一种TO封装结构低水汽含量封装方法

摘要

本发明属于气密性封装技术领域，具体涉及一种TO封装结构低水汽含量封装方法及其封装组件。其特点在于：在TO封装组件的底座上设计了充气孔，用于除气、充气处理和封焊焊缝的漏率检测，充气孔的设计改变了TO组件传统的封装方式。在带有充气孔结构的TO组件的基础上，本发明采用了一种两次封焊实现密封的TO封装组件封装方法。解决了TO封装结构低水汽含量封装的难题，封装体内部的水汽含量可以控制在500×10-6以内，气体纯度控制在99％以上，可以控制封装体内部的压力，对于低真空封装的产品，气压控制精度在±100Pa以内，并且可以对封装体进行精确的漏率检测，具有很高的效率和可靠性。

权利要求

1.一种TO封装结构低水汽含量封装方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，将待封装器件安装在TO封装组件的底座上；

第二步，对封装设备、待封装器件和封装组件进行除气处理，并检测水汽含量和残余气体成分，其中，封装设备包括充气、除气设备和工装：第三步，将TO封装组件的底座与管帽采用一次封焊，形成半密封的封装体；

第四步，通过TO封装组件的充气孔对一次封焊的焊缝进行漏率检测；

第五步，对封装体进行除气处理，并检测水汽含量和残余气体成分；

第六步，对封装体进行充气处理；

第七步，使用激光焊接机，对封装体的充气孔进行密封焊接，完成封装体的全密封封焊。

2.按照权利要求1所述的一种TO封装结构低水汽含量封装方法，其特征在于：所述的第二步和第五步中除气是采用高温真空烘烤结合气体热冲洗和间断排气的方法，具体步骤如下：(1)对待除气装置在高真空环境下进行高温烘烤，其中高真空环境真空度范围为-3 -4

1×10 Pa至1×10 Pa，高温烘烤选择100℃～700℃的烘烤温度，保持10～60分钟；

(2)充入热的氢或氦或氮或氩工艺气体，保持10～15分钟后，再次抽高真空，抽气过程采用间断排气方法；

(3)重复上一步进行充气和抽真空2～4个循环后，再继续进行高温烘烤。

说明书

一种TO封装结构低水汽含量封装方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气密性封装技术领域，具体涉及一种TO封装结构低水汽含量封装方法及其封装组件。

背景技术

[0002] 对于MEMS传感器特别是MEMS力学传感器，如MEMS压力传感器、MEMS加速度传感器和MEMS角速率传感器，在其封装过程中，如果传感器敏感结构封装体内部含有一定量的水汽，会吸附或凝结在敏感结构表面，并且吸附或凝结量随温度的变化而不断变化，从而造成了敏感结构参数的变化，直接影响MEMS传感器的性能。因此，水汽含量控制是MEMS传感器封装的关键。对于微电子器件的密封，根据GJB597A-96《半导体集成电路总规范》及GJB548A-96《微电子器件实验方法和程序》方法中的规定：产品的内部水汽含量不得超过-6 -65000×10 。但是对于MEMS传感器，5000×10 的水汽含量对应的露点温度仅为-3℃左右，在更低的温度下，封装体内部就可能出现水或者冰，这对MEMS传感器来讲是致命的。军事用途的器件一般要求可在-55℃～+125℃下使用，因此就要求封装体内部的水汽含量必须-6
低于500×10 。同时高精度的MEMS传感器还对其敏感结构工作的气体成分有严格的要求，一般常用的气体种类有氢、氦、氮、氩等，气体纯度一般要求控制在99％以上，气压一般要求为低气压或极限真空，对于在低真空环境中工作的MEMS传感器，气压精度一般要求控制在±100Pa以内。敏感结构封装体的漏率也是封装质量的一项重要指标，仪表的漏率要求可以-12 3
根据工作时间、精度等级等确定，对于高可靠性器件一般要求漏率优于1×10 Pa·m/s。 [0003] TO封装结构是一种气密性封装中常用的玻璃-金属封装结构，传统的TO封装是一种成熟的封装方式，在电子器件的气密封装中已经得到广泛的应用，其优点是成本低、可靠性高。传统的TO封装方法，一般采用的是在手套箱内充入干燥的工艺气体，然后采用平行封焊、储能焊等密封封焊工艺进行封焊。该方法虽然适用于普通电子器件的密封，但应用于MEMS传感器封装存在以下问题，第一，水汽含量较高。由于TO封装内部水汽的来源主要有两个方面，一是来自封装环境气氛中的水汽，二是来自TO组件内部所含的水汽和表面吸附的水汽。而手套箱的内部空间较大，并且气密性不高，封装环境容易留存大量水分子，虽然可以对手套箱内部和充入的工艺气体进行加热，但由于加热温度较低(一般不高于150℃)，封装环境和封装零部件中仍会残留大量的水汽。因此水汽含量一般只能达到-6
5000×10 ，远高于MEMS传感器对水汽含量的要求；第二，传统的TO封装采用的是一次封焊实现密封的方案，一般是使用平行封焊、储能焊等密封封焊工艺。由于这些方法都是靠金属熔化将TO组件固联在一起实现密封，所以都存在因金属熔化释放出的杂质气体留存在敏感结构封装体内部，从而影响封装体内部的气体纯度的问题；第三，手套箱不能严格控制充入气体的压力，因此无法精确控制封装体内部工艺气体的压力，更不能用于高真空封装；第四，由于传统的TO封装组件没有检漏结构，所以在封焊完成后无法对焊缝进行精确的漏率检测，不能满足MEMS传感器对封装可靠性的要求。因此，传统的TO封装方法不能满足MEMS传感器封装的要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种能实现水汽含量低、气体纯度高、压力控制精度高和漏率检测的TO封装结构低水汽含量封装方法及其封装组件，以满足MEMS传感器的封装要求。

