CN110767609A - 一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺 - Google Patents

一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子元器件技术领域，且公开了一种蓝宝石绝缘子金属外壳，包括框体和盖板，所述框体的底部固定安装有底板，所述底板的顶部固定安装有位于框体内部的载体，所述框体的顶部固定安装有环框，所述框体的右侧固定安装有连接环，所述连接环的内部固定安装有引线。该蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，通过对现有技术中半导体集成电路封装外壳的材质，结构与连接工艺等，达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的，解决了目前半导体集成电路封装外壳在使用时，封装外壳结构之间的连接性能一般，源于封焊工艺不够完善，选取的绝缘介质不能够承受超高耐电压，降低使用性能的问题。

Description

一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺
技术领域
本发明涉及电子元器件技术领域，具体为一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺。
背景技术
随着电子元器件薄型化，小型化的不断推进，半导体集成电路要求封装具有更优电性能，更高功率密度，更高可靠性，更轻的重量，这对作为封装重要元器件的外壳提出了挑战，因此钨铜/钼铜等高导热材料在封装领域运用越来越广泛，陶瓷/蓝宝石等材料逐步替代玻璃，塑料成为一种趋势。
目前半导体集成电路封装外壳在使用时，封装外壳结构之间的连接性能一般，源于封焊工艺不够完善，选取的绝缘介质不能够承受超高耐电压，降低使用性能，存在较大的改进空间，故而提出一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺解决上述所提出的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，具备提高半导体集成电路封装外壳的使用性能等优点，解决了目前半导体集成电路封装外壳在使用时，封装外壳结构之间的连接性能一般，源于封焊工艺不够完善，选取的绝缘介质不能够承受超高耐电压，降低使用性能的问题。
(二)技术方案
为实现上述提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的，本发明提供如下技术方案：一种蓝宝石绝缘子金属外壳，包括框体和盖板，所述框体的底部固定安装有底板，所述底板的顶部固定安装有位于框体内部的载体，所述框体的顶部固定安装有环框，所述框体的右侧固定安装有连接环，所述连接环的内部固定安装有引线。
优选的，所述框体为氧化锆陶瓷，且底板的内部开设有位于框体左侧的圆槽。
优选的，所述底板为钨铜，底板的顶部开设有凹槽，且载体的底部位于凹槽内，载体为钼铜。
优选的，所述盖板的面积大于环框的面积，且盖板为膨胀合金。
优选的，所述环框为4J50合金，引线为4J50(Cu)，连接环为蓝宝石，连接环的数量为三个，且引线的数量与连接环的数量相同。
一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)选材；框体选用氧化锆陶瓷，Al2O3添加剂质量分数10％的氧化锆陶瓷，底板选用需要根据适用的需求，底板选用膨胀系数为5.5-8.8(10-6/K)，盖板选用4J42，环框为4J50合金，载体选用热膨胀系数为6.8-11.5(10-6/K)，热导率从160-270W/(M.K)的钼铜，引线为4J50包铜，连接环为蓝宝石。
2)连接环的焊接可分为两种方法，方法一为钎焊；方法二为扩散焊接以及陶瓷与金属封接技术。
3)检验；材料绝缘性能检验、耐电压性能检验、产品强度检验和外观密封检验。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，具备以下有益效果：
