专利名称：一种实现红外焦平面阵列探测器中硅读出电路测试的方法
技术领域：
本发明涉及到一种实现红外焦平面阵列探测器中硅读出电路测试的方法，更确切地说是一种在不使用昂贵红外焦平面器件的情况下实现硅读出电路进行测试的一种方法， 属于半导体集成电路封装测试领域。
背景技术：
在制冷型红外焦平面成像系中，最核心的芯片如图I示，是由焦平面阵列器件芯片101与读出电路103通过铟凸点102倒装互连而成，其中红外焦平面阵列器件芯片接收被探测物辐射出的红外信号并将其转换为电信号，实现光电转换过程，读出电路负责光电信号采集及放大处理。在芯片制作过程中，焦平面器件与硅读出电路制作是分开进行的； 完成焦平面器件与硅读出电路制作后，对它们的测试则至关重要。最简单也是常用的测试方法是将焦平面器件阵列器件与硅读出电路直接倒装对接后测试组装后的芯片性能。很明显，这种方法有其缺点(1)为测试硅读出芯片，必须保证红外焦平面阵列器件性能正常， 这一点并不容易做到；(2) —般制冷型焦平面探测器是基于HgCdTe，AsInGa等非工业常用半导体材料制作而成，其制作工艺过程复杂，成本高，而硅读出电路制作技术成熟,相对成本低，用高成本芯片对低成本芯片进行测试不是一种明智选择。因此有必要采取一种成本低，工艺简单的方法(不用制作好的焦平面阵列器件)来实现对硅读出电路性能的测试，而这正是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现红外焦平面阵列探测器中硅读出电路测试的方法。为阐述本发明的原理，特将此类红外光电的原理做简要说明焦平面阵列器件是制作在 HgCdTe, AsInGa等半导体材料上的光电二极管的密排阵列，每一个光电二极管就是一个像元，这些像元接收被测物体辐射的红外光信息，并将其转换为电信号，实现光电转换；另一方面，硅读出电路经由铟凸点采集此电信号，并将其进行放大等处理。在此过程中，焦平面阵列器件负责光电信号输入而读出电路则负责光电信号的处理。若采用实验室电源进行微弱电流来替代焦平面器件微弱电流信号的输入，则可实现在不使用昂贵红外焦平面阵列器件的情况下实现对硅读出电路的测试。由图I可知，硅读出电路上的电极很�。脸龅缏沸酒虾概瘫叱ひ话阄�60-80μπι的正方形，直接用实验室设备经这些电极向硅读出电路输入信号是不可能的。为了能利用实验室电源进行电流输入，需将这些密排的电极进行重排， 最终实现在PCB上输入输出微弱电信号的输入输出，实现对硅读出电路的检测。从测试原理可看出，读出电路芯片上的焊盘重布是实现硅读出电路测试的关键，这也是本发明要解决的问题。以图2所示为实际设计出的一种读出电路芯片上的信号输出输入端口排布。该电路中，201为13个信号输入输出端，实现电路进行控制及光电信号的放大输出等功能，由于这13个端子作用各不相同，这13个端子对应的焊盘必须重排对应于PCB板上。202为32X32的阵列单元，它们实现光电信号的接收。此读出电路芯片中焊盘相关的几何参数为焊盘间横向间距为110 μ m，纵向间距为130 μ m，焊盘为60 μ mX60 μ m的正方形，焊盘上钝化层开口为圆形，位于正方形焊盘中心，其直径为30 μ m,在其上制作直径为40 μ m的圆形Ti/Pt/Au UBM层和高度为40 μ m左右的铟焊球。红外焦平面器件倒与该电路倒装互连后，就相当于有32X32 = 1024个信号输入端。注意到测试电路芯片上焊盘上的间距只有 110 μ m和130 μ m,对如此密集的32 X 32焊盘阵列完全对应重排于PCB板上，并在一层基板上将如此密集的焊盘引出而实现其布线工艺难度将非常大，一种方法是制作基于硅的多层测试基板(PCB板无法满足测试中的尺寸要求)。但制作这样的多层基板将涉及到硅通孔 (TSV)、化学机械抛光(CMP)、电镀植球等复杂半导体工艺，制作难度大，成功率很低。注意到该光电二极管阵列中的光电二极管作用是一样的，可考虑减少排布的电极数量，简化焊盘排布过程。测试中，对少量的信号输入端进行测试后，可据测试结果统计出这些输入端的良率来推知32X32个输入端的良率，从而实现硅读出电路的测试。也就是说，测试过程中无需对所有输入电极进行重排，如从32 X 32的阵列中均匀抽取一定数目的焊盘，如每隔I个，
