集成濾光窗的MEMS紅外傳感器電子封裝

摘要

傳感器半導體技術的開發(fā)成果日益成為提高傳感器集成度的一個典型途徑，在很多情況下，為特殊用途的MEMS（微機電系統(tǒng)）類傳感器提高集成度的奠定了堅實的基礎。

本文介紹一個MEMS光熱傳感器的封裝結構以及系統(tǒng)級封裝（SIP）的組裝細節(jié)，涉及一個基于半導體技術的紅外傳感器結構。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，本文將重點介紹這些物理要素。

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

從概念和設計角度看，專用有機襯底設計、模塑腔體結構和硅基紅外濾光窗是所述光學傳感器系統(tǒng)的主要特性。本文最后給出了傳感器性能和光電表征測試報告，包括紅外光窗尺寸不同的兩種封裝的FFOV（全視野）測試結果。

引言

如今，光熱探測器被廣泛用于體感檢測、溫度測量、人數統(tǒng)計和煙火探測等各種功能，覆蓋建筑、安全、家電、工業(yè)和消費等多個市場。

光熱探測器市場未來有五大增長點：便攜式點測溫、體感檢測、智能建筑、暖通空調(HVAC)及其它媒介測溫、人數統(tǒng)計。

每個物體都會產生熱輻射，輻射強度與其本身溫度有關。根據斯蒂芬-波爾茲曼定律，物體的溫度與輻射能量之間的關系是固定的，隨著溫度升高，輻射峰值的波長開始變短：300K（室溫）光線的輻射峰值是10 um波長，而太陽光（6000K）的輻射峰值是500nm波長，屬于可見光頻域。

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

現代半導體技術，尤其是MEMS制造技術，可以生產出非常高效的非制冷紅外探測器，因為可以實現熱隔離，所以傳感器的靈敏度非常高，而且體積小，響應時間非?？?，并且，半導體的規(guī)模生產方式 ^{5, 6} 可降低MEMS傳感器的價格。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傳感器的光窗 ¹³，還起到保護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光譜，避免可見光輻射影響傳感器性能。濾光窗材質通常是硅基干涉濾光片。

這種光學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。

本文介紹一個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)級封裝（SIP），重點探討封裝的相關特性，包括材料特性、光學性能和系統(tǒng)整體靈敏度。這是一個集成紅外濾光窗的腔體柵格陣列（LGA）封裝概念，我們已經設計、生產出產品原型，并做了表征測試。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傳感器靈敏度的影響。

紅外傳感器

該創(chuàng)新封裝設計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。當傳感器的感光面積不同時，只要重新計算封裝的幾何尺寸即可，無需修改封裝設計和材料。

熱電堆是由N個熱電偶串聯(lián)組成，傳感器的輸出電壓是單個熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質導體的兩端互連在一起構成的溫感元件，這兩個連接端被稱為熱端和冷端。根據塞貝克熱電效應 ³，當冷熱端的溫度不同時，兩條導體之間將會產生電壓差ΔV。下面是該電壓差的表達式：

a△V = Na△T (1)

其中?T是熱端和冷端之間的溫差，塞貝克系數a的大小與導體材料有關。

在微加工熱電堆中，熱電偶支腳嵌入電介質膜中：熱端位于懸浮薄膜內，而冷端則在硅襯底懸浮薄膜內，這樣設計是為了優(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，最多幾毫伏：因此，需要適當的放大輸出信號，以便后端電路能夠正確地處理信號。

本文提出的微型微機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。在實物封裝上還有一個區(qū)域用于集成測試用傳感器，在表征測試過程中測量傳感器參數。為了減小芯片尺寸，優(yōu)化光學窗口位置，高級版本將會去除測試用傳感器。

圖1：紅外傳感器主體及熱電堆紅外傳感器感光面積和測試用傳感器集成區(qū)

MEMS紅外傳感器通常與一個專用集成電路(ASIC)電連接，用于控制傳感器并放大輸出信號，因此，我們評測了一個系統(tǒng)級封裝的紅外傳感器。為了確保入射紅外輻射到達傳感器感光面積，避免可見光閃光燈引起的輻射噪聲，針對選定的應用，我們在系統(tǒng)級封裝上集成一個 λ > 5.5μm的紅外波長可選長通濾光片。

在存在檢測傳感器系統(tǒng)要求的波長范圍內，紅外長通濾光片引起的總損耗被控制在大約20％以內，對于一些主要用途，例如，在一個設備PCB板上安裝存在檢測傳感器或紅外測溫傳感器，這個量級的能量損耗被認為是很有限的。對于未來的其它潛在應用，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通紅外濾光片的透射光譜

本文所討論的封裝采用一個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，以適應不同的應用需求，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計和開發(fā)采用常見的并列布局，傳感器和ASIC在封裝內是并排放置（圖3）。

在封裝上表面集成一個光學窗口，用于選擇紅外輻射的波長成分，這種光窗解決方案可以防止環(huán)境光輻射到達探測器感光區(qū)，從而降低總系統(tǒng)噪聲。構成封裝上表面和腔壁的聚合物可以視為對可見光-紅外輻射完全不透明，可歸類為LCP材料（液晶高分子聚合物）。不同的應用可以安裝不同的濾光片，例如，NDIR光譜儀。如圖3所示，結構元件包括兩個裸片和鍵合引線，傳感器和信號處理電路互連，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

實驗裝置和測量

對MEMS紅外傳感器光電特性進行表征實驗，被測目標物體是一個-20°C至160°C的校準黑體輻射源。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。在表征實驗過程中，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：實驗裝置

