一種紅外焦平面探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)，具體涉及一種降低熱變形的紅 外焦平面探測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外焦平面探測(cè)技術(shù)具有光譜響應(yīng)波段寬、可晝夜工作等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈 預(yù)警、情報(bào)偵察、損毀效果評(píng)估和農(nóng)、林資源調(diào)查等軍事和民用領(lǐng)域。
[0003] 如圖1所示，帶有銦塊陣列的光敏元芯片3與帶有銦塊陣列的硅讀出電路1通過(guò) 倒焊互連工藝連接在一起，互連后形成銦塊陣列2。銦塊陣列2不僅提供光敏元芯片3與其 對(duì)應(yīng)的硅讀出電路1輸入端的電學(xué)連通，同時(shí)還起到機(jī)械支撐作用。光敏元芯片3上設(shè)有 抗反射涂層4。為提高銦塊焊點(diǎn)的可靠性，通常在光敏元芯片3和硅讀出電路1之間的夾縫 中填入底充膠5。
[0004] 為提高紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的靈敏度和分辨率，要求紅外焦平面探測(cè)器的陣列規(guī)模 越做越大、光敏元數(shù)目也越來(lái)越多，加之特定的低溫工作環(huán)境，使得大面陣探測(cè)器的成品率 很低，通常表現(xiàn)為液氮沖擊中光敏元芯片碎裂和探測(cè)器四周邊緣處的銦塊互連失效。
[0005] 在紅外焦平面探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要分析液氮沖擊中探測(cè)器內(nèi)部生成的熱應(yīng) 力/應(yīng)變以評(píng)估探測(cè)器的結(jié)構(gòu)可靠性。鑒于紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向應(yīng)變最易測(cè)量，在 本申請(qǐng)中，以紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向應(yīng)變大小作為評(píng)估液氮沖擊中紅外焦平面探測(cè)器 結(jié)構(gòu)變形大小的依據(jù)。
[0006] 在現(xiàn)有的紅外焦平面探測(cè)器中，互連后的銦柱陣列的結(jié)構(gòu)一般為上、下表面尺寸 大小相同，，整體上呈現(xiàn)為柱狀特征，這就要求互聯(lián)前銦柱的形態(tài)需采用柱狀或者錐狀形 ??τ O
[0007] 如果互連前銦柱的形態(tài)采用上端粗、下端細(xì)的形態(tài)，此時(shí)銦柱下端與光敏元芯片 或者硅讀出電路連接，互連后的銦柱將呈現(xiàn)出中間粗、兩端細(xì)的特征。此外在制備銦柱陣列 時(shí)出現(xiàn)在銦柱粗端邊緣的殘留銦層容易引起銦柱互連中相鄰銦柱之間發(fā)生短路失效。這一 現(xiàn)象在銦柱陣列中心距變小時(shí)尤為明顯。
[0008] 在專(zhuān)利文獻(xiàn)《一種用于紅外焦平面倒焊互連的銦柱及其制備方法》（發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng) 號(hào)：201010565090. 0)針對(duì)上述缺陷，提出了一種解決方案：在倒焊互連前，在探測(cè)器芯片 上制備底部（接觸探測(cè)器芯片的銦柱端面）大，頂部小的銦柱陣列，在信號(hào)讀出電路上也制 備底部（接觸信號(hào)讀出電路的銦柱端面）大，頂部小的銦柱陣列，然后將帶有銦柱陣列的探 測(cè)器芯片與帶有銦柱陣列的信號(hào)讀出電路通過(guò)倒焊互連工藝連接在一起，這樣使互連后的 銦柱陣列呈現(xiàn)中間細(xì)、兩端粗的特征，該發(fā)明公布的銦柱結(jié)構(gòu)雖然避免了在倒焊互連時(shí)由 于銦柱形變而短路的問(wèn)題，但是不涉及如何降低液氮沖擊下紅外焦平面探測(cè)器的熱變形問(wèn) 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種紅外焦平面探測(cè)器，用以解決液氮沖擊中因光敏元芯片碎裂問(wèn) 題，以及周期性液氮沖擊中在探測(cè)器四周邊緣處的銦塊互連失效問(wèn)題。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的紅外焦平面探測(cè)器包括光敏元芯片、銦塊陣列、 底充膠和硅讀出電路，光敏元芯片通過(guò)銦塊陣列與硅讀出電路互連，底充膠填充在光敏元 芯片與硅讀出電路之間的夾縫中，其特征在于，所述銦塊陣列中每一個(gè)銦塊的上表面和下 表面均為N邊形或圓形，與光敏元芯片連接的銦塊上表面面積小于與硅讀出電路連接的銦 塊下表面面積，銦塊的縱向切面整體上呈梯形，其中N多3。
[0011] 所述光敏元芯片通過(guò)銦塊陣列與硅讀出電路互連的方法為：分別在光敏元芯片和 硅讀出電路的電極上制備銦塊陣列，借助倒裝焊設(shè)備把兩個(gè)銦塊陣列通過(guò)冷壓焊的方式連 接成一個(gè)銦塊陣列。
