集成濾光窗的MEMS紅外傳感器電子封裝

摘要

傳感器半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)成果日益成為提高傳感器集成度的一個(gè)典型途徑，在很多情況下，為特殊用途的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）類傳感器提高集成度的奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文介紹一個(gè)MEMS光熱傳感器的封裝結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）的組裝細(xì)節(jié)，涉及一個(gè)基于半導(dǎo)體技術(shù)的紅外傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器封裝以及其與傳感器芯片的物理交互作用，是影響系統(tǒng)整體性能的主要因素之一，本文將重點(diǎn)介紹這些物理要素。

本文探討的封裝結(jié)構(gòu)是一個(gè)腔體柵格陣列（LGA）。所涉及材料的結(jié)構(gòu)特性和物理特性必須與傳感器的光學(xué)信號(hào)處理和內(nèi)置專用集成電路（ASIC）控制器的電信號(hào)處理性能匹配。

從概念和設(shè)計(jì)角度看，專用有機(jī)襯底設(shè)計(jì)、模塑腔體結(jié)構(gòu)和硅基紅外濾光窗是所述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的主要特性。本文最后給出了傳感器性能和光電表征測(cè)試報(bào)告，包括紅外光窗尺寸不同的兩種封裝的FFOV（全視野）測(cè)試結(jié)果。

引言

如今，光熱探測(cè)器被廣泛用于體感檢測(cè)、溫度測(cè)量、人數(shù)統(tǒng)計(jì)和煙火探測(cè)等各種功能，覆蓋建筑、安全、家電、工業(yè)和消費(fèi)等多個(gè)市場(chǎng)。

光熱探測(cè)器市場(chǎng)未來(lái)有五大增長(zhǎng)點(diǎn)：便攜式點(diǎn)測(cè)溫、體感檢測(cè)、智能建筑、暖通空調(diào)(HVAC)及其它媒介測(cè)溫、人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

每個(gè)物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，輻射強(qiáng)度與其本身溫度有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，物體的溫度與輻射能量之間的關(guān)系是固定的，隨著溫度升高，輻射峰值的波長(zhǎng)開始變短：300K（室溫）光線的輻射峰值是10 um波長(zhǎng)，而太陽(yáng)光（6000K）的輻射峰值是500nm波長(zhǎng)，屬于可見(jiàn)光頻域。

在吸收入射紅外輻射后，光熱探測(cè)器利用熱電機(jī)制將電磁波能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如，熱電電壓、塞貝克熱電效應(yīng)³、電阻或熱釋電電壓）。

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是MEMS制造技術(shù)，可以生產(chǎn)出非常高效的非制冷紅外探測(cè)器，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)熱隔離，所以傳感器的靈敏度非常高，而且體積小，響應(yīng)時(shí)間非?？?，并且，半導(dǎo)體的規(guī)模生產(chǎn)方式 ^{5, 6} 可降低MEMS傳感器的價(jià)格。為了提高傳感器系統(tǒng)的效率，必須給MEMS傳感器匹配性能相似的封裝及光學(xué)單元。

傳感器的某些物理組件，例如，封裝外殼和使紅外輻射到達(dá)傳感器的光窗 ¹³，還起到保護(hù)周邊電路和互連線的作用。在某些情況下，濾光窗可以改善傳感器的響應(yīng)光譜，避免可見(jiàn)光輻射影響傳感器性能。濾光窗材質(zhì)通常是硅基干涉濾光片。

這種光學(xué)接口的物理位置位于封裝上表面，與連接傳感器與PCB電路板的引線所在表面相對(duì)。

本文介紹一個(gè)在有濾光功能的封裝中集成紅外傳感器和ASIC芯片的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP），重點(diǎn)探討封裝的相關(guān)特性，包括材料特性、光學(xué)性能和系統(tǒng)整體靈敏度。這是一個(gè)集成紅外濾光窗的腔體柵格陣列（LGA）封裝概念，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出產(chǎn)品原型，并做了表征測(cè)試。傳感器視野范圍從80°到110°，具體范圍取決于光窗的幾何尺寸。最后，我們還研究了封裝對(duì)傳感器靈敏度的影響。

