SJZ 21329-2018 金属外壳设计指南[电子]

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—ISw中华人民共和国电子业标准FL6113SJ/Z21329-2018金属外壳设计指南Designguideformetalpackage2018-01-18发布2018-05-01实施国家国防科技工业局发布

1SJ/Z21329-2018目次、，一^刖SII1范围12规范性引用文件13术语和定义14一般要求..•25详细要求.•35.1设计输入.35.2数据接口.35.3材料设iy3:镀层与《5.455.5，结构必S65.6105.7该计i115.8125.9135.10146盖:设计14I

2SJ/Z21329-2018-S-£-刖本指导性技术文件由中国电子科技集团公司提出。本指导性技术文件由工业和信息化部电子第四研究院归口。本指导性技术文件起草单位：中国电子科技集团公司第四十三研究所、中国电子科技集团公司第十三研究所、中国电子科技集团公司第五十五研究所。本指导性技术文件主要起草人：张志成、黄平、杨磊、单兰芳、彭博、冀春峰、王鲁宁。II

3SJ/Z21329-2018金属外壳设计指南1范围本指导性技术文件规定了微电子封装用金属外壳设计的一般要求和详细要求，及盖板的设计要求。本指导性技术文件适用于微电子封装用金属外壳及盖板的设计。2规范性引用文件下列文件中白勺引用而成为本标1期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘］或修订版均不适用于本标准，鼓刘鳏成协议的各方研究是否可使用这些文惭。/是个注日他色引用文件,其最新准。GB/T699GB/TGB/7合金市那牛:写:.笔审:.：行两手禾口）一口口开^GB07GB015料G集成电GB膜集底和混合膜GB014GB/11GJB分立器件总规范GJB9立器件外壳通用规范GJB243昌成电路通用规范GJB2440A006昌成电路外壳通用规范GJB5443-200硅颗粒/铝基复合协SJ/T207.1设计第SJ/T207.2设计文件SJ/T207.4设计文件管理领SJ/T10414-2015半导体器件用焊料SJ/T10753-2015电子器件用金、银及其合金钎料SJ20129金属镀覆层厚度测量方法YS/T660-2007铝及铝合金加工产品牌号和化学成分YB/T5231-2014定膨胀封接铁银钻合金YB/T5235-2005定膨胀封接铁锲铝、铁银合金3术语和定义GB/T9178ஹGB/T12842和GJB2440A-2006确定的术语和定义适用于本指导性技术文件。1

4SJ/Z21329-20184一般要求4.1金属外壳设计流程金属外壳设计流程见图1。设计输入设计验证设计输出图1金属外壳设计流程图4.2设计准则4.2.1机械尺寸金属外壳外形结构尺寸、零件尺寸应满足设计输入要求，对影响产品互换性的尺寸（如：引线节距、跨距等）推荐按照GB/T15138进行设计。4.2.2电气性能金属外壳绝缘电阻、引线电流、介质耐电压、阻抗等电性能参数应满足设计输入要求。4.2.3热性能金属外壳应依据所封装电路的功耗及使用条件等确定外壳材料和散热结构，在高散热区域选用两体式钎焊或嵌入式钎焊铝铜、铜等高热导率材料。4.2.4可靠性外壳结构尺寸和材料的选用、引出端形状、镀层厚度以及制造工艺等因素都会影响金属外壳的可靠性。设计时应综合考虑以上因素，首先保证产品满足GJB33、GJB923ஹGJB2438,GJB2440A-2006等规定的可靠性要求，其次应满足金属外壳使用中组装工艺要求，如芯片安装、键合、封口等，还应满足器件的固定安装及电气连接等要求。4.2.5环境适应性应保证产品满足器件及板级所要求的相关环境适应性要求，可参考GJB2440A-2006、GJB923等相关规范的试验项目。2

