CN113594101A - 一种金属封装外壳及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属封装外壳及其制作方法，包括金属外壳本体，所述金属外壳本体底部平面上阵列式设置有若干通孔，所述通孔内设置有铜柱，所述金属外壳本体内部设置铜柱的底面上设置有LTCC基板电路，所述金属外壳本体的材料为钛合金，所述铜柱的材料为无氧铜，所述通孔为阵列式排布，阵列式排布的通孔所占区域的面积大于LTCC基板电路的面积。本发明通过采用TC4钛合金外壳本体上阵列式镶嵌高热导率无氧铜材料铜柱的结构使得本发明的钛合金封装外壳热膨胀系数与内部电路的匹配，可靠性高，且密度低、重量轻、成本低；本发明的制备方法的钎焊参数设置使得钎焊时铜柱与钛合金金属外壳本体的通孔之间焊缝强度高。

Description

一种金属封装外壳及其制作方法

技术领域

本发明涉及大功率高密度T/R组件封装技术领域，具体是一种金属封装外壳及其制作方法。

背景技术

随着T/R组件朝着高密度、大功率方向发展，内部元器件数量、组装密度、芯片功率都大幅度提高，导致电路发热量提高、工作温度上升，而稳定性下降。在T/R组件中，随着温度升高，失效的可能性加大，因此T/R组件对金属封装外壳的散热能力有较高的要求。T/R组件内部组装的电路要求外壳热膨胀系数应与之匹配。另外，应用于航空航天领域的发射/接收组件，对器件重量有严格要求。传统金属外壳很难完全满足以上提出的种种要求。

在现有技术中，应用于航空航天领域的T/R组件的封装外壳有可伐外壳和铝硅复合材料外壳、钛合金嵌铝碳化硅热沉复合外壳三种。

传统可伐外壳采用的可伐合金热膨胀系数适中(5.8×10^-6/℃)，价格廉价，但热导率只有17W/(m·K)，不能满足现代大功率集成电路的散热要求，且可伐合金的密度偏高(密度为8.2g/cm³)，不能满足航空航天领域其对重量的要求。由于具有密度轻、热导率高的优点，铝硅复合材料外壳近几年应用越来越广泛。但也存在热膨胀系数过大(12×10^-6/℃)，与内部LTCC基板电路不匹配等问题(LTCC的热膨胀系数为7.1×10^-6/℃)，随着温度的变化由于热膨胀系数差异导致其无法同胀同缩，内部LTCC基板电路时有开裂失效

近年来，通过在钛合金金属外壳本体中局部镶嵌铝碳化硅热沉板(170W/(m·K的热导率)的方式为本发明最相近似的实现方案。该一定程度满足了T/R组件的散热要求，同时兼顾了金属外壳低密度轻质的发展方向。但是，在该技术方案中，钛合金金属外壳本体及铝碳化硅热沉板需预先镀覆镍、金处理，再采用金锡共晶钎焊的方式将两者连接到一起。一方面，铝碳化硅热沉板材料制备复杂，同时金锡共晶钎焊采用的是Au80％，Sn20％的焊料(熔点280℃)，焊料价格昂贵，致使金属外壳的制造成本高昂。同时由于Au80％，Sn20％的焊料的引入，导致该类型金属封装外壳的后续使用温度一般不能超过380℃。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属封装外壳及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属封装外壳，包括：金属外壳本体，所述金属外壳本体底部平面上阵列式设置有若干通孔，所述通孔内设置有铜柱，所述金属外壳本体内部设置铜柱的底面上设置有LTCC基板电路，所述金属外壳本体的材料为钛合金，所述铜柱的材料为无氧铜，所述通孔为阵列式排布，阵列式排布的通孔所占区域的面积大于LTCC基板电路的面积。

作为本发明进一步的方案：为了保证散热效果和金属外壳本体的可靠性、坚固性以及LTCC基板电路与钛合金、无氧铜的热膨胀系数之间的平衡，设置所述通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍。

作为本发明进一步的方案：所述金属外壳本体的材料为TC4钛合金。

一种如上述所述的金属封装外壳的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过机械加工制得TC4钛合金材料的无盖矩形槽，在无盖矩形槽底部开设若干通孔，所述通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍，对开设好通孔的无盖矩形槽进行镀镍处理，镀镍层的厚度为5～15μm，制得金属外壳本体；

