一种高压脉冲发生器升压模块及三维堆叠集成方法与流程

1.本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种高压脉冲发生器升压模块及三维堆叠集成方法，集成后的高压脉冲发生器升压模块具有体积小、重量轻、高可靠、散热良好的特点，适用于需要高压脉冲发生器的应用场景，如电力、铁路、化工、发电厂、机电等相关行业，可实现高压脉冲发生器升压模块的小型化和模块化，为高压脉冲发生器的进一步集成化提供重要技术支撑。


背景技术：

2.高压脉冲发生器是用于产生高压脉冲信号的设备，其升压模块是核心，工作原理是利用电容的充放电过程以及变压器的升压功能，产生高电压，被广泛应用在电力、铁路、化工、发电厂、机电等相关行业。传统的高压脉冲发生器升压模块的制作方式是采用表面贴装工艺，将所有器件平铺在pcb板上，通过pcb的内部走线实现电气信号互联，输入输出皆通过导线，该方法虽然工艺简单、成本低，但尺寸较大，不能实现小型化和集成化。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高压脉冲发生器升压模块及三维堆叠集成方法，使高压脉冲发生器升压模块进一步实现小型化、集成化，还具有成本低、工艺制程短、开发成本低等特点，满足未来装备发展的需求。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.第一方面，一种高压脉冲发生器升压模块，包括至少两个基板装配后形成的三维堆叠结构，所述单个基板为带单面腔体或双面腔体的多层布线高温共烧陶瓷基板，基板的腔体底面作为元器件的安装面，基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面；
6.基板的信号引出面上设有极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；升压模块输入端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，输出端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。
7.第二方面，一种高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，包括如下步骤：
8.根据升压模块中元器件的电气连接关系，在至少两个高温共烧陶瓷基板上进行多层电路布局设计；
9.将高温共烧陶瓷基板设计为带单面腔体或双面腔体结构，基板的腔体底面作为元器件的安装面；
10.根据电路布局和基板结构设计，制备带腔多层布线陶瓷基板；
11.根据升压模块的电路布局设计，将元器件贴装在高温共烧陶瓷基板的腔体里；
12.将贴装元器件的基板按进行三维叠装焊接，实现电气互联和结构连接；
13.将三维叠装焊接后的基板封装与金属壳体中，得到三维堆叠集成的升压模块。
14.根据本发明提供的一种高压脉冲发生器升压模块及三维堆叠集成方法，具有以下有益效果：
15.(1)本发明提供的一种高压脉冲发生器升压模块，采用三维叠装集成结构，实现高压脉冲发生器升压模块轻量化、小型化；
16.(2)本发明提供的一种高压脉冲发生器升压模块，采用htcc陶瓷基板及金属壳体，实现模块的高可靠性和良好散热；
17.(3)本发明提供的一种高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，操作工序、工艺制程短、开发成本低，既适应于多品种小批量的定制型生产，也适用于工业化大规模生产。
附图说明
18.图1为高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法流程图；
19.图2为高压脉冲发生器升压模块元器件电气连接关系；
20.图3为高温共烧陶瓷基板单面及双面腔体结构图；
21.图4为高温共烧陶瓷基板电气互联结构示意图；
22.图5为高温共烧陶瓷(htcc)工艺流程；
23.图6为元器件在基板腔体内的贴装图；
24.图7为高压脉冲发生器升压模块三维叠装焊接图；
25.图8为金属管壳和盖板及与基板的配合关系；
26.图9为盖板和金属管壳的点焊固定示意图。
具体实施方式
27.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
28.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
29.本发明提供了一种高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，如图1所示，包括如下步骤：
30.步骤1，电路布局设计：根据升压模块中元器件的电气连接关系，在至少两个高温共烧陶瓷(htcc)基板上进行多层电路布局设计。
31.高压脉冲发生器升压模块元器件电气连接关系如图2所示，升压模块主要由电阻、电容、二极管、晶闸管和升压变压器t等组成；当输入电源接通时，电源经电阻向电容充电，当充电至二极管导通时，触发晶闸管，电容放电，由升压变压器次级感应高压电，从而实现快速升压。对于控制性能等要求较高的升压模块，还会在此基础上增加控制电路、升压开关、高压放电开关、反馈电路、负压保护电路等。
