CN113941766A - 一种陶瓷封装外壳及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子元器件外壳生产封装领域，具体涉及一种陶瓷封装外壳及其制备方法。该方法步骤为：S1.将可伐合金材料与无氧铜通过爆炸焊焊接在一起，形成低应力复合材料；S2.通过机加工方法将低应力复合材料加工出需要的尺寸，形成复合环框；S3.采用钎焊方法将陶瓷基板和复合环框中无氧铜一面连接，即得到所需的陶瓷封装外壳。无氧铜和可伐合金首先采用爆炸焊方式连接，形成低应力复合材料，再与陶瓷基板钎焊，可以极大降低陶瓷基板碎裂风险，同时无氧铜提高了传统可伐合金环框与陶瓷基板间的连接力，使得制备的陶瓷封装外壳更加安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件外壳生产封装领域，具体地说是涉及一种利用无氧铜提高应力的陶瓷封装外壳及其制备方法。
背景技术
陶瓷基板是微电路模块中的基板材料，以其优良的的导热和气密性，广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。然而在加热的过程中，陶瓷基板的热膨胀系数与金属材料差异很大，比如可伐合金，因此温度变化导致陶瓷基板产生过高的热应力，从而造成陶瓷基板的断裂，其结构如说明书附图图1所示。
研究表明，当温度变化时，陶瓷基板与金属材料二者收缩或者膨胀变形相互制约，这种制约的热变形不仅在结构平面方向(即X和Y方向)产生的热应力，更重要的是由于几何尺寸和材料力学性不同导致二者刚度差异，使结构每个纵向截面上的应变和应力的大小、方向不同，因此产生了附加弯矩。陶瓷基板应力是加热时材料热膨胀差异产生的热应力和附加弯矩导致的弯曲应力叠加后共同作用的结果，导致陶瓷出现断裂，可靠性降低，从而制约了陶瓷基板材料在陶瓷封装外壳领域的应用发展。
专利CN102350554A公开了一种陶瓷与可伐合金的密封钎焊方法，其公开了利用无氧铜做中间过渡零件的钎焊技术。但是一方面该技术在使用中需要对陶瓷做预先处理，另一方面，钎焊产生的热应力对陶瓷的影响仅靠无氧铜无法抵消，焊接或使用过程中仍然存在陶瓷断裂的风险，安全性有待进一步提升。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的之一在于提供一种利用无氧铜提高应力的陶瓷封装外壳及其制备方法。
本发明采用的技术方案为：一种利用无氧铜提高应力的陶瓷封装外壳的制备方法，所述陶瓷封装外壳包括陶瓷基板和设置在陶瓷基板上的环框，所述环框为可伐合金环框，包括如下步骤：
S1.将可伐合金材料与无氧铜通过爆炸焊焊接在一起，形成低应力复合材料；
S2.通过机加工方法将S1中低应力复合材料加工出需要的尺寸，形成复合环框；
S3.采用钎焊方法将陶瓷基板和复合环框中无氧铜一面连接，即得到所需的陶瓷封装外壳。
优选的，所述可伐合金为4J29可伐合金，该可伐合金的按重量百分比组成为：28.5％-29.5％Ni，16.8％-17.8％Co，低于0.05％Mn，低于0.03％C，低于0.03％Si，低于0.02％P，低于0.02％S，低于0.02Cr，低于0.02％Mo，低于0.02％Cu，余量为Fe；其中，C、Mn、Si的含量均不为0。
优选的，所述陶瓷基板为氧化铝陶瓷基板或氮化铝陶瓷基板。
优选的，所述氧化铝陶瓷基板中氧化铝质量含量≥92％，所述氮化铝陶瓷基板中氮化铝质量含量≥95％；
陶瓷基板也可以是满足上述氧化铝、氮化铝要求的其他改良陶瓷基板。
优选的，所述爆炸焊使用的炸药设置在无氧铜背离可伐合金连接面的一侧，炸药厚度设置在26-28mm之间，所述爆炸焊的炸药爆速设置在2000-2500m/s之间。任何符合上述爆速规定的爆炸焊炸药均可使用，本发明不对炸药成分做特殊限定。
优选的，可伐合金材料与无氧铜的连接面之间的爆炸前距离设置为4-6mm。
本发明的目的之二在于提供一种利用上述制备方法制备的陶瓷封装外壳，包括陶瓷基板和设置在陶瓷基板上的复合环框，所述复合环框包括依次设置在陶瓷基板上的无氧铜层和可伐合金层。