使用和不用濾光片各采集數據一次，觀測到信噪比分別為 1.6 和 2.36 。在使用濾光片時，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)輸出是數字信號，在紅外輻射下，最低有效位(lsb)的數字變化代表系統(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，被測傳感器的總靈敏度約為2000lsb/°C，在150lsb發(fā)現噪聲。紅外長通濾光片可以選擇，主要是為了匹配預期的檢測選擇性和光窗前可探測物體的性質和尺寸。

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互連的引線鍵合結構和封裝襯底金屬走線。

視野(FOV)角度計算

我們通常給光學系統(tǒng)定義一個視野(FOV)參數，用于評估感測系統(tǒng)能夠檢測的幾何空間大小。任何光學設備都可以定義為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。在幾何空間評測中，假設硅折射率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構的FOV計算方法。

圖8：FOV計算原理截面圖

在計算視野角度時，需要考慮光線穿過窗口時發(fā)生的折射（或彎曲）情況。

運用三角學的基本關系，我們發(fā)現：

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，計算方法見下面的等式組：

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，q_A 和 q_S 分別是紅外線在空氣和硅中的傳播角度。 根據斯涅爾定律，下面的等式給出了兩個角度的關系：

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（逆時針方向），并假設硅的折射率n = 3.44，空氣/真空的折射率n = 1。基于上述幾何假設，預期視野角度FFOV = 80°- 82°。然后開始腔體封裝的初步設計，并在封裝試生產線實驗室中制造了兩個批次的原型。為了獲得不同的FFOV，我們提出了兩種不同的窗口設計。為了在1.0um -13.0um波長范圍內，驗證封裝腔壁材料的“ T％= 0”條件，做了模塑樹脂材料的紅外透光值測試。封裝結構是系統(tǒng)級封裝，其中ASIC裸片與MEMS紅外傳感器并排放置，裸片間通過引線鍵合（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），通過表面貼裝技術（SMT）焊接在DIL 24測試板上

使用前述的黑體輻射源，在距封裝頂部22cm處，對上述兩個系統(tǒng)封裝進行表征實驗。

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比

實驗后，在22cm處，沒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量值差異，響應時間相同。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。為了進行FOV表征實驗，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°的旋轉臺上。

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表征實驗結果

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 的硅嵌入結構所致。 小光窗封裝的FFOV角度為88°。采用相同的封裝旋轉方法，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)，觀察到了不對稱效應。

封裝應力模擬

對于特定吸收功率，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封裝可以選擇腔內氣體，壓力選擇范圍100Bar至100mBar。氣體導熱性會影響溫度傳導速度，以及熱電堆冷熱端之間的溫差，進而影響輸出電壓變化和傳感器效率。

MEMS封裝是通過晶圓片間的引線鍵合技術實現的。MEMS傳感器系統(tǒng)主要是由一個采用表面微加工工藝制造的硅微結構構成，通常是將兩個或多個晶圓片(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。

在傳感器上存在厚度約為150um的硅保護帽，其本身對入射傳感器表面的輻射有自然的紅外波長過濾功能。當然，硅保護帽的紅外透射光譜使傳感器光學性能在1-13um波長紅外區(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和封裝構成的整個傳感器系統(tǒng)。因為裸片堆疊安裝在封裝襯底上，傳感器微結構與封裝結構是一體的，因此，封裝對傳感器信號性能有影響。除了在工作過程中受到的應力外，在制造過程中，特別是封裝焊接到PCB上后的冷卻工序，還會出現臨界情況。由于封裝是由熱膨脹系數（CTE）不同的材料制成，熱梯度會引起翹曲現象，導致應力轉移到傳感器微結構，從而影響傳感性能。

用SolidWorks Simulation軟件建立了一個有限元3D模型，用于模擬在承載傳感器微結構的硅襯底上出現的翹曲。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總結了熱負荷和邊界條件。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、可用的材料數據以及所執(zhí)行模擬的靜態(tài)性質，材料的各向同性彈性。

為了減少計算時間，我們考慮創(chuàng)建一個簡化模型。 但是，由于ASIC在封裝內部的放置不對稱，在封帽上有光窗，因此，需要模擬整個模型。對于封裝上表面和下表面襯底層，等效機械性能計算方法如下¹⁴：

其中 E_eff 是有效楊氏模量， α_eff  是有效熱膨脹系數，分別是楊氏模量 E_i ,  α_i ,  V_i 和CTE與構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果。承載傳感器微結構的襯底的翹曲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：熱機械模擬有限元模型。a,b) CAD模型，c,d)有無封帽的有限元模型。 圖中沒有焊后模擬用的PCB板。

表3.熱機械FEA邊界條件和載荷

焊后條件 217℃ → 25°C

●   Tref = 217°C (零應變) ●   Tunif = 25°C

圖13：封裝襯底、ASIC和MEMS（頂部無晶圓）翹曲（w）。

結論

本文介紹了一個紅外傳感器的封裝設計，產品原型表征測試結果令人滿意，測量到的FFOV角度在80°到110°之間，具體數值取決于光窗尺寸。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，并做了表征實驗。應力模擬未在材料界面上發(fā)現臨界情況。封裝可靠性已初步達到JEDEC L3的環(huán)境應力要求。

致謝

特別感謝Daniela Morin負責的ST微電子分析實驗室，感謝Alexandra Colombo和Luca Privileggi在系統(tǒng)級封裝物理分析和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。作者團隊感謝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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