CN102830608B - 蒸气室原子钟物理封装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蒸气室原子钟物理封装。在一个示例中，提供了一种芯片级原子钟物理封装。该芯片级原子钟物理封装包括限定腔的主体以及安装在腔内的第一台架。激光器安装在第一台架的第一表面上。第二台架也安装在腔内。第二台架布置成使得第二台架的第一表面面向第一台架。第一光电探测器安装在第二台架的第一表面上。蒸气室安装在第二台架的第一表面上。还包括波片，其中，激光器、波片、第一光电探测器和蒸气室布置成使得来自激光器的光束能够传播穿过波片和蒸气室并且被第一光电探测器探测到。还包括盖，用于覆盖腔。

Description

蒸气室原子钟物理封装
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明通过由美国陆军给予的W15P7T-10-C-B025在政府支持下完成。政府在本发明中享有一定的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年6月13提交的美国临时申请No.61/496,517的优先权的权益，其公开内容在此通过引用并入本文中。
背景技术
用于芯片级原子钟的物理封装可包括激光器、波片、蒸气室和光电探测器以及其它相关电子器件。这些元件可以被容纳在主体内，该主体可以被气密地密封以在主体内形成真空。
发明内容
在一个示例中，提供了芯片级原子钟(CSAC)物理封装。该CSAC物理封装包括限定腔的主体和安装在腔内的第一台架。激光器安装在第一台架的第一表面上。第二台架也安装在腔中。第二台架布置成使得第二台架的第一表面面向第一台架。第一光电探测器安装在第二台架的第一表面上。蒸气室安装在第二台架的第一表面上。还包括波片，其中，激光器、波片、第一光电探测器以及蒸气室布置成使得来自激光器的光束能够传播穿过波片和蒸气室并且被第一光电探测器探测到。还包括用于覆盖腔的盖。
附图说明
应当理解附图仅示出了示例性实施例，并因此不会被认为是对范围的限制，示例性实施例以及附加的特征和细节将通过使用附图来得到描述，附图中：
图1是蒸气室原子钟物理封装的示例的截面图。
图2是蒸气室原子钟物理封装的另一示例的截面图。
图3是图2的蒸气室原子钟物理封装的示例下台架的底视图。
图4是图2的蒸气室原子钟物理封装的示例上台架的顶视图。
图5是图2的蒸气室原子钟物理封装的示例中间台架的底视图。
根据惯例，所描述的各个特征并不按比例绘制，而是被绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。
具体实施方式
在以下细节描述中，附图标记被标注到附图中，附图形成本文的一部分，并且在附图中通过说明的方式示出了特定的说明性实施例。然而，应当理解的是可以采用其它实施例，并且可以进行逻辑方面的、机械方面的以及电气方面的变化。此外，在附图和说明书中提到的方法不被解释为对单独步骤所执行的顺序进行限制。因此，以下详细描述不被认为具有限制的含义。
图1是用于芯片级原子钟(CSAC)物理封装100的示例物理封装的截面图。CSAC物理封装100可包括限定腔103的陶瓷主体102，腔103用于容纳CSAC物理封装100的元件。包括位于腔103中的元件的陶瓷主体102可包括陶瓷无铅芯片载体(CLCC)封装。CSAC物理封装100还可以包括无磁性的(例如陶瓷)盖104，其被构造成装到陶瓷主体102的腔103上以形成包围腔103和其中的元件的闭合封装。在一个示例中，陶瓷盖104具有基本上平坦的形状。可采用软焊密封106将盖104密封于主体102。在一个示例中，盖104可以在真空中被密封于所述主体102。在一个示例中，在不使用焊剂的情况下实现了用于CSAC物理封装100(例如用于将盖104密封到主体102)的管芯附接(die attach)和密封操作，以使得密封的封装中能够形成低气压，这能够实现更低功率的操作。该物理封装可以实现盖104到主体102的批量真空密封。CSAC物理封装100还可以包括吸气膜101，吸气膜101涂覆陶瓷盖104的大部分内表面。
在一个示例中，陶瓷主体102的一侧(例如顶侧)开放，使得主体102限定腔103。盖104可覆盖主体102的开放侧从而封闭腔103。在一个示例中，当从开放侧(例如顶侧)看时，腔103具有大体呈五边形截面的形状。在另一示例中，当从开放侧(例如顶侧)看时，腔103具有大体圆形的截面。在任何情况下，腔103可包括基面105以及一个或多个内侧面107。一个或多个侧面107可具有限定于其中的一个或多个台阶109，其用来例如支撑位于主体102的腔中的结构。