优选的，所述陶瓷封装外壳尺寸为长10.2mm×宽7.5mm×高2.5mm，其中陶瓷基板高度1.0mm；无氧铜层高度0.4-1.0mm，且所述无氧铜层和可伐合金层高度为1.5mm。
本发明的有益效果在于：
1)爆炸焊是指利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法，目前主要应用于强耐蚀、高温、高压、导电等特殊环境下使用的大型技装备上。由于爆炸焊对于焊接材料的自身特性有较高要求，对于破断冲击吸收功小或者整体制备较薄的材料，由于易发生脆裂，焊接中不会首先考虑使用爆炸焊。并且，爆炸焊中基板较复板的厚度越厚，复合效果越好，基于这一原因，爆炸焊也难以应用在微尺寸的电子元器件生产中。本发明创造性地将爆炸焊应用到电子元器件外壳生产封装领域，通过选择的材料以及使用的爆速等的配合，克服了传统爆炸焊对于基板即可伐合金、复板即无氧铜间尺寸的限制，能够实现安全快速的爆炸焊接。爆炸焊接方法生产的金属复合材料，兼备了复层的强耐蚀性、高耐磨性、导电性和基层材料的优异力学性能。
2)将通过爆炸焊复合可伐合金的无氧铜形成低应力复合材料，低应力复合材料与陶瓷基板钎焊复合，能够克服传统钎焊过程产生的热应力仅靠无氧铜无法抵消的难点，进一步降低无氧铜与陶瓷基板的复合难度，降低陶瓷基板在钎焊中的碎裂风险，使无氧铜与陶瓷基板更易结合，既推广了陶瓷基板的应用，也提高了陶瓷产品的可靠性。
3)低应力复合材料与陶瓷基板钎焊，无氧铜可以提高可伐合金环框与陶瓷基板间的连接力，使得制备的陶瓷封装外壳更加安全可靠。试验证明，本发明提供的陶瓷封装外壳产品可以通过GJB548B-2005中规定的标准温度循环100次条件-65℃～175℃验证。
4)本发明能够有效地提高陶瓷封装外壳的可靠性，解决在钎焊后中期陶瓷出现裂纹、崩边等问题，极大地推广了陶瓷材料在封装外壳的应用。通过本发明的实施，可以实现陶瓷封装外壳的高可靠性应用。
附图说明
图1为现有技术中陶瓷基板的结构侧视示意图；
图2为本发明陶瓷封装外壳的结构侧视示意图；
图3为图2的俯视图。
图中标注符号的含义如下：
10-陶瓷封装外壳11-陶瓷基板
20-复合环框21-无氧铜层22-可伐合金层
30-可伐合金环框
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行说明，以便于本领域的技术人员理解。
实施例1
如图2、3所示，一种陶瓷封装外壳10，包括陶瓷基板11和设置在陶瓷基板11上的复合环框20，该复合环框20由依次设置在陶瓷基板11上的无氧铜层21和可伐合金层22组成。
其中，可伐合金层按重量百分比的具体成分为：28.5％-29.5％Ni，16.8％-17.8％Co，低于0.05％Mn，低于0.03％C，低于0.03％Si，低于0.02％P，低于0.02％S，低于0.02Cr，低于0.02％Mo，低于0.02％Cu，余量为Fe且C、Mn、Si的含量均不为0。
陶瓷基板11选用氧化铝质量含量≥92％的氧化铝陶瓷基板或氮化铝质量含量≥95％的氮化铝陶瓷基板。
该陶瓷封装外壳10尺寸为长10.2mm×宽7.5mm×高2.5mm，其中陶瓷基板11高度1.0mm；复合环框20高度为1.5mm，且无氧铜层21高度0.4-1.0mm。
上述陶瓷封装外壳10的制备方法为：
S1.将可伐合金材料与无氧铜通过爆炸焊焊接在一起，形成低应力复合材料；
S2.通过机加工方法将S1低应力复合材料加工出需要的尺寸，形成复合环框20；
S3.采用钎焊方法将陶瓷基板和复合环框20中无氧铜一面连接，即得到本发明提供的陶瓷封装外壳10。
爆炸的参数主要是指单位面积炸药量、两个焊接金属板爆炸前的间距以及爆炸的速度。本实施例中，实现可伐合金材料与无氧铜焊接的参数设置如下：爆炸焊使用的炸药设置在无氧铜背离可伐合金连接面的一侧，炸药厚度设置在26-28mm之间，可伐合金和无氧铜焊接接合面间设置4-6mm间隔距离，爆速在2000-2500m/s。
爆炸焊的具体操作方法为：S11.根据所需产品和工艺要求准备所需尺寸的陶瓷基板和无氧铜以及可伐合金材料；S12.清洗待焊接无氧铜和可伐合金，使用手工、机械、化学或电化学的方法对无氧铜和可伐合金的待焊结合面进行清洁、净化；S13.安装，根据需求将可伐合金和无氧铜设置在爆炸场中，可伐合金和无氧铜焊接接合面间设置4-6mm间隔距离并根据需求设置炸药用量保证爆速；炸药选择满足爆速需求的爆炸焊炸药即可，本发明对此不做特殊限定；S14.引爆炸药，可使用起爆器通过雷管引爆炸药，将可伐合金和无氧铜焊接。
