雙波段芯片集成封裝組件的低溫光譜定量化

徐勤飛，劉大福，龔海梅，吳家榮，蔣夢(mèng)蝶，

張亞妮1，季 鵬1,2，王 仍1,2，張 麟1

(1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

雙波段芯片集成封裝組件的低溫光譜定量化

徐勤飛1,2,3*，劉大福1,2，龔海梅1,2，吳家榮1,2，蔣夢(mèng)蝶1,2，

張亞妮1，季 鵬1,2，王 仍1,2，張 麟1

(1.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

在同一組件中多芯片多波段的應(yīng)用中，由于芯片的中心距越來越小，導(dǎo)致某些相鄰波段通常被集成制備到一個(gè)芯片上。為減小波段串?dāng)_，本文針對(duì)一體化雙波段芯片集成封裝組件的低溫光譜定量化展開研究，通過制備一體化雙波段芯片集成封裝組件，并通過波段間物理隔離、金屬區(qū)物理遮蓋等措施將兩波段的光束隔離。測(cè)試結(jié)果表明隔離前后，芯片間光譜串光現(xiàn)象有了明顯改善，波段間串?dāng)_從8%降到了4%以內(nèi)，光譜帶外響應(yīng)從6.5%降低至0.78%。為了避免低溫工況下物理隔離條與芯片的熱失配問題，隔離條采用與芯片襯底完全一致材料。雙波段芯片集成封裝組件的高低溫沖擊試驗(yàn)表明，其在有效抑制組件內(nèi)串?dāng)_的同時(shí)，也解決了組件內(nèi)關(guān)鍵部件的熱失配問題。

光譜定量化；探測(cè)器組件；低溫光譜；物理隔離；光學(xué)串?dāng)_

1 引 言

衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)時(shí)，受到譬如大氣、雙向反射、地形因素及幾何配準(zhǔn)等諸多因素的影響，導(dǎo)致其獲取的遙感信息中含有非目標(biāo)地物成像信息。另外，由于地面同一地物在不同時(shí)間內(nèi)輻射亮度會(huì)隨著太陽高度角的變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致獲得數(shù)據(jù)的預(yù)處理精度達(dá)不到定量分析標(biāo)準(zhǔn)，最終致使探測(cè)結(jié)果偏差較大。客觀準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)識(shí)別大范圍和全天候的云圖信息和天氣動(dòng)態(tài)，詳細(xì)精確地提供海洋、陸地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)已成為現(xiàn)代社會(huì)的必要支撐，分析與預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性需要更高的光譜分辨率和空間分辨率(地面分辨率)。美國是最早研制和發(fā)射氣象衛(wèi)星的國家，自1960年4月1日發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星—泰羅斯-1(Tiros-1)，后續(xù)又發(fā)射了10顆泰羅斯系列氣象衛(wèi)星。接著發(fā)展了“艾薩(ESSA)”號(hào)太陽同步軌道氣象衛(wèi)星、地球靜止軌道的“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”(GOES)、新一代三軸穩(wěn)定靜止氣象衛(wèi)星和諾阿系列極軌氣象衛(wèi)星。早期氣象衛(wèi)星雖提供了大量的氣象資料，但衛(wèi)星云圖分辨率不高，效果不是很理想。這一情況從GOES-8開始有了改變，該衛(wèi)星攜帶了可同時(shí)獨(dú)立工作的成像儀和大氣垂直探測(cè)儀。采用三軸穩(wěn)定技術(shù)可使靜止軌道衛(wèi)星每旋轉(zhuǎn)一圈只對(duì)地球掃描一行的工作方式有所改變，其可始終對(duì)著地球，從而大大提高了圖像質(zhì)量、觀測(cè)效率和時(shí)間分辨率，故可獲得更加詳細(xì)的有關(guān)云形成的資料。這對(duì)監(jiān)測(cè)中小尺度，特別是短時(shí)間、小尺度天氣系統(tǒng)十分有利[1-2]。20世紀(jì)70年代后期，日本和歐盟也相繼發(fā)展了自己的系列靜止軌道氣象衛(wèi)星。Jeffery J.Puschell等人報(bào)道了日本MTSAT靜止軌道氣象衛(wèi)星定量化控制得到的光譜圖[3]。目前，國內(nèi)遙感衛(wèi)星不僅要求組件性能達(dá)到系統(tǒng)要求，而且對(duì)組件的光譜特性也提出了越來越高的要求。為滿足衛(wèi)星對(duì)定量化的需求，整機(jī)系統(tǒng)相繼對(duì)組件提出了“矩形”標(biāo)準(zhǔn)光譜的要求。譜形控制是目前研制多波段集成組件中迫切需要解決的問題。隨著同一組件內(nèi)多芯片多波段的發(fā)展，芯片的中心距也越來越小，波段間的串?dāng)_越來越顯著，串?dāng)_的主要來源是光學(xué)串?dāng)_。利用幾何光學(xué)經(jīng)過簡(jiǎn)單分析可知，縮減濾光片與芯片之間的距離是一種有效的削弱光學(xué)串?dāng)_的辦法，其主要有兩種解決措施。一種是在芯片上集成濾光膜結(jié)構(gòu)[4-5]，該結(jié)構(gòu)將濾光片與芯片距離縮小為零，從而削弱波段間的串?dāng)_。但該方法需要考慮芯片與濾光膜的工藝兼容性及熱力學(xué)匹配等因素，實(shí)際應(yīng)用中往往極大地降低了芯片-濾光片組合件成品率；另一種就是將濾光片以“橋”或者“網(wǎng)兜”式結(jié)構(gòu)，安裝至芯片近表面[6-7]，該方法也是最常采用的方法。

