CN109116504B - 一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，包括光学玻璃或光学晶体元件，所述光学元件采用石英玻璃和透镜中的任意一种，所述光学元件上局部单面设有掩膜部位，所述光学元件的四周设有化学粗化部位，且化学粗化部位的表面真空溅射钛层，所述镀钛层的上面有镀金层，所述光学元件的底部表面通过共晶焊或电镀金锡与金属方框形成软钎焊层，采用了将光学元件掩膜局部粗化，极化，真空溅射金属膜，然后在金属膜上局部电镀或熔接低温钎焊料的方法形成金属过渡层，然后通过低温钎焊的方法，将一些不能经过高温过程的特殊的晶体光窗，或者膨胀系数失配的光学元件和金属或金属化陶瓷结合形成气密性封装的目的。

Description

一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构及制 造方法

技术领域

本发明属于特种光学玻璃或光学晶体材料用作气密性封装的石英玻璃或透镜部件，具体涉及一种膨胀系数失配型光学元件的气密性封装的结构及制造方法。

背景技术

在可靠性气密匹配封接(Matched sealed)技术领域，材料间的膨胀系数匹配是基本的要求；而在压缩封接(Compression sealed)技术领域，膨胀系数外大内小是基本要求。

在光电子气密性封装领域，有一类光学元件产品是由晶体材料例如CaF2，MgF2，石英晶体，石英玻璃，ZnS等晶体或玻璃材料制造的光学透镜或镜片，某些应用要求下需要和其他膨胀系数差异较大的材料例如金属和陶瓷组合起来，形成一个气密性腔体，以保护光电子芯片的可靠工作。

由于很多半导体芯片对环境湿气，有害性气体和污染物的敏感性，所以这种芯片往往需要气密性的封装，在紫外(特别是深紫外190-280nm)和中红外区域(3000-30000nm)，常规的光学玻璃材料由于其光学性能的限制，往往不能满足透光率的要求。因此，在紫外区域(特别是深紫外区域)，通常采用石英玻璃作为透光材料；在中红外区域，通常采用各种非氧化物晶体(如氟化钙CaF2，硫化锌ZNS等)作为透光材料。

但是石英玻璃的膨胀系数比常用的金属材料低一个数量级，有些非氧化物晶体材料化学稳定性较差，比较低的相变温度或者各种不同的热膨胀系数，很难通过玻璃直接封接的方式来完成，所以当前主要的解决方案是采用有机黏胶(例如环氧树脂)结合的方式来完成。但有机黏胶由于不耐高温，而且在紫外照射下容易老化降解，不能达到真空气密的等级，因而降低了封装的可靠性，导致芯片寿命通常较短。为此，我们提出一种膨胀系数失配型光学元件的气密性封装的结构及制造方法来解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨胀系数失配型光学元件的气密性封装的结构及制造方法，采用了将晶体材料掩膜局部粗化，极化，真空溅射金属膜，然后在金属膜上局部电镀或熔接低温钎焊料的方法形成金属过渡层，然后通过低温钎焊的方法，将一些不能经过高温过程的特殊的晶体光窗，或者膨胀系数失配的光学元件和金属材料或金属化陶瓷结合形成气密性封装的目的，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，包括光学元件，所述光学元件采用石英玻璃和透镜中的任意一种，所述光学元件上局部单面设有掩膜部位，所述光学元件的四周设有化学粗化部位，且化学粗化部位的表面真空溅射镀钛层，所述镀钛层的上面有镀金层，所述光学元件的底部表面通过共晶焊或电镀金锡与金属方框形成软钎焊层。

优选的，所述镀金层的顶部电镀有镀锡层，且镀金层的厚度为300-500nm，所述镀锡层的厚度为300-800nm，所述镀钛层的厚度为100-300um。

优选的，所述石英玻璃的规格为6*6*0.3mm；所述化学粗化部位的大小为5.5*5.5mm，所述化学粗化部位的宽度为0.5mm，所述金属方框的尺寸为外框6*6*0.1mm，框宽度0.5mm。

