CN87107196A - 用陶瓷-玻璃-金属复合材料封装电子元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用陶瓷—玻璃—金属复合材料制成的工程陶瓷制品，该制品坚固耐用，可制成复杂的形状，大大提高的热导率。金属零件可以嵌入复合材料，以便简化器件的制造工艺，如半导体器件的管壳。

Description

本发明有广泛应用领域，特别适于做半导体单个芯片的制造配件。本发明揭示出把陶瓷微粒结合在一起的方法使其形成有凝聚力的复合材料，并具有所希望的特性。可以为特殊应用专门制造诸如电子元件的封装、人体假肢、砂轮、机械零件、陶瓷发动机等，此处仅略提一、二。

过去，用一步工艺法把璃璃-陶瓷复合材料制成复杂形状的制品。对许多应用来说，这种技术证明是有效的。然而，当成品有更复杂形状时，要使复合材料在模具内成形则需要更高的压力，此高压把已熔化的玻璃从陶瓷微粒的缝隙间挤出，使陶瓷微粒连结在一起。此结果阻碍了复合材料继续流动，因而需要更高的压力，或者不可能使复合材料致密化和成形，以便获得所要求的成品外形。本发明利用金属微粒与陶瓷微粒及玻璃的结合，增加复合材料在模具内的流动，从而，解决了这个难题。

用上述材料组成的复合材料可以是导电型的也可以是不导电型的。其热膨胀系数也可以根据特殊用途予以调整。不导电的且膨胀系数小的复合材料在电子工业中特别有用。目前，低膨胀系数材料广泛用于微电子工业，如用作半导体封装、混合电路封装和芯片载体的衬底材料。当衬底的热膨胀系数（CTE）是关键性的时候，也就是当硅的芯片或低膨胀系数无引线芯片的截体直接安装在衬底上的时候，这些复合材料是特别有用的。

氧化铝瓷是目前应用最广泛的衬底材料。氧化铝瓷与硅芯片的热膨胀系数稍有失配。通常装在氧化铝瓷衬底上的芯片在经受热循环时，这种失配不对芯片产生高到不能承受的应力。通常这种程度的CTE失配是可以承受的，甚至当芯片的尺寸比较大，或者当芯片与衬底是刚性粘接的时候。氧化铝瓷特别受人们的重视，因为它比其它大多数低膨胀系数衬底材料便宜。然而，用常规方法制造的氧化铝瓷还有不少缺点，如精度难以控制，热导率低，在大约10至20瓦/米·绝对温度范围内且制造能力限制氧化铝瓷衬底的面积只能小于大约50平方英寸。

常规的陶瓷制品，尤其是陶瓷衬底是用下述方法制造的。氧化铝粉或其它陶瓷材料与玻璃粉和有机材料混合在一起。在常规的“未烧结带”（“green    taps”）或“冷压”工艺中，有机材料是由溶剂和溶质如萜品醇和聚甲基丙稀酸甲酯组成的两相混合物。这种特殊的溶剂-溶质混合物只是作为示例。在其它地方可能用另外的有机混合物。当有机混合物与玻璃和陶瓷粉混合时，形成软膏或稀浆。溶质-溶剂比例和有机混合物的类型是根据具体应用，也即“未烧结带”或者“冷压”工艺所要求的软膏的流变学进行选择的。

在“烧结带”工艺中，控制适量的软膏进入两块塑料片之间。为获得均匀的厚度，夹在塑料片之间的软膏要通过一个滚轧机。然后对复合材料薄片进行切割或冲压成所要求的形状进行焙烧。

在每个工艺中，有机物在比陶瓷体或陶瓷衬底的焙烧或处理温度低得多的温度下就已挥发了。通常溶剂在低于大约100℃温度下挥发，而溶质在低于大约450℃温度下挥发。溶质或溶剂的消失在“未烧结带”或冷压体中留下了微孔。在最高焙烧温度下（对普通陶瓷约为1600℃，或者对低温焙烧陶瓷接近900℃），玻璃相熔化，出现一些氧化铝微粒的烧结，从而使物体密度增加。焙烧过的衬底，已没有任何相互连结的微孔，形成一种不透气的衬底，使气体渗透量极低（＜1×10⁸cc He/sec）。焙烧后的衬底的这种气密性特别适用于制造密封性好的半导体管壳。

然而，坯体的增密引起很大的收缩，线性收缩量高达17%。因此廉价地生产线性公差达到优于大约±1%的精密度零件是不现实的。所以对标准的被焙烧过的陶瓷衬底的线性公差，陶瓷生产厂家采用的典型值是±1%。要得到更精确的线性公差是相当昂贵的，因为这要补偿产量低的损失。

电子工业正在寻求工厂中更高级的自动化。自动化机械一般能够控制零件的位置，如前面所提到的衬底达到远高于±1%的零件的线性公差。实际上，在大多数情况下，陶瓷件的公差，是达到所要求的自动化程度的限制因素。

本发明提供了一种独特的方法，制造陶瓷-玻璃-金属结构，在一步工艺法中，用通常的设备，以比普通陶瓷的焙烧温度，即约1600℃或者甚至比“低温焙烧陶瓷”的焙烧温度（约900℃）低得多的温度下制成其成品形状。本工艺还赋于制成品以独特的性能，因为在制造工艺中不一定需要有机物。

本发明也针对为彻底改进陶瓷浸渍技术（CERDIP），在制造元件时所采用的零件和方法。通常陶瓷浸渍技术利用一个陶瓷底片和一个盖片。在较低的温度下，约470℃，用密封焊料，通常是玻璃焊料，把管壳密封。密封焊料中有一个金属引线框架。陶瓷浸渍密封的强度决定于玻璃密封材料的强度，封口的长度和宽度，微孔或其它缺陷的多少，以及最后玻璃与金属框架间连接的质量。通常，玻璃是陶瓷浸渍管壳中最脆弱的部分。在大多数管壳设计中，玻璃密封材料与引线框架间的附着力是比较小的，如果封口受到大的机械的或热机的负荷，封口容易破坏。而在相似的条件下，一种比较昂贵的在边缘用铜焊的陶瓷管壳会毫无损伤。

修改陶瓷浸渍的设计，克服其固有的弱点，与边缘铜焊接的同样大小的管壳相比，这种设计有较大的封接面积，而芯片腔的宽度减小了。在管壳内，容积的大小受到限制的情况下，较大的芯片装不进已经减小了芯片腔的陶瓷浸渍管壳，而要装进更昂贵的边缘铜焊的陶瓷管壳。本发明利用把玻璃焊料与引线框架分离开的方法解决这个难题。可以用边缘铜焊管壳的形式把引线框架牢固地固定在管壳的底片上或者盖片上。这样制成的优质管壳不把引线弯曲出现的应力转移到封接处，而引线弯曲是在对管壳进行操作时必然出现的。同时芯片腔的尺寸可以增大，可靠性可以与边缘铜焊管壳比美，而价格却低很多。

本发明还适于制造多层管壳如针栅阵列和边缘铜焊管壳。

在世界各地，精密陶瓷都被认为是九十年代和二十一世纪最主要的基础材料之一。这个估计是建立在下面的一些条件之上的。首先予料精密陶瓷在发展和推进诸如电子学、信息技术、生物工程、医疗电子学等尖端工业方面作为新的基础材料起着重要作用。这些工艺的未来发展依赖于对新材料的开发。它们要求新材料比任何通常可得到的材料在抗热抗腐蚀和抗放射性方面有更大的能力。它们还要求新功能的材料在化学光学和电磁性能方面显示出优异的性能。精密陶瓷被认为是能满足这些要求的一种材料，因此作为关键材料之一，它将支持这些尖端工业的前期开发。第二，予料精密陶瓷的优异性将帮助现有工业改进它们的产品质量。汽车工业的陶瓷发动机就是其中一例。显然，可以予期精密陶瓷为通常不景气的基础材料工业由于变成精密陶瓷的供应厂而兴旺发达提供良好机会。第三，从各国国民经济稳固的角度来看，精密陶瓷被认为是重要的。各国都关心节约本国的自然资源，包括石油和贵重金属。因此，急切地期望开发陶瓷发动机，以便节约石油。同样，渴望开发陶瓷取代诸如镍、钴、铬等贵重金属。

