专利名称：一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装工艺及封装装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电封装技术领域，具体涉及非制冷红外探测的真空封装技术领域。
背景技术：
电子真空封装是电子器件控制成本的一大难题，传统的金属和陶瓷封装工艺复 杂，成本高，而且需要真空条件工作的光电器件，测试成本也非常昂贵。该封装形式能够利 用现有微电子技术，大大降低红外真空器件的成本。随着集成电路和半导体工艺技术的发展，非制冷红外焦平面器件的读出电路也集 成到了统一的基片上。微电子工艺的读出电路上面做器件结构已成为该领域的工艺趋势， 那么在统一硅片上完成该类工艺后，经过特性测试，打标进行划片，最后再进行单片的封 装。在此工艺流程中，测试一般情况都必须提供高真空的的测试环境和有效的辐射源，这给 测试带来了一定的难度，并无形中增加了测试环境的运行成本。而传统的金属或陶瓷封装 除了昂贵的外壳，光窗，GETTER, TEC, NTC等部件外，还涉及到复杂的焊接工艺，如光窗边缘 金属化，铟锡焊接，激光焊接，抽真空等。而且部分工艺如抽真空的条件，铟锡焊接等都是非 常苛刻的，产业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红外的物理特性， 首先在硅片上镀红外增透膜和结合单片的边缘金属处理，通过微电子领域wafer级封装的 较为成熟技术，实现光电红外器件在微电子工艺线上的封装。完成红外器件高透过率，真空 寿命长，集成度高，小型化，低成本的封装和测试要求。传统非制冷红外真空封装采用低漏气率的金属管壳或陶瓷管壳，该管壳(一般为 可伐材料)需要引脚的玻璃绝缘纸工艺处理，抽气管(高导无氧铜)的银铜焊接，一般引脚 需要镀金，而可伐由于容易锈蚀，需要镀镍。内部NTC和TEC形成温度控制闭环，控制焦平 面工作时的温度。结构复杂，工艺繁琐，成本非常高。

发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装工艺 及封装装置，该封装工艺及封装装置与传统封装方法如金属封装和陶瓷封装相比能有效降 低非制冷红外焦平面阵列器件在封装和测试上的成本，弥补了 UPOC技术上无温度控制功 能的缺陷，并具备传统封装的所有功能。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种非制冷红外焦平面阵列器件的 封装装置，其特征在于，包括本体和封盖，所述本体和封盖配合工作，在真空室中两者经过 加热压紧封装为一体，其中①本体包括第一衬底，在衬底的表面设有P、N特性的重掺杂区，在衬底中间设置 有条状金属边框，条状金属边框区域内的上方设置读出电路区域，下方设置焦平面阵列区 域，重掺杂区面积大于焦平面阵列区域，焦平面阵列区域有MXN个单元，在条状金属图形 和衬底边缘之间设置有若干压焊盘，在焦平面阵列区域设置有若干参比电阻；
②封盖包括第二衬底，在第二衬底的两侧都设置有类金刚石膜，在任一侧设置有 与本体中的条状金属边框相对应的封盖金属边框，并在封盖金属边框上设置有金属焊料。按照本发明所提供的非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，所述 封盖在设置有金属边框的一侧设置有薄膜状吸气剂，该薄膜状吸气剂当温度加热到一定程 度就会被激活。按照本发明所提供的非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，所述 金属焊料为铟锡焊料。一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装工艺，其特征在于，包括以下步骤①制备本体a、半导体制冷器的制备在第一硅衬底表面制备P、N特性的重掺杂区，该重掺杂 区面积大于焦平面阵列区域，然后利用焦平面阵列本身的反射层金属做电极，实现P、N两 极连接，在采用光刻工艺在对应焦平面阵列区域边缘的位置切断反射层金属的连接，形成 一个完整的半导体制冷器；b、负温度系数传感器的制备基于微测热辐射计的参比单元本身就是一个负温度 系数传感器，只需要在制作焦平面器件过程中，引出两个亚焊点，该负温度系数传感器就可 以检测衬底温度。