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非制冷紅外焦平面探測器封裝技術研究進展

  0  引言

近20年來,隨著非制冷紅外探測器技術的快速發展,相關產品的技術水平和質量水平大幅提高,非制冷紅外探測器在安防監控、電力監測、醫療測溫等民用領域獲得廣泛應用。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。封裝技術的水平是影響非制冷紅外探測器的成本和可靠性的重要因素。非制冷紅外探測器技術的發展也帶動了其封裝技術的發展。封裝的具體功能包括電源供給、信號交流、散熱、芯片保護和機械支撐等,廣義來說就是將紅外探測器所具有的電子物理功能轉變為適用于機器或系統的形式。目前,封裝成本已經占非制冷紅外探測器研制總費用的50%以上,而決定封裝成本的主要因素是其采用的封裝技術,所以封裝技術已逐漸成為非制冷紅外探測器技術領域的研究重點之一?;谏鲜霰尘?,本文將系統介紹非制冷紅外探測器有關封裝技術的研究進展,包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝及像元級封裝等技術。

  1  金屬封裝技術

  金屬封裝技術采用了金屬管殼、半導體恒溫器(Thermoelectric Cooler,TEC)、柱狀吸氣劑,其封裝方式可適應較極端的環境,并可與其他設備匹配,但缺點是成本占比過大,占整個非制冷產品生產的總成本的60%以上,且生產周期較長。國內外的金屬封裝技術基本類似,無太大區別,封裝后的基本結構如圖1所示,其中(a)為金屬封裝部件圖,(b)為金屬封裝外形圖。金屬封裝的主要工藝步驟為:TEC焊接、吸氣劑焊接(和之前的工藝同時進行)、貼片、打線、鍺窗焊接、排氣、吸氣劑激活和排氣嘴封口。其中排氣工藝需耗時3~7天,導致金屬封裝的整個流程時間過長,且每批生產的產品數量有限,無法實現大批量生產。同時金屬封裝采用了TEC、吸氣劑為柱狀或者片式吸氣劑,其工序復雜、吸氣劑成本較高,只適用于高端的軍事應用,限制了其在民品市場的應用。在金屬封裝中TEC起到穩定探測器工作溫度點的作用,以保證探測器在室溫下工作,從而提高組件適應極端環境的能力。而陶瓷封裝、晶圓級封裝、像元級封裝,其讀出電路具有自調整工作溫度點功能,無需TEC穩定。國外非制冷廠家從2000年后隨著探測器、吸氣劑和封裝技術水平的提高,逐步采用了陶瓷封裝來取代金屬封裝。

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                                        圖1(a)金屬封裝內部構件圖                      (b)金屬封裝外形圖

  2  陶瓷管殼封裝技術

陶瓷封裝使用的管殼為多層布線的陶瓷基板,內部無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。其主要流程為芯片背金、貼片、打線、三合一焊接。目前國內的主要產品還是金屬封裝,同時陶瓷封裝也已有初步涉及,但其成熟度不高,主流產品還是以國外產品為主。

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                                                                                       圖2 陶瓷封裝結構圖


3  晶圓級真空封裝技術

晶圓級封裝又稱晶圓級尺寸封裝,已經成為半導體行業的先進封裝技術的重要組成部分,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行大多數或是全部的封裝、測試程序,然后再進行切割。是一種經過提高和改進的芯片尺寸封裝,滿足了尺寸小、輕、便攜式、手持、價格低、生產效率高的需求,難點在于工藝要求高。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)。W2W封裝方式是指晶圓級硅窗口與紅外晶圓之間的鍵合,鍵合完成后分割成獨立的器件,W2W封裝工藝過程如圖3所示。C2W封裝方式是指將分割好的獨立紅外窗口與紅外探測器晶圓相鍵合,鍵合完成后再分割成獨立的器件,工藝過程如圖4所示。圖3、圖4中Cap wafer為窗片晶圓,device wafer為芯片晶圓。

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