一種to封裝結構的低水汽含量封裝方法及其封裝組件的製作方法

2023-12-06 08:15:01

專利名稱：一種to封裝結構的低水汽含量封裝方法及其封裝組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣密性封裝技術領域，具體涉及一種TO封裝結構低水汽含量封裝方 法及其封裝組件。
背景技術：
對於MEMS傳感器特別是MEMS力學傳感器，如MEMS壓力傳感器、MEMS
加速度傳感器和MEMS角速率傳感器，在其封裝過程中，如果傳感器敏感結構封裝體內 部含有一定量的水汽，會吸附或凝結在敏感結構表面，並且吸附或凝結量隨溫度的變化 而不斷變化，從而造成了敏感結構參數的變化，直接影響MEMS傳感器的性能。因此， 水汽含量控制是MEMS傳感器封裝的關鍵。對於微電子器件的密封，根據GJB597A-96 《半導體集成電路總規範》及GJB548A-96《微電子器件實驗方法和程序》方法中的規 定產品的內部水汽含量不得超過5000 X 10_6。但是對於MEMS傳感器，5000 X 10_6的 水汽含量對應的露點溫度僅為_3°C左右，在更低的溫度下，封裝體內部就可能出現水或 者冰，這對MEMS傳感器來講是致命的。軍事用途的器件一般要求可在_55°C +125°C 下使用，因此就要求封裝體內部的水汽含量必須低於500X10_6。同時高精度的MEMS 傳感器還對其敏感結構工作的氣體成分有嚴格的要求，一般常用的氣體種類有氫、氦、 氮、氬等，氣體純度一般要求控制在99%以上，氣壓一般要求為低氣壓或極限真空，對 於在低真空環境中工作的MEMS傳感器，氣壓精度一般要求控制在士 IOOPa以內。敏感 結構封裝體的漏率也是封裝質量的一項重要指標，儀表的漏率要求可以根據工作時間、 精度等級等確定，對於高可靠性器件一般要求漏率優於IX KT12Pa · m3/s。TO封裝結構是一種氣密性封裝中常用的玻璃_金屬封裝結構，傳統的TO封裝 是一種成熟的封裝方式，在電子器件的氣密封裝中已經得到廣泛的應用，其優點是成本 低、可靠性高。傳統的TO封裝方法，一般採用的是在手套箱內充入乾燥的工藝氣體， 然後採用平行封焊、儲能焊等密封封焊工藝進行封焊。該方法雖然適用於普通電子器件 的密封，但應用於MEMS傳感器封裝存在以下問題，第一，水汽含量較高。由於TO封 裝內部水汽的來源主要有兩個方面，一是來自封裝環境氣氛中的水汽，二是來自TO組件 內部所含的水汽和表面吸附的水汽。而手套箱的內部空間較大，並且氣密性不高，封裝 環境容易留存大量水分子，雖然可以對手套箱內部和充入的工藝氣體進行加熱，但由於 加熱溫度較低(一般不高於150°C )，封裝環境和封裝零部件中仍會殘留大量的水汽。因 此水汽含量一般只能達到5000X 10_6，遠高於MEMS傳感器對水汽含量的要求；第二， 傳統的TO封裝採用的是一次封焊實現密封的方案，一般是使用平行封焊、儲能焊等密封 封焊工藝。由於這些方法都是靠金屬熔化將TO組件固聯在一起實現密封，所以都存在 因金屬熔化釋放出的雜質氣體留存在敏感結構封裝體內部，從而影響封裝體內部的氣體 純度的問題；第三，手套箱不能嚴格控制充入氣體的壓力，因此無法精確控制封裝體內 部工藝氣體的壓力，更不能用於高真空封裝；第四，由於傳統的TO封裝組件沒有檢漏結 構，所以在封焊完成後無法對焊縫進行精確的漏率檢測，不能滿足MEMS傳感器對封裝可靠性的要求。因此，傳統的TO封裝方法不能滿足MEMS傳感器封裝的要求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能實現水汽含量低、氣體純度高、壓力控制精度高 和漏率檢測的TO封裝結構低水汽含量封裝方法及其封裝組件，以滿足MEMS傳感器的 封裝要求。