一种大功率固态微波功率器件用贯穿式陶瓷外壳的制作方法

1.本实用新型是一种大功率固态微波功率器件用贯穿式陶瓷外壳，属于封装技术领域。


背景技术：

2.新一代固态微波器件的发展需要有一代的器件封装外壳技术支撑。在12ghz内大功率器件技术领域，封装外壳关键是要突破端口损耗和垂直散热的问题。
3.大功率固态微波器件封装的传输端引线电阻会带来插入损耗和管芯工作电压下降的问题，进而影响器件输出功率。特别是在万瓦级功率固态微波器件中，这样的问题尤其明显。通过计算发现，主流固态微波器件封装陶瓷外壳40mω的传输端口能够满足几十到上百瓦器件输出要求，但是无法满足万瓦级功率固态微波器件的封装要求，严重影响器件的效率。
4.随着固态微波器件输出功率的不断提高，其工作中产生的热量也不断增大，在封装上需要不断提高外壳的散热能力，以达到将器件工作时产生的废热及时传导到系统的散热器上，以免由于热量的聚集而导致器件性能下降乃至失效的现象发生。外壳是连接管芯与散热器的主要载体，是垂直散热通道上的主要热阻来源。


技术实现要素：

5.本实用新型提出的是一种大功率固态微波功率器件用贯穿式陶瓷外壳，其目的在于为了解决现有技术存在的缺陷，针对12ghz内大功率固态微波功率器件的特殊封装要求，提出了一种解决12ghz内功率固态微波器件封装中的端口损耗和垂直散热问题的陶瓷外壳。
6.本实用新型的技术解决方案：一种大功率固态微波功率器件用贯穿式陶瓷外壳，其结构包括金属框架1、金属热沉2、金属引线3和陶瓷绝缘子4；其中，所述金属框架1两侧设有开槽，陶瓷绝缘子4上设有盲腔结构10，所述金属框架1与金属热沉2相连，陶瓷绝缘子4嵌入金属框架1上的开槽内，金属引线3贯穿陶瓷绝缘子4的盲腔结构10并气密连接。
7.所述金属热沉2为金刚石铜嵌套铜基合金结构，所述嵌套形式为“1
”ꢀ
字形、“t
”ꢀ
字形 或“倒t
”ꢀ
字形嵌套结构。
8.所述铜基合金为钼铜合金、钨铜合金或铜-钼铜-钼铜合金。所述陶瓷绝缘子4包含1#封接区5、2#封接区6、键合指7、1#侧壁金属层8、2#侧壁金属层9和盲腔结构10，陶瓷绝缘子4通过1#封接区5、1#侧壁金属层8、2#侧壁金属层9与金属框架1气密焊接，通过2#封接区6与金属热沉2气密焊接。
9.所述键合指7由线宽不同的带状线和微带线组成，微带线线宽w1=1.2mm
±
0.10mm，带状线线宽w2=1.0mm
±
0.10mm。
10.所述1#侧壁金属层8、2#侧壁金属层9宽度≤1.3mm。
11.所述盲腔结构10内壁覆盖金属钨层，截面宽≤0.3mm，长≤1.3mm，
12.所述金属引线3为锆铜合金，宽度≤1.2mm，厚度≤0.3mm。
13.所述1#封接区5、2#封接区6、键合指7、1#侧壁金属层8、2#侧壁金属层9和盲腔结构10由金属钨和氧化铝陶瓷高温共烧制备而成。
14.所述金属框架（1）为铁镍合金或铁镍钴合金，开槽处r＜0.1mm。
15.本实用新型的有益效果：
16.1、 传统非贯穿式微波金属外壳的内埋区域金属浆料主要以钨和钨铜金属浆料为主。钨金属浆料方阻大，钨铜金属浆料容易在万瓦级功率器件封装中因电迁移作用下发生断路。采用贯穿式锆铜合金可兼顾降低端口电阻和长期可靠性的优点。
17.2、 传统非嵌套式的微波金属外壳的热沉材料多以“钼铜”、“钨铜”和“铜-钼铜-钼铜”材料为主，无法满足万瓦级微波功率器件的散热需求。如果外壳全部采用金刚石铜材料作为热沉，则外壳的加工成本较高。采用嵌套式热沉结构的外壳可兼顾高散热和低成本的优点。
