微电机及高频变压器的平面绕组的定义.docx

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微电机及高频变压器的平面绕组的定义

1项目概述

平面绕组是一种特殊的厚铜多层印制电路板，主要应用于机电行业的微电机、平面变压器及电感元件，取代目前广泛使用的铜导线绕组，是微电机行业、变压器及电感的重要组件（部件）。

成为当今世界该行业发展的潮流。

采用平面绕组的微电机及平面变压器是近几年才面世的一种全新产品。

与常规电机/变压器不同，采用了平面绕组的微电机/平面变压器没有铜导线，代之以平面绕组，因而其体积远低于常规变压器/电机，绕组能够直接制作在印刷电路板上。

其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规微电机/变压器的5%—10%；效率高，通常为97%～99%；工作频率高，从50kHz到2MHz；低漏感（小于0.2%）；低电磁干扰（EMI）等。

也称是电机技术及变压器的一次革命，而集成了平面变压器的模块电源（含AC-DC及DC-DC开关电源），在技术上更是一次飞跃；采用了平面绕组的新一代微电机及平面变压器以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世纪必将得到大力发展，且将在电力电子技术中占有很大比重。

这些都离不开且必需依赖于平面绕组技术的支持。

随着中国加入世贸组织（WTO），中国微电机产业无疑是受益最大的产业之一。

主要原因是：

①中国微电机工业通过20年的快速发展，已经形成比较完善的工业生产体系，成为世界微电机生产大国。

②国内外微电机市场的日益扩大会给国内企业带来发展机遇。

目前国际市场微特电机需求量40亿台以上，据预测，今后5一10年，微电机年需求增长率平均8％左右，这样到2010年，市场需求量将达到100亿台，比现在翻一番多。

③中国大陆劳动力价格便宜，而大量的微电机产品属于劳动密集型产业，更适合中国国情。

因此，中国加人WTO，为我国微电机产品进一步占领国际市场带来了千载难逢的机遇。

同时我们也要正视差距，直面挑战。

应该看到，我国微电机工业还是一个亟待完善和加强的产业，产品结构和企业结构不尽合理，劳动生产率还比较低下，象类似平面绕组一样先进的技术和工艺还比较少，我们应该抓住机遇，不断应用新技术，优化产品结构，增强国际竞争力。

1994年邮电部作出重大决策，大力推广开关电源以取代相控电源，十年来，通讯电源行业得以迅猛发展，今天基于平面绕组的平面变压器及各种开关电源功能模块的需求量更是增长迅速。

从以下来自中国机电行业投资信息网的统计数据显示：

既使在美国，工业发达，经济增长缓慢的情况下，开关电源在通信领域仍然维持在较高的年增长率，超过15%，可以肯定，中国通讯电源行业有更大的发展潜力。

（百万美元）

用户应用领域

AC-DC开关电源

DC-DC开关电源

1996

1998

2001

年增

长率

1996

1998

2001

年增

长率

计算机/办公自动化

1417.5

1807.1

2600.8

12.9%

277.1

363.1

545.3

14.5%

远程及数据通讯

761．9

1035.8

1579.9

15.1%

304.6

404.0

618.0

15.2%

工业/仪器

333.3

399.8

522.5

9.4%

85.0

105.2

145.2

11.3%

军事/航天

124.4

129.4

137.3

2.0%

78.1

86.3

100.2

5.1%

其它

14.6

16.9

21.1

7.5%

总计

2671.7

3389.0

4861.6

12.7%

744.8

958.6

1408.7

13.6%

高功率密度及高效率的微电机及平面变压器是机电领域的制高点，而平面绕组技术则是左右其发展的关键技术之一；我国并不缺乏机电领域的理论研究，缺少的是为实现集成化、模块化、高效力化所必需的基础工业的配套产业。

目前微电机、平面变压器、高功率密度及高效率的功能模块所需的平面绕组全部被国外产品垄断，完全依赖进口，因此，我国迫切需要与之配套的平面绕组生产项目来满足国民经济需求，工业生产，信息安全，军事/航天需求。

