專利名稱：熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子封裝技術(shù)，尤其是一種熱電堆型紅外探測器及其信號處理電路的集成技術(shù)。
背景技術(shù)：
紅外探測器是紅外系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件之一。熱電堆型紅外探測器是較早發(fā)展的一種非制冷型紅外探測器。其工作原理基于賽貝克效應(yīng)，即兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料溫度差異導(dǎo)致兩種材料之間產(chǎn)生電壓差。由于熱電堆紅外探測器具有體積小，可以室溫下工作，寬譜紅外輻射響應(yīng)，能夠檢測恒定輻射量，并且制備成本低等優(yōu)勢，在安全監(jiān)視、醫(yī)學(xué)治療、生命探測等方面有廣泛應(yīng)用。早期的熱電偶都采用金屬細絲制成,如銅一康銅(Cu—Constantan),而后發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料有更高的熱電系數(shù)，所以大力發(fā)展半導(dǎo)體熱電偶作為微弱熱輻射檢測。近年來隨著硅微機電(MEMS)加工技術(shù)普及，發(fā)展出具備低熱容與高熱絕緣特性的高性能熱電堆結(jié)構(gòu)，例如用多晶硅與鋁作為熱電堆材料，制造出高品質(zhì)低成本且與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容的熱電堆探測器。目前，熱電堆結(jié)構(gòu)普遍采用薄膜結(jié)構(gòu)，以起到良好的隔熱效果。為了避免因切割所造成的良品率低，目前制造業(yè)者通常先切割晶片，再釋放懸浮結(jié)構(gòu)，然后將元件一個一個封裝。如此會增加釋放懸浮結(jié)構(gòu)的繁復(fù)，并導(dǎo)致成本大幅度提高。另一方面，紅外探測器與其信號處理電路間的集成仍采用傳統(tǒng)方式，即將紅外探測器與信號處理電路粘貼于承載基板上，采用引線鍵和方式形成電連接，采用金屬外殼為封裝上蓋，然后制作一紅外透射窗于其上。此類集成器件體積大，無法采用晶圓級封裝，金屬封裝材料與工藝及紅外透射窗費用占據(jù)了紅外探測器成本相當大的比例。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有熱電堆型紅外探測器及其信號處理電路集成技術(shù)的不足，提供一種體積小、成本低，適用于晶圓級封裝的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，包括紅外探測器、信號處理電路，紅外探測器的正面面向信號處理電路，紅外探測器倒扣疊加在信號處理電路的上方，紅外探測器正面的第一導(dǎo)電凸點與信號處理電路上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點接觸連接；從而使紅外探測器與信號處理電路實現(xiàn)電連接。所述紅外探測器包括第一襯底，位于第一襯底中的空腔結(jié)構(gòu)、第一襯底正面的懸浮膜、位于懸浮膜中的熱電堆結(jié)構(gòu)，所述熱電堆結(jié)構(gòu)的一端為熱端，另一端為冷端；與熱電堆結(jié)構(gòu)電連接的引線電極突出于懸浮膜，第一導(dǎo)電凸點設(shè)置在引線電極上。所述信號處理電路包括第二襯底，位于第二襯底上的電路層，信號輸入電極和信號輸出電極設(shè)置在電路層上并和電路層電連接；第二導(dǎo)電凸點設(shè)置在信號輸入電極上；信號輸入電極、第二導(dǎo)電凸點在信號處理電路表面上的位置與引線電極、第一導(dǎo)電凸點在紅外探測器正面上的位置相對應(yīng)。
作為一種更完整的封裝結(jié)構(gòu)，將疊加在一起的紅外探測器和信號處理電路安裝固定于一承載基板上，在承載基板上設(shè)置導(dǎo)電引腳，所述信號輸出電極通過打線連接所述導(dǎo)電引腳；利用保護膠形成的保護結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述紅外探測器和信號處理電路的四周。
作為另一種更完整的封裝結(jié)構(gòu)，在所述信號處理電路中設(shè)置硅穿孔，并且在硅穿孔中填充導(dǎo)電材料，在所述信號處理電路的底面對應(yīng)于表面上的信號輸出電極位置設(shè)置焊接部，硅穿孔中的導(dǎo)電材料連接所述信號輸出電極和所述焊接部。
所述紅外探測器正面的第一導(dǎo)電凸點與信號處理電路上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點接觸電連接，其連接方式為回流焊、導(dǎo)電膠粘結(jié)、熱壓焊、表面活化鍵合、冷壓焊中的一種。