当前，主要的应用领域是电磁零件和机械零件。前一种称为电陶瓷（Electro-ceramics）包括集成电路管壳、电容器、热敏电阻和可变电阻等。

机械和抗热陶瓷称为工程陶瓷，如通常用于汽轮机、涡轮增压涡轮机（tllrbo-charge    turbine）和陶瓷发动机。信息电子学是陶瓷应用的一个主要领域，而且功能陶瓷已经得到应用。结构陶瓷在实际中还没有广泛应用。然而，可以予料，它将在提高汽车和工业机械等的能源效率方面起主要作用。结构陶瓷即通常称为工程陶瓷，以其优异的机械和热学性能被认为在未来是极其重要的。此外，予期功能陶瓷如电陶瓷和光学陶瓷，将使电子工业中新器件封装和小型化以从未有过的高速度增长。生物陶瓷，如已用于假牙和假肢，也开始得到高速增长，並将受到医疗技术进步的推动。

本发明的创造性的特征使复合材料能够有效地用于发展中的陶瓷工业的许多领域。虽然这种复合材料含有大量陶瓷微粒，它可以在中等压力和温度下在模具中制成复杂外形的成品。本发明的关键是，加入低浓度的金属或合金微粒，它极大地减小了成型压力的幅度。过去，用这样高的压力只允许制成相当简单的外形。随着金属或合金微粒的加入，制造公差小的复杂外形成为可能了，因为复合材料在制造温度下很容易流动。其成型技术与塑料注入模型有些相似。目前，形状复杂的陶瓷产品由于种种原因，包括陶瓷的收缩和硬度，是很难制造的。一旦陶瓷制品制成一般的烧结后的形状，再把它加工成最终设计的成品，是很花费时间且十分昂贵的。

既便有这些设计上的限制，陶瓷材料已被用于许多制品，它具有陶瓷的高强度，化学的耐久性和体轻的优点。例如，须顺便提到一些陶瓷已用于发动机、假肢和切削工具。

本发明的基本问题是用陶瓷-玻璃-金属复合材料制造电子元件封装，通过适当的选择，它们的物理特性可以被特别控制，以提供特殊的机械、电、热导和化学性质。

本发明一个优点是用一种复合材料和一种成形这种材料的方法，排除上述方案中一个或几个限制和缺点，用来制造电子元件的封装;

本发明的另一个优点是用一种复合材料和一种使这种材料成形的方法，提供弯曲强度高的衬底制造电子元件的封装;

本发明的再一个优点是用一种复合材料和一种使这种材料成形的方法，能生产公差精度高的零件制造电子元件封装;

本发明的另外一个优点是用一种复合材料和一种成形这种材料的方法，该复合材料能在低温下焙烧，用来制造电子元件的封装。

本发明再一个优点是用一种复合材料和一种成形这种材料的方法，能够廉价地制造电子元件封装;

本发明再一个优点是在陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的元件内可以埋置金属零件;

本发明的再一个优点是把引线框架埋入由陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的陶瓷衬底制造电子元件封装;

本发明的再一个优点是用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的多层器件在确定的位置把金属零件埋入复合材料，用于制造电子元件封装;

本发明的再一个优点是把陶瓷-玻璃-金属复合材料熔入复杂形状的模具制成工程陶瓷品;

据此，这里已经提供了零件和制成封装半导体器件所需零件的工艺，这些零件是用独特的陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的，这种材料含有分散在复合材料内的陶瓷微粒和金属微粒，以及把陶瓷、金属微粒粘结在一起的玻璃相。在一个单一的工艺步骤中用常规的工艺，如热锻造和在模具中热压，使复合材料成形，以便能简便地制造半导体封装。在热压过程中，金属零件可以被埋入复合材料。本发明特别适用于制成陶瓷浸渍物，混合电路封装、电路板和多层器件。

已经提供了用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的工程陶瓷产品。这些产品是牢固的、耐久的，能制成复杂形状，並且提高了热导率。这些产品包括转子，发动机汽缸体，人体假肢、砂轮等。陶瓷-玻璃-金属复合材料包括陶瓷微粒、金属微粒和玻璃，其中玻璃用于把陶瓷微粒和金属微粒粘附在一起。金属微粒用于提高加工温度下材料的流动性。

现在借助图形中具体实例说明本发明及其进一步发展。

图1示出先有技术中陶瓷浸渍封装。

图2示出先有技术中衬底上有用玻璃焊接的引线框架。

图3A示出按照本发明制成的陶瓷浸渍外壳。

图3B示出图3A中埋有引线框架的陶瓷-玻璃-金属衬底的截面图。

图4示出按照本发明制成的陶瓷浸渍外壳，它有装有金属片的底座及有槽的盖片。

图5示出按照本发明制成的陶瓷-玻璃-金属复合材料衬底。

图6A示出一个片状陶瓷-玻璃-金属复合材料，上面有一个穿通的孔。

图6B示出图6A的B-B截面图。

图7A示出一个片状陶瓷-玻璃-金属复合材料，上面有一个穿通的孔。

图7B是图7A的B-B截面图。

图8示出热处理前的多层器件的零件。

图9示出热处理后的多层器件的零件。

图10示出一个有热沉的半导体管壳。

图11示出一个按照本发明用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的半导体管壳。

图12示出一个用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的半导体管壳和一个陶瓷盖片。

图13示出一个用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的半导体管壳和一个金属盖片。

图14示出一个与图12所示的实物相似的半导体管壳，但没有热沉。

图15示出由陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的素坯半导体管壳，包括一个杯状零件，它作为焊接半导体芯片的表面也作为热沉。

图16A-16E示出用本发明制造的多层陶瓷-玻璃-金属电路结构的各工艺步骤。

图17示出涡轮增压涡轮机陶瓷转子的透视图。

图18是坐骨和腿骨假肢的透视图。

图19是陶瓷发动机的透视图。

图20是砂轮的透视图。

图21是陶瓷发动机汽缸体透视图。

本发明专门讨论一种用玻璃把陶瓷和金属微粒粘结在一起的混合物制成的复合材料。用热锻造和热压技术可以把这种复合材料制成任何所需要的形状。在加工温度下，被选用的玻璃至少软化，最好成为液态。所得到的已经成形的复合材料特别适用于例如制造半导体器件的衬底，混合电路管壳，多层管壳或者牢固的印刷电路板。

本发明中至少把三种不同类型的材料按适当的比例混合在一起，以便提供所选择的特性。一种材料是陶瓷粉，以体积百分数计算，按所需物理特性选择，例如根据机械的、电气的、热的和化学的特性进行选择。众所周知，典型的陶瓷物理特性包括高强度、低延展性、高介电常数、低热膨胀系数和高化学稳定性。第二种材料是玻璃，它形成一个基体，把陶瓷和金属微粒粘结在一起。因为玻璃是相当脆的，典型的掺入比例应使陶瓷微粒最初决定的复合材料的强度不致明显减小。选用的玻璃应是与陶瓷微粒和第三种材料，即金属或合金微粒产生化学反应的。第三种材料是由金属或合金微粒组成的，它们均匀分散在整个复合材料中。当复合材料在加工温度下被压入一个所需模型的模具中时，金属或合金微粒能使陶瓷微粒移动位置，而所需压力比单独用陶瓷玻璃膏要小。此外，金属微粒能改进复合材料的热导率。金属微粒最好是软的和有延展性的。据认为金属微粒倾向于粘附在相邻陶瓷微粒之间的相邻位置的表面上，以便使陶瓷微粒在成形过程中能无损伤地互相滑动。其中金属微粒主要是减少陶瓷微粒间出现的联结，从而减少制造最终形状所需的压力。所得复合材料是非常有用的，可以很容易地用一步工艺法制成形状复杂的且有很高精度的成品。