《应用于微电机及高频变压器的平面绕组》项目不但能填补国内空白，同时还能节约大量外汇，并可以出口创汇。

维用-长城电脑有限公司是一家专业生产印制电路板的生产企业，近几年抓住市场机遇，专注于拥有自主知识产权的平面绕组生产技术的研发，特别在2000年9月开始的与朗迅科技的合作，通过一年半的努力，不但攻克了平面绕组生产技术的难关达到国际先进的地位，而且使产品的成本有了较大幅度的下降，并通过了湖南省发展计划委员会组织的科技成果鉴定。

鉴定委员会建议在小批量生产的基础上扩大规模，加大投入加速实现产业化。

基于平面绕组项目已经突破如下核心技术：

1.厚铜层压技术。

2.厚铜钻铣技术。

3.厚铜涂覆技术。

4.电压阻抗测试技术。

本项目的其他延伸项目：

如“特种微电机及平面变压器的设计制造”，“高导热金属绝缘材料设计制造”等项目将为中国机电事业的发展提供坚实的基础。

目前维用-长城已成为国际国内众多知名的机电及电源企业的合格供应商，如：

Lucent/Tyco,Emerson/Avansys,Artesyn全球知名企业均与维用-长城电路有限公司有稳定的业务伙伴关系，国内知名的两大通讯电源企业华为及中兴通讯也相继成为维用-长城的重要顾客，最近，湖南计算机股份有限公司应用维用-长城平面绕组技术成功的开发出《三相无刷微电机》，一举填补了该项目的国内空白。

由于我公司平面绕组系列产品设计思想先进，具有独创的加工工艺，加工成本合理，技术成熟，处于国际先进水平，填补了国内空白。

产品通过了美国朗讯科技的认定和国内深圳华为公司的测试，并已批量供货，具备了产业化的基本条件。

公司将投资11300万元，其中固定资产投资8300万元，铺底流动资金3000万元，建成一个年生产能力为：

2600万片的平面绕组的产业化基地，主要建设内容为建设研发生产及配套设施15480平方米，购置主要研发、生产、检测设备200多台（套），本项目资金来源企业自筹6000万元、银行贷款4000万元、申请国家专项资金1300万元。

预期本项目达产后可实现：

年生产能力2600万片（块），年销售收入3亿元，出口创汇3250万美金，净利润4500万元，利税总额5800万元，投资利润率37.24%，投资回收期4.62年（含建设期），本项目的生产能力利用率盈亏平衡点BEF为30.87%。

本项目指标高于同行业的平均水平，产品替代进口。

具有良好的社会效益和经济效益。

综上所述，本项目符合国家产业发展策略，技术上国际领先，具有极大的市场需求，产品国际市场竞争力强，填补国内空白，其各项财务指标的计算结果表明：

项目赢利性较好，具有较强的抗风险能力，经济效益和社会效益十分显著。

总体结论项目可行。

2产业关联度分析

平面绕组作为一种主要应用于机电行业的特殊印制电路板，是实现电子产品及相关通讯电源产品小型化，高密度及高可靠性的关键环节之一，它的产业化和推广应用必将会产生深远的影响：

2.1对上游产业的影响：

1）带动我国PCB行业的发展

近十年来，我国PCB业的发展迅速，但生产相对集中在一些常规的、较低技术层次的、低附加值的产品上，美国等世界经济强国在平面绕组等一些特殊高技术、高附加值的产品领域仍有着较大的优势，垄断着市场。

维用-长城平面绕组项目的设立将打破这一领域的国际市场被西方发达国家垄断的局面，带动中国PCB业参与高利润高附加值产品的国际市场的竞争。

同时平面绕组的制造技术大大丰富了我国PCB制造技术的内涵，必将推动我国PCB制造行业迈上新的台阶。

2）促进国内PCB主要原辅料生产技术的发展

平面绕组使用的铜箔的厚度一般在3OZ以上，最厚可达10OZ；绝缘层的玻璃化温度在170℃，垂直板面的耐击穿电压为2kv/mil。

由于国内还没有专门的平面绕组生产厂家，目前国内覆铜板的供应商对这种特殊板材的供应无论是产量还是性能上与国外同行业相比还有很大的差距。

可以预见，本项目的发展将会极大的推动国内特殊覆铜板的生产。

3）推动化学沉铜工艺的发展

平面绕组的厚径比通常在5：

1至8：

1左右，且通常对孔内铜厚有较高要求，这对传统的化学沉铜及电镀铜工艺提出了更高的要求。

平面绕组的发展将促进各电镀技术的进步和工艺能力的提高。

4）促进钻孔技术的进步

平面绕组的机械性能与普通的多层板相比有较大的差异，使用传统的钻孔刀具和铣板刀具会使印制板的机加工过程的成本加大，同时加工质量也难以达到要求。

厚铜箔印制电路板的发展将促进印制板加工刀具的发展。

2.2对下游产业的影响

1）促进机电行业的发展

目前我公司生产的平面绕组主要应用于新型微电机行业、平面变压器及集成了平面变压器的模块通讯电源以及各类电感元件。

采用平面绕组的微电机/平面变压器是最近两年国际上出现的一种全新微电机/变压器，该种电机/变压器没有铜绕线，代之以厚铜多层印制电路板的平面绕组，其厚度远低于常规电机/变压器，并具有以下突出优点：

能量密度高，体积大大缩小（相当于传统变压器的20%）、效率高，漏感低，电磁干扰小，且外观和一致性好，适合全自动化生产，成为当今世界该行业发展的潮流。

它的应用也促使机电产品朝小型化、模块化、高效率以及高功率密度的方向发展。

2）促进其他电子产品的小型化

尽管平面绕组最初是应用在通讯电源上，但由于微电机和变压器是大多数机电及电子产品的核心部件，目前已扩大应用到笔记本计算机、汽车电子、数码相机、数字化电视等方面。

平面变压器的生产品种，已涉及到常规的铁氧体磁芯变压器（用插针）的各个方面，如功率变压器、宽带变压器和阻抗匹配变换器等。

使用了平面绕组的微型电机更是应用领域广泛。

平面绕组项目的发展将加速平面变压器及微电机在其他电子产品上的应用，促使电子产品的小型化和轻薄化。

本项目的设立，将加快国内各相关产品的开发速度，缩短开发周期，提高开发起点，促进电子产品开发的全面发展。

3产品的市场前景

由于平面绕组的主要应用方向是微电机、平面变压器及电感，因此，以微电机及通讯电源的发展为例来评价平面绕组的市场前景。

下面是近十年来微电机及中国通信电源的发展来分析：

微电机是现代化军事装备、工艺装备以及自动控制系统中的重要精密机电元件，也是办公自动化设备、各种车辆和家用电器中不可缺少的传动元件。

我国微电机工业60年代前后才开始全面发展。

改革开放以来，发展更为迅速，产量越来越大，生产厂家也因此增加了10倍，达到400家左右，其中三资企业50多家。

目前已有微电机生产及配套厂家1千家以上，从业人员10万人，工业年产值超过100亿元；1999年出口各类微电机10亿台，资料统计，我国微电机的出口量每年按30%的速度增长。

现在，国内年产各种微电机超过15亿台，目前国际市场微特电机需求量40亿台以上，据预测，今后5一10年，微电机年需求增长率平均8％左右，这样到2010年，市场需求量将达到100亿台，对平面绕组的需求将达到1000亿元。

增长主要体现在汽车工业、家电工业特别是小家电工业，声像设备和计算机外围设备以及包装，环保等行业。

中国加人WTO，为我国微电机产品进一步占领国际市场带来了千载难逢的机遇。

又据统计：

我国微电机的出口量每年按30%的速度增长。

现在，国内年产各种微电机超过15亿台，70%出口国际市场，国内需求5亿台左右，按10%的增长速度，到2005年，国内市场对平面绕组的需求可达70亿元，具有极好的发展前景。

应用了平面绕组新技术的微电机产品将大大提高在国际市场的竞争力，随着我国微电机产业的发展状大，我国微分电机产品将更多更方便地进入世界市场。

国内通信电源的主要客户群有：

中国电信、移动公司、中国联通、广电、专网（包括电力网、铁道网、军事网、石油网等）。

来自中国电子行业投资信息网的统计数据显示：

程控交换机市场经过几年的发展之后趋于平稳，移动通信已成为发展热点。

1999年移动公司新增用户约2千万，新建移动基站约2万个，配套电源约15亿元；固定网相控电源改造在1998、1999、2000年处于高峰期，1999年容量约6-8亿元；新建交换、传输等网络的配套电源约5-7亿；迅速崛起的中国联通1999年新增容量约400万户，新建移动基站4千个，配套电源约3-5亿元。

据中国电源学会统计：

1991年国内通信电源投资额为人民币0.8亿元，到1995年增加到10亿元，到1998年增加到30亿元，1999年全国通信电源市场容量为35亿元以上。

从1991年到1999年通信电源增长43倍多。

按此发展态势，预计2005年国内通讯电源类产品平面绕组的需求量可达20亿人民币。

纵观国际市场，由于平面变压器的产品在国外起步较早，而且平面绕组应用于低电压、大电流输出的通讯电源有普通电路板无可比拟的优势，所以近几年国外平面绕组的需求量几乎以每年50%的速度增长。

维用-长城电路有限公司是目前国内唯一批量生产平面绕组的PCB制造商，自平面绕组项目设立两年多时间以来，业务发展迅猛。

尤其国际市场的开拓成绩显著，目前维用-长城已成为国际国内众多知名的电源企业的合格供应商，如：

Lucent/Tyco,Emerson/Avansys,Artesyn全球排名前三位的通讯电源企业均与维用-长城电路有限公司有稳定的业务伙伴关系，国内知名的两大通讯电源企业华为及中兴通讯也相继成为维用-长城的重要顾客。

4．项目的必要性及意义，国内外现状和技术发展趋势

4.1项目的必要性及意义：

发展本项目有如下必要性：

1）平面绕组项目的产业化是机电产品及相关通讯电源产品小型化、高密度化、高可靠性发展的需要。

平面绕组是针对机电行业等一些对印制板有特殊要求的电子产品而开发出来的。

机电行业对各类产品的要求是：

高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数（AC输入端），以及智能化、低成本、EMI小、可制造性（Manufacturability）、分布电源结构（DistributedPowerArchitecture）等，而实现这些功能离不开平面绕组。

2）替代进口，填补国内空白

美国等发达国家已经形成了平面绕组产业，如：

MFI，UPE等都从事与机电行业和通讯行业相配套的平面绕组产业。

但由于国内平面绕组制造的相对滞后，中国机电产品及通讯企业电源产品所需的平面绕组均需从国外大量进口，这不利于国内机电行业及电源产品的研发和参与国际市场竞争，我国应该具有与之抗衡的民族产业和公司存在，而维用-长城的产品正好可以填补这一空缺，我们愿意而且能够肩负起这一历史使命。

因此，为配合国内机电及通讯电源的发展，有必要加快平面绕组的开发和生产。

3）是国家产业战略，国防战略，安全战略的需要

平面绕组是通讯行业乃至电子行业的基础工业之一，在各行各业、领域有着广泛的应用，如果任由西方国家控制作这一领域的市场尤其是某些要害部门、领域内的市场，必定留下安全隐患，因此大力开拓有自主知识产权的平面绕组是国家产业战略，国防战略，安全战略的需要。

4）可满足市场快速发展的迫切需要

我公司通过与美国朗讯科技合作，逐步解决了平面绕组生产中的难点，已掌握了微电机及通讯电源相关产品平面绕组的制造技术，进入批量生产阶段，并以此为契机打开了国外的平面绕组的市场，培育了国内多层板市场，取得了良好的经济效益。

