焦平面阵列器件的封装结构及封装方法
技术领域
本发明主要是关于焦平面阵列器件,更确切地说,是涉及到一种兼容于现有读出电路和系统电路的焦平面阵列器件的封装结构及封装方法,可实现批量生产并且达到与现有的传统焦平面产品一致的成像效果。
背景技术
在现有技术中,当前焦平面阵列(Focal Plane Array,简称FPA)的封装方式主要包括利用金属罐、陶瓷等气密性真空封装,在封装结构之中要求内置能够实现热量散发的热电制冷器和吸气剂。现有技术面临的主要困境是,封装材料成本过高,实际封装工序的过程需要多种焊接和封接工艺,导致工艺要求高、工艺流程周期长,所以很难批量化生成,致使整个封装成本高、效率低、体积大,消费市场很难接受如此昂贵的成像产品。作为应对措施,业界内也出现了晶圆级别的封装方案,但这些方案需要对读出电路做出较大幅度的修改,需要重新设计,与现有技术的其他配套方案不完全兼容。另一些对应措施,主要是试图在后期成像系统的设计中使用系统电路和软件补偿优化的方法消除由于环境温度漂移导致的噪声对成像效果的影响。毫无疑虑,这些方法均延长了整个产品的开发周期,且成像效果均有一定程度的降低,正是在这一前提下提出了本发明的各种实施例。
发明内容
在本发明的一个实施例中,提供了一种焦平面阵列器件的封装结构,包括:带有开口的电路基板和安置在开口内的承载基座,所述承载基座固定于所述电路基板上;粘附在所述承载基座之上的平板状热电制冷器和安装在热电制冷器之上的焦平面阵列器件,所述焦平面阵列器件与所述电路基板之间具有电气连接。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,热电制冷器的冷面板用导热胶粘附在焦平面阵列器件的底面;以及热电制冷器的热面板用导热胶粘附在底板的顶面。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,承载基座的底板位于电路基板背面一侧;承载基座具有自其底板周边侧缘向上延伸的侧翼,及具有自侧翼的自由末端一体弯折延伸出的固持片,固持片与电路基板平行并安置在电路基板的正面一侧;在电路基板上靠近开口的局部区域设置有螺孔,同时在固持片上设置有与螺孔位置相重合的通孔,将穿过固持片上通孔的螺钉旋入至螺孔内以保障承载基座固定铆接在基板上。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在电路基板正面涂覆有粘合胶,粘合胶围绕并粘附在固持片的侧缘上。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,所述底板为方形,在方形底板的一组互为对边的第一对侧缘上设置有侧翼,但该底板的另一组互为对边的第二对侧缘上没有设置侧翼;以及方形开口具有与第一对侧缘相平行的第一组内边,和具有与第二对侧缘相平行的第二组内边,使基板正面预留在开口的第二组内边附近的键合区没有设置固持片。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,包括将设于焦平面阵列器件正面周缘处的金属端子电连接到键合区的金属衬垫的导电引线。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,还包括塑封料,并且至少将塑封料填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与承载基座之间的缝隙中和填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与开口内壁之间的缝隙中;以及塑封料还覆盖在键合区和覆盖在焦平面阵列器件正面设有金属端子的局部区域,以将金属端子、导电引线和金属衬垫包覆在内。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在承载底座的底面上设有多个散热鳍片。
