CN105140337B - 一种光电传感器冷压焊倒装互连方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电传感器冷压焊倒装互连方法，在玻璃基底上用蜡粘接光电敏感单元，并在光电敏感单元上通过常规沉积方法间隔设置第一粘接金属，再在第一粘接金属表面设置第一粘接金属，得到光电敏感元；在信号放大读出电路上间隔设置第二粘接金属，再在第二粘接金属表面设置第二粘接金属，得到信号处理元；将第二粘接金属和第一粘接金属对准，并在室温下施加压力完成冷压焊，使信号处理元的第二粘接金属发生形变，并嵌入到光电敏感元的第一粘接金属中，再去除玻璃基底和蜡，即得到倒装互连的光电传感器。本发明避免了软质金属加热回流对敏感元的损害，不仅简化工艺、降低工艺成本，还增加了光电传感器倒装互连的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电传感器冷压焊倒装互连方法，属于探测器设备技术领域。
背景技术
光电焦平面探测器组件是获取目标信息的重要器件，按照探测器敏感的不同波段可以分成两种：可见光光电焦平面探测器和非可见光焦平面探测器。可见光焦平面探测器主要由硅基材料制备，非可见光焦平面探测器的材料不仅仅限于硅，还有非硅半导体和其他材料，这些材料不能采用标准硅工艺进行一体化集成制造。但无论是何种材料制备，都只使用硅集成电路完成光电传感器信号的放大和读出。
光电传感器为实现较高空间分辨率，探测器的光敏元件中心间距较小。如图1所示的采用软金属回流球1倒装互连的垂直互连工艺，其光电传感器2的电信号经过电极4，到达软金属回流球1，进入硅集成的信号放大读出电路3，实现每个独立探测器单元的电信号放大和读出。
在光电传感器的倒装互连工艺中有两个特点：1）、在信号放大读出电路3上进行第一次高温回流，使得软金属回流球1收缩熔化成为球状，提高互连软金属回流球1的高度；2）、光电传感器2一侧不制备软质互连金属，在完成光电传感器2与信号放大读出电路3的倒装互连以后，通过第二次高温加热使软金属回流球1与光电传感器2和信号放大读出电路3上的焊接金属5共融，从而形成从光电传感器2到信号放大读出电路3的电信号通路，并且通过互连软金属回流球1与焊接金属5的共融实现光电传感器2与信号放大读出电路3的自对准。
目前已有的倒装互连焊接工艺中存在两个加温的过程，所施加的温度均必须超过100℃，在加工过程中相当一部分光电敏感材料因不能承受如此高的温度而无法采用现有倒装互连工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电传感器冷压焊倒装互连方法，整个互连工艺过程均在室温下完成，信号读出电路和光电敏感单元——即光电传感器不需要经历高温，使得对温度承受度差的光电敏感单元能够完整的焊接到信号读出电路上。该方法在保证电信号良好连通的同时降低了工艺复杂程度，从根本上解决了因加热带来的工艺复杂，以及光电敏感材料因不能承受高温而无法完成倒装互连的问题。
本发明通过下列技术方案实现：一种光电传感器冷压焊倒装互连方法，经过下列各步骤：
第一步、在玻璃基底上用蜡粘接光电敏感元件，并在光电敏感元件上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200～500nm的第一粘接金属，再在第一粘接金属表面通过常规沉积方法沉积厚度为2000～4000nm的第一软质金属，得到光电敏感单元；
第二步、在信号放大读出电路上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200～500nm的第二粘接金属，再在第二粘接金属表面通过常规沉积方法沉积厚度为5000～8000nm的第二软质金属，使成型后的第二软质金属的上端面的面积为光电敏感元件上第一软质金属面积的25～50%，得到信号处理单元；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属对准，并在室温下施加3～4Kg的压力，并持续5～10min，即完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理元的电信号通路，再去除玻璃基底和蜡，即得到倒装互连的光电传感器。
所述第一粘接金属和第二粘接金属为CrAu合金、Cr、Ti、TiAu合金中的任意一种。
所述第一软质金属和第二软质金属为In、Se、InSe合金、PbSe合金中的任意一种。
所述第二步中使成型后的信号处理单元的第二软质金属的上端面的面积为光电敏感单元上的第一软质金属面积的25～50%，是通过常规的离子束刻蚀、反应等离子体刻蚀、化学腐蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法，对第二软质金属的上端面进行刻蚀，从而使上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属面积的25～50%。
本发明的有益效果：通过在光电敏感元的一侧制备薄层软质金属为冷压焊提供基底，并且信号处理电路一侧的软质金属面积小于光电敏感元一侧，使得双面的对准成为余量较大。在焊接过程中信号处理电路一侧的软质金属在施加压力以后部分嵌入到光电敏感元一侧的金属中，在没有加热的情况下形成良好的金属融合。对于温度高温非常敏感的光电传感器不需要加热就可以实现良好的焊接。本发明的光电传感器冷压焊倒装互连焊接工艺，在室温下采用软质金属的相互嵌入形成良好的电连接通道，能实现光电转换元和信号处理电路之间的倒装互连加工，实现微型化焊接封装，避免了软质金属加热回流对敏感元的损害，一方面简化工艺、降低工艺成本，另外一个方面增加了光电传感器倒装互连的应用范围，这样就大幅度降低光电焦平面探测器的制造成本。在使用过程中，软质金属会逐步的、缓慢的进一步融合最终形成非常牢固倒装互连效果。
