CN111029306A

CN111029306A - 一种梯度铝硅封装外壳及其制作方法

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Publication number: CN111029306A
Application number: CN201911378834.5A
Authority: CN
Inventors: 夏明旷; 方军; 钟永辉
Original assignee: Hefei Shengda Electronic Technology Industrial Co ltd
Current assignee: Hefei Shengda Electronic Technology Industrial Co ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-17

Abstract

本发明公开了一种梯度铝硅封装外壳，所述封装外壳包括封装底板和与封装底板共同形成装配电子元件的空腔的封装侧板，所述封装底板的厚度为2~5mm，所述封装底板以硅含量为50~70%、其余为铝的体积百分比制作而成；所述封装侧板根据硅含量的分布从下到上至少设有两层结构、且所述硅含量根据设置的层数呈梯度分布，且所述封装侧板最下层结构的含量低于所述封板底板的硅含量，所述封装侧板中最上层结构的厚度为2~5mm、且所述最上层结构的硅含量为24~28%。本发明将梯度铝硅材料应用到电子封装外壳中，借助梯度铝硅材料的各区域硅含量可设计调节的特性，使得封装外壳可以同时具备较低的底部热膨胀系数、高的整体抗拉强度和良好的封口激光可焊性。

Description

一种梯度铝硅封装外壳及其制作方法

技术领域

本发明属于封装外壳技术领域，具体涉及一种梯度铝硅封装外壳及其制作方法。

背景技术

电子封装外壳要求底盘的基体材料具有热膨胀系数低、抗拉强度高和激光封盖可焊性好的特性，三个特性缺一不可，电子封装外壳与陶瓷基板焊接的底部区域，要求热膨胀系数越低越好，电子封装外壳与盖板进行激光焊接的封口处，需要激光可焊性越高越好。

由于铝硅复合材料的特性，单一硅含量的铝硅材料的三个特性，无法同时达到最理想的状态，硅含量高的铝硅材料外壳激光封盖难以实现，硅含量过低的铝硅材料外壳热膨胀系数较大，与电路基板和芯片热失配，容易出现焊后开裂变形的问题；目前业内普遍使用的50%单一硅含量的AL-50Si材料封装外壳，热膨胀系数和激光可焊性趋于中间值，可用于小尺寸元器件中。在基板及芯片热膨胀系数较低、尺寸较大、激光封盖封口形状复杂的情况下，传统单一含量铝硅外壳无法使用，此问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯度铝硅封装外壳,以克服上述技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明的目的在于提供一种梯度铝硅封装外壳，所述封装外壳包括封装底板和与封装底板共同形成装配电子元件的空腔的封装侧板，所述封装底板的厚度为2~5mm，所述封装底板以硅含量为50~70%、其余为铝的体积百分比制作而成；

所述封装侧板根据硅含量的分布从下到上至少设有两层结构、且所述硅含量根据设置的层数呈梯度分布，且所述封装侧板最下层结构的含量低于所述封板底板的硅含量，所述封装侧板中最上层结构的厚度为2~5mm、且所述最上层结构的硅含量为24~28%。

进一步地，所述封装侧板由下向上设置的层结构中，相邻层结构的硅含量具有以下关系：上层结构的硅含量x和下层结构的硅含量y呈x/y=0.54~0.82的关系；所述封装侧板中最下层结构的硅含量与所述封装底板中硅含量的比值为0.7~0.82。

本发明的另一个目的在于提供一种梯度铝硅封装外壳的制作方法，包括以下步骤，S1、根据封装底板的硅含量和厚度，配制原料并使用粉末冶金法制作封装底板；

S2、根据封装侧板设计的层数与硅含量，配制不同硅含量的原料，并分别采用粉末冶金法制作不同硅含量的层板结构，根据设计的梯度分布将不同硅含量的层板结构使用真空钎焊法制作成封装侧板锭坯；S3、采用线切割与精雕加工的方式将步骤（2）中制作的封装侧板锭坯加工成封装侧板，在封装侧板内壁上形成装配电子元件的台阶孔；S4、对步骤（3）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用真空钎焊法进行加工，并对完成加工后的封装底板和封装侧板的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，即可得到所述的梯度铝封装外壳。

进一步地，步骤S4中，所述镍层的厚度为5~15μm；所述金层的厚度为1.3~3μm。

进一步地，步骤S3加工前，还包括对封装侧板锭坯进行压力烧结的步骤，具体过程为：将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为500~550℃、烧结压力为110~120MPa、保温时间为2~3h进行压力烧结。

有益效果：

本发明将梯度铝硅材料应用到电子封装外壳中，借助梯度铝硅材料的各区域硅含量可设计调节的特性，使得封装外壳可以同时具备较低的底部热膨胀系数、高的整体抗拉强度和良好的封口激光可焊性；

