一种陶瓷插针外壳结构及其制造方法与流程

本发明是一种陶瓷插针外壳结构及其制造方法，乃是针对电力电子用封装外壳的结构与制造方法，属于陶瓷封装技术领域。

背景技术：

陶瓷插针外壳广泛应用于电力电子器件的高可靠性封装，如典型的to254、to256系列封装。该类型封装外壳引针一般存在两种类型的封接形式，一种为端封，一种为轴封，两种封接形式在生产过程都存在一定比例气密性问题。

对于端封结构，是通过焊环与瓷件的表层金属化焊接形成面结合，同时引针与焊环间缝隙由银铜焊料填充，形成焊环、瓷件、引针的密封结构。在这种结构中由于瓷件、焊环与引针间热膨胀系数存在差异，在高温焊接升温与冷却过程中焊环与瓷件结合的金属化边缘受力较大，易被焊料拉开，从而造成气密性问题。

对于轴封结构，瓷件的孔内金属化与引针由银铜焊料填充，直接形成气密封接。这种封接形式对孔与引针间的间隙精度要求非常高。过窄的间隙引针无法顺利插入，从而无法组装焊接；过宽的间隙则焊料无法填满，造成焊接孔洞。并且间隙尺寸的稍微波动也会造成焊料量无法精确控制，从而造成气密性问题。

由于电子力电子器件广泛用于军工、轨道交通、汽车等功率转换领域，需求量非常大。因此，提高该类型封装外壳的气密可靠性，有着良好的应用前景与社会效益。

技术实现要素：

本发明提出的是一种陶瓷插针外壳结构及其制造方法，其目的是获得一种高可靠的陶瓷、引针封接结构，解决该类型外壳的气密性问题。

本发明的技术解决方案：陶瓷插针外壳结构，其结构包括外壳框架1、金属引针2、陶瓷瓷件3、焊环4、热沉5、散热片6，其中外壳框架1的底层上是散热片6，外壳框架1的侧面上是陶瓷瓷件3，陶瓷瓷件3外包焊环4，焊环4的端部是金属引针2，外壳框架1的底层端部是热沉5；

所述陶瓷瓷件3与金属引针2之间采用端封与轴封结合的方式，焊环4与陶瓷瓷件3表层金属化形成端封，其气密封接面积大；同时陶瓷瓷件3孔的上层部分孔壁金属化，避免了端封金属化形成的边缘应力，并与金属引针2形成轴封。

该结构方式利用端封气密封接面积大的特点，同时利用轴封焊料下挂减少了单一端封焊接应力大的缺点，避免了单一端封陶瓷金属化开裂及轴封不易焊接造成的气密性问题。

其制造方法，包括如下工艺步骤：

1）通过流延，获得0.15-0.45mm厚度的氧化铝生瓷带；

2）将每层氧化铝生瓷带进行激光开孔或是机械开孔，开出金属引针的穿孔位置；

3）对最表层瓷带进行印刷，获得端封用焊环焊接所需的金属化；对最底层瓷带进行印刷，获得陶瓷件与外壳框架焊接所需的金属化；

4）对最表层瓷带开孔进行挂孔，使孔内壁实现金属化，用于金属引针的轴封；

5）将多层氧化铝生瓷带进行叠片、层压、生切、烧结，获得单个熟瓷瓷件；

6）采用化学镀镍、对瓷件钨金属化进行镀覆，使陶瓷金属化能够进行高温钎焊；

7）将瓷件、引针、焊环、热沉、散热片、框架用银铜焊料经过高温钎焊，进行焊接成型为半成品外壳；

8）将半成品管壳通过电镀镍、电镀金工艺成为成品封装外壳。

本发明的优点：

1）采用轴封与轴封相结合的结构，有效改善了陶瓷插针类外壳气密可靠性。

2）该结构的瓷件开孔、表层金属化印刷及孔内金属化均为通用的多层陶瓷制备工艺，能够实现一致性规模化生产，为批生产制备技术。

附图说明

图1是陶瓷插针外壳的制造工艺流程图。

图2是陶瓷插针外壳的外壳结构图。

图中的1是外壳框架、2是金属引针、3是陶瓷瓷件、4是焊环、5是热沉、6是散热片。

具体实施方式

对照图2，陶瓷插针外壳结构，包括外壳框架1、金属引针2、陶瓷瓷件3、焊环4、热沉5、散热片6，其中外壳框架1的底层上是散热片6，外壳框架1的侧面上是陶瓷瓷件3，陶瓷瓷件3外包焊环4，焊环4的端部是金属引针2，外壳框架1的底层端部是热沉5；