C、金属边框的制备在硅衬底上制备了半导体制冷器的一侧面沉淀反射层以及钝 化层后，在制备一层过渡层，在过渡层上制备一层金属层，然后在介于焦平面阵列区域、读 出电路区域和硅衬底边缘的之间的区域制备一框形光刻胶，之后牺牲掉除设置光刻胶位置 外的过渡层和金属层，在除掉光刻胶，形成金属边框，金属边框的厚度大于焦平面阵列的厚 度d、压焊盘的设置在介于金属边框和硅衬底边缘的位置设置若干个压焊盘；②制备封盖a、封盖金属边框的制备选定与第一硅衬底大小对应的第二硅衬底，在硅衬底两 侧面镀类金刚石膜，然后一次制备过渡层和金属层，在金属层上设置与本体金属边框相对 应光刻胶，然后牺牲掉除设置光刻胶以外位置的金属层，再除掉光刻胶，形成封盖金属边 框，并且在金属边框上设置金属焊料；b、吸气剂的制备在封盖金属边框制备薄膜吸气剂，该薄膜吸气剂的设置位置不 与焦平面阵列区域对应；C、增透膜的制备在封盖的两侧制备增透膜，该增透膜不覆盖薄膜吸气剂；③整体密封首先将制备好的本体和封盖放入真空室中，将本体和封盖沿金属边框进行夹装， 通过上下加热板进行加热使金属焊料融化，并激活薄膜吸气剂，完成封装过程。本发明的有益效果本发明利用了红外焦平面参比电阻的特性，通过键合引出代 替NTC功能，TEC则采用传统微电子工艺在功率器件上的P，N离子注入工艺成功实现P，N 结耦合对，从而实现TEC (半导体制冷器)功能，与金属封装和陶瓷封装相比是一种较为经 济的封装方法，并弥补了 uPOC技术无温度控制(缺少TEC和NTC)功能的缺陷，结合特有的 红外增透膜，类金刚石膜技术和硅片金属焊接技术，成功解决非制冷红外封装的新型封装 技术方案。该技术在非制冷红外焦平面量产后，能有效降低此产品在封装和测试上面的成本，并具备传统封装的所有功能。本方案结合并扩展了相关领域的成果，引入并整合了该领域最前沿的技术，弥补 了部分红外焦平面封装方案的不足，实现了较为全面的红外焦平面封装方案。


图1为新型封装的非制冷红外焦平面器件本体和封盖的结构示意图；图2半导体制冷器(TEC)工作原理及结构示意图；图3半导体制冷器的制作工艺流程图；图4红外焦平面本体封装准备的工艺流程及结构图解；图5红外焦平面封盖封装准备的工艺流程及结构图解；图6整体密封的结构示意图。其中，1、焦平面阵列区域，2、读出电路，3、金属焊料区域，4、薄膜吸气剂，5、条状金 属图形，6、压焊盘，7、参比电阻，8、η+掺杂区，9、ρ+掺杂区，10、反射层金属，11、光刻胶，12、 钝化层等上层膜系，13、过渡层，14、光刻胶，15、类金刚石膜，16、硅衬底，17、类金刚石膜， 18、过渡层，19、金属层，20、光刻胶。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述首先有如图1(a)的非制冷红外焦平面的结构示意图，在焦平面阵列区域有MXN 个单元，焦平面阵列区域1位于下方，上方是读出电路区域2，条状金属5图形位于靠近边 框内侧处，压焊盘6在金属图形与边缘之间，绝大多数焦平面如图所示，两侧都会分布参比 电阻7，差分信号的阻值对比之用。图1(b)是封盖的分布，在封盖边缘内侧是金属焊料区 域3，上方覆盖有薄膜状吸气剂4，该吸气剂当温度加热到一定程度就会被激活。注意当封 盖盖上后，吸气剂的覆盖区域不能与焦平面阵列区域重合，否则，红外将不能透过封盖到达 焦平面。下面将分别阐述本体，封盖，以及整体密封工艺的原理及流程。(1)，本体制备本体的制备是该过程中最关键，也是较为复杂的部分，在封装这个领域主要包括 半导体制冷器，负温度系数传感器，以及焊接金属边框的制备三个方面。半导体制冷器是红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 温度稳定以及温度分布的均勻性。它的基本原理是采用了半导体中的帕尔帖效应，如图2 所示，即把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流 从N极流向P极时，两者上端产生吸热现象，此端称冷端，下端产生放热现象，此端称热端， 如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。在VP0W，工艺流程如图3所示，图中的1代表N特性的重掺杂区域，2代表P特性 重掺杂，10代表反射层金属铝，11代表光刻胶层，12钝化层等上层膜系，6焦平面陈列。首 先，在硅衬底表面做P特性重掺杂2，N特性的重掺杂8，掺杂面积约大于焦平面阵列区域。 然后，利用焦平面本身的反射层金属铝10做电极，实现P，N两级对连，反射层主要采用金属 铝的溅射工艺，反射层作为红外信号的反射腔底部，有利于红外信号吸收。之后，在其上再 铺上光刻胶11，采用光刻工艺按照图3(d)的位置切断金属连接，从而就形成了一个完整的
