TWI543305B - 元件封裝方法及其結構 - Google Patents

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Description

元件封裝方法及其結構
下列敘述是有關於一種元件封裝方法及其結構，特別是一種利用雷射進行感測元件真空封裝而在封裝過程中減少脫氣(outgassing)現象的方法。
目前，紅外線(IR)視頻攝影機已經被應用於記錄及貯存連續之熱影像，在紅外線(IR)視頻攝影機中包含一溫測晶片，其包含溫度感測元件陣列(array)，每一溫度感測元件可根據其接收到的紅外線輻射能量而對應地改變其電阻值，因此每一溫度感測元件的電阻值改變可對應熱能量的強弱，每一溫度感測元件陣列便可產生一熱影像。
溫測晶片係設置在一基座上，然後以蓋體與基座封裝，而且為了避免封裝空間中產生熱對流而影響溫度感測元件陣列所感測的熱能量，封裝空間係維持在真空狀態，而溫度感測元件陣列的靈敏度係與封裝空間之真空程度有關。
請參閱第1圖，其繪示習知技藝之封裝方法之示意圖。圖中，感測元件30設置在槽型基座10之底部，而槽型基座10之邊緣部與一蓋體20之間設置有密封體90。在習知技藝中，進行封裝時，係從槽型基座10之底部加熱，經 過熱傳導到槽型基座10之邊緣部以加熱密封體90使其熔融，藉此讓槽型基座10與蓋體20結合而完成封裝。
但是習知技藝有些缺點。第一，感測元件30容易在槽型基座10之底部加熱期間受到損害，造成良率下降。第二，槽型基座10之底部加熱時會產生氣體，為了維持封裝空間在真空狀態，必須延長抽引氣體的時間，造成封裝時間延長。第三，整體加熱的槽型基座10會有大量的脫氣現象(out-gassing)，導致抽真空時間延長，加熱時間越久則感測元件30越容易受到損壞。
此外，如果封裝過程中需要焊接多處位置或是多個元件，因為習知技藝之封裝方法採用整體加熱，所以通常使用不同熔點的密封體或焊料，而且必須先使用高熔點的焊料，後使用低熔點的焊料。但是此考量會限制密封體或焊料的選擇，導致封裝成本增加。
再者，有些感測元件在封裝後的感測靈敏度係與封裝真空度成正比，例如紅外線熱影像器。請參閱第11圖，其係紅外線熱影像器之雜訊等校溫差(NETD)與封裝真空度的關係圖。圖中，封裝真空度越差(真空度氣壓數值越高)，則紅外線熱影像器之雜訊等校溫差值越高，代表紅外線熱影像器的感測靈敏度越差。但是，在習知技藝中，如果要獲得較高的封裝真空度，則抽引氣體所需的時間就越長，造成封裝時間延長。
有鑑於上述習知技藝的缺點，本發明實施例之態樣係針對一種元件封裝方法及其結構，以提高封裝後感測元件的靈敏度。
再者，本發明實施例之態樣係針對一種元件封裝方法及其結構，以更有效率地提高封裝空間的真空度。
再者，本發明實施例之態樣係使用雷射進行局部加熱，可避免感測元件在封裝期間受損，並兼顧維持密封空間的真空程度。
再者，本發明實施例之態樣係使用雷射進行局部加熱，可有效地減少在封裝過程中產生的脫氣現象以及剩餘應力。
再者，本發明實施例之態樣係讓雷射封裝與抽氣孔封閉一起完成，可提高封裝之效率。
再者，本發明實施例之態樣係使用吸氣劑，以提高密封空間的真空程度。
基於上述目的，本發明係提供一種元件封裝方法，其包含下列步驟。先提供槽型基座以及蓋體，並在槽型基座之底部設置一感測元件。將蓋體覆蓋槽型基座，並在蓋體與槽型基座之邊緣部設置密封體(sealant)。接著，使用雷射照射槽型基座之邊緣部，以熔融密封體，致使蓋體與邊緣部結合。使蓋體與槽型基座之間的密封空間處於一真空狀態。
較佳地，感測元件可為一溫度感測器或是一紅外線熱影像器。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含在真空室中進行封裝。
