一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构的制作方法

本发明涉及微机电系统封装领域，尤其涉及一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构。

背景技术：

红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，其核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA)。

目前的红外焦平面阵列的封装方式主要为金属或陶瓷真空封装，红外光学窗口作为红外光进入焦平面阵列的通道，然后再通过外部耦合组装光学镜头达到光学成像的目的。这个封装的结构体积庞大，组装效率低，难度大，成本高，大规模生产难度大，很难用于消费电子市场。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明提出一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，可以将光学镜头、光学窗口以及焦平面阵列芯片通过晶圆级封装的方法集成为一个器件封装结构，实现了集光学、电学和焦平面阵列探测器为一体的光机电系统。

本发明解决上述技术问题的主要技术方案为：

一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，其中，包括：

红外探测器芯片，所述红外探测器芯片上设置有红外焦平面阵列；

红外光窗，设置于所述红外探测器芯片之上，所述红外光窗的边缘与所述红外探测器芯片的边缘密封连接，以形成真空气密封接所述红外焦平面阵列的真空腔体；

透镜，设置于所述红外光窗上方，所述透镜的边缘与所述红外光窗的边缘密封连接。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述红外光窗的材料为无氧硅晶圆。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述红外光窗形成所述真空腔体的一面设置有红外增透膜。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述红外光窗远离所述真空腔体的一面设置有红外增透膜。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述红外探测器芯片的边缘设置有焊料，所述红外光窗的边缘通过所述焊料与所述红外探测器芯片的边缘密封连接。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述焊料包括设置于所述红外探测器芯片的边缘的第一可焊金属层和金锡共晶焊料，以及设置于所述红外光窗的边缘的第二可焊金属层，所述第一可焊金属层、所述金锡共晶焊料和所述第二可焊金属层通过共晶键合真空气密封接。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述红外探测器芯片包括：

硅基底，包括设置有所述红外焦平面阵列的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面；

深孔，开设于所述第二表面上且部分延伸至所述硅基底中；

钝化层，覆盖所述深孔的侧壁；

金属层，覆盖所述钝化层的表面和所述深孔底部，位于所述深孔底部的所述金属层延伸至所述硅基底中并所述红外焦平面阵列连接。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述深孔中填充有金属焊料，所述金属焊料通过所述金属层与所述红外焦平面阵列电气连通。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述透镜的边缘与所述红外光窗的边缘通过垫片密封连接。

优选的，上述的晶圆级封装结构，其中，所述透镜为双面镀有红外增透膜的硅透镜。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明所提出的红外焦平面阵列的晶圆级封装结构具备体积小、成本低、可利用半导体工艺大规模生产的优势，且在晶圆级实现了光学元件集成，满足商业级及消费级应用对于成本、体积和生产规模的要求。

附图说明

参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1～图3是实施例中红外焦平面阵列的晶圆级封装结构的局部结构图；

图4是实施例中晶圆级封装结构的完整结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

需要说明的是，在不冲突的前提下，以下描述的技术方案和技术方案中的技术特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提出一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，如图1～图4所示，主要包括：

红外探测器芯片1，其上设置有红外焦平面阵列15；

红外光窗2，设置于红外探测器芯片1之上，该红外光窗2的边缘与红外探测器芯片1的边缘密封连接，以形成真空气密封接红外焦平面阵列15的真空腔体；

透镜6，设置于红外光窗2上方，该透镜6的边缘与红外光窗2的边缘密封连接。

在上述技术方案的基础上，作为一个优选的实施方式，本实施例采用无氧硅晶圆作为红外光窗2，并且在该无氧硅晶圆(即红外光窗2)的两面，即形成真空腔体的一面以及远离真空腔体的一面均设置有红外增透膜(图中未标示)，以确保形成的封装结构不会影响红外成像。

进一步的，真空腔体形成在无氧硅晶圆2的相应透光区域(一般优选为无氧硅晶圆2的中部区域)，无氧硅晶圆2的边缘与红外探测器芯片1的边缘通过焊料密封连接。

作为一个优选的实施方式，采用金锡共晶焊料使得无氧硅晶圆2的边缘与红外探测器芯片1的边缘密封连接。具体的，参照图1～图4所示，红外探测器芯片1的边缘设置有第一可焊金属层41和金锡共晶焊料3，无氧硅晶圆2的边缘设置有第二可焊金属层42，该第一可焊金属层41、金锡共晶焊料3和第二可焊金属层42通过共晶键合真空气密封接，以在无氧硅晶圆2与红外探测器芯片1之间形成真空腔体，共晶键合的封接方式充分确保了真空腔体的真空度。

在上述技术方案的基础上，作为一个优选的实施方式，该红外探测器芯片1的具体结构包括：

硅基底10，包括设置有红外焦平面阵列15的第一表面(在图1～图4的结构中即表现为上表面)和相对于第一表面的第二表面(在图1～图4的结构中即表现为下表面)；

深孔13，开设于第二表面上且部分延伸至硅基底10中；

钝化层12，覆盖深孔13的侧壁；

金属层11，覆盖钝化层12的表面和深孔13底部，并且位于深孔13底部的金属层11延伸至硅基底10中，以形成金属导线14与红外焦平面阵列15连接。

在上述技术方案中，钝化层12作为电气连接的绝缘层将金属层11与硅基底10绝缘；且钝化层12还可覆盖在硅基底10的第二表面上，金属层11还部分覆盖在临近深孔13的第二表面上。