1、该蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，通过框体由氧化锆陶瓷金属化后与底板和环框钎焊成型，其中腔内底板通过载体与内部电路进行焊接连接，实现电路底部散热，氧化锆陶瓷侧墙再通过金属化后的连接环与引线钎焊连接，实现内外电信号导通和引线-外壳以及引线-引线之间的电绝缘，最后再封盖盖板，形成密闭的腔体，对内部电路起到保护以及支撑作用，连接环为蓝宝石俗称刚玉，主要成分是Al2O3，是一种常见的简单配位型氧化物晶体，自然界中的蓝宝石由于含有一些杂质离子而呈现出不同的颜色，比如含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)的蓝宝石会呈现蓝色，含有铬离子(Cr3+)时会呈现出红色，而当含有镍离子(Ni3+)时，又会使晶体呈现黄色，单纯的氧化铝晶体是呈无色透明的，因为其具有独特的晶体结构、优异的机械性能、光学性能和化学稳定性，可应用于2000℃的高温环境下，所以被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料和半导体，大规模集成电路的衬底材料，通过比较不同掺杂蓝宝石的电性能以及力学性能，最终确定最优蓝宝石材料用于封接，蓝宝石(α-Al2O3单晶)强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、耐摩性好和电阻率高，且具有良好的热传导性和电气绝缘性，以及良好的透光性等，框体为氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯曲强度和高耐磨性，优异的隔热性能和耐高温性能，热热膨胀系数接近于钢等特点，而纳米氧化锆陶瓷可极大地提高断裂韧性和抗弯强度，在电子陶瓷中多作为支承垫板等，Al2O3添加剂的含量对氧化锆陶瓷的热震性有较大的影响，添加质量分数10％的Al2O3时，其抗热震性最好，底板为钨铜作为电子封装和热沉材料，既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，适用于大功率器件封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等，在选择时需要根据适用的需求，选择不同的牌号，随着铜含量的增加，其热导率将大幅提高，膨胀系数也会从5.5上升8.8(10-6/K)，载体为钼铜是替代铜和钨铜的材料，其组织细密、断弧性好和导电导热好，热膨胀小，随着铜含量的增加，比重会减小，而热导率和热膨胀会增加，耐热性不及钨铜，含铜量低的钼铜，若熔渗后的致密度偏低，则会影响气密性、导电性和导热性，适用于制造军用大功率微电子器件作为热沉封结材料与三氧化二铝陶瓷封结，其热膨胀从6.8到11.5(10-6/K)，热导率从160到270W/(M.K)，环框为4J50合金具有良好的焊接性能，可钎焊和点焊，是常见的定膨胀系数合金，与氧化锆陶瓷膨胀系数接近，可实现可靠钎焊，同时作为平行封焊的过渡金属，可以实现陶瓷与盖板金属之间的无法导通的问题，引线为4J50包铜材质是在4J50基础上加入无氧铜芯，由于铜具有良好的导电性，可以有效降低电阻，减少损耗，是较好的引线材料选择，盖板为4J42是金属外壳常用的定膨胀薄板材料，与4J50具有相近的膨胀系数，适合常见的平行封焊工艺，合理的选取材质，不仅能够提升其使用性能，同时可有效的提高接连结构之间的稳定性，从而达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的。
