用于焦平面阵列探测器的探测模块的制作方法

本实用新型属于光电技术领域，更具体地，涉及一种用于焦平面阵列探测器的探测模块。

背景技术：

焦平面探测器是由探测模块和负责信号处理的读出电路两部分构成。根据设计结构的不同，焦平面探测器分为单片式和混成式，目前混成式结构使用较多，混成式就是将探测器和读出电路分开设计，由两组独立的工艺流程分别完成制造，现在一般采用倒装焊技术将这两组组合起来。随着焦平面探测器在各领域应用的发展，焦平面探测器的分辨率像素越来越大，像元距离越来越小，对焦平面探测器的工艺技术要求也越来越高，所需的工艺窗口越来越小。

读出电路上连接有铟凸点，铟凸点是像元的一部分，随着焦平面探测器的发展，现有的倒装焊设备的精度已不能完全满足越来越小的铟凸点倒装焊工艺，而且正因为铟凸点越来越小，在倒装焊受压过程中铟凸点容易产生滑移，使相邻两个铟凸点实际上也就是相邻的两像元容易发生短路，最终形成坏像元。

尽管科研人员在努力提高工艺水平并且取得了一定的效果，但其制造成本大幅上升，稳定性也令人担忧，产品的加工良率也不够高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于焦平面阵列探测器的探测模块，其目的在于解决倒装焊受压过程中可能会产生滑移导致相邻两个像元短路，最终形成坏像元的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于焦平面阵列探测器的探测模块，包括光敏衬底，还包括连接在所述光敏衬底表面的金属单元阵列，所述金属单元阵列中的金属单元包括外部框体以及内部中空区，所述外部框体为圆框或方框，所述外部框体的前后端或左右端设置有开口，所述金属单元的表面覆盖有连接层。

优选地，相邻的所述金属单元的开口方向不同。

优选地，所述金属单元由下至上依次为第一粘附层、阻挡层、主体层、第二粘附层、浸润层。

优选地，所述第一粘附层的材料为Ti、Cr、Sn中的任意一种；所述阻挡层的材料为Au或Pt；所述主体层的材料为Al；所述第二粘附层的材料为Ti、Cr、Sn中的任意一种；所述浸润层的材料为Au。

优选地，所述金属单元的厚度为0.5μm～5μm。

优选地，所述连接层的材料为铟，其厚度小于所述金属单元阵列的厚度。

按照本实用新型的另一个方面，提出了一种包括上述探测模块的焦平面阵列探测器，该焦平面探测器还包括读出电路板和铟凸点单元阵列，所述铟凸点单元阵列具有与金属单元一一对应的铟凸点单元，所述铟凸点单元一端连接在读出电路板上，另一端与对应的金属单元连接。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明提出了一种用于焦平面阵列探测器的探测模块，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型提出的探测模块包括：光敏衬底、连接在光敏衬底表面的金属单元阵列，覆盖在金属单元表面的连接层，金属单元包括外部框体以及内部中空区，并且由于该金属单元的外部框体为圆框或方框形，相对于现有技术中直接与平面结构的光敏衬底进行倒装焊而言，本实用新型中的探测探测模块在进行倒装焊时，读出单路板上的铟凸点单元将被限制在圆框或方框形内，有利于限制铟凸点单元在倒装焊时受压滑移，提高铟凸点单元与探测模块连接的成功率和稳定性，有较好的抗滑移效果，尤其适用于小像元焦平面探测器芯片大批量制造(因为铟凸点实际上是像元的一部分，像元越小，其铟凸点单元距离小，对滑移控制要求越高)，可以解决倒装焊受压过程中可能会产生滑移导致相邻两个像元短路，最终形成坏像元的技术问题；

(2)由于封闭的圆框或方框形金属单元在后期剥离金属时，金属单元内部中空区内的金属会形成碎颗粒并粘附到光敏衬底上不易清洗，本实用新型采用前后端或左右端开口的圆框或方框形金属单元，从而使金属单元内部中空区内的金属通过开口与金属单元外的金属连为一片，在后期剥离时易于被带走，便于多余金属的剥离；

(3)由于本实用新型提出的探测模块的相邻的金属单元的开口方向不同，保证了横向和纵向方向的铟凸点单元在与探测模块进行倒装焊连接时均能起到抗滑移作用；

(4)本实用新型提出的探测模块仅需要一道光刻工艺和一道镀膜工艺即可实现，制备相对简单，现有的工艺技术和材料即可满足，成本较为低廉。

附图说明

图1是圆框形的金属单元阵列结构示意图；

图2是方框形的金属单元阵列结构示意图；

图3是焦平面探测器的探测模块与读出电路板倒装焊前的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光敏衬底；2-金属单元阵列；3-连接层；4-铟凸点单元阵列；5-读出电路板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如附图3所示，一种用于焦平面阵列探测器的探测模块，包括光敏衬底1，还包括连接在光敏衬底1表面的金属单元阵列2，金属单元阵列2中的金属单元包括外部框体以及内部中空区，该外部框体为圆框或方框，外部框体的前后端或左右端设置有开口；设置开口的原因是如果采用封闭的圆框或方框形金属单元，在后期剥离金属时，金属单元内部中空区内的金属会形成碎颗粒并粘附到光敏衬底1上不易清洗，本实用新型采用前后端或左右端开口的圆框或方框形金属单元，从而使金属单元内部中空区内的金属通过开口与金属单元外的金属连为一片，在后期剥离时易于被带走，便于多余金属的剥离。圆框或方框形的金属单元阵列结构示意图见图1与图2。

