用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构及制作方法
【专利摘要】本发明涉及MEMS传感器真空封装技术领域，具体涉及一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构及制作方法，其中，热子结构包括陶瓷体、金属浆料、金属镀层和金属引线，陶瓷体内部分为多层，每层包裹金属浆料，每层金属浆料上下连通，陶瓷体两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在两个端面形成金属镀层，镀层后两个端面焊接加热电极的金属引线，本发明还提供了该热子结构的制作方法，简言之，本发明通过控制金属浆料层的电阻，可保障不同器件电阻值的一致性，同时通过专门电路可在线监控加热激活温度是否达到吸气材料的理想激活温度，并加以控制，可确保吸气剂激活达到最佳激活状态，实现批量吸气剂激活状态的一致性和稳定性。
【专利说明】
用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构及制作方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及MEMS传感器真空封装技术领域，具体涉及一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构及制作方法。
【背景技术】
[0002]红外热成像、Thz等MEMS结构的传感器需要高真空、恒温、体积小的封装形态。传统金属管壳封装和陶瓷管壳封装工艺实现对特殊传感器芯片的封装，为达到高真空、恒温、长寿命的特殊工作环境条件和封装要求通常采用在封装管壳内安装吸气剂维持传感器芯片正常工作所需的真空度，从而提高传感器的寿命。吸气剂在使用时，需要加热至一定的温度才能激活材料的吸气特性，之后真空封装后才能起到长期维持器件内真空度。吸气剂因为需要激活才能使用，而激活的方法与其自身结构有直接的关联。同时激活的条件如果有差异，即使是相同规格的吸气剂，吸气剂的吸气性能也会有差异。吸气剂从结构上也因此分为自身加热型(热子型)和非自身加热型(压制型)。自身加热型(热子型)是在吸气材料内置加热丝，通过给加热丝通电产生发热后实现对金属丝外敷的吸气材料加热激活;非自身加热型(压制型)是通过感应加热或烘烤加热方式激活吸气材料特性。
[0003]目前自身加热型吸气剂所使用的热子通常是金属钼丝或者镍丝等高温金属材料作为加热电阻丝，并制作成一定的形状如螺旋形，S形等，实现在有限的吸气剂材料内部空间能够有更长的金属丝长度，以获得较大的金属丝电阻；同时，金属丝表面要做绝缘处理，以防止金属丝与吸气材料短路。自身加热型吸气剂在激活过程中，因为是通过金属丝热子通电发热对吸气材料加热激活，因此金属丝热子的电阻的差异，会影响加热功率的差异，也会导致吸气剂激活效果上有明显的差异。
[0004]目前自身加热型吸气剂的最大问题是，用于上述真空封装所用的体积较小的微小型自身加热型吸气剂，本身的器件尺寸长度一般不超过10_，长宽或者截面直径只有几毫米，因此作为加热子的金属丝的电阻不可能加工得很大，通常只有几十毫欧姆到上百毫欧姆;如果要满足金属丝热子通电加热达到吸气材料理想的激活温度所需功率，激活时所需的电流都比较大(3A-7A)。如此大的电流给激活所用的通电电路设计提出了较高的设计要求，特别是在通电电极接触点要特别控制好降低接触电阻。如果接触不良，造成接触电阻过大甚至比金属丝热子的电阻还大，则有可能造成电极接触点因为过热而融化或熔断。同时，接触电极的电阻还会有几毫欧姆或者十几豪欧姆的偏差，对整个金属丝热子的激活整体电阻偏差就是百分之几十，在金属丝热子通电激活时，同样的加热电流，因电阻偏差，其加热功率的偏差可能是就是成倍的偏差。同理，作为加热电阻的金属丝其本身的电阻差异，因为整体电阻非常小只有几十豪欧姆到几百豪欧姆，因此几豪欧姆到十几豪欧姆的阻值偏差就可能产生发热功率较大的偏差，这类电阻偏差的存在严重影响吸气剂激活状态的稳定性和一致性，最终影响真空封装器件的生产良品率，其质量的稳定性和一致性也受到影响。
