一種微波大功率管外殼的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種微波大功率管外殼的制造方法，利用現(xiàn)有商品化的鎢銅、鉬銅或其他銅基復(fù)合材料雙面覆蓋銅箔片，在外殼半成品的釬焊過程中同步形成三明治結(jié)構(gòu)的銅基復(fù)合材料“Cu-Laminate”熱沉。優(yōu)點：保證了釬焊后的外殼處于強度安全的應(yīng)力狀態(tài)，同時熱導(dǎo)率比單獨使用芯層合金至少提高10%。按照本發(fā)明所述工藝路線和方法制作的外殼，其散熱能力、氣密性和長期可靠性能夠滿足高功率密度微波大功率器件的封裝需求。由于形成“Cu-Laminate”熱沉所使用的芯層材料為成熟的商品化的鎢銅、鉬銅材料，因此，更具成本優(yōu)勢并能大幅度降低材料采購風(fēng)險。
【專利說明】一種微波大功率管外殼的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種微波大功率管外殼的制造方法，乃是針對封裝硅LDMOS功率管或GaN功率管的高功率密度微波外殼的制造方法，屬于微波大功率管【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]用于封裝硅LDMOS功率管或GaN功率管的微波大功率管外殼通常采用金屬熱沉焊接陶瓷框結(jié)構(gòu)，二者所形成的氣密性腔體為芯片和內(nèi)部電路提供機械支撐和環(huán)境保護。陶瓷框上焊接有金屬引線實現(xiàn)輸入輸出饋電端口和相互隔離。熱沉采用高熱導(dǎo)率且熱膨脹系數(shù)與陶瓷匹配的銅基復(fù)合材料，成為器件主要的散熱通道并保證外殼處于安全可靠的低應(yīng)力狀態(tài)。
[0003]微波大功率管外殼中具有工藝代表性的陶瓷框零件采用高溫共燒多層陶瓷(HighTemperature Cofired Ceramic,簡稱HTCC)工藝制作，因此,此類外殼也被稱為多層陶瓷外殼?，F(xiàn)有典型的微波大功率管多層陶瓷外殼工藝流程(如圖1所示)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中制作微波大功率管外殼所用的熱沉材料主要是銅基復(fù)合材料。熱沉材料按照其制備工藝方法可分為兩類，第一類是熔滲法或粉末冶金法制備的鎢銅或鑰銅材料，其熱導(dǎo)率約為(160?200)W/mK，熱膨脹系數(shù)在(6?9)X10_6/K之間可調(diào)；第二類是采用釬焊、擴散焊或熱軋等方法制備的三明治結(jié)構(gòu)的Cu-Mo-Cu材料(簡稱為CMC材料)、Cu-MoCu-Cu材料(簡稱為CPC材料)以及Cu-WCu-Cu材料等，有文獻(xiàn)中將此類材料稱為“ Cu-Laminate，，。
[0005]第一類鎢銅或鑰銅材料在電子封裝行業(yè)已經(jīng)使用了 20多年以上，技術(shù)發(fā)展的很成熟，生產(chǎn)廠家眾多。但隨著器件向小型化和高功率進一步發(fā)展，鎢銅、鑰銅材料的導(dǎo)熱性能已不能滿足高功率密度的微波大功率管外殼的散熱要求。
[0006]第二類“Cu-Laminate”材料是在第一類材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它一方面利用了鎢銅或鑰銅與陶瓷材料熱膨脹系數(shù)相匹配的特性，另一方面利用了表層銅箔片優(yōu)良的橫向散熱能力，因銅的熱導(dǎo)率為398W/mK，大約是鎢銅的兩倍。由于“Cu-Laminate”的優(yōu)良特性，目前已成為高功率密度的微波大功率管外殼的主流熱沉材料。但由于第二類“Cu-Laminate”材料由于出現(xiàn)相對較晚，可供選擇的成熟供應(yīng)商要少得多。
[0007]制作外殼的現(xiàn)有技術(shù)是將“Cu-Laminate”坯料機加工獲得的預(yù)制零件在釬焊工藝過程中與陶瓷框、引線和封接環(huán)等其他零件連接為一體，成為外殼半成品。因此，制作高功率密度的微波大功率管外殼首先要選擇并采購到合適的“Cu-Laminate”熱沉零件。
