CN108417644A - 一种红外探测器的封装结构以及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外探测器的封装结构以及制作方法，所述封装结构包括：芯片单元；与所述芯片单元相对固定的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构。本发明技术方案将偏振片结构直接集成到红外探测器的封装结构中，无需偏振扫描，能实时获得目标偏振成像；封装结构设计时不再需要外部偏振元器件及机械装置，减小了设计难度，降低了成本，光学元件简单，光路系统简单。所述封装结构可以采用晶圆级封装，更是进一步缩小探测器封装结构的尺寸，提高生产效率降低成本，以实现大批量低成本生产红外探测器。

Description

一种红外探测器的封装结构以及封装方法

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，更具体的说，涉及一种红外探测器的封装结构以及封装方法。

背景技术

如今红外探测的精度和灵敏度越来越高，可以探测的目标温差越来越小，但是由于杂乱背景信号的限制，目标发现和有效识别仍需进一步提升。不同物体或同一物体的不同状态会产生不同的偏振状态，形成不同的偏振光谱。

传统红外技术测量的是物体的辐射的强度，而偏振测量的是物体辐射在不同偏振方向上的对比度，因此它能够将辐射强度相同而偏振性不同的物体区别开来，可有效提升红外探测器成像灵敏度和辨识度。

在现有的偏振探测系统中，偏振元件独立于探测器之外，需要在整机的镜头上增加偏振片，或者进行偏振镜头的设计，这种方法的成本比较高，设计难度也比较大；光学元件复杂，光路系统复杂。另外，通过偏振片与探测器组合采集的偏振图像需要通过图像融合算法进行处理，不仅复杂而且也相对不准确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种红外探测器的封装结构以及制作方法，所述封装结构的制作成本低、设计难度小、光学元件简单、光路系统简单，成像算法简单且准确。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种红外探测器的封装结构，所述封装结构包括：

芯片单元；

与所述芯片单元相对固定的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构。

优选的，在上述封装结构中，所述偏振片结构为金属偏振光栅、或高分子薄膜偏振片、或超材料偏振片。

优选的，在上述封装结构中，所述偏振片结构包括多个偏振片单元，每个偏振片单元由不同偏振方向的偏振片子单元阵列组成。

优选的，在上述封装结构中，所述偏振片结构为金属偏振光栅，每个偏振片子单元包括多条平行排布的光栅栅条，同一所述偏振片子单元中，相邻两个光栅栅条的间距为10nm-500nm，包括端点值。

优选的，在上述封装结构中，所述偏振片单元包括2×2阵列排布的偏振片子单元；

同一所述偏振片单元中，四个偏振片子单元的偏振角度包括：0°、135°、90°和45°。

优选的，在上述封装结构中，所述芯片单元包括多个阵列排布的感光像元；

所述偏振片结构覆盖所有所述感光像元或是部分所述感光像元。

优选的，在上述封装结构中，所述偏振片位于所述凹槽底部的外侧或是内侧。

优选的，在上述封装结构中，所述窗口盖板朝向所述芯片单元的一侧和/或背离所述芯片单元的一侧还设置有红外增透膜。

本发明还提供了一种红外探测器的封装方法，用于制作上述任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装方法包括：

提供一芯片晶圆，所述芯片晶圆包括多个阵列排布的芯片单元；

将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合，所述窗口晶圆上具有与所述芯片单元一一对应的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构；

分割所述键合完成的晶圆，形成多个红外探测器的封装结构，所述封装结构包括一个所述芯片单元以及与所述芯片单元相对固定的窗口盖板。

优选的，在上述封装方法中，所述将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合包括：

提供一用于制备所述窗口晶圆的晶圆衬底；

在所述晶圆衬底上形成多个所述凹槽；

基于所述偏振片结构的材料，在所述凹槽底部的外侧或是内侧制备所述偏振片结构。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的红外探测器的封装结构以及制作方法中，所述封装结构包括：芯片单元；与所述芯片单元相对固定的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构。本发明技术方案将偏振片结构直接集成到红外探测器的封装结构中，无需偏振扫描，能实时获得目标偏振成像；封装结构设计时不再需要外部偏振元器件及机械装置，减小了设计难度，降低了成本，光学元件简单，光路系统简单。所述封装结构可以采用晶圆级封装，更是进一步缩小探测器封装结构的尺寸，提高生产效率降低成本，以实现大批量低成本生产红外探测器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为WLP封装的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种红外探测器的封装结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种封装方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种键合窗口晶圆方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种窗口晶圆的结构示意图；

