CN114423271A - 一种气密性电子封装金锡封帽方法 - Google Patents

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王亚松
杨帆
许红祥
周慧敏
刘超
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Abstract

本发明提出一种气密性电子封装金锡封帽方法,包括如下步骤:A、装配;B、限位;C、施压;D、封帽;E、检验。本发明的优点在于:能够高效、方便的实现气密性电子封装的金锡封帽,工艺简单、质量可靠、一致性高,管帽与管壳之间的封装界面耐高温、气密性优,可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片组件及微波组件等电子封装产品的高可靠性研制需求。

Description

一种气密性电子封装金锡封帽方法
技术领域
本发明涉及电子封装领域,具体涉及一种气密性电子封装金锡封帽方法。
背景技术
气密性电子封装是指采用不透气及材料制成的盒体将电子器件与周围的环境隔离开,通过消除密封过程中来自封装腔体的水汽并阻止工作寿命期间环境中潮气的侵入,使产品获得良好的长期可靠性。
封帽指电子器件组装到管壳内并完成电连接后,采用管帽将管壳密封起来。常用的气密性电子封装封帽工艺有:钎焊、平行缝焊和激光封焊。平行缝焊对管壳设计、封装材料要求严格,并且在焊接过程中对管壳有损伤,焊缝质量差。激光封焊对封装尺寸、材料、封帽环境要求严格,气密性一次达标率低。钎焊适用范围广,对管壳设计、封装材料、封装尺寸无特殊要求,焊接质量可控。比如,在文献“半导体陶瓷外壳封帽的焊接方法”中,作者采用平行缝焊和钎焊结合的方式完成封装;在文献“一种黑瓷低温玻璃外壳气密性封帽的方法”中,作者发明了一种黑瓷低温玻璃外壳气密性封帽的方法;在文献“一种采用AuSn合金焊料封盖的陶瓷外壳平行缝焊工艺研究”中,作者采用金锡焊接和平行缝焊的方法对陶瓷管壳金锡气密性封装;在文献“采用金锡合金的气密性封装工艺研究”,作者采用金锡焊接方式进行封装;在文献“耐高过载LTCC一体化LCC封装的研制”中,作者采用平行缝焊的方式对LCC封装器件进行封装。
电子封装的钎焊封帽技术常用的焊料有铅锡基、锡银基、金锡等焊料。在铅锡基、锡银基在封帽过程中,为了保证焊料的浸润性,需要加入助焊剂,而助焊剂的存在常常会导致焊接界面内空洞的产生,影响气密性,并且助焊剂为酸性物质,在产品的服役过程中造成封装内电子器件失效,导致产品失效;另外铅锡基、锡银基焊料的熔点通常不超过220℃,在产品的使用过程中的表面贴装工艺温度窗口较小,大幅度提高了客户的使用难度。现有的钎焊封帽技术难以保证封装的气密性,限制了产品后续应用过程中的工艺窗口,因此开发一种气密性电子封装金锡封帽方法,在电子工业中的电子封装领域具有重要的应用价值及理论指导意义。
发明内容
为解决现有技术中气密性不良、组装工艺窗口窄的问题,本发明提出了一种气密性电子封装金锡封帽方法,包括如下步骤:
A、装配:在管壳上的焊环处放置金锡焊片,将管帽放置于金锡焊片上,管壳、金锡焊片与管帽组成电子封装模块;
B、限位:将电子封装模块放入石墨限位工装,使得管壳与管帽对位准确;
C、施压:对管帽与管壳之间施加50~100g/cm2的压力;
D、封帽:将被施压限位的电子封装模块放置于封帽环境中,并对封帽环境抽真空至5~50mbar,充入氮气保护,氧气含量<1000ppm,以升温速率为20~30℃/min升温,将电子封装模块加热至270~290℃,然后在270~290℃的环境中保温60~120s,接着在最高温为300~320℃条件下进行封帽,封帽时间30~60s,最后在氮气环境中快速冷却至室温,冷却后取出,撤去施加在管帽与管壳之间的压力,并将其从石墨限位工装中取出;
E、检验:检验焊接区域的空洞率和电子封装的气密性。
通过上述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,能够高效、方便的实现气密性电子封装的金锡封帽,工艺简单、质量可靠、一致性高,管帽与管壳之间的封装界面耐高温、气密性优,可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片组件及微波组件等电子封装产品的高可靠性研制需求,大大提升了产品质量和研制效率。
