CN108573965A - 一种基于sip的高压脉冲功率集成模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIP的高压脉冲功率集成模块，包括陶瓷基板、金属围框、金属盖板及电子元器件；电子元器件包括变压器、高压电容、高压开关、高压二极管、分压电路和触发保护电路；陶瓷基板上设置焊盘并印制金属导线，外围制作金属围框及引脚；变压器连接高压二极管，高压二极管与高压电容连接，高压电容连接高压开关和分压电路；高压开关与触发保护电路连接；分压电路采用高压电阻和低压电阻串联，滤波电容与低压电阻并联组成。本发明基于SIP技术，在陶瓷基板正反双层装配器件实现高压脉冲功率模块的三维封装，模块体积小，约10cm3体积即可实现MW级脉冲能量输出，可应用于某些对体积空间限制严苛的场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压脉冲功率集成模块，具体涉及一种采用SIP(系统级封装)技术集成变压器和电容放电单元(CDU)的高压储能及脉冲放电模块。
背景技术
高压脉冲功率模块主要包括电压转换(变压器)和脉冲放电(CDU)两大功能单元，其作用是将低电压转换成高压能量进行存储，并通过控制高压开关的快速闭合，将储能器件上的能量瞬间释放，形成脉冲大电流(可达kA级，甚至更高)，以驱动后级负载。MW级高压脉冲功率模块在冲击片雷管起爆、冲击片点火器点火等领域均有广泛应用。
传统技术未集成变压器，系统应用时需要先通过外部电路转换高压，在上述小空间应用场景存在绝缘及抗干扰处理的不便，产品生产检测自动化存在困难。
SIP(系统级封装)技术指将多种功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能。采用SIP技术实现小型化、完整封装的高压脉冲功率集成模块是解决上述问题的一种可行技术途径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SIP的高压脉冲功率集成模块。
提供基于SIP的高压脉冲功率集成模块的技术方案。该方案基于SIP技术，采用陶瓷基板正反双层装配的方式实现高压脉冲功率模块的三维封装，电容、二极管在基板上贴片，电阻印刷并采用激光调阻，高压开关采用裸片引线键合(wire bond)互连，形成体积约10cm3，可输出MW级脉冲能量的封装模块。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于SIP的高压脉冲功率集成模块，包括陶瓷基板、金属围框、金属盖板及电子元器件；
电子元器件包括变压器、高压电容、高压开关、高压二极管、分压电路和触发保护电路；
陶瓷基板上设置焊盘并印制金属导线，外围制作金属围框及引脚；变压器连接高压二极管，高压二极管与高压电容连接，高压电容连接高压开关和分压电路；高压开关与触发保护电路连接；
分压电路采用高压电阻和低压电阻串联，滤波电容与低压电阻并联组成(分压电容由高压电阻和低压电阻串联，低压电阻和滤波电容并联组成，高压电阻和低压电阻均采用印制工艺在陶瓷基板上制作，并通过激光调阻实现电阻比值精度控制，滤波电容采用回流焊焊接至陶瓷基板)；
触发保护电路由电阻和TVS二极管并联组成(触发保护电路采用电阻和TVS二极管并联实现，电阻采用浆料印制在陶瓷基板上，TVS二极管通过回流焊焊接至陶瓷基板)；
高压电容、高压二极管在陶瓷基板背面贴片焊接；
变压器在陶瓷基板正面贴片焊接；
高压开关采用固态开关裸片，在陶瓷基板正面贴片后采用引线键合实现电气连接(高压开关采用裸芯片，阳极通过回流焊(或共晶焊接)焊接至陶瓷基板后，通过引线键合工艺实现电气连接，为保证过电流能力，其中阴极采用多根铝线键合，栅极及参考地采用铝线键合)；
滤波电容在陶瓷基板上贴片焊接；
电子元器件装配完成后采用激光焊接将金属盖板焊接密封。
作为优选方式，金属盖板焊接前可采用充氮工艺，以延缓器件、焊点氧化，延长模块寿命。
作为优选方式，变压器为采用LTCC(Low-Temperature Cofired Ceramic，LTCC)技术制作的平面高压变压器。平面高压变压器采用LTCC工艺制作，整体采用回流焊焊接至陶瓷基板。
作为优选方式，高压电阻和低压电阻采用印刷工艺，结合激光调阻实现电阻比值精度控制。
作为优选方式，高压电容和高压二极管均采用锡焊(回流焊)实现电气连接和固定。
作为优选方式，由于高压电容质量较大，为提高模块抗冲击性能，在高压电容往陶瓷基板上装配完成后，在暴露的底面上点适量的硅橡胶，在金属盖板焊接后对高压电容形成支撑作用。对高压电容采取点胶加固后，对上下空腔充氮并采用激光焊接将上下金属盖板焊接至金属围框上。
