一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝及封裝裝置的製作方法
2023-10-22 22:24:47 2
專利名稱：一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝及封裝裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電封裝技術領域，具體涉及非製冷紅外探測的真空封裝技術領域。
背景技術：
電子真空封裝是電子器件控制成本的一大難題，傳統的金屬和陶瓷封裝工藝復 雜，成本高，而且需要真空條件工作的光電器件，測試成本也非常昂貴。該封裝形式能夠利 用現有微電子技術，大大降低紅外真空器件的成本。隨著集成電路和半導體工藝技術的發展，非製冷紅外焦平面器件的讀出電路也集 成到了統一的基片上。微電子工藝的讀出電路上面做器件結構已成為該領域的工藝趨勢， 那麼在統一矽片上完成該類工藝後，經過特性測試，打標進行劃片，最後再進行單片的封 裝。在此工藝流程中，測試一般情況都必須提供高真空的的測試環境和有效的輻射源，這給 測試帶來了一定的難度，並無形中增加了測試環境的運行成本。而傳統的金屬或陶瓷封裝 除了昂貴的外殼，光窗，GETTER, TEC, NTC等部件外，還涉及到複雜的焊接工藝，如光窗邊緣 金屬化，銦錫焊接，雷射焊接，抽真空等。而且部分工藝如抽真空的條件，銦錫焊接等都是非 常苛刻的，產業化上面成本也非常高。VPOff(vacuum packaging on wafer)的基本原理是利用矽片透紅外的物理特性， 首先在矽片上鍍紅外增透膜和結合單片的邊緣金屬處理，通過微電子領域wafer級封裝的 較為成熟技術，實現光電紅外器件在微電子工藝線上的封裝。完成紅外器件高透過率，真空 壽命長，集成度高，小型化，低成本的封裝和測試要求。傳統非製冷紅外真空封裝採用低漏氣率的金屬管殼或陶瓷管殼，該管殼(一般為 可伐材料)需要引腳的玻璃絕緣紙工藝處理，抽氣管(高導無氧銅)的銀銅焊接，一般引腳 需要鍍金，而可伐由於容易鏽蝕，需要鍍鎳。內部NTC和TEC形成溫度控制閉環，控制焦平 面工作時的溫度。結構複雜，工藝繁瑣，成本非常高。
發明內容
本發明所要解決的問題是如何提供一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝 及封裝裝置，該封裝工藝及封裝裝置與傳統封裝方法如金屬封裝和陶瓷封裝相比能有效降 低非製冷紅外焦平面陣列器件在封裝和測試上的成本，彌補了 UPOC技術上無溫度控制功 能的缺陷，並具備傳統封裝的所有功能。本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種非製冷紅外焦平面陣列器件的 封裝裝置，其特徵在於，包括本體和封蓋，所述本體和封蓋配合工作，在真空室中兩者經過 加熱壓緊封裝為一體，其中①本體包括第一襯底，在襯底的表面設有P、N特性的重摻雜區，在襯底中間設置 有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區域內的上方設置讀出電路區域，下方設置焦平面陣列區 域，重摻雜區面積大於焦平面陣列區域，焦平面陣列區域有MXN個單元，在條狀金屬圖形 和襯底邊緣之間設置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區域設置有若干參比電阻；
②封蓋包括第二襯底，在第二襯底的兩側都設置有類金剛石膜，在任一側設置有 與本體中的條狀金屬邊框相對應的封蓋金屬邊框，並在封蓋金屬邊框上設置有金屬焊料。按照本發明所提供的非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，所述 封蓋在設置有金屬邊框的一側設置有薄膜狀吸氣劑，該薄膜狀吸氣劑當溫度加熱到一定程 度就會被激活。按照本發明所提供的非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，所述 金屬焊料為銦錫焊料。一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝，其特徵在於，包括以下步驟①製備本體a、半導體製冷器的製備在第一矽襯底表面製備P、N特性的重摻雜區，該重摻雜 區面積大於焦平面陣列區域，然後利用焦平面陣列本身的反射層金屬做電極，實現P、N兩 極連接，在採用光刻工藝在對應焦平面陣列區域邊緣的位置切斷反射層金屬的連接，形成 一個完整的半導體製冷器；b、負溫度係數傳感器的製備基於微測熱輻射計的參比單元本身就是一個負溫度 係數傳感器，只需要在製作焦平面器件過程中，引出兩個亞焊點，該負溫度係數傳感器就可 以檢測襯底溫度。