CSAC物理封装100可包括一个或多个台架108、112，用于支撑诸如激光器110、波片111、蒸气室114以及光电探测器116的元件。在一个示例中，台架108、112可包括悬挂在框架中的隔膜。台架108、112还可以包括附接到隔膜的加强构件以为隔膜提供附加结构。为了制造尺寸可被用于CSAC物理封装100中的台架108、112，可以采用半导体制造工艺来制造台架108、112。因此，框架和加强构件可由硅构成，并且隔膜可由聚酰亚胺构成。聚酰亚胺能够使加强构件和台架108、112上的元件与框架和主体102热隔离。
CSAC物理封装100包括安装在腔103中的下台架108和上台架112。在一个示例中，下台架108和上台架112可布置成相互平行并且平行于腔103的基面105。在该示例中，下台架108通过无焊剂管芯附接而附接到腔103的基面105。在一个示例中，无焊剂管芯附接可以是多个金(Au)钉头凸点(stud bump)。下台架108可充当用于加热器、激光器110以及波片111的支撑结构。经由到主体102的腔103的内侧面107的下台阶109上的焊盘的导线连接(wire bond)，下台架108及其上的元件(例如激光器110、波片111)可以电耦合至主体102上的引脚。
下台架108可包括与基面105相对的第一侧113以及与第一侧113相反且面向盖104和上台架112的第二侧115。在一个示例中，框架119和加强构件123位于第一侧113上。加强构件123可限定多个孔以减小其质量。在一个示例中，激光器110和波片111被安装到第二侧115。而且，波片111可布置成高出激光器110使得激光器110的光束传播穿过波片111。在一个示例中，可利用例如芯片倒装将激光器110软焊连接到第二侧115。此外，多个焊球117可被附接至第二侧115。多个焊球117可布置在激光器110周围并在第二侧115上突出一高度，该高度高于激光器110使得波片111可以被软焊到多个焊球117且布置成高出激光器110。在一个示例中，可以使用被调整到产生理想尺寸焊球的喷射工艺来形成多个焊球117。在一个示例中，焊球117可以由具有高温熔点的焊料形成，使得一旦焊球117形成在台架108上，则焊球117在CSAC物理封装100的进一步制造过程中大致保持它们的结构。
在一个示例中，相比焊球117的第二部分，位于第二侧115上的焊球117的第一部分具有在第二侧115之上的更低高度。此外，焊球117的第一部分可布置成绕波片111的第一边缘附接，并且焊球117的第二部分可布置成绕波片111的第二边缘附接。焊球117的第一部分和第二部分的高度差可使得波片111相对于第二侧115以一角度布置。以一角度定向波片111可以引导波片111的激光反射远离激光器110。在一个示例中，激光器110可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一个示例中，波片111可以是四分之一波片。
在一个示例中，上台架112可充当用于碱蒸气室114和光电探测器116的支撑结构。上台架112可被支撑在陶瓷主体102的腔103的内侧面107的上台阶109(例如，上部搁台)上。而且，通过在腔103侧面107中形成台阶109，主体102可以被用来至少部分地隔开上台架112和下台架108。在一个示例中，上台架112可以附接到一个或多个间隔器118(例如，支柱结构、垫圈)，间隔器118从腔103的上台阶109向上延伸以进一步隔开上台架112和下台架108。在一个示例中，间隔器118可由陶瓷构成。在一个示例中，间隔器118可具有环形形状(例如，五角环形状)从而在其中限定孔。间隔器118可以布置在蒸气室114周围使得使蒸气室114位于限定在间隔器118中的孔内。
在一个示例中，间隔器118可以用于降低将上台架112耦合到上台阶109的(一个或多个)接头上的疲劳。间隔器118可以通过由热膨胀系数介于主体102的热膨胀系数和上台架112的热膨胀系数之间的材料构成以降低疲劳。因此，随着主体102和上台架112由于温度变化而膨胀和收缩，间隔器118可以吸收所述变化中的一部分。例如，主体102可由热膨胀系数为7ppm/℃的陶瓷构成，间隔器118的热膨胀系数可为5ppm/℃，而上台架112的热膨胀系数可为3ppm/℃。在另一示例中，间隔器118可以由与主体102和盖104相同的材料形成。间隔器118可以为上台架112提供机械支撑和电接触。在一些示例中，间隔器118还可以为其它电子元件(例如表面贴装技术(SMT)电子器件120)提供机械支撑和电接触。
上台架112和陶瓷间隔器118的组合可以横贯主体102的腔103并附接到上台阶109。在一个示例中，上台架112可通过无焊剂管芯附接而附接到间隔器118。间隔器118可以通过无焊剂管芯附接而附接到主体102，例如，附接在主体102的上台阶109处。在一个示例中，无焊剂管芯附接可以是多个金(Au)钉头凸点。