較佳地，槽型基座係以陶瓷材料或半導體材料形成。
較佳地，蓋體可用透光材料或玻璃材料形成。
較佳地，密封體可為金屬合金材料。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含在蓋體上設置第一黏著層以及在邊緣部設置第二黏著層。當雷射照射加熱時，密封體、第一黏著層以及第二黏著層係被熔融而為相融合。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含使用雷射照射蓋體，以間接加熱密封體。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含使用雷射穿過蓋體而直接照射密封體，以熔融密封體。
較佳地，槽型基座更包含至少一抽氣孔，用以抽出密封空間中的氣體而形成真空狀態。
較佳地，抽氣孔係設置於雷射照射之路徑上，當雷射加熱熔融密封體時，抽氣孔係同時被封閉。
較佳地，抽氣孔之上孔壁具有凹陷部，用以容置一固態材料，當雷射加熱抽氣孔之鄰近區域時，固態材料被熔融而封閉抽氣孔。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含在蓋體之下表面、或是槽型基座之底部或內側壁設置或塗佈吸氣劑。
較佳地，吸氣劑設置於下表面鄰近槽型基座之邊緣部之處，當雷射照射邊緣部時，吸氣劑係被加熱而活化以吸收氣體。
較佳地，本發明之元件封裝方法更包含設置複數個吸氣劑，將複數個吸氣劑之一部分設置鄰近邊緣部，而將複數個吸氣劑之其他部分設置遠離邊緣部，當雷射照射邊緣部時，僅加熱活化鄰近邊緣部的吸氣劑。
基於上述目的，本發明再提供一種元件封裝結構，適用於雷射真空封裝，此元件封裝結構包含一感測元件、一槽型基座、一蓋體、一密封體以 及一抽氣孔。感測元件設置於槽型基座之底部，而蓋體覆蓋槽型基座。密封體設置於蓋體與槽型基座之邊緣部之間。抽氣孔設置鄰近於該邊緣部，用以抽出蓋體與槽型基座之間形成的密封空間中的氣體以形成真空狀態，抽氣孔之一上孔壁具有一凹陷部用以容置一固態材料。
較佳地，當雷射照射邊緣部以加熱熔融密封體時，固態材料係被熔融而封閉抽氣孔。
基於上述目的，本發明再提供一種元件封裝結構，適用於雷射真空封裝，元件封裝結構包含一感測元件、一槽型基座、一蓋體、一密封體以及一吸氣劑。感測元件設置於槽型基座之底部。蓋體係覆蓋槽型基座。密封體係設置於蓋體與槽型基座之一邊緣部之間。吸氣劑係設置在蓋體之下表面、或是槽型基座之底部或內側壁，且鄰近邊緣部。
較佳地，當雷射照射邊緣部以加熱熔融密封體時，吸氣劑係被加熱而活化以吸收蓋體與槽型基座之間形成的密封空間內的氣體。
較佳地，吸氣劑有複數個時，複數個吸氣劑之一部分係鄰近邊緣部，而複數個吸氣劑之其他部分係遠離邊緣部，當雷射照射邊緣部時，僅鄰近邊緣部的吸氣劑被加熱而活化。
10‧‧‧槽型基座
20‧‧‧蓋體
30‧‧‧感測元件
40、90‧‧‧密封體
50‧‧‧雷射
70‧‧‧抽氣孔
101‧‧‧邊緣部
103‧‧‧密封空間
701‧‧‧凹陷部
702‧‧‧固態材料
703‧‧‧通孔
80、81、82‧‧‧吸氣劑
801‧‧‧第一黏著層
802‧‧‧第二黏著層
S1~S4‧‧‧步驟流程
P‧‧‧抽氣方向
D1~D6‧‧‧路徑
第1圖係為習知技藝之封裝方法之示意圖。
第2圖係為根據本發明之元件封裝方法之步驟流程圖。
第3圖係為根據本發明之元件封裝方法之第一實施例之示意圖。
第4圖係為根據本發明之元件封裝方法之第二實施例之示意圖。
第5圖係為根據本發明之元件封裝方法之第三實施例之示意圖。
第6圖係為根據本發明之元件封裝方法之第四實施例之示意圖。
第7圖係為根據本發明之元件封裝結構之實施例之示意圖。