在本发明的一个实施例中,提供了一种焦平面阵列器件的封装方法,包括以下步骤:涂覆导热胶到承载基座的底板的顶面,将平板状的热电制冷器粘附在底板上,在热电制冷器之上安装焦平面阵列器件;提供一具有开口的电路基板,在电路基板的开口中安装承载基座,并将承载基座固定在电路基板上;在电路基板和热电制冷器之间形成电气连接。
上述的方法,先行涂覆导热胶将热电制冷器粘附在承载基座的底板上,然后再将承载基座安装到基板上;或者先行将承载基座安装到基板上,然后再涂覆导热胶将热电制冷器粘附在承载基座的底板上。
上述的方法,在电路基板上靠近开口的局部区域设置有螺孔,在开口中安装承载基座的步骤中:使承载基座的底板位于电路基板的背面一侧,同时使承载基座的侧翼具有的固持片安置在电路基板的正面一侧,其中该侧翼自承载基座底板周边侧缘向上延伸并且由侧翼的自由末端一体弯折延伸形成固持片;同时还需要将固持片上设置的通孔与电路基板上的螺孔对准重合,利用穿过固持片上通孔的螺钉旋入至螺孔内以使得承载基座固定铆接在电路基板上。
上述的方法,在粘附热电制冷器的步骤中,将热电制冷器的热面板粘附在底板的顶面;以及,而且在粘附焦平面阵列器件的步骤中,将热电制冷器的冷面板粘附在焦平面阵列器件的底面。
上述的方法,完成安装承载基座的步骤之后,再在电路基板正面涂覆粘合胶,粘合胶围绕并粘附在固持片的侧缘上。
上述的方法,设置底板和开口为方形,在底板的一组互为对边的第一对侧缘上设置有侧翼,但该底板的另一组互为对边的第二对侧缘上没有设置侧翼;则开口具有和第一对侧缘相平行的第一组内边,及具有和第二对侧缘相平行的第二组内边,从而在安装承载基座至开口内的步骤中:可以使得电路基板正面的位于开口的第二组内边附近的键合区没有设置固持片。
上述的方法,完成焦平面阵列器件的粘附步骤之后再执行引线键合的步骤,利用导电引线将设于焦平面阵列器件正面周缘处的金属端子电连接到键合区的金属衬垫。
上述的方法,完成引线键合的步骤之后,再执行塑封工艺的步骤,至少将塑封料填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与侧翼之间的缝隙中及填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与开口内壁之间的缝隙中;以及塑封料还覆盖在键合区和覆盖在焦平面阵列器件正面设有金属端子的局部区域,以将金属端子、导电引线和金属衬垫包覆在塑封料内部。
在本发明的一个实施例中,提供一种焦平面阵列器件的封装结构,包括:带有开口的基板和安置在开口内的承载基座,承载基座的底板位于基板背面一侧;承载基座具有自其底板周边侧缘向上延伸的侧翼,及具有自侧翼的自由末端一体弯折延伸出的固持片,固持片与基板平行并安置在基板的正面一侧;粘附在底板之上的平板状热电制冷器和安装在热电制冷器之上的焦平面阵列器件。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,热电制冷器的冷面板用导热胶粘附在焦平面阵列器件的底面或背面;以及热电制冷器的热面板用导热胶粘附在底板的顶面。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在基板上靠近开口的局部区域设置有螺孔,同时在固持片上设置有与螺孔位置相重合的通孔,将穿过固持片上通孔的螺钉旋入至螺孔内以保障承载基座固定铆接在基板上。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在基板正面涂覆有粘合胶,粘合胶围绕并粘附在固持片的侧缘上。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在底板的底面上设有多个并排设置的向下凸起的散热片。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,在方形底板的一组互为对边的第一对侧缘上设置有侧翼,但该底板的另一组互为对边的第二对侧缘上没有设置侧翼;以及方形开口具有与第一对侧缘相平行的第一组内边,和具有与第二对侧缘相平行的第二组内边,使基板正面预留在开口的第二组内边附近的键合区没有设置固持片。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,包括将设于焦平面阵列器件正面或顶面周缘处的金属端子电连接到键合区的金属衬垫的导电引线。