上台架112可以包括与盖104相对的第一侧121以及与第一侧121相反且面向下台架108的第二侧124。在一个示例中，框架125和加强构件127位于第一侧121上。加强构件127可限定多个孔从而减轻其重量。在一个示例中，光电探测器116和蒸气室114安装到第二侧124。而且，蒸气室114可布置成高出光电探测器116并与激光器110和波片111对准，使得来自激光器110的光束传播穿过波片111，然后穿过蒸气室114并且可被光电探测器116探测到。在一个示例中，可以使用例如芯片倒装将光电探测器116软焊连接到第二侧124。多个焊球126可以附接到第二侧124。多个焊球126可布置在光电探测器116周围并且可在第二侧124上突出一高度，该高度高于光电探测器116使得蒸气室114可以被软焊到多个焊球126且布置成高出光电探测器116。在一个示例中。蒸气室114可布置成距光电探测器116至少200μm。该间隙可以使得焊剂能够从蒸气室114和光电探测器116之间被冲走。在一个示例中，可以使用被调整到产生理想尺寸焊球的喷射工艺来形成多个焊球126。在一个示例中，焊球126可由具有高温熔点的焊料形成，使得一旦形成在台架112上，则焊球126在CSAC物理封装100的进一步制造过程中大致保持它们的结构。在一个示例中，蒸气室114可以是含铷原子的碱蒸气室。
在一个示例中，上台架112相对于下台架108处于翻转位置。也即，下台架108的框架119沿着与上台架112的框架125相反的方向伸出。此外，元件(例如，激光器110、波片111以及光电探测器116、蒸气室114)处于它们各自台架108、112的与具有框架119、125的一侧相反的侧面上。因此，为了将台架108、112安装成使得所有元件均处于台架108、112之间的空间内，将台架相对于彼此布置在翻转位置。此外，元件(例如，激光器110、波片111、光电探测器116和蒸气室114)可以布置在台架108、112的聚酰亚胺层之间。
CSAC物理封装100可包括位于主体102的底部上的输入/输出(I/O)焊盘122。因而，导线可在CSAC物理封装100的底部上附接到CSAC物理封装100。在一个示例中，在I/O焊盘122和内部元件(例如，激光器110、波片111、光电探测器116和蒸气室114)之间的互联可穿过主体102布线。在一些示例中，用于上台架112上的元件(例如，光电探测器116)的互联可以穿过间隔器118布线。因此，间隔器118在其内部或外部可包括电迹线。
在一个示例中，磁线圈可以布置在间隔器118附近(例如，在其内部)使得该磁线圈绕蒸气室114延伸。磁线圈可构造成为蒸气室114提供偏磁场。在一个示例中，磁线圈可以集成到间隔器118中(例如集成到其内部)。
图2是CSAC物理封装200的另一示例物理封装的截面图。CSAC物理封装200可包括限定腔203的陶瓷主体202，腔203用于容纳CSAC物理封装200的元件。包括位于腔203中的元件的陶瓷主体202可包括陶瓷无铅芯片载体(CLCC)封装。CSAC物理封装200还可包括无磁性的(例如陶瓷)盖204，盖204构造成装到陶瓷主体202的腔203上以形成包围腔203和其中的元件的闭合封装。在一个示例中，陶瓷盖204具有大致平坦的形状。软焊密封206可用于将盖204密封到主体202。在一个示例中，在不使用焊剂的情况下完成了用于CSAC物理封装200(例如，用于将盖204密封到主体202)的管芯附接和密封操作，以使得在密封的封装中能够形成低压，这可以实现更低功率的操作。在一个示例中，盖204可在真空中被密封到主体202。该物理封装可实现盖204到主体202的批量真空密封。CSAC物理封装200还可以包括覆盖陶瓷盖204的大部分内表面的吸气膜。
在一个示例中，陶瓷主体202的一侧(例如顶侧)开放，使得陶瓷主体202限定腔203。盖204可覆盖主体202的开放侧以封闭腔203。在一个示例中，当从开放侧(例如顶侧)看时，腔203具有大体呈五边形截面的形状。在另一示例中，当从开放侧(例如顶侧)看时，腔203具有大体圆形的截面。在任何情况下，腔203可包括基面205以及一个或多个内侧面207。一个或多个侧面207可具有限定于其中的一个或多个台阶209，其用来例如支撑位于主体202的腔中的结构。
CSAC物理封装200可包括一个或多个台架208、212、220，用于支撑诸如激光器210、波片211、蒸气室214以及光电探测器216的元件。在一个示例中，台架208、212、220可包括悬挂在框架中的隔膜。台架208、212、220还可以包括附接到隔膜的加强构件从而为隔膜提供附加结构。为了制造尺寸可被用于CSAC物理封装200中的台架208、212、220，可以采用半导体制造工艺来制造台架208、212、220。因此，框架和加强构件可由硅构成，并且隔膜可由聚酰亚胺构成。聚酰亚胺能够使加强构件和台架208、212、220上的元件与框架和陶瓷主体202热隔离。