紅外傳感器

該創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)用于基于微加工熱電堆的MEMS紅外傳感器，能夠封裝不同類型的紅外傳感器。當(dāng)傳感器的感光面積不同時(shí)，只要重新計(jì)算封裝的幾何尺寸即可，無(wú)需修改封裝設(shè)計(jì)和材料。

熱電堆是由N個(gè)熱電偶串聯(lián)組成，傳感器的輸出電壓是單個(gè)熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體的兩端互連在一起構(gòu)成的溫感元件，這兩個(gè)連接端被稱為熱端和冷端。根據(jù)塞貝克熱電效應(yīng) ³，當(dāng)冷熱端的溫度不同時(shí)，兩條導(dǎo)體之間將會(huì)產(chǎn)生電壓差ΔV。下面是該電壓差的表達(dá)式：

a△V = Na△T (1)

其中?T是熱端和冷端之間的溫差，塞貝克系數(shù)a的大小與導(dǎo)體材料有關(guān)。

在微加工熱電堆中，熱電偶支腳嵌入電介質(zhì)膜中：熱端位于懸浮薄膜內(nèi)，而冷端則在硅襯底懸浮薄膜內(nèi)，這樣設(shè)計(jì)是為了優(yōu)化冷熱端之間的溫差，最大限度地提高輸出電壓。輸出電壓通常在幾百微伏范圍內(nèi)，最多幾毫伏：因此，需要適當(dāng)?shù)姆糯筝敵鲂盘?hào)，以便后端電路能夠正確地處理信號(hào)。

本文提出的微型微機(jī)械熱電堆傳感器是由p/n多晶硅熱電偶串聯(lián)而成。中央鋁板涂覆介電材料，用作輻射吸收膜，傳感器感光面積為600 mm X 600 mm。圖1是傳感器布局示意圖。在實(shí)物封裝上還有一個(gè)區(qū)域用于集成測(cè)試用傳感器，在表征測(cè)試過(guò)程中測(cè)量傳感器參數(shù)。為了減小芯片尺寸，優(yōu)化光學(xué)窗口位置，高級(jí)版本將會(huì)去除測(cè)試用傳感器。

圖1：紅外傳感器主體及熱電堆紅外傳感器感光面積和測(cè)試用傳感器集成區(qū)

MEMS紅外傳感器通常與一個(gè)專用集成電路(ASIC)電連接，用于控制傳感器并放大輸出信號(hào)，因此，我們?cè)u(píng)測(cè)了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的紅外傳感器。為了確保入射紅外輻射到達(dá)傳感器感光面積，避免可見(jiàn)光閃光燈引起的輻射噪聲，針對(duì)選定的應(yīng)用，我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)封裝上集成一個(gè) λ > 5.5μm的紅外波長(zhǎng)可選長(zhǎng)通濾光片。

在存在檢測(cè)傳感器系統(tǒng)要求的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紅外長(zhǎng)通濾光片引起的總損耗被控制在大約20％以內(nèi)，對(duì)于一些主要用途，例如，在一個(gè)設(shè)備PCB板上安裝存在檢測(cè)傳感器或紅外測(cè)溫傳感器，這個(gè)量級(jí)的能量損耗被認(rèn)為是很有限的。對(duì)于未來(lái)的其它潛在應(yīng)用，所討論的干涉濾光片將換成透射光譜不同的濾光片。

圖2：封裝上表面集成的長(zhǎng)通紅外濾光片的透射光譜

本文所討論的封裝采用一個(gè)通常兩面集成干擾層的硅基濾光片，也可以選擇安裝不同類型的濾光片，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如，NDIR光譜儀。

