CN109950211B - X波段双面多腔结构陶瓷外壳及多层陶瓷共烧工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳及多层陶瓷共烧工艺方法，其外壳结构包括陶瓷件、连筋结构封接框、盖板和所形成的多腔体，以及在陶瓷件表面金属化图形、封接框表面和盖板表面的镀覆层；共烧工艺方法，包括配料、流延、打孔填孔、印刷、开腔、叠片层压、生切、烧结、镀覆等步骤；优点：1）既可完成传输线间的阻抗匹配，又可将传输信号限制在介质层中，减小介质损耗和辐射损耗，增加地层的数量用来消除平板模式的影响；2）将在陶瓷件内部制作电气连接电路的排布由二维平面结构变为三维结构，增加了可布线的密度，保证了封装外壳的气密性，同时降低了成本；3）开腔将大面积的平面封装外壳进行折叠，使得封装尺寸大大减小。

Description

X波段双面多腔结构陶瓷外壳及多层陶瓷共烧工艺方法

技术领域

本发明是涉及的是一种采用堆叠封装形式的X波段的双面多腔结构陶瓷外壳及多层陶瓷共烧工艺方法，属于半导体制作技术领域.。

背景技术

新一代通信系统、微波毫米波相控阵雷达等电子装备正在逐渐向小型化、轻量化和高可靠方向发展，需要不断提高微波电路的组装和互连密度，同时对其封装外壳的形式和尺寸提出了更高的要求。因对介质层低介电常数的要求，传统的T/R组件封装形式大多采用能够内埋电路的多层LTCC一体化基板和金属外壳来保证封装后的微波性能和气密性，不仅封装面积大，而且生产成本高。随着T/R组件尺寸小型化的进一步发展，基于LTCC工艺的平面封装形式已经逐渐显示出其局限性，故考虑采用堆叠封装来减小封装外壳的尺寸。

它与LTCC工艺相比，HTCC工艺同样拥有多层布线的功能，一方面在陶瓷件内部制作电气连接电路，能够有效地减小信号传输过程中电磁辐射产生的损耗；另一方面采用陶瓷正反两面进行开腔，相当于将大面积的平面封装外壳进行折叠，使得封装尺寸大大减小，在保证微波性能和气密性的同时还能够降低成本。

发明内容

发明提出的是一种基于HTCC工艺的采用堆叠封装形式的X波段双面多腔结构陶瓷外壳及多层陶瓷共烧工艺方法，其目的旨在采用堆叠封装来减小封装外壳的尺寸，在保证微波性能和气密性的同时还能够降低成本。

本发明的技术解决方案：一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其结构包括陶瓷件1、连筋结构封接框2、盖板3和所形成的多腔体4，以及在陶瓷件表面金属化图形、封接框表面和盖板表面的镀覆层；其中陶瓷件1采用HTCC多层陶瓷共烧工艺，包含绝缘材料和共烧金属化，封接框2焊接于陶瓷件的顶面上，盖板3分别采用平行缝焊和金锡封形式封接在陶瓷件的顶部和底部。

陶瓷外壳的多层陶瓷共烧工艺方法，包括配料、流延、打孔填孔、印刷、开腔、叠片层压、生切、烧结、镀覆等步骤；

利用打孔、填孔、印刷工序，将平面传输线转变为类同轴的垂直传输结构，以便实现垂直双腔中多芯片之间的信号传输。

本发明的有益效果：

1）既可通过调整接地孔到信号通孔的距离完成传输线间的阻抗匹配，又可将传输信号限制在一定范围内的介质层中，以减小介质损耗和辐射损耗，同时在两层地之间增加地层的数量用来消除平板模式的影响；

2）利用HTCC多层陶瓷共烧工艺方法，在陶瓷件内部制作电气连接电路，将电路的排布由二维平面结构变为三维结构，增加了可布线的密度，保证了封装外壳的气密性，同时降低了成本；

3）采用陶瓷正反两面进行开腔，相当于将大面积的平面封装外壳进行折叠，使得封装尺寸大大减小。

附图说明

图1是X波段双面多腔结构陶瓷外壳结构图，其中图1-（a）是表贴型双面多腔结构陶瓷外壳结构示意图；图1-（b）是带引线双面多腔结构陶瓷外壳结构示意图；图1-（c）是带翼型引线双面多腔结构陶瓷外壳结构示意图。

图2是采用的多层陶瓷工艺的流程图。

图3是96%氧化铝陶瓷的典型烧结曲线示意图。

具体实施方式

如图1-（a）、1-（b）、1-（c）所示，一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其结构包括陶瓷件1、连筋结构封接框2、盖板3和所形成的多腔体4，以及在陶瓷件表面金属化图形、封接框表面和盖板表面的镀覆层；其中陶瓷件1采用HTCC多层陶瓷共烧工艺，包含绝缘材料和共烧金属化，连筋结构封接框2焊接于陶瓷件的顶面上，盖板3采用平行缝焊和金锡封形式封接在陶瓷件1的顶部和底部。

