CN108922870A - 一种氮化铝陶瓷管壳及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化铝陶瓷管壳及其制作方法，采用氮化铝陶瓷基板，将器件产生的热量及时地通过管壳传递到外部环境，同时在氮化铝陶瓷基板的表面覆盖金属薄膜层，实现高频信号的传输，由于薄膜金属化布线精度高，既可以实现垂直互联又可以实现高频高密度信号传输的要求，同时氮化铝多层陶瓷结合薄膜工艺解决了金属材料方阻较大，在高频下会造成信号传输损耗大、信号延迟的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件领域，具体涉及一种氮化铝陶瓷管壳及其制作方法。
背景技术
航天器在重返大气层时，会以音速的十几倍到几百倍的超高速进入大气层，使航天器的前端形成很强的激波。由于航天器前端激波的压缩和大气的粘度作用，使得航天器的大量的动能转换为热能，这股热能会在航天器的前端的气体发生电离，形成等离子体区域。为了提高航天器穿透等离子体时高频信号的通信和制导的能力，就要求它的收发组件具有很高的频率，有的已经达到毫米波的频率。
GaN芯片的击穿电压高，功率密度是GaAs芯片的5-10倍。毫米波器件对功率要求非常高，GaN芯片因其具有小体积、大功率的特性，会广泛应用在毫米波器件中。随着器件功率的增大，产生的热量也会越来越多，从而造成电子器件的工作温度逐步升高。
同时随着毫米波收发组件的集成度越来越高，这就必然要求在较小的器件中放置更多的功能芯片，从而造成电子器件的功率密度越来越高，继而使器件内的热密度也会随之增加，工作温度逐步升高。为了降低电子器件的工作温度，就必须将器件耗散功率所产生的热量及时通过封装传递到外部环境中。
目前混合集成电路使用的陶瓷材料主要有氮化铝HTCC、氧化铝HTCC和LTCC陶瓷基板，这三种陶瓷都是共烧陶瓷，均可以实现多层布线，满足高集成度的要求。
LTCC基板烧结温度较低，内部布线和通孔填充的导体材料采用的是低熔点的Au、Ag、Cu等金属作为导体材料，具有低介电常数和在高频条件下低损耗的特性，比较适合射频、微波和毫米波器件中。HTCC基板由于烧结温度较高，内部布线和通孔填充的导体材料采用的是高熔点的钨、钼、猛等金属材料，这些材料的方阻较大，在高频下会造成信号传输损耗大、信号延迟等缺陷，所以一般不适合做高频组件。三种共烧陶瓷中，氮化铝HTCC基板的热导率最高，可以满足毫米波收发组件的高散热和高集成度的要求，但氮化铝多层陶瓷所使用的钨导体浆料方阻为10-15mΩ/□，对于毫米波频段信号在传输的过程中，损耗较大。
发明内容
针对上述问题的不足，本发明提供了一种氮化铝陶瓷管壳，采用氮化铝陶瓷基板，可以将器件产生的热量及时地通过管壳传递到外部环境，同时在氮化铝陶瓷基板的表面覆盖金属薄膜层，实现高频信号的传输，由于薄膜金属化布线精度高，既可以实现垂直互联又可以实现高频高密度信号传输的要求，同时氮化铝多层陶瓷结合薄膜工艺解决了金属材料方阻较大，在高频下会造成信号传输损耗大、信号延迟的缺陷。
本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：
一种氮化铝陶瓷管壳，包括底板，所述底板由表面覆盖有金属薄膜层的氮化铝陶瓷基板和焊接于所述氮化铝陶瓷基板下表面的底部焊盘组成，所述氮化铝陶瓷基板的上表面沿其四周还焊接有一金属环框，所述金属环框与所述底板形成一容置空间，所述容置空间内和所述氮化铝陶瓷基板下表面均设有高频信号端焊盘、低频信号端焊盘和用于组装芯片和无源器件的GND区域，所述金属环框上还焊接有盖板。
进一步的，所述金属薄膜层由内至外分别是Ti、Pt、Au三层膜，其中，Ti层膜厚为0.1~0.6μm，Pt层膜厚为0.2~0.6μm，Au层膜厚为2.0~6.0μm。
优选的，所述金属环框由可伐或钛合金材料制成，所述盖板、所述金属环框与所述底板形成一体化全密封结构。
本发明的另一个目的在于提供一种氮化铝陶瓷管壳的制作方法，包括以下步骤：