典型的陶瓷材料含有为得到其物理特性而选择的微粒。特种陶瓷可从下面一组材料中进行选择，即Al₂O₃、sic、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄、BN和它们的混合物。本发明不局限于这些陶瓷，还可以含有任何所需的陶瓷和陶瓷混合物。在最终焙烧过的复合材料中陶瓷微粒的含量范围大约是体积的20%至80%，较好的范围大约是从体积的40%至65%。陶瓷微粒可以有任何所要求的形状，平均直径约大于1微米，较好是在1至200微米之间，最好是在40至100微米之间。选择所需的陶瓷时，要考虑的因素包括它的介电常数、热膨胀系数、强度及化学耐久性。

通常选用陶瓷是由于它的高温性能好，因为它的熔点在约1300℃至2500℃之间。因而，本发明还要考虑高温性能，因为陶瓷微粒是用玻璃基体粘结在一起的，而玻璃与陶瓷相比可以有比较低的软化温度。选择适当的玻璃，制造在很高的温度都稳定的部件也属于本发明的讨论范围。

复合材料的第二种成分由玻璃相组成，按照对制成的复合材料性能的要求，玻璃相可以有任何必要的组分。玻璃相的作用是把陶瓷微粒和金属微粒粘结在一个玻璃基体内。一个重要的特性是玻璃最好与陶瓷和金属微粒起化学反应。玻璃有诸如好的化学耐久性、高的强度、一个可采用的介电常数，一个在选定的温度范围内的软化点等物理特性也是重要的。可以从硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐、硼硅酸锌、钠钙玻璃、硅酸铅、硼酸铅锌这组玻璃中选择适用的一种。当然，任何满足要求的玻璃都是可以利用的。适用的玻璃还可以包括磷酸盐玻璃系，它们有较大的膨胀系数和较低的软化温度。此外，可以选用透明的或不透明的玻璃。

例如，一种不透明的焊接玻璃是很有用的，具有热固特性，适用于电子学环境，它是一种PbO-ZnO-B₂O₃玻璃，亦称组成是约10重量%B，0.025重量%Al，8.5重量%Si，0.04重量%Ti，0.01重量%Fe，8.5重量%Zn，12.5重量%Zr，0.25重量%Hf，2.0重量%Ba，其余的是Pb，所有这些元素是作为相应的氧化物的重量%表达的。当玻璃化成液体后，在约500℃温度下保持10分钟。玻璃固化后，不再透明。在上述温度下，以及当温度上升到约650℃之前玻璃不再熔化。

在焙烧过的复合材料中，含有玻璃在百分之15体积至百分之五十体积的范围内，较好是在百分之二十体积至百分之四十体积范围内。软化温度最好选择在300℃至1300℃范围内。选择的加工温度使玻璃至少在其软化点之上，最好处于液态。

陶瓷和金属微粒与玻璃混合形成一种热固化复合材料，高于某一温度，它就不再透明。首先，复合材料最好是在玻璃为液态的加工温度下形成的。然后，复合材料可以在接近加工温度下在炉火中保持足够长的时间，使它固化后有不透明的结构。玻璃在结晶态通常会比在玻璃态牢固的多，有这种性质的复合材料，也就是陶瓷和金属微粒与不透明玻璃混合制成的材料可以称为热固化材料。给出后一种特性是因为再熔温度比原始加工温度高很多。

例如一种不透明的焊接玻璃CVIII是Owens    Illinois    Co.生产的。在大约470℃加工温度下熔化。如前所述这种玻璃是一种PbO-ZnO-B₂O₃类型玻璃，其标称组成为约10重量%B，0.025重量%Al，8.5重量%Si，0.04重量%Ti，0.01重量%Fe，8.5重量%Zn，12.5重量%Zr，0.25重量%Hf，2.0重量%是Ba，其余是Pb。所有的元素是作为相应的氧化物的重量%表示的。当玻璃熔化成液体后，在约500℃温度下保持约10分钟，固化后玻璃有一种不透明的结构。在此温度下，它不再熔化，直到温度上升到约650℃之后。不透明玻璃的这种热固化特性是特别有益的，因为它允许成品在比起始加工温度高的环境温度下使用。

复合材料的第三种成分是由金属微粒组成的，它在加工温度下最好是可延展的。使用金属微粒，因为它们能大大减小为增密复合材料制品所必需的压力。据认为，在加工过程中，它们被压入陶瓷微粒之间，包在陶瓷微粒的表面。因此，减小或者消除陶瓷微粒的连接，从而减小加工压力。例如，通常的工艺包括把陶瓷微粒、金属微粒和玻璃的混合物加热到加工温度，在此温度下，金属微粒是软的，有延展性的，但不熔化。这时得到的复合材料浆液可以在模具内成型。当陶瓷-玻璃-金属浆液流入模型时，陶瓷微粒被压得互相顶撞。玻璃相从相邻陶瓷微粒之间被挤出形成接触点。如果其中没有金属微粒存在，陶瓷微粒可能要保持接触，留在原地不动，从而减弱浆液的流动性。为了得到所要求的最终外形，为了增密和成形，要求复合材料容易流动。当成品形状越复杂时，流动性的任何减弱越影响严重。

本发明的独特处是在复合材料中加入金属微粒，用来大大改善复合材料浆液的流动性。金属微粒起着一种润滑剂的作用，使陶瓷微粒互相滑动。据认为，一些金属微粒进入相邻陶瓷微粒的间隙，压在可能起连接作用的陶瓷微粒的接触点处。受相互靠拢的陶瓷微粒挤压的金属微粒粘附在陶瓷上，並且变形。这种变形使含有陶瓷微粒的浆液能够在铸模内流动，而防止对陶瓷微粒的破坏。

金属微粒可以是由任何金属或合金组成的，它们在加工复合材料的温度下应该是不熔化的。金属或合金最好从铝、铜、铁、银、金、不锈钢或它们的合金中选取。被选用的金属和合金在加工温度下最好是延展性好的。因为任何金属或合金在稍低于其熔点温度或在凝固线以下都是可延展的，在适当选择的加工温度下有延展性的金属均可使用。在加工温度下，如果金属和合金没有足够的延展性，成形工艺中可以增加压力以便提供所要求的变形。金属或合金微粒的平均直径最好在0.01到50微米之间。

烧成的复合材料可以到处都连续地或不连续地布满金属微粒。甚至当金属微粒分布是连续的情况下，它们也不能构成一个基体，並且主要受局部结块的支配。当金属微粒连续分布时，这种产品可作为导电类，当微粒分布是不连续时，典型的产品可作为绝缘类。

为增加在加工温度下复合材料的流动性，存在于复合材料中的金属微粒有效量高达焙烧后材料的约45体积%。金属微粒占复合材料的大约5到45体积%比较好。

根据不同用途，如用作电子元件封装材料，最好用绝缘体类复合材料，其特点是提供的金属微粒的体积百分数，使金属微粒呈不连续地分散在整个烧过的复合材料中。本例在已烧过的复合材料中，金属和金属合金微粒低于约25体积%是比较好的。更好的是，金属微粒组成大约低于烧过的复合材料的15体积%。把金属微粒体积百分比限制在此范围，被认为是防止在最后烧结过的复合材料中，形成连续的金属通路。

制成的复合材料既便仅含有不连续的、分散的金属微粒，与仅用陶瓷微粒和玻璃基体结合在一起形成的复合材料作比较，其导热性得到改进。特别惊人的是制成的含有分散的、金属微粒的复合材料增加了导热性，而不能相应地增加导电性，此种非同寻常的特性的成因尚未完全弄明白。

根据复合材料的用途，可把它分类为导电体。此时最好使提供的金属微粒的体积百分比，正好使微粒连续地分散于整个烧过的复合材料中。比较好的是，在此已经烧过的复合材料实例中，金属和金属合金微粒占有大于约25体积%。更好的是，金属或金属合金微粒占烧过的复合材料体积的30%至45%。把金属微粒的体积限制在此百分比范围之内被认为是促进烧过的复合材料中连续的金属通路的形成，从而提供良好的导电性及导热性。例如一种导电复合材料，在电子学封装领域之外被认为具有广泛的用途。例如在需要导电性能的地方用作工程复合材料和电子学复合材料。

