一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，包括金属底板、金属墙体、玻璃陶瓷复合型绝缘子、金属密封环、引出电极、焊接部位金属化层；本实用新型提供了一种玻璃陶瓷复合型绝缘子，兼具了玻璃绝缘子与陶瓷绝缘子的优点，通过合理地设计二者的结构、安装位置以及连接方法等克服了二者所具有的缺点，既满足功率器件对于高阻值的电性要求，而且玻璃陶瓷复合型绝缘子强度较高，耐冲击能力强，满足了功率器件高可靠要求，热阻小、效率高、可靠性高，使得安装该玻璃陶瓷复合型绝缘子的功率器件的封装外壳具有更好的性能，生产工艺较简单，提高生产效率，便于大批量生产。
【专利说明】
一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳
技术领域
[0001]本实用新型涉及半导体封装技术领域，尤其是涉及一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳。
【背景技术】
[0002]目前，航天、航空、船舶、兵器等领域需要大量具有一定功率要求的器件产品，要求热阻小、耐冲击性能好、可靠性高等特点，为提高整机可靠性提供前提。TO系列的功率器件的封装外壳一般是采用金属作为外壳主体，引出端与金属主体之间的绝缘材料一般采用玻璃或者陶瓷。
[0003]玻璃绝缘子的TO外壳，受玻璃强度差等因素的限制，耐冲击性能差，不能用于高可靠器件领域。
[0004]而陶瓷绝缘子的韧性和强度都明显高于玻璃，因此采用陶瓷绝缘子的TO系列外壳可靠性能大大提高。但因为陶瓷绝缘子自身加工难度大、成本较高，而且TO系列陶瓷绝缘子外壳生产流程繁琐、技术难度高、生产效率低、材料成本高，至今国内还没有系统的技术攻关，因此没有得到广泛推广。
[0005]因此，如何提供一种强度较高，耐冲击能力强，可靠性高，且生产加工工艺较简单，成本较低，便于大批量生产、适用于封装外壳的绝缘子是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于提供一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，该封装外壳包括玻璃陶瓷复合型绝缘子，该玻璃陶瓷复合型绝缘子不仅强度较高，耐冲击能力强，可靠性高，而且生产加工工艺较简单，成本较低，便于大批量生产。
[0007]为解决上述的技术问题，本实用新型提供的技术方案为:
[0008]—种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，包括金属底板、金属墙体、玻璃陶瓷复合型绝缘子、金属密封环、引出电极、焊接部位金属化层；
[0009]所述金属墙体为一个仅包括四面侧面壁的框形结构；
[0010]所述金属墙体设置于所述金属底板的一个长宽侧面上，且所述金属底板与金属墙体构成一个一面开口的腔室；
[0011]所述金属墙体的下侧面壁上开设有用于穿插固定所述引出电极的连接通孔；
[0012]所述引出电极设置于所述金属墙体的连接通孔内；
[0013]所述玻璃陶瓷复合型绝缘子包括玻璃材质部与陶瓷材质部，所述玻璃材质部与所述陶瓷材质部构成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子；
[0014]所述玻璃材质部设置于所述连接通孔的内孔壁与所述引出电极的周向面之间的间隙内；
[0015]所述陶瓷材质部套设于所述引出电极上且所述陶瓷材质部的上端面无缝紧贴于所述玻璃材质部的下端面，且所述陶瓷材质部的上端面形状大小满足所述陶瓷材质部的上端面遮住所述玻璃材质部与所述连接通孔的连接界面的下端；
[0016]所述金属密封环套设在所述引出电极上且所述金属密封环的环形面通过所述焊接部位金属化层与所述陶瓷材质部的下端面固定连接，且所述金属密封环的内侧面与所述引出电极的周向面熔焊连接。
[0017]优选的，所述玻璃材质部为空心圆柱状，上下外径相同，所述玻璃材质部的下端面与所述金属墙体的下侧面壁的外表面齐平。
[0018]优选的，所述陶瓷材质部为空心圆柱状，上下外径不同，包括上宽径部与下窄径部，所述上宽径部与所述下窄径部圆滑过渡连接。
