摘要
传感器半导体技能的开发效果日益成为进步传感器集成度的一个典型途径，在许多状况下，为特别用处的MEMS（微机电体系）类传感器进步集成度的奠定了坚实的根底。
本文介绍一个MEMS光热传感器的封装结构以及体系级封装（SIP）的拼装细节，触及一个依据半导体技能的红外传感器结构。传感器封装以及其与传感器芯片的物理交互效果，是影响体系全体功用的首要因素之一，本文将要点介绍这些物理要素。
本文评论的封装结构是一个腔体栅格阵列（LGA）。所触及资料的结构特性和物理特性有必要与传感器的光学信号处理和内置专用集成电路（ASIC）操控器的电信号处理功用匹配。
从概念和规划视点看，专用有机衬底规划、模塑腔体结构和硅基红外滤光窗是所述光学传感器体系的首要特性。本文最终给出了传感器功用和光电表征测验报告，包含红外光窗尺度不同的两种封装的FFOV（全视界）测验成果。
图1：红外传感器主体及热电堆红外传感器感光面积和测验用传感器集成区
导言
现在，光热勘探器被广泛用于体感检测、温度丈量、人数核算和焰火勘探等各种功用，掩盖修建、安全、家电、工业和消费等多个商场。
光热勘探器商场未来有五大增长点：便携式点测温、体感检测、智能修建、暖通空调(HVAC)及其它前言测温、人数核算。
每个物体都会产生热辐射，辐射强度与其自身温度有关。依据斯蒂芬-波尔兹曼规律，物体的温度与辐射能量之间的联系是固定的，跟着温度升高，辐射峰值的波长开端变短：300K（室温）光线的辐射峰值是10 um波长，而太阳光（6000K）的辐射峰值是500nm波长，归于可见光频域。
在吸收入射红外辐射后，光热勘探器运用热电机制将电磁波能转换为电信号，例如，热电电压、塞贝克热电效应3、电阻或热释电电压）。
现代半导体技能，尤其是MEMS制作技能，能够出产出十分高效的非制冷红外勘探器，因为能够完成热阻隔，所以传感器的灵敏度十分高，而且体积小，呼应时刻十分快，而且，半导体的规划出产方式5, 6可下降MEMS传感器的价格。为了进步传感器体系的功率，有必要给MEMS传感器匹配功用类似的封装及光学单元。
传感器的某些物理组件，例如，封装外壳和使红外辐射抵达传感器的光窗，还起到维护周边电路和互连线的效果。在某些状况下，滤光窗能够改进传感器的呼应光谱，避免可见光辐射影响传感器功用。滤光窗原料一般是硅基干涉滤光片。
这种光学接口的物理方位坐落封装上外表，与衔接传感器与PCB电路板的引线地点外表相对。
本文介绍一个在有滤光功用的封装中集成红外传感器和ASIC芯片的体系级封装（SIP），要点评论封装的相关特性，包含资料特性、光学功用和体系全体灵敏度。这是一个集成红外滤光窗的腔体栅格阵列（LGA）封装概念，咱们现已规划、出产出产品原型，并做了表征测验。传感器视界规模从80°到110°，详细规模取决于光窗的几许尺度。最终，咱们还研讨了封装对传感器灵敏度的影响。
图2：封装上外表集成的长通红外滤光片的透射光谱
红外传感器
该立异封装规划用于依据微加工热电堆的MEMS红外传感器，能够封装不同类型的红外传感器。当传感器的感光面积不一起，只需从头核算封装的几许尺度即可，无需修正封装规划和资料。
热电堆是由N个热电偶串联组成，传感器的输出电压是单个热电偶的电压乘以N。热电偶是将两种不同原料导体的两头互连在一起构成的温感元件，这两个衔接端被称为热端和冷端。依据塞贝克热电效应3，当冷热端的温度不一起，两条导体之间将会产生电压差ΔV。下面是该电压差的表达式：
ΔV = NaΔTΔ (1)
其间∆T是热端和冷端之间的温差，塞贝克系数a的巨细与导体资料有关。
在微加工热电堆中，热电偶支脚嵌入电介质膜中：热端坐落悬浮薄膜内，而冷端则在硅衬底悬浮薄膜内，这样规划是为了优化冷热端之间的温差，最大极限地进步输出电压。输出电压一般在几百微伏规模内，最多几毫伏：因而，需求恰当的扩大输出信号，以便后端电路能够正确地处理信号。
