一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽，包括自下而上依次設(shè)置的金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2。本發(fā)明還提供了一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法。該陶瓷管帽結(jié)構(gòu)簡單，采用釬焊工藝將金屬焊環(huán)和陶瓷片焊接在一起，制得的陶瓷管帽適合平行封焊工藝，不僅可避免微波器件發(fā)生腔體諧振，同時利用平行封焊工藝熱影響區(qū)小且移動快的特點可防止芯片焊料發(fā)生二次重熔。
【專利說明】一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽及其制造方法，主要用于解決固態(tài)微波大功率器件外殼氣密性封裝腔體諧振和芯片焊料二次重熔等問題，并實現(xiàn)降低總成本和節(jié)能減排的目的，屬于固態(tài)微波大功率器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)微波大功率器件(以下簡稱器件)廣泛應(yīng)用于航空、航天、無線通訊、廣播電視、地質(zhì)勘探、核能檢測、氣象預(yù)報等領(lǐng)域，按照半導(dǎo)體材料劃分，主要包括硅LDMOS器件、GaAs器件、以及最新的GaN和SiC器件。外殼作為器件密不可分的重要組成部分，對芯片和內(nèi)部匹配電路起到機械支撐、電氣互連、環(huán)境保護和散熱通道的作用。對于工作于苛刻自然環(huán)境條件的半導(dǎo)體器件，通常需采用高可靠的氣密封裝外殼，即各種金屬外殼、陶瓷外殼或玻璃外殼。這些外殼在使用時，首先通過微組裝工藝將芯片和內(nèi)匹配電路安裝在底座上，經(jīng)過一系列中間處理環(huán)節(jié)，最后通過封帽工藝將底座和管帽焊接在一起從而構(gòu)成氣密性的腔體結(jié)構(gòu)。
[0003]目前氣密性外殼封帽工藝使用的管帽通常有兩種，即金屬管帽或陶瓷管帽，都可達到氣密性的要求?，F(xiàn)有技術(shù)采用的封帽工藝，通常包括金錫封焊工藝和平行封焊工藝。
[0004]金錫封焊屬于熔焊，不僅適合于封焊金屬管帽，更適合于封焊陶瓷管帽；然而，金錫封焊工藝必須將整個外殼加熱至金錫焊料的熔化溫度以上并保溫一定時間來實現(xiàn)底座和管帽的焊接，為了防止芯片焊料二次重熔，需事先考慮芯片微組裝工藝使用的焊料熔化溫度符合封帽要求并優(yōu)化封帽工藝升降溫曲線，對應(yīng)的工藝窗口較小。
[0005]相比之下，平行封焊利用封接界面上瞬間產(chǎn)生的電阻熱熔化界面兩側(cè)的母材來實現(xiàn)外殼底座和管帽的焊接，熱影響區(qū)小并快速移動，可以避免芯片焊料二次重熔現(xiàn)象。另夕卜，從成本和環(huán)保角度考慮，平行封焊工藝也具有非常明顯的優(yōu)勢:第一，不需使用昂貴的金錫；第二，工裝夾具費用低；第三，工藝周期短，工藝過程能耗低，成品率高。然而，平行封焊屬于電阻焊，通常只適合于封焊金屬管帽，同時，對于工作于幾百MHz以上的微波器件，由于金屬管帽能夠屏蔽電磁波，常存在腔體諧振問題。
[0006]本發(fā)明通過創(chuàng)新的陶瓷管帽結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝方法，使陶瓷管帽適合于實現(xiàn)平行封焊，從而解決常規(guī)管帽難以克服的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽，包括自下而上依次設(shè)置的金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2。
[0009]本發(fā)明還提供了一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，包括以下步驟:
[0010](I)金屬焊環(huán)P1的制備:以合金4J29或4J42為原料，采用機械沖壓或化學(xué)刻蝕方法制得金屬焊環(huán)P1，清洗、退火和電鍍鎳；
[0011](2)陶瓷片P2的制備:以氧化鋁為原料，以鎢為金屬化材料，采用共燒多層陶瓷(HTCC)工藝制備帶金屬化圖形的陶瓷片P2 ；
[0012](3)釬焊料P3的制備:以AgCu28為原料，采用機械沖壓方法制備釬焊料P3 ；
[0013](4)裝架:在石墨模具上按照自下而上的順序依次放置金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2，按照中心線對準(zhǔn)并裝配在一起；
[0014](5)釬焊:將裝配好金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2的石墨模具放入高溫釬焊爐，采用釬焊方法將金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2焊接為一個整體，即得陶瓷管帽半成品；
[0015](6)電鍍:將陶瓷管帽半成品，采用電鍍方法進行電鍍鎳層和金；
