在真空填充的晶片级壳体中生产热红外传感器阵列的方法技术

本发明专利技术涉及在真空填充的晶片级壳体中生产热红外传感器阵列的方法，所述晶片级壳体具有特别小的尺寸，所述晶片级壳体包括至少两个晶片，该两个晶片为盖晶片(1)和中央晶片(3)，所述中央晶片(3)具有多个灵敏的红外敏感的传感器像素(5)，其分别位于绝热的空腔(11)上方的具有狭缝的薄膜(5”)上。本发明专利技术的目的是提供一种使用晶片级封装技术生产高分辨率的单片硅微机械热电堆阵列传感器的方法，其中，所述传感器在非常小的壳体尺寸下，特别是非常小的总厚度下，实现了特别高的空间分辨率和非常高的填充因数，并且可以通过与标准CMOS工艺兼容以经济地生产。这是通过以下方式实现的，即，盖晶片(1)首先通过晶片键合与所提供的包括具有红外敏感像素的传感器像素(5)的中央晶片(3)刚性地机械连接，然后中央晶片(3)从晶片背面减薄以达到指定的厚度。减薄以达到指定的厚度。减薄以达到指定的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在真空填充的晶片级壳体中生产热红外传感器阵列的方法


[0001]本专利技术涉及一种在晶片级封装中采用单片硅微机械技术在真空填充的晶片级壳体中生产热红外传感器阵列的方法。

技术介绍

[0002]对于小型的经济型热成像摄像机的红外传感器阵列的应用，重要的是传感器模块具有高的空间分辨率和热分辨率以及最小壳体尺寸。
[0003]这尤其适用于所谓的移动应用，例如智能手机等。
[0004]这些应用必须在最小的空间内实现良好测量精度和高热分辨率，并且同时具有最小的传感器模块总体尺寸。例如，为了能够在智能手机本身的壳体中容纳由红外阵列传感器模块构建的小型化热成像摄像机，在这种情况下红外阵列传感器模块具有非常小的总高度是特别重要的。为了能够在具有相同观察方向的小型CMOS摄像头旁边的电路板上容纳热成像微型摄像机，传感器阵列的总高度(包括所有光学器件)必须小于2.5
‑
3mm。
[0005]为此，仅可以将热(非制冷)传感器设想为红外传感器阵列。这组热传感器包括所谓的微测辐射热计、热电阵列和热电堆阵列(TP阵列)。
[0006]为了达到要求的测量精度，热电阵列需要连续调制的机械斩波器，微测辐射热计需要所谓的机械快门，并且除传感器阵列和红外光学器件外，还需要将这些器件(机械斩波器和机械快门)安装在光束路径中。受控的斩波器或快门模块的附加机械尺寸增加了壳体高度，并且使得在智能手机壳体中的安装变得困难。只有热电堆传感器阵列(TP阵列)才能达到所需的测量精度，而无需在光束路径中使用额外的机械斩波器或机械快门。
[0007]对于小型化的高分辨率TP阵列，像素尺寸必须很小，这是灵敏的阵列芯片在真空下的气密封装所必要的。由于传统的壳体(例如金属壳体，如TO系列)同样太大，晶片级封装(WLP)仍然是最有前景的改进。这是热电堆阵列芯片真空密封的一种特别经济的形式，其中晶片组件以气密方式封闭，中间的有源元件处在高真空下。
[0008]WLP还具有进一步的优势，即所有基于硅的晶片都具有相同的热膨胀系数。这意味着，如果传感器的温度在封装或使用过程中发生变化，则盖/传感器和/或底部晶片之间不会出现额外的应力，因为它们都具有相同的膨胀系数。
[0009]由于传感器阵列的单个传感器像素仅提供非常小的电压信号(通常在μV范围内)，因此如果可能，需要在传感器封装本身中对信号进行局部放大。由于高分辨率阵列传感器中的同一传感器芯片上有非常多的像素，因此还需要提供非常多的前置放大器(并行运行)。
[0010]红外热电堆传感器阵列早已以各种形式和设计为人所知。以硅微机械制造的热电堆传感器通常由薄膜组成，在薄膜上有以薄膜技术制造的热电偶。在薄膜下方，基底中具有空腔。
[0011]热电偶的“热”触点位于薄膜的中心部分，“冷”触点位于用作散热器的硅边缘。在薄膜的中心部分与散热器之间，例如有尽可能长的窄梁(杆)，它们将薄膜的中心部分(吸收
区)连接到散热器(像素的硅边缘)并包含一个或多个热电偶。
[0012]在长梁的两侧，具有狭缝将梁与中心部分或硅散热器(支撑体)分开。IR辐射的大部分吸收发生在薄膜的中心区域。特别是在具有高空间分辨率的阵列中，像素很小并且孔口(狭缝)非常窄。为了增加传感器的填充因数，可以在薄膜或像素上铺有红外屏蔽(伞状结构)，以便能够通过更大的区域接收更多的红外辐射。
[0013]热电偶(在梁上)位于相对靠近硅散热器的位置，因此较大比例的热量可以通过位于散热器之间的气体流走。这会导致信号丢失。为了消除这一点，需要真空密封。
[0014]薄膜中的狭缝用于在其下方产生空腔。粘合在薄膜上的晶片用于产生气密密封的闭合件。然而，薄膜下方基底的各向同性蚀刻需要保护附近的电子器件以避免可能的损坏。
[0015]US 2008/0128620 A1描述了一种用于在薄膜上的多个热电堆的晶片级封装，在薄膜下方或上方具有用于隔热的腔体，该腔体通常以各向异性(KOH)蚀刻，但也可选地通过DRIE蚀刻。
[0016]为了提供具有许多小像素的高分辨率TP阵列，需要许多通道以进行必要的并行信号处理，这由于空间不足而无法实现。
[0017]EP 2889 909提出了一种在像素的吸收体区域中设有多个狭缝的解决方案，以便更好地将薄膜下方的硅牺牲层从凹槽向外引导。然而，以这种方式会损失有效的吸收体面积，并且因此信号和测量精度也会损失。
[0018]WO 2015004166 A1描述了一种用于降低应力的电子器件的气密密封方法。同样，需要精细的处理来曝光像素，并且在位于像素下方的腔体底部上施加反射金属层是困难的或非常昂贵的。