本文設(shè)計(jì)并研制了一體化雙波段芯片集成封裝組件，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、影響因素、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、低溫光譜串?dāng)_及熱可靠性等方面進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究。

2 組件研制

2.1 組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)整機(jī)系統(tǒng)需求并綜合考慮光譜影響因素開展了組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一體化雙波段芯片集成封裝組件由封裝外殼、探測(cè)器芯片、支撐、隔離條、光闌、窗口、微型濾光片等形成。芯片為3×2的6元結(jié)構(gòu)，即芯片由2列光敏元組成，每列的3元為“一字型”排列。兩列分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)探測(cè)波段，波段由濾光片實(shí)現(xiàn)分光，這兩個(gè)波段分別為：L1：10.3～11.3 μm，L2：11.5～12.5 μm。兩列光敏元的間隔為0.3 mm，光敏元視場(chǎng)角為60°。如圖1所示。

圖1 光敏元排布及尺寸圖Fig.1 Arrangement and dimensional schematic of photo-sensitive

從圖1中可以看出，波段間(列與列光敏元)的間隔只有0.3 mm，系統(tǒng)的光學(xué)視場(chǎng)角很大(約為60°)。在這種尺寸限制下，雙波段間的光學(xué)串?dāng)_難以避免，其容易影響到組件的光譜，而紅外光譜的形狀和帶外響應(yīng)又會(huì)直接影響到圖像的反演精度。因此，在小間距大視場(chǎng)的多波段芯片的集成封裝中，通道的串?dāng)_和光譜的定量化通常作為一個(gè)非常重要的考核標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于低溫工作的探測(cè)器組件，熱應(yīng)力也是一個(gè)需要著重考慮的因素。本文重點(diǎn)從波段間的光學(xué)串?dāng)_和防雜散光及熱匹配方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于紅外波長較長，且紅外波段的探測(cè)器組件通常工作在100 K以下，為避免兩種材料間熱匹配引起的光敏元失效，濾光片與芯片通常不粘接到一起。在封裝結(jié)構(gòu)中，濾光片采用兩端橋墩支撐的方式固定，并要盡可能地縮短濾光片與芯片的距離[8]。這是因?yàn)闉V光片與芯片的距離越近，兩個(gè)波段間的相互串光越小，當(dāng)濾光片與芯片的距離與透過光的波長相當(dāng)時(shí)，光的干涉、衍射等現(xiàn)象和影響則不能忽略。為了避免干涉、衍射效應(yīng)引起的光譜異常，濾光片與芯片間的距離也不能過小。

圖2 組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Component structure design

2.2 光譜影響因素及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在組件設(shè)計(jì)中，光路中的關(guān)鍵面可分為光學(xué)面和機(jī)械面兩大類。窗口、濾光片都在光路中，被光敏元可視，也都會(huì)被信號(hào)光照亮，都是關(guān)鍵面，同時(shí)又都是被照射面，所以光學(xué)面全部都是重要面。良好光學(xué)面的總散射光比例的理論計(jì)算公式為:

