一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，包括金屬底板、金屬墻體、玻璃陶瓷復合型絕緣子、金屬密封環、引出電極、焊接部位金屬化層；本實用新型提供了一種玻璃陶瓷復合型絕緣子，兼具了玻璃絕緣子與陶瓷絕緣子的優點，通過合理地設計二者的結構、安裝位置以及連接方法等克服了二者所具有的缺點，既滿足功率器件對于高阻值的電性要求，而且玻璃陶瓷復合型絕緣子強度較高，耐沖擊能力強，滿足了功率器件高可靠要求，熱阻小、效率高、可靠性高，使得安裝該玻璃陶瓷復合型絕緣子的功率器件的封裝外殼具有更好的性能，生產工藝較簡單，提高生產效率，便于大批量生產。
【專利說明】
一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼
技術領域
[0001]本實用新型涉及半導體封裝技術領域，尤其是涉及一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼。
【背景技術】
[0002]目前，航天、航空、船舶、兵器等領域需要大量具有一定功率要求的器件產品，要求熱阻小、耐沖擊性能好、可靠性高等特點，為提高整機可靠性提供前提。TO系列的功率器件的封裝外殼一般是采用金屬作為外殼主體，引出端與金屬主體之間的絕緣材料一般采用玻璃或者陶瓷。
[0003]玻璃絕緣子的TO外殼，受玻璃強度差等因素的限制，耐沖擊性能差，不能用于高可靠器件領域。
[0004]而陶瓷絕緣子的韌性和強度都明顯高于玻璃，因此采用陶瓷絕緣子的TO系列外殼可靠性能大大提高。但因為陶瓷絕緣子自身加工難度大、成本較高，而且TO系列陶瓷絕緣子外殼生產流程繁瑣、技術難度高、生產效率低、材料成本高，至今國內還沒有系統的技術攻關，因此沒有得到廣泛推廣。
[0005]因此，如何提供一種強度較高，耐沖擊能力強，可靠性高，且生產加工工藝較簡單，成本較低，便于大批量生產、適用于封裝外殼的絕緣子是本領域技術人員亟需解決的技術問題。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，該封裝外殼包括玻璃陶瓷復合型絕緣子，該玻璃陶瓷復合型絕緣子不僅強度較高，耐沖擊能力強，可靠性高，而且生產加工工藝較簡單，成本較低，便于大批量生產。
[0007]為解決上述的技術問題，本實用新型提供的技術方案為:
[0008]—種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，包括金屬底板、金屬墻體、玻璃陶瓷復合型絕緣子、金屬密封環、引出電極、焊接部位金屬化層；
[0009]所述金屬墻體為一個僅包括四面側面壁的框形結構；
[0010]所述金屬墻體設置于所述金屬底板的一個長寬側面上，且所述金屬底板與金屬墻體構成一個一面開口的腔室；
[0011]所述金屬墻體的下側面壁上開設有用于穿插固定所述引出電極的連接通孔；
[0012]所述引出電極設置于所述金屬墻體的連接通孔內；
[0013]所述玻璃陶瓷復合型絕緣子包括玻璃材質部與陶瓷材質部，所述玻璃材質部與所述陶瓷材質部構成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子；
[0014]所述玻璃材質部設置于所述連接通孔的內孔壁與所述引出電極的周向面之間的間隙內；
[0015]所述陶瓷材質部套設于所述引出電極上且所述陶瓷材質部的上端面無縫緊貼于所述玻璃材質部的下端面，且所述陶瓷材質部的上端面形狀大小滿足所述陶瓷材質部的上端面遮住所述玻璃材質部與所述連接通孔的連接界面的下端；
[0016]所述金屬密封環套設在所述引出電極上且所述金屬密封環的環形面通過所述焊接部位金屬化層與所述陶瓷材質部的下端面固定連接，且所述金屬密封環的內側面與所述引出電極的周向面熔焊連接。
[0017]優選的，所述玻璃材質部為空心圓柱狀，上下外徑相同，所述玻璃材質部的下端面與所述金屬墻體的下側面壁的外表面齊平。
[0018]優選的，所述陶瓷材質部為空心圓柱狀，上下外徑不同，包括上寬徑部與下窄徑部，所述上寬徑部與所述下窄徑部圓滑過渡連接。
[0019]優選的，所述玻璃材質部與所述陶瓷材質部通過熔滲連接成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子。
