降低封焊開(kāi)裂的封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法研究

李 鋼

（潮州三環(huán)（集團(tuán)）股份有限公司，廣東 潮州 521000）

0 引言

近年來(lái)，隨著各個(gè)類型的電子產(chǎn)品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和日常生活中的廣泛應(yīng)用，促使電子元器件封裝技術(shù)高速發(fā)展。同時(shí)，電子產(chǎn)品性能更高，功能更多，可靠性更強(qiáng)，型體更小，厚度更薄，也更加便捷，其對(duì)電子元器件封裝的要求也越來(lái)越高，更好、更輕、更薄、更好的封裝密度、更好的電性能和熱性能、更高的可靠性以及更低的價(jià)格都是電子元器件封裝行業(yè)追求的目標(biāo)。

1 傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的缺陷

傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)，包括陶瓷基座和金屬蓋板，陶瓷基座的連接面上具有金屬層，金屬蓋板通過(guò)焊接至金屬層與陶瓷基座固接封裝。然而，金屬與陶瓷基座的熱膨脹系數(shù)相差太大，容易引起封焊開(kāi)裂?；诖耍斜匾芯恳环N能降低封焊開(kāi)裂率的封裝結(jié)構(gòu)及其制備方法。

2 降低封焊開(kāi)裂的封裝結(jié)構(gòu)以及其制備方法

降低封焊開(kāi)裂的封裝結(jié)構(gòu)包括第一封裝元件和第二封裝元件，概述如下。

2.1 第一封裝元件

第一封裝元件，包括陶瓷基座，該陶瓷基座具有連接面，連接面上有凹陷的收容槽。連接層印刷在上述連接面上，連接層的材料為鎢或者鉬錳合金。鎳層層疊于上述連接層；金層層疊于所述鎳層。

2.2 第二封裝元件

第二封裝元件的形狀是板狀并且能夠蓋設(shè)置在上述陶瓷基座上用來(lái)封閉上述收容槽，第二封裝元件由可伐合金制成。

上述封裝結(jié)構(gòu)，在陶瓷基座的連接面印刷連接層，然后在連接層表面依次設(shè)置鎳層和金層，連接層與陶瓷的結(jié)合力較佳，再層疊鎳層及金層可以得到與陶瓷基座結(jié)合力較好的金屬層，使用時(shí)將可伐合金制成的第二封裝元件焊接固定在金層上，可伐合金與陶瓷基座的熱膨脹系數(shù)相近，可以消除因熱膨脹系數(shù)差別大引起的應(yīng)力開(kāi)裂等問(wèn)題，能降低封焊開(kāi)裂率[1]?？煞ズ辖馂殍F鈷鎳合金；陶瓷基座的材料為氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷。連接層的厚度為10 μm ～50 μm。鎳層的的厚度為1 μm～12 μm；金層的厚度為0.4 μm～1 μm。