本发明的复合材料的制造过程包括提供三种原料，陶瓷微粒，金属微粒和一种玻璃。该过程可根据所选择的特定材料采用不同的技术来完成。例如，陶瓷微粒首先可以与延展性较好的金属微粒混合。其次，玻璃微粒用于把陶瓷微粒结合在一起，被加入上面的混合物中。混合物被加热到适当的加工温度，使其正好在该温度下使玻璃微粒液化或至少是使其软化。由此得到一种半固态稀浆，在熔化的玻璃中分散着固态金属或陶瓷微粒。由此，这种复合材料最好作为一种半固态稀浆可以通过常规的工艺，例如热锻造或在模具中热压制成任何需要的形状。用热压、复合材料受到约500磅/吋²（psi）至300×10³磅/吋²压力后就比较坚实了。有效的最低压力被认为是那种粘附于相邻陶瓷微粒间的金属微粒变形所需的压力。这依赖于在加工温度下金属或合金的延展性。在此过程中，如果在加工温度下金属不能充分延伸，可以使用更高的压力使金属微粒变形。

最后，混合物被冷却使玻璃固化並把复合材料粘结成一种不透明的成品。一种常规的脱模剂，例如氮化硼涂在模型壁上，可使被压制的产品与模具脱开。其特点是，脱模剂不粘附在模具壁上，也不粘在压制品上。但是，首先考虑的是脱模剂不能粘附在模具壁上。本发明的一个重要优点是冲压的复合材料是非常致密的，並具有确定的形状且与模具形状具有很高精度的一致性。

本发明能生产比目前工业可能采用的陶瓷制造方法所制造的严格得多的公差和形状更为复杂的零件。这种显著的优点主要归于以下原因。首先，原始材料不能含有任何成份，如有机物，它在实际制作过程中消失，这些损失能导致过度的收缩。第二，金属微粒能使陶瓷微粒在加工条件下更好地相互流动。另一个重要优点是烧制温度实际上低于通常的陶瓷材料的烧制温度范围。在较低的温度下加工，与任何已知的过程比较可从本质上降低生产费用。

制作过程包括常规步骤，热冲压和热锻压。对于粉状混合物或冷压缩的混合物能直接进行热冲压。但是，取决于玻璃质，热冲压需要氧化气氛。例如，一种玻璃焊料象PbO-ZnO-B₂O₃需要氧化气氛，以防止玻璃态改变。

通过在复合材料中采用不透明的玻璃可以获得在导热和机械性能方面的进一步改进。对电子封装可以用一种不透明的玻璃在比管壳工作温度显著低的温度下制成管壳。

典型的程度如下：

大约45体积%的不透明性的玻璃微粒（-325，90%目）（Owens Illinois CVIII），与大约45体积%的微粒Al₂O₃（-120目）和大约10体积%的雾化金属铝粉（-325目）混合形成的混合物在大约50×10³磅/吋²压力下冷压。然后把冷压物在大约470℃温度和在25×10³磅/吋²的压力下，压成1-1/4直径，0.1厚的盘。然后把圆盘放在炉中保持在约500℃的温度下约10分钟，使最后的结构变成不透明的。

现用透明玻璃制成的陶瓷-玻璃-金属复合材料举例如下：

大约45体积%的透明玻璃（Corning    7052）微粒（-32590%目），与大约45体积%的Al₂O₃微粒（-120目）和约10体积%的精细雾化的铁粉（-325目）混合。所形成的混合物在约50×10³磅/吋²压力下冷压，冷压制品在约1220℃温度和约25×10³磅/吋²压力下压制成园片。此圆片可固化成最终为透明的结构。此合成片状物是非常致密的，並具有约70×10^-7m/in/℃的热膨胀系数。

陶瓷-玻璃-金属复合材料也可以构成导电体。在此给出此种结构类型的例子。约15体积%的透明玻璃（Corning 7052）微粒（-325，90%目），与约40体积%的精细雾化的铁粉（-325目）和Al₂O₃微粒（-120目）混合。形成的混合物在约50×10³×磅/吋²的压力下冷压。此冷压块在约1220℃温度和约25×10³磅/吋²压力下热压成圆片。圆片再固化成玻璃质的最终结构。合成的圆片被认为是非常致密的，並具有约86×10^-7in/in/℃的热膨胀系数。

以上所描述的复合材料应用于有关的半导体封装是特别合适的。首先介绍的一个实例是针对陶瓷浸渍管壳的，图1示出以前的式样，用本发明独特的复合材料代替其中的底座和盖片。以前式样的管壳8包含陶瓷底座10和盖片12与夹在中间的引线框架14。首先把引线框架用焊接玻璃16与底座10焊接。焊接玻璃16将引线框架焊接到基片10上並伸到引线框架的上面，见图2说明。然后把器件18用一普通的焊接材料焊在底座的表面。其次，在电学上用金属丝20把器件与引线接通。在引线框架和盖片12之间放置焊接玻璃的压片21。最后，把盖片12叠架在玻璃压片和底座10上。然后把它们一起加热加压从而得到密封的管壳。在图1中以前式样的陶瓷浸渍外壳的主要缺点是很明显的。位于底座和盖片之间的密封玻璃中埋有引线框架。所以在引线框架两侧，玻璃和玻璃的焊接点受到由于引线框架弯曲引起的很大的应力。通常引线框架在管壳的处理和安装过程中易受到此种类型的弯曲。

随着本发明的陶瓷-玻璃-金属复合材料的出现，可在比较低的温度下，即低于500℃时制成陶瓷模型。特别是用于加工半导体外壳，因为这里节省了大量加工费用，即有明显的效益。由于在低温下能制造陶瓷-玻璃-金属复合材料，模具有极长的工作寿命和需要较低的能源消耗。但是，对于玻璃相来讲，透明的低温玻璃可能导致所形成的复合材料在高温操作时引起损坏现象。正如以上所述，这个潜在的问题可以用不透明玻璃制造玻璃基体的方法加以解决。

本发明的一个主要观点是金属零件能够嵌进复合材料，在形成复合材料最后形状期间在一个简单的步骤中就能实现金属零件的嵌入。更大的优点是任何金属或合成制成的金属零件与复合材料中的玻璃相是热相容的。如果金属零件不能粘附于玻璃相，可以在金属零件表面适当地加上粘附的涂层以达到相同目的。例如合适的金属包括镍、铜、铝、铁、金、银及其合金。

应用该技术制造电子封装，导致大批量地制造坚固、便宜、品种繁多的各类管壳。例如此技术可用于在制造陶瓷浸渍管壳的热成形步骤中将引线框架嵌入衬底中。其结果是引线框架直接嵌入陶瓷-玻璃-金属复合材料，而不使用玻璃焊接剂，如常规的陶瓷浸渍技术那样。这种新结构消除了陶瓷浸渍结构中的主要弱点之一，即由于引线框架弯曲使玻璃密封料破裂。

图3示出了半导体管壳22。底座24和盖片28两种都是由本发明的陶瓷-玻璃-金属复合材料26制成的。由陶瓷微粒构成的复合材料，玻璃相是为了粘着陶瓷微粒，而且金属微粒不连续地分散于整个复合物中。金属引线框架30被嵌入底座24中。封焊玻璃32，例如玻璃焊接剂它是由一组硼硅玻璃、钠钙玻璃、硅酸铅和硼酸铅锌构成的，把底座24焊接到盖片28上。

