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，蔣夢蝶，

張亞妮1，季 鵬1,2，王 仍1,2，張 麟1

(1.中國科學院 上海技術物理研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200083；2.中國科學院 上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083；3.中國科學院大學，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，蔣夢蝶1,2，

張亞妮1，季 鵬1,2，王 仍1,2，張 麟1

(1.中國科學院 上海技術物理研究所 傳感技術聯合國家重點實驗室，上海 200083；2.中國科學院 上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083；3.中國科學院大學，北京 100049)

在同一組件中多芯片多波段的應用中，由于芯片的中心距越來越小，導致某些相鄰波段通常被集成制備到一個芯片上。為減小波段串擾，本文針對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、金屬區物理遮蓋等措施將兩波段的光束隔離。測試結果表明隔離前后，芯片間光譜串光現象有了明顯改善，波段間串擾從8%降到了4%以內，光譜帶外響應從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表明，其在有效抑制組件內串擾的同時，也解決了組件內關鍵部件的熱失配問題。

光譜定量化；探測器組件；低溫光譜；物理隔離；光學串擾

1 引 言

衛星獲取數據時，受到譬如大氣、雙向反射、地形因素及幾何配準等諸多因素的影響，導致其獲取的遙感信息中含有非目標地物成像信息。另外，由于地面同一地物在不同時間內輻射亮度會隨著太陽高度角的變化而發生變化，導致獲得數據的預處理精度達不到定量分析標準，最終致使探測結果偏差較大。客觀準確地監測識別大范圍和全天候的云圖信息和天氣動態，詳細精確地提供海洋、陸地數值預報已成為現代社會的必要支撐，分析與預測的準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射氣象衛星的國家，自1960年4月1日發射了世界上第一顆氣象衛星—泰羅斯-1(Tiros-1)，后續又發射了10顆泰羅斯系列氣象衛星。接著發展了“艾薩(ESSA)”號太陽同步軌道氣象衛星、地球靜止軌道的“地球靜止環境業務衛星”(GOES)、新一代三軸穩定靜止氣象衛星和諾阿系列極軌氣象衛星。早期氣象衛星雖提供了大量的氣象資料，但衛星云圖分辨率不高，效果不是很理想。這一情況從GOES-8開始有了改變，該衛星攜帶了可同時獨立工作的成像儀和大氣垂直探測儀。采用三軸穩定技術可使靜止軌道衛星每旋轉一圈只對地球掃描一行的工作方式有所改變，其可始終對著地球，從而大大提高了圖像質量、觀測效率和時間分辨率，故可獲得更加詳細的有關云形成的資料。這對監測中小尺度，特別是短時間、小尺度天氣系統十分有利[1-2]。20世紀70年代后期，日本和歐盟也相繼發展了自己的系列靜止軌道氣象衛星。Jeffery J.Puschell等人報道了日本MTSAT靜止軌道氣象衛星定量化控制得到的光譜圖[3]。目前，國內遙感衛星不僅要求組件性能達到系統要求，而且對組件的光譜特性也提出了越來越高的要求。為滿足衛星對定量化的需求，整機系統相繼對組件提出了“矩形”標準光譜的要求。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。隨著同一組件內多芯片多波段的發展，芯片的中心距也越來越小，波段間的串擾越來越顯著，串擾的主要來源是光學串擾。利用幾何光學經過簡單分析可知，縮減濾光片與芯片之間的距離是一種有效的削弱光學串擾的辦法，其主要有兩種解決措施。一種是在芯片上集成濾光膜結構[4-5]，該結構將濾光片與芯片距離縮小為零，從而削弱波段間的串擾。但該方法需要考慮芯片與濾光膜的工藝兼容性及熱力學匹配等因素，實際應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“網兜”式結構，安裝至芯片近表面[6-7]，該方法也是最常采用的方法。

