一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置及方法与流程

本发明属于mems封装及吸气剂激活，更具体地，涉及一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置及方法。

背景技术：

1、原子传感器一般工作温度在150℃以内，为降低原子传感器功耗，需要对其组件进行隔热和真空封装以便降低功耗，涉及的组件耐受温度多为240℃以内。原子传感器的组件为有机胶胶装而成，为增加原子传感器组件隔热效果，组件也会涉及多种的有机材料，有机材料在高温下长期使用会有“气体释放”，长期使用下真空的的封装隔热效果变差，所以需要在封装壳体的内部安置吸气剂，以便吸收释放出的“气体”。受原子传感器组件的耐温限制，在选择使用温度更低的低于200℃的铟基等低温焊料，而当前主流的吸气剂激活需要300℃左右，超过了原子传感器内部组件的温度。传统mems封装方法是常用于半导体芯片的封装，尺度更小，主要是单芯片封装，涉及的有机材料胶装不多。通用的不同基底的焊料真空封装温度不同，封装一般在低真空下进行，可以降低封装壳体内的气体热传导，原子传感器涉及的如铟基焊料易氧化，封装焊料需要在厌氧环境进行。真空封装温度与吸气剂激活温度不同，需要控制两者在双温区下进行，一般来讲吸气剂需要的工作温度较高，钎焊需要的温度较低，两者不能同时实施。为保证封装用焊料需要控制封装器件结合面之间的压力和空隙，综上，在研制原子传感器的过程中，发现传统的封装不能满足原子传感器的封装需求。

2、目前，没有公开报道的原子传感器的mems封装和吸气剂激活的方法，lutwak等人在文章“the chip-scale atomic clock low-power physics package”(36th annualprecise time and time interval meeting)中仅给出了封装后的图片，具体方法没有公开报道，文中采用方法不得而知。针对基于原子传感器制作过程中遇到的mems封装和吸气剂激活的问题，为了提高吸气剂激活效果、增加封装的质量、改进mems封装和吸气剂激活的性能、以及更有效的扩展功能，迫切的需要发展全新的用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置和方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置及方法，其中结合原子传感器自身的特征及其封装、吸气剂激活的工艺特点，相应设计了一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，并对其关键组件如封装气室结构、驱动结构和多区域温控的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可以实现双温区或多温区控制，实现钎焊和吸气剂激活所需的不同温度，可以应用于mems器件的封装，特别是铟基焊料的焊接封装。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置及方法，包括：

3、真空腔；

4、设于所述真空腔内、用于装载并驱动待激活和封装的封帽进行三维运动的电控三维位移台；

5、设于所述真空腔顶部用于对所述封帽加热以激活吸气剂的上加热板；

6、设于所述真空腔中部用于将激活吸气剂的封帽进行冷却的冷却块；

7、设于所述真空腔底部用于对所述封帽进行焊接固化封装的底座焊接模块，该底座焊接模块包括从上至下依次布置的焊环、底座夹具、下加热板以及下冷板，其中，所述电控三维位移台将经所述冷却块冷却后的封帽移动至所述焊环上，并与所述焊环对准，所述下加热板加热所述焊环至融化，当焊料与封帽的封装界面润湿后，开启下冷板对封装界面进行降温，完成所述封帽的封装。

8、作为进一步优选的，所述三维运动平台包括x向运动轴、y向运动轴以及z向运动轴，所述x向运动轴、y向运动轴以及z向运动轴均刻有表征驱动所述封帽运动行程的刻度。

9、作为进一步优选的，所述真空腔顶面与所述上加热板之间还设有柔性自适应平整架，所述柔性自适应平整架用于调整所述上加热板的角度，使得其加热面与封帽均匀接触。

10、作为进一步优选的，所述下加热板与真空腔底面之间还设有下自适应平整架，所述下自适应平整架用于调整所述焊环的角度，使得其顶面与封帽均匀接触，从而保证封装面的均匀润湿。

11、作为进一步优选的，还包括隔离箱，所述真空腔设于该隔离箱内，相应的，在所述真空腔上还设有真空腔进样口。

12、作为进一步优选的，还包括与所述真空腔连通的气体置换模块，所述气体置换模块用于提供所述真空腔指定的气体环境。

13、作为进一步优选的，还包括过渡仓，所述过渡仓设于所述隔离箱外壁上，并与所述隔离箱连通。

14、作为进一步优选的，还包括控制器，所述控制器分别与所述电控三维位移台、上加热板、冷却块、下加热板以及下冷板通信连接，以控制所述电控三维位移台、上加热板、冷却块、下加热板以及下冷板协同工作。

