CN109877479A - 一种焦平面探测器两步倒焊工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦平面探测器两步倒焊工艺方法。本方法先通过回熔焊工艺使光敏芯片和读出电路初步形成互连，再采用高平整度材料作为倒焊过渡结构，通过倒焊过渡结构与初步互连的焦平面模块二次冷压焊使光敏芯片和读出电路实现完全互连。本方法将回熔焊和冷压焊工艺有机融合，充分发挥两种工艺的优点，在减小倒焊随机偏移的同时克服了由芯片平整度和铟柱质量引起的互连不上的问题，从而有效的提高大规模高密度焦平面探测器的连通率和倒焊成品率；本方法不受阵列规模和像元尺寸的限制，可以方便地应用于各种面阵器件。

Description

一种焦平面探测器两步倒焊工艺方法

技术领域

本发明属于红外及光电子领域，具体涉及一种焦平面探测器的两步倒焊工艺方法，它特别适用于大规模高密度焦平面探测器的制备。

背景技术

焦平面探测器需要将分立的光敏芯片和读出电路各元一一对应连接在一起构成焦平面器件，互连方式有直接倒焊混成、间接倒焊混成、环孔技术和引线键合等。直接倒焊混成型红外焦平面是当前发展最为成熟的焦平面结构，其优点是敏感元阵列可获得接近100％的占空因子、读出电路可增大信号处理器的面积、寄生阻抗低、抗电磁干扰能力强和机械可靠性高等。

在实际器件制作中，芯片的电极区一般都采用铟制作金属凸点来实现直接倒焊互连，倒焊工艺方式分为冷压焊、热压焊和回熔焊。冷压焊是在光敏芯片和读出电路各元对准的基础上，通过施加一定的压力，使得光敏芯片和读出电路结合在一起，冷压焊过程中通常会由于铟柱的生长质量问题(包括铟柱的大小、高度、饱满度和一致性等等)产生随机的水平偏移。热压焊是在倒焊的过程中提高光敏芯片和读出电路的温度，再通过施加压力的方式使二者互连的工艺，但高温对准互连后的焦平面降至常温过程中由于材料之间热膨胀不匹配的问题会导致倒焊偏移更加难以控制，通常较少采用。回熔焊是将光敏芯片和读出电路置于高温和还原性气氛(如甲酸)中，去除铟柱表面氧化层引起焊料回流并形成光敏芯片和读出电路之间的物理连接，回熔焊工艺中不需要施加压力，倒焊后水平偏移较小，但回熔焊对芯片的平整度和铟柱质量等要求比冷压焊要高得多，工艺操作难度也大得多，容易形成大片盲元，因此目前采用最多的是冷压焊工艺。随着器件规模的不断扩大和像元间距的不断减小，铟柱制备工艺引入的铟柱一致性等问题日益突出，冷压焊过程产生的随机偏移很容易超出有效互连允许的极限范围，倒焊工艺正越来越成为大面阵器件制造过程中的瓶颈。

为此，发明一种能有效控制倒焊偏移且方便可行的大规模高密度焦平面器件倒焊工艺方法十分必要。

发明内容

基于上述大规模高密度焦平面探测器倒焊互连中存在的问题，本发明创新性地提出了一种焦平面探测器的两步倒焊工艺方法。

本方法先通过回熔焊工艺使光敏芯片3和读出电路1初步形成互连，再采用高平整度材料作为倒焊过渡结构4，通过倒焊过渡结构4与初步互连的焦平面模块二次冷压焊使光敏芯片3和读出电路1实现完全互连，从而获得高连通率的大规模高密度焦平面探测器，具体方法步骤如下：

1)样品装载：将准备好的光敏芯片3和读出电路1样品放置在对应托盘中，操作倒焊机分别将光敏芯片3和读出电路1真空吸附在对应的倒焊夹具上；

2)第一步回熔焊：采用回熔焊工艺将光敏芯片3与读出电路1初步互连，回熔焊结束后，焦平面模块吸附在基座的读出电路用倒焊夹具5上保持不动；

3)倒焊过渡结构装载：将准备好的倒焊过渡结构4放置在光敏芯片的托盘中，操作倒焊机将倒焊过渡结构4真空吸附在光敏芯片用倒焊夹具6上；

4)第二步冷压焊：采用冷压焊工艺将倒焊过渡结构4与初步互连的焦平面模块再次冷压，使光敏芯片3和读出电路1实现完全互连；

5)取样：从倒焊机上取下带有倒焊过渡结构4的焦平面模块，静置一段时间，取下倒焊过渡结构4。

本方法中倒焊过渡结构4使用的高平整度材料，是双抛蓝宝石片或硅片或其他高平整度材料，其平整度≤2μm，尺寸介于光敏芯片3和读出电路1之间，厚度与光敏芯片3相同，偏差±0.1mm，方便倒焊机直接使用与光敏芯片对应的托盘和倒焊夹具进行操作，而不用重新加工新的倒焊工具。