式中，R為材料的表面發(fā)射率，ΔR為散射光的比例，δ為表面粗糙度的均方根，相當(dāng)于Ra(Ra為輪廓算數(shù)平均偏差：是指在取樣長度內(nèi)，被測(cè)輪廓上各點(diǎn)到基準(zhǔn)線的距離的絕對(duì)值的算數(shù)平均值)。

抑制光學(xué)零件一次散射的方法有3種：其一，入射能量是反射、散射和吸收三者之和，因此，為了減少反射和散射，需要提高膜層的透過率，因而在組件設(shè)計(jì)中需要盡可能地提高窗口、濾光片等光學(xué)鏡面的吸收率和透過率，從而抑制散射和反射；其二，對(duì)散射與光學(xué)零件表面的顆粒粗糙度RMS息息相關(guān)，提高光學(xué)零件平面度和清潔度也有利于抑制散射，其需要在鍍膜前對(duì)光學(xué)零件表面進(jìn)行精拋光，同時(shí)，在光學(xué)零件組裝到組件前后時(shí)，對(duì)零件表面進(jìn)行清潔處理；其三，減小光學(xué)零件的光學(xué)余量，減少發(fā)生散射的零件的面積，提高光學(xué)零件的表面使用率也能夠抑制散射[9]。

對(duì)于機(jī)械關(guān)鍵面，需要分析入射光在光路周圍哪些零件表面可能經(jīng)過反射、散射、透射等進(jìn)入光路，影響到成像。根據(jù)受照射的強(qiáng)弱確定其是否為重點(diǎn)關(guān)注面。

(1)考慮到窗口、濾光片等光學(xué)零件的光學(xué)面對(duì)組件低溫光譜的影響，在組件設(shè)計(jì)中，需要對(duì)該類光學(xué)零件做出要求。

首先選用合適的材料，該材料在工作波段內(nèi)要具有較高的透過率，同時(shí)要求膜層加工要有盡可能高的透過率；其二，對(duì)光學(xué)零件表面提出精拋光和較高粗糙度的要求，以使鍍膜后表面有盡可能高的光潔度和清潔度；其三，將光學(xué)零件的面積控制在合理范圍內(nèi)，以減少光學(xué)零件表面的散射和反射。

(2)考慮到機(jī)械面對(duì)組件低溫光譜的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮濾光片崩邊、濾光片拼縫、芯片邊緣、芯片電極強(qiáng)反射區(qū)及其他組件中的零件表面可能對(duì)組件低溫光譜產(chǎn)生的影響。

(a)紅外帶通濾光片對(duì)組件低溫光譜的影響。

組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮濾光片崩邊和拼縫的影響。

紅外帶通濾光片具有帶內(nèi)高透過率、帶外抑制，甚至截止的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)芯片的窄帶分光，對(duì)抑制背景干擾、提高信噪比具有非常重要的作用。在通過紅外窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)芯片分光時(shí)，組件光譜形狀通常由濾光片光譜形狀決定。由于組件通常采用微型濾光片，通道間的間隔很小，濾光片的邊緣距芯片很近，濾光片的崩邊可能會(huì)影響組件光譜，而崩邊膜層的缺損很容易引入背景光。在小通道間隔，大視場(chǎng)角情況下，設(shè)計(jì)人員通常將濾光片的崩邊和拼縫作為機(jī)械關(guān)鍵面，因?yàn)槠鋵⒂绊懙浇M件的光譜。

雙通道濾光片拼接時(shí)，拼縫的存在將引入雜散光和背景光。因此組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要避免濾光片崩邊距離光路太近。同時(shí)拼縫還應(yīng)盡可能小，且遠(yuǎn)離光路。

(b)芯片對(duì)組件低溫光譜的影響。

組件設(shè)計(jì)中，需要考慮芯片邊緣、強(qiáng)反射區(qū)可能對(duì)組件低溫光譜的影響。

芯片邊緣及強(qiáng)反射區(qū)均可能引起一次或多次反射、散射，當(dāng)這些光線進(jìn)入光路時(shí)，將產(chǎn)生雜散光，影響到成像，高強(qiáng)度的一次散射甚至?xí)a(chǎn)生鬼像。

