集成濾光窗的MEMS紅外傳感器電子封裝

摘要

傳感器半導(dǎo)體技術(shù)的開(kāi)發(fā)成果日益成為提高傳感器集成度的一個(gè)典型途徑，在很多情況下，為特殊用途的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）類傳感器提高集成度的奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文介紹一個(gè)MEMS光熱傳感器的封裝結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）的組裝細(xì)節(jié)，涉及一個(gè)基于半導(dǎo)體技術(shù)的紅外傳感器結(jié)構(gòu)。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(diǎn)介紹這些物理要素。

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

從概念和設(shè)計(jì)角度看，專用有機(jī)襯底設(shè)計(jì)、模塑腔體結(jié)構(gòu)和硅基紅外濾光窗是所述光學(xué)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(cè)試報(bào)告，包括紅外光窗尺寸不同的兩種封裝的FFOV（全視野）測(cè)試結(jié)果。

引言

如今，光熱探測(cè)器被廣泛用于體感檢測(cè)、溫度測(cè)量、人數(shù)統(tǒng)計(jì)和煙火探測(cè)等各種功能，覆蓋建筑、安全、家電、工業(yè)和消費(fèi)等多個(gè)市場(chǎng)。

光熱探測(cè)器市場(chǎng)未來(lái)有五大增長(zhǎng)點(diǎn)：便攜式點(diǎn)測(cè)溫、體感檢測(cè)、智能建筑、暖通空調(diào)（HVAC）及其它媒介測(cè)溫、人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

每個(gè)物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，輻射強(qiáng)度與其本身溫度有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬－波爾茲曼定律，物體的溫度與輻射能量之間的關(guān)系是固定的，隨著溫度升高，輻射峰值的波長(zhǎng)開(kāi)始變短：300K（室溫）光線的輻射峰值是10 um波長(zhǎng)，而太陽(yáng)光（6000K）的輻射峰值是500nm波長(zhǎng)，屬于可見(jiàn)光頻域。

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

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是MEMS制造技術(shù)，可以生產(chǎn)出非常高效的非制冷紅外探測(cè)器，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)熱隔離，所以傳感器的靈敏度非常高，而且體積小，響應(yīng)時(shí)間非?？欤⑶?，半導(dǎo)體的規(guī)模生產(chǎn)方式5， 6可降低MEMS傳感器的價(jià)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(xué)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(dá)傳感器的光窗，還起到保護(hù)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(yīng)光譜，避免可見(jiàn)光輻射影響傳感器性能。濾光窗材質(zhì)通常是硅基干涉濾光片。

這種光學(xué)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(duì)。

本文介紹一個(gè)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(jí)封裝（SIP），重點(diǎn)探討封裝的相關(guān)特性，包括材料特性、光學(xué)性能和系統(tǒng)整體靈敏度。這是一個(gè)集成紅外濾光窗的腔體柵格陣列（LGA）封裝概念，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出產(chǎn)品原型，并做了表征測(cè)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(duì)傳感器靈敏度的影響。

紅外傳感器

該創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)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(dāng)傳感器的感光面積不同時(shí)，只要重新計(jì)算封裝的幾何尺寸即可，無(wú)需修改封裝設(shè)計(jì)和材料。

熱電堆是由N個(gè)熱電偶串聯(lián)組成，傳感器的輸出電壓是單個(gè)熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體的兩端互連在一起構(gòu)成的溫感元件，這兩個(gè)連接端被稱為熱端和冷端。根據(jù)塞貝克熱電效應(yīng)3，當(dāng)冷熱端的溫度不同時(shí)，兩條導(dǎo)體之間將會(huì)產(chǎn)生電壓差ΔV。下面是該電壓差的表達(dá)式：

圖1：紅外傳感器主體及熱電堆紅外傳感器感光面積和測(cè)試用傳感器集成區(qū)

MEMS紅外傳感器通常與一個(gè)專用集成電路（ASIC）電連接，用于控制傳感器并放大輸出信號(hào)，因此，我們?cè)u(píng)測(cè)了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的紅外傳感器。為了確保入射紅外輻射到達(dá)傳感器感光面積，避免可見(jiàn)光閃光燈引起的輻射噪聲，針對(duì)選定的應(yīng)用，我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)封裝上集成一個(gè)l＞ 5．5？m的紅外波長(zhǎng)可選長(zhǎng)通濾光片。

在存在檢測(cè)傳感器系統(tǒng)要求的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紅外長(zhǎng)通濾光片引起的總損耗被控制在大約20％以內(nèi)，對(duì)于一些主要用途，例如，在一個(gè)設(shè)備PCB板上安裝存在檢測(cè)傳感器或紅外測(cè)溫傳感器，這個(gè)量級(jí)的能量損耗被認(rèn)為是很有限的。對(duì)于未來(lái)的其它潛在應(yīng)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(zhǎng)通紅外濾光片的透射光譜

本文所討論的封裝采用一個(gè)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(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如，NDIR光譜儀。

圖3：MEMS紅外傳感器和ASIC的封裝布局