TWI692821B - 紅外線感測器之低溫高真空封裝方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，首先，置入一基座、一紅外線感測晶片、一焊料環、一光學透視窗、吸氣劑與一金屬框於一真空迴焊爐之真空腔體中，且真空腔體中設有至少一拋光式金屬遮板。接著，加熱並激活吸氣劑，並以拋光式金屬遮板區隔真空腔體為一低溫空間與一高溫空間，使紅外線感測晶片與焊料環位於低溫空間，吸氣劑位於高溫空間，以避免高溫影響感測晶片。最後，移離拋光式金屬遮板，使熱流向焊料環，以透過焊料環貼合基座與金屬框，俟熔解焊料環時，利用焊料環焊接基座於金屬框上，使凹槽中的空間呈高真空狀態。

Description

紅外線感測器之低溫高真空封裝方法

本發明係關於一種封裝方法，且特別關於一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法。

隨著半導體工業與電子技術的快速進步，紅外線感測器的製造技術也日益進步。紅外線感測器不僅僅可以利用在醫學上，進行體溫的量測，更可利用於科學、商業及軍事上，如雷射偵測、飛彈導向、紅外線光譜儀、遙控器、防盜器、熱像偵察等用途上。而紅外線感測器主要可分為熱型(thermal)及光子型(photon)二大類。由於熱型紅外線感測器在使用上較為方便，一般的應用也較為廣泛。

目前熱型紅外線感測器的結構具有一金屬基座，金屬基座具有一腔體，腔體中固設有一熱電致冷器(TEC)，於熱電致冷器的表面上固接有一紅外線感測晶片，且於腔體內固設有一吸氣劑，在於金屬基座上方設有焊料環，以焊料環將一玻璃層固接於金屬基座上。紅外線感測器在運用時，外部的熱源輻射，即紅外線通過玻璃層進入於腔體中，熱源輻射將被紅外線感測晶片感測以輸出清晰的圖像。以吸氣劑使該腔體保一真空度狀態，並以熱電致冷器吸取紅外線感測晶片工作時所產生的熱源，使紅外線感測晶片能正常工作。由於上述的紅外線感測器的吸氣劑與紅外感測晶片在金屬基座同一側，吸氣劑激活需要在高溫環境下，即攝氏300度以上，這導致紅外感測晶片無法承受這樣的高溫，而失去感測溫度之功效。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其係加熱並激活吸氣劑，並以拋光式金屬遮板反射熱能，以區隔真空腔體為一低溫空間與一高溫空間，使紅外線感測晶片與焊料環位於低溫空間，吸氣劑位於高溫空間，以避免高溫影響紅外線感測晶片，亦避免提前熔解焊料環。

為達上述目的，本發明提供一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，首先，置入一基座、一紅外線感測晶片、一焊料環、一光學透視窗、吸氣劑(getter)與一金屬框於一真空迴焊爐之真空腔體中，基座之底部具有一凹槽及環繞凹槽之凸垣，紅外線感測晶片設於凹槽中，焊料環設於凸垣上，金屬框與吸氣劑設於光學透視窗之頂面，金屬框環繞吸氣劑，真空腔體中設有一加熱器與至少一拋光式金屬遮板，基座、焊料環、拋光式金屬遮板、金屬框、光學透視窗與加熱器之高度係由上而下設置，焊料環、紅外線感測晶片、拋光式金屬遮板與吸氣劑皆位於加熱器之正上方。接著，驅動加熱器，以利用該加熱器對吸氣劑加熱，進而激活吸氣劑，並以拋光式金屬遮板阻擋並反射加熱器產生的熱，以區隔真空腔體為一低溫空間與一高溫空間，且基座、紅外線感測晶片與焊料環位於低溫空間，光學透視窗、吸氣劑與金屬框位於高溫空間。再來，移離拋光式金屬遮板，使熱垂直往上流向焊料環。最後，移降基座、紅外線感測晶片與焊料環，以透過焊料環貼合基座與金屬框，在熱熔解焊料環時，利用焊料環焊接基座於金屬框上，使凹槽中的空間呈高真空狀態。

