CN112687674A - 一种红外热堆传感器的封装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热堆传感器的封装结构及方法，包括第一基板；位于所述第一基板第一表面的热电堆结构，所述热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；封盖基板，所述封盖基板设置于所述热电堆结构的上方，并与所述热电堆结构的上表面形成第一空腔，所述封盖基板上设有膜状热敏电阻。通过将热敏电阻设在封盖基板上，使得热电堆结构和热敏电阻能够同时形成于同一封装结构内，实现了集成封装，缩短了工艺步骤，减小了红外热堆传感器的体积，提高了红外热堆传感器的可靠性。

Description

一种红外热堆传感器的封装结构及方法

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及一种红外热堆传感器的封装结构及方法。

背景技术

红外热堆传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，通过将感应到的被测信息按一定规律变换成为对应的信号输出，以实现对信息的检测。典型的红外热堆传感器如温度红外热堆传感器、压力红外热堆传感器、光学红外热堆传感器等，不仅促进了传统产业的改造和更新换代，还不断开拓新型工业，成为人们关注的焦点。

随着微电子机械系统(MEMS)技术的迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的微型化红外热堆传感器以其尺寸小、价格低等优势被广泛应用于测温、气体传感、光学成像等领域。红外热堆传感器的对温度的处理中，采用热电堆单元接收辐射信息检测被测物体温度，同时为了提高准确度，需要同时热敏电阻单元接收当前环境温度，以便提高计算准确度。

然而，现有的红外热堆传感器中热电堆单元与热敏单元为分离设计后再重新组装，工艺复杂，体积较大，与微型化的趋势相违背。因此，亟需提供一种工艺简单且体积较小的红外热堆传感器。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供一种红外热堆传感器的封装结构及方法，至少解决的技术问题是如何减小红外热堆传感器封装结构的器件体积、简化工艺流程以及提高测量精确度。

为实现上述目的，本发明提出了一种红外热堆传感器的封装结构，包括：

第一基板；

位于所述第一基板第一表面的热电堆结构，所述热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

封盖基板，所述封盖基板设置于所述热电堆结构的上方，并与所述热电堆结构的上表面形成第一空腔，所述封盖基板上设有膜状热敏电阻。

本发明还提供了一种红外热堆传感器的封装方法，包括：

提供第一基板；

在所述第一基板的第一表面形成热电堆结构，所述热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

在所述热电堆结构的上表面形成封盖基板，所述封盖基板与所述热电堆结构的上表面连接形成第一空腔；

在所述封盖基板上形成膜状热敏电阻。

本发明封装结构的有益效果在于：

通过将热敏电阻设在封盖基板上，使得热电堆结构和热敏电阻能够同时形成于同一封装结构内，实现了集成封装，缩短了工艺步骤，减小了红外热堆传感器的体积，提高了红外热堆传感器的可靠性。

进一步的，通过将热敏电阻设在封盖基板的第一表面、第二表面和内部，便于热敏电阻检测热电堆结构的环境温度，进一步提高了人体感应的准确性和使用便利性。

进一步的，将热敏电阻通过第一互连结构与外部电路电连接，热电堆结构通过第二互连结构和第三互连结构与外部电路电连接，避免了热敏电阻与热电堆结构相互产生干扰，提高了测量的精确度。

进一步的，通过将热敏电阻设在红外滤光片外周的顶盖上，避免热敏电阻阻挡红外光的射入而导致的测量不精确。

本发明封装方法的有益效果在于：

通过将热敏电阻形成在封盖基板上，使得热电堆结构和热敏电阻能够同时形成于同一封装结构内，实现了集成封装，缩短了工艺步骤，减小了红外热堆传感器的体积，提高了红外热堆传感器的可靠性。

本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本发明一实施例所提供的红外热堆传感器的结构示意图；

图2为本发明又一实施例所提供的红外热堆传感器的结构示意图；

图3至图12为本发明一实施例所提供的红外热堆传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图；

图13至图16是本发明一实施例所提供的红外热堆传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图；

图17至图21是本发明又一实施例所提供的红外热堆传感器的制作方法中各步骤对应的结构示意图。

附图标记：100、第二基板；101、绝缘层；102、金属层；120、焊球；200、第一基板；201、介质层；202、第一电极材料层；203、钝化层；204、第一沟槽；205、吸收层；206、第一开口；208、保护层；209、第二连接部；2091、第二插塞；2092、第二互连线；211、第一电极；212、第二电极；217、层间介质层；220、热辐射隔离槽；220’、第二空腔；230、第三连接部；2301、第三插塞；2302、第三连接部；231、第一连接部；2311、第一插塞、2312、第一互连线；232、第一连接凸块；233、第四插塞；234、柔线导线；300、顶盖；301、环形侧壁；302、第一基底；303、第二基底；304、红外滤光层；310、热敏电阻；320、第一空腔；321、第一引出部；322、第二连接凸块。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

由背景技术可知，现有的红外热堆传感器的器件尺寸有待提高。

红外热堆传感器又称为热电堆红外探测器，传统的红外热堆传感器包括热电堆芯片和热敏电阻芯片。红外热堆传感器测温基本原理为，通过所述热电堆芯片将人体的红外辐射能量直接转换为连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片在电路中回路中形成分压信号，对电压信号及分压信号进行信号处理，根据电压信号及分压信号运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，提高红外热堆传感器的准确性。然而上述红外热堆传感器中热电堆芯片和热敏电阻芯片分别形成，然后将二者安装至封装底座，再通过导线与信号处理芯片电连接。

