專利名稱：一種非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝及封裝裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及非制冷紅外探測(cè)的真空封裝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子真空封裝是電子器件控制成本的一大難題，傳統(tǒng)的金屬和陶瓷封裝工藝復(fù) 雜，成本高，而且需要真空條件工作的光電器件，測(cè)試成本也非常昂貴。該封裝形式能夠利 用現(xiàn)有微電子技術(shù)，大大降低紅外真空器件的成本。隨著集成電路和半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，非制冷紅外焦平面器件的讀出電路也集 成到了統(tǒng)一的基片上。微電子工藝的讀出電路上面做器件結(jié)構(gòu)已成為該領(lǐng)域的工藝趨勢(shì)， 那么在統(tǒng)一硅片上完成該類工藝后，經(jīng)過特性測(cè)試，打標(biāo)進(jìn)行劃片，最后再進(jìn)行單片的封 裝。在此工藝流程中，測(cè)試一般情況都必須提供高真空的的測(cè)試環(huán)境和有效的輻射源，這給 測(cè)試帶來了一定的難度，并無形中增加了測(cè)試環(huán)境的運(yùn)行成本。而傳統(tǒng)的金屬或陶瓷封裝 除了昂貴的外殼，光窗，GETTER, TEC, NTC等部件外，還涉及到復(fù)雜的焊接工藝，如光窗邊緣 金屬化，銦錫焊接，激光焊接，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 ?？量痰?，產(chǎn)業(yè)化上面成本也非常高。VPOff(vacuum packaging on wafer)的基本原理是利用硅片透紅外的物理特性， 首先在硅片上鍍紅外增透膜和結(jié)合單片的邊緣金屬處理，通過微電子領(lǐng)域wafer級(jí)封裝的 較為成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(cè)試要求。傳統(tǒng)非制冷紅外真空封裝采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(dǎo)無氧銅)的銀銅焊接，一般引腳 需要鍍金，而可伐由于容易銹蝕，需要鍍鎳。內(nèi)部NTC和TEC形成溫度控制閉環(huán)，控制焦平 面工作時(shí)的溫度。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝繁瑣，成本非常高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種非制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(tǒng)封裝方法如金屬封裝和陶瓷封裝相比能有效降 低非制冷紅外焦平面陣列器件在封裝和測(cè)試上的成本，彌補(bǔ)了 UPOC技術(shù)上無溫度控制功 能的缺陷，并具備傳統(tǒng)封裝的所有功能。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種非制冷紅外焦平面陣列器件的 封裝裝置，其特征在于，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(jīng)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(shè)有P、N特性的重?fù)诫s區(qū)，在襯底中間設(shè)置 有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區(qū)域內(nèi)的上方設(shè)置讀出電路區(qū)域，下方設(shè)置焦平面陣列區(qū) 域，重?fù)诫s區(qū)面積大于焦平面陣列區(qū)域，焦平面陣列區(qū)域有MXN個(gè)單元，在條狀金屬圖形 和襯底邊緣之間設(shè)置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區(qū)域設(shè)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(cè)都設(shè)置有類金剛石膜，在任一側(cè)設(shè)置有 與本體中的條狀金屬邊框相對(duì)應(yīng)的封蓋金屬邊框，并在封蓋金屬邊框上設(shè)置有金屬焊料。按照本發(fā)明所提供的非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，所述 封蓋在設(shè)置有金屬邊框的一側(cè)設(shè)置有薄膜狀吸氣劑，該薄膜狀吸氣劑當(dāng)溫度加熱到一定程 度就會(huì)被激活。按照本發(fā)明所提供的非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，所述 金屬焊料為銦錫焊料。一種非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝，其特征在于，包括以下步驟①制備本體a、半導(dǎo)體制冷器的制備在第一硅襯底表面制備P、N特性的重?fù)诫s區(qū)，該重?fù)诫s 區(qū)面積大于焦平面陣列區(qū)域，然后利用焦平面陣列本身的反射層金屬做電極，實(shí)現(xiàn)P、N兩 極連接，在采用光刻工藝在對(duì)應(yīng)焦平面陣列區(qū)域邊緣的位置切斷反射層金屬的連接，形成 一個(gè)完整的半導(dǎo)體制冷器；b、負(fù)溫度系數(shù)傳感器的制備基于微測(cè)熱輻射計(jì)的參比單元本身就是一個(gè)負(fù)溫度 系數(shù)傳感器，只需要在制作焦平面器件過程中，引出兩個(gè)亞焊點(diǎn)，該負(fù)溫度系數(shù)傳感器就可 以檢測(cè)襯底溫度。