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非制冷红外焦平面探测器封装技术研究进展

  0  引言

近20年来,随着非制冷红外探测器技术的快速发展,相关产品的技术水平和质量水平大幅提高,非制冷红外探测器在安防监控、电力监测、医疗测温等民用领域获得广泛应用。在此背景下,非制冷红外探测器的成本和可靠性显得越来越重要。封装技术的水平是影响非制冷红外探测器的成本和可靠性的重要因素。非制冷红外探测器技术的发展也带动了其封装技术的发展。封装的具体功能包括电源供给、信号交流、散热、芯片保护和机械支撑等,广义来说就是将红外探测器所具有的电子物理功能转变为适用于机器或系统的形式。目前,封装成本已经占非制冷红外探测器研制总费用的50%以上,而决定封装成本的主要因素是其采用的封装技术,所以封装技术已逐渐成为非制冷红外探测器技术领域的研究重点之一。基于上述背景,本文将系统介绍非制冷红外探测器有关封装技术的研究进展,包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装及像元级封装等技术。

  1  金属封装技术

  金属封装技术采用了金属管壳、半导体恒温器(Thermoelectric Cooler,TEC)、柱状吸气剂,其封装方式可适应较极端的环境,并可与其他设备匹配,但缺点是成本占比过大,占整个非制冷产品生产的总成本的60%以上,且生产周期较长。国内外的金属封装技术基本类似,无太大区别,封装后的基本结构如图1所示,其中(a)为金属封装部件图,(b)为金属封装外形图。金属封装的主要工艺步骤为:TEC焊接、吸气剂焊接(和之前的工艺同时进行)、贴片、打线、锗窗焊接、排气、吸气剂激活和排气嘴封口。其中排气工艺需耗时3~7天,导致金属封装的整个流程时间过长,且每批生产的产品数量有限,无法实现大批量生产。同时金属封装采用了TEC、吸气剂为柱状或者片式吸气剂,其工序复杂、吸气剂成本较高,只适用于高端的军事应用,限制了其在民品市场的应用。在金属封装中TEC起到稳定探测器工作温度点的作用,以保证探测器在室温下工作,从而提高组件适应极端环境的能力。而陶瓷封装、晶圆级封装、像元级封装,其读出电路具有自调整工作温度点功能,无需TEC稳定。国外非制冷厂家从2000年后随着探测器、吸气剂和封装技术水平的提高,逐步采用了陶瓷封装来取代金属封装。

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                                        图1(a)金属封装内部构件图                      (b)金属封装外形图

  2  陶瓷管壳封装技术

陶瓷封装使用的管壳为多层布线的陶瓷基板,内部无TEC,吸气剂为薄膜吸气剂或者片式吸气剂,芯片组装打线后,采用真空除气、吸气剂激活、真空密封的三合一的封接技术。其主要流程为芯片背金、贴片、打线、三合一焊接。目前国内的主要产品还是金属封装,同时陶瓷封装也已有初步涉及,但其成熟度不高,主流产品还是以国外产品为主。

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                                                                                       图2 陶瓷封装结构图


3  晶圆级真空封装技术

晶圆级封装又称晶圆级尺寸封装,已经成为半导体行业的先进封装技术的重要组成部分,其封装方法也叫倒装焊方法。它是直接在红外探测器晶圆上进行大多数或是全部的封装、测试程序,然后再进行切割。是一种经过提高和改进的芯片尺寸封装,满足了尺寸小、轻、便携式、手持、价格低、生产效率高的需求,难点在于工艺要求高。目前晶圆级封装有两种形式:第一种方式为Wafer-to-Wafer(W2W),第二种方式为Chip-to-Wafer(C2W)。W2W封装方式是指晶圆级硅窗口与红外晶圆之间的键合,键合完成后分割成独立的器件,W2W封装工艺过程如图3所示。C2W封装方式是指将分割好的独立红外窗口与红外探测器晶圆相键合,键合完成后再分割成独立的器件,工艺过程如图4所示。图3、图4中Cap wafer为窗片晶圆,device wafer为芯片晶圆。

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