一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳及陶瓷材料的制备
阅读说明：本技术 一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳及陶瓷材料的制备 (Ceramic metal packaging shell for electronic component and preparation of ceramic material ) 是由 袁小意 田晨光 钟永辉 方军 曾辉 史常东 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电子元器件气密性封装领域,具体涉及一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳及陶瓷材料的制备。包括底板、焊接在底板上的绝缘片和设置在绝缘片四周并焊接在底板上的可伐环框,其特征在于,可伐环框连接引线的一侧设置窗口,窗口内设置陶瓷板,陶瓷板上开设与引线数量相适配的通孔,若干根引线分别穿过通孔进入封装外壳内部；陶瓷板为改性氮化铝陶瓷板。本发明采用陶瓷板的结构代替原有陶瓷珠绝缘子,陶瓷板加工简单,可实现自动化操作。改性的氮化铝陶瓷兼顾了高导热和高热膨胀系数,可提高封装外壳的安全性能。(The invention relates to the field of electronic component air tightness packaging, in particular to a ceramic metal packaging shell for an electronic component and preparation of a ceramic material. The Kovar ring packaging structure comprises a bottom plate, an insulating sheet welded on the bottom plate and a Kovar ring frame arranged around the insulating sheet and welded on the bottom plate, and is characterized in that a window is arranged on one side of the Kovar ring frame, which is connected with leads, a ceramic plate is arranged in the window, through holes matched with the number of the leads are formed in the ceramic plate, and a plurality of leads respectively penetrate through the through holes to enter the packaging shell; the ceramic plate is a modified aluminum nitride ceramic plate. The ceramic plate structure is adopted to replace the original ceramic bead insulator, the ceramic plate is simple to process, and automatic operation can be realized. The modified aluminum nitride ceramic has high heat conductivity and high thermal expansion coefficient, and can improve the safety performance of the packaging shell.)
技术领域
本发明涉及电子元器件封装领域，具体地说是涉及一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳及陶瓷材料的制备。
背景技术
随着电子元器件集成化、小型化、高可靠的要求，常采用裸芯片进行气密封装，并兼顾高电压、大电流和高的散热能力。常规的工业级产品采用塑封封装，产品等级低，只能满足水密要求，气密等高可靠的封装外壳逐渐采用玻璃或陶瓷封装。对于大电流的铜引线外壳只能采用陶瓷封装的方式，目前常采用氧化铝陶瓷珠内外金属化进行焊接引线，陶瓷珠导热能力低，这样的封装使得产品存在气密性一致性差、产品价格高、导热差等等低可靠性问题。并且，设置在陶瓷封装中的绝缘片一般采用氧化铍绝缘片，但氧化铍粉体有毒，生产和使用过程中会带来中毒风险。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的之一在于提供一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳。
