真空封装结构及其封装方法、用于真空封装的装置与流程

本发明涉及封装技术领域，尤其涉及一种真空封装结构及其封装方法、用于真空封装的装置。

背景技术：

随着红外热成像技术的发展，红外热成像技术应用的场景越来越多，包括手持及便携等小型设备，这对红外探测器的体积及功耗都提出了严格的要求。非制冷红外焦平面探测器芯片需要在真空环境下工作，以获得更好的性能。目前，非制冷焦平面红外探测器一般采用带排气管的金属管壳进行封装。

请参考图1，为现有技术红外探测器的结构爆炸图，该红外探测器采用带排气管的金属管壳进行封装，体积大，元器件多，工艺流程复杂。具体封装工艺流程如下：

步骤1：吸气剂16引脚与陶瓷绝缘子12上的金属焊盘13焊接；

步骤2：半导体制冷层(TEC)17下表面与金属管壳11底部通过银浆粘接；

步骤3：半导体制冷层(TEC)17的引脚与陶瓷绝缘子12上的金属焊盘14焊接；

步骤4：红外探测器芯片18与TEC 17上表面通过银浆粘接；

步骤5：红外探测器芯片18电信号通过金丝键合方式，由红外探测器芯片焊盘112引出至陶瓷绝缘子焊盘113；

步骤6：金属盖板19和红外滤光片111使用预成型焊料110，采用真空回流焊方法，实现气密性封接，并检漏；

步骤7：金属盖板19与管壳采用平行缝焊进行气密性封接；

步骤8：整个封装结构通过排气管15接入氦质谱检漏仪检漏口进行检漏；

步骤9：检漏合格后，将整个封装结构通过排气管15接入超高真空排气台，在超高真空下进行加热排气；

步骤10：加热排气结束后，将引脚114中连接吸气剂的两个脚分别接直流恒流源的“+”、“-”极，根据吸气剂特性曲线加载相应电流值，并保持对应时间，将吸气剂激活；

步骤11：吸气剂通电激活结束后，使用工具将排气管15夹断密封；

步骤12：在探测器部分残留的排气管封口处涂覆保护胶。

真空系统通过排气管15对器件内部抽真空，因连接需要及夹封操作需要，排气管较长，为了减小体积，排气管管径较小，细长管道对抽真空效率影响非常大，因此加热排气过程需要维持很长时间以达到较好的除气效果，一般需要72h以上，生产效率很低。

综上，目前采用的金属管壳封装方式，元器件多，体积大，功耗大，已无法适用于某些对体积、功耗有严格要求的应用场景。且金属管壳封装方式工艺过程复杂，生产效率低，成本高，也无法应用于某些对成本有严格要求的场景。

专利US7470904B1公开了一种无排气管的非制冷焦平面红外探测器陶瓷封装结构及其制造方法，结构紧凑，工艺流程简单。制造方法上将整个封装结构装配后放置于具有加热功能的真空腔体中，在高真空下加热至约171℃保持6～18h，再加热至235℃保持3分40秒，在真空中将红外滤光片与盖帽之间以及盖帽与陶瓷底座之间完成焊接。在探测器从真空腔体取出后，对吸气剂两个引脚通直流以激活吸气剂，保持腔体内真空。为了实现回流焊接前对探测器腔内抽真空，在焊料环上制作了凸起，使得探测器腔内与外界具有气体流通通道，但凸起高度有限，也使得抽真空通道非常小，从而影响抽气效率。在此种制作方法中，加热温度不能高于焊料熔点，低温和低的抽气效率导致需要较长的排气时间才能达到较好的除气效果。而吸气剂的激活温度需要高于300℃，因此在回流焊接前无法激活吸气剂，需要在封装后对吸气剂进行通电激活。

专利CN10295662B中公开了另外一种无排气管的陶瓷封装结构，吸气剂采用通电方式进行激活。此种结构在高度方向上的尺寸较大，且红外探测器芯片处于悬空状态，会导致工作过程中芯片基材上温度分布不均匀而影响性能。

上述无排气管的红外探测器封装结构性能还有待进一步的而提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种红外探测器芯片真空封装结构及其封装方法，以减小探测器的尺寸并简化封装流程。

为了解决上述问题，本发明提供了一种真空封装结构，包括：底座；盖帽，所述盖帽顶部具有一开口，所述开口上方覆盖有红外滤光片，所述盖帽、红外滤光片与底座形成真空腔体；红外探测器芯片，位于所述真空腔体内贴合于底座的表面；吸气剂层，位于所述真空腔体内，两端分别焊接于所述底座表面。

