CN109361388A - 一种小型化高气密性频率源及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化高气密性频率源，包括外壳、镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器；外壳包括带开口的封装管壳以及与开口相配合的壳盖；镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器设置于封装管壳的内部，镀金陶瓷垫片和分频鉴相器裸芯片与封装管壳粘接，阻容元件、压控振荡器以及微控制器与封装管壳焊接，金丝设置于镀金陶瓷垫片和分频鉴相器裸芯片上键合点的连接处；本发明解决了现有技术存在的频率源气密性较差、体积尺寸大、机械性能差、可靠性差以及元件抵御外部环境影响的能力差的问题。

Description

一种小型化高气密性频率源及其封装方法
技术领域
本发明属于频率源技术领域，具体涉及一种小型化高气密性频率源及其封装方法。
背景技术
频率源是现代通信、仪器仪表、雷达等电子系统中必不可少的关键部件，由于其作用是为电子系统提供基准信号，它的性能直接影响到整个电子系统的性能。间接式数字频率源通常由锁相环(PLL)芯片、环路低通滤波电路、压控振荡器(VCO)组成，为了减小体积、提高稳定性和可靠性，并且便于使用，可以将这些电路元件整合在较小的空间内，并且加以特定外形的封装以制作成表贴元件产品。
目前主流的频率源产品多数为尺寸较大的金属盒体，也有少数较小尺寸的封装产品，但小尺寸频率源多采用塑封，气密性较差，机械性能差，对电磁波无屏蔽作用，有时塑料中含有有害杂质影响管芯。为了提高频率源的密封性、小型化以及环境适应性等特点，需要进一步将组成频率源的电路和芯片整合在更小的体积内，减轻封装后的重量，并且需要提高元件抵御外部环境影响的能力，包括复杂的电磁干扰和潮湿、盐雾、霉菌等环境的侵蚀。
近年来，陶瓷封装一直是高可靠度需求产品封装的最主要的方法，各种新型的陶瓷封装材料，如氮化铝、碳化硅、氧化铍、玻璃陶瓷等材料相继被开发出来以使陶瓷封装能有更优质的信号传输、热膨胀系数、热传导与电气特性。陶瓷封装的优点主要为：陶瓷封装能够提供气密性的密封保护，使内部元件电路具有优良的可靠度，且陶瓷基板构成的管壳底座内可以有多层线路，可以有很高的集成度，陶瓷封装在电、热、机械特性等方面也表现极其稳定。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种气密性好、体积小、重量轻、环境适应性强以及可靠性高的小型化高气密性频率源及其封装方法，可以作为表贴元器件直接焊接在PCB上使用，提高了实用性，用于解决现有技术存在的频率源气密性较差、体积尺寸大、机械性能差、可靠性差以及元件抵御外部环境影响的能力差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种小型化高气密性频率源，包括外壳、镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器；
外壳包括带开口的封装管壳以及与开口相配合的壳盖；
镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器设置于封装管壳的内部，镀金陶瓷垫片和分频鉴相器裸芯片与封装管壳粘接，阻容元件、压控振荡器以及微控制器与封装管壳焊接，金丝设置于镀金陶瓷垫片和分频鉴相器裸芯片上键合点的连接处。
进一步地，外壳由高温共烧陶瓷基板和可伐合金外框烧焊构成，且其外形为QFN封装的外形。
进一步地，外壳的尺寸为9mm×9mm×1.8mm。
进一步地，封装管壳与镀金陶瓷垫片和分频鉴相器裸芯片连接的位置均设置有导电胶层。
进一步地，导电胶层的厚度为0.05-0.12mm。
进一步地，金丝的直径为25um。
一种小型化高气密性频率源的封装方法，包括如下步骤：
S1：使用有机溶液对封装管壳进行超声波清洗；
S2：将超声波清洗后的封装管壳放入高温烘箱，进行烘烤，烘烤完毕后取出冷却至常温；
S3：根据电路装配图，将镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器装配到封装管壳的对应位置；
S4：将完成装配的封装管壳进行等离子清洗；
S5：使用金丝将等离子清洗后的封装管壳内的键合点和对应的分频鉴相器裸芯片电容或镀金陶瓷垫片连接，并使连接的金丝形成弧形；
S6：使用氮气保护的平行封焊工艺对封装管壳和壳盖进行封盖，形成外壳，并对其密封性进行检测。
进一步地，步骤S3包括如下步骤：
S3-1：根据电路装配图，将阻容元件、压控振荡器以及微控制器用铅锡焊料焊接在封装管壳内的相应位置，并使用酒精清理助焊剂；
S3-2：在封装管壳内装配裸芯片和镀金陶瓷垫片的位置涂覆与元件底部面积相匹配的导电胶层；
S3-3：将分频鉴相器裸芯片和镀金陶瓷垫片粘接在封装管壳的相应位置，并将封装管壳放入120℃的烘箱内烘烤50-60分钟；
