CN117374014B - 一种封装基座及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封装基座及其制备方法，涉及电子封装技术领域，包括基板，所述基板的其中一面具有载具部；框体，围设于所述载具部以形成容纳腔，其中，所述框体背向所述基板的一面具有凹槽，所述凹槽内形成有金属层，所述金属层的表面的最高点不超过所述凹槽，且所述金属层的表面至少部分低于所述凹槽；以及金属环，设于所述凹槽上方且通过焊料部连接所述金属层。本申请提供的封装基座能够有效解决金属层在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装技术领域，特别涉及一种封装基座及其制备方法。
背景技术
陶瓷封装基座通常用于对石英晶体、半导体芯片等电子元件进行封装，封装后的构成的元器件（如半导体器件、温补型振荡器TCXO、音叉谐振器、热敏型谐振器等）被广泛应用于各种各样的电子设备中。常见的陶瓷封装基座由基板、设于基板上的框体、以及设于框体上表面的金属环构成，基板和框体围成用于放置电子元件的容纳腔，当电子元件放置于容纳腔后，利用盖板封盖容纳腔开口，从而实现对电子元件的封装。框体一般为陶瓷材料，为了实现框体与金属环连接，会在框体上表面形成一层金属层，然后利用焊料将金属环钎焊于框体上表面的金属层上。然而，在金属环的钎焊过程中、以及后续将盖板钎焊于金属环上的过程中，金属层与框体表面之间的界线处在焊接热冲击及压力的作用下容易开裂，裂纹随后扩展延伸至金属层和框体内部，最后导致封装基座的气密可靠性受损，严重影响产品的正常使用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种封装基座，有效解决金属层在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
本发明实施例还提供一种封装基座及其制备方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供一种封装基座，包括基板，所述基板的其中一面具有载具部；框体，围设于所述载具部以形成容纳腔，其中，所述框体背向所述基板的一面具有凹槽，所述凹槽内形成有金属层，所述金属层的表面的最高点不超过所述框体的上表面，且所述金属层的表面至少部分低于所述框体的上表面；以及金属环，设于所述凹槽上方且通过焊料部连接所述金属层。
上述封装基座，至少具有如下有益效果：现有的封装基座中，金属层一般都是突出于框体上表面，即金属层上表面高于框体上表面，导致钎焊时金属层易受到热冲击和压力作用而产生开裂。本申请通过在框体上表面形成凹槽，金属层位于凹槽内，并使得金属层上表面低于框体上表面，从而有效增加金属环与金属层之间的焊料量，并增加钎焊热源与金属层之间的距离，使得钎焊时的热冲击和压力主要由塑韧性好、强度高的焊料部吸收，避免了金属层在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述凹槽的开口靠近所述容纳腔的一侧边设为槽口内缘，另一侧边设为槽口外缘，所述槽口内缘和所述槽口外缘之间的水平距离设为S，所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.2S~0.8S的部分低于所述框体的上表面。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.2S~0.8S的部分与所述框体的上表面之间的垂直距离设置为D，所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0~0.2S的部分和/或所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.8S~S的部分与所述框体的上表面之间的垂直距离设置为H，其中，H≤D。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，H的范围为0~30μm，和/或D的范围为5~50μm。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.2S的位置和/或所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.8S的位置与所述框体的上表面之间的垂直距离为H1，所述金属层的表面相距所述槽口外缘的水平距离为0.2S~0.8S的部分与所述框体的上表面之间的垂直距离的最大值为D1，其中，H1≥0.6D1。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述金属层与所述槽口外缘之间和/或所述金属层与所述槽口内缘之间的槽壁露出以形成槽壁露出部。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述槽壁露出部接壤所述金属层的位置与所述框体的上表面之间的垂直距离设为h，其中，h的范围为1~10μm。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述金属层包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层的材质为钨、钼、锰中至少一种，所述第二金属层的材质为镍、铜、银、金中至少一种。
