黃國平，湯春江，李 剛，唐 鍇

（華東微電子技術(shù)研究所 微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088）

0 引 言

整機產(chǎn)品的升級換代、高可靠的軍事及航空航天領(lǐng)域均使用微電路模塊，這也順應(yīng)了裝備小型化的發(fā)展趨勢。裝備的小型化會給微電路模塊帶來高功率密度和高密度布局等挑戰(zhàn)，如封裝尺寸小、質(zhì)量輕、具有雙面導（散）熱結(jié)構(gòu)等特點的DirectFET系列封裝功率MOSFET器件，就被大量地應(yīng)用于高功率密度的微電路模塊中[1]。這些不斷更新的要求對微電路模塊的設(shè)計和工藝提出了更新的發(fā)展要求和思路。傳統(tǒng)的變壓器體積大、漏感嚴重、效率低，難以滿足高功率密度電源模塊的要求，故現(xiàn)在的電源模塊普遍采用平面變壓器[2]。而平面變壓器所依賴的磁集成技術(shù)就是解決高功率密度和高密度布局等問題的有效途徑，它是電源技術(shù)進步的里程碑。磁集成技術(shù)是通過板級磁芯的廣泛應(yīng)用而落實在電路板上的。同組的兩片板級磁芯通過粘接的組裝工藝安裝在PCB板中，其中的磁芯繞組內(nèi)置在PCB板的對應(yīng)基材中，極大地提高了電路的集成度并縮小了產(chǎn)品的體積[3-5]。微電路模塊中板級磁芯的應(yīng)用實物圖如圖1所示。

圖1 微電路模塊中板級磁芯的應(yīng)用實物圖

當今，為了降低微電路模塊的體積和提高電源的功率密度，在微電路模塊的PCB電路上大量使用了磁集成技術(shù)，從而使微電路模塊板級磁芯的使用呈現(xiàn)井噴之勢。板級變壓器和電感器的載體就是板級磁芯，其組裝方式主要為磁芯的粘接工藝。在研制生產(chǎn)中，特別是產(chǎn)品在高溫貯存和溫度循環(huán)的篩選過程中，板級磁芯出現(xiàn)粘接面微裂的比例達到40%～50%。板級磁芯粘接面的微裂導致大量產(chǎn)品出現(xiàn)效率下降的問題，典型值下降1%～2%，導致產(chǎn)品報廢，這嚴重影響微電路模塊的研制、生產(chǎn)和交貨。開帽后發(fā)現(xiàn)磁芯粘接面強度并沒有篩選前的高粘接強度，而是粘接不牢固，存在微裂紋，造成板級磁芯電感量下降，從而造成產(chǎn)品效率指標的下降。板級磁芯粘接面開裂示意圖如圖2所示。

圖2 板級磁芯粘接面開裂示意圖

針對板級磁芯的粘接缺陷，從磁芯粘接膠組成優(yōu)化和灌封工藝優(yōu)化等方面進行的研究還比較少。本文通過對板級磁芯粘接失效機理的剖析，以及對磁芯粘接膠組成和灌封工藝的應(yīng)用研究，對工藝過程進行了探索，形成高可靠板級磁芯組裝工藝技術(shù)。

1 板級磁芯粘接面開裂機理分析

在開關(guān)電源等微電路模塊中，磁性器件占到開關(guān)電源體積和重量的30%～40%，降低磁性器件的體積和重量變得尤為重要[6]。板級磁芯就能滿足此類要求，磁芯主要為EI、UI、EE及分段式磁芯，磁芯粘接至印制板時多采用有機粘接膠[7]。不論是EI型還是EE型板級磁芯，均可分為上磁芯和下磁芯進行粘接。對于微電路模塊，其內(nèi)部典型的板級磁芯粘接界面如圖3所示。

圖3 典型的板級磁芯粘接界面

對于板級磁芯粘接面之間發(fā)生微裂紋的缺陷，本文用板級磁芯的電感量變化來表征，當板級磁芯電感量下降達到10%及以上時，說明板級磁芯粘接面已開裂失效，會對產(chǎn)品的效率、電性能造成不良影響。板級磁芯粘接面發(fā)生微裂紋的缺陷越惡劣，其磁芯電感量下降就越嚴重，產(chǎn)品的效率電性能也就下降愈發(fā)明顯。板級磁芯粘接面典型微裂失效圖如圖4所示。

圖4 板級磁芯粘接面典型微裂失效現(xiàn)象

XX型模塊板級磁芯粘接面發(fā)生微裂紋缺陷現(xiàn)象最明顯且最典型。分析該系列產(chǎn)品同批次的1#～5#產(chǎn)品，得到產(chǎn)品效率下降和板級磁芯電感量下降的具體數(shù)值，具體對應(yīng)關(guān)系如表1、圖5和圖6所示。

