CN103663356A - 透明衬底探测器芯片的封装方法及其封装结构 - Google Patents

Abstract

提供了一种透明衬底红外探测器芯片的封装方法，该芯片包括透明衬底和位于透明衬底上的芯片敏感结构，该方法包括：在透明衬底上生长第一中间物，第一中间物形成包围芯片敏感结构的第一图案；在另一基底上与第一中间物相对应地生长第二中间物，该基底是对预定波段射线透过率高的材料；以及将第一中间物和第二中间物通过键合工艺实现对芯片敏感结构的封装。该方法得到的封装结构简单，成本低，气密性好，制作工艺简单，适用于晶圆级封装。

Description

透明衬底探测器芯片的封装方法及其封装结构

技术领域

本发明涉及一种微细加工的技术领域，尤其涉及一种透明衬底探测器芯片的封装。

背景技术

红外探测技术广泛应用于预警、制导、夜视、跟踪及空间技术、天文、医学等领域，因此，人们对其的需求规模在不断扩大。在这种需求规模的驱动下，红外探测器的开发研制和工业生产都有了突飞猛进的发展。目前，已经研发并投入使用的探测器包括：制冷光量子型探测器、量子阱红外探测器、非制冷微测辐射热计、热释电型电读出红外探测器、热电堆型电读出红外探测器、二极管型电读出红外探测器。其中，红外探测器中的芯片作为核心是研发的重点。随着微机电系统（MEMS）技术的不断发展，一种基于MEMS技术的光读出热-机械型红外探测器的焦平面阵列（FPA）芯片已取得很大进展。

目前，用于红外探测器的芯片具有灵活多样的结构，每一种芯片结构都需要对应一种特定的封装结构和封装工艺，因此，造成MEMS器件的封装无法做成统一的标准制程，封装效率低且成本高。

目前常用的封装方式为法兰式封装，其中，法兰封装通常采用不锈钢材料为主体封装材料。在法兰封装中，通过法兰将待封装壳体等部件焊接，并将芯片封装在内。通过这种封装方式得到的封装结构不紧凑，体积较大，且气密性能有待提高。而红外探测器正向着尺寸、重量及功率（SWAP）逐渐减小的方向发展。因此，需要设计一种更加紧凑的封装结构，达到体积小、重量轻、气密性高等要求。

例如，光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的工作要求为：该芯片的封装结构的其中一侧红外透过率高，另一侧透过可见光用于光学读出，且需要真空封装。因此，在FPA芯片的封装过程中，要保护FPA芯片不受机械损伤，并且能够使某一波段的红外透过率高，以相应提高光读出热-机械型红外探测器的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、体积小、重量轻、气密性高的芯片的封装方法及封装结构。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种透明衬底探测器芯片的封装方法，其中该芯片包括透明衬底和位于透明衬底上的芯片敏感结构，则该方法包括：

在透明衬底上生长第一中间物，第一中间物形成包围芯片敏感结构的第一图案；

在基底上与第一中间物相对应地生长第二中间物，基底是对预定波段射线透过率高的材料；以及

将第一中间物和第二中间物键合。

本发明的另一实施例提供了一种探测器的透明衬底芯片的封装结构，该芯片包括透明衬底和位于透明衬底上的芯片敏感结构，其中，封装结构包括：

该透明衬底；

生长在所述透明衬底上的第一中间物，所述第一中间物形成包围所述芯片敏感结构的第一图案；

与所述透明衬底相对的基底，所述基底是对预定波段射线透过率高的材料；以及

生长在所述基底上的与所述第一中间物相对应的第二中间物；

其中，所述第二中间物与所述第一中间物是键合的。

本发明的实施例提供的封装方法和封装结构具有如下特点：

1、利用芯片的透明衬底作为封装结构的一侧以用于光学读出，因此封装结构简单紧凑且体积小，并且由于透明衬底直接作为封装结构的一部分而没有在透明衬底外附加任何其他结构，控温环可直接作用于透明衬底上，因此封装后的探测器芯片更易控温；

2、此封装工艺属低温工艺，因此对芯片敏感结构的影响小；

3、第一中间物和第二中间物之间的键合工艺在真空环境下进行，因此，所制得的红外探测器具有较好的气密性；

4、由于该封装可以应用于晶圆级芯片，因此提高了芯片的封装效率；

5、该封装方法不包括焊接步骤，封装工艺简单；以及

5、由于该封装结构将红外探测器芯片的透明衬底直接作为封装结构的一部分，使得其成本相对于现有技术低。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例的描述，本发明的以上和其它目的、特点和优点将变得清楚。在各附图中，相同或类似的附图标记表示相同或者类似的结构或步骤。

