CN101049904B - 一种真空封装方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种真空封装方法，其特征在于：在封装空间的外围还包围一个或多个缓冲的过渡空间，以降低真空封装泄漏率。所用的真空封装装置包括管帽和管座，在管帽或管座的中部开有凹槽，该凹槽构成封装空间，将器件密封在其中，其特征在于：在管帽(2)或管座(1)上设置有第一环形筋(4)和第二环形筋(5)，第二环形筋(5)被包围在第一环形筋(4)之内，在第二环形筋(5)与第一环形筋(4)之间形成第一环形凹槽(6)。本发明能降低封装后泄漏到器件所在的封装空间的气体泄漏率，提高封装空间的真空度。本发明适于各种真空封装如真空熔融封装、真空回流焊封装、圆片级真空封装及其它真空封装等。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空封装技术，特别是一种真空封装方法及其装置。
背景技术
经过十几年的发展，MEMS(即微机电系统)芯片已经相当成熟，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其主要原因是没有解决封装问题。目前，MEMS封装外壳主要是用于气密封装环境中，无法在真空封装中使用。这是因为真空封装对封装外壳的要求更高：在气密封装中，壳体内压力较大，内外压力差小，泄漏率就小；在真空封装中，壳体内的压力较低，内外压力差大，泄漏率就大。而且由于真空封装的内外压力差大，长时间保持壳内静态真空环境非常困难，要解决这样的问题一是提高封装的质量，二是降低器件的泄漏率。目前，在现有的技术条件下，封装质量的提高已经不大，可以实现的方式就是降低器件的泄漏率。
经过研究发现实现长时间可靠真空保持，需要达到一个很低的泄漏率水平。一个内部封装体积为2cm3的器件，假设漏率不变的情况下，如果其初始封装的真空度在10Pa，气压变化50％作为失效判据，需要保持5年以上的话，其泄露率需要10E-13Pa m3/s以下，这在目前许多封装工艺水平下是无法达到的。因此在目前的气密工艺水平下，封装空间可以长时间保持的压力只有几千帕。这样的一个水平显然无法满足目前对于真空封装的要求。
同时，其它很多气密性的场合也需要很低的泄漏率。这样的要求，现有的技术条件显然是无法满足的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种真空封装方法及其装置。本发明能降低封装后泄漏到器件所在的封装空间的气体泄漏率，提高封装空间的真空度。
为实现上述目的，本发明提供一种真空封装方法及其装置，其特征在于：本发明方法是在封装空间的外围还包围一个或多个缓冲的过渡空间，以降低真空封装泄漏率。
本发明所用的真空封装装置包括三类结构：
第一类：
1、真空封装装置包括管帽和管座，在管帽或管座的中部开有凹槽，该凹槽构成封装空间，将器件密封在其中，其特征在于：
在管帽或管座上设置有第一环形筋和第二环形筋，第二环形筋被包围在第一环形筋之内，在第二环形筋与第一环形筋之间形成第一环形凹槽，第一环形凹槽构成第一个过渡空间。
2、在上述基础上，在第二环形筋和第一环形筋之间、管帽的侧壁内开有第二环形凹槽，第二环形凹槽与第一环形凹槽相通。
3、在上述基础上，在管帽上设置有第三环形筋，在第三环形筋与第二环形筋之间形成第三环形凹槽，第三环形凹槽构成第二过渡空间。
4、在上述基础上，将第二环形筋、第三环形筋均设置于管帽的法兰上。
上述的任一真空封装装置中的各环形筋的横截面形状是三角形、梯形或圆弧形。
第二类：
1、真空封装装置包括管帽和管座，在管帽或管座的中部开有凹槽，该凹槽构成封装空间，其特征在于：
在管帽的法兰或管座上，设置有封闭形的第一焊料、第二焊料，在第二焊料与第一焊料之间形成第一环形凹槽，第一环形凹槽构成第一过渡空间。
2、在上述基础上，在第二焊料和第一焊料之间、管帽的侧壁内开有第二环形凹槽，第二环形凹槽与第一环形凹槽相通。
第三类：真空封装装置包括上基板、下基板，上基板、下基板通过内层键合材料封装在一起，形成封装空间，其特征在于：在上基板、下基板之间设置有内层键合材料、外层键合材料，在外层键合材料与内层键合材料之间设置有缓冲环形凹槽，形成过渡空间。
本发明还可以有其它技术方案，运用于其它要求较低泄漏率水平的场合，如阀门或其它要求气密性的场合等。
