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CN108172553A - 一种视网膜假体植入芯片的封装结构及其封装方法 - Google Patents

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CN108172553A
CN108172553A CN201810044188.8A CN201810044188A CN108172553A CN 108172553 A CN108172553 A CN 108172553A CN 201810044188 A CN201810044188 A CN 201810044188A CN 108172553 A CN108172553 A CN 108172553A
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structures
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杨佳威
杨旭燕
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Hagnzhou Warm Caramel Core Electronic Technology Co Ltd
Hangzhou Nanochap Electronics Co Ltd
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Hagnzhou Warm Caramel Core Electronic Technology Co Ltd
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Abstract

本发明涉及医疗器械领域，具体来说属于一种视网膜假体植入芯片的封装结构及其封装方法，包括通过玻璃基底加工而成的高密度刺激电极组件，该刺激电极组件包括玻璃基底和设置玻璃基底上的若干个刺激电极以及焊盘结构，刺激电极通过在金属上切割出金属柱然后经过玻璃浇筑的方式加工而成，在刺激电极组件上连接有ASIC芯片，在ASIC芯片上盖合有玻璃封装封装盖，在玻璃封装盖上设置有用来和刺激芯片实现连通的金属馈通结构，封装盖将所述焊盘结构盖合封装在内。本发明中的封装结构，基底和封装盖均采用玻璃材质制成，可制作出高密度的刺激电极阵列，并且在玻璃盖上直接采用金属馈通结构，引线便捷，封装盖密封效果好。

Description

一种视网膜假体植入芯片的封装结构及其封装方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体来说属于一种视网膜假体植入芯片的封装结构及其封装方法。
背景技术
植入式神经刺激器在医学上有着广泛的应用，微电极刺激器作为治疗神经疾病方面的重要工具，越来越受到人们广泛的关注，已成为当前重要的研究方向。
当前大部分视网膜假体的刺激电极都是柔性MEMS的微电极，这种微电极采用多根连接线连接到眼球外壁的封装体上，在眼球内部的刺激电极上不需要连接芯片，因此不需要进行非常严格的气密性封装，仅需在表面进行硅胶包裹即可。
为了提高视网膜假体的性能，一些研究方向是加大刺激电极的密度，提高其刺激效果。当刺激电极的密度加大之后，刺激电极的数量变多，连接线的数量就会变得非常多，因此造成连接不便，手术创伤大。为了解决这个问题，我司的研究方向是在眼球内部的刺激电极上还设置有ASIC芯片。
对于这种需要在微电极上倒装连接ASIC芯片的视网膜刺激电极，必须对芯片进行气密性封装，一方面保证芯片不受人体体液环境的腐蚀，另一方面防止封装体内的物质对人体的组织造成不良反应。
但是如何保证其密封效果，提高其密封可靠性是一个非常大的难题。
发明内容
为了提高上述的芯片的封装可靠性，本发明提供了一种视网膜假体植入芯片的封装结构，具体如下：
一种视网膜假体植入芯片的封装结构，包括刺激电极组件，所述刺激电极组件包括玻璃基底,在所述玻璃基底上设置有若干个刺激电极以及用来和外部实现信号连接的焊盘结构，在所述刺激电极组件上还连接有ASIC芯片，在所述ASIC芯片上盖合有封装盖，所述封装盖为玻璃材质制成，在所述封装盖上还设置有用来和刺激电极组件实现连通的金属馈通结构，所述封装盖将所述焊盘结构和ASIC芯片封装在内。在本发明中刺激电极的基底为玻璃基底，使用玻璃材质的基底可以在上面加工出高密度的刺激电极，为了保证封装盖严密的封装在玻璃材质的基底上，封装盖也为玻璃材质制成，玻璃盖将ASIC芯片和焊盘结构都封装在内，直接通过玻璃盖上的金属馈通结构和焊盘结构连接实现信号接出，不需要从封装体内部接引连接线出来，密封效果好。
优选的，在所述刺激电极组件上有对视网膜进行刺激的刺激部，所述玻璃基底上的焊盘结构设置在与所述刺激部相反的一面上，所述封装盖上的金属馈通结构设置在封装盖顶部自上向下贯穿所述玻璃并且对准所述焊盘结构。焊盘结构用来和外部实现信号连接，如果将其接在刺激电极刺激部的同一侧，在封装的过程中容易对刺激部造成干涉，所以在本发明中，玻璃基底上的焊盘结构设置在与所述刺激部相反的一面上。