[0019]优选的，所述玻璃材质部与所述陶瓷材质部通过熔渗连接成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子。
[0020]优选的，还包括用于封盖所述金属底板与金属墙体构成的腔室的开口面的盖板。[0021 ]优选的，所述金属底板为无氧铜板材质。
[0022]优选的，所述金属墙体为低碳钢材质。
[0023]优选的，所述引出电极为可伐铜芯引线材质。
[0024]与现有技术相比，本实用新型提供了一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，该封装外壳中，采用玻璃陶瓷复合型绝缘子，经烧结成型后，所述玻璃件与所述陶瓷件烧结为一体式结构，得到具有玻璃材质部与陶瓷材质部的所述玻璃陶瓷绝缘子，本专利将所述玻璃材质部设置于所述连接通孔的内孔壁与所述引出电极的周向面之间的间隙内，经烧结后，玻璃材质部与连接通孔的内孔壁以及引出电极的外周面烧结成一体连接;且将所述陶瓷材质部套设于所述引出电极上且所述陶瓷材质部的上端面无缝紧贴于所述玻璃材质部的下端面，且所述陶瓷材质部的上端面形状大小满足所述陶瓷材质部的上端面遮住所述玻璃材质部与所述连接通孔的连接界面的下端，经烧结后，陶瓷材质部与引出电极的外周面烧结成一体，且陶瓷材质部与玻璃材质部在二者的连接处在高温下发生熔渗，部分玻璃浸入陶瓷中，使得烧结后的玻璃材质部与陶瓷材质部成为能够共同承担外界破坏力的一体式结构件，且金属密封环内壁与引出电极外圆柱面用银铜钎料熔焊连接;如此设置，使得玻璃材质部在孔内，陶瓷材质部在孔外，引出电极的根部通过玻璃材质部以埋入式固定在金属墙体上，陶瓷材质部就相当于在此基础上的外露加强筋，当外漏的引出电极受到外界破坏力时，首先由强度较高的陶瓷材质部承担大部分该外界破坏力，剩余的小部分外界破坏力传递至引出电极的根部由玻璃材质部承担，从而克服了原有采用单一的玻璃材质部时玻璃材质部强度差，在外界破坏力的作用下容易破碎、崩裂的问题;本实用新型中，在玻璃材质部的外部设置陶瓷材质部，烧结过程中，玻璃材质部待烧成形件熔化为液体，而陶瓷材质部待烧成形件仍为固态，液态的玻璃会渗透入与之紧邻的陶瓷材质部待烧成形件的孔隙内，最终固化连接在一起，二者熔渗为一体结构，形成玻璃陶瓷复合型绝缘子，相比于原有的单一玻璃材质部，该复合型绝缘子的耐冲击性肯定更高，能够用于高可靠部件领域;且金属密封环内壁与引出电极外圆柱面用银铜钎料熔焊连接，银铜钎料的连接强度远比玻璃材质部与引出电极的连接强度高，起到了增加连接强度的作用，更好地将玻璃陶瓷绝缘子这个一体式结构与引出电极连接在一起;综上，本实用新型使用玻璃陶瓷绝缘子，不仅包括玻璃材质部，还包括陶瓷材质部，合理设置玻璃材质部与陶瓷材质部的的结构外形和安装位置，且通过上述的多个连接面处的多种连接方式，将玻璃陶瓷绝缘子、金属墙体以及引出电极连接成一个强度较高的一体式结构件，克服了原有的单一玻璃绝缘子的强度差、耐冲击性能差、不能用于高可靠器件领域等问题。
[0025]同时，本实用新型中，巧妙地设计了陶瓷材质部的结构形状，使其只安装在金属墙体上的连接通孔的外部，不像原来陶瓷绝缘子似的还需设计一个突出部插入孔内，简化了结构，降低了加工难度与生产成本，且本实用新型提供了一种新式的陶瓷材质部的安装方式，原有的封装工艺中，均是采用已经加工好的陶瓷绝缘子与金属墙体以及引出电极通过熔焊钎料的方式连接成一体，生产流程繁琐、技术难度高、生产效率低、材料成本高，而本实用新型中采用高温烧结使得陶瓷材质部与金属墙体以及引出电极成为一体式结构，采用一次烧结，完成玻璃材质部与金属墙体以及引出电极成为一体式结构，同时完成陶瓷材质部与金属墙体以及引出电极成为一体式结构，同时完成玻璃材质部与陶瓷材质部成为一体式结构，简单高效，有效地解决了原有封装陶瓷材质部艺中生产流程繁琐、技术难度高、生产效率低、材料成本高的问题。
