CN104091787A - 一种金属封装外壳及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属封装外壳，通过将现有技术中的塑料外壳的形状进行改变，以及对材料进行更换，采用铜作为外壳的材料，同时对外壳内部的引线由圆柱状结构改进为扁平状结构，使得外壳的内部空间增加，散热性能增强，解决了现有技术中封装外壳散热性能差的问题。本发明还提供了一种金属封装外壳的制备工艺，改进了现有工艺流程，通过该制备工艺制备的金属封装外壳具备更可靠的保护性能，耐高温、耐腐蚀等特点，使得内部电路能在一个气密的环境下运行而不受水汽、其他有害气体或离子以及射线的干扰，延长使用寿命，解决了现有的塑料外壳气密性差、使用寿命短以及屏蔽性差的问题。

Description

一种金属封装外壳及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种金属封装外壳及其制备工艺，属于芯片封装领域。

背景技术

外壳作为集成电路的关键组件之一，主要起着电路支撑、电信号传输、散热、密封及化学防护等作用，在对电路的可靠性影响及占电路成本的比例方面，外壳占据很重要的作用，封装外壳主要作用包括：

1、机械支撑、密封保护：刚性外壳承载电路使其免受机械损伤，提供物理保护；同时外壳采用密封结构，保护电路免受外界环境的影响，尤其是水汽对电路的影响。

2、电信号连接：外壳上的引线起到内外电信号的连接作用，完成内部电路与外围电路的电信号传递。

3、屏蔽：外壳可起到电磁屏蔽的作用，保护内部电路不受外部信号的干扰，同时保证内部电路产生的电磁信号不影响外部电路。

4、散热：外壳将内部电路产生的热量传递至外部，避免内部电路的热失效。

目前，封装外壳主要有以下几类：有机封装(塑封)、低温玻璃封装、陶瓷封装、金属封装，有机封装一开始可以通过密封压力试验，成本较低，但时间长了水蒸气会进入，所以军用外壳不能用塑料封装，只能应用在民用产品上；低温玻璃封装机械强度及气密性较差，易产生漏气或慢漏气；陶瓷封装与金属封装是属于全密封的形式，气密性比较好，对内部电路的保护更好。

因此，对于大功率封装外壳来说，散热及屏蔽两个因素尤其重要，目前，现有技术中的金属封装外壳很难做到两者均具备优异的性能，解决了散热问题，会造成屏蔽效果变差，相反，解决了屏蔽问题，又很难做到良好的散热效果，这就使得市场上急需一种散热效果好同时具备屏蔽性能强的封装外壳产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种金属封装外壳，用于芯片电路的封装，通过将现有技术中的塑料外壳的形状进行改变，以及对材料进行更换，采用铜作为外壳的材料，同时对外壳内部的引线由圆柱状结构改进为扁平状结构，使得外壳的内部空间增加，散热性能增强，解决了现有技术中封装外壳散热性能差的问题。

为了进一步解决现有技术中封装外壳屏蔽性能差的问题，本发明还提供了一种金属封装外壳的制备工艺，改进了现有工艺流程，通过该制备工艺制备的金属封装外壳具备更可靠的保护性能，耐高温、耐腐蚀等特点，使得内部电路能在一个气密的环境下运行而不受水汽、其他有害气体或离子以及射线的干扰，延长使用寿命，解决了现有的塑料外壳气密性差、使用寿命短以及屏蔽性差的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种金属封装外壳，包括管座、引线、绝缘子和盖板，所述管座包括壳体及底板，所述壳体上设置封接孔，封接孔内设置引线，引线的一端置于壳体外部、另一端置于壳体内部；引线与封接孔之间设置绝缘子；所述盖板用于使壳体密封；置于壳体外部的引线端为柱型结构，置于壳体内部的引线端为扁平结构，且扁平结构的宽度大于封接孔的直径。

所述壳体外部引线与壳体内部引线通过钎焊连接，连接处位于封接孔内。

所述壳体为10#钢，所述底板为无氧铜，所述引线材料为4J50包铜芯，所述绝缘子材料为铁封玻璃。

一种金属封装外壳的制备工艺，包括如下步骤：

首先，将引线装入模具对应钎焊引线孔内，将焊料圈套于钎焊引线上，其次，将管座内腔朝上装入已经装好引线和焊料圈的模具凹槽中，并调节引线对准封接孔，将引线装入对应的封接孔内，然后，将绝缘子装入封接孔内，并用吹气囊对管座内腔进行清理，最后，将盖板封于管座上，并将模具压块盖好，进行烧结。