由于，热电堆芯片和热敏电阻芯片分别形成，工艺步骤较长，且二者分开安装至封装底座，体积较大，同时通过外接导线连接，可靠性较差。

实施例1

为解决上述问题，本实施例提供了一种红外热堆传感器的封装结构，如图1所示，包括：

第一基板200；

位于第一基板200第一表面的热电堆结构，热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

封盖基板，封盖基板设置于热电堆结构的上方，并与热电堆结构的上表面形成第一空腔320，封盖基板上设有膜状热敏电阻310。

封盖基板具有第一表面和第二表面，第一表面为封盖基板与热电堆结构围成第一空腔320的表面，第二表面与第一表面相对。

在本实施例中，热敏电阻310位于封盖基板的第一表面；在一实施例中，热敏电阻310位于封盖基板的第二表面；在其它实施例中，热敏电阻310位于封盖基板内。

需要说明的是，通过将热敏电阻310设在封盖基板的第一表面、第二表面和封盖基板内，便于热敏电阻310检测热电堆结构的环境温度，进一步提高人体感应的准确性和使用便利性，在本实施例中，热敏电阻310位于封盖基板的第一表面，能更好的检测热电堆结构的环境温度，提高精度，使得红外热堆传感器的性能得到提升。

封盖基板包括环绕热电堆结构的环形侧壁301以及设于环形侧壁上的顶盖300。

在本实施例中，热敏电阻310位于第一空腔320暴露的顶盖300表面；在一实施例中，热敏电阻310位于第一空腔320暴露的环形侧壁301表面或位于与第一空腔320相对的顶盖300表面或环形侧壁301表面；在另一实施例中，热敏电阻310位于顶盖300内或者环形侧壁301内；在又一实施例中，热敏电阻310位于顶盖300与环形侧壁301之间。

需要说明的是，为了描述方便，本文中所涉及的第一空腔320暴露的顶盖300表面或环形侧壁301表面分别定义为顶盖300的第一面和环形侧壁301的第一面，与第一空腔320相对的顶盖300表面或环形侧壁301表面分别定义为顶盖300的第二面和环形侧壁301的第二面。通过将热敏电阻310设在顶盖300或环形侧壁301的第一面、第二面、顶盖300或环形侧壁301内或设于顶盖300与环形侧壁301之间，减小了红外热堆传感器的体积，同时便于热敏电阻310检测热电堆结构的环境温度，提高精度，使得红外热堆传感器的性能得到提升。

热敏电阻310为S形排布或螺旋状排布的线状条。

热敏电阻310的材料可以为具有负温度系数的材料，也可以是具有正温度系数的材料。热敏电阻310的材料包括：铝、铜、镍、铬、铁、钛、金、银、铂、锰、钴、锌等一种、两种或两种以上的金属或金属氧化物；或者半导体材料层；或者含重金属掺杂的半导体层，重金属掺杂的离子为：铝、铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒中的一个或多个。本实施例中，热敏电阻310的材料为金属铝。所述热敏电阻310通过原子层沉积或溅射工艺形成。所述热敏电阻310为S形排布的线状条。

第一基板200的第二表面或热电堆结构的上表面上设有第一连接凸块232，第一连接凸块232用于连接外部电路；热敏电阻310与第一连接凸块232电连接。需要说明的是，第一基板具有第一表面和第二表面，第二表面为背对热电堆结构的第一基板的表面，第一表面和第二表面相对。第一连接凸块232可以设置在第一基板200的第二表面上，也可以设置在热电堆结构的上表面，通过在第一基板200的第二表面或热电堆结构上表面设第一连接凸块232，从而实现热敏电阻310和第一连接凸块232电连接，避免了热敏电阻310与热电堆结构相互产生信号干扰，提高了测量的精确度。

第一基板200可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料。

热敏电阻310位于顶盖300第一面或环形侧壁301第一面时，或者，热敏电阻310位于顶盖300第二面或环形侧壁301第二面时：热敏电阻310通过柔性导线234和/插塞与第一连接凸块232电连接。

在一实施例中，第一连接凸块232设置在第一基板200的第二表面，，热敏电阻310位于顶盖300的第一面时，热敏电阻310通过柔性导线234和插塞与第一连接凸块232电连接。

具体的，热敏电阻310位于顶盖300的第一面时，热敏电阻310通过柔性导线234和第一连接部231与第一连接凸块232电连接，第一连接部231包括第一插塞2311和第一互连线2312，第一插塞2311贯穿热电堆结构和第一基板200，第一插塞2311的一端连接第一连接凸块232，另一端连接第一互连线2312，第一互连线2312位于热电堆结构的上表面，柔性导线234电连接热敏电阻310和第一互连线2312，从而实现热敏电阻310与外部电路的电连接。

参考图2，在一实施例中，第一连接凸块232位于热电堆结构的上表面，热敏电阻310位于顶盖300的第一面时，热敏电阻310可以通过第四插塞233连接热敏电阻310与第一连接凸块232，具体的，第四插塞233位于环形侧壁301内，由两段插塞构成，一段插塞贯穿环形侧壁301，电连接第一连接凸块232，另一段插塞电连接热敏电阻310，两段插塞电连接；在其它实施例中，热敏电阻310也可以通过柔性导线234直接与第一连接凸块232电连接。