S3-4：取出封装管壳并冷却至室温，判断粘接情况是否符合要求，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S3-2。
进一步地，步骤S1中，超声波清洗时长为10-20分钟；
步骤S2中，使用80℃的烘烤温度烘烤20-30分钟；
步骤S4中，等离子清洗时长为5分钟；
步骤S5中，金丝形成弧形高度为150-200um。
进一步地，步骤S6中，对其密封性进行检测，包括如下步骤：
A-1：将封盖后的外壳放入备压法辅助检漏台的压力容器中，充入氦气进行加压，直到压强为0.52MPa，持续保压4小时后取出；
A-2：对外壳进行粗检漏测试，即将外壳完全浸入异丙醇中，判断是否有气泡冒出，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则进入步骤A-3；
A-3：对外壳进行细检漏测试，即将外壳放入氦质谱检漏仪的真空容器内，开始抽气，使用氦质谱检漏仪采集氦气流量，判断氦气流量是否超过阈值，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则输出外壳的密封性合格，并结束检测；阈值为1×10-3pa·cm3/s。
本发明的有益效果为：
本发明通过微组装工艺制成高集成频率源元件，体积小，重量轻，作为SMT元件使用方便，且其气密性高，环境适应性高，可以满足恶劣环境乃至宇航级的要求，提高了元件抵御外部环境影响的能力，并且可以作为表贴元器件直接焊接在PCB上使用，提高了实用性。
附图说明
图1为小型化高气密性频率源结构示意图；
图2为外壳结构示意图；
图3为封装方法流程图；
图4为封装方法步骤S3方法流程图；
图5为密封性检测方法流程图。
其中，1、分频鉴相器裸芯片；2、微控制器；3、压控振荡器；4、镀金陶瓷垫片；5、阻容元件；6、金丝；7、封装管壳。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种小型化高气密性频率源，包括如图2所示的外壳、镀金陶瓷垫片4、金丝6、阻容元件5、分频鉴相器裸芯片1、压控振荡器3以及微控制器2；
外壳包括带开口的封装管壳7以及与开口相配合的壳盖；
镀金陶瓷垫片4、金丝6、阻容元件5、分频鉴相器裸芯片1、压控振荡器3以及微控制器2设置于封装管壳7的内部，镀金陶瓷垫片4和分频鉴相器裸芯片1与封装管壳7粘接，阻容元件5、压控振荡器3以及微控制器2与封装管壳7焊接，金丝6设置于镀金陶瓷垫片4和分频鉴相器裸芯片1上键合点的连接处。
本实施例中，外壳由高温共烧陶瓷基板和可伐合金外框烧焊构成，且其外形为QFN封装的外形；阻容元件5通过焊盘与高温共烧陶瓷基板的底层金属层焊接。
本实施例中，外壳的尺寸为9mm×9mm×1.8mm。
本实施例中，封装管壳7与镀金陶瓷垫片4和分频鉴相器裸芯片1连接的位置均设置有导电胶层，镀金陶瓷垫片4和分频鉴相器裸芯片1通过导电胶层与封装管壳7粘接。
本实施例中，导电胶层的厚度为0.05-0.12mm。
本实施例中，金丝6的直径为25um。
工作原理：微控制器2在电源加电后会自动将预设的串行数据送入分频鉴相器裸芯片1，使其按指定的功能工作；分频鉴相器裸芯片1将外部给入的参考信号与压控振荡器3产生的信号分别进行分频处理，并将分频后的相位进行比较，比较结果转化成变化的电压信号，若干阻容元件5组成的滤波网络会将此变化的电压信号传递给压控振荡器3，压控振荡器3受此电压信号调制，会输出所需要的信号频率；镀金陶瓷垫片4用于构建金丝6键合的合适高度。
一种小型化高气密性频率源的封装方法，如图3所示，包括如下步骤：
S1：使用有机溶液对封装管壳进行超声波清洗，清洗时长为10-20分钟；
S2：将超声波清洗后的封装管壳放入高温烘箱，使用80℃的烘烤温度烘烤20-30分钟，烘烤完毕后取出冷却至常温；
S3：根据电路装配图，将镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器装配到封装管壳的对应位置，如图4所示，包括如下步骤：
S3-1：根据电路装配图，将阻容元件、压控振荡器以及微控制器用铅锡焊料焊接在封装管壳内的相应位置，并使用酒精清理助焊剂；
S3-2：在封装管壳内装配裸芯片和镀金陶瓷垫片的位置涂覆与元件底部面积相匹配的导电胶层；
S3-3：将分频鉴相器裸芯片和镀金陶瓷垫片粘接在封装管壳的相应位置，并将封装管壳放入120℃的烘箱内烘烤50-60分钟；
S3-4：取出封装管壳并冷却至室温，判断粘接情况是否符合要求，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S3-2；
S4：将完成装配的封装管壳进行等离子清洗，清洗时长为5分钟；
S5：使用金丝将等离子清洗后的封装管壳内的键合点和对应的分频鉴相器裸芯片电容或镀金陶瓷垫片连接，并使连接的金丝形成高度为150-200um的弧形；
S6：使用氮气保护的平行封焊工艺对封装管壳和壳盖进行封盖，形成外壳，并对其密封性进行检测，如图5所示，包括如下步骤：
A-1：将封盖后的外壳放入备压法辅助检漏台的压力容器中，充入氦气进行加压，直到压强为0.52MPa，持续保压4小时后取出；
