陶瓷管壳金相切片制样工艺研究

陶瓷管壳金相切片制样工艺研究

石鹏远

中国电科13所  河北石家庄  050000

一、引言

陶瓷封装外壳通常由陶瓷材料制成，金相切片可以用于观察和分析陶瓷封装外壳的微观结构，如晶粒大小、晶界、孔隙等。通过结构分析，可以确定陶瓷外壳的质量和性能，并评估其可靠性和耐久性；可以帮助检测和分析陶瓷封装外壳的缺陷，如裂纹、孔隙、夹杂物等。通过缺陷分析，可以评估陶瓷外壳的质量和工艺控制，并采取相应的措施改进制造过程，提高封装外壳的可靠性。陶瓷封装外壳通常需要与其他材料（如金属热沉、金属引线等）进行界面结合，金相切片可以用于观察和研究陶瓷外壳与其他材料之间的界面结构和界面性能。这对于评估封装外壳的界面强度、防护性能以及温度、湿度等环境因素对界面的影响具有重要意义。

金相制作工艺主要包括剖切、树脂镶嵌、磨削、抛光四步，但是常规手动磨抛工艺不易控制，易引入各种缺陷（图1所示），从而对问题定位和失效分析结论的得出产生误导。

图1 陶瓷管壳金相制样过程中引入的常见缺陷

a, b镀层破碎；c,镀层卷边；

d,金属化焊盘裂纹；e，划痕；f，镀层形变。

二、制样缺陷形成机理

陶瓷管壳通常由多种材料组合而成，包括陶瓷、金属化层、镀层、可伐合金、焊料层或各种材质的盖板。以上由于陶瓷和镀层金属在硬度和塑性等性质上差异较大。其中陶瓷材料主要通过脆性去除方式为主，而镀层金属主要去除方式为塑性去除，因此对应的最佳磨削工艺也有所差别。在制样过程中难以同时保证不同材料的磨抛质量是陶瓷管壳制样难点所在。

其中镀层破碎（图1a,b）主要由于镀层硬度低或镶料包边性差、镶料硬度低造成磨粒镶嵌或磨抛时样品凸起导致镀层过度磨削形成。为避免以上问题产生，应尽量使用磨粒不易掉落的金刚石磨盘进行磨削减薄。同时金刚石磨盘对镶嵌料和管壳磨削速率一致，更易形成平整表面。焊盘卷边（图1c）则由于金刚石砂轮切割所致。由于砂轮片有一定厚度，被砂轮片切割过的陶瓷会被去除而镀层则由于延展性较好残留下来发生卷曲。卷曲的镀层会对基体上的镀层产生拉应力，从而导致焊盘金属化层部位产生裂纹（图1d）。粒径较大的磨粒在磨削过程或抛光中易形成较大划痕（图1e），并形成一层机械损伤层（主要表现为镀层塑性形变）。后续磨削过程中若无法完全去除该形变层则易导致镀层产生形变（图1f）。

三、制样工艺探索

为保证金相制样质量，使用半自动抛磨机进行工艺试验，确定最佳工艺。陶瓷管壳在制样时应保证良好紧密的镶嵌、均匀平整的磨削、以及前道次机械损伤层的消除。因此需先确定机械损伤层的深度并确定合适的磨抛工艺。为探究切割和磨削工艺对陶瓷管壳剖面的影响设计以下试验（如表1所示）。其中1组样品直接切割至焊盘部位，2-5组样品切割部位距离焊盘约500μm，使用600目金刚石砂盘磨削至焊盘通孔位置，确保在试验前焊盘截面没有裂纹产生，然后再使用以下工艺进行磨削试验。2-5组磨削时间为2min。

表1. 试验设计

不同磨削工艺加工后的样品依次使用3μm和50nm抛光液进行抛光后使用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面焊盘截面形貌。对于1组样品，使用5组参数进行机械减薄并抛光并使用螺旋测微器测量减薄量，使用SEM观察减薄后焊盘截面形貌，直至裂纹消除。

其中图2a为金刚石砂轮切割后焊盘剖面形貌，可见切割后焊盘金属化层出现明显裂纹。随着磨削深度增加，裂纹逐渐消除（图2b-d）。当磨削深度达到40μm时，裂纹基本消除。由此可知对于使用同样参数切割的样品，后续磨削至少需要磨削40μm以消除切割所形成的损伤层。但此时切割导致的镀层卷边造成焊盘厚度增加的假象（图2e），完全去除该层需磨削约50μm（图1c）

图2 砂轮切割样品焊盘截面形貌随磨削深度的变化。其中a，未磨削时的形貌；b，5μm磨削后的形貌；c、15μm减薄后的形貌；d，25微米减薄后的形貌；

e，40μm减薄后的形貌

图3是不同磨削参数下焊盘金相切片形貌。可见除2组参数下焊盘有裂纹产生外，其余各组焊盘均未产生明显缺陷。因此磨削参数应尽量避免同时采用过大压力和转速。

图3.不同磨削参数下的焊盘截面表面形貌（2-5组样品），其中（a, b）， （c, d），（e, f），（g, h）分别为表1中2、3、4、5组参数的试验结果。

四、应用效果及结论

4.1 试验得出的工艺要求及注意事项

根据以上分析，确定金相制样工艺各步骤工艺要求及注意事项如下：

4.2 应用效果

图4是按照优化后工艺制备的焊盘通孔金相切片，可见焊盘表面平整、无额外损伤形成。

图4 优选参数下陶瓷管壳制样形貌。其中a为焊盘整体形貌，b，c为a中相应位置放大图，d为b中相应位置放大图。

本研究通过试验设计，对比不同参数下陶瓷管壳的磨抛效果，得到了适合于陶瓷管壳制样的优选磨抛参数，对陶瓷管壳的失效分析和问题精确定位具有指导意义。

作者简介：石鹏远，男 ，汉族 ，河北石家庄，  硕士，高工，研究方向：工程类