集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

摘要

传感器半导体技术的开发成果日益成为提高传感器集成度的一个典型途径,在很多情况下,为特殊用途的MEMS(微机电系统)类传感器提高集成度的奠定了坚实的基础。

本文介绍一个MEMS光热传感器的封装结构以及系统级封装(SIP)的组装细节,涉及一个基于半导体技术的红外传感器结构。传感器封装以及其与传感器芯片的物理交互作用,是影响系统整体性能的主要因素之一,本文将重点介绍这些物理要素。

本文探讨的封装结构是一个腔体栅格阵列(LGA)。所涉及材料的结构特性和物理特性必须与传感器的光学信号处理和内置专用集成电路(ASIC)控制器的电信号处理性能匹配。

从概念和设计角度看,专用有机衬底设计、模塑腔体结构和硅基红外滤光窗是所述光学传感器系统的主要特性。本文最后给出了传感器性能和光电表征测试报告,包括红外光窗尺寸不同的两种封装的FFOV(全视野)测试结果。

集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

图1:红外传感器主体及热电堆红外传感器感光面积和测试用传感器集成区

引言

如今,光热探测器被广泛用于体感检测、温度测量、人数统计和烟火探测等各种功能,覆盖建筑、安全、家电、工业和消费等多个市场。

光热探测器市场未来有五大增长点:便携式点测温、体感检测、智能建筑、暖通空调(HVAC)及其它媒介测温、人数统计。

每个物体都会产生热辐射,辐射强度与其本身温度有关。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,物体的温度与辐射能量之间的关系是固定的,随着温度升高,辐射峰值的波长开始变短: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,属于可见光频域。

在吸收入射红外辐射后,光热探测器利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)。

现代半导体技术,尤其是MEMS制造技术,可以生产出非常高效的非制冷红外探测器,因为可以实现热隔离,所以传感器的灵敏度非常高,而且体积小,响应时间非常快,并且,半导体的规模生产方式5, 6可降低MEMS传感器的价格。为了提高传感器系统的效率,必须给MEMS传感器匹配性能相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到达传感器的光窗,还起到保护周边电路和互连线的作用。在某些情况下,滤光窗可以改善传感器的响应光谱,避免可见光辐射影响传感器性能。滤光窗材质通常是硅基干涉滤光片。

这种光学接口的物理位置位于封装上表面,与连接传感器与PCB电路板的引线所在表面相对。

本文介绍一个在有滤光功能的封装中集成红外传感器和ASIC芯片的系统级封装(SIP),重点探讨封装的相关特性,包括材料特性、光学性能和系统整体灵敏度。这是一个集成红外滤光窗的腔体栅格阵列(LGA)封装概念,我们已经设计、生产出产品原型,并做了表征测试。传感器视野范围从80°到110°,具体范围取决于光窗的几何尺寸。最后,我们还研究了封装对传感器灵敏度的影响。

集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

图2:封装上表面集成的长通红外滤光片的透射光谱

红外传感器

该创新封装设计用于基于微加工热电堆的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同时,只要重新计算封装的几何尺寸即可,无需修改封装设计和材料。

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材质导体的两端互连在一起构成的温感元件,这两个连接端被称为热端和冷端。根据塞贝克热电效应3,当冷热端的温度不同时,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)

其中∆T是热端和冷端之间的温差,塞贝克系数a的大小与导体材料有关。

在微加工热电堆中,热电偶支脚嵌入电介质膜中:热端位于悬浮薄膜内,而冷端则在硅衬底悬浮薄膜内,这样设计是为了优化冷热端之间的温差,最大限度地提高输出电压。输出电压通常在几百微伏范围内,最多几毫伏:因此,需要适当的放大输出信号,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。中央铝板涂覆介电材料,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。在实物封装上还有一个区域用于集成测试用传感器,在表征测试过程中测量传感器参数。为了减小芯片尺寸,优化光学窗口位置,高级版本将会去除测试用传感器。

MEMS红外传感器通常与一个专用集成电路(ASIC)电连接,用于控制传感器并放大输出信号,因此,我们评测了一个系统级封装的红外传感器。为了确保入射红外辐射到达传感器感光面积,避免可见光闪光灯引起的辐射噪声,针对选定的应用,我们在系统级封装上集成一个l> 5.5µm的红外波长可选长通滤光片。

在存在检测传感器系统要求的波长范围内,红外长通滤光片引起的总损耗被控制在大约20%以内,对于一些主要用途,例如,在一个设备PCB板上安装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。对于未来的其它潜在应用,所讨论的干涉滤光片将换成透射光谱不同的滤光片。

本文所讨论的封装采用一个通常两面集成干扰层的硅基滤光片,也可以选择安装不同类型的滤光片,以适应不同的应用需求,例如,NDIR光谱仪。

该红外传感器封装的设计和开发采用常见的并列布局,传感器和ASIC在封装内是并排放置(图3)。

在封装上表面集成一个光学窗口,用于选择红外辐射的波长成分,这种光窗解决方案可以防止环境光辐射到达探测器感光区,从而降低总系统噪声。构成封装上表面和腔壁的聚合物可以视为对可见光-红外辐射完全不透明,可归类为LCP材料(液晶高分子聚合物)。不同的应用可以安装不同的滤光片,例如,NDIR光谱仪。如图3所示,结构元件包括两个裸片和键合引线,传感器和信号处理电路互连,然后在连接到封装衬底上。

集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

图3:MEMS红外传感器和ASIC的封装布局

集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装

图4:“小红外光窗”封装和“一体式红外滤光封帽”封装的渲染图

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