2个，3个......进行抽�。哉庑┍怀槌龅暮概探兄嘏沤岜涞眉虻サ枚唷Ｈ绱�32 X 32
焊盘抽取16X 16个焊盘(占总焊盘的25% )，抽取的焊盘间横向间距变为220 μ m,纵向间距变为260 μ m，对这种规�：统叽绲暮概陶罅械囊�、重排的难点可通过较复杂的版图设计来解决，工艺实现部分将变得简单。全部焊盘实现重排，焊盘数为32X32+13 = 1037，每隔一个焊盘需重排的是焊盘数量为16X16+13 = 269，每隔两个焊盘需重排的是焊盘数量为10X10+13 = 113，每隔两个焊盘需重排的是焊盘数量为8X8+13 = 77。经过简化测试， 焊盘数的减少可见一斑图3所示为倒装基板上与读出电路上相对应的13个控制端焊盘201和均匀提取的16 X 16阵列301，图4为在硅测试基板上实现的16 X 16+13 = 269个焊盘401的重新排布焊盘402的示意图。如图6所示，测试时将读出电路103倒装在基板603上，实现上述 269个焊盘在硅测试基板上的重新排布。最后通过金线606将这些重新排布的焊盘与PCB 板604对接，最终的电路测试操作均在PCB上进行。综上所述，实现硅读出电路上电极焊盘的重新排布是实现发明目的关键所在，而硅读出电路上的电极非常小(300 μ mX300 μ m的正方形)，所以本发明提出了一种简化方法，结合较复杂的版图设计和较简单的工艺即可实现硅读出电路的设计。本发明所提供的一种简单且低成本的焦平面红外光电芯片读出电路测试方法包括(I)采取倒装方式实现硅读出电路与测试基板间的互连；(2)实现硅测试基板与硅读出电路的对接互连后，通过对测试基板上焊盘的重排实现硅测试基板焊盘的重排；(3)减少需排布的焊盘数量，采取较复杂的版图设计来避免复杂的工艺过程；(4)采取lift-off工艺实现测试基板上的焊盘制作，并通过铟电镀的方式在需重新排布的焊盘上制作一层薄的铟镀层；(5)通过打线(wire bonding)工艺实现娃基板与PCB板间的互连,最后读出电路的控制、信号输入和输出均在PCB板上完成。具体步骤是
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A :倒装测试基板的制作(a)在硅片上腐蚀出铝焊盘(I)在四英寸硅片上热氧化出一层氧化层，获得平整绝缘的衬底；(2)在氧化后的硅片上溅射铝膜；(3)薄胶光刻后用铝腐蚀液腐蚀出铝焊盘及铝布线；(b)钝化层制作(I)用 PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition,离子增强型气相沉积法)沉积一层SiO2作为钝化层；(2)光刻后用RIE(Reaction Ion Etch，反应离子刻蚀)对钝化层进行开口，在Al 焊盘上开口；(C)制作种子层(I)薄胶光刻并对硅片清边；(2)派射Ti/Pt/Au种子层，在焊盘上的部分同时作为UBM (underbump metallization)层；(d)薄胶光刻(I)薄胶光刻，光刻完成后用清边机对wafer边缘进行清边；(e)在Ti/Pt/Au UBM上电镀出铟镀层(I)将硅片置于铟电镀槽中进行电镀，电镀得道铟镀层；(f)去除种子层；(I)将电镀完成的硅片放在丙酮中去胶，确认光刻胶去除后借助超声去除种子层， 最终的结果是在需重排的269个焊盘上电镀铟层；注意在重新排布后的焊盘上无铟镀层， 因在后续需要用到wire-bonding工艺,该工艺中需要派金的表面； B :将硅读出电路倒装在测试基板上(I)将硅读出电路倒装焊接到利用上述工艺制作的倒装基板上(倒装焊接前，硅读出电路上已经用电镀法植入了铟焊球；C :用打线方式实现测试基板与PCB板间的互连(I)在PCB板上设计出与硅基板上焊盘相对应的焊盘；(2)用wire bonding方式实现娃基板上焊盘与PCB上小焊盘的对接；D :在PCB板上制作出与小焊盘(300μπιΧ300μπι)对应的大焊盘(2mmX2mm)，利用这些大焊盘，结合实验室设备对微弱信号的输入和输出端信号的控制，实现硅读出电路的测试。