根据本发明第一方面实施例所述的封装基座，所述凹槽沿所述框体背向所述基板的一面环形设置。
根据本发明第二方面的实施例，提供一种封装基座的制备方法，包括如下步骤：
S1、将陶瓷浆料加工成型为陶瓷生坯；
S2、根据封装基座中不同陶瓷层的结构要求以及电极层的图案要求，将所述陶瓷生坯加工成预设结构，并在所述预设结构上印刷金属层；
S3、将多个所述步骤S2中得到的所述陶瓷生坯进行叠层，形成由基板和框体组成的陶瓷封装基座生坯，其中，叠层时，成型的所述基板的其中一面按预设的图案布置成载具部，在所述基板具有所述载具部的一面上堆叠所述框体，所述框体围设于所述载具部以形成容纳腔；
S4、将所述陶瓷封装基座生坯中的所述框体上的所述金属层通过压痕工艺压入所述框体，使所述框体成型有凹槽，以及使在垂直方向上，所述金属层的表面不超过所述框体的上表面、且至少部分所述金属层的表面低于所述框体的上表面；
S5、将经过压痕工艺的所述陶瓷封装基座生坯进行排胶并烧结，得到陶瓷封装基座半成品；
S6、在所述陶瓷封装基座半成品的所述金属层上电镀金属镀层，然后将金属环通过焊料设于所述凹槽上方并与所述金属层相对，以得到所述陶瓷封装基座。
上述封装基座的制备方法，至少具有如下有益效果：使用上述制备方法制成的封装基座能够有效增加金属环与金属层之间的焊料量，并增加钎焊热源与金属层之间的距离，使得钎焊时的热冲击和压力主要由塑韧性好、强度高的焊料部吸收，避免了金属层在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例的封装好电子元件的封装基座的结构示意图；
图2是本发明实施例中，封装基座结构示意图一；
图3是本发明实施例中，封装基座结构示意图二；
图4是图2中的俯视图；
图5是图3中的俯视图；
图6是本发明实施例中，封装基座结构示意图三；
图7是本发明实施例中，封装基座结构示意图四；
图8是本发明实施例中，封装基座结构示意图五；
图9是本发明实施例中，封装基座结构示意图六；
图10是本发明实施例中，封装基座结构示意图七；
图11是本发明实施例中，封装基座结构示意图八。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1至图3，本申请实施例提供的封装基座包括基板110、框体120以及金属环150，其中，基板110的其中一面具有载具部，载具部按照预设的图案进行布置，本申请中，载具部呈环形，而框体120则围设于载具部，使得基板110和框体120形成用于容纳电子元件170的容纳腔180，进一步的，框体120背向基板110的一面具有凹槽，凹槽呈环形设置于框体120上，凹槽内形成有金属层130，金属层130的表面的最高点不超过框体120的上表面，且金属层130的表面至少部分低于框体120的上表面，金属环150则设于凹槽上方且通过焊料部140连接金属层130，通过凹槽结合金属层130的设置，使得金属层130与金属环150之间的焊料部140的焊料量能够得到显著的增加，同时也能够提高封装基座的成品良率。
图2是没有放置电子元件170和盖板160的封装基座，封装基座制作好后，使用时，将待封装的电子元件170放置于容纳腔180内且焊接于基板110上，然后将盖板160通过钎焊的方式连接金属环150，从而完成如图1所示的电子元件170的气密封装。现有的封装基座中，金属层130一般都是突出于框体120的上表面，即金属层130的上表面高于框体120的上表面，导致钎焊时金属层130易受到热冲击和压力作用而产生开裂，本申请通过在框体120的上表面形成凹槽，使金属层130位于凹槽内，并使得金属层130的上表面等于或低于框体120的上表面，从而有效增加金属环150与金属层130之间的焊料部140的焊料量，并增加钎焊热源与金属层130之间的距离，使得钎焊时的热冲击和压力主要由塑韧性好、强度高的焊料部140吸收，避免了金属层130在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
如图3所示，凹槽靠近容纳腔180的一侧边设为槽口内缘121，另一侧边设为槽口外缘122，槽口内缘121和槽口外缘122之间的水平距离设为S，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分低于框体120的上表面，以使金属层130的表面呈现中部凹陷的形状，优选的，金属层130的表面凹陷部分可以是弧面，金属层130的表面中间区域整体都低于框体120的上表面，可以保证焊料部140具有较高的焊料量。本申请中，槽口内缘121可以与框体120的内侧面重合，槽口外缘122应与框体120的外侧面应具有一定的距离，以提高框体120的强度。
