非制冷紅外焦平面探測器的真空封裝技術(shù)

非制冷紅外焦平面探測器的真空封裝技術(shù)

0非制冷紅外探測器在民用領(lǐng)域的應(yīng)用近20年來，隨著非冷凍紅外探測器技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量都顯著提高。非冷凍紅外探測器廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測、能源監(jiān)測、醫(yī)療加熱等民用領(lǐng)域。在此背景下,非制冷紅外探測器的成本和可靠性顯得越來越重要1穩(wěn)定探測器工作點(diǎn)金屬封裝技術(shù)采用了金屬管殼、半導(dǎo)體恒溫器(ThermoelectricCooler,TEC)、柱狀吸氣劑同時(shí)金屬封裝采用了TEC、吸氣劑為柱狀或者片式吸氣劑,其工序復(fù)雜、吸氣劑成本較高,只適用于高端的軍事應(yīng)用,限制了其在民品市場的應(yīng)用。在金屬封裝中TEC起到穩(wěn)定探測器工作溫度點(diǎn)的作用,以保證探測器在室溫下工作,從而提高組件適應(yīng)極端環(huán)境的能力。而陶瓷封裝、晶圓級封裝、像元級封裝,其讀出電路具有自調(diào)整工作溫度點(diǎn)功能,無需TEC穩(wěn)定。國外諸如ULIS、FLIR、SCD、INO等知名非制冷廠家從2000年后隨著探測器、吸氣劑和封裝技術(shù)水平的提高,逐步采用了陶瓷封裝來取代金屬封裝。2內(nèi)部無tec封裝陶瓷封裝使用的管殼為多層布線的陶瓷基板,內(nèi)部無TEC,吸氣劑為薄膜吸氣劑或者片式吸氣劑,芯片組裝打線后,采用真空除氣、吸氣劑激活、真空密封的三合一的封接技術(shù)2.1紅外窗口、薄膜通氣劑s加拿大INO公司的非制冷紅外焦平面探測器采用LCC(LeadlessChipCarriers,無針腳芯片封裝)管殼、紅外窗口為全鍺窗或硅紅外窗口、吸氣劑使用SAESPaGelid薄膜吸氣劑(激活溫度為300℃左右,30min)、腔體氣壓可達(dá)到1mTorr。封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用的主要工藝過程為粘片uf0ae打線uf0ae排氣uf0ae激活uf0ae封蓋。2.2窗口冷板激活法法國ULIS公司的非制冷紅外焦平面探測器采用兩種管腳的陶瓷封裝探測器,管殼類型為LCC和PGA。其中窗口采用紅外窗口和蓋板過渡結(jié)構(gòu),吸氣劑為薄膜吸氣劑,直接生長在蓋板上,其激活溫度在300℃以上,高于其鍺窗焊接溫度,為先激活后焊鍺窗的工藝。具體的工藝流程為粘片uf0ae打線uf0ae排氣uf0ae激活吸氣劑uf0ae金屬板和窗片貼合uf0ae金屬板和陶瓷封裝貼合2.3uf0oa-713美國DRS公司主要有3種陶瓷封裝的非制冷紅外焦平面探測器:320×240(17uf06dm、25uf06dm)、640×480(17uf06dm、25uf06dm)、1024×768(17uf06dm),并且全都采用LCC的管殼封裝、窗口為全光學(xué)窗口(鍺窗或硅窗)、金屬化采用的是金層,吸氣劑為直接生長在鍺窗或硅窗上的薄膜吸氣劑。其工藝流程與INO的接近,即粘片uf0ae打線uf0ae排氣uf0ae激活uf0ae封蓋。如圖4所示給出了DRS公司的兩款((a)U3600,(b)U8000)非制冷紅外焦平面探測器,均采用陶瓷封裝技術(shù)。2.4紅外窗口焊接以色列SCD公司目前主要推出320×240、640×480兩款產(chǎn)品,管殼類型為PGA。紅外窗口有兩種焊接方式,一種窗片鑲在金屬蓋板內(nèi),另一種是鍺窗直接與陶瓷管殼焊接。工藝流程為粘片→打線→排氣→激活吸氣劑→(金屬板和窗片貼合→金屬板和陶瓷封裝焊接、或者紅外窗口直接與陶瓷焊接)。圖5為以色列SCD公司陶瓷封裝技術(shù)示意圖。3封裝、測量、切割晶圓級封裝又稱晶圓級尺寸封裝,已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的先進(jìn)封裝技術(shù)的重要組成部分,其封裝方法也叫倒裝焊方法。它是直接在紅外探測器晶圓上進(jìn)行大多數(shù)或是全部的封裝、測試程序,然后再進(jìn)行切割。是一種經(jīng)過提高和改進(jìn)的芯片尺寸封裝,滿足了尺寸小、輕、便攜式、手持、價(jià)格低、生產(chǎn)效率高的需求,難點(diǎn)在于工藝要求高。目前晶圓級封裝有兩種形式:第一種方式為Wafer-to-Wafer(W2W),第二種方式為Chip-to-Wafer(C2W)目前國外諸如Raytheon的非制冷紅外焦平面探測器采用的是W2W封裝形式,ULIS、INO、三菱等公司則基本上采用C2W封裝形式。