CN109494198A - 陶瓷封装外壳制备方法及陶瓷封装外壳 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陶瓷封装外壳制备方法及陶瓷封装外壳，属于电子封装技术领域，包括以下步骤：成型，制备简单形状的片状陶瓷生坯；排胶、烧结，得到陶瓷熟瓷基板；磨抛、切割，根据预定设计，加工出外壳需要的底盘、墙体及内部基板对应形状的陶瓷基板；金属化，对各陶瓷基板表面进行金属化处理；镀覆，对各陶瓷基板表面镀覆焊接需要的金属层；焊接，根据设定的外壳的形状，将各部分陶瓷基板焊接到一起，形成陶瓷外壳；加工修正、镀覆，对焊接后的陶瓷外壳进行加工修正和镀覆，形成产品。本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法，即解决了复杂形状、深腔、薄壁类外壳的难加工的问题，又降低了成本、具备批生产工艺性。
Description
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，更具体地说，是涉及一种陶瓷封装外壳制备方法及陶瓷封装外壳。
背景技术
随着大数据、云计算、互联网+、智能制造、智慧城市等新兴领域的飞速发展，助推了消费电子终端、5G网络、100G OTN升级、电动汽车、工业控制等市场快速增长，与之配套的消费电子产品、光通讯器件、电力电子功率器件、功率激光器等电子陶瓷封装产品的前景持续看好。
特别是，国内互联网行业呈现出蓬勃发展的趋势，同时国家大力号召并倡导“宽带中国”战略及“互联网+行动计划”，进一步推动了互联网行业的快速发展。宽带提速、互联网行业快速发展和云计算的应用大力推动了市场热情，促使全球数据中心的需求热度持续升温、市场高速发展。数据中心内部、数据中心之间以及不同客户数据中心之间的通信都将对光器件产生需求。
技术方面，光通信器件传输速率从100Gbps提高到400Gbps，功率也逐步提升，对电子封装外壳的热管理、结构设计提出了更高的要求。从材料方面，为了满足散热需求，需要选择氮化铝、氧化铍等高导热陶瓷材料。但是，这类材料制备工艺复杂、烧结要求高，很难制备出复杂结构的全陶瓷外壳，而且材料成本高，对加工量、加工方法要求苛刻。
目前，该类型产品制备方法主要有两种：一是采用流延、注射、凝胶注模等成型工艺制备出异形陶瓷封装外壳坯体而后直接烧成，但这种方法由于烧结收缩率和变形难以控制，产品尺寸精度差且不能制备薄壁、深腔等复杂形状；另一种是采用CNC工艺对烧结熟瓷进行加工，虽然精度和形状复杂产品可以实现，但浪费原材料、加工成本高。因此，这两种方法均不适合规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷封装外壳制备方法，旨在解决现有技术中存在的制作形状复杂的产品形变难以控制、精度低、制作成本高等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种陶瓷封装外壳制备方法，包括以下步骤：
成型，制备简单形状的片状陶瓷生坯；
排胶、烧结，得到陶瓷熟瓷基板；
磨抛、切割，根据预定设计，加工出外壳需要的陶瓷底板、陶瓷墙体及内部基板对应形状的陶瓷基板；
金属化，对各所述陶瓷基板表面进行金属化处理；
镀覆，对各所述陶瓷基板表面镀覆焊接需要的金属层；
焊接，根据设定的外壳的形状，将各部分陶瓷基板焊接到一起，形成陶瓷外壳；
加工修正、镀覆，对焊接后的陶瓷外壳进行加工修正和镀覆，形成产品。
进一步地，所述成型中：
采用干压成型、流延成型、注塑成型、凝胶注模成型中的一种制备出简单形状的片状陶瓷生坯。
进一步地，所述排胶、烧结中：
氮化铝烧结温度为1750℃-1850℃，氧化铍烧结温度1600℃-1750℃。
进一步地，所述金属化中：
采用厚膜金属化、薄膜金属化、直接键合、活性焊接工艺中的一种或几种在陶瓷基板制备金属化。
进一步地，所述厚膜金属化：
是在陶瓷表面通过丝网印刷的方式印刷10-30μm厚的钨、银、金中的一种或多种浆料，在标准工艺曲线下烧结。
进一步地，所述薄膜金属化：
是采用溅射、蒸发工艺中的一种，在陶瓷基板表面制备0.1-3μm的钛、钨化钛、镍、铜、铂、铅、金中的一种或多种金属。
进一步地，所述直接键合工艺：
是在1000-1070℃的条件下，在陶瓷基板表面直接覆接无氧铜。
