一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置及方法

技术领域

本发明属于MEMS封装及吸气剂激活技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

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：

真空腔；

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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；

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；

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；

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。

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：

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。

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。

附图说明

图1是本发明一个实施例涉及的一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例涉及的一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置的结构示意图；

图3中的[A]为电控三维位移台驱动所述封帽运动至上加热板进行加热的示意图，图3中的[B]为电控三维位移台驱动所述封帽运动至冷却进行降温的示意图，图3中的[C]为电控三维位移台驱动所述封帽运动至底座焊接模块进行焊接封装的示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：01-过渡仓，02-隔离箱，03-真空腔进样口，04-真空腔，05-电控三维位移台，06-上加热板，07-柔性自适应平整架，08-冷却块，09-底座夹具，10-下加热板，11-下冷板，12-下自适应平整架，21-底座，22-焊环，23-封帽，31-保护气体置换模块，32-调整架电控模块，33-上温控模块，34-气体置换模块，35-冷板控制模块，36-下温控模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置，包括：真空腔04；设于所述真空腔04内、用于装载并驱动待激活和封装的封帽23进行三维运动的电控三维位移台05；设于所述真空腔04顶部用于对所述封帽23加热以激活吸气剂的上加热板06；设于所述真空腔04中部用于将激活吸气剂的封帽23进行冷却的冷却块08；设于所述真空腔04底部用于对所述封帽23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22、底座夹具09、下加热板10以及下冷板11，其中，所述电控三维位移台05将经所述冷却块08冷却后的封帽23移动至所述焊环22上，并与所述焊环22对准，所述下加热板10加热所述焊环22至融化，当焊料与封帽23的封装界面润湿后，开启下冷板11对封装界面进行降温，完成所述封帽23的封装。

本发明装置可实现双温区或者多温区控制，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。

更具体的，在本发明的优选实施例中，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。电控三维位移台05上刻度表来表征样品移动的行程，可以控制样品在上加热板06、冷却块08以及下加热板10之间移动，保障样品可以在不同温度区间进行实施工艺。精密的电控三维位移台05控制还可以保证控制封装焊环在封装器件结合面之间的压力和空隙。更具体的，在本发明的一个实施例中，X向运动轴、Y向运动轴以及Z向运动轴可通过微型精密直线电机进行驱动，其中，可通过电机的编码器首先对运动行程进行初定位，然后将初定位的结果与刻度进行对比，然后精确控制电机的驱动。在本发明的另外一个实施例中，可也用精密的微型丝杠组件来实现X向运动轴、Y向运动轴以及Z向运动轴的驱动。其他课实现X向运动轴、Y向运动轴以及Z向运动轴精密驱动的构建也同样适用于本发明。

在本发明的优选实施例中，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。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。更具体的，本发明中，柔性自适应平整架包括竖向连杆，竖向连杆的底部设有第一曲面；上加热板顶部设有陶瓷隔热板，陶瓷隔热板底面设有第二曲面，陶瓷隔热板与竖向连杆通过圆头固件连接，圆头固件为中空结构，该中空结构内设有圆头自适应组件，第一曲面与所述第二曲面的曲率与圆头自适应组件的外壁曲面一致，且圆头自适应组件13与所述第一曲面与所述第二曲面均包络活动连接，以使得陶瓷隔热板在封帽23的顶力作用下，其平面自适应调整，使得上加热板底面与封帽顶面均匀接触。进一步的，在本发明的实施例中，自适应平整架12可采用与柔性自适应平整架相同的设计结构。当然了，上述实施例仅为本发明的较优选的方案，其他实现上加热板、以及底座夹具自适应调整的装置结构也适用于本发明。

基于上述任意实施例，本发明装置还包括隔离箱02和过渡仓01，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。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。真空腔04给工艺实施提供一个真空或者工艺气体置换的环境，不同焊料真空封装温度不同，保障封装一般在低真空下进行，降低封装壳体内的气体热传导，真空下方便吸气剂激活工艺的实施。真空腔04还方便回填部分保护气体。隔离箱02用于保护焊环不被氧化，如铟基焊料易氧化，封装焊料需要在无水无氧的环境下进行。

