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红外传感器|技术文章—集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装( 四 )


封装应力模拟
对于特定吸收功率 ， 高热隔离度确保冷热端之间的温差最大化, 这是从热电堆获得大输出电压的重要因素 。 使用MEMS封装可以选择腔内气体 ， 压力选择范围100Bar至100mBar 。 气体导热性会影响温度传导速度 ， 以及热电堆冷热端之间的温差 ， 进而影响输出电压变化和传感器效率 。
MEMS封装是通过晶圆片间的引线键合技术实现的 。 MEMS传感器系统主要是由一个采用表面微加工工艺制造的硅微结构构成 ， 通常是将两个或多个晶圆片(裸片)堆叠放置 ， 用玻璃材料化合物焊料将其焊接在硅基封装内 。
在传感器上存在厚度约为150um的硅保护帽 ， 其本身对入射传感器表面的辐射有自然的红外波长过滤功能 。 当然 ， 硅保护帽的红外透射光谱使传感器光学性能在1-13um波长红外区域变差12 ， 具体程度取决于硅特性 。
传感器开发需要将MEMS硅封帽集成在传感器晶圆上 。 我们模拟了由红外传感器、硅封帽、ASIC和封装构成的整个传感器系统 。 因为裸片堆叠安装在封装衬底上 ， 传感器微结构与封装结构是一体的 ， 因此 ， 封装对传感器信号性能有影响 。 除了在工作过程中受到的应力外 ， 在制造过程中 ， 特别是封装焊接到PCB上后的冷却工序 ， 还会出现临界情况 。 由于封装是由热膨胀系数（CTE）不同的材料制成 ， 热梯度会引起翘曲现象 ， 导致应力转移到传感器微结构 ， 从而影响传感性能 。
用SolidWorks Simulation软件建立了一个有限元3D模型 ， 用于模拟在承载传感器微结构的硅衬底上出现的翘曲 。 焊接后冷却模拟考虑了将封装焊接在参考PCB上的情况 。 表3总结了热负荷和边界条件 。 图12是有限元模型 。
表2列出了模拟所用材料的特性 。
尽管知道模拟结果在很大程度上取决于材料模型和所用材料的特性 ， 但考虑到封装模拟文献中的常规做法 ， 我们还是假定了分析比较的目的、可用的材料数据以及所执行模拟的静态性质 ， 材料的各向同性弹性 。
为了减少计算时间 ， 我们考虑创建一个简化模型 。但是 ， 由于ASIC在封装内部的放置不对称 ， 在封帽上有光窗 ， 因此 ， 需要模拟整个模型 。 对于封装上表面和下表面衬底层 ， 等效机械性能计算方法如下14：

红外传感器|技术文章—集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装
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其中Eeff是有效杨氏模量 ， αeff 是有效热膨胀系数 ， 分别是杨氏模量Ei, αi, Vi和CTE与构成材料的体积或面积百分比 。 图12是有限元模型 ， 图13是传感器、ASIC和衬底上的翘曲模拟结果 。 承载传感器微结构的衬底的翘曲w定义为沿框架本身的位移z的最大值和最小值的差 。
表2.材料特性

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红外传感器|技术文章—集成滤光窗的MEMS红外传感器电子封装
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图12：热机械模拟有限元模型 。 a,b) CAD模型 ， c,d)有无封帽的有限元模型 。图中没有焊后模拟用的PCB板 。
表3.热机械FEA边界条件和载荷

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图13：封装衬底、ASIC和MEMS（顶部无晶圆）翘曲（w） 。

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结论
本文介绍了一个红外传感器的封装设计 ， 产品原型表征测试结果令人满意 ， 测量到的FFOV角度在80°到110°之间 ， 具体数值取决于光窗尺寸 。 为了降低闪光灯影响和环境噪声 ， 封装顶部装有硅基红外滤光片 ， 并做了表征实验 。 应力模拟未在材料界面上发现临界情况 。 封装可靠性已初步达到JEDEC L3的环境应力要求 。


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