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陶瓷封装外壳(管壳)烧结工艺过程中夹具问题原因分析

Post date:2022-01-04 11:32:19 Article views:402

 

引言:

 

封装外壳是电子元器件的关键组成部分,对内部芯片起到支撑.保护.密封.散热.绝缘等系列关键功能,随着科技的发展,对元器件的功能要求越来越高,新材料新功能新要求层出不穷,这对封装外壳的性能要求也越来越高,因此封装外壳应用许多贵重材料,成本大幅度提高,如何满足器件功能要求,提高封接良品率,避免影响外壳性能或尺寸等不良产生,对烧结夹具设计和使用提出了更高要求。总结封装外壳烧结(或钎焊)过程中经常遇到的问题和造成不良的原因,归纳以下几个方面进行分析解决。

 

工艺前处理

 

石墨做烧结夹具有优良的性能,但是烧结经过高温容易氧化脱落,俗称掉灰,做玻璃封接外壳时容易脱落粘附在熔封玻璃表面,因为石墨具有导电性,能够造成产品绝缘电阻下降或导通,下一步电镀时能产生玻璃面沉镍或金,产成大量不良品。使用新石墨还容易产生烧结产品玻璃飞溅或金属材料老化发黑,还可能有石墨腐蚀外壳金属材料或者有石墨粘附在与金属壳体的接触面。因此烧结前工艺处理非常关键。

石墨夹具使用前必须做工艺处理,目的主要是去湿和除焦油。可以采用以下几种处理方法:

1).在烧结产品最高温度曲线状态下循环过烧结炉,最少三个循环。然后扁刷清扫干净表面浮灰,再气枪吹扫表面。

2).在烧结产品最高温度曲线状态下循环过烧结炉,最少三个循环。扁刷清扫后浸泡酒精内超声波清洗15min。

3).在通氮气状态下加热到980°C,保温4h,冷却后取出。扁刷清扫干净浮灰,再气枪吹扫表面。

4).在烧结产品最高温度曲线状态下循环过烧结炉两个循环,然后扁刷清扫干净表面浮灰,再气枪吹扫表面。用氮化硼粉均匀散布石墨夹具表面,再用扁刷涂扫干净,再吹扫干净表面,然后在烧结产品最高温度曲线状态下过烧结炉一个循环,再用扁刷清扫干净石墨夹具表面,再用气枪吹扫。

除石墨可做夹具外,金属材料也可以做烧结夹具,本文3.重点介绍金属匹配夹具设计。金属夹具一般加工前要做材料退火热处理,然后机加工成设计夹具,使用前必须清洗除油,过净化炉净化(参考前次文献)后使用。

 

避空与沉孔设计

 

因石墨具有还原性,石墨与金属接触经过高温烧结,会产生一些还原反应,相应的石墨灰会粘附在金属外壳与石墨的接触面,或者组装时产生一些玻璃碎屑脱落在夹具上,所以石墨夹具与金属壳体或引线应该尽可能的设计做避空,避免过多不必要接触,但是接触面因与石墨有还原反应,与避空面会产生色差,合理设计避空,并能够避免明显色差,是设计的关键。

金属夹具也要尽可能的设计做避空,夹具与壳体的膨胀系数接近,设计预留的间隙就可以做小,这样定位精确。但是过小的间隙能造成产品取放困难,所以多做避空,尽量减少夹具与壳体的接触面,产品就很容易取放(例如图1)。

有很多玻璃封装外壳烧结时必须玻璃与石墨接触(例如:多针直插),石墨要托住玻璃珠。封装外壳对玻璃封接的凹陷和凸起都有严格标准限制,因此装配每个玻璃珠的对应夹具位置要适当做一些下沉(玻璃珠高度尺寸实际高于封接孔高度尺寸),这就需要设计夹具有一个相应沉孔,沉孔直径应该与外壳封接孔直径一致。许多设计使用平面沉孔,这样玻璃珠端面与石墨平面接触,玻璃融化时很容易粘附石墨灰而导致后续不良品出现。建议设计V型沉孔,标准采用V90°(例如图4),该设计仅有玻璃珠棱角接触石墨,玻璃珠烧结融化时收缩到封接孔内,能够有效避免表面粘附石墨灰。V型沉孔还能避免玻璃与引线封接部位凸出高点粘夹具的情况。

 

区域设计

 

对于较大外壳只有局部烧结或钎焊的外壳,夹具最好采用局部区域定位设计方案,尽可能的节约夹具成本,局部相对膨胀量小,夹具容易控制定位。例如下图外壳,两端局部定位设计即可。

 

结论:

 

设计封装外壳烧结夹具首先要根据外壳的大小和引线引出方向,选择适当材料加工夹具,夹具使用前处理非常必要,使用后保管与检测同样不能忽视。设计做好避空和沉孔,会规避烧结很多不良问题,减少下一步电镀不良隐患。微小外壳使用常规材料石墨做夹具,使用前处理非常关键。较大外壳设计夹具遵循匹配原则,采用组合夹具或局部区域设计夹具,能够节约成本,降低封接难度。精密的设计,完善的使用前后处理夹具,才能保障完美的烧结出达到用户要求的封装外壳,提高烧结良品率。

 

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