MEMS紅外傳感器通常與一個專用集成電路(ASIC)電dian連lian接jie，用yong於yu控kong製zhi傳chuan感gan器qi並bing放fang大da輸shu出chu信xin號hao，因yin此ci

，我wo們men評ping測ce了le一yi個ge係xi統tong級ji封feng裝zhuang的de紅hong外wai傳chuan感gan器qi。為wei了le確que保bao入ru射she紅hong外wai輻fu射she到dao達da傳chuan感gan器qi感gan光guang麵mian積ji，避bi免mian可ke見jian光guang閃shan光guang燈deng引yin起qi的de輻fu射she噪zao聲sheng，針zhen對dui選xuan定ding的de應ying用yong，我wo們men在zai係xi統tong級ji封feng裝zhuang上shang集ji成cheng一yi個ge> 5.5µm的紅外波長可選長通濾光片。

 

在存在檢測傳感器係統要求的波長範圍內，紅外長通濾光片引起的總損耗被控製在大約20％以內，對於一些主要用途，例如，在一個設備PCB板ban上shang安an裝zhuang存cun在zai檢jian測ce傳chuan感gan器qi或huo紅hong外wai測ce溫wen傳chuan感gan器qi，這zhe個ge量liang級ji的de能neng量liang損sun耗hao被bei認ren為wei是shi很hen有you限xian的de。對dui於yu未wei來lai的de其qi它ta潛qian在zai應ying用yong，所suo討tao論lun的de幹gan涉she濾lv光guang片pian將jiang換huan成cheng透tou射she光guang譜pu不bu同tong的de濾lv光guang片pian。

 

 

圖2：封裝上表麵集成的長通紅外濾光片的透射光譜

 

本文所討論的封裝采用一個通常兩麵集成幹擾層的矽基濾光片，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。

 

 

圖3：MEMS紅外傳感器和ASIC的封裝布局

 

該紅外傳感器封裝的設計和開發采用常見的並列布局
，傳感器和ASIC在封裝內是並排放置（圖3）。

 

在(zai)封(feng)裝(zhuang)上(shang)表(biao)麵(mian)集(ji)成(cheng)一(yi)個(ge)光(guang)學(xue)窗(chuang)口(kou)，用(yong)於(yu)選(xuan)擇(ze)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)的(de)波(bo)長(chang)成(cheng)分(fen)
，這(zhe)種(zhong)光(guang)窗(chuang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)環(huan)境(jing)光(guang)輻(fu)射(she)到(dao)達(da)探(tan)測(ce)器(qi)感(gan)光(guang)區(qu)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)總(zong)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)。構(gou)成(cheng)封(feng)裝(zhuang)上(shang)表(biao)麵(mian)和(he)腔(qiang)壁(bi)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)可(ke)以(yi)視(shi)為(wei)對(dui)可(ke)見(jian)光(guang)-紅外輻射完全不透明
，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

，傳感器和信號處理電路互連
，然後在連接到封裝襯底上。

 

 

圖4：“小紅外光窗”封裝和“一體式紅外濾光封帽”封裝的渲染圖

 

實驗裝置和測量

 

對MEMS紅外傳感器光電特性進行表征實驗
，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，其麵積是4 x 4平方英寸，輻射率為0.99。在表征實驗過程中，傳感器放置在距黑體表麵5.0 cm處，以便完全覆蓋傳感器視野範圍。

 

 

圖5：實驗裝置

 

使用和不用濾光片各采集數據一次
，觀測到信噪比分別為1.6和2.36。在使用濾光片時，采樣信噪比降低
，這是濾光片的光衰減所致，並且完全符合圖2的頻譜。

 

 

圖6：帶和不帶紅外濾光片的陶瓷封裝傳感器靈敏度表征。

 

係統輸出是數字信號，在紅外輻射下，最低有效位(lsb)的數字變化代表係統輸出變化。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，被測傳感器的總靈敏度約為2000lsb/°C，在150lsb發現噪聲。紅外長通濾光片可以選擇，主要是為了匹配預期的檢測選擇性和光窗前可探測物體的性質和尺寸。

 

 

圖7：有紅外矽基濾光片的封裝的3D-X射線斷層掃描圖像，其中濾光片有M1和M2兩層金屬反射膜

 

如圖7所示，在MEMS紅外傳感器上麵放置M1和M2兩層金屬紅外濾光膜，用於過濾封裝表麵上的入射輻射。在3D圖像中還能看到傳感器和ASIC互連的引線鍵合結構和封裝襯底金屬走線。

 

視野(FOV)角度計算

 

我們通常給光學係統定義一個視野(FOV)參數，用於評估感測係統能夠檢測的幾何空間大小。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)。本文采用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麵結構的FOV計算方法。

 

 

圖8：FOV計算原理截麵圖

 

在計算視野角度時

，需要考慮光線穿過窗口時發生的折射（或彎曲）情況。

 

運用三角學的基本關係，我們發現：

 

WO = WA + 2 (Wt1+Wh1)(eq. 1)

 

其中WO是封裝光窗的寬度，WA是傳感器感光區的寬度，Wt1+Wh1是空氣和矽中的光路寬度，計算方法見下麵的等式組：

 

Wt1 = t1tgS; (eq. 2a)

 

Wh1 = h1tgA;(eq. 2b) 

 

其中
，t1和h1是封裝和器件本身的幾何垂直參數，A 和 S分別是紅外線在空氣和矽中的傳播角度。 根據斯涅爾定律，下麵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麵法線形成的夾角（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窗口設計。為了在1.0um -13.0um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透光值測試。封裝結構是係統級封裝，其中ASIC裸片與MEMS紅外傳感器並排放置，裸片間通過引線鍵合（WB）連接，如下圖所示。