本文設計并研制了一體化雙波段芯片集成封裝組件，分別從結構設計、影響因素、設計要點、低溫光譜串擾及熱可靠性等方面進行了分析和實驗研究。

2 組件研制

2.1 組件結構設計

根據整機系統需求并綜合考慮光譜影響因素開展了組件的結構設計。一體化雙波段芯片集成封裝組件由封裝外殼、探測器芯片、支撐、隔離條、光闌、窗口、微型濾光片等形成。芯片為3×2的6元結構，即芯片由2列光敏元組成，每列的3元為“一字型”排列。兩列分別對應兩個探測波段，波段由濾光片實現分光，這兩個波段分別為：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，系統的光學視場角很大(約為60°)。在這種尺寸限制下，雙波段間的光學串擾難以避免，其容易影響到組件的光譜，而紅外光譜的形狀和帶外響應又會直接影響到圖像的反演精度。因此，在小間距大視場的多波段芯片的集成封裝中，通道的串擾和光譜的定量化通常作為一個非常重要的考核標準。對于低溫工作的探測器組件，熱應力也是一個需要著重考慮的因素。本文重點從波段間的光學串擾和防雜散光及熱匹配方面進行設計。由于紅外波長較長，且紅外波段的探測器組件通常工作在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。在封裝結構中，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]。這是因為濾光片與芯片的距離越近，兩個波段間的相互串光越小，當濾光片與芯片的距離與透過光的波長相當時，光的干涉、衍射等現象和影響則不能忽略。為了避免干涉、衍射效應引起的光譜異常，濾光片與芯片間的距離也不能過小。

圖2 組件結構設計圖Fig.2 Component structure design

2.2 光譜影響因素及設計要點

在組件設計中，光路中的關鍵面可分為光學面和機械面兩大類。窗口、濾光片都在光路中，被光敏元可視，也都會被信號光照亮，都是關鍵面，同時又都是被照射面，所以光學面全部都是重要面。良好光學面的總散射光比例的理論計算公式為:

式中，R為材料的表面發射率，ΔR為散射光的比例，δ為表面粗糙度的均方根，相當于Ra(Ra為輪廓算數平均偏差：是指在取樣長度內，被測輪廓上各點到基準線的距離的絕對值的算數平均值)。

抑制光學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，因而在組件設計中需要盡可能地提高窗口、濾光片等光學鏡面的吸收率和透過率，從而抑制散射和反射；其二，對散射與光學零件表面的顆粒粗糙度RMS息息相關，提高光學零件平面度和清潔度也有利于抑制散射，其需要在鍍膜前對光學零件表面進行精拋光，同時，在光學零件組裝到組件前后時，對零件表面進行清潔處理；其三，減小光學零件的光學余量，減少發生散射的零件的面積，提高光學零件的表面使用率也能夠抑制散射[9]。

對于機械關鍵面，需要分析入射光在光路周圍哪些零件表面可能經過反射、散射、透射等進入光路，影響到成像。根據受照射的強弱確定其是否為重點關注面。

(1)考慮到窗口、濾光片等光學零件的光學面對組件低溫光譜的影響，在組件設計中，需要對該類光學零件做出要求。

首先選用合適的材料，該材料在工作波段內要具有較高的透過率，同時要求膜層加工要有盡可能高的透過率；其二，對光學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，將光學零件的面積控制在合理范圍內，以減少光學零件表面的散射和反射。

(2)考慮到機械面對組件低溫光譜的影響，結構設計中，需要重點考慮濾光片崩邊、濾光片拼縫、芯片邊緣、芯片電極強反射區及其他組件中的零件表面可能對組件低溫光譜產生的影響。

(a)紅外帶通濾光片對組件低溫光譜的影響。

組件結構設計中，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高透過率、帶外抑制，甚至截止的特點，可以實現芯片的窄帶分光，對抑制背景干擾、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現芯片分光時，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，大視場角情況下，設計人員通常將濾光片的崩邊和拼縫作為機械關鍵面，因為其將影響到組件的光譜。