在一实施例中，第一连接凸块232位于热电堆结构的上表面，热敏电阻310位于顶盖300的第二面时，热敏电阻310可以通过柔性导线234与第一连接凸块232电连接。在其它实施例中，也可以通过插塞或布线层将热敏电阻310的电性引出到顶盖300的第一面上，插塞或布线层与第一连接凸块232电连接的结构与前述实施例热敏电阻310位于顶盖300的第一面时的连接结构相同，在这里不做赘述。

在另一实施例中，第一连接凸块232位于第一基板200的第二表面上，热敏电阻310位于顶盖300的第二面时，热敏电阻310通过柔性导线234和第一连接部231与第一连接凸块232电连接。

具体的，通过柔性导线234将热敏电阻310直接连接到第一连接部231，第一连接部231的结构与前述实施例相同，此处不再赘述；在其它实施例中，也可以通过插塞或布线层将热敏电阻310的电性引出到顶盖300的第一面上，插塞或布线层与第一连接凸块232电连接的结构与前述实施例热敏电阻310位于顶盖300的第一面时的连接结构相同，此处不再赘述。

在一实施例中，热敏电阻310位于环形侧壁301的第一面或第二面时，热敏电阻310与第一连接凸块232通过柔性导线234和/或插塞电连接，具体的连接方式，和前述实施例相同，不再赘述。

热敏电阻310位于顶盖300内或者环形侧壁301内时，或者，热敏电阻310位于顶盖300与环形侧壁301之间时：热敏电阻310通过第一电连接结构与第一连接凸块232电连接。

第一电连接结构包括第一引出部、位于顶盖300表面或环形侧壁301表面上的第二连接凸块和第一连接结构。第一引出部将热敏电阻310引出到第二连接凸块上，第二连接凸块通过第一连接结构与第一连接凸块232电连接；第一引出部包括位于顶盖300或环形侧壁301内的插塞；第一连接结构包括柔性导线234和/或插塞。

需要说明的是，热敏电阻310位于顶盖300或者环形侧壁301内，以及位于顶盖300与环形侧壁301之间时，热敏电阻310不能与第一连接凸块232直接电连接，因此需要先将热敏电阻310引出到顶盖300或者环形侧壁301的第一面或者第二面上，然后再与第一连接凸块232实现电连接。

热敏电阻310位于顶盖300内时，顶盖300内设置插塞，插塞的一端连接热敏电阻310，另一端连接第二连接凸块，第二连接凸块通过第一连接结构与第一连接凸块232电连接。

在一实施例中，热敏电阻310位于顶盖300内，第一连接凸块232设置在第一基板200的第二表面上时，第一连接结构包括柔性导线234和第一连接部231，第一连接部231包括第一插塞2311和第一互连线2312，所述第一互连线2312位于热电堆结构的上表面，所述第一插塞2311贯穿所述热电堆结构和第一基板200，所述第一插塞2311的一端电连接第一互连线2312，另一端电连接第一连接凸块232，第二连接凸块通过柔性导线234与第一互连线2312电连接，实现热敏电阻310与第一连接凸块232的电连接。在另一实施例中，第一连接凸块232设置在与热电堆结构的上表面，第一连接结构包括柔性导线234，第二连接凸块通过柔性导线234与第一连接凸块232直接电连接。

在一个实施例中，第一连接凸块232设置在与热电堆结构的上表面，热敏电阻310位于环形侧壁301内，或热敏电阻310位于顶盖300与环形侧壁301之间时，通过在环形侧壁301内形成插塞，热敏电阻310通过插塞将电连接引出至第一连接凸块232，实现热敏电阻310与外部电路的电连接。

在一个实施例中，第一连接凸块232设置第一基板200的第二表面上，热敏电阻310位于环形侧壁301内，或热敏电阻310位于顶盖300与环形侧壁301之间时，热敏电阻310与第一连接凸块232的电连接结构与前述实施例相似，此处不再赘述。

在本实施例中，红外热堆传感器，还包括：第二电连接结构和第三电连接结构，第二电连接结构和第三电连接结构将热电堆结构与外部电路电连接。

第二电连接结构和第三电连接结构用于使热电堆结构连接外部电路，第二电连接结构包括第二连接部209和第三连接部230，第二连接部209和第三连接部230电连接。

具体的，第二连接部209包括第二插塞2091和第二互连线2092，第二互连线2092位于热电堆结构的上表面，第二插塞2091将第二电极212引出到热电堆结构的上表面，与第二互连线2092电连接。

第三连接部230包括第三插塞2301和第三互连线2302，第三插塞2301的一端与第二互连线2092电连接，另一端电连接第三互连线2302，第三互连线2302用于连接外部电路。

将热敏电阻310通过第一电连接结构与外部电路电连接，热电堆结构通过第二电连接结构和第三电连接结构与外部电路电连接，避免了热敏电阻310与热电堆结构相互产生干扰，提高了测量的精确度。

在一实施例中，红外热堆传感器，也可以仅包括第二连接部209，热电堆结构通过第二连接部209与外部电路电连接。在本实施例中，热电堆结构还包括：红外辐射区和外围区；热辐射隔离槽暴露出红外辐射区的热电堆结构。

热电堆结构包括多个相互连接的热电偶对，每个热电偶对包括相互电连接的第一电极211和第二电极212，第一电极211和第二电极212均自外围区延伸至红外辐射区。热电偶对的热端位于红外辐射区，热电偶对的冷端位于外围区。