分析上述封裝結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的原理在于，將紅外探測器的背面正對紅外輻射源(圖1中的附圖標記3)，由于紅外探測器的襯底通常都是硅基材料，利用硅基材料能透射紅外輻射的特性，避免了使用傳統(tǒng)封裝技術(shù)中的紅外透射窗。在紅外探測器正面的引線電極上生長第一導(dǎo)電凸點，配合一定制的信號處理電路,在信號處理電路的信號輸入電極上生長第二導(dǎo)電凸點，通過焊接或者其它結(jié)合技術(shù)，將所述第一導(dǎo)電凸點和第二導(dǎo)電凸點連接，連接方式可通過回流焊、導(dǎo)電膠粘結(jié)、熱壓焊、表面活化鍵合、冷壓焊等技術(shù)實現(xiàn)。如此形成的核心封裝結(jié)構(gòu)可減小信號傳輸距離，相應(yīng)減小信號線間的寄生電容、寄生電阻和寄生電感，提高器件性能。初級集成完成后，隨后可以再對核心封裝結(jié)構(gòu)進行外圍的封裝，以完成系統(tǒng)級封裝。
本發(fā)明的優(yōu)點:利用硅基材料能透射紅外輻射的特性，避免使用傳統(tǒng)封裝技術(shù)中的紅外透射窗，有效降低成本。利用倒裝連接技術(shù)減小紅外探測器與信號處理電路間引線距離，減小寄生效應(yīng)，提高性能。將紅外探測器與信號處理電路堆疊集成，有效減小體積。初級集成相關(guān)技術(shù)都可在晶圓級完成，適用于大批量生產(chǎn)制造。
圖1為本發(fā)明的核心封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)之一示意圖。
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)之二示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明所提出的熱電堆探測器與信號處理電路的核心封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。
熱電堆探測器(即圖1中的紅外探測器I)采用現(xiàn)有微機電(MEMS)加工技術(shù)制造，紅外探測器I包括第一襯底12，位于第一襯底12中的空腔結(jié)構(gòu)14、第一襯底12正面的懸浮膜13、通過現(xiàn)有工藝技術(shù)在懸浮膜13中制作了熱電堆結(jié)構(gòu)15，所述熱電堆結(jié)構(gòu)15的一端為熱端151，另一端為冷端152，熱電堆結(jié)構(gòu)15通常由一系列熱偶條串聯(lián)而成；與熱電堆結(jié)構(gòu)15電連接的引線電極16突出于懸浮膜13，在引線電極16上生長第一導(dǎo)電凸點17。
配合一定制的信號處理電路2，所述信號處理電路2包括第二襯底22，位于第二襯底22上的電路層23，信號輸入電極24和信號輸出電極25設(shè)置在電路層23上并和電路層23電連接；第二導(dǎo)電凸點26設(shè)置在信號輸入電極24上；信號輸入電極24、第二導(dǎo)電凸點26在信號處理電路2表面上的位置與引線電極16、第一導(dǎo)電凸點17在紅外探測器I正面上的位置相對應(yīng)。本發(fā)明的重點在于，將紅外探測器I倒扣疊加在信號處理電路2上并在兩者之間形成電連接，以形成核心封裝結(jié)構(gòu)。將紅外探測器I的正面面向信號處理電路2，倒扣疊加在信號處理電路2的上方，紅外探測器I正面的第一導(dǎo)電凸點17與信號處理電路2上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點26接觸連接，從而使得紅外探測器I與信號處理電路2實現(xiàn)電連接。所述第一導(dǎo)電凸點17與所述第二導(dǎo)電凸點26的連接方式可通過回流焊、導(dǎo)電膠粘結(jié)、熱壓焊、表面活化鍵合、冷壓焊等技術(shù)實現(xiàn)。如此形成的核心封裝結(jié)構(gòu)可減小信號傳輸距離，相應(yīng)減小信號線間的寄生電容、寄生電阻和寄生電感，提聞器件性能。上述形成核心封裝結(jié)構(gòu)的初級集成完成后，為了使器件可以實際使用，需要進一步完成后續(xù)的系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出了兩種實際可行的系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)。第一種系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，將疊加在一起的紅外探測器I和信號處理電路2 (完成初級集成的紅外探測組件)安裝固定于一已布線且已有導(dǎo)電引腳43的承載基板4上；承載基板4通常為印制電路板(PCB)、陶瓷基板、高分子基板或金屬基板，該導(dǎo)電引腳43作為對外的導(dǎo)電接點；再利用打線41連接所述信號輸出電極25和導(dǎo)電引腳43，以將信號處理電路2的輸出信號引接至承載基板4上。最后在所述紅外探測器I和信號處理電路