进一步地，所述活性焊接工艺：
是采用活性金属焊膏在陶瓷基板表面焊接铜、铝、不锈钢、可伐中的一种或多种金属。
进一步地，所述焊接需要的钎料为银基、铜基、锡基、铅基、铝基中的任一种，根据不同的钎料，选择不同温度，将各部分陶瓷基板焊接到一起。
本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本方法结合陶瓷封装外壳结构和使用特点，将封装外壳分成底板、墙体以及内部基板等几个部分分开加工，而后采用焊接的方式将各个部分连接为一个整体，即解决了尺寸精度问题，特别是底部关键区域的平行度和平面度问题，又实现深腔、多台阶、薄壁等复杂形状的制备；由于各部分单独制备并加工，可以预留较小的加工余量，从材料和加工两方面节约成本，可应用于光通讯器件、电力电子功率模块、微波毫米波功率器件、大功率电源模块、混合集成电路等领域的电子陶瓷封装外壳。
本发明另一目的在于提供一种陶瓷封装外壳，采用所述的方法制备，包括陶瓷底板和陶瓷墙体，所述陶瓷墙体和陶瓷底板焊接相连。
本发明提供的陶瓷封装外壳的有益效果在于，由于采用了上述的方法制备，陶瓷底板和陶瓷墙体分别制备，然后焊接连接，相比采用一块整体的陶瓷件制备外壳，制备简单，即解决了尺寸精度问题，特别是底部关键区域的平行度和平面度问题，又能够实现深腔、多台阶、薄壁等复杂形状的制备；由于各部分单独制备并加工，可以预留较小的加工余量，从材料和加工两方面节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的陶瓷封装外壳制备方法的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的陶瓷封装外壳制备方法制备的陶瓷封装外壳的立体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的全陶瓷封装外壳的陶瓷底板的结构示意图一；
图4为本发明实施例提供的全陶瓷封装外壳的陶瓷底板的结构示意图二；
图5为本发明实施例提供的全陶瓷封装外壳的陶瓷底板的结构示意图三；
图6为本发明实施例提供的全陶瓷封装外壳的陶瓷底板的结构示意图四。
其中，图中各附图标记：
1-陶瓷底板；2-陶瓷墙体；3-内部基板；4-第三通孔；5-第二通孔；6-第一通孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图6，现对本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法进行说明。所述陶瓷封装外壳制备方法，包括以下步骤：
成型，制备简单形状的片状陶瓷生坯；
排胶、烧结，得到陶瓷熟瓷基板；
磨抛、切割，根据预定设计，加工出外壳需要的陶瓷底板、陶瓷墙体及内部基板对应形状的陶瓷基板；
金属化，对各陶瓷基板表面进行金属化处理；
镀覆，对各陶瓷基板表面镀覆焊接需要的金属层；
焊接，根据设定的外壳的形状，将各部分陶瓷基板焊接到一起，形成陶瓷外壳；
加工修正、镀覆，对焊接后的陶瓷外壳进行加工修正和镀覆，形成产品。
本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法，与现有技术相比，本方法结合陶瓷封装外壳结构和使用特点，首先制备成简单的片状陶瓷生坯，经排胶烧结处理得到熟瓷基板，然后根据设定的要求，将熟瓷基板分割成与制备的陶瓷封装外壳的底板、墙体以及内部基板等部件对应的陶瓷基板，以便于后期单独分开加工处理，如此，在每个陶瓷基板上，均可方便加工深槽、通孔及复杂形状的图案；在切割时尽量做到减少加工余量；当每个陶瓷基板安装设定的结构加工后，再采用焊接的方式将各个部分连接为一个整体，制备的外壳如图1所示，既避免了难以在整个陶瓷基板上加工复杂形状、深腔、薄壁等结构，也避免了在整个陶瓷基板上加工造成的变形问题；因此，即解决了尺寸精度问题，特别是底部关键区域的平行度和平面度问题，又实现深腔、多台阶、薄壁等复杂形状制备；由于各部分单独制备并加工，可以预留较小的加工余量，从材料和加工两方面节约成本。利用本发明制备的陶瓷封装外壳，可应用于光通讯器件、电力电子功率模块、微波毫米波功率器件、大功率电源模块、混合集成电路等领域的电子陶瓷封装外壳。
本发明中，采用低成本的磨抛、砂轮切割、激光切割等工艺加工成设定形状的陶瓷基板，然后镀覆上焊接必须的金属层，加工成本低，也利用成本降低。
