21.05.2011

Многослойные металлокерамические корпуса: преимущества и особенности


Отличительная особенность высокотемпературной керамики от низкотемпературной – более высокая температура спекания слоев керамических плат для корпусов: 1500–1600°С (в технологии LTCC температура спекания – менее 1000°С).
Достоинства технологии HTCC:
  • малые допуски на размеры – благодаря низкому коэффициенту теплового расширения обеспечивается повышенная стабильность размеров корпусов;
  • коэффициент теплового расширения (КТР) высокотемпературной керамики достаточно близок к КТР кремния, что позволяет монтировать кристаллы непосредственно на керамическое основание;
  • высокие диэлектрические и тепловые характеристики корпусов: в зависимости от используемой марки керамики электрическая прочность варьируется от 45 до 60 кВ/мм, тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) – от 0,006 до 0,0021, а диэлектрическая проницаемость (e) – от 8,5 до 10 в гигагерцовом диапазоне частот;
  • возможность создания многослойных герметичных керамических плат: высокотемпературная керамика имеет плотную структуру, а после спекания многослойные керамические модули становятся монолитными;
  • хорошее заполнение переходных отверстий и линий металлизации в плате вольфрамовой пастой;
  • высокая твердость используемых керамических материалов.
Технология производства высокотемпературных керамических модулей HTCC является наиболее современной и обеспечивает самую надежную герметизацию микроэлектронных изделий. Кратко рассмотрим процесс и этапы производства многослойных металлокерамических корпусов на основе технологии HTCC (рис.1).
Металлокерамические корпуса, металлостеклянные корпуса
1. Основной материал при производстве плат по технологии HTCC – сырой керамический лист: из глинозема Al2O3, SiO2, MgO и других компонентов получают керамическую массу, которую разбавляют толуолом и получают шликер. Из шликера льется керамическая лента (см. рис.1а).
2. В сырых керамических листах (каждый из которых впоследствии станет слоем керамической платы) выполняются переходные и выравнивающие отверстия и пустоты (см. рис.1б).
3. Отверстия в керамических листах заполняются или покрываются вольфрамовой пастой для обеспечения электрических соединений.
4. С помощью трафаретной печати в каждом слое формируются проводники, различные площадки, маркировка и т.д., которые наносятся вольфрамовой пастой на поверхность керамических листов с последующей сушкой и отвердением в печи (см. рис.1, в).
5. Каждый керамический лист с нанесенным рисунком и металлизированными отверстиями совмещается и укладывается в стек в последовательности, определенной при проектировании (см. рис.1 г).
6. Проводят вырубку по габариту для отделения плат от общей массы. Поверхности шлифуют (см. рис.1 д, е).
7. Выполняют спекание керамики и вольфрамовой металлизации при температуре 1500–
1600°С.
8. Для лучшего смачивания припоя перед пайкой все металлические и металлизированные поверхности покрывают никелем.
9. Выводные рамки корпусов, коваровые ободки и теплоотводы к металлическим контактным площадкам припаивают при помощи серебро-медного эвтектического расплава (или чистым серебром) при температуре 800–1000°С.
10. Все открытые металлические и металлизированные поверхности корпуса покрывают металлом (зачастую золотом с подслоем никеля) электролитическим или электролизным методом для защиты от воздействия окружающей среды.
Описанные выше этапы производства представляют собой типовой технологический процесс и в каждом конкретном случае могут уточняться или исключаться.
С начала 2009 года ЗАО "ТЕСТПРИБОР" разрабатывает корпуса для интегральных микросхем и приборов специального назначения и осваивает их производство на основе технологии HTCC.
Уже созданы и серийно выпускаются 23 типа металлокерамических корпусов для микросхем и 14 типов металлокерамических и металлостеклянных корпусов для полупроводниковых приборов как для поверхностного монтажа (SMD), так и штыревого типа.

