CN106847714A - 封装结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种封装结构及其制备方法。一种封装结构，包括：第一封装元件，包括：陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；连接层，印刷于所述连接面，连接层的材料选自钨、钼及锰中的至少一种；镍层，层叠于所述连接层；及金层，层叠于所述镍层；第二封装元件，能够盖设于所述陶瓷基座上且封闭所述收容槽，所述第二封装元件由可伐合金制成。上述封装结构能降低封焊开裂率。

Description

封装结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种封装结构及其制备方法。
背景技术
近年来，随着各种各样的电子产品在工业、农业、国防和日常生活中的广泛应用，促使电子元器件封装技术达到高速发展。同时，伴随着电子产品的高性能、多功能、高可靠、小型化、薄型化、便捷化的发展，其对电子元器件封装的要求也越来越高，更好、更轻、更薄、更好的封装密度、更好的电性能和热性能、更高的可靠性、更低的价格都是电子元器件封装行业追求的目标。
传统的封装结构，包括陶瓷基座及金属盖板，陶瓷基座的连接面上形成有金属层，金属盖板通过焊接至金属层与陶瓷基座固接封装。然而，金属与陶瓷基座的热膨胀系数相差太大，从而容易引起封焊开裂。
发明内容
基于此，有必要提供一种能降低封焊开裂率的封装结构及其制备方法。
一种封装结构，包括：
第一封装元件，包括：
陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
连接层，印刷于所述连接面，所述连接层的材料为钨或者钼锰合金；
镍层，层叠于所述连接层；及
金层，层叠于所述镍层；
第二封装元件，所述第二封装元件为板状且能够盖设于所述陶瓷基座上以封闭所述收容槽，所述第二封装元件由可伐合金制成。
上述封装结构，通过在陶瓷基座的连接面印刷连接层，之后再在连接层表面依次设置镍层及金层，连接层与陶瓷的结合力较佳，再层叠镍层及金层可以得到与陶瓷基座结合力较好的金属层，使用时将可伐合金制成的第二封装元件焊接固定至金层，可伐合金与陶瓷基座的热膨胀系数相近，可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率。
在其中一个实施例中，所述可伐合金为铁钴镍合金；及/或，所述陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
在其中一个实施例中，所述连接层的厚度为10微米～50微米。
在其中一个实施例中，所述镍层的厚度为1微米～12微米；及/或，所述金层的厚度为0.4微米～1微米。
另一种封装结构，包括：
第一封装元件，包括：
陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
连接层，印刷于所述连接面，所述连接层的材料为钨或者钼锰合金；
镍层，层叠于所述连接层；及
金层，层叠于所述镍层；
待密封元件，收容在所述收容槽中；及
第二封装元件，所述第二封装元件为板状，且与所述陶瓷基座的金层焊接固定以封闭所述收容槽，所述第二封装元件由可伐合金制成。
在其中一个实施例中，所述可伐合金为铁钴镍合金；及/或，所述陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
上述的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
将陶瓷浆料流延成型制备陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
在所述连接面表面丝网印刷连接层浆料，所述连接层浆料为钨金属浆料或者钼锰金属浆料；
对丝网印刷钨浆料后的陶瓷基座进行高温共烧处理在所述陶瓷基座的连接面形成连接层；
依次在所述连接层的表面电镀制备镍层及金层；
将所述待密封元件收容在所述收容槽内，并将所述第二封装元件盖设于所述陶瓷基座，所述第二封装元件与所述金层贴合；及
对所述第二封装元件与所述金层进行激光封焊。
在其中一个实施例中，所述高温共烧处理的温度为1200℃～1650℃，所述高温共烧处理的时间为20小时～23小时。
在其中一个实施例中，所述对所述第二封装元件与所述金层进行激光封焊的步骤中：所述激光封焊在保护性气体氛围下进行；焊接速度为100mm/min～300mm/min；激光峰值功率为0.3KW～7KW，脉冲宽度为2ms～10ms，脉冲重复频率为10Hz～30Hz，离焦量为-5mm～4.2mm。
在其中一个实施例中，所述陶瓷浆料以质量份数计包括85份～95份的陶瓷粉，5份～9份的粘结剂及45份～65份的溶剂；及/或，所述钨浆料以质量份数计包括85份～95份的W，4份～8份的TiO，0.5份～1.0份的CaO及3份～6份的Al2O3。
附图说明
图1为一实施方式的封装结构的立体分解图；
图2为图1中的封装结构的立体组装图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对封装结构及其制备方法做进一步详细说明。