C、金屬邊框的制備在硅襯底上制備了半導(dǎo)體制冷器的一側(cè)面沉淀反射層以及鈍 化層后，在制備一層過渡層，在過渡層上制備一層金屬層，然后在介于焦平面陣列區(qū)域、讀 出電路區(qū)域和硅襯底邊緣的之間的區(qū)域制備一框形光刻膠，之后犧牲掉除設(shè)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，金屬邊框的厚度大于焦平面陣列的厚 度d、壓焊盤的設(shè)置在介于金屬邊框和硅襯底邊緣的位置設(shè)置若干個(gè)壓焊盤；②制備封蓋a、封蓋金屬邊框的制備選定與第一硅襯底大小對(duì)應(yīng)的第二硅襯底，在硅襯底兩 側(cè)面鍍類金剛石膜，然后一次制備過渡層和金屬層，在金屬層上設(shè)置與本體金屬邊框相對(duì) 應(yīng)光刻膠，然后犧牲掉除設(shè)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，并且在金屬邊框上設(shè)置金屬焊料；b、吸氣劑的制備在封蓋金屬邊框制備薄膜吸氣劑，該薄膜吸氣劑的設(shè)置位置不 與焦平面陣列區(qū)域?qū)?yīng)；C、增透膜的制備在封蓋的兩側(cè)制備增透膜，該增透膜不覆蓋薄膜吸氣劑；③整體密封首先將制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(jìn)行夾裝， 通過上下加熱板進(jìn)行加熱使金屬焊料融化，并激活薄膜吸氣劑，完成封裝過程。本發(fā)明的有益效果本發(fā)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則采用傳統(tǒng)微電子工藝在功率器件上的P，N離子注入工藝成功實(shí)現(xiàn)P，N 結(jié)耦合對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)TEC (半導(dǎo)體制冷器)功能，與金屬封裝和陶瓷封裝相比是一種較為經(jīng) 濟(jì)的封裝方法，并彌補(bǔ)了 uPOC技術(shù)無溫度控制(缺少TEC和NTC)功能的缺陷，結(jié)合特有的 紅外增透膜，類金剛石膜技術(shù)和硅片金屬焊接技術(shù)，成功解決非制冷紅外封裝的新型封裝 技術(shù)方案。該技術(shù)在非制冷紅外焦平面量產(chǎn)后，能有效降低此產(chǎn)品在封裝和測(cè)試上面的成本，并具備傳統(tǒng)封裝的所有功能。本方案結(jié)合并擴(kuò)展了相關(guān)領(lǐng)域的成果，引入并整合了該領(lǐng)域最前沿的技術(shù)，彌補(bǔ) 了部分紅外焦平面封裝方案的不足，實(shí)現(xiàn)了較為全面的紅外焦平面封裝方案。


圖1為新型封裝的非制冷紅外焦平面器件本體和封蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2半導(dǎo)體制冷器(TEC)工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖；圖3半導(dǎo)體制冷器的制作工藝流程圖；圖4紅外焦平面本體封裝準(zhǔn)備的工藝流程及結(jié)構(gòu)圖解；圖5紅外焦平面封蓋封裝準(zhǔn)備的工藝流程及結(jié)構(gòu)圖解；圖6整體密封的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1、焦平面陣列區(qū)域，2、讀出電路，3、金屬焊料區(qū)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(qū)，9、ρ+摻雜區(qū)，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、硅襯底，17、類金剛石膜， 18、過渡層，19、金屬層，20、光刻膠。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述首先有如圖1(a)的非制冷紅外焦平面的結(jié)構(gòu)示意圖，在焦平面陣列區(qū)域有MXN 個(gè)單元，焦平面陣列區(qū)域1位于下方，上方是讀出電路區(qū)域2，條狀金屬5圖形位于靠近邊 框內(nèi)側(cè)處，壓焊盤6在金屬圖形與邊緣之間，絕大多數(shù)焦平面如圖所示，兩側(cè)都會(huì)分布參比 電阻7，差分信號(hào)的阻值對(duì)比之用。圖1(b)是封蓋的分布，在封蓋邊緣內(nèi)側(cè)是金屬焊料區(qū) 域3，上方覆蓋有薄膜狀吸氣劑4，該吸氣劑當(dāng)溫度加熱到一定程度就會(huì)被激活。注意當(dāng)封 蓋蓋上后，吸氣劑的覆蓋區(qū)域不能與焦平面陣列區(qū)域重合，否則，紅外將不能透過封蓋到達(dá) 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)，本體制備本體的制備是該過程中最關(guān)鍵，也是較為復(fù)雜的部分，在封裝這個(gè)領(lǐng)域主要包括 半導(dǎo)體制冷器，負(fù)溫度系數(shù)傳感器，以及焊接金屬邊框的制備三個(gè)方面。半導(dǎo)體制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(wěn)定以及溫度分布的均勻性。它的基本原理是采用了半導(dǎo)體中的帕爾帖效應(yīng)，如圖2 所示，即把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)直流電流 從N極流向P極時(shí)，兩者上端產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端，下端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端， 如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。