CN101692428B - 工作温度可控混合集成电路的集成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了工作温度可控混合集成电路的集成方法，该方法是在正面衬底氮化铝陶瓷基片的正面进行常规混合集成电路集成，在正面衬底氮化铝陶瓷基片的背面进行半导体致冷器的集成；并分别从N型半导体、P型半导体的两端引出连接线，再进行键合，将整个电路连接起来；器件内部有热敏电阻，其位置紧靠对温度较敏感的半导体芯片，用于检测器件内部工作环境温度，通过跟踪电阻的变化检测电阻两端电压的变化，从而控制外部可控开关电路和电流方向，控制升温或降温频度，从而达到温度控制的目的。本发明的集成电路广泛应用于航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、通讯、工业控制等领域，具有广阔的市场前景。

Description

工作温度可控混合集成电路的集成方法
技术领域
本发明涉及集成电路，进一步来说，涉及工作温度可控混合集成电路，尤其涉及混合集成电路的集成方法。
背景技术
原有的混合电路集成技术中，是将厚膜基片或薄膜基片直接装贴在管壳基座上，然后在厚膜基片或薄膜基片上装贴半导体芯片、片式元器件，再采用键合丝(金丝或硅铝丝)进行键合，完成整个电路连接，最后在特定的气氛中将管基和管帽进行密封而成。器件的工作环境温度分别为：民品级0℃～70℃、工业级-25℃～85℃，军用级-55℃～125℃。在器件规定的温度范围内，实现器件所规定的功能和性能。传统方法存在的主要问题是半导体元器件，包括其它元器件，通常情况下，对温度较为敏感，且会产生如下影响：①集成电路是温度敏感器件，集成电路构成中的元器件的某些性能参数指标随工作温度的变化会发生较大的漂移，甚至超出规定的使用范围，导致器件不能在规定的温度范围内正常工作，特别是高精密器件。必要时，被迫更换新器件、或降级使用、或采用其他外部散热(或降温)措施进行温度控制。②随着温度的升高，器件的可靠性会下降，例如，温度每升高10℃，半导体器件的可靠性就要下降一倍。在工作环境温度较严酷的使用场合，器件的长期可靠性会大幅下降。③功率混合集成电路在正常使用情况下，会产生大量的热量，使器件内部工作温度迅速上升，除影响器件的可靠性外，如无可靠的泄热通道，器件将会迅速烧毁，给器件的正常使用带来严重的影响。④在一般的使用场合，根据半导体PN结结温的物理特性，器件最高工作温度限定为125℃，超出此温度，器件的工作就会不稳定，超出结温(150℃)就会产生永久性的损坏；在要求大于125℃以上的如150℃、200℃等高温环境中工作时，这类器件已无法满足。另一方面，器件的最低工作温度限定为-55℃，低于此温度，器件的工作就会不稳定，甚至失去作用。
经检索，目前涉及温度可控集成电路的专利仅有1件，即CN201044511号“一种双电压多温档可控加热电路”，但该专利与工作温度可控混合集成电路并无关系，目前尚无工作温度可控混合集成电路的集成方法的报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种工作温度可控混合集成电路的集成方法，以解决半导体器件在不同环境温度下能够长期稳定运行的技术难题。
为达到上述发明目的，发明人经过试验研究，提供的工作温度可控混合集成电路的集成方法基本工艺是常规的制作工艺，发明的特点是：根据半导体PN结的致冷原理--帕尔贴效应(Peltier effect)，采用微型热电致冷(TEC：Thermoelectric Cooler)与常规混合集成电路一体化集成技术进行集成，具体做法是在正面衬底基片的正面进行常规混合集成电路集成，在正面衬底基片的背面进行半导体致冷器的集成；并分别从N型半导体、P型半导体的两端引出连接线，再用硅铝丝或金丝进行键合，将整个电路连接起来；器件内部有热敏电阻，其位置紧靠对温度较敏感的半导体芯片，用于检测器件内部工作环境温度，通过跟踪电阻的变化检测电阻两端电压的变化，用于控制外部可控开关电路，以控制半导体致冷器的电流方向，控制升温或降温频度，从而达到温度控制的目的。其它工序则按照常规的方法实现工作温度可控混合集成电路的集成。
