一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于室溫太赫茲探測陣列成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波常指頻率在0.1THz?10THZ (波長3mm?30um)的電磁波。由于所處頻段較特殊，屬于宏觀電子學(xué)和微觀光子學(xué)的過渡范圍，因此THz波表現(xiàn)出一系列不同于其他頻段電磁波的獨特性質(zhì)，使之在軍事和民用領(lǐng)域(如成像、通信、遙感、雷達、天文、生物醫(yī)學(xué)等)具有重要的科研價值及廣闊的應(yīng)用。與其他波相比，太赫茲波的特點有:①太赫茲輻射的頻率范圍很寬，它幾乎覆蓋了各種大分子的轉(zhuǎn)動頻率和震蕩頻率太赫茲輻射有很高的空間分辨率和時間分辨率；③太赫茲輻射的能量很小，只有幾毫電子伏特，不容易破壞被檢測的物質(zhì)；④太赫茲輻射具有對某些物質(zhì)的穿透性；⑤太赫茲輻射的時域頻譜信噪比很高。
[0003]微測輻射熱計是紅外及太赫茲探測器件的重要應(yīng)用之一，其中非制冷太赫茲微測輻射熱計與紅外微測輻射熱計具有類似的結(jié)構(gòu)，目前太赫茲探測結(jié)構(gòu)的主要研宄方向是通過對后者的改進來獲取的。微測輻射熱計的太赫茲探測過程，主要通過微橋結(jié)構(gòu)來完成的，微橋結(jié)構(gòu)中的熱敏材料位于橋面介質(zhì)層中，在介質(zhì)層之上制備一層超材料結(jié)構(gòu)，最后在頂層制備一層納米級金屬薄膜。超材料結(jié)構(gòu)保障對中心波段的太赫茲波高吸收，金屬薄膜對太赫茲波段電磁波具有寬頻吸收特性和較高的吸收率，用于拓寬吸收頻譜帶寬。
[0004]當(dāng)前非致冷紅外探測器外殼結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)窗口、金屬蓋帽和金屬底座三部分組成，內(nèi)部可以封裝不同型號的芯片。通常蓋帽和底座采用牌號4J29的可伐合金制材料，封裝窗口優(yōu)選為高阻融硅。為了保護殼體不受腐蝕，對蓋帽與底座分別鍍以2.5um厚的鎳底鍍層，再對蓋帽鍍以0.6um厚的金鍍層，然后將芯片固定在帶讀出電路的金屬底座。最后運用激光焊技術(shù)，將蓋帽和底座緊密固定在封裝臺彈簧卡子上，焊接方式采用圓周焊，把激光對準(zhǔn)焊縫的中心，焊件隨操作臺轉(zhuǎn)動而激光器固定發(fā)射脈沖激光。2012年閆浩等人發(fā)表文獻《一種非致冷紅外探測器真空封裝的研宄》以及2013年王明星發(fā)表文獻《非致冷紅外探測器高氣密激光焊接的研宄》中都有相關(guān)的描述。
[0005]雖然上述封裝技術(shù)在非制冷紅外探測領(lǐng)域已相當(dāng)成熟，但是嫁接到非制冷太赫茲探測領(lǐng)域中卻存在一些缺陷，如探測陣列對太赫茲輻射的吸收率低，探測陣列封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大、達不到便攜式的要求等問題。因此，促進探測陣列對太赫茲波的吸收率，簡化封裝結(jié)構(gòu)成為我們研宄的重點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在封裝窗口的下表面向內(nèi)腐蝕出一個深度為1um?500um的凹槽，并使用低溫銦錫釬焊技術(shù)，將封裝窗口通過該焊接金屬區(qū)與襯底無縫連接，形成真空封裝，同時確保微橋結(jié)構(gòu)表面的太赫茲金屬薄膜吸收層與窗口下表面凹槽的間距是二分之一波長。本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)能促進探測陣列對太赫茲輻射的吸收，提高探測單元的響應(yīng)率，同時縮小了封裝尺寸，使結(jié)構(gòu)更加簡單化，降低生產(chǎn)成本。
[0007]本發(fā)明技術(shù)方案為:
[0008]一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，包括從上至下共四部分:頂層是封裝窗口1，第二層是太赫茲探測陣列2，第三層是信號讀出電路3，底層是硅襯底4;其特征在于，所述封裝窗口 I下表面中心開設(shè)有向內(nèi)腐蝕的凹槽7，凹槽區(qū)域面積大于太赫茲探測陣列2，其深度范圍為1um?500um，并確保太赫茲探測陣列2頂端與凹槽7底部間距為太赫茲輻射波長的二分之一。