在VP0W，工藝流程如圖3所示，圖中的1代表N特性的重?fù)诫s區(qū)域，2代表P特性 重?fù)诫s，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，在硅襯底表面做P特性重?fù)诫s2，N特性的重?fù)诫s8，摻雜面積約大于焦平面陣列區(qū)域。 然后，利用焦平面本身的反射層金屬鋁10做電極，實(shí)現(xiàn)P，N兩級(jí)對(duì)連，反射層主要采用金屬 鋁的濺射工藝，反射層作為紅外信號(hào)的反射腔底部，有利于紅外信號(hào)吸收。之后，在其上再 鋪上光刻膠11，采用光刻工藝按照?qǐng)D3(d)的位置切斷金屬連接，從而就形成了一個(gè)完整的
5半導(dǎo)體制冷器。該工藝不影響后端焦平面的制備工藝，后續(xù)工藝可在此基礎(chǔ)上發(fā)展。負(fù)溫度系數(shù)傳感器即NTC部分，可由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(qū)域兩端，該電阻會(huì)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(gè)理想的NTC。該工藝只需要在工藝中單獨(dú)引線，鍵合引出即可。金屬邊框的制作工藝采用了較為通用的濺射，光刻，濕法刻蝕工藝，其工藝流程如 圖4所示。圖4中8代表η+摻雜區(qū)，9代表ρ+摻雜區(qū)，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，然后濺射2um鋁， 接下來通過標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝顯影，濕法刻蝕，金屬框圖形就制備完成了。(2)，封蓋制備封蓋的制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代表硅襯底，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。首先在硅襯底兩側(cè)鍍類金剛石膜，類金剛石膜的主要功 能是增加硅片強(qiáng)度，其采用石墨濺射的方法，厚度為lum。然后，仍然采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(chǔ)上濺射2um金屬鋁，接下來經(jīng)過與本體金屬框 制備方法相同的方法得到金屬邊框。下面比較關(guān)鍵的一步，即銦錫焊料的涂敷，銦錫焊料具 有氣密性好，溶點(diǎn)低等有點(diǎn)適用于較薄的金屬鍍層間的焊接。銦錫焊料的涂敷采用熔融焊 料注射的方法，并在氮?dú)猸h(huán)境下完成注射過程，這樣就可以保證焊料在熔融態(tài)注射到金屬 過程中不會(huì)氧化。經(jīng)過以上工藝制備后，封蓋還需要進(jìn)行最后兩道工序，即GETTER(吸氣劑)的制 備，吸氣劑在真空環(huán)境下激活，激活后可在真空腔內(nèi)不斷吸氣，以平衡由于內(nèi)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。薄膜吸氣劑采用鋯釩鐵 合金粉500攝氏度高溫?zé)Y(jié)而成，合金粉均勻涂敷，厚度50um。最后剩下了蒸鍍?cè)鐾改?，?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。也可采用復(fù)合 的膜系設(shè)計(jì)完成該工藝。到此，封蓋的制備就已經(jīng)完成了。(3)，整體密封本體和封蓋制備完成后，即進(jìn)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(huán)境控制以及對(duì)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(duì)位好以后，通過上下加熱板加熱，加熱溫溫度控制在200度，加溫5 分鐘以后，焊料基本都已融化，位于上方頂口下壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接。頂口溫度控制在250攝氏 度，激活吸氣劑，壓緊時(shí)間約十分鐘，以便焊料能夠完全沁潤，最后停止加熱，退火時(shí)間控制 在120分鐘，即完成整個(gè)封裝流程。以下本發(fā)明的具體實(shí)施例實(shí)施例1一種非制冷紅外焦平面器件，由320X240個(gè)非制冷紅外焦平面單元組成，每個(gè)非 制冷紅外焦平面單元尺寸為50umX50um大小，陣列區(qū)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。在制作中制備241個(gè)熱敏電阻，P，N注入按照 4mmX 16mm,和8mmX 16mm規(guī)格并用鋁層連通，金屬圖形與芯片共心，大小18mmX 20mm。封蓋 面積 20mm X 22mm。
實(shí)施例2一種非致冷紅外焦平面器件，由640X480個(gè)非制冷紅外焦平面單元組成，每個(gè)非 制冷紅外焦平面單元尺寸為15umX15um大小，陣列區(qū)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。在制作中制備641個(gè)熱敏電阻，P，N注入按照 3. 2mmX 7. 2mm，和6. 4mmX 7. 2mm規(guī)格并用鋁層連通，中間縫隙50um，金屬圖形與芯片共心， 大小 12mmX13mm。封蓋大小 13mmX 16mm。根據(jù)非制冷紅外焦平面單元的結(jié)構(gòu)，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(shí)施方式，在此不再一一詳述。
