本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)封裝領(lǐng)域，尤其涉及一種紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

紅外成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、森林防火、環(huán)境保護(hù)等各領(lǐng)域，其核心部件是紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)。

目前的紅外焦平面陣列的封裝方式主要為金屬或陶瓷真空封裝，紅外光學(xué)窗口作為紅外光進(jìn)入焦平面陣列的通道，然后再通過(guò)外部耦合組裝光學(xué)鏡頭達(dá)到光學(xué)成像的目的。這個(gè)封裝的結(jié)構(gòu)體積龐大，組裝效率低，難度大，成本高，大規(guī)模生產(chǎn)難度大，很難用于消費(fèi)電子市場(chǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，可以將光學(xué)鏡頭、光學(xué)窗口以及焦平面陣列芯片通過(guò)晶圓級(jí)封裝的方法集成為一個(gè)器件封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了集光學(xué)、電學(xué)和焦平面陣列探測(cè)器為一體的光機(jī)電系統(tǒng)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的主要技術(shù)方案為：

一種紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，包括：

紅外探測(cè)器芯片，所述紅外探測(cè)器芯片上設(shè)置有紅外焦平面陣列；

紅外光窗，設(shè)置于所述紅外探測(cè)器芯片之上，所述紅外光窗的邊緣與所述紅外探測(cè)器芯片的邊緣密封連接，以形成真空氣密封接所述紅外焦平面陣列的真空腔體；

透鏡，設(shè)置于所述紅外光窗上方，所述透鏡的邊緣與所述紅外光窗的邊緣密封連接。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述紅外光窗的材料為無(wú)氧硅晶圓。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述紅外光窗形成所述真空腔體的一面設(shè)置有紅外增透膜。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述紅外光窗遠(yuǎn)離所述真空腔體的一面設(shè)置有紅外增透膜。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述紅外探測(cè)器芯片的邊緣設(shè)置有焊料，所述紅外光窗的邊緣通過(guò)所述焊料與所述紅外探測(cè)器芯片的邊緣密封連接。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述焊料包括設(shè)置于所述紅外探測(cè)器芯片的邊緣的第一可焊金屬層和金錫共晶焊料，以及設(shè)置于所述紅外光窗的邊緣的第二可焊金屬層，所述第一可焊金屬層、所述金錫共晶焊料和所述第二可焊金屬層通過(guò)共晶鍵合真空氣密封接。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述紅外探測(cè)器芯片包括：

硅基底，包括設(shè)置有所述紅外焦平面陣列的第一表面和相對(duì)于所述第一表面的第二表面；

深孔，開設(shè)于所述第二表面上且部分延伸至所述硅基底中；

鈍化層，覆蓋所述深孔的側(cè)壁；

金屬層，覆蓋所述鈍化層的表面和所述深孔底部，位于所述深孔底部的所述金屬層延伸至所述硅基底中并所述紅外焦平面陣列連接。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述深孔中填充有金屬焊料，所述金屬焊料通過(guò)所述金屬層與所述紅外焦平面陣列電氣連通。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述透鏡的邊緣與所述紅外光窗的邊緣通過(guò)墊片密封連接。

優(yōu)選的，上述的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，其中，所述透鏡為雙面鍍有紅外增透膜的硅透鏡。

上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果：

本發(fā)明所提出的紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)具備體積小、成本低、可利用半導(dǎo)體工藝大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，且在晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件集成，滿足商業(yè)級(jí)及消費(fèi)級(jí)應(yīng)用對(duì)于成本、體積和生產(chǎn)規(guī)模的要求。

附圖說(shuō)明

參考所附附圖，以更加充分地描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，所附附圖僅用于說(shuō)明和闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。

圖1～圖3是實(shí)施例中紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)圖；

圖4是實(shí)施例中晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的完整結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為本發(fā)明的限定。

需要說(shuō)明的是，在不沖突的前提下，以下描述的技術(shù)方案和技術(shù)方案中的技術(shù)特征可以相互組合。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提出一種紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，如圖1～圖4所示，主要包括：

紅外探測(cè)器芯片1，其上設(shè)置有紅外焦平面陣列15；

紅外光窗2，設(shè)置于紅外探測(cè)器芯片1之上，該紅外光窗2的邊緣與紅外探測(cè)器芯片1的邊緣密封連接，以形成真空氣密封接紅外焦平面陣列15的真空腔體；

透鏡6，設(shè)置于紅外光窗2上方，該透鏡6的邊緣與紅外光窗2的邊緣密封連接。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，本實(shí)施例采用無(wú)氧硅晶圓作為紅外光窗2，并且在該無(wú)氧硅晶圓(即紅外光窗2)的兩面，即形成真空腔體的一面以及遠(yuǎn)離真空腔體的一面均設(shè)置有紅外增透膜(圖中未標(biāo)示)，以確保形成的封裝結(jié)構(gòu)不會(huì)影響紅外成像。

進(jìn)一步的，真空腔體形成在無(wú)氧硅晶圓2的相應(yīng)透光區(qū)域(一般優(yōu)選為無(wú)氧硅晶圓2的中部區(qū)域)，無(wú)氧硅晶圓2的邊緣與紅外探測(cè)器芯片1的邊緣通過(guò)焊料密封連接。