本文提出的微型微机械热电堆传感器是由p/n多晶硅热电偶串联而成。中心铝板涂覆介电资料，用作辐射吸收膜，传感器感光面积为600mmX600mm。图1是传感器布局示意图。在什物封装上还有一个区域用于集成测验用传感器，在表征测验过程中丈量传感器参数。为了减小芯片尺度，优化光学窗口方位，高档版别将会去除测验用传感器。
MEMS红外传感器一般与一个专用集成电路(ASIC)电衔接，用于操控传感器并扩大输出信号，因而，咱们评测了一个体系级封装的红外传感器。为了保证入射红外辐射抵达传感器感光面积，避免可见光闪光灯引起的辐射噪声，针对选定的运用，咱们在体系级封装上集成一个l> 5.5µm的红外波长可选长通滤光片。
在存在检测传感器体系要求的波长规模内，红外长通滤光片引起的总损耗被操控在大约20％以内，关于一些首要用处，例如，在一个设备PCB板上设备存在检测传感器或红外测温传感器，这个量级的能量损耗被认为是很有限的。关于未来的其它潜在运用，所评论的干涉滤光片将换成透射光谱不同的滤光片。
本文所评论的封装选用一个一般双面集成搅扰层的硅基滤光片，也能够挑选设备不同类型的滤光片，以习惯不同的运用需求，例如，NDIR光谱仪。
该红外传感器封装的规划和开发选用常见的并排布局，传感器和ASIC在封装内是并排放置（图3）。
在封装上外表集成一个光学窗口，用于挑选红外辐射的波长成分，这种光窗解决方案能够避免环境光辐射抵达勘探器感光区，然后下降总体系噪声。构成封装上外表和腔壁的聚合物能够视为对可见光-红外辐射彻底不透明，可归类为LCP资料（液晶高分子聚合物）。不同的运用能够设备不同的滤光片，例如，NDIR光谱仪。如图3所示，结构元件包含两个裸片和键合引线，传感器和信号处理电路互连，然后在衔接到封装衬底上。
图3：MEMS红外传感器和ASIC的封装布局
图4：“小红外光窗”封装和“一体式红外滤光封帽”封装的烘托图
试验设备和丈量
对MEMS红外传感器光电特性进行表征试验，被测方针物体是一个-20°C至160°C的校准黑体辐射源。所用的黑体辐射源是CI Systems公司的SR-800R 4D/A，其面积是4 x 4平方英寸，辐射率为0.99。在表征试验过程中，传感器放置在距黑体外表5.0 cm处，以便彻底掩盖传感器视界规模。
图5：试验设备
运用和不必滤光片各收集数据一次，观测到信噪比分别为1.6和2.36。在运用滤光片时，采样信噪比下降，这是滤光片的光衰减所造成的，而且彻底符合图2的频谱。
图6：带和不带红外滤光片的陶瓷封装传感器灵敏度表征。
体系输出是数字信号，在红外辐射下，最低有用位(lsb)的数字改变代表体系输出改变。在封装几许尺度确认并保证黑体彻底掩盖光窗视界的条件下，被测传感器的总灵敏度约为2000lsb/°C，在150lsb发现噪声。红外长通滤光片能够挑选，首要是为了匹配预期的检测挑选性和光窗前可勘探物体的性质和尺度。
图7：有红外硅基滤光片的封装的3D-X射线断层扫描图画，其间滤光片有M1和M2两层金属反射膜
如图7所示，在MEMS红外传感器上面放置M1和M2两层金属红外滤光膜，用于过滤封装外表上的入射辐射。在3D图画中还能看到传感器和ASIC互连的引线键合结构和封装衬底金属走线。
图8：FOV核算原理截面图
视界(FOV)视点核算
咱们一般给光学体系界说一个视界(FOV)参数，用于评价感测体系能够检测的几许空间巨细。任何光学设备都能够界说为FOV = ±θ的半视界(HFOV)或FOV = θ的全视界(FFOV)。本文选用FOV = ±θ的半视界界说。在几许空间评测中，假定硅折射率n = 3.44；空气和真空折射率n = 1。下图所示是所评论封装的截面结构的FOV核算办法。
