CN111367028A - 一种全陶瓷结构tosa/rosa外壳及其制备方法 - Google Patents

一种全陶瓷结构tosa/rosa外壳及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳技术领域，具体公开一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳及其制备方法。所述制备方法，包括以下步骤：将陶瓷浆料进行流延成型，得到流延带料；采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，得到两种生瓷片；对生瓷片进行填孔、印刷、叠片、层压、热切、烧结处理，得到全陶瓷绝缘子结构；与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳。本发明提供的制备方法用全陶瓷绝缘子取代金属墙体，在保障外壳性能的同时节约了成本。

Description

一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳及其制备方法
技术领域
本发明涉及TOSA/ROSA外壳技术领域，尤其涉及一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳及其制备方法。
背景技术
传统的光通信TOSA/ROSA外壳主要采用内部布线的金属墙体-陶瓷绝缘子光电器件外壳进行封装，为器件提供电信号传输通道和光耦合接口，提供机械支撑和气密保护，解决芯片与外部电路互连，实现光信号与电信号的相互转换和信号处理功能。外壳主要由陶瓷绝缘子、金属底盘、金属墙体、蓝宝石光窗和引线等部分构成，金属墙体侧面开槽焊接陶瓷绝缘子，陶瓷绝缘子内部布线实现信号的内外传输。
随着5G商用，光器件和光模块在性能满足要求的情况下，成本优势也显得尤为重要。封装外壳作为光模块里不容忽视的部分，对其成本的控制也提出了越来越高的要求。目前的传统金属墙体-陶瓷绝缘子结构，仍存在以下缺点：陶瓷布线部分集中在陶瓷绝缘子上，通过与金属墙体焊接，形成框架结构，由于金属墙体与陶瓷绝缘子热膨胀系数不同，在钎焊过程中容易产生应力，影响产品可靠性；同时，由于金属墙体的材料成本相比陶瓷成本要高出许多，因此传统的光通信TOSA/ROSA外壳的成本偏高。
因此，研发一种成本低、可靠性高的TOSA/ROSA外壳的制备方法意义重大。
发明内容
针对现有TOSA/ROSA外壳存在的上述技术问题，本发明提供一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，包括以下步骤：
S1：将陶瓷浆料进行流延成型，得到流延带料；
S2：采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，同时形成通孔和空腔，得到空腔形状分别为第一图形和第二图形的两种生瓷片；
S3：对步骤S2中的生瓷片进行填孔处理、印刷处理；
S4：将步骤S3中印刷后的生瓷片按照空腔形状依次为第一图形、第二图形、第一图形顺序叠片，层压，得到生瓷坯体；
S5：将步骤S4中的生瓷坯体进行热切，得到小块生瓷坯体，烧结，得到全陶瓷绝缘子结构；
S6：将所述全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳。
步骤S2中，流延带料的开孔密度高，开孔率在70％以上，采用传统的机械冲孔机加工腔体不能满足产品质量需要，故采用阵列模具将通孔和空腔一次落出，取代单冲针拼接的工艺，避免了单冲针冲制过程中窄梁加强筋两边空腔受力不一致造成的扭曲变形问题，使得产品腔体尺寸和外观均能满足全陶瓷产品的工艺要求。本申请采用两套模具得到空腔形状分别为第一图形和第二图形的两种生瓷片(如图1、2所示)，便于全陶瓷绝缘子结构侧面通孔的形成，用于焊接光窗支架。
步骤S4中，印刷后的生瓷片按照空腔形状依次为第一图形、第二图形、第一图形顺序叠片，用于形成全陶瓷绝缘子结构侧面的通孔，其中，每种生瓷片的具体数量根据生瓷片厚度及全陶瓷绝缘子结构厚度进行相应调整。
相对于现有技术，本发明提供的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，采用阵列模具对生瓷片进行冲孔和冲腔处理，将所得的生瓷片依次进行填孔、印刷、叠片、层压、热切和烧结处理，得到侧面有通孔的全陶瓷绝缘子结构。全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳，相比传统的TOSA/ROSA外壳，结构更简单，用全陶瓷绝缘子结构取代金属墙体，减少了陶瓷和金属墙体的焊接工艺，降低了由于墙体金属和陶瓷绝缘子热膨胀系数不匹配造成的焊接应力，同时降低了金属零件的加工难度和材料成本，在保障外壳性能的情况下节约了成本。