图I为红外焦平面的核心芯片，主要由红外焦平面阵列101，用于互连的铟凸点 102以及硅读出电路103组成；图2为说明测试原理的硅读出电路示意图，该电路中有13个焊盘201作为电路控制端和信号测试端与焦平面阵列二极管相对应的32X32个电流信号输入端口 202 ；图3在32X32阵列中均匀取出16X16个输入端301以及与读出电路的控制端和信号测试端相对应的13个焊盘组成的201 ；
图4为将读出电路中的16X16+13 = 269个焊盘401在测试基板上重排的焊盘 402 ；图5为测试基板制作流程图；⑴基板制作，(2)腐蚀出铝Pad及Al布线，(3)钝化层开口，(4)溅射UBM层，(5)沉积铟层，(6)制作焊盘；图6为将硅读出电路103通过铟凸点阵列102倒装在硅测试基板603上，然后通过金线606将重新排布的焊盘402与就PCB板604上相对应的小焊盘607相连接，通过PCB 板604上的焊盘大608实现信号输入、输出以及电路控制。
具体实施例方式本发明中，主要制作步骤为基板制作和芯片倒装工艺。⑷基板制作基板制作的具体工艺步骤见图(5)所示。在图5(1)中，以硅片501为衬底，在其上氧化一层厚度为4000A-6000A，优先为 5000A的SiO2 502作为绝缘层，然后在其上溅射一层4000-6000A厚的Al层503 ；图5 (2)中，在溅射503的衬底上涂覆1.5-2μπι，优先1.7μπι的S1912薄胶后光刻，光刻完毕之后在Al腐蚀液中腐蚀出铝pad以及Al布线504 ；图5 (3)中，为保护Al焊盘以及Al走线，用PECVD方法(离子增强型气相沉积)制作一层厚度为5000A的Si02作为钝化层505。紧接着再一次涂覆I. 7 μ m的S1912薄胶并光刻，然后用RIE (离子反应刻蚀)去除Al焊盘504上的部分Si02以实现钝化层开口 506 ；图5 (4)中，再一次涂覆S1912薄胶并光刻507并在其上溅射种子层和UBM层 Ti/Pt/Au(300A/200 A/2000 A) 508 ;为在其后的种子层比较容易去除，光刻胶厚度为 2-3μπι之间；溅射Ti/Pt/Au种子层之前需对硅片进行清边，以使种子层与硅片边缘形成比较牢靠的接触；光刻完成后用磁控溅射在衬底上溅射Ti/Pt/Au (300A/200 A /2000人)作为种子层508，铟凸点下的部分将作为其UBM层，其中溅射的金的厚度为2000 A，主要是为了在图所示的外围焊盘上能够顺利打线。图5(5)中，涂覆2_3μπι的S1912光刻胶并光刻，得到光刻后的509 ;将硅片置于铟电镀槽中，以5mA-15mA/cm2的电流密度在需重排布的焊盘上沉积一层厚度为2_3 μ m的铟层510，电镀此铟层主要是为了在将硅读出电路倒装在硅基板上时能得到良好的焊接效果;图5(6)中，将上述处理的娃片放于丙酮中浸泡足够的时间,确定光刻胶507和509 均被除去后将硅片置于超声设备中去除种子层；最后得到具有Ti/Pt/Au/In横截面的焊盘 511。(B)芯片倒装如图6所示，将已植入铟球102的硅读出电路芯片103与制作的硅测试基板603进行倒装。倒装中采用karlsuss倒装焊机，工艺参数为吸头压力2_5kg，吸头温度为100°C， 焊接 O. 5-2min。(C)利用打线方式实现测试基板与PCB板间的互连先是设计出与硅基板上焊盘相对应的焊盘，然后用打线方式实现硅基板上焊盘与 PCB上小焊盘对接。
(D)倒装基板与PCB互连对需测试的点，经由金线606实现硅基板上焊盘402与PCB板604上小焊盘607 的互连，经由大焊盘608实现控制端、输出端电流电压等电信号输入输出，测试电路硅读出电路性能。所有的信号输入、输出、控制均可在PCB板上完成。
权利要求