在本發明之一實施例中，拋光式金屬遮板之材質為不鏽鋼。

在本發明之一實施例中，拋光式金屬遮板之底面朝向吸氣劑，底面為拋光面。

在本發明之一實施例中，拋光面之粗糙度(Ra, arithmetic mean deviation)為0.05-4微米(μm)。

在本發明之一實施例中，高溫空間之溫度為攝氏300-500度。

在本發明之一實施例中，低溫空間之溫度小於焊料環之熔點。

在本發明之一實施例中，真空腔體容置一重塊、一第一支撐板、一第二支撐板、一第三支撐板、複數個第一支撐架、複數個第二支撐架、複數個第三支撐架與至少一旋轉機構，重塊位於基座之正上方，第一支撐板具有貫穿自身之一第一安裝孔，第一支撐板之底部往第一安裝孔延伸以形成一第一阻擋部，重塊活動式位於第一阻擋部上，並穿透第一安裝孔，第一支撐板透過第一支撐架設於真空腔體之底部，並透過第一支撐架連結一升降驅動器，第二支撐板具有貫穿自身之一第二安裝孔，第二支撐板之底部往第二安裝孔延伸以形成一第二阻擋部，基座位於第二阻擋部上，且焊料環從第二安裝孔露出，第二支撐板透過第二支撐架設於真空腔體之底部，並透過第二支撐架連結升降驅動器，基座、紅外線感測晶片與焊料環利用第二支撐板、第二支撐架與升降驅動器移動，第三支撐板具有貫穿自身之一第三安裝孔，第三支撐板之底部往第三安裝孔延伸以形成一第三阻擋部，光學透視窗位於第三阻擋部上，第三支撐板透過第三支撐架設於真空腔體之底部，拋光式金屬遮板透過旋轉機構設於真空腔體之底部，並透過旋轉機構連結一旋轉驅動器，拋光式金屬遮板利用旋轉機構移動。

在本發明之一實施例中，在利用焊料環焊接基座於金屬框上，使凹槽中的空間呈高真空狀態之步驟中，利用升降驅動器、第一支撐架與第一支撐板移降重塊，將重塊壓於基座上，以利用焊料環焊接基座於金屬框上，使凹槽中的空間呈高真空狀態。

在本發明之一實施例中，拋光式金屬遮板為複數個，旋轉機構為複數個。

在本發明之一實施例中，基座為陶瓷基座，光學透視窗為鍺晶圓或矽晶圓。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。

以下請參閱第1圖、第2圖、第3圖、第4圖與第5圖，並介紹本發明之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，首先，如步驟S10與第2圖所示，置入一基座10、一紅外線感測晶片12、一焊料環14、一光學透視窗16、吸氣劑(getter)18、一增透膜20與一金屬框22於一真空迴焊爐24之真空腔體26中，吸氣劑18位於金屬框22與增透膜20之間，基座10例如為陶瓷基座，光學透視窗16例如為鍺晶圓或矽晶圓，金屬框22包含鈦、鎳與金，其中鈦、鎳與金之比例可為1：1：2或1:4:6。基座10之底部具有一凹槽28及環繞凹槽28之凸垣30。紅外線感測晶片12設於凹槽28中，焊料環14設於凸垣30上，金屬框22、增透膜20與吸氣劑18設於光學透視窗16之頂面，金屬框22環繞增透膜20與吸氣劑18，真空腔體26中設有一加熱器32與至少一拋光式金屬遮板34。舉例來說，拋光式金屬遮板34之材質為不鏽鋼。基座10、焊料環14、拋光式金屬遮板34、金屬框22、光學透視窗16與加熱器32之高度係由上而下設置，焊料環14、紅外線感測晶片12、拋光式金屬遮板34與吸氣劑18皆位於加熱器32之正上方。拋光式金屬遮板34之底面朝向吸氣劑18，此底面為拋光面，此拋光面之粗糙度(Ra, arithmetic mean deviation)為0.05-4微米(μm)。

此外，真空腔體26容置一重塊36、一第一支撐板38、一第二支撐板40、一第三支撐板42、複數個第一支撐架44、複數個第二支撐架46、複數個第三支撐架48與至少一旋轉機構50。在此實施例中，旋轉機構50可為複數個，拋光式金屬遮板34亦可為複數個，所有拋光式金屬遮板34分別連結所有旋轉機構50。重塊36位於基座10之正上方，第一支撐板38具有貫穿自身之一第一安裝孔52，第一支撐板38之底部往第一安裝孔52延伸以形成一第一阻擋部54，重塊36活動式位於第一阻擋部54上，並穿透第一安裝孔52，第一支撐板38透過第一支撐架44設於真空腔體26之底部，並透過第一支撐架44連結一升降驅動器56。第二支撐板40具有貫穿自身之一第二安裝孔58，第二支撐板40之底部往第二安裝孔58延伸以形成一第二阻擋部60，基座10位於第二阻擋部60上，且焊料環14從第二安裝孔58露出，第二支撐板40透過第二支撐架46設於真空腔體26之底部，並透過第二支撐架46連結升降驅動器56，基座10、紅外線感測晶片12與焊料環14可利用第二支撐板40與升降驅動器56移動。第三支撐板42具有貫穿自身之一第三安裝孔62，第三支撐板42之底部往第三安裝孔62延伸以形成一第三阻擋部64，光學透視窗16位於第三阻擋部64上，第三支撐板42透過第三支撐架48設於真空腔體26之底部，拋光式金屬遮板34透過旋轉機構50設於真空腔體26之底部，並透過旋轉機構50連結一旋轉驅動器66，拋光式金屬遮板34可利用旋轉機構50移動。升降驅動器56、旋轉驅動器66與加熱器32皆電性連接一控制器68。

