CN115547939B - 一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子封装技术领域，尤其是一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳及制备方法。本发明外壳包括过渡环和用于安装器件的陶瓷板，陶瓷板上连接有信号输入引线和信号输出引线，信号输入引线和信号输出引线均与器件信号连接；过渡环上设有平台面和电流引线，器件内的电流依次经过平台面、过渡环和电流引线引出。本发明提供一种实现轻质、小体积、大电流输出、高散热、与芯片匹配可靠的陶瓷一体化外壳。

Description

一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳及制备方法
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，尤其涉及一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳及制备方法。
背景技术
多层氮化铝陶瓷一体化外壳具有重量轻、导热好、强度高、与芯片匹配性好等诸多优点，被广泛应用于高密度、微型化、轻型化、高可靠要求的各种电气电路互联系统中。随着电子元器件不断朝着小型化、轻型化的方向发展，信号控制电路在封装外壳领域中的应用越来越广泛。
然而，由于一体化外壳的多层高温共烧氮化铝陶瓷板的通孔使用钨作为导体材料导通电流（即，引入电流和引出电流），相比金、银基导体，钨的电阻较大，使得通出电流能力受到限制，为了满足一定电流通过，且不产生大的压降，通常的做法是通过增加陶瓷板上的通孔数量以达到增大通孔整体截面积的方式满足通流能力。但是通孔数量的增加，势必会增大陶瓷板的外形尺寸，从而进一步增大了一体化外壳的外形尺寸，因此，无法满足既要求可以流通大电流同时又要求轻质小体积的陶瓷一体化外壳的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，为此，本发明提供一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳及制备方法。本发明具有轻质、小体积、大电流输出、高散热等优点。
为实现上述目的之一，本发明采用以下技术方案：
一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，该外壳包括过渡环和用于安装器件的陶瓷板，陶瓷板上连接有信号输入引线和信号输出引线，信号输入引线和信号输出引线均与器件信号连接；过渡环上设有平台面和电流引线，器件内的电流依次经过平台面、过渡环和电流引线引出。
优选的，平台面通过键合铝丝或焊接导线与器件连接，电流引线的材质为铜。
优选的，过渡环通过封口环与外壳的盖板连接；过渡环的材质为铜基材料。
优选的，封口环、过渡环和陶瓷板由上至下依次设置，过渡环和封口环均呈环状，封口环、过渡环和陶瓷板三者围合成一个敞口的腔体，器件置于腔体的内部；过渡环的壁厚小于封口环的壁厚。
优选的，封口环的材质为铁镍基材料；平台面的形状为半圆形、方形、半椭圆形中的一种。
优选的，陶瓷板由若干氮化铝陶瓷流延片叠放烧结而成，且每片陶瓷流延片的厚度为0.1-0.35mm。
优选的，每层陶瓷流延片上均开设有若干通孔，通孔内填充有导体；每层陶瓷流延片上均布设有导线，且上下层的导线通过导体连接；位于最底层导线的输入端与信号输入引线连接，位于最顶层的导线的输出端分别与信号输出引线和器件连接。
本发明目的之二提供一种轻质小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳的制备方法，包括以下步骤：
S1、经过流延工序制得带有导体和导线的陶瓷板；
S2、通过铣加工制得封口环和带有平台面的过渡环；
S3、将步骤S1和步骤S2中的陶瓷板、过渡环和封口环自下而上置于定位模具内进行定位，同时也对信号输入引线、信号输出引线以及电流引线进行定位；
S4、再加热熔化焊料，使用熔化的焊料将陶瓷板、过渡环和封口环依次连接，信号输入引线和信号输出引线均与陶瓷板连接，电流引线与过渡环连接，待焊料温度降低后焊料凝结，将所有配件连接在一起，制得一体化外壳。
优选的，该一体化外壳的制备使用钎焊炉在保护气氛下完成。
优选的，步骤S4中的焊料为银铜焊料，市面上可买到的银铜焊料均可。
本发明的优点在于：
（1）本发明采用过渡环以及铜作为电流引线制备的陶瓷一体化外壳在基于传统外壳体积的情况下，甚至小于传统外壳体积，可引出50安培以内的电流，同时制备的外壳轻质，满足了轻质小体积功率型外壳的需求，是一种实现轻质、小体积、大电流输出、高散热、与芯片匹配、可靠、密封等诸多优点的陶瓷一体化外壳。
（2）本发明具体采用加工好的含平台面的铜基过渡环与封口环、电流引线、多层氮化铝陶瓷板等，通过模具定位，采用高温钎焊的方式完成外壳制备，焊接使用银铜焊料，在氮氢混合气氛下完成焊接，封口环、过渡环、引线、陶瓷板等均在高温下，使焊料熔化，通过毛细作用浸润材料接口处，温度降低后焊料凝结，将所有配件连接在一起，制得陶瓷一体化外壳，整个操作简便，生产效率高，易于量产。