上述的焦平面阵列器件的封装结构,还包括塑封料,并且至少将塑封料填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与侧翼之间的缝隙中和填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与开口内壁之间的缝隙中;以及塑封料还覆盖在键合区和覆盖在焦平面阵列器件正面设有金属端子的局部区域,以将金属端子、导电引线和金属衬垫包覆在内。
在本发明的另一个实施例中,提供了一种焦平面阵列器件的封装方法,包括以下步骤:涂覆导热胶到承载基座的底板的顶面,将平板状的热电制冷器粘附在底板上;在基板的开口中安装承载基座,使其底板位于基板的背面一侧,同时使承载基座的侧翼具有的固持片安置在基板的正面一侧,其中该侧翼自承载基座底板周边侧缘向上延伸并且由侧翼的自由末端一体弯折延伸形成固持片;涂覆导热胶到热电制冷器之上,将焦平面阵列器件粘附在热电制冷器上。
上述的方法,先行涂覆导热胶将热电制冷器粘附在承载基座的底板上,然后再将承载基座安装到基板上;或者先行将承载基座安装到基板上,然后再涂覆导热胶将热电制冷器粘附在承载基座的底板上。
上述的方法,在基板上靠近开口的局部区域设置有螺孔,在开口中安装承载基座的步骤中:将固持片上设置的通孔与基板上的螺孔对准重合,利用穿过固持片上通孔的螺钉旋入至螺孔内以使得承载基座固定铆接在基板上。
在粘附热电制冷器的步骤中,将热电制冷器的热面板粘附在底板的顶面;和在粘附焦平面阵列器件的步骤中,将热电制冷器的冷面板粘附在焦平面阵列器件的底面或背面。
上述的方法,完成安装承载基座的步骤之后,再在基板正面涂覆粘合胶,粘合胶围绕并粘附在固持片的侧缘上。
上述的方法,设置底板和开口为方形,在底板的一组互为对边的第一对侧缘上设置有侧翼,但该底板的另一组互为对边的第二对侧缘上没有设置侧翼;则开口具有和第一对侧缘相平行的第一组内边,及具有和第二对侧缘相平行的第二组内边,在安装承载基座至开口内的步骤中:使基板正面的位于开口的第二组内边附近的键合区没有设置固持片。
上述的方法,完成焦平面阵列器件的粘附步骤之后再执行引线键合的步骤,利用导电引线将设于焦平面阵列器件正面或顶面周缘处的金属端子电连接到键合区的金属衬垫。
上述的方法,完成引线键合的步骤之后,再执行塑封工艺的步骤,至少将塑封料填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与侧翼之间的缝隙中及填充在热电制冷器、焦平面阵列器件与开口内壁之间的缝隙中;以及塑封料还覆盖在键合区和覆盖在焦平面阵列器件正面设有金属端子的局部区域,以将金属端子、导电引线和金属衬垫包覆在塑封料内部。
附图说明
阅读以下详细说明并参照以下附图之后,本发明的特征和优势将显而易见:
图1A~1B是承载基座的结构示意图。
图2是将平板状热电制冷器粘附在承载基座的底板上的示意图。
图3A~3C是承载基座安装到基板上的结构示意图。
图4A~4B是焦平面阵列器件粘附到热电制冷器上的结构示意图。
图5A~5B是执行引线键合步骤,利用导电引线将设于焦平面阵列器件正面周缘处的金属端子电连接到键合区的金属衬垫。
图6A~6B是实施塑封工序的流程。
具体实施方式
