1 引言
MEMS是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器和微执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型系统。高性能的射频、惯性、机械谐振器等MEMS器件都需要进行真空封装，而真空封装是MEMS封装技术的难点。目前MEMS器件真空封装主要采用真空回流焊工艺。真空回流焊工艺一致性差，导致真空封装后产品的成品率低。真空熔焊工艺就能克服真空回流焊的不足。目前虽然利用熔焊工艺进行气密封装比较普遍，但还未见到熔焊工艺和装置用于真空封装的报道。
本课题组将真空系统与熔焊系统首次集成起来实现器件级MEMS真空封装。通过真空系统先将封装设备腔体的气压抽取到一定的气压值，然后再利用熔焊系统将真空封装专用壳体封装起来，来实现MEMS真空封装。
2 真空熔焊封装
2.1 真空封装形式
本文采用电容储能焊接来实现真空封装，是利用被焊接材料的电阻热来进行焊接的，它是介于电阻焊和压力焊之间的一种特殊焊接方式。储能焊是一种成熟的焊接技术，在气密封装中已经成功使用，但是利用这一原理来进行真空封装未见有报道。在实验中主要通过调节上下电极间的焊接电压、焊接压力(气缸一次压力、二次压力)等来调整焊接参数而优化焊接质量。
2.2 真空封装壳体设计
在真空封装器件的使用过程中，气体的泄漏率与器件内外的压力差成正比。真空封装的器件内外压力差远大于气密封装的内外压力差，故真空封装对泄漏率要求比气密封装要高很多。由于现有的金属封装外壳都是在气密封装中使用，即便优化焊接质量来降低泄漏率也无法达到真空封装对泄漏率的要求，因此需要特别设计的真空封装外壳，在进行真空封装研究过程中自行设计了真空封装专用外壳。
2．3 真空封装标准工艺
针对真空熔焊，设计出一套完整的真空封装工艺：
（1)外壳烘烤：将待封装的管座和管帽放入真空烘箱进行真空烘烤，将真空烘箱抽真空至10 GPa，将真空烘箱的温度调节至200℃之间，并保持温度不变，烘烤时间72 h以上；
(2)熔焊设备封装腔体工作要求：反复充氮气抽真空多次，当湿度下降到100×10-6以下时即可进行真空封装工艺(湿度由设备所带的露点仪进行测量)；
（3)封装：调好封装工艺参数，电极电压255V，气缸一次压力0．4 MPa，二次压力0．6 MPa，真空腔抽真空至5×10-3Pa，按下封装工作键，封装完成；
（4）取件：真空腔中充入氮气，并取出器件和夹具；
(5)按上面的工艺步骤进行下一个器件的封装。
3 真空封装实验
3．1 真空封装成品率试验
在对真空熔焊封装参数进行优化之后，选用了封装电压255 V，一次压力0．4 MPa，二次压力0．6 MPa进行了成品率实验。实验结果如表1所示。
在实验中，以10 Pa为衡量器件真空封装成功与否的标准。从表中可以看到，本实验采用的工艺成品率很高，超过了90％，其中只有器件标号为81005#的器件真空封装后腔体内的压力较高为390．0016 Pa。其他的器件真空封装后的压力都在5～10 Pa之间，器件腔体内的压力分布稳定，证明实验采用的工艺一致性也很好。
3．2 焊接过程中壳体材料出气的研究
由于材料具有吸气特性，在真空熔焊封装过程中的高温下吸附的气体将会释放，将对真空封装后器件腔体内的真空度有影响。如图2所示为真空封装壳体在真空封装前烘烤与未烘烤的对比曲线。由图2中可以看到未烘烤的壳体，真空封装后器件腔体内的平均真空度在9～10 Pa这样一个水平，而烘烤过6 d的器件真空封装后腔体内的平均真空度在5 Pa左右。可见真空封装壳体在封装前对其进行烘烤可以提高真空封装后器件腔体内的平均真空度。
3．3 贴片胶对真空封装后腔体内真空度的影响
贴片胶是高分子材料。高分子材料由于空隙较多，比较容易吸附气体，在真空封装壳体内，由于相对大气环境，里面吸附的气体就很容易释放出来，破坏真空封装器件腔体内的真空度。如图3所示，有贴片胶器件真空封装后的器件腔体内部的真空度从10 Pa到60 Pa不等，真空封装后腔体内的压力比成品率实验时要高很多，而且真空封装后的腔内压力一致性也较差。
表2为贴片胶未烘烤，贴片胶烘烤1 d的真空封装实验对比数据。贴片胶未烘烤的壳体，真空封装后，器件腔体内的真空度大部分都在10 Pa以外。而烘烤l d后的器件真空度大部分在10 Pa以内，但仍有一部分器件的真空度在10Pa以外，成品率较低，效果要较未烘烤的好。要解决贴片胶这样一个在实际使用中将会遇到的问题，在进一步的研究中，必须采用吸气剂来提高器件真空封装后腔体内的真空度。
3．4 真空封装器件焊接强度检测
实验中另外一个很重要焊接质量指标就是焊接强度。为了对新设计外壳的焊接接头的焊接强度进行检验，对焊接接头进行拉伸试验测试。图4为器件拉伸实验，图5为器件拉断后的照片。
实验中发现不同的壳体材料，其拉伸强度差异较大。由图6和图7可知，壳体材料为可伐合金要比壳体材料为不锈钢的拉伸强度大5倍左右，故真空封装专用外壳均为可伐合金制作。
4 结论
本文提出了利用真空熔焊方法来实现MEMS器件的真空封装，针对真空封装的特点设计了真空封装专用外壳，取得了一致性和成品率都很好的工艺方法。对真空封装壳体烘烤以及贴片胶对真空封装后腔体内真空度的影响做了详细的研究。并对壳体封装后的强度进行了检测。