[0019]没有一种解决方案能够产生特别小的且高度灵敏的像素，并且能够在特别小的区域上容纳必要的信号处理通道。
[0020]DE 10 2006 122 850提出了WLP中的高分辨率热电堆阵列。该阵列具有三个相互连接的晶片(盖、传感器芯片和底部)。
[0021]然而，相互连接的三个晶片的厚度大约相等，即，中央传感器晶片的腔体以体微机械蚀刻，腔体的垂直孔穿过整个晶片，由于要遵守公差，这限制了可实现的像素尺寸。此外，由于没有足够的空间用于所需的并行信号处理通道，因此在传感器晶片上不能容纳很多像素。
[0022]US 8519336 B2提出了一种IR检测装置位于反射层之上的配置。此外，算法评估电路位于下方的电路板上。在此，三个硅衬底(晶片)组合在一起。接收器单元由热电堆和硅衬底中的减压密封凹槽组成。反射层在接收器单元下方形成一种凹口。凹口的表面由反射材料组成，例如金或铝。通过这种布置，在接收器单元中最初未检测到的IR辐射被反射并再次聚焦回到接收器单元上，从而重新获得检测的可能性。
[0023]具有反射结构的“凹口”具有类似于抛物面反射镜的配置，因此可以将尽可能高比例的红外辐射反射回接收器单元。
[0024]必要的电接触部通过所谓的硅通孔(TSV)(即，直通接触部)(其本身是已知的)从上部晶片的背面延伸到中央晶片的正面，穿过“三晶片夹层”中的中央晶片一直到晶片的背面和信号处理单元，最后进一步通过通孔到达底部晶片的背面和焊接触点。因此，WLP中的这种热电堆阵列具有SMD功能。
[0025]因此，信号线原则上可以在像素区域外部或像素之间布线，在这种情况下，每个像素的信号处理操作可以在像素下方的底部晶片中进行。
[0026]根据当前的现有技术生产的典型TSV需要晶片上的横向尺寸，其大约为晶片厚度的十分之一。因此，对于400
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500μm的晶片厚度，典型的通孔尺寸约为40
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50μm。
[0027]因此，不能产生具有特别小的像素并具有特别高的空间分辨率的阵列，因为仅像素区域中的通孔的尺寸就增加了横向像素尺寸。
[0028]然而，这对于作为智能手机中的小型摄像机芯片的阵列来说则难以兼容，因为具有相应焦距的镜头光学器件实际上仍然需要安装在传感器阵列芯片上。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.在真空填充的晶片级壳体中生产热红外传感器阵列的方法，所述晶片级壳体具有特别小的尺寸，所述晶片级壳体包括至少两个晶片，所述两个晶片为盖晶片(1)和中央晶片(3)，所述中央晶片(3)具有多个灵敏的红外敏感的传感器像素(5)，其分别位于绝热的空腔(11)上方的具有狭缝的薄膜(5”)上，其特征在于，首先在盖晶片(1)的内侧设置至少一个腔体(10)，并通过晶片键合与制备的具有红外敏感的像素(5)的中央晶片(3)牢固地机械连接，并且随后将中央晶片(3)从晶片的背面减薄至预定厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在中央晶片(3)已经减薄到预定厚度之后，绝热的空腔(11)从正面穿过薄膜(5”)中的狭缝(11”)进入中央晶片(3)地蚀刻在每个红外敏感的传感器像素(5)的具有狭缝的薄膜(5”)下方。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在中央晶片(3)已经减薄到预定厚度之后，绝热的空腔(11)从背面进入中央晶片(3)地蚀刻在每个红外敏感的传感器像素(5)的薄膜(5”)下方。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的方法，其特征在于，在晶片键合之后，将中央晶片(3)的厚度减薄至小于200
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300μm，优选小于50
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100μm。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，除传感器像素(5)之外，传感器像素的信号预处理的至少一部分集成在中央晶片(3)上。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在中央晶片(3)减薄之后，具有特别小的横向尺寸的直通接触部(6)从中央晶片(3)的正面引入，直到中央晶片(3)的背面。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个底部晶片(4)通过晶片键合固定在中央晶片(3)的背面，并且在晶片键合后，底部晶片(4)的厚度减薄至小于200
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300μm。8.根据前述权利要求中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：海曼传感器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：