CSAC物理封装200包括安装在腔203中的下台架208、上台架212和中间台架220。在一个示例中，下台架208、上台架212和中间台架220可布置成相互平行并且平行于腔203的基面205。在该示例中，下台架208通过无焊剂管芯附接而附接到腔203的基面205。在一个示例中，无焊剂管芯附接可以是多个金(Au)钉头凸点。下台架208可充当用于加热器和激光器210的支撑结构。经由到陶瓷主体202的腔203的内侧面207的下台阶209上的焊盘的导线连接，下台架208及其上的元件(例如激光器210)可以电耦合至主体202上的引脚。在一个示例中，激光器210可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
下台架208可包括与基面205相对的第一侧213以及与第一侧213相反且面向盖204、中间台架220和上台架212的第二侧215。在一个示例中，框架219和加强构件223位于第一侧213上。加强构件223可限定多个孔以减小其质量。在一个示例中，激光器210安装到第二侧215上。在一个示例中，利用例如芯片倒装，激光器210可被软焊连接到第二侧215。
图3是示例下台架208的底视图。如上所述，下台架208可包括隔膜，框架219和加强构件223附接到该隔膜。可利用在框架219和加强构件223之间延伸的隔膜的多个系链302使框架219和加强构件223彼此分隔。多个钉头凸点304可在框架219上以将框架219附接到主体202。元件(例如，激光器210)可在加强构件223的区域中安装到隔膜上。迹线可延伸跨过系链302以将加强构件上的元件电耦合到钉头凸点304。
上台架212和中间台架220可安装到一个或多个间隔器218(例如，支柱结构、垫圈)的相对侧。上台架212可充当用于光电探测器216的支撑结构，而中间台架220可充当用于波片211的支撑结构。此外，上台架212和中间台架220可充当用于碱蒸气室214的支撑结构。特别地，蒸气室214可被支撑在上台架212和中间台架220之间。因而，蒸气室214在一端上附接到台架212并且在相对端上附接到中间台架220。而且，蒸气室214可布置在间隔器218的孔中。因此，上台架212、中间台架220以及间隔器218可形成用于蒸气室214的支撑结构。在一个示例中，用于蒸气室214上表面的加热器可以安装在上台架212上，并且用于蒸气室214下表面的加热器可以安装在中间台架220上。在另一示例中，一个或多个加热器可以被制造在蒸气室214的一个或多个表面上。在一个示例中，间隔器218可具有环形形状(例如五角环形状)从而在其中限定孔。间隔器218可以布置在蒸气室214周围使得蒸气室214位于限定在间隔器218中的孔内。
在一个示例中，间隔器218还可以用于降低将上台架212和中间台架220耦合到上台阶209的(一个或多个)接头上的疲劳。间隔器218可以通过由热膨胀系数介于主体202的热膨胀系数和上台架212及中间台架220的热膨胀系数之间的材料构成以降低疲劳。因此，随着主体202、上台架212及中间台架220由于温度变化而膨胀和收缩，间隔器218可以吸收所述变化中的一部分。例如，主体202可由热膨胀系数为7ppm/℃的陶瓷构成，间隔器218的热膨胀系数可为5ppm/℃，而上台架212和中间台架220的热膨胀系数可为3ppm/℃。在另一示例中，间隔器118可以由与主体202和盖204相同的材料形成。间隔器218可以为上台架212和中间台架220提供机械支撑和电接触。在一些示例中，间隔器218还可以为其它电子元件(例如表面贴装技术(SMT)电子器件)提供机械支撑和电接触。
如上所述，上台架212和中间台架220安装在其上的间隔器218可被安装到主体202中的台阶209。特别地，间隔器218可安装到上台阶209。位于腔203的侧面209中的台阶209可被用来至少部分地使上台架212及中间台架220与下台架208隔开。间隔器218可从腔203的上台阶209向上延伸以进一步使上台架212与下台架208及中间台架220隔开，并且为中间台架220和上台架214之间的蒸气室214提供空间。在一个示例中，间隔器218可由陶瓷构成。
上台架212和陶瓷间隔器218的组合可以在间隔器218的顶部上横贯主体202的腔203。类似地，中间台架220和陶瓷间隔器218可以在间隔器218的底部上横贯主体202的腔203。在一个示例中，上台架212和中间台架220可通过无焊剂管芯附接而附接到间隔器218。间隔器218可以借助无焊剂管芯附接而附接到主体202的上台阶209。在一个示例中，无焊剂管芯附接可以是多个金(Au)钉头凸点。