在核算视界视点时，需求考虑光线穿过窗口时产生的折射（或曲折）状况。
运用三角学的基本联系，咱们发现：
WO = WA + 2 (Wt1+Wh1) (eq. 1)
其间WO是封装光窗的宽度，WA是传感器感光区的宽度，Wt1+Wh1是空气和硅中的光路宽度，核算办法见下面的等式组：
Wt1 = t1×tgqS; (eq. 2a)
Wh1 = h1×tgqA; (eq. 2b)
其间，t1和h1是封装和器材自身的几许笔直参数，qA 和 qS分别是红外线在空气和硅中的传达视点。 依据斯涅尔规律，下面的等式给出了两个视点的联系：
n1.sin (θ1) = n2.sin (θ2) (eq. 3)
n1和n2表明每种资料的折射率，θ1和θ2是光线在每种资猜中传达与外表法线构成的夹角（逆时针方向），并假定硅的折射率n = 3.44，空气/真空的折射率n = 1。依据上述几许假定，预期视界视点FFOV = 80°- 82°。然后开端腔体封装的开始规划，并在封装试出产线试验室中制作了两个批次的原型。为了取得不同的FFOV，咱们提出了两种不同的窗口规划。为了在1.0um -13.0um波长规模内，验证封装腔壁资料的“ T％= 0”条件，做了模塑树脂资料的红外透光值测验。封装结构是体系级封装，其间ASIC裸片与MEMS红外传感器并排放置，裸片间经过引线键合（WB）衔接，如下图所示。
运用前述的黑体辐射源，在距封装顶部22cm处，对上述两个体系封装进行表征试验。
试验后，在22cm处，没有调查到小光窗和一体式红外滤光封帽之间存在灵敏度丈量值差异，呼应时刻相同。挑选该间隔是为了使光束方向挨近传感器上外表红外的平面入射波。为了进行FOV表征试验，鉴于传感器感光区置于黑体前面的正常条件，将传感器设备在从-90°到+ 90°的旋转台上。
在大陶瓷封装中，红外传感器的FFOV视点为109°±2°，小于朗伯散布的理论值（理论上为120°），这可能是MEMS 的硅嵌入结构所造成的。 小光窗封装的FFOV视点为88°。选用相同的封装旋转办法，一体式红外滤光模塑封装的FFOV为100°。在最终一种状况中，因为模塑封装腔壁接近传感器感光区，调查到了不对称效应。
图9：带红外光窗封装（左图）和一体式红外滤光封装（右图），经过外表贴装技能（SMT）焊接在DIL 24测验板上
封装应力模仿
关于特定吸收功率，高热阻隔度保证冷热端之间的温差最大化, 这是从热电堆取得大输出电压的重要因素。运用MEMS封装能够挑选腔内气体，压力挑选规模100Bar至100mBar。气体导热性会影响温度传导速度，以及热电堆冷热端之间的温差，然后影响输出电压改变和传感器功率。
MEMS封装是经过晶圆片间的引线键合技能完成的。MEMS传感器体系首要是由一个选用外表微加工工艺制作的硅微结构构成，一般是将两个或多个晶圆片(裸片)堆叠放置，用玻璃资料化合物焊料将其焊接在硅基封装内。
在传感器上存在厚度约为150um的硅维护帽，其自身对入射传感器外表的辐射有天然的红外波长过滤功用。当然，硅维护帽的红外透射光谱使传感器光学功用在1-13um波长红外区域变差12，详细程度取决于硅特性。
传感器开发需求将MEMS硅封帽集成在传感器晶圆上。咱们模仿了由红外传感器、硅封帽、ASIC和封装构成的整个传感器体系。因为裸片堆叠设备在封装衬底上，传感器微结构与封装结构是一体的，因而，封装对传感器信号功用有影响。除了在作业过程中遭到的应力外，在制作过程中，特别是封装焊接到PCB上后的冷却工序，还会呈现临界状况。因为封装是由热膨胀系数（CTE）不同的资料制成，热梯度会引起翘曲现象，导致应力转移到传感器微结构，然后影响传感功用。