5半导体制冷器。该工艺不影响后端焦平面的制备工艺，后续工艺可在此基础上发展。负温度系数传感器即NTC部分，可由一个标准的参比电阻完成，如图1(a)所示，参 比电阻分布在焦平面阵列区域两端，该电阻会随温度的变化，阻值变小，且在常温下，阻值 变化线性度好，是一个理想的NTC。该工艺只需要在工艺中单独引线，键合引出即可。金属边框的制作工艺采用了较为通用的溅射，光刻，湿法刻蚀工艺，其工艺流程如 图4所示。图4中8代表η+掺杂区，9代表ρ+掺杂区，10代表反射层及钝化层等，13代表 过渡层，11代表金属层，14光刻胶。首先在上层用镍镉打底，溅射500埃，然后溅射2um铝， 接下来通过标准的光刻工艺显影，湿法刻蚀，金属框图形就制备完成了。(2)，封盖制备封盖的制备与本体金属边框类似，其工艺流程如图5所示。图5中15代表类金刚 石膜，16代表硅衬底，17代表类金刚石膜，18代表过渡层，19代表金属层，20代表光刻胶，3 代表金属焊料，4代表薄膜吸气剂。首先在硅衬底两侧镀类金刚石膜，类金刚石膜的主要功 能是增加硅片强度，其采用石墨溅射的方法，厚度为lum。然后，仍然采用镍镉溅射的方法制 备过渡层，镍镉厚度仍然为500埃。在此基础上溅射2um金属铝，接下来经过与本体金属框 制备方法相同的方法得到金属边框。下面比较关键的一步，即铟锡焊料的涂敷，铟锡焊料具 有气密性好，溶点低等有点适用于较薄的金属镀层间的焊接。铟锡焊料的涂敷采用熔融焊 料注射的方法，并在氮气环境下完成注射过程，这样就可以保证焊料在熔融态注射到金属 过程中不会氧化。经过以上工艺制备后，封盖还需要进行最后两道工序，即GETTER(吸气剂)的制 备，吸气剂在真空环境下激活，激活后可在真空腔内不断吸气，以平衡由于内壁气体分子释 放，和局部焊料老化引起的微小裂缝带来的真空寿命缩短的问题。薄膜吸气剂采用锆钒铁 合金粉500摄氏度高温烧结而成，合金粉均勻涂敷，厚度50um。最后剩下了蒸镀增透膜，增 透膜的双面蒸镀，材料硫化锌，温度一般控制在200 300摄氏度之间，按照增透的四分之 一波长原理，厚度约在2 3um之间，其具体厚度由选择的透过率峰值而定。也可采用复合 的膜系设计完成该工艺。到此，封盖的制备就已经完成了。(3)，整体密封本体和封盖制备完成后，即进入整体密封过程，如图6所示。图6中1代表增透膜， 该过程需要注意环境控制以及对位。首先将所有需要密封的部件放入真空室中，真空度一 般为lE10-5Pa。装夹对位好以后，通过上下加热板加热，加热温温度控制在200度，加温5 分钟以后，焊料基本都已融化，位于上方顶口下压，以实现对接。顶口温度控制在250摄氏 度，激活吸气剂，压紧时间约十分钟，以便焊料能够完全沁润，最后停止加热，退火时间控制 在120分钟，即完成整个封装流程。以下本发明的具体实施例实施例1一种非制冷红外焦平面器件，由320X240个非制冷红外焦平面单元组成，每个非 制冷红外焦平面单元尺寸为50umX50um大小，阵列区域大小16mmX 12mm，整合读出电路 大小22mmX 25mm，读出方式为列选通方式。在制作中制备241个热敏电阻，P，N注入按照 4mmX 16mm,和8mmX 16mm规格并用铝层连通，金属图形与芯片共心，大小18mmX 20mm。封盖 面积 20mm X 22mm。
实施例2一种非致冷红外焦平面器件，由640X480个非制冷红外焦平面单元组成，每个非 制冷红外焦平面单元尺寸为15umX15um大小，阵列区域大小9. 6mmX 7. 2mm，整合读出电路 大小15mmX 18mm，读出方式为行选通方式。在制作中制备641个热敏电阻，P，N注入按照 3. 2mmX 7. 2mm，和6. 4mmX 7. 2mm规格并用铝层连通，中间缝隙50um，金属图形与芯片共心， 大小 12mmX13mm。封盖大小 13mmX 16mm。根据非制冷红外焦平面单元的结构，各组成部分的材料和尺寸的不同可以组合出 很多种类似的实施方式，在此不再一一详述。