第8圖係為根據本發明之元件封裝結構之另一實施例之示意圖。
第9圖係為根據本發明之元件封裝結構之再一實施例之示意圖。
第10圖係為根據本發明之元件封裝結構之再一實施例之示意圖。
第11圖係為紅外線熱影像器之雜訊等校溫差與封裝真空度的關係圖。
於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。
第2圖係為根據本發明之元件封裝方法之步驟流程圖，而第3圖係為根據本發明之元件封裝方法之第一實施例之示意圖。應注意的是，第2圖之步驟流程圖之說明係搭配第3圖之示意圖。
參閱第2圖，本發明之元件封裝方法包含下列步驟。在步驟S1，提供一槽型基座10以及一蓋體20，並在槽型基座10之底部設置一感測元件30，如第3圖(A)所示。其中，槽型基座10以及蓋體20可為異質材料，例如槽型基座10可用陶瓷材料或半導體材料形成，而蓋體20可用透光材料或玻璃材料形成，但是本發明並不以此為限制，槽型基座10以及蓋體20視需要亦可為同質材料。此外，透光材料包含可穿透可見光或紅外光的材料，可依使用需求選用特定波長 之透光材料作為蓋體20。較佳地，感測元件30可為一溫度感測器或是一紅外線熱影像器。
接著，在步驟S2，將蓋體20覆蓋槽型基座10，並在蓋體20與槽型基座10之邊緣部101設置密封體40，如第3圖(B)所示。在實際過程中，密封體40可先塗抹或設置在邊緣部101上，或者塗抹或設置在蓋體20對應於邊緣部101的位置上，然後再將蓋體20覆蓋於槽型基座10上。其中，當槽型基座10為陶瓷材料而蓋體20為玻璃材料時，密封體40可為金屬合金材料、焊接材料，例如鍺鋁合金(Ge/Al)、金錫焊接材料(AuSn)、錫銻焊接材料(SnSb)、錫銀銅焊接材料(SnAgCu)、錫銦焊接材料(SnIn)或多種合金/焊接材料之組合，但此僅為舉例，並不為限制，只要能密封蓋體20與槽型基座10的材料皆可做為密封體40。或者，當槽型基座10與蓋體20為同質材料時，密封體40亦可為與槽型基座10或蓋體20相似的材料。
在步驟S3，使用一雷射50照射槽型基座10之邊緣部101，以熔融密封體40，致使蓋體20與邊緣部101結合而達到焊接的效果，如第3圖(C)所示。接著在步驟S4，使蓋體20與槽型基座10之間的密封空間103處於一真空狀態，在第3圖中，封裝過程係在真空室中進行封裝，因此封裝完成後密封空間103便處於真空狀態，但是本發明並不限於此實施方式，將於後面段落詳述其他實施方式。
此外，本發明之元件封裝方法視需要更包含在蓋體20之下表面、或是槽型基座10之底部或一內側壁設置或塗佈一吸氣劑。實施上，吸氣劑可設置於下表面鄰近槽型基座10之邊緣部101之處，當雷射50照射邊緣部101時，吸氣劑係可被加熱而活化以吸收氣體，進一步提高密封空間103的真空度。
此外，在使用雷射50照射的步驟S3中，雷射50視需要可間接加熱密封體40或是直接加熱密封體40。如果是間接加熱，可使用雷射50對焦照射於蓋體20上，藉此加熱蓋體20而後熱傳導至密封體40，進而間接加熱密封體40使其熔融；如果是直接加熱，可將雷射50以對應於密封體40的特定頻率照射並穿過蓋體20而直接對焦在密封體40上，致使密封體40吸收熱能而熔融，進而使得蓋體20與槽型基座10相接合。但是上述焊接方式僅為舉例，而非為限制，實施上亦可使用聚合物黏著接合(Polymer Adhesive Bonding)、擴散接合(diffusion bonding)等等的接合方式。