在本实施例中，红外热堆传感器还包括：贯穿第一基板200的热辐射隔离槽，热辐射隔离槽与热电堆结构相对。

封盖基板与热辐射隔离槽相对应的部分设有红外滤光层304，热敏电阻310设在红外滤光层304外周的封盖基板上。

需要说明的是，通过将热敏电阻310设在红外滤光层304外周的封盖基板上，避免热敏电阻310阻挡红外光的射入而导致的测量不精确。

封盖基板的红外辐射区上方可以形成有辐射穿透窗口。其中，封盖基板的材料可以为玻璃、塑料、半导体等，通过将封盖基板键合到热电堆结构背离第二基板100的表面，以覆盖热电堆结构的红外辐射区。辐射穿透窗口的形状可以根据需要选择设置，例如圆形，矩形等。辐射穿透窗口的材料包括半导体(例如硅、绪或环、绝缘体上硅等)或有机滤光材料(例如聚乙烯、聚丙烯等材料)中的一种或两种。辐射穿透窗口上可以设置有红外滤光层304。红外滤光层内滤过特定波长的红外线，减少光串扰。红外滤光层304的材料为红外滤光片。

在本实施例中，红外热堆传感器还包括：第二基板100，第二基板100与第一基板200键合连接，使热辐射隔离槽夹设在热电堆结构和第二基板100之间形成第二空腔220’。

在本实施例中，第二基板100内设有第一互连结构，第一互连结构与第一连接凸块232电连接；第二基板100内还设有第二互连结构和第三互连结构，第二互连结构和第三互连结构分别通过第二电连接结构和第三电连接结构与热电偶对电连接。

其中，第一互连结构包括：

通孔，通孔与第一连接凸块232连接并延伸到第二基板100的第二表面；多层结构，多层结构设置在通孔侧壁以及第二基板100的第二表面上；金属层102，金属层102设置在多层结构以及第一连接凸块232上。金属层102下方设有焊盘，焊盘下方设有焊球120，焊球120与外部电信号电连接。其中，多层结构可以包括绝缘层101、应力调整层等，其中，绝缘层101用于使金属层102与第二基板100电隔离，应力调整层用于调节施加到第二基板100上的应力大小。第二互连结构和第三互连结构与第一互连结构相同，此处不再赘述。通过在垂直通孔中依次形成多层结构以及金属层102，解决了现有技术中，掺杂工艺的TSV通孔填充电阻高，全部充满的TSV通孔填充应力高的问题。

通过将热敏电阻310设在封盖基板上，使得热电堆结构和热敏电阻能够同时形成于同一封装结构内，实现了集成封装，减小了红外热堆传感器的体积，提高了红外热堆传感器的可靠性。

实施例2

本实施例提供了一种红外热堆传感器的封装方法，包括：

S01：提供第一基板；

S02：在第一基板的第一表面形成热电堆结构，热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

S03：在热电堆结构的上表面形成封盖基板，封盖基板与热电堆结构的上表面连接形成第一空腔；

S04：在封盖基板上形成膜状热敏电阻。

步骤S0N不代表先后顺序。

图3至图11为本实施例的一种红外热堆传感器的封装结构的制造方法的相应步骤对应的结构示意图，参考图3至图11，详细说明本实施例提供的红外热堆传感器的封装结构的制造方法。

如图3所示，提供第一基板200；

第一基板200可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等体半导体衬底材料。

第一基板200具有相对的第一表面和第二表面，第一基板与热电堆结构相对的表面为第二表面。本实施例中，还包括在第一基板200上形成介质层201。介质层201形成于第一基板200的第一表面。介质层201用于隔离后续形成的热电堆结构和第一基板200，同时作为热堆结构的支撑层。介质层201的材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。采用沉积工艺或者热氧化工艺形成介质层201。

如图4至图11所示，在第一基板的第一表面上形成热电堆结构，热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体。热电堆结构包括：包括红外辐射区和外围区。热电堆结构包括多个相互连接的热电偶对，每个热电偶对包括相互电连接的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均自外围区延伸至红外辐射区。热电偶对的热端位于红外辐射区，热电偶对的冷端位于外围区。

热电堆结构的形成方法包括：在第一基板上形成第一电极材料层；图形化第一电极材料层，形成多个分立的第一电极；在第一基板和第一电极上形成上形成第二电极材料层；图形化第二电极材料层，形成多个分立的第二电极，第一电极与第二电极相互连接。

在本实施例中，红外热堆传感器还包括：第二电连接结构和第三电连接结构，第二电连接结构和第三电连接结构用于使热电堆结构连接外部电路，第二电连接结构包括第二连接部和第三连接部，第二连接部和第三连接部电连接。

具体的，第二连接部包括第二插塞和第二互连线，第二互连线形成于热电堆结构的上表面，第二插塞将第二电极引出到热电堆结构的上表面，与第二互连线电连接，第三连接部包括第三插塞和第三互连线，第三插塞的一端与第二互连线电连接，另一端电连接第三互连线，第三互连线用于连接外部电路。需要说明的是，第三电连接结构与第二电连接结构相同，此处不再赘述。在另一实施例中，红外热堆传感器也可以仅包括第二连接部，热电堆结构通过第二连接部与外部电路电连接。

在其它实施例中，红外热堆传感器还包括：第一连接部和第一连接凸块，第一连接部和第一连接凸块电连接，第一连接凸块连接外部电路，第一连接部用于连接后续形成的热敏电阻和外部电路。

