低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種高可靠高結(jié)合強(qiáng)度低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，乃是針對封裝 數(shù)字電路、微波、電力電子、光電器件以及其他多層氧化鋁陶瓷外殼的制造方法，屬于電子 封裝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多層陶瓷封裝外殼因其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、布線密度高、電熱性能以及微 波性能優(yōu)良，在通信、航空航天、汽車和電子消費(fèi)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近些年來隨大 規(guī)模集成電路向高頻率、高可靠、多功能、小型化和輕重量化方向發(fā)展，越來越多的應(yīng)用要 求將數(shù)字電路、模擬電路、光電等集成到同一器件上，封裝電路內(nèi)部走線密度增大、內(nèi)外引 腳中心距從1.27mm、0.8mm、0.65mm降低到0.5mm，甚至更小，引腳數(shù)從32增加到1152等規(guī)格， 封裝密度大增。其中作為外殼輸入輸出端的金屬引線在器件電路中起著微波、電傳輸通道 的作用，它與多層陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度很大程度決定了器件的可靠性，因此，獲得高可靠、高結(jié) 合強(qiáng)度、低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接是實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、微波、電力電子、光電器件及其他多 層氧化鋁陶瓷封裝器件優(yōu)良信號(hào)傳輸性能的重要保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出的是一種高可靠高結(jié)合強(qiáng)度低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，乃是針 對封裝數(shù)字電路、微波、電力電子、光電器件以及其他多層氧化鋁陶瓷外殼的制造方法，用 于數(shù)字電路、微波、電力電子、光電器件及其他多層氧化鋁陶瓷封裝器件陶瓷與金屬引線的 高可靠、高結(jié)合強(qiáng)度、低應(yīng)力封接。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案:低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，包括如下步驟： 1) 準(zhǔn)備氧化鋁陶瓷； 2) 金屬化圖形制作； 3) 熱切； 4) 高溫?zé)Y(jié)； 5) 配制中間層鍍液； 6) 鍍覆； 7) 金屬引線和焊料片預(yù)處理； 8) 裝架釬焊。
[0005] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：金屬引線洛氏硬度降低到80以下，氧化鋁熟瓷鎢金屬化層上涂覆 鎳層厚度為〇.〇2μπι~5μπι，保證了釬焊過程中間層的高阻擋性，良好的浸潤性和流散性，封 接后氧化鋁陶瓷與金屬引線處于強(qiáng)度安全的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合強(qiáng)度提高到8Kg/cm 2及以上，比 傳統(tǒng)方法至少提高30%，可靠性提高20%。按照本發(fā)明所述工藝路線和方法制作的外殼，其氧 化鋁陶瓷與金屬引線封接結(jié)合強(qiáng)度、和長期可靠性能夠滿足數(shù)字電路、微波、電力電子、光 電器件以及其他多層氧化鋁陶瓷外殼的封裝需求，具有制備工藝簡單、需要的生產(chǎn)設(shè)備 少、可工業(yè)化、低成本大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0006] 圖1是低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接工藝流程圖。
[0007] 圖2是金屬化氧化鋁陶瓷中間層涂覆厚度示意圖。
[0008] 圖3是所采用的金屬引線洛氏硬度示意圖。。
[0009] 圖4是所采用的焊接曲線示意圖。