 

 

圖9：帶紅外光窗封裝（左圖）和一體式紅外濾光封裝（右圖），通過表麵貼裝技術（SMT）焊接在DIL 24測試板上

 

使用前述的黑體輻射源，在距封裝頂部22cm處，對上述兩個係統封裝進行表征實驗。

 

 

圖10：封帽上有小光窗的封裝與封帽整體是紅外濾光片的封裝的MEMS紅外傳感器靈敏度對比

 

 

實驗後，在22cmchu，meiyouguanchadaoxiaoguangchuangheyitishihongwailvguangfengmaozhijiancunzailingminduceliangzhichayi，xiangyingshijianxiangtong。xuanzegaijulishiweileshiguangshufangxiangjiejinchuanganqishangbiaomianhongwaidepingmianrushebo。weilejinxingFOV表征實驗，鑒於傳感器感光區置於黑體前麵的正常條件

，將傳感器安裝在從-90°到+ 90°的旋轉台上。

 

 

圖11：紅外傳感器的紅外小光窗封裝、一體式紅外濾光封裝和大陶瓷封裝的FOV表征實驗結果

 

在大陶瓷封裝中，紅外傳感器的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°。采用相同的封裝旋轉方法，一體式紅外濾光模塑封裝的FFOV為100°。在最後一種情況中，由於模塑封裝腔壁靠近傳感器感光區，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傳感器效率。

 

MEMS封裝是通過晶圓片間的引線鍵合技術實現的。MEMS傳感器係統主要是由一個采用表麵微加工工藝製造的矽微結構構成
，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。

 

在傳感器上存在厚度約為150um的矽保護帽，其本身對入射傳感器表麵的輻射有自然的紅外波長過濾功能。當然
，矽保護帽的紅外透射光譜使傳感器光學性能在1-13um波長紅外區域變差12
，具體程度取決於矽特性。

 

傳感器開發需要將MEMS矽封帽集成在傳感器晶圓上。我們模擬了由紅外傳感器、矽封帽、ASIC和he封feng裝zhuang構gou成cheng的de整zheng個ge傳chuan感gan器qi係xi統tong。因yin為wei裸luo片pian堆dui疊die安an裝zhuang在zai封feng裝zhuang襯chen底di上shang，傳chuan感gan器qi微wei結jie構gou與yu封feng裝zhuang結jie構gou是shi一yi體ti的de
，因yin此ci
，封feng裝zhuang對dui傳chuan感gan器qi信xin號hao性xing能neng有you影ying響xiang。除chu了le在zai工gong作zuo過guo程cheng中zhong受shou到dao的de應ying力li外wai
，在zai製zhi造zao過guo程cheng中zhong，特te別bie是shi封feng裝zhuang焊han接jie到daoPCB上後的冷卻工序，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，導致應力轉移到傳感器微結構，從而影響傳感性能。

 

用SolidWorks Simulation軟件建立了一個有限元3D模型，用於模擬在承載傳感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3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。

 

盡jin管guan知zhi道dao模mo擬ni結jie果guo在zai很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu材cai料liao模mo型xing和he所suo用yong材cai料liao的de特te性xing，但dan考kao慮lv到dao封feng裝zhuang模mo擬ni文wen獻xian中zhong的de常chang規gui做zuo法fa，我wo們men還hai是shi假jia定ding了le分fen析xi比bi較jiao的de目mu的de、可用的材料數據以及所執行模擬的靜態性質，材料的各向同性彈性。

 

為了減少計算時間，我們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，需要模擬整個模型。對於封裝上表麵和下表麵襯底層，等效機械性能計算方法如下14：

 

 

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麵積百分比。圖12是有限元模型，圖13是傳感器
、ASIC和襯底上的翹曲模擬結果。承載傳感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。

 

表2.材料特性

 

 

 

圖12：熱機械模擬有限元模型。a,b) CAD模型，c,d)有無封帽的有限元模型。 圖中沒有焊後模擬用的PCB板。

 

表3.熱機械FEA邊界條件和載荷

 

 

圖13：封裝襯底
、ASIC和MEMS（頂部無晶圓）翹曲（w）。

 

 

結論

 

本文介紹了一個紅外傳感器的封裝設計
，產品原型表征測試結果令人滿意
，測量到的FFOV角度在80°到110°之(zhi)間(jian)，具(ju)體(ti)數(shu)值(zhi)取(qu)決(jue)於(yu)光(guang)窗(chuang)尺(chi)寸(cun)。為(wei)了(le)降(jiang)低(di)閃(shan)光(guang)燈(deng)影(ying)響(xiang)和(he)環(huan)境(jing)噪(zao)聲(sheng)，封(feng)裝(zhuang)頂(ding)部(bu)裝(zhuang)有(you)矽(gui)基(ji)紅(hong)外(wai)濾(lv)光(guang)片(pian)
，並(bing)做(zuo)了(le)表(biao)征(zheng)實(shi)驗(yan)。應(ying)力(li)模(mo)擬(ni)未(wei)在(zai)材(cai)料(liao)界(jie)麵(mian)上(shang)發(fa)現(xian)臨(lin)界(jie)情(qing)況(kuang)。封(feng)裝(zhuang)可(ke)靠(kao)性(xing)已(yi)初(chu)步(bu)達(da)到(dao)JEDEC L3的環境應力要求。