(c)其他機(jī)械面對(duì)組件低溫光譜的影響。

在光路周圍的電極板(尤其是電極板表面的金電極，電極引線絲)，光闌表面(尤其是光闌孔徑的反射面)等均可能產(chǎn)生反射、散射、透射等，這些光線進(jìn)入光路將會(huì)影響到成像[10-12]。因此需要在合適的位置采用發(fā)黑的光闌對(duì)雜散光進(jìn)行吸收和抑制，同時(shí)光闌邊緣應(yīng)進(jìn)行刀口設(shè)計(jì)，以減小雜散光[13-14]。

(3)組件設(shè)計(jì)中，需要考慮芯片光譜對(duì)組件低溫光譜的影響。

用于封裝組件的芯片盡量選取波段內(nèi)光譜相對(duì)平滑的，以免芯片光譜位于毛刺或者截止區(qū)，從而影響組件的光譜形狀。

(4)本文組件是工作在90 K的低溫下，而相關(guān)組裝和封裝過程均在常溫狀態(tài)進(jìn)行。因此，當(dāng)組件從常溫制冷到低溫后，由于不同零件材料的熱脹系數(shù)不同，組件中各零件的尺寸變化量也不同，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力，將可能引起組件低溫光譜異常[15]。

組件中各零件材料選用不當(dāng)會(huì)引起材料熱失配，從而引起低溫下零件形變和濾光片膜層的拉扯，從而導(dǎo)致組件光譜異常，甚至引起失效。因此，組件設(shè)計(jì)中，要盡量采用熱匹配材料。

圖3 樣品形貌Fig.3 Morphology of sample

表1 樣品狀態(tài)Tab.1 States of samples

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，開展了組件的組裝和封裝。封裝后的樣品形貌如圖3所示，樣品編號(hào)為1#、2#、3#。樣品狀態(tài)如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 光闌對(duì)散射雜光的影響

在合適的位置設(shè)置發(fā)黑的光闌可以對(duì)雜散光進(jìn)行有效的吸收和抑制。

光闌孔徑與視場(chǎng)孔徑相同，以限制視場(chǎng)外關(guān)鍵表面的數(shù)目與大小，減少雜光輻射的傳輸途徑。圖4、圖5給出了組件增加光闌后的效果。

圖4 未安裝光闌低溫光譜圖Fig.4 Response spectrum without diaphragm at 90 K

圖5 安裝光闌后低溫光譜圖Fig.5 Response spectrum with diaphragm at 90 K

安裝光闌后，雜光在管殼內(nèi)與光闌上散射后，到達(dá)像面探測(cè)器的直接路徑被阻隔，因此大大減小了散射雜光。增加光闌后，L1通道在11.9～12.5 μm波段的響應(yīng)有了明顯的抑制。L2通道光譜形狀有了明顯的改善。

3.2 組件低溫光譜分析

目前，多項(xiàng)目中均有“矩形”標(biāo)準(zhǔn)光譜的要求，具體如圖6所示。光譜y=f(λ)曲線要求落在內(nèi)框和外框之內(nèi)(即區(qū)域C內(nèi))，凡是落在內(nèi)框和外框外(區(qū)域A、B)的則為光譜帶外響應(yīng)。

光譜帶外響應(yīng)百分比η帶外指落在區(qū)域A、B內(nèi)的面積與總面積之比。外框y=F(λ)，內(nèi)框y=G(λ)，則有如下表達(dá)式：

其中:

圖6 矩形標(biāo)準(zhǔn)光譜框Fig.6 Rectangular standard spectral box

圖7 1#組件低溫光譜Fig.7 Response spectra of 1# component at 90 K

對(duì)按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制的3個(gè)樣品測(cè)得的低溫光譜及其對(duì)“矩形”標(biāo)準(zhǔn)光譜的響應(yīng)如圖6～圖9所示。