优选的，所述光学元件表面附着有透过率相同或不相同的选择性透过AR镀膜。

根据本发明提供的一个实施例：一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的制造方法，包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的平面石英玻璃，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英玻璃(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛100-300um，然后在钛层上面溅射300-500nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用金锡合金方框(零件2)，在300摄氏度下通过共晶焊和金属化后的石英片结合形成软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英玻璃就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英玻璃部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

根据本发明提供的另一个实施例：一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的制造方法，包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的石英透镜，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英透镜(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛100-300um，然后在钛层上面溅射300-500nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用将金属化后的石英片表面镀锡300-800nm，再保护气氛下加热到350度形成类金锡合金的软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英透镜就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英透镜部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构及制造方法，与现有技术相比，

1.采用了刚性材料+金属化过渡+软钎焊连接的原则，避免结构性应力的产生并由此带来的脆性材料微裂纹；

2.采用低温制程，可降低热应力并由此可能带来的脆性材料微裂纹，同时可以避开相变温度，不改变光学晶体性能；

3.由于采用了低温制程，因此这类光学元件在形状结构上就有着多样性，灵活性设计，可以满足各种封装结构设计的要求；

4.采用软钎焊技术完成金属或金属化陶瓷和晶体或玻璃材料的密封性连接，可灵活选用软钎焊材料，以适应不同使用环境的要求；

5.由于金属化是采用局部掩膜，表面粗化，极化和真空溅射的技术，这是一种创新的非金属材料的低温金属化制程，具有良好的结合力；

6.在获得金属化后，采用了低温软钎焊(例如锡或金锡等低温焊料)和金属化层复合的技术，用这种软钎焊层去和其他金属或金属化陶瓷进行封焊，即可获得气密性和可靠性都满足设计要求的光电子器件。

附图说明

图1为本发明石英玻璃的结构示意图；

图2为本发明石英玻璃的A-A结构示意图；

图3为本发明石英透镜的结构示意图；

图4为本发明石英透镜的A-A结构示意图；

图5为本发明金属方框立体图；

图6为本发明金属方框的A-A结构示意图；

图7为本发明的镀钛层和镀金层的结构示意图；

图8为本发明的镀钛层、镀金层和镀锡层的结构示意图。

图中：1光学元件、101石英玻璃、102透镜、2金属方框、3掩膜部位、4化学粗化部位、5镀钛层、6镀金层、7镀锡层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-8所示的一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，包括光学元件1，所述光学元件1采用石英玻璃101和透镜102中的任意一种，所述光学元件1上局部单面设有掩膜部位3，所述光学元件1的四周设有化学粗化部位4，且化学粗化部位4的表面真空溅射镀钛层5，所述镀钛层5的上面有镀金层6，所述光学元件1的底部表面通过共晶焊或电镀金锡与金属方框2形成软钎焊层。

较佳地，所述镀金层6的顶部电镀有镀锡层7，且镀金层6的厚度为300-500nm，所述镀锡层7的厚度为300-800nm，所述镀钛层5的厚度为100-300um。

通过采用上述技术方案，所述镀金层6的顶部电镀有镀锡层7，且镀金层6的厚度为400nm，所述镀锡层7的厚度为500nm，所述镀钛层5的厚度为200um。

较佳地，所述石英玻璃101的规格为6*6*0.3mm；所述化学粗化部位4的大小为5.5*5.5mm，所述化学粗化部位4的宽度为0.5mm，所述金属方框2的尺寸为外框6*6*0.1mm，框宽度0.5mm。

较佳地，所述光学元件1表面附着有透过率相同或不相同的选择性透过AR镀膜。

通过采用上述技术方案，所述光学元件1表面附着有透过率相同或不相同的选择性透过AR镀膜。

实施例一：

一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的制造方法，包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的平面石英玻璃，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英玻璃(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛100um，然后在钛层上面溅射300nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用金锡合金方框(零件2)，在300摄氏度下通过共晶焊和金属化后的石英片结合形成软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英玻璃就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英玻璃部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