15、按照本发明的另一个方面，还提供了一种原子传感器的mems封装及吸气剂激活的方法，包括以下步骤：

16、步骤一，将待激活和封装的封帽装载至电控三维位移台上，所述电控三维位移台驱动所述封帽与上加热板对准；

17、步骤二，所述电控三维位移台驱动所述封帽运动至与上加热板加热面贴紧，上加热板对封帽进行加热以激活吸气剂；

18、步骤三，所述电控三维位移台驱动所述封帽运动至冷却块并使得所述封帽与冷却块贴紧，所述冷却块对封帽进行降温至指定温度；

19、步骤四，所述电控三维位移台驱动所述封帽运动底座夹具处，并与放置于该底座夹具上的焊环对准贴紧，开启下加热板加热所述焊环至融化温度，保持该温度至指定时间，使得焊料与封帽的封装界面完全润湿后，停止加热，开启下冷板对润湿的封装界面进行冷却降温，至所述封装界面固化后，停止降温，完成所述封帽的封装。

20、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

21、1.本发明采用双温区或多温区控制分别对吸气剂激活和钎焊封装，在进行封帽和底座吸气剂激活、降温和焊接的过程中，使用柔性连接进行自适应对准，保障封帽和上加热、封帽和冷却块、封帽和底座间的接触紧密，保障加热、降温效果，同时实现了原子传感器的mems封装及吸气剂激活，具有适应性强、操作精确简便等特点。

22、2.本发明具体适用于各种低温焊料的半导体器件的真空封装，焊料常用的铟基、银基、金基、锡铅等，用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置和方法可实现气氛保护下的钎焊和吸气剂激活，可以实现双温区或多温区控制，实现钎焊和吸气剂激活所需的不同温度，可以应用于mems器件的封装，特别是铟基焊料的焊接封装。实现了用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置和方法。

技术特征：

1.一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，所述三维运动平台包括x向运动轴、y向运动轴以及z向运动轴，所述x向运动轴、y向运动轴以及z向运动轴均刻有表征驱动所述封帽(23)运动行程的刻度。

3.根据权利要求1所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，所述真空腔(04)顶面与所述上加热板(06)之间还设有柔性自适应平整架(07)，所述柔性自适应平整架(07)用于调整所述上加热板(06)的角度，使得其加热面与封帽(23)均匀接触。

4.根据权利要求1所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，所述下加热板(10)与真空腔(04)底面之间还设有下自适应平整架(12)，所述下自适应平整架(12)用于调整所述焊环(22)的角度，使得其顶面与封帽(23)均匀接触，从而保证封装面的均匀润湿。

5.根据权利要求1所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，还包括隔离箱(02)，所述真空腔(04)设于该隔离箱(02)内，相应的，在所述真空腔(04)上还设有真空腔进样口(03)。

6.根据权利要求5所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，还包括与所述真空腔(04)连通的气体置换模块(34)。

7.根据权利要求5所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，还包括过渡仓(01)，所述过渡仓(01)设于所述隔离箱(02)外壁上，并与所述隔离箱(02)连通。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于原子传感器的mems封装及吸气剂激活装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别与所述电控三维位移台(05)、上加热板(06)、冷却块(08)、下加热板(10)以及下冷板(11)通信连接，以控制所述电控三维位移台(05)、上加热板(06)、冷却块(08)、下加热板(10)以及下冷板(11)协同工作。

9.一种原子传感器的mems封装及吸气剂激活的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于MEMS封装及吸气剂激活技术领域，并具体公开了一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置及方法。包括真空腔、电控三维位移台、上加热板、冷却、底座焊接模块，该底座焊接模块包括从上至下依次布置的焊环、底座夹具、下加热板以及下冷板，其中，所述电控三维位移台将经所述冷却块冷却后的封帽移动至所述焊环上，并与所述焊环对准，所述下加热板加热所述焊环至融化，当焊料与封帽的封装界面润湿后，开启下冷板对封装界面进行降温，完成所述封帽的封装。本发明可以实现双温区或多温区控制，实现钎焊和吸气剂激活所需的不同温度，保障加热、降温效果，且适应性强，可以适用于各种温度的低温钎焊焊接。技术研发人员：李强,王晓飞,蓝学楷,姬清晨,张璐,成红,胡金萌,吕亮,庹文波受保护的技术使用者：中国航天三江集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/15