[0005]另一个问题是金属丝的绝缘处理，通常处理工艺是对直丝形金属丝热子表面简单做氧化绝缘处理，而对于为了加大电阻而制作成螺旋形、S形等异形的金属丝外表面，通常需要做电泳氧化铝绝缘处理，这种加工工艺复杂，良率低，成本较高，甚至超过了吸气剂材料本身的成本。在实际使用过程中，也经常会出现由于金属丝表面绝缘层破裂，导致金属丝与吸气材料短路，造成吸气剂直接失效作废也经常发生。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构及制作方法，通过采用陶瓷印刷金属浆料的工艺，准确的控制金属浆料层的厚度、长度、宽度，从而实现精确的控制金属浆料层的电阻，保障了不同器件电阻值有非常好的一致性，同时在够量的陶瓷体的包裹下，金属浆料层不会与吸气材料发生短路，另外陶瓷体散热传导的表面积更大，可以快速地均匀地将热量传递到吸气材料上，为吸气材料激活创造良好的加热条件，确保激活的效率和激活效果达到最佳。
[0007]为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现:
用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，其特征在于:所述热子结构包括陶瓷体、金属浆料、金属镀层和金属引线，陶瓷体内部分为多层，每层包裹金属浆料，每层金属浆料上下连通，陶瓷体两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在所述陶瓷体两个端面形成金属镀层，金属镀层的两个端面焊接加热电极的金属引线。
[0008]优选地，所述金属浆料选用钨或钼。
[0009]优选地，所述陶瓷体内部采用多层三明治结构包裹金属浆料层。
[0010]一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤:
a.首先将金属浆料印刷在陶瓷体生料上，然后将印刷了一层金属浆料的若干个陶瓷体生料叠加后上下灌浆连通；
b.进行高温(大于等于1400°C)陶瓷烧结；
c.烧结为一个整体的陶瓷体后，在两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在两个陶瓷体端面进行金属化；
d.在金属化的两个端面，通过高温焊料钎焊或者激光点焊的方式，将金属引线固定在陶瓷体的两个端面，实现对热子结构通电加热电极的连接。
[0011]优选地，所述步骤c)中，陶瓷体外形可以是立方体或圆柱体或三角棱柱体或多面棱柱体。
[0012]本发明的有益效果:
1.采用陶瓷印刷金属浆料的工艺可准确的控制金属浆料层的厚度、长度、宽度，从而可以实现精确的控制金属浆料层的电阻，并且能够有效实现不同器件热子电阻值的偏差可以控制在±5%以下，保障了不同器件电阻值有非常好的一致性；
2.在陶瓷体上进行金属浆料印刷，通过控制金属浆料层的截面积和长度，可以获得比传统金属丝热子更大的电阻，大电阻的陶瓷体热子，在实现通电加热激活的过程中，可以通过调整电压方式进行激活加热控制，比传统调整电流方式，在控制方面更加简便易行，对激活供电电源和电路的要求也简化了很多；
3.陶瓷体本身的绝缘特性和良好的机械性能，再加上其经过上千度(大于等于1400°C)的高温烧结而成，因此在足够量的陶瓷体的包裹下，金属浆料层不会与吸气材料发生短路，从而避免这个因素造成器件失效；
4.陶瓷体热子的表面积通常都比金属丝要大很多，因此在通电加热金属浆料层时，陶瓷体散热传导的表面积更大，可以快速地均匀地将热量传递到吸气材料上，为吸气材料激活创造良好的加热条件，确保激活的效率和激活效果达到最佳；
5.陶瓷体热子所用到的原材料成本很低，在批量生产时，单件元件的生产成本可以控制在非常低的水平，是传统金属丝热子的十分之一甚至几十分之一；同时陶瓷体热子也非常容易导入大规模生产工艺，生产良率高，产品一致性好，具有物美价廉的特点。
【附图说明】
[0013]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本发明热子结构的纵切剖面图；
图2是本发明热子结构的横切剖面图；
其中，1.陶瓷体，2.金属浆料，3.金属镀层，4.金属引线。
【具体实施方式】