32.步骤2，基板结构设计：将高温共烧陶瓷基板设计为带单面腔体或双面腔体结构如带单面腔体或双面腔体的圆柱体结构，基板的腔体底面作为各类元器件的安装面，基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面，腔体结构见图3。
33.在基板的信号引出面上设计极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；在升压模块输入端基板的信号引出面上设计插针或插孔结构，在输出端基板的信号引
出面上设计插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。
34.根据实际功能和选用器件大小、数量、互联关系及布线层数等要求，确定高温共烧陶瓷基板数量x(x≥2)、基板直径或最小边长d(d≥5毫米)、腔体底面厚度h(h≥1毫米)、腔体壁厚l(l≥1毫米)。考虑到高压大功率元器件对低压元器件的影响，将输入端低压元器件(如电阻、二极管和晶闸管)和输出端高压元器件(如电容、升压变压器t)布局在不同基板的腔体底面上或同一基板两侧的腔体底面，优选升压模块还包括至少一个中间基板以隔绝高压区和低压区。中间基板两侧的信号引出面上均设计极针或金属化孔结构。
35.根据设计应用要求，合理设计基板上极针(或插针)的直径d(d≥0.5毫米)、与极针(或插针)配合的金属化孔(或插孔)的直径、基板单侧极针或金属化孔的数量m(m≥3)、输入端及输出端插针或插孔的数量n(n≥3)，结构图见图4。
36.步骤3，基板制作：根据电路布局和基板结构设计，采用htcc工艺制作基板，得到如图4所示的带腔多层布线陶瓷基板，htcc工艺流程见图5。
37.步骤4，元器件贴装：根据升压模块的电路布局设计，将元器件采用导电胶粘接或金属焊接方式贴装在基板的腔体里，焊接采用的焊料包括有铅焊料、无铅焊料或免清洗焊料等。低压元器件(如电阻、二极管和晶闸管)布置在输入端低压区，高压大功率元器件(如电容、升压变压器t)布置在输出端高压区，根据实际要求，可将部分元器件布置于中间基板腔体内，实现x(x≥2)个基板的叠装互联，以增加模块的集成度，见图6。
38.步骤5，三维叠装焊接：将贴装元器件的基板按顺序进行极针和金属化孔配合叠装，采用回流焊或真空烧结工艺进行针-孔焊接，焊接温度高于步骤4中元器件的焊接温度10℃左右。焊接后各基板间通过极针和金属化孔实现电气互联和结构连接。三维叠装焊接图见图7。
39.步骤6，金属管壳和盖板制作：制作封装基板的金属壳体，金属壳体包括金属管壳和盖板，金属管壳和金属盖板的厚度h≥1mm，材质为铝合金、可伐合金、镍合金或不锈钢等可焊接金属；金属管壳开口处加工成台阶，盖板与金属管壳配合间隙a满足：0.03毫米≤a≤0.05毫米，且配合处不能倒钝处理。
40.金属管壳与装配后基板的单边配合精度δl满足：0.25毫米≤δl≤0.5毫米。
41.升压模块输入端基板的信号引出面上设计插针或插孔时，盖板上开设有预留孔，孔位与输入端插针或插孔的中心对位，配合间隙单边为q，q≥0.5mm。
42.升压模块输出端基板的信号引出面上设计插针或插孔时，金属管壳底部上开设有预留孔，孔位与输出端插针或插孔的中心对位，配合间隙单边为p，p≥1mm。金属管壳和盖板及与基板的配合关系如图8所示。
43.步骤7，装配：将三维叠装焊接后的基板外壁均匀涂抹0.4～0.8毫米厚度的绝缘环氧胶，环氧胶可以是蓝胶、红胶、ab胶等，再整体装入金属管壳中；输出端的插针从金属管壳底部的预留孔中伸出，或输出端的插孔与金属管壳底部的预留孔对应；在基板与金属壳体装配好后，在基板与金属管壳的间隙内灌入绝缘环氧胶；最后，将盖板上的预留孔与输入端插针进行装配或盖板上预留孔与输入端插孔对应，使盖板与金属管壳台阶处配合，对盖板和金属管壳进行点焊固定。盖板和金属管壳的点焊固定遵循相邻两个焊点距离大于1毫米，但焊点不少于4处，见图9。
44.优选地，在盖板与基板之间、基板与金属管壳底部之间分别加装面积与基板横截
面积一致的橡胶垫片，见图8。橡胶垫片厚度b满足：1毫米≤b≤5毫米，橡胶垫片上预留孔的孔径和数量分别与输入端、输出端基板上插针或插孔的直径和数量一致；安装橡胶垫片的作用是避免陶瓷基板与金属管壳和金属盖板之间硬接触，提高模块的抗冲击能力。
45.步骤8，环氧胶固化：将装配后的整体模块放入烘箱中进行环氧胶固化，温度120℃～140℃，确保环氧胶有效将金属管壳和基板粘到一起。
46.步骤9，激光封焊：将盖板与金属管壳沿配合缝隙进行圆周激光封焊。
47.本发明还提供了一种高压脉冲发生器升压模块，如图3-4、6-8所示，包括至少两个基板装配后形成的三维堆叠结构，所述单个基板为带单面腔体或双面腔体的多层布线高温共烧陶瓷基板，基板的腔体底面作为各类元器件的安装面，基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面；