[0026]综上，本实用新型提供了一种包括玻璃陶瓷复合型绝缘子的封装外壳，其中的玻璃陶瓷复合型绝缘子兼具了玻璃材质部与陶瓷材质部的优点，通过合理地设计二者的结构、安装位置、二者之间的连接方法、二者与金属墙体以及引出电极的连接方式等，克服了单一玻璃绝缘子与单一陶瓷绝缘子所具有的缺点，既满足功率器件对于高阻值的电性要求，而且玻璃陶瓷复合型绝缘子强度较高，耐冲击能力强，满足了功率器件高可靠要求，热阻小、效率高、可靠性高，使得安装该玻璃陶瓷复合型绝缘子的功率器件的封装外壳具有更好的性能，且进一步的，该封装外壳采用了无氧铜板作为热沉材料，利于器件散热;采用低碳钢作为外壳墙体，可伐铜芯引线作为引出电极;生产工艺较简单，提高生产效率，便于大批量生产。
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型实施例提供的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳(去掉封盖)的主视
[0028]图2;图2为图1的A-A向剖面结构示意图；
[0029]图3为图2中A区域的放大示意图。
[0030]图中:I金属底板，2金属墙体，3玻璃材质部，4陶瓷材质部，5金属密封环，6引出电极，7焊接部位金属化层。
【具体实施方式】
[0031]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0032]在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0033]在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034]参照图1?图3，图1为本实用新型实施例提供的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳(去掉封盖)的主视图；图2为图1的A-A向剖面结构示意图；图3为图2中A区域的放大示意图。
[0035]—种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，包括金属底板1、金属墙体2、玻璃陶瓷复合型绝缘子、金属密封环5、引出电极6、焊接部位金属化层7;
[0036]所述金属墙体2为一个仅包括四面侧面壁的框形结构；
[0037]所述金属墙体2设置于所述金属底板I的一个长宽侧面上，且所述金属底板I与金属墙体2构成一个一面开口的腔室；
[0038]所述金属墙体2的下侧面壁上开设有用于穿插固定所述引出电极6的连接通孔；
[0039]所述引出电极6设置于所述金属墙体2的连接通孔内；
[0040]所述玻璃陶瓷复合型绝缘子包括玻璃材质部3与陶瓷材质部4，所述玻璃材质部3与所述陶瓷材质部4构成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子；
[0041]所述玻璃材质部3设置于所述连接通孔的内孔壁与所述引出电极6的周向面之间的间隙内；
[0042]所述陶瓷材质部4套设于所述引出电极6上且所述陶瓷材质部4的上端面无缝紧贴于所述玻璃材质部3的下端面，且所述陶瓷材质部4的上端面形状大小满足所述陶瓷材质部4的上端面遮住所述玻璃材质部3与所述连接通孔的连接界面的下端；
[0043]所述金属密封环5套设在所述引出电极6上且所述金属密封环5的环形面通过所述焊接部位金属化层7与所述陶瓷材质部4的下端面固定连接，且所述金属密封环5的内侧面与所述引出电极6的周向面熔焊连接。
[0044]在本实用新型的一个实施例中，所述玻璃材质部3为空心圆柱状，上下外径相同，所述玻璃材质部3的下端面与所述金属墙体2的下侧面壁的外表面齐平。
[0045]在本实用新型的一个实施例中，所述陶瓷材质部4为空心圆柱状，上下外径不同，包括上宽径部与下窄径部，所述上宽径部与所述下窄径部圆滑过渡连接。
[0046]在本实用新型的一个实施例中，所述玻璃材质部3与所述陶瓷材质部4通过熔渗连接成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子。
[0047]在本实用新型的一个实施例中，上述封装外壳还包括用于封盖所述金属底板I与金属墙体2构成的腔室的开口面的盖板。
[0048]在本实用新型的一个实施例中，上述金属底板I为无氧铜板材质。
[0049]在本实用新型的一个实施例中，上述金属墙体2为低碳钢材质。
[0050]在本实用新型的一个实施例中，上述引出电极6为可伐铜芯引线材质，引线强度尚、电阻小。
