CN103148947B - 提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构，包括红外探测器和承载红外探测器的承载基板；所述红外探测器包括硅基底，悬浮膜，在硅基底中的空腔结构，位于悬浮膜中的热电堆结构，热电堆结构的一端为热端，另一端为冷端，在悬浮膜上引出引线电极，在引线电极上设置焊料凸点；所述红外探测器倒扣叠加在承载基板上。本发明的改进之处在于：在所述红外探测器的硅基底的背面生长红外增透膜，在所述空腔结构正下方悬浮膜正对的承载基板表面设置红外反射膜。进一步改进在于，所述红外增透膜为图形化的红外增透膜，覆盖在除所述冷端上方的硅基底背面对应区域以外的硅基底背面。本封装结构提高了红外探测器响应率。

Description

提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构

技术领域

本发明涉及一种微电子封装结构，尤其是一种热电堆红外探测器的晶圆级封装结构。

背景技术

红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。热电堆红外探测器是较早发展的一种非制冷型红外探测器。其工作原理基于赛贝克效应，即两种不同电导体或半导体材料温度差异导致两种材料之间产生电压差。由于热电堆红外探测器具有体积小，可以室温下工作，宽谱红外辐射响应，能够检测恒定辐射量，并且制备成本低等优势，在安全监视、医学治疗、生命探测等方面有广泛应用。

目前，热电堆结构普遍采用薄膜结构，以起到良好的隔热效果。为了避免因切割所造成的良品率低，目前制造业者通常先切割晶片，在释放悬浮结构，然后将元件一个一个封装。如此会增加释放悬浮结构的繁复，并导致成本大幅度提高。另一方面，红外探测器的封装传统上使用金属外壳为封装上盖，然后制作一红外透射窗与其上。金属封装材料与工艺及红外透射窗费用占据了红外感测元件成本相当大的比例。

目前，我单位开发出一种晶圆级封装热电堆红外探测器，见图1所示，包括硅基底2，位于硅基底2正面的悬浮膜3，硅基底2中的空腔结构4，热电堆结构9，热电堆结构9的一端为热端7，另一端为冷端8，引线电极10，焊料凸点11，承载基板12（通常为印刷电路板），承载基板12上的对外导电接点13连接所述焊料凸点11。该技术是将硅基底2的背面正对红外辐射源5，通过利用硅基底材料作为红外透镜，避免使用昂贵的红外窗口，有效地降低工艺复杂性和探测器成本。此外该技术采用晶圆级封装和倒装焊技术也有效地减小了体积。

但是由于硅基底材料对红外线波段具有一定选择性，并且原始硅基透射率不高，在硅表面存在红外反射现象，会引起红外辐射能量衰减。此外悬浮膜3的材料对红外线吸收率也较低引起红外辐射能量二次衰减，使得探测器应用波长受限，响应率较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有热电堆红外探测器封装技术的不足，提供一种响应率高、成本低，适用于与CMOS工艺兼容的热电堆红外探测器的晶圆级封装结构。本发明采用的技术方案是：

一种提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构，包括红外探测器和承载红外探测器的承载基板；所述红外探测器包括硅基底，硅基底正面的悬浮膜，在硅基底中形成的空腔结构，位于悬浮膜中的热电堆结构，热电堆结构的一端为热端，另一端为冷端，在悬浮膜上引出引线电极，在引线电极上设置焊料凸点；

所述红外探测器正面面向承载基板，倒扣叠加在承载基板上，所述焊料凸点与承载基板上对应位置处的对外导电接点连接。

本发明的改进之处在于：在所述红外探测器的硅基底的背面生长红外增透膜，在所述空腔结构正下方悬浮膜正对的承载基板表面设置红外反射膜。

作为本发明的进一步改进，所述红外增透膜为图形化的红外增透膜，覆盖在除所述冷端上方的硅基底背面对应区域以外的硅基底背面。此举措使得冷端所获红外辐射相对较少，可以进一步提高冷热端温度差，提高器件响应率。

优选地，所述红外反射膜为单层金属膜、单层金属和保护膜构成的复合膜或在金属膜上涂覆偶数层介质膜形成的金属电解质膜系反射膜。

本发明的原理是：在正对红外辐射源（附图标记5所示）的硅基底背面生长一层红外增透膜，该层红外增透膜可直接淀积于整个硅基底背面，也可以继续对其进行图形化处理，将所述冷端上方的硅基底背面对应区域的红外增透膜去除。如此红外线能有效地通过硅基底，穿过空腔结构；红外线部分被悬浮膜吸收，部分透过悬浮膜到达承载基板上的红外反射膜，到达承载基板红外反射膜上的红外辐射经反射材料反射到悬浮膜，被悬浮膜再次吸收。

本发明的优点：通过对正对红外辐射源的硅基底背面生长红外增透膜，以及在空腔结构正下方悬浮膜正对的承载基板表面设置红外反射膜的方法，对热电堆红外探测器的封装结构做了改进，大大提高红外辐射能量的利用率，克服已有技术中红外辐射多次损耗、转化低的缺点，有效利用辐射能量，提高红外探测器响应率，提高红外探测器性能。

附图说明

图1为现有热电堆红外探测器的封装结构。

图2为改进后的热电堆红外探测器的封装结构。

图3为进一步改进后的热电堆红外探测器的封装结构。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图２、图3所示：

