CN102951594A - 用于微光机电系统真空封装的管壳及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微光机电系统真空封装的管壳及其制作方法,底座内有芯片固定槽,封帽密封固连于底座一端外侧的环状外扩止挡,滤光片密封覆盖于底座另一端的开口外侧,透光片密封固定覆盖于封帽轴向端面的透光窗口外侧,吸气剂固定装置固设于封帽和底座内,其制作方法为:加工底座和封帽并进行烧氢、脱碳、镀镍和退火处理;加工吸气剂固定装置并进行清洗、吹干和烘烤处理;底座和封帽的焊接区溅射铬后电镀金;将滤光片和透光片分别通过铅锡焊料焊接和过渡玻璃多层焊接到底座和封帽上,并进行退火处理;粘接吸气剂固定装置并将底座和封帽焊接在一起;漏气检测和抽真空密封处理,本发明用于微光机电系统真空封装,同时保证芯片不因高温失效。
Description
技术领域
本发明涉及一种管壳及其制造方法,特别涉及一种用于微光机电系统的管壳及其制造方法。
背景技术
传统的电真空封装工艺和技术已经发展的比较成熟,微机电系统(Mirco-Electronic-Mechanic System简称MEMS)真空封装技术有很多来源于电真空的封装工艺和技术,但是由于受到制作微机电系统器件的材料不一(硅等半导体材料)、体积小(电真空器件体积的1/10~1/100)以及工艺温度低(小于400℃)等诸因素的限制,电真空技术常用的工艺方法很难直接移植到微机电系统真空封装中,而对于微光机电系统(Mirco-Optical-Electronic-Mechanic System简称MOEMS)的封装,由于需要提供不同波段的光传感的窗口,不同材料的窗口与管座和封帽之间的焊接工艺也不同,故对MEMS的封装工艺提出了更苛刻的要求。目前解决该问题的同类技术主要有:
利用电容储能焊来实现管座和封帽之间的连接,它是介于电阻焊和压力焊之间的一种特殊焊接方式。通过调节上下电极间的焊接电压、焊接压力(气缸一次压力、二次压力等)来调整焊接参数,优化焊接质量,但是存在大面积施焊效率低,且焊层中会密布针孔状砂眼,从而影响焊接的气密性;
平行封焊技术属于电阻焊,在封焊时,电极在移动的同时转动(通过电极轮),在一定的压力下电极之间断续通电,由于电极与盖板及盖板与焊框之间存在接触电阻,焊接电流将在这两个接触电阻处产生焦耳热量,使其盖板与焊框之间局部形成熔融状态,凝固后形成焊点,达到连接管座和封帽的目的,然而该种技术使得整个管壳重量增加同时接头处的抗拉强度和抗疲劳强度低,不易被检测出来,所需的设备功率大,使用成本高;
低温金属钎焊封装技术,该技术是在底座和封帽之间在真空环境下用低温金属焊料进行封接,为了使焊料熔融,需要对封装的腔体整体加热(400℃以上),同时需要内置低温吸气剂并进行激活,这样芯片必须能够耐受400℃以上的高温,同时封接的工艺复杂,加工成本较高。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明提供了一种用于微光机电系统的管壳及其制造方法,该制造方法实现了简便适用的低成本微光机电系统的真空封装,管壳内部无内应力,结构强度大,密封性高。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于微光机电系统真空封装的管壳,包括底座、封帽、滤光片和吸气剂固定装置,呈中空筒状结构的底座一端内侧设有环状芯片固定槽,底座圆周外侧壁上设有一圈环状外扩止挡,封帽覆盖于底座一端外侧并与底座上环状外扩止挡密封固连,底座另一端设有与内部空间连通的开口,滤光片密封固定覆盖于该开 口外侧端面上,所述封帽轴向端面上设有与底座内部连通的透光窗口,还设有透光片,该透光片密封固定覆盖位于封帽透光窗口外侧端面上,柱状的吸气剂固定装置固定设于封帽和底座之一的内侧壁上,增加透光窗口后,提供了可见光通道,便于光信号的读取。
作为本发明的进一步改进,所述底座一端外侧径向外扩形成一圈环状凸台结构,增大了底座外侧环状外扩止挡与芯片间热容量,防止封帽与底座焊接时热量过高而损坏芯片。
作为本发明的进一步改进,所述透光片为蓝宝石玻璃,蓝宝石玻璃具有透光性好、密度大、结构致密的优点,确保透光的同时确保密封性,防止漏气。
作为本发明的进一步改进,所述滤光片为镀有增透膜的锗玻璃。
一种用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,具体步骤如下:
步骤一:底座和封帽的加工处理:
机加工成型后,经过烧氢、脱碳、镀镍处理后进行退火处理,退火温度为100~300℃,退火时间为5~10小时;