a.生瓷片流延：将氮化铝粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和流延添加剂混合搅拌均匀，形成流延浆料，将流延浆料流延干燥得到生瓷片；
b.氮化铝陶瓷基板制作：将生瓷片冲孔后，进行通孔填充、导带印刷、叠片成型，制得生瓷；将生瓷切割后，依次进行排胶、烧结，制得氮化铝陶瓷；再将氮化铝陶瓷进行减薄抛光后，表面附金属薄膜层，布线，制得氮化铝陶瓷基板；
c.将氮化铝陶瓷基板下表面焊接底部焊盘，制得底板，再在氧化铝陶瓷基板的上表面沿其四周焊接金属环框，在所述金属环框与所述底板形成的容置空间内的金属薄膜层上，组装芯片、无源器件、高频信号输入端和输出端以及低频信号端，金属环框上封焊盖板制得一体化全密封的氮化铝陶瓷管壳。
优选的，所述氮化铝粉体平均粒度为0.8~2.5μm，比表面积为2~4.5m2/g，氧含量为0~0.9%；所述生瓷片的厚度为0.15~0.17mm，布线层数为8层。
优选的，所述通孔填充、导带印刷的浆料为钨导体浆料，所述钨导体浆料的固含量为90%~100%，浆料粒度≤10μm，粘度为200~500Pa·s。
进一步的，所述叠片成型过程中叠片对位精度为±15μm。
优选的，所述排胶的最高温度为400~500℃，保温时间为3~5h；所述烧结使用的是钨网炉，保护气氛为氮气和氢气混合气，最高温度为1700~1900℃，保温时间3~6h。
优选的，所述的抛光采用化学机械抛光法，抛光液与纯水的体积比≥1:20，抛光后的氮化铝陶瓷基板的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤80nm，通孔高度≤5μm；所述金属薄膜层采用磁控溅射法覆盖。
进一步的，所述氮化铝陶瓷基板与底部焊盘采用LCC封装技术，所述底板与金属环框的焊接采用金锡钎焊，焊接温度为330~370℃；所述金属环框和所述盖板采用平行封焊进行气密封装。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）氮化铝陶瓷管壳采用氮化铝陶瓷做基板，将微波传输线（如微带线、带状线和共面波导）、逻辑控制线和电源线的混合信号设计在同一个氮化铝陶瓷中，可实现电路垂直互联关系，提高集成度和可靠性；同时氮化铝材料的热导率大于170W/m·K，可以将毫米波器件产生的热量及时地通过陶瓷管壳传递到外部环境中。该陶瓷管壳的底板采用LCC技术将氮化铝陶瓷基板和底部焊盘封装，通过表面贴装的形式将毫米波器件的信号引出，使得该氮化铝陶瓷管壳具有布线密度高、散热好、高可靠、高气密性等优点；
（2）氮化铝多层陶瓷材料密度小，可有效减小微波毫米波器件的体积和重量，实现小型化、高密度、高集成度封装结构，满足毫米波器件散热的需求，能有效解决微电子电路密度集成封装的问题；
（3）考虑工艺成本和可制造性的需求，氮化铝基板的表面选择了Ti/Pt/Au体系薄膜工艺，该膜系可满足金属化与基板的结合力要求，同时由于薄膜金属化布线精度很高，所以这种工艺既可以实现垂直互联又可以实现高频高密度信号传输的要求，解决了氮化铝多层陶瓷印制钨导体浆料对高频信号的损耗的影响，同时可以实现金丝键合或粘接等芯片组装工艺。
（4）该氮化铝陶瓷管壳还具有封装气密性好、环境可靠性高、抗腐蚀能力强、机械可靠性高等优点；
（5）因其具有高可靠性和高气密性，可广泛用于毫米波器件中，可覆盖卫星通信、导航、相控阵雷达等领域，应用范围广。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的氮化铝陶瓷管壳的侧视图；
图2为图1中A部的局部放大示意图；
图3为本发明一较佳实施例未封盖板的氮化铝陶瓷管壳的俯视图；
图4为本发明一较佳实施例氮化铝陶瓷基板10的仰视图；
图5为本发明一较佳实施例的氮化铝陶瓷管壳的制作方法流程示意图。