[0009]進一步的，所述封裝窗口 I下表面凹槽7外部表面制作有封裝窗口焊接金屬區(qū)5，所述太赫茲探測陣列2制作于信號讀出電路3之上，所述信號讀出電路3制作于硅襯底4之上，所述底層硅襯底4表面還制作有與封裝窗口焊接金屬區(qū)5形狀一致的襯底焊接金屬區(qū)6，封裝窗口 I通過封裝窗口焊接金屬區(qū)5和襯底焊接金屬區(qū)6與娃襯底4無縫焊接成一體，形成真空封裝。
[0010]所述封裝窗口 I可以選用高阻融硅、高密度聚乙烯、硅、鍺等材料，優(yōu)選為高阻融硅，用以提高太赫茲輻射的透過率同時降低背景紅外輻射干擾。
[0011]更進一步的，所述封裝窗口 I上表面制作有增透涂層或亞波長結(jié)構(gòu)，增加太赫茲輻射的透過率。
[0012]所述封裝窗口焊接金屬區(qū)5和襯底焊接金屬區(qū)6是具有相同規(guī)格的回形域焊接金屬層，在真空環(huán)境下采用釬焊技術(shù)進行焊接，焊接溫度低于300°C。
[0013]需要另外說明的是，本發(fā)明提供的太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)中太赫茲探測陣列頂端制備的太赫茲吸收結(jié)構(gòu)與封裝窗口凹槽底部間距為太赫茲輻射波長的二分之一，該結(jié)構(gòu)能夠使入射透過封裝窗口的太赫茲波在太赫茲探測陣列和封裝窗口凹槽底部之間發(fā)生多次反射，促進探測陣列吸收更多太赫茲輻射。本發(fā)明中信號讀出電路用于讀出探測陣列的電學(xué)信號，進而獲得入射的太赫茲輻射量大小。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明通過整合太赫茲焦平面陣列制造工藝和新型電子封裝工藝，在進行真空封裝時，在封裝窗口下表面開設(shè)凹槽，并保證太赫茲探測陣列表面的太赫茲吸收結(jié)構(gòu)與凹槽底部間距為二分之一太赫茲輻射波長，使入射透過封裝窗口的太赫茲波在太赫茲探測陣列和凹槽底部之間發(fā)生多次反射，促進了探測陣列對太赫茲的吸收，提高了探測單元的響應(yīng)率，同時使結(jié)構(gòu)簡單化，有效縮小封裝尺寸、降低生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]其中，I為封裝窗口、2為太赫茲探測陣列、3為信號讀出電路、4為硅基底、5為封裝窗口焊接金屬區(qū)、6為硅基底焊接金屬區(qū)、7為凹槽。
[0017]圖2和圖3為本發(fā)明太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)制備過程中各個結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0018]其中，2-a為帶讀出電路的硅襯底，圖2-b為在襯底上方制備的微橋陣列，圖2_c為在集成電路層制作的回形焊接區(qū)域，圖3-a為封裝窗口一高阻融硅，圖3-b為在窗口的下表面中心腐蝕出的凹槽，圖3-c為在未被腐蝕的窗口部分制作的回形金屬焊接區(qū)、同圖2-c的焊接區(qū)域。
[0019]圖4為最終封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0021]本實施例中太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過如下制作及封裝過程如下:
[0022](I)在超凈間完成信號讀出電路的制備，將信號讀出電路制備于硅襯底上，俯視圖如2-a所示；
[0023](2)在⑴的基礎(chǔ)(信號讀出電路)上，采用成熟的微橋結(jié)構(gòu)制備工藝，完成探測陣列的制作，俯視圖如2-b所示；
[0024](3)在(2)的基礎(chǔ)上，在硅基底預(yù)設(shè)位置先磁控濺射一層納米級的金屬鈦，再在鈦上磁控濺射一層金，即完成了回形域金屬焊接層6的制備，俯視圖如2-c所示；
[0025](4)與上述步驟對應(yīng)，制備封裝窗口，先選取雙拋型高阻硅作為封裝窗口，俯視圖如3-a所示；
[0026]首先，在雙拋型的高阻融硅的上下兩面，使用PECVD生長400nm的氮化硅，接著在其下表面光刻一個方形域，并用濕法腐蝕向內(nèi)腐蝕出本發(fā)明所述的凹槽7，然后再使用等離子刻蝕把高阻融硅兩面的氮化硅刻蝕掉，完成凹槽7制備，俯視圖如3-b所示；