附图说明
图1为传统光电传感器倒装互连的焊接示意图；
图2为本发明第一步光电敏感元形成的示意图；
图3为本发明第二步信号处理元形成的示意图；
图4为本发明第三步实施冷压焊的示意图；
图5为本发明所形成的倒装互连的光电传感器示意图。
图中，1-软金属回流球，2-光电敏感元件，3-信号放大读出电路，4-电极，5-玻璃基底，6-蜡，8-第一软质金属，9-第一粘接金属，10-第二粘接金属，11-第二软质金属。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
光电敏感元件2采用钛酸锶钡（BST）陶瓷经过常规工艺制备。
第一步、在玻璃基底5上用蜡6粘接光电敏感元件2，并在光电敏感元件2上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200nm的第一粘接金属9，再在第一粘接金属9表面通过常规沉积方法沉积厚度为3000nm的第一软质金属8，得到光电敏感单元；其中第一粘接金属9为CrAu合金；第一软质金属8为In，如图2所示；
第二步、在信号放大读出电路3上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为300nm的第二粘接金属10，再在第二粘接金属10表面通过常规沉积方法间隔沉积厚度为5000nm的第二软质金属11，通过常规离子束刻蚀的方法使成型后的第二软质金属11的上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属8面积的50%，得到信号处理单元；其中第二粘接金属10为CrAu合金；第二软质金属11为In，如图3所示；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属11和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属8对准，并在室温下施加3Kg的压力，持续时间为5min，完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属11发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属8中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理单元的电信号通路，如图4所示，再去除玻璃基底5和蜡6，即得到倒装互连的光电传感器，如图5所示。
实施例2
光电敏感元件2同实施例1。
第一步、在玻璃基底5上用蜡6粘接光电敏感元件2，并在光电敏感元件2上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为300nm的第一粘接金属9，再在第一粘接金属9表面通过常规沉积方法沉积厚度为2000nm的第一软质金属8，得到光电敏感单元；其中第一粘接金属9为Cr；第一软质金属8为Se，如图2所示；
第二步、在信号放大读出电路3上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为500nm的第二粘接金属10，再在第二粘接金属10表面通过常规沉积方法间隔沉积厚度为6000nm的第二软质金属11，通过常规反应等离子体刻蚀的方法使成型后的第二软质金属11的上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属8面积的30%，得到信号处理单元；其中第二粘接金属10为Cr；第二软质金属11为Se，如图3所示；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属11和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属8对准，并在室温下施加4Kg的压力，持续时间为7min，完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属11发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属8中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理单元的电信号通路，如图4所示，再去除玻璃基底5和蜡6，即得到倒装互连的光电传感器，如图5所示。
实施例3
光电敏感元件2采用钛酸锶钡（BST）陶瓷按常规方法制备。
第一步、在玻璃基底5上用蜡6粘接光电敏感元件2，并在光电敏感元件2上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为500nm的第一粘接金属9，再在第一粘接金属9表面通过常规沉积方法沉积厚度为4000nm的第一软质金属8，得到光电敏感单元；其中第一粘接金属9为Ti；第一软质金属8为InSe合金，如图2所示；