图1是根据本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装结构的剖面图；

图2（a）是根据本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的晶圆级的示意图；

图2（b）是根据本发明实施例的对应图2（a）进行封装的锗玻璃示意图；

图3是本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装方法的示意图；以及

图4（a）至图4（c）是根据本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装方法中产生的各中间结构的示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

在下面的描述中阐述了很多细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用不同于在此描述的方式来实施。

此外，在描述本发明的实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其不构成对本发明的限制。

下面，以透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装为例来详细描述本发明实施例的封装方法和封装结构。

图1示出了根据本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装结构的剖面示意图。

如图1所示，该FPA芯片包括透明衬底1和位于该透明衬底1之上的芯片敏感结构5。参考图1，该封装结构包括：该透明衬底1、在透明衬底1的配置有芯片敏感结构5的表面上生长的第一中间物3、与透明衬底1相对设置的基底2，以及在基底2上相对第一中间物3的一侧上生长的与第一中间物3相对应的第二中间物4。其中，第二中间物4与第一中间物3是键合的，并且，透明衬底1、第一中间物3、第二中间物4和基底2所包围的空间是真空的。

在本实施例中，基底2的材料是锗玻璃。在可替选的实施例中，基底2的材料可以是硅玻璃等对8-14μm红外波段射线透过率较高的材料，以降低基底2对红外线的吸收率。第一中间物3选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且第一中间物3的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。第二中间物4选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且第二中间物4的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。透明衬底1的材料可以是玻璃片、石英片、蓝宝石等透明材料，以用于可见光读出。

图2（a）是根据本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的晶圆级的示意图。

如图2（a）所示，为了示例，本实施例中的晶圆级FPA芯片包括四个FPA芯片，其中每一个FPA芯片上包括有芯片敏感结构5。在实际应用中，根据FPA芯片尺寸，晶圆上可以有更多或更少的FPA芯片。参考图2（a），第一中间物3在透明衬底1上形成包围芯片敏感结构5的第一图案，且高度大于芯片敏感结构5的高度。在一个可替选的实施例中，第一中间物3的高度小于芯片敏感结构5的高度，但其与第二中间物4键合后的高度大于芯片敏感结构5的高度。

如图2（a）所示，第一中间物3在透明衬底1上形成的第一图案为矩形图案，该矩形图案包括四个矩形子图案，且每个子图案分别包围四个FPA芯片中的每一个FPA芯片。在一个可替选的实施例中，第一图案可以是任意形状，并且包围每一个FPA芯片的子图案可以相同也可以不同。可替选地，第一中间物3可以根据每个FPA芯片的形状形成包围该每个FPA芯片的形状。

图2（b）是根据本发明实施例的对应图2（a）进行封装的锗玻璃示意图。如图2（b）所示，中间物4在锗玻璃上形成第二图案，该第二图案与图2（ａ）中所示的第一图案相对应，以便中间物4与中间物3键合以形成真空空间。例如，如果图2（ａ）中示出的第一图案为矩形，则图2（b）中示出的第二图案为相应的矩形。

为了更清楚地理解上述封装结构，本发明的实施例还提供了对应于上述封装结构的封装方法。图3是本发明实施例的透明衬底光读出热-机械型红外探测器的FPA芯片的封装方法的示意图，其包括如下步骤S11，S12和S13。

在步骤S11中，在该FPA芯片的透明衬底1的配置有芯片敏感结构5的表面上生长第一中间物3，该第一中间物3形成包围芯片敏感结构5的第一图案，得到如图4（a）所示的结构。

本实施例中，该FPA芯片可以是包括四个FPA芯片的晶圆级FPA芯片，其中每一个FPA芯片上都包括有芯片敏感结构5。在实际应用中，根据FPA芯片尺寸，晶圆上可以有更多或更少的FPA芯片。本实施例中，第一图案的高度可以大于芯片敏感结构5的高度。

第一图案可以包括包围每个FPA芯片的子图案，并且每一个子图案可以相同也可以不同。第一图案可以是任意形状，如矩形。优选地，第一中间物3可以根据每个FPA芯片的形状形成包围该每个FPA芯片的形状。

该FPA芯片的透明衬底1可以是玻璃片、石英片、蓝宝石等透明材料，以用于光学读出。在一个实施例中，该第一中间物3的材料可以是金属材料，如金、锡、铟、铜、铝、银、镍，也可以是紫外固化胶。第一中间物3的生长方式可以是蒸发、溅射、电镀。第一中间物3的厚度优选地在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。

在步骤S12中，在基底2上与第一中间物3相对应地生长第二中间物4，得到如图4（b）所示的结构。在一个可替选的实施例中，第一中间物3的高度小于芯片敏感结构5的高度，但其与第二中间物4键合后的高度大于芯片敏感结构5的高度。

