CN115072652B - 一种红外探测器芯片封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外探测器芯片封装结构，包括红外探测器芯片、封装盖板和疏离层，红外探测器芯片上设有红外敏感材料区，封装盖板的板体至少部分为可容红外光透过的红外窗口区，疏离层夹设于封装盖板与红外探测器芯片之间并且三者配合围合形成封装腔，疏离层为中空结构以容许红外窗口区透过的红外光能够入射至红外敏感材料区，于封装腔内设有吸气剂单元。本发明通过设置疏离层以增大红外探测器芯片与封装盖板之间的间距，可降低封装盖板内、外表面缺陷及封装盖板外表面灰尘对红外探测器成像的影响，从而提高封装良率和用户体验。

Description

一种红外探测器芯片封装结构

技术领域

本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种红外探测器芯片封装结构。

背景技术

由于功能、可靠性等方面的要求，MEMS红外器件需要在高真空环境下工作，高真空的要求导致封装工艺难度大，同时封装成本也很高。为维持长期高真空环境，需要在封装结构中设置吸气剂。吸气剂在大气环境下表面会形成钝化层，在真空环境下，对吸气剂进行加热激活，可以使吸气剂表面的钝化层分解，吸气剂表面具备活性，随后气体分子可以向吸气剂内部扩散，起到维持高真空的作用。

MEMS红外器件的真空封装形式主要包括金属封装、陶瓷封装和晶圆级封装。金属封装工艺和陶瓷封装工艺因性能较好、结构可靠，一直为市场主流产品，但是由于封装尺寸较大，无法满足一些对尺寸要求较高的应用需求，且封装成本高。晶圆级封装工艺相对金属封装工艺、陶瓷封装工艺，尺寸大幅减小，但是目前工艺不成熟，封装良率较低，应用存在较大的限制。

晶圆级封装结构主要包括红外探测器芯片和红外窗口，吸气剂薄膜镀覆在红外窗口上。由于工艺的限制，红外窗口与红外探测器芯片的敏感材料距离很近，晶圆级封装红外探测器成像极易受到红外窗口内、外表面缺陷及红外窗口外表面灰尘的影响，严重影响封装良率和用户体验。

另外，吸气剂加热激活的时候，红外探测器芯片和红外窗口同时受热。由于吸气剂激活温度高，一般大于300℃，为确保吸气剂充分激活，需要对整个键合机内部进行加热，高温会对MEMS器件造成影响，甚至导致器件失效，造成封装良率低。

发明内容

本发明涉及一种红外探测器芯片封装结构，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种红外探测器芯片封装结构，包括红外探测器芯片和封装盖板，所述红外探测器芯片上设有红外敏感材料区，所述封装盖板的板体至少部分为可容红外光透过的红外窗口区，还包括疏离层，所述疏离层夹设于所述封装盖板与所述红外探测器芯片之间并且三者配合围合形成封装腔，所述疏离层为中空结构以容许所述红外窗口区透过的红外光能够入射至所述红外敏感材料区，于所述封装腔内设有吸气剂单元。

作为实施方式之一，所述疏离层的高度满足：其能将所述红外窗口区的内表面与所述红外敏感材料区之间的间距疏离至不小于0.2mm。

作为实施方式之一，所述封装盖板采用硅或锗制成。

作为实施方式之一，所述疏离层为柱状环结构。

作为实施方式之一，所述吸气剂单元设于所述疏离层的内环上或者设于所述封装盖板的内板面上。

作为实施方式之一，所述疏离层呈帽形结构，其帽底盖合在所述红外探测器芯片上，其帽顶开设有封装窗口并且所述封装盖板盖合在所述封装窗口处。

作为实施方式之一，所述吸气剂单元设于所述疏离层的帽顶内表面上或设于所述疏离层的侧壁内表面上。

作为实施方式之一，所述疏离层的材质为可伐合金、Al-Si合金、Al-SiC材料、Al₂O₃陶瓷材料、AlN陶瓷材料、Si、Ge或玻璃。

作为实施方式之一，在所述吸气剂单元的安设位置处设有激活电极。

作为实施方式之一，所述吸气剂单元包括金属基材和制备在所述金属基材上的吸气剂材料，所述金属基材与所述激活电极电学连接。

本发明至少具有如下有益效果：本发明通过设置疏离层以增大红外探测器芯片与封装盖板之间的间距，可降低封装盖板内、外表面缺陷及封装盖板外表面灰尘对红外探测器成像的影响，从而提高封装良率和用户体验。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种红外探测器芯片封装结构（吸气剂单元设于疏离层的内环上）的示意图；

