CN105870032B - 一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法；①当光敏元芯片厚度减薄到20µm时，在负电极区域上方出现环带凹陷；②当光敏元芯片厚度减薄到14µm时，除环带凹陷外，在负电极区域两侧出现典型棋盘格屈曲变形模式；③当光敏元芯片厚度减薄到10µm时，除环带凹陷和棋盘格屈曲变形外，在环带凹陷处，与负电极连接的铟柱正上方出现上凸变形；④当光敏元芯片厚度减薄到6µm时，棋盘格屈曲变形的峰谷差进一步增加。本发明有益效果：与现有方法相比，采用本发明快速估算方法具有非接触性、无损性、快速性、准确性的特点，能够满足批量生产需求。

Description

一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法

技术领域

本发明属于红外焦平面探测器背减薄工艺中光敏元芯片厚度估算领域，具体地说是一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法。

背景技术

红外焦平面探测器是一种能够将被探测物体发射的红外辐射转换成光电信号，之后对光电信号进行处理，得到被测物体的温度分布图像的探测器。红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、可昼夜工作等优点而广泛应用于导弹预警、情报侦察、损毁效果评估和农、林资源调查等军事和民用领域。红外焦平面探测器的典型结构如图1所示，主要由位于顶层的光敏元芯片、位于底层的硅读出电路和中间层构成。其中中间层由铟柱阵列和底充胶相间排列而成，这里底充胶呈网孔状分布，铟柱阵列位于底充胶的网孔中。红外焦平面探测器的具体制备流程描述如下：附着有铟柱阵列的光敏元芯片3与附着有铟柱阵列的硅读出电路1通过倒焊互连工艺，把原本分别附着在光敏元芯片3和硅读出电路1上的两个铟柱阵列通过冷压焊的方式连接在一起，互联后形成铟柱阵列2。之后在光敏元芯片3和硅读出电路1之间的夹缝中填入底充胶4以提高铟柱焊点的可靠性。随后通过化学机械抛光减薄工艺或金刚石点切削减薄工艺或化学腐蚀减薄工艺对光敏元芯片3进行背减薄到合适的厚度，减薄后的光敏元芯片厚度主要由量子效率和背减薄工艺成熟度决定，通常取10µm左右。最后在减薄后的光敏元芯片3上蒸镀抗反射涂层以减少入射光子损失。现有的测量光敏元芯片厚度的方法主要有台阶扫描法、横断面拍照测量等。这些方法要么把光敏层局部腐蚀掉，或者把整个探测器切开观测横断面，这将对光敏元芯片或者整个探测器造成破坏。一旦用这些方法对光敏元芯片厚度进行了测量，测量后的红外焦平面探测器将不再具有使用价值。还有一些基于干涉的非接触测量方法，这些方法均需要对中间层（由网孔状底充胶和铟柱阵列嵌套而成）的力学性能参数有明确要求。而这往往难以实现，因为中间层非均匀分布，由两种材料构成。此外底充胶固化前为黏弹性，完全固化后为线弹性，铟柱为黏塑性，它们各自的力学性能参数由工艺流程决定，底充胶固化后中间层的力学性能参数也难以估计。

液态底充胶通过毛细作用填满光敏元芯片3和硅读出电路1之间的夹缝，之后升温固化，完全固化后，底充胶4从橡胶态转变为玻璃态，此时具有弹性行为特征。通常底充胶固化后其线弹性模量会急剧增加、线膨胀系数会急剧减小、并伴随有一定程度的体积收缩。底充胶的固化过程将在红外焦平面探测器中引入热应力应变。在随后进行的背减薄工艺中，随着光敏元芯片厚度的逐步变薄，由底充胶固化引起的热应力应变将在层状探测器结构中重新分配，热应力应变的重新分配将导致在整个红外焦平面探测器表面呈现出屈曲变形，屈曲变形分布特征及形变幅度取决于光敏元芯片的厚度。由此在本申请中，以呈现在红外焦平面探测器上表面的屈曲变形特征及幅度为依据，来快速估算背减薄工艺中光敏元芯片的厚度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法，该方法能够无损地快速估算出红外焦平面探测器在背减薄工艺实施中的光敏元芯片厚度，解决目前光敏元芯片厚度估算的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法，所述红外焦平面探测器包括光敏元芯片、铟柱阵列、底充胶和硅读出电路，光敏元芯片通过铟柱阵列与硅读出电路互连，底充胶填充在光敏元芯片与硅读出电路之间的夹缝中，光敏元芯片的负电极与硅读出电路的负电极相连，所述光敏元芯片的厚度估算在背减薄工艺中进行，包括以下步骤：

步骤一、铟柱选用黏塑性模型，底充胶采用黏弹性Maxwell模型，光敏元芯片、负电极和硅读出电路选用线弹性模型，进行直接耦合场分析；

步骤二、将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的杨氏模量、线膨胀系数、泊松比及密度输入材料模型中，所输入材料参数均随温度发生变化；

步骤三、基于等效建模方法建立红外焦平面探测器的结构分析模型：将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的几何尺寸输入，设定红外焦平面探测器的温度处处均匀、一致，进行瞬态分析，红外焦平面探测器的温度从倒装焊温度开始，经过底充胶固化后，随后降至室温；

