一种基于吸气剂热-电复合激活的真空烘烤工艺的制作方法

本发明涉及一种基于吸气剂热-电复合激活的真空烘烤工艺，属于半导体封装技术领域。

背景技术：

mems器件真空封装是一种采用密封的腔体为mems器件提供高真空工作环境，以此提高mems器件的性能的封装技术。为了延长真空器件的寿命，保障真空器件的可靠性，通常在真空封装过程中引入吸气剂材料。

真空封装工艺主要包括烘烤除气、吸气剂激活和盖板焊接三部分。其中烘烤除气是工艺中耗时最长的步骤，为了排出待封装部件析出的气体，通常在吸气剂激活前需要烘烤数小时甚至数十小时。烘烤除气时间较长、真空维持和热消耗较大，严重制约了真空封装的单机产能，大幅提高了封装成本。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种将烘烤除气和吸气剂激活两个工艺步骤同时进行，在烘烤除气的后半阶段，提前激活吸气剂，以辅助封装器件表面及腔体内排气，其在确保吸气剂最终有效激活的基础上，降低烘烤除气的时间，从而提高封装效率，节约封装成本。

本发明的技术方案，一种基于吸气剂热-电复合激活的真空烘烤工艺，在烘烤除气步骤的后半阶段，通过电加热的方式将吸气剂提前激活参与除气，利用吸气剂的再激活特性，反复激活吸气剂，以达到抽气的最大效率。最后一次高温激活后结束烘烤和吸气剂激活工艺，进入真空焊接步骤。

具体步骤如下：

（1）将待封装器件的各个部件固定在焊接炉内的夹具上，关闭腔体，开启真空泵；

（2）焊接炉内真空度达到10^-3pa后，开启加热灯管，将焊接炉腔体内温度升高至烘烤温度120~150℃，开始烘烤除气；

（3）当焊接炉腔体内真空度达到10^-4pa，即时间t1时，吸气剂激活工艺启动；

（4）根据吸气剂激活和再激活特性，将吸气剂激活工艺温度点划分为4个，通过吸气剂内部加热丝将吸气剂温度升高至第一激活温度点，并保持一段时间至t²以激活；

（5）减小吸气剂加热丝两端电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度200~250℃，随炉继续烘烤至时间t3；

（6）启动吸气剂二次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第二激活温度点，并保持至t4以激活；

（7）减小吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度，随炉继续烘烤至时间t5；

（8）启动吸气剂三次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第三激活温度点，并保持至t6以激活；

（9）减小吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度，随炉继续烘烤至时间t7；

（10）启动吸气剂三次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第四激活温度点，并保持至t8以激活；

（11）切断吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至炉温，继续烘烤至t9，此时焊接炉腔体内的真空度达10^-5量级；

（12）结束烘烤除气和吸气剂激活工序，进入焊接步骤。

所述吸气剂为性能高于器件寿命需要的50%；对于温度敏感器件的封装，吸气剂激活温度不超过450℃，吸气剂带有自加热电阻丝，支持脉冲电激活。

进一步的，所述吸气剂由锆钒铁合金和锆粉以6：4的比例混合高温烧结而成。吸气剂孔隙率不低于35%，粉末大小约38μm。吸气剂激活温度低至300℃。

进一步的，所述吸气剂具体为zrvfe多孔合金吸气剂。具体如st172。

进一步的，所述激活工艺温度点分别为第一激活温度点300~350℃，第二激活温度点350~400℃，第三激活温度点400~450℃，第四激活温度点450~500℃。

所述激活温度点个数、激活次数和再激活时间的选择，取决于封装器件及焊接炉的实际工况而有所变化，以吸气剂足够提供被封装器件寿命所需吸气量为前提。吸气剂激活和再激活时间逐渐缩短，激活温度逐渐升高。

所述激活工艺中激活温度点个数为3-6个，相应激活次数与温度点个数一致次。在mems器件真空封装过程中，在烘烤除气步骤的后半阶段，通过电加热的方式将吸气剂提前激活参与除气，利用吸气剂再激活特性，反复激活吸气剂，以达到抽气的最大效率。最后一次高温激活后结束烘烤和吸气剂激活工艺，进入真空焊接步骤。通过这一工艺整合，取消单独的吸气剂激活时间，将吸气剂激活融入到烘烤除气过程，从而大幅降低真空封装主工艺时间。

