平板变压器用印制电路板的绕组电阻控制

陈市伟 周建华 黄 学

（竞陆电子(昆山)有限公司，江苏 昆山 215300）

0 前言

平板变压器已经发展几年了，我们最初接触平板变压器是其在充电头领域的应用。接触充电头应用，才知道传统绕组已经可以被多层印制电路板（PCB）叠绕线路板取代（见图1所示），从而成就了平板变压器：一是使用PCB叠绕线路解决了电磁干扰的问题；其次是体积可以更小，满足了电子产品轻、薄的发展需求。在如今电子产品高速发展的时代，使其得到广泛应用。我们从5W的充电头开始到目前的65W超级快充。针对绕组内PCB模块自身的技术管控项目也做了一些解析：介质层厚度（含层间厚度、线路间距以及导体到成型边的控制）、耐压测试（导体间介质层、表层阻焊剂的耐电压）、电感值、直流电阻（DCR）等等。这里我们主要讨论下：DCR的理论计算及PCB制程中的影响因素。

图1 充电头用PCB绕线模组

1 DCR意义及作用

DCR（Directive Current Resistance）中文意思是直流电阻，直流电阻就是元件通上直流电，所呈现出的电阻，即元件固有的，静态的电阻。DCR管制对于成品的目的在于匹配其磁芯零件，确保在控制器调控范围。避免线圈固有阻值过高而导致快充充电器发热乃至爆燃潜在风险；DCR过低也将影响快充效能，而充电缓慢。

DCR测试的目的如下。

（1）检查PCB绕组内部导线和引线的连接质量；

（2）检查PCB网络连接各个层次接触是否良好；

（3）检查PCB绕组或引出线有无折断处；

（4）检查PCB并联支路的正确性，是否存在由几条并联导线绕成的绕组发生一处或几处断路的情况；

（5）检查层、匝间有无短路的现象。

2 DCR的理论计算

电阻由导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值来定义，电阻阻值使用公式：R=U/I。实际上电阻是受材料，形状、体积以及周围环境的影响而不同的，因此在实际应用中，使用电阻的决定式来计算阻值，并结合量测值进行比对正确性。

电阻的决定式：R=ρ×L/S，

ρ：材料的电阻率，是由其本身性质决定，

L：导体的长度，

S：导体的横截面积。

在PCB绕组中影响DCR的各变量实际状况是怎样的呢？

2.1 材料电阻率ρ

在PCB绕组中，电阻材质是高纯度的电解铜，铜的电阻率：

ρ铜：1.78×10-8Ω.m（室温20 ℃），

1.78×10-8×[1+(T-20)×0.0039] （其他温度下铜的电阻率，T：温度）

2.2 导体的长度L

PCB叠绕形成的绕组中，电阻的长度即两端点间各层间叠绕线路的长度

总和（包含过孔及孔环的计算），各层线路长度使用genesis软件量测出（图2所示）。

图2 各层线路长度+过孔=总长度

2.3 导体的截面积S

PCB制作的线路截面受制程影响，类似于梯形，因此PCB制作的线路截面积是估算值（如图3、图4所示）电阻的截面积S：（上线宽+下线宽）/2×铜厚

图3 铜导体截面积示意图

图4 导体切片图

通常实际面积会小于计算面积，根据公式DCR计算值略低于量测值。

综合以上，我们总结出DCR计算公式如下:

R=ρ×L/S=ρ×2L/[(W1+W2)×T]

4 PCB制程对DCR的影响

通过上述DCR的理论计算分析：铜的电阻率为常数不变；导体线圈的长度也在Layout设计时就决定了，也是固定值；在PCB绕组中只有铜厚（基铜及电镀铜）、蚀刻线宽这两个变量因子。铜厚的变化主要发生在内层及棕化制程的化学处理加工过程中。

4.1 变量因子一：铜厚

4.1.1 内层工艺

一般内层芯板层的绕组使用基板电解铜箔压制而成，其均匀性较PCB电镀铜表现好，以18 μm（H oz）为例，内层工艺过程中前处理粗化铜面微蚀量在0.7 μm～1.25 μm以内。即使在重复加工后，铜厚减薄量仍然有限。若有返工作业，需单独标记管制确认铜厚的蚀量范围，再做进一步调整。