2、该蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，通过焊接包括钎焊和扩散焊接，钎焊焊接的关键是改善其与钎料的润湿性，普遍采用的方法是金属化，即在表面涂一层具有导电率高和结合牢固的金属薄膜如镍等，从而实现与钎料的润湿，主要有化学镀法、电镀法、高温烧结法、活性金属粉末法和气相沉积法等，然而，与95％A1203瓷和99.5％Al2O3瓷相比，蓝宝石不含玻璃相和气相，不存在晶界，在金属化时，玻璃相无法进行有效的迁移，从而金属化要困难得多，传统的理论无法有效解释金属化的机理，蓝宝石的扩散焊不需要使用焊料、电极、助焊剂和保护气体，也不需要后续的机械加工，采用中间层的扩散焊具有降低连续区域的化学不均性，缓解残余应力，消除焊接材料线膨胀的差异，防止塑性变形，降低焊接温度、压力和持续时间，扩散焊，分不添加中间层和添加中间层两种方法，前者的优点在于不存在中间层与母材热膨胀系数相差过大而在冷却过程中产生大的残余应力的问题，且焊接强度高，此还有较多的技术需要研究，添加中间层可以提供瞬时液相或者部分瞬时液相从而促进初始物质的润湿和扩散，可以降低温度压力和连接时间，防止塑性变形，缓解残余应力，降低结合层的不均匀性，传统的中间层***存在因其中间层形成的连接相通常不能承受高温，限制了其使用，近年来研究包含几种氧化物陶瓷的中间层***，提高耐温度性能，陶瓷-金属封接技术中，陶瓷金属化是关键，金属化层实质是Mo颗粒和玻璃相的复合物，烧结Mo和玻璃相是相互渗透、交错和包裹而成网络结构，陶瓷金属化的方法包括，采用活化Mo－Mn法对蓝宝石进行金属化，对蓝宝石金属化层进行显微分析，在探究蓝宝石的活化Mo－Mn金属化机理上继续优化工艺方法，金属化机理是玻璃相迁移，高温时，首先是金属化层中活化剂玻璃相向陶瓷中烧结助剂玻璃相中迁移，经过前者对后者的“活化”，从而使后者向金属化层中反迁移，玻璃相的来源应包括陶瓷中玻璃相和金属化层中玻璃相两方面，两者都重要并且是相辅相成，氧化物焊料法的机理：高温液相一面浸润陶瓷表面，一面浸润微氧化了的金属表面，形成陶瓷与金属的粘接，活性金属法：陶瓷-金属封接在一次升温过程中完成，有些小型管则连同阴极分解、排气和封管一次完成，受陶瓷成分及性能的影响很小，不同种类和不同来源陶瓷可同一工艺进行封接，但不适用于连续生产，适合大件、单件或小批生产，条件一是有活性金属(如钛)，二是具备与活性金属形成低熔合金或能溶解活性金属的焊料(如银铜低共熔合金)，三是存在惰性气氛或真空(5×10-3Pa)，氧化物焊料法：氧化物焊料(如高氧化铝瓷，透明氧化铝瓷等)在焊接温度下(1500度以上)熔成粘稠液体(玻璃)，与金属及陶瓷表面起作用生成粘结层，冷却后绝大部分又析出来形成各种微晶(封接强度很高)，变成牢固的中间层，固相工艺：是将陶瓷和金属表面磨平，以固态形式夹于一起，在一定外加条件(如高压和高温或静电引力)下，使两平面紧密接触，不出现液相而达到气密封接，包括压力封接、固态扩散封接和静电封接等，压力扩散封接：介质和金属的抛光面装于一起，在干氢或真空中升温，如为玻璃，升温只能到玻璃软化点下200度，如介质熔点高于金属，则温度升高到金属熔点的0.9倍，从而使蓝宝石绝缘子金属外壳结构之间的连接工艺进行提升，确保其连接结构之间的稳定性，达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的。
附图说明
图1为本发明提出的蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺结构示意图；
图2为本发明提出的蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺结构俯视图；
图3为本发明提出的蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺连接环结构示意图。
图中：1框体、2底板、3盖板、4环框、5载体、6引线、7连接环。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种蓝宝石绝缘子金属外壳，包括框体1和盖板3，所述框体1的底部固定安装有底板2，所述框体1为氧化锆陶瓷，且底板2的内部开设有位于框体1左侧的圆槽，所述底板2的顶部固定安装有位于框体1内部的载体5，所述底板2为钨铜，底板2的顶部开设有凹槽，且载体5的底部位于凹槽内，载体5为钼铜，所述框体1的顶部固定安装有环框4，所述盖板3的面积大于环框4的面积，且盖板3为膨胀合金，所述框体1的右侧固定安装有连接环7，所述环框4为4J50合金，引线6为4J50(Cu)，连接环7为蓝宝石，连接环7的数量为三个，且引线6的数量与连接环7的数量相同，所述连接环7的内部固定安装有引线6。