图6为图5中一个窗口盖板的俯视图；

图7为图6所示窗口盖板中的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

红外偏振成像是在红外热成像的基础上，利用光的偏振特性获取景物(目标与背景)的红外偏振图像的。描述光波偏振态的方法有两种：一种是琼斯矢量表示法，另一种是斯托克斯矢量，琼斯矢量不适用描述光的任意偏振态，斯托克斯表示法是目前最常用的偏振度表示方法，它可以将关于偏振的所有信息很好的表达出来。

光的偏振状态可以由四个参数I、Q、U、V完全描述，I代表辐射强度，Q和U描绘了在不同坐标下分解入射辐射获得的线偏振分量，V表示右旋还是左旋圆偏振量占优势。偏振成像系统对目标的探测识别是要集中在三个方面：(1)采用偏振片或其他方法对目标偏振态进行分解、扫描、角度编码；(2)从探测器的光强响应中计算出目标的偏振信息，并将偏振信息可视化；(3)偏振图像处理，提取目标特征。

根据所采用探测器及对目标辐射的偏振分解、扫描方式不同，红外偏振成像的技术方案有不相同。按照获取偏振量的不同，可见红外偏振成像的典型技术方案分为获取两个、三个、四个偏振量和凝视的偏振成像技术，每种技术方案又根据偏振片的活动方式等进一步细分。

目前，现有的红外偏振成像系统中均需要偏振片与红外探测器组合，甚至需要多个红外探测器以及分束镜等，造成系统体积大，成本高，设计、计算复杂等问题，将偏振片集成到红外探测器中成为未来发展方向，若集成到窗口上需要偏振片与像元对应良好，保证目标辐射红外能经过偏振片被FPA(focal plane array，焦平面阵列)芯片传感器吸收，引起温度、电阻变化从而进行后续的偏振态计算等。

晶圆级封装(WLP)是一种新型封装形式，具有封装结构简单、体积小、成本低、真空寿命长等特点，MEMS(微机电系统)行业封装形式已经开始向晶圆级封装转变。

如图1所示，图1为WLP封装的原理示意图，晶圆级封装是将芯片晶圆11与窗口晶圆12在精确对准的基础上进行键合形成一体结构13，窗口晶圆12由数量和位置与FPA晶圆(芯片晶圆11)上芯片单元15完全对应的窗口盖板14组成，键合时要求每一颗芯片单元15与对应窗口盖板14对位准确，形成真空腔体，否则键合失效，真空度和寿命不能保证。键合完成后，通过切割工艺形成多个单粒的红外探测器的封装结构。每个封装结构包括一颗芯片单元15以及与之固定的窗口盖板14。

本发明是实例所述技术方案中，将偏振片直接集成到晶圆级封装用的窗口晶圆上，即将偏振片集成到红外探测器的封装结构上，成为偏振探测器，解决了现有技术中红外偏振成像存在的如设计成本高、设计难度大以及系统复杂等问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种红外探测器的封装结构示意图，所述红外探测器用于偏振成像系统。所述封装结构包括：芯片单元21；芯片单元21包括多个感光像元211，用于感应红外光成像。

与所述芯片单元21相对固定的窗口盖板22，所述窗口盖板22包括用于对所述芯片单元21进行封装保护的凹槽24以及与所述凹槽24相对设置的偏振片结构23。

其中，所述偏振片结构23可以为金属偏振光栅、或高分子薄膜偏振片、或超材料偏振片。在图2所示实施方式中，所述偏振片结构23位于所述凹槽24底部的外侧，可以基于所述偏振片结构23材料，在所述凹槽24底部的外侧或是内侧制备所述偏振片结构23，以保证密封效果以及使用寿命。