图1A是本发明采用的一个金属材质的承载基座101的平面俯视图,而图1B则是承载基座101的剖面示意图,该承载基座101类似于一个倒置的桥形结构,它具有位置较低的底板101a和自其底板101a周边侧缘向上延伸的侧翼101b。承载基座101还具有自每个侧翼101b的一个自由末端一体化弯折延伸而出的固持片101c,固持片101c向外侧延伸并与底板101a平行且它的位置相对底板101a要高一些。注意本文这里提及的上或下、高或低等仅仅是基于图示的方位视角进行阐释说明的,该等用语或者措辞并非构成本发明的限制条件。以及在固持片101c上还设置有一些贯穿固持片101c整个厚度的通孔101d。在一些实施例中,还可以在底板101的底面上设置一些长条状的并向下凸起的散热片101e,彼此平行的散热片101e并排设置,承载基座101不仅是用作承载焦平面阵列器件的构件,而且还用作焦平面阵列器件的主散热途径。在一些可选但非限制性的实施例中,实质上底板101a、固持片101c及侧翼101b可以直接由原始大体上呈现为平板状的金属片压制/压印/冲压成型为一体化结构的承载基座101。
参见图2,在承载基座101的底板101a顶面上涂覆导热胶102,将一个平板状的热电制冷器103的热面板103b用导热胶102粘附在底板101a的顶面上。通常一个完整意义上的热电制冷器103至少应当包括例如由陶瓷片等材质组成的热面板103b和冷面板103a,在热面板Hot Side103b和冷面板Cold Side103a之间夹持有譬如碲化铋材质的P导电类型和N导电类型的半导体晶粒,当电子从低能级的P型材料留到高能级的N型材料时,热量从冷面板103a吸入,而在热面板103b能量则随着电子从高能量的N型材料留到低能量的P材料而释放,以基于珀尔帖效应的方式实现将焦平面阵列工作阶段产生的热量予以传递和排放。鉴于热电制冷器103本身并非本发明的重点,所以本文中对其不予赘述,但基于最终要获取薄型化的焦平面阵列封装器件,作为范例而非限制,本发明可设定平板状的热电制冷器103的形貌较佳的为薄型块状的长方体或正方体。
然后如图3A~3C所示,在一个绝缘基板104(例如一个系统级的PCB印刷电路板)上设置有一个或多个窗口或开口104a,该开口104a和承载基座101的底板101a均被布局为方形,并且我们要求该开口104a的尺寸较佳的和承载基座101的底板101a的尺寸基本一致,从而使承载基座101可以相适配地嵌入到该开口104a内。
参见图3A,该开口104a具有互为对边的第一组内边104-1、104-2和另一对互为对边的第二组内边104-3、104-4。然后参见图1,在方形底板101a的一组互为对边的第一对侧缘101-1、101-2上设置有侧翼101b,但该底板101a的另一组互为对边的第二对侧缘101-3、101-4上并没有设置任何侧翼。在下文中,我们将介绍承载基座101被置于开口104a内时底板101a及其侧翼101b需要满足的布局方位。
参见图3B~3C,我们在开口104a内安置该承载基座101的过程中需要特别强调一些规则:使底板101a的第一对侧缘101-1、101-2平行于开口104a的第一组内边104-1、104-2,和使底板101a的第二对侧缘101-3、101-4平行于开口104a的第二组内边104-3、104-4。这是主要基于考虑到以下两方面:在图3A~3C中,可以观察到,基板104在它位于开口104a的第一组内边104-1、104-2附近的局部区域设置有螺孔104b,一方面,由于底板101a的第一对侧缘101-1、101-2上设置有侧翼101b,从而侧翼101b末端的固持片101c上的多个通孔101d可以和基板104上的多个螺孔104b实现一对一地对准重合。另一方面,由于底板101a的第二对侧缘101-3、101-4上并没有设置任何侧翼,则基板104正面预留在开口104a的第二组内边104-3、104-4附近的键合区106a、106b没有被任何侧翼末端的固持片所覆盖住,这是正是我们期望的,因为键合区106a、106b布置有金属衬垫107或称之为金手指Golden finger,我们希望在安装承载基座101的步骤中键合区106a、106b及其金属衬垫107不要被固持片覆盖或抵压住。