优选的，所述焊盘结构为多个，所述金属馈通结构也为多个。
优选的，所述封装盖和其中的金属馈通结构的热膨胀系数相匹配。
优选的，所述玻璃盖和所述玻璃基底通过激光焊接的方式密封在一起。
优选的，在所述封装盖内侧和所述玻璃基底的接触面上沉淀有UBM层，在所述玻璃基底四周面上和所述玻璃盖接触部位也有沉淀UBM层，在所述金属馈通结构和所述焊盘结构接触部位也均沉淀有UBM层，所述玻璃盖和所述玻璃基座四周通过Au-Au键合的方式连接在一起,所述玻璃盖上的金属馈通结构和所述玻璃基座上的焊盘结构也通过Au-Au键合的方式连接在一起。
优选的，所述玻璃盖和所述玻璃基底通过激光焊接的方式密封在一起，所述玻璃盖上的金属馈通结构和所述玻璃基座上的焊盘结构通过Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接的方式连接在一起。
优选的，所述焊盘结构和所述金属馈通结构通过信号连接线连接在一起。
本发明还提供了一种视网膜假体植入芯片的封装方法，包括以下步骤：
S1：提供一金属衬底，对金属衬底进行加工，形成具有玻璃基底的刺激电极组件，在该刺激电极组件上加工出多个刺激电极和用来实现信号连接的焊盘结构，在刺激电极组件上焊接ASIC芯片；
S2：加工出带有金属馈通的玻璃盖；
S3：将玻璃盖盖合在玻璃基底上，玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构并且实现连接，将玻璃盖四周和玻璃基底密封，实现玻璃盖和玻璃基底的连接封装。
优选的，在所述步骤1中，对金属衬底具体的加工方法如下：
(1):提供一金属衬底，在金属衬底上切割出若干金属柱和焊盘结构；
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃填充，使得切割出的金属柱全部被玻璃覆盖；
(3)：对进行玻璃熔填充的金属衬底进行双面减薄，将金属衬底切割面的玻璃覆盖层减薄，直至露出金属柱为止，将金属衬底另外一面的金属衬底减薄去掉，直至到全部露出到填充的玻璃基底面为止；
(4)：对其中一面进行加工，使玻璃基底中的金属柱凸出于玻璃面形成刺激部，整体形成具有玻璃基底的刺激电极。
优选的，在所述步骤2中，利用玻璃材料进行加工形成具有空腔的玻璃盖，然后在玻璃盖上嵌入金属馈通结构。
优选的，在所述步骤2中，加工带有金属馈通的玻璃盖的方法如下：
(1)：提供一金属衬底，对金属衬底进行切割形成金属柱；
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃填充；
(3)：对进行玻璃填充后的金属衬底进行加工，将金属面减薄去掉，形成带有金属馈通的玻璃结构，对其进行加工形成具有内凹腔的玻璃盖。
优选的，在所述步骤3中，具体的封装工艺如下：
(1)：在玻璃盖和所述玻璃基底的接触面上沉淀UBM层，在所述玻璃基底四周面上和所述玻璃盖接触部位也沉淀UBM层；
(2)：在所述馈通结构和所述焊盘结构接触部位上沉淀UBM层；
(3)：将玻璃盖准确放置到玻璃微基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，并且使得玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触；
(4)：对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行Au-Au热压健合，对玻璃盖金属馈通结构和焊盘结构接触的位置进行Au-Au热压键合。
优选的，在所述步骤3中具体的封装工艺如下：
(1)：将玻璃盖放置到玻璃基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，将玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，利用Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接的方式实现金属馈通结构和焊盘结构的连接。
(2)：使得玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触，对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行激光焊接。
本发明的有益效果：
1、刺激电极的基底和封装盖都是采用玻璃材料制成，在封装芯片时，玻璃盖同时将玻璃基底上的焊盘结构也封装在内，避免焊盘结构裸露在外，焊接时容易出现气密封性问题的缺陷；
2、在玻璃盖上设置有金属馈通结构，金属馈通结构直接和玻璃基底上的焊盘结构相接触实现信号连通，可以便捷的实现信号接出，避免气密性出现问题；
3、在气密性封装过程中，利用Au-Au热压键合的方式对焊盘结构和玻璃盖上的馈通结构进行连接，Au-Au热压键合的方式的可以在较低温度下实现连接，避免高温对芯片造成影响。
