CN111785825A - 集成热电堆红外探测器的封装结构及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成热电堆红外探测器的封装结构及其封装方法，集成热电堆红外探测器的封装结构包括：第一晶圆，其包括第一衬底、热电堆薄膜、金属焊盘和第一腔体，其中，所述热电堆薄膜和金属焊盘设置于所述第一衬底的正面，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜；第二晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的正面；第三晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的背面，所述第三晶圆包括第二衬底以及设置于第二衬底上且与所薄膜相对的第二腔体。与现有技术相比，本发明极大的降低了热电堆红外传感器的制造成本，提供了生产效率，缩小了器件尺寸。
Description
【技术领域】
本发明涉及微电子封装技术领域，尤其涉及一种集成热电堆红外探测器的封装结构及其封装方法。
【背景技术】
红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。热电堆红外探测器是较早发展的一种非制冷型红外探测器。目前，热电堆红外探测器普遍采用TO(TO Headers)金属管壳封装的方法，每颗热电堆红外传感器均需要一个独立的TO封装底座和封帽，极大的增加了封装材料的物料成本，降低了封装的效率。与表面贴装类器件相比，器件体积比较大，限制了其使用范围。
因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种集成热电堆红外探测器的封装结构，其采用晶圆级封装的方法，可以缩小器件尺寸。
本发明的目的之二在于提供一种集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其采用晶圆级封装的方法，从而提高了生产效率，缩小了器件尺寸。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种集成热电堆红外探测器的封装结构，其包括：第一晶圆，其包括第一衬底、热电堆薄膜、金属焊盘和第一腔体，其中，所述热电堆薄膜和金属焊盘设置于所述第一衬底的正面，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜；第二晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的正面；第三晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的背面，所述第三晶圆包括第二衬底以及设置于第二衬底上且与所薄膜相对的第二腔体。
进一步的，所述集成热电堆红外探测器的封装结构还包括：金属导线，其由所述金属焊盘引出并再分布到所述第三晶圆远离所述第一晶圆的一面。
进一步的，所述热电堆薄膜包括热电堆功能层和支撑层；所述第二晶圆的材料为玻璃、硅或者其他能够在红外波长范围内具有足够穿透性的有机或者无机材料。
进一步的，所述第二晶圆远离所述第一晶圆的一面上设置有红外滤光涂层；所述第三晶圆远离所述第二晶圆的一面上设置有反射涂层，或所述第二腔体的底部设置有反射涂层。
进一步的，所述金属导线由金属焊盘引出的方式为：通过第三晶圆进行侧壁引线或通孔引线；所述第一腔体和/或第二腔体内设置有吸气剂。
进一步的，所述热电堆薄膜的厚度为2-10微米；所述第二腔体的深度为50-800微米。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其包括：提供第一晶圆并在所述第一晶圆上制作热电堆红外传感器，所述第一晶圆包括第一衬底、热电堆薄膜、金属焊盘和第一腔体，其中所述热电堆薄膜和金属焊盘设置于所述第一衬底的正面，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜；提供第二晶圆并将第二晶圆键合于所述第一晶圆的第一衬底的正面；提供第三晶圆并将第三晶圆键合于第一晶圆的第一衬底的背面，其中所述第三晶圆包括第二衬底以及设置于第二衬底上且与所述热电堆薄膜相对的第二腔体。
进一步的，提供第一晶圆并在所述第一晶圆上制作热电堆红外传感器的步骤包括：在第一衬底的正面制作热电堆薄膜和金属焊盘；通过背面刻蚀在所述第一衬底形成自第一衬底的背面延伸的第一腔体，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜。