實現本發明目的的技術方案一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法，包括以下步驟第一步，將待封裝器件安裝在TO封裝組件的底座上；第二步，對封裝設備、待封裝器件和封裝組件進行除氣處理，並檢測水汽含量 和殘餘氣體成分，其中，封裝設備包括充氣、除氣設備和工裝第三步，將TO封裝組件的底座與管帽採用一次封焊，形成半密封的封裝體；第四步，通過TO封裝組件的充氣孔對一次封焊的焊縫進行漏率檢測；第五步，對封裝體進行除氣處理，並檢測水汽含量和殘餘氣體成分；第六步，對封裝體進行充氣處理；第七步，使用雷射焊接機，對封裝體的充氣孔進行密封焊接，完成封裝體的全 密封封焊。如上所述的一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法，第二步和第五步中除氣是採 用高溫真空烘烤結合氣體熱衝洗和間斷排氣的方法，具體步驟如下(1)對待除氣裝置在高真空環境下進行高溫烘烤，其中高真空環境真空度範圍為 1 X IO-3Pa至1 X IO 4Pa,高溫烘烤選擇100°C 700°C的烘烤溫度，保持10 60分鐘；(2)充入熱的氫或氦或氮或氬工藝氣體，保持10 15分鐘後，再次抽高真空， 抽氣過程採用間斷排氣方法；(3)重複上一步進行充氣和抽真空2 4個循環後，再繼續進行高溫烘烤。一種用於TO封裝結構低水汽含量封裝方法的封裝組件，包括底座，以及與底座 密封焊接的管帽，底座上設有充氣孔和輸出管腳，輸出管腳通過玻璃絕緣子與底座固定 連接，充氣孔為錐形小孔。如上所述的一種用於TO封裝結構低水汽含量封裝方法的封裝組件，充氣孔的 直徑範圍為0.3 0.5cm，表面粗糙度Ra值小於等於0.8，錐度範圍在5° 10°之間。本發明的效果在於在TO封裝組件的底座上設計了充氣孔，用於除氣、充氣處 理和封焊焊縫的漏率檢測，充氣孔的設計改變了 TO組件傳統的封裝方式。在帶有充氣孔結構的TO組件的基礎上，本發明採用了一種兩次封焊實現密封的 TO封裝組件封裝方法。首先在完成對設備和封裝器件的除氣後，使用熔焊設備對TO封 裝組件的底座和管帽進行焊接，即一次封焊。由於充氣孔的存在，TO封裝組件的底座和 管帽焊接後形成的封裝體是一種半密封結構，此時可以通過充氣孔對一次封焊的焊縫進 行精確的漏率檢測。然後在帶有玻璃窗的密封罐內，按照設計要求依次對封裝體進行除 氣、充氣處理。最後使用雷射焊接機，通過密封罐的玻璃窗，在合格的氣體環境下對封 裝體的充氣孔進行密封焊接，即二次封焊，完成封裝體的全密封封焊。本方法採用兩級高溫除氣方案分為零部件級除氣和封裝體整體級除氣。零部件級除氣是指在TO封裝組件進行封焊前，分別對TO底座和TO管帽進行除氣，該環節 可以除去TO組件內部和封裝設備中含有的大部分水汽。封裝體整體級除氣是指在TO組 件完成封焊後，通過TO底座上預留的充氣孔將封裝體內部殘留的水汽和封焊過程中金屬 熔化釋放出的雜質氣體抽出，這樣就能夠保證封裝體內部的水汽含量和工作氣體的純度 滿足要求。同時採取了高溫烘烤結合氣體熱衝洗和間斷排氣的除氣方法，利用易脫附的 高溫工藝氣體去置換出不易脫附的水蒸氣和其它有害氣體，使設備在對產品進行除氣操 作前，工作腔體和管路吸附的水汽等雜質氣體變為需充入的氣體。本發明提出的TO封裝結構的低水汽含量封裝方法，解決了 TO封裝結構低水 汽含量封裝的難題，封裝體內部的水汽含量可以控制在500X10_6以內，氣體純度控制 在99%以上，可以控制封裝體內部的壓力，對於低真空封裝的產品，氣壓控制精度在 士 IOOPa以內，並且可以對封裝體進行精確的漏率檢測，具有很高的效率和可靠性。