可选的，所述底座表面具有键合焊盘，所述红外探测器芯片的焊盘与所述键合焊盘电学连接；所述底座表面具有金属凸块，所述吸气剂层两端焊接于所述金属凸块上。

可选的，所述盖帽与底座之间通过第一焊料层焊接；所述红外滤光片与所述盖帽之间通过第二焊料层焊接。

可选的，所述底座底部焊有金属插针，所述金属插针与键合焊盘、金属凸块一一对应电学连接。

可选的，所述底座材料为陶瓷；所述底座的焊接区域表面镀金；所述盖帽材料为可伐合金且表面镀金；所述红外滤光片包括基材和位于基材表面的红外增透膜，所述基材为锗或硅，且所述红外滤光片的焊接区域表面镀金。

本发明还提供一种用于真空封装的装置，包括：腔体；上承载板，用于设置于所述腔体内，所述上承载板具有第一开口，用于固定底座治具；下承载板，用于设置于所述腔体内，与所述上承载板位置相对，所述下承载板具有第二开口，用于固定盖帽治具，所述上承载板与下承载板之间通过圆轴杆定位；运动部件，位于所述上承载板顶部，用于带动所述上承载板沿所述圆轴杆运动；金属挡板，与电机连接，用于在电机驱动下向腔体内部运动，将上承载板和下承载板隔离；加热装置，位于腔体顶部和底部，用于对固定于上承载板的底座治具和固定于下承载板的盖帽治具进行加热；真空部件，与腔体连通，用于对腔体抽真空。

可选的，所述盖帽治具设置有定位销；所述底座治具设置有对准孔。

本发明还提供一种真空封装方法，包括：提供一底座，所述底座表面焊接有吸气剂层以及贴合有红外探测器芯片；提供一种真空封装的装置；在底座治具中放入所述底座，在盖帽治具中依次放入红外滤光片、第二焊料层、盖帽和第一焊料层；将所述底座治具放入上承载板的第一开口内，将所述盖帽治具放入下承载板的第二开口内；将承载有底座治具的上承载板和承载有盖帽治具的下承载板放入所述装置的空腔内，进行抽真空处理；通过电机驱动所述金属挡板向真空腔体内部运动，将所述上承载板和下承载板隔离；对底座治具和盖帽治具分别进行加热，使底座治具温度大于或等于吸气剂的激活温度，对所述吸气剂层进行激活；吸气剂层被激活后，使底座治具温度降至第一焊料层和第二焊料层熔点温度；加热盖帽治具至第一焊料层和第二焊料层的熔点温度；通过电机驱动所述金属挡板向真空腔体外部运动，使得所述上承载板和下承载板之间无隔离；上承载板向下运动，使得盖帽治具与底座治具对齐贴合，完成红外滤光片与盖帽、盖帽与底座的回流焊接。

可选的，所述底座表面焊有两个金属凸块，所述吸气剂层的两端焊接在所述金属凸块上；所述红外探测器芯片与底座通过银浆贴片粘结；所述底座表面具有键合焊盘，所述红外探测器芯片的焊盘与所述键合焊盘通过金丝键合连接。

可选的，所述盖帽治具设置有定位销，所述底座治具设置有对准孔；盖帽治具与底座治具对齐贴合时，所述定位销进入对准孔内。

可选的，还包括：在完成回流焊接之后，对所述金属凸块通直流电，再次激活所述吸气剂层。

本发明的真空封装结构无需排气管，精简了元器件，显著缩小了红外探测器体积。并且，红外探测器芯片与底座完全贴合，芯片基材温度均匀性良好，有效保证了探测器性能。

本发明还提供一种用于真空封装的装置，以及采用所述装置进行真空封装的方法，红外滤光片与盖帽的焊接、盖帽与底座的焊接在真空腔体中一次完成，无需进行预成型焊料的预焊，且很多工艺流程是在真空腔体中自动控制完成。真空腔体中加热排气时，底座与盖帽分离，无明显影响排气效率结构，排气效率高，排气时间短。通过金属挡板实现分区加热方式，实现在高真空状态下吸气剂高温激活，而焊料部分仍然处于较低温度未熔化，在回流焊接前即可激活吸气剂。通过运动部件驱动分离器件的接触贴合，并设计自对准结构保证封装结构各部件的对准。所述真空封装的方法可阵列加工制造，效率高，显著降低了成本。

附图说明

图1为现有技术一红外探测器的结构爆炸图；

图2为本发明一具体实施方式的红外探测器的真空封装结构的结构爆炸图；

图3为本发明一具体实施方式的用于真空封装的装置结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的真空封装方法的流程示意图；

