微晶氧化铝在薄壁陶瓷封装外壳上的应用.pdf

真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 工艺与整管研究微晶氧化铝在薄壁陶瓷封装外壳上的应用王东生,张义政,刘阳(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 )摘要:氧化铝陶瓷封装外壳的薄壁化有利于提升散热能力并降低外壳重量,但薄壁化在实际应用中存在可靠性隐患,尤其是在航空航天等严苛工况条件下.普遍认为氧化铝的强度和气密性是解决薄壁陶瓷封装外壳可靠性难题的关键,为解决这个难题,自主研发了微晶氧化铝陶瓷,并对陶瓷的抗弯强度和气密性进行了测试,以此设计为依据,采用微晶氧化铝制备出了外形尺寸 mm mm、壁厚 mm的薄壁陶瓷封装外壳,可靠性验证合格,满足了新型电子器件的应用需求.关键词:微晶;氧化铝;薄壁;陶瓷封装;气密性中图分类号:T Q ;T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n A p p l i c a t i o no fM i c r o c r y s t a l l i n eA l u m i n a i nT h i n W a l lC e r a m i cS h e l lWANGD o n g s h e n g,Z HANGY i z h e n g,L I U Y a n g(C E T CN o R e s e a r c hI n s t i t u t e,S h i j i a z h u a n gH e b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t h i n w a l l i n go f a l u m i n ac e r a m i cp a c k a g i n gs h e l l i sb e n e f i c i a l f o r i m p r o v i n gh e a td i s s i p a t i o nc a p a c i t ya n d r e d u c i n gs h e l lw e i g h t,b u t t h e r e a r e r e l i a b i l i t y r i s k s i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s,e s p e c i a l l y i nh a r s hw o r k i n gc o n d i t i o n s f o r e x a m p l e t h ea e r o s p a c e I t i sg e n e r a l l yb e l i e v e d t h a t t h e s t r e n g t ha n da i r t i g h t n e s so f a l u m i n aa r ec r u c i a l t os o l v et h er e l i a b i l i t yp r o b l e mo ft h i n w a l lc e r a m i cp a c k a g i n gs h e l l s M i c r o c r y s t a l l i n ea l u m i n ac e r a m i c sa r e i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d,a n dt h eb e n d i n gs t r e n g t ha n da i r t i g h t n e s so f t h ec e r a m i c sa r et e s t e d B yu s i n gt h em i c r o c r y s t a l l i n ea l u m i n ac e r a m i c s,at h i n w a l lc e r a m i cp a c k a g i n gs h e l lw i t ho v e r a l l d i m e n s i o no f mm mma n daw a l l t h i c k n e s so f mmi sp r e p a r e d I t p a s s e s t h e r e l i a b i l i t yv e r i f i c a t i o na n dm e e t s t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fn e we l e c t r o n i cd e v i c e s K e y w o r d s:M i c r o c r y s t a l l i n e,A l u m i n a,T h i n w a l l,C e r a m i ce n c l o s u r e,A i r t i g h t n e s s当前,新型电子器件正朝着高集成、高可靠、高频高速、大功率、微薄化的方向发展 ,对封装外壳的集成密度、机械性能、电气性能、散热能力以及体积壁厚均提出了更高的要求.