5SJ/Z21329-20184.2.6可制造性金属外壳设计时应考虑材料来源、零件成型方式、密封方式、密封结构等因素，同时应考虑钎焊、电镀和测试的工艺要求和生产设备的工艺能力。4.2.7经济性设计时应考虑采用已成熟的加工方法和易获得的原材料，在选用材料、结构、镀层和加工方式时,在满足可靠性和使用要求的前提下，力求成本最低。5详细要求5.1设计输入———设计输入要求如下a)外壳的结构多b)镀覆要旁c)封盖歹d)e)・质耐电压Dg)靠性要求包括DXF/D三XBஹIG.5.3.1年应为W陶瓷、玻璃组合所淞府的选主5.3.2度、抗耳:方面要求。5.3.3科提图热/:提图散热能力，根据器件耗散场密度的不同：二外壳膜置置秋不同，底儿材料推萄件用外壳（耗散功率密度小于0.15W/cm2股选择4J29或不锈钢材料\对中2件用外亮（耗散功率密度在0.15W/cm
底盘材料一般选择优质碳素结将电对大功率^沙科一般选择无氧铜或鸨铜W-Cu赛均有所不同，无氧铜或W-Cu材料等复合材料不适用于玻璃-金属封鞍体系j—K赤雁板或氯沅使用5.3.4常用金属外壳基体材料一般常用的金属外壳基体材料为：a定膨胀封接铁银钻合金，如4J29应符合YB/T5231-2014的规定；b定膨胀封接铁镇铝、铁银合金，如4J42应符合YB/T5235-2005的规定;c优质碳素结构钢，如10#应符合GB/T699-2015的规定；d无氧铜材料，如TU1应符合GB/T14594-2014的规定；e钥，如Mol应符合YS/T660-2007的规定；f不锈钢，如06Crl9Nil0应符合GB/T1220-2007的规定；g铝碳化硅，如SiCp/Al-DZ7应符合GJB5443-2005的规定；h银，如N6应符合GB/T5235-2007、GB/T2072-2007的规定；i其他复合材料如铝铜、铜铜、铝硅等。3

6SJ/Z21329-2018表1为常用金属外壳基体材料性能参考值。表1常用基体材料性能参考值密度线膨胀系数(20℃~300℃)热导率基体材料典型牌号备注g/cm3w7࠷W/m,k铁银钻合金4J298.25.317一铁银合金4J428.124.813-优质碳素结构钢10#7.813.046-无氧铜TU18.917.6390-鸨铜WCu85/1516.47.2180性能可随组分变化铝铜MoCu70/309.78.3190性能可随组分变化铝Mol10.25.2140一不锈钢0Crl8Ni97.9317.216-铝碳化硅SiCp/Al-DZ7<3.16.0〜8.055160性能可随组分变化铝硅50%SiAl2.511149性能可随组分变化锲N68.8913.382.9-5.3.5常用金属外壳绝缘材料常用金属外壳绝缘材料有玻璃和陶瓷两种:a)一般选择的封接用玻璃材料为：—匹配封接玻璃7052玻璃或其等同物；—压力封接玻璃9013玻璃或其等同物。b)一般选择的封接用陶瓷材料为AI2O3陶瓷，材料应符合GB/T5593-2015的要求。常用绝缘材料性能参考值见表2。表2常用绝缘材料性能参考值绝缘材料介电常数转变点,线膨胀系数(20℃~300℃)备注1MHz℃10-7℃匹配封接型玻璃5.1-5.7440-5004.7-5.1-压力封接型玻璃5.6'—6.7407〜4238.8〜8.9-低介玻璃4.14553.05(7070玻璃)氧化铝陶瓷9-10.5-6.3-7.5(90%-95%)Ah03,转变点是指玻璃材料固态到粘滞态转变温度，玻璃绝缘子外壳使用的最高温度。5.3.6常用金属外壳引线材料一般可选择的引线材料有4J29ஹ4J50ஹ铜芯4J50(铜芯与丝外径比为1:3),4J29用于匹配型封接,4J50ஹ铜芯4J50用于压力型封接，4J50材料应符合YB/T5235的规定。常用引线材料性能参考值见表3。表3常用引线材料性能参考值电阻率线膨胀系数(20"C〜300℃)引线材料典型牌号备注pQ•cm10-7℃铁银钻合金4J29485.3-铁保合金4J50439.5一铜芯复合材料铜芯4J501211.5(径向)铜芯比1:3,直径1.0铜TU11.717.6-4

7SJ/Z21329-20185.3.7常用金属外壳钎焊焊料一般可选择的焊料有Ag（纯度优于99.9%）、Ag72Cu28和Au80Sn20,Ag应符合SJ/T10753的规定,Ag72Cu28应符合SJ/T10753的规定，Au80Sn20应符合SJ/T10414-2015的规定，各焊料的熔点值见表4。表4常用焊料熔点值熔点材料℃Ag961Ag72Cu28779Au80Sn202805.3.8材料搭配推荐表一般基体材料、绝缘材*5.4名镀轲下：a)却］选择R,性、n’可键合性、面的要求;b)年层或镀锡层作为外引线的表面镀层；虱为复合镀层的底层镀层；c)般触表层镀层，应用于A1丝键合的引线d)化镀金^合或锡焊的引线，软钎煤的壳避度应优于99.9%,最大努氏e)硬度为90：剂；镀锡层一般用型型f)对需要盐雾试验温g)体镀银，需要壳体镀金的，推荐壳体金层大于1.0|imh)镀层厚度检测方法按SJ20129的规定。表6为一般镀层应用推荐。表6一般镀层应用推荐种类引线锡焊金丝键合铝丝键合平行缝焊储能焊锡封引线镀金/全镀金VVVV引线镀锡/全镀锡VXXXX全镀镇VXVVVX注：“J”表示推荐，“X”表示不推荐。5