[0015]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]现有技术中，如用于真空封装所用的体积较小的微小型自身加热型吸气剂，通常问题在于作为加热子的金属丝的电阻不可能加工得很大;如果要满足金属丝热子通电加热达到吸气材料理想的激活温度所需功率，激活时所需的电流都比较大(3A-7A)。如此大的电流给激活所用的通电电路设计提出了较高的设计要求。
[0017]同理，作为加热电阻的金属丝其本身的电阻差异，这类电阻偏差的存在严重影响吸气剂激活状态的稳定性和一致性，最终会影响真空封装器件的生产良品率，其质量的稳定性和一致性也受到影响。对于金属丝的绝缘处理，现有技术加工工艺复杂，良率低，成本较高，甚至超过了吸气剂材料本身的成本。在实际使用过程中，也经常会出现由于金属丝表面绝缘层破裂，导致金属丝与吸气材料短路，造成吸气剂直接失效作废也经常发生。
[0018]基于此，本发明提供了一种专门用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，以及该热子结构的制作方法。
[0019]本发明所提供的具体方案如下:
如图1、图2所示，用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，包括陶瓷体、金属浆料、金属镀层和金属引线，陶瓷体包裹多层金属浆料在内，每层的金属浆料上下连通形成一整体，有效的延长金属浆料层长度，用以获得更大的热子电阻，陶瓷体两端焊接连接加热电极引线，形成一个外表面绝缘但导热良好的热子元件。在激活时，通过电源与金属引线连接供电，实现对热子电阻通电发热功能。
[0020]该热子结构制作工艺如下: 步骤一:首先是把金属浆料印刷在陶瓷体生料上，然后将若干个印刷了一层金属浆料的陶瓷体生料叠加后上下灌浆连通，然后，再进行高温陶瓷烧结，高温烧结温度一般大于等于 HOO0C0
[0021]进一步地，陶瓷体外形可以是立方体，或者圆柱体，三角棱柱体或多面棱柱体。
[0022]步骤二:当烧结为一个整体的陶瓷热子(陶瓷体)，在其两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在两个陶瓷体端面进行金属化。
[0023]进一步地，通常使用金属镍来做镀层，当然也可以根据实际需要选择其他金属进行金属化。
[0024]步骤三:在金属化的两个陶瓷体端面，通过焊接方式，将金属引线固定在陶瓷体的两个端面上，从而实现与热子通电加热电极的连接。
[0025]进一步地，焊接采用高温钎焊或激光点焊方式固定电极引线，用以确保在后面完成吸气材料烧结和激活加热时，不会出现连接处金属熔化或者断裂的问题。
[0026]进一步地，金属引线可使用钼丝，镍丝或者其他高温合金丝。
[0027]在本发明中，采用微小陶瓷体(AL203等)表面印刷金属浆料方法制作用于自热型吸气剂加热热子。其最大的特点在于:陶瓷表面上印刷的金属浆料层可以作为加热的热子电阻，金属浆料厚度可以做到几十微米，如此小的截面积可以获得较大的热子电阻；同时，采取三明治结构，多层陶瓷中间包裹金属浆料层，金属浆料层上下连通形成一个整体后，就可以有效的延长金属浆料层的长度，从而获得更大的热子电阻。
[0028]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
第一、采用陶瓷印刷金属浆料的工艺可以准确的控制金属浆料层的厚度、长度、宽度，从而可以实现精确的控制金属浆料层的电阻，并且能够有效实现不同器件热子电阻值的偏差可以控制在±5%以下，保障了不同器件电阻值有非常好的一致性。
[0029]与传统吸气剂金属丝热子电阻偏差都在±10%以上相比，相同的通电加热条件下，陶瓷体热子在激活时的加热功率也会一致，也就有效的保障了吸气剂激活效果的一致性。
[0030]第二、一般用于加热电阻的钨、钼等耐热金属都是金属浆料的主要选择材料。在进行陶瓷体上进行金属浆料印刷，通过控制金属浆料层的截面积和长度，可以获得比传统金属丝热子更大的电阻。