48.基板的信号引出面上设有极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；升压模块输入端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，输出端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。
49.升压模块的输入端低压区元器件(如电阻、二极管和晶闸管)和输出端高压区元器件(如电容、升压变压器t)布局在不同基板的腔体底面或同一基板两侧的腔体底面，优选升压模块还包括至少一个位于输入端基板和输出端基板之间的中间基板，用以隔绝高压区和低压区及增加集成度。中间基板两侧的信号引出面上均设计为带极针或金属化孔结构。
50.根据实际功能和选用器件大小、数量、互联关系及布线层数等要求，高温共烧陶瓷基板的数量x≥2，基板直径或最小边长d≥5毫米，腔体底面厚度h≥1毫米，腔体壁厚l≥1毫米。
51.根据设计应用要求，高温共烧陶瓷基板上极针(或插针)的直径d≥0.5毫米，与极针(或插针)配合的金属化孔(或插孔)的直径、基板单侧极针或金属化孔的数量m≥3，输入端及输出端插针或插孔数量n≥3。
52.本发明中，基板装配后形成的三维堆叠结构外套设有金属壳体，金属壳体包括金属管壳及封装金属管壳的盖板，金属管壳底部及盖板上开设预留孔，位于升压模块输出端基板上的插针从金属管壳底部的预留孔中伸出，或位于输出端基板上的插孔与金属管壳底部的预留孔对应，孔位与输出端插针或插孔的中心对位，配合间隙单边p≥1mm；位于升压模块输入端基板上的插针从盖板的预留孔中伸出，或位于输入端基板上的插孔与盖板上的预留孔对应，孔位与输入端插针或插孔的中心对位，配合间隙单边q≥0.5mm。
53.金属管壳和金属盖板的厚度h≥1mm，材质为铝合金、可伐合金、镍合金或不锈钢等可焊接金属；金属管壳开口处加工成台阶，盖板与金属管壳配合间隙a满足0.03毫米≤a≤0.05毫米，且配合处不能倒钝处理。
54.金属管壳与装配后基板的单边配合精度δl满足：0.25毫米≤δl≤0.5毫米。
55.在盖板与基板之间、基板与金属管壳底部之间分别加装面积与基板横截面积一致的橡胶垫片。橡胶垫片厚度b满足：1毫米≤b≤5毫米，橡胶垫片上预留孔的孔径和数量分别与输入端、输出端基板上插针或插孔的直径和数量一致；安装橡胶垫片的作用是避免陶瓷基板与金属管壳和金属盖板之间硬接触，提高模块的抗冲击能力。
56.基板与金属管壳的间隙内填充有绝缘环氧胶，如蓝胶、红胶、ab胶等。
57.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并
不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
58.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，包括至少两个基板装配后形成的三维堆叠结构，所述单个基板为带单面腔体或双面腔体的多层布线高温共烧陶瓷基板，基板的腔体底面作为元器件的安装面，基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面；基板的信号引出面上设有极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；升压模块输入端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，输出端基板的信号引出面上设有插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述升压模块输入端低压区元器件和输出端高压区元器件贴装在不同基板的腔体底面和/或同一基板两侧的腔体底面。3.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述升压模块还包括至少一个位于输入端基板和输出端基板之间的中间基板，中间基板两侧的信号引出面上均设计为带极针或金属化孔结构。4.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述基板装配后形成的三维堆叠结构外套设有金属壳体，金属壳体包括金属管壳及封装金属管壳的盖板，金属管壳底部及盖板上开设预留孔，金属管壳底部上开设的预留孔与输出端基板上插针或插孔的中心对位，盖板上开设的预留孔与输入端基板上插针或插孔的中心对位。5.根据权利要求4所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述金属管壳开口处加工成台阶，盖板与金属管壳配合，优选配合间隙a满足0.03毫米≤a≤0.05毫米，且配合处不能倒钝处理。6.根据权利要求4所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述盖板与基板之间、基板与金属管壳底部之间分别加装橡胶垫片。7.根据权利要求4所述的高压脉冲发生器升压模块，其特征在于，所述基板与金属管壳的间隙内填充有绝缘环氧胶。8.