利用本发明提供的方法，将陶瓷封装外壳分成对应的多个陶瓷基板进行加工处理，例如，对于底板、墙体、内部基板，均可以单独进行批量切割加工，然后同时金属化处理、镀覆金属层，在焊接工序进行焊接，如此可以进行规模化批量生产，提高了生产的效率，降低了生产成本。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述成型中：采用干压成型、流延成型、注塑成型、凝胶注模成型中的一种制备出简单形状的片状陶瓷生坯。陶瓷成型是将陶瓷粉料做成规定尺寸和形状，并具有一定机械强度的生坯。
其中，干压成型工艺为：采用压力将陶瓷粉料压制成一定形状的坯体。其实质是在外力作用下，粉体颗粒在模具内相互靠近，并借内摩擦力牢固地结合起来，保持一定的形状。干压生坯中主要的缺陷为层裂，这是由于粉料之间的内摩擦以及粉料与模具壁之间的摩擦，造成坯体内部的压力损失。主要生产轻量型、高刚性的扁平形状陶瓷制品，生产效率高，适合大量生产，成本低，材料利用率高，剪切性及回收性良好。
其中，流延成型为：首先把粉碎好的陶瓷粉料与有机塑化剂溶液按适当配比混合制成具有一定黏度的料浆，料浆从容器同流下，被刮刀以一定厚度刮压涂敷在专用基带上，经干燥、固化后从上剥下成为生坯带的薄膜，然后根据成品的尺寸和形状需要对生坯带作冲切、层合等加工处理，制成待烧结的毛坯成品。
其中，注塑成型为：这种方式成型类似塑胶成型，是将聚合物注射成型方法与陶瓷制备工艺相结合而发展起来的一种制备陶瓷零部件的新工艺。主要生产外形复杂、尺寸精确或者带嵌件的小型精密陶瓷件，生产效率高。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述排胶、烧结中：氮化铝烧结温度为1750℃-1850℃，氧化铍烧结温度1600℃-1750℃。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述金属化中：采用厚膜金属化、薄膜金属化、直接键合、活性焊接工艺中的一种或几种在陶瓷基板制备金属化。利用金属化在陶瓷基板的表面形成一层金属层，陶瓷金属化是在陶瓷表面牢固地粘附一层金属薄膜，使之实现陶瓷和金属间的焊接，提高焊接的可靠性。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述厚膜金属化：是在陶瓷表面通过丝网印刷的方式印刷10-30μm厚的钨、银、金中的一种或多种浆料，在标准工艺曲线下烧结。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述薄膜金属化：是采用溅射、蒸发工艺中的一种，在陶瓷基板表面制备0.1-3μm的钛、钨化钛、镍、铜、铂、铅、金中的一种或多种金属。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述直接键合工艺：是在1000-1070℃的条件下，在陶瓷基板表面直接覆接无氧铜。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述活性焊接工艺：是采用活性金属焊膏在陶瓷基板表面焊接铜、铝、不锈钢、可伐中的一种或多种金属。
作为本发明提供的陶瓷封装外壳制备方法的一种具体实施方式，所述焊接需要的钎料为银基、铜基、锡基、铅基、铝基中的任一种，根据不同的钎料，选择不同温度，将各部分陶瓷基板焊接到一起。其中，几种典型焊料的焊接温度为：InSn125-157℃、SnPb180-270℃、SnAgCu280-350℃、AuSn300-350℃、AgCu750-800℃。根据不同的焊接材料、焊接金属，选择不同的温度，提高焊接的可靠性。
利用本发明制备复杂形状的全陶瓷封装外壳，即解决了复杂形状、深腔、薄壁类外壳的难加工的问题，又降低了成本、具备批生产工艺性，具有以显著优势：
(1)陶瓷基板采用磨抛、砂轮切割、机械切割等方法能够保证陶瓷零件具有高的尺寸精度，同时减少加工过程中物料浪费，降低了加工成本低，可以很容易实现批量生产。
(2)陶瓷封装外壳多个部分拆分开，采用陶瓷表面金属化后钎焊的方式，可以在各部件上制备出需要的薄壁、深腔、台阶等三维复杂结构，陶瓷之间焊接不存在匹配性问题和变形问题，尺寸精度高、机械强度高。