在本实施例中，基底2的材料是锗玻璃。可替选地，基底2可以是硅玻璃等红外透过率较高的材料，以降低基底2对红外线的吸收率，以便进行红外探测。在一个实施例中，第二中间物4的材料选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶。第二中间物4的生长方式可以是蒸发、溅射、电镀。第二中间物4的厚度优选在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。第一中间物3和第二中间物4的材料可以相同，也可不同。

在步骤S13中，将第一中间物3和第二中间物4进行键合。将第一中间物3和第二中间物4的位置相对应，即，使得第一中间物3与第二中间物4具有对应的接触面，以便第一中间物3与第二中间物4键合后能形成密封的结构，如图4（c）所示，芯片敏感结构5被封装在由透明衬底1、第一中间物3、基底2以及第二中间物4形成的密封空间中。

该键合可以在真空环境下进行。根据第一中间物3和第二中间物4的材料，键合方法可以选用热压键合、共晶键合等本领域公知方法。

应当注意，以下步骤仅是示意性的，并且可以不以所示的顺序执行各步骤，或者可以同时执行某些步骤。例如，步骤S1可以和步骤S2同时执行。

如上，图4（a）至图4（c）示出了封装过程中产生的各中间结构，并最终形成如图1所示的封装结构。该封装结构包括：该FPA芯片的透明衬底1、形成在该的透明衬底1上的配置有芯片敏感结构5的表面上的第一中间物3、与透明衬底相对设置的基底2、形成在基底2上相对第一中间物3的一侧上的与第一中间物3相对应的第二中间物4，其中，第一中间物3与第二中间物4是键合的。

本发明的实施例提供了一种具有透明衬底的光读出热-机械型红外探测器芯片的封装方法和封装结构，其具有如下特点：

1、利用芯片的透明衬底作为封装结构的一侧以用于光学读出，因此封装结构简单紧凑且体积小，并且由于透明衬底直接作为封装结构的一部分而没有在透明衬底外附加其他结构，控温环可直接作用于透明衬底上，因此封装后的探测器芯片更易控温；

2、此封装工艺属低温工艺，因此对芯片敏感结构的影响小；

3、第一中间物和第二中间物之间的键合工艺在真空环境下进行，因此，所制得的红外探测器具有较好的气密性；

4、由于该封装可以应用于晶圆级芯片，因此提高了芯片的封装效率；

5、该封装方法不包括焊接步骤，封装工艺简单；以及

6、由于该封装结构将红外探测器芯片的透明衬底直接作为封装结构的一部分，使得其成本相对于现有技术低。

以上所述为本发明的实施例，不构成对本发明的限制。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。例如，可以选择对其他特定波段（除红外波段）透射率高的材料作为基底，来进行其他对应类型探测器芯片的封装。本发明的保护范围以后附的权利要求为准。

Claims (12)

1.一种透明衬底探测器芯片的封装方法，所述芯片包括透明衬底和位于所述透明衬底上的芯片敏感结构，其中，所述方法包括：

在所述透明衬底上生长第一中间物，所述第一中间物形成包围所述芯片敏感结构的第一图案；

在基底上与所述第一中间物相对应地生长第二中间物，所述基底是对预定波段射线透过率高的材料；以及

将所述第一中间物和所述第二中间物键合。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述键合是在真空条件下进行的。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述基底是对8-14μm红外波段射线透过率高的材料。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述基底是蒸镀有红外增透膜的锗片或硅片。

5.如权利要求1-3的任一项所述的方法，其中，所述第一中间物选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且所述第一中间物的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。

6.如权利要求1-3的任一项所述的方法，其中，所述第二中间物选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且所述第二中间物的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。

7.一种透明衬底探测器芯片的封装结构，所述芯片包括透明衬底和位于所述透明衬底上的芯片敏感结构，其中，所述封装结构包括：

所述透明衬底；

生长在所述透明衬底上的第一中间物，所述第一中间物形成包围所述芯片敏感结构的第一图案；

与所述透明衬底相对的基底，所述基底是对预定波段射线透过率高的材料；以及

生长在所述基底上的与所述第一中间物相对应的第二中间物；

其中，所述第二中间物与所述第一中间物是键合的。

8.如权利要求7所述的封装结构，其中，所述透明衬底、所述基底、所述第一中间物和所述第二中间物包围的空间是真空的。

9.如权利要求8所述的封装结构，其中，所述基底是对8-14μm红外波段射线透过率高的材料。

10.如权利要求9所述的封装结构，其中，所述基底是蒸镀有红外增透膜的锗片或硅片。

11.如权利要求7-10的任一项所述的封装结构，其中，所述第一中间物选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且所述第一中间物的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。

12.如权利要求7-10的任一项所述的封装结构，其中，所述第二中间物选自以下各项中的一种或几种：金、锡、铟、铜、铝、银、镍、紫外固化胶，且所述第二中间物的厚度在0.1μm-1000μm之间，包括端点值。

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