封装外壳的底部区域与电路基板及芯片热膨胀系数接近，焊接后热应力小，在焊接大尺寸、低热膨胀系数基板时，大大减少基板开裂、变形等问题的出现，同时提高组装后元器件的可靠性；

封装外壳的封口区域激光可焊性大大提高，在焊接大尺寸、形状复杂的盖板时，不容易出现裂纹、漏气等缺陷，可以提高产品成品率。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的目的在于提供一种梯度铝硅封装外壳，所述封装外壳包括封装底板和与封装底板共同形成装配电子元件的空腔的封装侧板，所述封装底板的厚度为2~5mm，所述封装底板以硅含量为50~70%、其余为铝的体积百分比制作而成，由此保证封装底板的热膨胀系数，使封装底板的热膨胀系数与电子元件的热膨胀系数相近。

对所述封装侧板从下到上进行设计，根据硅含量的分布所述封装侧板从下到上至少设有两层结构，且所述硅含量根据设置的层数呈梯度分布，下层结构的硅含量需大于上层结构的硅含量。

同时，所述封装侧板最下层结构的含量需低于所述封板底板的硅含量，且所述最上层结构的硅含量为24~28%，由此在形成梯度分布的情况下，保证封装侧板中最上层结构与盖板之间的可焊性。

为保证梯度分布的合理性，保证制备过程中，封装侧板从下到上的层结构之间的密度分布合理，对封装侧板的层机构之间的硅含量进一步进行设定，相邻层结构的硅含量具有以下关系：上层结构的硅含量设定为x，下层结构的硅含量设定为y，x和y需满足下述x/y=0.54~0.82的关系，同时为保证封装底板与封装底板形成梯度分布，对所述封装侧板中最下层结构的硅含量与所述封装底板中硅含量的比值进行限定，所述封装侧板中最下层结构的硅含量与所述封装底板中硅含量的比值需满足以下范围：0.7~0.82。

以下对上述的梯度铝硅封装外壳的制作方法进行说明，所述梯度铝硅封装外壳的制作方法包括以下步骤，S1、根据封装底板的硅含量和厚度，配制原料并使用粉末冶金法制作封装底板；S2、根据封装侧板设计的层数与硅含量，配制不同硅含量的原料，并分别采用粉末冶金法制作不同硅含量的层板结构，根据设计的梯度分布将不同硅含量的层板结构使用真空钎焊法制作成封装侧板锭坯，其中真空钎焊法的过程为：使用焊料Al₈₀Si₁₄Mg₆，焊料熔点为555-580℃，钎焊温度为600℃，真空环境，保温20min；S3、将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为500~550℃、烧结压力为110~120MPa、保温时间为2~3h进行压力烧结；S4、采用线切割与精雕加工的方式将步骤（3）中制作的封装侧板锭坯加工成封装侧板，在封装侧板内壁上形成装配电子元件的台阶孔；S4、对步骤（4）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用真空钎焊法进行加工，其中真空钎焊法同步骤S2,；并对完成加工后的封装底板和封装侧板的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，所述镍层的厚度为5~15μm；所述金层的厚度为1.3~3μm即可得到所述的梯度铝封装外壳。

实施例1

S1、配制硅含量为50%、铝含量为50%的粉末原料，采用粉末冶金法将两种原料制成厚度为3mm的板式结构，根据电子原件的尺寸，通过机械加工方式，将板式结构切割成合适的尺寸，即可制成封装底板；

S2、配制硅含量为38%、铝含量为62%的粉末原料A，同时配制硅含量为27%、铝含量为73%的粉末原料B，使用粉末冶金法将粉末原料A和粉末原料B分别制成厚度为3mm、硅含量为27%的块状结构和厚度为10mm、硅含量为38%的块状结构，以38%的块状结构为下层结构、27%的块状结构为上层结构，使用真空钎焊法制作成厚度为13mm的两层结构的封装侧板锭坯；

S3、将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为500℃、烧结压力为110MPa、保温时间为3h进行压力烧结，使粉末冶金制备的复合材料基体的致密性更强；

S4、根据封装底板的尺寸将经过步骤S3烧结后的封装侧板锭坯进行机械加工，再以电子原件为基准，对加工后的封装侧板锭坯进行线切割与精雕加工使封装侧板锭坯制作成封装侧板，在封装侧板内壁加工形成有装配电子元件的台阶孔；

S5、对步骤（4）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用喷射沉积法进行加工，再通过与步骤S3相同的烧结工艺对封装侧板和封装底板进行烧结，使封装底板和封装侧板加工成封装外壳坯体，并对封装外壳坯体的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，所述镍层的厚度为5μm；所述金层的厚度为1.3μm，即可得到所述的梯度铝封装外壳。

制成的封装外壳由下向上依次为硅含量为50%、38%、27%的三层梯度结构，符合实际需求。

实施例2

S1、配制硅含量为70%、铝含量为30%的粉末原料，采用粉末冶金法将两种原料制成厚度为4mm的板式结构，根据电子原件的尺寸，通过机械加工方式，将板式结构切割成合适的尺寸，即可制成封装底板；

