太赫兹焦平面探测器的封装结构及其制作方法与流程

本发明特别涉及一种太赫兹焦平面探测器的封装结构及其制作方法，属于微纳制造技术领域。

背景技术：

太赫兹波(terahertzwave)是人类尚未大规模应用的一段电磁频谱资源，其波长从30μm～3mm、频率范围在0.1～10thz之间，也称为亚毫米波和远红外波。

太赫兹波由于具有高透射性、低能量性、指纹特性、高带宽性、瞬态性、相干性、高分辨率性。可用于人体安检、医学成像、无损检测等领域。

为面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求，研发人员提供了一种高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器，该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和cmos读出电路通过倒装互连实现；然而，由于cmos放大电路芯片与焦平面芯片之间的间距很小，以及cmos放大电路芯片上的金属对入射太赫兹波的屏蔽作用，导致焦平面探测器芯片的灵敏度降低至原本的数十倍。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种太赫兹焦平面探测器的封装结构及其制作方法，进而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例一种太赫兹焦平面成像传感器的封装结构，包括太赫兹焦平面探测芯片和cmos放大电路芯片；以及，该封装结构还包括设置于太赫兹焦平面探测芯片和cmos放大电路芯片之间的绝缘基材，所述绝缘基材内分布有多个导电通道，所述导电通道沿厚度方向贯穿绝缘基材，并将所述太赫兹焦平面探测芯片与cmos放大电路芯片电连接。

进一步的，所述导电通道的两端还设置有第一凸点下金属凸点下金属层、第二凸点下金属凸点下金属层，所述第一凸点下金属凸点下金属层、第二凸点下金属凸点下金属层分别分布在所述绝缘基材第一表面、第二表面，所述第一表面与第二表面相背对设置，所述第一凸点下金属凸点下金属层经第一焊接金属与太赫兹焦平面探测芯片电连接，所述第二凸点下金属层经第二焊接金属与cmos放大电路芯片电连接。

优选的，所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层的厚度为350-500nm。

更进一步的，所述绝缘基材内设置有多个通孔，所述通孔沿厚度方向贯穿所述绝缘基材，所述通孔内填充有导电材料而形成所述导电通道。

优选的，所述通孔的直径为70-100μm。

优选的，所述导电材料包括金属铜等导电金属材料。

更进一步的，所述绝缘基材为陶瓷板或陶瓷片，所述陶瓷板或陶瓷片的材质包括氮化铝或氧化铝。

优选的，所述绝缘基材的热膨胀系数介于太赫兹焦平面探测芯片的热膨胀系数和cmos放大电路芯片的热膨胀系数之间。

优选的，所述绝缘基材的热膨胀系数为4.3x10^-6/℃，所述述焦平面芯片的热膨胀系数为5.8x10^-6/℃，所述cmos放大电路芯片的热膨胀系数为2.5x10^-6/℃。

优选的，所述太赫兹焦平面探测芯片是倒装设置的。

更进一步的，所述绝缘基材的第一表面、第二表面还均设置有绝缘层，所述绝缘层上设置有窗口，所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层从所述窗口中露出。

优选的，所述绝缘层的材质包括siox或si3n4。

优选的，所述绝缘层的厚度为200-300nm。

在一些较为具体的实施方案中，所述绝缘基材第一表面、第二表面的绝缘层上还设置有金属栅格层，所述金属栅格层包括复数个栅格结构，所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层从所述栅格结构的非金属区域露出。

优选的，所述栅格结构的金属区域环绕所述非金属区域设置，所述栅格结构金属区域的边长为8-12μm，非金属区域的边长为4-12μm。

优选的，所述金属栅格层的材质包括镍、金等金属。

优选的，所述金属栅格层的厚度为100-200nm。

在一些较为具体的实施方案中，所述第一焊接金属包括由铟在绝缘基材第一表面高温回流形成的焊球。

在一些较为具体的实施方案中，所述第二焊接金属包括由铟或金在绝缘基材第二表面蒸镀形成的焊盘。

进一步的，所述绝缘基材与所述焦平面芯片、cmos放大电路芯片之间还填充有底部填充胶，底部填充胶的材质包括环氧树脂等。

本发明实施例还提供了所述太赫兹焦平面探测器封装结构的制作方法，其包括：

在绝缘基材上制作多个沿厚度方向贯穿绝缘基材的通孔，并在通孔中填充导电材料以形成导电通道，且使所述导电通道的两端分别与绝缘基材的第一表面、第二表面平齐，其中，所述第一表面与第二表面相背对设置；