18.3、 陶瓷外壳的键合指7尺寸经过设计，在频率≤12ghz的范围内，插入损耗＜0.10db，显著降低大功率固态微波功率器件封装的端口射频损耗。
19.4、 陶瓷外壳的盲腔结构10尺寸经过设计，可有效避免烧结塌缩和钎焊裂纹问题，残余应力＜250mpa，显著降低大功率固态微波功率器件封装的残余应力。
附图说明
20.附图1是陶瓷外壳结构示意图。
21.附图2是金属框架结构示意图。
22.附图3是铜基合金嵌套金刚石铜“1”字形嵌套结构示意图。
23.附图4是铜基合金嵌套金刚石铜“t”字形嵌套结构示意图。
24.附图5是铜基合金嵌套金刚石铜“倒t”字形嵌套结构示意图。
25.附图6是陶瓷绝缘子结构示意图。
26.附图7是陶瓷绝缘子键合指示意图。
27.附图8是陶瓷陶瓷盲腔结构示意图。
28.附图9是贯穿式传输端口微波仿真结果图。
29.附图中1是金属框架、2是金属热沉、3是金属引线、4是陶瓷绝缘子、5是封接区、6是封接区、7是键合指、8是侧壁金属层、9是侧壁金属层、10是盲腔结构。
具体实施方式
30.下面结合附图对本实用新型技术方案做进一步解释说明。
31.一种应用于12ghz内大功率固态微波功率器件用贯穿式陶瓷外壳，利用锆铜合金贯穿陶瓷绝缘子的方式制备引线，实现了端口电阻的大幅降低，解决封装端口损耗问题；利用铜基合金嵌套金刚石铜材料结构，实现了窄脉冲大功率固态微波器件的封装垂直散热需求。
32.如附图1所示，所述外壳包括金属框架1、金属热沉2、金属引线3和陶瓷绝缘子4。金属热沉与金属框架相连，陶瓷绝缘子嵌入金属框架中的开槽内，金属引线贯穿陶瓷绝缘子并实现气密封装。
33.如附图2所示，所述外壳的金属框架材料可选用铁镍或铁镍钴合金，一般由机械加工制备可得，开槽需要清角处理r＜0.1mm，以保证陶瓷绝缘子与框架实现气密焊接.
34.如附图3-5所示，所述外壳的金属热沉所述金属热沉采用了铜基合金嵌套金刚石铜结构，共包括“1”、“t
”ꢀ
和“倒t
”ꢀ
3种形式，可满足芯片、无源器件和电路贴装，铜基合金材质可以是“钼铜”、“钨铜”和“铜-钼铜-钼铜”中的1种。铜基合金与金刚石铜采用钎焊工艺完成气密焊接，可用ag
72
cu
28
作为钎料。
35.所述铜基合金材质可以是“钼铜”、“钨铜”和“铜-钼铜-钼铜”中的1种。铜基合金与金刚石铜采用钎焊工艺完成气密焊接，可用ag
72
cu
28
作为钎料。
36.如附图6所示，所述外壳的陶瓷绝缘子4包含封接区5、封接区6、键合指7、侧壁金属层8、侧壁金属层9和盲腔结构10。
37.所述封接区5表面由金属钨和氧化铝陶瓷共烧制备而成，用于陶瓷绝缘子4和金属框架1气密焊接。
38.所述封接区6表面由金属钨和氧化铝陶瓷共烧制备而成，用于陶瓷绝缘子4和金属热沉2气密焊接。
39.如附图7所示，所述键合指7由线宽不同的带状线和微带线组成，微带线线宽w1=1.2mm
±
0.10mm，带状线线宽w2=1.0mm
±
0.10mm，由金属钨和氧化铝陶瓷共烧制备而成。
40.所述侧壁金属层8和侧壁金属层9，最大宽度为1.3mm，表面由金属钨和氧化铝陶瓷共烧制备而成，均用于陶瓷绝缘子4和金属框架1气密焊接。
41.如附图8所示，盲腔结构10，内壁覆盖金属钨层，截面最大尺寸为0.3mm*1.3mm，表面由金属钨和氧化铝陶瓷共烧制备而成，用于金属引线3 贯穿而入并实现气密焊接。
42.所述外壳的金属引线3由锆铜合金材料制备，其最大宽度为1.2mm，最大厚度为0.3mm。
43.如附图9所示，陶瓷外壳的键合指7在频率≤12ghz的范围内，插入损耗＜0.10db，显著降低大功率固态微波功率器件封装的端口射频损耗。