作为优选方式，触发保护电路和分压电路装配在陶瓷基板的正面。
作为优选方式，金属围框和盖板均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti制成，使得模块具有较好的电磁兼容性能。
本发明的有益效果是：本发明基于SIP技术，在陶瓷基板正反双层装配器件实现高压脉冲功率模块的三维封装，模块体积小，约10cm3体积即可实现MW级脉冲能量输出，可应用于某些对体积空间限制严苛的场景。
附图说明
图1为高压脉冲功率集成模块电路原理框图；
图2为高压脉冲功率集成模块剖视图；
图3为陶瓷基板背面布局示意图；
图4为陶瓷基板正面布局示意图；
图5为高压脉冲功率集成模块外形示意图。
图中，1-陶瓷基板，2-金属围框，3-高压开关，4-触发保护电路，5-引线，6-平面高压变压器，7-金属盖板，8-引脚，9-高压电容，10-分压电路，11-高压二极管。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1～图5所示，一种基于SIP的高压脉冲功率集成模块，包括陶瓷基板1、金属围框2、金属盖板7及电子元器件；
电子元器件包括变压器、高压电容9、高压开关3、高压二极管11、分压电路10和触发保护电路4；
陶瓷基板1上设置焊盘并印制金属导线，外围制作金属围框2及引脚8；变压器连接高压二极管11，高压二极管11与高压电容9连接，高压电容9连接高压开关3和分压电路10；高压开关3与触发保护电路4连接；
分压电路10采用高压电阻和低压电阻串联，滤波电容与低压电阻并联组成(分压电容由高压电阻和低压电阻串联，低压电阻和滤波电容并联组成，高压电阻和低压电阻均采用印制工艺在陶瓷基板1上制作，并通过激光调阻实现电阻比值精度控制，滤波电容采用回流焊焊接至陶瓷基板1)；
触发保护电路4由电阻和TVS二极管并联组成(触发保护电路4采用电阻和TVS二极管并联实现，电阻采用浆料印制在陶瓷基板1上，TVS二极管通过回流焊焊接至陶瓷基板1)；
高压电容9、高压二极管11在陶瓷基板1背面贴片焊接；
变压器在陶瓷基板1正面贴片焊接；
高压开关3采用固态开关裸片，在陶瓷基板1正面贴片后采用引线5键合实现电气连接(高压开关3采用裸芯片，阳极通过回流焊(或共晶焊接)焊接至陶瓷基板1后，通过引线5键合工艺实现电气连接，为保证过电流能力，其中阴极采用多根铝线键合，栅极及参考地采用铝线键合)；
滤波电容在陶瓷基板1上贴片焊接；
电子元器件装配完成后采用激光焊接将金属盖板7焊接密封。
在一个优选实施例中，金属盖板7焊接前可采用充氮工艺，以延缓器件、焊点氧化，延长模块寿命。
在一个优选实施例中，变压器为采用LTCC(Low-Temperature Cofired Ceramic，LTCC)技术制作的平面高压变压器6。平面高压变压器6采用LTCC工艺制作，整体采用回流焊焊接至陶瓷基板1。
在一个优选实施例中，高压电阻和低压电阻采用印刷工艺，结合激光调阻实现电阻比值精度控制。
在一个优选实施例中，高压电容9和高压二极管11均采用锡焊(回流焊)实现电气连接和固定。
在一个优选实施例中，由于高压电容9质量较大，为提高模块抗冲击性能，在高压电容9往陶瓷基板1上装配完成后，在暴露的底面上点适量的硅橡胶，在金属盖板7焊接后对高压电容9形成支撑作用。对高压电容9采取点胶加固后，对上下空腔充氮并采用激光焊接将上下金属盖板7焊接至金属围框2上。
在一个优选实施例中，触发保护电路4和分压电路10装配在陶瓷基板1的正面。
在一个优选实施例中，金属围框2和盖板均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti制成，使得模块具有较好的电磁兼容性能。
下面再对本发明进行一定的说明：
如图1所示。输入调制后的方波，经变压器升压后通过二极管向高压电容9充电，高压电容9上的电压值通过分压电路10进行反馈和监控。在高压电容9上电量达到预定值后，通过控制端输入触发电平信号，可打开高压开关3向负载输出脉冲大电流。
陶瓷基板1依据电路原理设计制作金属焊盘和印制导线，同时其正反两面外围区域在烧制过程中制作金属围框2，并在背面金属围框2外制作引脚8，陶瓷基板1制作完成后，在其正反两面中部装配电子元器件，对高压电容9采取点胶加固后，对上下空腔充氮并采用激光焊接将上下金属盖板7焊接至金属围框2上。上述器件及引脚8的电气连接通过印制导线或引线5连接，依据原理图设计制作。