C、金屬邊框的製備在矽襯底上製備了半導體製冷器的一側面沉澱反射層以及鈍 化層後，在製備一層過渡層，在過渡層上製備一層金屬層，然後在介於焦平面陣列區域、讀 出電路區域和矽襯底邊緣的之間的區域製備一框形光刻膠，之後犧牲掉除設置光刻膠位置 外的過渡層和金屬層，在除掉光刻膠，形成金屬邊框，金屬邊框的厚度大於焦平面陣列的厚 度d、壓焊盤的設置在介於金屬邊框和矽襯底邊緣的位置設置若干個壓焊盤；②製備封蓋a、封蓋金屬邊框的製備選定與第一矽襯底大小對應的第二矽襯底，在矽襯底兩 側面鍍類金剛石膜，然後一次製備過渡層和金屬層，在金屬層上設置與本體金屬邊框相對 應光刻膠，然後犧牲掉除設置光刻膠以外位置的金屬層，再除掉光刻膠，形成封蓋金屬邊 框，並且在金屬邊框上設置金屬焊料；b、吸氣劑的製備在封蓋金屬邊框製備薄膜吸氣劑，該薄膜吸氣劑的設置位置不 與焦平面陣列區域對應；C、增透膜的製備在封蓋的兩側製備增透膜，該增透膜不覆蓋薄膜吸氣劑；③整體密封首先將製備好的本體和封蓋放入真空室中，將本體和封蓋沿金屬邊框進行夾裝， 通過上下加熱板進行加熱使金屬焊料融化，並激活薄膜吸氣劑，完成封裝過程。本發明的有益效果本發明利用了紅外焦平面參比電阻的特性，通過鍵合引出代 替NTC功能，TEC則採用傳統微電子工藝在功率器件上的P，N離子注入工藝成功實現P，N 結耦合對，從而實現TEC (半導體製冷器)功能，與金屬封裝和陶瓷封裝相比是一種較為經 濟的封裝方法，並彌補了 uPOC技術無溫度控制(缺少TEC和NTC)功能的缺陷，結合特有的 紅外增透膜，類金剛石膜技術和矽片金屬焊接技術，成功解決非製冷紅外封裝的新型封裝 技術方案。該技術在非製冷紅外焦平面量產後，能有效降低此產品在封裝和測試上面的成本，並具備傳統封裝的所有功能。本方案結合併擴展了相關領域的成果，引入並整合了該領域最前沿的技術，彌補 了部分紅外焦平面封裝方案的不足，實現了較為全面的紅外焦平面封裝方案。
圖1為新型封裝的非製冷紅外焦平面器件本體和封蓋的結構示意圖；圖2半導體製冷器(TEC)工作原理及結構示意圖；圖3半導體製冷器的製作工藝流程圖；圖4紅外焦平面本體封裝準備的工藝流程及結構圖解；圖5紅外焦平面封蓋封裝準備的工藝流程及結構圖解；圖6整體密封的結構示意圖。其中，1、焦平面陣列區域，2、讀出電路，3、金屬焊料區域，4、薄膜吸氣劑，5、條狀金 屬圖形，6、壓焊盤，7、參比電阻，8、η+摻雜區，9、ρ+摻雜區，10、反射層金屬，11、光刻膠，12、 鈍化層等上層膜系，13、過渡層，14、光刻膠，15、類金剛石膜，16、矽襯底，17、類金剛石膜， 18、過渡層，19、金屬層，20、光刻膠。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述首先有如圖1(a)的非製冷紅外焦平面的結構示意圖，在焦平面陣列區域有MXN 個單元，焦平面陣列區域1位於下方，上方是讀出電路區域2，條狀金屬5圖形位於靠近邊 框內側處，壓焊盤6在金屬圖形與邊緣之間，絕大多數焦平面如圖所示，兩側都會分布參比 電阻7，差分信號的阻值對比之用。圖1(b)是封蓋的分布，在封蓋邊緣內側是金屬焊料區 域3，上方覆蓋有薄膜狀吸氣劑4，該吸氣劑當溫度加熱到一定程度就會被激活。注意當封 蓋蓋上後，吸氣劑的覆蓋區域不能與焦平面陣列區域重合，否則，紅外將不能透過封蓋到達 焦平面。下面將分別闡述本體，封蓋，以及整體密封工藝的原理及流程。(1)，本體製備本體的製備是該過程中最關鍵，也是較為複雜的部分，在封裝這個領域主要包括 半導體製冷器，負溫度係數傳感器，以及焊接金屬邊框的製備三個方面。半導體製冷器是紅外焦平面不可或缺的一部分，它的主要作用就是保持焦平面的 溫度穩定以及溫度分布的均勻性。它的基本原理是採用了半導體中的帕爾帖效應，如圖2 所示，即把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連接片焊接而成一個電偶對。當直流電流 從N極流向P極時，兩者上端產生吸熱現象，此端稱冷端，下端產生放熱現象，此端稱熱端， 如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉換。在VP0W，工藝流程如圖3所示，圖中的1代表N特性的重摻雜區域，2代表P特性 重摻雜，10代表反射層金屬鋁，11代表光刻膠層，12鈍化層等上層膜系，6焦平面陳列。首 先，在矽襯底表面做P特性重摻雜2，N特性的重摻雜8，摻雜麵積約大於焦平面陣列區域。 然後，利用焦平面本身的反射層金屬鋁10做電極，實現P，N兩級對連，反射層主要採用金屬 鋁的濺射工藝，反射層作為紅外信號的反射腔底部，有利於紅外信號吸收。之後，在其上再 鋪上光刻膠11，採用光刻工藝按照圖3(d)的位置切斷金屬連接，從而就形成了一個完整的