第二步、在信号放大读出电路3上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200nm的第二粘接金属10，再在第二粘接金属10表面通过常规沉积方法间隔沉积厚度为8000nm的第二软质金属11，通过常规刻蚀的方法使成型后的第二软质金属11的上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属8面积的25%，得到信号处理单元；其中第二粘接金属10为Ti；第二软质金属11为InSe合金，如图3所示；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属11和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属8对准，并在室温下施加3Kg的压力，持续时间为10min，完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属11发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属8中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理单元的电信号通路，如图4所示，再去除玻璃基底5和蜡6，即得到倒装互连的光电传感器，如图5所示。
实施例4
光电敏感元件2同实施例3。
第一步、在玻璃基底5上用蜡6粘接光电敏感元件2，并在光电敏感元件2上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为400nm的第一粘接金属9，再在第一粘接金属9表面通过常规沉积方法沉积厚度为3000nm的第一软质金属8，得到光电敏感单元；其中第一粘接金属9为TiAu合金；第一软质金属8为PbSe合金，如图2所示；
第二步、在信号放大读出电路3上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为400nm的第二粘接金属10，再在第二粘接金属10表面通过常规沉积方法间隔沉积厚度为8000nm的第二软质金属11，通过常规电感耦合等离子体刻蚀的方法使成型后的第二软质金属11的上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属8面积的40%，得到信号处理单元；其中第二粘接金属10为TiAu合金；第二软质金属11为PbSe合金，如图3所示；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属11和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属8对准，并在室温下施加4Kg的压力，持续时间为8min，完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属11发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属8中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理单元的电信号通路，如图4所示，再去除玻璃基底5和蜡6，即得到倒装互连的光电传感器，如图5所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种光电传感器冷压焊倒装互连方法，其特征在于经过下列各步骤：
第一步、在玻璃基底上用蜡粘接光电敏感元件，并在光电敏感元件上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200～500nm的第一粘接金属，再在第一粘接金属表面通过常规沉积方法沉积厚度为2000～4000nm的第一软质金属，得到光电敏感单元；
第二步、在信号放大读出电路上通过常规沉积方法间隔沉积厚度为200～500nm的第二粘接金属，再在第二粘接金属表面通过常规沉积方法沉积厚度为5000～8000nm的第二软质金属，使成型后的第二软质金属的上端面的面积为光电敏感元件上第一软质金属面积的25～50%，得到信号处理单元；
第三步、将第二步所得信号处理单元的第二软质金属和第一步所得光电敏感单元的第一软质金属对准，并在室温下施加3～4Kg的压力，并持续5～10min，即完成冷压焊，使信号处理单元的第二软质金属发生形变，并嵌入到光电敏感单元的第一软质金属中，实现同种金属的融合，形成从光电敏感单元到信号处理元的电信号通路，再去除玻璃基底和蜡，即得到倒装互连的光电传感器。
2.根据权利要求1所述的光电传感器冷压焊倒装互连方法，其特征在于：所述第一粘接金属和第二粘接金属为CrAu合金、Cr、Ti、TiAu合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的光电传感器冷压焊倒装互连方法，其特征在于：所述第一软质金属和第二软质金属为In、Se、InSe合金、PbSe合金中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的光电传感器冷压焊倒装互连方法，其特征在于：所述第二步中使成型后的信号处理单元的第二软质金属的上端面的面积为光电敏感单元上的第一软质金属面积的25～50%，是通过常规的离子束刻蚀、反应等离子体刻蚀、化学腐蚀或电感耦合等离子体刻蚀的方法，对第二软质金属的上端面进行刻蚀，从而使上端面的面积为光电敏感单元上第一软质金属面积的25～50%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |