李 钢

（潮州三环（集团）股份有限公司，广东 潮州 521000）

0 引言

近年来，随着各个类型的电子产品在工业、农业、国防和日常生活中的广泛应用，促使电子元器件封装技术高速发展。同时，电子产品性能更高，功能更多，可靠性更强，型体更小，厚度更薄，也更加便捷，其对电子元器件封装的要求也越来越高，更好、更轻、更薄、更好的封装密度、更好的电性能和热性能、更高的可靠性以及更低的价格都是电子元器件封装行业追求的目标。

1 传统封装结构的缺陷

传统的封装结构，包括陶瓷基座和金属盖板，陶瓷基座的连接面上具有金属层，金属盖板通过焊接至金属层与陶瓷基座固接封装。然而，金属与陶瓷基座的热膨胀系数相差太大，容易引起封焊开裂。基于此，有必要研究一种能降低封焊开裂率的封装结构及其制备方法。

2 降低封焊开裂的封装结构以及其制备方法

降低封焊开裂的封装结构包括第一封装元件和第二封装元件，概述如下。

2.1 第一封装元件

第一封装元件，包括陶瓷基座，该陶瓷基座具有连接面，连接面上有凹陷的收容槽。连接层印刷在上述连接面上，连接层的材料为钨或者钼锰合金。镍层层叠于上述连接层；金层层叠于所述镍层。

2.2 第二封装元件

第二封装元件的形状是板状并且能够盖设置在上述陶瓷基座上用来封闭上述收容槽，第二封装元件由可伐合金制成。

上述封装结构，在陶瓷基座的连接面印刷连接层，然后在连接层表面依次设置镍层和金层，连接层与陶瓷的结合力较佳，再层叠镍层及金层可以得到与陶瓷基座结合力较好的金属层，使用时将可伐合金制成的第二封装元件焊接固定在金层上，可伐合金与陶瓷基座的热膨胀系数相近，可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率[1]。可伐合金为铁钴镍合金；陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。连接层的厚度为10 μm ～50 μm。镍层的的厚度为1 μm～12 μm；金层的厚度为0.4 μm～1 μm。

3 封装结构的立体分解图与封装结构的立体组装图

封装结构的立体分解图如图1所示，封装结构的立体组装图如图2所示。

图1 封装结构的立体分解图

4 具体实施方式

第一封装元件包括陶瓷基座、连接层、镍层以及金层。陶瓷基座大致为矩形，具有连接面。陶瓷基座设置了收容槽。收容槽是由于连接面的中部凹陷形成的。收容槽用于收容待密封元件。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。氧化铝陶瓷的热膨胀系数为6.7×10-6℃～8.0×10-6℃，氮化铝陶瓷的热膨胀系数为6.7×10-6℃～8.0×10-6℃。连接层印刷于连接面，连接层大致为环形，且与连接面的外边缘之间形成间隙，连接层与连接面的内边缘齐平。连接层的厚度为10 μm～50 μm。连接层的材料为钨或者钼锰合金。在该实施方式中，连接面丝网印刷连接层浆料后，通过高温烧制连接层。镍层层叠于连接层上。镍层覆盖连接层的全部表面[2]。镍层的厚度为1 μm～12 μm。金层层叠于镍层上。金层覆盖镍层的全部表面。金层的厚度为0.4 μm～1 μm。第二封装元件大致为板状，能够覆盖在陶瓷基座上且封闭收容槽，如图1所示。第二封装元件由可伐合金制成。可伐合金为铁钴镍合金材料，铁钴镍合金含量按百分比计量，包括10%～40%的镍，10%～30%的钴，余量为铁，铁钴镍合金含量按百分比计量，包括29%的镍、17%的钴及54%的铁。铁钴镍合金的热膨胀系数（20 ℃～100 ℃）为6.4×10-6℃。第二封装元件的厚度0.07 mm～0.10 mm。当然，在其他实施例中，第二封装元件不限于为板状，还可以为其他形状，例如，在第二封装元件设置与收容槽对应的容置槽。请同时参考图1，第二封装元件设置在陶瓷基座并封闭收容槽。第二封装元件通过焊接与第一封装元件的金层固定。第二封装元件的边缘与金层的外边缘之间形成了间隙。上述封装结构，通过在陶瓷基座的连接面设置连接层，然后在连接层表面依次设置镍层及金层，镍层与金层层叠可以得到与陶瓷基座结合力较好的金属层，使用时将可伐合金制成的第二封装元件焊接固定至金层，可伐合金与陶瓷基座的热膨胀系数相近，如图2所示。可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率。

