CN104882384A - 元件封装方法及其结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种元件封装方法及其结构，此方法包括下列步骤：先提供槽型基座以及盖体，并在槽型基座的底部设置感测元件。将盖体覆盖槽型基座，并在盖体与槽型基座的边缘部设置密封体(sealant)。接着，使用镭射照射槽型基座的边缘部，以熔融密封体，使盖体与边缘部结合。使盖体与槽型基座之间的密封空间处于真空状态。因此，以有效率地封装制造高灵敏度的感测元件。

Description

元件封装方法及其结构
技术领域
本发明涉及元件封装方法及其结构，特别是涉及一种利用镭射进行感测元件真空封装而在封装过程中减少脱气(outgassing)现象的方法。
背景技术
目前，红外线(IR)视频摄影机已经被应用于记录及贮存连续的热影像，在红外线(IR)视频摄影机中包括温测晶片，其包括温度感测元件阵列(array)，每一个温度感测元件可根据其接收到的红外线辐射能量而对应地改变其电阻值，因此每一个温度感测元件的电阻值改变可对应热能量的强弱，温度感测元件阵列便可产生热影像。
温测晶片设置在基座上，然后用盖体与基座封装，而且为了避免封装空间中产生热对流而影响温度感测元件阵列所感测的热能量，封装空间需要维持在真空状态，而温度感测元件阵列的灵敏度与封装空间的真空程度有关。
请参考图1，其给出了现有技术的封装方法的示意图。图中，感测元件30设置在槽型基座10的底部，而槽型基座10的边缘部与盖体20之间设置有密封体90。在现有技术中，进行封装时，从槽型基座10的底部加热，经过热传导到槽型基座10的边缘部以加热密封体90使其熔融，以此让槽型基座10与盖体20结合而完成封装。
但是现有技术具有如下缺点。第一，感测元件30容易在槽型基座10的底部加热期间受到损害，造成合格率下降。第二，槽型基座10的底部加热时会产生气体，为了维持封装空间在真空状态，必须延长抽引气体的时间，造成封装时间延长。第三，整体加热的槽型基座10会有大量的脱气现象(out-gassing)，导致抽真空时间延长，加热时间越久则感测元件30越容易受到损坏。
另外，如果封装过程中需要焊接多处位置或多个元件，因为现有技术的封装方法采用整体加热，所以通常使用不同熔点的密封体或焊料，而且必须先使用高熔点的焊料，后使用低熔点的焊料。但是这种方案会限制密封体或焊料的选择，导致封装成本增加。
进一步的，有些感测元件在封装后的感测灵敏度与封装真空度成正比，例如红外线热影像器。请参考图11，其是红外线热影像器的噪声等效温差(NETD)与封装真空度的关系图。图中，封装真空度越差(真空度气压数值越高)，则红外线热影像器的噪声等效温差值越高，代表红外线热影像器的感测灵敏度越差。但是，在现有技术中，如果要获得较高的封装真空度，则抽引气体所需的时间就越长，造成封装时间延长。
发明内容
(一)要解决的技术问题
根据上述现有技术的缺点，本发明实施例提供了一种元件封装方法及其结构，以提高封装后感测元件的灵敏度。
(二)技术方案
进一步的，本发明实施例提供了一种元件封装方法及其结构，以更有效率地提高封装空间的真空度。
进一步的，本发明实施例的方案是使用镭射进行局部加热，可避免感测元件在封装期间受损，并兼顾维持密封空间的真空程度。
进一步的，本发明实施例的方案是使用镭射进行局部加热，可有效地减少在封装过程中产生的脱气现象以及剩余应力。
进一步的，本发明实施例的方案是让镭射封装与抽气孔封闭一起完成，可提高封装的效率。
进一步的，本发明实施例的方案是使用吸气剂，以提高密封空间的真空程度。
基于上述目的，本发明提供一种元件封装方法，其包括下列步骤：先提供槽型基座以及盖体，并在槽型基座的底部设置感测元件，将盖体覆盖槽型基座，并在盖体与槽型基座的边缘部设置密封体(sealant)；接着，使用镭射照射槽型基座的边缘部，以熔融密封体，使盖体与边缘部结合；使盖体与槽型基座之间的密封空间处于真空状态。
优选的，感测元件为温度感测器或红外线热影像器。
优选的，本发明的元件封装方法还包括在真空室中进行封装。
优选的，槽型基座以陶瓷材料或半导体材料制成。
优选的，盖体用透光材料或玻璃材料制成。
优选的，密封体为金属合金材料。
