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哪些材料工藝才是服務(wù)器一體成型電感的未來
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哪些材料工藝才是服務(wù)器一體成型電感的未來

2025-04-08 16:33:15 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:周執(zhí) 點(diǎn)擊:1115

編者按

今年初,隨著DeepSeek的橫空出世,從地方政府、央企國企到金融、汽車等重點(diǎn)行業(yè),掀起了一股本地化部署的熱潮。實(shí)現(xiàn)本地部署的首要步驟是采購服務(wù)器并搭建配套硬件設(shè)施,其中大多數(shù)中小企業(yè)客戶出于成本考量,普遍采用單機(jī)或雙機(jī)配置運(yùn)行DeepSeek模型。

這一波算力需求的迅猛增長,使得作為服務(wù)器主板核心元器件的一體成型電感迎來了關(guān)鍵的技術(shù)升級窗口期,相關(guān)生產(chǎn)工藝和設(shè)備需求既面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn),也孕育著重大機(jī)遇。本文將深入探討一體成型電感在服務(wù)器領(lǐng)域的性能參數(shù)要求、材料與工藝的創(chuàng)新方向,以及生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)突破點(diǎn),為行業(yè)同仁提供具有前瞻性的技術(shù)參考和實(shí)踐指引。

對話嘉賓

一、服務(wù)器一體成型電感的參數(shù)及性能要求

一體成型電感作為服務(wù)器電源模塊中的核心組件,其性能直接關(guān)系到電源轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及整體運(yùn)行的可靠性。因此,對于服務(wù)器一體成型電感的參數(shù)要求極為嚴(yán)格,這些參數(shù)不僅決定了電感器自身的性能表現(xiàn),還對整個服務(wù)器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

Q:對于服務(wù)器主板用一體成型電感,主要關(guān)注哪些參數(shù)呢?

麥格米特:對于一體成型電感,主要關(guān)注的參數(shù)包括電感量、體積和電流承載能力。隨著功率的提升,電流相應(yīng)增大,因此在保持小體積的同時,需確保電感具備較大的電感量和足夠的電流承載能力。

一體成型電感的散熱性能通常較好,因其繞組匝數(shù)較少,且外部結(jié)構(gòu)為實(shí)心,能夠有效傳導(dǎo)熱量。芯片電感是從一體成型電感工藝演變而來,從傳統(tǒng)的繞組后模壓工藝發(fā)展到銅鐵共燒工藝,目的是在保持相同電感量的前提下減小體積,同時滿足整機(jī)芯片功率和功耗增加的需求,即在體積受限的情況下實(shí)現(xiàn)更大的電流承載能力。

鉑科:主要關(guān)注的還是可靠性,AI服務(wù)器相對價值比較高,穩(wěn)定性要求非常高,所以對電感器件的可靠性要求非常高,不能因?yàn)橐粋€電感造成整個板子不能用。

對于服務(wù)器主板所使用的一體成型電感,其關(guān)鍵參數(shù)主要包括感量和直流偏置等。但最終效率是電感核心指標(biāo),而效率又與磁導(dǎo)率、損耗、飽和以及直流電阻(DCR)密切相關(guān)。通常情況下,磁導(dǎo)率越高,電感的性能表現(xiàn)越佳,但高的磁導(dǎo)率可能會導(dǎo)致電感飽和電流差。因此,未來的重點(diǎn)在于尋找兼具高磁導(dǎo)率、高飽和和低損耗的材料。

田村:

截圖1

主要關(guān)注哪些參數(shù)有以下幾點(diǎn):

1)基本電氣性能:感值(±5%精度@額定電流);多相電飽和電流(Isat)≥標(biāo)稱電流的130%;直流電阻(DCR)<0.5mΩ(@1A);降低導(dǎo)通損耗,提升能效(>95%)。

2)高頻特性:自諧振頻率(SRF)>3GHz(PCIe 6.0要求); 抑制GHz級噪聲(如DDR5/PCIe信號);插入損耗(@高頻)≤1.5dB(@2400MHz)確保信號完整性。

3)熱管理:熱阻(θJA)≤6℃/W(10mm² PCB散熱),125℃環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行;