[0016](7)退火:將步驟(6)電鍍好的陶瓷管帽半成品在400_450°C、氮氣保護的高溫擴散爐中退火5min?IOmin,即得。
[0017]其中，步驟(I)中，制得的金屬焊環(huán)P1S回字形，厚度T_P1為0.1mm?0.4mm;或者制得的金屬焊環(huán)P1為高帽焊環(huán)。金屬焊環(huán)P1外形尺寸:外形尺寸Len_PlXWid_Pl和內(nèi)腔尺寸LCav_PlXWCav_Pl依據(jù)對應(yīng)的外殼下組件的焊環(huán)尺寸而設(shè)計。
[0018]步驟(2)中，制得的陶瓷片P2厚度T_P2為0.25mm?2mm。陶瓷片P2的外形尺寸依據(jù)金屬焊環(huán)P1的尺寸而設(shè)計，規(guī)則為:LCav_Pl〈Len_P2〈Len_Pl，WCav_Pl<ffid_P2<ffid_PI, Len_Pl_Len_P2=0.5mm ?3mm, Wid_Pl_Wid_P2=0.5mm ?3mm。
[0019]步驟(3)中，釬焊料P3的厚度為0.05mm?0.15mm。釬焊料P3的外形尺寸Len_P3Xffid_P3和內(nèi)腔尺寸LCav_P3XWCav_P3依據(jù)金屬焊環(huán)P1和陶瓷片P2的尺寸而設(shè)計，規(guī)則為:LCav_PI<LCav_P3<Len_P3<Len_P2，WCav_PI<WCav_P3<ffid_P3<ffid_P2。
[0020]步驟(6)中,鎳層厚度為L 3 μ m?8.9 μ m,金層厚度為1.3 μ m?5.7 μ m。
[0021]優(yōu)選地，所述金屬焊環(huán)P1的規(guī)格為:T_P1=0.lmm, Len_Pl為10.lmm, ffid_Pl為8.2mm, LCav_Pl 為 6.2m, WCav_Pl 為 3.8mm ;陶瓷片 P2 的規(guī)格為:T_P2 為 0.5mm, Len_P2 為
8.1mm，Wid_P2 為 6.2mm ;焊料 P3 的規(guī)格為:Len_P3 為 7.5mm, Wid_P3 為 5.7mm，LCav_P3 為
6.7mm, WCav_P3 為 4.3mm。
[0022]有益效果:本發(fā)明提供的陶瓷管帽結(jié)構(gòu)簡單，采用釬焊工藝將金屬焊環(huán)和陶瓷片焊接在一起，制得的陶瓷管帽適合平行封焊工藝，不僅可避免微波器件發(fā)生腔體諧振，同時利用平行封焊工藝熱影響區(qū)小且移動快的特點可防止芯片焊料發(fā)生二次重熔。
[0023]具體而言，常規(guī)金屬管帽無法解決微波器件腔體諧振的問題，常規(guī)陶瓷管帽必須采用金錫封焊工藝無法避免芯片焊料二次重熔的風(fēng)險。本發(fā)明通過創(chuàng)新的管帽結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，規(guī)避了兩種封帽工藝的缺點，而使其各自的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，能夠滿足對應(yīng)固態(tài)微波大功率器件的氣密性封裝需求。管帽中心區(qū)域為陶瓷材料能利用陶瓷材料對微波的非屏蔽性來防止微波器件發(fā)生腔體諧振；金屬焊環(huán)能夠使用平行封焊工藝，外殼上熱影響區(qū)小移動快，可防止芯片焊料二次重熔。另外，由于固態(tài)微波大功率器件應(yīng)用范圍廣需求量大，采用平行封焊工藝可以降低原材料成本、提高工藝效率、降低能耗和提高成品率，從而降低固態(tài)微波大功率器件制造的總成本。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1-1為金屬焊環(huán)P1的主視圖；
[0025]圖1-2為金屬焊環(huán)P1的俯視圖；
[0026]圖2-1為陶瓷片P2的主視圖；
[0027]圖2-2為陶瓷片P2的俯視圖；
[0028]圖3-1為釬焊料P3的主視圖；
[0029]圖3-2為釬焊料P3的俯視圖；
[0030]圖4為本發(fā)明適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的爆炸圖；
[0031]圖5-1為本發(fā)明適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的結(jié)構(gòu)示意圖(正面)；
[0032]圖5-2為本發(fā)明適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的結(jié)構(gòu)示意圖(背面)；
[0033]圖6為現(xiàn)有平行封焊用金屬管帽的結(jié)構(gòu)示意圖，材料為4J29或4J42，制作工藝為機械沖壓或化學(xué)刻蝕；
[0034]圖7為現(xiàn)有金錫封焊用陶瓷管帽的結(jié)構(gòu)示意圖，材料為氧化鋁陶瓷，制作工藝為高溫共燒多層陶瓷HTCC工藝；
[0035]圖8-1為本發(fā)明實施例4陶瓷高帽焊環(huán)的主視圖；
[0036]圖8-2為本發(fā)明實施例4陶瓷高帽焊環(huán)的俯視圖；