S2：机械加工制得比通孔的直径小0.03～0.10mm的铜柱，铜柱为无氧铜材料；

S3：在氮氢混合气体的保护气氛下，将铜柱钎焊在金属外壳本体的通孔内，钎焊焊料采用银铜共晶焊料，钎焊温度在800～850度，保温2～10分钟，制得钛合金封装外壳；

S3：将LTCC基板电路安装在金属外壳本体内部设置铜柱的底面上。

作为本发明进一步的方案：该百分比下，焊料流动性、稳定性较好，且成本低，所述S3步骤中的银铜共晶焊料，质量百分比为Ag72％、Cu28％。

作为本发明进一步的方案：所述S1步骤中的TC4钛合金材料的密度为4.5g/cm³，热导率15.2W/(m·K)，热膨胀系数8.5×10^-6/℃。

作为本发明进一步的方案：所述S2步骤中的无氧铜材料的密度为8.9g/cm³，热膨胀系数17×10^-6/℃,热导率390W/(m·K)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过采用钛合金外壳本体上阵列式镶嵌高热导率无氧铜材料铜柱的结构，LTCC基板电路直接安装在钛合金和无氧铜的镶嵌板上面。封装外壳内部的LTCC基板电路的热膨胀系数与钛合金本体匹配，由于钛合金的强度高，抗拉强度高达895MPa，而无氧铜的材质软(抗拉强度仅196MPa)。由于高强度的TC4钛合金抑制住无氧铜柱的热膨胀，在增强外壳整体散热的同时避免是无氧铜材料与LTCC基板材料热失配带来的开裂变形失效风险；TC4钛合金作为LTCC基板机械支撑的承载体，无氧铜柱作为金属封装外壳内部与外部的高效快速的散热通道，将外壳内部电路产生的热量通过此通道及时将热量传递出去，避免了外壳内部元器件因工作环境温度过高而失效，满足了T/R组件对金属外壳的散热需求；相对于纯钛合金金属外壳本体，本发明的TC4钛合金金属外壳本体组合无氧铜铜柱的热导率提升4倍以上；通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍，此尺寸以及阵列使得钛合金金属外壳在满足高散热的前提下，保证了金属外壳与铜柱之间的可靠性、平面度，通过材料、结构的设置使得本发明的钛合金封装外壳热膨胀系数与内部电路的匹配，可靠性高，且密度低、重量轻、成本低。

本发明的制备方法采用钎焊的方式将散热铜柱嵌入到钛合金本体的底部，采用银铜共晶焊料，焊料价格低，减少产品的生产成本；铜柱与通孔钎焊时在氮氢混合气体的保护气氛下，钎焊温度在800～850度，保温2～10分钟，使得钎焊时铜柱与钛合金金属外壳本体的通孔之间焊缝强度高。

附图说明

图1为钛合金封装外壳的剖面结构图；

图2为金属外壳本体的俯视图。

图中：1-金属外壳本体、11-通孔、2-铜柱、3-LTCC基板电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、2，本发明实施例中，一种金属封装外壳，包括金属外壳本体1，所述金属外壳本体底部平面上阵列式设置有若干通孔11，所述通孔内设置有铜柱2，所述金属外壳本体内部设置铜柱的底面上设置有LTCC基板电路3，所述金属外壳本体的材料为钛合金，所述铜柱的材料为无氧铜，所述通孔11为阵列式排布，阵列式排布的通孔所占区域的面积大于LTCC基板电路的面积。

具体的，所述金属外壳本体1为无盖矩形槽，所述金属外壳本体1的材料为TC4钛合金，即Ti-6Al-4V材料，TC4钛合金材料与LTCC基板电路3的热膨胀系数相匹配，由于且由于TC4钛合金的高强度，能够抑制住无氧铜的热膨胀，在增强外壳整体散热的同时避免是无氧铜材料与LTCC基板材料热失配带来的失效风险；所述金属外壳本体上设置通孔11，所述通孔为阵列式排布，所述通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍，所述通孔每排设置有m个、每列设置有n个，m、n为正整数，阵列式排布的孔的总区域要大于LTCC基板电路面积，LTCC基板电路面积在60mm*50mm以内，通孔的尺寸间隙以及通孔的数量在此范围内能最好的保持封装外壳的散热能力和金属外壳本体的坚固性、底板平面度。

具体的，所述铜柱2设置在所述通孔11内，所述铜柱为无氧铜，无氧铜能将外壳内部电路产生的热量通过此通道及时将热量传递出去，避免了外壳内部元器件因工作环境温度过高而失效，满足了T/R组件对金属外壳的散热需求，所述铜柱的直径比所述通孔小0.03～0.10mm。

具体的所述LTCC基板电路3为低温共烧陶瓷作为基板集成的电路，所述LTCC基板电路3设置在所述金属外壳本体内部设置铜柱的表面，所述LTCC基板电路面积在60mm*50mm以内。

选取本发明不同的通孔尺寸、间距、排列数与对比例1进行散热性能和钛合金和无氧铜的复合镶嵌板平面度，得到下表1结果。对比例1为钛合金金属外壳本体中局部镶嵌一整块40×30mm的无氧铜板；对比例2与实施例1的通孔尺寸、间距、每排每列个数一致，区别在于对比例2通孔中填充的柱子为铝碳化硅材料；对比例3、4与实施例1材料一致、阵列一致，但通孔尺寸、通孔间距与本发明不一致。

