CN102358616A - 玻璃管与mems芯片气密性烧结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，它包括主体机座、加热炉体、升降调节件和升降压力调节手柄，截止阀和抽气连接件等。本发明的装置中，采用两个MEMS芯片与玻璃管烧结在一起，玻璃管与抽真空设备相连抽真空，让玻璃管与通过玻璃粉将两个MEMS芯片烧结在一起，形成真空微腔，解决了传统装置中的玻璃浆料烧结产生的有机气体释放于真空微腔中无法排除的问题，其真空度可达5×10^-6Pa，并提高了高精度谐振型压力传感器产品的合格率。本发明适用于微机电系统制造中的谐振型压力传感器的封装工艺以及集成电路制造领域。

Description

玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置

技术领域

本发明涉及一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，适用于微机电系统(MEMS)制造中的谐振型压力传感器的封装工艺以及集成电路制造领域。

背景技术

微机电系统(MEMS)是将微机械结构、传感器、执行器和控制处理电路集成在一起，大大提高了稳定性和可靠性，是整机向小型化、轻量化发展所需的关键元件。MEMS的封装与集成电路封装有着显著区别，其封装要求气密性封装、真空封装、能感应外界信息等等。

对于高精度谐振型压力传感器的封装工艺，目前常规的方法是：采用玻璃浆料做粘接剂，用丝网模制作图形，将玻璃浆料涂在芯片上形成环形浆料环，先进行预烧结，挥发掉玻璃浆料的水分和有机溶剂，再将芯片与芯片之间对位后，在真空下加热到400-500℃进行真空烧结。此种方法中，其烧结用的玻璃浆料会挥发出水分和有机溶剂，释放在传感器局部真空微腔中，使真空微腔的真空度得不到有效控制，严重影响真空微腔的真空度，其真空度在10-4Pa左右。

发明内容

为克服常规高精度谐振型压力传感器封装工艺中的真空微腔真空度不能有效控制的问题，本发明提供一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，提高真空微腔的真空度，实现真空微腔真空度的有效控制，同时提高高精度谐振型压力传感器产品的合格率。

为实现上述目的，本发明解决上述技术问题所采取的技术方案在于：一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，包括有：

主体机座(1)、加热炉体(2)、升降调节件(22)、升降压力调节手柄(23)和抽气连接件(15)，其中，加热炉体(2)和接线座(10)均固定在主体机座(1)上，隔热石棉板(3)水平位于加热炉体(2)内底部，石英船(6)底部连接有石英玻璃导管(4)，石英玻璃导管(4)位于隔热石棉板(3)上，石英船(6)放置于加热炉体(2)的中间，电炉丝(5)位于石英玻璃导管(4)内，电炉丝(5)的两头通过绝缘陶瓷(11)与接线座(10)连接，高温隔热石棉(12)填充石英船(6)四周，石墨板(7)位于石英船(6)内，双层陶瓷片(8)水平放置在石墨板(6)上，石英环(9)位于双层陶瓷片(8)中间，高温隔热石棉(12)填充加热炉体(2)内空隙，炉体盖板(13)加盖在加热炉体(2)上，主体机座(1)的立柱(14)上连接有固定手柄(21)、升降调节件(22)和抽气连接件(15)，抽气连接件位于加热炉体(2)的上部，抽气连接件(15)用卡环(20)O型密封圈(21)与截止阀(24)连接，在抽气连接件(15)上装有硅橡胶O型密封圈(16)、不锈钢垫圈(17)和玻璃管连接螺母(18)，升降压力调节手柄(23)和截止阀开关手柄(25)分别位于升降调节件(22)和截止阀(24)上。

所述双层陶瓷片(8)的每层厚度为300～500微米，上层陶瓷片中部开有一个与芯片外部大小一样的方孔，以定位芯片，下层陶瓷片是为避免石墨板(7)加热后在空气中氧化产生石墨粉末。

在所述双层陶瓷片(8)中间有石英环(9)，石英环(9)的直径为50mm、高为20mm，高温隔热石棉(12)填充于加热炉体(2)的内空隙，以固定石英船(6)以及石英环(9)，炉体盖板(13)加盖于炉体上，盖板中间开一直径为50mm的圆孔。

所述石英船(6)的长宽高分别为100mm×100mm×10mm，在加热炉体(2)的中间，石英船(6)下面烧有9根长100mm的石英玻璃导管(4)，电炉丝(5)穿入石英玻璃导管(4)内，通过绝缘陶瓷(11)连接在接线座(10)上，石英船(6)内放入石墨板(7)，石墨板(7)的厚度为9～11mm。

所述抽气连接件(15)和不锈钢垫圈(17)的内径均为2.5～3.2mm。

有益效果：

1)本发明的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置中，采用两个MEMS芯片与玻璃管烧结在一起，玻璃管与抽真空设备相连抽真空，让玻璃管与通过玻璃粉将两个MEMS芯片烧结在一起，形成真空微腔。本发明的装置解决了传统装置中的玻璃浆料烧结产生的有机气体释放于真空微腔中无法排除的问题，其真空度可达5×10^-6Pa，同时，使高精度谐振型压力传感器产品的合格率从原来的30％提高到了70％。