圖5 產(chǎn)品效率電性能的下降

圖6 產(chǎn)品板級磁芯電感量的下降

表1 產(chǎn)品效率下降和板級磁芯電感量下降的關(guān)系

觀察表1、圖5和圖6，分析數(shù)據(jù)可知：產(chǎn)品經(jīng)高溫貯存和溫度循環(huán)篩選試驗后，會出現(xiàn)產(chǎn)品效率下降的失效現(xiàn)象，這個缺陷是由板級磁芯的電感量下降造成的。其中1#產(chǎn)品電感量下降百分比達到43.75%，說明失效現(xiàn)象很明顯。對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1#產(chǎn)品效率下降百分比也是最高的，即其效率下降最明顯，效率下降2.1%。

產(chǎn)品效率電性能的下降程度與板級磁芯電感量下降程度有一定的關(guān)聯(lián)，但是并不具有簡單直接的單調(diào)增加或單調(diào)減小的規(guī)律，只是隨著板級磁芯電感量的下降，效率總體呈下降的趨勢。因此必須徹底解決板級磁芯的電感量下降問題，才能解決產(chǎn)品效率電性能下降失效的缺陷。而板級磁芯的電感量下降問題是由于磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋造成的，需要徹底解決板級磁芯的電感量下降問題，就必須探索能解決磁芯粘接面微裂紋缺陷的所有途徑和方法。

用于板級磁芯粘接的H膠，其Tg為90℃。在產(chǎn)品篩選試驗中，特別是高溫貯存（135℃，保溫48 h，恢復2 h）和溫度循環(huán)（-55～125℃，10次，t1=20 min±1 min，t2≤1 min）等環(huán)境試驗的沖擊后，輕輕撬動磁芯，發(fā)現(xiàn)上下兩塊磁芯出現(xiàn)了裂縫，磁芯粘接面出現(xiàn)松動。此時，板級磁芯粘接面已發(fā)生開裂缺陷，說明H膠的粘接強度并不能經(jīng)受產(chǎn)品環(huán)境試驗的考核。在篩選的高溫過程中，H膠出現(xiàn)軟化導致粘接強度大幅減小。由此可知，在高貯和溫循的環(huán)境試驗中，H膠明顯地表現(xiàn)出粘接強度不足的缺陷。

而采用真空浸入式灌封工藝，其灌封膠的浸入能力變強，對磁芯縫隙進行嚴密堵膠后，還是較容易造成灌封膠進入磁芯內(nèi)部的缺陷，導致磁芯粘接面被灌封膠撐開。

板級變壓器和電感器的載體為板級磁芯，磁芯分為有氣隙磁芯和無氣隙磁芯。研制生產(chǎn)中，易出現(xiàn)磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋的失效模式，現(xiàn)主要問題是：磁芯粘接后處在灌封膠環(huán)境中，經(jīng)受高溫貯存和溫度循環(huán)等沖擊試驗，磁芯粘接面受到極其復雜的內(nèi)部應(yīng)力影響，且灌封膠的應(yīng)力是各向異性的。從某個角度來說，磁芯的粘接面受到較復雜的應(yīng)力影響，主要是灌封膠的拉應(yīng)力作用。圖7為EI板級磁芯的典型安裝示意圖，灌封膠填滿了磁芯與PCB垂直方向上的間隙。

