非制冷红外焦平面探测器的真空封装技术

非制冷红外焦平面探测器的真空封装技术

0非制冷红外探测器在民用领域的应用近20年来，随着非冷冻红外探测器技术的快速发展，相关产品的技术水平和质量都显著提高。非冷冻红外探测器广泛应用于安全监测、能源监测、医疗加热等民用领域。在此背景下,非制冷红外探测器的成本和可靠性显得越来越重要1稳定探测器工作点金属封装技术采用了金属管壳、半导体恒温器(ThermoelectricCooler,TEC)、柱状吸气剂同时金属封装采用了TEC、吸气剂为柱状或者片式吸气剂,其工序复杂、吸气剂成本较高,只适用于高端的军事应用,限制了其在民品市场的应用。在金属封装中TEC起到稳定探测器工作温度点的作用,以保证探测器在室温下工作,从而提高组件适应极端环境的能力。而陶瓷封装、晶圆级封装、像元级封装,其读出电路具有自调整工作温度点功能,无需TEC稳定。国外诸如ULIS、FLIR、SCD、INO等知名非制冷厂家从2000年后随着探测器、吸气剂和封装技术水平的提高,逐步采用了陶瓷封装来取代金属封装。2内部无tec封装陶瓷封装使用的管壳为多层布线的陶瓷基板,内部无TEC,吸气剂为薄膜吸气剂或者片式吸气剂,芯片组装打线后,采用真空除气、吸气剂激活、真空密封的三合一的封接技术2.1红外窗口、薄膜通气剂s加拿大INO公司的非制冷红外焦平面探测器采用LCC(LeadlessChipCarriers,无针脚芯片封装)管壳、红外窗口为全锗窗或硅红外窗口、吸气剂使用SAESPaGelid薄膜吸气剂(激活温度为300℃左右,30min)、腔体气压可达到1mTorr。封装结构如图2所示,采用的主要工艺过程为粘片uf0ae打线uf0ae排气uf0ae激活uf0ae封盖。2.2窗口冷板激活法法国ULIS公司的非制冷红外焦平面探测器采用两种管脚的陶瓷封装探测器,管壳类型为LCC和PGA。其中窗口采用红外窗口和盖板过渡结构,吸气剂为薄膜吸气剂,直接生长在盖板上,其激活温度在300℃以上,高于其锗窗焊接温度,为先激活后焊锗窗的工艺。具体的工艺流程为粘片uf0ae打线uf0ae排气uf0ae激活吸气剂uf0ae金属板和窗片贴合uf0ae金属板和陶瓷封装贴合2.3uf0oa-713美国DRS公司主要有3种陶瓷封装的非制冷红外焦平面探测器:320×240(17uf06dm、25uf06dm)、640×480(17uf06dm、25uf06dm)、1024×768(17uf06dm),并且全都采用LCC的管壳封装、窗口为全光学窗口(锗窗或硅窗)、金属化采用的是金层,吸气剂为直接生长在锗窗或硅窗上的薄膜吸气剂。其工艺流程与INO的接近,即粘片uf0ae打线uf0ae排气uf0ae激活uf0ae封盖。如图4所示给出了DRS公司的两款((a)U3600,(b)U8000)非制冷红外焦平面探测器,均采用陶瓷封装技术。2.4红外窗口焊接以色列SCD公司目前主要推出320×240、640×480两款产品,管壳类型为PGA。红外窗口有两种焊接方式,一种窗片镶在金属盖板内,另一种是锗窗直接与陶瓷管壳焊接。工艺流程为粘片→打线→排气→激活吸气剂→(金属板和窗片贴合→金属板和陶瓷封装焊接、或者红外窗口直接与陶瓷焊接)。图5为以色列SCD公司陶瓷封装技术示意图。3封装、测量、切割晶圆级封装又称晶圆级尺寸封装,已经成为半导体行业的先进封装技术的重要组成部分,其封装方法也叫倒装焊方法。它是直接在红外探测器晶圆上进行大多数或是全部的封装、测试程序,然后再进行切割。是一种经过提高和改进的芯片尺寸封装,满足了尺寸小、轻、便携式、手持、价格低、生产效率高的需求,难点在于工艺要求高。目前晶圆级封装有两种形式:第一种方式为Wafer-to-Wafer(W2W),第二种方式为Chip-to-Wafer(C2W)目前国外诸如Raytheon的非制冷红外焦平面探测器采用的是W2W封装形式,ULIS、INO、三菱等公司则基本上采用C2W封装形式。