一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计及制作方法

摘要

本发明涉及一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计，包括高温氧化铝共烧陶瓷片、陶瓷端封孔、金属化连筋图形、应力释放槽和金属化侧壁印刷，在陶瓷墙端封区域设有金属化连筋图形，同时在烧结成型前制作应力释放槽，达到金属‑陶瓷钎焊过程中焊料流淌分步均匀目的。其制造方法包括金属化图形连筋制作、陶瓷端封孔无变形制作、陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作、应力释放槽制作。优点：1）有效解决外壳机械性能差、气密性难以保证、端封孔易变形、焊料易堆积、端封孔壁裂纹等缺陷；2）显著提升管壳电流耐压与抗冲击性能，同时满足高载流能力、耐高电压能力的要求；3）加工成型方法简单，制作成本低，便于批量生产。

权利要求

1.一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构，其特征在于包括高温氧化铝共烧陶瓷片、陶瓷端封孔、金属化连筋图形、焊料残余应力释放槽和金属化侧壁印刷；其中，高温氧化铝共烧陶瓷片上表面端封区域设有陶瓷端封孔和金属化连筋图形，陶瓷端封孔之间设有焊料残余应力释放槽，金属化侧壁印刷位于高温氧化铝共烧陶瓷片侧端。

2.根据权利要求1所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构，其特征在于所述高温氧化铝共烧陶瓷片为92～98wt%的氧化铝生瓷；所述金属化连筋图形为宽度0.8～1.5mm的封闭实体，端封孔直径为1.35～1.56mm，节距为3.7～3.9mm；所述TO型端封类管壳陶瓷墙结构长12.7～13.2mm，宽2.6～3.1mm。

3.一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于包括以下制作步骤：（1）金属化图形连筋制作；

（2）陶瓷端封孔无变形制作；

（3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作；

（4）多层陶瓷片层间结合制作；

（5）焊料残余应力释放槽制作。

4.根据权利要求3所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（1）金属化图形连筋制作：金属化连筋区域图形连筋采用丝网印刷工艺，感光膜厚度为10～30μm，开口率20～70%，连筋区域金属化浆料厚度为10～50μm。

5.根据权利要求3所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（2）陶瓷端封孔无变形制作：采用激光加工工艺，激光器为光纤激光器或紫外激光器，输出功率为1～100W，光斑直径为0.02～0.2mm；设置激光加工参数脉冲宽为100～

400ms，重复频率为10～300kHz，切割次数为1～100，加工速度为10～1000mm/s。

6.根据权利要求3所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作：采用侧壁金属化印刷工艺，浆料粘度在30～300KCP，选用孔径为1.4～1.6mm钢网；印刷速度为1～10inches/sec，刮刀高度为50～150μm，离网间距为50～90μm。

7.根据权利要求3所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（4）多层陶瓷片层间结合制作：采用等静压工艺，在50～80℃，50～300Kps条件下保温5～30min。

8.根据权利要求3所述的一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的制作方法，其特征在于，所述步骤（5）焊料残余应力释放槽制作；

采用热切工艺，在台温为30～60℃，刀温为50～70℃条件下，设置刀速为1～5mm/s，深度为20～400μm。

说明书

一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计及制作方法

技术领域

[0001] 本发明是一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计及制作方法，属于半导体制造技术领域。

背景技术

[0002] TO（Transistor Outline晶体管外部）型管壳陶瓷墙结构将多个包铜复合引针焊接区利用多层陶瓷工艺集成在一个陶瓷片上，能够很好的替代玻璃绝缘子，满足了大功率密度电子元器件需求。基于该类TO型外壳传输端陶瓷墙结构设计包括两种：套封结构与端封结构。目前大部分设计采用套封结构，其可靠性较低，易开裂，且制作成本高，难度大，不宜批生产；有少部分设计采用端封结构，存在钎焊封接后残余应力释放过大，陶瓷墙易产生微裂纹，影响管壳气密性及机械性能，长期可靠性差等问题。