[0020]優選的，還包括用于封蓋所述金屬底板與金屬墻體構成的腔室的開口面的蓋板。[0021 ]優選的，所述金屬底板為無氧銅板材質。
[0022]優選的，所述金屬墻體為低碳鋼材質。
[0023]優選的，所述引出電極為可伐銅芯引線材質。
[0024]與現有技術相比，本實用新型提供了一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，該封裝外殼中，采用玻璃陶瓷復合型絕緣子，經燒結成型后，所述玻璃件與所述陶瓷件燒結為一體式結構，得到具有玻璃材質部與陶瓷材質部的所述玻璃陶瓷絕緣子，本專利將所述玻璃材質部設置于所述連接通孔的內孔壁與所述引出電極的周向面之間的間隙內，經燒結后，玻璃材質部與連接通孔的內孔壁以及引出電極的外周面燒結成一體連接;且將所述陶瓷材質部套設于所述引出電極上且所述陶瓷材質部的上端面無縫緊貼于所述玻璃材質部的下端面，且所述陶瓷材質部的上端面形狀大小滿足所述陶瓷材質部的上端面遮住所述玻璃材質部與所述連接通孔的連接界面的下端，經燒結后，陶瓷材質部與引出電極的外周面燒結成一體，且陶瓷材質部與玻璃材質部在二者的連接處在高溫下發生熔滲，部分玻璃浸入陶瓷中，使得燒結后的玻璃材質部與陶瓷材質部成為能夠共同承擔外界破壞力的一體式結構件，且金屬密封環內壁與引出電極外圓柱面用銀銅釬料熔焊連接;如此設置，使得玻璃材質部在孔內，陶瓷材質部在孔外，引出電極的根部通過玻璃材質部以埋入式固定在金屬墻體上，陶瓷材質部就相當于在此基礎上的外露加強筋，當外漏的引出電極受到外界破壞力時，首先由強度較高的陶瓷材質部承擔大部分該外界破壞力，剩余的小部分外界破壞力傳遞至引出電極的根部由玻璃材質部承擔，從而克服了原有采用單一的玻璃材質部時玻璃材質部強度差，在外界破壞力的作用下容易破碎、崩裂的問題;本實用新型中，在玻璃材質部的外部設置陶瓷材質部，燒結過程中，玻璃材質部待燒成形件熔化為液體，而陶瓷材質部待燒成形件仍為固態，液態的玻璃會滲透入與之緊鄰的陶瓷材質部待燒成形件的孔隙內，最終固化連接在一起，二者熔滲為一體結構，形成玻璃陶瓷復合型絕緣子，相比于原有的單一玻璃材質部，該復合型絕緣子的耐沖擊性肯定更高，能夠用于高可靠部件領域;且金屬密封環內壁與引出電極外圓柱面用銀銅釬料熔焊連接，銀銅釬料的連接強度遠比玻璃材質部與引出電極的連接強度高，起到了增加連接強度的作用，更好地將玻璃陶瓷絕緣子這個一體式結構與引出電極連接在一起;綜上，本實用新型使用玻璃陶瓷絕緣子，不僅包括玻璃材質部，還包括陶瓷材質部，合理設置玻璃材質部與陶瓷材質部的的結構外形和安裝位置，且通過上述的多個連接面處的多種連接方式，將玻璃陶瓷絕緣子、金屬墻體以及引出電極連接成一個強度較高的一體式結構件，克服了原有的單一玻璃絕緣子的強度差、耐沖擊性能差、不能用于高可靠器件領域等問題。
[0025]同時，本實用新型中，巧妙地設計了陶瓷材質部的結構形狀，使其只安裝在金屬墻體上的連接通孔的外部，不像原來陶瓷絕緣子似的還需設計一個突出部插入孔內，簡化了結構，降低了加工難度與生產成本，且本實用新型提供了一種新式的陶瓷材質部的安裝方式，原有的封裝工藝中，均是采用已經加工好的陶瓷絕緣子與金屬墻體以及引出電極通過熔焊釬料的方式連接成一體，生產流程繁瑣、技術難度高、生產效率低、材料成本高，而本實用新型中采用高溫燒結使得陶瓷材質部與金屬墻體以及引出電極成為一體式結構，采用一次燒結，完成玻璃材質部與金屬墻體以及引出電極成為一體式結構，同時完成陶瓷材質部與金屬墻體以及引出電極成為一體式結構，同時完成玻璃材質部與陶瓷材質部成為一體式結構，簡單高效，有效地解決了原有封裝陶瓷材質部藝中生產流程繁瑣、技術難度高、生產效率低、材料成本高的問題。
[0026]綜上，本實用新型提供了一種包括玻璃陶瓷復合型絕緣子的封裝外殼，其中的玻璃陶瓷復合型絕緣子兼具了玻璃材質部與陶瓷材質部的優點，通過合理地設計二者的結構、安裝位置、二者之間的連接方法、二者與金屬墻體以及引出電極的連接方式等，克服了單一玻璃絕緣子與單一陶瓷絕緣子所具有的缺點，既滿足功率器件對于高阻值的電性要求，而且玻璃陶瓷復合型絕緣子強度較高，耐沖擊能力強，滿足了功率器件高可靠要求，熱阻小、效率高、可靠性高，使得安裝該玻璃陶瓷復合型絕緣子的功率器件的封裝外殼具有更好的性能，且進一步的，該封裝外殼采用了無氧銅板作為熱沉材料，利于器件散熱;采用低碳鋼作為外殼墻體，可伐銅芯引線作為引出電極;生產工藝較簡單，提高生產效率，便于大批量生產。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型實施例提供的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼(去掉封蓋)的主視