請參閱第4圖，其係根據本發明之元件封裝方法之第二實施例之示意圖。此實施例與前一實施例不同之處在於，在蓋體20上設置一第一黏著層801以及在邊緣部101設置一第二黏著層802。當雷射50照射加熱時，密封體40、第一黏著層801以及第二黏著層802係被熔融而為相融合，藉此以加強密封強度。其中，第一黏著層801或第二黏著層802可為金屬合金材料，例如鍺鋁合金(Ge/Al)、金錫焊接材料(AuSn)、錫銻焊接材料(SnSb)、錫銀銅焊接材料(SnAgCu)、錫銦焊接材料(SnIn)。
請參閱第5圖，其係為根據本發明之元件封裝方法之第三實施例之示意圖。此實施例與前述實施例不同之處在於，槽型基座10更包含至少一抽氣孔70，其用以抽出密封空間103中的氣體而使密封空間103形成真空狀態，當密封空間103的真空度達到預定值，例如大約10-6torr，則將抽氣孔70封住，如此可使得密封空間103維持在欲得的真空度。與第一實施例相比，第三實施例不須使用真空室，而改用氣體抽引裝置，所以成本上會降低；但是第一實施例在 真空室進行，雖然成本較高，但是減少了封住抽氣孔70的程序，所以效率上比第三實施例高。
由於雷射50的寬度遠小於槽型基座10的寬度，因此進行雷射局部加熱時，設置在槽型基座10中央位置的感測元件30不會受到加熱溫度的影響。
請參閱第6圖以及第7圖，其分別為根據本發明之元件封裝方法之第四實施例之示意圖，以及本發明之元件封裝結構之實施例之示意圖。第四實施例與前述實施例大致相同，但其相異之處在於第四實施例之抽氣孔70係設置於雷射50照射的路徑D1~D6上。當雷射50加熱熔融密封體40時，如第6圖所示，雷射50從路徑D1開始照射加熱，同時從抽氣孔70在抽氣方向P上抽出密封空間103中的氣體。
當雷射50照射到路徑D6時，密封空間103內已經抽氣到欲得的真空度，此時雷射50照射路徑D6可同時將抽氣孔70封閉。實施上，抽氣孔70可設置鄰近密封體40，當密封體40被加熱熔融時，熔融的密封體40或是熔融的基座材料可將抽氣孔70封閉。
或者，如第7圖之(A)部分所示，元件封裝結構的抽氣孔70係鄰近於邊緣部101，且抽氣孔70之一上孔壁具有一凹陷部701，凹陷部701係容置一固態材料702。當密封體40被加熱熔融時，固態材料702也一併被加熱熔融而流到抽氣孔70中，凝固後便將抽氣孔70封閉，如第7圖之(B)部分所示。
第四實施例不需額外封閉抽氣孔70的步驟，具有簡化封裝流程的優點，雷射50照射加熱的速度可搭配抽氣的速度，直到密封空間103內已經達到欲得的真空度時，才照射抽氣孔70所在的邊緣部101，將蓋體20與槽型基座10的封閉以及抽氣孔70的封閉一起完成。
請參閱第8圖，其係根據本發明之元件封裝結構之另一實施例之示意圖。此實施例與第7圖所示之實施例之間的相異處在於，抽氣孔70的位置係鄰近邊緣部101，且邊緣部101與抽氣孔70之間具有一通孔703連接，如第8圖之(A)部分所示。當雷射50加熱熔融密封體40時，熔融的密封體40可透過通孔703而流到抽氣孔70中，凝固後便將抽氣孔70封閉，如第8圖之(B)部分所示。如此，蓋體20與槽型基座10的封閉以及抽氣孔70的封閉可一起完成。
請參閱第9圖，係為根據本發明之元件封裝結構之另一實施例之示意圖。圖中，此實施例之元件封裝結構係與前述的實施例相似，但相異處在於，此實施例的蓋體20之下表面鄰近邊緣部101之處設置有吸氣劑80。
當雷射50照射邊緣部101以加熱熔融密封體40時，因為吸氣劑80鄰近密封體40，所以也會被加熱而活化以吸收蓋體20與槽型基座10之間形成的密封空間103內的氣體，進一步提高密封空間103的真空度。
請參閱第10圖，其為根據本發明之元件封裝結構之再一實施例之示意圖。此實施例係應用雷射可局部加熱的優點以達到延長元件使用壽命的目的。在第9圖中，蓋體20之下表面係設置複數個吸氣劑80、81與82，吸氣劑80、81、82係沿著從邊緣部101到蓋體20之中心的方向上設置，亦即，一部分吸氣劑鄰近邊緣部101，而另一部分吸氣劑遠離邊緣部101。