本发明真空封装方法是在封装空间的外层设置过渡空间，外界气体或水汽从工作环境通过微孔先泄露到过渡空间中，再由过渡空间泄露到封装空间，由于起缓冲作用的过渡空间的存在，而使器件所在的封装空间和过渡空间之间的压力差与封装空间和外界环境之间直接泄漏相比，压力差小很多，从而起到降低泄漏率的效果；本发明装置采用环形筋、环形凹槽及由焊料、形成的过渡空间从结构上保证了起缓冲作用的过渡空间的存在。本实践证明，本发明真空封装方法及其装置可显著改善封装空间的真空度；从而达到降低泄漏率，改善封装空间的真空度。发明也适用于其它需要低泄漏率的场合。
本发明相比现有技术具有以下优点：
(1)本方法可以在真空封装后提供一个或多个过渡空间，过渡空间与器件所在的封装空间的压力差就小于过渡空间与外界之间的压力差，从而降低封装后泄漏到器件所在的封装空间的气体泄漏率，提高了封装空间的真空度。
(2)现有的技术条件下容易实现。
(3)本发明不仅可以运用于MEMS器件级真空封装，也可以用于圆片级MEMS真空封装，适用范围广。
(4)可以实现长时间的真空保持。
综上所述，本发明能降低封装后泄漏到器件所在的封装空间的气体泄漏率，提高了封装空间的真空度。本发明适于各种真空封装如真空熔融封装、真空回流焊封装、圆片级真空封装及其它真空封装等。
附图说明
图1为现有技术真空熔融封装外壳的结构示意图。
图2是本发明第一类装置中的第一种真空熔融封装装置的截面图。
图3是图2中管帽2的截面图。
图4是图3的俯视图。
图5是本发明第一类装置中的第二种真空熔融封装装置中管帽2的截面图。
图6是图5的俯视图。
图7是本发明第一类装置中的第三种真空熔融封装装置中管帽2的截面图。
图8是图7的俯视图。
图9是本发明第一类装置中的第四种真空熔融封装装置中管帽2的截面图。
图10是图9的俯视图。
图11是图9中的局部I处的放大图。
图12是本发明第二类装置中的真空回流焊封装装置的截面图。
图13是本发明第三类圆片级真空封装装置的俯视图。
图14是图13中A-A剖面放大图(只示出1个划片单元)。
图15是图13中的下基板14的剖面图。
图16是图13中的去掉上基板的剖面图。
图中代号
1管座 管帽2 3凹槽 4第一环形筋 5第二环形筋
6第一环形凹槽 7第二环形凹槽 8第三环形筋 9第三环形凹槽
10第二焊料 11第一焊料 12上基板 13器件
14下基板 15凹槽 16内层键合材料 17外层键合材料
18缓冲环形凹槽
具体实施方式
本发明方法是在封装空间的外围还包围一个或多个缓冲的过渡空间，以降低真空封装泄漏率。如图1为现有技术真空熔融焊封装外壳的结构示意图，该真空熔融焊封装外壳包括管座1和管帽2，在管帽2上开有凹槽3构成封装空间，用于放置MEMS器件，在管帽2的法兰上设置有第一环形筋4；在构成封装空间的凹槽3的墙外，无缓冲过渡空间。以下为带有过渡空间的封装装置的实施例：
实施例1
图2～图4所示为第一类第一种装置，即MEMS器件真空熔融焊封装装置，包括管座1和管帽2；在管帽2的中部开有凹槽3，在管帽2的法兰上设置有第一环形筋4，在第一环形筋4内、在管帽2上设置有第二环形筋5，在第二环形筋5与第一环形筋4之间形成第一环形凹槽6。管座1与管帽2通过第一环形筋4与第二环形筋5通电熔化连接。当真空封装后，凹槽3构成封装空间，第一环形凹槽6构成第一过渡空间，封装空间和过渡空间之间具有一定的真空度差值。
使用时，外界气体或水汽从工作环境通过管座1和管帽2之间的微孔先泄露到过渡空间中，再由过渡空间泄露到封装空间，由于起缓冲作用的过渡空间的存在，而使器件所在的封装空间和过渡空间之间的压力差与现有图1所示的真空熔融焊封装外壳的封装空间和外界环境之间的压力差小很多，从而起到降低泄漏率的效果。
实施例2
由图5～图6所示第一类第二种真空熔融焊封装装置，该实施例与实施例1的不同之处在于：在第二环形筋5和第一环形筋4之间、在管帽2的侧壁内开有第二环形凹槽7，第二环形凹槽7与第一环形凹槽6相通。第二环形凹槽7和第一环形凹槽6共同构成过渡空间，过渡空间的体积增大，缓冲的效果要好。
实施例3
由图7～图8所示为第一类第三种真空熔融焊封装装置，该实施例与实施例2的不同之处在于：在管帽2上设置有第三环形筋8，在第三环形筋8与第二环形筋5之间形成第三环形凹槽9，第三环形凹槽9构成第二过渡空间。
实施例4
由图9～图11所示为第一类第四种真空熔融焊封装装置，该实施例与实施例3的不同之处在于：所述第二环形筋5、第三环形筋8均位于管帽2的法兰上。此种实施例在实际封装中比较容易实现。
不难看出，本发明还可设计成含有二个以上过渡空间的结构形式，且过渡空间可以设置在管帽或管座上。