5半導體製冷器。該工藝不影響後端焦平面的製備工藝，後續工藝可在此基礎上發展。負溫度係數傳感器即NTC部分，可由一個標準的參比電阻完成，如圖1(a)所示，參 比電阻分布在焦平面陣列區域兩端，該電阻會隨溫度的變化，阻值變小，且在常溫下，阻值 變化線性度好，是一個理想的NTC。該工藝只需要在工藝中單獨引線，鍵合引出即可。金屬邊框的製作工藝採用了較為通用的濺射，光刻，溼法刻蝕工藝，其工藝流程如 圖4所示。圖4中8代表η+摻雜區，9代表ρ+摻雜區，10代表反射層及鈍化層等，13代表 過渡層，11代表金屬層，14光刻膠。首先在上層用鎳鎘打底，濺射500埃，然後濺射2um鋁， 接下來通過標準的光刻工藝顯影，溼法刻蝕，金屬框圖形就製備完成了。(2)，封蓋製備封蓋的製備與本體金屬邊框類似，其工藝流程如圖5所示。圖5中15代表類金剛 石膜，16代表矽襯底，17代表類金剛石膜，18代表過渡層，19代表金屬層，20代表光刻膠，3 代表金屬焊料，4代表薄膜吸氣劑。首先在矽襯底兩側鍍類金剛石膜，類金剛石膜的主要功 能是增加矽片強度，其採用石墨濺射的方法，厚度為lum。然後，仍然採用鎳鎘濺射的方法制 備過渡層，鎳鎘厚度仍然為500埃。在此基礎上濺射2um金屬鋁，接下來經過與本體金屬框 製備方法相同的方法得到金屬邊框。下面比較關鍵的一步，即銦錫焊料的塗敷，銦錫焊料具 有氣密性好，溶點低等有點適用於較薄的金屬鍍層間的焊接。銦錫焊料的塗敷採用熔融焊 料注射的方法，並在氮氣環境下完成注射過程，這樣就可以保證焊料在熔融態注射到金屬 過程中不會氧化。經過以上工藝製備後，封蓋還需要進行最後兩道工序，即GETTER(吸氣劑)的制 備，吸氣劑在真空環境下激活，激活後可在真空腔內不斷吸氣，以平衡由於內壁氣體分子釋 放，和局部焊料老化引起的微小裂縫帶來的真空壽命縮短的問題。薄膜吸氣劑採用鋯釩鐵 合金粉500攝氏度高溫燒結而成，合金粉均勻塗敷，厚度50um。最後剩下了蒸鍍增透膜，增 透膜的雙面蒸鍍，材料硫化鋅，溫度一般控制在200 300攝氏度之間，按照增透的四分之 一波長原理，厚度約在2 3um之間，其具體厚度由選擇的透過率峰值而定。也可採用複合 的膜系設計完成該工藝。到此，封蓋的製備就已經完成了。(3)，整體密封本體和封蓋製備完成後，即進入整體密封過程，如圖6所示。圖6中1代表增透膜， 該過程需要注意環境控制以及對位。首先將所有需要密封的部件放入真空室中，真空度一 般為lE10-5Pa。裝夾對位好以後，通過上下加熱板加熱，加熱溫溫度控制在200度，加溫5 分鐘以後，焊料基本都已融化，位於上方頂口下壓，以實現對接。頂口溫度控制在250攝氏 度，激活吸氣劑，壓緊時間約十分鐘，以便焊料能夠完全沁潤，最後停止加熱，退火時間控制 在120分鐘，即完成整個封裝流程。以下本發明的具體實施例實施例1一種非製冷紅外焦平面器件，由320X240個非製冷紅外焦平面單元組成，每個非 製冷紅外焦平面單元尺寸為50umX50um大小，陣列區域大小16mmX 12mm，整合讀出電路 大小22mmX 25mm，讀出方式為列選通方式。在製作中製備241個熱敏電阻，P，N注入按照 4mmX 16mm,和8mmX 16mm規格並用鋁層連通，金屬圖形與晶片共心，大小18mmX 20mm。封蓋 面積 20mm X 22mm。
實施例2一種非致冷紅外焦平面器件，由640X480個非製冷紅外焦平面單元組成，每個非 製冷紅外焦平面單元尺寸為15umX15um大小，陣列區域大小9. 6mmX 7. 2mm，整合讀出電路 大小15mmX 18mm，讀出方式為行選通方式。在製作中製備641個熱敏電阻，P，N注入按照 3. 2mmX 7. 2mm，和6. 4mmX 7. 2mm規格並用鋁層連通，中間縫隙50um，金屬圖形與晶片共心， 大小 12mmX13mm。封蓋大小 13mmX 16mm。根據非製冷紅外焦平面單元的結構，各組成部分的材料和尺寸的不同可以組合出 很多種類似的實施方式，在此不再一一詳述。