进一步的，所述热电堆薄膜包括热电堆功能层和支撑层，利用二氧化硅，氮化硅，多晶硅，金属或者有机材料作为热电堆红外传感器的支撑层；再利用N掺杂或者P掺杂的多晶硅与铝，再或者N掺杂和P掺杂的的多晶硅一起组成热电堆红外传感器的热电堆功能层。
进一步的，在所述第二晶圆与所述第一晶圆键合，以及第三晶圆与所述第一晶圆键合的步骤中，利用键合机台在气分可控的情况下进行键合；键合材料为金属，合金，玻璃或环氧胶水；键合工艺为阳极键合、共晶键合、焊接键合、玻璃料键合，胶水键合。
进一步的，所述集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，还包括：
将所述金属焊盘引出至键合后的第一晶圆的背面，并将引出的金属导线在背面进行再分布；在所述第一晶圆的背面设置焊球或者焊盘。
进一步的，所述第二晶圆远离所述第一晶圆的一面上设置有红外滤光涂层；所述第三晶圆远离所述第二晶圆的一面上设置有反射涂层，或所述第二腔体的底部设置有反射涂层；所述将金属焊盘引出至第三晶圆背面的方式为侧壁引线工艺或通孔工艺。
与现有技术相比，本发明中的集成热电堆红外探测器的封装结构包括第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆，其采用晶圆级封装的方法，免除了TO金属管壳封装的工序，极大的降低了热电堆红外传感器的制造成本，提供了生产效率，缩小了器件尺寸。降低的成本和缩小的器件尺寸也同时给用户带来了使用上的便利和更多的应用范围。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的纵向剖面示意图；
图2为本发明在另一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的纵向剖面示意图；
图3为本发明在一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法的流程示意图；
图4-图10为本发明在一个实施例中图3所示的各步骤对应的结构的纵剖面图。
【具体实施方式】
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。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的纵向剖面示意图。图1所示的集成热电堆红外探测器的封装结构包括第一晶圆110、第二晶圆120和第三晶圆130。通过晶圆级封装后，会进行晶圆切割的步骤以形成多个相互独立的封装结构，即独立芯片。以晶圆切割前的角度来看，即晶圆级的角度来看，第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆是三个独立的晶圆，以晶圆切割后的角度来看，即芯片级的角度来看，第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆可以被理解为各个晶圆的晶片。
所述第一晶圆110上设置(或制作)有热电堆红外传感器，其包括第一衬底111、热电堆薄膜112、金属焊盘113和第一腔体114，其中，所述热电堆薄膜(或热电堆薄膜结构)112和金属焊盘113设置于所述第一衬底111的正面，所述第一腔体114与所述热电堆薄膜112相对且自所述第一衬底111的背面延伸至所述热电堆薄膜112。在一个实施例中，所述热电堆薄膜112的厚度为2-10微米；所述热电堆薄膜112包括热电堆功能层(未图示)和支撑层(未图示)。在图1所示的具体实施例中，所述金属焊盘113位于所述热电堆薄膜112的外侧。
通常可以使用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)或者CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺在所述第一晶圆110上制作热电堆红外传感器。可以利用二氧化硅，氮化硅，多晶硅，金属或者有机材料作为支撑层；再利用N掺杂或者P掺杂的多晶硅与铝，再或者N掺杂和P掺杂的的多晶硅一起组成热电堆；其他材料比如单层或者多层金属(铝，多晶硅等)也可以被利用并制作成增加吸收率的辅助图形(未图示)；可通过背面刻蚀(DRIE,KOH刻蚀)在所述第一衬底111形成自第一衬底111的背面延伸而成的第一腔体114，只留下厚度仅为2-10微米厚度的热电堆功能层和支撑层组成的所述热电堆薄膜112。
所述第二晶圆120键合于所述第一晶圆110的第一衬底111的正面(或第一晶圆110的正面)。第二个晶圆120作为红外滤窗，其材料可以选择是玻璃、硅或者其他能够在红外波长范围内具有足够穿透性的有机或者无机材料。所述第二晶圆120的正面(或所述第二晶圆120远离所述第一晶圆110的一面)上设置(或覆盖)有红外滤光涂层140，所述红外滤光涂层140具有抗反射，增透和波长截止涂层。