上述的实施例中，各环形筋如第一环形筋4、第二环形筋5、第三环形筋8的横截面的形状可以是三角形、梯形或圆弧形等。
实施例5
如图12所示为第二类第一种装置，即MEMS器件真空回流焊封装装置，包括管座1和管帽2；在管帽2的中部开有凹槽3，在管帽2的法兰或管座1上设置有第一焊料11，在管帽2或管座1上设置有第二焊料10，在第二焊料10与第一焊料11之间形成第一环形凹槽6(不包括图12中的第二环形凹槽7，环形凹槽6和7是分开的)。管座1与管帽2通过第一焊料11与第二焊料10加热后，熔化连接在一起。真空封装后，凹槽3构成封装空间，第一环形凹槽6构成第一过渡空间。
实施例6
如图12所示为第二类中的第二种真空回流焊封装装置，与实施例5的不同之处在于：在内层环形焊料10和外层环形焊料11之间、管帽2的侧壁内开有第二环形凹槽7，第二环形凹槽7与第一环形凹槽6相通。第二环形凹槽7与第一环形凹槽6共同构成第一过渡空间，使封装空间与过渡空间之间具有一定的真空度差值。
同样，上述的真空回流焊封装装置也可设计成含有二个以上过渡空间的结构形式，且过渡空间可以设置在管帽或管座上。
实施例7
如图13～图16所示为第三类MEMS圆片级真空封装装置，其中图14～16为图13圆片中(包括若干相同单元划片)的一个单元划片的截面放大图，包括上基板12、下基板14，在下基板14的中部开有凹槽15，在下基板14上设置有内层键合材料16和外层键合材料17，在下基板14上通过腐蚀、光刻或其他方法形成缓冲环形凹槽18。上基板12与下基板14通过内层键合材料16和外层键合材料17加热真空封装后，凹槽15构成封装空间，MEMS器件13位于凹槽15中，缓冲环形凹槽18构成过渡空间，封装空间与过渡空间之间具有一定的真空度差值。键合材料可为铝或玻璃等。
外界气体或水汽从工作环境通过上基板12与下基板14之间的微孔先泄露到过渡空间中，再由过渡空间泄露到封装空间，由于起缓冲作用的过渡空间的存在，而使器件所在的封装空间与过渡空间之间的压力差比现有封装空间与外界环境直接相通的压力差小很多，从而起到降低泄漏率的效果，以满足真空封装的要求。
Claims (9)
1.一种真空封装方法，其特征在于：采用的封装外壳包括由整体材料制成的管座和由整体材料制成的管帽，在管帽上开有凹槽构成封装空间；在所述的管帽和管座之间的边沿处，在所述的封装空间的外围还包围一个或多个缓冲的过渡空间，以降低真空封装泄漏率。
2.根据权利要求1所述的真空封装方法用的真空封装装置，其特征在于：
在管帽(2)或管座(1)上设置有与管帽(2)或管座(1)成整体的第一环形筋(4)和第二环形筋(5)，第二环形筋(5)被包围在第一环形筋(4)之内，在第二环形筋(5)与第一环形筋(4)之间形成第一环形凹槽(6)，所述的第一环形凹槽(6)即所述的缓冲的过渡空间。
3.根据权利要求2所述的真空封装装置，其特征在于：在第二环形筋(5)和第一环形筋(4)之间、管帽(2)的侧壁内开有第二环形凹槽(7)，第二环形凹槽(7)与第一环形凹槽(6)相通。
4.根据权利要求3所述的真空封装装置，其特征在于：在管帽(2)上设置有第三环形筋(8)，在第三环形筋(8)与第二环形筋(5)之间形成第三环形凹槽(9)，所述的第三环形凹槽(9)即另一个所述的缓冲的过渡空间。
5.根据权利要求4所述的真空封装装置，其特征在于：所述第二环形筋(5)、第三环形筋(8)均位于管帽(2)的法兰上。
6.根据权利要求2-5所述的任一真空封装装置，其特征在于：各环形筋的横截面形状是三角形、梯形或圆弧形。
7.根据权利要求1所述的真空封装方法用的真空封装装置，其特征在于：在管帽(2)的法兰或管座(1)上，设置有第一焊料(11)、第二焊料(10)，在第二焊料(10)与第一焊料(11)之间形成第一环形凹槽(6)，所述的第一环形凹槽(6)即所述的缓冲的过渡空间。
8.根据权利要求7所述的真空封装装置，其特征在于：在第二焊料(10)和第一焊料(11)之间、管帽(2)的侧壁内开有第二环形凹槽(7)，第二环形凹槽(7)与第一环形凹槽(6)相通。
9.根据权利要求1所述的真空封装方法用的真空封装装置，其特征在于：所述的管座和管帽分别是上基板(12)和下基板(14)，在上基板(12)、下基板(14)之间设置有内层键合材料(16)、外层键合材料(17)，在外层键合材料(17)与内层键合材料(16)之间设置有缓冲环形凹槽(18)，所述的缓冲环形凹槽(18)即所述的缓冲的过渡空间。
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