在陶瓷封装领域,氧化铝的应用范围最广,首先氧化铝陶瓷封装外壳采用多层陶瓷共烧技术能够实现无源元件的高密度埋置集成,通过封口技术能够形成气密封装;其次氧化铝陶瓷耐高温、耐腐蚀、机械性能稳定;再则氧化铝陶瓷介电损耗低,绝缘性能好.但是,氧化铝陶瓷封装外壳的散热能力和体积壁厚仍存在较大的提升空间 .事实上,根 据单层壁一维导热热阻公式R热L A(R热代表热阻,L代表壁厚,代表热导率,A代表平面壁面积),在热导率变化不大的情况下,氧化铝封装外壳的散热问题也与陶瓷壁厚相关,壁厚L越薄,热阻R热越小.综上所述,氧化铝陶瓷封装外壳的薄壁化有利于提升其散热能力和微薄化水平,进而满足新型电子器件的应用需求.在实际应用中,氧化铝陶瓷的薄壁化会导致封装外壳的可靠性降低,即载荷承受能力和密封性减弱的隐患.为保证封装外壳的最大承受载荷F不变,在减薄陶瓷壁厚L的同时又需要提升其强度,即壁厚L与强度呈反比,这对于陶瓷的强度和气密性而言,是一个不小的挑战.另外,当壁厚不断减薄时,陶瓷本身的开口气孔可能会形成贯通气孔,导致气密性下降,因此陶瓷的壁厚应当以不形成贯通气孔为依据.一般而言,陶瓷的相对密度越高,整体V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 的气孔率越低,形成贯通气孔的概率也越小,气密性越高.日本京瓷公司通过提升氧化铝性能解决了薄壁陶瓷封装外壳应用的可靠性问题,即采用新型氧化铝陶瓷(牌号AO ,强度 MP a)替代传统氧化铝陶瓷(强度 MP a),在保证气密性的前提下,将外形尺寸为 mm mm的封装外壳(商用型号:)的壁厚由L mm缩小至L mm,减薄,且/(L/L).另外,京 瓷 还 利 用AO 陶 瓷 加 工 出 外 形 尺 寸 为 mm mm、壁厚仅 mm的封装外壳(商用型号:).据此可知,薄壁陶瓷封装外壳制备的关键是采用高强度氧化铝陶瓷.查阅相关资料可知 ,提高氧化铝陶瓷强度的有效措施是减小晶粒尺寸,即获得微晶氧化铝陶瓷;而且在烧结制度合理的条件下,微晶氧化铝的相对密度也可得到明显改善.赵华等的相关研究表明,氧化铝陶瓷的强度随着晶粒尺寸减小而递增,如晶粒由 减至m时,其强度由 升至 MP a.S a t o s h iT ANAKA等采用干压成型和热等静压真空烧结方式制备出晶粒尺寸在m以下的氧化铝陶瓷,强度达到 MP a以上.张联盟等认为,当烧结过程进入末期时,可通过优化扩散机制进一步降低气孔率,使陶瓷的相对密度达到理论值的 以上.王韬等利用两步烧结法制备出晶粒尺寸为 m的氧化铝陶瓷,相对密度达到 .综合国内外的相关研究进展,本文在自主研发微晶氧化铝的基础上,对陶瓷的抗弯强度和气密性进行性能测试,作为薄壁陶瓷封装外壳的设计依据;采用微晶氧化铝制备外形尺寸 mm mm、壁厚 mm的薄壁陶瓷封装外壳,并通过可靠性试验来验证其应用的可行性.微晶氧化铝陶瓷制备与表征 样品制备根据G B/T 精细陶瓷弯曲强度试验方法,采用三点弯曲法对微晶氧化铝陶瓷的强度进行检验,样品的尺寸规格如图所示:横截面尺寸(m m m m)(m m m m),长度 m m.本试验按上述要求制备了个批次微晶氧化铝陶瓷的样品,每个批次样品量均为 个.根据G B/T 精细陶瓷弯曲强度试验方法 中关于三点弯曲的抗弯强度计算公式F L/(B h),其中为强度;F为最大载荷;L为夹具跨距;B为陶瓷宽度;h为陶瓷厚度.(30.2)mm35 mm(40.2)mm图抗弯强度样品的尺寸规格根据G B/T 电子元器件结构陶瓷材料 陶瓷气密性样品尺寸规格如图所示.为了验证微晶氧化铝陶瓷在薄壁封装外壳上应用的可行性,设计种厚度规格的陶瓷薄片:()mm、()mm和()mm,每种厚度规格的样品数量为个,种厚度仅通过调节流延厚度控制,其余技术参数均完全相同.样品制备流程如下:对陶瓷薄片样品的两面进行研磨,经十倍放大镜观察后无裂纹时方可使用;清洗上述样品,放入马弗炉中加热,以 /h的速率升温至 ,保温 m i n;待样品冷却至室温后取出,放入干燥器中待测.0.8 mm0.8 mm(240.1)mm(0.30.02)mm图气密性样品的尺寸规格 性能测试本文中的微晶氧化铝陶瓷采用流延成型和气氛烧结技术并以相同技术参数连续制备个批次,平均晶粒尺寸约m,相对密度,采用Z E I S SE V 扫描电镜对微晶氧化铝进行表面微观形貌观察,如图所示.图微晶氧化铝的微观形貌真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 将陶瓷抗弯强度样品按要求置于万能材料试验机的承载夹具上,试验机压头的下降速度设置为 mm/m i n.测试时,开启试验机开关,待压头将陶瓷样品压断后,记录最大承受载荷和抗弯强度数值.将陶瓷气密性测试样品从干燥器中取出并置于氦质谱检漏仪(灵敏度 P am/s)载物台的模具上,利用真空封脂使样品与模具之间密封.开启真空泵,待测试系统真空度达标后将氦枪对准陶瓷薄片样品进行喷吹,s后记录氦质谱检漏仪的漏氦速率值.当漏氦速率值 P am/s时,则认为陶瓷是气密的,否则是不气密的.