圖7 EI板級磁芯的典型安裝

磁芯粘接膠屬于環(huán)氧膠，在熱老化過程中，其老化特性指標P與老化時間τ的關(guān)系可用經(jīng)驗公式[8]描述為：

式中：P為老化時間為τ的老化特性指標；τ為老化時間，單位為天（d）；K為性能變化的速率常數(shù)，單位為d-1；A為常數(shù)。

老化特性指標變化的速率常數(shù)K與溫度T的關(guān)系服從Arrhenius方程：

式中：T為絕對溫度，單位為K；E為表觀活化能，單位為J·mol-1；Z為頻率因子，單位為d-1；R為氣體常數(shù)，單位為J·K-1·mol-1。

將式（3）代入式（2），可知：

采用同一種磁芯粘接膠時，表觀活化能E相同。因此，在高溫環(huán)境下，隨著高溫老化時間的增加，磁芯粘接膠的老化特性（粘接強度）P不斷減小。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)品是整體灌封的，磁芯周圍的灌封膠如果進入磁芯和繞組之間，這對磁芯的粘接強度影響將是致命的，因為灌封膠的熱膨脹系數(shù)110 ppm約為PCB銅帶處的2倍，約為磁材的10倍多，而且高溫下不發(fā)生軟化且不可壓縮，參數(shù)性能對比如表2所示。高溫過程中，PCB板上的銅線圈部分垂直方向發(fā)生膨脹并受到板級磁芯和灌封膠的約束，而PCB板上的銅線圈材料處熱失配，會擠壓磁芯，導致磁芯也發(fā)生形變。灌封膠對磁芯有拉應(yīng)力作用，隨著高溫作用的進行，當磁芯粘接膠的粘接強度減小到無法承受這些熱失配的應(yīng)力時，磁芯粘接面則發(fā)生微裂紋導致失效。黃國平等發(fā)明一種板級感性元件與散熱片的拼版式粘接裝置[9]，利用該粘接裝置可以實現(xiàn)板級磁芯的批量粘接并防止板級磁芯開裂等缺陷，但此種效果需建立在可靠的磁芯粘接膠和灌封工藝的基礎(chǔ)上。

表2 FR4、板級磁芯和灌封膠的材料力學性能參數(shù)對比

板級磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋的主要原因可歸結(jié)為：磁芯粘接膠在高溫等環(huán)境試驗中粘接強度不足；真空浸入式灌封工藝造成灌封膠進入磁芯和繞組之間。

2 板級磁芯組裝的設(shè)計與實驗探究

針對板級磁芯粘接面開裂機理的分析，課題組著力進行板級磁芯的粘接，探究其高可靠的組裝工藝。

2.1 磁芯粘接膠的應(yīng)用

根據(jù)失效機理分析，原磁芯粘接膠的Tg值僅為90℃，在環(huán)境試驗（如高溫條件下）中易發(fā)生軟化造成磁芯粘接面開裂。因此，探尋Tg溫度100℃及以上且綜合性能更高的磁芯粘接膠是極為重要的。

課題組通過對大量磁芯粘接膠的對比，選取了A磁芯粘接膠、F磁芯粘接膠和E磁芯粘接膠，并采用相同板級磁芯粘接在相同的金屬基座上進行剪切力測試，以此來表征不同磁芯粘接膠的粘接強度，如表3所示。

表3 磁芯粘接膠粘接強度試驗檢測 N

由表3可知：F磁芯粘接膠無論在常溫還是160℃熱板條件下，其粘接強度都是最強的，該膠的Tg值在120℃以上，可以滿足環(huán)境試驗的要求。因此，排除A磁芯粘接膠和E磁芯粘接膠，選擇F磁芯粘接膠。但產(chǎn)品在生產(chǎn)和環(huán)境試驗中，均要進行高溫過程，而且產(chǎn)品在后續(xù)的服役過程中，高溫過程總是存在的。因此，設(shè)計磁芯粘接膠可靠的粘接強度就顯得極其重要。王玉龍等將納米SiO2作為改性填料，均勻分散在環(huán)氧樹脂中，與環(huán)氧樹脂之間產(chǎn)生銀紋和塑性變形，能夠吸收沖擊能量，從而提高環(huán)氧膠韌性，這些改性后的粘接性能均有利于滿足PCB組件的粘固需求[10]，這就是利用了改性顆粒尺寸小、比表面積大等優(yōu)勢，當材料的表面能足夠大時，與合適的膠水一起形成的粘接強度就大。一般表面能達到35 N/m及以上的材料屬于容易粘接的，如玻璃、銅和鋁等[11]。綜合考慮，本文對Tg值滿足要求的F磁芯粘接膠進行更加可靠的改進，即在該磁芯粘接膠內(nèi)添加玻珠成分，利用玻珠顆粒尺寸小的優(yōu)勢增加磁芯粘接膠內(nèi)部的比表面積和表面能，進一步提升其在高溫老化過程中的粘接強度；還可以根據(jù)電路上需要的板級磁芯電感量選擇不同的玻珠粒徑。本文采用的F磁芯粘接膠，其添加的玻珠顆粒為36～40μm，如圖8所示。

圖8 F磁芯粘接膠（含玻珠顆粒）50X顯微圖像

進行磁芯粘接，擰罐后打開，對磁芯粘接膠在磁芯表面的狀態(tài)進行觀察，圖9為300X顯微圖像，玻珠分布較均勻，粘接的時候，磁芯之間的氣隙可以得到較大的控制；玻珠粒徑的中間值為38μm，顆粒大小均勻。

圖9 F磁芯粘接膠（含玻珠顆粒）300X顯微圖像

對如下印制電路板的電感磁芯L1、變壓器磁芯T2和輔助源磁芯T1采用含玻珠顆粒的F膠進行粘接，如圖10所示。加嚴環(huán)境試驗條件為：在125℃保溫168 h，恢復2 h；在-55～125℃進行100次溫度循環(huán)，其中t1=30 min±1 min，t2≤1 min。