權(quán)利要求
一種非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，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(jīng)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(shè)有P、N特性的重?fù)诫s區(qū)，在襯底中間設(shè)置有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區(qū)域內(nèi)的上方設(shè)置讀出電路區(qū)域，下方設(shè)置焦平面陣列區(qū)域，重?fù)诫s區(qū)面積大于焦平面陣列區(qū)域，焦平面陣列區(qū)域有M×N個(gè)單元，在條狀金屬圖形和襯底邊緣之間設(shè)置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區(qū)域設(shè)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(cè)都設(shè)置有類金剛石膜，在任一側(cè)設(shè)置有與本體中的條狀金屬邊框相對(duì)應(yīng)的封蓋金屬邊框，并在封蓋金屬邊框上設(shè)置有金屬焊料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，所述 封蓋在設(shè)置有金屬邊框的一側(cè)設(shè)置有薄膜狀吸氣劑，該薄膜狀吸氣劑當(dāng)溫度加熱到一定程 度就會(huì)被激活。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，所述 金屬焊料為銦錫焊料。
4.一種非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝工藝，其特征在于，包括以下步驟①制備本體a、半導(dǎo)體制冷器的制備在第一硅襯底表面制備P、N特性的重?fù)诫s區(qū)，該重?fù)诫s區(qū)面 積大于焦平面陣列區(qū)域，然后利用焦平面陣列本身的反射層金屬做電極，實(shí)現(xiàn)P、N兩極連 接，在采用光刻工藝在對(duì)應(yīng)焦平面陣列區(qū)域邊緣的位置切斷反射層金屬的連接，形成一個(gè) 完整的半導(dǎo)體制冷器；b、負(fù)溫度系數(shù)傳感器的制備在制作焦平面器件過程中，引出兩個(gè)亞焊點(diǎn)；c、金屬邊框的制備在硅襯底上制備了半導(dǎo)體制冷器的一側(cè)面沉淀反射層以及鈍化層 后，在制備一層過渡層，在過渡層上制備一層金屬層，然后在介于焦平面陣列區(qū)域、讀出電 路區(qū)域和硅襯底邊緣的之間的區(qū)域制備一框形光刻膠，之后犧牲掉除設(shè)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，金屬邊框的厚度大于焦平面陣列的厚度d、壓焊盤的設(shè)置在介于金屬邊框和硅襯底邊緣的位置設(shè)置若干個(gè)壓焊盤；②制備封蓋a、封蓋金屬邊框的制備選定與第一硅襯底大小對(duì)應(yīng)的第二硅襯底，在硅襯底兩側(cè)面 鍍類金剛石膜，然后一次制備過渡層和金屬層，在金屬層上設(shè)置與本體金屬邊框相對(duì)應(yīng)光 刻膠，然后犧牲掉除設(shè)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，并 且在金屬邊框上設(shè)置金屬焊料；b、吸氣劑的制備在封蓋金屬邊框制備薄膜吸氣劑，該薄膜吸氣劑的設(shè)置位置不與焦 平面陣列區(qū)域?qū)?yīng)；c、增透膜的制備在封蓋的兩側(cè)制備增透膜，該增透膜不覆蓋薄膜吸氣劑；③整體密封首先將制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(jìn)行夾裝，通過 上下加熱板進(jìn)行加熱使金屬焊料融化，并激活薄膜吸氣劑，完成封裝過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非制冷紅外焦平面陣列器件的封裝裝置，其特征在于，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(jīng)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(shè)有P、N特性的重?fù)诫s區(qū)，在襯底中間設(shè)置有條狀金屬邊框，條狀金屬邊框區(qū)域內(nèi)的上方設(shè)置讀出電路區(qū)域，下方設(shè)置焦平面陣列區(qū)域，重?fù)诫s區(qū)面積大于焦平面陣列區(qū)域，焦平面陣列區(qū)域有M×N個(gè)單元，在條狀金屬圖形和襯底邊緣之間設(shè)置有若干壓焊盤，在焦平面陣列區(qū)域設(shè)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(cè)都設(shè)置有類金剛石膜，在任一側(cè)設(shè)置有與本體中的條狀金屬邊框相對(duì)應(yīng)的封蓋金屬邊框，并在封蓋金屬邊框上設(shè)置有金屬焊料。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101893483SQ20101016171
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者劉子驥, 張 杰, 李偉, 蔣亞東, 鄭興 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)