[0051]本实用新型还提供了一种上述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳的制备方法，包括以下步骤:
[0052]I)制作金属底板1、金属墙体2、金属密封环5以及引出电极6，且制作固态的玻璃件以及固态的陶瓷件，所述陶瓷件的下端面上设置有焊接部位金属化层7;
[0053]2)将步骤I)中所述的金属墙体2、引出电极6、玻璃件以及陶瓷件按照权利要求1中所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳的结构形式组装起来，用石墨模具作为定位工装；
[0054]3)将步骤2)组装完成的组装件放入气氛保护高温烧结炉内进行烧结成型，在烧结过程中，所述玻璃件与所述陶瓷件烧结为一体式结构得到所述玻璃陶瓷绝缘子，出炉后得到由金属墙体2、引出电极6、玻璃陶瓷复合型绝缘子构成的烧结一体件；
[0055]4)将步骤3)得到的烧结一体件通过在气氛保护高温烧结炉内熔焊银铜钎料将所述金属密封环5焊接在所述陶瓷材质部4的下端面上的焊接部位金属化层7上；
[0056]5)将步骤4)熔焊金属密封环5后的烧结一体件与金属底板I组装，然后通过在气氛保护高温烧结炉内熔焊银铜钎料将二者熔焊成一体结构；
[0057]6)在金属底板1、金属墙体2以及引出电极6的所有裸露的金属内外表面上先镀镍，再镀金，最终得到成品的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳。
[0058]上述的玻璃件的制作过程大致为:首先用含石蜡的玻璃粉末冲压成形，冲制过程需要冲压模具和冲压机;冲压成形后，属于生坯状态，结构疏松易碎，需要进行排蜡玻化工序，将生坯放入排蜡链式烧结炉，在炉中排蜡和玻化两步工序一次完成，烧成后变为有一定硬度和玻璃状态的圆环状熟坯，可以用于上述步骤2)的组装了。
[0059]与金属墙体2所用的低碳钢匹配的玻璃材质部3的线膨胀系数为9.5X10—6/°C左右，一般95%A1203陶瓷材质部4的线膨胀系数为7.0 X 10—6/°C左右，与玻璃材质部3的线膨胀系数差距较大，二者难于封接匹配。为解决该问题，本专利对所述陶瓷材质部4的配方进行了调整，以使得陶瓷材质部4的线膨胀系数接近9.5X10—6/°C左右，达到与玻璃材质部3封接匹配的要求。
[0060]上述陶瓷件的制作过程大致为:1、经过配比搅拌的陶瓷粉末，用冲压模具冲压成形，状态疏松易碎;2、放入排蜡烧结炉内进行排蜡处理;3、排蜡后的陶瓷再放入高温烧结炉内进行高温烧结成瓷，变为坚硬的成形陶瓷状态;4、用丝网印刷的方法在陶瓷端面印刷金属化涂层，金属化涂层为钼锰混合浆料;5、将金属化之后的陶瓷放入氢气保护烧结炉中，将金属化涂层与陶瓷进行熔渗烧结，得到上述的焊接部位金属化层7，至此完成陶瓷件的制作。陶瓷件在高温烧结时不熔化，没有形体变化。
[0061]在本实用新型的一个实施例中，步骤3)具体包括:
[0062]第一步:采用高温气氛保护链式烧结炉作为气氛保护高温烧结炉，将高温气氛保护链式烧结炉升温至烧结温度9000C?9500C，优选的采用945 V，通入氮气(总量约70L/min)保护气体，预热彡30min;
[0063]第二步:将带有组装件的石墨模具放置在烧结炉链带上，整个烧结运行过程大约4小时；
[0064]第三步:整个烧结过程要保证烧结温度和氮气流量的恒定，每个温区的温度误差不超过±3°C，氮气流量误差不超过±5L/min;
[0065]第四步:取出烧结好的组装件，检查烧结质量。
[0066]在本实用新型的一个实施例中，步骤4)中，银铜钎料的熔焊温度为800°C?840°C，优选的为830°C，氮气总流量为100L/min。此处设置金属密封环5，一是起到引出电极6与玻璃陶瓷复合型绝缘子之间的密封作用，使金属墙体2最终形成密闭的腔体;二是银铜焊料的连接强度远比玻璃材质部3与金属引线的连接强度高，起到增加玻璃陶瓷复合型绝缘子与引出电极6之间的连接强度的作用。