第三晶圆130结构键合于所述第一晶圆110的第一衬底111的背面(或第一晶圆110的背面)。所述第三晶圆130包括第二衬底131，以及设置于第二衬底131上且与所述热电堆薄膜112相对的第二腔体132。
第三晶圆130作为背腔的底片。第三晶圆130需要包含多个与所述第一晶圆110相对应的第二腔体132。第二腔体132的深度在50-800微米，起热隔绝的作用。第三晶圆130上可以覆盖反射涂层150。反射涂层150既可以覆盖在圆第三晶圆130的正面(或所述第三晶圆130靠近所述第一晶圆110的一面)，例如，反射涂层150位于所述第二腔体132的底部，如图1所示，反射涂层250也可以涂覆在第三晶圆130的背面(或所述第三晶圆130远离所述第一晶圆110的一面)，如图2所示。反射涂层150可以由金属如金，铝、银等其他可以使红外射线大部分反射的材料组成。反射涂层150可以是整面的或者是按照图形化方式排布。
如果所述第一腔体114和/或第二腔体132是真空腔体，可以在所述第一腔体114和/或第二腔体132内引入吸气剂，所述吸气剂包括皓铝16、皓矾贴等。如果所述第一晶圆110的衬底111和第三晶圆130的衬底131是硅材料，第一腔体114和第二腔体132可以是通过一种或者多种刻蚀工艺获得。在所述第二晶圆120与所述第一晶圆110键合，以及第三晶圆130与所述第一晶圆110键合中，可以利用键合机台在气分可控的情况下进行键合。最理想的是真空，其他稳定且导热率的气体(比如氮气，氪气，氙气)也可使用。键合材料可以是金属，合金，玻璃，环氧胶水等多种选择。阳极，融合键合也是可选的工艺。
在图1所示的实施例中，键合后的第三晶圆130的背面(或所述第三晶圆130远离所述第二晶圆120的一面)设置有金属导线160，其由所述金属焊盘113引出并再分布到所述第三晶圆130的背面。其中，金属焊盘113引出方式是在第三晶圆130中通过在第三晶圆130上打孔引出，是通过通孔工艺实现的。
在第三晶圆130的背面设置有焊球170。金属焊盘113和焊球170均可作为信号触点。在另一个实施例中，所述焊球170也可以替换为金属焊盘。
请参考图2所示，其为本发明在另一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的纵向剖面示意图，其结构与图1所示实施例的结构基本相同，也包括第一晶圆110、第二晶圆120和第三晶圆130；其与图1所示实施例的区别在于：其金属焊盘113引出金属线260的方式不同，其焊盘引出方式是通过斜坡金属重布线工艺(或侧壁引线工艺)实现的；其反射涂层250涂覆在第三晶圆130的背面(或所述第三晶圆130远离所述第二晶圆120的一面)。
请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法的流程示意图；请参考图4-图10所示，其为本发明在一个实施例中图3所示的各步骤对应的纵剖面图。图4所示的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法包括如下步骤。
步骤310、如图4和图5所示，提供第一晶圆110，所述第一晶圆110上设置(或制作)有热电堆红外传感器。首先，在第一衬底111的正面制作热电堆薄膜112和金属焊盘113，具体如图4所示；然后，通过背面刻蚀(DRIE,KOH刻蚀)在所述第一衬底111形成自第一衬底111的背面延伸的第一腔体114，只留下厚度仅为2-10微米厚度的热电堆功能层和支撑层组成的所述热电堆薄膜112，即所述第一腔体114与所述薄膜112相对，且自所述第一衬底111的背面延伸至所述热电堆薄膜112，具体如图5所示。
通常可以使用MEMS或者CMOS工艺在所述第一晶圆110上制作热电堆红外传感器。可以利用二氧化硅，氮化硅，多晶硅，金属或者有机材料作为支撑层(未图示)；再利用N掺杂或者P掺杂的多晶硅与铝，再或者N掺杂和P掺杂的的多晶硅一起组成热电堆；其他材料比如单层或者多层金属(铝，多晶硅等)也可以被利用并制作成增加吸收率的辅助图形(未图示)。
步骤320、如图6所示，提供第二晶圆120，并将第二晶圆120键合于所述第一晶圆110的第一衬底111的正面。第二个晶圆120作为红外滤窗，其材料可以选择是玻璃、硅或者其他能够在红外波长范围内具有足够穿透性的有机或者无机材料。所述第二晶圆120的正面(或所述第二晶圆120远离所述第一晶圆110的一面)上设置(或覆盖)有红外滤光涂层140，所述红外滤光涂层140具有抗反射，增透和波长截止涂层。
步骤330、如图7和图8所示，提供第三晶圆130，其将第三晶圆130键合于所述第一晶圆110的第一衬底111的背面(或第一晶圆110的背面)，所述第三晶圆130包括第二衬底131，以及设置于第二衬底131上且与所述热电堆薄膜112相对的第二腔体132。