进一步地，所述陶瓷浆料由质量分数如下的组分制成：陶瓷粉体50-70％、溶剂25-45％和助剂1-5％，助剂包括分散剂、粘结剂和增塑剂(均为常规助剂)。将陶瓷粉体与分散剂加入溶剂(水或有机溶剂)中，通过球磨或超声波振荡进行分散，使溶剂润湿粉体，再加入粘结剂和增塑剂，通过二次球磨得到稳定、均一的陶瓷浆料。
进一步地，所述第一图形为方形；所述第二图形为凸形，便于印刷后的生瓷片按照空腔形状依次为方形、凸形、方形顺序叠片，形成全陶瓷绝缘子结构侧面的通孔。
进一步地，步骤S4中，叠片过程采用橡胶材质的定位工装将生瓷片叠压到一起，如图3所示，将传统的模具钢材质改为橡胶，通过加压过程中橡胶的微量形变来找平上下压头(模具板)的平行度及平面度，保证产品的受力均匀性，保障产品的质量。
进一步地，步骤S4中，叠片过程生瓷片之间通过胶水粘结，将胶水涂覆到生瓷片背面，晾置5-15min后，将生瓷片套着定位销钉(如图4所示)置于定位工装上进行层压，采用胶水粘接的方式实现生瓷片多层间结合及形状保持，该方法使得用传统工艺(采用固定和等静压的方式实现产品的层间结合和致密化)来制作全陶瓷结构产品无法实现和保证质量的问题得以解决，同时提高了产品的加工效率，使得产品的工艺复杂度降低了50％以上。
进一步地，所述胶水由PVB溶液与氧化铝陶瓷粉配制而成，其中，PVB质量分数为1.5-10％，氧化铝陶瓷粉质量分数为20-40％，溶剂由乙醇、松油醇、卡必醇、乙酸乙酯或丁酯中的至少一种与乙基纤维素以体积比1:1混合而成。
进一步地，步骤S4中，层压的压力为1-4Kg/cm2，时间为0.5-3min，保证生瓷片之间紧密结合。
进一步地，步骤S5中，在热切过程中在生瓷坯体的腔体中设置橡胶材质的芯腔填充物，使得生瓷坯体在加热切割的过程中得以保持形状和结构，便于薄壁、深腔全陶瓷绝缘子结构的制备。
进一步地，步骤S5中，烧结温度为1575-1585℃，时间为6-8h，烧结过程中由于陶瓷材料收缩，造成产品极易发生形变，通过调整烧结的曲线及温度，放缓烧结升温过程，控制瓷体烧结过程中有机相的排胶速度、控制保温时间，保证复杂结构的均匀收缩，避免陶瓷材料收缩使产品发生形变，制得形状保持完好，各项性能满足要求的产品。
进一步地，步骤S5中，所述全陶瓷绝缘子结构为氧化铝陶瓷，氧化铝含量为90-96％，其他为钙、镁、硅杂质原子。
本发明还提供了全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳，由上述全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法制得。
本发明提供的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳，相比传统的TOSA/ROSA外壳，结构更简单，由全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊制得，减少了钎焊焊接墙体的工艺步骤，全陶瓷绝缘子具有封闭内腔，用于封转光电模块，且全陶瓷绝缘子结构侧壁开设有通孔，可焊接光窗支架，用于镶嵌光窗。本发明用全陶瓷绝缘子结构取代金属墙体，保障外壳性能的同时节约了成本。
附图说明
图1是本发明实施例中空腔为方形的生瓷片结构示意图；
图2是本发明实施例中空腔为凸形的生瓷片结构示意图；
图3是本发明实施例中定位工装结构示意图；
图4是本发明实施例中定位工装上定位销钉的示意图；
图5是本发明实施例中叠片顺序示意图；
图6是本发明实施例中小块生瓷坯体结构示意图；
图7是本发明实施例中全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳结构示意图；
图8是本发明实施例中全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳俯视图，
图中，1、全陶瓷绝缘子；2、光窗支架焊料；3、光窗支架；4、封口环焊料；5、封口环；6、引线；7、引线焊料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，包括以下步骤：