1.一种实现红外焦平面阵列探测器中硅读出电路测试的方法，其特征在于(1)采取倒装方式实现硅读出电路与测试基板间的互连；(2)实现硅测试基板与硅读出电路的对接互连后，通过对测试基板上焊盘的重排实现硅测试基板焊盘的重排；(3)采取较复杂的版图设计来避免复杂的工艺过程以减少需排布的焊盘数量；(4)采取lift-off工艺实现测试基板上的焊盘制作，并通过铟电镀的方式在需重新排布的焊盘上制作一层薄的铟镀层；(5)通过打线(wirebonding)工艺实现娃基板与PCB板间的互连,最后读出电路的控制、信号输入和输出均在PCB板上完成。
2.按权利要求I所述的方法，其特征在于具体步骤是A :倒装测试基板的制作(a)在硅片上腐蚀出铝焊盘(1)在四英寸硅片上热氧化出一层氧化层，获得平整绝缘的衬底；(2)在氧化后的硅片上溅射铝膜；(3)薄胶光刻后用铝腐蚀液腐蚀出铝焊盘及铝布线；(b)钝化层制作(1)用PECVD沉积一层SiO2作为钝化层；(2)光刻后用RIE对钝化层进行开口，在Al焊盘上开口；(c)制作种子层(1)薄胶光刻并对硅片清边；(2)溅射Ti/Pt/Au种子层，在焊盘上的部分同时作为UBM层；(d)薄胶光刻(I)薄胶光刻，光刻完成后用清边机对wafer边缘进行清边；(e)在Ti/Pt/AuUBM上电镀出铟镀层将硅片置于铟电镀槽中进行电镀，电镀得到铟镀层；(f)去除种子层；将电镀完成的硅片放在丙酮中去胶，确认光刻胶去除后借助超声去除种子层，最终的结果是在需重排的269个焊盘上电镀铟层；在重新排布后的焊盘上无铟镀层，因在后续需要用到wire-bonding工艺中需要派金的表面；B :将硅读出电路倒装在测试基板上将硅读出电路倒装焊接到利用上述工艺制作的倒装基板上，倒装采用karlsuso倒装焊机；C :用打线方式实现测试基板与PCB板间的互连(1)在PCB板上设计出与硅基板上焊盘相对应的焊盘；(2)用wirebonding方式实现娃基板上焊盘与PCB上小焊盘的对接；D :在PCB板上制作出与小焊盘对应的大焊盘,利用这些大焊盘,结合实验室设备对微弱信号的输入和输出端信号的控制，实现硅读出电路的测试。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于步骤B中(I)倒装焊接前，硅读出电路上已用电镀法植入了铟焊球。
4.按权利要求2所述的方法，其特征在于(I)步骤A中所述氧化层厚度为4000-6000A;⑵步骤A中所述的铝膜厚度为4000-6000 A;(3)步骤A中(b)光刻用薄胶为S1912，厚度为I.5-2 u m ；(4)步骤A中(e)所述铟镀层厚度为2-3y m ;(5)步骤B倒装吸头压力2-5kg，吸头温度为100°C，焊接时间0.5-2min ；(6)步骤C所述的小焊盘尺寸为300u mX 300 u m,所述的大焊盘尺寸为2_X 2_。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于⑷中铟涂层的电流密度为5-15mA/cm2。
全文摘要
本发明涉及一种实现红外焦平面阵列探测器中硅读出电路测试的方法，其特征在于采取倒装方式实现硅读出电路与测试基板间的互连；实现硅测试基板与硅读出电路的对接互连后，通过对测试基板上焊盘的重排实现硅测试基板焊盘的重排；采取较复杂的版图设计来避免复杂的工艺过程以减少需排布的焊盘数量；采取lift-off工艺实现测试基板上的焊盘制作，并通过铟电镀的方式在需重新排布的焊盘上制作一层薄的铟镀层；通过打线(wire bonding)工艺实现硅基板与PCB板间的互连，最后读出电路的控制、信号输入和输出均在PCB板上完成。本发明将版图设计和简单工艺结合即可实现硅读出电路的测试。
文档编号G01R31/28GK102590731SQ20121001461
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者徐高卫, 罗乐, 黄秋平 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
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