图2 封装结构的立体组装图

上述封装结构的制备方法，包括以下6步：1）将陶瓷浆料流延成型制备陶瓷基座，陶瓷基座具有连接面，陶瓷基座形成具有自连接面凹陷的收容槽。将陶瓷粉、黏合剂和溶剂混合均匀后得到陶瓷浆料。将陶瓷粉、黏合剂及溶剂采用球磨的方式混合均匀得到陶瓷浆料。球磨的时间为12 h～16 h。陶瓷浆料包括85～95份的陶瓷粉，5～9份的黏结剂以及45～65份的溶剂。选用的陶瓷粉为氧化铝陶瓷粉或氮化铝陶瓷粉，当然，其他业内常用的陶瓷粉也可以。选用的黏合剂选自聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚氯乙烯及甲基纤维素中的至少1种。溶剂选自乙醇、丙醇、丁酮及乙酸乙酯中的至少1种。采用流延法将陶瓷浆料流延形成陶瓷膜。将至少2层陶瓷膜层叠后压合形成陶瓷基座。陶瓷基座的收容槽通过冲孔制备。2）在连接面表面丝网印刷连接层浆料。连接层浆料为钨浆料或钼锰金属浆料。连接层浆料包括85～95份的W，4～8份的TiO，0.5～1.0份的CaO及3～6份的Al2O3。在另一个实施例中，连接层浆料包括60%～80%的Mo和Mn，10%～20%的Al2O3，8%～15%的SiO2及2%～5%的MgO，其中Mo和Mn的质量比为7∶3。选用的印刷连接层浆料的厚度为10 μm～50 μm。3）对丝网印刷钨浆料后的陶瓷基座进行高温共烧处理在陶瓷基座的连接面形成连接层。高温共烧处理的温度为1 200 ℃～1 650 ℃，高温共烧处理的时间为20 h～23 h。高温共烧处理在还原气作用下进行。连接层的厚度为10 μm～50 μm。4）依次在连接层的表面电镀镍层及金层。镍层的厚度为1 μm～12 μm。金层的厚度为0.4 μm～1 μm。镀镍的电流密度是0.1 A/dm2～10 A/dm2，镀金的电流密度为0.1 A/dm2～10 A/dm2。5）将待密封元件收容在收容槽内，并将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。待密封元件为电子元件。当然，在其他实施例中，待密封元件为石英晶体。6）对第二封装元件与金层进行激光封焊。激光封焊在保护性气体的作用下进行，焊接速度为100 mm/min～300 mm/min。最佳焊接速度为250 mm/min。激光封焊采用非接触式远距离激光焊接器。非接触式远距离激光焊接器的运行参数为激光峰值功率为0.3 kW～7 kW，脉冲宽度为2 ms～10 ms，脉冲重复频率为10 Hz～30 Hz，离焦量为-5 mm～4.2 mm。优选的，激光峰值功率为1 kW，脉冲宽度为5 ms，脉冲重复频率为20 Hz，离焦量为-0.5 mm。激光封焊在保护性气体的作用下进行。最佳的保护性气体选自氮气或者氩气。将第二封装元件及第一封装元件放在密闭透明容器中，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊。

上述封装元件的制备方法，通过流延成型制备陶瓷基座，用丝网印刷浆料通过高温共烧，形成的连接层与陶瓷基座之间的结合力较大，然后通过电镀形成镍层和金层，能够增加陶瓷基座和第二封装元件之间的结合力，第二封装元件采用可伐金属制备，与陶瓷基座的热膨胀系数相近，可以消除因热膨胀系数差别大引起的应力开裂等问题，能降低封焊开裂率。