2)通过上下移动的升降调节件(22)和抽气连接件(15)，将玻璃管烧结端与MEMS芯片的通孔相对准，让玻璃管与MEMS芯片牢固地烧结在一起，解决了因玻璃管的端面不平整，而影响烧结的问题。

附图说明

图1是本发明的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置的整体结构视示意图；

图2是本发明图1中的加热炉体2的A-A向剖视结构示意图：

图3是本发明图1中的加热炉体2的B-B向剖视结构示意图：

图4是本发明图1中的抽气连接件15与截止阀24的C-C向连接剖视示意图：

图5是本发明图1中的加热炉体2的俯视结构示意图：

图6是本发明图1中的整体结构剖视示意图。

在图1-6中，1为主体机座，2为加热炉体，3为隔热石棉板，4为石英玻璃导管，5为电炉丝，6为石英船，7为石墨板，8为双层陶瓷片，9为石英环，10为接线座，11为电炉丝与炉体间的绝缘陶瓷管，12为高温隔热石棉，13为加热炉体盖板，14为主体机座上立柱，15为抽气连接件，16为抽气连接件与玻璃管间的硅橡胶O型密封圈，17为不锈钢垫圈，18为玻璃管连接螺母，19为卡环，20为卡环与抽气连接件间的O型密封圈，21为固定手柄，22为升降调节件，23为升降压力调节手柄，24为截止阀，25为截止阀开关手柄，26为抽真空接口。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明为玻璃管与芯片气密性烧结装置，包括：1)主体机座和加热炉体，2)升降压力调节结构，3)玻璃管和抽真空连接机结构，等几个主要部分。其整体结构示意图如图1所示。

图1是本发明的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置的整体结构视示意图。图1中，主体机座(1)的总厚度为20-40mm，保证主体机座(1)有足够的强度，加热炉体(2)和接线座(10)用螺丝连接在主体基座(1)上，主体机座(1)的立柱(14)上用固定手柄(21)连接有升降调节件(22)和截止阀(24)。

图2是本发明图1中的加热炉体2的A-A向剖视结构示意图。图3是本发明图1中的加热炉体2的B-B向剖视结构示意图。

图2和图3中，隔热石棉板(3)水平放入加热炉体(2)底部内，电炉丝(5)穿入石英船(6)下面的石英导管(4)内，石英船(6)是用石英玻璃烧制成长宽高分别为100mm×100mm×10mm的正方形，石英船(6)下面有9根长100mm的石英玻璃导管(4)。

石英船(6)放于加热炉体(2)的中间，用高温隔热石棉(12)填充石英船(6)四周，为防止电炉丝(5)与炉体外壳短路，电炉丝(5)通过绝缘陶瓷管(11)引出炉体外，连接在接线座(10)上；石墨板(7)放在石英船(6)内，石墨板(7)厚度为9～11mm；石墨板(8)上放入双层陶瓷片(8)，每层陶瓷片厚300-500微米，其下层陶瓷片防止石墨在高温下氧化产生粉末，其上层陶瓷片中间开有一方孔，与芯片外形大小一样，以固定芯片；在双层陶瓷片(8)中间有石英环(9)，石英环(9)的直径50mm、高20mm，防此粉末污染芯片，用高温隔热石棉(12)填充加热炉体(2)内空隙，以固定石英船(6)以及石英环(9)；炉体盖板(13)加盖在炉体上，盖板中间开一直径50mm的圆孔。

图4是本发明图1中的抽气连接件夹头(15)与截止阀(24)的C-C向连接剖视示意图。图4中，玻璃管连接螺母(18)、不锈钢垫圈(17)和硅橡胶O型密封圈(16)用来装夹玻璃管的接头，紧固于抽气连接件(15)上，抽气连接件(15)用卡环(19)和O型密封圈(20)与截止阀(24)连接，其中，抽气连接件(15)、不锈钢垫圈(17)的内径为2.5～3.2mm。

图5是本发明图1中的加热炉体(2)的俯视结构示意图。图5中，立柱(14)连接在主体基座(1)上，用来支撑升降调节件(22)、截止阀(24)、抽气连接件夹头(15)，接线座(10)连接电炉丝(5)与电源相连，绝缘陶瓷管(11)与加热炉体(2)连接，双层陶瓷片(8)放置于加热炉体(2)的中间，加热炉体盖板(13)固定在加热炉体(2)上。

本发明的玻璃管与芯片气密性烧结装置的结构剖视示意图如图6所示。本发明的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结的具体工艺步骤如下：

1)将垫圈(17)、硅橡胶O型密封圈(16)套在待烧结的玻璃管上，通过连接螺母(18)与抽气连接件(15)连接，用扳手紧固玻璃管连接螺母(18)，使硅橡胶O型密封圈(16)形变挤紧玻璃管，用卡环(19)和O型密封圈(20)把装夹好的玻璃管与截止阀(24)连接。