（3）本发明陶瓷一体化外壳的陶瓷板为多层氮化铝陶瓷板，可以满足功率型器件散热要求，且陶瓷板可根据电路中组装器件的分布灵活布线，为了减小外壳外形尺寸，本发明在过渡环内侧单独加工出一个平台面，通过键合铝丝或焊接导线连接芯片与平台面，将芯片器件内部的大电流引至过渡环处，同时，在过渡环外侧上焊接一个可以通电流的电流引线，进而可以将器件内的电流经电流引线引入到外部电子系统中；除电流引线外，器件内的处理信号以及信号输入引线引入的信号均可以通过氮化铝陶瓷底板上的导体引至信号输出引线，并通过信号输出引线引出，实现器件内外信号互联。
（4）由于壳体在制备过程中需要高温熔化焊料连接，在熔化焊料冷却至室温的过程中，封口环与多层氮化铝陶瓷板之间线膨胀系数差异较大，封口环与多层氮化铝陶瓷板之间容易产生较大的结构应力，这就容易导致陶瓷一体化外壳可靠性降低，严重时会使封口环脱落，因此，本发明在封口环与多层氮化铝陶瓷板之间设置过渡环，且过渡环的壁厚小于封口环的壁厚，进而达到缓解或消除封口环与多层氮化铝陶瓷板之间的结构应力的目的，封口环通过平行缝焊的方式与壳体的盖板连接。
（5）本发明的方法中过渡环作为缓解封口环与多层氮化铝陶瓷板的配件，同时过渡环上的平台面作为器件内部独立键合或焊接使用，通过焊接在过渡环上的电流引线可以输出器件内的大电流；采用本方法制备的外壳具有体积小，散热能力好，信号输入/出、大电流输出较为便捷等优点，信号引线和电流引线的形状可以改变，适合表面贴装回流焊接或穿孔波峰焊接组装。另外，该外壳所有配件均采用银铜焊接，成本低，焊接强度高，无需使用真空等特殊的钎焊工艺，操作简便，生产效率提高，易于量产。
附图说明
图1为本发明结构示意图一。
图2为本发明俯视结构示意图。
图3为本发明主视结构示意图。
图4为本发明仰视结构示意图。
图5为本发明侧面结构示意图。
图6为本发明结构示意图二。
图7为本发明结构示意图三。
图8为传统外壳尺寸示意图（X1为长度，Y1为宽度）。
图9为本发明外壳尺寸示意图（X2为长度，Y2为宽度）。
附图中标记的含义如下：
1-封口环、2-过渡环、3-陶瓷板、4-平台面、5-电流引线、6-信号输入引线、7-信号输出引线。
具体实施方式
如图1-图9所示，一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，该外壳从下至上由陶瓷板3、过渡环2和封口环1组成，过渡环2和封口环1均呈环状，类似于跑道，过渡环2和封口环1依次叠放在陶瓷板3上，进而围合形成一个敞口的腔体状，腔体内部用于放置器件，且过渡环2内壁上设有引入器件内部大电流（可满足50安培以内的电流输出，而传统外壳中单根引线的通流量大约几百毫安，因此，在需要输送较大电流时则需要安装更多的引线，随之而来的就是外壳尺寸的增大，然而外壳的尺寸过大会无法满足使用要求）的平台面4，过渡环2的外壁上设有平台面4上的大电流引出带外部电子系统的电流引线5，陶瓷板3上设有信号输入引线6和信号输出引线7。平台面4通过键合铝丝或焊接导线与器件连接，电流引线5的材质为铜，可输出大电流。
具体的，信号输入引线6将外部的信号引入至陶瓷板3上，通过陶瓷板3通孔内的导体和导线引至陶瓷板3上的器件内，经芯片等器件信号控制输出电流大小，大电流依次通过平台面4、过渡环2和电流引线5引出，部分信号输入引线6引入的信号可直接通过陶瓷板3上的导体以及导线再经信号输出引线7引出。
陶瓷板3为具有良好散热能力的多层氮化铝陶瓷板3，且质轻，陶瓷板3为单层0.1-0.35mm厚的氮化铝陶瓷流延片叠放一起烧结而成，制成多层陶瓷板3，进而满足散热要求。平台面4的形状可为半圆形、方形、半椭圆形中的一种，平台面4设置在过渡环2的内壁上，或者位于封口环1远离顶部壳盖的底部，避免与壳盖有接触导致影响电流引出效果；该平台面4用于键合、焊接使用，可以连接内部器件（如芯片等）处理好的大电流，具体位置与器件内部线路有关，应接近组装区。
进一步的，过渡环2的材质为铜基材料，封口环1的材质为铁镍基材料，且过渡环2的壁厚小于封口环1的壁厚，可以通过铜基的变形来缓解封口环1与陶瓷板3间因材料线膨胀系数不一致引起的结构应力。
更进一步的，每层陶瓷流延片上均开设有若干通孔，通孔内填充有导体；每层陶瓷流延片上均布设有导线，且上下层的导线通过导体连接；位于最底层导线的输入端与信号输入引线6连接，位于最顶层的导线的输出端分别与信号输出引线7和器件连接。
另外，本发明还提供一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、经过流延工序制得带有导体和导线的陶瓷板3；
S2、通过铣加工制得封口环1和带有平台面4的过渡环2；
S3、将步骤S1和步骤S2中的陶瓷板3、过渡环2和封口环1自下而上置于定位模具内进行定位，同时也对信号输入引线6、信号输出引线7以及电流引线5进行定位；
S4、再高温（可将焊料熔化即可）熔化焊料，使用熔化的焊料将陶瓷板3、过渡环2和封口环1依次连接，信号输入引线6和信号输出引线7均与陶瓷板3连接，电流引线5与过渡环2连接，待焊料温度降低后焊料凝结，将所有配件连接在一起，制得一体化外壳，待器件安装在外壳内后，通过平行缝焊的方式将盖板与封口环1密封连接。