步骤二:吸气剂固定装置加工处理:
机加工完成后对其进行清洗,清洗后用氮气吹干,并放入干燥箱中烘烤,烘烤温度为80~180℃,烘烤时间为1~5小时;
步骤三:底座和封帽表面金属化:
先在封帽的滤光片待焊区、底座和封帽之间的焊接区及底座的透光片待焊区均用真空溅射的方法溅射铬(Cr)作为底层 (目的是增加PbSn焊料的浸润性),然后电镀金(Au)到底层外侧形成焊料的过渡层;
步骤四:滤光片和透光片的焊接:
滤光片置于封帽的开口外侧并采用铅锡(PbSn)低熔点焊料在280℃下焊接,焊接同时对滤光片和封帽施加1~5MPa大气压力;透光片与底座对应窗口的焊接采用过渡玻璃为焊接剂,采用多层焊接法,焊接温度从850℃逐渐降低,各层之间的焊接温度差为50-300℃,最终使得底座与滤光片的热膨胀系数(CTE)达到匹配,以上焊接完成后,对上述结构进行退火处理,退火温度为100~250℃,退火时间为3~6h;
步骤五:吸气剂安装及微光机电系统芯片的粘接:
用丙烯酸树脂将装有吸气剂的吸气剂固定装置粘在底座内侧壁上,然后加热至100~150℃,保持30~60s,使粘接剂固化;
步骤六:底座和封帽的焊接:
采用激光束焊接底座和封帽,焊接过程中整个结构放置在密闭的氩气环境中;
步骤七:抽气口焊接及检漏:
采用银铜(AgCu)焊料将抽气口和底座上预留的抽气孔焊接起来,然后进行漏气检测,检测合格后将封帽和底座形成的封装腔内真空度抽至10-5Pa以下,并在100℃以下的温度烘烤至少15天除气,最后用冷压法将抽气口剪断密封。
作为本发明的进一步改进,所述滤光片采用锗玻璃,透光片采用蓝宝石玻璃。
作为本发明的进一步改进,所述底座和封帽均为可伐合金 材料。
作为本发明的进一步改进,底座和封帽通过激光焊接时,激光束功率12KW,脉冲宽度1.5ms,频率10Hz。
本发明的有益效果是:本发明采用激光焊接技术焊接底座和封帽,激光焊接属于局部熔焊,其激光功率,脉冲宽度,焊接频率等工艺参数可调,可最大限度的保证芯片不会因温度过高而失效滤光片与透光片分别采用两种不同波段的光通道(锗玻璃和蓝宝石玻璃)的焊接工艺:低温钎焊和多层焊接技术及工艺;微光机电系统芯片的粘接步骤在封帽与透光片及底座和滤光片的焊接步骤之后,避免高温对芯片的损伤。
附图说明
图1为本发明中用于微光机电系统真空封装的管壳的结构原理示意图。
具体实施方式
实施例:一种用于微光机电系统真空封装的管壳,包括底座1、封帽2、滤光片3和吸气剂固定装置4,呈中空筒状结构的底座1一端内侧设有环状芯片固定槽,底座圆周外侧壁上设有一圈环状外扩止挡12,封帽2覆盖于底座1一端外侧并与底座上环状外扩止挡12密封固连,底座1另一端设有与内部空间连通的开口13,滤光片3密封固定覆盖于该开口13外侧端面上,所述封帽2轴向端面上设有与底座1内部连通的透光窗口21,还设有透光片5,该透光片5密封固定覆盖位于封帽透光窗口21外侧端面上,柱状的吸气剂固定装置4固定设 于封帽2和底座1之一的内侧壁上,增加透光窗口后,提供了可见光通道,便于光信号的读取。
所述底座1一端外侧径向外扩形成一圈环状凸台结构11,增大了底座外侧环状外扩止挡与芯片间热容量,防止封帽与底座焊接时热量过高而损坏芯片。
所述透光片5为蓝宝石玻璃,蓝宝石玻璃具有透光性好、密度大、结构致密的优点,确保透光的同时确保密封性,防止漏气。
所述滤光片3为镀有增透膜的锗玻璃。
一种用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,具体步骤如下:
步骤一:底座和封帽的加工处理:
机加工成型后,经过烧氢、脱碳、镀镍处理后进行退火处理,退火温度为100~300℃,退火时间为5~10小时;
步骤二:吸气剂固定装置加工处理:
机加工完成后对其进行清洗,清洗后用氮气吹干,并放入干燥箱中烘烤,烘烤温度为80~180℃,烘烤时间为1~5小时;
步骤三:底座和封帽表面金属化:
先在封帽的滤光片待焊区、底座和封帽之间的焊接区及底座的透光片待焊区均用真空溅射的方法溅射铬(Cr)作为底层(目的是增加PbSn焊料的浸润性),然后电镀金(Au)到底层外侧形成焊料的过渡层;
步骤四:滤光片和透光片的焊接:
滤光片置于封帽的开口外侧并采用铅锡(PbSn)低熔点焊 料在280℃下焊接,焊接同时对滤光片和封帽施加1~5MPa大气压力;透光片与底座对应窗口的焊接采用过渡玻璃为焊接剂,采用多层焊接法,焊接温度从850℃逐渐降低,各层之间的焊接温度差为50-300℃,最终使得底座与滤光片的热膨胀系数(CTE)达到匹配,以上焊接完成后,对上述结构进行退火处理,退火温度为100~250℃,退火时间为3~6h;