S1：将陶瓷粉体50％、分散剂1％和水45％，通过球磨研磨或超声波振荡进行分散，再加入粘结剂3％和增塑剂1％，通过二次球磨得到稳定、均一的陶瓷浆料，将陶瓷浆料进行流延成型，得到素坯，进行干燥，使溶剂蒸发，粘结剂在陶瓷粉末之间形成网状结构，得到流延带料；
S2：采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，同时形成通孔和空腔，得到空腔形状分别为方形和凸形的两种生瓷片，分别如图1、2所示；
S3：对步骤S2中的生瓷片进行填孔处理，将金属化钨浆料填充到带料上的通孔内，再进行印刷处理，采用丝网在生瓷片表面印刷图形和布线；
S4：将步骤S3中印刷后的生瓷片在定位工装上按照空腔形状依次为方形(L1)、凸形(L2、L3、L4和L5)、方形(L6)顺序叠片(如图5所示)，将胶水涂覆到生瓷片背面，晾置10min后，将生瓷片套着定位工装上的定位销钉置于定位工装上进行层压，层压的压力为2Kg/cm2，时间为2min，得到生瓷坯体，其中，胶水由PVB溶液与氧化铝陶瓷粉配制而成，PVB质量分数为1.5％，氧化铝陶瓷粉质量分数为20％，溶剂由乙醇与乙基纤维素以体积比1:1混合而成；
S5：将步骤S4中的生瓷坯体的腔体中设置橡胶材质的芯腔填充物，进行热切，得到小块生瓷坯体(如图6所示)，缓慢升温至1580℃，烧结7h，得到全陶瓷绝缘子结构；
S6：将所述全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，首先，将全陶瓷绝缘子1和光窗支架3、光窗支架焊料2在750℃钎焊得到组件A，然后，将组件A和封口环5、封口环焊料4以及底盘、底盘焊料在750℃钎焊得到组件B；最后，将组件B和引线6、引线焊料7在750℃钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳(如图7、8所示)。
实施例2
一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，包括以下步骤：
S1：将陶瓷粉体70％、分散剂1％和水25％，通过球磨研磨或超声波振荡进行分散，再加入粘结剂2％和增塑剂2％，通过二次球磨得到稳定、均一的陶瓷浆料，将陶瓷浆料进行流延成型，得到素坯，进行干燥，使溶剂蒸发，粘结剂在陶瓷粉末之间形成网状结构，得到流延带料；
S2：采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，同时形成通孔和空腔，得到空腔形状分别为方形和凸形的两种生瓷片；
S3：对步骤S2中的生瓷片进行填孔处理，将金属化钨浆料填充到带料上的通孔内，再进行印刷处理，采用丝网在生瓷片表面印刷图形和布线；
S4：将步骤S3中印刷后的生瓷片在定位工装上按照空腔形状依次为方形、凸形、方形顺序叠片，将胶水涂覆到生瓷片背面，晾置5min后，将生瓷片套着定位工装上的定位销钉置于定位工装上进行层压，层压的压力为4Kg/cm2，时间为0.5min，得到生瓷坯体，其中，胶水由PVB溶液与氧化铝陶瓷粉配制而成，PVB质量分数为10％，氧化铝陶瓷粉质量分数为40％，溶剂由乙酸乙酯、丁酯与乙基纤维素以体积比1:1:1混合而成；
S5：将步骤S4中的生瓷坯体的腔体中设置橡胶材质的芯腔填充物，进行热切，得到小块生瓷坯体，缓慢升温至1575℃，烧结8h，得到全陶瓷绝缘子结构；
S6：将所述全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，首先，将全陶瓷绝缘子和光窗支架、光窗支架焊料在850℃钎焊得到组件A，然后，将组件A和封口环、封口环焊料以及底盘、底盘焊料在850℃钎焊得到组件B；最后，将组件B和引线、引线焊料在850℃钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳。
实施例3
一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，包括以下步骤：
S1：将陶瓷粉体60％、分散剂2％和水35％，通过球磨研磨或超声波振荡进行分散，再加入粘结剂2％和增塑剂1％，通过二次球磨得到稳定、均一的陶瓷浆料，将陶瓷浆料进行流延成型，得到素坯，进行干燥，使溶剂蒸发，粘结剂在陶瓷粉末之间形成网状结构，得到流延带料；
S2：采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，同时形成通孔和空腔，得到空腔形状分别为方形和凸形的两种生瓷片；
