每個物體都會產生熱輻射，輻射強度與其本身溫度有關。根據斯蒂凡-波爾茲曼定律，物體的溫度與輻射能量之間的關係是固定的，隨著溫度升高，輻射峰值的波長開始變短：300K(室溫)光線的輻射峰值是10μm波長，而太陽光(6000K)的輻射峰值是500nm波長，屬於可見光頻域。在吸收入射紅外線輻射後，光熱探測器利用熱電機制將電磁波能轉換為電訊號，例如，熱電電壓、塞貝克熱電效應、電阻或熱釋電電壓。
現代半導體技術，尤其是微機電系統(MEMS)製造技術，可以生產出非常高效的非製冷紅外線探測器，因為可以實現熱隔離，所以感測器的靈敏度非常高，而且體積小，回應時間非常快，再者，半導體的規模生產方式可降低MEMS感測器的價格。為了提升感測器系統的效率，必須為MEMS感測器搭配性能相似的封裝及光學單元。
感測器的某些物理元件，例如封裝外殼和使紅外線輻射到達感測器的光窗，具備保護周邊電路和互連線的作用。在某些情況下，濾光窗可以改善感測器的回應光譜，避免可見光輻射影響感測器性能。濾光窗材質通常是矽基干涉濾光片。這種光學介面位於封裝上表面，與連接感測器、PCB電路板的引線所在表面相對。
本文介紹在有濾光功能的封裝中整合紅外線感測器和ASIC晶片的系統級封裝(SiP)，重點探討封裝的相關特性，包括材料特性、光學性能和系統整體靈敏度。這是一個整合紅外線濾光窗的腔體柵格陣列(LGA)封裝概念，已經設計、生產出產品原型，並做了表面測試。感測器視野範圍從80°到110°，具體範圍取決於光窗的幾何尺寸。最後，文中則研究了封裝對感測器靈敏度的影響。
紅外線感測器
創新封裝設計用於基於微加工熱電堆的MEMS紅外線感測器，能夠封裝不同類型的紅外線感測器。當感測器的感光面積不同時，只要重新計算封裝的幾何尺寸即可，無需修改封裝設計和材料。
熱電堆是由N個熱電偶串聯組成，感測器的輸出電壓是單個熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質導體的兩端互連在一起構成的溫感元件，這兩個連接端被稱為熱端和冷端。根據塞貝克熱電效應，當冷熱端的溫度不同時，兩條導體之間將會產生電壓差ΔV。下方是該電壓差的公式：
V＝NαT
其中∆T是熱端和冷端之間的溫差，塞貝克係數α的大小與導體材料有關。
在微加工熱電堆中，熱電偶支腳嵌入電介質膜中：熱端位於懸浮薄膜內，而冷端則在矽襯底懸浮薄膜內，這樣設計是為了優化冷熱端之間的溫差，最大限度地提升輸出電壓。輸出電壓通常在幾百微伏範圍內，最多幾毫伏：因此，需要適當地放大輸出訊號，以便後端電路能夠正確地處理訊號。
本文提出的微型微機械熱電堆感測器是由p/n多晶矽熱電偶串聯而成。中央鋁板塗覆介電材料，用作輻射吸收膜，感測器感光面積為600μm×600μm。圖1是感測器配置示意圖，在實物封裝上還有一個區域用於整合測試用感測器，在表面測試過程中測量感測器參數。為了減小晶片尺寸，優化光學視窗位置，進階版本將會去除測試用感測器。
MEMS紅外線感測器通常與一個專用積體電路(ASIC)電連線，用於控制感測器並放大輸出訊號，因此，廠商如意法半導體(ST)評測了一個系統級封裝的紅外線感測器。為了確保入射紅外線輻射到達感測器感光面積，避免可見光閃光燈引起的輻射雜訊，針對選定的應用，在系統級封裝上整合一個λ>5.5µm的紅外線波長可選長通濾光片(圖2)。
在存在檢測感測器系統要求的波長範圍內，紅外線長通濾光片引起的總耗損被控制在大約20%以內，對於一些主要用途，例如在一個裝置PCB板上安裝存在檢測感測器或紅外線測溫感測器，這個量級的能量損耗被認為是很有限的。對於未來的其它潛在應用，所討論的干涉濾光片將換成透射光譜不同的濾光片。本文所討論的封裝採用一個通常兩面整合干擾層的矽基濾光片，也可以選擇安裝不同類型的濾光片，以適應不同的應用需求，例如NDIR光譜儀。