接著，如步驟S12與第2圖所示，控制器68驅動加熱器32，以利用加熱器32對吸氣劑18加熱15-30分鐘，進而激活吸氣劑18至工作狀態，並以拋光式金屬遮板34阻擋並反射加熱器32產生的熱，以區隔真空腔體26為一低溫空間與一高溫空間，且基座10、紅外線感測晶片12與焊料環14位於低溫空間，光學透視窗16、吸氣劑18、增透膜20與金屬框22位於高溫空間。因為加熱器32位於壓力為10 ^-7托爾(torr)之真空空間中，加熱器32之正上方有拋光式金屬遮板34，且拋光式金屬遮板34之拋光面朝向加熱器32，當熱碰上拋光面時，拋光面會阻擋並反射熱，以形成溫度為攝氏300-500度之高溫空間與溫度小於焊料環14之熔點之低溫空間，以避免高溫影響紅外線感測晶片12，亦避免提前熔解焊料環14。若熱遇上非拋光面，則熱很容易透過非拋光面而繼續往上流動，如此就不會有低溫空間產生而影響到紅外線感測晶片12與焊料環14了。

再來，如步驟S14與第3圖所示，控制器68利用旋轉機構50與旋轉驅動器66移離拋光式金屬遮板34，使熱垂直往上流向焊料環14。因為真空腔體26之空間有限，所以拋光式金屬遮板34之高度不同，當拋光式金屬遮板34移離原本位置時，拋光式金屬遮板34會彼此重疊。

最後，如步驟S16與第4圖所示，控制器68利用升降驅動器56、第二支撐架46與第二支撐板40移降基座10、紅外線感測晶片12與焊料環14，以透過焊料環14貼合基座10與金屬框22，在熱熔解焊料環14時，控制器68利用升降驅動器56、第一支撐架44與第一支撐板38移降重塊36，將重塊36壓於基座10上，以利用焊料環14焊接基座10於金屬框22上，使凹槽28中的空間呈高真空狀態，以利用基座10、紅外線感測晶片12、焊料環14、光學透視窗16、吸氣劑(getter)18、增透膜20與金屬框22形成紅外線感測器，其中此高真空狀態之壓力為10-3托爾。在步驟S14中，當控制器68利用旋轉機構50與旋轉驅動器66移離拋光式金屬遮板34時，加熱器32所產生的熱之溫度可以先低再高或保持高溫，本發明不限於此，只要在步驟S16能夠熔解焊料環14即可。

在步驟S10之前可以先準備紅外線感測器之各元件，請參閱第2圖與第5圖。首先，如步驟S1所示，酸洗基座10，以清潔基座10。接著，如步驟S2所示，安裝紅外線感測晶片12於凹槽28中，並對紅外線感測晶片 12進行打線。再來，如步驟S3所示，烘烤基座10與紅外線感測晶片12，以乾燥之基座10與紅外線感測晶片12。然後，如步驟S4所示，清洗焊料環14。最後，如步驟S5所示，焊接焊料環14於凸垣30上，並清洗光學透視窗16。在步驟S5後，才進行步驟S10。

綜上所述，本發明加熱並激活吸氣劑，並以拋光式金屬遮板反射熱能，以區隔真空腔體為一低溫空間與一高溫空間，使紅外線感測晶片與焊料環位於低溫空間，吸氣劑位於高溫空間，以避免高溫影響紅外線感測晶片，亦避免提前熔解焊料環。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:基座

12:紅外線感測晶片

14:焊料環

16:光學透視窗

18:吸氣劑

20:增透膜

22:金屬框

24:真空迴焊爐

26:真空腔體

28:凹槽

30:凸垣

32:加熱器

34:拋光式金屬遮板

36:重塊

38:第一支撐板

40:第二支撐板

42:第三支撐板

44:第一支撐架

46:第二支撐架

48:第三支撐架

50:旋轉機構

52:第一安裝孔

54:第一阻擋部

56:升降驅動器

58:第二安裝孔

60:第二阻擋部

62:第三安裝孔

64:第三阻擋部

66:旋轉驅動器

68:控制器

第1圖為本發明之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法之一實施例之流程圖。 第2圖至第4圖為本發明之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法之一實施例之各步驟結構示意圖。 第5圖為本發明之準備紅外線感測器之各元件之一實施例之流程圖。