优选的，本发明的元件封装方法还包括在盖体上设置第一黏着层以及在边缘部设置第二黏着层。当镭射照射加热时，密封体、第一黏着层以及第二黏着层被熔融后而相融合。
优选的，本发明的元件封装方法还包括使用镭射照射盖体，以间接加热密封体。
优选的，本发明的元件封装方法还包括使用镭射穿过盖体而直接照射密封体，以熔融密封体。
优选的，槽型基座还包括至少一抽气孔，用以抽出密封空间中的气体而形成真空状态。
优选的，抽气孔设置于镭射照射的路径上，当镭射加热熔融密封体时，抽气孔同时被封闭。
优选的，抽气孔的上孔壁具有凹陷部，用于容置固态材料，当镭射加热抽气孔的邻近区域时，固态材料被熔融而封闭抽气孔。
优选的，本发明的元件封装方法还包括在盖体的下表面、或是槽型基座的底部或内侧壁设置或涂布吸气剂。
优选的，吸气剂设置于下表面邻近槽型基座的边缘部位置，当镭射照射边缘部时，吸气剂被加热而活化以吸收气体。
优选的，本发明的元件封装方法还包括设置多个吸气剂，将多个吸气剂的一部分设置于邻近边缘部，而将多个吸气剂的其余部分设置于远离边缘部，当镭射照射边缘部时，仅加热活化邻近边缘部的吸气剂。
基于上述目的，本发明还提供一种元件封装结构，适用于镭射真空封装，该元件封装结构包括感测元件、槽型基座、盖体、密封体以及抽气孔。感测元件设置于槽型基座的底部，而盖体覆盖槽型基座。密封体设置于盖体与槽型基座的边缘部之间。抽气孔设置于邻近所述边缘部，用于抽出盖体与槽型基座之间形成的密封空间中的气体以形成真空状态，抽气孔的上孔壁具有凹陷部用于容置固态材料。
优选的，当镭射照射边缘部以加热熔融密封体时，固态材料被熔融而封闭抽气孔。
基于上述目的，本发明还提供一种元件封装结构，适用于镭射真空封装，元件封装结构包括感测元件、槽型基座、盖体、密封体以及吸气剂。感测元件设置于槽型基座的底部。盖体覆盖槽型基座。密封体设置于盖体与槽型基座的边缘部之间。吸气剂设置在盖体的下表面、或是槽型基座的底部或内侧壁，且邻近边缘部。
优选的，当镭射照射边缘部以加热熔融密封体时，吸气剂被加热而活化以吸收盖体与槽型基座之间形成的密封空间内的气体。
优选的，吸气剂有多个时，多个吸气剂的一部分邻近边缘部，而多个吸气剂的其余部分远离边缘部，当镭射照射边缘部时，仅邻近边缘部的吸气剂被加热而活化。
附图说明
图1为现有技术的封装方法的示意图；
图2为根据本发明的元件封装方法的步骤流程图；
图3为根据本发明的元件封装方法的实施例1的示意图；
图4为根据本发明的元件封装方法的实施例2的示意图；
图5为根据本发明的元件封装方法的实施例3的示意图；
图6为根据本发明的元件封装方法的实施例4的示意图；
图7为根据本发明的元件封装结构的实施例的示意图；
图8为根据本发明的元件封装结构的另一实施例的示意图；
图9为根据本发明的元件封装结构的又一实施例的示意图；
图10为根据本发明的元件封装结构的又一实施例的示意图；
图11为红外线热影像器的噪声等效温差与封装真空度的关系图。
图中，10：槽型基座；20：盖体；30：感测元件；40、90：密封体；50：镭射；70：抽气孔；101：边缘部；103：密封空间；701：凹陷部；702：固态材料；703：通孔；80、81、82：吸气剂；801：第一黏着层；802：第二黏着层；S1～S4：步骤流程；P：抽气方向；D1～D6：路径。
具体实施方式
本申请文件所使用的词语，“与/或”包括一个或多个相关条列项目的任何组合或所有组合。当“至少其一”的叙述前缀在元件清单前时，是修饰整个清单元件而不是修饰清单中的个别元件。
图2为根据本发明的元件封装方法的步骤流程图，而图3为根据本发明的元件封装方法的实施例1的示意图。应注意的是，图2的步骤流程图的说明是搭配图3的示意图。
参考图2，本发明的元件封装方法包括下列步骤。在步骤S1，提供槽型基座10以及盖体20，并在槽型基座10的底部设置感测元件30，如图3(A)所示。其中，槽型基座10以及盖体20可为不同质材料，例如槽型基座10可用陶瓷材料或半导体材料制成，而盖体20可用透光材料或玻璃材料制成，但是本发明并不以此为限制，槽型基座10以及盖体20视需要也可为同质材料。另外，透光材料包括可穿透可见光或红外光的材料，可依使用需求选用特定波长的透光材料作为盖体20。优选的，感测元件30可为温度感测器或红外线热影像器。