如图3所示，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离设置为D，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0~0.2S的部分和/或金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S~S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离设置为H，其中，H≤D。具体，可以是金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0~0.2S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离H≤D，也可以是金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S~S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离H≤D，也可以是金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0~0.2S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离H以及金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S~S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离H都小于或等于D。金属层130两侧区域的表面相比中间区域的表面高，既提高了焊料部140的焊料量，又可以抑制焊料从焊料部溢出，同时，还能提高金属层130表面的面积，从而增加焊料与金属层130的接触面积，使焊接抗载荷性能提升。
其中，如图4所示，槽口外缘122应与框体120的外侧面应具有一定的距离，以便金属层130与金属环150之间钎焊时，焊料部140能够溢出金属层130与金属环150之间并包覆住金属环150靠近槽口外缘122的一侧底部，提高钎焊的强度。
图5为未将金属环150钎焊于金属层130的半成品封装基座状态示意图，其中，框体120呈环形，而其上的金属层130也呈环形设置。
本申请实施例中，H的范围优选为0~30μm，对于D的取值不设限，而H的取值必须小于或等于D的取值；当然，也可以不限定H的范围，将D的范围限定为5~50μm，同样的，H的取值必须小于或等于D的取值；再者，可以同时限定H和D的范围，H的范围优选为0~30μm，D的范围优选为5~50μm同样的，H的取值必须小于或等于D的取值。
进一步的，一种实施例中，设金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离设置为H1，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离不设限制，设金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离的最大值设为D1，其中，H1≥0.6D1；另一种实施例中，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S的位置和金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离均相同且均设为H1，设金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离的最大值设为D1，其中，H1≥0.6D1；另外一种实施例中，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离不设限制，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离设为H1，设金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离的最大值设为D1，其中，H1≥0.6D1。
通过上述尺寸限制，可以降低金属层130两侧区域与中间区域的高度差，避免高度差过大引起钎焊时因受热不均而使金属层130内应力过大。
如图6和图7所示的一种实施例中，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S的位置和金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S的位置与框体120的上表面之间的垂直距离相同，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0~0.2S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离是逐渐增大的，而金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S~S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离是逐渐减小的，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分各处与框体120的上表面之间的垂直距离相等，也即金属层130的中部呈平面，两侧倾斜设置，这样的金属层130的两侧区域的表面相比中间区域的表面高，同样能够提高了焊料部140的焊料量，也可以抑制焊料从焊料部溢出。