权利要求
一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，包括本体和封盖，所述本体和封盖配合工作，两者在真空室中经过加热压紧封装为一体，其中①本体包括第一衬底，在衬底的表面设有P、N特性的重掺杂区，在衬底中间设置有条状金属边框，条状金属边框区域内的上方设置读出电路区域，下方设置焦平面阵列区域，重掺杂区面积大于焦平面阵列区域，焦平面阵列区域有M×N个单元，在条状金属图形和衬底边缘之间设置有若干压焊盘，在焦平面阵列区域设置有若干参比电阻；②封盖包括第二衬底，在第二衬底的两侧都设置有类金刚石膜，在任一侧设置有与本体中的条状金属边框相对应的封盖金属边框，并在封盖金属边框上设置有金属焊料。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，所述 封盖在设置有金属边框的一侧设置有薄膜状吸气剂，该薄膜状吸气剂当温度加热到一定程 度就会被激活。
3.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，所述 金属焊料为铟锡焊料。
4.一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装工艺，其特征在于，包括以下步骤①制备本体a、半导体制冷器的制备在第一硅衬底表面制备P、N特性的重掺杂区，该重掺杂区面 积大于焦平面阵列区域，然后利用焦平面阵列本身的反射层金属做电极，实现P、N两极连 接，在采用光刻工艺在对应焦平面阵列区域边缘的位置切断反射层金属的连接，形成一个 完整的半导体制冷器；b、负温度系数传感器的制备在制作焦平面器件过程中，引出两个亚焊点；c、金属边框的制备在硅衬底上制备了半导体制冷器的一侧面沉淀反射层以及钝化层 后，在制备一层过渡层，在过渡层上制备一层金属层，然后在介于焦平面阵列区域、读出电 路区域和硅衬底边缘的之间的区域制备一框形光刻胶，之后牺牲掉除设置光刻胶位置外的 过渡层和金属层，在除掉光刻胶，形成金属边框，金属边框的厚度大于焦平面阵列的厚度d、压焊盘的设置在介于金属边框和硅衬底边缘的位置设置若干个压焊盘；②制备封盖a、封盖金属边框的制备选定与第一硅衬底大小对应的第二硅衬底，在硅衬底两侧面 镀类金刚石膜，然后一次制备过渡层和金属层，在金属层上设置与本体金属边框相对应光 刻胶，然后牺牲掉除设置光刻胶以外位置的金属层，再除掉光刻胶，形成封盖金属边框，并 且在金属边框上设置金属焊料；b、吸气剂的制备在封盖金属边框制备薄膜吸气剂，该薄膜吸气剂的设置位置不与焦 平面阵列区域对应；c、增透膜的制备在封盖的两侧制备增透膜，该增透膜不覆盖薄膜吸气剂；③整体密封首先将制备好的本体和封盖放入真空室中，将本体和封盖沿金属边框进行夹装，通过 上下加热板进行加热使金属焊料融化，并激活薄膜吸气剂，完成封装过程。
全文摘要
本发明公开了一种非制冷红外焦平面阵列器件的封装装置，其特征在于，包括本体和封盖，所述本体和封盖配合工作，两者在真空室中经过加热压紧封装为一体，其中①本体包括第一衬底，在衬底的表面设有P、N特性的重掺杂区，在衬底中间设置有条状金属边框，条状金属边框区域内的上方设置读出电路区域，下方设置焦平面阵列区域，重掺杂区面积大于焦平面阵列区域，焦平面阵列区域有M×N个单元，在条状金属图形和衬底边缘之间设置有若干压焊盘，在焦平面阵列区域设置有若干参比电阻；②封盖包括第二衬底，在第二衬底的两侧都设置有类金刚石膜，在任一侧设置有与本体中的条状金属边框相对应的封盖金属边框，并在封盖金属边框上设置有金属焊料。
文档编号G01J5/02GK101893483SQ20101016171
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月4日 优先权日2010年5月4日
发明者刘子骥, 张 杰, 李伟, 蒋亚东, 郑兴 申请人:电子科技大学