4.1.2 棕化工艺

其蚀刻量依据常规速率片检测结果，均符合棕化微蚀量管控范围：1.27 μm～1.77 μm；但是相较于内层微蚀量的检测有很大不同，因微蚀速率片采用10 cm×10 cm FR-4覆铜板，相较已经完成线路的内层图形板，蚀刻面积相对较少；采用速率片过棕化计算出来的微蚀量为：1.55 μm，经切片对比测算导体铜厚蚀刻量为3.17 μm，超速率片的计算结果1.04倍。

4.1.3 咬蚀速率的分析法

以速率片10 cm×10 cm样板称重法为标准的微蚀速率计算公式为：微蚀速率（μm/min）={(G1-G2）×100000}/8.93/（10×10×2），此计算公式为蚀刻前的重量（G1）减去蚀刻后的重量（G2），得出蚀刻掉的重量，与表面铜的面积之比。也可以3M胶带覆盖对比棕化微蚀前后的铜厚差异，以切片200倍观察量测铜厚数据。在反复的对比测试验证中发现，对于蚀刻后的密集线路，棕化后的铜厚蚀量是速率片计算出来的微蚀刻速率的1.04倍，即微蚀刻速率为1.55 μm的水平，实际蚀刻掉的铜厚达到3.17 μm。

4.1.4 微蚀量与实际蚀刻差异分析

从速率片形态与产品形态对比来看有如下几点。

（1）速率片为CCL裁切的边料得来，其表面铜箔的平整度为电解铜箔的原始状态，相对于经过内层前处理中粗化的芯板层图形产品粗化的芯板层图形产品，速率片的表面粗化度较低，也就是说表面的粗糙度所衍生的粗化面积较小（见表1所示）。

表1 不同处理铜面粗糙度 （μm）

（2）速率片为整面性的铜箔，与完成线路图形的内层芯板的差异在于线路导体的侧面积增加。从而导致内层芯板无论从表面积还是从立体的整体面积在浸泡式的棕化过程中都比全铜速率片要大很多。药水的作用面积更大，使药水活性作用更强，可以更快速地更替原有的药膜，使蚀刻速率更快。

4.2 变化因子二：蚀刻线宽

蚀刻线宽受镀铜均匀性、曝光均匀性及蚀刻均匀性综合影响，线宽线距会有变化，因此我们控制蚀刻线宽±10%，同时重点监控蚀刻因子＞3。

（1）受线路分布影响，绕组内外量测与中间的差异（边缘效应）。此项需要设计端差异化补偿调整解决。

（2）蚀刻上下喷差异：传统蚀刻线受上喷水池效应的影响，上、下喷存在蚀刻差异，但需保证线宽控制在±10%以内（同时要确认一下自家制程不同铜厚的蚀刻因子）。

5 改善探讨

从制程管制方面，在棕化制程抓取不同线路设计产品，对比棕化蚀刻差异量，若差异较小，则可统一调整蚀刻量补偿管制方式，以微蚀速率片计算出的数据增加补偿调整量。来调整生产线速或者降低反应槽温度。在内层蚀刻制程，预加强线路宽度范围管制公差，给予棕化咬蚀足够的安全咬蚀空间。

在工程设计方面，建立DCR理论计算模型，模拟计算将铜厚咬蚀量纳入计算范围，更精确的模拟成品DCR的管制区间，从而避免DCR管制超出管制范围。

在制程管制方面，工单设计给出棕化对应的铜厚管控范围，避免因重工导致的铜厚偏薄而影响成品DCR的测试结果。

例如表2的DCR理论试算模型，从铜厚及线宽的变化影响，我们可以推算出DCR的控制范围：3.0 Ω≤DCR≤4.2 Ω。因实际导线呈梯形，经大量实际切片对比DCR实测值验证，理论试算与实测结果有0.2 Ω左右的偏差，故，需在推算值结果上-0.2 Ω补偿值。即实际管控范围为：2.8Ω≤DCR≤4.0Ω。

表2 DCR理论试算模型

6 DCR量测方法

以上讲的是DCR理论结合PCB制程的估算，实际上DCR是可以直接量测的。我们采用典型的四线式测量法以期提高测量电阻（尤其是低阻）的准确度。通过实际量测值与理论的推算值的比对及切片分析、推算三者的综合分析来确定实际DCR的管控范围（此范围要比理论推算范围小，起到加严管控的作用）。

7 总结

经实际测试验证：对于有DCR控制要求的产品,可以在设计之初以铜厚及线宽上下限范围推算出DCR的管控范围。在样品开发阶段实际状况微调成品DCR管控值。以更精准符合客户对DCR管控的要求。