本文内容转载自《红外技术》2018年第9期，版权归《红外技术》编辑部所有。
王强，张有刚
云南师范大学太阳能研究所
摘要：目前，决定非制冷红外焦平面探测器成本和可靠性的主要因素之一是其真空封装技术水平。本文主要介绍了非制冷红外探测器封装技术的发展现状，详细说明了典型金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装及像元级封装的基本结构和组装工艺，并指出了其优缺点和未来发展趋势。
关键词：非制冷红外焦平探测器；金属封装；陶瓷封装；晶圆级封装；像元级封装
0 引言
近20年来，随着非制冷红外探测器技术的快速发展，相关产品的技术水平和质量水平大幅提高，非制冷红外探测器在安防监控、电力监测、医疗测温等民用领域获得广泛应用。在此背景下，非制冷红外探测器的成本和可靠性显得越来越重要。封装技术的水平是影响非制冷红外探测器的成本和可靠性的重要因素。非制冷红外探测器技术的发展也带动了其封装技术的发展。封装的具体功能包括电源供给、信号交流、散热、芯片保护和机械支撑等，广义来说就是将红外探测器所具有的电子物理功能转变为适用于机器或系统的形式。目前，封装成本已经占非制冷红外探测器研制总费用的50%以上，而决定封装成本的主要因素是其采用的封装技术，所以封装技术己逐渐成为非制冷红外探测器技术领域的研究重点之一。基于上述背景，本文将系统介绍非制冷红外探测器有关封装技术的研究进展，包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装及像元级封装等技术。
1 金属封装技术
金属封装技术采用了金属管壳、半导体恒温器（ThermoelectricCooler，TEC）、柱状吸气剂，其封装方式可适应较极端的环境，并可与其他设备匹配，但缺点是成本占比过大，占整个非制冷产品生产的总成本的60%以上，且生产周期较长。国内外的金属封装技术基本类似，无太大区别，封装后的基本结构如图1所示，其中(a)为金属封装部件图，(b)为金属封装外形图。金属封装的主要工艺步骤为：TEC焊接、吸气剂焊接（和之前的工艺同时进行）、贴片、打线、锗窗焊接、排气、吸气剂激活和排气嘴封口。其中排气工艺需耗时3～7天，导致金属封装的整个流程时间过长，且每批生产的产品数量有限，无法实现大批量生产。
同时金属封装采用了TEC、吸气剂为柱状或者片式吸气剂，其工序复杂、吸气剂成本较高，只适用于高端的军事应用，限制了其在民品市场的应用。在金属封装中TEC起到稳定探测器工作温度点的作用，以保证探测器在室温下工作，从而提高组件适应极端环境的能力。而陶瓷封装、晶圆级封装、像元级封装，其读出电路具有自调整工作温度点功能，无需TEC稳定。国外诸如ULIS、FLIR、SCD、INO等知名非制冷厂家从2000年后随着探测器、吸气剂和封装技术水平的提高，逐步采用了陶瓷封装来取代金属封装。
图1 (a)金属封装部件图和(b)金属封装外形图
2 陶瓷管壳封装技术
陶瓷封装使用的管壳为多层布线的陶瓷基板，内部无TEC，吸气剂为薄膜吸气剂或者片式吸气剂，芯片组装打线后，采用真空除气、吸气剂激活、真空密封的三合一的封接技术。其主要流程为芯片背金、贴片、打线、三合一焊接。目前国内的主要产品还是金属封装，同时陶瓷封装也已有初步涉及，但其成熟度不高，主流产品还是以国外产品为主。国外典型的产品有加拿大INO公司、法国ULIS公司、美国DRS公司，以色列SCD公司的陶瓷封装，下面将逐一介绍。
2.1 加拿大INO公司的陶瓷封装技术
加拿大INO公司的非制冷红外焦平面探测器采用LCC（Leadless Chip Carriers，无针脚芯片封装）管壳、红外窗口为全锗窗或硅红外窗口、吸气剂使用SAES PaGelid薄膜吸气剂（激活温度为300℃左右，30min）、腔体气压可达到1mTorr。封装结构如图2所示，采用的主要工艺过程为粘片、打线、排气、激活、封盖。