所述盖板与管座之间通过平行焊缝工艺封接；所述封装外壳的烧结环境为高于99％的氮气环境，氧含量50ppm以下，所述烧结升温区间为570～980℃，烧结的降温区间为980～495℃，封装外壳通过焊接温区的速度为60mm/min。

所述管座采用如下方法制备：

将长方形铜底板冲孔、整平，然后采用化学去油清洗后，用铬酸对底板进行抛光；将壳体进行钻孔、锉磨，依次用汽油、碱性溶液、清水将壳体洗净并用酒精脱水，将脱水后的壳体进行退火，然后将壳体镀镍处理；将处理后的底板与壳体进行焊接得到管座。

所述退火的时间为870～930秒；所述退火的温度为940～980℃；所述壳体镀镍的厚度为2～4μm；所述焊接的环境为高于99％的氮气环境，氧含量50ppm以下，所述焊接的升温区间为570～815℃，焊接的降温区间为815～495℃，管座通过焊接温区的速度为85mm/min。

所述引线采用如下方法制备：

将导线依次用汽油、碱性溶液、清水进行清洗并用酒精脱水，然后将脱水后的导线进行退火，最后对退火后的导线进行氧化处理，得到所述的引线。

所述退火的时间为390～450秒；所述退火的温度为780～825℃。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.改进了引线内部结构，使得内部电路空间增大，增加了热量流通的空间，且使用金属铜外壳，具有更强的散热性能，外壳采用10#钢作为基材，大大提高了外壳的抗压、抗拉强度，保护性能提升。底板采用无氧铜，提升了外壳的散热性能，使之为军用大功率器件的散热提供有效保障，提高产品使用寿命，减少了芯片电路的高温失效几率。

2.引线采用铜芯材料作为引脚，大大增加了产品的载流量；有效提高了元器件功率，同时增强了散热效果，为大功率外壳电路的载流量提供保障。

3.通过采用本发明制备工艺制备的金属外壳，具备更可靠的保护性能，以及具备耐高温、耐腐蚀等特点，同时对电磁屏蔽的效果更好。

4.本发明同时解决了散热及屏蔽的问题，使得这两种难于同时解决的问题得到了有效的改进，本发明的金属封装外壳同时具备散热效果好及屏蔽效果好的特点。

5.外壳采用平行缝焊封盖工艺，封盖后的外壳满足GJB2440A军用外壳的气密性要求，气密性可使内部芯片电路与外部水汽、潮湿环境、有害离子等隔离，延长芯片电路及外壳的使用寿命。

附图说明

图1为本发明金属外壳的结构示意图。

图2为本发明金属外壳的沿引线方向的纵向剖面图。

图3为本发明金属外壳沿引线方向的横向剖面图。

图4为本发明金属外壳制备工艺流程图。

其中，图中的标示为：1-壳体；2-绝缘子；3-引线；4-底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2、图3所示，金属封装外壳，包括管座、引线3、绝缘子2和盖板，所述管座包括壳体1及底板4，所述壳体上设置封接孔，封接孔内设置引线，引线的一端置于壳体外部、另一端置于壳体内部；引线与封接孔之间设置绝缘子；所述盖板用于使壳体密封；置于壳体外部的引线端为柱型结构，置于壳体内部的引线端为扁平结构，且扁平结构的宽度大于封接孔的直径。采用扁平结构的引线，使得内部电路空间增大，增加了热量流通的空间，且使用金属铜外壳，具有更强的散热性能。所述壳体外部引线与壳体内部引线通过钎焊连接，连接处位于封接孔内。所述壳体为10#钢，所述底板为无氧铜，所述引线材料为4J50包铜芯，所述绝缘子材料为铁封玻璃。引线采用铜芯材料作为引脚，大大增加了产品的载流量；有效提高了元器件功率，同时增强了散热效果。

金属封装外壳的制备工艺，包括如下步骤：

首先，将引线装入模具对应钎焊引线孔内，将焊料圈套于钎焊引线上，其次，将管座内腔朝上装入已经装好引线和焊料圈的模具凹槽中，并调节引线对准封接孔，将引线装入对应的封接孔内，然后，将绝缘子装入封接孔内，并用吹气囊对管座内腔进行清理，最后，将盖板封于管座上，并将模具压块盖好，进行烧结。

所述盖板与管座之间通过平行焊缝工艺封接；所述封装外壳的烧结环境为高于99％的氮气环境且在加湿环境下，本实施例采用99.5％的高纯氮，湿度为80％以上，加湿水温为20℃，氧含量50ppm以下，所述烧结升温区间为570～980℃，烧结的降温区间为980～495℃，封装外壳通过焊接温区的速度为60mm/min。整个烧结温区可分为570～780～980～980～980～625～560～495℃，每个温区的氮气流速分别为：50mm/min、10mm/min、40mm/min、40mm/min、40mm/min、60mm/min、60mm/min。