(3)采用高导热陶瓷材料即能提高散热效率，又能降低外壳密度，满足器件和模块小型化、轻量化需求。
(4)产品结构优势，传统的多层陶瓷共烧工艺制备陶瓷长宽小于80mm，深度小于10mm，深宽比小于4:1，特别是大尺寸深腔会存在变形问题，尺寸精度只能保证1％；采用本发明则不会有尺寸限制，长宽、深度、深宽比、壁厚均无限制，尺寸精度可以保证±0.03，如针对100×100尺寸精度达到0.03％。
本发明中，复杂形状解释：传统只能做腔体和腔体内部台阶，而利用本发明提供的制备方法，可以在墙体上打孔、开槽，墙体作为单独的部件加工，开槽、打孔加工均非常容易，而利用陶瓷体深挖腔后再在墙体打孔、开槽，就不容易做到，且也很容易导致整体的报废。
如图2所示，本发明另一目的在于提供一种陶瓷封装外壳，采用所述的方法制备，包括陶瓷底板1和陶瓷墙体2，所述陶瓷墙体2和陶瓷底板1焊接相连。
本发明提供的陶瓷封装外壳的有益效果在于，由于采用了上述的方法制备，陶瓷底板和陶瓷墙体分别制备，然后焊接连接，相比采用一块整体的陶瓷件制备外壳，制备简单，即解决了尺寸精度问题，特别是底部关键区域的平行度和平面度问题，又能够实现深腔、多台阶、薄壁等复杂形状的制备；由于各部分单独制备并加工，可以预留较小的加工余量，从材料和加工两方面节约成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
成型，制备简单形状的片状陶瓷生坯；
排胶、烧结，得到陶瓷熟瓷基板；
磨抛、切割，根据预定设计，加工出外壳需要的陶瓷底板、陶瓷墙体及内部基板对应形状的陶瓷基板；
金属化，对各所述陶瓷基板表面进行金属化处理；
镀覆，对各所述陶瓷基板表面镀覆焊接需要的金属层；
焊接，根据设定的外壳的形状，将各部分陶瓷基板焊接到一起，形成陶瓷外壳；
加工修正、镀覆，对焊接后的陶瓷外壳进行加工修正和镀覆，形成产品。
2.如权利要求1所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述成型中：
采用干压成型、流延成型、注塑成型、凝胶注模成型中的一种制备出简单形状的片状陶瓷生坯。
3.如权利要求1所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述排胶、烧结中：
氮化铝烧结温度为1750℃-1850℃，氧化铍烧结温度1600℃-1750℃。
4.如权利要求1所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述金属化中：
采用厚膜金属化、薄膜金属化、直接键合、活性焊接工艺中的一种或几种在陶瓷基板制备金属化。
5.如权利要求4所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述厚膜金属化：
是在陶瓷表面通过丝网印刷的方式印刷10-30μm厚的钨、银、金中的一种或多种浆料，在标准工艺曲线下烧结。
6.如权利要求4所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述薄膜金属化：
是采用溅射、蒸发工艺中的一种，在陶瓷基板表面制备0.1-3μm的钛、钨化钛、镍、铜、铂、铅、金中的一种或多种金属。
7.如权利要求4所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述直接键合工艺：
是在1000-1070℃的条件下，在陶瓷基板表面直接覆接无氧铜。
8.如权利要求4所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述活性焊接工艺：
是采用活性金属焊膏在陶瓷基板表面焊接铜、铝、不锈钢、可伐中的一种或多种金属。
9.如权利要求1所述的陶瓷封装外壳制备方法，其特征在于，所述焊接需要的钎料为银基、铜基、锡基、铅基、铝基中的任一种，根据不同的钎料，选择不同温度，将各部分陶瓷基板焊接到一起。
10.陶瓷封装外壳，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的方法制备，包括陶瓷底板和陶瓷墙体，所述陶瓷墙体和陶瓷底板焊接相连。
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