S3：对步骤S2中的生瓷片进行填孔处理，将金属化钨浆料填充到带料上的通孔内，再进行印刷处理，采用丝网在生瓷片表面印刷图形和布线；
S4：将步骤S3中印刷后的生瓷片在定位工装上按照空腔形状依次为方形、凸形、方形顺序叠片，将胶水涂覆到生瓷片背面，晾置15min后，将生瓷片套着定位工装上的定位销钉置于定位工装上进行层压，层压的压力为1Kg/cm2，时间为3min，得到生瓷坯体，其中，胶水由PVB溶液与氧化铝陶瓷粉配制而成，PVB质量分数为5％，氧化铝陶瓷粉质量分数为30％，溶剂由松油醇与乙基纤维素以体积比1:1混合而成；
S5：将步骤S4中的生瓷坯体的腔体中设置橡胶材质的芯腔填充物，进行热切，得到小块生瓷坯体，缓慢升温至1585℃，烧结6h，得到全陶瓷绝缘子结构；
S6：将所述全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，首先，将全陶瓷绝缘子和光窗支架、光窗支架焊料在800℃钎焊得到组件A，然后，将组件A和封口环、封口环焊料以及底盘、底盘焊料在800℃钎焊得到组件B；最后，将组件B和引线、引线焊料在800℃钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳。
由本发明实施例提供的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法制得的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳，用全陶瓷绝缘子结构取代金属墙体，保障外壳性能的同时节约了成本。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将陶瓷浆料进行流延成型，得到流延带料；
S2：采用阵列模具对所述流延带料进行冲孔和冲腔处理，同时形成通孔和空腔，得到空腔形状分别为第一图形和第二图形的两种生瓷片；
S3：对步骤S2中的生瓷片进行填孔处理、印刷处理；
S4：将步骤S3中印刷后的生瓷片按照空腔形状依次为第一图形、第二图形、第一图形顺序叠片，层压，得到生瓷坯体；
S5：将步骤S4中的生瓷坯体进行热切，得到小块生瓷坯体，烧结，得到全陶瓷绝缘子结构；
S6：将所述全陶瓷绝缘子结构与光窗支架、封口环、底盘和引线进行组装钎焊，镀金，得到全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳。
2.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：所述陶瓷浆料由质量分数如下的组分制成：陶瓷粉体50-70％、溶剂25-45％和助剂1-5％。
3.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：所述第一图形为方形；所述第二图形为凸形。
4.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S4中，叠片过程采用橡胶材质的定位工装将生瓷片叠压到一起。
5.权利要求4所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S4中，叠片过程生瓷片之间通过胶水粘结，将胶水涂覆到生瓷片背面，晾置5-15min后，将生瓷片置于定位工装上进行层压。
6.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S4中，层压的压力为1-4Kg/cm2，时间为0.5-3min。
7.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S5中，在热切过程中在生瓷坯体的腔体中设置橡胶材质的芯腔填充物。
8.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S5中，烧结温度为1575-1585℃，时间为6-8h。
9.如权利要求1所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法，其特征在于：步骤S5中，所述全陶瓷绝缘子结构为氧化铝陶瓷，氧化铝含量为90-96％。
10.一种全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳，其特征在于，由权利要求1至9任一项所述的全陶瓷结构TOSA/ROSA外壳的制备方法制得。
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