陶瓷外壳内部气氛和多余物对产品性能的影响

余咏梅

（福建闽航电子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外壳内部气氛和多余物对产品性能的影响

余咏梅

（福建闽航电子有限公司，福建 南平 353001）

陶瓷外壳内部气氛、多余物对器件会造成致命的影响。陶瓷外壳封装芯片后，其内部残余气氛的状况对元器件的性能、寿命和可靠性影响很大，很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。陶瓷外壳多余物，即便是非导电多余物，对元器件也会造成影响，可导致光电器件信号传递和继电器触点的不导通。文章通过分析陶瓷外壳内部残余气氛对元器件的影响及影响因素，陶瓷外壳烧结过程、电镀过程造成的水汽及解决办法，陶瓷外壳多余物对元器件的影响等，指出了解决问题的方向和办法，对提高产品质量有一定的意义。

内部气氛；多余物；烧结露点；真空烘培；生坯制作；粘结剂

1 引言

我国陶瓷封装器件已经渗透到国民经济建设的各个领域，实现了军工科研成果向民用的转化，促进了军民两用技术的发展。采用高新技术制造的陶瓷封装器件可广泛应用于航天、航空、舰船、兵器、电子和特种试验领域。因此，随着军用电子元器件向高新尖的方向发展，对陶瓷外壳提出了更高的质量要求。陶瓷外壳产品质量是企业赢得市场的保证，因此，重视质量是我们军工研制单位义不容辞的责任。解决当前困扰陶瓷外壳研制的技术难题——陶瓷外壳内部气氛的排除和陶瓷外壳腔内多余物的控制刻不容缓。

2 陶瓷外壳内部残余气氛对元器件的影响

2.1 陶瓷外壳内部残余气氛对元器件的影响因素

陶瓷外壳封装芯片后，其内部残余气氛的状况对元器件的性能、寿命和可靠性影响很大。很容易造成元器件的性能低劣和早期失效。主要表现在：

（1）加速对电路的腐蚀作用；

（2）造成内部环境的恶性污染；

（3）形成电路的短路或烧毁；

（4）电路失去应有的功能作用；

（5）低温下的电路转换失效；

（6）影响电路的正常转换等。

2.2 密封的元器件内部含有的水汽来源途径

密封的元器件内部含有的水汽主要来源以下几个方面：

（1）空气中的水汽。密封时环境含有空气，或产品本身密封性降低，封装后空气进入，器件中会含有氧气、氩气、氦气和氟碳化合物。

（2）封装后排放的水汽。有些陶瓷和玻璃封装，使用干燥空气作封装气体，在高温作用下，产生氧化反应，出现大量的水汽和二氧化碳以及各种有机材料、陶瓷、金属会释放水汽。

（3）保护气体中的水汽。这部分水汽含量可能较少。

因此，要消除器件内的水汽，我们作为外壳供应方，首先要消除外壳内部的水汽。

2.3 陶瓷外壳水汽含量的来源因素

陶瓷外壳的水汽含量与外壳金属化表面的致密度以及电镀后处理工艺有关。金属化层不致密、电镀过程中水汽渗透、产品脱水烘干不完全，都有可能造成外壳内残留水汽。

2.3.1 外壳金属化烧结机理

外壳金属化烧结过程包括有机溶剂的挥发、分解、氧化、金属的氧化还原以及玻璃的扩散，此过程必须在适宜温度下有适量的水汽来完成整个过程。若高温前水汽含量不足，则有机溶剂类物质不能充分氧化，以C形式存在于W金属化层。而W氧化还原，提高了颗粒表明活性，促进W颗粒的骨架烧结，同时W的氧化促进高温液相润湿作用，促进玻璃相向金属化层扩散。