分别在所述绝缘基材的第一表面、第二表面制作与所述导电通道两端配合的第一凸点下金属层、第二凸点下金属层；

分别在所述绝缘基材的第一表面、第二表面设置绝缘层，并在所述绝缘层上加工出窗口，从而使所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层露出；

分别在所述绝缘基材的第一表面、第二表面的绝缘层上设置金属栅格层，所述金属栅格层包括复数个栅格结构，所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层从所述栅格结构的非金属区域露出；

在所述绝缘基材的第一表面、第二表面设置分别与所述第一凸点下金属层、第二凸点下金属层配合的第一焊接金属、第二焊接金属；

分别通过第一焊接金属、第二焊接金属将所述绝缘基材与太赫兹焦平面探测芯片、cmos放大电路芯片焊接结合。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：

至少采用电镀方式在形成于绝缘基材中的通孔内填充导电材料，从而形成所述导电通道；

对所述绝缘基材的第一表面、第二表面进行抛光处理，从而去除分布在绝缘基材的第一表面、第二表面的多余导电材料，并使所述导电通道的两端分别与绝缘基材的第一表面、第二表面平齐。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：采用倒装焊方式将所述绝缘基材与太赫兹焦平面探测芯片和cmos放大电路芯片焊接结合；以及

在所述tcv芯片与所述焦平面芯片、cmos放大电路芯片之间注入底部填充胶。

与现有技术相比，本发明实施例中提供的太赫兹焦平面探测器的封装结构中，tcv芯片增大了焦平面芯片与cmos放大电路芯片的间距，以及在tcv芯片上制作金属栅格结构，减少了太赫兹波的反射，消除干涉，进而提高太赫兹焦平面探测器灵敏度；以及，本发明实施例中的tcv芯片分别与焦平面芯片、cmos放大电路芯片倒装互联实现3d封装，有利于实现焦平面探测器的小型化、提高焦平面探测器的稳定性；以及，

本发明实施例中提供的太赫兹焦平面探测器的封装结构，采用氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷作为基板材料制作tcv芯片，氮化铝陶瓷具有良好匹配的热膨胀系数和高阻，对太赫兹波损耗小。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中制作形成通孔后的绝缘基材的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中在通孔内填充金属铜后的绝缘基材的结构示意图；

图3是本发明一典型实施案例中除去绝缘基材正面、背面多余金属铜后的绝缘基材的结构示意图；

图4是本发明一典型实施案例中制作形成ubm层后的结构示意图；

图5是本发明一典型实施案例中制作形成绝缘层后的结构示意图；

图6是本发明一典型实施案例中制作形成金属栅格层后的结构示意图；

图7是本发明一典型实施案例中制作形成焊接金属后的结构示意图；

图8是本发明一典型实施案例中一种太赫兹焦平面探测器的封装结构的结构示意图；

图9是探测器光电流与硅片和探测器间距l的关系图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图7，一种太赫兹焦平面探测器的封装结构，包括焦平面芯片、cmos放大电路芯片以及设置在焦平面芯片和cmos放大电路芯片之间的tcv芯片，tcv芯片的第一表面和第二表面分别与焦平面芯片、cmos放大电路芯片电连接形成3d封装结构。

其中，tcv芯片包括绝缘基材，该绝缘基材内分布有多个沿厚度方向贯穿绝缘基材的通孔，通孔的直径为70-100μm，通孔内填充有铜等导电材料而形成导电通道，该导电通道的两端分别与分布在绝缘基材第一表面、第二表面的第一ubm层(即前述第一凸点下金属层，下同)、第二ubm层(即第二凸点下金属层，下同)电连接，第一ubm层、第二ubm层的厚度均为350-500nm，第一ubm层经第一焊接金属与焦平面芯片电连接，第一ubm层经第二焊接金属与cmos放大电路芯片电连接，以及，在绝缘基材第一表面、第二表面均设置有siox或si3n4绝缘层，该siox或si3n4绝缘层上设置有窗口；在siox或si3n4绝缘层上还设置有金属栅格层，该金属栅格层包括复数个栅格结构，该栅格结构具有金属区域以及非金属区域(或者理解为开口，该非金属区域与绝缘层上的窗口区域相对应)，第一ubm层、第二ubm层由siox或si3n4绝缘层的窗口以及金属栅格层的非金属区域露出，siox或si3n4绝缘层的厚度为200-300nm，金属栅格层的厚度为100-200nm，其中，第一表面与第二表面相背对设置。

