一体成型电感-特性，规格

一体成型电感

叠层电感相较于绕线电感实现了小型化，但由于其采用叠层工艺，叠层层数与内电极厚度都受到限制，因此其感量和通流能力都难以做高。然而，近年来随着技术的进步，CPU、GPU 等芯片对功率的需求不断增加，面对这种技术趋势，一方面可以从电源方案进行改进，输出由单相改为多相以获取更小的纹波，但是由于每一相的电流依然很大，因此这也要求滤波电感有良好的抗饱和能力。另外，PCB板上的器件密度也越来越高，电感也有了进一步小型化的需求。

为解决功率电路对电感小型化、大通流的需求，一体成型电感被开发出来。与传统绕线电感不同，一体成型电感采用的不是将铜线绕在磁芯上的铜包铁结构，而是将线圈埋入磁粉中，再一体压制成形。因此，相较于绕线电感，其具有更小的体积和良好的磁屏蔽效果，一体成型电感的实物如图一所示。

一体成型电感

由图1可知，一体成型电感有两种类型，一种采用L type电极（图1左），一种采用Bottom电极（图1右），两者的不同主要是采用了不一样的成型工艺，后文再详细描述，顺络有文档指出，Bottom电极由于省去了侧面部分的电极，在其他因素相同的情况下，采用Bottom电极的工艺可以有更低的DCR。

图2 一体成型电感不同工艺DCR差异    

前述，由于一体成型电感需要在大电流的场景下工作，因此要求其具有一定的抗饱和能力，而常用的铁氧体材料磁导率虽然很高，但是抗饱和能力却比较弱，不适用于大电流的应用场景，金属粉芯材料的抗饱和能力优秀、成本低且较易成型，因此其比较适合在大电流场景下使用。各种磁性材料的性能对比如图3所示。

图3 各种磁性材料的性能对比

从图3可以看到，金属粉芯材料虽然有较高的饱和磁感应强度，但是其电阻率和磁导率相对较低，这就意味着其损耗会偏大，并且需要更多匝数去获得一定的感量，这就导致其感量一般也做不太高。

开关电源也是朝着高频化发展的，随着频率的升高，滤波电感的感量可以降低，但是频率会导致电感的铁损上升，因此，如何提升金属粉芯材料的电阻率是需要重点考虑的一个问题。

一体成型电感常用的金属粉芯材料包括FeSiCr和羟基铁粉，前者磁导率和电阻率较高，但是抗饱和能力比羟基铁粉差，这就要在抗饱和能力与高频损耗之间做个取舍。

除材料本身特性外，以下几个因素也会对电感的性能参数参数影响。一是磁粉的粒度分布，粒度分布主要影响电感的涡流损耗及直流电阻，粒径越大，涡流损耗越高，导电率也越高。但如果粒径太小，会使金属的比表面积增大，表面能增加，容易发生团聚现象。二是绝缘包覆，绝缘层的厚度、附着力以及热稳定性都会对磁芯性能产生影响。绝缘层厚度主要影响损耗与磁导率，电阻率越高，损耗会降低，但绝缘层的磁导率较低，因此其厚度会对整体的导电率产生影响。附着力主要影响磁芯的粘结强度；附着力较差的包覆剂在压制过程中可能导致破裂，影响绝缘效果，并增加损耗；电感压制成型后，通常需要经过热处理以消除成型应力。因此，绝缘层需要有一定的热稳定性，否则在热处理过程中，绝缘层可能会劣化，导致损耗增加、空洞率上升等问题。另外，包覆剂分为两种，一种是有机物类，如环氧树脂、酚醛树脂等热固性有机物。但此类有机包覆剂在热处理过程中容易受热分解，使绝缘层出现大量孔洞甚至开裂。长期大电流使用时，器件发热也会导致有机物老化，影响电感性能。另一类则是无机包覆剂，一般采用磷酸盐等无机物进行包覆，但无机包覆剂的附着力较差。因此，现在通常采用无机-有机复合包覆的方式对金属粉芯进行处理。    

规格参数

 一体成型电感规格参数表

一体成型电感的规格参数包括感量、直流电阻、自谐振频率、饱和电流和温升电流。其定义如下：

饱和电流：定义为当电感量下降30%时流过电感的电流，其大小表征电感抗直流偏磁能力的高低。可以发现，饱和电流的最大值比典型值要低，这是因为厂家定义的最大饱和电流是电感量下降15%-20%时流过电感的电流。    

温升电流：定义为使电感表面温度上升 40℃的偏置电流，同样温升电流的最大值比典型值也要低。因为最大值定义为电感表面温度上升 20℃-30℃对应的电流值。值得一提的是，线圈圈数及线径会对电感参数产生影响。其中感量、直流电阻、自谐振频率在《叠层电感》一文中已经介绍，此处不展开。

制程工艺

一体成型电感的制程工艺如图5所示。 

图5 一体成型电感工艺流程图

图5a所展示的传统的一体成型电感的工艺，常见于L type电极的一体成型电感，这类电感的尺寸一般较大，其制程工艺如下：

绕线：通过绕线机完成绕线，图中采用的是扁平线，也有使用圆线绕制的，为了使线圈不松散，一般采用自粘线，绕线过程需要进行加热使得线圈表面的自粘层固化。

剥漆：对引脚处进行剥漆，方便后续焊接。

点焊：将线圈焊接到导线架上，导线架后续将成为电感的引脚。    

成型：此处采用冷压工艺，填粉后一次成型，由于冷压的压力较大，此步骤易导致线圈漆膜受损，导致线圈短路。同时，线圈收到压力后可能导致变形，从而使得磁场的分布不均，对电感性能产生影响。

裁切：将电感从导线架上切割下来。

引脚成型：弯折引脚，导线架上如果已经做了镀锡处理，后续无需沾锡。

喷涂：对器件进行喷漆，起到防锈、绝缘的作用。

测包：对电感进行电性能测试并包装。

随着对电感进一步小型需求的的增加，传统的成型工艺已经无法满足实际需求，原因在于冷压成型的压力太大，尺寸越小，模具承受的压强就越高，其寿命越短，另外铜线漆膜及磁粉的绝缘层也更容易破损，因此，如图5（b）所示的T-core工艺被开发了出来，其采用两次成型的方式，首先利用冷压成型T-core，在T-core上绕线可以省去导线架并采用Bottom电极，减小了DCR。随后进行热压，成型温度的提升可以使得成型压力大大降低，对铜线的伤害大大降低，另外，热压成型也会使得磁芯强度得到提升。但是热压成型的时间比冷压要长很多，所以采用两次成型（冷压T-core即热压成型）也提高了成型效率，只不过由于热压成型压力较低，可能会产生裂纹，这也输入热压成型的一个缺点。需要说明的是，大尺寸一体成型电感（L-type型）也能使用热压成型，只不过热压成型主要是针对小型化需求所发展出的新工艺，因此与小尺寸一体成型电感的绑定程度较深。

失效模式：由于成型过程中铜线会受到挤压，铜线漆膜受损的风险较高，这使得耐压不良及短路成为一体成型电感的一种典型失效模式。此外，磁性强度及粘结强度不够，容易导致磁体产生开裂或分层不良。喷涂效果不佳，会导致异物残留，引起引角氧化会导致焊接不良。引脚的共面度会影响电感的贴片，导致虚焊等工艺问题。    

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