溫度循環(huán)穩(wěn)定性:1000次循環(huán)后感值漂移<5%(-55℃~125℃),長期可靠性保障 。                 

4)機(jī)械可靠性:尺寸公差±0.05mm ,適配高密度主板布局。

5)抗震性能:通過MIL-STD-810G 6Grms振動測試,應(yīng)對數(shù)據(jù)中心機(jī)械振動。             

6)MI兼容性:共模阻抗(Zcm@100MHz)≥50Ω,抑制共模噪聲干擾 。

勝美達(dá):對于服務(wù)器主板用一體成型電感,主要關(guān)注的參數(shù)包括效率、直流電阻(DCR)和溫度等值。其中,DCR要求極低,一般在0.1mΩ至0.3mΩ之間,最高不超過1.3mΩ;溫度等值要求從120℃提升至150℃。目前,國內(nèi)企業(yè)在粉材和膠水材料上存在一定技術(shù)難點(diǎn),尤其是膠水,膠水會隨著時間而氧化和裂化、會導(dǎo)致電感值波動。相比之下,銅鐵共燒技術(shù)可解決這一問題,但產(chǎn)能不足限制了其應(yīng)用。

風(fēng)華高科:在服務(wù)器的電源電路中追求更大的電流、更穩(wěn)定的電壓、響應(yīng)更快、更純凈的電流或電壓,服務(wù)器主板上的一體成型電感主要關(guān)注低直流電阻、低損耗、大電流及抗EMI干擾能力。

數(shù)據(jù)中心

銘普:在滿足通用一體成型電感的基礎(chǔ)參數(shù)(如:初始電感值(L)、直流電阻(DCR)、飽和電流(Isat))的前提下,服務(wù)器應(yīng)用場景因其高頻、高負(fù)載、高密度集成的運(yùn)行特性,在某些特定應(yīng)用場景下,磁芯損耗和電磁抗干擾也是需要關(guān)注的重要參數(shù)。

星特:目前服務(wù)器領(lǐng)域溫度特性參數(shù)為:

·工作溫度范圍:服務(wù)器主板通常運(yùn)行在較高的溫度環(huán)境下,因此電感器需要能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,一般要求工作溫度范圍為-55℃至+125℃。

·溫度系數(shù):溫度系數(shù)表示電感量隨溫度變化的程度。溫度穩(wěn)定性好的電感器在不同溫度下電感量變化較小,有助于保證電路的一致性。

尺寸大?。悍?wù)器主板內(nèi)部空間有限,因此需要選擇尺寸較小的一體成型電感,以節(jié)省空間,同時滿足高功率密度的需求。

封裝形式:常見的封裝形式有貼片式和插件式。服務(wù)器主板一般采用貼片式電感,便于自動化生產(chǎn)和安裝。

隨著5G技術(shù)、AI服務(wù)器的普及,電子設(shè)備不斷向薄型化、小型化方向發(fā)展,對電感產(chǎn)品的性能要求也日益提高。目前,行業(yè)內(nèi)正在推廣熱壓工藝生產(chǎn)的2012.2016、2520、3225系等小型化電感產(chǎn)品,以替代傳統(tǒng)的模壓、大尺寸電感(如04.06、08、10系列)。

一體成型電感

服務(wù)器用一體成型電感 圖源:星特

二、服務(wù)器一體成型電感:材料與工藝的未來需求趨勢

隨著服務(wù)器技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是人工智能和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的崛起,一體成型電感的工藝材料正面臨新的需求趨勢。未來,其發(fā)展將聚焦于高性能、高效率、小型化和成本優(yōu)化等方向,材料創(chuàng)新將成為推動服務(wù)器行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵。

Q:隨著技術(shù)向高頻化邁進(jìn),當(dāng)前頻率已攀升至MHz量級,這對一體成型電感的選材提出了什么要求?什么類型的磁性材料會成為一體成型電感的主流選擇?

麥格米特:目前一體成型電感主要采用傳統(tǒng)buck電感,其核心原材料為羰基鐵粉。這種材料雖然在一定程度上滿足了當(dāng)前的應(yīng)用需求,但若未來能夠引入鐵鎳等其他高性能磁性材料,一體成型電感的效率有望得到進(jìn)一步提升。然而,鐵粉芯在模壓成型后的退火溫度相對較低,而鐵鎳等材料的退火溫度較高。這使得繞組絕緣材料的耐溫性能成為制約因素。因此,一體成型電感行業(yè)未來如何研發(fā)出耐溫等級更高的繞組絕緣材料,以匹配高溫退火工藝的需求,將成為亟待解決的難題。

