非磁性封装以及制造方法与流程

本发明的实施例大体上涉及对温度、湿度和/或大气成分敏感的装置封装。具体来说，各实施例涉及适用于磁共振成像(“mri”)设备以及需要非磁性部件的其他应用中的微型机电系统(“mems”)。

背景技术：

微型机电系统(“mems”)是最大尺寸在从约20微米到约1毫米(0.02–1.0mm)的范围内的装置。这些非常小的电气机器用于许多应用中，例如：从喷墨打印机的墨盒喷射油墨以将文字印刷到纸上；测量车辆或者蜂窝式电话或游戏控制器等手持式装置的加速度；转换空气压力波或表面振动以记录声音；切换纤维阵列中的光信号等。

通常，mems用于在小面积或体积范围内可靠地提供高度响应(小时间常数)的机电功能，例如运动感测。因此，多年以来期望利用mems实现mri系统内的感测和控制。但是，需要在mri系统中提供“非磁性”部件，即，既非铁磁或顺磁性部件。

迄今为止，mems封装依赖于铁磁性和/或顺磁性的材料。作为实事，这部分是因为由陶瓷或塑料等非磁性材料制成的封装被认为需要对包封在所述封装内的mems使用存在热损坏风险的密封方法，例如钎焊，以及/或者存在化学损坏风险的密封方法，例如易挥发或透湿性粘合剂。mem对其颗粒或化学环境敏感，并且也对封装处理条件敏感，因此需要用于控制条件和封装外环境的过程。实际上，mems代表一类封装中需要特别注意的“敏感”部件的类别。该类别的其他组成可包括压电、顺磁和形状记忆合金装置。

鉴于以上内容，需要在非磁性密封封装内提供敏感部件。提供该等封装的关键难度在于设计一种用于将敏感部件接合到敞开的非磁性封装腔内，然后密封所述封装腔，而不对所述敏感部件引发热损坏和/或化学损坏的方法。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种非磁性密封mems封装，所述非磁性密封mems封装包括非磁性陶瓷封装主体，所述非磁性陶瓷封装主体具有围绕腔的壁，所述腔具有大体呈平面的非磁性金属密封环，所述非磁性金属密封环设置成围绕所述壁的上边缘；未损坏mems装置，所述未损坏mems装置接合到所述腔内的所述封装主体；以及非磁性盖，所述非磁性盖密封到所述封装主体的所述密封环，以通过密封的金属密封件来封闭所述腔。

本发明的其他实施例提供一种非磁性陶瓷封装主体，所述非磁性陶瓷封装主体包括围绕腔的壁；大体平面的非磁性金属密封环，所述非磁性金属密封环以连续环的形式设置成围绕所述壁的上边缘；以及mems装置，所述mems装置接合到所述腔内的所述封装主体。

本发明的其他方面提供制造非磁性密封mems装置的方法，所述方法包括：形成非磁性陶瓷封装主体，所述非磁性陶瓷封装主体具有围绕敞口腔的壁；将非磁性并且大体呈平面的金属密封环以连续环的形式安装成围绕所述封装主体壁的上边缘；将mems装置接合到所述腔内的所述封装主体；以及将非磁性盖密封到所述密封环。

本发明的其他方面提供一种用于将mems装置无焊剂焊接接合到封装主体的方法，所述方法包括提供位于mems装置和所述封装主体的相对面之间的铟预成型件；在不引入焊剂的情况下，将所述铟预成型件加热和维持在回流温度范围内；以及将所述mems装置与所述铟预成型件摩擦，以回流并且将所述铟预成型件粘附到所述mems装置和所述封装主体。

