光电耦合器黑陶瓷外壳的研制技术

摘 要：本文介绍了研制光电耦合器黑陶瓷外壳的关键技术。

关键词：光电耦合；黑陶瓷；可靠性；强度；平整度；孤岛电镀

中图分类号：tn305．94 文献标识码：a 文章编号：1681-1070(2004)06-19-03

1 引言

当今世界战争，主要进行的是电子战，它被认为是自有火药以来最重大的军事技术革命。目前军用电子装备的优势已成为电子战场中的“制高点”，电磁频谱(工作频率)成为与海、陆、空并存的第四战场，并且正在不断扩展。

一个电子战系统，不仅要有获取大量信息的能力，而且要有快速处理大量信息的能力。例如：要在高速、远距离以及烟雾、灰尘、雨雾、黑暗和严重干扰的条件下，对攻击目标实施有效地搜索与识别、进行高速度的图象处理、精密定位、确定准确的攻击目标。还有导弹成象制导、高精度跟踪、卫星导航、姿态控制等大量信息的接收、处理、传输和发送的功能，这必然要求与之配套的电子系统向超高速、高密度、大容量和系统集成、小型化、高可靠性的方向发展。

光电耦合器件正是实现上述电子系统整体功能较理想的封装形式之一。

2 光电耦合器黑陶瓷外壳需满足以下技术要求瓷料：92％氧化铝黑瓷引线节距：2．54mm绝缘电阻：≥l×1011ω漏气速率：≤l×10-3pa．cm3／s(he)高温考核：450℃ 2分钟 镀层不变色产品检验：按gjbl420a-99《半导体集成电路总规范》执行

3 关键技术3．1 设计3．1．1 产品设计

外壳外形尺寸设计必须满足用户要求开符合gb／t7092-93标准。

3．1．2 结构设计

光电耦合器黑陶瓷外壳是采用92％氧化铝陶瓷与金属化高温共烧结构，焊有金属封接环和外引线框架，由三部份构成。其结构主要材料如表1所示：

3．1．3 电参数设计

电参数设计的目标是保证信号可靠和按预期要求通过片上和片外互连进行传递。必须满足以下要求：

①保证芯片间信号互连能可靠地运行；②保证片上网络性能可靠；③优化布线横截面几何尺寸设计及材料选择；④进行性能预测或性能评估。

3．1．4 主要电参数设计

光电耦合器黑陶瓷外壳考虑的主要电参数有引线电阻和绝缘电阻

3．1．5 引线电阻

陶瓷封装外壳的引线电阻决定于所用的材料和引线的几何形状。外壳的引线电阻等于引线内电阻加引出端金属电阻。若引线电阻过大，则会使电路增加一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗增大，并影响了电路的性能。可通过以下公式计算引线内电阻：

式中的r□为印刷导线的方阻值，通过计算每根线条的方块数可获得其阻值。这里所用的外引线电阻是引出端的金属电阻，金属引出端镀镍镀金电阻一般很小。

3．1．6 绝缘电阻

绝缘电阻通常是两相邻的引线间或任一引线与金属底座间的电阻值。绝缘电阻可分为体电阻和表面电阻，体电阻取决于陶瓷本身内在的物质结构，表面电阻则与所处环境状况及资料表面状态有关，特别是水分，潮气对材料表面电阻影响甚大，所以在设计绝缘电阻时，充分考虑了这些因素的影响。在布线设计时，不仅要尽可能地加宽引线宽度以保证小的引线电阻值，如引线间距过小，公差要求过松，配合尺寸不严等均会影响绝缘电阻。同时，材料选取，制造环境的控制和制作工艺对绝缘电阻也有影响。如介质材料的纯度、陶瓷表面的多孑l性、烧结温度太低、金属化图形边缘扩散、装配不合规范、尺寸超差等。92％al2o3陶瓷的体电阻率大于1014ω·cm，根据实践积累的数据，当线间距≥0．4mm时，其绝缘性能完全能满足合同规定的绝缘电阻≥1011ω的要求。光电耦合器件外壳对绝缘性能有较高要求，其内，部结构特殊，侧面内壁与底腔均有金属化区。因此，要从设计、工艺上予以保证好。