第三晶圆130作为背腔的底片。第三晶圆130需要包含多个与所述第一晶圆110相对应的第二腔体132。第二腔体132的深度在50-800微米，起热隔绝的作用。第三晶圆130上可以覆盖反射涂层150。反射涂层150既可以覆盖在圆第三晶圆130的正面(或所述第三晶圆130靠近所述第一晶圆110的一面)，例如，反射涂层150位于所述第二腔体132的底部，如图7所示，反射涂层250也可以涂覆在第三晶圆130的背面(或所述第三晶圆130远离所述第一晶圆110的一面)，如图8所示。反射涂层150可以由金属如金，铝、银等其他可以使红外射线大部分反射的材料组成。反射涂层150可以是整面的或者是按照图形化方式排布。
如果所述第一腔体114和/或所述第二腔体132是真空腔体，可以在所述第一腔体114和/或所述第二腔体132内引入吸气剂，所述吸气剂包括皓铝16、皓矾贴等。如果所述第一晶圆110的衬底111和第三晶圆130的衬底131是硅材料，第一腔体114和第二腔体132可以是通过一种或者多种刻蚀工艺获得。在所述第二晶圆120与所述第一晶圆110键合，以及第三晶圆130与所述第一晶圆110键合中，可以利用键合机台在气分可控的情况下进行键合。最理想的是真空，其他稳定且导热率的气体(比如氮气，氪气，氙气)也可使用。键合材料可以是金属，合金，玻璃，环氧胶水等多种选择。阳极，融合键合也是可选的工艺。
步骤340、如图9和图10所示，在键合后的第三晶圆130的背面(或所述第三晶圆130远离所述第二晶圆120的一面)设置有金属导线160，其由所述金属焊盘113引出并再分布到所述第三晶圆130的背面。其中，金属焊盘113引出方式可以通过在第三晶圆130上打孔引出，是通过通孔工艺实现的，如图9所示；金属焊盘113引出方式也可以通过斜坡金属重布线工艺(或侧壁引线工艺)实现的，如图10所示。
步骤350、如图9和图10所示，在第三晶圆130的背面设置有焊球170。金属焊盘113和焊球170均可作为信号触点。在另一个实施例中，所述焊球170也可以替换为金属焊盘。
综上所述，本发明的集成热电堆红外探测器的封装结构及其封装方法中，晶圆切合后的集成热电堆红外探测器的封装结构包括第一晶圆110、第二晶圆120和第三晶圆130。在所述第一晶圆110中，所述热电堆薄膜112和金属焊盘113设置于所述第一衬底111的正面，所述第一腔体114与所述热电堆薄膜112相对，且在所述第一衬底111的背面延伸至所述热电堆薄膜112；所述第二晶圆120与所述第一晶圆110键合，且所述第二晶圆120位于所述第一衬底111的正面；第三晶圆130与所述第一晶圆110键合，且所述第三晶圆130位于所述第一衬底111的背面，所述第三晶圆130包括第二衬底131，以及设置于第二衬底131上且与所述热电堆薄膜112相对的第二腔体132。这样，本发明中的集成热电堆红外探测器的封装结构可以采用晶圆级封装的方法，免除了TO金属管壳封装的工序，极大的降低了热电堆红外传感器的制造成本，提供了生产效率，缩小了器件尺寸。降低的成本和缩小的器件尺寸也同时给用户带来了使用上的便利和更多的应用范围。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (12)
1.一种集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，其包括：
第一晶圆，其包括第一衬底、热电堆薄膜、金属焊盘和第一腔体，其中，所述热电堆薄膜和金属焊盘设置于所述第一衬底的正面，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜；
第二晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的正面；
第三晶圆，其与所述第一晶圆键合且位于所述第一衬底的背面，所述第三晶圆包括第二衬底以及设置于第二衬底上且与所薄膜相对的第二腔体。
2.根据权利要求1的集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，其还包括：金属导线，其由所述金属焊盘引出并再分布到所述第三晶圆远离所述第一晶圆的一面。
3.根据权利要求1的集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，
所述热电堆薄膜包括热电堆功能层和支撑层；
所述第二晶圆的材料为玻璃、硅或者其他能够在红外波长范围内具有足够穿透性的有机或者无机材料。
4.根据权利要求1的集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，