陶瓷-玻璃-金属复合材料26也可根据本说明前面叙述的原理制造。例如陶瓷微粒包括约占最终制成复合物体积的20-80%，並且最好是占约40～65体积%。所选用的陶瓷微粒直径范围大约1～200微米。金属微粒所含有效量高达约25体积%，为了提高复合材料在加工温度下的流动特性，金属微粒的最优有效量约达15体积%。加工温度最好选在玻璃熔化温度以上，玻璃把复合物粘合在一起，更好的是高于“玻璃变为液体的温度。此外，需选择粘结玻璃32的粘结时间和温度，以便复合材料中的玻璃质不变得非常软，使盖片和底座没有显著变形。再有，金属微粒大约为0.01～50微米。金属微粒的熔化温度应在已选用的加工温度以上，以便提高上述复合材料的流动性。为制成复合材料所选用的金属微粒在加工温度下不能熔化。为使复合物粘合在一起，可以选用透明或不透明的玻璃。

选用不透明玻璃作为复合材料的基体，上述陶瓷浸渍管壳可以得到在热导和机械性能上更多的改善。明确地说，不透明玻璃导致复合材料的热导率和机械性能的改进。

半导体管壳22，如图3所示，可按以下步骤制备。底座24和盖片28，用陶瓷-玻璃-金属混合物与有机粘合剂，例如聚乙烯醇（PVA）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）经过初步冷压至适当的大小和形状。然后使熔烧零件的温度约低于400℃，以便烧掉有机粘合剂。再后如图3B所示，把一个金属引线框架30安放在底座上表面，並在玻璃软化的温度下热压，压力约为300×10³磅/吋²，以使引线框架的表面依然暴露在外，而且玻璃质熔凝並填满有机物烧光后留下的孔隙。任何金属和合金都能形成最好的引线框架，只要它们与复合材料中的玻璃是热相容的。也就是，和焊接玻璃32一样，引线框架材料能够很好地与复合材料的玻璃相连接。如果引线框架本身不能粘附于玻璃相，可以适当地在金属框架的表面上涂粘合剂以达到相同的目的。适宜的引线框架金属包括镍、铜、铝、铁、金、银及其合金。然而，本发明不限于这些金属和合金，其中包括所有其功能满足要求的金属和合金。一般情况下，半导体器件34可以用普通的粘接剂与底座连接，例如Au-Si粘接合金或焊料。其次，器件34可以用金属丝连接到引线框架的末端。于是，把焊接玻璃32的压片安放在底座24和盖片28之间，然后把管壳加热至焊接玻璃32的软化温度並压紧在一起。其次，把管壳冷却使焊接玻璃32固化並形成气密封接。

图3所示典型的半导体外壳具有独特的优点，超过了先有技术中用陶瓷浸渍工艺制造的管壳。例如，引线框架压制到底座上将导致更加显著的引线共面性。因此引线框架和芯片间金属引线的焊接操作速度可以更快，因而可以提高超声波引线压焊机的工作速度，如图2所示，在框架的引线末端之间发光的玻璃，事实上已被取消，这是因为引线框架30现在粘合于陶瓷-玻璃-金属底座内，如图3B所示。优点是观察认别体系的效率有明显的增加以及相应地提高金属引线焊接操作的生产效率。通常，观察识别系统用于对粘附于陶瓷浸渍零件上的引线框架的导线的末端的自动化定位。当玻璃的反射与框架导线末端上的铝的反射相同或更好的时候，该系统往往把伸出的玻璃误认为引线末端。因为观察识别系统是在灰度标的对照物上操作，上述问题就会引起严重的运转故障。通常的解决方法是与引线末端相比，把玻璃保持在较低的平面。这可以通过严密的工艺控制来完成，但是仍然有识别错误，而次品则必须用手工操作的机械来修整。本发明的工艺能在浸镀铝的或金属化的引线附近提供色暗的陶瓷，从而提供了很好的反差。

参照图4，它示出了另一种电子管壳31的具体装置，其中包括金属片33和34分别嵌入盖片和底座28和26的腔体内部。管壳31可以按照以上所述的类似方法並参照图3的具体图示制作。图4中示出的零件与图3所示的基本相同，具有相同的带有撇的数字编号。金属片降低“软误差”（“Soft    error”）几率，因为与常规陶瓷相比较，金属材料一般含有极低量的放射性元素，放射性元素导致软误差而其对半导体存储器来讲是很重要的问题。常规陶瓷生产厂家，借助于昂贵的材料来降低陶瓷部分的放射性。本发明通过嵌入金属片33到陶瓷复合材料盖片28的内腔来克服上述问题，如图4所示。该金属片最好是由任一种金属或合金制成，它与复合材料的玻璃基体是热相容的。也可以说，金属材料特别容易粘接到复合材料的玻璃相上。如果金属本身不能粘合到玻璃相上，它需要加上粘合剂涂层，例如在金属的表面电镀也可以达到相同的目的。适用的金属材料范围如镍、铜、铝、铁、金银和其它合金等。属于本发明的内容还有在底座的模槽上安放一金属片34与盖片金属片33一起，可提供电磁屏蔽。位于底座腔内的金属片的选用条件与盖片内的金属片一样。

用金属片制造的陶瓷浸渍零件与用常规方法制造的零件相比，还具有另外的优点。芯片腔的金属化可以用电镀来完成，与在芯片腔中应用常规厚膜技术相比较，电镀层的厚度薄多了。在常规的厚膜方法中，用厚度高达约600至700微英吋的膜。这个厚度是由烧结工艺引起的。烧结工艺使烧过的金属有许多孔隙。黄金软膏中主要含有金粉和玻璃粉。这些粉混在有机基体中，该基体由溶剂和溶质构成，为软膏的应用提供了适宜的流变性。由于烧结膜的多孔性，为保证连接的芯片不出工艺问题，也需要有较厚的膜，这也是由于微孔的范围不详，也不能适当控制。在烧制过程中，玻璃焊剂与衬底化学键合。然而玻璃与金之间的结合是机械性的。玻璃相与金的相互混杂，形成了许多机械的连接。形成这种键会需用大量黄金是这种方法的特点，而在金属片上镀金，则不需要大量的金。

金属片或试片，即基片34上的镀金层，在电镀同样物体时，其层厚不需要比50～60微吋更厚，由于金构成一个陶瓷浸渍管壳价格的主要部分，大约占40%，如果减少金的用量多达90%，那么将大大减少这部分成本。

本发明並不限于陶瓷浸渍管壳，也包括其它的设计结构，如CERQUADS。除引线从管壳的四周向外伸展以外，其它部分和陶瓷浸渍管壳相似。以前用陶瓷管壳是不可能的，因为在焊料上的引线的弯曲对焊料产生应力。

本发明的另一实例是用于制造多层管壳。如图5至图10所示。图5示出按上文所述原理制造的第一个冷压陶瓷-玻璃-金属复合材料片40，图6A和图6B示出第二个冷压陶瓷-玻璃-金属复合材料片42，最好用与40相同的材料制成。图7A和7B示出第三个冷压陶瓷-玻璃-金属复合材料片44，最好用与片42相同的材料制成。

根据不同需要，不同结构的金属零件可以安装在不同的位置，並根据制造元件的特殊要求进行组装。例如，图8中一个引线框架46安置在层40′和层42′周围。在其它图示中所示基本相同的零件用相同的参数加撇。同样，金属零件48放在第一层40′的表面上。然后，把金属焊接环50放在第三层44′的上表面。

结构49由与金属零件48与50相连的陶瓷-玻璃-金属零件组成，然后经热压将引线框架46和密封环50嵌入复合材料47，以便制成图9所示的结构54。图9和图8不是同一比例。热压可以在一定的加工温度下进行，这个温度取决于为复合材料的玻璃基体所选择的玻璃。金属零件49可以镀一层金以增强与那里的半导体芯片的键合。芯片可以固定在腔内，把金属丝连接到引线51的末端。最后一个金属盖（没有示出）可以焊接到密封环50上。

用于制成密封焊接零件或者其它相似的装置的金属，可用不同的方法保护其表面，例如金属可以镀金。硼硅酸盐焊接玻璃的一般加工温度约470℃，不会降低这个镀层的质量。而且金属也可以被选择性地电镀，例如焊片31和引线框架的露出部分可以镀金。与复合材料相接触的金属部分可以镀镍以提高玻璃和金属之间的粘附力。金属插入物48或50的一些部位可以在嵌入复合材料后再进行电镀。根据材料系统和产产品应用的特殊需要，用任何所需要的金属或合金进行电镀都是在本发明范围之内的。更进一步，复合金属插入物48或50其中的包层可以根据需要用做涂层。