具体的，焦平面芯片的衬底为蓝宝石，焦平面芯片的热膨胀系数为5.8x10^-6/℃，cmos放大电路芯片的热膨胀系数为2.5x10^-6/℃，tcv芯片包括绝缘基材，该绝缘基材为陶瓷板或陶瓷片，陶瓷板或陶瓷片的热膨胀系数为4.3x10^-6/℃，同时氮化铝陶瓷具有高绝缘性，并对太赫兹波损耗小。

具体的，以氮化铝陶瓷板作为绝缘基材为例，一种太赫兹焦平面探测器的制作方法可以包括如下步骤：

1)如图1所示，提供一定厚度的氮化铝陶瓷板(即前述绝缘基材，下同)，并采用激光打孔的方式在氮化铝陶瓷板内制作复数个通孔，该通孔沿厚度方向贯穿氮化铝陶瓷板，通孔直径为70-100μm；

2)如图2所示，采用电镀的方式在通孔中填充满金属铜；

3)如图3所示，采用化学机械抛光的方式去除氮化铝陶瓷板正面、背面(氮化铝陶瓷板正面可以是前述第一表面，背面可以是第二表面)的铜，保留通孔中的铜而形成铜柱(即前述导电通道)，使铜柱的两端分别与氮化铝陶瓷板正面、背面齐平，进而使氮化铝陶瓷板表面光滑平坦；

4)如图4所示，分别在氮化铝陶瓷板正面、背面蒸镀ubm(ni/au/pt/au)金属层，并使ubm与铜柱连接，ubm金属层的厚度为350-500nm，优选为450nm，ubm金属层为依次叠层设置的ni层、au层、pt层、au层；

5)如图5所示，采用pecvd的方式分别在氮化铝陶瓷板正面、背面生长200-300nm的siox或si3n4绝缘层，并采用rie刻蚀的方式对ubm金属层对应的区域进行刻蚀处理，以形成暴露ubm金属层的窗口；

6)如图6所示，分别在氮化铝陶瓷板正面、背面的siox或si3n4绝缘层的窗口区域设置掩模，并在siox或si3n4绝缘层未被掩模覆盖的区域蒸镀100-200nm镍或金等金属而形成金属栅格层，之后除去掩模形成未被金属覆盖的开口或窗口，每一开口或窗口及环绕其分布的金属组成一栅格结构，其中，所述栅格结构的金属区域的边长为8-12μm，非金属区域(即所述开口或窗口)的边长为4-12μm，第一ubm层、第二ubm层由该非金属区域露出；

7)如图7所示，在氮化铝陶瓷板正面的非金属区域蒸镀金属铟(即前述第一焊接金属)，并在高温下回流成球状；在氮化铝陶瓷板背面的非金属区域蒸镀金或铟盘(不回流成球，即前述第二焊接金属)，其中该铟球和金或铟盘的制作过程可参照cn104979224a中公开的方法制作形成；

8)如图8所示，采用倒装焊的方式，使tcv芯片的正面的金属铟球与焦平面芯片连接，背面的金或铟盘与cmos放大电路芯片连接，在焦平面芯片与tcv芯片、cmos放大电路芯片与tcv芯片之间分别注入环氧树脂等填充胶。

其中，如图9所示，tcv芯片与cmos芯片构成谐振腔，入射的太赫兹波在腔体中多次反射产生干涉，导致在四分之一波长即0-300μm的间距内，探测器的响应度较低，而距离大于四分之一波长，响应度提高。

本发明实施例中提供的太赫兹焦平面探测器的封装结构中，tcv芯片增大了焦平面芯片与cmos放大电路芯片的间距，且tcv芯片上制作金属栅格结构，减少对太赫兹波的反射，消除干涉，进而提高太赫兹焦平面探测器响应度；以及，本发明实施例中的tcv芯片分别与焦平面芯片、cmos放大电路芯片倒装互联实现3d封装，可增强焦平面芯片与cmos放大电路芯片热膨胀系数的匹配，有利于实现焦平面探测器的小型化、提高焦平面探测器的稳定性。

本发明实施例中提供的太赫兹焦平面探测器的封装结构，采用氮化铝陶瓷或氧化铝陶瓷作为基板材料制作tcv芯片，氮化铝陶瓷具有良好匹配的热膨胀系数和高阻，对太赫兹波损耗小。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。