3 封裝結(jié)構(gòu)的立體分解圖與封裝結(jié)構(gòu)的立體組裝圖

封裝結(jié)構(gòu)的立體分解圖如圖1所示，封裝結(jié)構(gòu)的立體組裝圖如圖2所示。

圖1 封裝結(jié)構(gòu)的立體分解圖

4 具體實(shí)施方式

第一封裝元件包括陶瓷基座、連接層、鎳層以及金層。陶瓷基座大致為矩形，具有連接面。陶瓷基座設(shè)置了收容槽。收容槽是由于連接面的中部凹陷形成的。收容槽用于收容待密封元件。陶瓷基座的材料為氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)為6.7×10-6℃～8.0×10-6℃，氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)為6.7×10-6℃～8.0×10-6℃。連接層印刷于連接面，連接層大致為環(huán)形，且與連接面的外邊緣之間形成間隙，連接層與連接面的內(nèi)邊緣齊平。連接層的厚度為10 μm～50 μm。連接層的材料為鎢或者鉬錳合金。在該實(shí)施方式中，連接面絲網(wǎng)印刷連接層漿料后，通過(guò)高溫?zé)七B接層。鎳層層疊于連接層上。鎳層覆蓋連接層的全部表面[2]。鎳層的厚度為1 μm～12 μm。金層層疊于鎳層上。金層覆蓋鎳層的全部表面。金層的厚度為0.4 μm～1 μm。第二封裝元件大致為板狀，能夠覆蓋在陶瓷基座上且封閉收容槽，如圖1所示。第二封裝元件由可伐合金制成?？煞ズ辖馂殍F鈷鎳合金材料，鐵鈷鎳合金含量按百分比計(jì)量，包括10%～40%的鎳，10%～30%的鈷，余量為鐵，鐵鈷鎳合金含量按百分比計(jì)量，包括29%的鎳、17%的鈷及54%的鐵。鐵鈷鎳合金的熱膨脹系數(shù)（20 ℃～100 ℃）為6.4×10-6℃。第二封裝元件的厚度0.07 mm～0.10 mm。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，第二封裝元件不限于為板狀，還可以為其他形狀，例如，在第二封裝元件設(shè)置與收容槽對(duì)應(yīng)的容置槽。請(qǐng)同時(shí)參考圖1，第二封裝元件設(shè)置在陶瓷基座并封閉收容槽。第二封裝元件通過(guò)焊接與第一封裝元件的金層固定。第二封裝元件的邊緣與金層的外邊緣之間形成了間隙。上述封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)在陶瓷基座的連接面設(shè)置連接層，然后在連接層表面依次設(shè)置鎳層及金層，鎳層與金層層疊可以得到與陶瓷基座結(jié)合力較好的金屬層，使用時(shí)將可伐合金制成的第二封裝元件焊接固定至金層，可伐合金與陶瓷基座的熱膨脹系數(shù)相近，如圖2所示?？梢韵驘崤蛎浵禂?shù)差別大引起的應(yīng)力開(kāi)裂等問(wèn)題，能降低封焊開(kāi)裂率。

圖2 封裝結(jié)構(gòu)的立體組裝圖

上述封裝結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下6步：1）將陶瓷漿料流延成型制備陶瓷基座，陶瓷基座具有連接面，陶瓷基座形成具有自連接面凹陷的收容槽。將陶瓷粉、黏合劑和溶劑混合均勻后得到陶瓷漿料。將陶瓷粉、黏合劑及溶劑采用球磨的方式混合均勻得到陶瓷漿料。球磨的時(shí)間為12 h～16 h。陶瓷漿料包括85～95份的陶瓷粉，5～9份的黏結(jié)劑以及45～65份的溶劑。選用的陶瓷粉為氧化鋁陶瓷粉或氮化鋁陶瓷粉，當(dāng)然，其他業(yè)內(nèi)常用的陶瓷粉也可以。選用的黏合劑選自聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚氯乙烯及甲基纖維素中的至少1種。溶劑選自乙醇、丙醇、丁酮及乙酸乙酯中的至少1種。采用流延法將陶瓷漿料流延形成陶瓷膜。將至少2層陶瓷膜層疊后壓合形成陶瓷基座。陶瓷基座的收容槽通過(guò)沖孔制備。2）在連接面表面絲網(wǎng)印刷連接層漿料。連接層漿料為鎢漿料或鉬錳金屬漿料。連接層漿料包括85～95份的W，4～8份的TiO，0.5～1.0份的CaO及3～6份的Al2O3。在另一個(gè)實(shí)施例中，連接層漿料包括60%～80%的Mo和Mn，10%～20%的Al2O3，8%～15%的SiO2及2%～5%的MgO，其中Mo和Mn的質(zhì)量比為7∶3。選用的印刷連接層漿料的厚度為10 μm～50 μm。3）對(duì)絲網(wǎng)印刷鎢漿料后的陶瓷基座進(jìn)行高溫共燒處理在陶瓷基座的連接面形成連接層。高溫共燒處理的溫度為1 200 ℃～1 650 ℃，高溫共燒處理的時(shí)間為20 h～23 h。高溫共燒處理在還原氣作用下進(jìn)行。連接層的厚度為10 μm～50 μm。4）依次在連接層的表面電鍍鎳層及金層。鎳層的厚度為1 μm～12 μm。金層的厚度為0.4 μm～1 μm。鍍鎳的電流密度是0.1 A/dm2～10 A/dm2，鍍金的電流密度為0.1 A/dm2～10 A/dm2。5）將待密封元件收容在收容槽內(nèi)，并將第二封裝元件蓋設(shè)于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。待密封元件為電子元件。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，待密封元件為石英晶體。6）對(duì)第二封裝元件與金層進(jìn)行激光封焊。激光封焊在保護(hù)性氣體的作用下進(jìn)行，焊接速度為100 mm/min～300 mm/min。最佳焊接速度為250 mm/min。激光封焊采用非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器。非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器的運(yùn)行參數(shù)為激光峰值功率為0.3 kW～7 kW，脈沖寬度為2 ms～10 ms，脈沖重復(fù)頻率為10 Hz～30 Hz，離焦量為-5 mm～4.2 mm。優(yōu)選的，激光峰值功率為1 kW，脈沖寬度為5 ms，脈沖重復(fù)頻率為20 Hz，離焦量為-0.5 mm。激光封焊在保護(hù)性氣體的作用下進(jìn)行。最佳的保護(hù)性氣體選自氮?dú)饣蛘邭鍤?。將第二封裝元件及第一封裝元件放在密閉透明容器中，通過(guò)聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對(duì)第二封裝元件和陶瓷基座的金層進(jìn)行激光封焊。