表1

实施例1-3采用本发明的材料和阵列式结构，对比例1采用整块无氧铜板，对比例2采用碳化硅柱，对比例3、4与本发明通孔尺寸、通孔间距不一致，从表1可以看出，本发明在散热性能和底板平面度上都能达到较好的效果，且本发明的底板平面度能够控制在0.05mm以内，满足后续贴装LTCC基板电路的要求，对比例中的底板平面度较差，影响LTCC基板电路安装稳定性。

一种如上述所述的钛合金封装外壳的制作方法，包括以下步骤：

S1：通过机械加工制得TC4钛合金材料的无盖矩形槽，TC4钛合金材料密度为4.5g/cm³，热导率15.2W/(m·K)，热膨胀系数8.5×10^-6/℃，在无盖矩形槽底部开设若干通孔，所述通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍，对开设好通孔的无盖矩形槽进行镀镍处理，镀镍层的厚度为5～15μm，制得金属外壳本体；

S2：机械加工制得比通孔的直径小0.03～0.10mm的铜柱，铜柱为无氧铜材料，无氧铜材料的密度为8.9g/cm³，热膨胀系数17×10^-6/℃,热导率390W/(m·K)；

S3：在氮氢混合气体的保护气氛下，将铜柱钎焊在金属外壳本体的通孔内，钎焊焊料采用银铜共晶焊料，银铜共晶焊料中质量百分比为Ag72％、Cu28％，钎焊温度在800-850度，保温2～10分钟，制得钛合金封装外壳；

S3：将LTCC基板电路安装在金属外壳本体内部设置铜柱的底面上。

选取本发明制作方法中的不同参数制作的钛合金封装外壳作为实施例与对比例进行国家标准GB/T 11363-2008钎焊焊缝强度试验方法测试钎焊焊缝强度，测试结果见表2。

表2

实施例4-8采用本发明提供的方法，对比例5、6与本发明制作方法的钎焊温度或保温方法不同，从表中可以看出实施例的焊缝强度要大于对比例，表明在使用本发明所选材料时，本发明制作方法的焊缝处承载强度更高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种金属封装外壳，其特征在于，包括：金属外壳本体(1)，所述金属外壳本体底部平面上阵列式设置有若干通孔(11)，所述通孔内设置有铜柱(2)，所述金属外壳本体内部设置铜柱的底面上设置有LTCC基板电路(3)，所述金属外壳本体的材料为钛合金，所述铜柱的材料为无氧铜，所述通孔(11)为阵列式排布，阵列式排布的通孔所占区域的面积大于LTCC基板电路的面积。

2.根据权利要求1所述的一种金属封装外壳，其特征在于，所述金属外壳本体的材料为TC4钛合金。

3.根据权利要求1所述的一种金属封装外壳，其特征在于，所述通孔(11)的直径D为1mm～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种金属封装外壳，其特征在于，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍。

5.一种如权利要求1-4所述的金属封装外壳的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过机械加工制得TC4钛合金材料的无盖矩形槽，在无盖矩形槽底部开设若干通孔，所述通孔的直径D为1mm～5mm，所述通孔间间距H为通孔直径的2～4倍，对开设好通孔的无盖矩形槽进行镀镍处理，镀镍层的厚度为5～15μm，制得金属外壳本体；

S2：机械加工制得比通孔的直径小0.03～0.10mm的铜柱，铜柱为无氧铜材料；

S3：在氮氢混合气体的保护气氛下，将铜柱钎焊在金属外壳本体的通孔内，钎焊焊料采用银铜共晶焊料，钎焊温度在800～850度，保温2～10分钟，制得钛合金封装外壳；

S3：将LTCC基板电路安装在金属外壳本体内部设置铜柱的底面上。

6.根据权利要求5所述的一种钛合金封装外壳及其制作方法，其特征在于，所述S3步骤中的银铜共晶焊料，质量百分比为Ag72％、Cu28％。

7.根据权利要求5所述的一种钛合金封装外壳及其制作方法，其特征在于，所述S1步骤中的TC4钛合金材料的密度为4.5g/cm³，热导率15.2W/(m·K)，热膨胀系数8.5×10^-6/℃。

8.根据权利要求5所述的一种钛合金封装外壳及其制作方法，其特征在于，所述S2步骤中的无氧铜材料的密度为8.9g/cm³，热膨胀系数17×10^-6/℃,热导率390W/(m·K)。

9.根据权利要求5所述的一种钛合金封装外壳及其制作方法，其特征在于，所述S3步骤中的LTCC基板电路的低温共烧氧化铝体系材料的密度为2.45g/cm³，热膨胀系数7.1×10^-6/℃。

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