一体化多功能陶瓷封装管壳的制作方法与工艺

本发明涉及用于封装MEMS器件的陶瓷封装管壳，特别涉及一种一体化多功能陶瓷封装管壳。

背景技术：
目前，红外热成像、Thz等MEMS传感器普遍采用陶瓷封装管壳来实现高真空、恒温、小体积的封装。为了实现高真空、恒温、小体积以及长寿命的工作环境和封装要求，通常需要采用多种独立功能的封装元器件装配在一起的组合装配方式实现。在现有技术中，参见图1和图2，为了实现封装结构内部的高真空环境，需要将独立的吸气剂元件20中的电加热金属丝21通过点焊等方式固定在陶瓷封装管壳10预留的金属电极12上，对其通电加热至300℃以上并保持10-15分钟，来实现吸气剂的激活释放，之后再完全封闭管壳，整个封装过程需要在高真空环境下完成。为了实现封装结构内温度的恒定，通常需要在管壳内装配控温元件，例如半导体制冷器（TEC）元件30来实现封装结构内部温度的精确控制。参见图2，TEC元件一般是由第一陶瓷片31、TEC电路32、多个TEC半导体块33以及第二陶瓷片34组成，TEC电路连接TEC半导体块，实现TEC功能。TEC元件的装配方式是将第一陶瓷片31的外表面镀金，再通过高温氮气保护钎焊将其与管壳10固定粘接在一起，并预留相关信号或供电连接管脚引线。参见图2，为了实现测量器件内温度，需要通过焊接或者粘接等方式固定一个热电偶元器件40在管壳内，并预留相关信号连接管脚引线。传统装配方式存在的问题是，每种独立元器件的装配工艺各不相同，有的是点焊，有的钎焊，有的要求粘接焊接等，工艺温度、时间和设备也各不相同，工艺条件之间的排斥和不兼容会导致传统封装工艺复杂性高，操作技术难度大，生产良率差，效率低下，最终导致生产成本过高；另外，传统封装工艺制作的封装器件最终体积较大，不符合行业发展趋势。

技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供一种一体化多功能陶瓷封装管壳，能够显著降低封装工艺复杂性，减小产品体积。本发明采用的技术方案为：一种一体化多功能陶瓷封装管壳，包括陶瓷封装管壳，还包括吸气剂模块、测温模块、控温模块，所述吸气剂模块、测温模块和控温模块与陶瓷封装管壳为一体化设计。优选地，所述吸气剂模块包括金属区和吸气剂材料层，所述金属区直接生长在陶瓷封装管壳内表面上，所述吸气剂材料层生长在金属区上，在所述陶瓷封装管壳内预留有连接到金属区的引线框架，所述金属区通过引线框架连通到管壳外部的激活释放引脚。优选地，所述控温模块是半导体制冷器，所述半导体制冷器由TEC电路、多个TEC半导体块和陶瓷片作业面组成，所述TEC电路直接印刷在陶瓷封装管壳内表面上，所述多个TEC半导体块设置在TEC电路上，所述陶瓷片作业面设置在多个TEC半导体块上，在所述陶瓷封装管壳内预留有连接到TEC电路的引线框架，所述TEC电路通过引线框架连通到管壳外部的控制引脚。优选地，所述测温模块是热电偶或热电阻温度传感区，所述热电偶或热电阻温度传感区是将热敏电阻材料通过金属浆料印刷工艺印刷在陶瓷封装管壳上，在所述陶瓷封装管壳内预留有连接到热电偶或热电阻温度传感区的引线框架，所述热电偶或热电阻温度传感区通过引线框架连通到管壳外部的信号引脚。优选地，所述金属区是平面状或者凸凹墙形状。优选地，所述金属区采用钨或者钼金属材料制成，通过金属浆料印刷法、电镀法或化学沉积法生长在陶瓷封装管壳内表面上。优选地，所述吸气剂材料层是通过溅射、涂敷、烧结或纳米涂层加工工艺生长在金属区上。优选地，所述多个TEC半导体块采用碲化铋材料制成。优选地，所述控制引脚具有信号传输和供电功能。优选地，所述热电偶或热电阻温度传感区是采用NTC热敏电阻材料制成。