本发明的有益效果：

1、本发明的方法将回熔焊和冷压焊工艺有机融合，充分发挥两种工艺的优点，通过回熔焊减小倒焊过程的随机偏移，再利用倒焊过渡结构进行冷压焊克服由芯片平整度和铟柱质量引起的互连不上的问题，从而有效提高大规模高密度焦平面探测器的连通率。

2、本发明的方法可有效提升大规模高密度焦平面探测器的倒焊成品率。

3、本发明的方法不受阵列形状、规模和像元尺寸等限制，可以方便地应用于各种面阵器件；

附图说明

图1为本发明倒焊工艺过程示意图；

图2为本发明的倒焊工艺步骤流程图；

图中：

1--读出电路；

2--铟柱；

3--光敏芯片；

4--倒焊过渡结构；

5--读出电路用倒焊夹具；

6--光敏芯片用倒焊夹具；

7--对准显微镜系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的基本思想是通过融合回熔焊与冷压焊工艺实现高精度倒焊互连。图1为经过回熔焊后初步互连的焦平面模块与倒焊过渡结构4在对准显微镜系统7下调平对准的示意图。为进一步说明和具体化，以下特以器件规模1280×1024，中心距为15μm的InGaAs焦平面探测器倒焊工艺为例对此方法加以说明。但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定。

实施例：1280×1024元InGaAs焦平面倒焊工艺方法

1样品装载：准备双边生长铟柱2的InGaAs光敏芯片3与读出电路1样品，清洗并处理干净，放置于对应的托盘中，操作倒焊机分别将InGaAs光敏芯片3和读出电路1真空吸附在对应的倒焊夹具上；器件规模1280×1024元，中心距15μm，光敏芯片尺寸为20.0mm×16.2mm×0.35mm，读出电路尺寸为22.0mm×20.0mm×0.48mm；

2第一步回熔焊：利用倒焊机对准显微镜系统7调平对准，采用回熔焊工艺将InGaAs光敏芯片3与读出电路1初步互连在一起，回熔过程中通入甲酸和氮气的混合气体，光敏芯片3温度为155℃±1℃，读出电路1温度为200℃±1℃；回熔焊结束后，焦平面模块吸附在基座的读出电路用倒焊夹具5上保持不动；

3倒焊过渡结构装载：将准备好的双抛蓝宝石片(即倒焊过渡结构)放置在托盘中，尺寸为22.0mm×18.0mm×0.4mm，平整度≤2μm，操作倒焊机通过光敏芯片用倒焊夹具6吸取蓝宝石片；

4第二步冷压焊：利用倒焊机对准显微镜系统7将蓝宝石片调平并对准基座上的焦平面模块，通过蓝宝石片与初步互连的焦平面模块再次冷压焊使光敏芯片3和读出电路1实现完全互连，冷压焊条件为200Kg/360s；

5取样：从倒焊机上取下带有蓝宝石片的焦平面模块，静置一段时间，用镊子轻轻取下蓝宝石片。

Claims (2)

1.一种焦平面探测器两步倒焊工艺方法，其步骤为:1)样品装载，2)第一步回熔焊，3)倒焊过渡结构装载，4)第二步冷压焊，5)取样；其特征在于：具体操作步骤如下：

1)样品装载：将准备好的光敏芯片(3)和读出电路(1)样品放置在对应托盘中，操作倒焊机分别将光敏芯片(3)和读出电路(1)真空吸附在对应的倒焊夹具上；

2)第一步回熔焊：采用回熔焊工艺将光敏芯片(3)与读出电路(1)初步互连，回熔焊结束后，焦平面模块吸附在基座的读出电路用倒焊夹具(5)上保持不动；

3)倒焊过渡结构装载：将准备好的倒焊过渡结构(4)放置在光敏芯片的托盘中，操作倒焊机将倒焊过渡结构(4)真空吸附在光敏芯片用倒焊夹具(6)上；

4)第二步冷压焊：采用冷压焊工艺将倒焊过渡结构(4)与初步互连的焦平面模块再次冷压，使光敏芯片(3)和读出电路(1)实现完全互连；

5)取样：从倒焊机上取下带有倒焊过渡结构(4)的焦平面模块，静置一段时间，取下倒焊过渡结构(4)。

2.根据权利要求1所述的一种焦平面探测器两步倒焊工艺方法倒，其特征在于：步骤3)中所述的倒焊过渡结构(4)使用的高平整度材料为双抛蓝宝石片、硅片或其他高平整度材料，其平整度≤2μm，尺寸介于光敏芯片(3)和读出电路(1)之间，厚度与光敏芯片(3)相同，偏差±0.1mm。