[0008]據(jù)了解，日本材料供應(yīng)商通常使用釬焊方法制備“Cu-laminate”坯料，而國內(nèi)材料供應(yīng)商通常采用高溫擴散焊或熱軋方法制備“Cu-Laminate”還料。制作“Cu-Laminate”還料時，視封裝的芯片和相連的陶瓷的熱膨脹系數(shù)而調(diào)節(jié)鎢、銅和鑰、銅之間的比例，以保證不同材料之間相互匹配。由于競爭對手之間商業(yè)秘密保護的原因、價格因素以及材料供應(yīng)商工藝技術(shù)水平的差異等多種原因所限，市場上能夠選擇和直接采購到的“Cu-Laminate”熱沉材料尚無法完全研制和生產(chǎn)高功率密度的微波大功率管外殼的需要。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提出的是一種微波大功率管外殼及制造方法，其目的是獲得一種高熱導(dǎo)率且熱膨脹系數(shù)與陶瓷匹配的銅基復(fù)合材料，將其用于制作封裝微波大功率器件的外殼，既能保證外殼氣密性和可靠性，又可以獲得優(yōu)良的散熱性能。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種微波大功率管外殼的制造方法，包括如下工藝步驟:
1)準(zhǔn)備金屬零件，包括尺寸為0.lmmX21.5mmX8.5mm的可伐封接環(huán)P1，尺寸為
0.lmmX5.1mmX 12.7mm 的可伐引線P2，尺寸為 1.52mmX34.0mmX9.8mm 的鎢銅WCul5 片 P5，尺寸為0.5mmX 34.0mmX 9.8mm厚度的無氧銅箔片P6 ；
2)對上述金屬零件進行常規(guī)的清洗、退火和鍍鎳處理后待用；
3)按照常規(guī)HTCC多層陶瓷工藝制作尺寸為1.2mmX21.7mmX9.8mm壁厚為2.0mm的95%氧化鋁陶瓷框P3 ；
4)對95%氧化鋁陶瓷框P3進行鍍鎳后待用；
5)將上述步驟2金屬零件和上述步驟4的陶瓷零件按照附圖結(jié)構(gòu)，通過使用AgCu28釬焊料在810°C?830°C釬焊為外殼半成品B。其中，外殼熱沉部分由WCul5片P5作為芯層，其上下表面覆蓋無氧銅箔片P6構(gòu)成；
6)外殼半成品B經(jīng)過常規(guī)的電鍍鎳金工序制作成為微波大功率管外殼成品，經(jīng)過測試和篩選后，用于封裝硅LDMOS功率管和GaN功率管。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點:
O由于本發(fā)明中形成“Cu-Laminate”熱沉所使用的芯層材料為成熟的商品化的鎢銅、鑰銅材料，與直接購買“Cu-Laminate”熱沉材料相比能夠找到更多的材料供應(yīng)商，因此，更具成本優(yōu)勢并能大幅度降低材料采購風(fēng)險；
2)形成的“Cu-Laminate”熱沉是在外殼釬焊過程中同步形成的，因此，構(gòu)成“Cu-Laminate”的芯層合金的厚度和表層銅箔片的厚度的優(yōu)化設(shè)計，需要同整個外殼在釬焊過程中，尤其是釬焊冷卻過程中的應(yīng)力應(yīng)變分析密切結(jié)合。保證釬焊后外殼整體處于較低的殘余應(yīng)力狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是現(xiàn)有典型的微波大功率管外殼工藝流程圖。
[0013]圖2-1是現(xiàn)有微波大功率管外殼半成品A結(jié)構(gòu)示意圖之仰視圖。
[0014]圖2-2是現(xiàn)有微波大功率管外殼半成品A結(jié)構(gòu)示意圖之主視圖。
[0015]圖2-3是現(xiàn)有微波大功率管外殼半成品A結(jié)構(gòu)示意圖之左視圖。
[0016]圖3是本發(fā)明所采用的微波大功率管外殼工藝流程圖。
[0017]圖4-1是本發(fā)明微波大功率管外殼半成品B結(jié)構(gòu)的仰視圖。
[0018]圖4-2是本發(fā)明微波大功率管外殼半成品B結(jié)構(gòu)的主視圖。