圖1為現有TO封裝組件結構示意圖；圖2為本發明所提供的一種TO封裝組件結構示意圖；圖3為實施例中一次封焊焊縫漏率檢測示意圖；圖4為實施例中充氣孔密封封焊示意圖；圖5為本發明所提供的一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法流程圖。圖中1.底座；2.管帽；3.玻璃絕緣子；4.輸出管腳；5.充氣孔；6.封裝體； 7. —次封焊焊縫；9.檢漏儀；10.密封罐；11.玻璃窗口； 12.雷射光束；13.通氣口。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。如圖2所示，本發明的一種用於TO封裝結構低水汽含量封裝方法的封裝組件， 包括底座1，以及與底座1密封焊接的管帽2，底座1上設有充氣孔5和輸出管腳4，輸 出管腳4通過玻璃絕緣子3與底座1固定連接，充氣孔5為錐形小孔，直徑範圍為0.3 0.5cm，表面粗糙度Ra值小於等於0.8，錐度範圍在5° 10°之間。本實施例中，充氣 孔直徑為0.35cm，表面粗糙度Ra值為0.32，錐度為5°。如圖5所示，一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法，包括以下步驟第一步，將待封裝器件安裝在TO封裝組件的底座上；第二步，對封裝設備、待封裝器件和封裝組件進行除氣處理，並檢測水汽含量 和殘餘氣體成分，其中，封裝設備包括充氣、除氣設備和工裝首先對封裝設備的工作腔體和管路在高真空環境下進行高溫烘烤，為了提高除 氣速度，儘量選擇高的烘烤溫度，考慮到設備和產品的耐溫性，一般選擇300°C 400°C 的烘烤溫度比較合適。保持30 60分鐘後充入熱的氫、氦、氮、氬等工藝氣體，充入 工藝氣體的種類應該與慣性儀表封裝體內部的工作氣體相同。保持10分鐘左右，再進行 抽高真空，抽氣過程採用間斷排氣方法。重複進行充氣和抽真空2 4個循環，再繼續 進行高溫烘烤除氣。本實施例中選擇400°C，保持30分鐘後衝入氬氣，保持10分鐘，再 進行抽高真空，重複進行充氣和抽真空3個循環，再繼續進行高溫烘烤除氣。對設備處理完成後，使用同樣的方法，同時對待封裝器件和封裝組件進行除氣處理，並使用殘餘 氣體分析儀檢測工作腔體內的氣體成份。第三步，將TO封裝組件的底座與管帽採用一次封焊，形成半密封的封裝體6:使用儲能焊接設備，將TO底座與TO管帽進行氣密性封焊。第四步，通過TO封裝組件的充氣孔對一次封焊的焊縫進行漏率檢測如圖3所示，使用氦質譜檢漏儀9，通過預留的充氣孔5，對一次封焊焊縫7進 行漏率檢測。產品的漏率指標可以根據工作時間、精度等級等確定，對於高可靠性器件 一般要求漏率優於lX10_12Pa · m3/s。本實施例中，要求漏率為1 X 10_12Pa · m3/s。 第五步，對第三步中形成的封裝體進行除氣處理，並檢測封裝體水汽含量和殘 餘氣體成分本步操作與第二步方法相同，本實施中的除氣裝置採用圖4所示的帶加熱裝置 和玻璃窗的密封罐10，在完成除氣充氣後可以直接封裝，避免TO封裝組件暴露於大氣。第六步，對封裝體進行充氣處理根據水汽含量檢測結果，經判斷當水汽含量滿足要求後，使用圖4所示的密封 罐10，該密封罐10側壁有通氣口 13並連接真空系統和充氣系統，按照產品設計的壓力 要求充入乾燥的工作氣體。工作氣體種類一般可以選擇氫、氦、氮、氬等安全性高的氣 體，氣壓一般選擇0.1 1個大氣壓。本實施例中，水汽含量要求為小於等於500X 10_6， 工作氣體採用氬氣，氣壓選擇0.5個大氣壓。第七步，使用雷射焊接機進行焊接，雷射束12通過密封罐10的玻璃窗11，對封 裝體6的充氣孔5進行密封焊接，完成封裝體6的全密封封焊。