所述偏振片结构23包括多个偏振片单元，每个偏振片单元由不同偏振方向的偏振片子单元阵列组成，同一偏振片单元中，多个所述偏振片子单元的偏振方向不同，以实现多个偏振态的选择，实现每个偏振片子单元对应一个感光像元，所述感光像元根据所接收的红外光的偏振态得到偏振信息，偏振成像系统基于所述信息经处理形成红外偏振图像。

所述偏振片结构23为金属偏振光栅时，每个偏振片子单元包括多条平行排布的光栅栅条。同一所述偏振片子单元中，相邻两个光栅栅条的间距为10nm-500nm，包括端点值，以实现对红外光偏振态的选择，可以设置该间距为20nm、50nm、100nm、200nm、350nm、400nm，以实现较好的红外光偏振态的选择效果。

可选的，可以设置一个封装结构中，所述偏振片子单元包括2×2阵列排布的偏振片子单元；同一所述偏振片单元中，四个偏振片子单元的偏振角度包括：0°、135°、90°和45°。需要说明的，同一偏振片单元中，偏振片子单元的个数可以根据芯片单元21中感光像元设计，包括但不局限于2×2阵列排布方式，各个偏振片单元中偏振方向可以根据需求设定，对于各个偏振片子单元的偏振方向的排序可以根据需求调整，不局限于特定单一的顺序，如对于2×2个阵列排布方式，其偏振方向的选择不局限于依次为0°、135°、90°和45°这一种方式，可以为这四个偏振方向的任意排列顺序。

所述芯片单元21包括多个阵列排布的感光像元。所述偏振片结构23中，每个偏振片子单元单独对应一个感光像元，以像元级别将偏振片结构23集成在封装结构中。可以设置所述偏振片结构23覆盖所有所述感光像元或是部分所述感光像元。可以设置每个感光像元均分别对应一个偏振片子单元，也可以设置部分感光像元分别对应一个偏振片子单元，另一部分感光像元未设置偏振片子单元。

可选的，所述封装结构还包括设置在窗口盖板22朝向所述芯片单元的一侧和/或背离所述芯片单元的一侧的红外增透膜，以提高红外光透光效率，提高红外成像效果。图2中未示出所述红外增透膜。

通过上述描述可知，本发明实施例所述封装结构中，将偏振片直接集成在窗口盖板上，这样，可以采用晶圆级封装工艺制作所述封装结构，将偏振片直接集成到晶圆级封装用的窗口晶圆上，即将偏振片集成到红外探测器的封装结构上，成为偏振探测器，解决了现有技术中红外偏振成像存在的如设计成本高、设计难度大以及系统复杂等问题。

基于上述实施例，本发明另一实施例还公开了一种封装方法，用于制作上述实施例所述的封装结构，所述封装方法如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种封装方法的流程示意图，该封装方法包括：

步骤S11：提供一芯片晶圆，所述芯片晶圆包括多个阵列排布的芯片单元。

步骤S12：将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合，所述窗口晶圆上具有与所述芯片单元一一对应的窗口盖板。

所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构。

步骤S13：分割所述键合完成的晶圆，形成多个红外探测器的封装结构。

所述封装结构包括一个所述芯片单元以及与所述芯片单元相对固定的窗口盖板。可以基于键合后晶圆预留的划片道对晶圆进行分割，形成多个单粒的封装结构。

在所述封装方法中，所述将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合的方法如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种键合窗口晶圆方法的流程示意图，该方法包括：

步骤S21：提供一用于制备所述窗口晶圆的晶圆衬底；

步骤S22：在所述晶圆衬底上形成多个所述凹槽；

步骤S23：基于所述偏振片结构的材料，在所述凹槽底部的外侧或是内侧制备所述偏振片结构。在制作偏振片结构之前，该步骤还包括在晶圆衬底上制备焊接用材料，吸气剂以及红外增透膜等。所述窗口盖板通过所述焊接用材料和对应的芯片单元键合固定。所述吸气剂设置在所述凹槽内，以保证窗口盖板和芯片单元的气密性。可以将吸气剂设置在凹槽的侧壁或是凹槽底部的边缘区域，以避免对红外光的遮挡。