圖3：MEMS紅外傳感器和ASIC的封裝布局

該紅外傳感器封裝的設(shè)計(jì)和開發(fā)采用常見(jiàn)的并列布局，傳感器和ASIC在封裝內(nèi)是并排放置（圖3）。

在封裝上表面集成一個(gè)光學(xué)窗口，用于選擇紅外輻射的波長(zhǎng)成分，這種光窗解決方案可以防止環(huán)境光輻射到達(dá)探測(cè)器感光區(qū)，從而降低總系統(tǒng)噪聲。構(gòu)成封裝上表面和腔壁的聚合物可以視為對(duì)可見(jiàn)光-紅外輻射完全不透明，可歸類為L(zhǎng)CP材料（液晶高分子聚合物）。不同的應(yīng)用可以安裝不同的濾光片，例如，NDIR光譜儀。如圖3所示，結(jié)構(gòu)元件包括兩個(gè)裸片和鍵合引線，傳感器和信號(hào)處理電路互連，然后在連接到封裝襯底上。

圖4：“小紅外光窗”封裝和“一體式紅外濾光封帽”封裝的渲染圖

實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量

對(duì)MEMS紅外傳感器光電特性進(jìn)行表征實(shí)驗(yàn)，被測(cè)目標(biāo)物體是一個(gè)-20°C至160°C的校準(zhǔn)黑體輻射源。所用的黑體輻射源是CI Systems公司的SR-800R 4D/A，其面積是4 x 4平方英寸，輻射率為0.99。在表征實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器放置在距黑體表面5.0 cm處，以便完全覆蓋傳感器視野范圍。

圖5：實(shí)驗(yàn)裝置

使用和不用濾光片各采集數(shù)據(jù)一次，觀測(cè)到信噪比分別為 1.6 和 2.36 。在使用濾光片時(shí)，采樣信噪比降低，這是濾光片的光衰減所致，并且完全符合圖2的頻譜。

圖6：帶和不帶紅外濾光片的陶瓷封裝傳感器靈敏度表征。

系統(tǒng)輸出是數(shù)字信號(hào)，在紅外輻射下，最低有效位(lsb)的數(shù)字變化代表系統(tǒng)輸出變化。在封裝幾何尺寸確定并確保黑體完全覆蓋光窗視野的條件下，被測(cè)傳感器的總靈敏度約為2000lsb/°C，在150lsb發(fā)現(xiàn)噪聲。紅外長(zhǎng)通濾光片可以選擇，主要是為了匹配預(yù)期的檢測(cè)選擇性和光窗前可探測(cè)物體的性質(zhì)和尺寸。

圖7：有紅外硅基濾光片的封裝的3D-X射線斷層掃描圖像，其中濾光片有M1和M2兩層金屬反射膜

如圖7所示，在MEMS紅外傳感器上面放置M1和M2兩層金屬紅外濾光膜，用于過(guò)濾封裝表面上的入射輻射。在3D圖像中還能看到傳感器和ASIC互連的引線鍵合結(jié)構(gòu)和封裝襯底金屬走線。

視野(FOV)角度計(jì)算

我們通常給光學(xué)系統(tǒng)定義一個(gè)視野(FOV)參數(shù)，用于評(píng)估感測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)的幾何空間大小。任何光學(xué)設(shè)備都可以定義為FOV = ±θ的半視野(HFOV)或FOV = θ的全視野(FFOV)。本文采用FOV = ±θ的半視野定義。在幾何空間評(píng)測(cè)中，假設(shè)硅折射率n = 3.44；空氣和真空折射率n = 1。下圖所示是所討論封裝的截面結(jié)構(gòu)的FOV計(jì)算方法。

圖8：FOV計(jì)算原理截面圖

在計(jì)算視野角度時(shí)，需要考慮光線穿過(guò)窗口時(shí)發(fā)生的折射（或彎曲）情況。

運(yùn)用三角學(xué)的基本關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)：

W_O = W_A + 2 (W_t1 + W_h1 )      (eq. 1)

其中W_O 是封裝光窗的寬度，W_A 是傳感器感光區(qū)的寬度，Wt₁ +Wh₁ 是空氣和硅中的光路寬度，計(jì)算方法見(jiàn)下面的等式組：

Wt₁ = t₁ × tgq_S;      (eq. 2a)

Wh₁ = h₁ ×tgq_A ;      (eq. 2b)   