[0010] 圖5是采用本發(fā)明制備樣品的金屬引線與氧化鋁陶瓷結(jié)合強(qiáng)度示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 如圖1所示，低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，包括如下步驟： 1) 準(zhǔn)備氧化鋁陶瓷，其氧化鋁含量占92~95wt%，采用流延成型的方法加工成0.2~5mm 厚生瓷片； 2) 金屬化圖形制作，采用絲網(wǎng)掩膜版，通過印刷的方式將能夠與氧化鋁陶瓷實(shí)現(xiàn)共燒 的鉬、鉬-錳或者鎢金屬化漿料沉積在瓷片上； 3) 熱切，將工作臺(tái)加熱到25°C~65°C，用刀片將含多個(gè)組件的瓷片切割成單個(gè)，切割成 多個(gè)組件的單個(gè)瓷片送入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)；； 4) 高溫?zé)Y(jié)，切割成多個(gè)組件的單個(gè)瓷片送入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)溫度1500 ~1650°C，真空、氫氣或者氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，燒結(jié)過程中，在氧化鋁陶瓷坯體，鉬、鉬-錳或者 鎢金屬化層，以及陶瓷坯體與金屬化層之間發(fā)生化學(xué)或者物理反應(yīng)，分別形成熔融的玻璃 相，當(dāng)溫度降低至室溫后鉬、鉬-錳或者鎢金屬化層牢固結(jié)合在陶瓷熟坯上； 5) 配制中間層鍍液，配方如表1: 表1中間層鍍液配方
6)鍍覆，為了在氧化鋁陶瓷鉬、鉬-錳或者鎢金屬化層上沉積一層鎳， 鍍鎳的方法，包括如下步驟： ① 用0P清洗金屬化瓷件3~5 min; ② 去離子水沖洗1~2min; ③ 浸堿:用堿溶液浸泡，控制pH為9~12，時(shí)間為1~8 min，溫度50~80°C，取出，用去離 子水超聲； ④ 浸酸：用酸溶液浸泡，控制pH為2~4，溫度40~90°C，時(shí)間1~10 min，取出，去離子水 沖洗； ⑤進(jìn)入鍍鎳槽，時(shí)間為8~40 min，取出，用去離子水沖凈，烘干并測試中間層厚度如 圖2; 7) 金屬引線和焊料片預(yù)處理，其預(yù)處理方法，包括如下步驟： ① 用甲苯、丙酮或者無水乙醇浸泡，時(shí)間1~10 min，取出烘干； ② 將清洗好的金屬引線放入馬弗爐，通入保護(hù)性氣氛氮?dú)?，加熱?100~1170°C，保溫 30~200 min隨爐冷卻，測試金屬引線洛氏硬度如圖3; 8) 裝架釬焊，將金屬化氧化鋁陶瓷、焊料片、金屬引線依次裝入石墨模中，壓上加壓塞， 放入氫氣氣氛并按工藝要求設(shè)定升、降溫速率的鏈?zhǔn)解F焊爐的焊接曲線(如圖4)裝架釬焊， 取出樣品測試金屬引線與氧化鋁陶瓷結(jié)合強(qiáng)度如圖5。 實(shí)施例
[0012]首先采用流延成型的方法加工成0.6mm厚，氧化鋁含量占95wt%的生瓷片；通過印 刷的方式將能與氧化鋁陶瓷實(shí)現(xiàn)共燒的鎢金屬化漿料沉積在瓷片上;加熱工作臺(tái)至65°C， 用刀片將含多個(gè)組件的瓷片切割成單個(gè);推進(jìn)高溫?zé)Y(jié)爐，爐內(nèi)溫度1500~1650°C、氫氣氣 氛，獲得鎢金屬化氧化鋁熟瓷； 其次，按照表2設(shè)計(jì)配方配制中間層鍍液，按照鍍覆工藝在氧化鋁熟瓷鎢金屬化層上涂 覆鎳層； 表2中間層鎳鍍液組成
然后，按照金屬引線和焊料片預(yù)處理工藝進(jìn)行清洗和退火，獲得低洛氏硬度的金屬引 線； 最后，將金屬化氧化鋁陶瓷、焊料片、金屬引線依次裝入石墨模中，壓上加壓塞，放入氫 氣氣氛并按工藝要求設(shè)定升、降溫速率的鏈?zhǔn)解F焊爐。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是包括如下步驟： 1) 準(zhǔn)備氧化鋁陶瓷； 2) 金屬化圖形制作； 3) 熱切； 4) 高溫?zé)Y(jié)； 5) 配制中間層鍍液； 6) 鍍覆； 7) 金屬引線和焊料片預(yù)處理； 8) 裝架釬焊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟1)準(zhǔn) 備氧化鋁陶瓷，其氧化鋁含量占92~95wt%，采用流延成型的方法加工成0.2~5mm厚生瓷 片。