本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《紅外技術(shù)》2018年第9期，版權(quán)歸《紅外技術(shù)》編輯部所有。

王強(qiáng)，張有剛

云南師范大學(xué)太陽能研究所

摘要：目前，決定非制冷紅外焦平面探測器成本和可靠性的主要因素之一是其真空封裝技術(shù)水平。本文主要介紹了非制冷紅外探測器封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)說明了典型金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝及像元級封裝的基本結(jié)構(gòu)和組裝工藝，并指出了其優(yōu)缺點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：非制冷紅外焦平探測器；金屬封裝；陶瓷封裝；晶圓級封裝；像元級封裝

0 引言

近20年來，隨著非制冷紅外探測器技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量水平大幅提高，非制冷紅外探測器在安防監(jiān)控、電力監(jiān)測、醫(yī)療測溫等民用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)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(shù)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(shù)的發(fā)展也帶動了其封裝技術(shù)的發(fā)展。封裝的具體功能包括電源供給、信號交流、散熱、芯片保護(hù)和機(jī)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(zhuǎn)變?yōu)檫m用于機(jī)器或系統(tǒng)的形式。目前，封裝成本已經(jīng)占非制冷紅外探測器研制總費(fèi)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(shù)，所以封裝技術(shù)己逐漸成為非制冷紅外探測器技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。基于上述背景，本文將系統(tǒng)介紹非制冷紅外探測器有關(guān)封裝技術(shù)的研究進(jìn)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(shù)。

1 金屬封裝技術(shù)

金屬封裝技術(shù)采用了金屬管殼、半導(dǎo)體恒溫器（ThermoelectricCooler，TEC）、柱狀吸氣劑，其封裝方式可適應(yīng)較極端的環(huán)境，并可與其他設(shè)備匹配，但缺點(diǎn)是成本占比過大，占整個非制冷產(chǎn)品生產(chǎn)的總成本的60%以上，且生產(chǎn)周期較長。國內(nèi)外的金屬封裝技術(shù)基本類似，無太大區(qū)別，封裝后的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)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(dǎo)致金屬封裝的整個流程時間過長，且每批生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量有限，無法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

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(fù)雜、吸氣劑成本較高，只適用于高端的軍事應(yīng)用，限制了其在民品市場的應(yīng)用。在金屬封裝中TEC起到穩(wěn)定探測器工作溫度點(diǎn)的作用，以保證探測器在室溫下工作，從而提高組件適應(yīng)極端環(huán)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(diào)整工作溫度點(diǎn)功能，無需TEC穩(wěn)定。國外諸如ULIS、FLIR、SCD、INO等知名非制冷廠家從2000年后隨著探測器、吸氣劑和封裝技術(shù)水平的提高，逐步采用了陶瓷封裝來取代金屬封裝。

圖1 (a)金屬封裝部件圖和(b)金屬封裝外形圖

2 陶瓷管殼封裝技術(shù)

陶瓷封裝使用的管殼為多層布線的陶瓷基板，內(nèi)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(shù)。其主要流程為芯片背金、貼片、打線、三合一焊接。目前國內(nèi)的主要產(chǎn)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(chǎn)品還是以國外產(chǎn)品為主。國外典型的產(chǎn)品有加拿大INO公司、法國ULIS公司、美國DRS公司，以色列SCD公司的陶瓷封裝，下面將逐一介紹。

2.1 加拿大INO公司的陶瓷封裝技術(shù)

加拿大INO公司的非制冷紅外焦平面探測器采用LCC（Leadless Chip Carriers，無針腳芯片封裝）管殼、紅外窗口為全鍺窗或硅紅外窗口、吸氣劑使用SAES PaGelid薄膜吸氣劑（激活溫度為300℃左右，30min）、腔體氣壓可達(dá)到1mTorr。封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用的主要工藝過程為粘片、打線、排氣、激活、封蓋。

圖2 INO公司的陶瓷封裝結(jié)構(gòu)圖

2.2 法國ULIS公司的陶瓷封裝技術(shù)

法國ULIS公司的非制冷紅外焦平面探測器采用兩種管腳的陶瓷封裝探測器，管殼類型為LCC和PGA。其中窗口采用紅外窗口和蓋板過渡結(jié)構(gòu)，吸氣劑為薄膜吸氣劑，直接生長在蓋板上，其激活溫度在300℃以上，高于其鍺窗焊接溫度，為先激活后焊鍺窗的工藝。具體的工藝流程為粘片、打線、排氣、激活吸氣劑、金屬板和窗片貼合、金屬板和陶瓷封裝貼合。圖3為ULIS的PGA和LCC的陶瓷封裝圖。

