CN103956344A

CN103956344A - 一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽及其制造方法

Info

Publication number: CN103956344A
Application number: CN201410129382.8A
Authority: CN
Inventors: 杨建�; 胡进; 程凯; 王子良; 刘艳; 陈宇宁; 许丽清
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-01
Also published as: CN103956344B

Abstract

本发明提供的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽，包括自下而上依次设置的金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂。本发明还提供了一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法。该陶瓷管帽结构简单，采用钎焊工艺将金属焊环和陶瓷片焊接在一起，制得的陶瓷管帽适合平行封焊工艺，不仅可避免微波器件发生腔体谐振，同时利用平行封焊工艺热影响区小且移动快的特点可防止芯片焊料发生二次重熔。

Description

一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽及其制造方法，主要用于解决固态微波大功率器件外壳气密性封装腔体谐振和芯片焊料二次重熔等问题，并实现降低总成本和节能减排的目的，属于固态微波大功率器件技术领域。

背景技术

固态微波大功率器件（以下简称器件）广泛应用于航空、航天、无线通讯、广播电视、地质勘探、核能检测、气象预报等领域，按照半导体材料划分，主要包括硅LDMOS器件、GaAs器件、以及最新的GaN和SiC器件。外壳作为器件密不可分的重要组成部分，对芯片和内部匹配电路起到机械支撑、电气互连、环境保护和散热通道的作用。对于工作于苛刻自然环境条件的半导体器件，通常需采用高可靠的气密封装外壳，即各种金属外壳、陶瓷外壳或玻璃外壳。这些外壳在使用时，首先通过微组装工艺将芯片和内匹配电路安装在底座上，经过一系列中间处理环节，最后通过封帽工艺将底座和管帽焊接在一起从而构成气密性的腔体结构。

目前气密性外壳封帽工艺使用的管帽通常有两种，即金属管帽或陶瓷管帽，都可达到气密性的要求。现有技术采用的封帽工艺，通常包括金锡封焊工艺和平行封焊工艺。

金锡封焊属于熔焊，不仅适合于封焊金属管帽，更适合于封焊陶瓷管帽；然而，金锡封焊工艺必须将整个外壳加热至金锡焊料的熔化温度以上并保温一定时间来实现底座和管帽的焊接，为了防止芯片焊料二次重熔，需事先考虑芯片微组装工艺使用的焊料熔化温度符合封帽要求并优化封帽工艺升降温曲线，对应的工艺窗口较小。

相比之下，平行封焊利用封接界面上瞬间产生的电阻热熔化界面两侧的母材来实现外壳底座和管帽的焊接，热影响区小并快速移动，可以避免芯片焊料二次重熔现象。另外，从成本和环保角度考虑，平行封焊工艺也具有非常明显的优势：第一，不需使用昂贵的金锡；第二，工装夹具费用低；第三，工艺周期短，工艺过程能耗低，成品率高。然而，平行封焊属于电阻焊，通常只适合于封焊金属管帽，同时，对于工作于几百MHz以上的微波器件，由于金属管帽能够屏蔽电磁波，常存在腔体谐振问题。

本发明通过创新的陶瓷管帽结构设计和工艺方法，使陶瓷管帽适合于实现平行封焊，从而解决常规管帽难以克服的问题。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法。

技术方案：本发明提供的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽，包括自下而上依次设置的金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂。

本发明还提供了一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，包括以下步骤：

（1）金属焊环P₁的制备：以合金4J29或4J42为原料，采用机械冲压或化学刻蚀方法制得金属焊环P₁，清洗、退火和电镀镍；

（2）陶瓷片P₂的制备：以氧化铝为原料，以钨为金属化材料，采用共烧多层陶瓷（HTCC）工艺制备带金属化图形的陶瓷片P₂；

（3）钎焊料P₃的制备：以AgCu28为原料，采用机械冲压方法制备钎焊料P₃；

（4）装架：在石墨模具上按照自下而上的顺序依次放置金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂，按照中心线对准并装配在一起；

（5）钎焊：将装配好金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂的石墨模具放入高温钎焊炉，采用钎焊方法将金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂焊接为一个整体，即得陶瓷管帽半成品；

（6）电镀：将陶瓷管帽半成品，采用电镀方法进行电镀镍层和金；

（7）退火：将步骤（6）电镀好的陶瓷管帽半成品在400-450℃、氮气保护的高温扩散炉中退火5min～10min，即得。

其中，步骤（1）中，制得的金属焊环P₁为回字形，厚度T_P1为0.1mm～0.4mm；或者制得的金属焊环P₁为高帽焊环。金属焊环P₁外形尺寸：外形尺寸Len_P1×Wid_P1和内腔尺寸LCav_P1×WCav_P1依据对应的外壳下组件的焊环尺寸而设计。

