CQFJ型陶瓷外壳平面度控制

CQFJ型陶瓷外壳平面度控制

作者：张惠华

来源：《科技创新导报》2017年第22期

摘要：介绍CQFJ陶瓷外壳平面度控制的基本原理和控制方法，主要控制方法有流延片均匀度控制、生瓷控制、原材料控制。结果表明制造该系列陶瓷外壳过程中，为了保证瓷体平面度，从流延工序控制入手，通过调整生瓷的各层的密度使其收缩率更加接近，通过大、小粒径氧化铝配比共同改善产品的平整度。

关键词：CQFJ 陶瓷外壳平面度

中图分类号：TM534 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0117-02

CQFJ型陶瓷外壳产品是一种四侧J形引脚扁平封装陶瓷外壳（见图1），是表面贴装封装之一。引脚从封装4个侧面引出，向下呈J字形，引脚中心距1.27mm。具有体积小、灵敏度高、集成度高、安装方便等特点。该系列产品外形尺寸较大（30.23mm×30.23mm），其芯片粘结区金属化面积与密封区金属化面积较大，随着管壳瓷体尺寸加大，平面度控制难度越大，该产品未配有封接环，采用金锡融封工艺，所以对封接区的平面度要求更高。

通过工艺实验，影响平面度的直接因素为烧结。

生瓷带在烧结过程中，影响瓷体烧结平整度的主要因素包括工艺参数、流延片上下表面收缩率一致性以及金属浆料与流延片的匹配度。

1 主要控制方法介绍

1.1 流延片均匀度控制

氧化铝陶瓷流延是将无机氧化物、粘结剂、分散剂、增塑剂等原材料通过球磨混合成成分均一的浆料，再通过流延机干燥成型。

在流延片成型过程中，有机溶剂大量挥发，浆料中的各个组分由于干燥速率的差异性发生定向扩散，密度大的氧化物颗粒在重力作用下会向下聚集，干燥更快、密度更小的粉体、有机物会更多地存在于流延片上表面。最终导致流延片上下表面由于成分差异性，在烧结工序由于两边的收缩率不一致，最终出现翘曲，影响产品整体的平整度。针对翘曲现象通常通过对烧结的气氛及温度曲线进行调整可以改善。

该系列产品外壳尺寸大，要实现更高的平面度指标，必须从流延片自身的均匀性进行改善。

1.1.1 流延片均匀性改善方案

流延成型主要在膜带上进行，流延片在膜片上干燥主要分为两个阶段：第一阶段为恒定速率阶段。溶剂从它暴露的表面挥发。随着液体体积的损失，这种效应伴随着浆料层在厚度方向的收缩，同时陶瓷颗粒在层中相互接近，直到固体颗粒互相接触以至于进一步靠拢变得很困难时，第一阶段才结束。这一过程包括以下3个连续的物理机制，其中最慢的步骤决定了干燥的速率：（1）浆料内部的液体移动到表面；（2）表面溶剂挥发；（3）蒸气从接近浆料表面的区域被带走。这一阶段，湿坯的表面总是覆盖着一层内部流出的溶剂，于是蒸发速率保持一致。液-汽界面与膜表面相重合，且蒸发速率与暴露平面液体的蒸发速率相近。第二阶段蒸发速率下降，开始的标志是流延膜的重量从成比例的临界点处发生偏离。浆料的上表面由于第一阶段中溶剂的快速蒸发而首先成膜，溶剂液面进入坯体内部，内部溶剂的蒸发不能像表面浆料那样通过蒸发过程而失去，而是要先经过从内部到表面的扩散过程，然后气化，蒸发到空气中，因此溶剂蒸发速度明显降低，成膜速度就慢很多。由于浆料的干燥过程受多种因素影响，因此浆料在恒速阶段的干燥方程与纯粹的溶剂挥发有所不同。

（1）配方优化。

原流延配方采用二元共沸体系，共沸温度为93.6℃，通过在原来二元体系中增加第三组元，降低其共沸温度。加快流延浆料在第一阶段挥发速率，减少其沉积，增加流延片的均匀性。

（2）设备改造。

为了保证流延片两面一致性，需要进一步从设备改造入手，通过在流延机下部增加温控加热装置，实现机头抽风阶段，两面的温度相近，干燥速率相近，避免因为干燥的先后导致的沉积现象，最终提高流延片均匀度。

1.1.2 流延片厚度控制

控制流延片厚度的主要因素包括流延刀头的控制、流延机的水平度、稳定度。在保证操作流延机稳定的前提下，增加膜片厚度检验设备，在流延片生成过程中，对流延膜片进行实时测量，确保流延片的厚度均匀一致。目前公司流延片接收标准为±0.02mm，通过流延膜片测厚仪对流延片实时测量，精度可以控制在±0.005mm。

通过控制流延片的精度保证瓷体两个平面的平整度满足用户的使用需求。

1.2 生瓷控制

生瓷层压控制：生瓷产品烧结过程中出现翘曲除了和工艺参数、流延片质量有关，与生瓷密度有着直接的关系。

该系列CQFJ系列陶瓷外壳拥有上、中、底三层结构，在成品压的时候，腔体部位承受的压力较其他部位存在明显的差异，该差异性将导致上、中、底片的瓷体密度产生差异，在烧结时由于生瓷密度的不一致，产生翘曲的可能。

生瓷密度大的部位，粉体结合更加致密，烧结过程中，收缩率小；相较下生瓷密度小的部位粉体间更加疏松，收缩率较大。所以控制各层生瓷密度，保证产品平面度要求的设计装用的层压工装，使压力均匀分布在生瓷带上，避免因为每个部位受力不同，重先设计工装，在成品压之前对各层生瓷进行等静压，膜片上下各覆盖一层mylar膜，通过整体式的工装确保层压的平整度，生瓷每个部位都完全受力，生瓷密度达到一致。

1.3 原材料控制

原材料选用：陶瓷外壳选用的基础材料是Al2O3陶瓷，而作为Al2O3陶瓷最基本材料是Al2O3粉料。为了生瓷膜带的致密性，选用平均粒径为2～5μm与0.4～1.0μm的氧化铝配合使用，颗粒貌相近似球状，粒度分布近似正态分布（平均粒径为2～5μm以下称1#粉，0.4～1.0μm以下称2#粉）。

采用不同配比粉料：试验1号为1#粉比例15%，2#粉比例85%；试验2号为1#粉比例20%，2#粉比例80%；试验3号为1#粉比例25%，2#粉比例75%；试验4号为1#粉比例30%，2#粉比例70%。

不同粒度的氧化铝粉堆积密度存在差异，烧结后也存在不同，通过控制粉体的比例，使得收缩率更加致密，满足产品模具使用需求。

1#流延片颗粒较大，孔隙相比3#、4#流延片也更多；3#流延片由于细颗粒的加入填充了部分孔隙，最为致密；4#流延片细可以较多，孔隙率大于3#流延片。

选择合适粒径配比的粉料可以提高烧结致密度降低流延片的孔隙率，瓷体更加细腻，一定程度地改善因为粉料各方位收缩不一致而导致的翘曲现象。

2 结语

综上，在制造该系列陶瓷外壳过程中，为了保证瓷体平面度，从流延工序控制入手，通过调整生瓷的各层的密度使其收缩率更加接近，通过大、小粒径氧化铝配比共同改善产品的平整度。

参考文献

[1] 汤纪南.我国多层陶瓷外壳的现状及发展的建议[J].电子与封装，2001（1）：9-10.

[2] 汤纪南.多层陶瓷外壳的失效分析和可靠性设计[J].电子与封装，2006（10）：22-26.