参见图3B~3C,将固持片101c上设置的通孔101d与基板104上的螺孔104b位置对准重合后,利用穿过通孔101d的螺钉105旋入或嵌入至螺孔104b内并拧紧,使承载基座101固定在基板104上。之后再在基板104正面涂覆粘合胶108,并且沿着固持片101c的侧缘涂覆粘合胶108,绕着固持片101c侧缘的粘合胶108会略微侵入固持片101c边缘和基板104之间的缝隙之中,牢牢的将承载基座101粘附在基板104上。粘合胶108的选择有多种方式,例如高强度环氧胶,它在固化后能够起到加固的作用。另外,还必须强调的是,粘合胶108并非是必要条件,也就是说,在一些可选的实施例中,摒弃粘合胶108也能够实现本发明,只不过密封效果略微降低。在一个可选但非限制性的实施例中,第一对侧缘101-1、101-2上设置的侧翼101b与底板101a垂直,从而使得连接于侧缘101-1位置处的一个侧翼101b的一个垂直的外侧表面可以直接抵压在开口104a的一个内边104-1的内壁表面上,同样,连接于侧缘101-2位置处的另一个侧翼101b的一个垂直的外侧表面可以直接抵压在开口104a的一个内边104-2的内壁表面上,则承载基座101可依赖一对侧翼101b紧密扣合在开口104a内。
在图2和图3B~3C的可选实施例中,我们是以先行利用导热胶102将热电制冷器103粘附在承载基座101的底板101a上、然后再将承载基座101安装到基板104的开口中的封装次序为例。在其他的可选但非限制性的实施例中,也可以先行将承载基座101安装到基板104的开口中,然后再涂覆导热胶102到底板101a上,之后再将热电制冷器103粘附在承载基座101的底板101a上,这同样也是可行的。最终,承载基座101的底板101a位于基板104的背面一侧,并且底板101a的底面上焊接的各个向下凸起的散热片101e凸出于基板104的背面以便产生良好的散热效果,而自侧翼101b的末端一体弯折延伸出的固持片101c则与基板104平行,并安置在基板104的正面一侧。可以发现,承载基座101的底板101a和两个侧翼101b、连同开口104a的第二组内边104-3、104-4的内壁合拢围成一个收容空间,下文将介绍该收容空间主要用于以三维的方式来设置热电制冷器103和焦平面阵列器件109,这可以让最终获得的封装器件具有薄型化特点,因为收容空间其深度几乎等同于基板104的厚度,显然本发明较之传统方案直接将器件设置在电路板正面或反面而具有极大的优势。
参见图4A~4B,涂覆导电胶102到热电制冷器103的与热面板103b相对的另一个冷面板103a上,并将一个焦平面阵列器件109通过冷面板103a上的导热胶102粘附至的热电制冷器103,并采用固化工序强化导热胶102的黏接强度。焦平面阵列器件109在其正面周边的局部区域109a、190b设置有金属端子109c,图示的局部区域109a、190b刚好分别位于焦平面阵列器件109正面的互为对边的一组边缘附近。在一个实施例中,使一个局部区域109a靠近开口104a的第二组内边104-3、104-4中的一者,和使另一个局部区域109b靠近开口104a的第二组内边104-3、104-4中的另一者,从而例如局部区域109a内的金属端子109c到键合区106a的引线路径最短,另一个局部区域109b内的金属端子109c到键合区106b的引线路径最短。
参见图5A~5B,执行引线键合Wire Bonding的步骤,利用例如金线或铝线或铜线等所有适用的导电引线110,将设于焦平面阵列器件109正面周缘处的金属端子109c电连接到键合区106a、106b的金属衬垫107,金属端子109c体现为焦平面阵列器件109电气端口I/Opad,而用于承接引线110的金属衬垫107则与PCB基板104上的其他一些未示意出的金属焊盘互连,从而可以将焦平面阵列器件109与其他元器件在同一个基板104上耦合来制成系统化的完整成像装置。在图5B中,因为导电引线110并不能直接裸露,并且基于强化结构的考虑,虚线111框定的范围还需要在后续的工序中利用塑封料来密封,不仅是物理保护导电引线110,对于抑制水汽等入侵也是非常有必要的。
