基于共差模立体集成电感的宇航电源滤波器及制造方法与流程

本发明涉及基于共差模立体集成电感的高密度宇航电源滤波器及制造方法，适用于宇航二次电源领域中要求在高输入母线电流下具备高可靠、小型化特征的电源输入滤波器产品，可推广应用于军民用领域具有大电流特性的高密度滤波器及二次电源产品。

背景技术：

1、为解决卫星与航天器中的二次电源对载荷设备的emc干扰问题，在二次电源的输入侧必须配备电源滤波器。随着通信、导航卫星技术的长足发展，作为能源的航天器二次电源的功率和电流等级逐步提高，导致与二次电源配套的电源滤波器的尺寸越来越大，电源滤波器尺寸已经接近二次电源本体的尺寸。同时，功率等级提高还加重了滤波器内部电感等器件的热耗，散热问题影响滤波器乃至整个供电系统的可靠性。因此，研究并设计体积更小、适应更高功率等级的电源滤波器已迫在眉睫。

2、传统电源滤波器将两个电感、多组电容平面焊接于印制电路板上，空间利用率低。部分滤波器为增强散热能力采用钢结构外壳，因此只能通过法兰结构进行安装，这进一步挤占了滤波器的面积。受航天空间辐射环境的限制，宇航电源滤波器无法采用塑封基板集成工艺等小型化集成工艺方法，另外真空环境下仅能通过传导方式进行散热，因此无法使用灌封等增强辐射散热的工艺手段。经检索国内外相关文献，未见有关本发明的基于共差模一体化电感的高密度宇航电源滤波器及制造方法。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术方法的不足，提供了一种基于共差模立体集成电感的高密度宇航电源滤波器及制造方法，增强了大电流工况下电源滤波器的散热性能，提高了电源滤波器的空间利用率，实现了电源滤波器的高密度组装。

2、本发明解决技术的方案是：一种基于共差模立体集成电感的宇航电源滤波器，包括共差模立体集成电感、电容器、bga焊球/pga焊针、盖板、围框；

3、所述共差模立体集成电感由所述ltcc基板、双中柱磁芯、配套磁芯组成；所述ltcc基板为内部集成电容的多层印刷陶瓷基板，设置四块中空区域；所述双中柱磁芯具有两个中柱、两个边柱；所述双中柱磁芯与配套磁芯插入ltcc基板中空区域并固定，由双中柱磁芯的两个中柱、ltcc基板、配套磁芯形成共模电感，双中柱磁芯的两个边柱、ltcc基板、配套磁芯形成差模电感；

4、所述ltcc基板正面引出焊盘用于焊接差模电容器，背面引出焊盘用于焊接bga焊球/pga焊针；所述共差模立体集成电感、围框和盖板形成了密封的电源滤波器结构，电感顶部与盖板之间通过散热材料填充接触，电感伸出基板底部增强散热能力。

5、优选的，所述双中柱磁芯的两个边柱高度设计为比中柱高度低h，单位：m；h＝(n2×μ0×ah)/l2；

6、其中，l2为差模电感量，单位：h；n为共模电感匝数，单位：匝；ah为磁芯有效横截面积，μ0为空气磁导率。

7、优选的，四个差模电容器为陶瓷电容器，采用串联方式，耐压值≥100v,容量≥6.8μf，采用表贴方式焊接于ltcc基板上。

8、优选的，所述ltcc基板主材料为al2o3陶瓷，内埋共模电容，通过多层垂直螺旋结构布线结构形成电感的绕组线圈，ltcc基板内部的导体载流能力＞10a，基板功耗≤0.1w；ltcc基板正面四周留有钎焊区域，用于焊接金属围框，陶瓷基板背面引出bga/pga焊盘，bga焊盘在电性能设计上包含一次母线输入正、一次母线输入负、二次电源输入正、二次电源输入负、壳地共4种电位。

9、优选的，所述共模电容采用vic结构，所述电感绕组采用立体螺旋结构互联。

10、优选的，金属围框材料为表面镀ni/au的可伐合金，采用高温焊料钎焊于ltcc基板上，围框电特性上与壳地等电位；金属盖板材料为表面镀ni/au的可伐合金，盖板采用平行缝焊工艺与围框互联，金属盖板电特性上与壳地等电位，盖板与磁芯之间使用散热材料填充，使用时通过将散热压块与金属盖板压实，将磁芯的热量从顶部传导出去。