上台架212可以包括与盖204相对的第一侧221以及与第一侧221相反且面向中间台架220和下台架208的第二侧224。在一个示例中，框架225和加强构件227位于第一侧221上。加强构件227可限定多个孔以减轻其重量。在一个示例中，光电探测器216和蒸气室214安装在第二侧224上。而且，蒸气室214可布置成高出光电探测器216并与激光器210和波片211对准，使得来自激光器210的光束传播穿过波片211，然后穿过蒸气室214并且能够被光电探测器216探测到。在一个示例中，光电探测器216可以借助例如芯片倒装而被软焊连接到第二侧224。多个焊球226可以被附接到第二侧224。多个焊球226可布置在光电探测器216周围并且可在第二侧224上突出一高度，该高度高于光电探测器216使得蒸气室214可以被软焊连接到多个焊球224且布置成高出光电探测器216。在一个示例中。蒸气室214可布置成距光电探测器216至少200μm。该间隙可以使得焊剂能够从蒸气室114和光电探测器116之间被冲走。在一个示例中，可以使用被调整到产生理想尺寸焊球的喷射工艺来形成多个焊球226。在一个示例中，焊球226可由具有高温熔点的焊料形成，使得一旦形成在台架212上，则焊球224在CSAC物理封装200的进一步制造过程中大致保持它们的结构。在一个示例中，蒸气室214可以是含铷原子的碱蒸气室。
在一个示例中，上台架212相对于下台架208和中间台架220处于翻转位置。也即，中间台架220和下台架208上的框架219沿着与上台架212的框架225相反的方向伸出。此外，蒸气室214可布置在上台架212和中间台架220的聚酰亚胺层之间。
图4是示例上台架212的顶视图。如上所述，上台架212可包括隔膜，框架225和加强构件227附接到该隔膜。可利用在框架225和加强构件227之间延伸的隔膜的多个系链402使框架225和加强构件227可彼此分隔。多个钉头凸点404可在框架225上以将框架225附接到主体202。元件(例如，蒸气室214)可在加强构件227的区域中安装到隔膜上。迹线可延伸跨过系链402以将加强构件上的元件电耦合到钉头凸点404。
中间台架220可包括面向盖204且与上台架212相对的第一侧228以及面向基面205且与下台架208相对的第二侧230。中间台架220可在台架220的第一侧228上安装到间隔器218。
在一个示例中，框架229和加强构件231位于第二侧230上。加强构件231可限定多个孔以减小其质量。蒸气室214也可安装在中间台架220的第一侧228上。波片211可安装在中间台架220的第二侧230上。在一个示例中，多个倾斜特征232可被制造到中间台架220的第二侧230中。波片211可被安装到这些倾斜特征232，其可构造成使波片211相对于中间台架220以一角度定向。例如，第一特征可具有比第二特征更低的高度，且波片211的第一边缘可附接到第一特征，而波片211的第二边缘可附接到第二特征。以一角度定向波片211可以引导波片211的激光反射远离激光器210，在一个示例中，波片211可以是四分之一波片。
图5是示例中间台架220的底视图。如上所述，中间台架220可包括隔膜，框架229和加强构件231附接到该隔膜。可利用在框架229和加强构件231之间延伸的隔膜的多个系链302使框架229和加强构件231可彼此分隔。多个钉头凸点504可在框架229上以将框架229连接到主体202。元件(例如蒸气室214)可在加强构件223的区域中被安装在隔膜上。此外，其它元件(例如，波片211)可被安装在加强构件231上。
在一个示例中，磁线圈234可布置在间隔器218的附近(例如，在其内部)使得该磁线圈绕蒸气室214延伸。磁线圈可构造成为蒸气室214提供偏磁场。在一个示例中，磁线圈234可以被集成到间隔器118中(例如集成到其内部)。
在一个示例中，第二光电探测器236可构造成探测来自波片211的激光器210的反射。第二光电探测器236可用来控制激光器210的光功率输出。特别地，基于从波片211反射的光的强度，可以相应地确定和控制激光器210的功率输出。第二光电探测器236可安装到下台架208。特别地，第二光电探测器236可安装到下台架208的第二侧215，与激光器210邻近。
CSAC物理封装200可包括位于主体202的底部上的输入/输出(I/O)焊盘222。因而，CSAC物理封装200的底部可附接到电路板。在一个示例中，在I/O焊盘和内部元件(例如，激光器210、波片211以及光电探测器216、蒸气室214)之间的互联可以穿过主体202布线。在一些示例中，用于上台架212上的元件(例如，光电探测器216)和中间台架220上的元件(例如加热器)的互联可以穿过间隔器218布线。因此，间隔器218在其内部或外部可包括电迹线。
在一个示例中，为了制造CSAC物理封装100或CSAC物理封装200，台架、间隔器、主体以及盖可被形成并组合到一起。台架可以在晶片级被制造和组装。例如，台架可包括硅晶片，该硅晶片在其第一侧上具有聚酰亚胺隔膜。台架的具有聚酰亚胺构件的一侧可以被称作台架的“前侧”。台架的前侧随后可被刻蚀以形成框架和其内具有孔的加强构件。如上所述，添加聚酰亚胺隔膜和刻蚀台架可在晶片上发生，该晶片上具有多个未经切割的台架管芯(die)。