2的四周涂上保護膠制作保護結(jié)構(gòu)42，以保護打線41并增加機械強度。第二種系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用TSV工藝引出信號處理電路2的輸出信號。在所述信號處理電路2中設(shè)置硅穿孔5，并且在硅穿孔5中填充導(dǎo)電材料，在所述信號處理電路2的底面對應(yīng)于表面上的信號輸出電極25位置設(shè)置焊接部6，硅穿孔5中的導(dǎo)電材料連接所述信號輸出電極25和所述焊接部6。優(yōu)選地，所述焊接部6為焊球。該種系統(tǒng)級封裝結(jié)構(gòu)可直接適用于自動化表面貼裝工藝。硅穿孔5中填充的導(dǎo)電材料可以采用銅。以上實施例中由于紅外探測組件是由紅外探測器I和信號處理電路2堆疊而成，為了進一步與其它電子元件集成，可以在最后將紅外探測器I和信號處理電路2的襯底減薄已達到理想的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，包括紅外探測器(I)、信號處理電路(2)，其特征在于:紅外探測器(I)的正面面向信號處理電路(2)，紅外探測器(I)倒扣疊加在信號處理電路(2)的上方，紅外探測器(I)正面的第一導(dǎo)電凸點(17)與信號處理電路(2)上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點(26)接觸連接；從而使紅外探測器(I)與信號處理電路(2)實現(xiàn)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述紅外探測器(I)包括第一襯底12，位于第一襯底(12)中的空腔結(jié)構(gòu)(14)、第一襯底(12)正面的懸浮膜(13)、位于懸浮膜(13)中的熱電堆結(jié)構(gòu)(15)，所述熱電堆結(jié)構(gòu)(15)的一端為熱端(151 )，另一端為冷端(152);與熱電堆結(jié)構(gòu)(15)電連接的引線電極(16)突出于懸浮膜(13),第一導(dǎo)電凸點(17)設(shè)置在引線電極(16)上。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述信號處理電路(2)包括第二襯底(22),位于第二襯底(22)上的電路層(23),信號輸入電極(24)和信號輸出電極(25)設(shè)置在電路層(23)上并和電路層(23)電連接；第二導(dǎo)電凸點(26)設(shè)置在信號輸入電極(24)上；信號輸入電極(24)、第二導(dǎo)電凸點(26)在信號處理電路(2)表面上的位置與引線電極(16)、第一導(dǎo)電凸點(17)在紅外探測器(I)正面上的位置相對應(yīng)。
4.如權(quán)利要求3所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:將疊加在一起的紅外探測器(I)和信號處理電路(2)安裝固定于一承載基板(4)上，在承載基板(4)上設(shè)置導(dǎo)電引腳(43)，所述信號輸出電極(25)通過打線(41)連接所述導(dǎo)電引腳(43);利用保護膠形成的保護結(jié)構(gòu)(42)設(shè)置在所述紅外探測器(I)和信號處理電路(2)的四周。
5.如權(quán)利要求3所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:在所述信號處理電路(2)中設(shè)置硅穿孔(5)，并且在硅穿孔(5)中填充導(dǎo)電材料，在所述信號處理電路(2)的底面對應(yīng)于表面上的信號輸出電極(25)位置設(shè)置焊接部(6)，硅穿孔(5)中的導(dǎo)電材料連接所述信號輸出電極(25 )和所述焊接部(6 )。
6.如權(quán)利要求5所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述硅穿孔(5)中填充的導(dǎo)電材料為銅。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述紅外探測器(I)正面的第一導(dǎo)電凸點(17)與信號處理電路(2)上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點(26)接觸連接，其連接方式為回流焊、導(dǎo)電膠粘結(jié)、熱壓焊、表面活化鍵合、冷壓焊中的一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱電堆探測器與信號處理電路封裝結(jié)構(gòu)，包括紅外探測器、信號處理電路，紅外探測器的正面面向信號處理電路，紅外探測器倒扣疊加在信號處理電路的上方，紅外探測器正面的第一導(dǎo)電凸點與信號處理電路上相應(yīng)位置處的第二導(dǎo)電凸點接觸連接；從而使紅外探測器與信號處理電路實現(xiàn)電連接。所述紅外探測器包括第一襯底，位于第一襯底中的空腔結(jié)構(gòu)、第一襯底正面的懸浮膜、位于懸浮膜中的熱電堆結(jié)構(gòu)，所述熱電堆結(jié)構(gòu)的一端為熱端，另一端為冷端；與熱電堆結(jié)構(gòu)電連接的引線電極突出于懸浮膜，第一導(dǎo)電凸點設(shè)置在引線電極上。本封裝結(jié)構(gòu)避免了傳統(tǒng)封裝技術(shù)中使用的紅外透射窗，有效降低成本，并且減小寄生效應(yīng)，提高了性能。
文檔編號B81B7/02GK103172014SQ201310091770
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者孟如男, 秦毅恒, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心