用SolidWorks Simulation软件建立了一个有限元3D模型，用于模仿在承载传感器微结构的硅衬底上呈现的翘曲。焊接后冷却模仿考虑了将封装焊接在参阅PCB上的状况。表3总结了热负荷和边界条件。图12是有限元模型。
表2列出了模仿所用资料的特性。
虽然知道模仿成果在很大程度上取决于资料模型和所用资料的特性，但考虑到封装模仿文献中的惯例做法，咱们仍是假定了剖析比较的意图、可用的资料数据以及所履行模仿的静态性质，资料的各向同性弹性。
|
|
(eq. 3) |
图10：封帽上有小光窗的封装与封帽全体是红外滤光片的封装的MEMS红外传感器灵敏度比照
为了削减核算时刻，咱们考虑创立一个简化模型。 可是，因为ASIC在封装内部的放置不对称，在封帽上有光窗，因而，需求模仿整个模型。关于封装上外表和下外表衬底层，等效机械功用核算办法如下14：
其间Eeff是有用杨氏模量，αeff 是有用热膨胀系数，分别是杨氏模量Ei, αi, Vi和CTE与构成资料的体积或面积百分比。图12是有限元模型，图13是传感器、ASIC和衬底上的翘曲模仿成果。承载传感器微结构的衬底的翘曲w界说为沿结构自身的位移z的最大值和最小值的差。
|
资料 |
E [GPa] |
α [ppm/°K] |
|
硅 |
131 |
2.8 |
|
阻焊层 |
6.2 @30°C 0.23 @260°C |
α1 = 60 α2 = 130 Tg = 114°C |
|
中心衬底 |
21.0 |
α1 = 19 α2 = 5 Tg = 230°C |
|
覆铜层 |
117.0 |
17.0 |
|
模压封帽资料 |
8.1@30°C |
α1 = 24 α2 = 42 Tg = 281°C |
|
粘片膜 |
1.7@30°C 0.04@260°C |
α1 = 80 α2 = 170 Tg = 128°C |
|
环氧树脂 封帽滤光片 |
7.5-8.5@30°C |
α1 = 40-60 (<Tg) α2 = 150-170 (>=Tg) |
| FR4 |
25.0 |
16.0 |
表2.资料特性
定论
本文介绍了一个红外传感器的封装规划，产品原型表征测验成果令人满意，丈量到的FFOV视点在80°到110°之间，详细数值取决于光窗尺度。为了下降闪光灯影响和环境噪声，封装顶部装有硅基红外滤光片，并做了表征试验。应力模仿未在资料界面上发现临界状况。封装可靠性已开始到达JEDEC L3的环境应力要求。
图11：红外传感器的红外小光窗封装、一体式红外滤光封装和大陶瓷封装的FOV表征试验成果
称谢
特别感谢Daniela Morin担任的ST微电子剖析试验室，感谢Alexandra Colombo和Luca Privileggi在体系级封装物理剖析和3D断层扫描方面供给的协助。感谢Angelo Recchia和Michele Vaiana在体系电气表征方面的供给的支撑。作者团队感谢ASE的Michael Chen、Chris YC Huang，ASE欧洲的Chen-Li、Sharon Liu和Christophe Zinck在第一批原型制作方面给予的协助。
图12：热机械模仿有限元模型。a,b) CAD模型，c,d)有无封帽的有限元模型。 图中没有焊后模仿用的PCB板。
|
焊后条件 217°Cà25°C |
 |
|
● Tref = 217°C (零应变) ● Tunif = 25°C |
表3.热机械FEA边界条件和载荷
参阅文献
[1] J. R. Mahan, “Radiation Heat Transfer: A Statistical Approach, Volume 1”, pp. 7-8, John Wiley & Sons Inc., 2002.