步骤（2）中，制得的陶瓷片P₂厚度T_P2为0.25mm～2mm。陶瓷片P₂的外形尺寸依据金属焊环P₁的尺寸而设计，规则为：LCav_P1<Len_P2<Len_P1，WCav_P1<Wid_P2<Wid_P1，Len_P1-Len_P2=0.5mm～3mm，Wid_P1-Wid_P2=0.5mm～3mm。

步骤（3）中，钎焊料P₃的厚度为0.05mm～0.15mm。钎焊料P₃的外形尺寸Len_P3×Wid_P3和内腔尺寸LCav_P3×WCav_P3依据金属焊环P₁和陶瓷片P₂的尺寸而设计,规则为：LCav_P1<LCav_P3<Len_P3<Len_P2，WCav_P1<WCav_P3<Wid_P3<Wid_P2。

步骤（6）中，镍层厚度为1.3μm～8.9μm，金层厚度为1.3μm～5.7μm。

优选地，所述金属焊环P₁的规格为：T_P1=0.1mm，Len_P1为10.1mm,Wid_P1为8.2mm，LCav_P1为6.2m,WCav_P1为3.8mm；陶瓷片P₂的规格为：T_P2为0.5mm，Len_P2为8.1mm，Wid_P2为6.2mm；焊料P₃的规格为：Len_P3为7.5mm,Wid_P3为5.7mm，LCav_P3为6.7mm,WCav_P3为4.3mm。

有益效果：本发明提供的陶瓷管帽结构简单，采用钎焊工艺将金属焊环和陶瓷片焊接在一起，制得的陶瓷管帽适合平行封焊工艺，不仅可避免微波器件发生腔体谐振，同时利用平行封焊工艺热影响区小且移动快的特点可防止芯片焊料发生二次重熔。

具体而言，常规金属管帽无法解决微波器件腔体谐振的问题，常规陶瓷管帽必须采用金锡封焊工艺无法避免芯片焊料二次重熔的风险。本发明通过创新的管帽结构和工艺设计，规避了两种封帽工艺的缺点，而使其各自的优点得到充分发挥，能够满足对应固态微波大功率器件的气密性封装需求。管帽中心区域为陶瓷材料能利用陶瓷材料对微波的非屏蔽性来防止微波器件发生腔体谐振；金属焊环能够使用平行封焊工艺，外壳上热影响区小移动快，可防止芯片焊料二次重熔。另外，由于固态微波大功率器件应用范围广需求量大，采用平行封焊工艺可以降低原材料成本、提高工艺效率、降低能耗和提高成品率，从而降低固态微波大功率器件制造的总成本。

附图说明

图1-1为金属焊环P₁的主视图；

图1-2为金属焊环P₁的俯视图；

图2-1为陶瓷片P₂的主视图；

图2-2为陶瓷片P₂的俯视图；

图3-1为钎焊料P₃的主视图；

图3-2为钎焊料P₃的俯视图；

图4为本发明适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的爆炸图；

图5-1为本发明适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的结构示意图（正面）；

图5-2为本发明适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的结构示意图（背面）；

图6为现有平行封焊用金属管帽的结构示意图，材料为4J29或4J42，制作工艺为机械冲压或化学刻蚀；

图7为现有金锡封焊用陶瓷管帽的结构示意图，材料为氧化铝陶瓷，制作工艺为高温共烧多层陶瓷HTCC工艺；

图8-1为本发明实施例4陶瓷高帽焊环的主视图；

图8-2为本发明实施例4陶瓷高帽焊环的俯视图；

图9为本发明实施例4的陶瓷高帽截面结构示意图。

具体实施方式

本发明中，各缩写分别代表以下意义：

Len 外形长；

Wid 外形宽；

LCav 内腔长；

WCav 内腔宽；

T 厚度；

具体的，

Len_P1代表P1的外形长，Wid_P1代表P1的外形宽，LCav_P1代表P1的内腔长，WCav_P1代表P1的内腔宽，T_P1代表P1的厚度；

Len_P2代表P2的外形长，Wid_P2代表P2的外形宽，T_P2代表P2的厚度；

Len_P3代表P3的外形长，Wid_P3代表P3的外形宽，LCav_P3代表P3的内腔长，WCav_P3代表P3的内腔宽，T_P3代表P3的厚度。

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

实施例1

1）金属焊环P₁的制备：以合金4J29为原料，采用机械冲压方法制得金属焊环P₁，见图1-1和1-2，其厚度为0.1mm，外形尺寸为10.1mm×8.2mm，内腔尺寸6.2m×3.8mm；清洗、退火和电镀镍；

2）陶瓷片P₂的制备：以氧化铝为原料，以钨为金属化材料，采用共烧多层陶瓷（HTCC）工艺制备带金属化图形的陶瓷片P₂，见图2-1和2-2，其厚度为0.5mm，外形尺寸为8.1m×6.2mm；镀镍后待用；

3）钎焊料P₃的制备：以AgCu28为原料，采用机械冲压方法制备钎焊料P₃，见图3-1和3-2，其厚度为0.10mm，外形尺寸为7.5mm×5.7mm，内腔尺寸为6.7mm×4.3mm；