接着，在步骤S2，将盖体20覆盖槽型基座10，并在盖体20与槽型基座10的边缘部101设置密封体40，如图3(B)所示。在实际过程中，密封体40可先涂抹或设置在边缘部101上，或者涂抹或设置在盖体20对应于边缘部101的位置上，然后再将盖体20覆盖于槽型基座10上。其中，当槽型基座10为陶瓷材料而盖体20为玻璃材料时，密封体40可为金属合金材料、焊接材料，例如锗铝合金(Ge/Al)、金锡焊接材料(AuSn)、锡锑焊接材料(SnSb)、锡银铜焊接材料(SnAgCu)、锡銦焊接材料(SnIn)或多种合金/焊接材料的组合，但此仅为举例，并不为限制，只要能密封盖体20与槽型基座10的材料都可作为密封体40。或者，当槽型基座10与盖体20为同质材料时，密封体40也可为与槽型基座10或盖体20相似的材料。
在步骤S3，使用镭射50照射槽型基座10的边缘部101，以熔融密封体40，致使盖体20与边缘部101结合而达到焊接的效果，如图3(C)所示。接着在步骤S4，使盖体20与槽型基座10之间的密封空间103处于真空状态，在图3中，封装过程是在真空室中进行封装，因此封装完成后密封空间103便处于真空状态，但是本发明并不限于此实施方式，将于后面段落详述其他实施方式。
此外，本发明的元件封装方法视需要还包括在盖体20的下表面、或是槽型基座10的底部或内侧壁设置或涂布一吸气剂。实施上，吸气剂可设置于下表面邻近槽型基座10的边缘部101位置，当镭射50照射边缘部101时，吸气剂可被加热而活化以吸收气体，进一步提高密封空间103的真空度。
此外，在使用镭射50照射的步骤S3中，镭射50视需要可间接加热密封体40或直接加热密封体40。如果是间接加热，可使用镭射50对焦照射于盖体20上，藉此加热盖体20而后热传导到密封体40，进而间接加热密封体40使其熔融；如果是直接加热，可将镭射50以对应于密封体40的特定频率照射并穿过盖体20而直接对焦在密封体40上，使密封体40吸收热能而熔融，进而使盖体20与槽型基座10相接合。但是上述焊接方式仅为举例，而非为限制，实施上亦可使用聚合物黏着接合(Polymer Adhesive Bonding)、扩散接合(diffusion bonding)等等的接合方式。
请参考图4，其是根据本发明的元件封装方法的实施例2的示意图。本实施例与前述实施例不同之处在于，在盖体20上设置第一黏着层801以及在边缘部101设置第二黏着层802。当镭射50照射加热时，密封体40、第一黏着层801以及第二黏着层802被熔融后而相融合，藉此以加强密封强度。其中，第一黏着层801或第二黏着层802可为金属合金材料，例如锗铝合金(Ge/Al)、金锡焊接材料(AuSn)、锡锑焊接材料(SnSb)、锡银铜焊接材料(SnAgCu)、锡銦焊接材料(SnIn)。
请参考图5，其是根据本发明的元件封装方法的实施例3的示意图。本实施例与前述实施例不同之处在于，槽型基座10还包括至少一个抽气孔70，其用于抽出密封空间103中的气体而使密封空间103形成真空状态，当密封空间103的真空度达到预定值，例如大约10-6torr，则将抽气孔70封住，这样可使密封空间103维持在所需要的真空度。与实施例1相比，实施例3不需使用真空室，而改用气体抽引装置，所以成本上会降低；但是实施例1在真空室进行，虽然成本较高，但是减少了封住抽气孔70的程序，所以效率上比实施例3高。
由于镭射50的宽度远小于槽型基座10的宽度，因此进行镭射局部加热时，设置在槽型基座10中央位置的感测元件30不会受到加热温度的影响。
请参考图6以及图7，其分别根据本发明的元件封装方法的实施例4的示意图，以及本发明的元件封装结构的实施例的示意图。实施例4与前述实施例大致相同，但其不同之处在于实施例4的抽气孔70设置于镭射50照射的路径D1～D6上。当镭射50加热熔融密封体40时，如图6所示，镭射50从路径D1开始照射加热，同时从抽气孔70在抽气方向P上抽出密封空间103中的气体。
当镭射50照射到路径D6时，密封空间103内已经抽气到所需要的真空度，此时镭射50照射路径D6可同时将抽气孔70封闭。实施上，抽气孔70可设置于邻近密封体40，当密封体40被加热熔融时，熔融的密封体40或是熔融的基座材料可将抽气孔70封闭。