所述金属单元的表面覆盖有连接层3。金属单元阵列2的作用是连接光敏衬底1与连接层3，由于金属单元包括外部框体以及内部中空区，外部框体为圆框或方框，使得覆盖在其表面的连接层3同时覆盖在内部中空区内以及圆框或方框形的外部框体表面；已知探测模块必须与焦平面探测器中读出单路板上的铟凸点配合使用，相对于现有技术中直接将铟凸点与平面结构的光敏衬底进行倒装焊而言，本实用新型中的探测模块在进行倒装焊时，读出单路板上的铟凸点单元将被限制在圆框或方框形内，有利于限制铟凸点单元在倒装焊时受压滑移，提高铟凸点单元与探测模块连接的成功率和稳定性，有较好的抗滑移效果，尤其适用于小像元焦平面探测器芯片大批量制造(因为铟凸点实际上是像元的一部分，像元越小，其铟凸点单元越小，对滑移控制要求越高)。

相邻的金属单元的开口方向不同，保证了在横向和纵向的铟凸点单元在进行倒装焊连接时均能起到抗滑移作用。

金属单元由下至上依次为第一粘附层、阻挡层、主体层、第二粘附层、浸润层。第一粘附层的作用主要是增加金属单元与光敏衬底的粘附性，防止金属单元的脱落，其材料为Ti、Cr、Sn中的任意一种；阻挡层的作用是防止主体层Al金属往光敏衬底1方向扩散，其材料为Au或Pt；主体层是作为金属单元的主体材料和结构，其材料为Al，选用Al的好处是材料价格低廉；第二粘附层的作用是增加主体层Al与顶层浸润层Au的粘附性，其材料为Ti、Cr、Sn中的任意一种；浸润层的材料为Au，Au与铟有较好的浸润性，在后期制备铟凸点时能增加与铟凸点的粘附性。

优选地，金属单元的厚度为0.5μm～5μm。当厚度＞5μm时，不方便在其表面制作连接层3；当厚度＜0.5μm时，无法起到抗滑移作用。

连接层3的材料同样为铟，其厚度小于金属单元阵列2的厚度，如果厚度超过金属单元阵列2的厚度，金属单元阵列2的圆框或方框形的外部框体的形貌容易被覆盖在其表面的连接层3所掩盖。

如图3，本实用新型还提出了一种包括该探测模块的焦平面阵列探测器，该焦平面探测器还包括负责信号处理的读出电路板5和铟凸点单元阵列4，铟凸点单元阵列4具有与金属单元一一对应的铟凸点单元，铟凸点单元的作用是连接连接层3与读出电路板5，且把连接层3的电流传给读出电路板进行处理。铟凸点单元一端连接在读出电路板5上，另一端与对应的金属单元连接；探测模块与读出电路板5采用倒装焊的方式连接。

本实用新型提出的用于焦平面探测器的探测模块的具体制作方法如下：

以目前主流的15μm像元距离的640*512像素的碲镉汞红外焦平面探测器芯片为例：

1、以碲镉汞材料作为光敏衬底的材料，在其内部内完成离子注入，形成pn节，并完成钝化和钝化开孔。

2、采用AZ3260负性光刻胶光刻出如附图1与2所述的圆框或方框形的金属单元图形。

3、通过电子束蒸发、热蒸发、或者电镀的方式沉积一层金属膜，金属膜可采用单层或多层金属，厚度为0.5μm～5μm，具体厚度依据像元间距调整。其中，金属结构由下往上依次可包含：(1)以Ti、Cr或Sn为材料，厚度10nm-50nm的第一粘附层；(2)厚度20nm-100nm的Au或Pt材料的阻挡层；(3)厚度500nm-2000nm的Al材料主体层；(4)厚度10nm-50nm的Ti、Cr或Sn第二粘附层；(5)厚度20-50nm的Au材料的浸润层。

完成金属镀膜后，将光敏衬底放丙酮溶液浸泡15min，通过剥离工艺将多余的金属剥离掉，并去除光刻胶，即形成图1和2所示的金属单元阵列图形。

制备完金属单元结构后，通过光刻和镀膜工艺制备直径9μm，厚度1um的连接层，由于连接层的厚度较薄，使得连接层能够保持金属单元阵列的圆框或方框形外部框体的形貌，保证抗滑移效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。