陶瓷外殼內部氣氛和多余物對產品性能的影響

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外殼內部氣氛和多余物對產品性能的影響

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外殼內部氣氛、多余物對器件會造成致命的影響。陶瓷外殼封裝芯片后，其內部殘余氣氛的狀況對元器件的性能、壽命和可靠性影響很大，很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。陶瓷外殼多余物，即便是非導電多余物，對元器件也會造成影響，可導致光電器件信號傳遞和繼電器觸點的不導通。文章通過分析陶瓷外殼內部殘余氣氛對元器件的影響及影響因素，陶瓷外殼燒結過程、電鍍過程造成的水汽及解決辦法，陶瓷外殼多余物對元器件的影響等，指出了解決問題的方向和辦法，對提高產品質量有一定的意義。

內部氣氛；多余物；燒結露點；真空烘培；生坯制作；粘結劑

1 引言

我國陶瓷封裝器件已經滲透到國民經濟建設的各個領域，實現了軍工科研成果向民用的轉化，促進了軍民兩用技術的發展。采用高新技術制造的陶瓷封裝器件可廣泛應用于航天、航空、艦船、兵器、電子和特種試驗領域。因此，隨著軍用電子元器件向高新尖的方向發展，對陶瓷外殼提出了更高的質量要求。陶瓷外殼產品質量是企業贏得市場的保證，因此，重視質量是我們軍工研制單位義不容辭的責任。解決當前困擾陶瓷外殼研制的技術難題——陶瓷外殼內部氣氛的排除和陶瓷外殼腔內多余物的控制刻不容緩。

2 陶瓷外殼內部殘余氣氛對元器件的影響

2.1 陶瓷外殼內部殘余氣氛對元器件的影響因素

陶瓷外殼封裝芯片后，其內部殘余氣氛的狀況對元器件的性能、壽命和可靠性影響很大。很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。主要表現在：

（1）加速對電路的腐蝕作用；

（2）造成內部環境的惡性污染；

（3）形成電路的短路或燒毀；

（4）電路失去應有的功能作用；

（5）低溫下的電路轉換失效；

（6）影響電路的正常轉換等。

2.2 密封的元器件內部含有的水汽來源途徑

密封的元器件內部含有的水汽主要來源以下幾個方面：

（1）空氣中的水汽。密封時環境含有空氣，或產品本身密封性降低，封裝后空氣進入，器件中會含有氧氣、氬氣、氦氣和氟碳化合物。

（2）封裝后排放的水汽。有些陶瓷和玻璃封裝，使用干燥空氣作封裝氣體，在高溫作用下，產生氧化反應，出現大量的水汽和二氧化碳以及各種有機材料、陶瓷、金屬會釋放水汽。

（3）保護氣體中的水汽。這部分水汽含量可能較少。

因此，要消除器件內的水汽，我們作為外殼供應方，首先要消除外殼內部的水汽。

2.3 陶瓷外殼水汽含量的來源因素

陶瓷外殼的水汽含量與外殼金屬化表面的致密度以及電鍍后處理工藝有關。金屬化層不致密、電鍍過程中水汽滲透、產品脫水烘干不完全，都有可能造成外殼內殘留水汽。

2.3.1 外殼金屬化燒結機理

外殼金屬化燒結過程包括有機溶劑的揮發、分解、氧化、金屬的氧化還原以及玻璃的擴散，此過程必須在適宜溫度下有適量的水汽來完成整個過程。若高溫前水汽含量不足，則有機溶劑類物質不能充分氧化，以C形式存在于W金屬化層。而W氧化還原，提高了顆粒表明活性，促進W顆粒的骨架燒結，同時W的氧化促進高溫液相潤濕作用，促進玻璃相向金屬化層擴散。

2.3.2 外殼燒結產生的水汽

陶瓷外殼的水汽含量與燒結的露點有一定的關系。根據試驗表明：金屬化結合不好，可為水分滲透提供條件。

我們采用6種濕氫露點試驗，不同的濕氫露點對金屬化燒結質量影響是不同的，試驗情況詳見表1。

表1 濕氫露點與金屬化燒結質量情況表

表1的實驗結果表明，起皮現象是陶瓷外殼生產中的廢品，氧化產品可返修，但通過二次燒結返修（溫度1 400℃左右）后，產品金屬化層的致密度不如一次燒成的效果好，為水分滲透提供條件。同時陶瓷體經二次燒結，其晶粒長大，降低了瓷體的機械強度。因此建議燒結工藝采用的濕氫露點控制在24℃±1℃，有利于提高金屬化層一次燒成的致密性。