一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)选材；框体1选用氧化锆陶瓷，Al2O3添加剂质量分数10％的氧化锆陶瓷，底板2选用需要根据适用的需求，底板2选用膨胀系数为5.5-8.8(10-6/K)，盖板3选用4J42，环框4为4J50合金，载体5选用热膨胀系数为6.8-11.5(10-6/K)，热导率从160-270W/(M.K)的钼铜，引线6为4J50包铜，连接环7为蓝宝石。
2)连接环7的焊接可分为两种方法，方法一为钎焊；方法二为扩散焊接以及陶瓷与金属封接技术。
3)检验；材料绝缘性能检验、耐电压性能检验、产品强度检验和外观密封检验。
该蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，通过框体1由氧化锆陶瓷金属化后与底板2和环框4钎焊成型，其中腔内底板2通过载体5与内部电路进行焊接连接，实现电路底部散热，氧化锆陶瓷侧墙再通过金属化后的连接环7与引线6钎焊连接，实现内外电信号导通和引线6-外壳以及引线6-引线6之间的电绝缘，最后再封盖盖板3，形成密闭的腔体，对内部电路起到保护以及支撑作用，连接环7为蓝宝石俗称刚玉，主要成分是Al2O3，是一种常见的简单配位型氧化物晶体，自然界中的蓝宝石由于含有一些杂质离子而呈现出不同的颜色，比如含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)的蓝宝石会呈现蓝色，含有铬离子(Cr3+)时会呈现出红色，而当含有镍离子(Ni3+)时，又会使晶体呈现黄色，单纯的氧化铝晶体是呈无色透明的，因为其具有独特的晶体结构、优异的机械性能、光学性能和化学稳定性，可应用于2000℃的高温环境下，所以被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料和半导体，大规模集成电路的衬底材料，通过比较不同掺杂蓝宝石的电性能以及力学性能，最终确定最优蓝宝石材料用于封接，蓝宝石(α-Al2O3单晶)强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、耐摩性好和电阻率高，且具有良好的热传导性和电气绝缘性，以及良好的透光性等，框体1为氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯曲强度和高耐磨性，优异的隔热性能和耐高温性能，热热膨胀系数接近于钢等特点，而纳米氧化锆陶瓷可极大地提高断裂韧性和抗弯强度，在电子陶瓷中多作为支承垫板等，Al2O3添加剂的含量对氧化锆陶瓷的热震性有较大的影响，添加质量分数10％的Al2O3时，其抗热震性最好，底板2为钨铜作为电子封装和热沉材料，既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，适用于大功率器件封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等，在选择时需要根据适用的需求，选择不同的牌号，随着铜含量的增加，其热导率将大幅提高，膨胀系数也会从5.5上升8.8(10-6/K)，载体5为钼铜是替代铜和钨铜的材料，其组织细密、断弧性好和导电导热好，热膨胀小，随着铜含量的增加，比重会减小，而热导率和热膨胀会增加，耐热性不及钨铜，含铜量低的钼铜，若熔渗后的致密度偏低，则会影响气密性、导电性和导热性，适用于制造军用大功率微电子器件作为热沉封结材料与三氧化二铝陶瓷封结，其热膨胀从6.8到11.5(10-6/K)，热导率从160到270W/(M.K)，环框4为4J50合金具有良好的焊接性能，可钎焊和点焊，是常见的定膨胀系数合金，与氧化锆陶瓷膨胀系数接近，可实现可靠钎焊，同时作为平行封焊的过渡金属，可以实现陶瓷与盖板3金属之间的无法导通的问题