嚴志良

（宜興市吉泰電子有限公司，江蘇 宜興 214221）

1 引言

金屬引線是金屬外殼實現(xiàn)電路內(nèi)部芯片與外部信號溝通的主要通道，是金屬外殼的重要組成部分。隨著封裝器件、部件朝著多功能、高性能的方向發(fā)展，又面臨著輕、薄、小的高密度方向發(fā)展需求，對玻璃封接金屬外殼引線提出了越來越高的要求。各種不同材料、新型結(jié)構(gòu)的金屬引線被設(shè)計、加工和應(yīng)用。

2 金屬引線材料

金屬外殼的設(shè)計應(yīng)根據(jù)殼體所選材料來選用合適的金屬引線與玻璃材料。玻璃封接金屬外殼通常使用的引線材料是4J29鐵鎳鈷玻封合金[1]和4J50鐵鎳封接合金[2]，這兩種合金材料的線性膨脹系數(shù)分別與鉬組玻璃和鐵封玻璃很接近，屬于匹配封接，形成氣密熔封可靠性高。隨著功率電子器件的出現(xiàn)，要求引線承載的電流密度越來越大。雖然銅、銀等是低電阻的材料，能夠承載更大的電流密度，但由于銅、銀等的膨脹系數(shù)太大無法直接用玻璃進行熔封。為克服這一難題，即實現(xiàn)金屬引線能直接采用玻璃進行熔封，又使金屬引線具有低電阻率的特點，銅芯復(fù)合金屬引線得到了應(yīng)用。表1列出了常用的引線材料密度及電阻率指標。

表1 常用的金屬引線材料

注1：根據(jù)體積比計算[3]；注2：根據(jù)以下公式計算[3]。

ρc、ρs分別表示內(nèi)芯和外皮材料的電阻率，θ=（d/D）2，d和D分別表示內(nèi)芯和整個復(fù)合引線的直徑。

一般來說，當(dāng)殼體材料采用鋼或膨脹系數(shù)與鋼接近的材料時，就會選擇4J50鐵鎳合金引線或4J50鐵鎳合金包銅復(fù)合引線和鐵封玻璃熔封，形成匹配封接；當(dāng)殼體材料采用4J29鐵鎳鈷合金、4J42鐵鎳合金等低膨脹系數(shù)材料時，就會選擇4J29鐵鎳鈷合金引線或4J29鐵鎳鈷合金包銅復(fù)合引線和可伐封玻璃熔封，形成匹配封接。在一些特定的場合，當(dāng)殼體材料采用鋼或膨脹系數(shù)與鋼接近的材料時，也會選擇4J29鐵鎳鈷合金引線或4J29鐵鎳鈷合金包銅復(fù)合引線和可伐封玻璃熔封，形成壓縮封接。

3 金屬引線的結(jié)構(gòu)類型

隨著機械加工方法的日益創(chuàng)新，玻璃封接金屬外殼用引線的結(jié)構(gòu)類型在不斷增多，以下列出了常用的幾種引線類型。

3.1 圓柱形金屬引線

圓柱形引線是通過拉絲成型得到所需直徑的絲材，然后切斷成所需尺寸的引線。有鍵合要求的金屬封裝，需對鍵合端進行磨削加工，使表面平整和光潔，并去除磨削加工產(chǎn)生的毛刺。金屬引線的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 釘頭式圓柱形金屬引線

為了使金屬引線端頭的鍵合區(qū)域更大，在圓柱形金屬引線的端頭處通過機械鐓壓的辦法加工釘頭，釘頭的直徑一般可以加工至引線直徑的2倍。引線的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 扁頭式圓柱形金屬引線

為了滿足扁頭式圓柱形金屬引線的端頭側(cè)面也能鍵合的要求，將圓柱形金屬引線頭部壓扁成矩形狀，提供平坦的鍵合平面。該種引線需用精度較高的石墨燒結(jié)模具來定位確保鍵合平面不與鍵合設(shè)計平面有傾斜，傾斜角度在鍵合工藝允許的范圍內(nèi)。引線的外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 圓柱形引線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 釘頭式圓柱形金屬引線結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 扁頭式圓柱形金屬引線結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 變徑式圓柱形金屬引線

變徑式圓柱形金屬引線是根據(jù)玻璃燒結(jié)的部位，采用化學(xué)刻蝕等方法使外引線直徑變小，實現(xiàn)一頭粗一頭細的結(jié)構(gòu)形狀。該種引線的外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 變徑式圓柱形金屬引線結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 變節(jié)式圓柱形金屬引線

變節(jié)式圓柱形金屬引線是根據(jù)玻璃燒結(jié)的部位，在外引線根部玻璃與引線接觸的位置加工一個圓柱形臺階。它的加工方法比變徑式圓柱形金屬引線相對簡單，只需通過模具在打絲機上鐓壓就可以完成制作。引線的外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.6 矩形金屬引線

矩形金屬引線可以采用刻蝕，也可以采用模具沖制的方法加工成引線框架。該種金屬引線的外形結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 變節(jié)式圓柱形金屬引線結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 矩形金屬引線結(jié)構(gòu)示意圖

