HgCdTe焦平面红外探测器封装中的芯片粘接技术

第34卷 第8期 红 外 技 术 Vol.34 No.8 2012年8月 Infrared Technology Aug. 2012 

 444 HgCdTe焦平面红外探测器封装中的芯片粘接技术 熊 雄，朱颖峰，王 微，黄一彬，刘远勇 （昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

摘要：针对HgCdTe焦平面红外探测器封装的特殊性，提出了芯片粘接胶的选用原则，影响粘接质量的主要因素，以及粘接工艺优化方法。提出了用于封装HgCdTe MW 320×256探测器的低温胶X1，并对该胶做了一系列可靠性实验。实验证明，低温胶X1满足该探测器的封装要求。 关键词：HgCdTe红外探测器；封装；芯片粘接；可靠性 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2012)08-0444-04

Die Attach Technology in HgCdTe IRFPA Detector Package XIONG Xiong，ZHU Ying-feng，WANG Wei，HUANG Yi-bin，LIU Yuan-yong （Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China）

Abstract：Concerning the special properties of the HgCdTe FPAIR detector package, the basic principles of adhesive selection, the main factors affecting the bonding quality, and the optimization of the die attach methods are introduced. Low-temperature adhesive X1 is proposed to package HgCdTe MW 320×256 detectors, and the reliability experiments show that adhesive X1 meets the package requirements. Key words：HgCdTe IR detector，package，die attach，reliability

0 引言 在HgCdTe焦平面红外探测器的封装中，HgCdTe芯片的粘接是极为重要的工艺环节，粘接胶的选择，固化工艺，胶层质量等因素对探测器组件的可靠性起重要作用。本文主要针对HgCdTe芯片粘接胶的选用原则、粘接工艺的优化和粘接可靠性论证做了探讨研究，以期提高红外探测器封装质量。

1 封装特殊性 HgCdTe焦平面红外探测器的封装是一个多层叠形结构，如图1所示，包括陶瓷基板、粘接胶、HgCdTe芯片、冷屏等结构。与传统集成电路封装相比，HgCdTe红外探测器的封装有其独特性[1,2]：

①HgCdTe芯片需要在80 K左右的低温下工作；②为保证其工作温度，芯片封装在杜瓦真空绝热环境中；③芯片粘接面积大，对胶层厚度、平行差、传热等提出了较严苛的要求。

图1 HgCdTe焦平面红外探测器封装示意图 Fig.1 HgCdTe FPA IR detector package drawing 2 粘接胶选择

基于HgCdTe红外探测器封装的特殊性，选择芯片粘接胶需着重考虑以下几个方面的性能参数[3-5]： 1）粘接强度：HgCdTe芯片必须良好的粘附于陶瓷基板，确保在振动冲击条件下有足够的粘接强度。 2）耐低温性能：粘接胶在低温下脆性变大韧性下降，则需选用的粘接胶在低温下物理化学性质保持基本不变或在可接受范围内变化。

收稿日期：2012-05-07. 作者简介：熊雄（1986-），男，湖南长沙人，主要从事红外探器封装技术研究。E-mail：xxoo520@sohu.com. 第34卷 第8期 Vol.34 No.8 2012年8月 熊 雄等：HgCdTe焦平面红外探测器封装中的芯片粘接技术 Aug. 2012 

 4453）热膨胀系数：由于封装结构中各种材料热膨胀系数不同，探测器工作时，在材料内部产生热应力[6]。热失配引起的应力会造成HgCdTe材料的损伤或互连In柱的失效，从而影响焦平面探测器的可靠性，故膨胀系数是否匹配也是选择粘接胶时需要重点考量的因素。 4）弹性模量：对于不同弹性模量的粘接胶，HgCdTe芯片所受的内应力不同。图2是基于Ansys分析的HgCdTe芯片工作时应力分布图，在物性参数设定时，图2（b）比图2（a）粘接胶的弹性模量大一个数量级，其他参数相同，由图易知，粘接胶的弹性模量越大，产生的最大内应力也越大。因此，低模量也是选择粘接胶的一个方向。 5）热导率：粘接胶应与粘接接头材料的导热性能匹配，保证HgCdTe芯片能够快速达到工作温度，且温度均匀性好。 6）放气量：选择饱和蒸汽分压低的粘接胶，在真空下不易分解蒸发，从而减小对杜瓦真空性能的破坏。 (a) (b) 图2 基于Ansys分析的HgCdTe芯片工作时应力分布图Fig.2 Internal stress distribution 遵循以上分析原则，选择低温胶X1封装HgCdTe MW 320×256焦平面探测器，表1是低温胶X1的主要技术参数。 表1 低温胶X1主要技术参数 Table 1 Technical Data of X1 Typical Properties Data Specific Gravity Hardness Viscosity CTE Thermal Conductivity Degradation Temp. Outgassing , NASA Curing 2.8 g/cm3 Shore D 82 37282 cPs

