论文部分内容阅读
开发基于多种量子效应的GaAs光电探测器及其系统，使之具有高增益、极低噪声、高帧速、高清晰度等特性，将更好地满足航空航天、工业监控检测等军民领域的需求。圆片级封装及三维系统封装是先进电子封装技术的两种重要形式，两种技术可进一步减小封装体积、减轻重量及降低成本，同时可提高封装密度和可靠性，在消费电子领域，如硅基图像传感器领域发展迅速。然而，在GaAs光电探测器封装及系统集成方面，由于材料、工艺及成本等原因，其封装形式还停留在分立器件封装的初级阶段。因此，开展对新型GaAs光电探测器先进封装及其系统集成的研究具有重要意义，可提升GaAs光电探测器的性能并促进相关设备的微型化。 本论文根据GaAs光电探测器封装层级和采用封装技术的不同，内容划分为新型GaAs光电探测器圆片级封装和新型GaAs光电探测器系统集成封装两大部分。一方面，开展了新型GaAs光电探测器圆片级封装设计、工艺及测试方面的研究，解决了圆片级封装设计、制造工艺和测试方面的一些关键技术。另一方面，实现了GaAs基光电探测器芯片在硅转接板上与硅基读出电路的三维异质集成，通过硅转接板中的TSV结构，实现了光电芯片与读出电路的垂直互连，完成了系统性能测试。两部分的具体成果如下: 在新型GaAs光电探测器圆片级封装的研究中，首先进行了基于穿晶槽型互连结构的GaAs圆片级封装方案及结构设计，并对实现该圆片级封装方案的关键工艺进行了研究，包括GaAs/玻璃晶圆键合技术、槽型结构制备方案及工艺的研究、槽内光刻及金属化工艺、UBM及凸点制作工艺的研究。在关键工艺研究的基础上，开展了新型GaAs光电探测器圆片级封装样件制作与测试表征，详细研究了圆片级封装样件制作的集成工艺和关键工艺参数，对制作的样件进行了分析和相应的电学测试。最后，对互连凸点的连接强度进行了剪切力测试与表征。 在新型GaAs光电探测器系统集成封装的研究中，首先研究了基于湿法腐蚀的硅转接板TSV技术。由于传统湿法制作的TSV尺寸较大，因此在尺寸分析和结构设计的基础上，提出了缩小TSV尺寸和提升互连密度的方法，即减小基板厚度、双面湿法腐蚀和“一孔多线”TSV结构。对湿法腐蚀TSV的制作工艺进行了研究，尤其是“一孔四线”TSV的金属化工艺;在此基础上，研究了湿法TSV制作的整体工艺流程，并对工艺结果进行了分析与讨论。对制作的TSV样品进行了电学测试与表征，以验证制作工艺的可行性。其次，研究了将湿法腐蚀TSV技术应用于硅基转接板的制作以及新型GaAs光电探测器三维集成封装。硅基板的制作中，重点进行了在含有湿法TSV的情况下的面向系统集成的金属互连线布线设计，并给出了基板制作结果。针对光谱仪应用，设计了GaAs光电探测器的气密封装金属管壳，并研究了GaAs光电探测器与读出电路的三维堆叠模块及金属气密封装模块的组装工艺，对组装模块进行了气密性测试和对接后器件的光电转换性能测试。