第一连接部、第一连接凸块、第二连接部和第三连接部的材料可以为铜、钛、铝、钨等金属和/或金属硅化物材料的一种或多种。

具体请参考图4至图11，形成热电堆结构的具体过程。

参考图4，在介质层201上形成第一电极材料层202。第一电极材料层202为后续形成第一电极提供材料。第一电极材料层202的材料包括：掺杂半导体材料或者金属材料，掺杂离子包括：P型离子或N型离子，金属的材料包括：由钼(Mo)、铝(Al)、铜(Cu)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)、金(Au)、锇(Os)、铼(Re)、钯(Pd)等金属中一种制成或由上述金属形成的叠层制成，半导体材料例如是Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC等。本实施例中，第一电极材料层202的材料为掺杂多晶硅或掺杂单晶硅。

参考图5，图形化第一电极材料层202，形成第一电极211。

由于热电堆结构包括多个串联的热电偶对，每个热电偶对包括一个第一电极和一个第二电极，第一电极和第二电极相互连接，相邻的热电偶对的第一电极和第二电极相互电连接，因此，其中每个第一电极是分立的。

参考图6，在第一基板200和第一电极211上形成钝化层203，钝化层203内具有第一沟槽204，第一沟槽204暴露出部分第一电极211表面。第一沟槽204用于后续形成第二电极或者形成第一电极211与第二电极的电连接结构。

钝化层203的形成方法包括：在第一电极211和第一基板200上形成初始钝化层；在初始钝化层上形成第二掩膜层，第二掩膜层暴露出要形成第二电极的区域的初始钝化层；以第二掩膜层为掩膜刻蚀初始钝化层形成第一沟槽204和钝化层203，第一沟槽204暴露出部分第一电极211表面。

本实施例中，第一沟槽204暴露出部分第一电极211表面。

形成第一沟槽204后，还包括：去除第二掩膜层。

第二掩膜层的材料包括光刻胶，去除第二掩膜层的工艺包括灰化工艺或者湿法刻蚀工艺中的一种或多种。

参考图7，在第一沟槽204内形成第二电极212。

第二电极212的材料参照前述第一电极的材料，此处不再赘述。

第二电极212连接热电堆结构中相邻的热电偶对的第一电极211。

第二电极212的形成方法参照前述第一电极的形成方法，此处不再赘述。

参考图8，在钝化层203上形成吸收层205。

吸收层205用于吸收红外光和保护第二电极212。具体为辐射区的吸收层用于吸收红外光，转换成热能。吸收层205的材料包括：氧化硅、氮化硅、碳化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、氮氧化硅、氮化硼和碳氮化硼中的一种或多种。本实施例中，吸收层205的材料为氮化硅。

吸收层205的形成工艺包括：物理气相沉积工艺或者化学气相沉积工艺。

在本实施例中，第二电极212和吸收层205内具有第一开口206，第一开口206用于后续形成电连接结构连接热电堆结构和外部电路。

本实施例中，第一开口206的形成方法包括：

在钝化层203上形成初始吸收层，初始吸收层还覆盖第二电极212；图形化初始吸收层，形成第一开口206。形成吸收层205后，自第二表面刻蚀第一基板200，形成热辐射隔离槽。热辐射隔离槽暴露出红外辐射区的热电堆结构。具体请参考图8和图9。

参考图9，在吸收层205表面形成保护层208。

保护层208在后续减薄工艺中保护热电堆结构。保护层208的材料包括：光刻胶。保护层208的形成工艺包括：旋涂工艺。为提高后续减薄工艺的精度，也可以在对保护层进行化学机械平磨，提高保护层的平整度。

继续参考图9，自第一基板200的第二表面，减薄第一基板200。

本实施例中，减薄第一基板200的工艺为化学机械掩膜工艺。减薄工艺还可以为业界所知的任何工艺。例如先对第一基板200进行离子注入，然后层切。或者采用刻蚀工艺减薄第一基板200。减薄第一基板200能够减小后续形成热辐射隔离槽的工艺难度。减薄工艺完成后，去除保护层。

参考图10，自第一基板200的第二表面刻蚀第一基板200，在第一基板200内形成热辐射隔离槽220。

热辐射隔离槽220位于红外辐射区。热辐射隔离槽220暴露出部分热电堆结构，位于热辐射隔离槽220区域内的热电堆结构的电极端为热电堆结构的热端。形成热辐射隔离层220的工艺为干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺中的一种或多种。

继续参考图10，形成热辐射隔离槽200之前或者之后，还包括：在吸收层205上形成层间介质层217，层间介质层217填充第一开口206。

参考图11，在层间介质层217中形成第二连接部209。

本实施例中，形成第二连接部209包括：形成第二插塞2091和第二互连线2092。

在本实施例中，第二连接部209的形成方法包括：刻蚀层间介质层217，形成暴露出第二电极212的插塞开口；在插塞开口内和层间介质层217上形成初始金属层，图形化初始金属层形成第二连接部209。位于插塞开口中的金属层为第二插塞2091,位于层间介质层217上的金属层为第二互连线2092，第二插塞2091与第二电极212相连，第二互连线2092与第二插塞2091相连。

其他实施例中，形成第二连接部209包括：形成互连线或形成焊盘。

形成热电堆结构后，还包括：在层间介质层217中形成第三连接部230，第三连接部230将热电堆结构与外部电路相连。第二连接部209和第三连接部构230成第二电连接结构，第二电连接结构用于将热电堆结构与外部电路电连接，红外热堆传感器还包括第三电连接结构，第三电连接结构的形成方法和第二电连接结构的形成方法相同，此处不再赘述。

