CN107635387B - 一种防电磁干扰功率调节电路集成模块及装联方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种防电磁干扰功率调节电路集成模块及装联方法，包括覆铜陶瓷基板和设在所述覆铜陶瓷基板上的功率调节电路元件，还包括壳体，所述覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件设于所述壳体内，所述覆铜陶瓷基板由底层的陶瓷层和上层的覆铜层组成，所述壳体包括包覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件底面及四周的壳身、覆盖于所述壳身顶部的上盖板和连接壳身内外的引线端子。本发明的有益效果是：将电磁干扰较严重的功率调节电路完全封闭在壳体中，减少了功率器件互联环路的分布参数，有效屏蔽了功率调节电路的电磁辐射；采用导热良好的材料，降低了功率半导体元器件与整机结构间的热阻。
Description
技术领域
本发明属于物理电源技术领域，特别是涉及一种可有效减少空间电源电磁干扰的功率电路集成模块及装联方法。
背景技术
大功率半导体元器件作为功率调节电路的重要组成部分，在航天器电源控制设备内大量使用，其产生的开关噪声同时也成为了EMI(Electro-Magnetic Interference，电磁干扰)的主要源头，是造成单机电磁兼容CE102、RE102两项较差的主要因素，进而影响整个航天器的电磁兼容性。
目前，在电源控制设备内部使用的电感、变压器等磁性材料通常都采用外加磁缸等电磁屏蔽措施，但对于EMI同样严重的大功率半导体元器件却一般采用分立元器件单独焊接，使其在单机内部处于裸露状态，且这种装配方式走线距离长、线束多，增加了功率路径上的散杂参数，一方面增强了功率半导体器件的开关噪声造成的电磁辐射和电磁传导，一方面削弱了滤波电路对EMI传导的抑制作用。目前航天器电源控制设备普遍采用的功率半导体器件装联方式如图1所示。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种可有效减少电磁干扰的功率电路集成模块及装联方法，尤其适用于航天器电源控制设备。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，包括覆铜陶瓷基板和设在所述覆铜陶瓷基板上的功率调节电路元件，所述覆铜陶瓷基板由底层的陶瓷层和上层的覆铜层组成，其特征在于：还包括壳体，所述覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件设于所述壳体内，所述壳体包括包覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件底面及四周的壳身、覆盖于所述壳身顶部的上盖板和连接壳身内外的引线端子；所述功率调节电路元件之间通过所述覆铜层互连，所述覆铜层与所述引线端子通过引线连接，所述功率调节电路元件通过所述覆铜层连接导线与所述引线端子互连。
所述功率调节电路元件经再流焊焊接固定于所述覆铜陶瓷基板上。
所述壳身及上盖板材质为可伐合金。
所述引线端子材质为表面镀银的铜。
所述覆铜层上设有高频滤波电容，所述高频滤波电容通过所述覆铜层连接导线与所述引线端子互连。
所述高频滤波电容选用表贴型金属化聚酯薄膜电容。
所述高频滤波电容选用四端高频滤波电容。
所述壳体内部为抽真空状态或充惰性气体状态。
一种防电磁干扰功率调节电路集成模块的装联方法，包括如下步骤：
1)功率调节电路元件、覆铜陶瓷基板贴装：功率调节电路元件先经过再流焊焊接于覆铜陶瓷基板，覆铜陶瓷基板再通过焊接或粘接与模块壳身底面连接；
2)引线端子内侧互联：引线端子内侧通过导线就近与覆铜陶瓷基板上的覆铜层互连；
3)上盖板封装：完成模块内部装联后，壳身内部抽真空或充惰性气体，最终和上盖板通过焊接构成功率集成模块的结构。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.本发明将电磁干扰较严重的功率调节电路完全封闭在壳体中，减少了功率器件互联环路的分布参数，有效屏蔽了功率调节电路的电磁辐射，同时封闭金属壳体还兼有抗辐照特性，使内部辐照敏感器件能够适应飞行器长寿命在轨飞行，提高了产品可靠性。
2.本发明通过对功率调节电路的布局与集成设计，极大减少了元器件的空间占用以及导线的使用，简化了工艺设计，提高了产品可靠性、安全性，减少了整机体积重量。
3.本发明采用覆铜陶瓷基板、金属壳体等导热良好的材料，大大降低了功率半导体元器件与整机结构间的热阻，满足航天产品的热设计要求。
4.本发明将主要的功率调节电路集成设计，一个或少量几个模块与几种元器件就能组成一套功率调节电路，通用性好，装配和调试简单可靠，不受整个空间电源设备结构变化影响，有利于产品定型及量产。
5.本发明选用四端高频滤波电容，减少了输出功率时的电磁传导发射能量，削弱了输出电压尖峰，改进了空间电源产品的输出品质。
附图说明
图1是目前普遍功率半导体器件装联的结构示意图
图2是本发明的结构示意图
图3是目前普遍功率集成部分电路原理图
图4是本发明功率集成部分电路原理图
图中：
1、覆铜陶瓷基板 2、陶瓷层 3、覆铜层
4、功率调节电路元件 5、壳体 6、壳身
7、上盖板 8、引线端子 9、高频滤波电容
10、导线
具体实施方式
如图2所示，本发明提供一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，包括覆铜陶瓷基板1和设在覆铜陶瓷基板1上的功率调节电路元件4，覆铜陶瓷基板1由底层的陶瓷层2和上层的覆铜层3组成，还包括壳体5，覆铜陶瓷基板1和所述功率调节电路元件4设于所述壳体5内，壳体5包括包覆铜陶瓷基板1和功率调节电路元件底面及四周的壳身6、覆盖于所述壳身顶部的上盖板7和连接壳身内外的引线端子8，壳身6及上盖板7为功率模块的机械安装和导热界面，将电磁干扰较严重的功率调节电路完全封闭在壳体5中，减少了功率器件互联环路的分布参数，有效屏蔽了功率调节电路的电磁辐射，同时封闭金属壳体还兼有抗辐照特性，使内部辐照敏感器件能够适应飞行器长寿命在轨飞行，提高了产品可靠性。
覆铜陶瓷基板1(Direct Bonding Copper,DBC)由陶瓷绝缘体、Al203(铝氧化物)或AlN(铝氮化物)构成，在基板上，通过高温熔炼和扩散过程，纯铜金属被紧密而坚固的贴在陶瓷上。DBC基板在电力电子产品中的独特应用要有其归功于Al203(24W/mK)和AlN(130到180W/mK)的高导热率，以及厚铜层(200-600μm)的高热能力和热分散能力。铝氧化物(7.1ppm/K)和铝氮化物(4.1ppm/K)的热膨胀系数比基板建立在金属或聚合体的基础上的情况更接近于硅(4ppm/K)。使用高纯度铜使得电流容量高于任何其它的技术，表面可以镀镍或镍/金或覆上焊阻物。
功率调节电路元件4之间通过覆铜层3互连，覆铜层3与引线端子8通过导线10连接，功率调节电路元件4通过覆铜层3连接导线10与引线端子8互连，功率调节电路元件4经再流焊焊接固定于覆铜陶瓷基板1上；覆铜层3上设有高频滤波电容9，高频滤波电容9通过覆铜层3连接导线10与引线端子8互连。
壳身6及上盖板7材质为可伐合金，可伐合金是常用的航天元器件封装材料，能满足多功能特性及设计要求，具有高导热、低膨胀、高刚度、电磁辐射屏蔽等综合优异性能的电子封装材料。
引线端子8材质为表面镀银的铜，通过陶瓷或玻璃绝缘子与壳体相连，壳体两端可设置焊杯，便于焊接导线10。
此外，如图3、4，U为输出电压，di为开关尖峰电流，RX1、RX2为导线环路等效感抗，RX3为输出滤波电容管脚等效感抗，尖峰电压主要为dU＝di*(RX1+RX2+RX3)。本发明在电路方面通过合理布局与集成，极大减少了元器件的空间占用以及导线的使用，简化了工艺设计，改进后由于导线缩短，导线环路等效感抗RX1和RX2大幅减小；高频滤波电容9选用四端、表贴型金属化聚酯薄膜电容，低等效串联阻抗，高频滤波特性好，其四端子设计还具有低引线电感的特点，减少了输出功率时的电磁传导发射能量，削弱了输出电压尖峰，RX3大幅减小，影响几乎忽略不计，因而尖峰电压dU大大减小，改进了空间电源产品的输出品质，提高了产品可靠性、安全性，减少了整机体积重量。
采用覆铜陶瓷基板1、金属壳体5等导热良好的材料，大大降低了功率半导体元器件与整机结构间的热阻，满足航天产品的热设计要求；将主要的功率调节电路集成设计，一个或少量几个模块与几种元器件就能组成一套功率调节电路，通用性好，装配和调试简单可靠，不受整个空间电源设备结构变化影响，有利于产品定型及量产。
本发明防电磁干扰功率电路集成模块的装联步骤为：
1)功率调节电路元件、覆铜陶瓷基板贴装
功率调节电路元件先经过再流焊焊接于覆铜陶瓷基板1，覆铜陶瓷基板1再通过焊接或粘接与模块壳身5底面连接；
2)引线端子内侧互联
引线端子8内侧通过铜带或导线10就近与覆铜陶瓷基板1上的覆铜层3互连；
3)上盖板封装
完成模块内部装联后，壳身6内部抽真空或充惰性气体，最终和上盖板7通过焊接构成功率集成模块的结构。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，包括覆铜陶瓷基板和设在所述覆铜陶瓷基板上的功率调节电路元件，所述覆铜陶瓷基板由底层的陶瓷层和上层的覆铜层组成，其特征在于：还包括壳体，所述覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件设于所述壳体内，所述壳体包括包覆铜陶瓷基板和所述功率调节电路元件底面及四周的壳身、覆盖于所述壳身顶部的上盖板和连接壳身内外的引线端子；所述功率调节电路元件之间通过所述覆铜层互连，所述覆铜层与所述引线端子通过引线连接，所述功率调节电路元件通过所述覆铜层连接导线与所述引线端子互连。
2.根据权利要求1所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述功率调节电路元件经再流焊焊接固定于所述覆铜陶瓷基板上。
3.根据权利要求1所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述壳身及上盖板材质为可伐合金。
4.根据权利要求1所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述引线端子材质为表面镀银的铜。
5.根据权利要求1所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述覆铜层上设有高频滤波电容，所述高频滤波电容通过所述覆铜层连接导线与所述引线端子互连。
6.根据权利要求5所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述高频滤波电容选用表贴型金属化聚酯薄膜电容。
7.根据权利要求5或6所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述高频滤波电容选用四端高频滤波电容。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述壳体内部为抽真空状态或充惰性气体状态。
9.根据权利要求7所述的一种防电磁干扰功率调节电路集成模块，其特征在于：所述壳体内部为抽真空状态或充惰性气体状态。
10.一种防电磁干扰功率调节电路集成模块的装联方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)功率调节电路元件、覆铜陶瓷基板贴装：功率调节电路元件先经过再流焊焊接于覆铜陶瓷基板，覆铜陶瓷基板再通过焊接或粘接与模块壳身底面连接；
2)引线端子内侧互联：引线端子内侧通过导线就近与覆铜陶瓷基板上的覆铜层互连；
3)上盖板封装：完成模块内部装联后，壳身内部抽真空或充惰性气体，最终和上盖板通过焊接构成功率集成模块的结构。
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