作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，采用金錫共晶焊料使得無(wú)氧硅晶圓2的邊緣與紅外探測(cè)器芯片1的邊緣密封連接。具體的，參照?qǐng)D1～圖4所示，紅外探測(cè)器芯片1的邊緣設(shè)置有第一可焊金屬層41和金錫共晶焊料3，無(wú)氧硅晶圓2的邊緣設(shè)置有第二可焊金屬層42，該第一可焊金屬層41、金錫共晶焊料3和第二可焊金屬層42通過(guò)共晶鍵合真空氣密封接，以在無(wú)氧硅晶圓2與紅外探測(cè)器芯片1之間形成真空腔體，共晶鍵合的封接方式充分確保了真空腔體的真空度。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，該紅外探測(cè)器芯片1的具體結(jié)構(gòu)包括：

硅基底10，包括設(shè)置有紅外焦平面陣列15的第一表面(在圖1～圖4的結(jié)構(gòu)中即表現(xiàn)為上表面)和相對(duì)于第一表面的第二表面(在圖1～圖4的結(jié)構(gòu)中即表現(xiàn)為下表面)；

深孔13，開設(shè)于第二表面上且部分延伸至硅基底10中；

鈍化層12，覆蓋深孔13的側(cè)壁；

金屬層11，覆蓋鈍化層12的表面和深孔13底部，并且位于深孔13底部的金屬層11延伸至硅基底10中，以形成金屬導(dǎo)線14與紅外焦平面陣列15連接。

在上述技術(shù)方案中，鈍化層12作為電氣連接的絕緣層將金屬層11與硅基底10絕緣；且鈍化層12還可覆蓋在硅基底10的第二表面上，金屬層11還部分覆蓋在臨近深孔13的第二表面上。

在上述技術(shù)方案中，金屬導(dǎo)線14即為紅外探測(cè)器芯片1的導(dǎo)電引線埋于該紅外探測(cè)器芯片1內(nèi)部，而金屬層11作為電氣連接的通道與紅外探測(cè)器芯片1內(nèi)部的金屬導(dǎo)線14相連。

作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，深孔13中填充有金屬焊料16，該金屬焊料16通過(guò)金屬層11和金屬導(dǎo)線14與紅外焦平面陣列15電氣連通。

進(jìn)一步的，參照?qǐng)D2～圖4所示，在硅基底10的第二表面上，金屬焊料16回流形成焊料凸點(diǎn)，以便于后續(xù)成像系統(tǒng)組裝時(shí)的電連接。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，參照?qǐng)D3和圖4所示，透鏡6的邊緣與紅外光窗(即無(wú)氧硅晶圓)2的邊緣通過(guò)墊片5密封連接，該墊片5設(shè)置在無(wú)氧硅晶圓2的邊緣，且厚度較薄，以保證透鏡6的焦距。

進(jìn)一步的，透鏡6可選用雙面鍍有紅外增透膜(圖中未標(biāo)示)的硅透鏡，硅透鏡6的邊緣粘貼在墊片5上以實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像。

實(shí)施例二

本實(shí)施例提出一種紅外焦平面陣列的封裝方法，基于實(shí)施例一的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，如圖1～圖4所示，主要包括：

第一步，如圖1所示，在硅光窗2的邊緣與紅外探測(cè)器芯片1的邊緣通過(guò)金錫共晶焊料3鍵合形成真空腔體，紅外探測(cè)器芯片1的導(dǎo)電引線14埋于該紅外探測(cè)器芯片1的內(nèi)部。

第二步，如圖2所示，對(duì)紅外探測(cè)器芯片1的第二表面(在圖中即表現(xiàn)為下表面)減薄后，在第二表面上開設(shè)深孔13，并在深孔13中形成鈍化層12和金屬層11，鈍化層12作為電氣連接的絕緣層將金屬層11與硅基底10絕緣，而金屬層11作為電氣連接的通道與紅外探測(cè)器芯片1內(nèi)的導(dǎo)電引線14相連。在深孔13內(nèi)，填充焊料16，并回流形成焊料凸點(diǎn)，以便于后續(xù)系統(tǒng)組裝時(shí)電氣連通焊接。

第三步，如圖3所示，在硅光窗2的邊緣粘接墊片5，并將墊片5的厚度減薄至合適厚度，以保證后續(xù)制備的硅透鏡6的焦距。

第四步，如圖4所示，選用硅透鏡作為透鏡6，并用晶圓工藝在硅透鏡6雙面鍍紅外增透膜，然后將硅透鏡6粘貼在墊片5上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像。

需要注意的是，本實(shí)施例中與實(shí)施例一相同的術(shù)語(yǔ)代表相同的結(jié)構(gòu)，其相互之間的連接關(guān)系均與實(shí)施例一一致，因此不再贅述。

綜上所述，本發(fā)明提出的紅外焦平面陣列的晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，可以將光學(xué)鏡頭、光學(xué)窗口以及焦平面陣列芯片通過(guò)晶圓級(jí)封裝的方法集成為一個(gè)器件封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了集光學(xué)、電學(xué)和焦平面陣列探測(cè)器為一體的光機(jī)電系統(tǒng)，具備體積小、成本低、可利用半導(dǎo)體工藝大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，且在晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件集成，滿足商業(yè)級(jí)及消費(fèi)級(jí)應(yīng)用對(duì)于成本、體積和生產(chǎn)規(guī)模的要求。

以上所述僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的實(shí)施方式及保護(hù)范圍，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當(dāng)能夠意識(shí)到凡運(yùn)用本發(fā)明說(shuō)明書及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。