结果与分析对个批次微晶氧化铝陶瓷的抗弯强度进行统计,如图所示,平均强度均在 MP a以上,与京瓷AO 陶 瓷 的 强 度 相 当,具 备 加 工 外 形 尺 寸 mm mm、壁厚 mm的薄壁陶瓷封装外壳的必要条件.图个批次微晶氧化铝陶瓷抗弯强度的概率图从图还可以看出,个批次微晶氧化铝陶瓷的抗弯强度数值存在一定波动性,这与陶瓷内部微裂纹的长度、分布状态有关.根据G r i f f i t h微裂纹理论,断 裂 起 源 于 陶 瓷 内 部 最 危 险 的 裂 纹.上述不同批次的抗弯强度样品虽然晶粒的尺寸大致相同,但各个样品中最危险的裂纹大小、疏密度并 不 相 同,导 致 强 度 数 值 出 现 一 定 程 度 的波动.对个厚度规格陶瓷薄片样品的气密性测试结果显示,漏氦速率均小于 P am/s.该结果表明,对于本试验中的高密度微晶氧化铝陶瓷,即使薄片厚度降至 mm,陶瓷内部的气孔也不足以形成贯通 气孔,气密 性优良,可以 制备出壁厚 为 mm的薄壁陶瓷封装外壳.薄壁陶瓷封装外壳的制备与可靠性验证 制备氧化铝薄壁陶瓷封装外壳的制备工艺流程为:首先氧化铝流延带料通过冲孔、填孔、印刷、定位、层压、热切和烧结工艺得到微晶氧化铝薄壁熟瓷件;然后该瓷件通过镀镍、钎焊、镀金、封口工艺得到氧化铝薄壁陶瓷封装外壳;最终制备的氧化铝薄壁陶瓷封装 外 壳 外 形 尺 寸 为 mm mm、壁 厚 mm,如图所示.图 型号封装外壳 可靠性验证针对薄壁陶瓷封装外壳的实际应用需求,取样品数量为 只,对 型号薄壁陶瓷封装外壳依次开展温度循环、热冲击、恒定加速度和机械冲击的可靠性试验.温度循环用来测试封装外壳承受极端高温和极端低温的能力,以及极端高温与极端低温交替变化对封 装 外 壳 的 影 响.根 据G J B B 方 法 和实际应用情况,选择温度循环试验条件为C:.根据G J B B ,陶瓷封装外壳的温度循环次数要求为 次.本试验的 型号薄壁陶瓷封装外壳,当温度循环次数达到 次时,仍未出现损坏迹象,且气密性测试合格.热冲击的目的是检测封装外壳在遭到温度剧变时的抵抗能力.根据G J B B 方法 和实际应用情况,选择热冲击的试验条件为B:.按照G J B B 对本试验的 型号薄壁陶瓷封装外壳施加 次热冲击,封装外壳未出现损坏迹象,且气密性测试合格.恒定加速度可以检测出封装外壳的结构缺陷或机械缺陷,也可以用来检测封装外壳机械强度的极限值.根据G J B B 方法 和实际应用情况,对本试验的 型号薄壁陶瓷封装外壳施V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 加 g的恒定加速度(Y 方向,m i n),封装外壳未出现损坏迹象,且气密性测试合格.机械冲击用来测定封装外壳能否应用于严酷冲击环境中的电子器件,这种冲击大多是由于突然受力或运动状态突变而产生的,可能破坏电子器件的工作特性.根据G J B B 方法 和实际应用情况,对本试验的 型号薄壁陶瓷封装外壳施加 g的机械冲击(Y 方向,脉冲宽度 m s),封 装 外 壳 未 出 现 损 坏 迹 象,且 气 密 性 测 试合格.本文所研究的微晶氧化铝陶瓷强度相比于常见电子封装所采用的黑色氧化铝陶瓷强度更高,因此在温度循环等可靠性测试中裂纹难以扩展至损坏样品,且由于陶瓷烧结温度较高,氧化铝陶瓷通常可耐受 以上的高温,所以其在温度循环测试以及热冲击测试中通常比较稳定,不会发生成分改变.结论()氧化铝陶瓷封装外壳的薄壁化有利于提升散热能力和微薄化水平,其应用的难点在于氧化铝的强度和气密性.微晶氧化铝陶瓷抗弯强度高且气密性良好,是解决薄壁陶瓷封装外壳应用问题的可行方案.()测试自主研发微晶氧化铝陶瓷的抗弯强度和气密性,符合薄壁陶瓷封装外壳的设计要求.()完成 型号薄壁陶瓷封装外壳的制备及可靠性验证,能够满足新型电子器件的应用需求.参考文献胡永达,李元勋,杨邦朝微电子封装技术M北京:科学出版社,:汤涛,张旭,许仲梓电子封装材料的研究现状及趋势J南京工业大学学报,():查尔斯A 哈珀电子封装材料与工艺M北京:化学工业出版社,:唐利锋,程凯,庞学满,等高温共烧陶瓷金属化膜厚影响因素分析J电子与封装,():关振铎,张中太,焦金生无机材料物理性能M北京:清华大学出版社,:赵华,黄丽华利用注浆成型法制备高强度氧化铝陶瓷的研究J无机盐工业,():S a t o s h iTANAKA,S h o t aG O I,Z e n j iKA T O I n f l u e n c eo fG r a n u l eC h a r a c t e r i s t i c so nF a b r i c a t i o no fT r a n s l u c e n tA l u m i n aC e r a m i c s w i t h H i g hS t r e n g t ha n d R e l i a b i l i t yJ J o u r n a lo ft h eC e r a m i cS o c i e t yo fJ a p a n,():张联盟,黄学辉,宋晓岚材料科学基础M武汉:武汉理工大学出版社,:王韬,李志辉两步法烧结亚微米晶粒尺寸的氧化铝J耐火与石灰,():收稿日期:作者简介:王东生,高级工程师,中国电子科技集团公司第十三研究所电子封装制备专家,长期从事HT C C、MT C C、L T C C陶瓷封装外壳的研发和制备工作.