本发明实施例中，以像元级别将偏振片集成到晶圆级封装用的窗口晶圆上，偏振片结构中偏振片子单元的设计位置与芯片单元中每个感光像元相对应，形成偏振晶圆级封装的窗口晶圆，再与芯片晶圆精确对位键合。

在本发明实施例中，将偏振片结构以感光像元级别直接集成在晶圆级封装工艺用的窗口经验上，每个偏振片子单元的设计位置与芯片单元中感光像元相对应，形成偏振晶圆级封装的窗口晶圆，经过与晶圆芯片精确对位键合后，偏振片子单元与芯片单元上感光像元完全对应，形成偏振探测器。

如上述，偏振片结构可以为金属偏振光栅、高分子薄膜偏振片或是超材料偏振片等。

当所述偏振片结构为金属偏振光栅时，金属偏振光栅制备在窗口晶圆的凹槽底部的内侧或是外侧，所述偏振片结构包括多个依次排列的偏振片子单元，每个偏振片子单元具有多条平行分布的光栅栅条，光栅栅条之间的间隔为10nm-500nm。

当所述偏振片结构为高分子薄膜偏振片时，由于高分子薄膜偏振片中含有有机物，为了避免有机物释放气体影响密封效果，将高分子薄膜偏振片设置在所述凹槽的外侧。

当所述偏振片结构为超材料偏振片时，根据超材料偏振片的材料，设置其制备位置，具体的，如为金属或其他性能稳定的材料，可以将其制备在凹槽内侧，若为含有有机物等会产生前天的材料，将其设置在凹槽的外侧。

若将偏振片结构设置在凹槽的内侧，则需要在晶圆键合工艺之前在凹槽内完成偏振片结构的制备。若制备在凹槽的外侧，则可以根据偏振片结构的材料和工艺决定，可以先在凹槽外侧制备偏振片再进行键合工艺，或是在完成键合工艺之后再在凹槽外侧制备偏振片结构。也就是说，若工艺允许，则可以在键合之前进行偏振片结构的制备，若工艺条件不允许，在键合完成后再在凹槽外侧制备偏振片结构同样可以实现偏振探测器功能。

根据不同的技术方案，对偏振片单元中偏振片子单元偏振角度进行设计，偏振片单元可以设计为具有2×2偏振片子单元阵列，偏振片子单元的偏振方向包括但不限于0°、135°、90°和45°。可以保留一部分感光像元不制备偏振片子单元，这样相当于该部分感光像元获取的是非偏振红外光，不对目标辐射红外光进行偏振选择，可以提高红外光的透光率，增加探测器辐射强度。

参考图5，图5为本发明实施例提供的一种窗口晶圆的结果示意图，该窗口晶圆50包括多个窗口盖板52，所述窗口盖板52与芯片晶圆中芯片单元一一对应。相邻所述窗口盖板52具有切割沟道51。

参考图6，图6为图5中一个窗口盖板的俯视图，图6所示窗口盖板52具有凹槽24，凹槽的底部设置有偏振片结构23，偏振片结构23具有多个偏振片单元231，偏振片单元231阵列排布。可以根据芯片单元的感光像元设置偏振片单元231的个数。

参考图7，图7为图6所示窗口盖板中的局部放大图，图7中示出了图6中一个偏振片单元231。该偏振片单元231具有四个偏振片子单元232，四个偏振片子单元232的偏振方向互不相同。

可以在窗口晶圆上制备红外增透膜，实现对红外光的透过率及波长截止，如上述实施例所述，增透膜可以位于窗口晶圆的两侧或单侧，偏振片结构设置在红外增透膜的底层。每个封装结构中，偏振片结构位于窗口光学膜有效区(增透区)，该区域同时用于镀制红外增透膜。