圖10 印制電路板板級磁芯采用含玻珠顆粒的F磁芯粘接膠進行粘接

對樣品環(huán)境試驗前和環(huán)境試驗后板級磁芯的電感量進行測試，結(jié)果如表4所示。發(fā)現(xiàn)：試驗后電感磁芯L1、變壓器磁芯T2和輔助源磁芯L1的電感量相比于試驗前的變化率在5%范圍以內(nèi)，遠低于10%范圍，說明所有板級磁芯粘接保持了高可靠性，板級磁芯粘接面開裂缺陷消失。

表4 板級磁芯環(huán)境試驗前后的電感量 μH

2.2 灌封工藝的設(shè)計

為解決磁芯粘接面脫落的問題，可在磁芯器件粘接后，在磁芯器件窗口點涂硅膠進行保護，使產(chǎn)品在灌封時灌封膠不能進入磁芯和繞組之間[12]。磁芯器件窗口硅膠堵縫的設(shè)計圖如圖11所示。

圖11 磁芯器件窗口硅膠堵縫的設(shè)計圖

根據(jù)失效機理分析：真空浸入式灌封中，灌封膠進入磁芯和繞組之間的能力很強，點涂硅膠僅僅是物理上的粘附作用，固化后的硅膠與磁芯器件窗口會形成大小不一的微小孔隙，而真空浸入式灌封時灌封膠就會通過這些微小孔隙進入磁芯和繞組之間。因此，若采用真空浸入式灌封工藝，同時在磁芯器件窗口點涂硅膠，并不能有效阻止灌封膠進入磁芯和繞組之間。

為了從根源避免在灌封工藝中灌封膠進入板級磁芯內(nèi)部引發(fā)磁芯開裂，課題組優(yōu)化了灌封工藝設(shè)計。制作旋轉(zhuǎn)灌封夾具，采用旋轉(zhuǎn)灌封工藝，不再采用真空浸入式灌封方法。旋轉(zhuǎn)灌封是采用離心力將灌封膠甩入模塊內(nèi)部，不同于真空浸入式灌封借助空氣負壓[13]。旋轉(zhuǎn)灌封時灌封膠進入磁芯和繞組之間的能力遠低于真空浸入式灌封。以典型的1 16磚XXX型號制作樣品20只，經(jīng)工藝制作過程，統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。真空浸入式灌封樣品重量與旋轉(zhuǎn)灌封樣品重量相差穩(wěn)定在2～4 g之間，且旋轉(zhuǎn)灌封工藝可控。由表5可知，灌注后，旋轉(zhuǎn)灌封和真空浸入式灌封有一定的重量差異，但旋轉(zhuǎn)灌封仍可以滿足產(chǎn)品散熱等需求。這種改進不僅可以避免磁芯被灌封膠拉裂，也滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，且旋轉(zhuǎn)灌封具有更高的生產(chǎn)效率。

表5 旋轉(zhuǎn)灌封與真空浸入式灌封的產(chǎn)品重量差異 g

2.3 工藝設(shè)計結(jié)果

通過優(yōu)化的工藝設(shè)計，灌封后的微電路模塊順利完成加嚴試驗，條件為：高溫貯存（135℃，保溫96 h，恢復2 h）；溫度循環(huán)（-55～125℃，20次，t1=20 min±1 min，t2≤1 min）等，微電路模塊內(nèi)部的板級磁芯組裝可靠性得到保證，經(jīng)測試，產(chǎn)品電性能完全滿足要求。板級磁芯粘接界面微裂紋缺陷已消失，課題組突破了磁集成技術(shù)微電路模塊板級磁芯高可靠組裝的難題。

磁芯組裝工藝技術(shù)屬于平臺性技術(shù)，本文建立了新的板級磁芯組裝基線平臺，產(chǎn)品成品率從40%～60%大幅提升到99%及以上。已在標準磚系列微電路模塊（1 32磚系列、1 16磚系列、1 8磚系列、1 4磚系列），1 2磚高功率密度微電路模塊，X-X工程平臺和X-X-X工程平臺得到批量推廣和應(yīng)用。

3 結(jié) 語

通過微電路模塊板級磁芯組裝缺陷機理的分析和優(yōu)化后的工藝設(shè)計可知：板級磁芯組裝失效的根源是磁芯粘接力不足以抵抗環(huán)境試驗（包括產(chǎn)品內(nèi)部的灌封膠）應(yīng)力造成的；采用新型板級磁芯粘接膠、改進灌封方式和磁芯填充工藝是板級磁芯組裝失效的有效工藝途徑。