超大規(guī)模紅外器件混成互連的新設備與新方法

謝 珩，張毓捷，王憲謀

(華北光電技術研究所，北京 100015)

1 倒裝焊原理和互連過程

1.1 倒裝焊原理及功能［1］

倒裝芯片是將芯片的有源面(具有表面鍵合壓點)面向基座的粘貼封裝技術(即把芯片反轉，將有源面向下放置——這就是稱為“倒裝”的原因)。這是目前從芯片器件到基座之間最短路徑的一種封裝設計，為高速信號提供了良好的電連接。由于它不使用引線框架或塑料管殼，所以重量和外形尺寸都有所減小。倒裝焊機使用對準鍵合工具吸住芯片，利用自對準顯示系統(tǒng)將芯片放在基座上，芯片的焊料凸點被定位在相應的基座接觸點，用加熱加壓的方法引起焊料回流并形成基座和芯片之間的電學和物理連接。與其他互連技術相比，倒裝芯片互連技術有一些獨特的優(yōu)點:有可靠的電學性質，因連接線短，寄生阻抗低，具有良好的抗電磁干擾能力;在實現電互連的同時也起到了機械連接作用，具有很高的機械可靠性和有效的熱傳導特性。

1.2 紅外探測器和讀出電路的互連過程

紅外探測器組件的探測器芯片和讀出電路是分開制備的。在讀出電路表面制備與探測器芯片電極一一對應的銦柱，互連時把探測器芯片上的電極與讀出電路上的銦柱面對面一一對準，經調平后壓焊在一起，目前通常采用重疊影像的方式來實現。

在探測器與讀出電路之間放置一光學對準裝置，把兩芯片表面的圖像同時成像在同一個視頻監(jiān)視器上，通過預先在芯片上設計好的調平和對準標記來實現兩芯片調平和對準。從監(jiān)視器上判斷兩個芯片的凸點完全對準以后，撤出光學對準裝置，由微處理器控制精密機械系統(tǒng)實現兩芯片的焊接。圖1、圖2和圖3顯示了完整的互連過程。

2 FC300和FC150的主要參數對比

紅外探測器芯片和硅讀出電路芯片的互連混成是生產紅外焦平面器件的關鍵工藝技術之一，其中倒裝焊接機是互連混成的關鍵設備。到目前為止，世界上只有少數發(fā)達國家擁有生產高精度倒裝焊接機的能力，國內相關紅外探測器研制機構和制造商都是使用法國SET公司的FC150倒裝焊。FC300是FC150的型號升級增強版，主要參數和功能對比如表1所示:

表1 FC300和FC150的主要參數對比

從表1中可以看出，倒裝焊接機FC300無論是在互連壓力、精度等參數，還是在新功能模塊的開發(fā)上，相比FC150的性能都有巨大提升。

3 自適應調平系統(tǒng)(selflevelling)介紹及應用

3.1 自適應調平系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)能夠實現從凸點接觸到整個互連加壓過程結束，均能進行互連平行度自適應調整，即可變形自動調平系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過高精度彈簧活塞(如圖4所示)來調整其自身的上下兩個金屬板來實現對器件和讀出電路調平時的不平行度的校正，從而真正獲得極為均勻的壓力載荷的施加。

這些活塞傾斜方向會聚于芯片表面和讀出電路表面的中心處，在進行自適應調平校正時，活塞以會聚中心為支點通過其內部彈簧的調節(jié)來實現對調平平整度的校正，由于活塞傾斜方向的會聚中心就是器件表面和讀出電路表面的中心，故而以其為支點進行校正避免了在X－Y平面內凸點對準的偏移，在互連加壓過程中獲得了極好的平行度結果并保證了對準精確性。

3.2 自適應調平系統(tǒng)的應用(來自法國LETI實驗室2K ×2K 互連試驗［2］)

在2K×2K超大規(guī)模面陣器件互連工藝中，由于像元間距很小，凸點高度受到限制［3］，LETI實驗室和SET共同在FC300倒裝互連系統(tǒng)中開發(fā)了“Insertion”工藝［4－5］，從圖 6 中可以看出，在沒有自適應調平系統(tǒng)的時候，由于凸點接觸時不可避免的存在一定程度調平上的不平行度，而這在超大規(guī)模面陣器件的互連中可能導致器件一側的凸點互連失敗;而加入了自適應調平系統(tǒng)后，從器件和讀出電路凸點接觸的一刻起直到整個互連加壓過程結束，該系統(tǒng)均能進行互連平行度自適應調整，從而保證了互連效果。

圖6 自適應調平系統(tǒng)實現更好的平行度調整示意圖

4 干涉儀系統(tǒng)對超大尺寸器件的平面檢測及控制

對于超大規(guī)模面陣器件的互連工藝來說，鍵合加壓之前探測器芯片自身的平面度對于互連結果的成敗同樣是極其關鍵的。當探測器芯片自身的形貌存在嚴重翹曲或在倒裝焊接機吸取探測器芯片時，由于探測器芯片背面可能會存在顆粒物而導致芯片翹曲變形，特別是當器件面陣的規(guī)模很大時由于探測器芯片或是讀出電路芯片翹曲變形而引起的嚴重平行度失配將會導致器件某一側凸點無法接觸，產生大量盲元從而互連失敗。

為了檢測和避免在倒裝焊接機吸取探測器時探測器背面顆粒物的存在，并在互連調平時實現依據探測器和讀出電路表面形貌的觀測結果來進行探測器和讀出電路平整度的自動匹配，如圖7和圖8所示，新的倒裝互連系統(tǒng)采用了干涉儀檢測表面形貌并將探測器和讀出電路的表面形貌輸入到倒裝焊接機的調平系統(tǒng)并依據上下芯片的表面形貌來進行平整度的匹配調節(jié)。

圖7 干涉儀系統(tǒng)

圖8 干涉儀監(jiān)測表面形貌示意圖

這對超大規(guī)模面陣器件的互連工藝而言，避免了以往單純依靠芯片四周調平標記來代表芯片整個平面進行上下兩芯片調平而忽略探測器和電路本身實際表面形貌狀態(tài)所帶來的平整度匹配上的誤差，從而在根本上實現了超大面陣器件互連調平平整度的優(yōu)化匹配，帶來了超大規(guī)模面陣器件互連調平方式上的巨大優(yōu)化改進。

5 總結

隨著紅外技術的快速發(fā)展，超大規(guī)模面陣器件的混成互連成為一個難題，倒裝焊接設備FC300憑借其出色的性能以及定向研發(fā)的自適應調平系統(tǒng)和干涉儀系統(tǒng)，為紅外探測器芯片和讀出電路芯片的混成互連提供了優(yōu)秀的平臺。

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