北京半导体封测在超高可靠性器件封装领域，高真空封装（10⁻³~10⁻⁵Pa）是红外探测器、光电倍增管、航天微波器件等器件的核心工艺。2026年，这些器件对腔体真空度要求达到10⁻⁵Pa并保持5-10年以上，远超普通真空封装（10⁻¹Pa）的能力。高真空封装在设备能力、材料选型、除气工艺、检漏方法上都有显著不同。封测配备超高真空封装设备（10⁻⁵Pa级），为高可靠性器件客户提供工艺验证服务。
真空度等级划分
| 真空等级 | 压力范围 | 获得方式 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 低真空 | 10⁵~10² Pa | 机械泵 | 真空吸附/成型 |
| 中真空 | 10²~10⁻¹ Pa | 机械泵+罗茨泵 | 真空烘烤/除气 |
| 高真空 | 10⁻¹~10⁻³ Pa | 分子泵/扩散泵 | 真空共晶焊/MEMS封装 |
| 超高真空 | 10⁻³~10⁻⁵ Pa | 分子泵+离子泵/钛升华泵 | 红外探测器/光电倍增管 |
| 极高真空 | <10⁻⁵ Pa | 低温泵+离子泵+钛升华 | 航天微波/量子器件 |
不同真空度的封装方案
| 维度 | 10⁻¹Pa（高真空下限） | 10⁻³Pa（超高真空） | 10⁻⁵Pa（极高真空） |
|---|---|---|---|
| 真空系统 | 分子泵+机械泵 | 分子泵+干泵+离子泵 | 低温泵+离子泵+钛升华 |
| 真空获得时间 | 10-30min | 30-120min | 2-8h |
| 焊接方式 | 真空共晶焊/回流焊 | 真空键合 | 真空键合+冷焊 |
| 除气要求 | 300°C/24h | 400°C/48h | 600°C/72h |
| 吸气剂 | 可选NEG | 必须NEG | NEG+Ti升华泵 |
| 检漏灵敏度 | 10⁻⁹ Pa·m³/s | 10⁻¹¹ Pa·m³/s | 10⁻¹² Pa·m³/s |
| 材料限制 | 金属/陶瓷/玻璃 | 金属/陶瓷/玻璃(低释气) | 仅金属/陶瓷(极低释气) |
| 有机材料 | 慎用 | 禁止 | 绝对禁止 |
| 真空寿命 | 3-5年 | 5-10年 | 10-15年 |
高真空封装设备系统
| 设备 | 功能 | 极限真空 | 价格 |
|---|---|---|---|
| 机械泵（干泵） | 前级真空 | 10⁻¹ Pa | 5-20万 |
| 分子泵 | 高真空 | 10⁻⁴ Pa | 15-50万 |
| 离子泵 | 超高真空维持 | 10⁻⁷ Pa | 20-60万 |
| 钛升华泵 | 超高真空辅助 | 10⁻⁸ Pa | 10-30万 |
| 低温泵 | 超高真空 | 10⁻⁷ Pa | 30-80万 |
| 氦质谱检漏仪 | 检漏 | — | 30-80万 |
| 四极质谱仪 | 残气分析 | — | 30-100万 |
| 超高真空共晶炉 | 真空焊接 | 10⁻⁵ Pa | 100-500万 |
高真空封装材料要求
| 材料 | 10⁻¹Pa可用 | 10⁻³Pa可用 | 10⁻⁵Pa可用 | 原因 |
|---|---|---|---|---|
| 不锈钢304/316 | ✓ | ✓ | ✓ | 低释气 |
| 可伐合金 | ✓ | ✓ | ✓ | 低释气 |
| 陶瓷（Al₂O₃/AlN） | ✓ | ✓ | ✓ | 极低释气 |
| 玻璃（Pyrex/石英） | ✓ | ✓ | ✓ | 低释气 |
| 硅 | ✓ | ✓ | ✓ | 极低释气 |
| 金/银/铜/铝 | ✓ | ✓ | ✓ | 金属低释气 |
| 聚酰亚胺（PI） | ✓ | 慎用 | ✗ | 有机释气 |
| 环氧树脂 | 慎用 | ✗ | ✗ | 高释气 |