田村:1、這里重要說明以下幾大參數(shù):

參數(shù)

2、哪種磁性材料會成為一體成型電感的主流選擇

(1) 鐵氧體(Mn-Zn),逐步退出高頻市場

優(yōu)勢:初始磁導(dǎo)率高(μi=2000~15000),成本低 。

瓶頸:截止頻率fr僅2-3MHz(@3MHz損耗>100mW/cm³)。

典型應(yīng)用:<3MHz的消費(fèi)電子電源,逐步被替代 。 

(2)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新晉升MHz應(yīng)用新銳

A.金屬合金粉(鐵硅鋁/Sendust),中頻段主力

技術(shù)升級:通過氣流分級將粉末D50從50μm細(xì)化至10μm,渦流損耗降低60% 。 

表面磷酸鹽+硅烷雙重包覆,絕緣電阻>100MΩ·cm ;

參數(shù)表現(xiàn):μi=60~120,Bs=1.0~1.2T,fr=5~8MHz ;

代表型號:TDK CLF7045(5×5×4mm,DCR=0.8mΩ@10A)。 

B.軟磁復(fù)合材料(SMC)MHz級新銳
結(jié)構(gòu)創(chuàng)新:鐵硅顆粒(D50=20μm)表面ALD沉積2nm Al?O?層,擊穿場強(qiáng)>30kV/mm; 
3D打印梯度磁導(dǎo)率設(shè)計(jì)(芯部μ=300,邊緣μ=100)。 
性能優(yōu)勢:渦流損耗僅為鐵硅鋁的1/4@5MHz;飽和電流密度>80A/mm²(傳統(tǒng)方案<50A/mm²)  
應(yīng)用案例:Vishay IHSR-4020在3MHz/20A下效率達(dá)96% 。

(3)納米晶材料:高頻終極方案

工藝突破:快淬工藝制備20μm厚Fe-Si-B-Nb帶材,晶粒尺寸<30nm ,橫向磁場退火(橫向場強(qiáng)100Oe)提升直流偏置能力30% 。

關(guān)鍵參數(shù):μi=5×10?,Bs=1.25T,fr>10MHz ;損耗密度<20mW/cm³@10MHz(日立金屬FT-3K)。

瓶頸:帶材脆性導(dǎo)致繞制成型良率<70% 。

(4)材料體系創(chuàng)新

核殼結(jié)構(gòu)磁粉:Fe-Si@SiO?核殼顆粒(殼層厚度10-50nm);渦流損耗降低至傳統(tǒng)鐵粉的1/5@10MHz  

非晶/納米晶復(fù)合:交替堆疊Co基非晶(μi=10?)與Fe基納米晶(Bs=1.8T)層 ;實(shí)現(xiàn)μ×Bs積突破1×10? T·H/m  

勝美達(dá):隨著技術(shù)向高頻化邁進(jìn),當(dāng)前頻率已攀升至MHz量級,這要求一體成型電感在選材上具備更高的電阻率、更低的損耗以及更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。高頻應(yīng)用下,磁性材料需在保持良好磁性能的同時,有效降低渦流損耗,以適應(yīng)高頻工作環(huán)境。

在此背景下,合金粉末仍將是主流選擇,但會通過添加羰基粉和非晶納米晶材料來優(yōu)化性能。例如,非晶納米晶材料因其低損耗特性,可有效提高電感產(chǎn)品的效率。此外,銅鐵共燒工藝通過高溫?zé)Y(jié)(約七八百度),進(jìn)一步提升了材料的穩(wěn)定性和性能,使其成為高頻一體成型電感的重要發(fā)展方向。

GPU

Hopper GPU架構(gòu) 

銘普:隨著服務(wù)器電源模塊開關(guān)頻率從kHz級(如300kHz) 提升至MHz級(如2MHz以上),磁性材料需滿足以下關(guān)鍵性能:

MHz級高頻下磁芯損耗不超300mW/cm³,而傳統(tǒng)金屬分芯損耗可達(dá)1000+mW/cm³,顯然還有很大的提升空間的;5MHz頻段內(nèi)磁導(dǎo)率波動率需進(jìn)一步提高,保障更高電感值一致性;還需要需承受最高達(dá)200℃的極端溫度,并確保磁損增幅在可控范圍。