一旦被刻蚀，元件可被附接到台架。对于CSAC物理封装100的下台架108，被刻蚀的晶片可使加热器、激光器110以及波片111与其附接。激光器110和加热器可以例如被芯片倒装到下台架108。多个焊球117可以通过上述喷射工艺而被附接。随后，波片111可以借助焊料、环氧树脂或其它管芯附接化合物被附接到焊球117。对于上台架112，被刻蚀的晶片可使光电探测器116连同焊球126然后蒸气室114附接到其上。光电探测器116可被芯片倒装，且蒸气室114可使用焊料、环氧树脂或其它管芯附接化合物而被附接。在一个示例中，光可用导线连接将电探测器116电耦合到上台架112。
对于CSAC物理封装200的下台架208，被刻蚀的晶片可使激光器210以及第二光电探测器236与其附接。激光器210和第二光电探测器236可以例如被芯片倒装到下台架208。对于中间台架220，可使用标准半导体工艺将多个特征232制造在其内。然后，可以使用例如环氧树脂将波片211附接到台架220(例如附接到多个特征232)。对于上台架212，被刻蚀的晶片可使光电探测器216连同焊球226然后蒸气室214附接到其上。光电探测器216可被芯片倒装，且蒸气室214可使用焊料、环氧树脂或其它管芯附接化合物而被附接。在一个示例中，可使用导线连接将光电探测器216电耦合到上台架212。
这些元件可在晶片的单切(singulation)之前被添加。晶片然后可以被单切以形成单独的台架。在一个示例中，可使用干切割工艺来单切晶片。随后，台架可以与焊球附接，用于台架的电和机械附接。在一个示例中，在台架被制造后，它们可以被测试且进行操作性老化(burn-in)。
CSAC物理封装100的下台架108可使用无焊剂管芯附接(例如，多个金(Au)钉头凸点)附接到主体102的基面105(例如，底部、底面)。用于下台架108的导线连接可以在例如下台阶109处附接到主体102上的适当焊盘。上台架112可附接到间隔器118或使用焊料、多个金(Au)钉头凸点或其它无焊剂管芯附接直接地附接到主体102。
SMT电子器件120可附接到间隔器118。间隔器118可以被制造成适于批量管芯/元件附接的阵列的形式，并且被单切分开。间隔器118可被单切，上台架112可被附接，且该组合可使用无焊剂管芯附接(例如，多个金(Au)钉头凸点)附接到主体102中的上台阶109。在一个示例中，该管芯附接能够提供机械和电通道(feedthru)。在另一示例中，该管芯附接可提供机械管芯附接而没有电通道，且电附接可由导线连接实现。
CSAC物理封装200的下台架208可使用无焊剂管芯附接(例如，多个金(Au)钉头凸点)附接到主体202的基面205(例如，底部、底面)。用于下台架208的导线连接可以在例如下台阶209处附接到主体202上的适当焊盘。
间隔器218可以被制造成适于批量管芯/元件附接的阵列形式，并且被单切分开。一旦被单切，上台架212和中间台架220可附接到间隔器218的相对端。蒸气室214可被定位在上台架212和中间台架220之间，位于由间隔器118形成的孔中。如果还未被附接，蒸气室214可被附接到中间台架220和/或上台架212。上台架212和中间台架220可使用焊料、多个金(Au)钉头凸点或其它无焊剂管芯附接化合物附接到间隔器218。随后，间隔器218、上台架212、中间台架220和蒸气室214的组合结构可被安装到主体202的台阶209(例如，上台阶)。间隔器218可使用焊料、多个金(Au)钉头凸点或其它无焊剂管芯附接化合物附接到台阶209。在一个示例中，该管芯附接可提供机械和电通道。在另一示例中，该管芯附接可以提供机械管芯附接而没有电通道，且电附接可由导线连接实现。
盖204可涂覆有用于吸气剂的合适材料(例如，钛等)。在一个示例中，可通过溅射沉积用于吸气剂的材料来涂覆盖204。在真空中激活吸气剂后，可使用焊料将盖204密封到主体202。
示例实施方式
示例1包括一种芯片级原子钟物理封装，该芯片级原子钟物理封装包括：限定腔的主体；安装在腔中第一台架，该第一台架具有第一表面和第二表面；安装在第一台架的第一表面上的激光器；安装在腔中的第二台架，第二台架具有第一表面和第二表面，该第二台架被布置成使得第二台架的第一表面面向第一台架的第一表面；安装在第二台架的第一表面上的第一光电探测器；安装在第二台架的第一表面上的蒸气室；波片，其中，激光器、波片、第一光电探测器以及蒸气室被布置成使得来自激光器的光束能够传播穿过波片和蒸气室并被第一光电探测器探测到；以及覆盖腔的盖。
示例2包括如示例1所述的芯片级原子钟物理封装，其中，第一台架附接到腔的基面。
示例3包括如示例1-2中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，波片布置成高出激光器并且安装在第一台架的第一表面上，其中，激光器通过软焊连接附接到第一表面，并且其中，波片使用多个高温焊球附接到第一表面，多个高温焊球布置在激光器周围并且构造成使得波片相对于第一表面成一角度。