[0027]然后，在凹槽外部表面與回形域金屬焊接層6對應(yīng)的預(yù)設(shè)位置制備回形域金屬焊接層5，俯視圖如3-c所示；
[0028]最后，在真空環(huán)境中，將圖3-c的結(jié)構(gòu)倒扣在圖2-c的結(jié)構(gòu)上方，采用低溫銦錫釬焊技術(shù)焊接起來，通過回形焊接金屬域5、6，將封裝窗口 I與硅襯底4無縫焊接，完成真空封裝。
[0029]綜上即為本發(fā)明的太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)的制備及封裝過程。
【主權(quán)項】
1.一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，包括從上至下共四部分:頂層是封裝窗口(I)，第二層是太赫茲探測陣列(2)，第三層是信號讀出電路(3)，底層是硅襯底(4);其特征在于，所述封裝窗口(I)下表面中心開設(shè)有向內(nèi)腐蝕的凹槽(7)，凹槽區(qū)域面積大于太赫茲探測陣列(2)，其深度范圍為1um?500um，并確保太赫茲探測陣列(2)頂端與凹槽(7)底部間距為太赫茲福射波長的二分之一。2.按權(quán)利要求1所述太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝窗口(I)下表面凹槽(7)外部表面制作有封裝窗口焊接金屬區(qū)(5)，所述太赫茲探測陣列(2)制作于信號讀出電路(3)之上，所述信號讀出電路(3)制作于硅襯底(4)之上，所述底層硅襯底(4)表面還制作有與封裝窗口焊接金屬區(qū)(5)形狀一致的襯底焊接金屬區(qū)(6)，封裝窗口(I)通過封裝窗口焊接金屬區(qū)(5)和襯底焊接金屬區(qū)(6)與硅襯底(4)無縫焊接成一體，形成真空封裝。3.按權(quán)利要求1所述太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝窗口(I)可以選用高阻融硅、高密度聚乙烯、硅、鍺等材料，優(yōu)選為高阻融硅，用以提高太赫茲輻射的透過率同時降低背景紅外輻射干擾。4.按權(quán)利要求1、2或3所述太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝窗口(I)上表面制作有增透涂層或亞波長結(jié)構(gòu)，增加太赫茲輻射的透過率。5.按權(quán)利要求1、2或3所述太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述封裝窗口焊接金屬區(qū)(5)和襯底焊接金屬區(qū)(6)是具有相同規(guī)格的回形域焊接金屬層，在真空環(huán)境下采用釬焊技術(shù)進行焊接，焊接溫度低于300°C。
【專利摘要】本發(fā)明屬于室溫太赫茲探測陣列成像技術(shù)領(lǐng)域，提供一種太赫茲探測陣列的片級封裝結(jié)構(gòu)，用以解決探測陣列對太赫茲輻射的吸收率低，探測陣列封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積大、達不到便攜式的要求等問題。本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)包括從上至下共四部分：依次為封裝窗口、太赫茲探測陣列、信號讀出電路、硅襯底；所述封裝窗口下表面中心開設(shè)有向內(nèi)腐蝕的凹槽，其深度范圍為10μm～500μm，并確保太赫茲探測陣列頂端與凹槽底部間距為太赫茲輻射波長的二分之一。通過該結(jié)構(gòu)使太赫茲波在太赫茲探測陣列和凹槽底部之間發(fā)生多次反射，促進了探測陣列對太赫茲的吸收，提高了探測單元的響應(yīng)率，同時使結(jié)構(gòu)簡單化，有效縮小封裝尺寸、降低生產(chǎn)成本。
【IPC分類】H01L31/0203
【公開號】CN104882492
【申請?zhí)枴緾N201510227996
【發(fā)明人】王軍, 陳沛丞, 黎威志, 謝盼云, 唐榮, 茍君
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月7日