上述封裝元件的制備方法，通過(guò)流延成型制備陶瓷基座，用絲網(wǎng)印刷漿料通過(guò)高溫共燒，形成的連接層與陶瓷基座之間的結(jié)合力較大，然后通過(guò)電鍍形成鎳層和金層，能夠增加陶瓷基座和第二封裝元件之間的結(jié)合力，第二封裝元件采用可伐金屬制備，與陶瓷基座的熱膨脹系數(shù)相近，可以消除因熱膨脹系數(shù)差別大引起的應(yīng)力開(kāi)裂等問(wèn)題，能降低封焊開(kāi)裂率。

5 具體實(shí)施例

5.1 實(shí)施例1

實(shí)施例1的封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中陶瓷基座112的材料為氧化鋁陶瓷；連接層的材料為鎢，厚度為30 μm；鎳層的厚度為7 μm；金層的厚度為0.6 μm；第二封裝元件為厚度為0.1 μm的鐵鈷鎳合金板，鐵鈷鎳合金板以質(zhì)量百分比計(jì)含有10%的鎳、10%的鈷以及80%的鐵。焊接時(shí)，將第二封裝元件設(shè)置在陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氮?dú)獾淖饔孟?，采用非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器，通過(guò)聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對(duì)第二封裝元件和陶瓷基座的金層進(jìn)行激光封焊，焊接速度為250 mm/min，非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器的運(yùn)行參數(shù)包括激光峰值功率為2 kW，脈沖寬度為5 ms，脈沖重復(fù)頻率為20 Hz，離焦量為-0.5 mm。經(jīng)測(cè)試，激光封焊1 000個(gè)封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)裂率為0%。