与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：1）吸气剂模块、控温模块和测温模块与陶瓷封装管壳的一体化设计可实现陶瓷封装管壳自带吸气、控温和测温功能，简化后续封装步骤，提高生产效率，降低因各个模块安装环节导致器件失效的风险；另外，将吸气剂模块、控温模块和测温模块集成在陶瓷封装管壳中，可以提高陶瓷封装管壳集成度，有利于封装器件体积的缩小；2）吸气剂模块与封装管壳的一体化设计可以增强吸气剂可靠性，使其具备优良的抗机械冲击能力，杜绝掉粉，脱落颗粒的现象，显著提高生产良率，延长MEMS器件的使用寿命；从加热激活效果来看，金属区采用的金属浆料印刷工艺保证了金属区电阻的可控性，可实现较大的金属区电阻，降低吸气剂激活电路线路电阻对吸气剂材料层释放过程造成的干扰；另外，利用金属材料温度阻抗特性变化曲线，通过实时测量金属区电阻来计算金属区的实时温度，能够准确控制金属区在吸气剂材料层释放过程中的温度，金属区的设计又使得每个封装管壳内吸气剂材料层的散热条件趋近一致，保证每个器件中吸气剂材料层的充分激活和释放，确保吸气剂性能的一致性，提高生产良率，延长MEMS器件的使用寿命。3）将陶瓷封装管壳作为TEC元件的下层陶瓷面，能够缩小封装器件的体积，降低生产成本；TEC元件与陶瓷封装管壳的一体化设计，不需要将TEC元件通过高温氮气保护大面积镀金钎焊固定在陶瓷封装管壳上，完全避免钎焊的良率问题以及焊接层中的气泡和气孔、焊料杂质等放气问题，显著提高生产良率，延长封装器件的使用寿命；4）热电偶温度传感区是将热敏电阻材料通过金属浆料印刷工艺直接印刷在陶瓷封装管壳内表面上，热敏电阻材料直接与管壳接触程度达到最大化，能够准确和实时反应管壳内部的温度，为实现封装结构内部温度控制提供了非常好的监控指标。5）相对于平面状金属区，凸凹墙形状的金属区可以显著增大吸气剂材料层接触面积，增强吸气效果，延长封装器件使用寿命。附图说明图1是现有技术俯视结构示意图；图2是现有技术剖视结构示意图；图3是本发明实施例1剖视结构示意图；图4是本发明实施例1俯视结构示意图；图5是本发明实施例2剖视结构示意图；图6是本发明实施例2俯视结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步描述。本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明，所以仅显示与本发明有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制。实施例1：参见图3和图4，一种一体化多功能陶瓷封装管壳，包括陶瓷封装管壳10、吸气剂模块20、控温模块30和测温模块40，所述吸气剂模块20、测温模块40和控温模块30与陶瓷封装管壳10为一体化设计。具体地，所述吸气剂模块20包括金属区21和吸气剂材料层22，所述金属区21是是平面状，可以采用钨或者钼等电阻加热金属材料，通过包括但不限于金属浆料印刷、电镀或者化学沉积法等加工方式直接生长在陶瓷封装管壳内表面上，优选采用金属浆料印刷工艺制成；所述吸气剂材料层22可通过包括但不限于溅射、涂敷、烧结、纳米涂层等加工方式生长在金属区21上，在所述陶瓷封装管壳内预留有连接到金属区21的引线框架23，所述金属区21通过引线框架23连通到管壳外部的激活释放引脚24。在后续封装过程中，通过外部供电连通激活释放引脚24和金属区21，对金属区21进行通电加热，实现对吸气剂材料层22的高温加热激活和释放还原。在本发明中，吸气剂模块与封装管壳的一体化设计还可以增强吸气剂可靠性，使其具备优良的抗机械冲击能力，杜绝掉粉，脱落颗粒的现象，显著提高生产良率，延长MEMS器件的使用寿命。