参照图10的实例，示出管壳59与图9中的陶瓷浸渍型外壳相似，只是外加了一个热沉60和一个上盖62。管壳59可以分类为无引线的陶瓷芯片载体。这一实例利用了能把金属结构键合到复合材料内的优点。这一金属结构的选择，是根据对图4中的金属零件33和34讨论的原理。热沉60的上断面68的外围形状基本上和复合材料66上的槽65相同，並延伸到槽65内。热沉60还有一个比上断面68大的下断面69，伸展到复合材料体66的一个外表面67。热沉60有消除由芯片63产生的热量和提供焊接芯片63的表面61的双重功能。此外，如上所述，表面61还能镀金。可以用任意金属或合金，例如用引线框架46所选用的金属，制成上盖62，並且可用传统工艺如锡焊和铜焊把它与密封环50′键合。

参照图11的实例，示出了管壳70，除其外部引线72为铜焊或焊到嵌进陶瓷74的引线框架73上以外，其它与图10相似。热沉60上的附加散热片71是可自由选择的。而且金属热沉60′本身也是可以自由选择的。它可改进热性能，当然如果需要的话，热沉本身也是可以省去的。热沉60′最好由高导热率的金属或合金制成，如从铜、铝、金、银、镍、铁及其合金中任选一种只要与组成的陶瓷体74的陶瓷-玻璃-金属复合材料相容就行。金属盖62′最好是锡焊、铜焊、或熔焊嵌进复合材料体74的金属密封环50上。

参照图12中的实例，示出的管壳80与图10中的管壳相似。管壳59和管壳80的不同点在于密封环50′和金属盖62由陶瓷-玻璃-金属复合材料盖82和密封玻璃取代。此外，热沉60′是可任意选择的，也可根据需要去掉。嵌进的内线88如果需要可以用一种热导率较低的材料制成，因为引线和引线框架对热性能作不出多大贡献。引线90也可用一种热导率较低的材料制成。由于引线框架88和引线90两种都由坚固的金属制成，与在多层管壳中的典型作法相同，不用将金的合金硬焊到金镀层上，而用点焊将引线90焊到引线框架88上。这样做的优点是明显地降低了价格。

参照图13的实例，示出管壳100，它为一个陶瓷浸渍管壳提供了一个高质量代用品。用陶瓷-玻璃-金属零件102组成了管壳主体，引线框架104嵌入102体中。可以用任何传统工艺如铜焊或点焊将引线90′固定在引线框架88′上。一个金属密封环50′′′也嵌入零件102的上表面110中。密封环50′′′有一个金包层112位于它的上表面。同样有一个金包层114位于引线框架88′的末端以提高用金属丝与芯片的连接强度。最后，常规盖片62可以用任何常规工艺，如用锡焊到密封环上。

参照图14的实体，示出管壳120。此图与图13中所示的管壳相似。只是为减少管壳的成本，金属盖62′′′和金包层112是用玻璃焊料84′直接焊接到陶瓷-璃璃-金属零件102′上的陶瓷盖82′所代替。

参照图15的实例，示出一个管壳或半导体管壳130，它有一个独特的热沉，有极好的热性能。管壳130包括一个主体零件131和一个适于容纳半导体芯片135的槽133。引线框架134也嵌入到主体零件131中，它的引线末端139伸入到槽中以便用金属丝与半导体芯片135焊接。一个杯状零件132铸到陶瓷-玻璃-金属零件131上，使得杯表面137成为装架芯片的表面。一个法兰盘136基本上由零件132的侧壁142向外垂直伸展成为管壳130底表面的一部分。实际上，法兰盘136变成一个热沉。法兰盘136可以包括折起的末端138，实际上垂直于法兰盘136而立于管壳的侧面。但是，删去末端138是属于本发明范围之内的，如果需要的话，金属零件140，如一种高热导率的材料铜，可以固定在管壳的底部用于桥连法兰盘136的一部分和另一部分，以进一步提高法兰盘的热沉能力。而且杯132的拉伸部分边壁142有很多可以通过陶瓷-玻璃-金属混合物的小孔144填入腔体。为达到最佳热性能，法兰杯最好选用一种高热导率的材料如铜。杯的厚度应最佳化以避免由于热膨胀系数不同使得陶瓷-玻璃-金属复合材料和金属杯之间的连接失效。一个没有画出的密封盖可以连接到146的上表面，盖片可以由任何所需的材料如金属、釉质金属或陶瓷制成。连接方法可按照图12、13和14所示实例中描述的技术，也就是说，可以用密封玻璃，用密封环和金锡焊料或者用焊接玻璃。

这里叙述的陶瓷-玻璃-金属复合材料，用于制造多层陶瓷-玻璃-金属衬底是非常适用的。它可以在许多相邻的一对陶瓷-玻璃-金属衬底之间带有电导体图案。下面将描述一个典型样品的生产步骤。此装置用一个衬底150开始，如图16A所示，最好用一种含有有机粘合剂如PMMA和陶瓷-玻璃-金属复合材料的混合物进行强化的方法来制造，可以按需要准备任意数量的通孔，通孔152具有任意所需要的直径。而且典型的是在大约5-20密耳的范围内。通孔152的尺寸並不构成发明的一部分，而是按需要可大可小。通孔152可以填入导体154，如使用有机载体的导电膏，它含有任何所必需的导电材料的微粒，如金、银、铂、钯、铜或它们的合金。如果需要，用衬底150的玻璃与导体微粒相混合以便提高导体154和陶瓷-玻璃-金属衬底150之间的连接强度。通孔也可包括固体导线或者用导体如焊料填满。金属层156、158可以由任何需要的导电材料制成，如铜铝、铁、铜银合金、铜金合金或它们的其它合金。

再参照图16B，薄金层156和158可以置于陶瓷-玻璃-金属结构150的单侧表面或双侧表面。最好金属薄层156、158附着在陶瓷-玻璃-金属衬底中的玻璃上。然而根据本发明将薄层用玻璃（如美国专利申请序号811，846所揭示的）连接到衬底上。例如金属箔可以选自脱氧铜合金或无氧铜合金，而玻璃可以从硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃中选出。结构150第一次烧到能烧尽有机粘合剂的温度，这一温度典型的是低于400℃，但如果适合，也可以稍高一些。然后把这个薄膜和陶瓷-玻璃-金属衬底叠在一起的组合体加热到玻璃软化温度，受层压的作用，使金属箔粘附到衬底150中的玻璃基体上，並使直孔152中的导体154与金属箔156、158相连接。在衬底150和金属箔156、158之间放一个玻璃层，也是属于本发明的内容。这一结构被加热到玻璃层变软的温度，使玻璃层把金属箔156、158连接到衬底150上。

参照图16C，可以用任何所需要的方法如用传统的干膜光刻技术进行腐蚀，在金属薄膜156、158中形成多层电路图形160、162。用传统的光刻技术包括用常规的正光刻胶覆盖金属薄膜156158的外表面，这种光刻胶可以由光分解型光敏树脂组成。然后一个预先设计的具有对曝光不透明的材料制成图形的光刻版与光刻胶相接触。在曝光时，只有光刻版上没有掩膜部分的光刻胶被曝光。然后把光刻版移走，並使光刻胶显影，被曝光部分的光刻胶被溶掉，经腐蚀后，制成电路图形。用任何一种常用的腐蚀液如碘化钾或FeCl₃/HCl铜腐蚀剂。用同样的方法把这个装置经几次涂光刻胶和腐蚀，制成所需要的图形结构。这个装置适用于混合电路器件。