图中：10.底板，20.金属环框，30.盖板，101.氮化铝陶瓷基板，102.底部焊盘，103.金属薄膜层，1031.Ti层，1032.Pt层，1033.Au层，40.高频信号端焊盘，50.低频信号端焊盘，60.GND区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案做进一步清楚完整的说明。
如图1所示，一种氮化铝陶瓷管壳，由底板10、金属环框20和盖板30组成，底板10由氮化铝陶瓷基板101和位于氮化铝陶瓷基板101下部的底部焊盘102组成，其中，氮化铝陶瓷基板101的表面覆盖有金属薄膜层103，金属环框20的材质可以是可伐或钛合金，在本申请的实施例中，金属环框20为可伐环框。
进一步的，由图1所示，氮化铝陶瓷基板101的上下表面均覆盖有金属薄膜层103，请一并参阅图2，金属薄膜层103由内至外依次为Ti层1031、Pt层1032、Au层1033，具体的，Ti层1031的膜厚0.1~0.6μm，Pt层1032的膜厚0.2~0.6μm，Au层1033的膜厚为2.0~6.0μm。氮化铝陶瓷基板进行薄膜金属化，最内层和第二层金属薄膜层采用的是低应力的材料膜系组合，由于最内层薄膜需要跟基板具有良好的结合力，因此，本发明中选用Ti层，其膜层厚度设计为0.1~0.6μm；第二层金属薄膜层主要是为了在焊接时，起到阻挡和耐焊的作用，因此第二层金属薄膜层太薄容易被焊透，进而焊接失效，如果过厚容易在焊料内部形成较大的内应力，在多次温度循环和热冲击后，容易出现微裂纹或者断裂现象，因此本发明选用膜层厚度为0.2~0.6μm的Pt层；最外层金属薄膜层需要满足环框焊接以及芯片、无源器件等组装的要求，因此，本发明选用膜层厚度为2.0~6.0μm的Au层。
氮化铝陶瓷基板101的上表面沿其四周焊接有金属环框20，也就是说，金属环框20位于氮化铝陶瓷基板101的上表面，且金属环框20与氮化铝陶瓷基板101上表面的四周对齐，在金属环框20与底板10之间形成一容置空间，具体的，如图3所示容置空间内和氮化铝陶瓷基板101的下表面还设有高频信号端焊盘40、低频信号端焊盘50和GND区域60，所述高频信号端焊盘40和所述低频信号端焊盘50用于将高频信号端、低频信号端与芯片连接，所述GND区域60为芯片和无源器件的粘接区域，具体的，所述芯片和无源器件可以通过粘接、铅锡焊或键合等微组装工艺进行组装在所述GND区域60。在本实施例中，以氮化铝陶瓷基板101的上表面为例，所述GND区域60位于所述容置空间的中部，高频信号端焊盘40与低频信号端焊盘50分别焊接在所述GND区域60的四周，高频信号端焊盘40相对设置，低频信号端焊盘50有若干，且并列平行排布，分别对称设置在氮化铝陶瓷基板101的相对边。高频信号端焊盘40、低频信号端焊盘50和GND区域60在氮化铝陶瓷基板101下表面的排布与其在氮化铝陶瓷基板101上表面的排布相同，这里不再做详细赘述。
在金属环框20上还封焊有所述盖板30，底板10、金属环框20和盖板30形成一体化全密封结构，如图1所示。
本发明同时公开了一种氮化铝陶瓷管壳的制作方法，如图5所示，包括以下步骤：
生瓷片流延：将氮化铝粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和流延添加剂混合搅拌均匀，形成流延浆料，将流延浆料流延干燥得到生瓷片，具体流延工艺及参数可参考专利《流延成型法制备用于多层布线基板的AlN生瓷片的方法及制得的AlN生瓷片》，专利授权公告号：CN104193340B；
氮化铝陶瓷基板制作：将生瓷片冲孔后，进行通孔填充、导带印刷、叠片成型，制得生瓷；将生瓷切割后，依次进行排胶、烧结，制得氮化铝陶瓷；再将氮化铝陶瓷进行减薄抛光后，表面附金属薄膜层，布线，制得氮化铝陶瓷基板，同时在氮化铝陶瓷基板下表面焊接底部焊盘，制得底板，再将其上表面沿四周焊接一加工好的金属环框，形成一体化外壳结构设计；
在所述金属环框与所述底板形成的容置空间内，组装芯片、无源器件、高频信号输入端和输出端以及低频信号端，金属环框上封焊盖板制得一体化密封结构的氮化铝陶瓷管壳。完成后，进行氮化铝陶瓷管壳性能测试。