非晶/納米晶材料以其優(yōu)異的損耗性能,和較好的直流偏置特性,將成為未來服務(wù)器用一體成型電感的首選材料,但其硬度高和脆性大,不易成型的問題亟需解決,或與鐵基金屬磁粉復(fù)合,兼顧低損耗、高偏置和易成型等性能,才能讓一體成型電感在高頻應(yīng)用領(lǐng)域成為主流選擇。

星特一體成型電感的主流磁性材料選擇主要包括以下幾種類型:

1. 金屬軟磁粉芯

金屬軟磁粉芯是當(dāng)前一體成型電感的主流選擇之一。常見的金屬軟磁粉包括羰基鐵粉和合金粉(如FeSiCr合金粉料)。這些材料具有以下優(yōu)勢:

•  高飽和磁通密度:相比傳統(tǒng)的鐵氧體材料,金屬軟磁粉芯的飽和磁通密度更高,能夠在大電流條件下保持良好的性能。

•  低損耗:在高頻應(yīng)用中,金屬軟磁粉芯的損耗更低,適合高功率密度的應(yīng)用場景。

•  小型化和高性能:金屬軟磁粉芯制成的一體成型電感體積小,同時保持了低直流電阻(Rdc)和高電流承載能力。

2. 鐵基合金磁性材料

鐵基合金磁性材料也是重要的選擇之一。例如,TDK的SPM系列功率電感器采用鐵基合金磁性材料,具有大電流、低Rdc、小型化和優(yōu)異的直流重疊特性。這種材料的特點(diǎn)包括:

•  高居里溫度:性能受環(huán)境溫度變化影響較小,適合在較寬的工作溫度范圍內(nèi)使用。

•  良好的機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽效果:通過一體成型工藝,鐵基合金磁性材料能夠提供高機(jī)械強(qiáng)度,并有效降低電磁干擾(EMI)

風(fēng)華高科:隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源電路的工作頻率由百KHz發(fā)展到MHz的量級,一體成型電感的材料要應(yīng)對MHz量級下的損耗過大問題,如何降低高頻低損耗、提高磁導(dǎo)率、提升高飽和特性等技術(shù)難點(diǎn)是核心。軟磁材料分為非金屬(如鐵氧體)材料及金屬(如鐵、鐵硅)材料,金屬軟磁材料比鐵氧體非金屬材料具有更高的磁飽和優(yōu)點(diǎn),但金屬軟磁材料在高頻下存在損耗過高的不足。為解決這些問題,在目前技術(shù)迭代中,對金屬軟磁材料進(jìn)行物理改性、多元粉配方設(shè)計(jì)是一體成型電感材料的一個趨勢。

一體電感

服務(wù)器一體成型電感 供圖:風(fēng)華高科

Q:一體成型電感的工藝演進(jìn)方向是什么?

田村:

(1)成型工藝升級  

等靜壓成型: 200MPa壓力下粉末密度>7.6g/cm³(傳統(tǒng)模壓僅7.0g/cm³); 磁導(dǎo)率一致性提升至±3%(傳統(tǒng)±10%);

磁場取向成型:施加1T外磁場使磁粉定向排列,μ值提升40% 。

(2)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式熱管:在電感內(nèi)部集成0.6mm直徑熱管,熱阻降低至3℃/W 。

(3)碳化硅填充樹脂

樹脂熱導(dǎo)率從1.2W/m·K提升至3.0W/m·K 。 

(4)增材制造(AM)技術(shù)

增材制造(AM)技術(shù):通過激光選區(qū)熔化(SLM)工藝,成功 3D 打印出孔隙率從 20% 漸變至 5% 的鐵氧體梯度結(jié)構(gòu),經(jīng)實(shí)測,其初始磁導(dǎo)率(μi)顯著提升 40%。

(5)半固態(tài)成型工藝  

開發(fā)磁場輔助注塑成型(MAIM),在注射過程中施加1T強(qiáng)磁場定向排列磁粉,縮短生產(chǎn)周期30%。

(6)在線監(jiān)測系統(tǒng)  