图5为本发明一具体实施方式中在盖帽治具中放入所述红外滤光片、第一焊料层、盖帽和第二焊料层后的示意图；

图6为本发明一具体实施方式中在金属挡板进入真空腔体内的示意图；

图7为本发明一具体实施方式中金属挡板离开真空腔体，以及盖帽治具与底座治具对齐贴合后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的真空封装结构及其封装方法、用于真空封装的装置具体实施方式做详细说明。

请参考图2，所述真空封装结构为红外探测器芯片的真空封装结构，具体包括：底座21、盖帽210、红外滤光片212、红外探测器芯片26和吸气剂层28。

所述底座21的材料为陶瓷，底座21的底部还可以焊接有金属插针25，作为电连接引脚。所述底座21表面的焊接区域24表面镀金，以便与盖帽210形成牢固的焊接，所述镀金厚度大于或等于0.8微米。

盖帽210材料为可伐合金，在本发明的其他具体实施方式中，所述盖帽210的材料还可以是其他金属材料，具有较高的强度，以保护所述真空封装结构内的器件。进一步，在本发明的其他具体实施方式中，所述盖帽210表面还镀有金层，用于提高盖帽210的耐腐蚀性能等，保护所述盖帽210，所述盖帽210表面的金层厚度大于或等于0.8微米，能起到较高的保护作用。所述盖帽210顶部具有一开口，作为光学窗口。

所述红外滤光片212覆盖所述盖帽210顶部的开口，所述盖帽210、红外滤光片212与底座21形成真空腔体。所述红外滤光片212的基材为锗或硅，所述基材的上表面和/或下表面具有红外增透膜。所述红外滤光片212的边缘具有用于焊接的焊接区域，所述焊接区域表面材料为Au，厚度大于或等于0.8微米，便于与盖帽210之间形成牢固的焊接。

所述吸气剂层28位于所述真空腔体内，该具体实施方式中，所述吸气剂层28为带状，长条形，两端分别焊接于底座21表面，适于通过加热方式进行激活。所述吸气剂层28的吸气材料可以为非蒸散型吸气剂材料，例如Zr-Al合金、Zr-V-Fe合金、Zr-Co-Re合金等。在该具体实施方式中，所述底座21表面焊接有两个金属凸块22，所述吸气剂层28的两端分别焊接在所述金属凸块22上，固定在底座21表面。

所述红外探测器芯片26，位于所述真空腔体内，贴合于底座21的表面。具体的，所述红外探测器芯片26与底座21表面通过银浆贴片粘接，所述底座21表面还具有键合焊盘23，所述红外探测器芯片26的焊盘27与所述键合焊盘23电学连接，具体的可以使通过金丝将所述焊盘27与所述键合焊盘23电学连接。所述红外探测器芯片26与底座21完全贴合，芯片基材温度均匀性良好，有效保证了探测器性能。

在本发明的具体实施方式中，所述盖帽210与底座21之间通过第一焊料层29焊接；所述红外滤光片212与所述盖帽210之间通过第二焊料层211焊接。所述第一焊料层29和第二焊料层211均为预成型焊料，与焊接区域形状一致，在该具体实施方式中，所述第一焊料层29和第二焊料层211的材料为Au₈₀Sn₂₀，在本发明的其他具体实施方式中，所述第一焊料层29和第二焊料层211的材料还可以是其他焊锡材料。

该具体实施方式中，所述底座21底部的金属插针25与底座21表面的键合焊盘23、金属凸块22之间一一对应电学连通，但彼此绝缘。

上述真空封装结构无需排气管，精简了元器件，显著缩小了红外探测器体积。并且，红外探测器芯片与底座完全贴合，芯片基材温度均匀性良好，有效保证了探测器性能。

请参考图3，为本发明一具体实施方式提供的一种用于真空封装的装置。

所述用于真空封装的装置包括：腔体314、上承载板37、下承载板36、圆轴杆38、运动部件39、金属挡板311、电机312、加热装置313和真空部件315。

所述上承载板37用于设置于所述腔体314内，所述上承载板37具有第一开口，用于固定底座治具33；所述下承载板36，用于设置于所述腔体314内，与所述上承载板37位置相对，所述下承载板36具有第二开口，用于固定盖帽治具31，所述上承载板37和下承载板36可以可拆卸的安装于所述空腔314内，便于在固定所述将所述底座治具33和盖帽治具31时，将所述上承载板37和下承载板36取出，在进行真空封装时，将所述上承载板37和下承载板36设置于所述空腔314内。图3中，所述上承载板37具有两个第一开口，所述下承载板36具有两个第二开口，其中，第一开口和第二开口内分别固定有底座治具33和盖帽治具31。在本发明的其他具体实施方式中，所述上承载板37和下承载板36上可以分别具有一个或三个以上的开口，以便同时用于对多个红外探测器芯片进行封装，可阵列加工红外探测器芯片。