雷射功率需要根據充氣孔 5的孔徑進行的選擇，一般以形成焊斑的面積為充氣孔面積的2倍，熔焊金屬厚度0.5 Imm為宜。本實施例中，雷射焊接的參數為電流150A，脈寬5ms，頻率10Hz。在完成封裝體的全密封封焊後，使用氦質譜檢漏儀採用負壓法，對封裝體進行 漏率檢測。本實施例中，要求漏率優於IXlO-12Pa ·ιη3Λ。並對封裝體內部氣體成分進 行檢測。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的 精神和範圍。倘若這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本 發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法，其特徵在於包括以下步驟第一步，將待封裝器件安裝在TO封裝組件的底座上；第二步，對封裝設備、待封裝器件和封裝組件進行除氣處理，並檢測水汽含量和殘 餘氣體成分，其中，封裝設備包括充氣、除氣設備和工裝第三步，將TO封裝組件的底座與管帽採用一次封焊，形成半密封的封裝體；第四步，通過TO封裝組件的充氣孔對一次封焊的焊縫進行漏率檢測；第五步，對封裝體進行除氣處理，並檢測水汽含量和殘餘氣體成分；第六步，對封裝體進行充氣處理；第七步，使用雷射焊接機，對封裝體的充氣孔進行密封焊接，完成封裝體的全密封 封焊。
2.按照權利要求1所述的一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法，其特徵在於所述 的第二步和第五步中除氣是採用高溫真空烘烤結合氣體熱衝洗和間斷排氣的方法，具體 步驟如下(1)對待除氣裝置在高真空環境下進行高溫烘烤，其中高真空環境真空度範圍為 1 X IO-3Pa至1 X IO 4Pa,高溫烘烤選擇100°C 700°C的烘烤溫度，保持10 60分鐘；(2)充入熱的氫或氦或氮或氬工藝氣體，保持10 15分鐘後，再次抽高真空，抽氣 過程採用間斷排氣方法；(3)重複上一步進行充氣和抽真空2 4個循環後，再繼續進行高溫烘烤。
3.—種用於TO封裝結構低水汽含量封裝方法的封裝組件，其特徵在於包括底座 (1)，以及與底座(1)密封焊接的管帽(2)，底座(1)上設有充氣孔(5)和輸出管腳(4)， 輸出管腳(4)通過玻璃絕緣子(3)與底座(1)固定連接，充氣孔(5)為錐形小孔。
4.按照權利要求1所述的一種用於TO封裝結構低水汽含量封裝方法的封裝組件，其 特徵在於所述的充氣孔(5)的直徑範圍為0.3 0.5cm，表面粗糙度Ra值小於等於0.8， 錐度範圍在5° 10°之間。
全文摘要
本發明屬於氣密性封裝技術領域，具體涉及一種TO封裝結構低水汽含量封裝方法及其封裝組件。其特點在於在TO封裝組件的底座上設計了充氣孔，用於除氣、充氣處理和封焊焊縫的漏率檢測，充氣孔的設計改變了TO組件傳統的封裝方式。在帶有充氣孔結構的TO組件的基礎上，本發明採用了一種兩次封焊實現密封的TO封裝組件封裝方法。解決了TO封裝結構低水汽含量封裝的難題，封裝體內部的水汽含量可以控制在500×10-6以內，氣體純度控制在99％以上，可以控制封裝體內部的壓力，對於低真空封裝的產品，氣壓控制精度在±100Pa以內，並且可以對封裝體進行精確的漏率檢測，具有很高的效率和可靠性。
文檔編號B81B7/00GK102020235SQ201010540089
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者丁凱, 劉迎春, 安泰, 廖興才, 楊軍, 王汝濤, 王登順, 鄭辛 申請人:北京自動化控制設備研究所