8SJ/Z21329-20185.5结构设计5.5.1外壳底座一般成型方式金属封装外壳底座对内部电路提供密封、机械支撑、I/O信号的连接、环境保护等作用，外壳的结构设计应综合考虑器件对散热、电传导、绝缘、密封、机械支撑、重量、内部电路的装配、外围电路的电连接、器件固定安装等方面的要求。底座一般成型方式见图2〜图4。二二二二二二二图3机械切削成型外壳示意图6

9SJ/Z21329-2018T~~~--T图4两体钎焊成型式外壳示意图允许使用本指南未涵盖的成型方式。5.5.2外壳紧固结构一般形式根据外壳固定紧固安装需求，可以在外壳成型法兰设计安装孔或钎焊螺钉等，示意图见图5〜图6。图6带螺钉外壳固定结构示意图5.5.3平底外壳的凸缘结构冲压平底类外壳，其凸缘结构一般分为以下两类：A型一般用于锡焊封帽，B型一般用于储能焊封帽，示意图见图7。7

10SJ/Z21329-2018a)A型b)B型图7凸缘下意图5.5.4密封方式金属外壳的密封方式主要分为玻璃封接和陶瓷钎焊封接：a)玻璃封接，玻璃封接主要通过玻璃自身与金属基座形成紧密界面密封的方式，示意图见图8；b)图10陶瓷条与金属钎焊封接方式剖面示意图5.5.5I/O接口形式金属封装外壳的I/O接口是内部封装电路和外部设备联通信号的通道，主要有以下几种形式：a)框架引线，框架引线示意图见图11,一般采用板料蚀刻成型，0.25mm厚，0.38mm宽，引线间距为1.27mm或2.54mm,外部采用1mm〜2mm的框架连接，一般用于内部键合，外部贴装的I/O接口；8

11SJ/Z21329-2018b钉头引线，钉头引线示意见图12,钉头引线主要用于直插式腔体外壳的I/O接口，采用模具挤压成型，端头与内部电路一般采用金丝或铝丝键合，钉头直径一般为引线直径的1.5倍，能为在引线直径不变的情况下，内部提供更大的键合面积，满足键合质量要求；图12钉头引线示意图C高载流引线，对承载电流较大的引线，可采用铜芯4J50或对焊引线，铜芯4J50引线是在4J50引线芯部包铜，一般铜芯与总体直径比为1:3,满足密封可靠性要求的同时减小电阻，增加引线的电流承载能力，见图13。对焊引线是短引线部分采用4J29或4J50粗直径引线，用于玻璃封接,外部较长和较细的部分采用铜材料，减小整体引线电阻，增加引线的电流承载能力，见图14。4J50第图14对焊引线示意图d扁头引线，扁头引线主要用于扁平式腔体外壳的I/O接口，采用模具挤压成型，端头与内部电路可采用锡焊、金丝或铝丝键合，见图15,扁头引线尺寸一般按公式（1）和公式（2）计算所得结果进行设计。9

12SJ/Z21329-2018(1)式中:（5立为毫米mm；,单位为毫米Fmmo......(2)式L）；立为毫米mm5.6外金属，卜参数设t求如下:aL差零件,的直径一般木湖度;b0.45mmt.插式外壳内引线东称高度一般不大于平式外壳内弓修用于4插式外壳内引线mm扁平式外壳内引线设计标称长.5mmc)对勺钉头引线和扁平引线，倾斜控制按照GJB2440A-寸录A.3.4.3ஹ附录A.3.4.4求:d)对于匹如图17,封接厚度应不低于1e)对于扁平玻璃封接区距土寸口面也,距底板最小距离x为0.5mm图16扁平外壳示意图f对于压力型封接组合，封接厚度t应不低于1.5mm,见图17；g对于压力型封接组合，按公式（3）计算结果进行设计，见图17；0.25WQD—d/2tW0.50................................................................（3）式中：D—玻璃孔直径，单位为毫米mm；d一引线线径，单位为毫米mm；t---封接厚度，单位为毫米mm。10