4）装架：在石墨模具上按照自下而上的顺序依次放置金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂，按照中心线对准并装配在一起，见图4；

5）钎焊：将装配好金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂的石墨模具放入高温钎焊炉，采用钎焊方法将金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂焊接为一个整体，即得陶瓷管帽半成品；

6）电镀：将陶瓷管帽半成品，采用电镀方法进行电镀镍层和金；镍层厚度为4.5μm，金层厚度为3.3μm；

7）退火：将步骤（6）电镀好的陶瓷管帽半成品在420℃、氮气保护的高温扩散炉中退火8min，即得，见图5-1和5-2。

实施例2

1）金属焊环P₁的制备：以合金4J42为原料，采用化学刻蚀方法制得金属焊环P₁，见图1-1和1-2，其厚度为0.2mm，外形尺寸为10.1mm×8.2mm，内腔尺寸6.2m×3.8mm；清洗、退火和电镀镍；

2）陶瓷片P₂的制备：以氧化铝为原料，以钨为金属化材料，采用共烧多层陶瓷（HTCC）工艺制备带金属化图形的陶瓷片P₂，见图2-1和2-2，其厚度为0.25mm，外形尺寸为9.6m×7.7mm；镀镍后待用；

3）钎焊料P₃的制备：以AgCu28为原料，采用机械冲压方法制备钎焊料P₃，见图3-1和3-2，其厚度为0.05mm，外形尺寸为7.5mm×5.7mm，内腔尺寸为6.7mm×4.3mm；

6）电镀：将陶瓷管帽半成品，采用电镀方法进行电镀镍层和金；镍层厚度为1.3μμm，金层厚度为1.3μm；

7）退火：将步骤（6）电镀好的陶瓷管帽半成品在400℃、氮气保护的高温扩散炉中退火5min，即得，见图5-1和5-2。

实施例3

1）金属焊环P₁的制备：以合金4J29为原料，采用机械冲压制得金属焊环P₁，见图1-1和1-2，其厚度为0.4mm，外形尺寸为10.1mm×8.2mm，内腔尺寸6.2m×3.8mm；清洗、退火和电镀镍；

2）陶瓷片P₂的制备：以氧化铝为原料，以钨为金属化材料，采用共烧多层陶瓷（HTCC）工艺制备带金属化图形的陶瓷片P₂，见图2-1和2-2，其厚度为2.0mm，外形尺寸为7.1m×5.2mm；镀镍后待用；

3）钎焊料P₃的制备：以AgCu28为原料，采用机械冲压方法制备钎焊料P₃，见图3-1和3-2，其厚度为0.15mm，外形尺寸为6.5mm×4.7mm，内腔尺寸为5.7mm×4.3mm；

6）电镀：将陶瓷管帽半成品，采用电镀方法进行电镀镍层和金；镍层厚度为8.9μm，金层厚度为5.7μm；

7）退火：将步骤（6）电镀好的陶瓷管帽半成品在450℃、氮气保护的高温扩散炉中退火10min，即得，见图5-1和5-2。

实施例4

陶瓷高帽的制备：对实施例1中步骤1中的金属焊环P₁进行更改，采用机械冲压方法制作图8-1和图8-2所示结构的焊环P_1A，后续工艺步骤及采用的零件同实施例1，制得图9所示结构的陶瓷高帽。

采用陶瓷高帽后，可以增加管壳内腔的体积，将能够改变器件的微波特性。

Claims

1.一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽，其特征在于：包括自下而上依次设置的金属焊环P₁、钎焊料P₃和陶瓷片P₂。

2.一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（6）电镀：将陶瓷管帽半成品，采用电镀方法进行电镀镍层和金层；

3.根据权利要求2所述的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：步骤（1）中，制得的金属焊环P₁为回字形，厚度T_P1为0.1mm～0.4mm；或者制得的金属焊环P₁为高帽焊环。

4.根据权利要求2所述的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：步骤（2）中，制得的陶瓷片P₂厚度T_P2为0.25mm～2mm。

5.根据权利要求2所述的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：步骤（3）中，钎焊料P₃的厚度为0.05mm～0.15mm。

6.根据权利要求2所述的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：步骤（6）中，镍层厚度为1.3μm～8.9μm，金层厚度为1.3μm～5.7μm。

7.根据权利要求1所述的一种适合平行封焊工艺的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于：所述金属焊环P₁的规格为：T_P1=0.1mm，Len_P1为10.1mm,Wid_P1为8.2mm，LCav_P1为6.2m,WCav_P1为3.8mm；陶瓷片P₂的规格为：T_P2为0.5mm，Len_P2为8.1mm，Wid_P2为6.2mm；焊料P₃的规格为：Len_P3为7.5mm,Wid_P3为5.7mm，LCav_P3为6.7mm,WCav_P3为4.3mm。