所述的陶瓷件1为经过层压、烧结形成的内部具有多层电气连接电路的陶瓷器件。

所述的陶瓷件1的主要成分为氧化铝（质量分数占90%以上），其中含有少量的镁、硅和碳酸钙等物质；并根据烧结状态不同存在3%至30%质量分数的玻璃相成分；所述的共烧金属化的主要金属成分为钨； 所述的封接框2材料铁镍钴合金。

所述的镀覆层采用化学镀镍镀金的工艺。

所述的盖板3包括陶瓷盖板、铁镍合金盖板，封接形式采用平行缝焊和金锡封。

所述的多腔体4由陶瓷壁和金属封接框形成。

所述的陶瓷外壳与外部电路的连接形式可选择表贴型、焊接引线或者焊接翼型引线。

双面多腔结构陶瓷外壳的多层陶瓷共烧工艺方法，包括如下步骤：

1)打孔、填孔：利用UHT或者激光切割机在生瓷带上打通孔，制作垂直传输结构的物理图形，采用填孔机在通孔中填实金属浆料，以实现电信号的传输；

2)印刷：采用印刷机在每层瓷带上印刷相应的金属化图形作为电气连接电路或者地平面；

3)开腔：利用UHT、激光切割机或其它冲腔设备在生瓷带上切割所需的腔体图形，以用于芯片的焊接；

4)叠片、层压：将每层瓷带按顺序叠在一起，并用层压机压实，保证同一位置上的通孔相互连接，以实现良好的电性能传输功能；

5)生切：将整片的生瓷带分切成预先设计的单个陶瓷件；

6)烧结：将切好的单个陶瓷件放入烧结炉中，在特定的烧结气氛下按照既定的烧结曲线加热烧结，因其是将金属浆料和生瓷同时进行烧结，又被称为共烧；

7)镀覆：利用电解原理在某些金属表面上镀覆已薄层其他金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其他材料制作的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止金属氧化如锈蚀，提高耐磨性、导电性、放光性及增进美观等作用。

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：

如图1所示：X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其结构包括陶瓷件1、连筋结构封接框2、盖板3和所形成的双腔4，以及在陶瓷件表面金属化图形、封接框表面和盖板表面的镀覆层；陶瓷成分为氧化铝、氮化铝、氧化镁、氧化锆、氧化硅、氧化钙、氧化硼中的一种或几种组成；封接框2焊接于陶瓷件的顶面上；盖板3分别采用平行缝焊和金锡封形式封接在陶瓷件的顶部和底部；该陶瓷外壳与外电路的连接方式可选用表贴式、引线式或者翼型引线式。

双面多腔结构陶瓷外壳的内部信号线均采用共烧金属化工艺制作，共烧金属化由钨、钼高熔点金属或金、铂、钯贵金属中的一种或几种组成；镀覆层为镍、钴、铜、金中的一种或几种组成。

X波段双面多腔结构陶瓷外壳采用堆叠封装的形式，需要长距离的垂直传输结构来保证芯片电性能的连接。

不同层之间的信号线用金属化通孔连接，再在信号通孔周围制作环绕式接地孔，变成类同轴结构，既可通过调整接地孔到信号通孔的距离完成传输线间的阻抗匹配，又可将传输信号限制在一定范围内的介质层中，以减小介质损耗和辐射损耗。同时在两层地之间增加地层的数量用来消除平板模式的影响。

如图2所示，双面多腔结构陶瓷外壳采用HTCC多层陶瓷工艺方法制造，包括以下步骤：

1）配料是将陶瓷粉料与有机载体按比例混合，使原料颗粒粉碎，形成具有一定粘度和触变性的浆料。其中陶瓷粉料的质量分数应在50%至80%之间，中值粒径减小至10微米以内；

2）流延是将配制好的浆料注入流延机料槽，浆料通过刮刀流到基带上，基带承载浆料移动通过烘箱，经过烘箱加热后，浆料中的溶剂挥发，最后形成生瓷带的过程；

3）打孔、填孔是利用UHT或者激光切割机在生瓷带上打通孔，制作垂直传输结构的物理图形，再采用填孔机在通孔中填实共烧金属浆料，以实现电信号的传输；

4）印刷是采用印刷机在每层瓷带上印刷相应的共烧金属化图形作为电气连接电路或者地平面。共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间；

5）开腔：利用UHT、激光切割机或其它冲腔设备在生瓷带上切割所需的腔体图形，以用于芯片的焊接；

6）叠片层压是将填入共烧金属的生瓷膜，按设计的层数和次序，依次叠放，在50℃至120℃的温度和1-100MPa的压力下，形成一个完整的多层陶瓷胚体；

7）生切是将叠片层压后的生瓷切割成单个产品。生瓷切割多采用生瓷切割机进行切割，生瓷切割机上装配有刀片，可将生瓷膜全切，也可以将生瓷膜半切，待烧结后进行裂片；

8）共烧是指将生瓷产品放入烧结炉内，在一定的烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线进行加热，以形成致密且具有一定机械强度的熟瓷的过程。由于烧结温度为1500-1600℃左右，且金属化图形与陶瓷在相同的条件下烧结，因而称之为高温共烧陶瓷，整个共烧过程可以分为两个阶段：