[0005] 实现本发明目的的技术方案：

[0006] 一种TO封装结构低水汽含量封装方法，包括以下步骤：

[0007] 第一步，将待封装器件安装在TO封装组件的底座上；

[0008] 第二步，对封装设备、待封装器件和封装组件进行除气处理，并检测水汽含量和残余气体成分，其中，封装设备包括充气、除气设备和工装：

[0009] 第三步，将TO封装组件的底座与管帽采用一次封焊，形成半密封的封装体； [0010] 第四步，通过TO封装组件的充气孔对一次封焊的焊缝进行漏率检测； [0011] 第五步，对封装体进行除气处理，并检测水汽含量和残余气体成分； [0012] 第六步，对封装体进行充气处理；

[0013] 第七步，使用激光焊接机，对封装体的充气孔进行密封焊接，完成封装体的全密封封焊。

[0014] 如上所述的一种TO封装结构低水汽含量封装方法，第二步和第五步中除气是采用高温真空烘烤结合气体热冲洗和间断排气的方法，具体步骤如下：

[0015] (1)对待除气装置在高真空环境下进行高温烘烤，其中高真空环境真空度范围为-3 -41×10 Pa至1×10 Pa，高温烘烤选择100℃～700℃的烘烤温度，保持10～60分钟； [0016] (2)充入热的氢或氦或氮或氩工艺气体，保持10～15分钟后，再次抽高真空，抽气过程采用间断排气方法；

[0017] (3)重复上一步进行充气和抽真空2～4个循环后，再继续进行高温烘烤。 [0018] 本发明的效果在于：在TO封装组件的底座上设计了充气孔，用于除气、充气处理和封焊焊缝的漏率检测，充气孔的设计改变了TO组件传统的封装方式。 [0019] 在带有充气孔结构的TO组件的基础上，本发明采用了一种两次封焊实现密封的TO封装组件封装方法。首先在完成对设备和封装器件的除气后，使用熔焊 设备对TO封装组件的底座和管帽进行焊接，即一次封焊。由于充气孔的存在，TO封装组件的底座和管帽焊接后形成的封装体是一种半密封结构，此时可以通过充气孔对一次封焊的焊缝进行精确的漏率检测。然后在带有玻璃窗的密封罐内，按照设计要求依次对封装体进行除气、充气处理。最后使用激光焊接机，通过密封罐的玻璃窗，在合格的气体环境下对封装体的充气孔进行密封焊接，即二次封焊，完成封装体的全密封封焊。

[0020] 本方法采用两级高温除气方案分为零部件级除气和封装体整体级除气。零部件级除气是指：在TO封装组件进行封焊前，分别对TO底座和TO管帽进行除气，该环节可以除去TO组件内部和封装设备中含有的大部分水汽。封装体整体级除气是指在TO组件完成封焊后，通过TO底座上预留的充气孔将封装体内部残留的水汽和封焊过程中金属熔化释放出的杂质气体抽出，这样就能够保证封装体内部的水汽含量和工作气体的纯度满足要求。同时采取了高温烘烤结合气体热冲洗和间断排气的除气方法，利用易脱附的高温工艺气体去置换出不易脱附的水蒸气和其它有害气体，使设备在对产品进行除气操作前，工作腔体和管路吸附的水汽等杂质气体变为需充入的气体。

[0021] 本发明提出的TO封装结构的低水汽含量封装方法，解决了TO封装结构低水汽含-6量封装的难题，封装体内部的水汽含量可以控制在500×10 以内，气体纯度控制在99％以上，可以控制封装体内部的压力，对于低真空封装的产品，气压控制精度在±100Pa以内，并且可以对封装体进行精确的漏率检测，具有很高的效率和可靠性。