10:基座

12:紅外線感測晶片

14:焊料環

16:光學透視窗

18:吸氣劑

20:增透膜

22:金屬框

24:真空迴焊爐

26:真空腔體

28:凹槽

30:凸垣

32:加熱器

34:拋光式金屬遮板

36:重塊

38:第一支撐板

40:第二支撐板

42:第三支撐板

44:第一支撐架

46:第二支撐架

48:第三支撐架

50:旋轉機構

52:第一安裝孔

54:第一阻擋部

56:升降驅動器

58:第二安裝孔

60:第二阻擋部

62:第三安裝孔

64:第三阻擋部

66:旋轉驅動器

68:控制器

Claims (10)

1. 一種紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其係包含下列步驟： 置入一基座、一紅外線感測晶片、一焊料環、一光學透視窗、吸氣劑(getter)與一金屬框於一真空迴焊爐之真空腔體中，該基座之底部具有一凹槽及環繞該凹槽之凸垣，該紅外線感測晶片設於該凹槽中，該焊料環設於該凸垣上，該金屬框與該吸氣劑設於該光學透視窗之頂面，該金屬框環繞該吸氣劑，該真空腔體中設有一加熱器與至少一拋光式金屬遮板，該基座、該焊料環、該至少一拋光式金屬遮板、該金屬框、該光學透視窗與該加熱器之高度係由上而下設置，該焊料環、該紅外線感測晶片、該至少一拋光式金屬遮板與該吸氣劑皆位於該加熱器之正上方； 驅動該加熱器，以利用該加熱器對該吸氣劑加熱，進而激活該吸氣劑，並以該至少一拋光式金屬遮板阻擋並反射該加熱器產生的熱，以區隔該真空腔體為一低溫空間與一高溫空間，且該基座、該紅外線感測晶片與該焊料環位於該低溫空間，該光學透視窗、該吸氣劑與該金屬框位於該高溫空間； 移離該至少一拋光式金屬遮板，使該熱垂直往上流向該焊料環；以及 移降該基座、該紅外線感測晶片與該焊料環，以透過該焊料環貼合該基座與該金屬框，在該熱熔解該焊料環時，利用該焊料環焊接該基座於該金屬框上，使該凹槽中的空間呈高真空狀態。
2. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該至少一拋光式金屬遮板之材質為不鏽鋼。
3. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該至少一拋光式金屬遮板之底面朝向該吸氣劑，該底面為拋光面。
4. 如請求項3所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該拋光面之粗糙度(Ra, arithmetic mean deviation)為0.05-4微米(μm)。
5. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該高溫空間之溫度為攝氏300-500度。
6. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該低溫空間之溫度小於該焊料環之熔點。
7. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該真空腔體容置一重塊、一第一支撐板、一第二支撐板、一第三支撐板、複數個第一支撐架、複數個第二支撐架、複數個第三支撐架與至少一旋轉機構，該重塊位於該基座之正上方，該第一支撐板具有貫穿自身之一第一安裝孔，該第一支撐板之底部往該第一安裝孔延伸以形成一第一阻擋部，該重塊活動式位於該第一阻擋部上，並穿透該第一安裝孔，該第一支撐板透過該些第一支撐架設於該真空腔體之底部，並透過該些第一支撐架連結一升降驅動器，該第二支撐板具有貫穿自身之一第二安裝孔，該第二支撐板之底部往該第二安裝孔延伸以形成一第二阻擋部，該基座位於該第二阻擋部上，且該焊料環從該第二安裝孔露出，該第二支撐板透過該些第二支撐架設於該真空腔體之該底部，並透過該些第二支撐架連結該升降驅動器，該基座、該紅外線感測晶片與該焊料環利用該第二支撐板、該些第二支撐架與該升降驅動器移動，該第三支撐板具有貫穿自身之一第三安裝孔，該第三支撐板之底部往該第三安裝孔延伸以形成一第三阻擋部，該光學透視窗位於該第三阻擋部上，該第三支撐板透過該些第三支撐架設於該真空腔體之該底部，該至少一拋光式金屬遮板透過該至少一旋轉機構設於該真空腔體之該底部，並透過該至少一旋轉機構連結一旋轉驅動器，該至少一拋光式金屬遮板利用該至少一旋轉機構移動。
8. 如請求項7所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中在利用該焊料環焊接該基座於該金屬框上，使該凹槽中的該空間呈該高真空狀態之步驟中，利用該升降驅動器、該些第一支撐架與該第一支撐板移降該重塊，將該重塊壓於該基座上，以利用該焊料環焊接該基座於該金屬框上，使該凹槽中的該空間呈該高真空狀態。
9. 如請求項7所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該至少一拋光式金屬遮板為複數個，該至少一旋轉機構為複數個。
10. 如請求項1所述之紅外線感測器之低溫高真空封裝方法，其中該基座為陶瓷基座，該光學透視窗為鍺晶圓或矽晶圓。

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