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟2)金 屬化圖形制作，采用絲網(wǎng)掩膜版，通過印刷的方式將能夠與氧化鋁陶瓷實(shí)現(xiàn)共燒的鉬、鉬_ 錳或者鎢金屬化漿料沉積在瓷片上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟3)熱 切，將工作臺(tái)加熱到25°C~65°C，用刀片將含多個(gè)組件的瓷片切割成單個(gè)，切割成多個(gè)組件 的單個(gè)瓷片送入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟4)高 溫?zé)Y(jié)，切割成多個(gè)組件的單個(gè)瓷片送入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)溫度1500~1650°C， 真空、氫氣或者氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，燒結(jié)過程中，在氧化鋁陶瓷坯體，鉬、鉬-錳或者鎢金屬化 層，以及陶瓷坯體與金屬化層之間發(fā)生化學(xué)或者物理反應(yīng)，分別形成熔融的玻璃相，當(dāng)溫度 降低至室溫后鉬、鉬-錳或者鎢金屬化層牢固結(jié)合在陶瓷熟坯上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟5)配 制中間層鍍液，其成分配比：〇7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟6)鍍 覆，鍍鎳的方法，包括如下步驟： ① 用OP清洗金屬化瓷件3~5 min; ② 去離子水沖洗1~2min; ③ 浸堿：用堿溶液浸泡，控制pH為9~12，時(shí)間為1~8 min，溫度50~80°C，取出，用去離 子水超聲； ④ 浸酸：用酸溶液浸泡，控制pH為2~4，溫度40~90°C，時(shí)間1~10 min，取出，去離子水 沖洗； ⑤ 進(jìn)入鍍鎳槽，時(shí)間為8~40 min，取出，用去離子水沖凈，烘干并測試中間層厚度。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟7)金 屬引線和焊料片預(yù)處理，其預(yù)處理方法，包括如下步驟： ① 用甲苯、丙酮或者無水乙醇浸泡，時(shí)間1~10 min，取出烘干； ② 將清洗好的金屬引線放入馬弗爐，通入保護(hù)性氣氛氮?dú)猓訜岬?100~1170°C，保溫 30~200 min隨爐冷卻，測試金屬引線洛氏硬度。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，其特征是所述的步驟8)裝 架釬焊，將金屬化氧化鋁陶瓷、焊料片、金屬引線依次裝入石墨模中，壓上加壓塞，放入氫氣 氣氛并按工藝要求設(shè)定升、降溫速率的鏈?zhǔn)解F焊爐裝架釬焊，取出樣品測試金屬引線與氧 化鋁陶瓷結(jié)合強(qiáng)度。
【專利摘要】本發(fā)明是低應(yīng)力氧化鋁陶瓷金屬封接方法，包括如下步驟：1）準(zhǔn)備氧化鋁陶瓷；2）金屬化圖形制作；3）熱切；4）高溫?zé)Y(jié)；5）配制中間層鍍液；6）鍍覆；7）金屬引線和焊料片預(yù)處理；8）裝架釬焊。優(yōu)點(diǎn)：金屬引線洛氏硬度降低到80以下，氧化鋁熟瓷鎢金屬化層上涂覆鎳層厚度為0.02μm～5μm，保證了釬焊過程中間層的高阻擋性，封接后氧化鋁陶瓷與金屬引線處于強(qiáng)度安全的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合強(qiáng)度8Kg/cm2以上，所制作的外殼，其氧化鋁陶瓷與金屬引線封接結(jié)合強(qiáng)度、和長期可靠性能夠滿足數(shù)字電路、微波、電力電子、光電器件以及其他多層氧化鋁陶瓷外殼的封裝需求，工藝簡單、需要的生產(chǎn)設(shè)備少、可工業(yè)化、低成本大規(guī)模生產(chǎn)。
【IPC分類】C04B35/622, C04B35/10, C04B41/90, C04B37/02
【公開號(hào)】CN105481414
【申請?zhí)枴緾N201510865925
【發(fā)明人】龐學(xué)滿, 陳宇寧, 唐利鋒, 陳寰貝, 許麗清, 鐘明全
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月1日