2.3.2 外壳烧结产生的水汽

陶瓷外壳的水汽含量与烧结的露点有一定的关系。根据试验表明：金属化结合不好，可为水分渗透提供条件。

我们采用6种湿氢露点试验，不同的湿氢露点对金属化烧结质量影响是不同的，试验情况详见表1。

表1 湿氢露点与金属化烧结质量情况表

表1的实验结果表明，起皮现象是陶瓷外壳生产中的废品，氧化产品可返修，但通过二次烧结返修（温度1 400℃左右）后，产品金属化层的致密度不如一次烧成的效果好，为水分渗透提供条件。同时陶瓷体经二次烧结，其晶粒长大，降低了瓷体的机械强度。因此建议烧结工艺采用的湿氢露点控制在24℃±1℃，有利于提高金属化层一次烧成的致密性。

2.3.3 产品电镀后产生的水汽

外壳电镀后，产品表面、金属化层、镀层内、陶瓷金属本身都会有不同程度的水汽滞留。工艺上，虽采用酒精脱水烘干（180℃/15min）的措施，但只能烘干表面机械附着的水份，难以除去深层次的水份。

针对上述造成产品水汽的原因，我们通过反复试验，采用真空烘培的方法，能较好地解决上述问题。

我们将外壳摆放于平整瓷片上，放入真空干燥箱进行烘焙。一般情况下，水汽在125℃就能排出，其他气氛则需要在200℃以上才有可能排除干净。

通过工艺试验，我们采用的工艺参数是：温度200℃～240℃、时间24h～48h、真空度≤-0.08MPa。在此长时间的真空烘培下，外壳镀层及金属层内、陶瓷金属本身残留水分会因加热加速镀层浓度气氛和箱内真空浓度气氛的扩散，从而降低外壳的水汽含量。

3 陶瓷外壳多余物对元器件的影响

陶瓷外壳在生坯制作过程中，由于工艺不良，造成瓷粉颗粒、粘结剂粘附腔内，粒子碰撞噪声检测不合格。主要表现为冲腔模钝化、冲切面粗糙、粘结剂过量、生瓷配方不良等。

陶瓷外壳多余物，即便是非导电多余物，对元器件也会造成影响。特别是对光电器件和继电器会造成致命的危害，可导致光电器件信号传递和继电器触点的不导通。因此，必须严格控制不良现象发生。

从图1可以看出，生瓷冲制过程中，有可能在冲切面产生多余物，若清理不干净，会给下道工序埋下隐患。图2显示的是生片冲制多余物未清理干净，将会对后道叠片层压工序产生的影响。图3显示的是生坯多余物处理不干净，导致产品烧成后，腔体内残留瓷颗粒去除较困难，对器件的危害极大。图4为工艺正常情况下生产的半成品图。图5为合格的成品图。

图1 生坯冲制后产生的多余物

图2 单片多余物未清除，层压后实物照

图3 生坯多余物未处理好，成瓷后实物照

图4 不带多余物半成品实物照

图5 不带多余物成品实物照

因此，产品在设计过程中要设计对多余物的预防，加强生坯、生瓷腔体清理工艺，提高模具制作的精度和光洁度，掌握粘结剂的合理用量。同时，对生坯的配制工艺适当改良，提高其柔韧性，降低生坯多余物的产生。

而对于元器件，则通过粒子噪声检测仪、X射线检查、扫描电镜-能谱分析仪、俄歇电子能谱分析仪、二次离子质谱分析仪等常用的仪器设备及工具进行检测和筛选，避免失效的发生。

4 结论

通过对陶瓷外壳内部气氛、多余物的简单探析，我们知道，外壳内部残留水汽和多余物会对器件的性能产生极大的影响，我们应该从外壳制造源头上把关。实践证明，通过真空烘培工艺和提高模具的精度、有效控制粘结剂的用量、改善生坯的配制工艺，对消除陶瓷外壳内部气氛和多余物的去除是可行的。

［1］罗辑，赵和义. 军用电子元器件质量管理与质量控制[M]. 北京：国防工业出版社，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

余咏梅（1966—），女，江西人，高级工程师，从事陶瓷封装外壳研制工作二十余年。