[0019]圖4-3是本發(fā)明微波大功率管外殼半成品B結(jié)構(gòu)的左視圖。
[0020]圖中的P1是可伐封接環(huán)；P2是可伐引線；P3是氧化鋁陶瓷框；P4是市購三明治結(jié)構(gòu)的銅基復(fù)合材料熱沉現(xiàn)成零件，材料為銅鑰銅(CMC)或銅鎢銅銅(Cu-WCu-Cu)或銅鑰銅銅(Cu-MoCu-Cu) ；P5是鶴銅WCul5 ；P6是無氧銅箔片。
【具體實施方式】
[0021]對照圖4-1、圖4-2和圖4-3，微波大功率管外殼半成品B，其結(jié)構(gòu)包括可伐封接環(huán)P1 ;可伐引線匕；氧化鋁陶瓷框P3 ;鎢銅WCU15 P5 ;無氧銅箔片P6，其中氧化鋁陶瓷框P3之上所焊接的是可伐封接環(huán)P1，在可伐封接環(huán)P1之上焊接一個金屬或陶瓷的蓋板，氧化鋁陶瓷框P3與其下面所焊接的金屬熱沉構(gòu)成上開口的腔體結(jié)構(gòu)，該腔體結(jié)構(gòu)用于容納GaN或Si微波大功率器件的芯片和內(nèi)部匹配電路；所述的金屬熱沉具體為一個芯層為鎢銅WCul5 P5,上下表層為無氧銅箔片P6的三明治結(jié)構(gòu)，可伐引線己則是器件中起電連接作用的輸入輸出接口。
[0022]外殼使用時，氧化鋁陶瓷框P3之上所焊接的可伐封接框P1是起密封作用的，在完成芯片和內(nèi)部電路的微組裝后，在可伐封接環(huán)P1之上焊接一個金屬或陶瓷的蓋板，從而使整個外殼形成完全密閉的腔體結(jié)構(gòu)，以保護芯片和內(nèi)部電路免受環(huán)境中的塵埃、氣體或液體的沖擊和侵蝕?？煞ヒ€P2則是器件中起電連接作用的輸入輸出接口。
實施例
[0023]首先按照圖4-1、圖4-2和圖4-3所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形尺寸，采購如下金屬零件:尺寸為0.1mm*21.5mm*8.5臟的可伐封接環(huán)P1、尺寸為0.1mm*X5.1mm*12.7mm的可伐引線P2 ;尺寸為 1.52mm*34.0mm*9.8mm的鎢銅WCu15;尺寸為 0.5mm* 34.0mm*9.8mm厚度的無氧銅箔片P6。對上述金屬零件進行常規(guī)的清洗、退火和鍍鎳處理后待用。
[0024]其次，按照圖3所示的常規(guī)HTCC多層陶瓷工藝制作尺寸為1.2mmX21.7mmX9.8mm壁厚為2.0mm的95%氧化鋁陶瓷框P3。對95%氧化鋁陶瓷框P3進行鍍鎳后待用。
[0025]然后，將零件可伐封接環(huán)P1 ;可伐引線己；氧化鋁陶瓷框P3;鎢銅WCul5 P5 ;無氧銅箔片P6按照圖4-1，圖4-2和圖4-3所示的外殼結(jié)構(gòu)使用銀銅焊料AgCu28在810°C-830°C釬焊為外殼半成品B。
[0026]外殼半成品B經(jīng)過電鍍鎳金工序制作成為微波大功率管外殼成品，經(jīng)過測試和篩選后，可以用于封裝硅LDMOS功率管和GaN功率管。
[0027]如前所述，針對所焊接陶瓷材料和所封裝芯片的熱膨脹系數(shù)不同，按照如下方案可引申出一系列實施例。如調(diào)整“Cu-Laminate”熱沉芯層材料為厚度0.4mm-1.6mm的WCulO ;調(diào)整“Cu-Laminate”熱沉芯層材料為厚度0.4mm-1.6mm的Mo70Cu ;調(diào)整銅箔片的厚度為0.2mm-0.8mm。
[0028]在本發(fā)明中，通過外殼制作工藝流程改進使得在熱沉材料選擇上更具靈活性，外殼生產(chǎn)商能夠根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和實際要求，自主地設(shè)計“Cu-Laminate”熱沉成分和比例，(如上述所給出的各層材料的推薦范圍)。由于本發(fā)明中形成“Cu-Laminate”熱沉所使用的芯層材料為成熟的商品化的鎢銅、鑰銅材料，與直接購買“Cu-Laminate”熱沉材料相比能夠找到更多的材料供應(yīng)商，因此，更具成本優(yōu)勢并能大幅度降低材料采購風(fēng)險。
