陶瓷外殼內(nèi)部氣氛和多余物對(duì)產(chǎn)品性能的影響

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外殼內(nèi)部氣氛和多余物對(duì)產(chǎn)品性能的影響

余詠梅

（福建閩航電子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外殼內(nèi)部氣氛、多余物對(duì)器件會(huì)造成致命的影響。陶瓷外殼封裝芯片后，其內(nèi)部殘余氣氛的狀況對(duì)元器件的性能、壽命和可靠性影響很大，很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。陶瓷外殼多余物，即便是非導(dǎo)電多余物，對(duì)元器件也會(huì)造成影響，可導(dǎo)致光電器件信號(hào)傳遞和繼電器觸點(diǎn)的不導(dǎo)通。文章通過分析陶瓷外殼內(nèi)部殘余氣氛對(duì)元器件的影響及影響因素，陶瓷外殼燒結(jié)過程、電鍍過程造成的水汽及解決辦法，陶瓷外殼多余物對(duì)元器件的影響等，指出了解決問題的方向和辦法，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定的意義。

內(nèi)部氣氛；多余物；燒結(jié)露點(diǎn)；真空烘培；生坯制作；粘結(jié)劑

1 引言

我國(guó)陶瓷封裝器件已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了軍工科研成果向民用的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了軍民兩用技術(shù)的發(fā)展。采用高新技術(shù)制造的陶瓷封裝器件可廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船、兵器、電子和特種試驗(yàn)領(lǐng)域。因此，隨著軍用電子元器件向高新尖的方向發(fā)展，對(duì)陶瓷外殼提出了更高的質(zhì)量要求。陶瓷外殼產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)贏得市場(chǎng)的保證，因此，重視質(zhì)量是我們軍工研制單位義不容辭的責(zé)任。解決當(dāng)前困擾陶瓷外殼研制的技術(shù)難題——陶瓷外殼內(nèi)部氣氛的排除和陶瓷外殼腔內(nèi)多余物的控制刻不容緩。

2 陶瓷外殼內(nèi)部殘余氣氛對(duì)元器件的影響

2.1 陶瓷外殼內(nèi)部殘余氣氛對(duì)元器件的影響因素

陶瓷外殼封裝芯片后，其內(nèi)部殘余氣氛的狀況對(duì)元器件的性能、壽命和可靠性影響很大。很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。主要表現(xiàn)在：

（1）加速對(duì)電路的腐蝕作用；

（2）造成內(nèi)部環(huán)境的惡性污染；

（3）形成電路的短路或燒毀；

（4）電路失去應(yīng)有的功能作用；

（5）低溫下的電路轉(zhuǎn)換失效；

（6）影響電路的正常轉(zhuǎn)換等。

2.2 密封的元器件內(nèi)部含有的水汽來源途徑

密封的元器件內(nèi)部含有的水汽主要來源以下幾個(gè)方面：

（1）空氣中的水汽。密封時(shí)環(huán)境含有空氣，或產(chǎn)品本身密封性降低，封裝后空氣進(jìn)入，器件中會(huì)含有氧氣、氬氣、氦氣和氟碳化合物。

（2）封裝后排放的水汽。有些陶瓷和玻璃封裝，使用干燥空氣作封裝氣體，在高溫作用下，產(chǎn)生氧化反應(yīng)，出現(xiàn)大量的水汽和二氧化碳以及各種有機(jī)材料、陶瓷、金屬會(huì)釋放水汽。

（3）保護(hù)氣體中的水汽。這部分水汽含量可能較少。

因此，要消除器件內(nèi)的水汽，我們作為外殼供應(yīng)方，首先要消除外殼內(nèi)部的水汽。

2.3 陶瓷外殼水汽含量的來源因素

陶瓷外殼的水汽含量與外殼金屬化表面的致密度以及電鍍后處理工藝有關(guān)。金屬化層不致密、電鍍過程中水汽滲透、產(chǎn)品脫水烘干不完全，都有可能造成外殼內(nèi)殘留水汽。

2.3.1 外殼金屬化燒結(jié)機(jī)理

外殼金屬化燒結(jié)過程包括有機(jī)溶劑的揮發(fā)、分解、氧化、金屬的氧化還原以及玻璃的擴(kuò)散，此過程必須在適宜溫度下有適量的水汽來完成整個(gè)過程。若高溫前水汽含量不足，則有機(jī)溶劑類物質(zhì)不能充分氧化，以C形式存在于W金屬化層。而W氧化還原，提高了顆粒表明活性，促進(jìn)W顆粒的骨架燒結(jié)，同時(shí)W的氧化促進(jìn)高溫液相潤(rùn)濕作用，促進(jìn)玻璃相向金屬化層擴(kuò)散。

2.3.2 外殼燒結(jié)產(chǎn)生的水汽

陶瓷外殼的水汽含量與燒結(jié)的露點(diǎn)有一定的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)表明：金屬化結(jié)合不好，可為水分滲透提供條件。

我們采用6種濕氫露點(diǎn)試驗(yàn)，不同的濕氫露點(diǎn)對(duì)金屬化燒結(jié)質(zhì)量影響是不同的，試驗(yàn)情況詳見表1。

表1 濕氫露點(diǎn)與金屬化燒結(jié)質(zhì)量情況表

表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，起皮現(xiàn)象是陶瓷外殼生產(chǎn)中的廢品，氧化產(chǎn)品可返修，但通過二次燒結(jié)返修（溫度1 400℃左右）后，產(chǎn)品金屬化層的致密度不如一次燒成的效果好，為水分滲透提供條件。同時(shí)陶瓷體經(jīng)二次燒結(jié)，其晶粒長(zhǎng)大，降低了瓷體的機(jī)械強(qiáng)度。因此建議燒結(jié)工藝采用的濕氫露點(diǎn)控制在24℃±1℃，有利于提高金屬化層一次燒成的致密性。