[2] Y. Houdas, E.F.J. Ring, “Human Body Temperature: Its Measurement and Regulation”, pp. 24-27, Springer, 1982.
[3] A. Rogalski, Infrared Detectors, 2nd Edition, CRC Press, Boca Raton, Florida – 2010.
[4] A. Rogalski, History of infrared detector, Opto-Electro Review, 20, n.3, Varsaw 2012.
[5] Eran Socher, Oflr Bochobza-Degani, Yael Nemirovsky, “Tmos-infrared uncooled sensor and focal plane array”, US20060244067A1, 2003.
[6] L. Gitelman, S. Stolyarova, S. Bar-Lev, Z. Gutman, Y. Ochana, and Yael Nemirovsky, “CMOS-SOI-MEMS Transistor for Uncooled IR Imaging”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 56, No. 9, September 2009.
[7] E. Moisello, M. Vaiana, M. Castagna, G. Bruno, E. Bonizzoni, P. Malcovati, “A Chopper Interface Circuit for Thermopile-based Thermal Sensors”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) , 2019.
[8] Jane Hodgkinson et al., “Non-Dispersive Infrared (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2um in a compact and optically efficient Sensor”, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 186, Pages 580–588, Sep. 2013.
[9] A. Graf et al. “System Design and Analysis Concept of a Highly Adaptable NDIR Sensor for Gas Analysis”, 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, June 10-14, 2007 (2007).
[10] M. Ebermann1 et al. “A Fast MEMS Infrared Micro-spectrometer for the Measurement of Hydrocarbon Gases”, Transducers 2015, Anchorage, Alaska, USA, June 21-25 (2015).
[11] online doc http://www.laseroptronic.it/doc/SR-800R.pdf.
[12] M. Geddo, B. Pivac, A. Sassella, A. Stella, A. Borghesi, A. Maierna, “Infrared Determination of Interstitial Oxygen behavior during epitaxial silicon growth on Czochralski Substrates”, J. Appl. Physics, 72, (9), American Institute of Physics, Nov 1992.
[13] S. Fischer, J. Wilde, E. Deier, E. Zukowski, “Influence of materials data on the performance modelling in the design of MEMS packages” In: 9th International Symposium on Advanced Packaging Materials: Processes, Properties and Interfaces. 2004 Proceedings. IEEE, 2004. p. 57-62.
[14] X. Zhang, T. Y. Tee, J. Luan, “Comprehensive warpage analysis of stacked die MEMS package in accelerometer application”, In: Electronic Packaging Technology, 2005 6th International Conference on. IEEE, 2005. p. 1-6.
[15] S. Wei, J. Tang, J.Song, “FEM study on the effects of flip chip packaging” 2009 International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging”, In: 2009 International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging. IEEE, 2009. p. 403-406.
[16] M. Li, J. Song, Q.A. Huang, F.X Chen, J.Y. Tang, “The thermomechanical coupling effect in multi-layered microelectronic packaging structures”, In: 2006 8th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings. IEEE, 2006. p. 2135-2137.
[17] M. Lishchynska, C. O'Mahony, O. Slattery, O. Wittler, H Walter, “evaluation of packaging effect on MEMS performance: simulation and experimental study”, IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2007, 30.4: 629-635.