4、采用玻璃填充的方法加工出了刺激电极部件，使得高密度刺激电极组件得以实现。
附图说明
图1为本发明中刺激电极组件结构示意图；
图2加工出带有金属柱的玻璃基底结构示意图；
图3为本发明封装体实施例一结构示意图；
图4为本发明封装体实施例二结构示意图；
图5为本发明封装体实施例三结构示意图；
图6为本发明中封装流程示意图；
图7为本发明中加工出带有玻璃基底刺激电极流程示意图；
图8为本发明中加工出带有玻璃基底刺激电极示意图。
其中1为刺激电极组件，2为封装盖，3为玻璃基底，4为刺激电极，41为刺激部，5为焊盘结构，6为ASIC芯片，7为金属馈通结构，8为UBM沉淀层。
具体实施方式
为了便于对本发明的进一步理解，下面结合附图对其进行进一步阐述：
本发明首先展示了一种视网膜假体植入芯片的封装结构，包括刺激电极组件1，该刺激电极组件包括玻璃基底3、在玻璃基底3上设置有若干个刺激电极4以及用来和外部实现信号连接的焊盘结构5，该刺激电极组件1通过金属衬底切割后浇筑玻璃制成，可以制作出高密度的刺激电极，在刺激电极组件上还连接有ASIC芯片6，该ASIC芯片6通过倒装焊和刺激电极连接在一起，ASIC芯片上有少量的信号传输总控制点，这些数量传输总控制点通过少量的连接线和眼球外部的通讯组件进行信号互联，大大减少中间连接线的数量。由于该ASIC芯片6植入到人体眼球内部，为了避免体液侵蚀芯片造成毁坏，因此在ASIC芯片6上盖合有封装盖2，在封装盖2上还设置有用来和刺激电极组件1实现信号连通的金属馈通结构7，该封装盖2将所述焊盘结构5和ASIC芯片6封装在内。为了保证封装的气密性，封装盖也为玻璃材质制成,玻璃盖将ASIC芯片6和焊盘结构5都封装在内，直接通过玻璃盖2上的金属馈通结构7和焊盘结构5连接实现信号接出，不需要从封装体内部将连接线引出来，密封效果好。
玻璃基底3上的焊盘结构5设置在与刺激部41相反的一面上，封装盖2上的金属馈通结构7设置在封装盖2顶部自上向下贯穿所述玻璃并且对准所述焊盘结构5。焊盘结构5用来和外部实现信号连接，如果将其接在刺激电极4刺激部41的同一侧，由此可能会造成信号连接线影响刺激部和视网膜贴合，影响刺激效果，所以在本发明中，玻璃基底上的焊盘结构设置在与所述刺激部相反的一面上。
为了避免的焊接或者加工过程中受热造成金属馈通结构和玻璃封装盖热胀冷缩发生间隙，一般来讲，玻璃封装盖2和其中的金属馈通结构7的热膨胀系数相匹配。
将玻璃盖2盖合在玻璃基底3上，为了实现玻璃盖对玻璃基底的有效封装，可全部利用Au-Au键合的方式实现焊盘结构和金属馈通结构的连接，以及玻璃盖合玻璃基底的密封，具体为：
在封装盖2内侧和玻璃基底3的接触面上沉淀有UBM层，在玻璃基底四周面上和玻璃盖接触部位也有沉淀UBM层，在金属馈通结构和焊盘结构接触部位也均沉淀有UBM层，玻璃盖和玻璃基座四周通过Au-Au键合的方式连接在一起,玻璃盖上的金属馈通结构和所述玻璃基座上的焊盘结构也通过Au-Au键合的方式连接在一起。
也可以利用激光焊接将玻璃盖2和玻璃基底3通的密封在一起，玻璃盖上的金属馈通结构7和玻璃基底3上的焊盘结构5通过Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接等方式连接在一起。
本发明还提供了一种视网膜假体植入芯片的封装方法，包括以下步骤：
S1：提供一金属衬底，对金属衬底进行加工形成具有玻璃基底的刺激电极组件,在该刺激电极组件上包含多个刺激电极和用来实现信号连接的焊盘结构，在刺激电极组件上焊接ASIC芯片；
S2：加工出带有金属馈通的玻璃盖；
S3：将玻璃盖盖合在玻璃基底上，玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构并且实现连接，将玻璃盖四周和玻璃基底密封，实现玻璃盖和玻璃基底的连接封装。
在上面的加工方法中，第一步的金属衬底加工方法具体如下：
(1)：提供一金属衬底，在金属衬底上切割出若干金属柱；该切割方式可以利用激光来进行切割也可以利用机械来进行切割，切割出的金属柱呈阵列排布，在切割的同时一般也会切割出焊盘结构。
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃熔融浇筑，将熔融的玻璃浇筑在金属柱上，使得切割出的金属柱全部被玻璃覆盖；
(3)：等到玻璃浇筑层冷却后成型后，对进行玻璃熔融浇筑的金属衬底进行双面减薄，将金属衬底切割面的玻璃覆盖层减薄直至露出金属柱为止，将金属衬底另外一面的金属衬底减薄去掉，直至到全部露出到浇筑的玻璃基底面为止。这样就可以完全去掉金属层，保留一个具有玻璃基底，并且上面一体成型包括多个刺激电极的神经刺激器。
(4)：完成上述步骤后，对其中一面进行进一步加工，利用切割的方法，将其中一面金属柱四周的玻璃基底去掉，使玻璃基底中的金属柱凸出于玻璃面形成刺激部，整体形成具有玻璃基底的刺激电极。