发明内容

[0003] 本发明提出的是一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计及制作方法，其目的在于针对现有技术生产过程中陶瓷端封孔易变形，孔壁浆料堆积，应力释放集中，陶瓷墙微裂纹，管壳气密性低及可靠性差等缺陷进行重新设计及制作，通过结构设计，提供一种保证陶瓷自身强度、同时满足管壳电性能考核要求的端封类管壳陶瓷墙结构设计。

[0004] 本发明的技术解决方案：一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构，包括高温氧化铝共烧陶瓷片、陶瓷端封孔、金属化连筋图形、焊料残余应力释放槽和金属化侧壁印刷，在陶瓷墙端封区域采用金属化连筋图形设计，同时在烧结成型前制作应力释放槽，达到金属-陶瓷钎焊过程中焊料流淌分步均匀目的，以降低端封区域陶瓷开裂风险。

[0005] 其中，高温氧化铝共烧陶瓷片上表面端封区域设有陶瓷端封孔和金属化连筋图形，陶瓷端封孔之间设有焊料残余应力释放槽，金属化侧壁印刷位于高温氧化铝共烧陶瓷片侧端。

[0006] 其制造方法，包括以下制作步骤：

[0007] （1）金属化图形连筋制作；

[0008] （2）陶瓷端封孔无变形制作；

[0009] （3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作；

[0010] （4）多层陶瓷片层间结合制作；

[0011] （5）焊料残余应力释放槽制作。

[0012] 本发明的有益效果：

[0013] 1）采用在陶瓷墙端封区域采用金属化连筋图形设计，同时在烧结成型前制作应力释放槽，达到金属-陶瓷钎焊过程中焊料流淌分步均匀目的，有效解决了TO型端封类管壳陶瓷墙套封结构外壳机械性能差，气密性难以保证，端封孔易变形，焊料容易堆积在孔壁，端封孔壁裂纹等缺陷，实现多个包铜复合引针利用多层陶瓷工艺焊接在一个陶瓷片上；

[0014] 2）显著提升了管壳电流耐压与抗冲击性能，同时满足高载流能力、耐高电压能力的要求，长期可靠性能好，用于满足大功率与大电流SiC芯片封装要求；

[0015] 3）加工成型方法简单，制作成本低，便于批量生产，为基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计及制作方法提供了有效途径。

附图说明

[0016] 附图1是基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的结构示意图。

[0017] 图中1是高温氧化铝共烧陶瓷、2是陶瓷端封孔、3是金属化连筋图形、4是焊料残余应力释放槽、5是侧壁金属化图形。

具体实施方式

[0018] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构，包括高温氧化铝共烧陶瓷片、陶瓷端封孔、金属化连筋图形、焊料残余应力释放槽和金属化侧壁印刷；其中，高温氧化铝共烧陶瓷片上表面端封区域设有陶瓷端封孔和金属化连筋图形，陶瓷端封孔之间设有焊料残余应力释放槽，金属化侧壁印刷位于高温氧化铝共烧陶瓷片侧端。

[0019] 所述高温氧化铝共烧陶瓷片为92～98wt%的氧化铝生瓷；所述金属化连筋图形为宽度0.8～1.5mm的封闭实体，端封孔直径为1.35～1.56mm，节距为3.7～3.9mm；所述结构长12.7～13.2mm，宽2.6～3.1mm。

[0020] 其制造方法，包括以下制作步骤：

[0021] （1）金属化图形连筋制作；

[0022] （2）陶瓷端封孔无变形制作；

[0023] （3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作；

[0024] （4）多层陶瓷片层间结合制作；

[0025] （5）焊料残余应力释放槽制作。

[0026] 所述步骤（1）金属化图形连筋制作：金属化连筋区域图形连筋采用丝网印刷工艺，感光膜厚度为10～30μm，开口率20～70%，连筋区域金属化浆料厚度为10～50μm。