吸气剂选择：选择可再激活的吸气材料吸气剂，吸气剂的吸气性能高于器件寿命需要的50%；对于温度敏感器件的封装，吸气剂激活温度不超过450℃，支持脉冲电激活。

吸气剂激活介入时机选择：真空封装各个部件固定在焊接炉内夹具上，首先进行烘烤除气，待焊接炉内真空度趋于稳定且小于10^-4pa时，可激活吸气剂，提高排气效率。

吸气剂采用电加热的方式进行多次激活，激活次数根据封装器件的尺寸和激活温度的限制而定。通常吸气剂激活和再激活时间逐渐缩短，激活温度逐渐升高。

根据吸气剂距离封装芯片的距离计算温度梯度，吸气剂电加热激活最高温度以不损坏芯片为原则。

通常烘烤除气温度较低，吸气剂在该温度下工作效率较低。吸气剂激活后降低到工作温度，即激活后吸气剂加热丝两端保持一定电流，以确保吸气剂温度略高于工作温度，提高吸气剂的抽气效率。

吸气剂激活和再激活的初始阶段，焊接炉腔体内真空度会短暂降低，随着吸气剂激活的持续和完成，腔体内真空度升高，且比吸气剂激活前真空度高。

本发明的有益效果：本发明在确保吸气剂最终有效激活的基础上，降低烘烤除气的时间，从而提高封装效率，节约封装成本。实际实施过程中，选择合适的吸气剂，充分利用吸气剂的再激活特性，采用间断、多次激活的方式，以保持吸气剂表面的吸气活性。

附图说明

图1是实施例1基于吸气剂热-电复合激活的烘烤工艺曲线图。

附图标记说明：1、吸气剂温度；2、回流炉温度。

具体实施方式

实施例1

以红外焦平面器件陶瓷管壳真空封装为例，芯片采用烟台睿创微纳技术有限公司开发的新型氧化钒红外焦平面阵列器件rcir03，阵列尺寸为640×512，像元尺寸为25μm；吸气剂采用saes公司的st172zrvfe合金吸气剂，总质量约46mg，外径0.2mm，加热电阻丝材料为mo，激活温度300℃以上。红外光学窗口采用锗玻璃，封装管壳采用氧化铝陶瓷。

图1为基于吸气剂热-电复合激活的烘烤工艺曲线图。其中回流炉温度是烘烤基准温度，吸气剂温度是封装器件中吸气剂的温度。通过调节吸气剂的温度，对吸气剂进行激活-吸气-再激活工艺循环，提高整体烘烤工艺的效率，降低热消耗。图中1为吸气剂温度，2为回流炉温度。

在完成封装部件的清洗、芯片贴片、引线键合、光窗焊接、吸气剂焊接等工艺后，开始真空封装工艺过程，具体步骤如下：

（1）将贴有红外焦平面芯片的陶瓷底座、焊有锗玻璃光窗的盖帽固定在真空回流炉内的夹具上，关闭腔体，开启真空泵。

（2）当回流炉中真空度达到10^-3pa，开启加热灯管，将焊接炉腔体内温度升高至150℃，开始烘烤除气。

（3）当焊接炉腔体内真空度达到10^-4pa，即t1时刻，吸气剂电极两端上电加热至第一激活温度350℃。

（4）第一激活温度下保持30min至t2。

（5）在t2时刻，减小吸气剂加热丝两端电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度200℃，随炉继续烘烤30min至t3。

（6）在t3时刻，启动吸气剂第二次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第二激活温度350℃，并保持20min至t4。

（7）在t4时刻，减小吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度200℃，随炉继续烘烤30min至时间t5。

（8）在t5时刻，启动吸气剂第三次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第三激活温度点400℃，并保持至10min至t6。

（9）在t6时刻，减小吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至吸气剂的工作温度200℃，随炉继续烘烤30min至时间t7。

（10）在t7时刻，启动吸气剂第三次激活工艺，加大吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度升高至第四激活温度点450℃，并保持至5min至t8。

（11）在t8时刻，切断吸气剂加热丝电流，将吸气剂温度降至炉温120℃，继续烘烤60min至t9，此时焊接炉腔体内的真空度达10^-5量级。

（12）结束烘烤除气和吸气剂激活工序，进入封帽焊接步骤。