由于该神经刺激器需要植入到人体组织内部，对其使用材料的生物相容性要求较高，所以加工出金属柱和焊盘结构的金属衬底一般采用钛或铂或铱或钽或金或其合金等具有生物相容性的金属材料制成。
该金属衬底的厚度在一般在0.3mm-1.5mm之间，这样可保证切割出的金属柱的长度，同时在后续双面减薄的过程中也不会因为金属层太厚而降低加工效率。同时为了保证玻璃基底的厚度以及刺激部的刺激长度，切割出金属柱的深度为一般为150um-1000um，切割的金属柱的直径或者边长为50um-150um其具体数值可以根据实际需求发生变化。
在后续操作过程中，由于需要对该神经刺激器进行信号连接或者将其焊接芯片，基底整体经常会受热，为避免其由于升温造成玻璃基底和其中的金属柱之间形成间隙，该熔融浇筑的玻璃的热膨胀系数和所述金属衬底的热膨胀系数相匹配。
在上面的加工方法中，第二步的带有金属馈通结构的玻璃盖的加工方法如下：
利用玻璃材料进行切割形成具有空腔的玻璃盖，然后在玻璃盖上嵌入金属馈通结构。
也可以采用如下方法：
(1)：提供一金属衬底，对金属衬底进行切割形成金属柱；
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃熔融浇筑；
(3)：对进行熔融浇筑后的金属衬底进行加工，将金属面减薄去掉，形成带有金属馈通的玻璃结构，对其进行切割形成具有内凹腔的玻璃盖。
在上面的加工方法中，步骤3中的具体的封装方法如下：
实施例一：
(1)：在璃盖和玻璃基底的接触面上沉淀UBM层，在玻璃基底四周面上和所述玻璃盖接触部位也沉淀UBM层；
(2)：在金属馈通结构和焊盘结构接触部位上沉淀UBM层；
(3)：将玻璃盖准确放置到玻璃微基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，并且使得玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触；
(4)：对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行Au-Au热压键合，对玻璃盖金属馈通结构和焊盘结构接触的位置进行Au-Au热压键合。
此时玻璃盖上的金属馈通结构通过Au-Au热压键合的方式实现和焊盘结构的信号连接，玻璃盖四周也是通过Au-Au热压键合的方式实现和金属基底的密封，热压键合温度一般在150℃-400℃之间，使其不会因为温度过高造成对芯片的损伤。
实施例二：
(1)：将玻璃盖放置到玻璃基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，将玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，利用Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接的方式实现金属馈通结构和焊盘结构的连接。
(2)：使得玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触，对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行激光焊接。
此时利用激光焊接将玻璃盖和玻璃基底密封在一起，玻璃盖上的金属馈通结构和玻璃基座上的焊盘结构通过Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接等方式连接在一起。
实施例三：玻璃盖和玻璃基底采用激光焊接或者其它焊接的方式密封，玻璃盖上的金属馈通结构和基底上的焊盘结构通过信号连接线连接。
以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内做出的任何修改、等同替换、改进等均在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，包括刺激电极组件，所述刺激电极组件包括玻璃基底、在所述玻璃基底上设置有若干个刺激电极以及用来和外部实现信号连接的焊盘结构，在所述刺激电极组件上还连接有ASIC芯片，在所述ASIC芯片上盖合有封装盖，所述封装盖为玻璃材质制成，在所述封装盖上还设置有用来和刺激电极组件实现连通的金属馈通结构，所述封装盖将所述焊盘结构和ASIC芯片封装在内。
2.根据权利要求1所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，在所述刺激电极组件上有对视网膜进行刺激的刺激部，所述玻璃基底上的焊盘结构设置在与所述刺激部相反的一面上，所述封装盖上的金属馈通结构设置在封装盖顶部自上向下贯穿所述玻璃并且对准所述焊盘结构。
3.根据权利要求1所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，所述焊盘结构为多个，所述金属馈通结构也为多个。
4.根据权利要求1所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，所述封装盖和其中的金属馈通结构的热膨胀系数相匹配。