[0027] 所述步骤（2）陶瓷端封孔无变形制作：采用激光加工工艺，激光器为光纤激光器或紫外激光器，输出功率为1～100W，光斑直径为0.02～0.2mm；设置激光加工参数脉冲宽为100～400ms，重复频率为10～300kHz，切割次数为1～100，加工速度为10～1000mm/s。

[0028] 所述步骤（3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作：采用侧壁金属化印刷工艺，浆料粘度在30～300KCP，选用孔径为1.4～1.6mm钢网；印刷速度为1～10inches/sec，刮刀高度为50～150μm，离网间距为50～90μm。

[0029] 所述步骤（4）多层陶瓷片层间结合制作：多层氧化铝陶瓷生瓷片采用等静压工艺，在50～80℃，50～300Kps条件下保温5～30min实现上下层结合；

[0030] 所述步骤（5）焊料残余应力释放槽制作：采用热切工艺，制作焊料残余应力释放槽，台温为30～60℃，刀温为50～70℃，刀速为1～5mm/s，深度为20～400μm。

[0031] 下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

[0032] 如附图1所示，一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构，采用92～98wt%氧化铝生瓷，将金属化连筋图形宽度设计为0.8～1.5mm的封闭实体，端封孔直径设计为1.35～1.56mm，节距设计为3.7～3.9mm，外形尺寸长设计为12.7～13.2mm宽设计为2.6～3.1mm实现陶瓷墙结构的设计。

[0033] 该制作方法包含以下工艺步骤：

[0034] （1）金属化图形连筋制作；

[0035] （2）陶瓷端封孔无变形制作；

[0036] （3）陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作；

[0037] （4）多层陶瓷片层间结合制作；

[0038] （5）焊料残余应力释放槽制作；

[0039] 所述的金属端封区域连筋图形采用丝网印刷工艺，感光膜厚度控制为10～30μm，开口率20～70%，连筋区域金属化浆料厚度控制为10～50μm实现端封区域金属化连筋图形制作。

[0040] 所述的陶瓷端封孔无变形制作采用激光加工工艺，激光器的类型可以是光纤激光器或紫外激光器等，输出功率为1～100W，光斑直径为0.02～0.2mm；设置激光加工参数脉冲宽为100～400ms，重复频率10～300kHz，切割次数1～100次，加工速度10～1000mm/s实现陶瓷端封孔无变形制作。

[0041] 所述的陶瓷端封孔壁无浆料堆积制作采用金属化侧壁印刷工艺，通过控制浆料粘度在30～300KCP，选用孔径为1.4～1.6mm钢网；印刷速度参数设置在1～10inches/sec，刮刀高度参数为50～150μm、离网间距参数为50～90μm实现陶瓷端封孔侧壁无金属化堆积印刷。

[0042] 把上述步骤中的多层氧化铝陶瓷生瓷片采用等静压工艺，在50～80℃，50～300Kps条件下保温5～30min实现层间结合。使用热切工艺，台温设置在30～60℃，刀温设置在50～70℃，刀速设置在1～5mm/s，深度设置在20～400μm实现焊料残余应力释放槽的制作。

[0043] 具体实施例1

[0044] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计，采用98wt%氧化铝生瓷，金属化连筋图形宽度设计为0.8mm的封闭实体，端封孔直径设计为1.35mm，孔节距设计为3.7mm，外形尺寸长设计为12.7mm宽设计为2.6mm。

[0045] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构制作方法包含以下制作步骤：

[0046] 1）制作感光膜厚度为10μm，开口率40%的丝网，采用多层陶瓷氧化铝印刷工艺控制金属化浆料为10μm厚度，实现金属化连筋图形制作。

[0047] 2）采用输出功率为10W，光斑直径为0.1mm的紫外或者光纤激光器在氧化铝生瓷片加工1.4mm直径端封孔，紫外激光加工参数脉冲宽、重复频率、切割次数、加工速度，分别设置为300ms、100kHz、3次、100mm/s实现陶瓷端封孔无变形加工。

