降低封焊開裂的封裝結構及其制備方法研究

李 鋼

（潮州三環（集團）股份有限公司，廣東 潮州 521000）

0 引言

近年來，隨著各個類型的電子產品在工業、農業、國防和日常生活中的廣泛應用，促使電子元器件封裝技術高速發展。同時，電子產品性能更高，功能更多，可靠性更強，型體更小，厚度更薄，也更加便捷，其對電子元器件封裝的要求也越來越高，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格都是電子元器件封裝行業追求的目標。

1 傳統封裝結構的缺陷

傳統的封裝結構，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相差太大，容易引起封焊開裂?；诖耍斜匾芯恳环N能降低封焊開裂率的封裝結構及其制備方法。

2 降低封焊開裂的封裝結構以及其制備方法

降低封焊開裂的封裝結構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置在上述陶瓷基座上用來封閉上述收容槽，第二封裝元件由可伐合金制成。

上述封裝結構，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置鎳層和金層，連接層與陶瓷的結合力較佳，再層疊鎳層及金層可以得到與陶瓷基座結合力較好的金屬層，使用時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相近，可以消除因熱膨脹系數差別大引起的應力開裂等問題，能降低封焊開裂率[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 封裝結構的立體分解圖與封裝結構的立體組裝圖

封裝結構的立體分解圖如圖1所示，封裝結構的立體組裝圖如圖2所示。

圖1 封裝結構的立體分解圖

4 具體實施方式

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為6.7×10-6℃～8.0×10-6℃，氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數為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。在該實施方式中，連接面絲網印刷連接層漿料后，通過高溫燒制連接層。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量，包括29%的鎳、17%的鈷及54%的鐵。鐵鈷鎳合金的熱膨脹系數（20 ℃～100 ℃）為6.4×10-6℃。第二封裝元件的厚度0.07 mm～0.10 mm。當然，在其他實施例中，第二封裝元件不限于為板狀，還可以為其他形狀，例如，在第二封裝元件設置與收容槽對應的容置槽。請同時參考圖1，第二封裝元件設置在陶瓷基座并封閉收容槽。第二封裝元件通過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。上述封裝結構，通過在陶瓷基座的連接面設置連接層，然后在連接層表面依次設置鎳層及金層，鎳層與金層層疊可以得到與陶瓷基座結合力較好的金屬層，使用時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相近，如圖2所示?？梢韵驘崤蛎浵禂挡顒e大引起的應力開裂等問題，能降低封焊開裂率。

圖2 封裝結構的立體組裝圖

上述封裝結構的制備方法，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，當然，其他業內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沖孔制備。2）在連接面表面絲網印刷連接層漿料。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。在另一個實施例中，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）對絲網印刷鎢漿料后的陶瓷基座進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 ℃，高溫共燒處理的時間為20 h～23 h。高溫共燒處理在還原氣作用下進行。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，并將第二封裝元件蓋設于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。待密封元件為電子元件。當然，在其他實施例中，待密封元件為石英晶體。6）對第二封裝元件與金層進行激光封焊。激光封焊在保護性氣體的作用下進行，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距離激光焊接器。非接觸式遠距離激光焊接器的運行參數為激光峰值功率為0.3 kW～7 kW，脈沖寬度為2 ms～10 ms，脈沖重復頻率為10 Hz～30 Hz，離焦量為-5 mm～4.2 mm。優選的，激光峰值功率為1 kW，脈沖寬度為5 ms，脈沖重復頻率為20 Hz，離焦量為-0.5 mm。激光封焊在保護性氣體的作用下進行。最佳的保護性氣體選自氮氣或者氬氣。將第二封裝元件及第一封裝元件放在密閉透明容器中，通過聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對第二封裝元件和陶瓷基座的金層進行激光封焊。

上述封裝元件的制備方法，通過流延成型制備陶瓷基座，用絲網印刷漿料通過高溫共燒，形成的連接層與陶瓷基座之間的結合力較大，然后通過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相近，可以消除因熱膨脹系數差別大引起的應力開裂等問題，能降低封焊開裂率。

5 具體實施例

5.1 實施例1

實施例1的封裝結構的結構如圖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，鐵鈷鎳合金板以質量百分比計含有10%的鎳、10%的鈷以及80%的鐵。焊接時，將第二封裝元件設置在陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氮氣的作用下，采用非接觸式遠距離激光焊接器，通過聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對第二封裝元件和陶瓷基座的金層進行激光封焊，焊接速度為250 mm/min，非接觸式遠距離激光焊接器的運行參數包括激光峰值功率為2 kW，脈沖寬度為5 ms，脈沖重復頻率為20 Hz，離焦量為-0.5 mm。經測試，激光封焊1 000個封裝結構，開裂率為0%。

5.2 實施例2

實施例2的封裝結構的結構如圖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，將第二封裝元件蓋設于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氬氣的作用下，采用非接觸式遠距離激光焊接器，通過聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對第二封裝元件和陶瓷基座的金層進行激光封焊，焊接速度為100 mm/min，非接觸式遠距離激光焊接器的運行參數包括激光峰值功率為0.3 kW，脈沖寬度為2 ms，脈沖重復頻率為10 Hz，離焦量為4.2 mm。經測試，激光封焊1 000個封裝結構，開裂率為0%。

5.3 實施例3

實施例3的封裝結構的結構如圖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，將第二封裝元件蓋設于陶瓷基座，第二封裝元件與金層貼合。在氬氣的作用下，采用非接觸式遠距離激光焊接器，通過聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對第二封裝元件和陶瓷基座的金層進行激光封焊，焊接速度為300 mm/min，非接觸式遠距離激光焊接器的運行參數包括激光峰值功率為7 kW，脈沖寬度為10 ms，脈沖重復頻率為30 Hz，離焦量為-0.5 mm。經測試，激光封焊1 000個封裝結構，開裂率為0%。

5.4 實施例4

實施例4的封裝結構包括陶瓷基座、可伐環及金屬蓋。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，通過還原氣的作用將可伐環焊接至金層，再通過電阻焊將金屬蓋焊接至可伐環。經測試，1 000個封裝結構的開裂率為0.3%。

5.5 實施例5

實施例5的封裝結構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，連接面絲網印刷表面可伐合金漿料，燒結后形成可伐合金層，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，將金屬蓋設置在陶瓷基座，與可伐合金層貼合[3]。在氮氣的作用下，采用非接觸式遠距離激光焊接器，通過聚焦棱鏡聚焦YAG固體激光器的入射光束，利用聚焦光束對金屬蓋和陶瓷基座的可伐合金層進行激光封焊，焊接速度為150 mm/min，非接觸式遠距離激光焊接器的運行參數包括激光峰值功率為4 kW，脈沖寬度為8 ms，脈沖重復頻率為18 Hz，離焦量為1.2 mm。 經測試，激光封焊1 000個封裝結構，開裂率為0.4%。

6 結語

綜上所述，以上所述實施的各類技術可以進行任意的組合，為了可以簡潔地描述，未對上述實施例中的各個技術的所有可能的組合都進行描述。但是，這些技術的組合不存在矛盾，因此，以上都是可以降低封焊開裂的封裝結構。