ФОТОПРИЕМНЫЙ МОДУЛЬ НА ОСНОВЕ PbSe

Заявляемая полезная модель относится к области полупроводниковых приборов, которые предназначены для регистрации инфракрасного излучения и использования в оптико-электронной аппаратуре, где требуется обнаружение инфракрасного излучения. К такой аппаратуре относятся тепловизионные устройства и теплопеленгаторы, применяющиеся в различных областях техники.
Фотоприемный модуль на основе PbSe представляет собой гибридную микросборку, состоящую из фоточувствительного элемента на основе PbSe, выполненного в виде многоэлементной линейки с контактным растром, изготовленной по усовершенствованной халькогенидной технологии на подложке из матированного кварца и кристалла БИС-считывания (мультиплексора) изготовленного по р-канальной технологии, соединенных между собой методом перевернутого монтажа (flip-chip).
Аналогом предлагаемого устройства является сенсор, включающий массив чувствительных элементов и схему для индивидуальной адаптации чувствительных элементов [патент US №5,600,143 от 04.02.1997]. Устройство содержит фоточувствительную структуру на основе халькогенида свинца и схему съема и обработки сигнала, соединяющимися проводными связями.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является двухцветный фотопроводящий линейный детектор [патент US №5,525,801 от 11.06.1996]. Это устройство имеет в своем составе фотомодуль, находящийся на теплопроводной подложке, подобный предлагаемому. Фоточувствительный элемент выполнен в виде линейки на основе PbSe, и соединяется электрическими проводниками с помощью микросварки с мультиплексором, обеспечивающим съем и обработку сигналов с фоточувствительных элементов.
Недостатком выбранных аналогов являются: крупные габариты, большая трудоемкость монтажа, а также низкая надежность в местах соединения контактных площадок фоточувствительного элемента со схемами считывания сигнала.
До недавнего времени, в качестве метода стыковки фоточувствительных структур на основе халькогенидов свинца и БИС-считывания применялся метод разварки контактов тонкой проволокой, как это реализовано в аналоге и прототипе фотомодуля [патент US №5,600,143 от 04.02.1997], [патент US №5,525,801 от 11.06.1996]. В связи со значительным увеличением числа фоточувствительных элементов и соответственным уменьшением их размеров этот процесс становится трудоемким. Помимо затрат времени на монтаж, такие конструкции, разваренные золотом, имеют большие массогабаритные характеристики и низкую надежность в местах сварки. На фоне вышеперечисленных, недостатков становится преимущественным использование технологии перевернутого монтажа (flip-chip) с использованием индиевых микроконтактов, которые обеспечивают электрическую и механическую связь фоточувствительного элемента с БИС-считывания, позволяя значительно снизить трудоемкость монтажа и повысить эффективность изготовления фотомодуля. Это позволяет конструктивно выполнить фотомодуль в виде гибридной сборки и расположить БИС-считывания на фоточувствительном элементе, снизить габариты и повысить надежность фотомодуля.
Для фотоприемников на основе халькогенидов свинца (PbSe) эта конструкция является принципиально новой.
Задачей полезной модели является снижение габаритных размеров конструкции, повышение надежности и снижение времени и трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что фотоприемный модуль, содержащий фоточувствительный элемент на основе PbSe, изготовленный в виде многоэлементной линейки, и БИС-считывания, выполнен в виде гибридной сборки с использованием метода перевернутого монтажа (flip-chip), где индиевые столбики, нанесенные на контактные площадки ламелей фоточувствительного элемента, стыкуются с индиевыми столбиками БИС-считывания, выполненного по p-канальной технологии, образуя электрическую и механическую связь.
Снижение габаритных размеров, по сравнению с конструкцией разваренной тонкой проволокой, достигается установкой БИС-считывания на фоточувствительный элемент с образованием электрической и механической связи, следовательно, не требуется дополнительная фиксация схемы считывания относительно фоточувствительного элемента.
Повышение надежности, по сравнению с использованием тонкой проволоки, достигается увеличением площади контактирующих поверхностей, и защитой соединений от внешних воздействий корпусом БИС-считывания.