52 ppm

3.3 W/mK

403℃ Passes 75℃ 150 min

3 粘接工艺优化 3.1 胶层空洞与内应力 粘接的基本工艺过程一般为：表面处理、配胶、涂胶、粘合、固化、检验等，粘片质量的好坏将直接影响探测器的封装可靠性[4]。

常出现的问题之一是胶层出现孔洞[7]，孔洞会降低HgCdTe芯片的有效粘接面积，影响粘接强度；同时孔洞的存在将降低粘接系统的导热性能。图3是基于有限元分析孔洞对温度分布的影响，白色区域为孔洞，分析表明胶层中的孔洞对热的传导形成明显的阻力，会严重影响焦平面的传热温差，因此，在封装工艺过程中应设法避免孔洞出现。

图3 空洞对温度分布的影响 Fig.3 Relationship of gap and temperature distribution 内应力也是影响封装可靠性的一个重要方面。内应力是由于固化时的体积收缩和热膨胀系数差异而存在于粘接体系内部的应力[8]。产生原因主要有：

一是粘接胶固化时的体积收缩；二是胶层与被粘物热膨胀系数的差异；三是粘接界面有气泡或夹入空气。 3.2 工艺优化处理 针对上述机理，工艺上的改进方法主要有： 第34卷 第8期 红 外 技 术 Vol.34 No.8 2012年8月 Infrared Technology Aug. 2012 

 446 1）通过粘接面的表面处理增大有效粘接面积、提高粘接强度：一是保证陶瓷基板粘接面合适的粗糙度；二是对粘接面进行适当的清洁处理。 2）配胶后进行真空排气处理。粘接胶在粘接之前做真空排气处理，减少胶中的含气量，一方面减少胶层中孔洞的存在几率；另一方面减少胶层在杜瓦排气后的出气量，有效的保持杜瓦真空度，保证探测器组件的使用寿命。 3）通过设计专用的工装夹具严格控制胶层厚度与平行差。胶层太厚，会因体积收缩造成内应力增大，放气量相应增多；胶层太薄容易缺胶，出现孔洞。HgCdTe芯片与陶瓷基板间的剪切力先随胶层厚度增大而增大，到某一值后随胶层厚度增大而减小，从图4可以看出胶层厚度控制在0.050～0.100 mm剪切强度最高。 4）优化固化工艺。固化是粘接工艺的关键所在，粘接胶在固化期间，溶剂或气体会释放出来，若气体聚集则会产生孔洞。由于HgCdTe材料本身的性质，固化温度不宜过高，并且温度高时内应力积累越甚；为提高封装效率，固化时间越短越好。所以在优化固化工艺时，在保证质量的同时需折中处理温度与时间的关系。 图4 胶层厚度与剪切强度的关系 Fig.4 Curve of shear strength and thickness 4 低温胶X1可靠性验证 4.1 实验设计 图5是低温胶X1的可靠性试验流程，共有20组 HgCdTe芯片封装在金属杜瓦中，分为高低温试验、高温存储、低温冲击和对比组，试验中高温为80℃，低温为液氮温度。 4.2 结果分析 图6是20组HgCdTe芯片的胶层厚度值，胶层厚度基本落在0.05～0.08 mm区间。 20组实验组在振动冲击试验后做芯片性能测试，测试数据显示主要性能指标与封装前基本保持一致。 粘接胶的剪切强度是粘接强度的主要指标，图7是破坏性剪切强度的原理图。剪切破坏应力按下式计算[9]：

＝F/BL (1)

式中：——接头的拉伸剪切强度，MPa；

F——试样剪切破坏时的最高负荷，N； B——试样粘接面的宽度，mm； L——试样粘接面的长度，mm。 破坏性剪切强度测试仪器为Dage 4000，图8是20组剪切强度分布，对应图6，剪切强度与胶层厚度的关系与图4基本相符合，经过高低温和振动冲击的粘接系统剪切强度满足探测器可靠性要求。

图5 可靠性试验流程 Fig.5 Reliability test process

图6 胶层厚度 Fig.6 Layer thickness

5 小结 本文分析了HgCdTe焦平面红外探测器芯片粘接胶的选用原则，优化了粘接工艺，对封装HgCdTeMW 320×256焦平面探测器的低温胶X1

胶层厚度/mm