请参阅图1，一实施方式的封装结构100包括第一封装元件110及第二封装元件150。
第一封装元件110包括陶瓷基座112、连接层114、镍层116及金层118。
陶瓷基座112大致为矩形体，具有连接面1121。陶瓷基座112开设有收容槽1123。收容槽1123自连接面1121的中部凹陷而成。收容槽1123用于收容待密封元件(图未示)。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。在其中一个实施例中，氧化铝陶瓷的热膨胀系数为(6.7～8.0)×10-6/℃，氮化铝陶瓷的热膨胀系数为(6.7～8.0)×10-6/℃。
连接层114印刷于连接面1121。在图示的实施方式中，连接层114大致为环形，且与连接面1121的外边缘之间形成有间隙，连接层114与连接面1121的内边缘平齐。在其中一个实施例中，连接层114的厚度为10微米～50微米。连接层114的材料为钨或者钼锰合金。在本实施方式中，连接层114通过在连接面丝网印刷连接层浆料后高温共烧制备。
镍层116层叠于连接层114。在图示的实施方式中，镍层116覆盖连接层114的全部表面。在其中一个实施例中，镍层116的厚度为1微米～12微米。
金层118层叠于镍层116。在图示的实施方式中，金层118覆盖镍层116的全部表面。在其中一个实施例中，金层118的厚度为0.4微米～1微米。
第二封装元件150大致为板状，能够盖设于陶瓷基座112上且封闭收容槽1123。第二封装元件由可伐合金制成。可伐合金为铁钴镍合金材料，铁钴镍合金以质量百分含量计，包括10％～40％的镍，10％～30％的钴，余量为铁，优选的，铁钴镍合金以质量百分含量计包括29％的镍、17％的钴及54％的铁。铁钴镍合金的热膨胀系数(20℃～100℃)为6.4×10-6/℃。第二封装元件150的厚度为0.07毫米～0.1毫米。当然，在其他实施例中，第二封装元件150不限于为板状，还可以为其他形状，比如，在第二封装元件150设置与收容槽1123对应的容置槽。
请同时参阅图2，第二封装元件150盖设于陶瓷基座112并封闭收容槽1123。第二封装元件150通过焊接与第一封装元件110的金层118固定。在图示的实施方式中，第二封装元件150的边缘与金层118的外边缘之间形成有间隙。
上述封装结构100，通过在陶瓷基座112的连接面1121设置连接层114，之后再在连接层114表面依次设置镍层116及金层118，钨与陶瓷的结合力较佳，再层叠镍层116及金层118可以得到与陶瓷基座结合力较好的金属层，使用时将可伐合金制成的第二封装元件150焊接固定至金层118，可伐合金与陶瓷基座112的热膨胀系数相近，可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率。
上述封装结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S110、将陶瓷浆料流延成型制备陶瓷基座，陶瓷基座具有连接面，陶瓷基座形成有自连接面凹陷的收容槽。
在其中一个实施例中，将陶瓷粉、粘合剂、溶剂混合均匀后得到陶瓷浆料。优选的，将陶瓷粉、粘合剂及溶剂采用球磨的方式混合均匀得到陶瓷浆料。进一步的，球磨的时间为12小时～16小时。
在其中一个实施例中，陶瓷浆料以质量份数计包括85份～95份的陶瓷粉，5份～9份的粘结剂及45份～65份的溶剂。
优选的，陶瓷粉为氧化铝陶瓷粉或氮化铝陶瓷粉，当然，其他业内常用的陶瓷粉也可以。
优选的，粘合剂选自聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚氯乙烯及甲基纤维素中的至少一种。溶剂选自乙醇、丙醇、丁酮及乙酸乙酯中的至少一种。
优选的，采用流延法将陶瓷浆料流延形成陶瓷膜。将至少两层陶瓷膜层叠后压合形成陶瓷基座112。在其中一个实施例中，陶瓷基座112的收容槽1123通过冲孔制备。
步骤S120、在连接面表面丝网印刷连接层浆料。
连接层浆料为钨浆料或钼锰金属浆料。
在其中一个实施例中，连接层浆料以质量份数计包括85份～95份的W，4份～8份的TiO，0.5份～1.0份的CaO及3份～6份的Al2O3。在另一个实施例中，连接层浆料以质量百分比计包括60％～80％的Mo和Mn，10％～20％的Al2O3，8％～15％的SiO2及2％～5％的MgO，其中Mo和Mn的质量比为7：3。
优选的，印刷连接层浆料的厚度为10微米～50微米。
步骤S130、对丝网印刷钨浆料后的陶瓷基座进行高温共烧处理在陶瓷基座的连接面形成连接层。
在其中一个实施例中，高温共烧处理的温度为1200℃～1650℃，高温共烧处理的时间为20小时～23小时。
在其中一个实施例中，高温共烧处理在还原气氛氛围下进行。
在其中一个实施例中，连接层的厚度为10微米～50微米。
步骤S140、依次在连接层的表面电镀镍层及金层。
在其中一个实施例中，镍层的厚度为1微米～12微米。
在其中一个实施例中，金层的厚度为0.4微米～1微米。
在其中一个实施例中，镀镍的电流密度是0.1～10A/dm2，镀金的电流密度为0.1～1.0A/dm2。