本实施例中，形成第三连接部230包括：贯穿层间介质层217、吸收层205、钝化层203和第一基板200的第三插塞2301和位于第一基板200第二表面的第三互连线2302。

第三连接部的形成方法包括：

形成热辐射隔离槽200过程中，刻蚀外围区的第一基板200、钝化层203和吸收层205，形成第二开口，第二开口暴露出第二连接部209；在第二开口内形成第三插塞2301；在第一基板200的第二表面形成第三互连线2302。形成第三互连线2302的同时或形成第三互连线2302之前或之后，在第一基板200的第二表面形成第一连接凸块232，第一连接凸块232用于后续连接热敏电阻和外部电路。

需要说明的是，第一连接凸块也可以形成在第二互连线形成之前或之后，在热电堆结构的上表面形成第一连接凸块，第一连接凸块直接与外部电路电连接，后续形成的热敏电阻与第一连接凸块电连接，从而实现热敏电阻与外部电路的电连接。

继续参考图11，形成第二电连接结构的同时、或形成第二电连接结构之前或之后，形成第一连接部231，第一连接部231与第一连接凸块232电连接，用于连接后续形成的热敏电阻和外部电路。

第一连接部231的形成方法包括：

形成热辐射隔离槽200过程中，刻蚀外围区的第一基板200、钝化层203和吸收层205，形成第四开口，第四开口暴露出第一连接凸块232；在第四开口内形成第一插塞2311；在层间介质层217上形成第一互连线2312，第一插塞2311和第一互连线2312构成第一连接部231。

参考图12，提供第二基板100；将第二基板100与第一基板200第二表面相键合，使热辐射隔离槽220夹设在热电堆结构和第二基板100之间形成第二空腔220’。

第二基板100内具有读出电路。

红外热堆传感器的形成方法还包括：在第二基板100内形成第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构，将热电堆结构通过第二互连结构和第三互连结构与外部电路连接，第一互连结构与后续形成的热敏电阻电连接。具体为，第二互连结构和第三互连结分别与第二电连接结构和第三电连接结构电连接，实现热电堆结构与外部信号的电连接，第一互连结构与热敏电阻电连接，实现热敏电阻与外部信号的电连接。第一互连结构包括：绝缘层101和金属层110。

第一互连结构的形成方法包括：刻蚀第二基板100，直至暴露出第一连接凸块232，形成第三开口；在第二基板100背对第一基板200的表面形成绝缘层101，绝缘层101还覆盖第三开口的侧壁；刻蚀绝缘层101暴露出第三开口底部的第一连接凸块232；在绝缘层101表面形成初始金属层，初始金属层与第一连接凸块232电连接；图形化初始金属层，形成金属层110。

需要说明的是，在第二基板背对第一基板的表面可以形成多层结构，具体的，可以在形成绝缘层之后，在绝缘层的表面形成应力调整层等，其中，绝缘层用于使金属层与第二基板电隔离，应力调整层用于调节施加到第二基板上的应力大小，通过在垂直通孔中依次形成多层结构以及金属层，解决了现有技术中，掺杂工艺的TSV通孔填充电阻高，全部充满的TSV通孔填充应力高的问题。

在一实施例中，还包括，在第二基板100内形成与读出电路电连接的互连层(图中未示出)，互连层与金属层110电连接，从而使得读出电路与热电堆结构和后续工艺中形成的热敏电阻电连接。

参考图13至图21，在热电堆结构的上表面形成封盖基板，封盖基板与热电堆结构的上表面连接形成第一空腔320；在封盖基板上形成膜状热敏电阻310。

作为一种实施例，热电堆结构的上表面与封盖基板键合连接。

封盖基板包括环绕热电堆结构的环形侧壁301以及形成于环形侧壁301上的顶盖300。顶盖300包括相对的第一面和第二面，第一面为顶盖300与热电堆结构围成第一空腔的表面。环形侧壁301包括相对的第一面和第二面，环形侧壁301的第一面为暴露第一空腔的表面，第二面与第一面相对。

在封盖基板上形成膜状热敏电阻包括以下几种情况：

(1)在顶盖或环形侧壁的第一面形成热敏电阻；

(2)在顶盖或环形侧壁的第二面形成热敏电阻；

(3)在顶盖内或者环形侧壁内形成热敏电阻；

(4)在顶盖与环形侧壁之间形成热敏电阻。

作为一种实施例，请参考图13至图16，热敏电阻形成在顶盖的第一面的形成方法包括：

参考图13，提供顶盖300；

顶盖的具体材料在实施例1中有具体介绍，具体请参考实施例1。

参考图14a，在顶盖300的第一面形成热敏材料层；

对热敏材料层图形化形成热敏电阻310；

参考图14b，本实施例中，热敏电阻310为S形排布的线状条，图14b为热敏电阻310的俯视图。

热敏电阻的材料具体参考实施例1，此处不再赘述。

热敏电阻中的线宽或者设计依据应用中的实际情况，合理设置，本发明中不做限定。

参考图15，在热敏电阻310上形成支撑材料层，支撑材料层覆盖顶盖300表面和热敏电阻310；图形化支撑材料层形成环形侧壁301；顶盖300和环形侧壁301构成封盖基板。

