在印制电路板(PCB)上的产品效率相近似。图4(b)是输出电压Vout=0.8V时的变换效率特性曲线。由图可见，Vin=3.0V时具有最大的变换效率70%，而输出电流达到峰值即Iout=30mA。检测证实，在负载波动的情况下，输出电压稳定。本微型电源模块的功率密度达到45W/cm3。
4.2 发热情况检测
图5所示为紧凑整体封装微型电源模块发热特性的检测结果。该电源安装在PCB上，在实际的工作状态下测试其外壳表面的温度。在Vin=5.0V，Vout=0.8V和Iout=0.3A时，测得的变换效率为45%；可以认为这是这些条件下呈现的最低效率。在本例中，产品表面的温度约为49℃，室温Ta=+21℃。故其表面温升ΔT=28℃，整个测试系统处于热平衡状态。产生的损耗约0.29W。根据实验结果，在实际工作中产品产生的热量完全可以自然散去，所以采用紧凑型整体封装是可行的，这种结构的热阻足够低。
5 小结
本例研制的紧凑型整体封装DC-DC变换器是将电源控制IC裸片和薄膜磁心绕线电感器组装在一起，裸片尺寸是2.0×1.3×0.25mm3，电感器的尺寸为4.4×2.7×0.6mm3，用模塑封装工艺制成了薄型整体封装的DC-DC变换器。该变换器在Vout=2.0V和Iout=30mA时，其最大变换效率92%，与普通分立元件组装在PCB上的产品效率等效。在Vout=0.8V和Iout=30mA以下的低输出状态下，得到的最大变换效率为70%。每个被封装元件的表面温度在室温下测试中可见，这种封装结构的散热性良好。
《编译自“IEEETrans，Magn.， 2004， 40(4)2029~2031”》
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