2)用金属镊子将待与玻璃管烧结的MEMS芯片放入双层陶瓷片(8)上层陶瓷的方框内，待烧结面朝上，正对截止阀(24)上面的待烧结的玻璃管。

3)将固定的玻璃管通过升降压力调节手柄(23)慢慢地向下移动，最终让玻璃管垂直正接触所述步骤2)中待烧结的MEMS芯片，玻璃管的内孔要与待烧结的MEMS芯片的通孔对准，保证玻璃管能够将MEMS芯片上所形成的微腔是相通的，能够通过玻璃管抽MEMS芯片上所形成的微腔的真空，如果玻璃管与MEMS芯片的通孔没对准，可移动上层陶瓷片和固定手柄(21)，使玻璃管与MEMS芯片的通孔对准。

4)将一个带调压器的电源连接在接线座(10)上，用调压器调节加热电压，使加热电炉丝(5)升温，控制电炉丝的加热温度，温度在600-700℃。

5)电炉丝加热，通过石英船6、石墨板7、双层陶瓷片8将热量传给待烧结的MEMS芯片，待烧结的玻璃管与待烧结的MEMS芯片接触的一端也会获得热量，在高温(600-700℃)的下慢慢熔化，等待几秒钟，用升降压力调节手柄(23)将固定好的玻璃管缓慢地向下施加压力，让与芯片完成气密性烧结。待烧结完成，慢慢地调节升降压力调节手柄(23)，让玻璃管向上移动，玻璃管与MEMS芯片已经烧结在一起，玻璃管与MEMS芯片一起离开加热面，冷却10分钟后，玻璃管与MEMS芯片已经冷却至室温，完全烧结在一起，完成了玻璃管与MEMS芯片的气密性烧结。

6)松开固定手柄(21)，取下升降调节件(22)和截止阀(24)，通过真空接口(26)与真空管道连接在高真空低温泵上，打开截止阀开关手柄(19)，对烧结好的玻璃管与芯片微腔进行抽真空，当真空达到5×10^-6Pa或更高的高真空后，用乙炔火焰烧玻璃管的中间部位，乙炔火焰的高温让玻璃管局部逐步熔化并收缩，最后，玻璃管被密封并与抽真空的管道断开。因此保证了芯片空腔内处于高真空，达到了高真空封装的目的。

Claims (5)

1.一种玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，其特征在于：包括有主体机座(1)、加热炉体(2)、升降调节件(22)、升降压力调节手柄(23)和抽气连接件(15)，其中，加热炉体(2)和接线座(10)均固定在主体机座(1)上，隔热石棉板(3)水平位于加热炉体(2)内底部，石英船(6)底部连接有石英玻璃导管(4)，石英玻璃导管(4)位于隔热石棉板(3)上，石英船(6)放置于加热炉体(2)的中间，电炉丝(5)位于石英玻璃导管(4)内，电炉丝(5)的两头通过绝缘陶瓷(11)与接线座(10)连接，高温隔热石棉(12)填充石英船(6)四周，石墨板(7)位于石英船(6)内，双层陶瓷片(8)水平放置在石墨板(6)上，石英环(9)位于双层陶瓷片(8)中间，高温隔热石棉(12)填充加热炉体(2)内空隙，炉体盖板(13)加盖在加热炉体(2)上，主体机座(1)的立柱(14)上连接有固定手柄(21)、升降调节件(22)和抽气连接件(15)，抽气连接件位于加热炉体(2)的上部，抽气连接件(15)用卡环(20)O型密封圈(21)与截止阀(24)连接，在抽气连接件(15)上装有硅橡胶O型密封圈(16)、不锈钢垫圈(17)和玻璃管连接螺母(18)，升降压力调节手柄(23)和截止阀开关手柄(25)分别位于升降调节件(22)和截止阀(24)上。

2.根据权利要求1所述的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，其特征在于：所述双层陶瓷片(8)的每层厚度为300～500微米，上层陶瓷片中部开有一个与芯片外部大小一样的方孔，以定位芯片，下层陶瓷片是为避免石墨板(7)加热后在空气中氧化产生石墨粉末。

3.根据权利要求1所述的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，其特征在于：在所述双层陶瓷片(8)中间有石英环(9)，石英环(9)的直径为50mm、高为20mm，高温隔热石棉(12)填充于加热炉体(2)的内空隙，以固定石英船(6)以及石英环(9)，炉体盖板(13)加盖于炉体上，盖板中间开一直径为50mm的圆孔。

4.根据权利要求1所述的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，所述石英船(6)的长宽高分别为100mm×100mm×10mm，在加热炉体(2)的中间，石英船(6)下面烧有9根长100mm的石英玻璃导管(4)，电炉丝(5)穿入石英玻璃导管(4)内，通过绝缘陶瓷(11)连接在接线座(10)上，石英船(6)内放入石墨板(7)，石墨板(7)的厚度为9～11mm。

5.根据权利要求1所述的玻璃管与MEMS芯片气密性烧结装置，所述抽气连接件(15)和不锈钢垫圈(17)的内径均为2.5～3.2mm。

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