附图说明

参考附图阅读以下非限定性实施例的描述可以更好地理解本发明，其中：

图1是局部截面透视图，示出了根据本发明实施例的非磁性封装，所述非磁性封装包括密封到非磁性封装主体的示例性非磁性盖。

图2是图1中的非磁性盖的局部截面透视图。

图3a-3c是用于制造本发明一个实施例的手套箱、定位焊接器、烘箱和接缝密封器的立体图。

图4是位于图1中的非磁性盖和非磁性封装主体的局部截面图。

具体实施方式

下文将参考本发明的示例性实施例来详述，这些示例性实施例的实例将参考附图进行说明。在可能的情况下，附图中所用的相同参考字符是指相同或类似的部分，而不重复描述。尽管本发明的示例性实施例是相对于其在mri系统中的使用来进行描述的，但是本发明的实施例适用于可受益于非磁性开关或传感器的任何背景中。

本说明书中所用的术语“基本上”、“大体上”和“大约”是指相对于适用于实现部件或组件功能的理想所需条件，在可合理实现的制造和组装公差内的条件。

在一个示例性实施例中，如图1中所示，非磁性mems封装主体200包括壁201，所述壁的顶部设有大体平面的金属密封环250。壁201围绕腔204。在腔204内，mems(微型机电)装置210在封装主体200内通过低温、无焊剂铟焊接过程安装到底板206，该底板可具有多层或者多个梯级。示例性“低温”焊接过程包括：将铟预成型件212置于封装主体200内；将封装主体置于接合台上；将mems装置210置于所述铟预成型件上；将所述mems装置和封装主体加热到约150℃但不超过约200℃的回流温度；维持所述回流温度至少约15秒；以及从所述回流温度进行冷却(可选地，使用冷却流)。通常，mems装置210的底面(“背侧”)以及封装主体底板206中的任一者或两者将预先涂覆非磁性可软焊涂层(未图示)，例如tiw/au、w/cu/au或w/cu/pd/au。

mem结构可由趋于在约200℃以上的温度下降解或变形的auni、niw等温度敏感材料或合金制成。因此，例如，使用不超过210℃的接合台顶部温度进行低温焊接可避免损伤mems装置210。此外，不使用焊剂进行焊接可消除由于焊剂排气而产生的潜在挥发性化学物质来源，因此使得能够在接缝密封之后，在mems封装400内维持化学惰性的干燥空气环境。但是，由于焊剂通常可减少并且分解氧化物和表面污染以改进润湿/焊料表面张力和表面粘附力，因此在不使用焊剂的情况下，难以在氧化物杂质仍然存在的情况下取得良好的焊接接合。

因此，在维持在回流温度下时，使用拾取和放置工具在铟预成型件上摩擦或震动mems装置210，从而破碎氧化物并且改进所述预成型件的回流，以便在不使用焊剂或惰性气氛，即合成气体的情况下，实现mems装置与封装主体200之间的良好机械接合。mems装置210的摩擦运动可以仅为横向往复运动，或者可以是旋动或侧向阶梯式运动，或者封套区域中的不规则运动，或者严格符合z形运动，即拍打运动，或者甚至单一上下运动，可打破焊料氧化层与模具之间的表面张力和初期粘附力。mems装置210的摩擦运动可在回流温度分布的停顿时间完成。在mems装置是约3mm正方形的实施例中，拾取和放置工具对mems装置210的接触载荷可以是至少约0.2牛顿，以便实现回流，但不得超过约6牛顿，以便避免超出mems装置或基底上的设计载荷。在特定实施例中，接触载荷可以是约5牛顿。适当的接触载荷将根据mems装置210的大小和耐用性变化。拾取工具在整个摩擦运动期间均与mems装置210相接触，并且对拾取工具头部进行加热以有助于通过mems装置传热到焊料。例如，所述拾取工具头部可以加热到至少约150℃，或者高达180℃，以便彻底加热与mems邻接的焊料，但是不得加热到约210℃以上，以免损坏mems装置210。

在一个实施例中，密封环250由三层构成：钨过渡层252、铜籽晶层254以及金密封层256。每种密封环层材料经选择以便最优地接合到邻近层，例如，钨过渡层252最优地适用于接合到陶瓷壁201，而铜籽晶层254最优地与钨和铜密封层相容。由于mems装置210的温度限制，因此密封环250形成于陶瓷壁201的上边缘处，然后将mems装置安装到腔204内。可选地，可在铜与金层之间设置一个钯层。