5.2 實(shí)施例2

實(shí)施例2的封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中陶瓷基座的材料為氧化鋁陶瓷；連接層的材料為鉬錳合金，厚度為10 μm；鎳層的厚度為1 μm；金層的厚度為0.4 μm；第二封裝元件為厚度為0.07 mm的鐵鈷鎳合金板，鐵鈷鎳合金板含有40%的鎳、30%的鈷以及30%的鐵。焊接時(shí)，將第二封裝元件蓋設(shè)于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氬氣的作用下，采用非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器，通過(guò)聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對(duì)第二封裝元件和陶瓷基座的金層進(jìn)行激光封焊，焊接速度為100 mm/min，非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器的運(yùn)行參數(shù)包括激光峰值功率為0.3 kW，脈沖寬度為2 ms，脈沖重復(fù)頻率為10 Hz，離焦量為4.2 mm。經(jīng)測(cè)試，激光封焊1 000個(gè)封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)裂率為0%。

5.3 實(shí)施例3

實(shí)施例3的封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中陶瓷基座的材料為氮化鋁陶瓷；連接層的材料為鎢，厚度為50 μm；鎳層的厚度為12 μm；金層的厚度為1 μm；第二封裝元件為厚度為0.09 mm的鐵鈷鎳合金板，鐵鈷鎳合金板含有25%的鎳、20%的鈷以及55%的鐵。焊接時(shí)，將第二封裝元件蓋設(shè)于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氬氣的作用下，采用非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器，通過(guò)聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對(duì)第二封裝元件和陶瓷基座的金層進(jìn)行激光封焊，焊接速度為300 mm/min，非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器的運(yùn)行參數(shù)包括激光峰值功率為7 kW，脈沖寬度為10 ms，脈沖重復(fù)頻率為30 Hz，離焦量為-0.5 mm。經(jīng)測(cè)試，激光封焊1 000個(gè)封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)裂率為0%。

5.4 實(shí)施例4

實(shí)施例4的封裝結(jié)構(gòu)包括陶瓷基座、可伐環(huán)及金屬蓋。陶瓷基座的材料為氧化鋁陶瓷，陶瓷基座具有連接面，連接面中部凹陷形成收容槽，連接面絲網(wǎng)印刷形成有連接層，連接層的材料為鎢，厚度為30 μm。連接層的表面依次電鍍形成鎳層及金層，鎳層的厚度為7 μm，金層的厚度為 0.5 μm?？煞キh(huán)的厚度為0.1 mm，材料為鐵鈷鎳合金。金屬蓋的厚度為0.1 mm，材料為鐵鈷鎳合金。在850 ℃時(shí)，通過(guò)還原氣的作用將可伐環(huán)焊接至金層，再通過(guò)電阻焊將金屬蓋焊接至可伐環(huán)。經(jīng)測(cè)試，1 000個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂率為0.3%。

5.5 實(shí)施例5

實(shí)施例5的封裝結(jié)構(gòu)包括陶瓷基座及金屬蓋。陶瓷基座的材料為氧化鋁陶瓷，陶瓷基座具有連接面，連接面中部凹陷形成收容槽，連接面絲網(wǎng)印刷表面可伐合金漿料，燒結(jié)后形成可伐合金層，可伐合金層的材料為鐵鈷鎳合金，厚度為20 μm。金屬蓋的厚度為0.08 mm。焊接時(shí)，將金屬蓋設(shè)置在陶瓷基座，與可伐合金層貼合[3]。在氮?dú)獾淖饔孟?，采用非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器，通過(guò)聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對(duì)金屬蓋和陶瓷基座的可伐合金層進(jìn)行激光封焊，焊接速度為150 mm/min，非接觸式遠(yuǎn)距離激光焊接器的運(yùn)行參數(shù)包括激光峰值功率為4 kW，脈沖寬度為8 ms，脈沖重復(fù)頻率為18 Hz，離焦量為1.2 mm。 經(jīng)測(cè)試，激光封焊1 000個(gè)封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)裂率為0.4%。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以上所述實(shí)施的各類技術(shù)可以進(jìn)行任意的組合，為了可以簡(jiǎn)潔地描述，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)的所有可能的組合都進(jìn)行描述。但是，這些技術(shù)的組合不存在矛盾，因此，以上都是可以降低封焊開(kāi)裂的封裝結(jié)構(gòu)。