無線充電線圈、磁板的知識(shí)及制作工藝流程

01

一個(gè)數(shù)字標(biāo)題

1.無線充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與功能

圖1 無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖片來自《應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的小功率無線充電系統(tǒng)的研究與開發(fā)》

整流濾波：將220V/50Hz的交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電；

DC-DC：將高壓直流電降壓，輸出低壓直流電（功率為5 W電壓一般為5 V，10 W電壓一般為9 V，15 W電壓一般為12 V，小米9最新20W電壓為15 V，無線充電電流一般不超過1.5 A）；

高頻逆變：低壓直流電經(jīng)過高頻逆變電路轉(zhuǎn)換成低壓高頻交流電（頻率約為100 - 200 kHz），以便于發(fā)射端線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)；

整流濾波：由于電磁感應(yīng)的原理，接收端在強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)中產(chǎn)生低壓高頻感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過AC-DC電路后變成直流電，此時(shí)就可以直接供給負(fù)載使用。

2.無線充電系統(tǒng)調(diào)控過程

圖2 無線充電系統(tǒng)調(diào)控過程

檢測(cè)階段：發(fā)射端檢測(cè)到放置物體的位置后，發(fā)射一個(gè)小的測(cè)量信號(hào)來監(jiān)控物體的放置和移動(dòng)，判斷是否進(jìn)入下一階段，這個(gè)信號(hào)不會(huì)喚醒接收端；

判斷階段：發(fā)射端將發(fā)射功率信號(hào)，并檢測(cè)可能來自接收端的響應(yīng)，從而判斷響應(yīng)是接收端還是未知的對(duì)象。如果發(fā)射端接收到正確的信號(hào)，將繼續(xù)進(jìn)入識(shí)別和配置階段，保持功率信號(hào)輸出；

識(shí)別和配置階段：接收端會(huì)將所需要的能量信號(hào)傳遞回發(fā)射端。發(fā)射端需要將收到的信號(hào)解碼，根據(jù)接收端所需要的能量調(diào)節(jié)輸出功率，當(dāng)無法解碼時(shí)默認(rèn)傳輸功率為5 W；

功率發(fā)射階段：“識(shí)別與配置”階段完成后，發(fā)射端啟動(dòng)功率傳輸模式。接收端控制電路向發(fā)射端發(fā)送誤差包，將整流電壓調(diào)整到線性穩(wěn)壓器效率最大化所需的水平，并將實(shí)際接收到的功率包發(fā)送給發(fā)射端進(jìn)行外目標(biāo)檢測(cè)（FOD，F(xiàn)oreign Object Detection，異物檢測(cè)），可保證安全、高效的功率傳輸；

結(jié)束階段：充電結(jié)束后接收端發(fā)出EPT（End?Power?Transfer，結(jié)束功率傳輸）信號(hào)，當(dāng)接收端受到EPT信號(hào)時(shí)終止功率傳輸。

3.無線充電Qi標(biāo)準(zhǔn)為什么選用100~205 kHz

Qi標(biāo)準(zhǔn)基于電磁感應(yīng)的充電技術(shù)，頻率是100-205kHz，無線充電傳輸?shù)氖悄芰慷皇切盘?hào)，因?yàn)?00-205kHz是對(duì)人體無害的低頻非電離頻率，采用這個(gè)頻率將大大減小對(duì)人體的傷害。另一方面，此頻率和絕大多數(shù)無線設(shè)備不在一個(gè)頻道上，不會(huì)影響其它無線設(shè)備。

4.無線充電線圈測(cè)試要求100 kHz/1V中，1V是什么意思？

測(cè)試頻率100 kHz，1 V為激勵(lì)電壓。供電電壓：為測(cè)試設(shè)備提供能量，使之處于一種穩(wěn)定的工作狀態(tài)，常見的供電電壓為220 V；激勵(lì)電壓：作為信號(hào)輸入用的，它使電路具有一定的響應(yīng)（輸出），從而得到響應(yīng)（輸出）與激勵(lì)（輸入）之間具有特定的函數(shù)關(guān)系。無線充電線圈常見的LCR測(cè)試儀是Agilent E4980A，采用自動(dòng)平衡電橋法的原理，在220 V的供電電壓下正常工作，由信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)頻率為100 kHz，電壓為1V的信號(hào)，通過無線充電系統(tǒng)后得到輸出信號(hào)，對(duì)比分析計(jì)算電感、Q值和交流電阻。