，引线6为4J50包铜材质是在4J50基础上加入无氧铜芯，由于铜具有良好的导电性，可以有效降低电阻，减少损耗，是较好的引线6材料选择，盖板3为4J42是金属外壳常用的定膨胀薄板材料，与4J50具有相近的膨胀系数，适合常见的平行封焊工艺，合理的选取材质，不仅能够提升其使用性能，同时可有效的提高接连结构之间的稳定性，从而达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的，通过焊接包括钎焊和扩散焊接，钎焊焊接的关键是改善其与钎料的润湿性，普遍采用的方法是金属化，即在表面涂一层具有导电率高和结合牢固的金属薄膜如镍等，从而实现与钎料的润湿，主要有化学镀法、电镀法、高温烧结法、活性金属粉末法和气相沉积法等，然而，与95％A1203瓷和99.5％Al2O3瓷相比，蓝宝石不含玻璃相和气相，不存在晶界，在金属化时，玻璃相无法进行有效的迁移，从而金属化要困难得多，传统的理论无法有效解释金属化的机理，蓝宝石的扩散焊不需要使用焊料、电极、助焊剂和保护气体，也不需要后续的机械加工，采用中间层的扩散焊具有降低连续区域的化学不均性，缓解残余应力，消除焊接材料线膨胀的差异，防止塑性变形，降低焊接温度、压力和持续时间，扩散焊，分不添加中间层和添加中间层两种方法，前者的优点在于不存在中间层与母材热膨胀系数相差过大而在冷却过程中产生大的残余应力的问题，且焊接强度高，此还有较多的技术需要研究，添加中间层可以提供瞬时液相或者部分瞬时液相从而促进初始物质的润湿和扩散，可以降低温度压力和连接时间，防止塑性变形，缓解残余应力，降低结合层的不均匀性，传统的中间层***存在因其中间层形成的连接相通常不能承受高温，限制了其使用，近年来研究包含几种氧化物陶瓷的中间层***，提高耐温度性能，陶瓷-金属封接技术中，陶瓷金属化是关键，金属化层实质是Mo颗粒和玻璃相的复合物，烧结Mo和玻璃相是相互渗透、交错和包裹而成网络结构，陶瓷金属化的方法包括，采用活化Mo－Mn法对蓝宝石进行金属化，对蓝宝石金属化层进行显微分析，在探究蓝宝石的活化Mo－Mn金属化机理上继续优化工艺方法，金属化机理是玻璃相迁移，高温时，首先是金属化层中活化剂玻璃相向陶瓷中烧结助剂玻璃相中迁移，经过前者对后者的“活化”，从而使后者向金属化层中反迁移，玻璃相的来源应包括陶瓷中玻璃相和金属化层中玻璃相两方面，两者都重要并且是相辅相成，氧化物焊料法的机理：高温液相一面浸润陶瓷表面，一面浸润微氧化了的金属表面，形成陶瓷与金属的粘接，活性金属法：陶瓷-金属封接在一次升温过程中完成，有些小型管则连同阴极分解、排气和封管一次完成，受陶瓷成分及性能的影响很小，不同种类和不同来源陶瓷可同一工艺进行封接，但不适用于连续生产，适合大件、单件或小批生产，条件一是有活性金属(如钛)，二是具备与活性金属形成低熔合金或能溶解活性金属的焊料(如银铜低共熔合金)，三是存在惰性气氛或真空(5×10-3Pa)，氧化物焊料法：氧化物焊料(如高氧化铝瓷，透明氧化铝瓷等)在焊接温度下(1500度以上)熔成粘稠液体(玻璃)，与金属及陶瓷表面起作用生成粘结层，冷却后绝大部分又析出来形成各种微晶(封接强度很高)，变成牢固的中间层，固相工艺：是将陶瓷和金属表面磨平，以固态形式夹于一起，在一定外加条件(如高压和高温或静电引力)下，使两平面紧密接触，不出现液相而达到气密封接，包括压力封接、固态扩散封接和静电封接等，压力扩散封接：介质和金属的抛光面装于一起，在干氢或真空中升温，如为玻璃，升温只能到玻璃软化点下200度，如介质熔点高于金属，则温度升高到金属熔点的0.9倍，从而使蓝宝石绝缘子金属外壳结构之间的连接工艺进行提升，确保其连接结构之间的稳定性，达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的。
耐高电压能力设计
材料绝缘性能：
Figure BDA0002261011240000101
蓝宝石电阻率约为ρ＝1014Ω×cm，绝缘电阻验算经验公式如下：
R—蓝宝石绝缘子连接的两端零件间绝缘电阻(Ω)；
ρ—蓝宝石绝缘子材料的电阻率(Ω·cm)；
h—蓝宝石绝缘子的高度(cm)；