3.1紅外焦平面探測器晶圓的加工Raytheon公司采用W2W封裝形式,使用AuSn焊料焊接IRFPA晶圓和紅外硅窗口晶圓。圖8為封裝示意圖,其中(a)為非制冷紅外焦平面探測器晶圓,其表面有焊片浸潤用的底金屬環(huán),其實(shí)就相當(dāng)于封裝上的UBM環(huán),常用的一個(gè)就是Ni/Au體系,(b)為非制冷紅外焦平面探測器紅外硅窗口,其表面仍然存在一個(gè)Ni/Au體系金屬環(huán),中間是一個(gè)相應(yīng)的AuSn焊料片,焊料片如夾心一般夾在三明治結(jié)構(gòu)中央。晶圓對準(zhǔn)之后,將三者放置到真空腔真空回流焊、完成真空封裝3.2紅外窗口測試ULIS是最早開始研究晶圓級封裝的公司,采用的封裝形式是C2W,紅外窗口為紅外硅窗,其制作方法是首先完成深硅刻蝕、紅外增透膜蒸鍍、焊接電極制備、吸氣劑制備,焊料環(huán)同樣采用AuSn焊料焊接,然后實(shí)現(xiàn)三者對中,完成吸氣劑激活、真空封接,晶圓分割,測試3.3pbsn非真空封裝密封Honeywell的晶圓級封裝思路和Raytheon類似。IRFPA晶圓和硅窗晶圓上有Ni/Au底層金屬環(huán),PbSn焊片夾在中間,在非真空下進(jìn)行封接,此時(shí)并未實(shí)現(xiàn)真空封裝。其真空密封采用的方法,是在IRFPA底部,留有一個(gè)抽氣孔,將PbSn非真空焊之后,裝配到夾具中,送入真空蒸發(fā)沉積設(shè)備中,通過抽氣孔完成真空除氣,排氣完成后,沉積金屬,將抽氣孔密封,實(shí)現(xiàn)組件排氣。圖10所示為Honeywell的晶圓級封裝。3.4陶瓷板層膠合物INO的封裝采用的是W2W封裝形式,同時(shí)為了提高體表面積比,INO在IRFPA晶圓和硅窗晶圓間加入了陶瓷板來提高腔體高度。如圖11(a)所示,中間的板層可以選擇性的將IRFPA和硅窗鍵合在一起。其真空密封和Honeywell有點(diǎn)類似,又有區(qū)別。相似的是通過最后封孔的方式實(shí)現(xiàn)真空,不同的是,INO是在真空環(huán)境下,使用solder軟焊料進(jìn)行封孔(如圖11(b)),而不是蒸發(fā)。4.3.3真空封裝技術(shù)像元級封裝是非制冷紅外焦平面探測器的一種全新的封裝技術(shù),通過微電子工藝的淀積方法(典型的如原子層沉積方法),將只有幾微米厚的非晶硅膜淀積到每一個(gè)像素上,所以又稱0級封裝。這個(gè)一個(gè)芯片上有很多個(gè)真空密封帽,總數(shù)目等于陣列的像素?cái)?shù)目,真空度小于0.5mbar。圖12為工藝過程示意圖,其中1~5為非制冷紅外焦平面探測器的MEMS示意圖,其中第6步是在微橋的橋面上生長第二層犧牲層,作為生長紅外窗口薄膜的支持層,在真空腔體內(nèi)通過窗口上的釋放孔將探測器和紅外窗口的犧牲層去除,最后通過原子層沉積方法封孔,完成像元級封裝像元級封裝的開發(fā),極大地改變了目前的非制冷封裝技術(shù),簡化了非制冷封裝過程,極大降低了封裝成本,使非制冷紅外探測器成本更加貼近民用和消費(fèi)級應(yīng)用市場的需求。但這種技術(shù)仍處于研究階段,目前尚未有正式產(chǎn)品出現(xiàn)。從文獻(xiàn)報(bào)道對上述各類非制冷紅外焦平面探測器封裝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及國內(nèi)外代表廠商進(jìn)行簡要總結(jié),如表1所示。真空封裝技術(shù)水平是決定非制冷紅外焦平面探測器成本和可靠性的主要因素之一。典型封裝技術(shù)包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝和像元級封裝。其中金屬封裝由于采用了成本較高的金屬管殼和陶瓷管殼,同時(shí)需要長時(shí)間的排氣,其封裝成本較高、生產(chǎn)效率較低,已不適合大規(guī)模、低成本生產(chǎn)要求。陶瓷封裝的讀出電路有自調(diào)整功能,無需TEC;吸氣劑采用薄膜或者片式吸氣劑,與金屬封裝相比,顯著減小了體積、重量、功耗,封裝成本大幅降低。但由于采用陶瓷管殼,尺寸大,成本仍較高,也不適合大批量生產(chǎn)。晶圓級封裝部分工藝與硅工藝相兼容,適合于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用,是目前非制冷紅外探測器封裝研究的熱點(diǎn)和趨勢。晶圓級封裝目前還需要進(jìn)一步提高晶圓成品率,發(fā)展成熟的焊接金屬工藝和