權利要求
一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，包括本體和封蓋，所述本體和封蓋配合工作，兩者在真空室中經過加熱壓緊封裝為一體，其中①本體包括第一襯底，在襯底的表面設有P、N特性的重摻雜區，在襯底中間設置有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區域內的上方設置讀出電路區域，下方設置焦平面陣列區域，重摻雜區面積大於焦平面陣列區域，焦平面陣列區域有M×N個單元，在條狀金屬圖形和襯底邊緣之間設置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區域設置有若干參比電阻；②封蓋包括第二襯底，在第二襯底的兩側都設置有類金剛石膜，在任一側設置有與本體中的條狀金屬邊框相對應的封蓋金屬邊框，並在封蓋金屬邊框上設置有金屬焊料。
2.根據權利要求1所述的非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，所述 封蓋在設置有金屬邊框的一側設置有薄膜狀吸氣劑，該薄膜狀吸氣劑當溫度加熱到一定程 度就會被激活。
3.根據權利要求1所述的非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，所述 金屬焊料為銦錫焊料。
4.一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝，其特徵在於，包括以下步驟①製備本體a、半導體製冷器的製備在第一矽襯底表面製備P、N特性的重摻雜區，該重摻雜區面 積大於焦平面陣列區域，然後利用焦平面陣列本身的反射層金屬做電極，實現P、N兩極連 接，在採用光刻工藝在對應焦平面陣列區域邊緣的位置切斷反射層金屬的連接，形成一個 完整的半導體製冷器；b、負溫度係數傳感器的製備在製作焦平面器件過程中，引出兩個亞焊點；c、金屬邊框的製備在矽襯底上製備了半導體製冷器的一側面沉澱反射層以及鈍化層 後，在製備一層過渡層，在過渡層上製備一層金屬層，然後在介於焦平面陣列區域、讀出電 路區域和矽襯底邊緣的之間的區域製備一框形光刻膠，之後犧牲掉除設置光刻膠位置外的 過渡層和金屬層，在除掉光刻膠，形成金屬邊框，金屬邊框的厚度大於焦平面陣列的厚度d、壓焊盤的設置在介於金屬邊框和矽襯底邊緣的位置設置若干個壓焊盤；②製備封蓋a、封蓋金屬邊框的製備選定與第一矽襯底大小對應的第二矽襯底，在矽襯底兩側面 鍍類金剛石膜，然後一次製備過渡層和金屬層，在金屬層上設置與本體金屬邊框相對應光 刻膠，然後犧牲掉除設置光刻膠以外位置的金屬層，再除掉光刻膠，形成封蓋金屬邊框，並 且在金屬邊框上設置金屬焊料；b、吸氣劑的製備在封蓋金屬邊框製備薄膜吸氣劑，該薄膜吸氣劑的設置位置不與焦 平面陣列區域對應；c、增透膜的製備在封蓋的兩側製備增透膜，該增透膜不覆蓋薄膜吸氣劑；③整體密封首先將製備好的本體和封蓋放入真空室中，將本體和封蓋沿金屬邊框進行夾裝，通過 上下加熱板進行加熱使金屬焊料融化，並激活薄膜吸氣劑，完成封裝過程。
全文摘要
本發明公開了一種非製冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特徵在於，包括本體和封蓋，所述本體和封蓋配合工作，兩者在真空室中經過加熱壓緊封裝為一體，其中①本體包括第一襯底，在襯底的表面設有P、N特性的重摻雜區，在襯底中間設置有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區域內的上方設置讀出電路區域，下方設置焦平面陣列區域，重摻雜區面積大於焦平面陣列區域，焦平面陣列區域有M×N個單元，在條狀金屬圖形和襯底邊緣之間設置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區域設置有若干參比電阻；②封蓋包括第二襯底，在第二襯底的兩側都設置有類金剛石膜，在任一側設置有與本體中的條狀金屬邊框相對應的封蓋金屬邊框，並在封蓋金屬邊框上設置有金屬焊料。
文檔編號G01J5/02GK101893483SQ20101016171
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月4日 優先權日2010年5月4日
發明者劉子驥, 張 傑, 李偉, 蔣亞東, 鄭興 申請人:電子科技大學