11、优选的，适用于高功率密度的宇航电源滤波器，宇航电源滤波器的功率密度大于等于5000w/in3。

12、一种所述基于共差模立体集成电感的宇航电源滤波器的制造方法，包括：

13、加工制造ltcc基板，ltcc基板的内层导体为金导体，表层导体为铂钯银或铜导体，表层与内层通过丝网印刷介质导体进行互联，介质导体印刷面积应大于等于0.3mm×0.3mm，以vic结构内埋共模电容、以立体螺旋结构印刷电感绕组；

14、焊接金属围框和bga球/pga焊针，焊接中使用的高温锡膏的熔点高于后续加工步骤中使用的低温锡膏的熔点；

15、焊接差模电容：正面放置ltcc基板，通过u形网板在ltcc基板正面涂抹低温锡膏，将电容通过贴片机置于对应焊盘上，通过回流焊接炉，将电容焊接与ltcc基板上；

16、对焊接完成的差模电容点胶固定；

17、将双中柱磁芯、配套磁芯、ltcc基板通过工装置于同一垂直线上，测试此时共模电感量与差模电感量，待差模电感量满足要求时，使用工装夹具压实双中柱磁芯与配套磁芯，通过点胶机对三者交接处点固定胶；保持双中柱磁芯与配套磁芯为压实状态，将双中柱磁芯、配套磁芯、ltcc基板的集合体在固定胶要求的环境下进行固化；

18、对已粘固磁芯的ltcc基板进行清洗，在金属盖板内表面粘贴导热绝缘垫片，擦洗金属盖板和ltcc基板上的金属围框，在惰性气体环境下烘烤后，通过平行缝焊机将盖板焊接于ltcc围框上。

19、优选的，所述焊接金属围框和bga球/pga焊针包括：

20、对金属围框和已加工制造完成的ltcc基板进行清洗；清洗完后倒置ltcc基板，在ltcc基板的底部bga/pga焊盘位置通过网板涂抹高温锡膏；将bga焊球放置于开好槽的石墨工装上，然后将ltcc基板翻转为正面向上，并通过定位标将ltcc基板的bga焊盘与石墨工装上的焊球精确对位后，将ltcc基板叠放在石墨工装之上；

21、在ltcc基板四周围框焊接区域放置方框形合金焊料，再叠放上金属围框，最后在金属围框之上放置铜压块，使得ltcc基板、bga焊球、金属围框三者被耐高温的石墨工装与铜压块牢牢固定，防止高温焊接时焊球或围框发生位置偏移；

22、使用真空焊接炉烧结。

23、优选的，对焊接完成的差模电容点胶固定，固定胶的位置应在电容非焊盘的本体两侧，固定胶选择高温时具有良好粘固特性且温度变化不易导致开裂的粘固胶，粘固高度应小于等于差模电容的高度。

24、本发明与现有技术相比的有益效果是：

25、(1)本发明中的共差模立体集成电感利用了ltcc基板可印刷多层螺旋导线的特性来制作电感线圈，使得电感线圈立体化，提高了空间利用率。其次，共差模立体集成电感通过控制双中柱磁芯的中柱与边柱的高度差，将共模电感与差模电感一体化，一组磁芯即可实现两个电感的功能，节省了滤波器的平面尺寸。最后，共差模立体集成电感的磁芯顶部与盖板接触散热，磁芯底部裸露于滤波器的底面，增加了作为核心热源的电感的散热接触能力，同时双中柱磁芯和高温焊球作为电源滤波器的机械安装接口能够很大缓冲本发明中滤波器的ltcc陶瓷基板与使用方的pcb基板热膨胀系数不匹配的问题。

26、(2)本发明的基于共差模立体集成电感的高密度宇航电源滤波器实现了共模电感、差模电感、共模电容、差模电容全部四种元件的集成，将发热量小、电容量小的共模电容内置于ltcc基板中，将发热量大、电容量大的差模电容表贴与ltcc基板上，电感顶部、底部双面接触散热，更能够适应大电流的宇航电源工况；

27、(3)本发明的基于共差模立体集成电感的高密度宇航电源滤波器制造方法通过不同熔点的焊料分步进行不同器件的焊接，能够有效防止bga焊球、电容器等焊接器件在滤波器制造或使用过程中的二次熔融。另外，在制造过程中通过人为控制共差模立体集成电感的电感量，即可实现滤波器参数的调整以应对不同电源产品的需求。