摘要

傳感器半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)成果日益成為提高傳感器集成度的一個(gè)典型途徑，在很多情況下，為特殊用途的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）類傳感器提高集成度的奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文介紹一個(gè)MEMS光熱傳感器的封裝結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）的組裝細(xì)節(jié)，涉及一個(gè)基于半導(dǎo)體技術(shù)的紅外傳感器結(jié)構(gòu)。傳感器封裝以及其與傳感器芯片的物理交互作用，是影響系統(tǒng)整體性能的主要因素之一，本文將重點(diǎn)介紹這些物理要素。

本文探討的封裝結(jié)構(gòu)是一個(gè)腔體柵格陣列（LGA）。所涉及材料的結(jié)構(gòu)特性和物理特性必須與傳感器的光學(xué)信號(hào)處理和內(nèi)置專用集成電路（ASIC）控制器的電信號(hào)處理性能匹配。

從概念和設(shè)計(jì)角度看，專用有機(jī)襯底設(shè)計(jì)、模塑腔體結(jié)構(gòu)和硅基紅外濾光窗是所述光學(xué)傳感器系統(tǒng)的主要特性。本文最后給出了傳感器性能和光電表征測試報(bào)告，包括紅外光窗尺寸不同的兩種封裝的FFOV（全視野）測試結(jié)果。

引言

如今，光熱探測器被廣泛用于體感檢測、溫度測量、人數(shù)統(tǒng)計(jì)和煙火探測等各種功能，覆蓋建筑、安全、家電、工業(yè)和消費(fèi)等多個(gè)市場。

光熱探測器市場未來有五大增長點(diǎn)：便攜式點(diǎn)測溫、體感檢測、智能建筑、暖通空調(diào)（HVAC）及其它媒介測溫、人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

每個(gè)物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，輻射強(qiáng)度與其本身溫度有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬－波爾茲曼定律，物體的溫度與輻射能量之間的關(guān)系是固定的，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10 um波長，而太陽光（6000K）的輻射峰值是500nm波長，屬于可見光頻域。

在吸收入射紅外輻射后，光熱探測器利用熱電機(jī)制將電磁波能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，例如，熱電電壓、塞貝克熱電效應(yīng)3、電阻或熱釋電電壓）。

現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是MEMS制造技術(shù)，可以生產(chǎn)出非常高效的非制冷紅外探測器，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)熱隔離，所以傳感器的靈敏度非常高，而且體積小，響應(yīng)時(shí)間非?？?，并且，半導(dǎo)體的規(guī)模生產(chǎn)方式5， 6可降低MEMS傳感器的價(jià)格。為了提高傳感器系統(tǒng)的效率，必須給MEMS傳感器匹配性能相似的封裝及光學(xué)單元。

傳感器的某些物理組件，例如，封裝外殼和使紅外輻射到達(dá)傳感器的光窗，還起到保護(hù)周邊電路和互連線的作用。在某些情況下，濾光窗可以改善傳感器的響應(yīng)光譜，避免可見光輻射影響傳感器性能。濾光窗材質(zhì)通常是硅基干涉濾光片。

這種光學(xué)接口的物理位置位于封裝上表面，與連接傳感器與PCB電路板的引線所在表面相對(duì)。

本文介紹一個(gè)在有濾光功能的封裝中集成紅外傳感器和ASIC芯片的系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP），重點(diǎn)探討封裝的相關(guān)特性，包括材料特性、光學(xué)性能和系統(tǒng)整體靈敏度。這是一個(gè)集成紅外濾光窗的腔體柵格陣列（LGA）封裝概念，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出產(chǎn)品原型，并做了表征測試。傳感器視野范圍從80°到110°，具體范圍取決于光窗的幾何尺寸。最后，我們還研究了封裝對(duì)傳感器靈敏度的影響。

紅外傳感器

該創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)用于基于微加工熱電堆的MEMS紅外傳感器，能夠封裝不同類型的紅外傳感器。當(dāng)傳感器的感光面積不同時(shí)，只要重新計(jì)算封裝的幾何尺寸即可，無需修改封裝設(shè)計(jì)和材料。

熱電堆是由N個(gè)熱電偶串聯(lián)組成，傳感器的輸出電壓是單個(gè)熱電偶的電壓乘以N。熱電偶是將兩種不同材質(zhì)導(dǎo)體的兩端互連在一起構(gòu)成的溫感元件，這兩個(gè)連接端被稱為熱端和冷端。根據(jù)塞貝克熱電效應(yīng)3，當(dāng)冷熱端的溫度不同時(shí)，兩條導(dǎo)體之間將會(huì)產(chǎn)生電壓差ΔV。下面是該電壓差的表達(dá)式：

圖1：紅外傳感器主體及熱電堆紅外傳感器感光面積和測試用傳感器集成區(qū)

MEMS紅外傳感器通常與一個(gè)專用集成電路（ASIC）電連接，用于控制傳感器并放大輸出信號(hào)，因此，我們?cè)u(píng)測了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的紅外傳感器。為了確保入射紅外輻射到達(dá)傳感器感光面積，避免可見光閃光燈引起的輻射噪聲，針對(duì)選定的應(yīng)用，我們?cè)谙到y(tǒng)級(jí)封裝上集成一個(gè)l＞ 5．5？m的紅外波長可選長通濾光片。

在存在檢測傳感器系統(tǒng)要求的波長范圍內(nèi)，紅外長通濾光片引起的總損耗被控制在大約20％以內(nèi)，對(duì)于一些主要用途，例如，在一個(gè)設(shè)備PCB板上安裝存在檢測傳感器或紅外測溫傳感器，這個(gè)量級(jí)的能量損耗被認(rèn)為是很有限的。對(duì)于未來的其它潛在應(yīng)用，所討論的干涉濾光片將換成透射光譜不同的濾光片。

圖2：封裝上表面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(gè)通常兩面集成干擾層的硅基濾光片，也可以選擇安裝不同類型的濾光片，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，例如，NDIR光譜儀。

圖3：MEMS紅外傳感器和ASIC的封裝布局