[0028]圖2;圖2為圖1的A-A向剖面結構示意圖；
[0029]圖3為圖2中A區域的放大示意圖。
[0030]圖中:I金屬底板，2金屬墻體，3玻璃材質部，4陶瓷材質部，5金屬密封環，6引出電極，7焊接部位金屬化層。
【具體實施方式】
[0031]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0032]在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“軸向”、“徑向”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“豎直”、“水平”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。
[0033]在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，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觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。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，或僅僅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，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0034]參照圖1?圖3，圖1為本實用新型實施例提供的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼(去掉封蓋)的主視圖；圖2為圖1的A-A向剖面結構示意圖；圖3為圖2中A區域的放大示意圖。
[0035]—種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，包括金屬底板1、金屬墻體2、玻璃陶瓷復合型絕緣子、金屬密封環5、引出電極6、焊接部位金屬化層7;
[0036]所述金屬墻體2為一個僅包括四面側面壁的框形結構；
[0037]所述金屬墻體2設置于所述金屬底板I的一個長寬側面上，且所述金屬底板I與金屬墻體2構成一個一面開口的腔室；
[0038]所述金屬墻體2的下側面壁上開設有用于穿插固定所述引出電極6的連接通孔；
[0039]所述引出電極6設置于所述金屬墻體2的連接通孔內；
[0040]所述玻璃陶瓷復合型絕緣子包括玻璃材質部3與陶瓷材質部4，所述玻璃材質部3與所述陶瓷材質部4構成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子；
[0041]所述玻璃材質部3設置于所述連接通孔的內孔壁與所述引出電極6的周向面之間的間隙內；
[0042]所述陶瓷材質部4套設于所述引出電極6上且所述陶瓷材質部4的上端面無縫緊貼于所述玻璃材質部3的下端面，且所述陶瓷材質部4的上端面形狀大小滿足所述陶瓷材質部4的上端面遮住所述玻璃材質部3與所述連接通孔的連接界面的下端；
[0043]所述金屬密封環5套設在所述引出電極6上且所述金屬密封環5的環形面通過所述焊接部位金屬化層7與所述陶瓷材質部4的下端面固定連接，且所述金屬密封環5的內側面與所述引出電極6的周向面熔焊連接。
[0044]在本實用新型的一個實施例中，所述玻璃材質部3為空心圓柱狀，上下外徑相同，所述玻璃材質部3的下端面與所述金屬墻體2的下側面壁的外表面齊平。
[0045]在本實用新型的一個實施例中，所述陶瓷材質部4為空心圓柱狀，上下外徑不同，包括上寬徑部與下窄徑部，所述上寬徑部與所述下窄徑部圓滑過渡連接。
[0046]在本實用新型的一個實施例中，所述玻璃材質部3與所述陶瓷材質部4通過熔滲連接成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子。