該紅外線感測器封裝的設計和開發採用常見的並列配置，感測器和ASIC在封裝內是並排放置(圖3、4)。在封裝上表面整合一個光學視窗，用於選擇紅外線輻射的波長成分，這種光窗解決方案可以防止環境光輻射到達探測器感光區，而降低總系統雜訊。構成封裝上表面和腔壁的聚合物可以視為對可見光-紅外線輻射完全不透明，可歸類為LCP材料(液晶高分子聚合物)。不同的應用可以安裝不同的濾光片，例如NDIR光譜儀。如圖3所示，結構元件包括兩個裸片和鍵合引線，感測器和訊號處理電路互連，然後再連接到封裝襯底上。
實驗裝置和測量
對MEMS紅外線感測器光電特性進行表面實驗，被測目標物體是一個-20°C至160°C的校準黑體輻射源。所用的黑體輻射源是CI Systems公司的SR-800R 4D/A，其面積是4×4平方英寸，輻射率為0.99。在表面實驗過程中，感測器放置在距黑體表面5.0cm處，以便完全覆蓋感測器視野範圍(圖5)。
使用和不用濾光片各採集資料一次，觀測到訊號雜訊比分別為1.6和2.36(圖6)。在使用濾光片時，採樣訊號雜訊比降低，這是濾光片的光衰減所致，並且完全符合圖2的頻譜。
系統輸出是數位訊號，在紅外線輻射下，最低有效位元(lsb)的數位變化代表系統輸出變化。在封裝幾何尺寸確定並確保黑體完全覆蓋光窗視野的條件下，被測感測器的總靈敏度約為2000lsb/°C，在150lsb發現雜訊。紅外線長通濾光片可以選擇，主要是為了搭配預期的檢測選擇性和光窗前可探測物體的性質和尺寸。
如圖7所示，在MEMS紅外線感測器上面放置M1和M2兩層金屬紅外線濾光膜，用於過濾封裝表面上的入射輻射。在3D圖像中還能看到感測器和ASIC互連的引線鍵合結構和封裝襯底金屬走線。
視野角度計算
通常給予光學系統定義一個視野(FOV)參數，用於評估感測系統能夠檢測的幾何空間大小(圖8)。任何光學設備都可以定義為FOV＝±θ的半視野(HFOV)或FOV ＝θ的全視野(FFOV)。本文採用FOV＝ ±θ的半視野定義。在幾何空間評測中，假設矽折射率n＝3.44；空氣和真空折射率n＝1。下圖所示是所討論封裝的截面結構的FOV計算方式。
在計算視野角度時，需要考慮光線穿過視窗時發生的折射(或彎曲)情況。
運用三角學的基本關係，可以發現：
WO＝WA+2(Wt1+Wh1)
(eq. 1)
其中WO是封裝光窗的寬度，WA是感測器感光區的寬度，Wt1+Wh1是空氣和矽中的光路寬度，計算方法見下面的等式組：
Wt1＝t1⋅tgθS;
(eq. 2a)
Wh1 ＝ h1⋅tgθA;
(eq. 2b)
其中，t1和h1是封裝和器件本身的幾何垂直參數，θA和θS分別是紅外線線在空氣和矽中的傳播角度。根據斯涅爾定律，下面的等式給出了兩個角度的關係：
n1.sin (θ1)＝n2.sin (θ2) (eq. 3)
n1和n2表示每種材料的折射率，θ1和θ2是光線在每種材料中傳播與表面法線形成的夾角(逆時針方向)，並假設矽的折射率n＝3.44，空氣/真空的折射率n＝1。基於上述幾何假設，預期視野角度FFOV ＝80°-82°。然後開始腔體封裝的初步設計，並在封裝試生產線實驗室中製造了兩個批次的原型。為了獲得不同的FFOV，我們提出了兩種不同的視窗設計。為了在1.0μm~13.0μm波長範圍內，驗證封裝腔壁材料的T%＝0條件，做了模塑樹脂材料的紅外線透光值測試。封裝結構是系統級封裝，其中ASIC裸片與MEMS紅外線感測器並排放置，裸片間透過引線鍵合(WB)連接(圖9)。