[0029]眾所周知，上述兩類銅基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)都可以通過改變鎢、銅或鑰、銅等材料之間的比例進行調(diào)節(jié)，以配合所焊接的陶瓷框材料或所封裝芯片的熱膨脹系數(shù)。但由于本發(fā)明工藝方法所形成的“Cu-Laminate”熱沉是在外殼釬焊過程中同步形成的，因此，構(gòu)成“Cu-Laminate”的芯層合金的厚度和表層銅箔片的厚度的優(yōu)化設(shè)計，需要同整個外殼在釬焊過程中，尤其是釬焊冷卻過程中的應(yīng)力應(yīng)變分析密切結(jié)合。保證釬焊后外殼整體處于較低的殘余應(yīng)力狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是該方法包括如下工藝步驟: 1)準(zhǔn)備金屬零件，包括可伐封接環(huán)，可伐弓I線，鎢銅WCU15片，無氧銅箔片； 2)對上述金屬零件進行常規(guī)的清洗、退火和鍍鎳處理后待用； 3)按照常規(guī)HTCC多層陶瓷工藝制作尺寸為1.2mmX21.7mmX9.8mm壁厚為2.0mm的95%氧化鋁陶瓷框； 4)對95%氧化鋁陶瓷框進行鍍鎳后待用； 5)將上述步驟2金屬零件和上述步驟4的陶瓷零件按照附圖結(jié)構(gòu)，通過使用AgCu28釬焊料在810°C?830V釬焊為微波大功率管外殼半成品(B);其中，外殼熱沉部分由WCul5片作為芯層，其上下表面覆蓋無氧銅箔片構(gòu)成； 6)微波大功率管外殼半成品(B)經(jīng)過常規(guī)的電鍍鎳金工序制作成為微波大功率管外殼成品，經(jīng)過測試和篩選后，用于封裝硅LDMOS功率管和GaN功率管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是工藝步驟5微波大功率管外殼半成品(B)的釬焊過程中，同步形成了芯層為WCul5且上下表面覆蓋無氧銅箔片的“ Cu-Laminate ”熱沉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是所述的“Cu-Laminate” 熱沉芯層材料為厚度 0.4mm ?1.6mm 的 WCul5 或 WCulO 或 Mo70Cu。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是所述的無氧銅箔片的厚度為0.2mm?0.8mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是所述的可伐封接環(huán)尺寸為 0.1mmX21.5mmX8.5mm,可伐引線尺寸為 0.lmmX5.1mmX 12.7mm,鶴銅 WCul5片尺寸為1.52mmX 34.0mmX9.8mm,無氧銅猜片尺寸為0.5mmX 34.0mmX9.8mm厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波大功率管外殼的制造方法，其特征是所述的微波大功率管外殼半成品(B)，其結(jié)構(gòu)包括可伐封接環(huán)；可伐引線；氧化鋁陶瓷框；鎢銅WCul5 ;無氧銅箔片，其中氧化鋁陶瓷框之上所焊接的是可伐封接環(huán)，在可伐封接環(huán)之上焊接一個金屬或陶瓷的蓋板，氧化鋁陶瓷框與其下面所焊接的金屬熱沉構(gòu)成上開口的腔體結(jié)構(gòu)，該腔體結(jié)構(gòu)用于容納GaN或Si微波大功率器件的芯片和內(nèi)部匹配電路；所述的金屬熱沉具體為一個芯層為鎢銅WCul5，上下表層為無氧銅箔片的三明治結(jié)構(gòu)，可伐引線則是器件中起電連接作用的輸入輸出接口。
【文檔編號】H01L21/48GK103441077SQ201310295473
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】楊建 , 胡進, 陳宇寧, 程凱, 王子良 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所