Таблица 1. Основные характеристики корпусов 4244.256-3, 4245.240-5, 4245.240-6 и 4245.240-6.01

ПараметрТип корпуса
4244.256-34245.240-54245.240-64245.240-6.01
Количество выводов256240240240
Шаг выводов, мм0,5
Расположение выводовОдноуровневое
Размер монтажного окна, мм13,0х14,010,5х10,513,0х13,0
Размер монтажной площадки, мм12,5х13,510,5х10,513,0х13,0
Габаритные размеры тела корпуса, мм36,0х36,0х2,334,0х34,0х3,2
Глубина монтажного колодца, мм0,50,76
Монтажная площадкаМеталлизирована
Сопротивление изоляции, мин., Ом108
Покрытие основания корпусаН2Зл.3
Метод герметизацииШовно-роликовая сварка
Масса корпуса, не более, г.20,75
Диапазон рабочих температур, 0С-60 ... 155

Металлокерамические корпуса, металлостеклянные корпусаВ конце 2010 года была выполнена ОКР "Разработка 256-выводного металлокерамического корпуса типа 4 с посадочными местами для чип-конденсаторов для программируемых логических интегральных микросхем", шифр "Ксилофон-корпус". После этого ЗАО "ТЕСТПРИБОР" приступило к выпуску корпусов 4244.256-3, 4245.240-5, 4245.240-6 и 4245.240-6.01 категории качества "ВП" по утвержденным техническим условиям ТАСФ.301176.002ТУ и ТАСФ.301176.004ТУ (рис.2а, б, табл.1).
Компания также разработала и освоила серийное производство серии металлокерамических корпусов для полупроводниковых приборов SMD-3, SMD-2, SMD-1, SMD-0,5, SMD-0,2. Корпуса изготавливаются по технологии высокотемпературных керамических модулей с использованием алюмооксидной (высокоглиноземистой корундовой) керамики с содержанием оксида алюминия 90–92%.
При изготовлении теплоотвода и токопроводящих частей корпуса используется сплав меди и вольфрама, все металлические и металлизированные части основания имеют финишное золотое покрытие. Благодаря этому выполняются повышенные требования по герметичности и температурным характеристикам корпусов (рис.2в, табл.2).

Таблица 2. Основные характеристики SMD-корпусов

ПараметрТипы корпусов (Габариты, мм)
SMD-0.2
(8,05x5,50)
SMD-0,5
(10,16x7,52)
SMD-1
(15,88x11,43)
SMD-2
(17,55x13,40)
SMD-3
(30,90x19,80)
MBSS0507-N3
(7,00x5,00)
Максимальная высота корпуса,мм2,8Нет данныхНет данных3,353,812,13
Размер монтажного окна, мм3,00х3,284,20х5,108,40х8,209,94х9,7420,17х16,115,40х3,00
Глубина монтажного колодца, ммНет данных0,51,0Нет данныхНет данныхНет данных
Расстояние от МП до вехней поверхности крышки, мм1,24х0,790,95х1,001,70х1,902,20х2,203,60х3,501,00х3,00
Размер контактных площадок, мм1,24х0,790,95х1,001,70х1,902,20х2,203,60х3,501,00х3,00
Размер внешних выводных площадок, мм2,07х2,073,05х2,424,00х3,553,74х3,745,00х5,155,00х3,70
Сопротивление изоляции, мин. Ом109
Покрытие основания корпусаН2Зл.3
Метод герметизацииШовно-роликовая сварка
Масса корпуса, г.Нет данных0,82,1Нет данныхНет данныхНет данных
Диапазон рабочих температур, 0С-60 ... 350

Еще один вид продукции ЗАО "ТЕСТПРИБОР" – безвыводные корпуса типа 5 по ГОСТ 17467-88 с числом выводов 48, 20, 16, выполненных в виде металлизированных контактных площадок (рис.2 г, табл.3). По периметру обратной стороны (нижнего слоя) корпуса нанесены выводные площадки для его монтажа на печатную плату в радиоаппаратуре. Они соединены с контактными площадками корпуса через металлизированные пазы в торцах (см. рис.2г). Все металлические и металлизированные части оснований корпусов имеют финишное золотое покрытие.

Талица 3. Основные характеристики безвыводных корпусов.

ПараметрТип корпуса
LCC16LCC20 (1)LCC20 (2)LCC48 (1)LCC48 (2)
Габариты корпуса, мм7,62х7,628,89х8,898,89х8,8914,22х14,2212,7х12,7
Шаг выводных площадок, мм1,271,016
Размер монтажной площади корпуса, мм4,0х4,04,93х4,934,0х4,05,5х4,57,5х7,5
Глубина монтажного колодца, мм0,5080,6350,508
Расположение выводовРавномерно по четырем сторонам корпусаРавномерно по четырем сторонам корпуса, 4 вывода по углам корпуса
Количество внешних выводных площадок1620204848

Таким образом, ЗАО "ТЕСТПРИБОР" предлагает металлокерамические корпуса с различными характеристиками. Кроме этого, предприятие может разработать и изготовить в соответствии с ТЗ заказчика корпуса практически любого уровня сложности с качеством, соответствующим мировым стандартам.