A-2：对外壳进行粗检漏测试，即将外壳完全浸入异丙醇中，判断是否有气泡冒出，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则进入步骤A-3；
A-3：对外壳进行细检漏测试，即将外壳放入氦质谱检漏仪的真空容器内，开始抽气，使用氦质谱检漏仪采集氦气流量，判断氦气流量是否超过阈值，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则输出外壳的密封性合格，并结束检测；阈值为1×10-3pa·cm3/s。
本发明的有益效果为：
本发明通过微组装工艺制成高集成频率源元件，体积小，重量轻，作为SMT元件使用方便，且其气密性高，环境适应性高，可以满足恶劣环境乃至宇航级的要求，提高了元件抵御外部环境影响的能力，并且可以作为表贴元器件直接焊接在PCB上使用，提高了实用性。

Claims (10)

1.一种小型化高气密性频率源，其特征在于，包括外壳、镀金陶瓷垫片(4)、金丝(6)、阻容元件(5)、分频鉴相器裸芯片(1)、压控振荡器(3)以及微控制器(2)；
所述外壳包括带开口的封装管壳(7)以及与开口相配合的壳盖；
所述镀金陶瓷垫片(4)、金丝(6)、阻容元件(5)、分频鉴相器裸芯片(1)、压控振荡器(3)以及微控制器(2)设置于封装管壳(7)的内部，所述镀金陶瓷垫片(4)和分频鉴相器裸芯片(1)与封装管壳(7)粘接，所述阻容元件(5)、压控振荡器(3)以及微控制器(2)与封装管壳(7)焊接，所述金丝(6)设置于镀金陶瓷垫片(4)和分频鉴相器裸芯片(1)上键合点的连接处。
2.根据权利要求1所述的小型化高气密性频率源，其特征在于，所述外壳由高温共烧陶瓷基板和可伐合金外框烧焊构成，且其外形为QFN封装的外形。
3.根据权利要求1所述的小型化高气密性频率源，其特征在于，所述外壳的尺寸为9mm×9mm×1.8mm。
4.根据权利要求1所述的小型化高气密性频率源，其特征在于，所述封装管壳(7)与镀金陶瓷垫片(4)和分频鉴相器裸芯片(1)连接的位置均设置有导电胶层。
5.根据权利要求1所述的小型化高气密性频率源，其特征在于，所述导电胶层的厚度为0.05-0.12mm。
6.根据权利要求1所述的小型化高气密性频率源，其特征在于，所述金丝(6)的直径为25um。
7.一种小型化高气密性频率源的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：使用有机溶液对封装管壳进行超声波清洗；
S2：将超声波清洗后的封装管壳放入高温烘箱，进行烘烤，烘烤完毕后取出冷却至常温；
S3：根据电路装配图，将镀金陶瓷垫片、金丝、阻容元件、分频鉴相器裸芯片、压控振荡器以及微控制器装配到封装管壳的对应位置；
S4：将完成装配的封装管壳进行等离子清洗；
S5：使用金丝将等离子清洗后的封装管壳内的键合点和对应的分频鉴相器裸芯片电容或镀金陶瓷垫片连接，并使连接的金丝形成弧形；
S6：使用氮气保护的平行封焊工艺对封装管壳和壳盖进行封盖，形成外壳，并对其密封性进行检测。
8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S3-1：根据电路装配图，将阻容元件、压控振荡器以及微控制器用铅锡焊料焊接在封装管壳内的相应位置，并使用酒精清理助焊剂；
S3-2：在封装管壳内装配裸芯片和镀金陶瓷垫片的位置涂覆与元件底部面积相匹配的导电胶层；
S3-3：将分频鉴相器裸芯片和镀金陶瓷垫片粘接在封装管壳的相应位置，并将封装管壳放入120℃的烘箱内烘烤50-60分钟；
S3-4：取出封装管壳并冷却至室温，判断粘接情况是否符合要求，若是则进入步骤S4，否则返回步骤S3-2。
9.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述步骤S1中，超声波清洗时长为10-20分钟；
所述步骤S2中，使用80℃的烘烤温度烘烤20-30分钟；
所述步骤S4中，等离子清洗时长为5分钟；
所述步骤S5中，金丝形成弧形高度为150-200um。
10.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于，所述步骤S6中，对其密封性进行检测，包括如下步骤：
A-1：将封盖后的外壳放入备压法辅助检漏台的压力容器中，充入氦气进行加压，直到压强为0.52MPa，持续保压4小时后取出；
A-2：对外壳进行粗检漏测试，即将外壳完全浸入异丙醇中，判断是否有气泡冒出，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则进入步骤A-3；
A-3：对外壳进行细检漏测试，即将外壳放入氦质谱检漏仪的真空容器内，开始抽气，使用氦质谱检漏仪采集氦气流量，判断氦气流量是否超过阈值，若是则输出外壳的密封性不合格，并结束检测，否则输出外壳的密封性合格，并结束检测；所述阈值为1×10-3pa·cm3/s。
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