本发明采用的技术方案为：一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳，包括底板、焊接在底板上的绝缘片和设置在绝缘片四周并焊接在底板上的可伐环框，所述可伐环框连接引线的一侧设置开放窗口，所述窗口内设置陶瓷板，所述陶瓷板上开设与引线数量相适配的通孔，若干根引线分别穿过所述通孔进入所述封装外壳内部；所述陶瓷板为改性氮化铝陶瓷板。
优选的，所述陶瓷板嵌入所述窗口，且所述陶瓷板与所述窗口贴合处使用纯银或银铜焊料钎焊密封。
优选的，所述陶瓷板的表面设置有金属化区域，所述通孔内壁为非金属化区域；所述通孔与引线间使用可伐过渡环密封；所述可伐过渡环设置在陶瓷板的外表面侧。
优选的，所述绝缘片为改性氮化铝陶瓷绝缘片。
优选的，所述改性氮化铝陶瓷包括质量比1:0.2:(0.03-0.07)的氮化铝、氧化镁和烧结助剂，所述烧结助剂为CaO、Y2O3、CaF2中任意两种按质量比1：1混合得到。
本发明的目的之二在于提供一种上述陶瓷封装外壳使用的改性氮化铝陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.按质量比1:0.2:(0.03-0.07)称取氮化铝粉体：氧化镁粉体：烧结助剂，并混合均匀；
S2.将称取的粉末放入球磨机中，加入溶剂和分散剂，在球磨机中进行一次球磨，一次球磨时间为16-24h；再加入粘接剂和增塑剂进行二次球磨，二次球磨时间20-26h，得到浆料；
S3.对浆料进行真空除泡，用流延机对除泡后浆料进行流延成型，得到流延胚体；
S4.流延胚体在惰性气体中进行脱脂，脱脂温度为400-500℃；
S5.将脱脂后的流延胚体放入烧结炉中，氮气氛围下，1500-1600℃保温2-6h。
优选的，所述氮化铝粉体氧含量0.5-1.5wt％，D50为0.5-2μm；所述氧化镁粉体D50为0.5-2μm。
优选的，所述溶剂由乙醇、异丙醇和丁酮按照质量比1:1:2混合制得，所述分散剂为油酸、三油酸甘油酯、鱼油、丙烯酸树脂中的一种或多种。
优选的，所述增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯DMP和/或邻苯二甲酸丁苄BBP；所述粘接剂为聚碳酸亚丙树脂。
优选的，所述氮化铝粉体、氧化镁粉体、烧结助剂、分散剂、粘接剂、增塑剂、溶剂的质量比为1:0.2:(0.03-0.07):(0.01-0.03):(0.05-0.30):(0.03-0.05):(0.70-0.90)。
本发明的有益效果在于：
1)现有技术中引线穿过封装的可伐环框，使用陶瓷珠绝缘子密封，陶瓷珠结构需要单独进行压制烧结，并且陶瓷珠内、外局部金属化或内部全金属化只能采用人工操作或半自动化操作，整体对位精度差，加上人为因素，产品质量不受控。本发明创造性地采用陶瓷板的结构代替原有陶瓷珠绝缘子，陶瓷板加工简单，金属化只需在陶瓷板相对的两个表面发生，通孔内无金属化，可实现自动化操作。
2)陶瓷板结构代替独立的陶瓷珠，避免了陶瓷珠内孔金属化加工难题，以及金属化不一致等导致的气密等问题。陶瓷板表面金属化自动化程度高，质量一致性好，成品率大幅提升，陶瓷成本约为原进口陶瓷珠的1/15，产品总成本约为使用陶瓷珠的55％，有利于产品的市场化推广。
3)大功率产品通长采用可伐包铜引线，无氧铜引线带来引线电流的提升，造成热量的大量聚集，热量不能及时散发将降低产品的安全性。普通的氧化铝陶瓷虽然与可伐高温焊接热匹配好，但导热差；氮化铝陶瓷导热高但热膨胀系数小，两者都不太适合作为大功率器件绝缘子满足其使用的需求。本发明的陶瓷板使用改性的氮化铝陶瓷，在氮化铝陶瓷粉中加入一定量的碱土金属氧化物等形成玻璃相来提高材料的热膨胀系数，氮化铝陶瓷材料的改性兼顾了高导热和高热膨胀系数，可实现与可伐材料的高温热适配，陶瓷板也具有更大的面积可以实现快速散热。
4)本发明制备的改性氮化铝陶瓷，通过低成本的氮化铝粉体和碱土金属形成玻璃相及烧结助剂的掺入降低烧结温度，可以将原1800℃以上的高温烧结温度降低到1600℃以下，降低生产成本。同时热膨胀系数提高到5.8-6.2×10-6/K，与氧化铝陶瓷相当，但热导率得到明显提高，较氧化铝陶瓷的15w·m/k提高到130w·m/k以上，同时本发明的改性氮化铝陶瓷制备方法可降低烧结温度。
5)陶瓷板绝缘子为方形结构有利于扁头引线的定位，防止倾斜，特别是有利于焊接在环框上，可避免由于引线扁头定位不良造成整个产品的报废。
6)原绝缘片采用氧化铍陶瓷，但氧化铍粉体有毒，在生产过程中存在造成职业健康危害的可能。本发明采用高导热的氮化铝陶瓷代替氧化铍绝缘片，无毒无污染，可实现绿色化生产和应用。氮化铝陶瓷热导率170-270w·m/k，与氧化铍150-300w·m/k相当，同时热膨胀系数小，于其焊接的底板比如钼片相当，热应力小，可完全实现替代并提升产品性能。并且当陶瓷绝缘片焊接在底板上时，整个过程也不会因磕碰等导致碎裂继而导致产生粉末毒性。
附图说明
图1为本发明提供的封装外壳的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的右视图；
图4为本发明中陶瓷板结构示意图，图中阴影代表金属化区域；