2.3.3 產(chǎn)品電鍍后產(chǎn)生的水汽

外殼電鍍后，產(chǎn)品表面、金屬化層、鍍層內(nèi)、陶瓷金屬本身都會(huì)有不同程度的水汽滯留。工藝上，雖采用酒精脫水烘干（180℃/15min）的措施，但只能烘干表面機(jī)械附著的水份，難以除去深層次的水份。

針對(duì)上述造成產(chǎn)品水汽的原因，我們通過反復(fù)試驗(yàn)，采用真空烘培的方法，能較好地解決上述問題。

我們將外殼擺放于平整瓷片上，放入真空干燥箱進(jìn)行烘焙。一般情況下，水汽在125℃就能排出，其他氣氛則需要在200℃以上才有可能排除干凈。

通過工藝試驗(yàn)，我們采用的工藝參數(shù)是：溫度200℃～240℃、時(shí)間24h～48h、真空度≤-0.08MPa。在此長(zhǎng)時(shí)間的真空烘培下，外殼鍍層及金屬層內(nèi)、陶瓷金屬本身殘留水分會(huì)因加熱加速鍍層濃度氣氛和箱內(nèi)真空濃度氣氛的擴(kuò)散，從而降低外殼的水汽含量。

3 陶瓷外殼多余物對(duì)元器件的影響

陶瓷外殼在生坯制作過程中，由于工藝不良，造成瓷粉顆粒、粘結(jié)劑粘附腔內(nèi)，粒子碰撞噪聲檢測(cè)不合格。主要表現(xiàn)為沖腔模鈍化、沖切面粗糙、粘結(jié)劑過量、生瓷配方不良等。

陶瓷外殼多余物，即便是非導(dǎo)電多余物，對(duì)元器件也會(huì)造成影響。特別是對(duì)光電器件和繼電器會(huì)造成致命的危害，可導(dǎo)致光電器件信號(hào)傳遞和繼電器觸點(diǎn)的不導(dǎo)通。因此，必須嚴(yán)格控制不良現(xiàn)象發(fā)生。

從圖1可以看出，生瓷沖制過程中，有可能在沖切面產(chǎn)生多余物，若清理不干凈，會(huì)給下道工序埋下隱患。圖2顯示的是生片沖制多余物未清理干凈，將會(huì)對(duì)后道疊片層壓工序產(chǎn)生的影響。圖3顯示的是生坯多余物處理不干凈，導(dǎo)致產(chǎn)品燒成后，腔體內(nèi)殘留瓷顆粒去除較困難，對(duì)器件的危害極大。圖4為工藝正常情況下生產(chǎn)的半成品圖。圖5為合格的成品圖。

圖1 生坯沖制后產(chǎn)生的多余物

圖2 單片多余物未清除，層壓后實(shí)物照

圖3 生坯多余物未處理好，成瓷后實(shí)物照

圖4 不帶多余物半成品實(shí)物照

圖5 不帶多余物成品實(shí)物照

因此，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中要設(shè)計(jì)對(duì)多余物的預(yù)防，加強(qiáng)生坯、生瓷腔體清理工藝，提高模具制作的精度和光潔度，掌握粘結(jié)劑的合理用量。同時(shí)，對(duì)生坯的配制工藝適當(dāng)改良，提高其柔韌性，降低生坯多余物的產(chǎn)生。

而對(duì)于元器件，則通過粒子噪聲檢測(cè)儀、X射線檢查、掃描電鏡-能譜分析儀、俄歇電子能譜分析儀、二次離子質(zhì)譜分析儀等常用的儀器設(shè)備及工具進(jìn)行檢測(cè)和篩選，避免失效的發(fā)生。

4 結(jié)論

通過對(duì)陶瓷外殼內(nèi)部氣氛、多余物的簡(jiǎn)單探析，我們知道，外殼內(nèi)部殘留水汽和多余物會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生極大的影響，我們應(yīng)該從外殼制造源頭上把關(guān)。實(shí)踐證明，通過真空烘培工藝和提高模具的精度、有效控制粘結(jié)劑的用量、改善生坯的配制工藝，對(duì)消除陶瓷外殼內(nèi)部氣氛和多余物的去除是可行的。

［1］羅輯，趙和義. 軍用電子元器件質(zhì)量管理與質(zhì)量控制[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

The Internal Atmosphere of Ceramic Shell and Extra Material Impact on Product Performance

YU Yong-mei
（Fujian Minhang Electronics Co.,Ltd.,Nanping353001,China）

Ceramic shell internal atmosphere, extra material impact on the deadly devices. After the ceramic shell chip package, the internal state of the residual atmosphere of the performance of components, a great influence on the life and reliability, it is likely to cause poor performance and early component failure.Ceramic shell extra material, even if the excess non-conductive material, the components will be affected.Signaling can lead to optoelectronic devices and relay contacts not conducting. Based on the ceramic housing components within the residual atmosphere on the impact and inf l uence factors; sintered ceramic shell process, electroplating process caused by water vapor and solutions; ceramic shell extra material on the components to analyze the impact that the resolution of the problem and methods to improve the quality of products have a certain signif i cance.

internal atmosphere; extra material; sintering dew point; vacuum baking; preform production;binder

TN306

A

1681-1070（2012）01-0011-03

2011-10-10

余詠梅（1966—），女，江西人，高級(jí)工程師，從事陶瓷封裝外殼研制工作二十余年。