一旦mems装置210已机械焊接到封装主体200上、腔204的底板206处，mems装置210可通过电线接合到触点220，所述触点从腔204的内部穿过封装主体200延伸到外部引脚222。在特定实施例中，穿过所安装的mems装置210的每对外部引脚222之间的安装电容小于约2pf。作为上述步骤的焊接和电线连接的替代，mems装置210的外部金点可以超声焊接到形成于封装主体上的金质电触点220。

引线接合之后，mems封装主体200、mems装置210和盖100(附接焊料预成型件之前)可以进行真空烘烤以去除水分和其他挥发物质。例如，可在真空烘箱中进行100℃/30分钟的停顿。真空烘烤之后，立即使用商用氧灰化工艺将封装主体200和mems装置210灰化。

在封装主体200的氧灰化之后的大约不超过一小时内，并且通常在灰化之后的不超过约30分钟内，通过接缝密封将盖100连接到封装主体(使用可选的初步定位焊接步骤)。接缝密封和紧钉在填充清洁“干燥空气”的手套箱环境内完成，即，滤出颗粒并且去除水蒸气的露点小于-40℃或小于10,000ppm的标准空气。例如，可以过滤清洁干燥空气以满足至少iso第8类要求；在一些实施例中，满足至少iso第6类要求；在特定实施例中，满足至少iso第4类要求。应注意，在包含大量氧气(约21％)的空气下进行接缝密封，可有助于实现最终装置的特定性能目标。

例如，在特定实施例中，mems装置210的导通电阻在初始老化(burn-in)之后的偏差不超过1欧姆。由于封装400内的清洁干燥标准空气的密封可实现mems开关装置触点与其他表面之间的平衡氧化，因此可实现所述低偏差。平衡氧化无法在未密封的封装内发生，也无法在无氧气(例如，惰性气体或真空)的密封封装内发生。平衡氧化物层用于稳定mems开关触点的机电性能，从而将导通电阻偏差维持在小于1欧姆。

仍然参见图1，非磁性盖100(图2中更具体地示出了它的一个示例性实施例)可以接缝密封到非磁性mems封装主体200上，以提供密封非磁性mems封装400。非磁性盖100至少包括钼基底110和/或金/锡焊料预成型件150，该金/锡焊料预成型件围绕所述盖的密封表面104的外周边102延伸。图4示出了密封接缝密封件450的局部截面示意图，该密封的接缝密封件形成于盖100的预成型件150与封装主体200的密封环250之间，如上所述。本说明书中所用的“密封”是指维持在至少60psi氦气的两小时之后，使用氦微泄漏测试器(例如，型号：alcateltmasm180)测试的氦泄漏率为3x10^-8mbarrl/s或以下，并且在125℃下的fc-40溶液中不存在气泡，或等效测试效果。

现在参见图3a-3c，通过使用接缝密封器300和定位焊机320将非磁性盖100密封到非磁性mems封装主体200上，所述接缝密封器和定位焊机封装在干燥空气手套箱310内。接缝密封器300从其电极302渐进地向盖100以及封装主体200的图案金属密封环250施加电流，从而局部回流au/sn预成型件并且将盖100与金属密封环250一起密封。应注意，钯层140以及/或者金涂层160围绕盖100的边缘102的粘附力使倒角450能够向上延伸到覆盖所述盖的边缘，从而强化接缝的密封。

特别参见图2，盖100的示例性实施例包括钼基底110。例如，基底110可冲压并且切割成平面形状，或者可冲压或者拉伸成凹进或阶梯状形状。所述基底是至少约5密尔(0.005英寸)厚，通常约10密尔厚，但是可以采用更高的厚度。通常，基底110的最小厚度根据需要设置以在封装400内的大气压力下，甚至在减压空运货物运输期间维持干燥空气(例如，小于约10,000ppm水蒸气或者小于-40℃露点)，而不引起基底的永久变形；最大厚度受限于制造可行性，以及减少总组件重量的一般需求。所述钼基底还根据需要提供热和电气体电阻率，以便于通过局部电气加热进行接缝密封，如上所述。

盖100的示例性实施例还包括覆于钼基底110上的粘附层120，所述粘附层的厚度是至少约500埃，并且可以达到约2000埃。所述粘附层可以从钛或从钽或铬等类似的与钼相容的金属溅射到基底110上。在特定实施例中，可使用等效的物理蒸汽沉积(pvd)方法来进行溅射。pvd工艺包括阴极电弧、电子束、电阻蒸发、脉冲激光和磁性溅射沉积技术。在特定实施例中，主要由于电镀或化学蒸汽沉积(cvd)中的化学难度，采用磁性溅射作为涂覆方法。已经发现，溅射粘附层更均匀并且所提供的粘附力由于电镀或cvd粘附层，并且溅射系统可提供能够进一步改进粘附力的向后溅射能力。其他pvd技术被认为与电化学或cvd技术同样适用。粘附层120溅射到基底的相反宽广表面，并且溅射厚度足以使溅射区域的边缘相接以覆盖基底的边缘；因此，粘附层的最低可接受厚度将随基底的厚度而变。粘附层120的厚度通常小于从两个宽表面覆盖基底的边缘所需的厚度。

盖覆在粘附层120上，具有铜籽晶层130，所述铜籽晶层溅射到至少约1000埃的厚度。已发现，就其与钛/钽/铬粘附层的相容性方面及其对钯电镀的接受性方面，铜适用于籽晶层130。籽晶层130不直接溅射到钼上，因为已发现粘附层120可大幅增强籽晶层130与基底110的粘附。在一些实施例中，籽晶层130的厚度可以是约2000埃，并且在特定实施例中，籽晶层的厚度可以高达约6000埃。较厚的籽晶层有助于缓冲来自后续电镀步骤的回蚀刻，并且有助于覆盖基底的边缘。另一方面，厚度增大会增加成本和重量，并且由于铜的传热性，铜的厚度过大可能导致在将盖接缝密封以封闭所述mems封装的后续步骤中出现问题。

在籽晶层130之外，盖100包括厚度约1-2μm的钯焊料基底层140，其中该厚度也是经选择以确保覆盖基底110的边缘。钯焊料基底层140通常电镀到铜籽晶层130上。因此，钯焊料基底层140将覆盖盖100的所有表面，从而减轻铜籽晶层的锈蚀。在其他实施例中，焊料基底层140可以溅射到盖100的仅一个表面(密封表面104)上。

在盖100的密封表面104上，靠近其边缘处，金/锡焊料预成型件150随后附接到焊料基底层140，例如，通过定位焊。总体而言，盖100的材料和各层厚度经选择以使盖的体电阻率足够高，以聚集电流用于焊料预成型件150的点接缝密封，而不是焊接盖本身。因此，本发明的盖100可在不对盖或与盖相连的结构进行大量加热的情况下进行低功率接缝密封工艺。因此，可以使用所述盖进行mems封装的密封，而不对所述封装内的mems装置造成热损坏。盖100还可包括位于钯焊料基底层140与焊料预成型件150之间的金闪光层160。

再次参见图3，定位焊和接缝密封的步骤在手套箱310内完成，该手套箱维持干燥条件下的清洁空气(小于约-40℃露点，0％相对湿度，小于约10,000ppm水蒸气)。定位焊期间，盖100置于封装主体200上，并且这两个部件一起置于手套箱内的定位焊机320中。定位焊机320用于将盖100轻微向下按，并且使用金/锡焊料预成型附件150将所述盖定位焊接到金属密封环250上的一个或两个位置。定位焊之前，盖100和封装主体200可以进行o2灰化/清洁，然后使用cda(上述清洁干燥空气)进行清洗，并且在真空烘箱330中进行加热，该真空烘箱与手套箱310相连并且通向该手套箱中。对于接缝密封，封装主体200在手套箱内转移到接缝密封器300的可旋转台304上。

之后，接缝密封器300可操作地将台304与盖和主体一起旋转，同时缩回和伸出电极302，从而沿盖100的边缘102移动电极触点，以使预成型件150和密封环250将渐进地局部加热并且焊接以在焊料基底层与相对的密封环之间形成密封焊缝或焊料倒角。就此而言，最好使焊料基底层140和下层120、130完全覆盖基底110的边缘，从而形成均匀的倒角450，如图4中所示(需要更新数字以示出倒角沿盖的侧边向上)。此外，最好仅在一个位置将盖和封装主体定位焊接在一起，在此电极302将开始接缝密封过程。

根据本发明的一方面，与钎焊相反(用于密封焊料预成型件的公知工艺)，可使用接缝密封，其中接缝密封是一种局部电阻焊接/加热工艺。尽管钎焊和高炉焊料回流是用于密封各种封装，例如本发明的封装400的传统工艺，但是钎焊期间达到的普遍高温会使计划封装在密封mems封装内的mems装置损坏和变形。此外，在高炉中，难以建立cda环境。高炉通常使用合成气体或惰性气氛进行对流加热，但是手套箱和接缝密封可无需进行对流加热，从而使得能够使用清洁干燥空气。但是，为实现接缝密封，盖100必须能够实现电阻性局部加热。许多非磁性金属均导致难以仅在局部区域中提供热量，因为该等金属趋于高度传热和/或导电。因此，盖100的材料和层厚度需谨慎选择，以便以之前未考虑到的方式优化接缝密封。

上述过程可产生密封和非磁性mems封装400，适用于各种应用中，包括mri外壳中。由于封装400内捕获大气压力下的干燥空气，因此该封装也可用于之前未考虑到mem的其他环境中。

本发明的实施例提供一种非磁性密封封装，包括：限定内腔的壁，所述内腔具有围绕所述壁的上边缘设置的大体平面的非磁性金属密封环；所述内腔中的至少一个电触点，所述至少一个电触点从所述内腔经由所述壁延伸到外部引脚；未损坏敏感部件，所述未损坏敏感部件接合到所述腔内的封装主体；以及非磁性盖，所述非磁性盖密封到所述封装主体的所述密封环，以通过密封金属环封闭所述腔。所述密封环可包括接合到所述封装主体壁的钨层、覆于所述钨层上的铜层，以及覆于所述铜层上的金层，其中所述金层接合到所述金属密封件。或者，所述密封环可包括w/cu/pd/au层。所述金属密封件可由金/锡焊料构成。例如，所述金属密封件可以通过将金/锡焊料接缝密封到金属密封环的金层来形成。因此，所述非磁性盖可包括位于盖的密封表面处的金/锡焊料预成型件。所述封装还包括所述腔内与所述敏感部件电连接的电触点，并且可进一步包括外部引脚，所述外部引脚形成于所述封装壁上并且经由所述敏感部件和所述腔内的电触点彼此电连接，其中经由所述敏感部件的所述外部引脚之间的电容小于约2pf。所述敏感部件可以是mems装置，具体来说，开关，所述开关具有在老化之后的偏差小于1欧姆的稳定导通电阻，以及/或者至少约250v的阻塞电压。非磁性盖可以在具有大约大气氧气浓度的清洁干燥空气中接缝密封到密封环。

本发明的其他实施例提供非磁性陶瓷封装，所述非磁性陶瓷封装包括围绕腔的壁；大体平面的非磁性金属密封环，所述非磁性金属密封环围绕所述壁的上边缘；以及所述内腔中的至少一个电触点，所述至少一个电触点从所述内部穿过所述壁延伸到外部引脚。所述密封环包括接合到所述封装主体壁的钨层、覆于所述钨层上的铜层，以及覆于所述铜层上的金层。所述密封环还可包括位于所述金层与所述铜层之间的钯层。所述敏感部件可以使用无焊剂低温焊接过程接合到所述封装主体。可以在焊接过程中使用铟。

本发明的其他方面提供制造非磁性密封封装的方法，所述方法包括：形成非磁性陶瓷封装主体，所述非磁性陶瓷封装主体具有围绕敞口腔的壁；将非磁性并且大体呈平面的金属密封环以连续环的形式设置成围绕所述封装主体壁的上边缘；将敏感部件接合到所述腔内的所述封装主体；以及将非磁性盖密封到所述密封环。安装所述密封环可包括形成非磁性并且大体呈平面的金属密封环，为此，首先形成接合到所述封装主体壁的钨层，然后将铜层沉积到所述钨层上，再将金层沉积到所述铜层上。在一些方面中，安装所述密封环可包括以连续环的形式围绕所述封装主体壁的上边缘沉积钨层，然后将铜层沉积在所述钨层上，然后将金层沉积在所述铜层上。接合所述敏感部件可包括无焊剂低温焊接过程，其中可以使用铟作为低温焊料。所述低温焊接过程可包括所述敏感部件相对于封装主体的摩擦运动。所述方法的特定方面可包括向所述敏感部件以及封装主体腔的相对面预先涂覆非磁性可焊接涂层，所述非磁性可焊接涂层基本上由tiw/au或w/cu/au构成。所述非磁性盖的密封可作为接缝密封过程来执行。可选地，所述封装主体和敏感部件可灰化和/或真空烘烤，然后将非磁性盖密封到所述非磁性金属密封环。可选地，接缝密封所述非磁性盖可在约1个大气压的干燥空气下完成。此外，所述封装主体、敏感部件和盖可在烘箱中在约1个大气压的干燥空气下加热，然后将非磁性盖密封到所述非磁性金属密封环。

本发明的其他方面提供一种用于将mems装置无焊剂焊接接合到封装主体的方法，所述方法包括提供位于mems装置和所述封装主体的相对面之间的铟预成型件；在不引入焊剂或合成气体的情况下，将所述铟预成型件加热和维持在回流温度范围内；以及将所述mems装置与所述铟预成型件摩擦，以回流并且将所述铟预成型件粘附到所述mems装置和所述封装主体。所述方法还可包括向所述相对面中的至少一个表面预先涂覆非磁性可焊接涂层。例如，所述非磁性可焊接涂层可包括tiw/au或w/cu/au。所述回流温度范围可介于约150℃与约210℃之间。例如，所述铟预成型件可以维持在约200℃，但不超过约210℃。所述铟成型件可经由封装主体并且经由所述mems装置进行受热。

应了解，上述说明旨在说明而非限定。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此结合使用。另外，在不背离其范围情况下，可以做出许多修改以使具体情况或材料适应本发明的教义。尽管本说明书中所述材料的尺寸和类型用于定义本发明的参数，但是它们不以任何方式限定，并且仅为示例性实施例。在查阅上述描述后，许多其他实施例将对所属领域的技术人员而言显而易见。因此，本发明的范围应参考随附的权利要求书，以及此类权利要求书的完全范围等效物确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(inwhich)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等效物。此外，在随附权利要求书中，诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”等仅用作标签，并不用于对相应对象做出数值或位置要求。此外，随附权利要求书中的限制并非以装置加功能的方式撰写，并且并不旨在基于《美国法典》第35编第112条第六项来解释，除非且直到此类权利要求限制明确使用词语“装置用于”，后跟不含进一步结构的功能说明。

本说明书使用各个实例来公开本发明的若干实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域的普通技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

在本说明书中，以单数形式或者与“一个”或“一种”结合使用的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非对此类排除做出明确说明。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不旨在解释为排除存在同样包含所述特征的额外实施例。此外，除非明确指出相反情况，否则“包含”、“包括”或“拥有”具有特定性质的某个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的其他此类元件。

由于可以在不背离本说明书中涉及的本发明的精神和范围的情况下对上述用于制品和制造方法进行特定改变，因此上述说明或者附图中图示的所有主题应仅仅解释为说明本说明书中的发明概念的实例，并不视作限制本发明。