阅读说明：本技术 一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构及其制作工艺 (Leading-out terminal structure of metal-ceramic packaging shell and manufacturing process thereof ) 是由 钟永辉 袁小意 田晓忠 方军 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构及其制作工艺,其包括陶瓷基板,在所述陶瓷基板上设有金属焊盘,所述金属焊盘上设有金属引出端,所述金属引出端为弯折金属引出片,所述弯折金属引出片由依次连接的连接部、弯折部和引出部构成,其中,所述连接部设于所述金属焊盘上,且所述连接部和所述引出部平行。通过特殊的金属引线端和金属焊盘进行焊接,提高了引线端和陶瓷基板的结合力,使得外壳的可靠性高、环境适应性强。(The invention discloses a leading-out end structure of a metal-ceramic packaging shell and a manufacturing process thereof, wherein the leading-out end structure comprises a ceramic substrate, a metal bonding pad is arranged on the ceramic substrate, a metal leading-out end is arranged on the metal bonding pad, the metal leading-out end is a bent metal leading-out piece, and the bent metal leading-out piece is composed of a connecting part, a bent part and a leading-out part which are sequentially connected, wherein the connecting part is arranged on the metal bonding pad, and the connecting part is parallel to the leading-out part. The special metal lead terminal and the metal welding disc are welded, so that the binding force of the lead terminal and the ceramic substrate is improved, and the shell is high in reliability and strong in environmental adaptability.)

一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构及其制作工艺

技术领域

本发明属于电子封装领域，具体涉及一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构及其制作工艺。

背景技术

陶瓷基板可内置大量无源电路，金属-陶瓷外壳契合了电子元器件组装密度提高后封装外壳小型化、高可靠的需求，成为电子封装领域常用的封装外壳之一。然而，随着封装密度的提高，金属-陶瓷外壳引出端间的跨距越来越密，引出端的尺寸越来越小。极限情况下引出端跨距已从传统的2.54mm缩小到0.6mm，引出端的宽度由传统的1.0mm压缩到0.2mm。

在现有金属-陶瓷外壳制作方案中，金属-陶瓷外壳的引出端采用高温钎焊的方式将扁平的金属引出端水平通过银铜钎料与陶瓷基板形成连接，仅仅是将金属引出端的尺寸缩小，单纯地提高了金属-陶瓷外壳的引出端密度，由于引出端尺寸较小，焊接到陶瓷基板上，导致引出端与陶瓷基板的结合力下降，引脚受外力容易脱落，外壳的可靠性低、环境适应性差。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构及其制作工艺，通过特殊的金属引线端和金属焊盘进行焊接，提高了引线端和陶瓷基板的结合力，使得外壳的可靠性高、环境适应性强，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构，其包括陶瓷基板，在所述陶瓷基板上设有金属焊盘，所述金属焊盘上设有金属引出端，所述金属引出端为弯折金属引出片，所述弯折金属引出片由依次连接的连接部、弯折部和引出部构成，其中，所述连接部设于所述金属焊盘上，且所述连接部和所述引出部平行。

进一步的，所述弯折部悬空置于所述金属焊盘的上方，且所述弯折部与所述连接部的折弯角度在10°-20°。

进一步的，所述陶瓷基板为氮化铝基板。

进一步的，所述弯折金属引出片的材质为4J42或者4J29定膨胀合金。

进一步的，所述弯折金属引出片的厚度为0.1-0.2mm，宽度为0.2-0.5mm。

本发明还提供了如前述任一项所述的金属-陶瓷封装外壳的引出端结构的制作工艺，包括以下步骤：

采用机械冲压成型制作金属引出端，所述金属引出端由连接部、弯折部和引出部构成；

在陶瓷基板上制作金属焊盘，对陶瓷基板进行镀镍处理；

将所述金属引出端的连接部与所述金属焊盘之间放置片状钎焊料并贴合后形成预装配体；

将所述预装配体送入钎焊炉中，在第一气体和第二气体的混合气氛保护下进行钎焊，所述第一气体为氮气或惰性气体，所述第二气体为氢气。

进一步的，所述片状钎焊料为银铜合金钎料，其组成为Ag72Cu28。

进一步的，所述混合气氛中，所述第二气体的体积比例为5-100％。

进一步的，所述钎焊的具体的工艺为：首先，以10-20℃/min的升温速率从常温升温至750-770℃，预热5-10min；然后以10-20℃/min的升温速率升温至790-810℃，保温2-8min；以20-40℃/min的降温速率快速降温到750-770℃后，再以5～10℃/min的降温速率缓慢降温至室温。

与现有封装外壳相比，本发明中的封装外壳引出端结构中，金属引出端由于弯折部的存在，使得其在受外力时，由于引出端具有柔性不易脱落，从而有效的避免了刚性脱落的风险。

本发明通过对金属引出端在钎焊区域进行折弯设计，弯折部悬置于陶瓷金属焊盘的正上方，从而使得焊接时，钎料堆积在陶瓷金属化焊盘和引出端的弯折部之间，从而使得引出端后续受外力时起到柔性过渡的作用，避免可受力失效的风险，提升了外壳的可靠性、环境适应性，从而提高了产品的合格率。