图5为本发明中陶瓷板与引线连接的示意图；
图6为图5的左视图。
图中标注符号的含义如下：
10-封装外壳 11-底板 111-定位孔 12-绝缘片 121-过渡片
13-环框 131-窗口
21-引线 22-可伐过渡环
30-陶瓷板 31-通孔
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行说明，以便于本领域的技术人员理解。
实施例1
如图1-3所示，一种电子元器件用陶瓷金属封装外壳10，包括底板11、焊接在底板11上的绝缘片12和设置在绝缘片12四周并焊接在底板11上的可伐合金材质的可伐环框13。底板11为钨或钼基材质，绝缘片12设置有过渡片121，底板11上还开设有定位孔111。
可伐环框13连接引线21的一侧设置开放窗口131，窗口131内嵌入有与窗口131大小匹配的陶瓷板30，陶瓷板30与窗口131贴合处使用纯银或银铜焊料钎焊密封。
陶瓷板30的厚度可以小于可伐环框13的厚度或相同，本实施例中，陶瓷板30的厚度小于可伐环框13的厚度，有利于陶瓷板30在可伐环框13上的定位与安装。
陶瓷板30上设置与引线21数量相同的通孔31，陶瓷板30的表面设置有金属化区域，通孔31内壁为非金属化区域。本实施例中，三根引线21分别穿过三个通孔31进入封装外壳10内部，通孔31与引线21间使用可伐过渡环22密封，可伐过渡环22套设在引线，并贴合在陶瓷板30的外表面密封。在其他实施例中，引线21数量根据电子元器件不同可以设置一根或多根。
陶瓷板30为改性氮化铝陶瓷板。本实施例中，绝缘片13为与陶瓷板同一材质的改性氮化铝陶瓷板。
改性氮化铝陶瓷包括质量比1:0.2:(0.03-0.07)的氮化铝、氧化镁和烧结助剂，烧结助剂为CaO、Y2O3、CaF2中任意两种按质量比1：1混合。
实施例2
实施例1中的改性氮化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1.按质量比1:0.2:(0.03-0.07)分别称取氮化铝粉体、氧化镁粉体和烧结助剂，并混合均匀。其中氮化铝粉体氧含量0.5-1.5wt％，D50为0.5-2μm；氧化镁粉体D50为0.5-2μm；烧结助剂为CaO、Y2O3、CaF2中任意两种按质量比1：1混合。
S2.将称取的粉末放入球磨机中，加入溶剂和分散剂，在球磨机中进行一次球磨，一次球磨时间为16-24h；再加入粘接剂和增塑剂进行二次球磨，二次球磨时间20-26h，得到浆料；
其中，溶剂由乙醇、异丙醇和丁酮按照质量比1:1:2混合制得；分散剂为油酸、三油酸甘油酯、鱼油、丙烯酸树脂中的一种或多种；增塑剂为邻苯二甲酸二甲酯DMP和/或邻苯二甲酸丁苄BBP；粘接剂为聚碳酸亚丙树脂。
S3.对浆料进行真空除泡，用流延机对除泡后浆料进行流延成型，得到流延胚体；
S4.流延胚体在惰性气体中进行脱脂，脱脂温度为400-500℃；
S5.将脱脂后的流延胚体放入烧结炉中，氮气氛围下，1500-1600℃保温2-6h，即制得所需的改性氮化铝陶瓷。
上述方法中，氮化铝粉体、氧化镁粉体、烧结助剂、分散剂、粘接剂、增塑剂、溶剂的质量比为1:0.2:(0.03-0.07):(0.01-0.03):(0.05-0.30):(0.03-0.05):(0.70-0.90)。
制备的改性氮化铝陶瓷经加工后得到开设有通孔31的陶瓷板30，利用该陶瓷板30封装电子元器件的过程为：首先将绝缘片12钎焊在底板11上，再将可伐环框13设置在绝缘板12外围并钎焊在底板11上。将开好通孔31的陶瓷板30与引线21连接，形成绝缘子组件，再将陶瓷板30焊接在可伐环框13上的窗口131内即可。
本发明中，陶瓷板30除也可在整片陶瓷材料上经机加工程序设定后自动激光打孔，丝网印刷、金属化烧结和电镀，最后激光或砂轮自动划片分割后获得。
实施例3
以本申请制备的陶瓷金属封装外壳和现有产品进行测试比较，试验组三组分别使用本申请提供的改性氮化铝，三组中改性氮化铝主成分相同，改性氮化铝A中烧结助剂为Y2O3和CaF2；改性氮化铝B中烧结助剂为Y2O3和CaO；改性氮化铝C中烧结助剂为CaO和CaF2；对比例两组分别使用市售的高纯氮化铝和高纯氧化铝陶瓷。性能对比结果如下表1所示
表1不同封装外壳的性能对比
由表1可以看出，本发明制备的改性氮化铝陶瓷，热膨胀系数可达到5.8-6.2×10-6/K，与对比例2中高纯氧化铝陶瓷相当，但热导率得到明显提高，由氧化铝陶瓷的15w·m/k提高到130w·m/k以上。本实施例利用温循法测试产品气密性，温循试验参考《GJB 548B-2005国家军用行业标准微电子器件试验方法和程序》中方法1010.1条件F(100次，-65℃-+175℃)温度循环标准流程实施。结果表明试验组气密性优于对比例1使用的高纯氮化铝，与对比例2使用的高纯氧化铝相当，说明本发明既能够保证使用的安全性，同时也能够满足气密性需求。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
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