需要说明的是，热敏电阻也可以形成在环形侧壁之后，热敏电阻和环形侧壁的形成先后顺序不做限制。

参考图16，在一个实施例中，基于图12，热敏电阻形成在封盖基板上之后，将封盖基板与图12中的热电堆结构的上表面键合。

封盖基板与热电堆结构的上表面键合之后，热敏电阻310通过柔性导线234与第一互连线电连接，从而实现热敏电阻与第一连接凸块电连接。热敏电阻310与外部电路电连接之后，在第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构上形成焊球120，焊球120用于连接外部电路。在其它实施例中，热敏电阻也可以通过位于环形侧壁内的插塞与第一互连线电连接，插塞的形成方法是本领域常规设计，此处不再赘述。

作为另一种实施例，请参考图17至图21，热敏电阻形成在顶盖内的形成方法包括：

参考图17，提供第一基底302，在第一基底302上形成热敏材料层；

第一基底302的材料和前述实施例中的顶盖的材料相同，此处不再赘述。

对热敏材料层图形化形成热敏电阻310；

参考图18，在热敏电阻310上形成第二基底303，第二基底303覆盖第一基底302和热敏电阻310，第一基底302与第二基底303构成顶盖300；

第二基底303的材料和第一基底302的材料可以相同，也可以不同，第二基底的材料参考前述实施例顶盖的材料，此处不再赘述。

参考图19，在顶盖的第一表面形成支撑材料层；

图形化支撑材料层，形成环形侧壁301；顶盖300和环形侧壁301构成封盖基板。

参考图20，在环形侧壁301形成在顶盖300的第一表面之前或之后，刻蚀顶盖300，形成暴露出热敏电阻310的插塞开口；在插塞开口内和顶盖300上表面形成初始金属层，图形化初始金属层形成第一引出部321和第二连接凸块322。位于插塞开口中的金属层为第一引出部321，第一引出部321为插塞,位于顶盖300上表面的金属层为第二连接凸块322，插塞一端与热敏电阻310相连，另一端与第二连接凸块322相连。

参考图21，在一个实施例中，基于图12，第一引出部和第二连接凸块形成之后，将封盖基板与图12中的热电堆结构的上表面键合。

封盖基板与热电堆结构的上表面键合之后，第二连接凸块通过柔性导线234与第一连接结构电连接，第一引出部、第二连接凸块、柔性导线234和第一连接结构构成第一电连接结构。在其它实施例中，第二连接凸块也可以通过位于环形侧壁内的插塞与第一连接结构电连接，具体的形成方法此处不再详述。

继续参考图21，热敏电阻通过第一电连接结构与外部电路电连接之后，在第一互连结构、第二互连结构和第三互连结构上形成焊球120，焊球120用于连接外部电路。

在其它实施例中，热敏电阻形成在顶盖内的方法还包括：在顶盖中形成沟槽，在沟槽内形成热敏电阻。

需要说明的是，热敏电阻形成在环形侧壁的第一面、第二面或内部时，形成的过程比较繁琐，工艺也比较复杂，工业上不常用，此处不做过多的描述。

作为另一种实施例，封盖基板形成在热电堆结构的上表面包括：

在热电堆结构的上表面形成牺牲层，刻蚀牺牲层，在牺牲层上键合顶盖，顶盖和牺牲层构成封盖基板。

需要说明的是，热敏电阻形成在顶盖的方法以及热敏电阻与外部电路的电连接结构与前述实施例相同，此处不再赘述。

在本实施例中，封装方法还包括：在封盖基板与热堆主体对应的部分形成红外滤光层，热敏电阻310形成在红外滤光层外周的封盖基板上。

红外滤光层的材料及形状等在实施例1中已详细介绍，此处不再赘述。

通过将热敏电阻设在封盖基板上，使得热电堆结构和热敏电阻能够同时形成于同一封装结构内，实现了集成封装，缩短了工艺步骤，减小了红外热堆传感器的体积，提高了红外热堆传感器的可靠性。热电堆结构和热敏电阻均可以通过半导体工艺形成，兼容性好。形成热电堆结构过程中形成热敏电阻，省略了二者分别形成和组装的工序，工艺流程简单。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (20)

1.一种红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，包括：

第一基板；

位于所述第一基板第一表面的热电堆结构，所述热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

封盖基板，所述封盖基板设置于所述热电堆结构的上方，并与所述热电堆结构的上表面形成第一空腔，所述封盖基板上设有膜状热敏电阻。

2.根据权利要求1所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述封盖基板具有第一表面和第二表面，所述第一表面为封盖基板与所述热电堆结构围成第一空腔的表面，所述第二表面与第一表面相对；

所述热敏电阻位于所述封盖基板的第一表面；

或者，所述热敏电阻位于所述封盖基板的第二表面；

或者，所述热敏电阻位于所述封盖基板内。

3.根据权利要求1或2所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述封盖基板包括环绕所述热电堆结构的环形侧壁以及设于所述环形侧壁上的顶盖；

所述热敏电阻位于所述第一空腔暴露的顶盖表面或环形侧壁表面；

或者，所述热敏电阻位于与所述第一空腔相对的顶盖表面或环形侧壁表面；

或者，所述热敏电阻位于顶盖内或者环形侧壁内；

或者，所述热敏电阻位于顶盖与环形侧壁之间。

4.根据权利要求3所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述第一基板的第二表面或所述热电堆结构的上表面设有第一连接凸块，所述第一连接凸块用于连接外部电路；所述热敏电阻与所述第一连接凸块电连接。

5.根据权利要求4所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述热敏电阻位于与第一空腔相对的顶盖表面或环形侧壁表面时，或者，所述热敏电阻位于第一空腔暴露的顶盖表面或环形侧壁表面时：