步骤四、将光敏元芯片的厚度从300微米，以某一步长逐步减薄到4微米，同时保持其余材料的结构尺寸不变，进行模拟分析，分别得到不同光敏元芯片厚度下整个红外焦平面探测器的形变分布及幅度；

步骤五、依据模拟结果，提取出光敏元芯片厚度的快速估算依据：①当光敏元芯片厚度减薄到20µm时，在负电极区域上方出现环带凹陷；②当光敏元芯片厚度减薄到14µm时，除环带凹陷外，在负电极区域两侧出现典型棋盘格屈曲变形模式；③当光敏元芯片厚度减薄到10µm时，除环带凹陷和棋盘格屈曲变形外，在环带凹陷处，与负电极连接的铟柱正上方出现上凸变形；④当光敏元芯片厚度减薄到6µm时，棋盘格屈曲变形的峰谷差进一步增加；

步骤六、借助光学金相显微镜观测红外焦平面探测器经背减薄工艺后在室温下测得的上表面形变分布特征，对比提取的快速估算依据，快速估算出红外焦平面探测器在背减薄工艺中的光敏元芯片厚度。

本发明所述光敏元芯片为锑化铟（InSb）芯片或碲镉汞（HgCdTe）芯片或铟镓砷（InGaAs）芯片或铟砷锑（InAsSb）芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb）芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）芯片。

本发明的有益效果是：与现有方法相比，采用本发明快速估算方法具有非接触性、无损性、快速性、准确性的特点，能够满足批量生产需求。

附图说明

图1为本发明红外焦平面探测器的整体结构示意图；

图2为本发明红外焦平面探测器的示意图；

图3为图2的局部放大图；

图4为锑化铟（InSb）光敏元芯片厚度减薄到20微米时，红外焦平面探测器上表面法线方向应变分布图；

图5为锑化铟（InSb）光敏元芯片厚度减薄到14微米时，红外焦平面探测器上表面法线方向应变分布图；

图6为锑化铟（InSb）光敏元芯片厚度减薄到10微米时，红外焦平面探测器上表面法线方向应变分布图；

图7为锑化铟（InSb）光敏元芯片厚度减薄到6微米时，红外焦平面探测器上表面法线方向应变分布图；

图8为红外焦平面探测器中不同材料的线膨胀系数随温度的变化曲线。

图中标记：1、硅读出电路，2、铟柱阵列，3、光敏元芯片，4、底充胶，5、负电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。

对128×128阵列规模的锑化铟（InSb）红外焦平面探测器进行形变分析。该探测器由InSb光敏元芯片和硅读出电路通过铟柱阵列互连混成，之后在光敏元芯片和硅读出电路之间的夹缝中填入底充胶。

其模拟过程如下：

1）铟柱选用黏塑性模型，底充胶采用黏弹性Maxwell模型，光敏元芯片、负电极和硅读出电路选用线弹性模型，进行直接耦合场分析；

2）将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的杨氏模量、线膨胀系数、泊松比及密度输入材料模型中，所输入材料参数均随温度发生变化。具体数值如下表1和图8所示。

α=22.46×10^-6+5.04×10^-8×(T-273)，T的单位为开尔文。

3）建立几何模型，即将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的几何尺寸输入；

4）设定红外焦平面探测器的温度处处均匀、一致，进行瞬态分析，红外焦平面探测器的温度从倒装焊温度开始，经过底充胶固化后，随后降至室温；

5）设定非线性大变形分析；设置分析环境的收敛准则；进行运算求解；查看室温下整个红外焦平面探测器法线方向的形变分布及幅度。

6）将光敏元芯片的厚度从300微米，以某一步长逐步减薄到4微米，同时保持其余材料的结构尺寸不变，进行模拟分析，分别得到不同光敏元芯片厚度下整个红外焦平面探测器的形变分布及幅度。

下面详细介绍上述步骤：

A）基于等效方法建立红外焦平面探测器的结构分析模型，考虑计算效率，这里我们选用32×32等效128×128阵列规模。

B）设定探测器的具体结构参数，包括光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶和硅读出电路三维尺寸及局部形貌；材料参数和材料模型；网格划分。这里设定光敏元芯片的厚度为300微米，互连后的铟柱的高度取10微米，底充胶的厚度取10微米，铟柱阵列与底充胶相间排列，硅读出电路的厚度为300微米。其中铟柱为八边形，直径固定为24微米。

C）施加边界条件和初始条件，这里边界条件指在对称面处施加面对称条件，同时对硅读出电路的下表面中心点施加零自由度约束；初始条件为整个器件的温度为倒装焊温度。进行有限元分析求解得出整个红外焦平面探测器法线方向的应变分布和幅度。这里利用ANSYS软件进行结构应变分析。

重新设定光敏元芯片的厚度，光敏元芯片的厚度从300微米开始，以100微米的步长减薄到100微米，此后以20微米步长减薄到20微米，接着以2微米的步长减薄到4微米，其余结构参数保持不变。重复步骤B-C，可得出128×128阵列规模红外探测器法线方向应变分布及幅度随光敏元芯片厚度的演化关系。