3．2 可靠性设计

可靠性是产品质量的一个重要指标,是对产品能否保持其性能能力的衡量。

3．2．1 外引线强度的可靠性

外引线强度与焊接接触面积、焊料量，钎焊工艺，瓷件平整度等因素有关。设计时，为提高引线强度通过加大金属外引线周边印刷图案尺寸。选择适量的焊料，以及掌握合理的推舟时间，焊接温度等，实践证明效果良好，外引线拉力强度最大可达到5kg以上。

3．2．2 密封可靠性

密封可靠性从下面三方面来保证：①被封接金属材料本身的特性；②钎焊后，封接环表面磨光，以保证平整度；③盖板的尺寸设计。为提高密封强度，盖板尺寸设计比封口区封接环尺寸小且盖板四周采用圆角。

3．2．3 内引线键合强度的可靠性

内引线键合强度是外壳与器件考核的重要指标之一。它与金属化浆料细度、金属化与陶瓷的结合状况、镀金层表面和键合设备的状况等因素有关。必须选用金属粉料粒度小、分布均匀，纯度高(≥99．5％)的mo粉、w粉、mn粉(mo粉≤400目、w粉≤400目、mn粉≤300目过筛)粘结剂和溶剂；选择纯度高的镍板、镍盐、金盐和各种电镀试剂(分析纯)，提高镀层的致密度和高温老练性能，保证内引线键合强度。

3．2．4 瓷体的可靠性

影响外壳强度的因素有多种：结构设计、粉料特性和烧结工艺。外壳强度可靠性主要是瓷体结构强度的可靠性。a12o3粉料晶粒的大小、形状等都影响陶瓷的强度，必须选择粒度小、分布合理、杂质含量较低、颗粒度较为均匀的al2o3粉料(粒径3-5μm)为主原料，通过控制烧结工艺曲线参数来控制烧结过程，保证瓷体的强度。

4 关键工序及难点攻关

(1)腔体变形控制

光电耦合器黑陶瓷外壳腔体大，壁薄，形腔多，因而在制造过程中极易产生变形。可从层压工艺对腔体变形的影响进行分析。层压压力太大，生瓷片变形量增加，常出现“炸裂”或“缩腰”现象；层压压力太小，生瓷片的变形量小，瓷体气密性不能保证，必须通过多次试验，选择多种层压参数，根据受力面积，确定最佳层压工艺参数值，控制腔体的变形量。

(2)平整度控制

瓷体的平整度对封口气密性和外引线焊接强度有直接的影响。材料本身的性质，排胶曲线，烧结温度等工艺参数以及不同厚度瓷片收缩率的控制，对瓷片平整度都产生较大影响。可通过调节不同厚度瓷片的收缩率，严格控制排胶曲线(增加保温时间)和烧结工艺参数，以及规范粉料的配制，来获得平整度良好的瓷件。

(3)孤岛电镀

光电耦合器黑陶瓷外壳具有特殊的结构，腔体内有多个孤立金属化区(即孤岛)，孤岛面积只有0．70平方毫米左右，由于接触面积小，给电镀带来一定困难。可采用特制工装夹具引镀的方法解决。

(4)腔体内侧金属化层的印制

光电耦合器黑陶瓷外壳有的腔体深、壁薄且腔体内侧需金属化。用常规工艺，由于腔体内侧金属化面与刮刀垂直，刮刀无法接触，要实现内侧金属化与底片的连通显然不可能。解决这一技术难题，可设计特殊的工装，在先修整垂直印刷面的前提下，通过这个工装来实现腔体内侧垂直平面的印刷。

(5)切边平整度控制

由于光电耦合器黑陶瓷外壳腔体深、壁薄，造成四周壁强度较低。四周切边后，要达到腔体不变形、周边切面平整、无缺损、毛刺，难度较大。影响切边平整度的因素主要有：切边模具设计是否合理、待切件的软硬程度是否合适、冲切力的大小等。为解决好切边平整度，可设计上、下对冲式切边模。合理控制冲切力的大小，可较好地控制切边平整度。

5 结束语

光电耦合器黑陶瓷外壳已成功地应用于某重点工程配套开发的光电耦合器件封装，亦可用于封装军用光电模块，它的研制成功具有深远的政治意义。该工艺技术稳定、可靠性高，完全可满足军工需求，并具备一定批量的生产能力。该技术适用于生产各种类型的光电陶瓷外壳。如4线、6线、8线光电耦合器外壳、8线特大腔黑陶瓷外壳(a型、b型)、16线四腔体黑陶瓷外壳等产品，具有广阔的应用前景，大力推广应用具有一定的经济效益。