优选的，所述氮化铝粉体平均粒度为0.8~2.5μm，比表面积为2~4.5m2/g，氧含量为0~0.9%；所述生瓷片的厚度为0.15~0.17mm。所述通孔填充、导带印刷的浆料为钨导体浆料，所述钨导体浆料的固含量为90%~100%，浆料粒度≤10μm，粘度为200~500Pa·s。所述叠片成型过程中叠片对位精度为±15μm。所述排胶使用的排胶炉最高温度为400~500℃，保温时间为3~5h；所述烧结使用的是钨网炉，保护气氛为氮气和氢气混合气，最高温度为1800~1900℃，保温时间3~6h。
进一步的，所述的抛光采用化学机械抛光法，抛光液与纯水的体积比≥1:20，抛光后的氮化铝陶瓷基板的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤80nm，通孔高度≤5μm；所述金属薄膜层采用的磁控溅射法。
优选的，所述氮化铝陶瓷基板与底部焊盘采用LCC封装技术，通过表面贴装的形式将信号引出；所述底板与金属环框的焊接采用金锡钎焊，焊接温度为330~370℃，该焊接温度可以给后期芯片和无源器件的组装提供一定的温度梯度；所述金属环框和所述盖板采用平行封焊进行气密封装。
具体的，在本申请的一个实施例中，将氮化铝粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和流延添加剂流延得到生瓷片（详细制备方法参见专利授权公告号CN104193340B中的实施例二），然后生瓷片冲孔后，通过内部走线将表面的信号垂直互联到背面；采用固含量为90%~100%，浆料粒度≤10μm，粘度为200~500Pa·s的钨导体浆料进行通孔填充、导带印刷、布线层数为8层，叠片成型，制得生瓷；将生瓷切割后，放入排胶炉进行排胶，所述排胶炉采用氮气气氛保护，将切割后的生瓷放在承烧板上，置入排胶炉中，在本实施例中，在升温阶段升温速率小于5℃/min，最高温度450℃，保温4h。再放入烧结炉进行烧结，烧结采用钨网炉，保护气氛是氮气和氢气混合气，将排胶后的氮化铝陶瓷装盒后放入烧结炉中，升温速率为10℃/min，最高温度1800℃，保温5h，降温速度为5℃/min，炉温降至500℃以下后随炉降温；将烧结后氮化铝陶瓷进行减薄，采用化学机械抛光法抛光，其中体积比为抛光液：水=1:20，抛光后，氮化铝陶瓷基板的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤80nm，通孔高度≤5μm，氮化铝陶瓷基板达到薄膜制作要求；然后采用磁控溅射法在氮化铝陶瓷基板的上下表面由内至外依次覆盖厚度为Ti层、Pt层和Au层，布线，同时在氮化铝陶瓷基板下表面利用LCC技术焊接底部焊盘，制得底板，再将其上表面沿四周焊接一可伐环框，形成一体化外壳结构设计；在所述金属环框与所述底板形成的容置空间内，组装芯片、无源器件、高频信号输入端和输出端以及低频信号端，金属环框上平行封焊盖板制得氮化铝陶瓷管壳。完成后，进行氮化铝陶瓷管壳性能测试。
本发明制得的氮化铝陶瓷管壳，高频信号可实现DC-60GHz条件下，电压驻波比：≤1.5，传输端子插入损耗：≤1.5dB/cm，高频信号的测试环境实验条件是按照GJB360A-1996，温度15-35℃，相对湿度20%-80%，气压86-106kPa，采用矢量网络分析仪进行测试；封装气密性高：满足：≤1×10－3(Pa•cm3)/s（He），测试条件按照GJB548B-2005方法1014.2，条件A；环境可靠性高，温度循环满足：-65℃～+150℃，100次，测试条件按照GJB548B-2005方法1010.1条件C。抗腐蚀能力强，可满足盐雾24h，测试条件按照GJB548B-2005方法1009.2，条件A；耐湿240h，测试条件按照GJB548B-2005方法1004.1；机械可靠性高，可满足恒定加速度5000g，Y1方向，1min，测试条件按照GJB548B-2005方法2001.1，条件A。