[0067]在本实用新型的一个实施例中，与步骤5)中，银铜钎料的熔焊温度为800°C?840°C，优选的为830°C，本步骤内，无氧铜金属底板I的线膨胀系数为15.8X 10—6/°C左右，与金属墙体2用银铜钎料焊接，两者的线膨胀系数有所差异，但两种材料都属于金属材料，强度和韧性较高，可以实现不匹配焊接，而且无氧铜底板与玻璃材质部3有一定距离，线膨胀系数的差异不足以造成对玻璃材质部3的应力伤害。
[0068]在本实用新型的一个实施例中，步骤6)中，表面镀镍层厚度彡3μπι，镀金层彡1.2μmD
[0069]本实用新型提到多个技术问题，同时针对每个技术问题提出相应的技术方案。多个技术问题不是相互独立的，是相互影响的，使得上述的多个技术方案在解决对应的技术问题的基础上，进一步的与其它技术方案组合，会显著提高解决对应的技术问题所取得的技术效果，或者可以同时解决多个技术问题。在每个单独技术方案解决对应的技术问题的基础上，多个递进式的技术方案相互组合叠加，技术方案之间相互配合，相互促进，形成一个整体方案，取得的技术效果远好于上述任何一个技术方案的技术效果，叠加效应显著。
[0070]本实用新型未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。
[0071]本文中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，包括金属底板、金属墙体、玻璃陶瓷复合型绝缘子、金属密封环、引出电极、焊接部位金属化层； 所述金属墙体为一个仅包括四面侧面壁的框形结构； 所述金属墙体设置于所述金属底板的一个长宽侧面上，且所述金属底板与金属墙体构成一个一面开口的腔室； 所述金属墙体的下侧面壁上开设有用于穿插固定所述引出电极的连接通孔； 所述引出电极设置于所述金属墙体的连接通孔内； 所述玻璃陶瓷复合型绝缘子包括玻璃材质部与陶瓷材质部，所述玻璃材质部与所述陶瓷材质部构成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子； 所述玻璃材质部设置于所述连接通孔的内孔壁与所述引出电极的周向面之间的间隙内； 所述陶瓷材质部套设于所述引出电极上且所述陶瓷材质部的上端面无缝紧贴于所述玻璃材质部的下端面，且所述陶瓷材质部的上端面形状大小满足所述陶瓷材质部的上端面遮住所述玻璃材质部与所述连接通孔的连接界面的下端； 所述金属密封环套设在所述引出电极上且所述金属密封环的环形面通过所述焊接部位金属化层与所述陶瓷材质部的下端面固定连接，且所述金属密封环的内侧面与所述引出电极的周向面熔焊连接。2.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述玻璃材质部为空心圆柱状，上下外径相同，所述玻璃材质部的下端面与所述金属墙体的下侧面壁的外表面齐平。3.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述陶瓷材质部为空心圆柱状，上下外径不同，包括上宽径部与下窄径部，所述上宽径部与所述下窄径部圆滑过渡连接。4.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述玻璃材质部与所述陶瓷材质部通过熔渗连接成一体式结构的玻璃陶瓷复合型绝缘子。5.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，还包括用于封盖所述金属底板与金属墙体构成的腔室的开口面的盖板。6.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述金属底板为无氧铜板材质。7.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述金属墙体为低碳钢材质。8.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合型绝缘子封装外壳，其特征在于，所述引出电极为可伐铜芯引线材质。
【文档编号】H01B17/38GK205621525SQ201620387636
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】杨旭东, 王婷, 相裕兵, 李东华, 刘贵庆
【申请人】济南市半导体元件实验所