图2 INO公司的陶瓷封装结构图
2.2 法国ULIS公司的陶瓷封装技术
法国ULIS公司的非制冷红外焦平面探测器采用两种管脚的陶瓷封装探测器，管壳类型为LCC和PGA。其中窗口采用红外窗口和盖板过渡结构，吸气剂为薄膜吸气剂，直接生长在盖板上，其激活温度在300℃以上，高于其锗窗焊接温度，为先激活后焊锗窗的工艺。具体的工艺流程为粘片、打线、排气、激活吸气剂、金属板和窗片贴合、金属板和陶瓷封装贴合。图3为ULIS的PGA和LCC的陶瓷封装图。
图3 ULIS陶瓷封装图
2.3 美国DRS公司的陶瓷封装技术
美国DRS公司主要有3种陶瓷封装的非制冷红外焦平面探测器：320×240（17um、25um）、640×480（17um、25um）、1024×768（17um），并且全都采用LCC的管壳封装、窗口为全光学窗口（锗窗或硅窗）、金属化采用的是金层，吸气剂为直接生长在锗窗或硅窗上的薄膜吸气剂。其工艺流程与INO的接近，即粘片、打线、排气、激活、封盖。如图4所示给出了DRS公司的两款（(a)U3600，(b)U8000）非制冷红外焦平面探测器，均采用陶瓷封装技术。
图4 DRS陶瓷封装图
2.4 以色列SCD公司陶瓷封装技术
以色列SCD公司目前主要推出320×240、640×480两款产品，管壳类型为PGA。红外窗口有两种焊接方式，一种窗片镶在金属盖板内，另一种是锗窗直接与陶瓷管壳焊接。工艺流程为粘片、打线、排气、激活吸气剂、（金属板和窗片贴合、金属板和陶瓷封装焊接、或者红外窗口直接与陶瓷焊接）。图5为以色列SCD公司陶瓷封装技术示意图。
3 晶圆级真空封装技术
晶圆级封装又称晶圆级尺寸封装，已经成为半导体行业的先进封装技术的重要组成部分，其封装方法也叫倒装焊方法。它是直接在红外探测器晶圆上进行大多数或是全部的封装、测试程序，然后再进行切割。是一种经过提高和改进的芯片尺寸封装，满足了尺寸小、轻、便携式、手持、价格低、生产效率高的需求，难点在于工艺要求高。目前晶圆级封装有两种形式：第一种方式为Wafer-to-Wafer（W2W），第二种方式为Chip-to-Wafer（C2W）。W2W封装方式是指晶圆级硅窗口与红外晶圆之间的键合，键合完成后分割成独立的器件，W2W封装工艺过程如图6所示。C2W封装方式是指将分割好的独立红外窗口与红外探测器晶圆相键合，键合完成后再分割成独立的器件，工艺过程如图7所示。图6、图7中Cap wafer为窗片晶圆，device wafer为芯片晶圆。
图5 SCD的陶瓷封装图
图6 W2W封装工艺流程
(g) 分割出独立红外探测器组件
图7 C2W封装工艺流程
目前国外诸如Raytheon的非制冷红外焦平面探测器采用的是W2W封装形式，ULIS、INO、三菱等公司则基本上采用C2W封装形式。
3.1 Raytheon公司的晶圆级封装技术
Raytheon公司采用W2W封装形式，使用AuSn焊料焊接IRFPA晶圆和红外硅窗口晶圆。图8为封装示意图，其中(a)为非制冷红外焦平面探测器晶圆，其表面有焊片浸润用的底金属环，其实就相当于封装上的UBM环，常用的一个就是Ni/Au体系，(b)为非制冷红外焦平面探测器红外硅窗口，其表面仍然存在一个Ni/Au体系金属环，中间是一个相应的AuSn焊料片，焊料片如夹心一般夹在三明治结构中央。晶圆对准之后，将三者放置到真空腔真空回流焊、完成真空封装。
3.2 法国ULIS公司的晶圆级封装技术
ULIS是最早开始研究晶圆级封装的公司，采用的封装形式是C2W，红外窗口为红外硅窗，其制作方法是首先完成深硅刻蚀、红外增透膜蒸镀、焊接电极制备、吸气剂制备，焊料环同样采用AuSn焊料焊接，然后实现三者对中，完成吸气剂激活、真空封接，晶圆分割，测试。图9所示为法国ULIS的晶圆级封装结构示意图。