一种提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构，包括红外探测器1和承载红外探测器1的承载基板12；所述红外探测器1包括硅基底2，硅基底2正面的悬浮膜3，在硅基底2中形成的空腔结构4，位于悬浮膜3中的热电堆结构9，热电堆结构9的一端为热端7，另一端为冷端8，在悬浮膜3上引出引线电极10，在引线电极10上设置焊料凸点11；

所述红外探测器1正面面向承载基板12，倒扣叠加在承载基板12上，所述焊料凸点11与承载基板12上对应位置处的对外导电接点13连接。

本发明所做的针对性改进在于：

在所述红外探测器1的硅基底2的背面生长红外增透膜6，在所述空腔结构4正下方悬浮膜3正对的承载基板12表面设置红外反射膜14。

红外增透膜6的作用是减少红外反射的强度，从而增加透射强度。对于单层增透膜来说，其只对某一特定波长的红外线增透，薄膜厚度为特定红外线1/4波长的奇数倍。为使在更大范围内和更多波长实现增透，多利用镀多层膜来实现。常用的红外增透膜材料有氟化镁、氧化钛、硫化铅、硒化铅以及陶瓷红外光红外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷杂化膜等。

进一步的改进之处在于，将所述冷端8上方的硅基底2背面对应区域的红外增透膜6去除，从而使得红外增透膜6覆盖在除所述冷端8上方的硅基底2背面对应区域以外的硅基底2背面。

实施例一，如图2所示，热电堆型的红外探测器1包括硅基底2、悬浮膜3、空腔结构4，其中悬浮膜3中包含热电堆结构9。

通过现有工艺技术在悬浮膜3内部制作热电堆结构9，热电堆结构9，通常由一系列热偶条串联而成，热电堆结构9的一端为热端7，另一端为冷端8。

在硅基底2正对红外辐射源5的背面生长红外增透膜6，本实施例中，红外增透膜6直接通过镀膜技术均匀生长于硅基底2背面。常用的镀膜方法有真空蒸镀、化学起相沉积、溶胶—凝胶镀膜等方法。

然后在悬浮膜3上引出引线电极10，并在引线电极10上制作焊料凸点11。

将红外探测器1倒扣叠加在承载基板12上，采用倒装焊技术把焊料凸点11与承载基板12上对应位置处的对外导电接点13焊接，从而使红外探测器1倒装焊接在承载基板12上。

随后在所述空腔结构4正下方悬浮膜3正对的承载基板12表面设置红外反射膜14。红外反射膜14可选用单层金属膜、单层金属和保护膜构成的复合膜或在金属膜上涂覆偶数层介质膜形成的金属电解质膜系反射膜（来自：CN1274953A一种新结构薄膜热电堆）。红外探测器1与承载基板12构成一表面贴装器件（SMD）。此种封装结构与现有CMOS工艺兼容，有效地降低工艺复杂性和探测器成本，有效利用红外辐射能量，提高探测器响应率，提高探测器性能。

实施例二，如图3所示，是在实施例一的基础上做的进一步改进，将所述冷端8上方的硅基底2背面对应区域的红外增透膜6去除，使得硅基底2背面形成的是图形化的红外增透膜。图形化的红外增透膜覆盖在所述空腔结构4上方的硅基底2背面区域。其它方面的结构同实施例一。形成图形化的红外增透膜的详细过程如下：

通过镀膜技术在硅基底2正对红外辐射源5的背面均匀生长红外增透膜6，在该层红外增透膜表面旋涂光刻胶，然后在需要去除增透膜位置（热电堆的冷端8上方区域）通过光刻工艺在光刻胶上形成光刻胶开口图形；利用RIE技术刻蚀光刻胶开口图形处的红外增透膜，保留下图形化的红外增透膜。最后利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除光刻胶。上述RIE刻蚀时的RF功率为150W，腔体压力为400mTorr，刻蚀气体为CHF3、He、SF6混合气体，对应的流量为7/100/30sccm。

实施例二所形成的结构，使得冷端8上方没有红外增透膜，冷端8所获红外辐射相对较少，可以进一步提高冷热端温度差，提高器件响应率。

Claims (1)

1.一种提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构，包括红外探测器（1）和承载红外探测器（1）的承载基板（12）；所述红外探测器（1）包括硅基底（2），硅基底（2）正面的悬浮膜（3），在硅基底（2）中形成的空腔结构（4），位于悬浮膜（3）中的热电堆结构（9），热电堆结构（9）的一端为热端（7），另一端为冷端（8），在悬浮膜（3）上引出引线电极（10），在引线电极（10）上设置焊料凸点（11）；

所述红外探测器（1）正面面向承载基板（12），倒扣叠加在承载基板（12）上，所述焊料凸点（11）与承载基板（12）上对应位置处的对外导电接点（13）连接；

其特征在于：

在所述红外探测器（1）的硅基底（2）的背面生长红外增透膜（6），和在所述空腔结构（4）正下方悬浮膜（3）正对的承载基板（12）表面设置红外反射膜（14）；

所述红外增透膜（6）为图形化的红外增透膜，覆盖在除所述冷端（8）上方的硅基底（2）背面对应区域以外的硅基底（2）背面；

所述红外增透膜（6）采用多层膜，红外增透膜（6）的材料为氟化镁、氧化钛、硫化铅、硒化铅以及陶瓷红外光红外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷杂化膜中的一种；

所述红外反射膜（14）为单层金属膜、单层金属和保护膜构成的复合膜或在金属膜上涂覆偶数层介质膜形成的金属电解质膜系反射膜。