目前，还有许多国际国内知名的企业如：

Ericsson,Pulse,Epcos等均有意向与维用-长城合作，但限于产能的限制，无法为其提供服务。

为了适应迅猛发展的市场需要和面国际竞争，有必要进一步扩大生产，发展和完善平面绕组系列产品。

发展本项目的意义如下：

1）发展本项目，可以加速公司乃至全国印制电路板产品朝多元化发展，提升印制板产品的科技含量，打破国外大公司对国内平面绕组市场的垄断。

2）对国内的机电和通讯开关电源供应商而言，本项目的产品可以替代其原需从国外进口的印制板产品，从而降低产品的生产成本，提高在国际市场的竞争能力。

3）平面绕组项目的设立能为国家节省宝贵的外汇，同时，由于平面绕组自身的技术特点及优势，能为国家节约大量的铜材。

4）我国机电行业在理论研究方面与国外相差不大，但在产品产业化方面还有很大的差距。

发展本项目，有利于印制板生产厂家与电源生产商的交流和合作，解决开关电源印制板的设计、生产、装配之间的问题，缩短通讯电源的研发周期，加快通讯电源的产业化进程。

4.2国内外现状

根据湖南省科技厅的查新报告，目前我公司是国内唯一的平面绕组批量生产厂家。

目前微电机领域在技术上仍然国外领先于国内，较多的情况是仿制，自主开发的很少。

国外对平面绕组的研究起步早起点高，尤其在机电领域的应用更为广泛，已涉及到各种特种微电机和大功率电机领域，象无刷直流电机、智能化伺服电动机及机组、精密步进电动机、直线电机和低速电机、直流永磁电动机、微型交流调速电动机等等。

我国微电机出口存在的问题主要是品种少、品质低、生产周期长、外观质量差，因此平面绕组项目的产业化将促进我国微电机产业的开发和发展。

最近，湖南计算机股份有限公司应用维用-长城平面绕组技术成功的开发出《三相无刷微电机》就是很好的例子。

从行业内部的反馈来看，虽然国内已经有一些大的PCB厂家在研发此类产品，但目前还没有解决因厚铜板的特性而导致的一些技术问题，从而无法进行批量生产平面绕组。

国外厚铜板的研发和生产比国内早，但其中的核心技术也只是掌握几家大的PCB厂手中，比较知名的有MFI、UPE等。

由于原材料成本高和大公司的垄断因素，国外平面绕组的价格一直居高不下。

4.3技术发展趋势

平面绕组有如下发展趋势：

1）应用平面绕组替代传统绕线式绕组成为当今微电机行业及高频变压器行业的国际发展趋势。

2）机电产品的小型化将促使平面绕组向更高的层数、更厚的铜厚、更高的布线密度和能量密度方向发展。

3）基于平面绕组的应用已经广泛渗透到各个领域，平面绕组有可能作为一个相对独立的电子原器件产业出现。

5项目的技术基础

5.1成果来源及知识产权情况

平面绕组技术是公司研发人员努力钻研，结合自身十多年的印制电路板的生产经验开发的产品，在制造技术方面拥有完全的自主知识产权。

5.2项目中试情况

本项目2000年9月立项，经过三个月的技术攻关，解决了电路设计与印制板生产之间的一些相冲突的技术要求，完成了从产品设计到生产实现的阶段。

2001年1月到3月进行小批量生产，解决了生产过程中成本高、镀铜质量和电压测试不合格的问题。

2001年3月，通过美国朗讯公司的产品测试，成为该公司的合格供应商，开始批量生产平面绕组。

2001年10月成为华为的合格供应商。

2002年元月成为腾迅科技的合格供应商。

2001年全年完成各类平面绕组近200万片，实现销售收入1500万元。

乞今为止，维用-长城平面绕组项目的工艺能力已经达到最大铜厚8oz、最高层数18层的平面绕组的稳定的批量生产能力。

5.3技术及工艺特点

1）产品的技术指标

Ø导电铜箔厚度最小为3OZ（105µm），最大为8OZ（245µm）

Ø导电层之间的绝缘层，当使用HighTgFR4时，层间耐压强度大于1.5KV；当使用Polymide时，耐压强度可达5KV以上。

Ø印制板最终厚度通常在2.0mm以上，最小孔径在0.3mm左右，最小导线宽度为0.075mm.

Ø多层板最高层数18层。

Ø工艺能力表（见附页）

2）产品的工艺特点

常规PCB

平面绕组

各层铜厚

小于2OZ

大于3oz,最大8OZ

板厚度

1．6mm

大于2.0mm最大5.0mm

板料Tg

130℃

170℃

孔内铜厚

25um

最小25um,最大80um.