步骤五:吸气剂安装及微光机电系统芯片的粘接:
用丙烯酸树脂将装有吸气剂的吸气剂固定装置粘在底座内侧壁上,然后加热至100~150℃,保持30~60s,使粘接剂固化;
步骤六:底座和封帽的焊接:
采用激光束焊接底座和封帽,焊接过程中整个结构放置在密闭的氩气环境中;
步骤七:抽气口焊接及检漏:
采用银铜(AgCu)焊料将抽气口和底座上预留的抽气孔焊接起来,然后进行漏气检测,检测合格后将封帽和底座形成的封装腔内真空度抽至10-5Pa以下,并在100℃以下的温度烘烤至少15天除气,最后用冷压法将抽气口剪断密封。
所述滤光片采用锗玻璃,透光片采用蓝宝石玻璃。
所述底座和封帽均为可伐合金材料。
所述底座和封帽通过激光焊接时,激光束功率12KW,脉冲宽度1.5ms,频率10Hz。
Claims (8)
1.一种用于微光机电系统真空封装的管壳,包括底座(1)、封帽(2)、滤光片(3)和吸气剂固定装置(4),呈中空筒状结构的底座(1)一端内侧设有环状芯片固定槽,底座圆周外侧壁上设有一圈环状外扩止挡(12),封帽(2)覆盖于底座(1)一端外侧并与底座上环状外扩止挡(12)密封固连,底座(1)另一端设有与内部空间连通的开口(13),滤光片(3)密封固定覆盖于该开口(13)外侧端面上,其特征在于:所述封帽(2)轴向端面上设有与底座(1)内部连通的透光窗口(21),还设有透光片(5),该透光片(5)密封固定覆盖位于封帽透光窗口(21)外侧端面上,柱状的吸气剂固定装置(4)固定设于封帽(2)和底座(1)之一的内侧壁上。
2.根据权利要求1所述的用于微光机电系统真空封装的管壳,其特征在于:所述底座(1)一端外侧径向外扩形成一圈环状凸台结构(11)。
3.根据权利要求1所述的用于微光机电系统真空封装的管壳,其特征在于:所述透光片(5)为蓝宝石玻璃。
4.根据权利要求1所述的用于微光机电系统真空封装的管壳,其特征在于:所述滤光片(3)为镀有增透膜的锗玻璃。
5.一种要求1所述的用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,其特征在于:具体步骤如下:
步骤一:底座和封帽的加工处理:
机加工成型后,经过烧氢、脱碳、镀镍处理后进行退火处理,退火温度为100~300℃,退火时间为5~10小时;
步骤二:吸气剂固定装置加工处理:
机加工完成后对其进行清洗,清洗后用氮气吹干,并放入干燥箱中烘烤,烘烤温度为80~180℃,烘烤时间为1~5小时;
步骤三:底座和封帽表面金属化:
先在封帽的滤光片待焊区、底座和封帽之间的焊接区及底座的透光片待焊区均用真空溅射的方法溅射铬作为底层,然后电镀金到底层外侧形成焊料的过渡层;
步骤四:滤光片和透光片的焊接:
滤光片置于封帽的开口外侧并采用铅锡低熔点焊料在280℃下焊接,焊接同时对滤光片和封帽施加1~5MPa大气压力;透光片与底座对应窗口的焊接采用过渡玻璃为焊接剂,采用多层焊接法,焊接温度从850℃逐渐降低,各层之间的焊接温度差为50-300℃,最终使得底座与滤光片的热膨胀系数达到匹配,以上焊接完成后,对上述结构进行退火处理,退火温度为100~250℃,退火时间为3~6h;
步骤五:吸气剂安装及微光机电系统芯片的粘接:
用丙烯酸树脂将装有吸气剂的吸气剂固定装置粘在底座内侧壁上,然后加热至100~150℃,保持30~60s,使粘接剂固化;
步骤六:底座和封帽的焊接:
采用激光束焊接底座和封帽,焊接过程中整个结构放置在密闭的氩气环境中;
步骤七:抽气口焊接及检漏:
采用银铜焊料将抽气口和底座上预留的抽气孔焊接起来,然后进行漏气检测,检测合格后将封帽和底座形成的封装腔内真空度抽至10-5Pa以下,并在100℃以下的温度烘烤至少15天除气,最后用冷压法将抽气口剪断密封。
6.根据权利要求5所述的用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,其特征在于:所述滤光片采用锗玻璃,透光片采用蓝宝石玻璃。
7.根据权利要求5所述的用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,其特征在于:所述底座和封帽均为可伐合金材料。
8.根据权利要求5所述的用于微光机电系统真空封装的管壳制作方法,其特征在于:底座和封帽通过激光焊接时,激光束功率12KW,脉冲宽度1.5ms,频率10Hz。
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