若偏振片结构在晶圆键合之前已经制备在窗口晶圆上，那么在完成芯片晶圆与窗口晶圆的键合之后，直接通过划片分割键合结构即可得到多个单粒的红外探测器的封装结构。若因偏振片结构的材料或制备工艺等因素要求偏振片结构在晶圆键合之后再制备，偏振片结构只能集成在窗口晶圆的外侧，通过采用一些对准/定位方式将偏振片制备到窗口晶圆上之后，再通过划片分割，形成多个单粒的封装结构。

通过上述描述可知，本发明实施例所述制作方法可以通过晶圆级封装方法将偏振片结构直接集成在红外探测器的封装结构中，可以将偏振片结构集成到晶圆级封装的窗口晶圆上，并与晶圆级封装工艺方法相结合，确保对位精度，保证窗口盖板上偏振片子单元与芯片单元的感光像元配位良好，形成高质量的偏振探测器。偏振片结构可以为金属偏振片光栅、高分子薄膜偏振片或是超材料偏振片等，制备位置可以根据偏振片结构的材料设置在窗口晶圆中凹槽的内侧或是外侧，偏振片结构中偏振片子单元的偏振方向可以根据需求设计，包括但不局限于0°、135°、90°和45°，并且可以选择保留部分感光像元不制备偏振片子单元，以提高红外光强度。偏振探测器的键合工艺与晶圆级封装工艺相结合，采用晶圆级封装实现精确对位，并且可以有效提升生产效率，降低制作成本。

本发明实施例中，偏振片结构直接集成在红外探测器的封装结构中，同一偏振片单元中具有不同偏振角度的多个偏振片子单元，可以用于获取的偏振信息确定偏振态，感光像元可以基于获取的偏振红外光形成红外图像，无需偏振扫描，能实现获得目标偏振成像；偏振成像系统设计不再需要外部偏振元器件以及机械装置，减少了设计难度，降低了成本。采用晶圆级封装更能进一步缩小器件尺寸，提高生产效率，降低成本，以实现大批量低成本制作红外探测器的目的。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种红外探测器的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：

芯片单元；

与所述芯片单元相对固定的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述偏振片结构为金属偏振光栅、或高分子薄膜偏振片、或超材料偏振片。

3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述偏振片结构包括多个偏振片单元，每个偏振片单元由不同偏振方向的偏振片子单元阵列组成。

4.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述偏振片结构为金属偏振光栅，每个偏振片子单元包括多条平行排布的光栅栅条，同一所述偏振片子单元中，相邻两个光栅栅条的间距为10nm-500nm，包括端点值。

5.根据权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述偏振片单元包括2×2阵列排布的偏振片子单元；

同一所述偏振片单元中，四个偏振片子单元的偏振角度包括：0°、135°、90°和45°。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述芯片单元包括多个阵列排布的感光像元；

所述偏振片结构覆盖所有所述感光像元或是部分所述感光像元。

7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述偏振片位于所述凹槽底部的外侧或是内侧。

8.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述窗口盖板的朝向所述芯片单元的一侧和/或背离所述芯片单元的一侧还设置有红外增透膜。

9.一种红外探测器的封装方法，用于制作如权利要求1-8任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装方法包括：

提供一芯片晶圆，所述芯片晶圆包括多个阵列排布的芯片单元；

将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合，所述窗口晶圆上具有与所述芯片单元一一对应的窗口盖板，所述窗口盖板包括用于对所述芯片单元进行封装保护的凹槽以及与所述凹槽相对设置的偏振片结构；

分割所述键合完成的晶圆，形成多个红外探测器的封装结构，所述封装结构包括一个所述芯片单元以及与所述芯片单元相对固定的窗口盖板。

10.根据权利要求9所述的封装方法，其特征在于，所述将所述芯片晶圆与窗口晶圆键合包括：

提供一用于制备所述窗口晶圆的晶圆衬底；

在所述晶圆衬底上形成多个所述凹槽；

基于所述偏振片结构的材料，在所述凹槽底部的外侧或是内侧制备所述偏振片结构。