附图说明

[0022] 图1为现有TO封装组件结构示意图；

[0023] 图2为本发明所提供的一种TO封装组件结构示意图；

[0024] 图3为实施例中一次封焊焊缝漏率检测示意图；

[0025] 图4为实施例中充气孔密封封焊示意图；

[0026] 图5为本发明所提供的一种TO封装结构低水汽含量封装方法流程图。 [0027] 图中：1.底座；2.管帽；3.玻璃绝缘子；4.输出管脚；5.充气孔；6.封装体；7.一次封焊焊缝；9.检漏仪；10.密封罐；11.玻璃窗口；12.激光光束；13.通气口。 具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0029] 如图2所示，本发明的一种用于TO封装结构低水汽含量封装方法的封装组件，包括底座1，以及与底座1密封焊接的管帽2，底座1上设有充气孔5和输出管脚4，输出管脚4通过玻璃绝缘子3与底座1固定连接，充气孔5为锥形小孔，直径范围为0.3～0.5cm，表面粗糙度Ra值小于等于0.8，锥度范围在5°～10°之间。本实施例中，充气孔直径为
0.35cm，表面粗糙度Ra值为0.32，锥度为5°。

[0030] 如图5所示，一种TO封装结构低水汽含量封装方法，包括以下步骤： [0031] 第一步，将待封装器件安装在TO封装组件的底座上；

[0032] 第二步，对封装设备、待封装器件和封装组件进行除气处理，并检测水汽含量和残余气体成分，其中，封装设备包括充气、除气设备和工装：

[0033] 首先对封装设备的工作腔体和管路在高真空环境下进行高温烘烤，为了提高除气速度，尽量选择高的烘烤温度，考虑到设备和产品的耐温性，一般选择300℃～400℃的烘烤温度比较合适。保持30～60分钟后充入热的氢、氦、氮、氩等工艺气体，充入工艺气体的种类应该与惯性仪表封装体内部的工作气体相同。保持10分钟左右，再进行抽高真空，抽气过程采用间断排气方法。重复进行充气和抽真空2～4个循环，再继续进行高温烘烤除气。本实施例中选择400 ℃，保持30分钟后冲入氩气，保持10分钟，再进行抽高真空，重复进行充气和抽真空3个循环，再继续进行高温烘烤除气。对设备处理完成后，使用同样的方法，同时对待封装器件和封装组件进行除气处理，并使用残余气体分析仪检测工作腔体内的气体成份。

[0034] 第三步，将TO封装组件的底座与管帽采用一次封焊，形成半密封的封装体6： [0035] 使用储能焊接设备，将TO底座与TO管帽进行气密性封焊。

[0036] 第四步，通过TO封装组件的充气孔对一次封焊的焊缝进行漏率检测： [0037] 如图3所示，使用氦质谱检漏仪9，通过预留的充气孔5，对一次封焊焊缝7进行漏率检测。产品的漏率指标可以根据工作时间、精度等级等确定，对于高可靠性器件一般要求-12 3 -12 3漏率优于1×10 Pa·m/s。本实施例中，要求漏率为1×10 Pa·m/s。

[0038] 第五步，对第三步中形成的封装体进行除气处理，并检测封装体水汽含量和残余气体成分：

[0039] 本步操作与第二步方法相同，本实施中的除气装置采用图4所示的带加热装置和玻璃窗的密封罐10，在完成除气充气后可以直接封装，避免TO封装组件暴露于大气。 [0040] 第六步，对封装体进行充气处理：

[0041] 根据水汽含量检测结果，经判断当水汽含量满足要求后，使用图4所示的密封罐10，该密封罐10侧壁有通气口13并连接真空系统和充气系统，按照产品设计的压力要求充入干燥的工作气体。工作气体种类一般可以选择氢、氦、氮、氩等安全性高的气体，气压一般-6
选择0.1～1个大气压。本实施例中，水汽含量要求为小于等于500×10 ，工作气体采用氩气，气压选择0.5个大气压。

[0042] 第七步，使用激光焊接机进行焊接，激光束12通过密封罐10的玻璃窗11，对封装体6的充气孔5进行密封焊接，完成封装体6的全密封封焊。激光功率需要根据充气孔5的孔径进行的选择，一般以形成焊斑的面积为充气孔面积的2倍，熔焊金属厚度0.5～1mm为宜。本实施例中，激光焊接的参数为电流150A，脉宽5ms，频率10Hz。 [0043] 在完成封装体的全密封封焊后，使用氦质谱检漏仪采用负压法，对封装体进行漏-12 3率检测。本实施例中，要求漏率优于1×10 Pa·m/s。并对封装体内部气体成分进行检测。

[0044] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。