实施例2
以使用本发明方法制备的陶瓷封装外壳和不使用无氧铜的陶瓷封装外壳分别为试验组1和试验组2进行可靠性试验，试验样品的大小尺寸一致，且试验前外观和密封性能均合格。
可靠性试验包括热冲击和温度循环两项，其中热冲击试验参考《GJB548B-2005国家军用行业标准微电子器件试验方法和程序》中方法1011.1条件B(至少15次，-55℃-+125℃)实施，温度循环试验参考《GJB 548B-2005国家军用行业标准微电子器件试验方法和程序》中方法1010.1条件F(100次，-65℃-+175℃)实施。两实施组的试验顺序均为先做热冲击试验确认外观及气密封性，然后再进行温度循环试验复测外观及气密封性，具体试验方法以及结果如下表1所示。
表1可靠性试验方法及结果
表1中，10(0)代表10只产品经试验后0只产品失效，其余同理。由表1可以看出，对于同等结构而言，试验1即本发明制备的使用低应力复合材料制备的陶瓷封装外壳，其外观及密封性能较普通的陶瓷封装产品更优，经过多次热冲击试验和温度循环试验后，外观及密封性均能合格，合格率为100％。而试验2即普通陶瓷封装产品在试验后较多出现气密性问题，不合格率达到60％，表明本申请制备的陶瓷封装外壳性能更高，安全性显著提高。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种陶瓷封装外壳的制备方法，所述陶瓷封装外壳(10)包括陶瓷基板(11)和设置在陶瓷基板(11)上的环框，所述环框为可伐合金环框(30)，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将可伐合金材料与无氧铜通过爆炸焊焊接在一起，形成低应力复合材料；
S2.通过机加工方法将S1中低应力复合材料加工出需要的尺寸，形成复合环框(20)；
S3.采用钎焊方法将陶瓷基板(11)和复合环框(20)中无氧铜一面连接，即得到所需的陶瓷封装外壳(10)。
2.如权利要求1所述的一种陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，所述可伐合金为4J29可伐合金。
3.如权利要求1所述的一种陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基板(11)使用氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
4.如权利要求3所述的一种陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，所述氧化铝陶瓷中氧化铝质量含量≥92％，所述氮化铝陶瓷中氮化铝质量含量≥95％。
5.如权利要求1所述的一种陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，所述爆炸焊使用的炸药设置在无氧铜背离可伐合金连接面的一侧，炸药厚度设置在26-28mm之间，所述爆炸焊的炸药爆速设置在2000-2500m/s之间。
6.如权利要求5所述的一种陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，可伐合金材料与无氧铜的连接面之间的爆炸前距离设置为4-6mm。
7.一种根据权利要求1所述方法制备的陶瓷封装外壳，其特征在于，包括陶瓷基板(11)和设置在陶瓷基板(11)上的复合环框(20)，所述复合环框(20)包括依次设置在陶瓷基板(11)上的无氧铜层(21)和可伐合金层(22)。
8.如权利要求7所述的陶瓷封装外壳，其特征在于，所述陶瓷封装外壳(10)尺寸为长10.2mm×宽7.5mm×高2.5mm，其中陶瓷基板(11)高度1.0mm；无氧铜层(21)高度0.4-1.0mm。
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