S2、配制硅含量为50%、铝含量为50%的粉末原料A，同时配制硅含量为27%、铝含量为73%的粉末原料B，使用粉末冶金法将粉末原料A和粉末原料B分别制成厚度为12mm、硅含量为50%的块状结构和厚度为3.5mm、硅含量为27%的块状结构，以50%的块状结构为下层结构、27%的块状结构为上层结构，使用真空钎焊法制作成厚度为15.5mm的两层结构的封装侧板锭坯；

S3、将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为520℃、烧结压力为120MPa、保温时间为2h进行压力烧结，使两层结构的致密性更强；

S5、对步骤（4）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用真空钎焊法进行加工，再通过与步骤S3相同的烧结工艺对封装侧板和封装底板进行烧结，使封装底板和封装侧板加工成封装外壳坯体，并对封装外壳坯体的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，所述镍层的厚度为10μm；所述金层的厚度为2μm，即可得到所述的梯度铝封装外壳。

制成的封装外壳由下向上依次为硅含量为70%、50%、27%的三层梯度结构，符合实际需求。

实施例3

S1、配制硅含量为70%、铝含量为30%的粉末原料，采用粉末冶金法将两种原料制成厚度为3mm的板式结构，根据电子原件的尺寸，通过机械加工方式，将板式结构切割成合适的尺寸，即可制成封装底板；

S2、配制硅含量为60%、铝含量为40%的粉末原料A，同时配制硅含量为50%、铝含量为50%的粉末原料B，配制硅含量为38%、铝含量为62%的粉末原料C，配制硅含量为27%、铝含量为73%的粉末原料D，使用粉末冶金法将粉末原料A、粉末原料B、粉末原料C和粉末原料D分别制成厚度为1mm、硅含量为60%的块状结构，厚度为11mm、硅含量为50%的块状结构，厚度为1mm、硅含量为38%的块状结构，和厚度为3.5mm、硅含量为27%的块状结构，以60%的块状结构为最下层结构、27%的块状结构为最上层结构，使用喷射沉积法制作成厚度16.5mm的四层结构的封装侧板锭坯；

S3、将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为550℃、烧结压力为120MPa、保温时间为2.5h进行压力烧结，使两层结构的致密性更强；

S5、对步骤（4）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用喷射沉积法进行加工，再通过与步骤S3相同的烧结工艺对封装侧板和封装底板进行烧结，使封装底板和封装侧板加工成封装外壳坯体，并对封装外壳坯体的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，所述镍层的厚度为15μm；所述金层的厚度为3μm，即可得到所述的梯度铝封装外壳。

制成的封装外壳由下向上依次为硅含量为70%、60%、50%、38%、27%的五层梯度结构，符合实际需求

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以上具体实施例进行说明，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种梯度铝硅封装外壳，所述封装外壳包括封装底板和与封装底板共同形成装配电子元件的空腔的封装侧板，其特征在于，

所述封装底板的厚度为2~5mm，所述封装底板以硅含量为50~70%、其余为铝的体积百分比制作而成；

2.如权利要求1所述的一种梯度铝硅封装外壳的制作方法，其特征在于，所述封装侧板由下向上设置的层结构中，相邻层结构的硅含量具有以下关系：上层结构的硅含量x和下层结构的硅含量y呈x/y=0.54~0.82的关系；所述封装侧板中最下层结构的硅含量与所述封装底板中硅含量的比值为0.7~0.82。

3.一种梯度铝硅封装外壳的制作方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1、根据封装底板的硅含量和厚度，配制原料并使用粉末冶金法制作封装底板；

S2、根据封装侧板设计的层数与硅含量，配制不同硅含量的原料，并分别采用粉末冶金法制作不同硅含量的层板结构，根据设计的梯度分布将不同硅含量的层板结构使用真空钎焊法制作成封装侧板锭坯；

S3、采用线切割与精雕加工的方式将步骤（2）中制作的封装侧板锭坯加工成封装侧板，在封装侧板内壁上形成装配电子元件的台阶孔；

S4、对步骤（3）制作的封装侧板和步骤（1）的封装底板使用真空钎焊法进行加工，并对完成加工后的封装底板和封装侧板的外侧面依次进行镀覆镍层和金层，即可得到所述的梯度铝封装外壳。

4.根据权利要求3所述的一种梯度铝硅封装外壳的制作方法，其特征在于，步骤S4中，所述镍层的厚度为5~15μm；所述金层的厚度为1.3~3μm。

5.根据权利要求3所述的一种梯度铝硅封装外壳的制作方法，其特征在于，步骤S3加工前，还包括对封装侧板锭坯进行压力烧结的步骤，具体过程为：将封装侧板锭坯密封于铝包套内，抽真空后封焊，使用烧结温度为500~550℃、烧结压力为110~120MPa、保温时间为2~3h进行压力烧结。