磁性元件、功率模块及磁性元件的制备方法与流程

本发明涉及电源，特别涉及一种磁性元件、功率模块及磁性元件的制备方法。

背景技术：

1、随着人类对智能生活要求的提升，社会对数据处理的需求日益旺盛。全球在数据处理上的能耗，平均每年达到数千亿甚至数万亿度；而一个大型数据中心的占地面积可以达到数万平方米。因此，高效率和高功率密度，是这一产业健康发展的关键指标。

2、数据中心的关键单元是服务器，其主板通常由中央处理器(central processingunit，cpu)、芯片组(chipsets)、内存等数据处理芯片和它们的供电电源及必要外围组件组成。随着单位体积服务器处理能力的提升，意味着这些处理芯片的数量、集成度也在提升，导致空间占用和功耗的提升。因此，为这些芯片供电的电源(因为与数据处理芯片同在一块主板上，又称主板电源)，就被期望有更高的效率，更高的功率密度和更小的体积，来支持整个服务器乃至整个数据中心的节能和占地面积缩小的要求。为了满足高功率密度的需求，电源的开关频率也越来越高，业界低压大电流电源的开关频率基本都在1兆赫兹(megahertz，mhz)。

3、针对低压大电流应用的变压器来说，实现更高功率密度，更高转换效率是目前仍需解决的问题。

4、图1为现有技术提供的一种变压器模块的结构示意图。如图1所示，绕组r01b和r02b绕制于磁芯的两个磁柱上。该结构包含了至少两个方向：绕组的绕制方向1015以及平行于磁柱的绕组延展方向1016。设定绕组平行于磁柱长度方向的尺寸，也即绕组在其延展方向上的尺寸为w，绕组垂直于磁芯磁柱方向的尺寸为h，也即单层绕组的厚度为h。当h和w满足关系：w＞10h时，我们定义这种绕组绕制方式为箔绕结构绕组。图中，1011，1012为绕组的引脚，1013，1014则是绕组在其延展方向16上形成的边界。在这种结构的变压器中，各个绕组与外界电路连接的引脚，如图中的1011，1012通常是从绕组的侧面引出的，也就是说，内层绕组的引脚是延伸出外层绕组在延展方向的边界后与外界电路进行连接的。这样的结构下，绕组上所有的电流都流经该引脚，这不仅使得绕组电流分布不均匀，还造成了该引脚上的巨大损耗。另外，该引脚通常比较长，这进一步的加剧了引脚上的损耗。

5、图2是现有技术中另一种变压器的立体图。绕组2021和2022围绕磁柱2020构成了该变压器的内外层绕组。外层绕组2022通过其两个出端20221和20222与外界电路相连接；内层绕组2021通过两个出端例如出端20211和20212与外界电路相连接。2025显示的是内外层绕组围着磁柱绕制的方向，2026则是内外层绕组平行于磁柱的延展的方向。2023，2024则为内或外层绕组在其延展方向上形成的边界。内外层绕组之间还存在一绝缘层(图中未显示)，内层绕组2021穿过该绝缘层在变压器表面形成了出端20211和20212，并且该出端20211，20212位于外层绕组的边界内。

6、图3为图2中变压器沿a01-a01’方向的截面图。如图3所示，阴影部分2020为一磁芯的截面图，其中，出端20211与20212分别通过连接装置，例如过孔202111与202121与内层绕组2021的两个端点20213及20214进行连接。由图3中可知，内层绕组2021的连接装置穿过了外层绕组2022后与外界电路进行连接。其中，内层绕组2021的连接装置在外层绕组2022所在平面内的投影位于外层绕组2022的边界内。这样的好处在于，内层绕组2021的引脚长度大大减小，从而减少了引脚上的损耗。此外，该结构还有利于形成分布式的出端结构，也就是说，内层绕组2021可以通过多个连接装置，如过孔，金属条等，穿透外层绕组2022在变压器的表面形成多个出端与外界电路相连接。分布式的出端结构有效地减少了每个连接装置/引脚上所流过的电流，大大地改善了每个连接装置/引脚上电流不均的问题，从而进一步提高了变压器的整体效率。

7、然而，这种结构的问题在于当内层绕组穿过内外层绕组之间的绝缘层，并在外层绕组边界内形成出端时，势必迫使外层绕组避让该出端，从而造成了外层绕组有效的通过电流的面积减小，增加了外层绕组的损耗。尤其是内层绕组通过多个连接装置穿过外层绕组形成多个出端，并且这多个连接装置在外层绕组表面的投影都位于外层绕组的边界内时，这势必在外层绕组上形成多个避让区域，影响外层绕组的完整性。当外层绕组流过的电流比较大的情况下，其损耗会明显增加。而当外层绕组为高压绕组时，也会极大地增加高低压绕组之间绝缘失效的可能性，从而影响变压器的可靠性。