相应的，装置还包括与所述真空腔04连通的气体置换模块34，所述气体置换模块34用于提供所述真空腔04指定的气体环境。

基于上述任意实施例，本发明装置还包控制器，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。

按照本发明的另一个方面，还提供了上述装置的工作流程，即原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活的方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一，将待激活和封装的封帽23装载至电控三维位移台05上，所述电控三维位移台05驱动所述封帽23与上加热板06对准；

步骤二，所述电控三维位移台05驱动所述封帽23运动至与上加热板06加热面贴紧，上加热板06对封帽23进行加热以激活吸气剂；

步骤三，所述电控三维位移台05驱动所述封帽23运动至冷却块08并使得所述封帽23与冷却块08贴紧，所述冷却块08对封帽23进行降温至指定温度；

步骤四，所述电控三维位移台05驱动所述封帽23运动底座夹具09处，并与放置于该底座夹具09上的焊环22对准贴紧，开启下加热板10加热所述焊环22至融化温度，保持该温度至指定时间，使得焊料与封帽23的封装界面完全润湿后，停止加热，开启下冷板11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23的封装。

实施例1

本实施例涉及的1、用于原子传感器的MEMS封装及吸气剂激活装置，包括气体隔离部分和分温区部分，其中气体隔离部分包括过渡仓01用于传递样品进入隔离箱02，真空腔进样口03用于传递样品进入真空腔04。分温区部分包括电控三维位移台05，上加热板06用于吸气剂激活，柔性自适应平整架07，冷却块08用于分配温度，底座夹具09，下加热板10用于钎焊加热，下冷板11用于降温，下自适应平整架12用于保障底座和封帽的适当接触和压紧。其中，隔离箱02用于保护焊环不被氧化，如铟基焊料易氧化，封装焊料需要在无水无氧的环境下进行。真空腔04给工艺实施提供一个真空或者工艺气体置换的环境，不同焊料真空封装温度不同，保障封装一般在低真空下进行，降低封装壳体内的气体热传导，真空下方便吸气剂激活工艺的实施。真空腔04还方便回填部分保护气体。下加热板10进行精密温度控制，控制在焊环恰好熔化状态，进行钎焊工艺的实施，工艺实施完成后下冷板11控制温度缓降，使焊环固化，下加热板10和下冷板11两者的配合可以有效控制焊环温度，起到温度控制作用，完成钎焊工艺。

进一步的，电控三维位移台05上刻度表来表征样品移动的行程，可以控制样品在上加热板06、冷却块08以及下加热板10之间移动，保障样品可以在不同温度区间进行实施工艺。精密的电控三维位移台05控制还可以保证控制封装焊环在封装器件结合面之间的压力和空隙。

上加热板06加热封帽内的吸气剂进行吸气剂激活，下加热板10加热底座上的焊环进行钎焊真空封装。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个不能同时进行，此需要控制好样品所处环境的温度序列。

本实施例的操作步骤如下：

步骤1、样品装载：将装有待封装和激活的样品即封帽装载在电控三维位移台05的夹持器上，对准封帽和底座，下加热板位置。

步骤2、吸气剂激活：将封帽转移到上加热板位置，进行加热，以便激活吸气剂。

步骤3、封帽降温：电控三维位移台05将激活吸气剂的封帽转移到冷却块08位置，贴紧进行封帽降温。

步骤4、钎焊封装：电控三维位移台05将装降温的封帽移动到底座上，封帽和底座之间放置有焊环，开启下加热板10到焊环熔化的温度，保持几分钟或更长时间，保证焊料与封装界面的润湿后开启下冷板11进行降温，焊料固化完成钎焊。

当然了，上述实施例适用于吸气剂激活温度高于钎焊温度。如果适用于吸气剂激活温度低于钎焊温度，如果吸气剂激活温度低于钎焊温度，为了简化工艺，可直接采用下加热板加热进行钎焊，封帽传导的热量同时吸气剂激活。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。