3.1红外焦平面探测器晶圆的加工Raytheon公司采用W2W封装形式,使用AuSn焊料焊接IRFPA晶圆和红外硅窗口晶圆。图8为封装示意图,其中(a)为非制冷红外焦平面探测器晶圆,其表面有焊片浸润用的底金属环,其实就相当于封装上的UBM环,常用的一个就是Ni/Au体系,(b)为非制冷红外焦平面探测器红外硅窗口,其表面仍然存在一个Ni/Au体系金属环,中间是一个相应的AuSn焊料片,焊料片如夹心一般夹在三明治结构中央。晶圆对准之后,将三者放置到真空腔真空回流焊、完成真空封装3.2红外窗口测试ULIS是最早开始研究晶圆级封装的公司,采用的封装形式是C2W,红外窗口为红外硅窗,其制作方法是首先完成深硅刻蚀、红外增透膜蒸镀、焊接电极制备、吸气剂制备,焊料环同样采用AuSn焊料焊接,然后实现三者对中,完成吸气剂激活、真空封接,晶圆分割,测试3.3pbsn非真空封装密封Honeywell的晶圆级封装思路和Raytheon类似。IRFPA晶圆和硅窗晶圆上有Ni/Au底层金属环,PbSn焊片夹在中间,在非真空下进行封接,此时并未实现真空封装。其真空密封采用的方法,是在IRFPA底部,留有一个抽气孔,将PbSn非真空焊之后,装配到夹具中,送入真空蒸发沉积设备中,通过抽气孔完成真空除气,排气完成后,沉积金属,将抽气孔密封,实现组件排气。图10所示为Honeywell的晶圆级封装。3.4陶瓷板层胶合物INO的封装采用的是W2W封装形式,同时为了提高体表面积比,INO在IRFPA晶圆和硅窗晶圆间加入了陶瓷板来提高腔体高度。如图11(a)所示,中间的板层可以选择性的将IRFPA和硅窗键合在一起。其真空密封和Honeywell有点类似,又有区别。相似的是通过最后封孔的方式实现真空,不同的是,INO是在真空环境下,使用solder软焊料进行封孔(如图11(b)),而不是蒸发。4.3.3真空封装技术像元级封装是非制冷红外焦平面探测器的一种全新的封装技术,通过微电子工艺的淀积方法(典型的如原子层沉积方法),将只有几微米厚的非晶硅膜淀积到每一个像素上,所以又称0级封装。这个一个芯片上有很多个真空密封帽,总数目等于阵列的像素数目,真空度小于0.5mbar。图12为工艺过程示意图,其中1~5为非制冷红外焦平面探测器的MEMS示意图,其中第6步是在微桥的桥面上生长第二层牺牲层,作为生长红外窗口薄膜的支持层,在真空腔体内通过窗口上的释放孔将探测器和红外窗口的牺牲层去除,最后通过原子层沉积方法封孔,完成像元级封装像元级封装的开发,极大地改变了目前的非制冷封装技术,简化了非制冷封装过程,极大降低了封装成本,使非制冷红外探测器成本更加贴近民用和消费级应用市场的需求。但这种技术仍处于研究阶段,目前尚未有正式产品出现。从文献报道对上述各类非制冷红外焦平面探测器封装技术的优缺点及国内外代表厂商进行简要总结,如表1所示。真空封装技术水平是决定非制冷红外焦平面探测器成本和可靠性的主要因素之一。典型封装技术包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装和像元级封装。其中金属封装由于采用了成本较高的金属管壳和陶瓷管壳,同时需要长时间的排气,其封装成本较高、生产效率较低,已不适合大规模、低成本生产要求。陶瓷封装的读出电路有自调整功能,无需TEC;吸气剂采用薄膜或者片式吸气剂,与金属封装相比,显著减小了体积、重量、功耗,封装成本大幅降低。但由于采用陶瓷管壳,尺寸大,成本仍较高,也不适合大批量生产。晶圆级封装部分工艺与硅工艺相兼容,适合于大规模生产应用,是目前非制冷红外探测器封装研究的热点和趋势。晶圆级封装目前还需要进一步提高晶圆成品率,发展成熟的焊接金属工艺和