车载红外传感器低成本化技术：芯片真空封装和微细化
2014-05-28 20:28:21   来源：BP日经   评论：0   点击：

去掉封装里的金属框

关于红外图像传感器芯片的封装，必须采用真空封装技术的原因是，空气和水分等会降低传感器元件的隔热性，导致灵敏度降低。尤其是热成像仪和热成像摄像头使用的高灵敏度图像传感器，需要非常高的真空度（图1）。采用原来的技术无法一次性真空封装大量芯片，是使成本升高的原因之一。

图1 各种MEMS器件封装要求的真空度。远红外摄像头用图像传感器的封装内的气压低于1Pa时才能发挥出性能，制造难度比其他器件要高。

京瓷利用在半导体的陶瓷封装等领域积累的技术，于2012年开发出了针对红外图像传感器的真空封装新技术。在缩小封装尺寸的同时，减少了封装中使用的部件，简化了封装工序。

保持封装内真空度方面存在的问题是真空封装后的残留气体。成为真空状态后，任何物质都会产生一定量的气体。物质表面附带的气体和溶入其内部的气体无法在封装前完全去除，但这会使封装内的真空度大幅降低，导致传感器的灵敏度下降。

因此，高灵敏度传感器会配置吸收封装内残留气体的材料“吸气剂”（Getter）。以往的技术是在支撑体上配置长条片形状的吸气剂。而京瓷的新技术采用蒸镀方式的吸气剂，无需支撑体（图2）。为了进一步减少残留气体，还新开发了气体释放较少的新材料，配置在传感器芯片和陶瓷基板之间作为底衬。

图2 京瓷开发的远红外图像传感器用封装技术。不但去掉了金属框，还设法减少了导致真空度降低的残留气体。不仅把原来为23×23mm的封装尺寸缩小到14×14mm，还简化了封装工序，可大量生产。

京瓷的新技术无需使用包覆封装的金属框。以往的封装是在陶瓷基板上配置金属框，在金属框上设置作为红外入射窗的硅制红外透射罩。为了进行真空封装，基板和金属框之间用金（Au）-锡（Sn）焊接。在透射罩与陶瓷基板间设置金属框是因为，透射罩的材料硅和陶瓷的热膨胀率不同。如果直接把透射罩和基板接合在一起，温度变化引起的膨胀差会导致接合部分破损。

如果封装的尺寸较小，透射罩和基板的膨胀差有可能在容许范围内，但“不清楚多小才安全”（京瓷半导体部件事业本部、事业推进部、国分海外基地支援课负责人长井直行）。因为在真空封装之后，无法测量封装内的真空度变化。

对于这个问题，长井等人得到了日本立命馆大学理工学部机械工学科教授木股雅章研究室的协助，利用木股研究室开发的0.8mm见方的微真空计、非破坏地测量真空度（图3（a））。利用该测量方法对真空封装后的真空度变化进行测量后确认，如果是正好能收纳9mm见方传感器芯片的14mm见方的封装尺寸，即使温度变化，接合部分也不会破损，封装内的真空度不会下降。另外，还能利用该测量方法测评新采用的蒸镀吸气剂和新底衬材料的性能。

图3 采用微真空计的测量得到了立命馆大学木股雅章研究室的协助（a），还开发了统一处理大量封装工序的装置。京瓷以新技术为基础，开展了传感器封装受托加工业务。

统一处理大量芯片

去掉金属框和吸气剂的支撑体还能简化封装工序。因此，京瓷还新开发出了能对大量传感器芯片统一进行真空封装的封装设备（图3（b）），并利用该设备，面向传感器芯片厂商等推出了芯片封装受托加工业务。

京瓷此次开发的是640×480像素传感器芯片的封装技术，不过也能用于320×240像素以下的传感器芯片。该公司打算首先瞄准车载传感器芯片市场，然后再向低价位红外传感器芯片推广。由此，各种类型的红外传感器系统都有望实现小型化和低成本化。

像素间距缩至12μm

红外图像传感器芯片的微细化方面，如果能缩小像素间距，则无需削减像素数量也能减小传感器芯片的尺寸。也就是说，从一个晶圆上能切割出的芯片数量会增加，能降低成本。芯片尺寸减小，透镜也能实现小口径，因此传感器系统整体的成本可进一步降低。

NEC在2012年开发出了把像素间距由原来的23.5μm缩小到12μm的640×480像素的图像传感器芯片（图7）。采用该芯片的红外摄像头模块目前正在样品供货。据NEC电波及电磁感应事业部、红外传感器小组高级经理佐佐木得人介绍，“以前的摄像头模块的尺寸跟成年人的拳头差不多，而新开发的模块长度和宽度缩小到了27mm左右”（图4）。

图4 接近红外线的衍射极限

NEC开发的像素间距为12μm的传感器元件（左上及左下的图）和采用该元件的640×480像素的远红外摄像头模块（右上）。由于像素间距已接近红外线的衍射极限，因此，要想进一步获得进展，要采用单纯的微细化以外的技术。

该传感器芯片采用了NEC新开发的、采用牺牲层蚀刻的3层元件结构，实现了高隔热性小型传感器注6）。该芯片是面向高端传感器系统开发的，NEC还打算利用该技术开发低成本的中端芯片。

注6）实施了在传感器材料氧化钒（VOx）中添加铌（Nb）以提高电阻温度系数，从而提高传感器灵敏度的改良。

此外，还有一个方法能降低红外传感器系统的成本，那就是减少传感器像素的数量、通过软件处理来弥补。NEC开发出了通过分析视频内连续的多个帧，把在像素间进行插值的图像处理技术“超解像”用于热成像仪和热成像摄像头的热图像的技术。该公司的子公司Avionics已将这种技术用于热成像仪。利用该技术，320×240像素的机型可拍摄640×480像素的热图像，640×480像素的机型可拍摄1280×960像素的热图像。