r1、r2—蓝宝石绝缘子的内径、最小外径(cm)；
由此产品由设计图纸可以得出：
h＝2mm＝0.2cm；
r1＝0.76/2mm＝0.38mm＝0.038cm；
r2＝2/2mm＝1mm＝0.1cm；
代入公式计算可得R≈0.34x1014Ω＝3.4×1013Ω>>1×1010Ω。
根据以上计算可得，本产品设计绝缘电阻可靠性满足要求。
B、耐电压性能：
Figure BDA0002261011240000102
根据耐电压可靠性计算：
V—玻璃绝缘子连接的两端金属零件间击穿电压(kV)；
ρ—玻璃绝缘子材料的电阻率(Ω·cm)；
h—玻璃绝缘子的高度(cm)；
r1、r2—玻璃绝缘子的内径、最小外径(cm)；
I—玻璃绝缘子漏电流(mA)；
ω—交流频率(Hz)；
ε—玻璃绝缘子介电系数；
其中ρ＝1014Ω×cm、h＝2.0mm、r1＝0.38mm、r2＝1mm，I＝50nA(GJB规定)，ε＝(11.5)；
代入公式计算可得V＝1.67×106V＝1670KV>>8000V，考虑地表附近空气电阻率ρ＝3×1011Ω×cm，同等爬电距离，蓝宝石电阻率远高于空气电阻率，因此高压条件下，空气优先击穿，将空气数据带入公式计算V＝0.56×104V＝5600V<8000V，因此当前结构不能满足耐电压要求，需要改进结构，通过增加凹凸增加爬电距离，提高耐电压
通过改进后，爬电距离增加1倍，计算可得耐电压V＝1.12×104V＝11200V>8000V，满足设计要求。
引线6电阻设计
复合引线6轴向电阻率如下：式中，ρc，ρs分别表示内心和外皮材料的电阻率，θ＝(d/D)2，d和D分别表示内芯和整个复合引线6的直径。对直流而言，低阻内芯所占的面积越高，复合引线6的总电阻率将降低。因此在引线6长度一定的条件下，增大低阻内芯无氧铜的面积，可以有效降低电阻率。
本项目引线6取直径0.76mm，长16mm，可伐4J50电阻率0.44×10-6Ω*mm2/m，无氧铜0.017×10-6Ω*mm2/m，根据电阻计算公式：
R＝ρL/Wt
其中ρ为材料电阻率，L为材料长度，W为材料宽度，t为材料厚度
计算可得常温4J50引线6电阻R＝15.5×10-6mΩ<4mΩ，满足设计要求，因为无氧铜电阻率远小于4J50，因此符合引线6的电阻更优于4J50，获得更加优良的导电效果。
直流耐压：8000Vdc
漏气速率：＜1×10-9Pa.m3/s
镀层厚度：镀镍层＞2.0μm，镀金层＞1.3μm
绝缘电阻：＞1×1010Ω
热冲击：-65℃～+150℃，15次
温度循环：-65℃～+175℃，循环100次
-65℃～+300℃，循环10次
耐湿：264h，循环10次
引线6电阻：＜4mΩ
机械冲击：1500g
恒定加速度：20000g
工作温度贮存温度：250℃。
在使用时，通过框体1由氧化锆陶瓷金属化后与底板2和环框4钎焊成型，其中腔内底板2通过载体5与内部电路进行焊接连接，实现电路底部散热，氧化锆陶瓷侧墙再通过金属化后的连接环7与引线6钎焊连接，实现内外电信号导通和引线6-外壳以及引线6-引线6之间的电绝缘，最后再封盖盖板3，形成密闭的腔体。
综上所述，该蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，通过框体1由氧化锆陶瓷金属化后与底板2和环框4钎焊成型，其中腔内底板2通过载体5与内部电路进行焊接连接，实现电路底部散热，氧化锆陶瓷侧墙再通过金属化后的连接环7与引线6钎焊连接，实现内外电信号导通和引线6-外壳以及引线6-引线6之间的电绝缘，最后再封盖盖板3，形成密闭的腔体，对内部电路起到保护以及支撑作用，连接环7为蓝宝石俗称刚玉，主要成分是Al2O3，是一种常见的简单配位型氧化物晶体，自然界中的蓝宝石由于含有一些杂质离子而呈现出不同的颜色，比如含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)的蓝宝石会呈现蓝色，含有铬离子(Cr3+)时会呈现出红色，而当含有镍离子(Ni3+)时，又会使晶体呈现黄色，单纯的氧化铝晶体是呈无色透明的，因为其具有独特的晶体结