或者，如图7的(A)部分所示，元件封装结构的抽气孔70邻近于边缘部101，且抽气孔70的一上孔壁具有凹陷部701，凹陷部701用于容置固态材料702。当密封体40被加热熔融时，固态材料702也一并被加热熔融而流到抽气孔70中，凝固后便将抽气孔70封闭，如图7的(B)部分所示。
实施例4不需额外封闭抽气孔70的步骤，具有简化封装流程的优点，镭射50照射加热的速度可搭配抽气的速度，直到密封空间103内已经达到所需要的真空度时，才照射抽气孔70所在的边缘部101，将盖体20与槽型基座10的封闭以及抽气孔70的封闭一起完成。
请参考图8，其是根据本发明的元件封装结构的另一实施例的示意图。本实施例与图7所示的实施例之间的不同之处在于，抽气孔70的位置是邻近边缘部101，且边缘部101与抽气孔70之间具有通孔703连接，如图8的(A)部分所示。当镭射50加热熔融密封体40时，熔融的密封体40可透过通孔703流到抽气孔70中，凝固后便将抽气孔70封闭，如图8的(B)部分所示。这样，盖体20与槽型基座10的封闭以及抽气孔70的封闭可一起完成。
请参考图9，是根据本发明的元件封装结构的又一实施例的示意图。图中，本实施例的元件封装结构是与前述的实施例相似，但不同处在于，本实施例的盖体20的下表面邻近边缘部101的位置设置有吸气剂80。
当镭射50照射边缘部101以加热熔融密封体40时，因为吸气剂80邻近密封体40，所以也会被加热而活化以吸收盖体20与槽型基座10之间形成的密封空间103内的气体，进一步提高密封空间103的真空度。
请参考图10，其根据本发明的元件封装结构的又一实施例的示意图。本实施例是应用镭射可局部加热的优点以达到延长元件使用寿命的目的。在图9中，盖体20的下表面设置多个吸气剂80、81与82，吸气剂80、81、82是沿着从边缘部101到盖体20的中心的方向上排布设置，即一部分吸气剂邻近边缘部101，而另一部分吸气剂远离边缘部101。
由于镭射局部加热的特性，当镭射50照射边缘部101以加热熔融密封体40时，只有吸气剂80会被加热活化，而吸气剂81与82不受影响。而在封装过程中，可视真空需要再用镭射50活化其他吸气剂81、82。
在图10中，以黑色表示已经活化的吸气剂80。感测元件30封装完成并使用一段时间后，因为外部气体进入密封空间103或是基座10产生气体，使得密封空间103内的真空度有可能会下降，而造成感测元件30的灵敏度下降。
此时，可再次使用镭射50照射加热吸气剂81，使得吸气剂81被活化而吸收气体，进而提高密封空间103内的真空度，恢复感测元件30的灵敏度。所以吸气剂81与82可在封装完成后被分别活化，以延长感测元件30的使用寿命。
根据上述各个实施例的说明，相对于现有技术使用基座底部加热的方式，本发明的元件封装方法具有以下优点。
第一，本发明使用镭射局部加热可缩短封装时间。
第二，本发明使用镭射局部加热可大幅降低温测元件受损的可能性，并能有效地提高密封空间的真空程度。
第三，本发明使用镭射局部加热可在封装过程中减少脱气现象，所以封装后的密封空间的真空程度可维持较长时间。
第四，本发明使用镭射局部加热可让感测元件封装以及抽气孔封闭同时完成。
第五，本发明使用镭射局部加热搭配吸气剂，可有效地延长感测元件的使用寿命。
第六，如果封装过程中需要焊接多处位置或是多个元件，本发明使用镭射局部加热可将多处焊接或多个元件焊接之间的相互影响降到最低，因此在密封体或焊料的选择限制较少，可有效地降低封装成本。
虽然本发明已参照其举例性实施例而特别地说明及描述，但是本领域技术人员根据公知常识应当理解，在不脱离本申请权利要求范围及其等效技术内容所定义的本发明的精神与范畴下可对其进行形式与细节上的各种变化。

Claims (19)

1.一种元件封装方法，其特征在于，包括﹕
提供槽型基座以及盖体，并在所述槽型基座的底部设置感测元件；
将所述盖体覆盖所述槽型基座，并在所述盖体与所述槽型基座的边缘部之间设置密封体；
使用镭射照射所述槽型基座的所述边缘部，以熔融所述密封体，使所述盖体与所述边缘部结合；以及
使所述盖体与所述槽型基座之间的密封空间处于真空状态。