其中，t₁ 和h₁ 是封裝和器件本身的幾何垂直參數(shù)，q_A 和 q_S 分別是紅外線在空氣和硅中的傳播角度。 根據(jù)斯涅爾定律，下面的等式給出了兩個(gè)角度的關(guān)系：

n₁.sin (θ₁) = n₂.sin (θ₂)      (eq. 3)

n1和n2表示每種材料的折射率，θ1和θ2是光線在每種材料中傳播與表面法線形成的夾角（逆時(shí)針?lè)较颍?，并假設(shè)硅的折射率n = 3.44，空氣/真空的折射率n = 1?；谏鲜鰩缀渭僭O(shè)，預(yù)期視野角度FFOV = 80°- 82°。然后開始腔體封裝的初步設(shè)計(jì)，并在封裝試生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室中制造了兩個(gè)批次的原型。為了獲得不同的FFOV，我們提出了兩種不同的窗口設(shè)計(jì)。為了在1.0um -13.0um波長(zhǎng)范圍內(nèi)，驗(yàn)證封裝腔壁材料的“ T％= 0”條件，做了模塑樹脂材料的紅外透光值測(cè)試。封裝結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)級(jí)封裝，其中ASIC裸片與MEMS紅外傳感器并排放置，裸片間通過(guò)引線鍵合（WB）連接，如下圖所示。

圖9：帶紅外光窗封裝（左圖）和一體式紅外濾光封裝（右圖），通過(guò)表面貼裝技術(shù)（SMT）焊接在DIL 24測(cè)試板上

使用前述的黑體輻射源，在距封裝頂部22cm處，對(duì)上述兩個(gè)系統(tǒng)封裝進(jìn)行表征實(shí)驗(yàn)。

圖10：封帽上有小光窗的封裝與封帽整體是紅外濾光片的封裝的MEMS紅外傳感器靈敏度對(duì)比

實(shí)驗(yàn)后，在22cm處，沒(méi)有觀察到小光窗和一體式紅外濾光封帽之間存在靈敏度測(cè)量值差異，響應(yīng)時(shí)間相同。選擇該距離是為了使光束方向接近傳感器上表面紅外的平面入射波。為了進(jìn)行FOV表征實(shí)驗(yàn)，鑒于傳感器感光區(qū)置于黑體前面的正常條件，將傳感器安裝在從-90°到+ 90°的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。

圖11：紅外傳感器的紅外小光窗封裝、一體式紅外濾光封裝和大陶瓷封裝的FOV表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在大陶瓷封裝中，紅外傳感器的FFOV角度為109°±2°，小于朗伯分布的理論值（理論上為120°），這可能是MEMS 的硅嵌入結(jié)構(gòu)所致。 小光窗封裝的FFOV角度為88°。采用相同的封裝旋轉(zhuǎn)方法，一體式紅外濾光模塑封裝的FFOV為100°。在最后一種情況中，由于模塑封裝腔壁靠近傳感器感光區(qū)，觀察到了不對(duì)稱效應(yīng)。

封裝應(yīng)力模擬

對(duì)于特定吸收功率，高熱隔離度確保冷熱端之間的溫差最大化, 這是從熱電堆獲得大輸出電壓的重要因素。使用MEMS封裝可以選擇腔內(nèi)氣體，壓力選擇范圍100Bar至100mBar。氣體導(dǎo)熱性會(huì)影響溫度傳導(dǎo)速度，以及熱電堆冷熱端之間的溫差，進(jìn)而影響輸出電壓變化和傳感器效率。

MEMS封裝是通過(guò)晶圓片間的引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。MEMS傳感器系統(tǒng)主要是由一個(gè)采用表面微加工工藝制造的硅微結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通常是將兩個(gè)或多個(gè)晶圓片(裸片)堆疊放置，用玻璃材料化合物焊料將其焊接在硅基封裝內(nèi)。

在傳感器上存在厚度約為150um的硅保護(hù)帽，其本身對(duì)入射傳感器表面的輻射有自然的紅外波長(zhǎng)過(guò)濾功能。當(dāng)然，硅保護(hù)帽的紅外透射光譜使傳感器光學(xué)性能在1-13um波長(zhǎng)紅外區(qū)域變差¹²，具體程度取決于硅特性。