参见图6A~6B,执行塑封工序Molding的步骤,形成位于底板101a上方并密封在热电制冷器103和焦平面阵列器件109各自侧壁周围的塑封料的灌封胶或塑封料112。由于热电制冷器103、焦平面阵列器件109和侧翼101b之间存在缝隙,所以至少将塑封料112填充在热电制冷器103、焦平面阵列器件109它们各自侧壁与侧翼101b之间的缝隙中。另外,由于热电制冷器103、焦平面阵列器件109和开口104a的第二组内边104-3、104-4的内壁之间存在缝隙,所以还至少将塑封料112填充在热电制冷器103、焦平面阵列器件109它们各自侧壁与开口104a的内壁之间的缝隙中。同时,焦平面阵列器件109其正面周边的局部区域109a、190b内的金属端子109c和键合区106a、106b内的金属衬垫107不能裸露,导电引线107也不能裸露,则塑封料112还覆盖在键合区106a、106b和覆盖在焦平面阵列器件109正面设有金属端子109c的局部区域109a、190b,以将金属端子109c、导电引线107和金属衬垫107包覆在塑封料112内部。必须强调的是,因为焦平面阵列器件109主要用于成像,则塑封料112并不能覆盖住焦平面阵列器件109的正面,例如在图6A中,焦平面阵列器件109正面除了设有金属端子109c的局部区域109a、190b是被塑封料112包覆在内,焦平面阵列器件109正面的其他区域则是完全从塑封料112中裸露的。
在本发明中,主要是使用现有的焦平面阵列FPA技术实现晶圆级别的真空封接后,对焦平面阵列器件进行系统级的封装。为了降低焦平面阵列的温漂噪声,使用了热电制冷器外置的方式对器件进行恒温控制。基本思路是,专门设计制作的金属承载基座不仅用作粘附焦平面阵列器件还用作金属散热片或称之为金属热沉Heat Sink,将热电制冷器与承载基座利用导热胶进行粘接,实现热量的有效散发,带有热电制冷器的金属承载基座通过螺钉与系统电路板固定,并在固定接缝中填充高强度环氧胶加固。然后将真空封接后的焦平面阵列器件与热电制冷器的冷面使用导热胶进行连接,以高效传递由焦平面阵列器件产生的热量,继而将焦平面阵列器件上的焊盘与系统电路板上相应的焊盘通过金丝球焊的方法连接起来实现芯片与系统电路之间的电气连接,最后用室温固化的塑封料涂覆在器件周边,保护金丝球焊区域及热电制冷器。实现了一种焦平面阵列器件低成本封装结构,该结构可实现大批量生产,且使用现有的读出电路和系统电路及软件即可实现与现有传统产品一致的成像效果,因此本发明具有良好的兼容性。
在本发明中,晶圆级别的真空封接后的焦平面阵列器件,使用热电制冷器外置可有效解决温度精确控制的问题,相比与传统的金属封装的器件,热电制冷器外置对于工艺的难度来说大幅度降低了,热电制冷器内置所要求的贴片用的设备和工艺要求均很严格,外置热电制冷器只需考虑导热能力和粘接强度,不用考虑对真空环境及其它元件的影响。晶圆级别的真空封接后的焦平面器件直接通过金丝球焊的方法与系统电路板实现电气连接,减少了电气连接的转接结构,降低了因为封装引入的寄生电容,电感,提高了器件的输入输出信号的质量。使用热沉与热电制冷器粘接的方法可有效散发芯片和热电制冷器所产生的热量,使热电制冷器在恒温控制时能更稳定的工作。
以上,通过说明和附图,给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例,上述发明提出了现有的较佳实施例,但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言,阅读上述说明后,各种变化和修正无疑将显而易见。因此,所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容,都应认为仍属本发明的意图和范围内。