所述上承载板37与下承载板36之间通过圆轴杆38定位。所述圆轴杆38顶部有台阶，可将上承载板37托起，圆轴杆38底部有弹簧，可将上承载板37顶起而与下承载板36分离，使得所述上承载板37与下承载板36有足够的空间便于抽气。

所述运动部件39，位于所述上承载板37顶部，用于带动所述上承载板37沿所述圆轴杆38运动。在该具体实施方式中，所述运动部件39可以与所述上承载板37固定连接，由腔体314外部的驱动电机310驱动，从而带动所述上承载板37沿圆轴杆38上下运动，所述驱动电机310位于腔体314外部，有利于在对腔体314抽真空时，保证腔体314内的真空度，避免对腔体314造成污染。

所述金属挡板311，与电机312连接，用于在电机312驱动下向腔体312内部运动，将上承载板37和下承载板36隔离，用于实现对上承载板37和下承载板36进行分区加热。该具体实施方式中，真空腔体314两侧均具有金属挡板311，两侧挡板可以同时向真空腔体314内运动。在本发明的其他具体实施方式中，所述真空腔314也可以仅有一侧具有金属挡板。

所述加热装置313，位于腔体314顶部和底部，用于对固定于上承载板37的底座治具33和固定于下承载板36的盖帽治具31进行加热。位于腔体314顶部的加热装置313用于对底座治具33加热，位于腔体314底部的加热装置313用于对盖帽治具31加热。

真空部件315，与腔体314连通，用于对腔体314抽真空。所述真空部件315可以是真空泵等抽真空装置，与腔体314之间通过管路连通，通过抽取腔体314内的气体，实现对腔体314的抽真空。

所述底座治具33用于防止封装结构的底座，所述盖帽治具31用于与底座进行焊接的盖帽、焊料层或红外滤光片等。在本发明的一个具体实施方式中，所述盖帽治具31材料为铝，表面镀覆黑色耐高温涂层。该具体实施方式中，所述底座治具33设置有对准孔34，盖帽治具31设置有定位销32，所述定位销32的位置与对准孔34相对，当所述上承载板37向下移动时，盖帽治具31的定位销32进入底座治具33对准孔34中，实现盖帽治具31与底座治具33的对准。

请参考图4，为本发明一具体实施方式的真空封装方法的流程示意图。

所述真空封装方法包括：

步骤S101：提供一底座21，所述底座21表面焊接有吸气剂层28以及贴合有红外探测器芯片26(请参考图2)。

所述底座21材料为陶瓷，底部焊有金属插针25；底座21表面焊有两个金属凸块22用于焊接吸气剂层28，所述吸气剂层28可以为带状，通过激光点焊或者电阻焊的方式焊接在所述金属凸块22上。

所述红外探测器芯片26与底座21通过银浆贴片粘接；所述底座21表面具有键合焊盘23，所述红外探测器芯片26的焊盘27与所述键合焊盘23通过金丝键合连接。

步骤S102：提供一真空封装装置，如图3所示。所述真空封装装置包括：腔体314、上承载板37、下承载板36、圆轴杆38、运动部件39、金属挡板311、电机312、加热装置313和真空部件315。所述上承载板37用于固定底座治具33，下承载板36用于固定盖帽治具31，所述上承载板37与下承载板36之间通过圆轴杆38定位；所述运动部件39可以与所述上承载板37固定连接，由腔体314外部的驱动电机310驱动；所述金属挡板311，与电机312连接，用于在电机312驱动下向腔体314内移动。

步骤S103：在底座治具中放入所述底座21，通过弹簧片对底座21进行固定，通过加工图形定位；在盖帽治具31中依次放入红外滤光片212、第二焊料层211、盖帽210和第一焊料层29，请参考图5为在盖帽治具31中放入所述红外滤光片212、第二焊料层211、盖帽210和第一焊料层29后的示意图。所述红外滤光片212、第二焊料层211、盖帽210和第一焊料层29由所述盖帽治具31的内部的加工图形定位。