优选的,步骤A中,安装金锡焊片前,用无水乙醇或者溴代正丙烷清洗管壳、管帽,随后将管壳、管帽用氮气吹干,清洗可去除其表面的油污、指纹、灰尘等,使后续连接更可靠、效果更好。
优选的,步骤A中,安装金锡焊片前,管壳、管帽的焊环处镀金或者镀银,金、银导电、可焊性较好,确保管壳与管帽之间连接可靠。
优选的,步骤A中,安装金锡焊片前,在密闭环境中采用甲酸对管壳、管帽上的镀层进行还原处理,加热温度150℃,该步骤可有效去除镀层上的氧化物,提高镀层的可焊性,确保焊接区域致密连接。
优选的,步骤B中,将电子封装模块倒置放入石墨限位工装,即管壳在上、管帽在下放置,确保焊锡不会污染电子器件。
优选的,步骤B中,限位工装采用石墨材质,相比于金属和高分子材质的工装,石墨工装既能保证限位精度,也不影响热传导效率。
优选的,步骤B中,石墨限位工装采用限位杆,方便安装,同时对若干个电子封装模块进行限位。
优选的,步骤C中,通过顶针、聚四氟乙烯压头、石墨限位工装对管帽与管壳之间施加压力;
将电子封装模块置于石墨限位工装上,聚四氟乙烯压头压在管壳的上表面,并用顶针对聚四氟乙烯压头施力,对管帽与管壳之间施加压力,可确保二者之间的相对固定,在后续封帽时,可确保二者之间可靠连接。
优选的,所述石墨限位工装上设置有竖直的立杆,立杆的顶部横向设置有横杆,横杆位于顶针上方;
所述顶针内置弹簧,弹簧的下端加装了聚四氟乙烯材质的压头,弹簧安装在横杆上,采用弹簧对裸芯片施力,结构、原理较为简单,压力大小均匀、连续。
优选的,步骤D中,封帽在真空焊接设备中进行,可确保焊环处的致密性。
本发明的有益效果在于:
A.通过上述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,能够高效、方便的实现气密性电子封装的金锡封帽,工艺简单、质量可靠、一致性高,管帽与管壳之间的封装界面耐高温、气密性优,可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片组件及微波组件等电子封装产品的高可靠性研制需求,提升产品质量和研制效率。
B.管壳、管帽的清洗可去除其表面的油污、指纹、灰尘等,使封帽更可靠、效果更好。
C.金、银导电性较好,确保管壳与管帽之间连接可靠。
D.在密闭环境中采用甲酸对管壳、管帽上的镀层进行还原处理,有效去除镀层上的氧化物,提高镀层的可焊性,确保焊接区域致密连接。
E.将电子封装模块倒置放入限位工装,即管壳在上、管帽下上放置,确保焊锡不会污染电子器件。
F.对管壳与管帽之间施加压力,可实现二者之间的相对固定,在封帽时,可确保二者之间可靠连接。
G.采用弹簧对管壳施力,结构、原理较为简单,压力大小均匀、连续。
H.在真空焊接设备中进行封帽,焊环处致密性较好。
附图说明
图1是本发明实施例中电子封装模块示意图;
图2是本发明实施例中电子封装模块限位示意图;
图3是本发明实施例中电子封装模块固定示意图。
其中,电子封装模块-1,顶针-2、聚四氟乙烯压头-3、石墨限位工装-4、管壳-11、管帽-12、金锡焊片-13,弹簧-21,立杆-41、横杆-42、限位杆-43。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细地描述。
一种气密性电子封装金锡封帽方法,包括如下步骤:
A、装配:用无水乙醇或者溴代正丙烷清洗管壳11、管帽12,取出后用氮气管壳11、管帽12吹干;
管壳11、管帽12的焊环处镀金或者银;
如图1所示,在管壳11上的焊环处放置金锡焊片13,将管帽12放置于金锡焊片13上,管壳11、管帽12、金锡焊片13组成电子封装模块1,管壳11、管帽12、金锡焊片13均为市场成熟产品;
B、限位:将电子封装模块1倒置后放入石墨限位工装4,放入限位杆43进行限位,如图2,使得管壳11与管帽12对位准确;
C、施压:对管帽12与管壳11之间施加12.5g的压力(管壳下表面面积0.25cm2),如图3所示,通过顶针2、聚四氟乙烯压头3、石墨限位工装4对管帽12与管壳11之间施加压力;
如图3所示,将电子封装模块1的管帽12顶面置于石墨限位工装4上,然后将聚四氟乙烯压头3压在管壳11的下表面,聚四氟乙烯压头3的下表面与管壳11的下表面形状一致,每边边缘向内缩小0.1mm;
D、封帽:将被施压限位的电子封装模块1放置于真空焊接设备中,并对封帽环境抽真空至10mbar,充入氮气保护,氧气含量<1000ppm,以升温速率为20℃/min升温,将电子封装模块1加热至270℃,然后在270℃的环境中保温120s,接着在最高温为300℃条件下进行封帽,封帽时间30s,最后在氮气环境中快速冷却至室温,冷却后取出,撤去施加在管帽12与管壳11之间的压力,并将其从石墨限位工装4中取出;