步骤S150、将待密封元件收容在收容槽内，并将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。
在其中一个实施例中，待密封元件为电子元件。当然，在其他实施例中，待密封元件为石英晶体。
步骤S160、对第二封装元件与金层进行激光封焊。
在其中一个实施例中，激光封焊在保护性气体氛围下进行，焊接速度为100mm/min～300mm/min。优选的，焊接速度为250mm/min。
在其中一个实施例中，激光封焊采用非接触式远距离激光焊接器。非接触式远距离激光焊接器的运行参数为，激光峰值功率为0.3KW～7KW，脉冲宽度为2ms～10ms，脉冲重复频率为10Hz～30Hz，离焦量为-5mm～4.2mm。优选的，激光峰值功率为1KW，脉冲宽度为5ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为-0.5mm。
在其中一个实施例中，激光封焊在保护性气体氛围下进行。优选的，保护性气体选自氮气及氩气中的至少一种。
在其中一个实施例中，将第二封装元件及第一封装元件放置于密闭透明容器中，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊。
上述封装元件的制备方法，通过流延成型制备陶瓷基座，在陶瓷基座的连接面上丝网印刷连接层浆料后高温共烧，形成的连接层与陶瓷基座之间的结合力较大，之后电镀形成镍层和金层，能够增加陶瓷基座和第二封装元件之间的结合力，第二封装元件采用可伐金属制备，与陶瓷基座的热膨胀系数相近，可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率。
以下结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
实施例1的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座112的材料为氧化铝陶瓷；连接层的材料为钨，厚度为30微米；镍层的厚度为7微米；金层的厚度为0.6微米；第二封装元件为厚度为0.1微米的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板以质量百分比计含有10％的镍、10％的钴以及80％的铁。
焊接时，将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氮气气氛围下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为250mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数为，激光峰值功率为2KW，脉冲宽度为5ms，脉冲重复频率为20Hz，离焦量为-0.5mm。
经测试，激光封焊1000个封装结构，开裂率为0％。
实施例2
实施例2的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座112的材料为氧化铝陶瓷；连接层的材料为钼锰合金，厚度为10微米；镍层的厚度为1微米；金层的厚度为0.4微米；第二封装元件为厚度为0.07毫米的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板以质量百分比计含有40％的镍、30％的钴以及30％的铁。
焊接时，将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氩气气氛围下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为100mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数为，激光峰值功率为0.3KW，脉冲宽度为2ms，脉冲重复频率为10Hz，离焦量为4.2mm。
经测试，激光封焊1000个封装结构，开裂率为0％。
实施例3
实施例3的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座112的材料为氮化铝陶瓷；连接层的材料为钨，厚度为50微米；镍层的厚度为12微米；金层的厚度为1微米；第二封装元件为厚度为0.09毫米的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板以质量百分比计含有25％的镍、20％的钴以及55％的铁。
焊接时，将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氩气气氛围下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为300mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数为，激光峰值功率为7KW，脉冲宽度为10ms，脉冲重复频率为30Hz，离焦量为-0.5mm。
经测试，激光封焊1000个封装结构，开裂率为0％。
实施例4