步骤S104：将所述底座治具33放入上承载板37的第一开口内，将所述盖帽治具31放入下承载板36的第二开口内，将所述底座治具33和盖帽治具31固定。

步骤S105：将上承载板37和下承载板36放入所述装置的空腔314内，进行抽真空处理，如图3所示。通过装置的真空部件315对空腔314进行抽真空处理。所述上承载板37和下承载板36通过圆轴杆38定位，所述圆轴杆38顶部有台阶，可将上承载板37托起，圆轴杆38底部有弹簧，可将上承载板37顶起而与下承载板36分离，使得承载板37和下承载板36之间具有足够的抽气通道，提高对空腔314抽真空的效率。

步骤S106：使金属挡板311向真空腔体314内部运动，将所述上承载板37和下承载板36隔离。该具体实施方式中，真空腔体314两侧均具有金属挡板311，两侧挡板同时向真空腔体314内运动。在本发明的其他具体实施方式中，所述真空腔314也可以仅有一侧具有金属挡板。所述金属挡板311在各自电机312的驱动下向真空腔体314内部运动，将上承载板37和下承载板36隔离遮挡(请参考图6)，由于有金属挡板311的隔离遮挡，底座治具33和盖帽治具31部分可分别控温。

步骤S107：对底座治具33进行加热，使底座治具33温度大于或等于吸气剂的激活温度，对所述吸气剂层进行激活。所述吸气剂的激活温度通常高于焊料的熔点。

在该具体实施方式中，还包括首先通过加热装置313对底座治具33和盖帽治具31分别进行加热，使得底座治具33温度为250℃～280℃，优选为270℃；盖帽治具31的温度为230℃～260℃，略低于焊料熔点，优选为250℃。当所述真空腔体314内真空值达到1×10^-4mTorr，且抽真空时间为60min以上时，加热底座治具温度至400℃，温度上升时间为10min，保持30min，使得焊接在底座21上的吸气剂层22被激活。由于金属挡板311的隔离作用，以及底座治具33的温度上升时间较短，盖帽治具31的温度上升较小，依旧能够保持低于第一焊料层29和第二焊料层211的熔点。从而在进行回流焊之前，就将吸气剂层22激活，可以节约工艺步骤。

步骤S108：吸气剂层22被激活后，使底座治具33温度降至第一焊料层29和第二焊料层211的熔点温度，加热盖帽治具31至第一焊料层29和第二焊料层211的熔点温度。在该具体实施方式中，在吸气剂层22被激活后，关闭上加热，底座治具33在真空下冷却至310℃后，通过电机312驱动将两侧金属挡板311向远离腔体314即腔体外部方向运动至初始状态，如图7所示状态，同时，底部加热盖帽治具31温度至300℃，保持一段时间，例如3min，使所述第一焊料层29和第二焊料层211为熔融状态。

步骤S109：使所述上承载板37向下运动，使得盖帽治具31与底座治具33对齐贴合，完成红外滤光片212与盖帽210、盖帽210与底座21的回流焊接，形成真空封装结构。真空腔体314顶部的运动部件39与上承载板37接触，在顶部电机310驱动下，带动上承载板37向下运动，至底座治具33脱离上承载板37，此时，盖帽治具31上的定位销32进入底座治具33的对准孔34中，实现盖帽治具31与底座治具33的短对准，从而保证了盖帽210与底座21的对准，如图7所示，并保持一段时间，例如3min，以确保焊接牢固。

完成焊接之后，关闭上下加热装置313，真空下冷却至底座治具33和盖帽治具31温度均小于260℃，关闭真空阀门，腔体314内充入干燥氮气冷却至室温范围。

在本发明的另一具体实施方式中，还可以在封装之后，对吸气剂层28焊接至的金属凸块22通直流电，具体的对与所述金属凸块22连接的金属插针25通直流电从而实现对金属凸块22通直流电，对所述吸气剂层28进行再次激活。

上述真空封装方法工艺流程简单，红外滤光片与盖帽的焊接、盖帽与底座的焊接在真空腔体中一次完成，无需进行预成型焊料的预焊，且很多工艺流程是在真空腔体中自动控制完成。真空腔体中加热排气时，底座与盖帽分离，无明显影响排气效率结构，排气效率高，排气时间短。通过金属挡板实现分区加热方式，实现在高真空状态下吸气剂高温激活，而焊料部分仍然处于较低温度未熔化，在回流焊接前即可激活吸气剂。通过运动部件驱动分离器件的接触贴合，并设计自对准结构保证封装结构各部件的对准。所述真空封装的方法可阵列加工制造，效率高，显著降低了成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。