此外，常规的钎焊工艺并不适用于这里的弯折的引线端焊接，因此，本发明中对引线端的钎焊工艺进行了优化，通过分步式的钎焊工艺，尤其是快速降温，有效的提高了引脚的可靠性。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例中陶瓷基板10的俯视结构示意图；

图2为本发明一较佳实施例中金属-陶瓷封装外壳的引出端结构的俯视示意图；

图3为图2中金属-陶瓷封装外壳引出端结构的侧面结构示意图；

图4为图2中弯折金属引出片30的侧面结构示意图；

图5为图2中弯折金属引出片30的俯视结构示意图；

图6为图2中弯折金属引出片30与陶瓷基板10的连接结构示意图；

图7为图6中A部的局部放大示意图；

图8为本发明中钎焊工艺温度变化曲线。

图中：10-陶瓷基板、20-金属焊盘、30-弯折金属引出片、40-焊料、301-连接部、302-弯折部、303-引出部。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明实施例中公开了一种金属-陶瓷封装外壳的引出端结构，其包括陶瓷基板10，如图1中所示的，陶瓷基板10的材质可以是本领域中的常规选择，这里不再一一赘述，在本实施例中，陶瓷基板10为氮化铝基板。请继续参阅图1，在陶瓷基板10上设有金属焊盘20，金属焊盘20的固定方式为本领域中常规的，这里不再具体阐述，其位置可根据实际情况进行调整，在本实施例中，金属焊盘20分别设于陶瓷基板10相对的两侧边的边缘。进一步的，如图2和图3中所示的，在金属焊盘20上焊接有金属引出端，本实施例中金属引出端为弯折金属引出片30，其具体结构如图4和图5中所示的，弯折金属引出片30由依次连接的连接部301、弯折部302和引出部303构成，具体的，请结合图3和图4，连接部301焊接于金属焊盘20上，弯折金属引出片30自金属焊盘20向陶瓷基板10的外部引出，连接部301和引出部303相互平行。请继续参阅图4，弯折部302悬空置于金属焊盘20的上方，在弯折部302和金属焊盘20之间堆积有焊料40，从而使得当弯折金属引出片30后续受到外力作用时，弯折部302起到柔性过渡的作用，如图6和图7中所示的，从而避免金属引出端受力失效的风险，继而提高了外壳的可靠性、环境适应性和产品合格率。进一步的，弯折部302的折弯角度不宜过大也不宜过小，可根据需要进行调整，在本实施例中弯折部302和连接部301的折弯角度在10°-20°之间。此外，弯折金属引出片30的材质应当根据陶瓷基板10的材质进行适配，尤其是其热膨胀系数应当与陶瓷基板10的热膨胀系数接近，因此在本实施例中，弯折金属引出片30的材质为4J42或者4J29定膨胀合金。而弯折金属引出片30的宽度没有具体的限定，可根据陶瓷基板10上焊接引出端的密度进行调整；而弯折金属引出片30厚度的选择既要具有一定的强度，又要考虑具有一定的柔性，因此，在本实施例中，弯折金属引出片30的厚度为0.1-0.2mm，宽度为0.2-0.5mm。

本发明还提供了金属-陶瓷封装外壳的引出端结构的制作工艺，包括以下步骤：

采用机械冲压成型制作金属引出端，所述金属引出端由连接部、弯折部和引出部构成，可以理解的是，这里的金属引出端为机械冲压成一体成型，具体的成型工艺为本领域的常规工艺，因此，这里不再详细赘述；

在陶瓷基板上制作金属焊盘，对陶瓷基板进行镀镍处理，这里金属焊盘的制作和镀镍处理均采用本领域中的常规技术，因此，这里不再详细赘述；

将所述金属引出端的连接部与金属焊盘之间放置片状钎焊料并贴合后形成预装配体；

将所述预装配体送入钎焊炉中，在第一气体和第二气体的混合气氛保护下进行钎焊，所述第一气体为氮气或惰性气体，所述第二气体为氢气。

进一步的，所述片状钎焊料为银铜合金钎料，其组成为Ag72Cu28。

进一步的，所述混合气氛中，所述第二气体的体积比例为5-100％。

进一步的，相较于现有的引出部，本发明通过弯折金属引出端可以一定程度提高引脚的剥离力，但是采用常规银铜共晶钎焊工艺焊接，一般焊接温度在810-830℃(高于焊料熔点30-50℃)，由于焊接过程温度高、时间长，焊接质量不受控。因此，本发明中的所述钎焊的具体的工艺为：首先，以10-20℃/min的升温速率从常温升温至750-770℃，预热5-10min，从而确保装配好的金属引出端与陶瓷基板受热均匀；然后以10-20℃/min的升温速率升温至790-810℃，保温2-8min；以20-40℃/min的降温速率快速降温到750-770℃后，确保融化的焊料快速凝固，避免银铜合金焊料与陶瓷基板的金属化焊盘过度冶金反应而破坏陶瓷金属化焊盘，再以5～10℃/min的降温速率缓慢降温至室温，此时由于金属引出端通过凝固的银铜合金钎料与陶瓷基板连接成一个整体，通过缓慢的降温可以缓解金属引出端与陶瓷基板的焊接应力，从而提高金属引出端与陶瓷基板的结合力，具体的钎焊工艺温度变化曲线如图8中所示。