如图8和图9所示的一种实施例中，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0~0.2S的部分与框体120的上表面之间的垂直距离是逐渐增大的，金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分各处与框体120的上表面之间的垂直距离相等，而金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.8S~S的部分持平金属层130的表面相距槽口外缘122的水平距离为0.2S~0.8S的部分，也即金属层130的中部呈平面，靠近槽口外缘122的一倾斜设置，这样的金属层130同样能够提高了焊料部140的焊料量，也可以抑制焊料从焊料部溢出。
在另一些实施例中，金属层130与槽口外缘122之间的槽壁露出以形成槽壁露出部123，而金属层130与槽口内缘121之间的槽壁没有形成槽壁露出部123；进一步的，金属层130与槽口外缘122之间的槽壁不具有槽壁露出部123，而金属层130与槽口内缘121之间的槽壁露出以形成槽壁露出部123；当然，如图10和图11所示，金属层130与槽口外缘122之间的槽壁以及金属层130与槽口内缘121之间的槽壁均露出以形成槽壁露出部123。金属层130两侧与槽口外缘122（或槽口内缘121）相交的界线处在加热状态下容易产生应力集中，导致槽口外缘122或内缘位置的框体120和金属层130开裂，通过设有槽壁露出部123，可以避免上述问题的发生。
优选的，槽壁露出部123接壤金属层130的位置与框体120的上表面之间的垂直距离设为h，其中，h的范围为1~10μm。h如果过小，槽壁露出部123缓解应力集中的效果不明显；h如果过大，则降低了焊料与金属层的接触面积，由于焊料与框体陶瓷材料之间不会产生焊接，因此会导致焊接强度下降。
在其它的一些实施例中，金属层130包括第一金属层和第二金属层，第一金属层的材质为钨、钼、锰中的至少一种，当然，也可以是多种的组合，这里不做限制，第二金属层的材质为镍、铜、银、金中至少一种，当然，也可以是多种的组合，这里不做限制。
此外，本申请还提供一种上述封装基座的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、将搅拌均匀的陶瓷浆料加工成型为陶瓷生坯；
S2、根据封装基座中不同陶瓷层的结构要求以及电极层的图案要求，将陶瓷生坯加工成预设结构，并在预设结构上印刷金属层130，具体的，根据封装基座中不同陶瓷层的结构要求，对复数个陶瓷生坯进行冲孔加工，得到至少一个具有通孔结构的基板110构成用的陶瓷生坯，以及至少一个具有通孔结构和贯通槽结构的框体120构成用的陶瓷生坯，根据封装基座中不同陶瓷层的电极层图案要求，在基板110构成用的陶瓷生坯和框体120构成用的陶瓷生坯上形成金属层130，其中，金属层130包括通过印孔或填孔在通孔结构内形成的金属导体，用于实现封装基座中不同陶瓷层上金属图层的电连接；
S3、将多个步骤S2中得到的陶瓷生坯进行叠层，形成由基板110和框体120组成的陶瓷封装基座生坯，其中，叠层时，成型的基板110的其中一面按预设的图案布置成载具部，在基板110具有载具部的一面上堆叠框体120，框体120围设于载具部以形成容纳腔180，具体的，将基板110构成用的陶瓷生坯进行堆叠，形成基板100，将框体120构成用的陶瓷生坯进行堆叠，形成框体120，基板100的其中一面设有载具部，将框体120堆叠于基板100具有载具部的一面，使得贯通槽结构与载具部相对应以形成容纳腔180，获得陶瓷封装基座生坯；
S4、将陶瓷封装基座生坯中的框体120上的金属层130通过压痕工艺压入框体120，使框体120成型有凹槽，以及使在垂直方向上，金属层130的表面不超过框体120的上表面、且至少部分金属层130的表面低于框体120的上表面；
S5、将经过压痕工艺的陶瓷封装基座生坯进行排胶并烧结，得到陶瓷封装基座半成品；
S6、在陶瓷封装基座半成品的金属层130上电镀金属镀层，然后将金属环150通过焊料设于凹槽上方并与金属层130相对，以得到陶瓷封装基座。
使用上述制备方法制成的封装基座能够有效增加金属环150与金属层130之间的焊料量，并增加钎焊热源与金属层130之间的距离，使得钎焊时的热冲击和压力主要由塑韧性好、强度高的焊料部140吸收，避免了金属层130在钎焊时出现开裂的现象，保证了封装基座的气密可靠性。