使用前述的黑體輻射源，在距封裝頂部22cm處，對上述兩個系統封裝進行表面實驗(圖10)。
實驗後，在22cm處，沒有觀察到小光窗和一體式紅外線濾光封帽之間存在靈敏度測量值差異，回應時間相同。選擇該距離是為了使光束方向接近感測器上表面紅外線的平面入射波。為了進行FOV表面實驗(圖11)，鑒於感測器感光區置於黑體前面的正常條件，將感測器安裝在從-90°到+90°的旋轉台上。
在大陶瓷封裝中，紅外線感測器的FFOV角度為109°±2°，小於朗伯分布的理論值(理論上為120°)，這可能是MEMS 的矽嵌入結構所致。小光窗封裝的FFOV角度為88°。採用相同的封裝旋轉方法，一體式紅外線濾光模塑封裝的FFOV為100°。在最後一種情況中，由於模塑封裝腔壁靠近感測器感光區，觀察到了不對稱效應。
封裝應力模擬
對於特定吸收功率，高熱隔離度確保冷熱端之間的溫差最大化，這是從熱電堆獲得大輸出電壓的重要因素。使用MEMS封裝可以選擇腔內氣體，壓力選擇範圍100Bar至100mBar。氣體導熱性會影響溫度傳導速度，以及熱電堆冷熱端之間的溫差，進而影響輸出電壓變化和感測器效率。
MEMS封裝是透過晶圓片間的引線鍵合技術實現的。MEMS感測器系統主要是由一個採用表面微加工製成的矽微結構構成，通常是將兩個或多個晶圓片(裸片)堆疊放置，用玻璃材料化合物焊料將其焊接在矽基封裝內。在感測器上存在厚度約為150μm的矽保護帽，其本身對入射感測器表面的輻射有自然的紅外線波長過濾功能。矽保護帽的紅外線透射光譜使感測器光學性能在1-13μm波長紅外線區域變差，具體程度取決於矽特性。
感測器開發需要將MEMS矽封帽整合在感測器晶圓上，模擬了由紅外線感測器、矽封帽、ASIC和封裝構成的整個感測器系統。因為裸片堆疊安裝在封裝襯底上，感測器微結構與封裝結構是一體的，因此，封裝對感測器訊號性能有影響。除了在工作過程中受到的應力外，在製造過程中，特別是封裝焊接到PCB上後的冷卻程序，還會出現臨界情況。由於封裝是由熱膨脹係數(CTE)不同的材料製成，熱梯度會引起翹曲現象，導致應力轉移到感測器微結構，而影響感測性能。
用SolidWorks Simulation軟體建立了一個有限元3D模型，用於類比在承載感測器微結構的矽襯底上出現的翹曲。焊接後冷卻模擬考慮了將封裝焊接在參考PCB上的情況。表1總結了熱負荷和邊界條件。
圖12是有限元模型。
表2列出了模擬所用材料的特性。儘管知道類比結果在很大程度上取決於材料模型和所用材料的特性，但考慮到封裝模擬文獻中的常規做法，還是假定了分析比較的目的、可用的材料資料以及所執行類比的靜態性質，材料的各向同性彈性。
為了減少計算時間，原先考慮創建一個簡化模型。但是，由於ASIC在封裝內部的放置不對稱，在封帽上有光窗，因此，需要類比整個模型。對於封裝上表面和下表面襯底層，等效機械性能計算方式如下：
(eq. 3)
其中Eeff是有效楊氏模量，αeff是有效熱膨脹係數，分別是楊氏模量Ei、αi、 Vi和CTE與構成材料的體積或面積百分比。圖12是有限元模型，圖13是感測器、ASIC和襯底上的翹曲模擬結果。承載感測器微結構的襯底的翹曲w定義為沿框架本身的位移z的最大值和最小值的差異。
紅外線感測封裝具高度環境應力
本文介紹了一個紅外線感測器的封裝設計，產品原型表面測試結果令人滿意，測量到的FFOV角度在80°到110°之間，具體數值取決於光窗尺寸。為了降低閃光燈影響和環境雜訊，封裝頂部裝有矽基紅外線濾光片，並做了表面實驗。應力類比未在材料介面上發現臨界情況。封裝可靠性已初步達到JEDEC L3的環境應力要求。
(本文作者皆任職於意法半導體)