以制备一个具有四个引线的金属封装外壳为例具体说明其装配过程如下：

清理工作台杂物、灰尘，准备眼用镊、吹气囊、垫纸、橡胶指套等工具；将石墨模具摆放于工作台中央适当位置；将产品零部件摆放于工作台左上方；

用镊子将钎焊引线装入模具对应钎焊引线孔内，将焊料圈套于钎焊引线上；

将10#钢壳体内腔朝上装入已经装好引线和焊料的模具凹槽中，不断调节钎焊盲孔与引线的位置，直到将壳体上的钎焊盲孔与钎焊引线对准后装入；

将绝缘子分别装入壳体4个封接孔内，将绝缘子引线顺着绝缘子孔装入；

用吹气囊对准安装好的产品内腔吹气直至产品上无异物及绝缘子碎屑；

将石墨压块盖好，产品送烧结炉。

装完后须确认钎焊引线与壳体钎焊盲孔对准，可上下左右轻轻晃动壳体，确保钎焊引线装入盲孔；安装绝缘子时如个别绝缘子无法顺利装入则改用其他绝缘子切不可用力挤压绝缘子；不可裸手接触产品及零部件。

所述管座采用如下方法制备：

将长方形铜底板冲孔、整平，然后采用化学去油清洗后，除油剂采用型号为OY-29B的铜及铜合金除油剂，用浓度为6％～10％的铬酸对底板进行抛光，本实施例采用浓度8％的铬酸，抛光时间为10分钟；将壳体进行钻孔、锉磨，依次用汽油、浓度为50％的碱性溶液、清水将壳体常温下清洗10秒，洗净并用酒精脱水，将脱水后的壳体进行退火，然后将壳体镀镍处理；将处理后的底板与壳体进行焊接得到管座。

所述壳体退火的时间为870～930秒；所述退火的温度为940～980℃；所述壳体镀镍的厚度为2～4μm，所述底板与壳体焊接的环境为高于99％的氮气环境，本实施例采用99.5％的高纯氮，湿度为80％以上，加湿水温为20℃，氧含量50ppm以下，所述焊接的升温区间为570～815℃，焊接的降温区间为815～495℃，管座通过焊接温区的速度为85mm/min，整个烧结温区可分为570～780～815～815～815～625～560～495℃，每个温区的氮气流速分别为：50mm/min、10mm/min、40mm/min、40mm/min、40mm/min、60mm/min、60mm/min。

其中，所述底板的具体工艺工序过程如下：

领料：准备合格的厚度为1.0mm的紫铜板；

剪料：应用冲床将铜板按照具体要求加工成条状；

落料：应用落料模把条状铜板冲成图纸要求尺寸的铜底板；

冲孔：将铜板两端按图纸要求冲孔，如图2所示，底板两端各冲一个定位孔；

整平：用整平模将铜底板整平；

化学去油：用去油液对底板进行化学去油，清洗后用铬酸对底板进行抛光；获取合格的底板产品。

所述壳体的具体工艺工序过程如下：

领料：准备合格的方框；

钻孔、锉磨：对方框进行钻孔、锉磨等工序加工；

清洗：将方框用汽油清洗，除去污渍，吹干；

化学去油：用碱性溶液、清水将方框洗净并用酒精脱水，吹干；

退火：将方框装入石墨舟高温退火；退火的时间为870～930秒；所述退火的温度为940～980℃；

镀镍：将退火后的方框进行镀镍；镀镍的厚度为2～4μm，最终得到壳体。

所述引线采用如下方法制备：

将导线依次用汽油、浓度为50％的碱性溶液、清水常温下清洗10秒，并用酒精脱水，然后将脱水后的导线进行退火，最后将退火后的导线放进烧结炉，炉内开水汽露点氧化气氛进行氧化处理，得到所述的引线。

所述引线退火的时间为390～450秒；所述退火的温度为780～825℃。

引线的具体工艺工序过程如下：

领料：准备合格的铜芯导线；

汽油清洗：对铜芯导线用汽油清洗，除去污渍，吹干；

电镀清洗：用碱性溶液、清水将洗净并用酒精脱水，吹干；

退火：将清洗后的铜芯导线装入石墨舟高温退火，退火的时间为390～450秒，所述退火的温度为780～825℃；

氧化：将退火后的铜芯导线装入铁盒进炉氧化，氧化后得到引线。

本发明金属封装外壳的生产流程如图4所示，分为如下几个部分：

壳体的生产流程：对壳体进行检验，判断是否需要进行去毛刺、打磨、喷砂流程，如果需要则进行这些流程，然后预镀镍处理，如果不需要则直接进行预镀镍处理，然后依次进行喷砂、清洗、退火渗镍工序，再进行半成品检验，合格后入半成品库。