示例4包括如示例1-3中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，蒸气室布置成在第二台架的第一表面上高出第一光电探测器。
示例5包括如示例4所述的芯片级原子钟物理封装，其中，第一光电探测器附接到第二台架的第一表面，并且其中，蒸气室使用多个高温焊球附接到第一表面，多个高温焊球布置在第一光电探测器周围并且具有比第一光电探测器更高的高度。
示例6包括如示例1-5中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，腔包括台阶表面，物理封装包括附接到台阶表面的一个或多个间隔器，其中，一个或多个间隔器附接到腔的相对侧，其中，第二台架附接到一个或多个间隔器并且跨越腔。
示例7包括如示例6所述的芯片级原子钟物理封装，其中，一个或多个间隔器具有大体环形的形状。
示例8包括如示例6或7中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，一个或多个间隔器的热膨胀系数介于主体和第二台架的热膨胀系数之间。
示例9包括示例8中的芯片级原子钟物理封装，其中，主体和盖由第一陶瓷构成，并且一个或多个间隔器由第二陶瓷构成。
示例10包括如示例6-9中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，包括在一个或多个间隔器附近的磁线圈。
示例11包括如示例6-10中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，一个或多个间隔器包括面向盖的第一表面和面向腔的基面的第二表面，其中，第二台架安装到一个或多个间隔器的第一表面，并且其中，该第一表面安装到腔的台阶表面；并且第三台架安装到一个或多个间隔器的第二表面，其中，蒸气室附近到第三台架。
示例12包括如示例11所述的芯片级原子钟物理封装，其中，波片安装到第三台架。
示例13包括如示例12所述的芯片级原子钟物理封装，其中，第三台架包括面向第二台架的第一表面和面向第一台架的第二表面，其中，蒸气室安装到第三台架的第一表面，并且波片安装到第三台架的第二表面。
示例14包括如示例13所述的芯片级原子钟物理封装，其中，多个特征构造成相对于第三台架的第二表面以一角度支撑波片。
示例15包括如示例14所述的芯片级原子钟物理封装，包括第二光电探测器，第二光电探测器安装到第一台架的第一表面，与激光器邻近，其中，第二光电探测器构造成感测从波片反射的激光。
示例16包括如示例1-15中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，包括位于盖的内表面上的吸气膜。
示例17包括一种制造芯片级原子钟物理封装的方法，该方法包括：形成限定腔的主体，其中，腔限定至少一个台阶；制造第一台架，将激光器附接到第一台架的第一表面；在腔中将第一台架附接到主体；形成具有第一安装表面和第二安装表面的支撑结构；制造第二台架；将光电探测器附接到第二台架的第一表面；将蒸气室附接到第二台架的第一表面；将第二台架附接到支撑结构的第一安装表面；制造第三台架；将波片附接到第三台架的第一表面；将第三台架附接到支撑结构的第二安装表面并且将第三台架附接到蒸气室；将支撑结构附接到腔的至少一个台阶；用吸气剂涂覆盖；并且将盖密封到主体使得吸气剂位于腔内。
示例18包括如示例17所述的方法，其中，将第一台架附接到主体包括将第一台架附接到主体的基面。
示例19包括如示例17-18中任一项所述的方法，其中，将激光器附接到第一台架的第一表面包括将激光器软焊连接到第一台架的第一表面；其中，将光电探测器附接到第二台架的第一表面包括将光电探测器软焊连接到第二台架的第一表面；其中，该方法包括将第二多个高温焊球附接到第二台架的第一表面，该第二多个高温焊球布置在光电探测器周围；其中，将蒸气室附接到第二台架的第一表面包括将蒸气室软焊到第二多个高温焊球；并且其中，形成支撑结构包括在支撑结构附近形成磁线圈。
示例20包括一种芯片级原子钟物理封装，该芯片级原子钟物理封装包括：限定腔的陶瓷主体，陶瓷主体在腔的侧面中限定第一台阶；附接到陶瓷主体且气密地密封腔的陶瓷盖；附近到腔的基面的第一台架；安装到第一台架的激光器；附接到第一台阶陶瓷支撑结构，该陶瓷支撑结构具有面向盖的第一表面和面向基面的第二表面；附接到支撑结构的第一表面的第二台架；安装到第二台架的第一表面的光电探测器；安装到第二台架的第一表面的蒸气室，该蒸气室布置成高出光电探测器；附接到支撑结构的第二表面的第三台架，其中，蒸气室安装到第三台架，使得蒸气室布置在第二台架、第三台架之间，并且在由陶瓷支撑结构形成的孔中；以及安装到第三台架的波片，其中，激光器、波片、光电探测器以及蒸气室布置成使得来自激光器的光束能够传播穿过波片和蒸气室并被光电探测器探测到。