构、优异的机械性能、光学性能和化学稳定性，可应用于2000℃的高温环境下，所以被广泛应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料和半导体，大规模集成电路的衬底材料，通过比较不同掺杂蓝宝石的电性能以及力学性能，最终确定最优蓝宝石材料用于封接，蓝宝石(α-Al2O3单晶)强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀、耐摩性好和电阻率高，且具有良好的热传导性和电气绝缘性，以及良好的透光性等，框体1为氧化锆陶瓷具有高韧性、高抗弯曲强度和高耐磨性，优异的隔热性能和耐高温性能，热热膨胀系数接近于钢等特点，而纳米氧化锆陶瓷可极大地提高断裂韧性和抗弯强度，在电子陶瓷中多作为支承垫板等，Al2O3添加剂的含量对氧化锆陶瓷的热震性有较大的影响，添加质量分数10％的Al2O3时，其抗热震性最好，底板2为钨铜作为电子封装和热沉材料，既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，适用于大功率器件封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等，在选择时需要根据适用的需求，选择不同的牌号，随着铜含量的增加，其热导率将大幅提高，膨胀系数也会从5.5上升8.8(10-6/K)，载体5为钼铜是替代铜和钨铜的材料，其组织细密、断弧性好和导电导热好，热膨胀小，随着铜含量的增加，比重会减小，而热导率和热膨胀会增加，耐热性不及钨铜，含铜量低的钼铜，若熔渗后的致密度偏低，则会影响气密性、导电性和导热性，适用于制造军用大功率微电子器件作为热沉封结材料与三氧化二铝陶瓷封结，其热膨胀从6.8到11.5(10-6/K)，热导率从160到270W/(M.K)，环框4为4J50合金具有良好的焊接性能，可钎焊和点焊，是常见的定膨胀系数合金，与氧化锆陶瓷膨胀系数接近，可实现可靠钎焊，同时作为平行封焊的过渡金属，可以实现陶瓷与盖板3金属之间的无法导通的问题，引线6为4J50包铜材质是在4J50基础上加入无氧铜芯，由于铜具有良好的导电性，可以有效降低电阻，减少损耗，是较好的引线6材料选择，盖板3为4J42是金属外壳常用的定膨胀薄板材料，与4J50具有相近的膨胀系数，适合常见的平行封焊工艺，合理的选取材质，不仅能够提升其使用性能，同时可有效的提高接连结构之间的稳定性，从而达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的。
并且，通过焊接包括钎焊和扩散焊接，钎焊焊接的关键是改善其与钎料的润湿性，普遍采用的方法是金属化，即在表面涂一层具有导电率高和结合牢固的金属薄膜如镍等，从而实现与钎料的润湿，主要有化学镀法、电镀法、高温烧结法、活性金属粉末法和气相沉积法等，然而，与95％A1203瓷和99.5％Al2O3瓷相比，蓝宝石不含玻璃相和气相，不存在晶界，在金属化时，玻璃相无法进行有效的迁移，从而金属化要困难得多，传统的理论无法有效解释金属化的机理，蓝宝石的扩散焊不需要使用焊料、电极、助焊剂和保护气体，也不需要后续的机械加工，采用中间层的扩散焊具有降低连续区域的化学不均性，缓解残余应力，消除焊接材料线膨胀的差异，防止塑性变形，降低焊接温度、压力和持续时间，扩散焊，分不添加中间层和添加中间层两种方法，前者的优点在于不存在中间层与母材热膨胀系数相差过大而在冷却过程中产生大的残余应力的问题，且焊接强度高，此还有较多的技术需要研究，添加中间层可以提供瞬时液相或者部分瞬时液相从而促进初始物质的润湿和扩散，可以降低温度压力和连接时间，防止塑性变形，缓解残余应力，降低结合层的不均匀性，传统的中间层***存在因其中间层形成的连接相通常不能承受高温，限制了其使用，近年来研究包含几种氧化物陶瓷的中间层***，提高耐温度性能，陶瓷-金属封接技术中，陶瓷金属化是关键，金属化层实质是Mo颗粒和玻璃相的复合物，烧结Mo和玻璃相是相互渗透、交错和包裹而成网络结构，陶瓷金属化的方法包括，采用活化Mo－Mn法对蓝宝石进行金属化，对蓝宝石金属