5 具体实施例

5.1 实施例1

实施例1的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座112的材料为氧化铝陶瓷；连接层的材料为钨，厚度为30 μm；镍层的厚度为7 μm；金层的厚度为0.6 μm；第二封装元件为厚度为0.1 μm的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板以质量百分比计含有10%的镍、10%的钴以及80%的铁。焊接时，将第二封装元件设置在陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氮气的作用下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为250 mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数包括激光峰值功率为2 kW，脉冲宽度为5 ms，脉冲重复频率为20 Hz，离焦量为-0.5 mm。经测试，激光封焊1 000个封装结构，开裂率为0%。

5.2 实施例2

实施例2的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷；连接层的材料为钼锰合金，厚度为10 μm；镍层的厚度为1 μm；金层的厚度为0.4 μm；第二封装元件为厚度为0.07 mm的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板含有40%的镍、30%的钴以及30%的铁。焊接时，将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氩气的作用下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为100 mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数包括激光峰值功率为0.3 kW，脉冲宽度为2 ms，脉冲重复频率为10 Hz，离焦量为4.2 mm。经测试，激光封焊1 000个封装结构，开裂率为0%。

5.3 实施例3

实施例3的封装结构的结构如图1所示，其中陶瓷基座的材料为氮化铝陶瓷；连接层的材料为钨，厚度为50 μm；镍层的厚度为12 μm；金层的厚度为1 μm；第二封装元件为厚度为0.09 mm的铁钴镍合金板，铁钴镍合金板含有25%的镍、20%的钴以及55%的铁。焊接时，将第二封装元件盖设于陶瓷基座，第二封装元件与金层贴合。在氩气的作用下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对第二封装元件和陶瓷基座的金层进行激光封焊，焊接速度为300 mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数包括激光峰值功率为7 kW，脉冲宽度为10 ms，脉冲重复频率为30 Hz，离焦量为-0.5 mm。经测试，激光封焊1 000个封装结构，开裂率为0%。

5.4 实施例4

实施例4的封装结构包括陶瓷基座、可伐环及金属盖。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷，陶瓷基座具有连接面，连接面中部凹陷形成收容槽，连接面丝网印刷形成有连接层，连接层的材料为钨，厚度为30 μm。连接层的表面依次电镀形成镍层及金层，镍层的厚度为7 μm，金层的厚度为 0.5 μm。可伐环的厚度为0.1 mm，材料为铁钴镍合金。金属盖的厚度为0.1 mm，材料为铁钴镍合金。在850 ℃时，通过还原气的作用将可伐环焊接至金层，再通过电阻焊将金属盖焊接至可伐环。经测试，1 000个封装结构的开裂率为0.3%。

5.5 实施例5

实施例5的封装结构包括陶瓷基座及金属盖。陶瓷基座的材料为氧化铝陶瓷，陶瓷基座具有连接面，连接面中部凹陷形成收容槽，连接面丝网印刷表面可伐合金浆料，烧结后形成可伐合金层，可伐合金层的材料为铁钴镍合金，厚度为20 μm。金属盖的厚度为0.08 mm。焊接时，将金属盖设置在陶瓷基座，与可伐合金层贴合[3]。在氮气的作用下，采用非接触式远距离激光焊接器，通过聚焦棱镜聚焦YAG固体激光器的入射光束，利用聚焦光束对金属盖和陶瓷基座的可伐合金层进行激光封焊，焊接速度为150 mm/min，非接触式远距离激光焊接器的运行参数包括激光峰值功率为4 kW，脉冲宽度为8 ms，脉冲重复频率为18 Hz，离焦量为1.2 mm。 经测试，激光封焊1 000个封装结构，开裂率为0.4%。

6 结语

综上所述，以上所述实施的各类技术可以进行任意的组合，为了可以简洁地描述，未对上述实施例中的各个技术的所有可能的组合都进行描述。但是，这些技术的组合不存在矛盾，因此，以上都是可以降低封焊开裂的封装结构。