示例21包括如示例20所述的芯片级原子钟物理封装，其中，蒸气室布置成在第二台架的第一表面上高出第一光电探测器。
示例22包括如示例21所述的芯片级原子钟物理封装，其中，第一光电探测器附接到第二台架的第一表面，并且其中，蒸气室使用多个高温焊球附接到第一表面，多个高温焊球布置在第一光电探测器周围并且具有比第一光电探测器更高的高度。
示例23包括如示例20-22中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，陶瓷支撑结构具有大体环形的形状。
示例24包括如示例20-23中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，陶瓷支撑结构的热膨胀系数介于主体和第二台架的热膨胀系数之间。
示例25包括如示例20-24中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，主体和盖由第一陶瓷构成，并且陶瓷支撑结构由第二陶瓷构成。
示例26包括如示例20-25中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，包括位于陶瓷支撑结构附近的磁线圈。
示例27包括如示例20-26中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，其中，第三台架包括面向第二台架的第一表面和面向第一台架的第二表面，其中，蒸气室安装到第三台架的第一表面，并且波片安装到第三台架的第二表面。
示例28包括如示例27所述的芯片级原子钟物理封装，其中，多个特征构造成相对于第三台架的第二表面以一角度支撑波片。
示例29包括如示例20-28中任一项所述的芯片级原子钟物理封装，包括第二光电探测器，该第二光电探测器安装在第一台架的第一表面上，与激光器邻近，其中，第二光电探测器构造成感测从波片反射的激光。
示例30包括示例20-29中任一的芯片级原子钟物理封装，包括位于盖的内表面上的吸气膜。
虽然本文示出和描述了特定的实施例，但本领域普通技术人员将会理解的是，任何用以实现相同目的的布置可以代替所示的特定实施例。因此，所明显意图的是，本发明仅受权利要求书及其等同物的限制。

Claims (3)

1.一种芯片级原子钟物理封装，包括：
限定腔的主体；
安装在所述腔中的、由硅构成的第一台架，所述第一台架具有第一表面和第二表面；
安装在所述第一台架的第一表面上的激光器；
安装在所述腔中的第二台架，所述第二台架具有第一表面和第二表面，所述第二台架布置成使得所述第二台架的第一表面面向所述第一台架的第一表面；
安装在所述第二台架的第一表面上的第一光电探测器；
安装在所述第二台架的第一表面上的蒸气室；
波片，其中，所述激光器、波片、第一光电探测器以及蒸气室布置成使得来自激光器的光束能够传播穿过所述波片和所述蒸气室并且被所述第一光电探测器探测到；
覆盖所述腔的盖；
一个或多个间隔器；以及
在所述一个或多个间隔器附近的磁线圈。
2.一种制造芯片级原子钟物理封装的方法，所述方法包括：
形成限定腔的主体，其中，所述腔限定至少一个台阶；
由硅制造第一台架；
将激光器附接到所述第一台架的第一表面；
在所述腔中将所述第一台架附接到所述主体；
形成具有第一安装表面和第二安装表面的支撑结构，其中，形成所述支撑结构包括在所述支撑结构附近形成磁线圈；
制造第二台架；
将光电探测器附接到所述第二台架的第一表面；
将蒸气室附接到所述第二台架的第一表面；
将所述第二台架附接到所述支撑结构的第一安装表面；
制造第三台架；
将波片附接到所述第三台架的第一表面；
将所述第三台架附接到所述支撑结构的第二安装表面并且将所述第三台架附接到所述蒸气室；
将所述支撑结构附接到所述腔的所述至少一个台阶；
用吸气剂涂覆盖；以及
将所述盖密封到所述主体使得所述吸气剂位于所述腔内。
3.一种芯片级原子钟物理封装，包括：
限定腔的陶瓷主体，所述陶瓷主体在所述腔的侧面中限定第一台阶；
附接到所述陶瓷主体且气密地密封所述腔的陶瓷盖；
附接到所述腔的基面的第一台架；
安装到所述第一台架的激光器；
附接到所述第一台阶的陶瓷支撑结构，所述陶瓷支撑结构具有面向所述盖的第一表面和面向所述基面的第二表面；
附接到所述支撑结构的第一表面的第二台架；
安装到所述第二台架的第一表面的光电探测器；
安装到所述第二台架的第一表面的蒸气室，所述蒸气室布置成高出所述光电探测器；
附接到所述支撑结构的第二表面的第三台架，其中，所述蒸气室安装到所述第三台架，使得所述蒸气室布置在所述第二台架、第三台架之间，并且位于由所述陶瓷支撑结构形成的孔中；以及
安装到所述第三台架的波片，其中，所述激光器、波片、光电探测器以及蒸气室布置成使得使来自所述激光器的光束能够传播穿过所述波片和所述蒸气室并且被所述光电探测器探测到。
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