图8 Raytheon的W2W晶圆封装：(a)红外探测器晶圆，(b)红外窗口晶圆
图9 法国ULIS的晶圆级封装
3.3 Honeywell公司的晶圆级封装技术
Honeywell的晶圆级封装思路和Raytheon类似。IRFPA晶圆和硅窗晶圆上有Ni/Au底层金属环，PbSn焊片夹在中间，在非真空下进行封接，此时并未实现真空封装。其真空密封采用的方法，是在IRFPA底部，留有一个抽气孔，将PbSn非真空焊之后，装配到夹具中，送入真空蒸发沉积设备中，通过抽气孔完成真空除气，排气完成后，沉积金属，将抽气孔密封，实现组件排气。图10所示为Honeywell的晶圆级封装。
图10 Honeywell的晶圆级封装
3.4 INO公司的晶圆级封装技术
INO的封装采用的是W2W封装形式，同时为了提高体表面积比，INO在IRFPA晶圆和硅窗晶圆间加入了陶瓷板来提高腔体高度。如图11(a)所示，中间的板层可以选择性的将IRFPA和硅窗键合在一起。其真空密封和Honeywell有点类似，又有区别。相似的是通过最后封孔的方式实现真空，不同的是，INO是在真空环境下，使用solder软焊料进行封孔（如图11(b)），而不是蒸发。
图11 INO公司的晶圆级封装(a)及排气口密封(b)
4 像元级封装
像元级封装是非制冷红外焦平面探测器的一种全新的封装技术，通过微电子工艺的淀积方法（典型的如原子层沉积方法），将只有几微米厚的非晶硅膜淀积到每一个像素上，所以又称0级封装。这个一个芯片上有很多个真空密封帽，总数目等于阵列的像素数目，真空度小于0.5mbar。图12为工艺过程示意图，其中1～5为非制冷红外焦平面探测器的MEMS示意图，其中第6步是在微桥的桥面上生长第二层牺牲层，作为生长红外窗口薄膜的支持层，在真空腔体内通过窗口上的释放孔将探测器和红外窗口的牺牲层去除，最后通过原子层沉积方法封孔，完成像元级封装。
像元级封装的开发，极大地改变了目前的非制冷封装技术，简化了非制冷封装过程，极大降低了封装成本，使非制冷红外探测器成本更加贴近民用和消费级应用市场的需求。但这种技术仍处于研究阶段，目前尚未有正式产品出现。从文献报道[6]来看最有代表性的是法国CEA-LETI公司研发的8英寸像元级封装，其真空度可好于10-3mbar，采用的办法是在探测器反射电极上增加一层小于400nm厚的薄膜吸气剂，封孔后，在400℃下激活30min左右，可有效吸收像元内部的残余气体，使其真空度优于10-3mbar。
图12 像元级封装工艺步骤
对上述各类非制冷红外焦平面探测器封装技术的优缺点及国内外代表厂商进行简要总结，如表1所示。
5 结论
真空封装技术水平是决定非制冷红外焦平面探测器成本和可靠性的主要因素之一。典型封装技术包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装和像元级封装。其中金属封装由于采用了成本较高的金属管壳和陶瓷管壳，同时需要长时间的排气，其封装成本较高、生产效率较低，己不适合大规模、低成本生产要求。陶瓷封装的读出电路有自调整功能，无需TEC；吸气剂采用薄膜或者片式吸气剂，与金属封装相比，显著减小了体积、重量、功耗，封装成本大幅降低。但由于采用陶瓷管壳，尺寸大，成本仍较高，也不适合大批量生产。晶圆级封装部分工艺与硅工艺相兼容，适合于大规模生产应用，是目前非制冷红外探测器封装研究的热点和趋势。晶圆级封装目前还需要进一步提高晶圆成品率，发展成熟的焊接金属工艺和低温激活薄膜吸气剂制备技术。像元级封装与晶圆级封装相比，完全与硅工艺匹配，可极大地降低封装成本，更加贴近民用市场需求，是新出现的第四代非制冷红外探测器封装技术，目前尚处于研发阶段。因此，未来晶圆级封装技术将成为非制冷红外探测器的主流封装技术，同时随着半导体工艺设备水平的提高和价格的降低，像元级封装也将很快进入工程化应用阶段。