图2为图1的分解结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种红外探测器芯片封装结构（吸气剂单元设于封装盖板上）的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种红外探测器芯片封装结构（疏离层呈帽形结构）的示意图；

图5为本发明实施例提供的柱状环结构疏离层的示意图；

图6和图7为本发明实施例提供的帽形结构疏离层的示意图。

具体实施方式

下面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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种红外探测器芯片封装结构，包括红外探测器芯片1和封装盖板2，所述红外探测器芯片1上设有红外敏感材料区11，所述封装盖板2的板体至少部分为可容红外光透过的红外窗口区。

上述红外探测器芯片1可以是MEMS红外芯片。

进一步地，如图1-图4，该封装结构还包括疏离层3，所述疏离层3夹设于所述封装盖板2与所述红外探测器芯片1之间并且三者配合围合形成封装腔，所述疏离层3为中空结构以容许所述红外窗口区透过的红外光能够入射至所述红外敏感材料区11，于所述封装腔内设有吸气剂单元4。

其中，优选地，疏离层3与封装盖板2之间焊连，疏离层3与红外探测器芯片1之间焊连；上述疏离层3可采用金属件，也可在疏离层3的两端分别设置焊接金属，其中，不论是金属件还是非金属件，优选为都外附金属化镀层，可以起到润湿焊料的作用。疏离层的材质优选为采用可伐合金、Al-Si合金、Al-SiC材料、Al₂O₃陶瓷材料、AlN陶瓷材料、Si、Ge或玻璃等。在封装时，可以通过设置焊料环以实现部件之间的焊连；焊料包括但不限于采用金锡、纯铟、铟铅、铟银等。

在另外的方案中，疏离层3与封装盖板2之间也可预先连接为一体结构，可进一步提高封装效果和效率。

上述红外窗口区一般为连续而非间断设置的区域。在其中一个实施例中，上述封装盖板2的所有板体均采用可容红外光透过的材料制备，构成一整个红外窗口；相应地可在封装盖板2的内表面制备焊接区域，以便于与疏离层3焊接密封。

在其中一个实施例中，于上述红外窗口区的内表面和/或外表面镀制红外增透膜，可以提高红外光透过率。

一般地，红外窗口区与红外敏感材料区11是正对的；红外窗口区的面积可以大于红外敏感材料区11的面积。

本实施例提供的红外探测器芯片封装结构，通过设置疏离层3以增大红外探测器芯片1与封装盖板2之间的间距，可降低封装盖板2内、外表面缺陷及封装盖板2外表面灰尘对红外探测器成像的影响，从而提高封装良率和用户体验。

本实施例提供的红外探测器芯片封装结构，可构成为晶圆级封装结构或者说达到常规晶圆级封装结构的相同尺寸规格，可相应地提高红外探测器性能和封装良率。

另外，通过疏离层3可以增大吸气剂单元4与红外探测器芯片1之间的间距，便于对吸气剂单元4配置电激活方式，可以进一步简化红外探测器芯片封装结构，而且可以预先采用自动化工艺将各个零部件组装起来（这个组装过程可以在常温环境下实施，自动化更好实施），再放入真空炉处理即可，不需要在真空炉中精确对位。

在其中一个实施例中，所述疏离层3的高度满足：其能将所述红外窗口区的内表面与所述红外敏感材料区11之间的间距疏离至不小于0.2mm，可以保证上述“降低窗口内、外表面缺陷及窗口外表面灰尘对红外探测器成像的影响”等效果。进一步地，将红外窗口区与红外敏感材料区11之间的间距控制在0.2mm~3mm范围内，以兼顾封装尺寸和产品性能，进一步优选为控制在0.5~3mm范围内。

在其中一个实施例中，如图1-图3以及图5，所述疏离层3为柱状环结构，可以为圆柱环，也可以为棱柱环，这可根据红外探测器芯片1的形状确定。在该方案中，如图1、图2以及图5，可选地，所述吸气剂单元4设于所述疏离层3的内环上；或者，如图3，吸气剂单元4设于所述封装盖板2的内板面上。

在其中一个实施例中，如图4、图6和图7，所述疏离层3呈帽形结构，其帽底盖合在所述红外探测器芯片1上，其帽顶开设有封装窗口31并且所述封装盖板2盖合在所述封装窗口31处。具体地，该疏离层3包括第一环形板和第二环形板，其中，第一环形板的板面垂直于红外探测器芯片1的板面，第二环形板的板面平行于红外探测器芯片1的板面，第一环形板的一端与红外探测器芯片1焊连，第二环形板的外环与第一环形板的另一端连接，第二环形板的内环相应地围合形成上述封装窗口31。