[0031]—般长度不超过10mm，长宽或者截面直径小于Imm的陶瓷体加热热子的电阻可以做到I?10欧姆，远远大于金属丝热子的电阻几十到几百豪欧姆的电阻。大电阻的陶瓷体热子，在实现通电加热激活的过程中，可以通过调整电压方式进行激活加热控制，比传统调整电流方式，在控制方面更加简便易行，对激活供电电源和电路的要求也简化了很多。同时，加热子本身电阻较大，激活电路和电极接触电阻相比而言就很小了，即便有几百豪欧姆，相同通电条件下，这些发热功率也比加热子的发热功率要小很多，对吸气剂的激活效果影响就非常小了。吸气剂激活效果的一致性也保证吸气剂吸气效能的一致性，确保真空封装器件的质量的一致性。
[0032]第三、传统金属丝热子绝缘处理后，还有可能在运输、拿取、装配等操作过程中，导致绝缘层破裂，与吸气材料短路，造成器件失效。陶瓷体本身的绝缘特性和良好的机械性能，陶瓷体经过上千度(大于等于1400°C)的高温烧结而成，因此在足够量的陶瓷体的包裹下，金属浆料层不会与吸气材料发生短路，从而避免这个因素造成器件失效。
[0033]第四、传统金属丝热子在做绝缘化处理后，由于结构和绝缘处理工艺原因，绝缘层的厚度会不一致，而且金属丝通常都比较细(一般直径在0.2mm左右)，其表面与吸气材料的接触面积也相比陶瓷体热子要小很多，这种情况有可能导致金属丝热量在传导到外敷吸气材料上的均匀性不佳，可能会出现局部温度较高，激活不均匀，从而影响了吸气剂激活的效果。陶瓷体热子，特别是AL203等材料的陶瓷体，本身除了具有优异的绝缘特性，还具有非常好的热导性能，比很多金属的热传导性能都要好。陶瓷体热子的表面积通常都比金属丝要大很多，因此在通电加热金属浆料层时，陶瓷体散热传导的表面积更大，可以快速地均匀地将热量传递到吸气材料上，为吸气材料激活创造良好的加热条件，确保激活的效率和激活效果达到最佳。
[0034]第五、传统金属丝热子要先制作加工成螺旋形、S形等形状后，还要进行表面绝缘化处理，电泳氧化铝等绝缘工艺比较特殊，非常规工艺，工艺流程复杂，容易出现残次品，良率低而生产成本高。而陶瓷体热子的加工生产工艺与现有普通的陶瓷金属化加工工艺相同，非常成熟。这种陶瓷体热子所用到的原材料也是非常常见的原料，原料的成本很低。在批量生产时，单件元件的生产成本可以控制在非常低的水平，是传统金属丝热子的十分一甚至几十分之一；同时陶瓷体热子也非常容易导入大规模生产工艺，生产良率高，产品一致性好，具有物美价廉的特点。
[0035]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，其特征在于:所述热子结构包括陶瓷体、金属浆料、金属镀层和金属引线，所述陶瓷体内部分为多层，每层包裹金属浆料，每层金属浆料上下连通，所述陶瓷体两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在所述陶瓷体两个端面形成金属镀层，所述金属镀层的两个端面焊接加热电极的金属引线。2.如权利要求1所述的一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，其特征在于:所述金属浆料选用钨或钼。3.如权利要求1所述的一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构，其特征在于:所述陶瓷体内部采用多层三明治结构包裹金属浆料层。4.一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: a.首先将金属浆料印刷在陶瓷体生料上，然后将印刷了一层金属浆料的若干个陶瓷体生料叠加后上下灌浆连通； b.进行高温(大于等于1400°C)陶瓷烧结； c.烧结为一个整体的陶瓷体后，在两个端面预留有金属浆料露出，通过化学镀或者电镀方式在两个陶瓷体端面进行金属化； d.在金属化的两个端面，通过高温焊料钎焊或者激光点焊的方式，将金属引线固定在陶瓷体的两个端面，实现对热子结构通电加热电极的连接。5.如权利要求4所述的一种用于加热激活微小型自加热吸气剂的热子结构的制作方法，其特征在于，所述步骤c)中，陶瓷体外形可以是立方体或圆柱体或三角棱柱体或多面棱柱体。
【文档编号】B81B7/00GK105858587SQ201610411291
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】赵照
【申请人】合肥芯福传感器技术有限公司