5.根据权利要求1-4所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，所述玻璃盖上的金属馈通结构和所述玻璃基座上的焊盘结构通过Au-Au键合或者锡焊的方式连接在一起。
6.根据权利要求5中任意一项所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，所述玻璃盖和所述玻璃基底通过激光焊接的方式密封在一起。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，在所述封装盖和所述玻璃基底的接触面上沉淀有UBM层，在所述玻璃基底四周面上和所述玻璃盖接触部位也有沉淀UBM层，在所述金属馈通结构和所述焊盘结构接触部位也均沉淀有UBM层，所述玻璃盖和所述玻璃基座四周通过Au-Au键合的方式连接在一起,所述玻璃盖上的金属馈通结构和所述玻璃基座上的焊盘结构也通过Au-Au键合的方式连接在一起。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种视网膜假体植入芯片的封装结构，其特征在于，所述焊盘结构和所述金属馈通结构通过信号连接线连接在一起。
9.一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一金属衬底，对金属衬底进行加工，形成具有玻璃基底的刺激电极组件,在该刺激电极组件上加工出多个刺激电极和用来实现信号连接的焊盘结构，在刺激电极组件上焊接ASIC芯片；
S2：加工出带有金属馈通结构的玻璃盖；
S3：将玻璃盖盖合在玻璃基底上，玻璃盖上的馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构并且实现连接，将玻璃盖四周和玻璃基底密封，实现玻璃盖和玻璃基底的连接封装。
10.根据权利要求9所述的一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，在所述步骤1中，对金属衬底具体的加工方法如下：
(1):提供一金属衬底，在金属衬底上切割出若干金属柱和焊盘结构；
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃填充，使得切割出的金属柱全部被玻璃覆盖；
(3)：对进行玻璃熔融浇筑后的金属衬底进行双面减薄，将金属衬底切割面的玻璃覆盖层减薄，直至露出金属柱为止，将金属衬底另外一面的金属衬底减薄，直至到全部露出到填充的玻璃基底面为止；
(4)：对其中一面进行加工，使玻璃基底中的金属柱在玻璃面形成刺激部，整体形成具有玻璃基底的刺激电极。
11.根据权利要求9所述的一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，在所述步骤2中，对玻璃材料进行加工形成具有空腔的玻璃盖，然后在玻璃盖上嵌入金属馈通结构。
12.根据权利要求9所述的一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，在所述步骤2中，加工带有金属馈通结构的玻璃盖的方法如下：
(1)：提供一金属衬底，对金属衬底进行切割形成金属柱；
(2)：对切割出的金属柱进行玻璃填充；
(3)：对进行玻璃填充后的金属衬底进行加工，将金属面减薄去掉，形成带有金属馈通结构的玻璃结构，对其进行
加工形成具有凹腔的玻璃盖。
13.根据权利要求9所述的一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，在所述步骤3中，玻璃盖和玻璃基底的连接封装具体工艺如下：
(1):在玻璃盖和所述玻璃基底的接触面上沉淀UBM层，在所述玻璃基底四周面上和所述玻璃盖接触部位也沉淀UBM层；
(2):在所述金属馈通结构和所述焊盘结构接触部位上沉淀UBM层；
(3):将玻璃盖准确放置到玻璃微基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，并且使得玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触；
(4):对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行Au-Au热压键合，对玻璃盖金属馈通结构和焊盘结构接触的位置进行Au-Au热压键合。
14.根据权利要求9所述的一种视网膜假体植入芯片的封装方法，其特征在于，在所述步骤3中具体的封装工艺如下：
(1):将玻璃盖放置到玻璃基底上，将玻璃基底上的焊盘结构和ASIC芯片均封装在内，将玻璃盖上的金属馈通结构对准玻璃基底上的焊盘结构，利用Au-Au键合或者锡焊或者激光焊接的方式实现金属馈通结构和焊盘结构的连接。
(2):使得玻璃盖的四周和玻璃基底紧密接触，对玻璃盖四周和玻璃基底接触的位置进行激光焊接。
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