实施例二：

一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的制造方法，包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的石英透镜，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英透镜(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛300um，然后在钛层上面溅射500nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用将金属化后的石英片表面镀锡800nm，再保护气氛下加热到350度形成类金锡合金的软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英透镜就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英透镜部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

本发明的技术工艺流程如下所示：

光学部件设计——光学元件加工——按照设计局部掩膜——局部粗化——极化——真空金属镀膜——热处理——低温焊料电镀或熔合——成品。

本发明结构的金属化石英玻璃光学部件(例如光窗或透镜)和金属基座，陶瓷基座(带金属框架或金属化)进行气密性封装后的性能测试结果，如下表一所示：

采用本发明制造的金属化石英玻璃部件用于气密性封装，其气密性和可靠性均满足设计要求。

本发明强调的是一种工艺方法和结构的创意和由此带来的产品的创新和性能提升，并不局限于某种特定材料，形状和大小和采用何种工艺设备，只要和本发明创意类似的形状和做法，也应当视为本发明所包含的范围。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，包括光学元件(1)，其特征在于：所述光学元件(1)采用石英玻璃(101)和透镜(102)中的任意一种，所述光学元件(1)上局部单面设有掩膜部位(3)，所述光学元件(1)的四周设有化学粗化部位(4)，且化学粗化部位(4)的表面真空溅射镀钛层(5)，所述镀钛层(5)的上面有镀金层(6)，所述光学元件(1)的底部表面通过共晶焊或电镀金锡与金属方框(2)形成软钎焊层。

2.根据权利要求1所述的一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，其特征在于：所述镀金层(6)的顶部电镀有镀锡层(7)，且镀金层(6)的厚度为300-500nm，所述镀锡层(7)的厚度为300-800nm，所述镀钛层(5)的厚度为100-300um。

3.根据权利要求1所述的一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，其特征在于：所述石英玻璃(101)的规格为6*6*0.3mm；所述掩膜部位(3)的大小为5.5*5.5mm，所述化学粗化部位(4)的宽度为0.5mm，所述金属方框(2)的尺寸为外框6*6*0.1mm，框宽度0.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构，其特征在于：所述光学元件(1)表面附着有透过率相同或不相同的选择性透过AR镀膜。

5.一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构制造方法,其特征在于包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的平面石英玻璃，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英玻璃(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛100-300um，然后在钛层上面溅射300-500nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用金锡合金方框(零件2)，在300摄氏度下通过共晶焊和金属化后的石英片结合形成软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英玻璃就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英玻璃部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

6.一种用于气密性封装的膨胀系数失配型光学元件的结构制造方法,其特征在于包括步骤如下：

S1，采用的材料为方形的石英透镜，规格为6*6*0.3mm，通过45*45*0.3mm石英方片激光切割而成，作为零件1，备用；

S2，采用的是金锡合金材料金属方框，尺寸如下，外框6*6*0.1毫米，框宽度0.5毫米，采用金锡合金带材精密的长方型片，作为零件2，备用；

S3，石英透镜(零件1)局部金属化：方片中心5.5*5.5毫米区域单面局部掩膜，四周宽度为0.5毫米区域化学粗化，真空溅射金属钛100-300um，然后在钛层上面溅射300-500nm金层备用；

S4，将金属化完成后的石英片用以下方法形成软钎焊层，采用将金属化后的石英片表面镀锡300-800nm，再保护气氛下加热到350度形成类金锡合金的软钎焊层；

S5，热膨胀系数只有0.5*10^-7PPM的石英透镜就通过金属化后和软钎焊合金成为一体，由于软钎焊合金具有释放应力的特点，就使得这种结构的石英透镜部件可以直接和较大膨胀系数的材料，直接和金属框架通过软钎焊的方式完成可靠的气密性封装。

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