[0048] 3）制作孔径为1.5mm的钢网，采用金属化侧壁印刷工艺，通过控制浆料粘度在100～200KCP，印刷设备参数速度、刮刀高度、离网间距分别设置在3inches/sec、100μm、50μm实现陶瓷端封孔侧壁无金属化堆积印刷。

[0049] 4）把上述步骤中的多层氧化铝陶瓷生瓷片，使用叠片板模版，在50℃，80Kps条件下保温30min实现上下层结合。结合后的多层陶瓷采用热切工艺，将参数台温设置在30℃，刀温设置在50℃，刀速设置在1mm/s，深度设置在300μm实现焊料残余应力释放槽的制作。

[0050] 具体实施例2

[0051] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计采用95wt%氧化铝生瓷，金属化连筋图形宽度设计为0.9mm的封闭实体，端封孔直径设计为1.5mm，孔节距设计为3.81mm，外形尺寸长设计为13mm宽设计为3mm。

[0052] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构制作方法包含以下制作步骤：

[0053] 1）制作感光膜厚度为13μm，开口率65%的丝网，采用多层陶瓷氧化铝印刷工艺控制金属化浆料为15μm厚度，实现金属化连筋图形制作。

[0054] 2）采用输出功率为10W，光斑直径为0.02mm的紫外激光器在氧化铝生瓷片加工1.5mm直径端封孔，紫外激光加工参数脉冲宽、重复频率、切割次数、加工速度，分别设置为
200ms、20kHz、4次、100mm/s实现陶瓷端封孔无变形加工。

[0055] 3）制作孔径为1.55mm的钢网，采用金属化侧壁印刷工艺，通过控制浆料粘度在50～120KCP，印刷设备参数速度、刮刀高度、离网间距分别设置在5inches/sec、50μm、70μm实现陶瓷端封孔侧壁无金属化堆积印刷。

[0056] 4）把上述步骤中的多层氧化铝陶瓷生瓷片，使用叠片板模版，在75℃，100Kps条件下保温5min实现上下层结合。结合后的多层陶瓷采用热切工艺，将参数台温设置在45℃，刀温设置在65℃，刀速设置在1mm/s，深度设置在200μm实现焊料残余应力释放槽的制作。

[0057] 具体实施例3

[0058] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构的设计采用92wt%氧化铝生瓷，金属化连筋图形宽度设计为1.5mm的封闭实体，端封孔直径设计为1.56mm，孔节距设计为3.9mm，外形尺寸长设计为13.2mm宽设计为3.1mm。

[0059] 一种基于TO型端封类管壳陶瓷墙结构制作方法包含以下制作步骤：

[0060] 1）制作感光膜厚度为30μm，开口率70%的丝网，采用多层陶瓷氧化铝印刷工艺控制金属化浆料为50μm厚度，实现金属化连筋图形制作。

[0061] 2）采用输出功率为20W，光斑直径为0.2mm的紫外激光器在氧化铝生瓷片加工1.56mm直径端封孔，紫外激光加工参数脉冲宽、重复频率、切割次数、加工速度，分别设置为
400ms、30kHz、10次、600mm/s实现陶瓷端封孔无变形加工。

[0062] 3）制作孔径为1.65mm的钢网，采用金属化侧壁印刷工艺，通过控制浆料粘度在150～300KCP，印刷设备参数速度、刮刀高度、离网间距分别设置在10inches/sec、300μm、30μm实现陶瓷端封孔侧壁无金属化堆积印刷。

[0063] 4）把上述步骤中的多层氧化铝陶瓷生瓷片，使用叠片板模版，在85℃，300Kps条件下保温30min实现上下层结合。结合后的多层陶瓷采用热切工艺，将参数台温设置在65℃，刀温设置在70℃，刀速设置在5mm/s，深度设置在400μm实现焊料残余应力释放槽的制作。