4 不同金屬引線在金屬外殼中的典型應(yīng)用

根據(jù)金屬外殼不同結(jié)構(gòu)類型和最終封裝的要求，各類金屬引線在不同的場合被有效地應(yīng)用。

4.1 圓柱形金屬引線和釘頭式圓柱形金屬引線的典型應(yīng)用

圓柱形引線和釘頭式圓柱形金屬引線是圓形、雙列型等直插式金屬外殼常用的引線。圓柱形金屬引線一般需對鍵合端進行磨削加工，使表面平整和光潔，并去除磨削加工產(chǎn)生的毛刺，以滿足鍵合的要求。為了使端頭的端面積更大，在圓柱形金屬引線的端頭處通過機械鐓壓的辦法加工釘頭，釘頭的直徑一般可以加工至引線直徑的2倍，例如直徑Φ 0.45 mm的引線釘頭可加工至Φ 0.90 mm左右。這種結(jié)構(gòu)的引線滿足了兩種不同的用途：（1）增加了引線鍵合端的面積，滿足了芯片與引線多次或多根鍵合的需求；（2）擴大端頭面積，能使其直接與殼體平面形成牢固的釬焊。以下是應(yīng)用實例，圖7是應(yīng)用圓柱形金屬引線的金屬外殼結(jié)構(gòu)示意圖，圖8是應(yīng)用釘頭式圓柱形金屬引線的金屬外殼結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是應(yīng)用釘頭式圓柱形引線作釬焊引線的金屬外殼示意圖。

4.2 變徑式和變節(jié)式圓柱形金屬引線

變徑式圓柱形金屬引線和變節(jié)式圓柱形金屬引線的應(yīng)用場合與圓柱形引線和釘頭式圓柱形引線基本一致。

圖7 圓柱形金屬引線在金屬外殼上的典型應(yīng)用

圖8 釘頭式圓柱形金屬引線在金屬外殼上的典型應(yīng)用

圖9 釘頭式圓柱形引線在金屬外殼上的典型應(yīng)用

變徑式圓柱形金屬引線的特征在于引線的鍵合端部分及與玻璃熔封的部分直徑較粗，而殼體外的部分直徑較細。它的優(yōu)點是殼體外直徑較細，引線在受力彎曲時，其應(yīng)力集中在變徑處，而不是原來與玻璃熔封的引線根部，避免了引線根部的玻璃裂紋，從而在一定程度上提高了氣密性和金屬外殼耐腐蝕（鹽霧）的性能。圖10是應(yīng)用變徑式圓柱形引線玻璃熔封部位的剖面示意圖。

圖10 應(yīng)用變徑式圓柱形引線玻璃熔封部位的剖面示意圖

變節(jié)式圓柱形金屬引線與變徑式金屬引線有著相同的優(yōu)點，根據(jù)玻璃燒結(jié)的部位，在外引線根部玻璃與引線接觸的位置加工一個圓柱形臺階。當(dāng)外引線受力彎曲時，應(yīng)力集中在外引線與臺階界面處，保證了玻璃不會被破壞。它的加工方法與變徑式圓柱形引線相比要簡單，只需通過模具在打絲機上鐓壓就可以完成制作。圖11是應(yīng)用變節(jié)式圓柱形引線玻璃熔封部位的剖面示意圖。

4.3 扁頭式圓柱形引線和矩形金屬引線

扁頭式圓柱形金屬引線和矩形金屬引線主要用于側(cè)面引出引線的蝶形金屬外殼。

扁頭式圓柱形引線是為了滿足引線端頭適用于鍵合的要求，將頭部圓柱狀引線壓扁成矩形狀提供鍵合平面。該種引線需用精度較高的石墨燒結(jié)模具來定位確保平面傾斜角度接近0°。圖12是應(yīng)用扁頭式圓柱形金屬引線的金屬外殼。

圖11 應(yīng)用變節(jié)式圓柱形引線玻璃熔封部位的剖面示意圖

圖12 扁頭式圓柱形金屬引線在金屬外殼中的典型應(yīng)用

矩形金屬引線裝配時引線框架由于連筋的存在，定位相對比較簡單，引線間距的相對位置控制較容易。金屬引線從側(cè)面引出，平行于底平面。為了能夠滿足表面貼裝，引線還可以向下折彎。圖13是應(yīng)用矩形金屬引線的金屬外殼。

圖13 矩形金屬引線在金屬外殼中的典型應(yīng)用

此類金屬引線使用時，應(yīng)注意金屬引線疲勞的考核和檢驗，往往會在引線疲勞試驗中出現(xiàn)引線斷裂的問題。應(yīng)從引線設(shè)計、燒結(jié)工藝、電鍍工藝及合理使用等方面加以控制，以滿足器件、部件考核，滿足使用中的可靠性要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，設(shè)計金屬外殼時應(yīng)充分考慮電路的組裝和功能要求，在滿足鍵合、可焊性、引線疲勞等基本要求的基礎(chǔ)上，更要為達到高可靠的密封性能、抗腐蝕性能，合理選擇金屬外殼的金屬引線材料和結(jié)構(gòu)，為器件、部件封裝質(zhì)量、封裝成品率及可靠性提升提供保證。

[1]國家標準局. 鐵鎳鈷玻封合金4J29和4J44技術(shù)條件[S].GBn97-87，1987.

[2]國家標準局. 鐵鎳鉻、鐵鎳封接合金技術(shù)條件[S].GBn103-87，1987.

[3]楊宇，賈松良，張忠會，蔡堅，王水弟. 金屬封裝用低阻復(fù)合引線的優(yōu)化設(shè)計[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2005，8.