实施例4的封装结构包括陶瓷基座、可伐环及金属盖。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷，陶瓷基座具有连接面，连接面中部凹陷形成收容槽，连接面丝网印刷形成有连接层，连接层的材料为钨，厚度为30微米。连接层的表面依次电镀形成镍层及金层，镍层的厚度为7微米，金层的厚度为0.5微米。可伐环的厚度为0.1毫米，材料为铁钴镍合金。金属盖的厚度为0.1毫米，材料为铁钴镍合金。
在850℃下的还原性气氛下将可伐环焊接至金层，在通过电阻焊将金属盖焊接至可伐环。
经测试，1000个封装结构，开裂率为0.3％。
实施例5
实施例5的封装结构包括陶瓷基座及金属盖。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷，陶瓷基座具有连接面，连接面中部凹陷形成收容槽，连接面丝网印刷表面可伐合金浆料，烧结后形成可伐合金层，可伐合金层的材料为铁钴镍合金，厚度为20微米。金属盖的厚度为0.08毫米。
焊接时，将金属盖盖设于陶瓷基座，与可伐合金层贴合。在氮气气氛围下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对金属盖和陶瓷基座的可伐合金层进行激光封焊，焊接速度为150mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数为，激光峰值功率为4KW，脉冲宽度为8ms，脉冲重复频率为18Hz，离焦量为1.2mm。
经测试，激光封焊1000个封装结构，开裂率为0.4％。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种封装结构，其特征在于，包括：
第一封装元件，包括：
陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
连接层，印刷于所述连接面，所述连接层的材料为钨或者钼锰合金；
镍层，层叠于所述连接层；及
金层，层叠于所述镍层；
第二封装元件，所述第二封装元件为板状且能够盖设于所述陶瓷基座上以封闭所述收容槽，所述第二封装元件由可伐合金制成。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述可伐合金为铁钴镍合金；及/或，所述陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述连接层的厚度为10微米～50微米。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述镍层的厚度为1微米～12微米；及/或，所述金层的厚度为0.4微米～1.0微米。
5.一种封装结构，其特征在于，包括：
第一封装元件，包括：
陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
连接层，印刷于所述连接面，所述连接层的材料为钨或者钼锰合金；
镍层，层叠于所述连接层；及
金层，层叠于所述镍层；
待密封元件，收容在所述收容槽中；及
第二封装元件，所述第二封装元件为板状，且与所述陶瓷基座的金层焊接固定以封闭所述收容槽，所述第二封装元件由可伐合金制成。
6.根据权利要求5所述的封装结构，其特征在于，所述可伐合金为铁钴镍合金；及/或，所述陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
7.权利要求5～6任一项所述的封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将陶瓷浆料流延成型制备陶瓷基座，所述陶瓷基座具有连接面，所述陶瓷基座形成有自所述连接面凹陷的收容槽；
在所述连接面表面丝网印刷连接层浆料，所述连接层浆料为钨金属浆料或者钼锰金属浆料；
对丝网印刷钨浆料后的陶瓷基座进行高温共烧处理在所述陶瓷基座的连接面形成连接层；
依次在所述连接层的表面电镀制备镍层及金层；
将所述待密封元件收容在所述收容槽内，并将所述第二封装元件盖设于所述陶瓷基座，所述第二封装元件与所述金层贴合；及
对所述第二封装元件与所述金层进行激光封焊。
8.根据权利要求7所述的封装结构的制备方法，其特征在于，所述高温共烧处理的温度为1200℃～1650℃，所述高温共烧处理的时间为20小时～23小时。
9.根据权利要求7所述的封装结构的制备方法，其特征在于，所述对所述第二封装元件与所述金层进行激光封焊的步骤中：所述激光封焊在保护性气体氛围下进行；焊接速度为100mm/min～300mm/min；激光峰值功率为0.3KW～7KW，脉冲宽度为2ms～10ms，脉冲重复频率为10Hz～30Hz，离焦量为-5mm～4.2mm。
10.根据权利要求7所述的封装结构的制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料以质量份数计包括85份～95份的陶瓷粉，5份～9份的粘结剂及45份～65份的溶剂；及/或，所述钨浆料以质量份数计包括85份～95份的W，4份～8份的TiO，0.5份～1.0份的CaO及3份～6份的Al2O3。
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