基于上述帽形疏离层3，封装盖板2盖合在封装窗口31处，可减小封装盖板2的面积和封装跨度，在保证红外探测器成像效果的前提下，能有效地提高封装结构稳定性。由于可以使用小尺寸的封装盖板2，因此使得锗片作为红外窗口成为可能，从而提高红外透过率；在红外探测器芯片1封装时，尤其是MEMS红外芯片封装时，大尺寸的锗片难以制作，但是小尺寸的锗片是容易实现的，因此能降低封装难度、提高封装可靠性。

在上述方案中，可选地，所述吸气剂单元4设于所述疏离层3的帽顶内表面上（即上述第二环形板的内表面上）；当然，将吸气剂单元4设于疏离层3的侧壁内表面上（即上述第一环形板的内表面上）也为可选方案。

进一步地，上述吸气剂单元4中的吸气剂采用电激活方式，相应地，在所述吸气剂单元4的安设位置处设有激活电极5。基于该方案，可只对吸气剂进行加热，从而减小激活温度对红外探测器芯片1的影响，提高真空封装良率。在其中一个实施例中，上述吸气剂单元4包括金属基材和吸气剂材料，其中，吸气剂材料可通过烧结或镀覆方式制备到金属基材上；金属基材可通过焊接方式实现与激活电极5电学连接；采用本结构的吸气剂单元4，可便于吸气剂的电激活操作，同时，也方便吸气剂单元4的布置，例如可根据需要设置多个吸气剂单元4（例如沿着疏离层3的内环表面环形布置），可以提高封装腔内的真空度，相邻的金属基材之间可通过导线等进行串并联。

对于吸气剂单元4设于疏离层3内环的情况，上述激活电极5相应地从疏离层3的内环穿出至疏离层3的外环，以便外接电源；对于吸气剂单元4设于疏离层3的帽顶内表面的情况，上述激活电极5相应地从疏离层3的帽顶内表面穿出至疏离层3的外表面，以便外接电源。

本实施例提供的红外探测器芯片封装结构，在达到晶圆级封装结构的尺寸规格的同时，采用的是独立封装工艺，不存在阵列封装后再划片等问题，因此，相较于常规的晶圆级封装工艺，本实施例中可减少或避免材料和工艺等的限制因素；在其中一个实施例中，所述封装盖板2采用硅或锗制成，优选为采用锗片制作封装盖板2，具有优良的红外透过率，能显著地提高红外探测器性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种红外探测器芯片封装结构，包括红外探测器芯片和封装盖板，所述红外探测器芯片上设有红外敏感材料区，所述封装盖板的板体至少部分为可容红外光透过的红外窗口区，其特征在于：还包括疏离层，所述疏离层夹设于所述封装盖板与所述红外探测器芯片之间并且三者配合围合形成封装腔，所述疏离层为中空结构以容许所述红外窗口区透过的红外光能够入射至所述红外敏感材料区，于所述封装腔内设有吸气剂单元；

所述疏离层呈帽形结构，包括第一环形板和第二环形板，其中，第一环形板的板面垂直于红外探测器芯片的板面，第二环形板的板面平行于红外探测器芯片的板面，第一环形板的一端与红外探测器芯片焊连，第二环形板的外环与第一环形板的另一端连接，第二环形板的内环相应地围合形成封装窗口，所述封装盖板盖合在所述封装窗口处；

所述封装盖板采用锗片制成。

2.如权利要求1所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于，所述疏离层的高度满足：其能将所述红外窗口区的内表面与所述红外敏感材料区之间的间距疏离至不小于0.2mm。

3.如权利要求1所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：所述疏离层为柱状环结构。

4.如权利要求3所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：所述吸气剂单元设于所述疏离层的内环上或者设于所述封装盖板的内板面上。

5.如权利要求1所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：所述吸气剂单元设于所述疏离层的帽顶内表面上或设于所述疏离层的侧壁内表面上。

6.如权利要求1所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：所述疏离层的材质为可伐合金、Al-Si合金、Al-SiC材料、Al₂O₃陶瓷材料、AlN陶瓷材料、Si、Ge或玻璃。

7.如权利要求1所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：在所述吸气剂单元的安设位置处设有激活电极。

8.如权利要求7所述的红外探测器芯片封装结构，其特征在于：所述吸气剂单元包括金属基材和制备在所述金属基材上的吸气剂材料，所述金属基材与所述激活电极电学连接。

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