集成X射線斷層掃描(CT),實(shí)時檢測電感內(nèi)部缺陷(空洞率<0.1%),良品率從82%提升至95%。

星特:銅鐵共燒工藝作為一種新興技術(shù),是未來的發(fā)展趨勢。該工藝通過取代傳統(tǒng)線圈與焊接片的連接方式,避免了短路風(fēng)險,提高了一體成型電感性能和可靠性。然而,目前市場上能夠掌握銅鐵共燒工藝的企業(yè)較少。其大規(guī)模應(yīng)用需結(jié)合客戶需求,若客戶群體對該工藝的需求不足,企業(yè)單方面投入可能面臨市場風(fēng)險。因此,銅鐵共燒工藝的推廣仍需根據(jù)客戶需求靈活調(diào)整。未來,隨著市場需求的增長,銅鐵共燒工藝的應(yīng)用范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大,其市場規(guī)模也可能超過傳統(tǒng)一體成型電感。

三、服務(wù)器一體成型電感對設(shè)備的要求

隨著服務(wù)器對一體成型電感性能要求的不斷提高,生產(chǎn)設(shè)備也需要具備更高的自動化水平、精度和可靠性。因此,對生產(chǎn)設(shè)備的要求也日益嚴(yán)格,這不僅涉及到設(shè)備的技術(shù)參數(shù),還包括其在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性、靈活性以及對復(fù)雜工藝的適應(yīng)能力。

Q:服務(wù)器一體成型電感,它對于設(shè)備的要求主要體現(xiàn)在哪些方面呢?

星特:首先,設(shè)備需要從單機(jī)作業(yè)向自動化連線轉(zhuǎn)變,以滿足服務(wù)器一體成型電感對產(chǎn)品性能不斷提升的需求。以往,服務(wù)器一體成型電感的生產(chǎn)可能依賴人工操作,如人工打扁等工序,但如今,自動化設(shè)備的應(yīng)用已逐漸普及。繞線機(jī)從單軸機(jī)、雙軸機(jī)發(fā)展到八軸機(jī),進(jìn)而形成了自動連線,這一過程顯著提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性。

其次,設(shè)備的穩(wěn)定性至關(guān)重要。穩(wěn)定的設(shè)備能夠有效替代手工操作,減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。同時,借助設(shè)備的視覺異型監(jiān)測功能,甚至引入AI視覺技術(shù),可以進(jìn)一步提升檢測精度,彌補(bǔ)人工檢測的不足,確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

最后,從單機(jī)到自動連線的過渡是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。通過實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn),整條生產(chǎn)線能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn),徹底解決傳統(tǒng)人工操作模式的局限性,滿足服務(wù)器一體成型電感行業(yè)對高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。

Q:星特能否實(shí)現(xiàn)服務(wù)器一體成型電感設(shè)備的量產(chǎn)?

星特:國內(nèi)企業(yè)如順絡(luò)電子、麥捷科技、風(fēng)華高科等均已大規(guī)模投產(chǎn),臺灣地區(qū)的乾坤公司也是如此。目前星特已具備相關(guān)設(shè)備并已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),擁有從冷壓、繞線到一體成型以及后端測試封裝的完整設(shè)備,能夠?yàn)榭蛻籼峁┤鞒探鉀Q方案。

這種全流程解決方案可滿足最小至02系列電感的生產(chǎn)需求,甚至能夠?qū)崿F(xiàn)更小規(guī)格產(chǎn)品的制造。隨著市場需求的不斷變化,產(chǎn)品迭代更新至關(guān)重要。

目前,國內(nèi)一體成型電感行業(yè)正處于產(chǎn)品迭代升級的關(guān)鍵階段,正致力于從20系產(chǎn)品向10系產(chǎn)品邁進(jìn)。其中,1412和1608型號有望成為未來市場的主流產(chǎn)品。以手機(jī)為例,三折屏的出現(xiàn)對產(chǎn)品小型化、薄型化提出了更高要求,而電感的尺寸與厚度直接影響產(chǎn)品整體性能。通過優(yōu)化電感設(shè)計(jì),能夠在縮小尺寸的同時,維持甚至提升其性能與感流,從而推動產(chǎn)品向更小、更薄的方向發(fā)展。

結(jié)語

服務(wù)器一體成型電感的技術(shù)升級和生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)化是推動服務(wù)器行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。隨著高頻化、小型化和高效率需求的不斷增長,材料創(chuàng)新、工藝改進(jìn)以及設(shè)備升級將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。行業(yè)從業(yè)者需要緊跟技術(shù)前沿,不斷探索和實(shí)踐,以滿足市場對高性能服務(wù)器一體成型電感的迫切需求。我們期待通過本文的探討,能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供有益的參考,共同推動服務(wù)器一體成型電感技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

 

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