由於雷射局部加熱的特性，當雷射50照射邊緣部101以加熱熔融密封體40時，只有吸氣劑80會被加熱活化，而吸氣劑81與82不受影響。而在封裝過程中，可視真空需要再用雷射50活化其他吸氣劑81、82。
在第10圖以黑色表示已經活化的吸氣劑80。感測元件30封裝完成而使用一段時間後，因為外部氣體進入密封空間103或是基座10產生氣體，使得密封空間103內的真空度有可能會下降，而造成感測元件30的靈敏度下降。
此時，可再次使用雷射50照射加熱吸氣劑81，使得吸氣劑81被活化而吸收氣體，進而提高密封空間103內的真空度，恢復感測元件30的靈敏度。所以吸氣劑81與82可在封裝完成後被分別活化，以延長感測元件30的使用壽命。
根據上述各個實施例之說明，相較於習知技藝使用基座底部加熱的方式，本發明之元件封裝方法有以下優點。
第一，本發明使用雷射局部加熱可縮短封裝時間。
第二，本發明使用雷射局部加熱可大幅降低溫測元件受損的可能性，並能有效地提高密封空間的真空程度。
第三，本發明使用雷射局部加熱可在封裝過程中減少脫氣現象，所以封裝後的密封空間的真空程度可維持較長時間。
第四，本發明使用雷射局部加熱可讓感測元件封裝以及抽氣孔封閉同時完成。
第五，本發明使用雷射局部加熱搭配吸氣劑，可有效地延長感測元件的使用壽命。
第六，如果封裝過程中需要焊接多處位置或是多個元件，本發明使用雷射局部加熱可將多處焊接或多個元件焊接之間的相互影像降地最低，因此在密封體或焊料的選擇限制較少，可有效地降低封裝成本。
雖然本發明已參照其例示性實施例而特別地顯示及描述，將為所屬技術領域具通常知識者所理解的是，於不脫離以下申請專利範圍及其等效物所定義之本發明之精神與範疇下可對其進行形式與細節上之各種變更。
S1~S4‧‧‧步驟流程

Claims (18)

  1. 一種元件封裝方法，包含：提供一槽型基座以及一蓋體，並在該槽型基座之底部設置一感測元件；將該蓋體覆蓋該槽型基座，並在該蓋體與該槽型基座之一邊緣部之間設置一密封體；設置複數個吸氣劑，將該複數個吸氣劑之一部分設置鄰近該邊緣部，而將該複數個吸氣劑之其他部分設置遠離該邊緣部；使用一雷射照射該槽型基座之該邊緣部，以熔融該密封體，致使該蓋體與該邊緣部結合，當該雷射照射該邊緣部時，僅加熱活化鄰近該邊緣部的該吸氣劑；以及使該蓋體與該槽型基座之間的一密封空間處於一真空狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，其中該感測元件係為一溫度感測器或是一紅外線熱影像器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，更包含在一真空室中進行封裝。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，其中該槽型基座係以陶瓷材料或半導體材料形成，該蓋體係以透光材料或玻璃材料形成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之元件封裝方法，其中該密封體係為金屬合金材料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之元件封裝方法，更包含： 在該蓋體上設置一第一黏著層以及在該邊緣部設置一第二黏著層；當該雷射照射加熱時，該密封體、該第一黏著層以及該第二黏著層係被熔融而為相融合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，更包含使用該雷射照射該蓋體，以間接加熱該密封體；或是使用該雷射穿過該蓋體而直接照射該密封體，以熔融該密封體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，其中該槽型基座更包含至少一抽氣孔，用以抽出該密封空間中的氣體而形成該真空狀態。