13SJ/Z21329-2018图17单孔压力封接参数示意图h对于压缩型封接组合，对多孔情况，引线孔之间的金属壁厚度上一般不小于引线孔径。，推荐E/QN1.0,不推荐〃D<0.5图18多孔压力封接示意图i陶瓷珠可以与4J50铜芯引线、铜引线钎焊密封。陶瓷珠钎焊封接，推荐£值大于0.5mm஺5.7电性能设计电性能设计要求如下：a外壳有耐压要求时，在检测时间为1minஹ漏电流1mA的条件下，金属间玻璃绝缘宽度可以按照交流1400V/mm进行设计，设计中应考虑引线位置偏差极限值,并留有15%以上的安全裕度;b器件工作电流较大、引线上的压降要求较低时，推荐采用铜芯复合引线，表7为不同材料、不同直径引线载流参考值；表7不同直径引线承载电流规格推荐设计电流材料mmA(P0.45W1.04J29(p1.00W5.5q>0.45<1.2q)0.80<4.04J50q)1.00W6.0(P1.50W12.0cp0.64W4.0(p0.76W6.0铜芯4J50(p1.00<10.0q>L50<20.0(p2.00W30.0c阻抗设计，同轴式阻抗按照公式（4）计算。11

14SJ/Z21329-2018式中：Z—阻抗，单位为欧姆Q；£一介电常数；D—玻璃孔直径，单位为毫米mm；d—引线直径，单位为毫米mm。5.8公差设计5.8.1冲压型外壳外形图尺寸和公差冲压型外壳尺寸公差见图19。单位为毫米>10.16±0.25引线跨距e1(10.16±0.20>2.54±0.20引线节距eW2.54±0.15>10.16±0.25(஻Xe)二a<10.16±0.20引线直径A(W0.50mm)±0.05±0.13内引线高度力±0.20外引线长度£±0.38图19典型冲压型外壳尺寸公差示意图12

15SJ/Z21329-20185.8.2机械切削加工外壳尺寸公差机械切削加工外壳尺寸公差见图20。单位为毫米机械切削加工外壳一般公差从K月、EஹD±0.20平面度1±0.10>2.54±0.20弓1线节距eW2.54±0.13'>10.16±0.25(“Xe)=etW10.16±0.20j<0.64±0.05引线直径〃20.64±0.10内引线长度L\±0.20外引线长度£±0.30<10.16±0.20.侧面引线高度Q240.16±0.25'图20典型切削加工外壳尺寸公差示意图5.9设计验证5.9.1通则外壳的设计验证包括数值仿真和实际设计验证，若设计中采用了未经验证的新结构、新工艺、新材料等，需进行设计验证，可选择性进行热仿真和应力仿真以及实际设计验证。若设计中采用了已经验证的结构、工艺、材料等，或已鉴定产品平台技术的拓展应用，则不需进行设计验证。5.9.2热仿真结到壳的热阻应符合设计输入要求。13

16SJ/Z21329-20185.9.3电性能仿真电性能仿真要求如下：a外壳引出端与对应键合点之间的引线电阻应符合设计输入要求；b外壳频率性能参数，如延迟、阻抗等应符合设计输入要求。5.9.4环境适应性仿真应对以下三种应力进行仿真：a封盖后密封试验时外壳所受应力；b恒定加速度/机械冲击试验时外壳所受应力；c热冲击/温度循环等试验时外壳或引出封接处所受热应力。5.9.5实际设计验证按照产品设计输入要求吵相顺鬲1E节N5.10设计输出设计输出形成沙瘦由子-----设计文件图等应包括产品整件直到组成产品的最小单元的设计图纸。\设计文件?纷卷句所参考SJ/T207.1,设计文件格式参玉设计文件编号参考SJ/T207.4。/密掇掇布双髅图\常用|理」耳帽）形加平行缝焊、储能塌长其形式，;台阶盖主要用十号等（如图21）,拉延盖帽主卜母磁能焊封慑赋口图22）。［霾I女I图22拉延盖帽示意图6.1.2台阶盖板厚度设计盖板材料为4J42或4J29时，为保证外壳有一定的强度，台阶盖板的边缘厚度一般为0.15mm,边缘宽度一般为底座封口宽度加0.2mm〜0.4mm之间，盖板的中心厚度推荐值见表8。14

17SJ/Z21329-2018表8盖板中心厚度设计推荐表封盖周长4<120nun>120nun盖板中心厚50.25mm0.40mm6.1.3拉延盖帽壁厚设计当盖帽材料为碳素结构钢时，为保证外壳有一定的强度，盖帽的壁厚推荐值见表9。表9盖帽壁厚设计推荐表盖帽周KAW120mm120nun〜260mm>260mm盖帽壁厚§0.35nun0.50mm0.80mm■15

188OZ—6Z8Rzஹrs中华人民共和国电子行业标准金属外壳设计指南SJ/Z21329-2018中国电子技术标准化研究院编制中国电子技术标准化研究院发行电话:(010)64102612传真：(010)64102617地址：北京市安定门东大街1号邮编：100007网址：ww.cesi.cn开本：880X12301/16印张：字数：30千字42018年5月第一版2018年5月第一次印刷印数：200册定价：50.00元版权专有不得翻印举报电话:(010)64102613