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金属封装的形式及工艺技术

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-17  浏览次数:1033

1 引言

所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳,它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用,而且还是沟通芯片内部与外部电路的桥梁,芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷板上的导线与其他器件建立连接。因此封装是器件的重要组成部分之一,起着非常重要的作用。随着电子系统的小型化和高性能化,封装已变得和芯片一样重要。封装成本在半导体销售值中占的比例也越来越大。因此电子封装受到空前的重视,在美、日等国,电子封装都是作为一个单独的行业来发展,而对于新加坡、台湾等亚洲国家和地区,更是把电子封装及组装技术作为他们的工业支柱,处于绝对优先的发展地位。

2封装形式和结构

由于封装的用途、使用环境、生产历史等原因,使封装不但在型号规格上繁杂,而且封装形式也多样。常见的封装材料有:金属、陶瓷、塑料、玻璃等,根据材料的不同封装主要分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种类型,金属封装由于在最严酷的使用条件下具有杰出的可靠性而被广泛用于军事和民用领域。金属封装现有的封装形式一般包括平台插入式金属封装、腔体插入式金属封装、扁平式金属封装和圆形金属封装等。

2.1平台插入式金属封装

平台插入式金属封装由平台式的管座和拱形管帽组成,这种形式的封装一般用储能焊的方法对管座和管帽进行封接,也可采用锡焊或激光焊封接。管座一般由底板、引脚和玻璃绝缘子烧结而成,图1以双列平台插入式金属封装为例来说明其具体的结构。

2.2腔体插入式金属封装

腔体插入式金属封装由腔体式的管座和盖板组成,这种形式的封装一般用平行缝焊的方法对管座和盖板进行封接,也可采用激光焊封接。盖板有平盖板和台阶盖板两种类型,一般采用台阶盖板,因为台阶盖板有一定的定位作用和较好的强度。管座一般由像浴盆形状的腔体式壳体、引脚和玻璃绝缘子烧结而成,图2以双列腔体插入式金属封装为例来说明其具体的结构。

2.3扁平式金属封装

扁平式金属封装由蝶型管座和盖板组成,这种形式的封装一般用平行缝焊的方法对管座和盖板进行封接,也可采用激光焊封接。盖板与腔体插入式金属封装一样有平盖板和台阶盖板两种类型,一般也采用台阶盖板。管座一般由侧面打孔的金属框、引脚和玻璃绝缘子先烧结再用焊料焊上底板而成;也有用拉伸的浴盆状腔体式壳体侧面打孔直接烧结引脚的形式。图3、4分别以双列扁平式金属封装为例来说明这两种结构。

 

2.4圆形金属封装

圆形金属封装由圆形的管座和拱形管帽组成,这种形式的封装其结构实际与平台插入式金属封装相近,因而它们所适用的管帽封接方法也几乎相同,其结构如图5所示。

3封装的生产工艺

首先介绍金属封装的主要生产工艺流程:

零件准备一装配一烧结一焊接(扁平式封装或有接地引脚时)一连接工艺导线一镀前处理一电镀一切脚一(检测)一包装入库。

3.1零件准备

3.1.1零件材料

金属封装的零件一般包括底板、框、玻璃珠、引脚、焊料、管帽或盖板,同一封装一般使用同种材料或膨胀系数很接近的材料,根据封装使用性能要求的不同可选用的材料也较多,有铁镍钴合金、铁镍合金、铜、钨铜和钼铜等铜合金、钢、不锈钢、铝、铝合金等。①底板、框、管帽或盖板材料一般首选铁镍钴合金、铁镍合金,底板和框在有特殊要求时可选用铜、钨铜和钼铜等铜合金、钢、不锈钢、铝、铝合金等;②引线材料一般是铁镍钴合金、铁镍合金、铜以及铁镍合金包铜或铜包铁镍合金等;③玻璃珠材料一般选择膨胀与其直接烧结的底板或框和引线相匹配的材料,在必要时也可以选用膨胀系数较小的材料进行压缩封接;④焊料一般选用纯金属(如铜、银、锡等)或合

金(如银铜、金银铜、银铜锡、钯银铜、锡铅等)。

3.1.2金属零件前处理

所有金属零件都需经过高精度的机械加工成型,而且在成型过程中要特别注意封接表面的粗糙度,因为太粗糙的表面和太光洁的表面都会导致封接质量不好而影响气密性,合适的金属零件表面粗糙度应为Ra=3.2~6.3µm。

零件成型后要注意清洗、脱碳、预氧化这三个环节。①清洗时要用汽油、碱液、酒精等反复清洗,最好是用超声波清洗;②脱碳的目的是除去表面沾污和减少金属表面的碳含量、熔在内部的气体含量并减小应力。一般使用的脱碳工艺为1 050℃氢气气氛下保温30分钟;③预氧化的质量直接影响着封接气密性以及引线与玻璃的结合强度、玻璃烧结气泡、玻璃沿引线上爬等方面质量,所以对预氧化的工艺、质量控制要特别严格。在预氧化方面,从上个世纪40年代开始到现在,有许多研究者对金属零件特别是铁镍钴可伐合金进行了较为系统的研究,这些研究者从封接的热力学、机械结合、熔融中间化合物和化学健合等方面进行研究,认为需要得到的氧化物应该主要是低价氧化物而不是高价氧化物而且氧化物的厚度要适当并分布均匀。

3.2烧结和焊接

在玻璃烧结和焊料焊接的过程中需要注意的是针对不同的玻璃、焊料种类(包括成份和大小)所采取的温度曲线和气氛,也就是说要对各温区的温度、炉子链带的转速、以及保护气体的流量等因素进行控制,并且要在玻璃烧结时给产品盖上专做的盒子,还可以在盒子内放一些活性碳球,这样能提高产品的烧结质量。

3.3镀前处理

为了保证电镀的质量,在电镀前必须除去产品表面的油渍、沾污以及氧化层。在一般情况下都是采取化学的方法进行前处理,针对不同的封装材料有不同的清洗和抛光办法,在封装的外观要求非常高时还可以通过机械球磨、喷砂和化学抛光相结合的办法处理。

3.4电镀

封装需要满足盐雾试验、键合、可焊性和引线牢固度等试验的要求,而这一些要求的满足与电镀质量是紧密联系在一起的,所以电镀质量的好坏直接影响封装的质量,必须严格把关。

目前一般的金属封装通过在表面先镀镍再镀金的方法来满足要求,对于多种金属组合的封装,为了使壳体表面的电位一致、镀层均匀又不发生化学置换影响结合力,可以先镀一层铜。

4结束语

封装是器件的重要组成部分之一,经过不断的变迁正朝着适用频率越来越高、耐温性能越来越好、引线数增多,引线间距减小、重量减轻、可靠性提高、使用更加方便、芯片面积与封装面积之比越来越接近于1的方向发展。为了不断满足器件业的要求,封装的稳定和发展十分重要。为了能使封装业发展的更快,国内从事封装的企业、单位应联合起来扬长避短共同克服难关。

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