圖8 2#組件低溫光譜Fig.8 Response spectra of 2# component at 90 K

圖9 3#組件低溫光譜Fig.9 Response spectra of 3# component at 90 K

以上圖表表明，通過縮短濾光片到芯片間的間距，可以增加濾光片崩邊和拼縫至視場(chǎng)光束間的距離，從而減小波段間的互相干擾，改善了低溫光譜形狀。同時(shí)通過波段間物理隔離、金屬區(qū)物理遮蓋將兩波段的光束從物理上進(jìn)行隔離。結(jié)果表明：通過以上措施，波段間串?dāng)_從8%降到4%以內(nèi)，根據(jù)以上公式可以算出波段L1光譜帶外響應(yīng)從3.2%降低至0.18%,波段L2光譜帶外響應(yīng)從6.5%降低至0.78%。

3.3 熱學(xué)分析

針對(duì)低溫工作狀態(tài)下物理隔離條與芯片的熱失配問題，隔離條采用與芯片襯底完全一致的材料可以降低熱失配的隱患。對(duì)一體化雙波段芯片集成封裝組件開展了50次高低溫沖擊試驗(yàn)。高溫溫度為室溫，低溫溫度為80 K，極限溫度保持15 min，變溫速率為10 ℃/min。試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)如圖10～圖11所示。

圖10 高低溫沖擊試驗(yàn)前后信號(hào)變化Fig.10 Signals before and after high-low temperature impact test

結(jié)果顯示組件在高低溫沖擊試驗(yàn)前后性能無明顯變化，信號(hào)變化小于5%，噪聲變化小于10%。組件通過了高低溫沖擊試驗(yàn)，在有效抑制串?dāng)_的同時(shí)，也解決了組件內(nèi)關(guān)鍵部件的熱失配問題。

4 結(jié) 論

雙波段芯片集成封裝組件由于受到波段中心距、視場(chǎng)角、工藝等多種因素的制約，波段間光學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象嚴(yán)重，本文通過在封裝結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷光闌、波段間物理隔離、金屬區(qū)物理遮蓋的措施將兩波段的光束從物理上進(jìn)行隔離，以有效解決光譜串?dāng)_問題，實(shí)現(xiàn)較低的光譜帶外響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光譜定量化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：隔離后，芯片間光譜串光現(xiàn)象有了明顯改善，獲得了形狀很好的低溫光譜，波段間串?dāng)_降到了4%以內(nèi)，光譜帶外響應(yīng)降低至0.78%以內(nèi)，滿足光譜定量化的要求。

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徐勤飛(1983—)，女，山東臨沂人，博士研究生，副研究員，主要從事紅外探測(cè)器件工藝技術(shù)、器件性能測(cè)試和封裝技術(shù)方面的研究。E-mail:xu5178@163.com

Lowtemperaturespectroscopyquantificationofintegrateddualbandchippackage

XU Qin-fei1,2,3*,LIU Da-fu1,2,GONG Hai-mei1,2,WU Jia-rong1,2,JIANG Meng-die1,2,ZHANG Ya-ni1,JI Peng1,2，WANG Reng1,2,ZHANG Lin1

(1.StateKeyLaboratoriesofTransducerTechnology,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,China；2.KeyLaboratoryofInfraredImagingMaterialsandDetectors,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,China；3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

*Correspondingauthor,E-mail:xu5178@163.com

As the chip center distance becomes smaller and smaller,some adjacent bands are usually integrated and prepared on a single chip in multi-chip and multi-band applications of the same component.Therefore,the crosstalk between the chips and the reflection of the chip metal film area will have some impact on the spectral characteristics.In order to reduce the influence of band crosstalk,this paper studies the low-temperature quantificational spectrum control of integrated dual-band chip package.By preparing integrated dual-band chip package,two-band beam isolation is achieved through physical isolation between wavebands and physical cover of the metal areas.The test results show that the spectral crosstalk between chips has been significantly improved after isolation.The crosstalk between bands has been reduced from 8% to 4%,and the out-of-band response has been reduced from 6.5% to 0.78%.In order to avoid the problem of thermal mismatch between the physical isolation strip and the chip under the condition of low temperature,the isolation strip adopts the material which is completely consistent with that of the chip substrate.High-low temperature impact test of dual-band chip package shows that the thermal mismatch of the key components in the package can be solved while effectively suppressing the crosstalk in the package.

quantificational spectrum control;detector assembly;low temperature spectrum;physical insulator;optical cross-talk

2017-05-11；

2017-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61376052)

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61376052)

2095-1531(2017)06-0744-08

TN215

A

10.3788/CO.20171006.0744