[0037]圖9為本發(fā)明實施例4的陶瓷高帽截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明中，各縮寫分別代表以下意義:
[0039]Len 外形長；
[0040]Wid 外形寬；
[0041]LCav 內(nèi)腔長；
[0042]WCav 內(nèi)腔寬；
[0043]T 厚度；
[0044]具體的，
[0045]Len_Pl代表Pl的外形長，ffid_Pl代表Pl的外形寬，LCav_Pl代表Pl的內(nèi)腔長，WCav_Pl代表Pl的內(nèi)腔寬，T_P1代表Pl的厚度；
[0046]Len_P2代表P2的外形長，ffid_P2代表P2的外形寬，T_P2代表Ρ2的厚度；
[0047]Len_P3代表P3的外形長，ffid_P3代表P3的外形寬，LCav_P3代表P3的內(nèi)腔長，WCav_P3代表P3的內(nèi)腔寬，T_P3代表Ρ3的厚度。
[0048]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進一步說明。
[0049]實施例1
[0050]I)金屬焊環(huán)P1的制備:以合金4J29為原料，采用機械沖壓方法制得金屬焊環(huán)P1,見圖1-1和1-2，其厚度為0.1_，外形尺寸為10.lmmX8.2mm,內(nèi)腔尺寸6.2mX3.8mm ;清洗、退火和電鍍鎳；
[0051]2)陶瓷片P2的制備:以氧化鋁為原料，以鎢為金屬化材料，采用共燒多層陶瓷(HTCC)工藝制備帶金屬化圖形的陶瓷片P2，見圖2-1和2-2，其厚度為0.5mm，外形尺寸為
8.1mX6.2mm ;鍛鎮(zhèn)后待用；
[0052]3)釬焊料P3的制備:以AgCu28為原料，采用機械沖壓方法制備釬焊料P3，見圖3_1和3-2,其厚度為0.1Omm,外形尺寸為7.5mmX5.7mm,內(nèi)腔尺寸為6.7mmX4.3mm ；
[0053]4)裝架:在石墨模具上按照自下而上的順序依次放置金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2，按照中心線對準(zhǔn)并裝配在一起，見圖4 ；
[0054]5)釬焊:將裝配好金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2的石墨模具放入高溫釬焊爐，采用釬焊方法將金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2焊接為一個整體，即得陶瓷管帽半成品;
[0055]6)電鍍:將陶瓷管帽半成品，采用電鍍方法進行電鍍鎳層和金；鎳層厚度為
4.5 μ m,金層厚度為3.3 μ m ；
[0056]7)退火:將步驟(6)電鍍好的陶瓷管帽半成品在420°C、氮氣保護的高溫擴散爐中退火8min，即得，見圖5_1和5_2。
[0057]實施例2
[0058]I)金屬焊環(huán)P1的制備:以合金4J42為原料，采用化學(xué)刻蝕方法制得金屬焊環(huán)P1,見圖1-1和1-2，其厚度為0.2_，外形尺寸為10.lmmX8.2mm,內(nèi)腔尺寸6.2mX3.8mm ;清洗、退火和電鍍鎳；
[0059]2)陶瓷片P2的制備:以氧化鋁為原料，以鎢為金屬化材料，采用共燒多層陶瓷(HTCC)工藝制備帶金屬化圖形的陶瓷片P2，見圖2-1和2-2，其厚度為0.25mm，外形尺寸為
9.6m X 7.7mm ;鍛鎮(zhèn)后待用；
[0060]3)釬焊料P3的制備:以AgCu28為原料，采用機械沖壓方法制備釬焊料P3，見圖3_1和3-2，其厚度為0.05mm，外形尺寸為7.5mmX 5.7mm,內(nèi)腔尺寸為6.7mmX 4.3mm ；
[0061]4)裝架:在石墨模具上按照自下而上的順序依次放置金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2，按照中心線對準(zhǔn)并裝配在一起，見圖4 ；
[0062]5)釬焊:將裝配好金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2的石墨模具放入高溫釬焊爐，采用釬焊方法將金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2焊接為一個整體，即得陶瓷管帽半成品;
[0063]6)電鍍:將陶瓷管帽半成品，采用電鍍方法進行電鍍鎳層和金；鎳層厚度為
1.3 μ μ m,金層厚度為1.3 μ m ；
[0064]7)退火:將步驟(6)電鍍好的陶瓷管帽半成品在400°C、氮氣保護的高溫擴散爐中退火5min，即得，見圖5_1和5_2。
[0065]實施例3
[0066]I)金屬焊環(huán)P1的制備:以合金4J29為原料，采用機械沖壓制得金屬焊環(huán)P1，見圖1-1和1-2，其厚度為0.4臟，外形尺寸為10.lmmX8.2mm,內(nèi)腔尺寸6.2mX3.8mm ；清洗、退火和電鍍鎳；
[0067]2)陶瓷片P2的制備:以氧化鋁為原料，以鎢為金屬化材料，采用共燒多層陶瓷(HTCC)工藝制備帶金屬化圖形的陶瓷片P2，見圖2-1和2-2，其厚度為2.0mm，外形尺寸為