Снижение времени и трудоемкости изготовления достигается применением метода групповой холодной сварки, где стыковка контактов проводите и одновременно, за одну операцию с помощью специальной установки. Разварка контактов проволокой проводится последовательно и занимает значительно больше времени.
Предлагаемые решения поясняются следующими иллюстрациями:
фиг.1 - фотомодуль. Фоточувствительные элементы и ламели в выделенной области увеличены и показаны условно;
фиг.2 - фрагмент фоточувствительного элемента;
Фотомодуль включает в себя:
1 - фоточувствительный элемент на основе PbSe;
2 - фоточувствительные элементы расположенные в виде линейки;
3 - ламели;
4 - БИС-считывания;
5 - подложку;
6 - индиевые столбики.
Конструкция фотомодуля позволяет обеспечить раздельное изготовление и контроль фоточувствительных элементов, автономное изготовление и контроль мультиплексоров с последующей сборкой фотомодуля, что позволяет обеспечить удовлетворительный процент выхода годных фотомодулей.
На контактные площадки фоточувствительного элемента и БИС-считывания наносятся микроконтакты, выполненные в виде индиевых столбиков, затем проводится точная стыковка контактных площадок фоточувствительного элемента и БИС-считывания. При комнатной температуре под давлением на кристалл БИС-считывания происходит диффузия индиевых микроконтактов друг в друга с образованием электрического и механического соединения, между фоточувствительным элементом и кристаллом БИС-считывания.
Индиевые контактные столбики обеспечивают механическое и электрическое соединение функциональных узлов полупроводниковых приборов собранных методом групповой холодной сварки (flip-chip), к прочности их соединения предъявляются жесткие требования.
Прочность соединения определяется величиной прикладываемого при сборке давления, которое, в свою очередь, обусловлено величиной площади соединяемых поверхностей с образованием контакта, а также их чистотой, в частности, наличием и толщиной естественного окисла, так как наиболее качественная сварка достигается при слипании чистого индия.
2
Фоточувствительный элемент изготовлен на подложке, в качестве которой традиционно для пленок PbSe применена подложка из полированного фотостекла размером 25,0×25,0 мм с линейкой фоточувствительных площадок по 256 элементов в каждой.
Фоточувствительные элементы имеют размеры 40×60 мкм, зазор между соседними элементами в одном ряду 10 мкм.
Подложка с фоточувствительными элементами делится на две зоны: собственно фоточувствительный элемент с рядом фоточувствительных площадок и контактным растром с ламелями, шириной 60 мкм и шагом 80 мкм, на которые после изготовления фоточувствительного элемента и растра наносятся индиевые контакты высотой ~5 мкм, необходимые для электрической и механической стыковки с БИС-считывания. Качественная реализация этого процесса сложна из-за значительной толщины напыляемого слоя индия, зернистой структуры пленки, низкой механической прочности и малой температуры плавления.
Покрытие подложки состоит из трех компонентов - Cr, Pd, Au общей толщиной около 0,2 мкм. Омический контакт золото-селенид свинца обеспечивается золотой пленкой, которая наносится в вакуумном процессе с использованием процесса обратной фотолитографии. На этой стадии сформированы фоточувствительные линейки шириной 40 мкм и общий электрод шириной 80 мкм. Фоточувствительные площадки и контактный растр формируются ионно-плазменным травлением через фоторезистивную маску.
Для стабилизации параметров фоточувствительных площадок и предохранения контактного растра от механических воздействий весь фоточувствительный элемент, за исключением ламелей под разварку, покрывается защитным покрытием - фоторезистом.
Для стыковки БИС-считывания с фоточувствительным элементом непосредственно через индиевые столбики невозможно использовать классическую технологию, где контактный растр фоточувствительного элемента представляет собой подслой из трех металлов Cr-Pd-Au, так как подслой из Au при контакте с индием подвергается деградации с ухудшением электрических и механических параметров. В стандартную технологию изготовления фоточувствительных элементов дополнительно введены новые операции, такие как нанесения на контактные площадки поверх основного подслоя подслоев из хрома и индия, это позволило получить фоточувствительные элементы готовые к стыковке с БИС-считывания.
Сочетание описанных особенностей конструкции позволило создать компактный, технологичный фотомодуль.