下面结合具体的实施例对本发明中金属-陶瓷外壳引出端结构的制作方法进行更加清楚完整的说明，实施例1-3中的结构均如图1-图5中所示的，其区别仅在于材质或厚度等的不同，这里不再详细赘述。

实施例1

通过机械冲压成型金属引出端，引出端折弯分成了三部分：分别为连接部、弯折部和引出部，其中，连接部和弯折部的长度在0.3mm，连接部和弯折部间折弯的角度在20°，引出部与连接部平行，其长度在1.5mm。金属引出端的材质为4J42定膨胀合金，引出端的厚度0.1mm、宽度0.2mm。

在氮化铝陶瓷基板上制作方形高温共烧金属焊盘，对陶瓷基板进行镀镍处理；

将金属引出端与陶瓷基板预装配成一个整体，其中金属引出端的连接部与陶瓷基板上的金属焊盘贴合，两者之间还放置有片状的银铜合金钎料(Ag72Cu28)，弯折部悬置于陶瓷金属焊盘正上方，组成预装配体；

将预装配体送入钎焊炉中，在体积百分数为85％氮气与15％氢气的混合气氛保护下进行钎焊成一个整体，本实施例中具体的钎焊工艺为：以10℃/min的升温速率从常温升温至770℃，预热5min；然后以20℃/min的升温速率升温至810℃，保温2min；以40℃/min的降温速率快速降温到770℃后，再以5℃/min的降温速率缓慢降温至室温。

实施例2

通过机械冲压成型金属引出端，引出端折弯分成了三部分：分别为连接部、弯折部和引出部，其中，连接部和弯折部的长度在0.6mm，连接部和弯折部间折弯的角度在10°，引出部与连接部平行，其长度在4.0mm。金属引出端的材质为4J29定膨胀合金，引出端的厚度0.2mm、宽度0.6mm。

在氮化铝陶瓷基板上制作方形高温共烧金属焊盘，对陶瓷基板进行镀镍处理；

将金属引出端与陶瓷基板预装配成一个整体，其中金属引出端的连接部与陶瓷基板上的金属焊盘贴合，两者之间还放置有片状的银铜合金钎料(Ag72Cu28)，弯折部悬置于陶瓷金属焊盘正上方，组成预装配体；

将预装配体送入钎焊炉中，在15％氮气与85％氢气的混合气气氛保护下进行钎焊成一个整体，本实施例中具体的钎焊工艺为：以20℃/min的升温速率从常温升温至750℃，预热10min；然后以10℃/min的升温速率升温至790℃，保温8min；以20℃/min的降温速率快速降温到750℃后，再以10℃/min的降温速率缓慢降温至室温。

实施例3

本实施例中制作工艺与实施例1相同，区别仅在于本实施例中的钎焊工艺为：将预装配体送入钎焊炉中，在5％氦气与95％氢气的混合气气氛保护下进行钎焊成一个整体，本实施例中具体的钎焊工艺为：以15℃/min的升温速率从常温升温至750℃，预热8min；然后以15℃/min的升温速率升温至800℃，保温5min；以30℃/min的降温速率快速降温到760℃后，再以8℃/min的降温速率缓慢降温至室温。

对比例1

本对比例中的金属引出端未做折弯处理，为扁平直线状，其引出长度与实施例1中弯折金属引出片长度相同。其他步骤、参数和制作工艺均与实施例1相同。

对比例2

本对比例中的钎焊工艺为常规钎焊工艺，具体工艺为：以20℃/min的升温速率从常温升温至800℃，保温5min后，以20℃/min的降温速率降温至室温。其他步骤和参数均与实施例2相同。

测试例

将实施例1-2及对比例1-2中金属-陶瓷封装外壳引出端结构依据GJB2440A-2006<混合集成电路外壳通用规范>的试验要求，采用-65℃～+175℃温度循环100次，-65℃～+150℃热冲击15次环境试验，而后采用拉力试验机进行金属引出端的剥离强度测试，以此对比其金属引出端受的强度，结果见表1。

表1实施例及对比例的金属引出端的剥离强度对比

样品编号	1	2	3	4	5
						实施例1	48.3N/mm	47.5N/mm	46.3N/mm	47.1N/mm	46.8N/mm
实施例2	51.3N/mm	49.8N/mm	50.1N/mm	49.4N/mm	48.7N/mm
						对比例1	16.5N/mm	17.4N/mm	16.9N/mm	17.8N/mm	18.1N/mm
对比例2	36.5N/mm	35.4N/mm	34.8N/mm	36.1N/mm	35.7N/mm

从表1中可以看出，本发明技术方案的金属引出端的结合力明显优于传统实施例中方案，可靠性更高；此外，采用本发明中的钎焊工艺对弯折金属引出端进行钎焊，最终剥离强度明显优于常规钎焊工艺，说明本发明中针对弯折金属引出端设计的钎焊工艺取得了预料不到的技术效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。