引线的生产流程：对铜芯导线依次进行校直、扎捆、线切割、磨端面、串光、清洗、退火工序，然后进行半成品检验，合格后入半成品库。

绝缘子检验合格后入半成品库。

以上准备完成后，领料开始装配，首先，对壳体底板进行焊接，安装引线、绝缘子，并进行烧结，其次，依次对烧结后的金属封装外壳进行外观检验、密封检验，判断是否需要点焊，如果需要点焊，则进行点焊后喷砂，如果不需要点焊，则直接进行喷砂处理，喷砂处理后判断是否需要连焊，如果需要，则连焊后进行电镀处理，不需要则直接进行电镀，然后，依次进行筛选、一致性检验，最后进行包装。

盖板的生产过程如下：依次对盖板进行电镀、检验、分离工序后，进行包装。

金属封装外壳不仅是新品的外衣，而且与芯片同是元器件的组成部分，对芯片起支撑和保护的作用。如电连接、热传导、气密保护等。

本发明金属封装外壳的主要性能指标如下：

1、材料：壳体为10#钢，引线为4J50包铜芯，绝缘子为铁粉玻璃；

2、产品参照GJB923A-2004半导体分立器件外壳通用规范；

3、镀涂：壳体、引线镀镍厚度2-11.43μm；

4、漏气速率：≤1×10-3Pa.cm3/s；

通过采用本发明制备工艺制备的金属外壳，具备更可靠的保护性能，以及具备耐高温、耐腐蚀等特点，同时对电磁屏蔽的效果更好。同时解决了散热及屏蔽的问题，使得这两种难于同时解决的问题得到了有效的改进，本发明的金属封装外壳同时具备散热效果好及屏蔽效果好的特点。

Claims (9)

1. 一种金属封装外壳，包括管座、引线、绝缘子和盖板，所述管座包括壳体及底板，所述壳体上设置封接孔，封接孔内设置引线，引线的一端置于壳体外部、另一端置于壳体内部；引线与封接孔之间设置绝缘子；所述盖板用于使壳体密封；其特征在于：置于壳体外部的引线端为柱型结构，置于壳体内部的引线端为扁平结构，且扁平结构的宽度大于封接孔的直径。

2.根据权利要求1所述的金属封装外壳，其特征在于：所述壳体外部引线与壳体内部引线通过钎焊连接，连接处位于封接孔内。

3. 根据权利要求1所述的金属封装外壳，其特征在于：所述壳体为10#钢，所述底板为无氧铜，所述引线材料为4J50包铜芯，所述绝缘子材料为铁封玻璃。

4.基于权利要求1所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：包括如下步骤：

首先，将引线装入模具对应钎焊引线孔内，将焊料圈套于钎焊引线上，其次，将管座内腔朝上装入已经装好引线和焊料圈的模具凹槽中，并调节引线对准封接孔，将引线装入对应的封接孔内，然后，将绝缘子装入封接孔内，并用吹气囊对管座内腔进行清理，最后，将盖板封于管座上，并将模具压块盖好，进行烧结。

5.根据权利要求4所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：所述盖板与管座之间通过平行焊缝工艺封接；所述封装外壳的烧结环境为高于99%的氮气环境，氧含量50ppm以下，所述烧结升温区间为570～980℃，烧结的降温区间为980～495℃，封装外壳通过焊接温区的速度为60mm/min。

6. 根据权利要求4所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：所述管座采用如下方法制备：

将长方形铜底板冲孔、整平，然后采用化学去油清洗后，用铬酸对底板进行抛光；将壳体进行钻孔、锉磨，依次用汽油、碱性溶液、清水将壳体洗净并用酒精脱水，将脱水后的壳体进行退火，然后将壳体镀镍处理；将处理后的底板与壳体进行焊接得到管座。

7.根据权利要求6所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：所述退火的时间为870～930秒；所述退火的温度为940～980℃；所述壳体镀镍的厚度为2～4μm；所述焊接的环境为高于99%的氮气环境，氧含量50ppm以下，所述焊接的升温区间为570～815℃，焊接的降温区间为815～495℃，管座通过焊接温区的速度为85mm/min。

8. 根据权利要求4所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：所述引线采用如下方法制备： 

将导线依次用汽油、碱性溶液、清水进行清洗并用酒精脱水，然后将脱水后的导线进行退火，最后对退火后的导线进行氧化处理，得到所述的引线。

9.根据权利要求8所述金属封装外壳的制备工艺，其特征在于：所述退火的时间为390～450秒；所述退火的温度为780～825℃。