从加热激活效果来看，金属区采用的金属浆料印刷工艺保证了金属区电阻的可控性，可实现较大的金属区电阻，通常>1Ω，降低吸气剂激活电路线路电阻对吸气剂材料层释放过程造成的干扰；另外，利用金属材料温度阻抗特性变化曲线，通过实时测量金属区电阻来计算金属区的实时温度，能够准确控制金属区在吸气剂材料层释放过程中的温度，金属区的设计又使得每个封装管壳内吸气剂材料层的散热条件趋近一致，保证每个器件中吸气剂材料层的充分激活和释放，确保吸气剂性能的一致性，提高生产良率，延长MEMS器件的使用寿命。具体地，所述控温模块30是半导体制冷器30，所述半导体制冷器30由TEC电路32、多个TEC半导体块33和陶瓷片34组成，所述TEC电路32是通过陶瓷印刷金属工艺直接印刷在陶瓷封装管壳10内表面上，所述多个TEC半导体块33设置在TEC电路32上，TEC半导体块可以采用重掺杂的N型和P型的碲化铋或者其他TEC半导体材料制成，所述陶瓷片34设置在多个TEC半导体块33上，陶瓷片作为作业面既有绝缘性能又能有良好的热传导性能，在所述陶瓷封装管壳10内预留有连接到TEC电路的引线框架35，所述TEC电路32通过引线框架35连通到管壳外部的控制引脚36，所述控制引脚36具有信号传输和供电功能。在工作过程中，通过TEC控制引脚和TEC电路向多个TEC半导体块通入电流，电流产生的热量从TEC半导体块的一侧传到另一侧，在TEC半导体块上产生“热”侧和“冷”侧，实现TEC加热和制冷功能，为封装器件创造稳定的工作温度环境，从而实现器件在宽动态的温度区间，例如-40℃～80℃的工作环境内，均能持续保持最佳的工作状态。本发明将陶瓷管壳作为TEC元件的下层陶瓷面，能够缩小封装器件的体积，降低生产成本。更重要的是，TEC元件与封装管壳的一体化设计，无须将TEC元器件通过高温氮气保护大面积镀金钎焊固定在管壳上，完全避免钎焊的良率问题以及焊接层中的气泡和气孔、焊料杂质等放气问题，显著提高生产良率，延长MEMS器件的使用寿命。具体地，所述测温模块是热电偶或热电阻温度传感区40，所述热电偶或热电阻温度传感区40是将热敏电阻材料通过金属浆料印刷工艺直接印刷在陶瓷封装管壳内表面上，优选采用NTC热敏电阻材料，在所述陶瓷封装管壳10内预留有连接到热电偶或热电阻温度传感区40的引线框架41，所述热电偶或热电阻温度传感区通过引线框架41连通到管壳外部信号引脚42。从测温效果来看，热电偶或热电阻温度传感区是将热敏电阻材料通过金属浆料印刷工艺直接印刷在陶瓷封装管壳内表面上，热敏电阻材料与管壳接触程度达到最大化，能够准确和实时反应管壳内部的温度，为实现封装结构内部温度控制提供了非常好的监控指标。实施例2：参见图5和图6，其他部分与实施例1相同，区别在于：所述金属区21是凸凹墙形状，吸气剂材料层22生长在凸凹墙形状的金属区上。相对于平面状金属区，凸凹墙形状的金属区可以增大吸气剂材料层接触面积，增强吸气效果，延长封装器件使用寿命。在本发明中，吸气剂模块、控温模块和测温模块与陶瓷封装管壳的一体化设计，可实现封装管壳自带吸气、控温、测温功能，在此条件下，后续封装只需要将MEMS器件或芯片50粘贴至TEC控温元件的陶瓷片上，通过IC导线51连接至导线桩11上即可完成固晶绑定焊线工艺，有效简化了封装器件工艺步骤，提高生产效率，降低独立吸气剂元器件、控温元件、测温元件安装环节导致吸气功能失效的风险；另外，将吸气剂模块、控温模块和测温模块集成在陶瓷封装管壳中，可以提高陶瓷封装管壳集成度，有利于封装器件体积的缩小。在上述实施例以及附图中，所述金属区、吸气剂材料层和热电偶或热电阻温度传感区的形状为方形，但还可以是其他形状，本发明不做限定。总之，以上仅为本发明较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神范围之内，对本发明所做的等同变换或修改均应包含在本发明的保护范围之内。