傳感器開發(fā)需要將MEMS硅封帽集成在傳感器晶圓上。我們模擬了由紅外傳感器、硅封帽、ASIC和封裝構(gòu)成的整個(gè)傳感器系統(tǒng)。因?yàn)槁闫询B安裝在封裝襯底上，傳感器微結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)是一體的，因此，封裝對(duì)傳感器信號(hào)性能有影響。除了在工作過(guò)程中受到的應(yīng)力外，在制造過(guò)程中，特別是封裝焊接到PCB上后的冷卻工序，還會(huì)出現(xiàn)臨界情況。由于封裝是由熱膨脹系數(shù)（CTE）不同的材料制成，熱梯度會(huì)引起翹曲現(xiàn)象，導(dǎo)致應(yīng)力轉(zhuǎn)移到傳感器微結(jié)構(gòu)，從而影響傳感性能。

用SolidWorks Simulation軟件建立了一個(gè)有限元3D模型，用于模擬在承載傳感器微結(jié)構(gòu)的硅襯底上出現(xiàn)的翹曲。焊接后冷卻模擬考慮了將封裝焊接在參考PCB上的情況。表3總結(jié)了熱負(fù)荷和邊界條件。圖12是有限元模型。

表2列出了模擬所用材料的特性。

盡管知道模擬結(jié)果在很大程度上取決于材料模型和所用材料的特性，但考慮到封裝模擬文獻(xiàn)中的常規(guī)做法，我們還是假定了分析比較的目的、可用的材料數(shù)據(jù)以及所執(zhí)行模擬的靜態(tài)性質(zhì)，材料的各向同性彈性。

為了減少計(jì)算時(shí)間，我們考慮創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)化模型。 但是，由于ASIC在封裝內(nèi)部的放置不對(duì)稱，在封帽上有光窗，因此，需要模擬整個(gè)模型。對(duì)于封裝上表面和下表面襯底層，等效機(jī)械性能計(jì)算方法如下¹⁴：

其中 E_eff 是有效楊氏模量， α_eff  是有效熱膨脹系數(shù)，分別是楊氏模量 E_i ,  α_i ,  V_i 和CTE與構(gòu)成材料的體積或面積百分比。圖12是有限元模型，圖13是傳感器、ASIC和襯底上的翹曲模擬結(jié)果。承載傳感器微結(jié)構(gòu)的襯底的翹曲w定義為沿框架本身的位移z的最大值和最小值的差。

表2.材料特性

圖12：熱機(jī)械模擬有限元模型。a,b) CAD模型，c,d)有無(wú)封帽的有限元模型。 圖中沒(méi)有焊后模擬用的PCB板。

表3.熱機(jī)械FEA邊界條件和載荷

焊后條件 217℃ → 25°C

●   Tref = 217°C (零應(yīng)變) ●   Tunif = 25°C

圖13：封裝襯底、ASIC和MEMS（頂部無(wú)晶圓）翹曲（w）。

結(jié)論

本文介紹了一個(gè)紅外傳感器的封裝設(shè)計(jì)，產(chǎn)品原型表征測(cè)試結(jié)果令人滿意，測(cè)量到的FFOV角度在80°到110°之間，具體數(shù)值取決于光窗尺寸。為了降低閃光燈影響和環(huán)境噪聲，封裝頂部裝有硅基紅外濾光片，并做了表征實(shí)驗(yàn)。應(yīng)力模擬未在材料界面上發(fā)現(xiàn)臨界情況。封裝可靠性已初步達(dá)到JEDEC L3的環(huán)境應(yīng)力要求。

致謝

特別感謝Daniela Morin負(fù)責(zé)的ST微電子分析實(shí)驗(yàn)室，感謝Alexandra Colombo和Luca Privileggi在系統(tǒng)級(jí)封裝物理分析和3D斷層掃描方面提供的幫助。感謝Angelo Recchia和Michele Vaiana在系統(tǒng)電氣表征方面的提供的支持。作者團(tuán)隊(duì)感謝ASE的Michael Chen、Chris YC Huang，ASE歐洲的Chen-Li、Sharon Liu和Christophe Zinck在首批原型制造方面給予的幫助。

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