E、检验:检验焊接区域的空洞率和电子封装模块1的气密性。
工作原理:
通过上述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,能够高效、方便的实现气密性电子封装的金锡封帽,工艺简单、质量可靠、一致性高,管帽12与管壳11之间的封装界面耐高温、气密性优,可满足军用电子产品中单片电路、混合电路、多芯片组件及微波组件等电子封装模块1的高可靠性研制需求,大大提升了产品质量和研制效率。
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、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:
A、装配:在管壳(11)上的焊环处放置金锡焊片(13),将管帽(12)放置于金锡焊片(13)上,管壳(11)、金锡焊片(13)与管帽(12)组成电子封装模块(1);
B、限位:将电子封装模块(1)放入石墨限位工装(4),使得管壳(11)与管帽(12)对位准确;
C、施压:对管帽(12)与管壳(11)之间施加50~100g/cm2的压力;
D、封帽:将被施压限位的电子封装模块(1)放置于封帽环境中,并对封帽环境抽真空至5~50mbar,充入氮气保护,氧气含量<1000ppm,以升温速率为20~30℃/min升温,将电子封装模块(1)加热至270~290℃,然后在270~290℃的环境中保温60~120s,接着在最高温为300~320℃条件下进行封帽,封帽时间30~60s,最后在氮气环境中快速冷却至室温,冷却后取出,撤去施加在管帽(12)与管壳(11)之间的压力,并将其从石墨限位工装(4)中取出;
E、检验:检验焊接区域的空洞率和电子封装模块(1)的气密性。
2.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤A中,安装金锡焊片(13)前,用无水乙醇或者溴代正丙烷清洗管壳(11)、管帽(12),随后将管壳(11)、管帽(12)用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤A中,安装金锡焊片(13)前,管壳(11)、管帽(12)的焊环处镀金或者镀银。
4.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤A中,安装金锡焊片(13)前,在密闭环境中采用甲酸对管壳(11)、管帽(12)上的镀层进行还原处理,加热温度150℃。
5.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤B中,将电子封装模块(1)倒置放入石墨限位工装(4),即管壳(11)在上、管帽(12)在下放置。
6.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤B中,限位工装采用石墨材质。
7.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤B中,石墨限位工装(4)采用限位杆(41)。
8.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤C中,通过顶针(2)、聚四氟乙烯压头(3)、石墨限位工装(4)对管帽(12)与管壳(11)之间施加压力。
9.根据权利要求8所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:聚四氟乙烯压头(3)压在管壳(11)的上表面,并用顶针(2)对聚四氟乙烯压头(3)施力。
10.根据权利要求8所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述石墨限位工装(4)上设置有竖直的立杆(41),立杆(41)的顶部横向设置有横杆(42),横杆(42)位于顶针(2)上方;所述顶针(2)内置弹簧(21),顶针(2)的下端加装了聚四氟乙烯压头(3),顶针(2)安装在横杆(42)上。
11.根据权利要求1所述的一种气密性电子封装金锡封帽方法,其特征在于:所述步骤D中,封帽在真空焊接设备中进行。
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