然后，如图16D所示，使用一个与结构150相同的方法制成的第二个陶瓷-玻璃-金属结构164，被置于或叠加在与结构150粘在一起的金属薄膜166的上表面。把此装置加热到衬底150和164中的玻璃软化的温度。然后，可以加层压，把结构164压在结构150上，使得两结构间的玻璃进行粘合。用大约少于300psi的压强足以完成此步骤。此外，还可用任何适当的层压。

虽然，到此为止，本发明已叙述了用金属薄膜粘附在衬底150上，然后在上面作成电路图形，但是，在将薄膜装到衬底上之前，用所需要的技术在薄膜上制成电路图形也是根据此发明。然后，衬底和薄膜可被加热到玻璃软化温度，並将其置于层压下使薄膜粘附到陶瓷-玻璃-金属衬底上。如图16C所示。

从图16D可见前面所描述的生产一个多层混合电路装置167的步骤，可以重复使用以便制成任意多层。当陶瓷-玻璃-金属结构从熔凝温度冷却到室温时，在这一典型操作中热收缩对它没有实质性影响，从而对制成的结构167是非常有利的。因此，所提到的混合电路装置是可生产的，而且导体层之间的电路和电的连接保持着通孔接触。例如结构164的直孔170和172中的导体与陶瓷-玻璃-金属结构150上的电路160相接触着。

再参照图16E，它所示出的是一个附加衬底178，它包括许多填满通孔180的导体与衬底150的表面182上的电路相连接。可以控制直孔180与电路162对准，以便基本消除通孔电连接带来的问题。最后金属管腿184可以用任何方法如硬焊连接到填入通孔180的导体上，以构成一个管腿列阵结构168。

本发明的另一个实例，如图16C所示的电路160和162，可以用于如图16A所示的衬底150，所采用的方法是用网印技术把金属导电膏印在衬底150上，用这种方法时衬底150可以由高温玻璃制成，而且在涂上导电膏之前，事先焙烧。然后导电膏最好在压力为300×10³Psi下烧结，而温度从大约450℃升到1000℃，以便熔凝导电膏中的金属微粒，使它具有较高导电性並连接到陶瓷-玻璃-金属衬底150内的玻璃上。这一步骤应在模具内完成，使得衬底不失去其必需的形状。

此后可以把附加衬底150放置在衬底150的任何一个侧面，如图16D和16E所示，以便于制成一个和前面所提到的167、168相似的多层结构。

本发明也适用于容易成型的陶瓷产品並根据特殊需要选择其组分。本发明的复合材料非常有利于应用在工程陶瓷的一般领域内，並具有陶瓷新应用的广阔领域，如陶瓷发动机及其零件、切割工具、人体假肢和其它各式各样的可能应用。本发明特别适用于制造既需要陶瓷材料的固有优点，又需要公差很小的制品，而且还要容易制造。这种陶瓷材料以其耐高温能力、低介电常数、高强度和化学稳定性而特别闻名。

图17至图21示出了各种各样的产品，它们是用本发明的复合材料制成的。图17是一个陶瓷转子叶片的示例。图19是一个发动机的示例，它主要是由陶瓷原料制成的。图18是一个假肢的示例。图20是一个砂轮的示例，图21是一个有金属镶块的陶瓷发动机气缸体示例。所有这些都是用本发明的复合材料制成的。图17至21所举实例不意味着本发明的复合材料所有可能的应用，而只是举例证明它用途广泛。典型地在那些陶瓷的物理特性具有特殊优势的地方，本发明的复合材料是最有用的。

图17至图21示出的特殊结构仅仅是举例，並不意味着对本发明的限制。更进一步，每个图形代表了用本发明制成的一类产品中的一例。示出的结构形状的确是众所周知的形状，还有很多种其它众所周知的结构和形状可以在其位置示出以代表同类产品。

按照本发明，建议用常规工艺，包括热锻造和在模具内热压，用陶瓷-玻璃-金属复合材料的混合物制造产品。另一种情况，如果需要的话可以对复合材料先制成坯，用有机物把它们粘在一起，例如用聚甲基丙烯酸酯（PMMA），聚乙烯醇（PVA）。在加工过程中，先加热坯，到一定温度下，保持一定时间，挥发性的有机物挥发了。然后可以把坯热压或者热成形，使产品达到最大的密度。

图17示出，用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的陶瓷转子200。许多年来，人们试图在高温排气部位用上陶瓷部件，以便对发动机提高涡轮增压叶轮机的效率。这点对新一代的燃气机的小型化和更高的效率是很重要的。当前把未冷却的金属超级合金用于涡轮增压叶轮发动机，特别是用于转子，在这样的温度下，由于与蠕变相关的缺陷，不能很好地达到要求。此外，转子与强腐蚀性的高温发动机废气总是保持接触。再者由于转子形状复杂，制造一个转子耗费很大。人们曾做过努力，试图用陶瓷叶片代替昂贵的超级合金涡轮叶片。然而制作费用很高，还不适于批量生产。由于陶瓷材料的强度很大，要求用像金刚石一样的材料进行耗费大量时间的研磨，以便得到最终形状。用本发明的原理，可以用合理的费用制造一种陶瓷转子，因为它可以用一步工艺法制成精确的复杂形状。复合材料用的玻璃和金属微粒最好选择能承受陶瓷转子所能经受的工作温度。例如可从硼硅酸盐中选择玻璃。它的熔化温度约为1220℃，金属微粒最好是抗腐蚀的，可以从不锈钢、钨钼和镍一类材料中选取。选择的陶瓷能够承受气体的温度和化学腐蚀。这些材料包括氧化铝、碳化硅和碳化钛。可以认为本发明提供了一种非同寻常的方法把陶瓷转子浇铸成所要求的复杂曲线形状，这是由于本发明基本消除了以前工艺中普遍存在的收缩问题。本发明可以用较低的价格、较低的温度和改善很多的形状公差制造陶瓷转子。

图19示出一种发动机220，它有很多零件是用陶瓷-玻璃-金属复合材料制造的。这种复合材料用于制造发动机汽缸体是特别优越的。因为它能承受高的工作温度，容易制成精确而又复杂的形状，而且使用比较廉价的材料。如果需要，还可以根据要求在制造时把金属材料直接铸造在复合材料内。可以想象，主要由陶瓷制成的发动机是特别有用的，因为它可以在比金属发动机高很多的温度下工作，也可以不需要冷却。

图19示出的发动机汽缸体220，可以用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成。金属镶块，如汽缸26，可以装入发动机里工作，适用于发动机汽缸体的陶瓷-玻璃-金属复合材料可以含有体积约为20%至35%的硼硅酸盐玻璃，体积约为5%到10%的铁或铁合金微粒，其余是氧化铝微粒。此外，还可以按比例选择复合材料的成分，使材料有高的热导率，进一步增加发动机汽缸体的散热能力。这点可以包括增加铁或者铁合金的微粒的体积百分比，达到大约30%到40%的体积。使它们连续分散在整个复合材料内。在这种情况下，很可能含有玻璃约占15%到25%体积。

图18示出一块人体假肢230。是人体臂部假肢。过去人体部位特别是骨骼和关节，已经用陶瓷以及不锈钢和钛及钴的合金制成。金属材料对腐蚀性疲劳极为敏感，因为它处在一种生物环境中。假骨应具有的特性是韧性、抗腐蚀性和容易成形。本发明的复合材料对这些应用是相当有利的。可以选择适当的材料和比例，使复合材料容易制成复杂的形状，不怕腐蚀，有些像人骨，所以可以与人骨相容，能迅速与人体相匹配。可以认为用大约40%体积到大约65%体积的陶瓷，如氧化铝可以制成合适的复合材料。氧化铝是特别有利的，因为用它可以获得高的质量。优先选用的金属微粒是高抗腐蚀性的，它们包括金、银或不锈钢。金属微粒将占有复合材料成份的5%体积至15%体积。复合材料的其余部分是玻璃，它在人体内部体温下有很好的耐久性。在此应用中，这种复合材料是非常适用的，因为它特别容易制成所要求的复杂形状，具有化学耐久性以及根据需要改变形状的能力。对于假肢，这点是特别重要的，因为它们必须根据医生的详细要求进行特制。虽然示出的是臂部假肢，根据要求制造任何所需要的假肢都是在本发明的范围之内的。