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之元件封裝方法，其中該至少一抽氣孔係設置於該雷射照射之一路徑上，當該雷射加熱熔融該密封體時，該至少一抽氣孔係被封閉。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之元件封裝方法，其中該至少一抽氣孔之一上孔壁具有一凹陷部，該凹陷部係容置一固態材料，當該雷射加熱該至少一抽氣孔之鄰近區域時，該固態材料係被熔融而封閉該抽氣孔。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之元件封裝方法，其中該至少一抽氣孔與該邊緣部之間具有一通孔，當該雷射加熱該密封體時，熔融的該密封體係通過該通孔而流到該抽氣孔而凝固後封閉該抽氣孔。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之元件封裝方法，更包含在該蓋體之下表面、或是該槽型基座之該底部或一內側壁設置或塗佈一吸氣劑。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之元件封裝方法，其中該吸氣劑係設置於該下表面鄰近該槽型基座之該邊緣部之處，當該雷射照射該邊緣部時，該吸氣劑係被加熱而活化以吸收氣體。
  14. 一種元件封裝結構，適用於雷射真空封裝，該元件封裝結構包含：一感測元件；一槽型基座，該感測元件係設置於該槽型基座之底部；一蓋體，係覆蓋該槽型基座；一密封體，係設置於該蓋體與該槽型基座之一邊緣部之間；一抽氣孔，係設置鄰近於該邊緣部，用以抽出該蓋體與該槽型基座之間形成的一密封空間中的氣體以形成真空狀態，該抽氣孔之一上孔壁具有一凹陷部，該凹陷部係容置一固態材料；以及複數個吸氣劑，該複數個吸氣劑之一部分設置鄰近該邊緣部，而該複數個吸氣劑之其他部分遠離該邊緣部設置，其中當一雷射照射該邊緣部時，僅加熱活化鄰近該邊緣部的該吸氣劑。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之元件封裝結構，其中當一雷射照射該邊緣部以加熱熔融該密封體時，該固態材料係被熔融而封閉該抽氣孔。
  16. 一種元件封裝結構，適用於雷射真空封裝，該元件封裝結構包含：一感測元件； 一槽型基座，該感測元件係設置於該槽型基座之底部；一蓋體，係覆蓋該槽型基座；一密封體，係設置或塗佈於該蓋體與該槽型基座之一邊緣部之間；複數個吸氣劑，係設置在該蓋體之下表面、或是該槽型基座之該底部或內側壁，且該複數個吸氣劑之一部分鄰近該邊緣部，而該複數個吸氣劑之其他部分遠離該邊緣部設置，其中當一雷射照射該邊緣部時，僅加熱活化鄰近該邊緣部的該吸氣劑。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之元件封裝結構，其中當一雷射照射該邊緣部以加熱熔融該密封體時，該吸氣劑係被加熱而活化以吸收該蓋體與該槽型基座之間形成的一密封空間內的氣體。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之元件封裝結構，其中該吸氣劑有複數個時，該複數個吸氣劑之一部分係鄰近該邊緣部，而該複數個吸氣劑之其他部分係遠離該邊緣部，當該雷射照射該邊緣部時，僅鄰近該邊緣部的該吸氣劑被加熱而活化。
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