1.3 真空封裝技術(shù)

微測(cè)輻射熱計(jì)接收目標(biāo)紅外輻射后的溫度變化很微弱，為了使其上面的熱量能夠維持住，避免與空氣分子進(jìn)行熱交換，需要將其置于真空環(huán)境下工作，一般對(duì)真空度的要求是小于0.01mbar（即0.00001atm）。對(duì)非制冷紅外焦平面探測(cè)器真空封裝的要求是： 優(yōu)異且可靠的密閉性； 具有高透過(guò)率的紅外窗口；高成品率；低成本。目前的封裝技術(shù)可分為芯片級(jí)、晶圓級(jí)、像元級(jí)等，其中芯片級(jí)封裝技術(shù)按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。

1.3.1 金屬管殼封裝

金屬管殼封裝是最早開(kāi)始采用的封裝技術(shù)，技術(shù)已非常成熟，圖5是金屬管殼封裝使用的主要部件。由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件，導(dǎo)致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應(yīng)用受到限制。

圖5 非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝部件

金屬管殼封裝形式的探測(cè)器曾經(jīng)占據(jù)了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的大部分市場(chǎng)，無(wú)論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠商都有大量的此類封裝產(chǎn)品。圖6為幾種量產(chǎn)的金屬管殼封裝的探測(cè)器。隨著更低成本的新封裝技術(shù)的日漸成熟，目前金屬管殼封裝形式的探測(cè)器所占市場(chǎng)份額已經(jīng)顯著減少。

1.3.2 陶瓷管殼封裝

陶瓷管殼封裝是近年來(lái)逐漸普及的紅外探測(cè)器封裝技術(shù)，可顯著減小封裝后探測(cè)器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。陶瓷管殼封裝技術(shù)的發(fā)展得益于目前無(wú)TEC技術(shù)的發(fā)展，省去TEC可以減小對(duì)封裝管殼體積的要求并降低成本。圖7為兩種典型的陶瓷管殼封裝紅外探測(cè)器。

圖6 非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝

1.3.3 晶圓級(jí)封裝

晶圓級(jí)封裝是近兩年開(kāi)始走向?qū)嵱玫囊环N新型紅外探測(cè)器封裝技術(shù)，需要制造與微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓相對(duì)應(yīng)的另一片硅窗晶圓，硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率，并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓與硅窗晶圓通過(guò)精密對(duì)位，紅外探測(cè)器芯片與硅窗一一對(duì)準(zhǔn)，在真空腔體內(nèi)通過(guò)焊料環(huán)焊接在一起，最后再裂片成為一個(gè)個(gè)真空密閉的晶圓級(jí)紅外探測(cè)器。圖8是一個(gè)晶圓級(jí)封裝紅外探測(cè)器的剖面圖和晶圓級(jí)封裝示意圖。

圖7 非制冷紅外焦平面的晶圓級(jí)封裝

與陶瓷管殼封裝技術(shù)相比，晶圓級(jí)封裝技術(shù)的集成度更高，工藝步驟也有所簡(jiǎn)化，更適合大批量和低成本生產(chǎn)。晶圓級(jí)封裝技術(shù)的應(yīng)用為紅外熱成像的大規(guī)模市場(chǎng)（如車載、監(jiān)控、手持設(shè)備等）提供了具有足夠性價(jià)比的探測(cè)器。

1.3.4 像元級(jí)封裝

像元級(jí)封裝技術(shù)是一種全新的封裝技術(shù)，相當(dāng)于在非制冷紅外焦平面探測(cè)器的每個(gè)像元微橋結(jié)構(gòu)之外再通過(guò)MEMS技術(shù)制造一個(gè)倒扣的微蓋，將各個(gè)像元獨(dú)立的密封起來(lái)。圖9是其工藝過(guò)程的示意圖，其中1～5步是目前的微測(cè)輻射熱計(jì)的MEMS工藝步驟，在這之后繼續(xù)在微橋的橋面上方生長(zhǎng)第二層犧牲層，做為生長(zhǎng)紅外窗口薄膜的支撐層。待紅外窗口薄膜及微蓋四壁生長(zhǎng)完成后，在真空腔體內(nèi)通過(guò)窗口上的釋放孔將前后兩次的犧牲層釋放掉，最后封堵住釋放孔，完成像元級(jí)真空封裝。

圖8 像元級(jí)封裝工藝步驟

像元級(jí)封裝技術(shù)使封裝成為了MEMS工藝過(guò)程中的一個(gè)步驟，這極大地改變了目前的封裝技術(shù)形態(tài)，簡(jiǎn)化了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的制造過(guò)程，使封裝成本降低到極致。目前這種技術(shù)還處于研究階段，但隨著像元級(jí)封裝技術(shù)的成熟和實(shí)用化，非制冷紅外焦平面探測(cè)器的成本還將大幅下降，更加貼近民用和消費(fèi)級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)的需求。