非制冷型紅外探測器工作時面臨的主要問題之一是空氣熱傳導對器件靈敏度的影響。由于紅外探測器的目標是探測紅外熱輻射,但空氣的熱傳導會降低探測的熱輻射強度,從而降低了探測器的分辨率。
標準大氣壓空氣的熱導率(導熱系數coefficient of thermal conductivity)約為

對于如圖50X50um2大小的懸空結構,橋面與襯底間隙微2.5um。則空氣熱阻為


懸臂的材料主要是SiNx導熱系數為3.5W/m.K。懸臂厚度0.5um,寬度為2um,長度為50um,可計算熱阻為

遠大于空氣的熱阻。就是說大氣壓時空氣的熱阻遠小于懸臂的熱阻。信號損失很大,所以必須降低空氣的熱阻或者導熱系數。真空是降低空氣熱導率的最有效的手段。當器件內部氣壓低于10-2Pa量級時,空氣帶來的熱傳導損失與懸臂的熱傳導損失相比就可以忽略不計了。因此為了保證足夠的紅外輻射吸收強度,提高探測器的分辨率,需要將探測器的像元陣列進行真空封裝。
綜合其工作原理可以對對非制冷紅外焦平面探測器真空封裝的要求是:
1 為芯片起到足夠的機械支撐和機械保護
2 起著分配電源和傳輸信號的作用
3 起著熱耗散的作用
4對外界的保護作用,其中包括振動,機械沖擊,水汽滲透和化學腐蝕等
5 優異且可靠的真空密閉性、
6 具有高透過率的紅外窗口、高成品率、 低成本
目前的封裝技術可分為金屬管殼、 陶瓷管殼、 晶圓級、 像元級等
1 金屬管殼封裝

圖2 非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝 a圓形封裝b金屬蝶形封裝

圖3 圓形封裝內部結構示意圖
這是最早開始采用的封裝技術, 技術已非常成熟。但由于采用了金屬管殼、 TEC 和吸氣劑等成本較高的部件, 導致其成本一直居高不下,
金屬封裝的主要工藝步驟為:TEC焊接、吸氣劑焊接(和之前的工藝同時進行)、貼片、打線、鍺窗焊接、排氣、吸氣劑激活和排氣嘴封口。
其中排氣工藝需耗時3~7天,導致金屬封裝的整個流程時間過長,且每批生產的產品數量有限,無法實現大批量生產。
同時金屬封裝采用了TEC、吸氣劑為柱狀或者片式吸氣劑,其工序復雜、吸氣劑成本較高,只適用于高端的軍事應用,限制了其在民品市場的應用。在金屬封裝中TEC起到穩定探測器工作溫度點的作用,以保證探測器在室溫下工作,從而提高組件適應極端環境的能力。
封裝結構圖如下


圖4 非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝部件
2 陶瓷管殼封裝
陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測器封裝技術,其主要流程為芯片貼片用銀膠、打線、蓋帽焊接。可顯著減小封裝后探測器的體積和重量,且從原材料成本和制造成本上都比傳統的金屬管殼封裝大為降低,適合大批量電子元器件的生產。圖4為兩種典型的陶瓷管殼封裝紅外探測器。

圖5 非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝
3晶圓級封裝
晶圓級封裝是近兩年開始走向實用的一種新型紅外探測器封裝技術,需要制造與微測輻射熱計晶圓相對應的另一片硅窗晶圓,硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率,并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測輻射熱計晶圓與硅窗晶圓通過精密對位,紅外探測器芯片與硅窗一一對準,在真空腔體內通過焊料環焊接在一起,最后再裂片成為一個個真空密閉的晶圓級紅外探測器。

圖6 非制冷紅外焦平面的晶圓級封裝