图4是本实施例中，光敏元芯片的厚度减薄到20微米时，室温下模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。图5是本实施例中，光敏元芯片的厚度减薄到14微米时，室温下模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。图6是本实施例中，光敏元芯片的厚度减薄到10微米时，室温下模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。图7是本实施例中，光敏元芯片的厚度减薄到6微米时，室温下模拟得到的InSb红外焦平面探测器法线方向的应变分布图。

当光敏元芯片的厚度超过20µm时，利用光学金相显微镜观测探测器表面形貌，负电极区域上方的环带凹陷很模糊。当光敏元芯片减薄到20µm时，在光学金相显微镜下，能够看到在负电极区域上方开始出现可识别的环带凹陷，且随着背减薄工艺的继续实施，环带凹陷愈加清晰可见，见图4；当光敏元芯片减薄到14µm时，除了在负电极区域出现清晰的环带凹陷外，在负电极区域两侧均开始出现典型棋盘格屈曲变形模式，见图5，伴随着背减薄工艺的继续实施，典型棋盘格屈曲变形幅度逐步增加，愈加清晰可见；当光敏元芯片减薄到10µm时，除了在负电极区域两侧清晰地出现典型棋盘格屈曲变形模式外，在负电极区域的环带凹陷处，与负电极连接的铟柱正上方开始出现上凸变形，上凸幅度没有负电极区域两侧出现的典型棋盘格屈曲变形幅度大，见图6；当光敏元芯片减薄到6µm时，铟柱所在区域均呈现出尖锐的棋盘格屈曲变形模式，屈曲峰谷差明显增加，清晰可见，见图7。

由此可知，随着光敏元芯片厚度的减小，室温下红外焦平面探测器上表面的变形分布及幅度呈现一定的规律性。利用这些形变分布规律，即可快速估算出光敏元芯片的厚度。

作为其他实施方式，光敏元芯片还可为碲镉汞（HgCdTe）芯片或铟镓砷（InGaAs）芯片或铟砷锑（InAsSb）芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb）芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）芯片。

作为其他实施方式，如果更换了光敏元芯片的材质，模拟中需要相应更改模型中光敏元芯片的力学性能参数，包括线膨胀系数，杨氏模量，泊松比，密度。

Claims (2)

1.一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法，所述红外焦平面探测器包括光敏元芯片（3）、铟柱阵列（2）、底充胶（4）和硅读出电路（1），光敏元芯片（3）通过铟柱阵列（2）与硅读出电路（1）互连，底充胶（4）填充在光敏元芯片（3）与硅读出电路（1）之间的夹缝中，光敏元芯片（3）的负电极与硅读出电路（1）的负电极相连，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、铟柱选用黏塑性模型，底充胶采用黏弹性Maxwell模型，光敏元芯片、负电极和硅读出电路选用线弹性模型，进行直接耦合场分析；

步骤二、将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的杨氏模量、线膨胀系数、泊松比及密度输入材料模型中，所输入材料参数均随温度发生变化；

步骤三、基于等效建模方法建立红外焦平面探测器的结构分析模型：将光敏元芯片、互连后的铟柱阵列、底充胶、负电极和硅读出电路的几何尺寸输入，设定红外焦平面探测器的温度处处均匀、一致，进行瞬态分析，红外焦平面探测器的温度从倒装焊温度开始，经过底充胶固化后，随后降至室温；

步骤四、设定非线性大变形分析；设置分析环境的收敛准则；进行运算求解；查看室温下整个红外焦平面探测器法线方向的形变分布及幅度；

步骤五、将光敏元芯片的厚度从300微米，以某一步长逐步减薄到4微米，同时保持其余材料的结构尺寸不变，进行模拟分析，分别得到不同光敏元芯片厚度下整个红外焦平面探测器的形变分布及幅度；

步骤六、依据模拟结果，提取出光敏元芯片厚度的快速估算依据：①当光敏元芯片厚度减薄到20µm时，在负电极区域上方出现环带凹陷；②当光敏元芯片厚度减薄到14µm时，除环带凹陷外，在负电极区域两侧出现典型棋盘格屈曲变形模式；③当光敏元芯片厚度减薄到10µm时，除环带凹陷和棋盘格屈曲变形外，在环带凹陷处，与负电极连接的铟柱正上方出现上凸变形；④当光敏元芯片厚度减薄到6µm时，棋盘格屈曲变形的峰谷差进一步增加；

步骤七、借助光学金相显微镜观测红外焦平面探测器经背减薄工艺后在室温下测得的上表面形变分布特征，对比提取的快速估算依据，快速估算出红外焦平面探测器在背减薄工艺中的光敏元芯片厚度。

2.根据权利要求1所述的一种快速估算红外焦平面探测器中光敏元芯片厚度的方法，其特征在于：所述光敏元芯片为锑化铟（InSb）芯片或碲镉汞（HgCdTe）芯片或铟镓砷（InGaAs）芯片或铟砷锑（InAsSb）芯片或铟砷/镓锑（InAs/GaSb）芯片或镓砷/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）芯片。