图20示出一个砂轮240，砂轮的一个主要特性是它的硬度，使它能磨任何其他材料。耐磨性也是关系它的概率寿命的因素。砂轮最好是脆的，磨损的微粒将脱落並提供新的磨削表面。散热也是重要的，同时砂轮还应能承受热冲击。本发明的陶瓷-玻璃-金属复合材料可以容易地加工成具有上述各个特性的砂轮。金属微粒约占复合材料的5%至20%的体积。它们选自包括铜、钨、钼、镍和其合金在内的材料。玻璃约占复合材料体积百分之15到25。而且最好的是硼硅酸盐。其余是陶瓷，可以从土、碳化硅和碳化钛材料中选用。金属微粒分散在整个砂轮内提供高热导率，使砂轮有好的热传导。

从而图17到图21示出了种类繁多的工程陶瓷制品，它们可以按本发明用复合材料制成。虽然就各种制品而言，提到的只是专用材料，它只意味着举例，而不意味着对发明的限制。按照本发明，任何所需要的陶瓷-玻璃-金属复合材料都可以用于上述的任何一种制品。本发明的陶瓷-玻璃-金属复合材料的其它用途有切削工具，密封材料、轴承、剪刀和刀具。

总之，按本发明制成的这些产品，具有高的强度，成形容易、形状复杂、精度高和抗腐蚀性强。

工程陶瓷，包括所有根据需要混入其它材料的精密陶瓷，也就是本发明的陶瓷-玻璃-金属复合材料，其应用领域包括电工瓷、机械和耐热瓷、功能瓷、结构瓷、生物瓷、电学瓷和光学瓷。

为了阐明本发明，把加工温度下增密之后最终被焙烧过的混合物定义为复合材料。不连续分布意味着微粒之间一般相互不连接，以致不能够导电。连续分布意味着微粒之间一般相互连接，能够导电。

在说明中用的术语“热相容”定义为材料的热膨胀系数彼此很接近。

按本发明所描述的每一种管壳或衬底，可以首先把含有机粘合剂的陶瓷-玻璃-金属微粒混合物冷加工成坯。然后把坯加热，使粘合剂挥发掉，最后可以加热坯成为最终所要求的形状。

虽然这种情况已经用加压热成形的方法描述过。但使用任何玻璃成形的方法如浇铸、吹制和模具吹制等，也是在本发明的范围之内。

显然按本发明已经用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成元器件的电子学封装，它满足了上文所述的目的、方法和优点。虽然已用实例对本发明做了说明，显然许多选择、修改和变化对那些熟悉前面已述的精神实质的人是显而易见的。所以其目的是使所有那些选择修正和变化都属于下面权利要求的实质和广宽的范围之内。

Claims (18)

1、一种陶瓷-玻璃-金属复合材料，其特征是

为了增强该复合材料的流动性，其中含有5%体积到40%体积的金属微粒；

为了把上述复合材料粘结在一起，含有从15%到50%体积的玻璃；

其余部分主要是陶瓷微粒；

该复合材料的构成主要是包括上述玻璃基体以及分布在里面的上述陶瓷和金属微粒。

2、根据权利要求1所述的复合材料，其特征是含有该材料的大约20%体积到大约80%体积的陶瓷微粒。

3、根据权利要求2所述的复合材料，其特征是上述的陶瓷微粒是从Al₂O₃、SiC、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄、BN及其混合物中选出的。

4、根据权利要求3所述的复合材料，其特征是上述金属微粒是从铝、铜、铁、银、金、不锈钢及其合金中选出的。

5、根据权利要求4所述的复合材料，其特征是上述玻璃是从硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐、硼硅酸锌、钠钙玻璃、硅酸铅和硼酸铅锌等玻璃中选取的。

6、制造陶瓷-玻璃-金属复合材料的方法，其特征是有下列步骤：

提供一个混合物，包括：

为增强上述复合材料的流动性，用大约5%到45%体积的金属微粒;为把上述复合材料粘结在一起，用大约15%体积到大约50%体积的玻璃微粒;而其余的主要是陶瓷微粒;

将上述混合物加热到加工温度，选择加工温度正好高于上述玻璃微粒的软化点，低于上述金属微粒的熔点;

在该加热温度下把上述混和物制成所需的形状;

固化上述玻璃形成主要含有上述玻璃基体与分布在其中的陶瓷微粒和金属微粒组份的复合材料结构。

7、根据权利要求6所述的方法的工序，其特征是工序在选择上述陶瓷微粒的步骤中包括，该上述微粒占上述复合材料大约20%体积到大约80%体积。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征是选择上述陶瓷微粒的步骤中包括从Al₂O₃、SiC、BeO、TiO₂、ZrO₂、MgO、AlN、Si₃N₄、BN及其混和物中选择。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征是选择金属微粒的步骤中是从铝、铜、铁、银、金、不锈钢及其合金中选出的。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征是选择玻璃的步骤中，从硅酸盐、硼硅酸盐、磷酸盐、硼硅酸锌、钠钙玻璃、硅酸铅以及硼酸铅锌等玻璃中选出的。

11、一种与金属零件相结合的复合材料，其特征是：

底座24是由陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的;

上述复合材料中包括有效量高达大约25%体积的金属微粒以便增强复合材料的流动性;

用大约15%到大约50%体积的玻璃，把该复合材料粘结在一起;

其余部分主要是陶瓷微粒;

该复合材料具有一种结构，主要包括上述玻璃基体和分散在其中的上述陶瓷和金属微粒;

金属零件36，零件36被埋置在上述复合材料中。

12、根据权利要求11所述的复合材料其特征是由透明的或不透明的玻璃基体形成的。

13、一种半导体管壳22，其特征是：

第一个零件24是由陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的;

第二个零件28是由陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的;

上述复合材料包括有效量高达大约25%体积的金属微粒，以便增加该复合材料的流动性，为把该复合材料粘结在一起，含有大约15%到50%体积的玻璃;

其余部分主要是陶瓷微粒;

上述复合材料具有一种结构，主要包括上述玻璃基体和分布在其中的上述陶瓷和金属微粒;

金属引线框架30，该引线框架30被埋置在上述第一个零件24中;

密封玻璃32把上述第二个零件28和第一个零件24焊接在一起。

14、根据权利要求13所述的半导体管壳22，其特征是上述第一个零件24构成一个底座，而上述第二个零件28构成一个盖片。

15、制造半导体管壳22的工艺，其特征是有下列步骤：

提供第一个零件24和第二个零件28，每个零件都是用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的;

该复合材料具有一种结构，主要包括上述玻璃基体和分散在其中的上述陶瓷和金属微粒;

提供一个金属引线框架30;

把该引线框架埋置在上述第一个零件24内

在上述第一个零件24与第二个零件28之间放置密封玻璃32;

加热上述第二个零件28，第一个零件24和密封玻璃32，使温度达到该密封玻璃32成为液态的温度。

把上述第一和第二个零件24、28压在一起;

固化上述密封玻璃32，使上述第一个零件24与第二个零件28焊接在一起。

16、一种多层电路器件，其特征在于：

有许多陶瓷-玻璃-金属衬底;

一层导电的电路图形焊接在相邻的陶瓷-玻璃-衬底之间;

导电装置通过许多陶瓷-玻璃-金属衬底中的每一个以便接触上述导电电路图形。

17、一种工程陶瓷制品是用陶瓷-玻璃-金属复合材料制成的，其特征在于：

为增强上述复合材料的流动特性，含有大约5%到大约45%体积的金属微粒;

为把该复合材料粘结在一起，含有大约15%到约50%体积的玻璃。

其余部分主要是陶瓷微粒。

该复合材料的结构主要包括上述玻璃的基体及分布在其中的陶瓷和玻璃微粒。

18、根据权利要求17所述的制品，其特征在于：

包括下列制品中的任何一种，即陶瓷转子200，发动机汽缸体220，砂轮240和人体假肢230。

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