由上述分析可知，本发明的氮化铝陶瓷管壳在提高集成度和可靠性的条件下，同时具有布线密度高、散热好、高可靠、高气密性等优点，可实现垂直互联同时实现高频高密度信号传输的要求，避免了高频信号的损耗。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化铝陶瓷管壳，包括底板，其特征在于：所述底板由表面覆盖有金属薄膜层的氮化铝陶瓷基板和焊接于所述氮化铝陶瓷基板下表面的底部焊盘组成，所述氮化铝陶瓷基板的上表面沿其四周还焊接有一金属环框，所述金属环框与所述底板形成一容置空间，所述容置空间内和所述氮化铝陶瓷基板下表面均设有高频信号端焊盘、低频信号端焊盘和用于组装芯片和无源器件的GND区域，所述金属环框上还焊接有盖板。
2.如权利要求1所述的氮化铝陶瓷管壳，其特征在于：所述金属薄膜层由内至外分别是Ti、Pt、Au三层膜，其中，Ti层膜厚为0.1~0.6μm，Pt层膜厚为0.2~0.6μm，Au层膜厚为2.0~6.0μm。
3.如权利要求1所述的氮化铝陶瓷管壳，其特征在于：所述金属环框由可伐或钛合金材料制成，所述盖板、所述金属环框与所述底板形成一体化全密封结构。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的氮化铝陶瓷管壳的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.生瓷片流延：将氮化铝粉体、烧结助剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和流延添加剂混合搅拌均匀，形成流延浆料，将流延浆料流延干燥得到生瓷片；
b.氮化铝陶瓷基板制作：将生瓷片冲孔后，进行通孔填充、导带印刷、叠片成型，制得生瓷；将生瓷切割后，依次进行排胶、烧结，制得氮化铝陶瓷；再将氮化铝陶瓷进行减薄抛光后，表面附金属薄膜层，布线，制得氮化铝陶瓷基板；
c.将氮化铝陶瓷基板下表面焊接底部焊盘，制得底板，再在氧化铝陶瓷基板的上表面沿其四周焊接金属环框，在所述金属环框与所述底板形成的容置空间内，组装芯片、无源器件、高频信号输入端和输出端以及低频信号端，金属环框上封焊盖板制得一体化全密封的氮化铝陶瓷管壳。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述氮化铝粉体平均粒度为0.8~2.5μm，比表面积为2~4.5m2/g，氧含量为0~0.9%；所述生瓷片的厚度为0.15~0.17mm，布线层数为8层。
6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述通孔填充、导带印刷的浆料为钨导体浆料，所述钨导体浆料的固含量为90%~100%，浆料粒度≤10μm，粘度为200~500Pa·s。
7.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述叠片成型过程中叠片对位精度为±15μm。
8.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述排胶的最高温度为400~500℃，保温时间为3~5h；所述烧结使用的是钨网炉，保护气氛为氮气和氢气混合气，最高温度为1700~1900℃，保温时间3~6h。
9.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述的抛光采用化学机械抛光法，抛光液与纯水的体积比≥1:20，抛光后的氮化铝陶瓷基板的平整度≤5μm/mm，粗糙度≤80nm，通孔高度≤5μm；所述金属薄膜层采用磁控溅射法覆盖。
10.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于：所述氮化铝陶瓷基板与底部焊盘采用LCC封装技术，所述底板与金属环框的焊接采用金锡钎焊，焊接温度为330~370℃；所述金属环框和所述盖板采用平行封焊进行气密封装。
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