陶瓷基板1背面及正面布局示意图见图3和图4。如图3所示，陶瓷基板1背面主要装配高压电容9和高压二极管11，外围制作有金属围框2。高压电容9和高压二极管11均采用锡焊(回流焊)实现电气连接和固定。由于高压电容9质量较大，为提高模块抗冲击性能，可在高压电容9往陶瓷基板1上装配完成后，在暴露的底面上点适量的硅橡胶，在金属盖板7焊接后对高压电容9形成支撑作用。如图4所示，陶瓷基板1正面主要装配高压开关3，触发保护电路4，引线5，平面高压变压器6，分压电路10，外围制作有金属围框2。高压开关3采用裸芯片，阳极通过回流焊(或共晶焊接)焊接至陶瓷基板1后，通过引线5键合工艺实现电气连接，为保证过电流能力，其中阴极采用多根铝线键合，栅极及参考地采用铝线键合。平面高压变压器6采用LTCC工艺制作，整体采用回流焊焊接至陶瓷基板1。触发保护电路4采用电阻和TVS二极管并联实现，电阻采用特定浆料印制在陶瓷基板1上，TVS二极管通过回流焊焊接至陶瓷基板1。分压电容由高压电阻和低压电阻串联，低压电阻和滤波电容并联组成，高压电阻和低压电阻均采用印制工艺在陶瓷基板1上制作，并通过激光调阻实现电阻比值精度控制，滤波电容采用回流焊焊接至陶瓷基板1。
高压脉冲功率集成模块外形示意图见图5。如图5所示，由于所采用的器件为裸片(高压开关3)、特殊工艺制作器件(LTCC变压器)或直接在陶瓷基板1上印制(电阻)，模块体积很小，可实现体积约10cm3，输出达MW级脉冲功率的能量。
综上所述，本发明变压器采用LTCC平面高压变压器6，高压固态开关采用未封装裸芯片，电阻在基板上印刷制作。具有以下效果：
1)模块体积小，基于SIP技术，采用陶瓷基板1正反双层装配的方式实现高压脉冲功率模块的三维封装，电容、二极管在基板上贴片，电阻印刷并采用激光调阻，高压开关3采用裸片引线5键合(wire bond)互连，形成体积约10cm3，可输出MW级脉冲能量的封装模块，可应用于某些对体积空间限制严苛的场景；
2)模块容易实现自动化生产装配、自动化检测，从而适应大批量生产需求；
3)模块整体封装，充氮提高贮存寿命；
4)模块整体封装，外部无高压点，应用于点火/起爆系统时便于绝缘处理，尤其当系统有低气压环境适应性要求时；
5)模块通过金属围框2、金属盖板7密封封装，大大减小对外电磁辐射，便于应用时的抗干扰设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：包括陶瓷基板、金属围框、金属盖板及电子元器件；
电子元器件包括变压器、高压电容、高压开关、高压二极管、分压电路和触发保护电路；
陶瓷基板上设置焊盘并印制金属导线，外围制作金属围框及引脚；变压器连接高压二极管，高压二极管与高压电容连接，高压电容连接高压开关和分压电路；高压开关与触发保护电路连接；
分压电路采用高压电阻和低压电阻串联，滤波电容与低压电阻并联组成；
触发保护电路由电阻和TVS二极管并联组成；
高压电容、高压二极管在陶瓷基板背面贴片焊接；
变压器在陶瓷基板正面贴片焊接；
高压开关采用固态开关裸片，在陶瓷基板正面贴片后采用引线键合实现电气连接；
滤波电容在陶瓷基板上贴片焊接；
电子元器件装配完成后采用激光焊接将金属盖板焊接密封。
2.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：金属盖板焊接前可采用充氮工艺，以延缓器件、焊点氧化，延长模块寿命。
3.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：变压器为采用LTCC技术制作的平面高压变压器。
4.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：高压电阻和低压电阻采用印刷工艺，结合激光调阻实现电阻比值精度控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：高压电容和高压二极管均采用锡焊实现电气连接和固定。
6.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：在高压电容往陶瓷基板上装配完成后，在暴露的底面上点适量的硅橡胶。
7.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：触发保护电路和分压电路装配在陶瓷基板的正面。
8.根据权利要求1所述的一种基于SI P的高压脉冲功率集成模块，其特征在于：金属围框和盖板均采用不锈钢1Cr18Ni9Ti制成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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