CN211529930U - 一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了陶瓷基板封口领域的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，上方熔融有盖板，围框包括上下布置并均用于与陶瓷基板热应力匹配的焊接层与封口层，焊接层与封口层之间设有应力吸收层，且焊接层、封口层与应力吸收层之间通过焊接连接，应力吸收层7采用剪切模量在30~50Gpa之间的金属材料。本实用新型能够大大降低陶瓷一体化外壳在平行缝焊时的热量对陶瓷基板的冲击，提升陶瓷一体化封装外壳的可靠性，满足星载TR组件的高可靠性应用需求。

Description

一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框

技术领域

本实用新型涉及陶瓷基板封口领域，具体是一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框。

背景技术

典型的多层陶瓷一体化封装结构由陶瓷基板1、可伐围框4、盖板2、金属底板3组成，结构如图1所示。陶瓷基板LTCC基板在电路系统中起着机械支撑、芯片保护、信号传输、通道散热等重要作用；围框在封装模块中起到整个组件的封装作用，围框为整个封装模块提供了组装、焊接元器件必不可少的Z轴空间，实现LTCC基板的三维立体组装；底板在封装模块中起到支撑、散热作用，能够有效的把LTCC电路板上的热量传输到系统板上，且能够有效降低模块与系统板的热应力失匹；盖板为外壳组装元件、芯片后密封作用。

如图2所示，多层陶瓷一体化封装外壳封口工艺为平行缝焊工艺，平行缝焊是靠盖板2与围框4之间的接触电阻瞬间形成大量的热，融化盖板2与围框4接触面，形成熔融缝焊。T点处瞬间的热量可达1000℃，热量通过围框4传递到多层陶瓷基板1，在冷却过程中围框4与陶瓷基板1收缩，但由于热膨胀系数的差异使得围框4收缩大于多层陶瓷基板1，从而拉裂陶瓷基板1。图2中，F1表示围框4凝固时的受力方向，F2表示陶瓷基板1拉应力方向。

为了降低陶瓷封装外壳封口过程中的对陶瓷基板的热冲击，有以下几种方式：改进围框结构设计、降低平行缝焊功率、提升陶瓷强度等，其中降低平行缝焊的功率限制了封盖工艺的应用场景，只能对于特定的封装结构(如围框高度较高，热量传递至陶瓷外壳较低，应力集中较低)适用。而提升陶瓷强度则对陶瓷材料的性能要求较高，需要改进基础原材料的配方设计，难度较高。因此，在封装外壳的尺寸限制下，往往通过改进围框的结构设计来实现应力缓冲。目前的围框结构都为单一结构，如采用可伐、4J49等单一铁钴镍材料加工而成，无应力缓冲层，在特殊的应用场景下，如平行缝焊的功率较高、热应变较大时，采用单一结构、材料的围框的陶瓷一体化外壳在平行缝焊时产生大量热量，热量在一些围框高度较低(小于2mm)的结构中快速通过围框传递至陶瓷基板，热冲击往往拉裂陶瓷基板，使得封口漏率≥1*10-2Pa·cm3/s，出现外壳封口失效。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，上方熔融有盖板，所述围框包括上下布置并均用于与陶瓷基板热应力匹配的焊接层与封口层，所述焊接层与封口层之间设有应力吸收层，且焊接层、封口层与应力吸收层之间通过焊接连接，所述应力吸收层采用剪切模量在30～50Gpa之间的金属材料。

作为本实用新型的改进方案，为了降低盖板与围框熔融时对陶瓷基板的热应力变形，所述应力吸收层采用无氧铜材料形成。

作为本实用新型的改进方案，为了更好地与陶瓷基板应力匹配，所述焊接层的热膨胀系数与陶瓷基板的热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间。

作为本实用新型的改进方案，为了更好地与陶瓷基板应力匹配，所述封口层采用与盖板相同的材料，或者采用热膨胀系数与陶瓷基板的热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间的材料。

作为本实用新型的改进方案，为了增强围框的表面性能，所述焊接层、应力吸收层以及封口层焊接固定后，围框表面镀有镍和金。

作为本实用新型的改进方案，为了增强围框的表面性能，所述镍层厚2.54μm～11.4μm；金层厚0.75μm～2.54μm。

一种陶瓷一体化外壳，包括金属底板、固定在金属底板上的陶瓷基板，以及固连在陶瓷基板上的围框，所述围框采用上述技术方案中的减应力三明治结构围框，还包括盖板，所述围框与盖板平行缝焊。

有益效果：本实用新型的三明治结构围框，相对于现有技术中的单一结构的围框，通过仿真对比封盖过程中两种围框结构的应力从盖板到陶瓷基板顶部的应力衰减系数，采用单一结构、材料围框的应力衰减系数约为37％，而采用三明治结构的围框在封盖过程中从盖板到陶瓷顶部应力衰减系数约79％，可见本实用新型有效降低了陶瓷基板受到的热应力变形，尤其适用于围框高度较低时(小于2mm)，此时采用三明治结构围框的陶瓷一体化外壳在平行缝焊后陶瓷外壳封口的气密性(漏率)≤1*10-3Pa·cm3/s，满足星载TR组件的高可靠性应用需求。此外，本实用新型中，不同功能层采用不同的材料，当围框高度较低时(小于2mm)，热量经过封口层传递至应力吸收层，在应力吸收层将热应力转化成热应变，从而有效吸收热冲击，降低对陶瓷基板的热冲击。