层间耐电压要求

小于500V

大于1500v

绕组电阻测试

无要求

达到指定要求

3）关键工序特点

·层压工艺

层压是多层板生产中一个必不可少的步骤。

多层板的各个内层通过粘结片叠板压合而结合在一起，而后通过金属化孔达到电气互连的目的，从这一意义来讲，层压是多层板生产中首要的关键的工艺之一。

目前我公司平面绕组的应用方向主要为微电机和平面变压器，这两种产品对层压品质及层间绝缘强度有较高的要求，国际上同类型产品中通常全部采用聚酰亚铵的材料作为绝缘层，因此材料生产的同类产品的成本高。

我公司于2000年9月与Lucent的配合，依靠自身的技术力量及多年的PCB制造经验，成功的实现使用High-Tg的FR4材料替代聚酰亚铵的材料，产品通过Lucent的检验，各项性能达到其标准要求，并通过UL认证。

同时产品的成本下降50%。

（比国外同类产品）

平面绕组，因其各内层铜较厚，（>3oz）,在使用FR4作为绝缘层时，关键问题在于如何克服因填胶不均，而形成的绝缘强度不够的问题，因电源产品需要满足1500~3000v绝缘电压的要求，同时要求性能稳定可靠。

从本项目中试结果来看，这一关键技术得到安全解决。

目前已经攻克最后铜的厚度达到8oz的层压技术。

2001年给Lucent共提供此类产品150万片，而产品的退货率控制在PPM级。

内层变形补偿是多层板制造过程中必不可少的，而平面绕组由于其层压工艺不同，内层所受应力也有显着的差异，因而必须通过实验确定补偿值。

目前，我们的平面变压器系列板内层偏移已能够控制在0.1‰以内，使内层之间对位保持了很高的精度。

·机加工工艺

机加工过程包括钻孔以及最终的铣板成形过程，它在印制线路板的生产中占有重要的地位，这两个制程的消耗在生产成本统计中也占着很大的比重，所以如何提高机械加工的精度，减少机械消耗是各生产商的重要的研究方向。

我公司的平面绕组每层铜箔厚为3oz以上，层数在10-20层之间，最终板厚在3.0mm左右，并且采用大拼板生产，铣成小拼板供货，因而机加工难度也大大超出了一般双面板和多层板的要求。

铣板成形方面遇到了铣板分层、外形尺寸超差、断刀等问题，我公司研发部通过与铣刀供应商的合作，针对平面绕组的特点对铣刀设计的关键技术参数进行了改进，研制了为厚铜板的特殊铣切加工刀具。

从近几个月厚铜板生产的质量统计来看，公司已形成了独特且稳定的铣切加工技术，解决了铣切加工过程中的技术问题。

钻孔方面：

由于板厚、铜箔厚度显著增加，钻机主轴下钻时钻头所受的阻力增大，发热量增加，并且钻尖易产生微位移，因而对0.4mm以下的小孔很容易发生断针、偏孔、少孔、孔壁粗糙，影响后面的图形转移、对位精度以及金属化孔的质量，在经过大量的实践、试验之后，我们对公司原来的钻头的设计及钻孔工艺参数进行了较大的调整，采用较为独特的分步钻孔工艺，将钻头所受的阻力分化、减小、，开发出独特的钻孔工艺技术；极大的提高了钻孔的品质。

·化学沉铜及电镀铜技术

化学沉铜形成金属化孔是印制板实现层间互连的重要手段，多层板常见的化学沉铜工艺包括去环氧钻污、微蚀、活化、沉铜等几个主要过程，流程大同小异，然而不同的工艺参数却会使沉铜效果有很大的区别。

目前我公司采用香港先进企业的全自动垂直沉铜与板镀线，shipley化学公司的系列沉铜药剂进行平面绕组的生产。

同时，针对研发过程中的一些问题，我们对生产工艺参数不断的优化，在生产设备、药剂配方上也作了一些相应的改进，使平面绕组的沉铜质量达到了较高的水平，为后面的电镀铜提供了有力的保证。

应用于微电机及高频变压器的平面绕组往往对金属化孔内的铜厚度有着较高的要求，这对于酸性铜垂直电镀工艺是极大的挑战。

根据公司目前的电镀铜的设备及工艺状况，结合国外同行业在电镀铜方面的一些新工艺，我们改善和优化了多层板的通孔电镀工艺，有效的解决了板面铜厚超差、孔内铜厚不够这一平面绕组生产过程中常见的矛盾，有力的提升了与同类产品的竞争能力。

金相切片分析以及最后的电阻测试表明，我们在厚径比6：

1到8：

1的范围内的产品孔电阻值能够严格满足客户的要求，质量达到了一个较高的水准。

（注：

厚径比指板厚与多层板最小金属化孔的比值，比值越大表明孔