[0047]在本實用新型的一個實施例中，上述封裝外殼還包括用于封蓋所述金屬底板I與金屬墻體2構成的腔室的開口面的蓋板。
[0048]在本實用新型的一個實施例中，上述金屬底板I為無氧銅板材質。
[0049]在本實用新型的一個實施例中，上述金屬墻體2為低碳鋼材質。
[0050]在本實用新型的一個實施例中，上述引出電極6為可伐銅芯引線材質，引線強度尚、電阻小。
[0051]本實用新型還提供了一種上述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼的制備方法，包括以下步驟:
[0052]I)制作金屬底板1、金屬墻體2、金屬密封環5以及引出電極6，且制作固態的玻璃件以及固態的陶瓷件，所述陶瓷件的下端面上設置有焊接部位金屬化層7;
[0053]2)將步驟I)中所述的金屬墻體2、引出電極6、玻璃件以及陶瓷件按照權利要求1中所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼的結構形式組裝起來，用石墨模具作為定位工裝；
[0054]3)將步驟2)組裝完成的組裝件放入氣氛保護高溫燒結爐內進行燒結成型，在燒結過程中，所述玻璃件與所述陶瓷件燒結為一體式結構得到所述玻璃陶瓷絕緣子，出爐后得到由金屬墻體2、引出電極6、玻璃陶瓷復合型絕緣子構成的燒結一體件；
[0055]4)將步驟3)得到的燒結一體件通過在氣氛保護高溫燒結爐內熔焊銀銅釬料將所述金屬密封環5焊接在所述陶瓷材質部4的下端面上的焊接部位金屬化層7上；
[0056]5)將步驟4)熔焊金屬密封環5后的燒結一體件與金屬底板I組裝，然后通過在氣氛保護高溫燒結爐內熔焊銀銅釬料將二者熔焊成一體結構；
[0057]6)在金屬底板1、金屬墻體2以及引出電極6的所有裸露的金屬內外表面上先鍍鎳，再鍍金，最終得到成品的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼。
[0058]上述的玻璃件的制作過程大致為:首先用含石蠟的玻璃粉末沖壓成形，沖制過程需要沖壓模具和沖壓機;沖壓成形后，屬于生坯狀態，結構疏松易碎，需要進行排蠟玻化工序，將生坯放入排蠟鏈式燒結爐，在爐中排蠟和玻化兩步工序一次完成，燒成后變為有一定硬度和玻璃狀態的圓環狀熟坯，可以用于上述步驟2)的組裝了。
[0059]與金屬墻體2所用的低碳鋼匹配的玻璃材質部3的線膨脹系數為9.5X10—6/°C左右，一般95%A1203陶瓷材質部4的線膨脹系數為7.0 X 10—6/°C左右，與玻璃材質部3的線膨脹系數差距較大，二者難于封接匹配。為解決該問題，本專利對所述陶瓷材質部4的配方進行了調整，以使得陶瓷材質部4的線膨脹系數接近9.5X10—6/°C左右，達到與玻璃材質部3封接匹配的要求。
[0060]上述陶瓷件的制作過程大致為:1、經過配比攪拌的陶瓷粉末，用沖壓模具沖壓成形，狀態疏松易碎;2、放入排蠟燒結爐內進行排蠟處理;3、排蠟后的陶瓷再放入高溫燒結爐內進行高溫燒結成瓷，變為堅硬的成形陶瓷狀態;4、用絲網印刷的方法在陶瓷端面印刷金屬化涂層，金屬化涂層為鉬錳混合漿料;5、將金屬化之后的陶瓷放入氫氣保護燒結爐中，將金屬化涂層與陶瓷進行熔滲燒結，得到上述的焊接部位金屬化層7，至此完成陶瓷件的制作。陶瓷件在高溫燒結時不熔化，沒有形體變化。
[0061]在本實用新型的一個實施例中，步驟3)具體包括:
[0062]第一步:采用高溫氣氛保護鏈式燒結爐作為氣氛保護高溫燒結爐，將高溫氣氛保護鏈式燒結爐升溫至燒結溫度9000C?9500C，優選的采用945 V，通入氮氣(總量約70L/min)保護氣體，預熱彡30min;
[0063]第二步:將帶有組裝件的石墨模具放置在燒結爐鏈帶上，整個燒結運行過程大約4小時；
[0064]第三步:整個燒結過程要保證燒結溫度和氮氣流量的恒定，每個溫區的溫度誤差不超過±3°C，氮氣流量誤差不超過±5L/min;
[0065]第四步:取出燒結好的組裝件，檢查燒結質量。
[0066]在本實用新型的一個實施例中，步驟4)中，銀銅釬料的熔焊溫度為800°C?840°C，優選的為830°C，氮氣總流量為100L/min。此處設置金屬密封環5，一是起到引出電極6與玻璃陶瓷復合型絕緣子之間的密封作用，使金屬墻體2最終形成密閉的腔體;二是銀銅焊料的連接強度遠比玻璃材質部3與金屬引線的連接強度高，起到增加玻璃陶瓷復合型絕緣子與引出電極6之間的連接強度的作用。