第一个阶段称为排胶，排胶是排除有机物的过程，升温过程中首先是溶剂的挥发过程，当温度升到200℃以上，粘结剂开始分解；陶瓷的排胶温度曲线与其所含粘结剂的成分有关，一般升温速度控制为每小时(20～50)℃，升到400℃左右后，保温(3～5)个小时，令其自然冷却；

第二个阶段为烧结，这一阶段在氢气的气氛下进行，以防止金属化图形被氧气氧化，烧结温度为1500-1600℃左右。烧结的关键在于控制烧结曲线与炉膛实际温度曲线的一致性，因为它会直接影响烧结过程的收缩率和平整度。以96%氧化铝陶瓷的烧结为例，其典型的烧结曲线如图3所示；

9）镀覆是指在金属表面上镀覆一定厚度的其他金属的过程，其中镀金作为最常见的镀覆类型，有防止氧化、提高导电性以及增进美观等作用。根据镀覆原理的不同，镀覆工艺可以分为两种：电镀和化学镀。

Claims (9)

1.一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征是采用HTCC多层陶瓷共烧的工艺方法，包括如下步骤：

1）配料：将陶瓷粉料与有机载体按比例混合，使原料颗粒粉碎，形成具有一定粘度和触变性的浆料，其中陶瓷粉料的质量分数应在50%至80%之间，中值粒径减小至10微米以内；

2）流延：将配制好的浆料注入流延机料槽，浆料通过刮刀流到基带上，基带承载浆料移动通过烘箱，经过烘箱加热后，浆料中的溶剂挥发，最后形成生瓷带的过程；

3）打孔、填孔：利用UHT或者激光切割机在生瓷带上打通孔，制作垂直传输结构的物理图形，采用填孔机在通孔中填实金属浆料，以实现电信号的传输；

4）印刷：采用印刷机在每层瓷带上印刷相应的金属化图形作为电气连接电路或者地平面；

5）开腔：利用UHT、激光切割机或其它冲腔设备在生瓷带上切割所需的腔体图形，以用于芯片的焊接；

6）叠片、层压：将每层瓷带按顺序叠在一起，并用层压机压实，保证同一位置上的通孔相互连接，以实现良好的电性能传输功能；

7）生切：将整片的生瓷带分切成预先设计的单个陶瓷件；

8）烧结：将切好的单个陶瓷件放入烧结炉中，在烧结气氛下按照既定的烧结曲线加热烧结，因其是将金属浆料和生瓷同时进行烧结，又被称为共烧；

所述共烧过程分为两个阶段：

第一个阶段称为排胶，排胶是排除有机物的过程，升温过程中首先是溶剂的挥发过程，当温度升到200℃以上，粘结剂开始分解；陶瓷的排胶温度曲线与其所含粘结剂的成分有关，升温速度控制为每小时20～50℃，升到400℃后，保温3～5个小时，令其自然冷却；

第二个阶段为烧结，这一阶段在氢气的气氛下进行，以防止金属化图形被氧气氧化，烧结温度为1500-1600℃，烧结的关键在于控制烧结曲线与炉膛实际温度曲线的一致性，因为它会直接影响烧结过程的收缩率和平整度；

9）镀覆：在金属表面上镀覆已薄层其他金属或合金的过程，利用电解作用使金属材料制作的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止金属氧化如锈蚀，提高耐磨性、导电性、放光性及增进美观作用；

所述X波段双面多腔结构陶瓷外壳，包括陶瓷件、连筋结构封接框、盖板和所形成的多腔体，以及在陶瓷件表面金属化图形、封接框表面和盖板表面的镀覆层；其中陶瓷件采用HTCC多层陶瓷共烧工艺，包含绝缘材料和共烧金属化，连筋结构封接框焊接于陶瓷件的顶面上，盖板采用平行缝焊和金锡封形式封接在陶瓷件的顶部和底部。

2.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的陶瓷件为经过层压、烧结形成的内部具有多层电气连接电路的陶瓷器件。

3.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的陶瓷件中的绝缘材料种类包括氧化铝或氮化铝。

4.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的陶瓷件中的共烧金属化包括钨、钼高熔点金属。

5.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的封接框材料铁镍钴合金。

6.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的盖板包括陶瓷盖板、铁镍合金盖板，封接形式采用平行缝焊和金锡封。

7.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的多腔体由陶瓷壁和金属封接框形成。

8.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的陶瓷外壳与外部电路的连接形式选择表贴型、焊接引线或者焊接翼型引线。

9.如权利要求1所述的一种X波段双面多腔结构陶瓷外壳，其特征在于所述的镀覆层为镍、钴或金。

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