所述第二晶圆远离所述第一晶圆的一面上设置有红外滤光涂层；
所述第三晶圆远离所述第二晶圆的一面上设置有反射涂层，或所述第二腔体的底部设置有反射涂层。
5.根据权利要求2的集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，
所述金属导线由金属焊盘引出的方式为：通过第三晶圆进行侧壁引线或通孔引线；
所述第一腔体和/或第二腔体内设置有吸气剂。
6.根据权利要求1的集成热电堆红外探测器的封装结构，其特征在于，
所述热电堆薄膜的厚度为2-10微米；
所述第二腔体的深度为50-800微米。
7.一种集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，其包括：
提供第一晶圆并在所述第一晶圆上制作热电堆红外传感器，所述第一晶圆包括第一衬底、热电堆薄膜、金属焊盘和第一腔体，其中所述热电堆薄膜和金属焊盘设置于所述第一衬底的正面，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜；
提供第二晶圆并将第二晶圆键合于所述第一晶圆的第一衬底的正面；
提供第三晶圆并将第三晶圆键合于第一晶圆的第一衬底的背面，其中所述第三晶圆包括第二衬底以及设置于第二衬底上且与所述热电堆薄膜相对的第二腔体。
8.根据权利要求7所述的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，提供第一晶圆并在所述第一晶圆上制作热电堆红外传感器的步骤包括：
在第一衬底的正面制作热电堆薄膜和金属焊盘；
通过背面刻蚀在所述第一衬底形成自第一衬底的背面延伸的第一腔体，所述第一腔体与所述热电堆薄膜相对且自所述第一衬底的背面延伸至所述热电堆薄膜。
9.根据权利要求7所述的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，
所述热电堆薄膜包括热电堆功能层和支撑层，
利用二氧化硅，氮化硅，多晶硅，金属或者有机材料作为热电堆红外传感器的支撑层；
再利用N掺杂或者P掺杂的多晶硅与铝，再或者N掺杂和P掺杂的的多晶硅一起组成热电堆红外传感器的热电堆功能层。
10.根据权利要求7所述的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，
在所述第二晶圆与所述第一晶圆键合，以及第三晶圆与所述第一晶圆键合的步骤中，利用键合机台在气分可控的情况下进行键合；
键合材料为金属，合金，玻璃或环氧胶水；
键合工艺为阳极键合、共晶键合、焊接键合、玻璃料键合，胶水键合。
11.根据权利要求7所述的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，其还包括：
将所述金属焊盘引出至键合后的第一晶圆的背面，并将引出的金属导线在背面进行再分布；
在所述第一晶圆的背面设置焊球或者焊盘。
12.根据权利要求7所述的集成热电堆红外探测器的封装结构的封装方法，其特征在于，
所述第二晶圆远离所述第一晶圆的一面上设置有红外滤光涂层；
所述第三晶圆远离所述第二晶圆的一面上设置有反射涂层，或所述第二腔体的底部设置有反射涂层；
所述将金属焊盘引出至第三晶圆背面的方式为侧壁引线工艺或通孔工艺。
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| CN202010675549.6A CN111785825A (zh) | 2020-07-14 | 2020-07-14 | 集成热电堆红外探测器的封装结构及其封装方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112794280A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-14 | 厦门烨映电子科技有限公司 | 一种自带聚光结构的微机电红外光源及其制备方法 |
| CN116124728A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-05-16 | 上海烨映微电子科技股份有限公司 | 热电堆红外探测器及其制备方法和ndir探测系统 |
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2020
- 2020-07-14 CN CN202010675549.6A patent/CN111785825A/zh active Pending
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