一种高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，包括如下步骤：根据升压模块中元器件的电气连接关系，在至少两个高温共烧陶瓷基板上进行多层电路布局设计；将高温共烧陶瓷基板设计为带单面腔体或双面腔体结构，基板的腔体底面作为元器件的安装面；根据电路布局和基板结构设计，制备带腔多层布线陶瓷基板；根据升压模块的电路布局设计，将元器件贴装在高温共烧陶瓷基板的腔体里；将贴装元器件的基板按进行三维叠装焊接，实现电气互联和结构连接；将三维叠装焊接后的基板封装与金属壳体中，得到三维堆叠集成的升压模块。9.根据权利要求8所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述将高温共烧陶瓷基板设计为带单面腔体或双面腔体结构，基板的腔体底面作为元器件的安装面的步骤，还包括：以基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面，在基板的信号引出面上设计极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；在升压模块输入端基板的信号引出面上设计插针或插孔结构，在输出端基板的信号引出面上设计插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。10.根据权利要求9所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在
于，所述将高温共烧陶瓷基板设计为带单面腔体或双面腔体结构，基板的腔体底面作为元器件的安装面的步骤，还包括：确定高温共烧陶瓷基板的直径或最小边长d≥5毫米，腔体底面厚度h≥1毫米，腔体壁厚l≥1毫米；和/或确定基板上极针或插针的直径d≥0.5毫米、与极针配合的金属化孔的直径d≥0.5毫米、与插针配合的插孔的直径d≥0.5毫米、基板单侧极针或金属化孔的数量m≥3，输入端及输出端插针或插孔的数量n≥3。11.根据权利要求8所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述根据升压模块的电路布局设计，将元器件贴装在高温共烧陶瓷基板的腔体里的步骤中，将升压模块输入端低压区元器件和输出端高压区元器件贴装在不同基板的腔体底面或同一基板两侧的腔体底面。12.根据权利要求9所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述将贴装元器件的基板按进行三维叠装焊接，实现电气互联和结构连接的步骤，包括：将贴装元器件的基板按顺序进行极针和金属化孔配合叠装，采用回流焊或真空烧结工艺进行针-孔焊接，焊接后各基板间通过极针和金属化孔实现电气互联和结构连接。13.根据权利要求8所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述将三维叠装焊接后的基板封装与金属壳体中，得到三维堆叠集成的升压模块的步骤，包括：制作封装基板的金属壳体，金属壳体包括金属管壳和盖板，金属管壳底部和盖板上开设有预留孔；将三维叠装焊接后的基板外壁均匀涂抹绝缘环氧胶并装入金属壳体中，基板上的插针或插孔与金属壳体上的预留孔对应，并在基板与金属管壳的间隙内灌入绝缘环氧胶；将装配后的整体模块进行环氧胶固化，使金属管壳和基板粘合固定；将盖板与金属管壳沿配合缝隙进行激光封焊，得到三维堆叠集成的升压模块。14.根据权利要求13所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述金属管壳开口处加工成台阶，盖板与金属管壳配合间隙a满足：0.03毫米≤a≤0.05毫米，且配合处不能倒钝处理；和/或金属管壳与装配后基板的单边配合精度δl满足：0.25毫米≤δl≤0.5毫米；盖板上开设的预留孔与输入端基板上插针或插孔的中心对位，配合间隙单边为q，q≥0.5mm；和/或金属管壳底部上开设的预留孔与输出端基板上插针或插孔的中心对位，配合间隙单边为p，p≥1mm。15.根据权利要求13所述的高压脉冲发生器升压模块的三维堆叠集成方法，其特征在于，所述将三维叠装焊接后的基板封装与金属壳体中，得到三维堆叠集成的升压模块的步骤中，在盖板与基板之间、基板与金属管壳底部之间分别加装橡胶垫片，优选橡胶垫片厚度b满足：1毫米≤b≤5毫米。

技术总结
本发明提供了一种高压脉冲发生器升压模块及三维堆叠集成方法，升压模块包括至少两个基板装配后形成的三维堆叠结构，单个基板为带单面腔体或双面腔体的多层布线高温共烧陶瓷基板，基板的腔体底面作为各类元器件的安装面，基板的上下表面作为基板间互联信号的引出面；基板的信号引出面上设计极针或金属化孔，用于基板间的电气互联和结构连接；升压模块输入端基板的信号引出面上设计插针或插孔结构，升压模块输出端基板的信号引出面上设计插针或插孔结构，用于与升压模块外的结构电气连接。本发明采用三维堆叠的集成技术，实现高压脉冲发生器升压模块三维堆叠模块化，摒弃传统的单板电路的连接方式，极大地缩小了体积，减轻了重量，增加了可靠性。增加了可靠性。增加了可靠性。


技术研发人员：扈光涛 魏猛 田英 林立娜 赵丹 韩立昌
受保护的技术使用者：四川航天燎原科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/20