8、当绕组个数更多时，比如三个以上绕组，如图4和图5所示。其中图4所示的三层绕组为sps的绕组结构，即原边绕组3023设置在副边绕组3021、3022之间。副边绕组3021通过连接装置连接在变压器表面形成的与外部电路连接的引脚30211、30212。如图4所示，该连接装置的形成包含两步骤。其中一个步骤是绕组3021通过一部分连接装置例如过孔穿过3021及3023之间的绝缘层，并在原边绕组3023所在的布线层上形成转接引脚30213；另一步骤则是通过一部分连接装置例如过孔或者导电柱穿过3022、3023之间的绝缘层在3022所在的布线层上形成连接到外部电路的引脚30211和30212。整体说来，连接装置穿过了3021和3023之间的绝缘层，绕组3023，3023和3022之间的绝缘层，在绕组3022所在的布线层上形成了引脚30211、30212。当然，连接装置也可以穿过绕组3022在绕组3022之外的布线层上形成引脚30211、30212。图4是基于图5沿着剖面线b01-b01’的剖面图，很明显可以看出，由于绕组3021的连接装置穿过中间层原边绕组3023，将原边绕组3023破坏的比较严重，使得原边绕组3023的通流面积减少，阻抗增大。

9、除此以外，在输入为高压输出为低压的应用中，原边绕组通常为高压绕组，并且匝数较多，而副边绕组通常为低压绕组且匝数较少。此时，内层副边绕组3021的连接装置在穿过原边绕组3023时，两绕组之间需要留出足够的距离以满足安规绝缘的要求，这具体表现在图5中转接引脚30213的边缘距离绕组3023之间的距离需要满足一定的距离。从目前的制造工艺来看，当处于高压转低压的应用中，由于内层绕组的电压较低，内层绕组通常为低压大电流的输出绕组。为了减小输出侧的损耗，内层绕组通常会通过多个穿过外层绕组的连接装置与外部电路进行连接。在制程过程中，需要在绕组3022和绕组3023之间铺设一层绝缘介质层，后续通过压合工艺，将绝缘介质压入转接引脚30213和绕组3023之间的间隙，由于层和层之间绝缘介质的密实度能被很好的保证，但是被填充的间隙很大概率存在一些填胶不足的缺陷。为了追求更高功率密度，转接引脚30213和绕组3023之间的间隙在满足安规要求的情况下会越来越接近工艺极限，那就更容易出现填胶不足的问题。这就使得原副边高低压之间的绝缘风险增大，也就是说变压器的可靠性降低。

10、为了降低绝缘风险，提升变压器的可靠性，以及为了更好地平衡多层绕组的引脚损耗以及导通损耗，本发明提供了一个新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种磁性元件、功率模块及磁性元件的制备方法，提高磁性元件的可靠性，更好地平衡多层绕组的引脚损耗以及导通损耗。

2、本发明的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

3、根据本发明的第一个方面，提供一种磁性元件，包括：

4、磁芯，包括至少一磁柱，所述磁柱沿第一方向延伸；

5、第一绕组，围绕在所述磁柱的外侧；

6、第二绕组，至少部分围绕在所述第一绕组的外侧，所述第二绕组的匝数小于等于所述第一绕组的匝数；以及

7、第三绕组，至少部分围绕在所述第二绕组的外侧，所述第三绕组的匝数小于等于所述第一绕组的匝数。

8、本发明再一方面还提供一种功率模块，包括：

9、如上面所述的磁性元件；

10、第一载板，至少部分覆盖所述磁性元件的第一侧表面；

11、第一整流开关管，位于所述第一载板背离所述磁性元件的一侧表面，且通过所述第一载板与所述第二绕组电连接；

12、第二整流开关管，位于所述第一载板背离所述磁性元件的一侧表面，且通过所述第一载板与所述第三绕组电连接。

13、本发明又一方面还提供一种磁性元件的制备方法，包括如下步骤：

14、提供一磁芯，所述磁芯包括至少一个磁柱；

15、在所述磁柱的表面形成第一金属布线层，得到磁芯组件，所述第一金属布线层形成第一绕组；

16、提供一可弯折基板，所述可弯折基板包括第二金属布线层和第三金属布线层，所述第二金属布线层和所述第三金属布线层形成第二绕组和第三绕组，所述第二绕组和所述第三绕组的匝数均小于所述第一绕组的匝数；

17、将所述可弯折基板与所述磁芯组件组合，使得所述第二绕组至少部分围绕所述第一绕组的外侧，所述第三绕组至少部分围绕所述第二绕组的外侧，得到磁性元件。

18、与现有技术相比，本发明的实施例具有以下全部或部分有益的技术效果：

19、1、采用本发明的实施例中的磁性元件，可以避免匝数较多的绕组被穿透，降低磁性元件的损耗，提高整个功率模块的可靠性，同时提供了处理安规绝缘的可能性；2、以连续完整的铜片替代pcb通孔，提高铺铜效率，降低损耗；

20、3、可折弯基板围绕磁芯的外表面折弯形成绕组，所形成的侧壁绕组之间的介质直接继承了折弯之前的介质厚度，这就降低了绕组层间的距离，减小了磁性元件的体积以及占地面积；

21、4、磁性元件中采用的都是现有的材料，降低了成本，简化了工艺。

22、为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。