02

無線充電線圈

無線充電常見發(fā)射端線圈有絲包線線圈和多股絞線線圈，接收端常見線圈有FPC（Flexible Printed Circuit柔性電路板）線圈和多股繞線線圈。

1.絲包線線圈和多股絞線線圈

圖片3

圖片4

這兩種線圈一般用在無線充電發(fā)射端，整個(gè)產(chǎn)品對(duì)厚度的要求沒有那么高（公差可以給到±0.5 mm），制作成本低、工藝簡單，一般都是常規(guī)品（例如A11線圈）。

絲包線：在漆包絞線的表面再包覆一層或兩層天然纖維或化學(xué)纖維之后而形成的線，包括滌綸絲包線、尼龍絲包線、自粘絲包線（丙酮粘合、熱風(fēng)粘合），其中丙酮自粘絲包線是最常用的；

多股絞線：用多股銅線按照一定規(guī)則和方向做圓周螺旋纏繞在一起，形成一股多芯的電源線，多股絞線通過熱風(fēng)粘合繞成線圈。多股絞線最大外徑經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

D=1.155*d*√n

其中：1.155—系數(shù)；d—單根銅線最大外徑；n—絞線的股數(shù)

為什么用多股線而不用同等線徑的銅線來繞制線圈呢？

第一，方便加工。多股線比較柔軟，彎曲性比較好，而同等線徑的銅線較硬，很難加工；

第二，降低趨膚效應(yīng)。無線充電工作頻率100 - 200 kHz，高頻電流在導(dǎo)體中通過，隨著與導(dǎo)體表面的距離逐漸增加，導(dǎo)體內(nèi)的電流密度呈指數(shù)遞減，即導(dǎo)體內(nèi)的電流會(huì)集中在導(dǎo)體的表面，這就是趨膚效應(yīng)。單股線徑粗的銅線趨膚效應(yīng)嚴(yán)重，造成發(fā)熱和效率降低；多股線中單根漆包線相互絕緣而且線徑較小，可有效降低趨膚效應(yīng)影響。

2.FPC線圈

(1)常見FPC結(jié)構(gòu)

單面板：不能用作FPC線圈（單面有銅，布線時(shí)不能交叉，線圈內(nèi)引線無法導(dǎo)出），適用于單面有焊盤的FPC端子；

雙面板：適用于各種FPC線圈和FPC端子；

鏤空板：適用于雙面有焊盤的FPC端子，和單面板一樣不能用作FPC線圈。

單面板和鏤空板結(jié)構(gòu)不同用途也不同。單層板由銅箔基材（銅箔+PI）+PI保護(hù)膜兩部分組成，焊盤只出現(xiàn)在有PI保護(hù)膜的一面，另一面無法開窗形成焊盤；鏤空板由PI保護(hù)膜+銅箔+PI保護(hù)膜三部分組成，但是焊盤可以出現(xiàn)在兩面（通過PI膜開窗控制），適用范圍更廣。

(2)工藝流程（雙面板）

開料：將整卷雙面板原材料（銅箔基材）裁切成設(shè)計(jì)拼板大小尺寸；

鉆孔：在基材表面鉆出所需通孔，為連接兩面線路導(dǎo)電作鋪墊（雙層板上下兩層銅之間有PI，在鉆孔和鍍銅之前是不導(dǎo)電的），或者為后工序作識(shí)別和定位使用；

鍍銅：在基材通孔壁上吸附一層離子鈀，通過催化氧化還原反應(yīng)，在離子鈀的基體上沉積一層金屬銅層（鍍銅時(shí)上下兩層銅箔通孔處沉積的金屬銅層會(huì)使兩層銅箔導(dǎo)通）；