该一体化外壳的制备使用钎焊炉氮氢混合气氛下完成，其中氮氢混合气氛中氢气含量为10-100%，以提高焊料的润湿性，钎焊炉的参数设置要与相应的钎焊工艺匹配。
该外壳可作为信号控制电流的模块，用于开关电源、恒流源等系列产品。根据输出电流的大小调整输出电流引线5的线径。外壳内部可以通过回流焊接或导电胶粘接单芯片或者特定功能芯片及辅助器件，用于控制、处理输出电流的大小及稳定性。该外壳上还设有I/O端口，I/O端口的数量可根据实际使用情况增加或减少。
如图8-图9所示，图8为传统外壳尺寸图，其中X1为长度，Y1为宽度，图9为本发明外壳尺寸图，X2为长度，Y2为宽度，其中X1-X2的范围值为0-46mm；Y1-Y2的范围值为0-46mm，因此，本发明制备的外壳长宽尺寸最多可比传统外壳小46mm；由此可知，本发明制备的外壳尺寸可在保证大电流输出的同时，体积可远远小于传统外壳的尺寸，满足小体积外壳的需求，同时芯片等器件工作时会产生热量，该外壳导热效果好，可将这些热量散到外界环境中，且该外壳中陶瓷板3的材料为氮化铝，导热率大于等于170W/（m·K），制成功率型外壳，对于功率型模块产品有广泛的应用市场。
下面结合实施例中的附图对该装置的工作过程进行详细描述。
外部信号通过信号输入引线6引至陶瓷板3，部分信号通过陶瓷板3上的信号输出引线7引出，部分信号通过导线引至安装在外壳内的器件，器件将信号转化为电流，再依次通过平台面4、过渡环2和电流引线5引出；器件内的处理信号也可以通过氮化铝陶瓷底板上的导体引至信号输出引线7，并通过信号输出引线7引出，实现器件内外信号互联。
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，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)

1.一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，其特征在于：该外壳包括过渡环（2）和用于安装器件的陶瓷板（3），所述陶瓷板（3）上连接有信号输入引线（6）和信号输出引线（7），所述信号输入引线（6）和信号输出引线（7）均与器件信号连接；所述过渡环（2）上设有平台面（4）和电流引线（5），所述器件内的电流依次经过平台面（4）、过渡环（2）和电流引线（5）引出；所述过渡环（2）通过封口环（1）与外壳的盖板连接；所述过渡环（2）的材质为铜基材料；所述封口环（1）、过渡环（2）和陶瓷板（3）由上至下依次设置，所述过渡环（2）和封口环（1）均呈环状，且封口环（1）、过渡环（2）和陶瓷板（3）三者围合成一个敞口的腔体，器件置于腔体的内部；所述过渡环（2）的壁厚小于封口环（1）的壁厚。
2.根据权利要求1所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，其特征在于：所述平台面（4）通过键合铝丝或焊接导线与器件连接，所述电流引线（5）的材质为铜。
3.根据权利要求1所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，其特征在于：所述封口环（1）的材质为铁镍基材料；所述平台面（4）的形状为半圆形、方形、半椭圆形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，其特征在于：所述陶瓷板（3）由若干氮化铝陶瓷流延片叠放烧结而成，且每片陶瓷流延片的厚度为0.1-0.35mm。
5.根据权利要求4所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳，其特征在于：每层所述陶瓷流延片上均开设有若干通孔，通孔内填充有导体；每层所述陶瓷流延片上均布设有导线，且上下层的导线通过导体连接；位于最底层导线的输入端与信号输入引线（6）连接，位于最顶层的导线的输出端分别与信号输出引线（7）和器件连接。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、经过流延工序制得陶瓷板（3）；
S2、通过铣加工制得封口环（1）和带有平台面（4）的过渡环（2）；
S3、将步骤S1和步骤S2中的陶瓷板（3）、过渡环（2）和封口环（1）自下而上置于定位模具内进行定位，同时也对信号输入引线（6）、信号输出引线（7）以及电流引线（5）进行定位；
S4、再加热熔化焊料，使用熔化的焊料将陶瓷板（3）、过渡环（2）和封口环（1）依次连接，待焊料温度降低后焊料凝结，将所有配件连接在一起，制得一体化外壳。
7.根据权利要求6所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳的制备方法，其特征在于：该一体化外壳的制备使用钎焊炉在保护气氛下完成。
8.根据权利要求6所述的一种小体积大电流功率型陶瓷一体化外壳的制备方法，其特征在于：步骤S4所述焊料为银铜焊料。
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