所述热敏电阻通过柔性导线和/或插塞与所述第一连接凸块电连接。

6.根据权利要求4所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述热敏电阻位于顶盖内或者环形侧壁内时，或者，所述热敏电阻位于所述顶盖与所述环形侧壁之间时：

所述热敏电阻通过第一电连接结构与所述第一连接凸块电连接。

7.根据权利要求6所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，所述第一电连接结构包括第一引出部、位于所述顶盖表面或环形侧壁表面上的第二连接凸块和第一连接结构；

所述热敏电阻通过所述第一引出部与所述第二连接凸块电连接；

所述第二连接凸块通过所述第一连接结构与所述第一连接凸块电连接；

所述第一引出部包括位于顶盖内或环形侧壁内的插塞；

所述第一连接结构包括柔性导线和/或插塞。

8.根据权利要求1所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，

所述热敏电阻的形状包括：S形排布或者螺旋状排布的线状面电极。

9.根据权利要求1所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，

所述热敏电阻的材料包括：铝、铜、镍、铬、铁、钛、金、银、铂、锰、钴、锌等一种、两种或两种以上的金属或金属氧化物；或者半导体材料层；或者含重金属掺杂的半导体层，所述重金属掺杂的离子为：铝、铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒中的一个或多个。

10.根据权利要求4所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，

所述第一基板的背面具有贯穿所述第一基板的热辐射隔离槽，所述热辐射隔离槽与所述热电堆结构相对；还包括：

第二基板，所述第二基板与所述第一基板键合连接，使所述热辐射隔离槽夹设在所述热电堆结构和所述第二基板之间形成第二空腔。

11.根据权利要求10所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，

所述第二基板内设有第一互连结构，所述第一互连结构与位于所述第一基板上的所述第一连接凸块电连接；

所述第二基板内还设有第二互连结构和第三互连结构，所述第二互连结构和所述第三互连结构分别与所述热电偶对电连接。

12.根据权利要求10所述的红外热堆传感器的封装结构，其特征在于，

所述封盖基板与所述热辐射隔离槽相对应的部分设有红外滤光层，所述热敏电阻设在所述红外滤光层外周的所述封盖基板上。

13.一种红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，包括：

提供第一基板；

在所述第一基板的第一表面形成热电堆结构，所述热电堆结构包括至少由一组热电偶对构成的热堆主体；

在所述热电堆结构的上表面形成封盖基板，所述封盖基板与所述热电堆结构的上表面连接形成第一空腔；

在所述封盖基板上形成膜状热敏电阻。

14.根据权利要求13所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，在所述热电堆结构的上表面形成封盖基板的方法包括：在所述热电堆结构的上表面键合封盖基板；

或者，在所述热电堆结构的上表面形成牺牲层，刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层上键合顶盖，所述顶盖和所述牺牲层构成所述封盖基板。

15.根据权利要求13所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，所述封盖基板包括环绕所述热电堆结构的环形侧壁以及形成于所述环形侧壁上的顶盖；

在所述封盖基板上形成膜状热敏电阻包括：

在所述第一空腔暴露的顶盖表面或环形侧壁表面形成所述热敏电阻；

或者，在所述第一空腔相对的顶盖表面或环形侧壁表面形成所述热敏电阻；

或者，在所述顶盖内或者环形侧壁内形成所述热敏电阻；

或者，在所述顶盖与环形侧壁之间形成所述热敏电阻。

16.根据权利要求15所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，所述顶盖包括相对的第一面和第二面，所述第一面为顶盖与所述热电堆结构围成第一空腔的表面；所述热敏电阻形成于所述第一面或第二面，所述热敏电阻的形成方法包括：在所述顶盖的第一面或第二面沉积热敏材料层，对所述热敏材料层图形化形成所述热敏电阻。

17.根据权利要求15所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，所述热敏电阻形成于所述顶盖内，所述热敏电阻的形成方法包括：形成第一基底，在所述第一基底上沉积热敏材料层，对所述热敏材料层图形化形成热敏电阻，在所述热敏电阻上沉积第二基底，所述第二基底覆盖所述第一基底和所述热敏电阻，所述第一基底与所述第二基底构成所述顶盖；或者，在所述顶盖中形成沟槽，在所述沟槽内形成所述热敏电阻。

18.根据权利要求16所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，还包括：在所述第一基板的第二表面或所述热电堆结构的上表面形成第一连接凸块，所述第一连接凸块用于连接外部电路；在所述热敏电阻和所述第一连接凸块之间形成第一电连接结构。

19.根据权利要求18所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，

所述热敏电阻形成于所述顶盖的第一面或第二面时，形成所述第一电连接结构包括：在所述热敏电阻与所述第一连接凸块之间形成柔性导线和/或插塞，所述第一电连接结构包括所述柔性导线和/或插塞；

或者，所述热敏电阻形成于所述顶盖内时，形成所述第一电连接结构包括：在所述顶盖内形成连接所述热敏电阻的第一引出部，在所述第一引出部暴露出所述顶盖表面的端部形成第二连接凸块，在所述第二连接凸块与所述第一连接凸块之间形成柔性导线和/或插塞，所述第一电连接结构包括所述第一引出部、第二连接凸块和所述柔性导线和/或插塞。

20.根据权利要求15所述的红外热堆传感器的封装方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述封盖基板与所述热堆主体对应的部分形成红外滤光层，所述热敏电阻形成在所述红外滤光层外周的所述封盖基板上。

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