專利名稱：一種全金屬低溫mems真空封裝技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于低溫真空封焊的MEMS的真空封裝外殼和封裝設備的設計以及相應的封裝工藝。
真空封裝是決定某些MEMS產品技術性能與成本價格的重要因素，因而是MEMS領域的重要問題。它要求對MEMS表頭進行真空封裝，以保證表頭長期處于10-2帕以上的高真空環(huán)境中穩(wěn)定工作，并且保證表頭和外界有良好的電信號連接。目前解決該問題的同類技術主要有1．在片低壓封裝技術該技術是在專用的真空設備上，通過對玻璃-硅-玻璃、或硅-硅-硅等三層結構的外腔進行鍵合，以達到使表頭處于真空條件的目的；它存在的主要問題在于電信號的連接傳輸，因為在硅表面上制作了金屬電極后，鍵合的質量和漏氣率難以控制。
2．金屬平行封焊或儲能焊技術該技術是在精細加工處理的金屬管座和蓋板間通過施予高頻大電流來實現(xiàn)密封焊接，這在混合集成電路等微電子領域得到大量的應用；但是漏率偏高、達不到高真空度的密封要求是限制其應用在真空封裝領域的主要問題。
3．低溫金屬釬焊封裝技術該技術是在金屬管座與管帽或蓋板間用環(huán)氧樹脂或低溫金屬焊料進行封接，這在電真空技術領域得到廣泛的使用。其主要工藝包括，用環(huán)氧樹脂或低溫金屬焊料在大氣常壓中將端面固定和密封，經細軟金屬管抽氣至真空并用專用工具夾緊夾死，其中為了維持腔體的高真空性能，需要內置低溫吸氣劑，并且進行400℃以上的激活處理。這帶來的主要問題有表頭需要承受400℃以上的溫度沖擊，因此可能影響器件的機械或電性能；管座結構復雜、加工成本高；需要分別進行吸氣劑激活、焊料熔融、封接等多道工藝程序，因而工藝復雜等。
而上述技術中沒有解決的這些問題都制約了真空封裝MEMS相關器件的產品化和應用。
本發(fā)明博采微電子技術與真空電子技術的技術特長，對傳統(tǒng)混合集成電路所用的金屬管殼進行了局部的改進，從而開發(fā)出低成本的MEMS真空封裝管殼，并且相應地革新了低溫釬焊工藝和吸氣劑激活工藝流程，從而實現(xiàn)了簡便實用的MEMS真空封裝。本發(fā)明主要包括MEMS真空封裝外殼與封裝設備的設計和相應的低溫封接工藝兩個部分的內容。
1．MEMS真空封裝外殼與封裝設備的設計(1)管座采用傳統(tǒng)混合集成電路的金屬封裝外殼，外型為矩形或圓形。(見附圖1a、圖1b、圖1c、圖1d)(2)管帽采用同種金屬材料。同時對管帽的結構進行了改進，設計了具有安置低溫吸氣劑的結構和容納低溫焊料的密封槽。(見附圖1b、1d)2．針對改進后的真空封裝外殼與封裝設備設計、用于低溫真空封焊的MEMS真空低溫封裝工藝步驟及特征(1)工藝步驟步驟1首先在管座內定位好MEMS表頭并且進行粘合，同時鍵合好電連接引線(見附圖2-1a)，并且在管帽內安置好低溫吸氣劑(見附圖2-1b)；步驟2在管帽的密封槽內置入低溫焊料；(見附圖2-2)步驟3將管座和管帽放置在各自的定位架上(見附圖2-3)，并且移入帶有真空獲得系統(tǒng)的真空室中；步驟4啟動真空獲得系統(tǒng)，使真空室內的真空度達到10-3帕以上；步驟5按低溫吸氣劑關于激活的技術要求(一般為400℃-450℃)加熱管帽數(shù)分鐘，以便激活吸氣劑；步驟6在真空度10-3帕以上、150℃-180℃保溫數(shù)小時，以便使管帽、管座及其它零件徹底除氣，同時融化低溫金屬焊料；步驟7將管座端面導入管帽密封槽；(見附圖2-4)步驟8在真空狀態(tài)下逐步降溫，全部封裝工藝完成。