化层进行显微分析，在探究蓝宝石的活化Mo－Mn金属化机理上继续优化工艺方法，金属化机理是玻璃相迁移，高温时，首先是金属化层中活化剂玻璃相向陶瓷中烧结助剂玻璃相中迁移，经过前者对后者的“活化”，从而使后者向金属化层中反迁移，玻璃相的来源应包括陶瓷中玻璃相和金属化层中玻璃相两方面，两者都重要并且是相辅相成，氧化物焊料法的机理：高温液相一面浸润陶瓷表面，一面浸润微氧化了的金属表面，形成陶瓷与金属的粘接，活性金属法：陶瓷-金属封接在一次升温过程中完成，有些小型管则连同阴极分解、排气和封管一次完成，受陶瓷成分及性能的影响很小，不同种类和不同来源陶瓷可同一工艺进行封接，但不适用于连续生产，适合大件、单件或小批生产，条件一是有活性金属(如钛)，二是具备与活性金属形成低熔合金或能溶解活性金属的焊料(如银铜低共熔合金)，三是存在惰性气氛或真空(5×10-3Pa)，氧化物焊料法：氧化物焊料(如高氧化铝瓷，透明氧化铝瓷等)在焊接温度下(1500度以上)熔成粘稠液体(玻璃)，与金属及陶瓷表面起作用生成粘结层，冷却后绝大部分又析出来形成各种微晶(封接强度很高)，变成牢固的中间层，固相工艺：是将陶瓷和金属表面磨平，以固态形式夹于一起，在一定外加条件(如高压和高温或静电引力)下，使两平面紧密接触，不出现液相而达到气密封接，包括压力封接、固态扩散封接和静电封接等，压力扩散封接：介质和金属的抛光面装于一起，在干氢或真空中升温，如为玻璃，升温只能到玻璃软化点下200度，如介质熔点高于金属，则温度升高到金属熔点的0.9倍，从而使蓝宝石绝缘子金属外壳结构之间的连接工艺进行提升，确保其连接结构之间的稳定性，达到了提高半导体集成电路封装外壳的使用性能的目的，解决了目前半导体集成电路封装外壳在使用时，封装外壳结构之间的连接性能一般，源于封焊工艺不够完善，选取的绝缘介质不能够承受超高耐电压，降低使用性能的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种蓝宝石绝缘子金属外壳，包括框体(1)和盖板(3)，其特征在于：所述框体(1)的底部固定安装有底板(2)，所述底板(2)的顶部固定安装有位于框体(1)内部的载体(5)，所述框体(1)的顶部固定安装有环框(4)，所述框体(1)的右侧固定安装有连接环(7)，所述连接环(7)的内部固定安装有引线(6)。
2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石绝缘子金属外壳，其特征在于：所述框体(1)为氧化锆陶瓷，且底板(2)的内部开设有位于框体(1)左侧的圆槽。
3.根据权利要求1所述的一种蓝宝石绝缘子金属外壳，其特征在于：所述底板(2)为钨铜，底板(2)的顶部开设有凹槽，且载体(5)的底部位于凹槽内，载体(5)为钼铜。
4.根据权利要求1所述的一种蓝宝石绝缘子金属外壳，其特征在于：所述盖板(3)的面积大于环框(4)的面积，且盖板(3)为膨胀合金。
5.根据权利要求1所述的一种蓝宝石绝缘子金属外壳，其特征在于：所述环框(4)为4J50合金，引线(6)为4J50(Cu)，连接环(7)为蓝宝石，连接环(7)的数量为三个，且引线(6)的数量与连接环(7)的数量相同。
6.一种蓝宝石绝缘子金属外壳及其生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)选材；框体(1)选用氧化锆陶瓷，Al 2O3添加剂质量分数10％的氧化锆陶瓷，底板(2)选用需要根据适用的需求，底板(2)选用膨胀系数为5.5-8.8(10-6/K)，盖板(3)选用4J42，环框(4)为4J50合金，载体(5)选用热膨胀系数为6.8-11.5(10-6/K)，热导率从160-270W/(M.K)的钼铜，引线(6)为4J50包铜，连接环(7)为蓝宝石。
2)焊接；连接环(7)的焊接可分为两种方法，方法一为钎焊；方法二为扩散焊接以及陶瓷与金属封接技术。
3)检验；材料绝缘性能检验、耐电压性能检验、产品强度检验和外观密封检验。
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