圖3 ULIS陶瓷封裝圖

2.3 美國DRS公司的陶瓷封裝技術(shù)

美國DRS公司主要有3種陶瓷封裝的非制冷紅外焦平面探測器：320×240（17um、25um）、640×480（17um、25um）、1024×768（17um），并且全都采用LCC的管殼封裝、窗口為全光學(xué)窗口（鍺窗或硅窗）、金屬化采用的是金層，吸氣劑為直接生長在鍺窗或硅窗上的薄膜吸氣劑。其工藝流程與INO的接近，即粘片、打線、排氣、激活、封蓋。如圖4所示給出了DRS公司的兩款（(a)U3600，(b)U8000）非制冷紅外焦平面探測器，均采用陶瓷封裝技術(shù)。

圖4 DRS陶瓷封裝圖

2.4 以色列SCD公司陶瓷封裝技術(shù)

以色列SCD公司目前主要推出320×240、640×480兩款產(chǎn)品，管殼類型為PGA。紅外窗口有兩種焊接方式，一種窗片鑲在金屬蓋板內(nèi)，另一種是鍺窗直接與陶瓷管殼焊接。工藝流程為粘片、打線、排氣、激活吸氣劑、（金屬板和窗片貼合、金屬板和陶瓷封裝焊接、或者紅外窗口直接與陶瓷焊接）。圖5為以色列SCD公司陶瓷封裝技術(shù)示意圖。

3 晶圓級真空封裝技術(shù)

晶圓級封裝又稱晶圓級尺寸封裝，已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的先進(jìn)封裝技術(shù)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(jìn)行大多數(shù)或是全部的封裝、測試程序，然后再進(jìn)行切割。是一種經(jīng)過提高和改進(jìn)的芯片尺寸封裝，滿足了尺寸小、輕、便攜式、手持、價格低、生產(chǎn)效率高的需求，難點(diǎn)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(dú)立的器件，W2W封裝工藝過程如圖6所示。C2W封裝方式是指將分割好的獨(dú)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(dú)立的器件，工藝過程如圖7所示。圖6、圖7中Cap wafer為窗片晶圓，device wafer為芯片晶圓。

圖5 SCD的陶瓷封裝圖

圖6 W2W封裝工藝流程

(g) 分割出獨(dú)立紅外探測器組件

圖7 C2W封裝工藝流程

目前國外諸如Raytheon的非制冷紅外焦平面探測器采用的是W2W封裝形式，ULIS、INO、三菱等公司則基本上采用C2W封裝形式。

3.1 Raytheon公司的晶圓級封裝技術(shù)

Raytheon公司采用W2W封裝形式，使用AuSn焊料焊接IRFPA晶圓和紅外硅窗口晶圓。圖8為封裝示意圖，其中(a)為非制冷紅外焦平面探測器晶圓，其表面有焊片浸潤用的底金屬環(huán)，其實(shí)就相當(dāng)于封裝上的UBM環(huán)，常用的一個就是Ni/Au體系，(b)為非制冷紅外焦平面探測器紅外硅窗口，其表面仍然存在一個Ni/Au體系金屬環(huán)，中間是一個相應(yīng)的AuSn焊料片，焊料片如夾心一般夾在三明治結(jié)構(gòu)中央。晶圓對準(zhǔn)之后，將三者放置到真空腔真空回流焊、完成真空封裝。

3.2 法國ULIS公司的晶圓級封裝技術(shù)

ULIS是最早開始研究晶圓級封裝的公司，采用的封裝形式是C2W，紅外窗口為紅外硅窗，其制作方法是首先完成深硅刻蝕、紅外增透膜蒸鍍、焊接電極制備、吸氣劑制備，焊料環(huán)同樣采用AuSn焊料焊接，然后實(shí)現(xiàn)三者對中，完成吸氣劑激活、真空封接，晶圓分割，測試。圖9所示為法國ULIS的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 Raytheon的W2W晶圓封裝：(a)紅外探測器晶圓，(b)紅外窗口晶圓

圖9 法國ULIS的晶圓級封裝

3.3 Honeywell公司的晶圓級封裝技術(shù)

Honeywell的晶圓級封裝思路和Raytheon類似。IRFPA晶圓和硅窗晶圓上有Ni/Au底層金屬環(huán)，PbSn焊片夾在中間，在非真空下進(jìn)行封接，此時并未實(shí)現(xiàn)真空封裝。其真空密封采用的方法，是在IRFPA底部，留有一個抽氣孔，將PbSn非真空焊之后，裝配到夾具中，送入真空蒸發(fā)沉積設(shè)備中，通過抽氣孔完成真空除氣，排氣完成后，沉積金屬，將抽氣孔密封，實(shí)現(xiàn)組件排氣。圖10所示為Honeywell的晶圓級封裝。