2.3.3 產品電鍍后產生的水汽

外殼電鍍后，產品表面、金屬化層、鍍層內、陶瓷金屬本身都會有不同程度的水汽滯留。工藝上，雖采用酒精脫水烘干（180℃/15min）的措施，但只能烘干表面機械附著的水份，難以除去深層次的水份。

針對上述造成產品水汽的原因，我們通過反復試驗，采用真空烘培的方法，能較好地解決上述問題。

我們將外殼擺放于平整瓷片上，放入真空干燥箱進行烘焙。一般情況下，水汽在125℃就能排出，其他氣氛則需要在200℃以上才有可能排除干凈。

通過工藝試驗，我們采用的工藝參數是：溫度200℃～240℃、時間24h～48h、真空度≤-0.08MPa。在此長時間的真空烘培下，外殼鍍層及金屬層內、陶瓷金屬本身殘留水分會因加熱加速鍍層濃度氣氛和箱內真空濃度氣氛的擴散，從而降低外殼的水汽含量。

3 陶瓷外殼多余物對元器件的影響

陶瓷外殼在生坯制作過程中，由于工藝不良，造成瓷粉顆粒、粘結劑粘附腔內，粒子碰撞噪聲檢測不合格。主要表現為沖腔模鈍化、沖切面粗糙、粘結劑過量、生瓷配方不良等。

陶瓷外殼多余物，即便是非導電多余物，對元器件也會造成影響。特別是對光電器件和繼電器會造成致命的危害，可導致光電器件信號傳遞和繼電器觸點的不導通。因此，必須嚴格控制不良現象發生。

從圖1可以看出，生瓷沖制過程中，有可能在沖切面產生多余物，若清理不干凈，會給下道工序埋下隱患。圖2顯示的是生片沖制多余物未清理干凈，將會對后道疊片層壓工序產生的影響。圖3顯示的是生坯多余物處理不干凈，導致產品燒成后，腔體內殘留瓷顆粒去除較困難，對器件的危害極大。圖4為工藝正常情況下生產的半成品圖。圖5為合格的成品圖。

圖1 生坯沖制后產生的多余物

圖2 單片多余物未清除，層壓后實物照

圖3 生坯多余物未處理好，成瓷后實物照

圖4 不帶多余物半成品實物照

圖5 不帶多余物成品實物照

因此，產品在設計過程中要設計對多余物的預防，加強生坯、生瓷腔體清理工藝，提高模具制作的精度和光潔度，掌握粘結劑的合理用量。同時，對生坯的配制工藝適當改良，提高其柔韌性，降低生坯多余物的產生。

而對于元器件，則通過粒子噪聲檢測儀、X射線檢查、掃描電鏡-能譜分析儀、俄歇電子能譜分析儀、二次離子質譜分析儀等常用的儀器設備及工具進行檢測和篩選，避免失效的發生。

4 結論

通過對陶瓷外殼內部氣氛、多余物的簡單探析，我們知道，外殼內部殘留水汽和多余物會對器件的性能產生極大的影響，我們應該從外殼制造源頭上把關。實踐證明，通過真空烘培工藝和提高模具的精度、有效控制粘結劑的用量、改善生坯的配制工藝，對消除陶瓷外殼內部氣氛和多余物的去除是可行的。

［1］羅輯，趙和義. 軍用電子元器件質量管理與質量控制[M]. 北京：國防工業出版社，2004.

The Internal Atmosphere of Ceramic Shell and Extra Material Impact on Product Performance

YU Yong-mei
（Fujian Minhang Electronics Co.,Ltd.,Nanping353001,China）

Ceramic shell internal atmosphere, extra material impact on the deadly devices. After the ceramic shell chip package, the internal state of the residual atmosphere of the performance of components, a great influence on the life and reliability, it is likely to cause poor performance and early component failure.Ceramic shell extra material, even if the excess non-conductive material, the components will be affected.Signaling can lead to optoelectronic devices and relay contacts not conducting. Based on the ceramic housing components within the residual atmosphere on the impact and inf l uence factors; sintered ceramic shell process, electroplating process caused by water vapor and solutions; ceramic shell extra material on the components to analyze the impact that the resolution of the problem and methods to improve the quality of products have a certain signif i cance.

internal atmosphere; extra material; sintering dew point; vacuum baking; preform production;binder

TN306

A

1681-1070（2012）01-0011-03

2011-10-10

余詠梅（1966—），女，江西人，高級工程師，從事陶瓷封裝外殼研制工作二十余年。