清洗：去除銅面氧化物并增加銅面的粗糙度，加強(qiáng)后序（貼干膜/絲印油墨）產(chǎn)品的附著力；

貼干膜：干膜（Dry film）是一種高分子化合物，經(jīng)紫外線照射后能夠產(chǎn)生一種聚合反應(yīng)，形成一種穩(wěn)定的物質(zhì)附著在板面，從而達(dá)到阻擋蝕刻的功能。在已鍍好銅的板材表面貼上一層干膜，作為圖形轉(zhuǎn)移的膠片；

對(duì)位曝光：將菲林（銀鹽感光膠片）對(duì)準(zhǔn)已貼好干膜板材上，用UV光（紫外光線）照射。菲林上已成像的地方會(huì)阻止UV光透過，無法曝光，干膜不能發(fā)生聚合反應(yīng)，無法保護(hù)此處板材后面的蝕刻；菲林上未成像的地方UV透過照射在干膜上，發(fā)生聚合反應(yīng)附著在板面，阻擋后續(xù)的蝕刻，形成留銅區(qū)（即線路）；

圖6 對(duì)位曝光示意圖

顯影：將線路圖形未曝光區(qū)域的干膜通過Na2CO3或者K2CO3沖洗，將未發(fā)生聚合反應(yīng)的干膜溶解，露出銅材，留下已曝光區(qū)域的干膜圖形；

蝕刻：顯影后露出銅面的區(qū)域通過蝕刻液（氯化銅）腐蝕掉，留下干膜覆蓋的圖形部分；

Cu+CuCl2=2CuCl

CuCl+HCl+H2O2 →CuCl2 +H2O

退膜、除油、微蝕和鈍化：將已經(jīng)蝕刻成形的線路圖形上面的干膜用脫膜液（NaOH）退掉，再經(jīng)除油除去板材表面氧化物，微蝕增強(qiáng)銅面附著力，并在線路表面鈍化生成一層銅面保護(hù)層,以避免貼覆蓋膜前表面容易氧化；

貼覆蓋膜：在銅箔線路上，覆蓋一層保護(hù)膜，以避免線路氧化或短路，同時(shí)起絕緣及產(chǎn)品彎折作用；

層壓：將已經(jīng)貼好覆蓋膜的產(chǎn)品，利用平整性很強(qiáng)的壓機(jī)高溫高壓；使得覆蓋膜的粘合劑融化、流動(dòng)并充分填充到線路間隙中，使線路銅箔和覆蓋膜緊密結(jié)合在一起，起到保護(hù)作用。

3.超薄多股并繞線圈

圖7 超薄多股并繞線圈和銅線分布圖

超薄多股并繞線圈與多股絞線線圈不同。多股絞線線圈是多股漆包線擰成一股，然后繞成線圈，線圈比較厚；超薄多股并繞線圈是多根銅線并排繞線，所有的銅線并排在同一個(gè)平面，能減小趨膚效應(yīng)的同時(shí)將線圈做到很?。ㄣ~芯直徑0.11 mm的銅線可以繞成0.15 mm厚度的線圈），適合在接收端中使用。

超薄多股并繞線圈的成本相比于FPC線圈低很多，在性能上基本持平，內(nèi)引線引出時(shí)會(huì)導(dǎo)致整體的厚度增大，可以通過線圈+FPC端子+開槽磁板（開槽形狀與FPC端子形狀一致，間距0.15 mm比較合適）來降低整體厚度。

03

無線充電磁板

1.納米晶磁板

制備非晶帶材：通過快速凝固的工藝將熔融的金屬漿料制成非晶帶材；

熱處理：將非晶帶材經(jīng)過熱處理，非晶帶材析出微小晶粒成為納米晶帶材；

覆膜疊片：將納米晶帶材通過雙面膠疊在一起，在疊層完成后的磁板上下表面附上一層膠帶，既滿足貼合的需要，也防止磁板掉粉（熱處理后的帶材很脆，容易破碎掉粉）；

裂片：納米晶磁板的初始磁導(dǎo)率可以達(dá)到幾萬，不滿足使用，裂片后磁導(dǎo)率大幅度下降，常用磁導(dǎo)率為650，配合線圈使用滿足電性要求；

模切：將卷帶的納米晶磁板模切成需要的形狀。

2.鐵氧體磁板