[0067]在本實用新型的一個實施例中，與步驟5)中，銀銅釬料的熔焊溫度為800°C?840°C，優選的為830°C，本步驟內，無氧銅金屬底板I的線膨脹系數為15.8X 10—6/°C左右，與金屬墻體2用銀銅釬料焊接，兩者的線膨脹系數有所差異，但兩種材料都屬于金屬材料，強度和韌性較高，可以實現不匹配焊接，而且無氧銅底板與玻璃材質部3有一定距離，線膨脹系數的差異不足以造成對玻璃材質部3的應力傷害。
[0068]在本實用新型的一個實施例中，步驟6)中，表面鍍鎳層厚度彡3μπι，鍍金層彡1.2μmD
[0069]本實用新型提到多個技術問題，同時針對每個技術問題提出相應的技術方案。多個技術問題不是相互獨立的，是相互影響的，使得上述的多個技術方案在解決對應的技術問題的基礎上，進一步的與其它技術方案組合，會顯著提高解決對應的技術問題所取得的技術效果，或者可以同時解決多個技術問題。在每個單獨技術方案解決對應的技術問題的基礎上，多個遞進式的技術方案相互組合疊加，技術方案之間相互配合，相互促進，形成一個整體方案，取得的技術效果遠好于上述任何一個技術方案的技術效果，疊加效應顯著。
[0070]本實用新型未詳盡描述的方法和裝置均為現有技術，不再贅述。
[0071]本文中應用了具體實施例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，包括金屬底板、金屬墻體、玻璃陶瓷復合型絕緣子、金屬密封環、引出電極、焊接部位金屬化層； 所述金屬墻體為一個僅包括四面側面壁的框形結構； 所述金屬墻體設置于所述金屬底板的一個長寬側面上，且所述金屬底板與金屬墻體構成一個一面開口的腔室； 所述金屬墻體的下側面壁上開設有用于穿插固定所述引出電極的連接通孔； 所述引出電極設置于所述金屬墻體的連接通孔內； 所述玻璃陶瓷復合型絕緣子包括玻璃材質部與陶瓷材質部，所述玻璃材質部與所述陶瓷材質部構成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子； 所述玻璃材質部設置于所述連接通孔的內孔壁與所述引出電極的周向面之間的間隙內； 所述陶瓷材質部套設于所述引出電極上且所述陶瓷材質部的上端面無縫緊貼于所述玻璃材質部的下端面，且所述陶瓷材質部的上端面形狀大小滿足所述陶瓷材質部的上端面遮住所述玻璃材質部與所述連接通孔的連接界面的下端； 所述金屬密封環套設在所述引出電極上且所述金屬密封環的環形面通過所述焊接部位金屬化層與所述陶瓷材質部的下端面固定連接，且所述金屬密封環的內側面與所述引出電極的周向面熔焊連接。2.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述玻璃材質部為空心圓柱狀，上下外徑相同，所述玻璃材質部的下端面與所述金屬墻體的下側面壁的外表面齊平。3.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述陶瓷材質部為空心圓柱狀，上下外徑不同，包括上寬徑部與下窄徑部，所述上寬徑部與所述下窄徑部圓滑過渡連接。4.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述玻璃材質部與所述陶瓷材質部通過熔滲連接成一體式結構的玻璃陶瓷復合型絕緣子。5.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，還包括用于封蓋所述金屬底板與金屬墻體構成的腔室的開口面的蓋板。6.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述金屬底板為無氧銅板材質。7.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述金屬墻體為低碳鋼材質。8.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷復合型絕緣子封裝外殼，其特征在于，所述引出電極為可伐銅芯引線材質。
【文檔編號】H01B17/38GK205621525SQ201620387636
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】楊旭東, 王婷, 相裕兵, 李東華, 劉貴慶
【申請人】濟南市半導體元件實驗所