优选的，本申请的基板110的制成材料为氧化铝、氮化铝或其他适合的材料；框体120的制成材料为氧化铝、氮化铝或其他适合的材料；金属环150的制成材料为可伐合金（铁镍合金）、铜-钨合金或其他合适的材料；形成焊料部140所用的焊料可为银焊料、铜焊料、银铜焊料、金锡焊料或其他合适的材料；盖板160的制成材料为可伐合金（铁镍合金）、铜-钨合金或其他合适的材料。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种封装基座，其特征在于：包括
基板（110），所述基板（110）的其中一面具有载具部；
框体（120），围设于所述载具部以形成容纳腔（180），其中，所述框体（120）背向所述基板（110）的一面具有环形设置的凹槽，所述凹槽内形成有金属层（130），所述金属层（130）的表面的最高点不超过所述框体（120）的上表面，且所述金属层（130）的表面至少部分低于所述框体（120）的上表面，所述凹槽的开口靠近所述容纳腔（180）的一侧边设为槽口内缘（121），另一侧边设为槽口外缘（122），所述槽口内缘（121）和所述槽口外缘（122）之间的水平距离设为S，所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.2S~0.8S的部分低于所述框体（120）的上表面，所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.2S的位置和/或所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.8S的位置与所述框体（120）的上表面之间的垂直距离为H1，所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.2S~0.8S的部分与所述框体（120）的上表面之间的垂直距离的最大值为D1，其中，H1≥0.6D1；以及
金属环（150），设于所述凹槽上方且通过焊料部（140）连接所述金属层（130）。
2.根据权利要求1所述的封装基座，其特征在于：所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.2S~0.8S的部分与所述框体（120）的上表面之间的垂直距离设置为D，所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0~0.2S的部分和/或所述金属层（130）的表面相距所述槽口外缘（122）的水平距离为0.8S~S的部分与所述框体（120）的上表面之间的垂直距离设置为H，其中，H≤D。
3.根据权利要求2所述的封装基座，其特征在于：H的范围为0~30μm，和/或D的范围为5~50μm。
4.根据权利要求1至3中任一所述的封装基座，其特征在于：所述金属层（130）与所述槽口外缘（122）之间和/或所述金属层（130）与所述槽口内缘（121）之间的槽壁露出以形成槽壁露出部（123）。
5.根据权利要求4所述的封装基座，其特征在于：所述槽壁露出部（123）接壤所述金属层（130）的位置与所述框体（120）的上表面之间的垂直距离设为h，其中，h的范围为1~10μm。
6.根据权利要求1所述的封装基座，其特征在于：所述金属层（130）包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层的材质为钨、钼、锰中的至少一种，所述第二金属层的材质为镍、铜、银、金中的至少一种。
7.一种封装基座的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将陶瓷浆料加工成型为陶瓷生坯；
S2、根据封装基座中不同陶瓷层的结构要求以及电极层的图案要求，将所述陶瓷生坯加工成预设结构，并在所述预设结构上印刷金属层（130）；
S3、将多个所述步骤S2中得到的所述陶瓷生坯进行叠层，形成由基板（110）和框体（120）组成的陶瓷封装基座生坯，其中，叠层时，成型的所述基板（110）的其中一面按预设的图案布置成载具部，在所述基板（110）具有所述载具部的一面上堆叠所述框体（120），所述框体（120）围设于所述载具部以形成容纳腔（180）；
S4、将所述陶瓷封装基座生坯中的所述框体（120）上的所述金属层（130）通过压痕工艺压入所述框体（120），使所述框体（120）成型有凹槽，以及使在垂直方向上，所述金属层（130）的表面不超过所述框体（120）的上表面、且至少部分所述金属层（130）的表面低于所述框体（120）的上表面；
S5、将经过压痕工艺的所述陶瓷封装基座生坯进行排胶并烧结，得到陶瓷封装基座半成品；
S6、在所述陶瓷封装基座半成品的所述金属层（130）上电镀金属镀层，然后将金属环（150）通过焊料设于所述凹槽上方并与所述金属层（130）相对，以得到所述陶瓷封装基座。
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