7.1mX 5.2mm;鍍鎳后待用；
[0068]3)釬焊料P3的制備:以AgCu28為原料，采用機械沖壓方法制備釬焊料P3，見圖3_1和3-2,其厚度為0.15mm,外形尺寸為6.5mmX4.7mm,內(nèi)腔尺寸為5.7mmX4.3mm ；
[0069]4)裝架:在石墨模具上按照自下而上的順序依次放置金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2，按照中心線對準(zhǔn)并裝配在一起，見圖4 ；[0070]5)釬焊:將裝配好金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2的石墨模具放入高溫釬焊爐，采用釬焊方法將金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2焊接為一個整體，即得陶瓷管帽半成品；
[0071]6)電鍍:將陶瓷管帽半成品，采用電鍍方法進行電鍍鎳層和金；鎳層厚度為8.9 μ m,金層厚度為5.7 μ m ；
[0072]7)退火:將步驟(6)電鍍好的陶瓷管帽半成品在450°C、氮氣保護的高溫擴散爐中退火IOmin,即得，見圖5-1和5-2。
[0073]實施例4
[0074]陶瓷高帽的制備:對實施例1中步驟I中的金屬焊環(huán)P1進行更改，采用機械沖壓方法制作圖8-1和圖8-2所示結(jié)構(gòu)的焊環(huán)Pia，后續(xù)工藝步驟及采用的零件同實施例1，制得圖9所示結(jié)構(gòu)的陶瓷高帽。
[0075]采用陶瓷高帽后，可以增加管殼內(nèi)腔的體積，將能夠改變器件的微波特性。
【權(quán)利要求】
1.一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽，其特征在于:包括自下而上依次設(shè)置的金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片p2。
2.一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)金屬焊環(huán)P1的制備:以合金4J29或4J42為原料，采用機械沖壓或化學(xué)刻蝕方法制得金屬焊環(huán)P1，清洗、退火和電鍍鎳； (2)陶瓷片P2的制備:以氧化鋁為原料，以鎢為金屬化材料，采用共燒多層陶瓷(HTCC)工藝制備帶金屬化圖形的陶瓷片P2 ； (3)釬焊料P3的制備:以AgCu28為原料，采用機械沖壓方法制備釬焊料P3； (4)裝架:在石墨模具上按照自下而上的順序依次放置金屬焊環(huán)P1、釬焊料匕和陶瓷片P2，按照中心線對準(zhǔn)并裝配在一起； (5)釬焊:將裝配好金屬焊環(huán)P1、釬焊料匕和陶瓷片P2的石墨模具放入高溫釬焊爐，采用釬焊方法將金屬焊環(huán)P1、釬焊料P3和陶瓷片P2焊接為一個整體，即得陶瓷管帽半成品； (6)電鍍:將陶瓷管帽半成品，采用電鍍方法進行電鍍鎳層和金層； (7)退火:將步驟(6)電鍍好的陶瓷管帽半成品在400-450°C、氮氣保護的高溫擴散爐中退火5min?IOmin,即得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:步驟(I)中，制得的金屬焊環(huán)P1為回字形，厚度T_P1為0.1mm?0.4mm ;或者制得的金屬焊環(huán)P1為高帽焊環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:步驟(2)中，制得的陶瓷片P2厚度T_P2為0.25mm?2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:步驟(3)中，釬焊WP3的厚度為0.05mm?0.15mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:步驟(6)中,鎳層厚度為1.3μm?8.9μm,金層厚度為1.3μηι?5.7μM。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適合平行封焊工藝的陶瓷管帽的制造方法，其特征在于:所述金屬焊環(huán) P1 的規(guī)格為:T_P1=0.1mm，Len_Pl 為 10.lmm, Wid_Pl 為 8.2mm，LCav_Pl為 6.2m, WCav_Pl 為 3.8mm ;陶瓷片 P2 的規(guī)格為:T_P2 為 0.5mm, Len_P2 為 8.lmm,ffid_P2 為.6.2mm ;焊料 P3 的規(guī)格為:Len_P3 為 7.5mm, Wid_P3 為 5.7mm，LCav_P3 為 6.7mm, WCav_P3 為.4.3mm η
【文檔編號】H01L21/56GK103956344SQ201410129382
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】楊建 , 胡進, 程凱, 王子良, 劉艷, 陳宇寧, 許麗清 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所