雙通道濾光片拼接時，拼縫的存在將引入雜散光和背景光。因此組件結構設計中，要避免濾光片崩邊距離光路太近。同時拼縫還應盡可能小，且遠離光路。

(b)芯片對組件低溫光譜的影響。

組件設計中，需要考慮芯片邊緣、強反射區可能對組件低溫光譜的影響。

芯片邊緣及強反射區均可能引起一次或多次反射、散射，當這些光線進入光路時，將產生雜散光，影響到成像，高強度的一次散射甚至會產生鬼像。

(c)其他機械面對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)等均可能產生反射、散射、透射等，這些光線進入光路將會影響到成像[10-12]。因此需要在合適的位置采用發黑的光闌對雜散光進行吸收和抑制，同時光闌邊緣應進行刀口設計，以減小雜散光[13-14]。

(3)組件設計中，需要考慮芯片光譜對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光譜相對平滑的，以免芯片光譜位于毛刺或者截止區，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，而相關組裝和封裝過程均在常溫狀態進行。因此，當組件從常溫制冷到低溫后，由于不同零件材料的熱脹系數不同，組件中各零件的尺寸變化量也不同，由此產生的熱應力，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會引起材料熱失配，從而引起低溫下零件形變和濾光片膜層的拉扯，從而導致組件光譜異常，甚至引起失效。因此，組件設計中，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Tab.1 States of samples

根據以上結構設計要求，開展了組件的組裝和封裝。封裝后的樣品形貌如圖3所示，樣品編號為1#、2#、3#。樣品狀態如表1所示。

3 實驗分析

3.1 光闌對散射雜光的影響

在合適的位置設置發黑的光闌可以對雜散光進行有效的吸收和抑制。

光闌孔徑與視場孔徑相同，以限制視場外關鍵表面的數目與大小，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，雜光在管殼內與光闌上散射后，到達像面探測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，多項目中均有“矩形”標準光譜的要求，具體如圖6所示。光譜y=f(λ)曲線要求落在內框和外框之內(即區域C內)，凡是落在內框和外框外(區域A、B)的則為光譜帶外響應。

光譜帶外響應百分比η帶外指落在區域A、B內的面積與總面積之比。外框y=F(λ)，內框y=G(λ)，則有如下表達式：

其中:

圖6 矩形標準光譜框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

對按照結構設計研制的3個樣品測得的低溫光譜及其對“矩形”標準光譜的響應如圖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。同時通過波段間物理隔離、金屬區物理遮蓋將兩波段的光束從物理上進行隔離。結果表明：通過以上措施，波段間串擾從8%降到4%以內，根據以上公式可以算出波段L1光譜帶外響應從3.2%降低至0.18%,波段L2光譜帶外響應從6.5%降低至0.78%。

3.3 熱學分析

針對低溫工作狀態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。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。試驗前后數據如圖10～圖11所示。

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

結果顯示組件在高低溫沖擊試驗前后性能無明顯變化，信號變化小于5%，噪聲變化小于10%。組件通過了高低溫沖擊試驗，在有效抑制串擾的同時，也解決了組件內關鍵部件的熱失配問題。

4 結 論

雙波段芯片集成封裝組件由于受到波段中心距、視場角、工藝等多種因素的制約，波段間光學串擾現象嚴重，本文通過在封裝結構中設置冷光闌、波段間物理隔離、金屬區物理遮蓋的措施將兩波段的光束從物理上進行隔離，以有效解決光譜串擾問題，實現較低的光譜帶外響應，進而實現光譜定量化。實驗結果證明：隔離后，芯片間光譜串光現象有了明顯改善，獲得了形狀很好的低溫光譜，波段間串擾降到了4%以內，光譜帶外響應降低至0.78%以內，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，主要從事紅外探測器件工藝技術、器件性能測試和封裝技術方面的研究。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

國家自然科學基金資助項目(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