(2)工藝步驟的特征本發(fā)明中由于對MEMS真空封裝設備的管殼進行了重新的設計，因此在上述步驟5中對吸氣劑的激活與低溫焊料熔融的局部加熱是同時進行的，并且在步驟6中同時實現(xiàn)了保溫。
本發(fā)明將低溫熔封技術與混合集成電路金屬封裝技術巧妙地結合了起來，不僅工藝成熟，而且流程簡單，大大降低了生產成本。采用本發(fā)明技術進行真空封裝的MEMS產品可靠性高、性能優(yōu)良，可實現(xiàn)MEMS真空封裝的批量生產。
說明書


圖1a矩形結構管座外型示意1a-1結構剖面視1a-2結構左視1a-3結構俯視圖1-1表示圖1a-3中箭頭所指位置與方向圖1b矩形結構管帽外型示意1b-1結構剖面視1b-2結構左視1b-3結構俯視圖1-1表示圖1b-3中箭頭所指位置與方向圖1c圓形結構管座外型示意1c-1結構剖面視1c-2結構俯視圖1-管座圖1d圓形結構管帽外型示意1d-1結構剖面視1d-2結構俯視圖2-管帽圖2封裝工藝流程示意圖(參見本申請說明書第2頁中工藝步驟部分)3-MEMS表頭4-吸氣劑5-焊料6-帶加熱器的定位架
權利要求
1.一種用于低溫真空封焊的MEMS真空封裝外殼的設計，其特征在于管座采用傳統(tǒng)混合集成電路的金屬封裝外殼，外型為矩形或圓形；管帽采用同種金屬材料，具有安置低溫吸氣劑的結構和容納低溫焊料的密封槽。
2.一種根據(jù)權利要求1所述的真空封裝外殼設計、用于低溫真空封焊的MEMS真空低溫封裝工藝步驟，其特征在于步驟1首先在管座內定位好MEMS表頭并且進行粘合，同時鍵合好電連接引線，并且在管帽內安置好低溫吸氣劑；步驟2在管帽的密封槽內置入低溫焊料；步驟3將管座和管帽放置在各自的定位架上，并且移入帶有真空獲得系統(tǒng)的真空室中；步驟4啟動真空獲得系統(tǒng)，使真空室內的真空度達到10-3帕以上；步驟5按低溫吸氣劑關于激活的技術要求(一般為400℃-450℃)加熱管帽數(shù)分鐘，以便激活吸氣劑；步驟6在真空度保持10-3帕以上、150℃-180℃保溫數(shù)小時，以便使管帽、管座及其它零件徹底除氣，同時融化低溫金屬焊料；步驟7將管座端面導入管帽密封槽；步驟8在真空狀態(tài)下逐步降溫，全部封裝工藝完成。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于低溫真空封焊的MEMS真空低溫封裝工藝步驟，其特征在于同時進行吸氣劑的激活與低溫焊料熔融的局部加熱，并且同時實行保溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于低溫真空封焊的微機電系統(tǒng)(Micro－Electronic－Mechanic System以下簡稱MEMS)的真空封裝外殼的設計以及相應的封裝工藝。它結合了微電子技術與真空電子技術的技術特長,對傳統(tǒng)混合集成電路所用的金屬管殼進行了局部的改進,開發(fā)出低成本的MEMS真空封裝管殼,并且相應地革新了低溫釬焊工藝和吸氣劑激活工藝流程,從而實現(xiàn)了簡便實用的MEMS真空封裝,可廣泛應用于微陀螺等MEMS的封裝。
文檔編號H01L21/70GK1289659SQ0012475
公開日2001年4月4日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權日2000年9月15日
發(fā)明者金玉豐, 武國英, 王陽元 申請人:北京大學