圖10 Honeywell的晶圓級封裝

3.4 INO公司的晶圓級封裝技術(shù)

INO的封裝采用的是W2W封裝形式，同時為了提高體表面積比，INO在IRFPA晶圓和硅窗晶圓間加入了陶瓷板來提高腔體高度。如圖11(a)所示，中間的板層可以選擇性的將IRFPA和硅窗鍵合在一起。其真空密封和Honeywell有點(diǎn)類似，又有區(qū)別。相似的是通過最后封孔的方式實(shí)現(xiàn)真空，不同的是，INO是在真空環(huán)境下，使用solder軟焊料進(jìn)行封孔（如圖11(b)），而不是蒸發(fā)。

圖11 INO公司的晶圓級封裝(a)及排氣口密封(b)

4 像元級封裝

像元級封裝是非制冷紅外焦平面探測器的一種全新的封裝技術(shù)，通過微電子工藝的淀積方法（典型的如原子層沉積方法），將只有幾微米厚的非晶硅膜淀積到每一個像素上，所以又稱0級封裝。這個一個芯片上有很多個真空密封帽，總數(shù)目等于陣列的像素數(shù)目，真空度小于0.5mbar。圖12為工藝過程示意圖，其中1～5為非制冷紅外焦平面探測器的MEMS示意圖，其中第6步是在微橋的橋面上生長第二層犧牲層，作為生長紅外窗口薄膜的支持層，在真空腔體內(nèi)通過窗口上的釋放孔將探測器和紅外窗口的犧牲層去除，最后通過原子層沉積方法封孔，完成像元級封裝。

像元級封裝的開發(fā)，極大地改變了目前的非制冷封裝技術(shù)，簡化了非制冷封裝過程，極大降低了封裝成本，使非制冷紅外探測器成本更加貼近民用和消費(fèi)級應(yīng)用市場的需求。但這種技術(shù)仍處于研究階段，目前尚未有正式產(chǎn)品出現(xiàn)。從文獻(xiàn)報道[6]來看最有代表性的是法國CEA-LETI公司研發(fā)的8英寸像元級封裝，其真空度可好于10-3mbar，采用的辦法是在探測器反射電極上增加一層小于400nm厚的薄膜吸氣劑，封孔后，在400℃下激活30min左右，可有效吸收像元內(nèi)部的殘余氣體，使其真空度優(yōu)于10-3mbar。

圖12 像元級封裝工藝步驟

對上述各類非制冷紅外焦平面探測器封裝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及國內(nèi)外代表廠商進(jìn)行簡要總結(jié)，如表1所示。

5 結(jié)論

真空封裝技術(shù)水平是決定非制冷紅外焦平面探測器成本和可靠性的主要因素之一。典型封裝技術(shù)包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝和像元級封裝。其中金屬封裝由于采用了成本較高的金屬管殼和陶瓷管殼，同時需要長時間的排氣，其封裝成本較高、生產(chǎn)效率較低，己不適合大規(guī)模、低成本生產(chǎn)要求。陶瓷封裝的讀出電路有自調(diào)整功能，無需TEC；吸氣劑采用薄膜或者片式吸氣劑，與金屬封裝相比，顯著減小了體積、重量、功耗，封裝成本大幅降低。但由于采用陶瓷管殼，尺寸大，成本仍較高，也不適合大批量生產(chǎn)。晶圓級封裝部分工藝與硅工藝相兼容，適合于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，是目前非制冷紅外探測器封裝研究的熱點(diǎn)和趨勢。晶圓級封裝目前還需要進(jìn)一步提高晶圓成品率，發(fā)展成熟的焊接金屬工藝和低溫激活薄膜吸氣劑制備技術(shù)。像元級封裝與晶圓級封裝相比，完全與硅工藝匹配，可極大地降低封裝成本，更加貼近民用市場需求，是新出現(xiàn)的第四代非制冷紅外探測器封裝技術(shù)，目前尚處于研發(fā)階段。因此，未來晶圓級封裝技術(shù)將成為非制冷紅外探測器的主流封裝技術(shù)，同時隨著半導(dǎo)體工藝設(shè)備水平的提高和價格的降低，像元級封裝也將很快進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。