所述陶瓷瓷件3与金属引针2之间采用端封与轴封结合的方式，焊环4与陶瓷瓷件3表层金属化形成端封，其气密封接面积大；同时陶瓷瓷件3孔的上层部分孔壁金属化，避免了端封金属化形成的边缘应力，并与金属引针2形成轴封；该结构形式避免了单一端封陶瓷金属化开裂及轴封不易焊接造成的气密性问题。

如图1所示，制造陶瓷插针外壳结构的方法，包括如下工艺步骤：

1）通过流延，获得0.15-0.45mm厚度的氧化铝生瓷带；

2）将每层氧化铝生瓷带进行激光开孔或是机械开孔，开出金属引针的穿孔位置；

3）对最表层瓷带进行印刷，获得端封用焊环焊接所需的金属化；对最底层瓷带进行印刷，获得陶瓷件与外壳框架焊接所需的金属化；

4）对最表层瓷带开孔进行挂孔，使孔内壁实现金属化，用于金属引针的轴封；

5）将多层氧化铝生瓷带进行叠片、层压、生切、烧结，获得单个熟瓷瓷件；

6）采用化学镀镍、对瓷件钨金属化进行镀覆，使陶瓷金属化能够进行高温钎焊；

7）将镀镍后陶瓷瓷件3、金属引针2、焊环4、热沉5、散热片6、外壳框架1用银铜焊料经过高温钎焊，进行焊接成型为半成品外壳；

8）将半成品管壳通过电镀镍、电镀金工艺成为成品封装外壳。

所述的一种陶瓷插针外壳结构，其氧化铝陶瓷件选用氧化铝陶瓷为基体材料，利用多层陶瓷制备工艺加工获得。

所述的一种陶瓷插针外壳结构，其氧化铝陶瓷件中轴封通过表层瓷带开孔，并进行印刷金属化挂孔获得。

所述的一种陶瓷插针外壳结构，其端封与轴封结合是通过焊环、引针、瓷件表层金属化、及瓷件孔内金属化与银铜焊料的经过高温钎焊而获得。

实施例

制造陶瓷插针外壳结构，包括如下步骤：

1）利用流延设备在120℃干燥温度下获得单张厚度0.34mm，长、宽210mm生瓷带；

2）将4层0.34厚度氮化铝生瓷带，利用机械冲孔机开出引针所需要的孔；

3）利用印刷机与丝网网版，将钨浆料涂覆顶层表面及底层表面，获得瓷件与可伐密封环焊接端封所需的金属化区域及与可伐框架焊接所需的金属化区域，待干燥；

4）干燥后，利用钢网网版与印刷机，对最表层瓷带开孔进行钨浆料挂孔，实现内壁金属化，获得引针与开孔轴封金属化区域，待干燥，

5）干燥后，将四层生瓷带按顺序进行叠片、层压成整体生瓷块，

6）利用生切机，将整版生瓷块按标记线进行生切获得单元；

7）在1600℃的温度下，进行烧结，获得熟瓷单元；

8）将熟瓷在滚镀槽内进行化学镀镍，镍层厚度为1.0μm；

9）将镀镍后瓷件与引针、焊环、热沉、散热片、框架用石墨模具装架后用银铜焊料在800℃钎焊炉内进行钎焊，获得半成品外壳；

10）将半成品管壳进行电镀镍、电镀金，镍层厚度为3.0μm，金层厚度为2.0μm获得成品封装外壳。

技术特征：

技术总结
本发明是陶瓷插针外壳结构及制造方法，其外壳结构是陶瓷件与金属引针之间采用端封与轴封结合的方式。其制造方法，包括如下工艺步骤：1）通过流延，获得氧化铝生瓷带；2）将每层氧化铝生瓷带开孔；3）对最表层、对最底层瓷带进行印刷，获得陶瓷件与外壳框架焊接所需的金属化；4）对最表层瓷带开孔进行挂孔；5）获得单个熟瓷瓷件；6）采用化学镀镍；7）制得半成品外壳；8）制成为成品封装外壳。优点：能够有效提升高可靠电力电子封装外壳的气密可靠性，并且为大规模生产工艺能够保证该类型产品的批量化制备。

技术研发人员：陈寰贝;陈宇宁;周昊
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：2017.11.14
技术公布日：2018.04.20