电感器件埋入PCB板的设计原理及加工过程解析

黄江波 胡贤金 王一雄

（深圳市迅捷兴电路技术有限公司，广东 深圳 518054）

1 前言

随着电子硬件的高密度小型化发展趋势，促使电路板的表面积急剧减少，且板面上要求贴装的电子元件却有增无减。在电源模块中，电感器件所占用电源板表面40%以上的面积，不利产品小型化、高密度化。而且大部分电感器件都需要手工去贴装，成了影响封装效率的关键因数，为了寻求良好的解决方案，部分电子开发商设想将电感的磁芯部分埋入PCB的内部，减少板面空间以增强板面的布线、布件能力，从而取代板面上的电感器件节约板面空间，实现高密度小型化。同时避免了部分电感器件需要手工贴装的繁琐，同步实现自动化组装，对封装效率大幅度提升。本文主要解析内埋无源电感器件的设计原理及加工过程，可供同行参考借鉴。

2 电感器件内埋的机理

实现内埋式电感器件，必须满足电感的两个物理条件有磁芯及环绕的线圈，才能在直流、交流电中利用导电线圈储存交流磁场能量，完成相应的电路功能。所以电感内埋磁芯与线圈是必不可缺的。磁芯可以通过镶嵌的方式埋入PCB内部，而环绕的线圈，则需要环磁芯内外围布置金属孔与线路连接来导通，以内径的钻孔点向外径钻孔点旋转的方式连接，并设计电路回路端口替代环绕线圈。如图1所示。

布局金属孔与线路还需要精确计算叠层厚度、磁芯内埋深度、圆环磁芯内径外径大小而布置，才能使其在直流、交流电中利用导电线圈储存交流磁场能量，达到预期的电路功能。

3 埋置电感元件的技术解析

3.1 产品设计解析

3.1.1 磁芯的选择及电感值计算

（1）磁芯元件是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响。磁性材料有很多种类，特性各异，本次选择铁粉芯材料的磁环。铁粉芯是所有粉芯材料中最为便宜的材料，磁导率一般在4～80左右。由于颗粒之间相互都绝缘，与硅钢片相比虽然涡流损耗被大大地降低，但高频情况下由损耗导致的温升仍很高。所以铁粉芯一般用于较低开关频率的场合。铁粉芯的饱和磁感应强度一般在1特斯拉（T）左右。参考嘉城电子公司铁粉末铁芯规格及性能如表1；

（2）根据嘉城电子公司铁粉末铁芯规格本次试样选择型号（T44-26），应用软件模拟计算电感值，如图2。

表1 铁粉末铁芯规格及性能表

由软件计算出环状线圈电感值Lo=13 mH。为了达到电感值的恒定量13 mH，设计的金属孔及布线必须对磁环环绕26圈，因为电感量只是一个与线圈的圈数、大小形状和介质有关的一个参量，它是电感线圈惯性的量度而与外加电流无关。同时考虑到导线及金属孔所能承受的电流值，所以导线承载电流值需要≥0.5 A，参考表2：MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment；

按IPC三级标准，面铜控制35 mm，孔铜25 mm时，设计线路及金属过孔线宽需≥0.2 mm，金属过孔≥0.2 mm。

3.1.2 PCB资料设计解析

（1）根据铁芯尺寸11.2 mm、4.04 mm、5.82 mm，在PCB文件中设计圆环槽外框线，在环槽的内围及外围设计钻孔点（图3）；考虑到钻孔加工的孔位精度，所设计的钻孔点与磁芯的间距保证在0.2 mm以上。

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

图3 磁芯内外围设计金属孔导通

（2）在顶层及底层布线，各层的布线以内径的钻孔点向外径钻孔点旋转的方式连接，并设计电路回路端口。对磁环的环绕圈数为26圈，其线宽要求≥0.2 mm。如图4布线所示。

图4 布线与钻孔连接对磁环形成环绕

如上设计利用钻孔点及布线替代线圈对圆环磁芯进行环绕。满足电感的两个物理条件，实现电感内埋。

3.1.3 流程设计

开料→控深铣→单面蚀刻→镶嵌磁芯→压合→钻孔→沉铜加厚→图形制作→镀铜蚀刻→产品检测

3.2 加工过程解析

3.2.1 铣出镶嵌槽

PCB板件在开料后，根据磁芯材料的尺寸，采用机械控深的方式，铣出所需要的圆环槽，如图5所示。

环形槽孔中间的树脂保留着，在层压过程中不存在大量填胶的问题。为了将磁芯放入铣出的槽孔，则铣出的内径需要比磁芯内径最小尺寸还小，比磁芯外径最大尺寸要大，同时考虑到机器的精度问题以及填胶的问题，所以铣槽孔的内径需要比磁芯外径规格下限小0.075 mm，槽孔外径需要比磁芯外径规格上限大0.075 mm。如果槽孔内径太小，外径太大则在层压过程中需要更多树脂来填充，很容易导致粘接层缺胶、爆板。

3.2.2 镶嵌圆环磁芯并压合

在PCB压合前需要把磁芯镶入槽内，其粘接材料选择含胶量高的半固化片，为了使层压过程中磁芯位置填胶效果更佳，所以通过减少牛皮纸的张数提高升温速率来保证树脂的流动性，同时考虑到压合过程中需要PP与磁芯直接接触，推后高压时间，在树脂达到充分流动的时候，再上高压，使磁芯缝隙树脂填充更饱满。如图6所示。

3.2.3 金属孔及线路制作

为保证钻孔不伤磁芯，在资料制作过程要求钻孔与磁芯的间距保证＞0.2 mm以上，在实际加工中微下调钻孔参数即可。钻孔效果见图7；线路制作采用正片镀铜锡工艺制作，其孔铜、面铜的控制需满足IPC三级标准。

3.3 产品测试

3.3.1 测试项目(表3)

4 结论

电感埋置技术的实现，是电源模块小型化的一个重要解决方案，将磁环整体埋入PCB内部，由过孔实现通电线圈，可使得PCB表层面积得以大大优化。在组装过程中可以极大提升电源模块的组装效率。所以电感埋置将逐渐应用在PCB设计中，电源模块将迎来一次新的改革。

表3

[1]周海胜,涂有超. 高速高密度PCB设计中电容器的选择[J]. 微计算机信息, 镶入式系统应用精选200例, 2005, 第21卷, 第10-2期.

[2]陈建,黄良荣. 一种在组装过程中的电感磁芯埋入PCB技术[C]. 2010秋季国际PCB技术/信息论坛:215-218.