在上述技术方案中，金属导线14即为红外探测器芯片1的导电引线埋于该红外探测器芯片1内部，而金属层11作为电气连接的通道与红外探测器芯片1内部的金属导线14相连。

作为一个优选的实施方式，深孔13中填充有金属焊料16，该金属焊料16通过金属层11和金属导线14与红外焦平面阵列15电气连通。

进一步的，参照图2～图4所示，在硅基底10的第二表面上，金属焊料16回流形成焊料凸点，以便于后续成像系统组装时的电连接。

在上述技术方案的基础上，作为一个优选的实施方式，参照图3和图4所示，透镜6的边缘与红外光窗(即无氧硅晶圆)2的边缘通过垫片5密封连接，该垫片5设置在无氧硅晶圆2的边缘，且厚度较薄，以保证透镜6的焦距。

进一步的，透镜6可选用双面镀有红外增透膜(图中未标示)的硅透镜，硅透镜6的边缘粘贴在垫片5上以实现光学成像。

实施例二

本实施例提出一种红外焦平面阵列的封装方法，基于实施例一的晶圆级封装结构，如图1～图4所示，主要包括：

第一步，如图1所示，在硅光窗2的边缘与红外探测器芯片1的边缘通过金锡共晶焊料3键合形成真空腔体，红外探测器芯片1的导电引线14埋于该红外探测器芯片1的内部。

第二步，如图2所示，对红外探测器芯片1的第二表面(在图中即表现为下表面)减薄后，在第二表面上开设深孔13，并在深孔13中形成钝化层12和金属层11，钝化层12作为电气连接的绝缘层将金属层11与硅基底10绝缘，而金属层11作为电气连接的通道与红外探测器芯片1内的导电引线14相连。在深孔13内，填充焊料16，并回流形成焊料凸点，以便于后续系统组装时电气连通焊接。

第三步，如图3所示，在硅光窗2的边缘粘接垫片5，并将垫片5的厚度减薄至合适厚度，以保证后续制备的硅透镜6的焦距。

第四步，如图4所示，选用硅透镜作为透镜6，并用晶圆工艺在硅透镜6双面镀红外增透膜，然后将硅透镜6粘贴在垫片5上，实现光学成像。

需要注意的是，本实施例中与实施例一相同的术语代表相同的结构，其相互之间的连接关系均与实施例一一致，因此不再赘述。

综上所述，本发明提出的红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，可以将光学镜头、光学窗口以及焦平面阵列芯片通过晶圆级封装的方法集成为一个器件封装结构，实现了集光学、电学和焦平面阵列探测器为一体的光机电系统，具备体积小、成本低、可利用半导体工艺大规模生产的优势，且在晶圆级实现了光学元件集成，满足商业级及消费级应用对于成本、体积和生产规模的要求。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，其特征在于，包括：

红外探测器芯片，所述红外探测器芯片上设置有红外焦平面阵列；

红外光窗，设置于所述红外探测器芯片之上，所述红外光窗的边缘与所述红外探测器芯片的边缘密封连接，以形成真空气密封接所述红外焦平面阵列的真空腔体；

透镜，设置于所述红外光窗上方，所述透镜的边缘与所述红外光窗的边缘密封连接。

2.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述红外光窗的材料为无氧硅晶圆。

3.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述红外光窗形成所述真空腔体的一面设置有红外增透膜。

4.如权利要求3所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述红外光窗远离所述真空腔体的一面设置有红外增透膜。

5.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述红外探测器芯片的边缘设置有焊料，所述红外光窗的边缘通过所述焊料与所述红外探测器芯片的边缘密封连接。

6.如权利要求5所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述焊料包括设置于所述红外探测器芯片的边缘的第一可焊金属层和金锡共晶焊料，以及设置于所述红外光窗的边缘的第二可焊金属层，所述第一可焊金属层、所述金锡共晶焊料和所述第二可焊金属层通过共晶键合真空气密封接。

7.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述红外探测器芯片包括：

硅基底，包括设置有所述红外焦平面阵列的第一表面和相对于所述第一表面的第二表面；

深孔，开设于所述第二表面上且部分延伸至所述硅基底中；

钝化层，覆盖所述深孔的侧壁；

金属层，覆盖所述钝化层的表面和所述深孔底部，位于所述深孔底部的所述金属层延伸至所述硅基底中并所述红外焦平面阵列连接。

8.如权利要求7所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述深孔中填充有金属焊料，所述金属焊料通过所述金属层与所述红外焦平面阵列电气连通。

9.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述透镜的边缘与所述红外光窗的边缘通过垫片密封连接。

10.如权利要求1所述的晶圆级封装结构，其特征在于，所述透镜为双面镀有红外增透膜的硅透镜。

技术总结

本发明涉及微机电系统封装领域，尤其涉及一种红外焦平面阵列的晶圆级封装结构，包括红外探测器芯片，其上设置有红外焦平面阵列；红外光窗，设置于所述红外探测器芯片之上，所述红外光窗的边缘与所述红外探测器芯片的边缘密封连接，以形成真空气密封接所述红外焦平面阵列的真空腔体；透镜，设置于所述红外光窗上方，所述透镜的边缘与所述红外光窗的边缘密封连接。本发明所提出的红外焦平面阵列的晶圆级封装结构具备体积小、成本低、可利用半导体工艺大规模生产的优势，且在晶圆级实现了光学元件集成，满足商业级及消费级应用对于成本、体积和生产规模的要求。

技术研发人员：

吉涛

受保护的技术使用者：

中航（重庆）微电子有限公司

文档号码：

201611146503

技术研发日：

2016.12.13

技术公布日：

2017.06.09