[0012] 所述光敏元芯片通過(guò)銦塊陣列與硅讀出電路互連的方法為：只在光敏元芯片的電 極上制備銦塊陣列，或只在硅讀出電路的電極上制備銦塊陣列，借助倒裝焊設(shè)備，通過(guò)銦塊 陣列實(shí)現(xiàn)光敏元芯片和硅讀出電路的電連接。
[0013] 所述光敏元芯片為銻化銦（InSb)芯片或碲鎘汞（HgCdTe)芯片或銦鎵砷（InGaAs) 芯片或銦砷銻（InAsSb)芯片或銦砷/鎵銻（InAs/GaSb)芯片或鎵砷/鋁鎵砷（GaAs/ AlGaAs)芯片。
[0014] 本發(fā)明的紅外焦平面探測(cè)器中，銦塊陣列為上表面面積小于下表面面積，且銦塊 陣列中每一個(gè)銦塊整體上呈現(xiàn)上細(xì)下粗的特征，采用該銦塊結(jié)構(gòu)特征的紅外焦平面探測(cè) 器，能夠減少液氮沖擊中光敏元芯片碎裂概率和探測(cè)器四周邊緣處的銦塊互連失效的概 率，提高了探測(cè)器的結(jié)構(gòu)可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是紅外焦平面探測(cè)器中不同材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線(xiàn)；
[0017] 圖3是互連后銦塊上下表面為八邊形且下表面直徑固定為24微米時(shí)，紅外焦平面 探測(cè)器法線(xiàn)方向最大應(yīng)變隨銦塊上表面直徑的變化趨勢(shì)圖；
[0018] 圖4是互連后銦塊上下表面均為八邊形，下表面直徑為24微米，上表面直徑取30 微米時(shí)，液氮沖擊后紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向的應(yīng)變分布圖；
[0019] 圖5是互連后銦塊上下表面均為八邊形，下表面直徑為24微米，上表面直徑取24 微米時(shí)，液氮沖擊后紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向的應(yīng)變分布圖；
[0020] 圖6是互連后銦塊上下表面均為八邊形，下表面直徑為24微米，上表面直徑取12 微米時(shí)，液氮沖擊后紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向的應(yīng)變分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0022] 對(duì)128 X 128陣列規(guī)模的銻化銦（InSb)紅外焦平面探測(cè)器進(jìn)行形變分析，該探測(cè) 器由光敏元芯片和硅讀出電路通過(guò)銦塊陣列互連混成，之后在光敏元芯片和硅讀出電路之 間的夾縫中填入底充膠。銦塊陣列中每一個(gè)銦塊的上表面和下表面均為N邊形或圓形，與 光敏元芯片連接的銦塊上表面面積小于與硅讀出電路連接的銦塊下表面面積，且從銦塊上 表面到下表面逐漸變粗即銦塊的縱向切面整體上呈梯形，其中N多3。
[0023] 也就是說(shuō)，互連后的銦塊可為上表面的面積小于其下表面的面積的三棱臺(tái)狀、四 棱臺(tái)狀、五棱臺(tái)狀、六棱臺(tái)狀、七棱臺(tái)狀、八棱臺(tái)狀、九棱臺(tái)狀、十棱臺(tái)狀等，乃至圓臺(tái)狀；也 可為小棱柱坐落于大棱柱上、小棱臺(tái)坐落于大棱臺(tái)上、小圓臺(tái)坐落于大圓臺(tái)上的形態(tài)。也可 采取小棱柱、小棱臺(tái)、小圓臺(tái)與大棱柱、大棱臺(tái)、大圓臺(tái)兩兩組合的形態(tài)。使互連后的銦塊整 體上呈現(xiàn)出上細(xì)下粗的形態(tài)即可。
[0024] 互連后的銦塊的尺寸依賴(lài)于光敏元間距，具體通過(guò)有限元軟件ANSYS模擬得到。 判定依據(jù)為：液氮沖擊后紅外焦平面探測(cè)器法線(xiàn)方向的應(yīng)變幅度明顯變小，紅外焦平面探 測(cè)器上表面屈曲變形明顯減弱。其模擬過(guò)程如下：
[0025] 1)銦塊選用VISCO 107單元類(lèi)型，固化后的底充膠、光敏元芯片和硅讀出電路選 用SOLID 95單元類(lèi)型，進(jìn)行直接耦合場(chǎng)分析；
[0026] 2)將光敏元芯片、互連后的銦塊陣列、底充膠和硅讀出電路的楊氏模量、線(xiàn)膨脹系 數(shù)、泊松比及密度輸入材料模型中，所輸入材料參數(shù)均隨溫度發(fā)生變化。具體數(shù)值如表1和 圖2所示，表1為不同溫度下，紅外焦平面探測(cè)器中不同材料的楊氏模量、泊松比，圖2是紅 外焦平面探測(cè)器中不同材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線(xiàn)。
[0027] 表1.不同溫度下，紅外焦平面探測(cè)器中不同材料的楊氏模量、泊松比
[0030] 在50K至370K的范圍內(nèi)，底充膠的線(xiàn)膨脹系數(shù)可用下式描述，α = 22. 46X 10 6+5· 04X10 8X (Τ-273)，式中，T 的單位取開(kāi)爾文。
[0031] 3)建立幾何模型，即將光敏元芯片、互連后的銦塊陣列、底充膠和硅讀出電路的幾 何尺寸輸入；
[0032] 4)設(shè)定紅外焦平面探測(cè)器的溫度處處均勻、一致，進(jìn)行瞬態(tài)分析，紅外焦平面探測(cè) 器的溫度從室溫急劇降低到液氮溫度，或者從液氮溫度緩慢升高到室溫；
[0033] 5)設(shè)定非線(xiàn)性大變