2.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，所述感测元件为温度感测器或红外线热影像器。
3.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，还包括在真空室中进行封装。
4.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，所述槽型基座由陶瓷材料或半导体材料制成，所述盖体由透光材料或玻璃材料制成。
5.如权利要求4所述的元件封装方法，其特征在于，所述密封体为金属合金材料。
6.如权利要求5所述的元件封装方法，其特征在于，还包括:
在所述盖体上设置第一黏着层以及在所述边缘部设置第二黏着层；
当所述镭射照射加热时，所述密封体、所述第一黏着层以及所述第二黏着层被熔融而相融合。
7.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，还包括使用所述镭射照射所述盖体，以间接加热所述密封体；或是使用所述镭射穿过所述盖体而直接照射所述密封体，以熔融所述密封体。
8.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，所述槽型基座还包括至少一抽气孔，用以抽出所述密封空间中的气体而形成所述真空状态。
9.如权利要求8所述的元件封装方法，其特征在于，所述至少一抽气孔设置于所述镭射照射的路径上，当所述镭射加热熔融所述密封体时，所述至少一抽气孔被封闭。
10.如权利要求9所述的元件封装方法，其特征在于，所述至少一抽气孔的上孔壁具有凹陷部，所述凹陷部用于容置固态材料，当所述镭射加热所述至少一抽气孔的邻近区域时，所述固态材料被熔融而封闭所述抽气孔。
11.如权利要求9所述的元件封装方法，其特征在于，所述至少一抽气孔与所述边缘部之间具有通孔，当所述镭射加热所述密封体时，熔融的所述密封体通过所述通孔流到所述抽气孔中，凝固后封闭所述抽气孔。
12.如权利要求1所述的元件封装方法，其特征在于，还包括在所述盖体的下表面、或是所述槽型基座的所述底部或内侧壁设置或涂布吸气剂。
13.如权利要求12所述的元件封装方法，其特征在于，所述吸气剂设置于所述下表面邻近所述槽型基座的所述边缘部位置，当所述镭射照射所述边缘部时，所述吸气剂被加热而活化以吸收气体。
14.如权利要求12所述的元件封装方法，其特征在于，还包括设置多个吸气剂，将所述多个吸气剂的一部分设置于邻近所述边缘部，而将所述多个吸气剂的其余部分设置于远离所述边缘部，当所述镭射照射所述边缘部时，仅加热活化邻近于所述边缘部的所述吸气剂。
15.一种元件封装结构，其特征在于，适用于镭射真空封装，包括﹕
感测元件；
槽型基座，所述感测元件设置于所述槽型基座的底部；
盖体，覆盖所述槽型基座；
密封体，设置于所述盖体与所述槽型基座的边缘部之间；
抽气孔，设置于邻近所述边缘部，用以抽出所述盖体与所述槽型基座之间形成的密封空间中的气体以形成真空状态，所述抽气孔的上孔壁具有凹陷部，所述凹陷部用于容置固态材料。
16.如权利要求15所述的元件封装结构，其特征在于，当镭射照射所述边缘部以加热熔融所述密封体时，所述固态材料被熔融而封闭所述抽气孔。
17.一种元件封装结构，其特征在于，适用于镭射真空封装，包括﹕
感测元件；
槽型基座，所述感测元件是设置于所述槽型基座的底部；
盖体，覆盖所述槽型基座；
密封体，设置或涂布于所述盖体与所述槽型基座的边缘部之间；
吸气剂，设置在所述盖体的下表面、或是所述槽型基座的所述底部或内侧壁，且邻近所述边缘部。
18.如权利要求17所述的元件封装结构，其特征在于，当镭射照射所述边缘部加热熔融所述密封体时，所述吸气剂被加热而活化以吸收所述盖体与所述槽型基座之间形成的密封空间内的气体。
19.如权利要求17所述的元件封装结构，其特征在于，所述吸气剂有多个时，所述多个吸气剂的一部分设置于邻近所述边缘部，而所述多个吸气剂的其余部分设置于远离所述边缘部，当所述镭射照射所述边缘部时，仅邻近所述边缘部的吸气剂被加热而活化。
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