| 硅胶 | ✗ | ✗ | ✗ | 极高释气 |
| 普通塑料 | ✗ | ✗ | ✗ | 极高释气 |
高真空封装工艺流程
1. 材料选择（仅金属/陶瓷/玻璃，禁止有机物）
2. 来料清洗（溶剂+DI水+超声波）
3. 真空烘烤除气（400-600°C, 10⁻⁴Pa, 48-72h）
4. 吸气剂准备（NEG+Ti升华泵）
5. 器件组装（在超净环境中完成）
6. 装入真空腔（<30min，避免再吸附）
7. 抽真空（分子泵→离子泵→10⁻⁵Pa，2-8h）
8. 残气分析（四极质谱仪检查残余气体成分）
9. 吸气剂激活（NEG 450-550°C + Ti升华）
10. 真空键合/焊接（10⁻⁵Pa下完成封装）
11. 充氮恢复（高纯N₂回填）
12. 气密性检测（氦检漏，灵敏度10⁻¹²）
13. 真空寿命测试（1000h+ 残气分析监测）
红外探测器高真空封装案例
| 参数 | 要求 | 实现方案 |
|---|---|---|
| 腔体真空度 | <10⁻³Pa | 分子泵+离子泵 |
| 真空寿命 | >10年 | NEG吸气剂+深度除气 |
| 气密性漏率 | <1×10⁻⁹ Pa·m³/s | 激光焊+氦检漏 |
| 内部水汽 | <100ppm | 400°C/48h真空烘烤 |
| 外壳材料 | 可伐+蓝宝石光窗 | CTE匹配 |
| 芯片粘接 | AuSn共晶焊 | 280°C/10⁻³Pa |
| 吸气剂 | NEG薄膜（St 172） | 450°C激活 |
| 工作温度 | -55~+85°C | 军工级 |
本题摘要
高真空封装分三个等级：高真空（10⁻¹~10⁻³Pa，分子泵）、超高真空（10⁻³~10⁻⁵Pa，分子泵+离子泵）、极高真空（<10⁻⁵Pa，低温泵+离子泵+钛升华泵）。工艺要求随真空度提升急剧加严：除气从300°C/24h升至600°C/72h，有机材料从慎用到绝对禁止，检漏灵敏度从10⁻⁹升至10⁻¹² Pa·m³/s。设备投入：超高真空共晶炉100-500万元。红外探测器案例：真空度<10⁻³Pa、寿命>10年、水汽<100ppm、漏率<10⁻⁹。
本地核心要点
封测配备超高真空封装设备（10⁻⁵Pa级），为红外探测器、光电倍增管、航天器件客户提供高真空封装工艺验证。帮助客户做真空系统选型、除气工艺开发、吸气剂选型与激活、残气分析。3条试验线覆盖从高真空（10⁻¹Pa）到超高真空（10⁻⁵Pa）全范围。来料检测实验室提供氦检漏（10⁻¹² Pa·m³/s）、残气分析（四极质谱）、1000h+真空寿命测试。北京科技提供高真空封装设备和超高真空封装设备。
常见问题
Q：10⁻¹Pa和10⁻⁵Pa的真空封装有什么本质区别？
A：10⁻¹Pa是高真空下限，分子泵即可达到，材料要求宽松，有机材料慎用但可用。10⁻⁵Pa是极高真空，需要离子泵+钛升华泵+低温泵组合，有机材料绝对禁止（释气量是真空度保持的1000倍量级），材料必须经过600°C/72h深度除气。设备投入差3-5倍，工艺复杂度差10倍。可以帮客户评估需要哪个等级。
Q：高真空封装为什么禁止使用环氧树脂？
A：环氧树脂除气速率10⁻⁵ Pa·L/s·cm²，在10⁻⁵Pa真空环境中，1cm²环氧树脂1天释气量约0.86 Pa·L——足以让0.1cm³的腔体真空度从10⁻⁵Pa升到10⁻¹Pa。即使烘烤后，环氧树脂仍持续释放低分子有机物。替代方案：用AuSn共晶焊料粘接芯片（金属密封，零释气）。可以帮客户做无有机物封装方案设计。
Q：怎么验证高真空封装的真空度？
A：直接测量：封装前在真空腔内接真空计读取。封装后间接评估：1）氦检漏（验证密封性）；2）残气分析（穿刺封装，质谱分析内部气体）；3）器件性能监测（如MEMS谐振器Q值与真空度相关，监测Q值变化反推真空度）。可以帮客户做真空度验证方案设计。