陶瓷封装外壳在非制冷红外探测器中的应用

陶瓷封装管壳具有优异的机械性能、热稳定性能、绝缘性能、气密性能、防潮性能、避光性能等,是常用的电子封装材料之一,在非制冷红外探测器封装中也有广泛应用。
陶瓷封装外壳在非制冷红外探测器中的应用
图  红外探测器,高芯科技

一、什么是非制冷红外探测器

非制冷红外探测器是非制冷热成像系统的核心部件,它利用了所有高于绝对零度的物体均会向外辐射能量这一基本性质,使用敏感元材料吸收目标物的辐射能量,将其转换为热能,热能的变化使得敏感元的物理性质发生变化,再通过专项设计的某种转换机制将该物理性质的变化转换为电信号,实现对目标物的探测和测量。
陶瓷封装外壳在非制冷红外探测器中的应用
图 非晶硅红外探测器工作原理
非制冷红外探测器由于无需制冷装置,能够工作在室温状态下,具有成本低、体积小、功耗低等特点,在红外领域得到了广泛的应用。在军事应用方面,非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围,大量应用在一些低成本的武器系统,甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。随着非制冷红外探测器技术的快速发展,相关产品的技术水平和质量水平大幅提高,成本不断降低,非制冷红外探测器在安防监控、电力监测、医疗测温等民用领域获得广泛应用。
陶瓷封装外壳在非制冷红外探测器中的应用
图   红外探测器,图源Lynred(ULIS与Sofradir合并后成立的新公司)
随着人工智能技术不断进步,非制冷红外探测器在智能驾驶、生物识别、物联网等领域应用需求将不断增多,新兴市场的发展将成为推动非制冷红外探测器市场增长的重要动力,带动其需求快速提升,同时非制冷红外探测器朝着“低成本、小型化、高可靠性”的发展方向。

二、陶瓷封装是主流封装技术

非制冷红外探测器的成本和可靠性显得越来越重要,封装技术的水平是影响非制冷红外探测器的成本和可靠性的重要因素。非制冷红外探测器技术的发展也带动了其封装技术的发展。封装的具体功能包括电源供给、信号交流、散热、芯片保护和机械支撑等,广义来说就是将红外探测器所具有的电子物理功能转变为适用于机器或系统的形式。目前,封装成本已经占非制冷红外探测器研制总费用的 50%以上,决定非制冷红外探测器成本和可靠性的主要因素之一是其封装技术水平,所以封装技术已逐渐成为非制冷红外探测器技术领域的研究重点之一。
陶瓷封装外壳在非制冷红外探测器中的应用
非制冷红外探测器的封装形式主要包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装以及像元级封装。陶瓷封装是金属封装的升级形式,能够使非制冷红外探测器兼具高性能、低成本、小体积和轻质量等优点。
表 非制冷红外探测器封装技术的优缺点

封装技术

发展阶段

优点

缺点

金属封装

第一代封装技术

可在极端环境下使用

成本高、高功耗、生产周期长

陶瓷封装

第二代封装技术

读出电路有自调整功能,无TEC,采用薄膜或片式吸气剂,相对金属封装,成本、体积、重量和功耗更低

尺寸大,成本仍较高

晶圆级封装

第三代封装技术

读出电路有自调整功能,部分工艺与硅工艺相兼容,无TEC,小尺寸,轻便

工艺复杂,技术难度高,成品率需提高

像元级封装

第四代封装技术

与Si技术完全兼容,超低成本

尚处于研发阶段

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图  陶瓷封装探测器结构
非制冷型红外探测器用封装外壳类型有蝶形、CLCC(QFN)和PGA。传统非制冷红外探测器的陶瓷封装形式主要由红外窗口、可伐框、芯片、吸气剂、管壳和引脚组件构成。封装材料使用陶瓷材料,封装体积和重量都有减少,同时也一定程度降低了封装成本。陶瓷封装的内部已经省去TEC制冷器,所使用的管壳是陶瓷基板(多层布线),吸气剂采用的是片式或者薄膜吸气剂,这些都能减小封装的体积和成本。芯片完成组装、打线等工序后,采用真空除气、吸气剂激活、真空密封的三合一的封接技术,其主要流程为芯片背金贴片、打线、三合一焊接。
图   陶瓷封装非制冷型红外探测器,来源:Lynred
陶瓷封装是目前非制冷红外探测器封装的主流形式。国外代表企业有法国Lynred、美国DRS、以色列 SCD、加拿大INO,国内代表企业有艾睿光电、大立、睿创微纳、高芯科技等。
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作者 gan, lanjie