附图说明

图1为现有技术陶瓷一体化封装结构示意图；

图2为现有技术中盖板与围框缝焊时围框的受力分析图；

图3为本实用新型围框的内部结构示意图；

图4为本实用新型围框的正视图及俯视图。

图5为现有技术单一结构围框在封口时对陶瓷基板的应力分析图；

图6为本实用新型的围框在封口时对陶瓷基板的应力分析图；

图7为现有技术单一结构围框在封口时对盖板的应力分析图；

图8为本实用新型的围框在封口时对盖板的应力分析图。

图中：1-陶瓷基板；2-盖板；3-底板；4-围框；5-封口电极；6-焊接层；7-应力吸收层；8-封口层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，参见图3-4，一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，上方熔融有盖板2，围框4包括上下布置并均用于与陶瓷基板1热应力匹配的焊接层6与封口层8，焊接层6与封口层8之间设有应力吸收层7，且焊接层6、封口层8与应力吸收层7之间通过焊接连接，应力吸收层7采用剪切模量在30～50Gpa的金属材料。

常用的陶瓷材料与铁钴镍合金材料的热膨胀系数如下表所示。

由于陶瓷基板1的热膨胀系数在4-10ppm/℃左右，焊接层6优选为铁钴镍合金材料如牌号：4J29、4J42、4J45、4J50等，铁钴镍合金材料具有与陶瓷基板1相近的热膨胀系数，热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间时，可以与陶瓷材料具有更好的应力匹配，降低陶瓷基板1受到的热应力。

应力吸收层7常采用剪切模量在30～50Gpa之间的金属材料，优选为无氧铜(G～108GPa)，在封口电极5封口放热过程中，热量导致的应力集中使得无氧铜金属能够更容易变形，整个封装结构刚性形变趋势减弱，从而降低对陶瓷基板1的热应力变形。具体参看图5与图6以及图7与图8的应力分析对比图。此外，由于无氧铜具有较高的热导率(热导率～400w/m·C)，在陶瓷外壳平行缝焊过程中，能够大量吸收盖板2的热量，从而降低对陶瓷基板1的热冲击。

封口层8则常采用与盖板2相同的材料，或者采用热膨胀系数与陶瓷基板1的热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间的材料，如可伐合金4J29、4J45、4J50等，用于匹配陶瓷材料。

采用三明治围框的陶瓷一体化外壳，由于陶瓷基板受到的热应力变形得到了大幅度降低，因此当围框高度较低时(小于2mm)，陶瓷一体化外壳在平行缝焊后陶瓷外壳封口的气密性(漏率)≤1*10-3Pa·cm3/s，可以满足星载TR组件的高可靠性应用需求。

进一步地，焊接层6与应力吸收层7、应力吸收层7与封口层8之间通过银铜(Ag28Cu72)焊接。

进一步地，焊接层6、应力吸收层7以及封口层8焊接固定后，围框4表面镀有镍和金。镀覆方式为电镀或者化学镀，镀覆顺序为先镀镍、金，其中镍层厚2.54μm～11.4μm；金层厚0.75μm～2.54μm。通过镀镍和金的方式，增强围框4使用寿命。

因此，本实施例中，陶瓷一体化封装外壳(HTCC/LTCC)采用减应力三明治结构围框后，封口时对陶瓷基板1的热冲击大幅度降低，使得外壳封口气密性(漏率)≤1*10^-3Pa·cm³/s。且经过实验证明，外壳通过温度循环(-55℃～150℃，保持30min，转换时间30s，100次)、热冲击(-55℃～125℃，15次)后，漏率依然≤1*10^-3Pa·cm³/s。

实施例2，当围框4应用于LTCC陶瓷一体化封装时，陶瓷基板1(951)的热膨胀系数为5.8ppm/℃，围框4的结构为焊接层6+应力吸收层7+封口层8。

焊接层6由于直接与LTCC基板焊接，陶瓷基板1的应力直接来源于与焊接层6金属的热应力失匹，因此，根据上表中的铁钴镍金属材料的热膨胀系数，选择与LTCC陶瓷相近的可伐合金4J29。

应力吸收层7采用无氧铜材料，封口层8采用可伐合金4J29，采用本结构的围框4，可实现封口时对陶瓷基板1的热冲击大幅度降低的作用。

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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，上方熔融有盖板(2)，其特征在于，所述围框(4)包括上下布置并均用于与陶瓷基板(1)热应力匹配的焊接层(6)与封口层(8)，所述焊接层(6)与封口层(8)之间设有应力吸收层，且焊接层(6)、封口层(8)与应力吸收层(7)之间通过焊接连接，所述应力吸收层(7)采用剪切模量在30～50Gpa之间的金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，其特征在于，所述应力吸收层(7)采用无氧铜材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，其特征在于，所述焊接层(6)的热膨胀系数与陶瓷基板(1)的热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，其特征在于，所述封口层(8)采用与盖板(2)相同的材料，或者采用热膨胀系数与陶瓷基板(1)的热膨胀系数相差在±5ppm/℃之间的材料。

5.根据权利要求1或2所述的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，其特征在于，所述焊接层(6)、应力吸收层(7)以及封口层(8)焊接固定后，围框(4)表面镀有镍层和金层。

6.根据权利要求5所述的一种应用在陶瓷基板上的减应力三明治结构围框，其特征在于，所述镍层厚2.54μm～11.4μm；金层厚0.75μm～2.54μm。

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