上述正面衬底基片是氮化铝(Al3N4)陶瓷基片。
上述N型半导体和P型半导体的晶粒与顶层、底层氮化铝陶瓷基片之间的连接采用合金焊连接。
上述温度可控混合集成电路是将半导体热电致冷与常规混合集成电路一体化集成，包括热电致冷半导体PN结、导带、阻带、半导体芯片、小容量电感、电容、以及微型元器件的集成。
温度控制的原理是：N型半导体、P型半导体构成了半导体制冷器；当PN结反偏工作时(即N型半导体引出端接正电源、P型半导体接负电源)，混合集成面致冷，器件内部工作温度下降；当PN结正偏工作时(即N型半导体引出端接负电源、P型半导体接正电源)，混合集成面致热，器件内部工作温度上升。
本发明的工作温度可控混合集成电路的集成方法有以下特点：①器件内部工作温度可控，可起到“恒温室”的作用，在一定外界温度范围内，不受外界环境温度变化的影响，器件性能参数指标基本上不发生温度漂移，工作高度可靠；②能提升器件的长期可靠性；③可在125℃以上甚至200℃的高温环境中工作，也可在-55℃以下甚至-100℃的低温环境中工作；④对温度敏感器件，可起到良好的温度稳定作用；⑤对功率混合集成电路，可起到快速降温作用，对器件具有良好的温度保护作用。本发明的集成电路广泛应用于航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、通讯、工业控制等领域，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为传统的集成电路集成方法示意图，图2为本发明的工作温度可控混合集成电路的集成方法示意图，图3为温度控制电路示意图。
具体实施方式
实施例：
贵州振华风光半导体公司研发的FH10耐高温集成运算放大器，主要用于航空领域，与传感器配套，进行传感器信号的处理和放大，典型工作环境温度在150℃～175℃，设计最高环境工作温度为200℃。
该器件的核心部分是一块常规的中小功率MOS高阻输入运算放大器芯片，正常工作时产生的热量很小，主要用于高温环境下的信号采集、处理和放大。该芯片最高工作温度为125℃，为此，采用本发明的半导体热电致冷与常规混合集成电路一体化集成技术进行集成。具体工艺如下：
(1)陶瓷基片的选取：为便于热量的快速传递，以及与半导体芯片在热膨胀方面的匹配性，采用氮化铝陶瓷基片(Al3N4)作衬底；
(2)常规混合集成工艺：采用薄膜混合集成电路工艺，在高真空电子束蒸发室内，在氮化铝陶瓷基片(Al3N4)的正反面分别蒸发一层导电性、导热性、可焊性优良的Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合导带金属薄膜，总厚度在1.5μm左右，其中金层厚度0.5μm左右；
(3)图形转移：采用光刻的方式，将成膜后的基片正反面涂上一层均匀的光刻胶，通过光刻掩膜，进行定位、套准、暴光、显影，将规定的图形转移到基片上；这里，底部氮化铝陶瓷基片(Al3N4)只转移与半导体晶粒连接的一面，另一面不作任何处理；
(4)图形刻蚀：采用化学刻蚀的方法，在光刻胶的保护下，进行选择性腐蚀，得到所需金属膜图形；
(5)去胶：采用等离子方法去除基片表面的光刻胶；
(6)N型和P型半导体晶粒的制备：采用以碲化铋为基体的三元固溶晶体材料，其中P型半导体材料为：Bi2Te3-Sb2Te3，N型半导体材料为：Bi2Te3-Bi2Se3，半导体晶园厚度为0.5mm左右，对晶园的正反面进行金金属化，厚度在1.5μm左右，并进行充分的合金；在划片机上，按规定的尺寸进行划片，分离出所需的N型和P型半导体晶粒；
(7)晶粒定位放置与固定：在专用不锈钢夹具中，将顶层氮化铝陶瓷基片(Al3N4)、N型和P型半导体晶粒、底层氮化铝陶瓷基片(Al3N4)、合金片按规定的位置定位放置，并固定；
(8)合金焊接：在真空合金炉中，完成N型和P型半导体晶粒的合金焊接；
(9)一体化基片的组装：将合金焊接后的一体化基片按器件需要的位置，采用合金焊的方式组装到基座上；
(10)按混合集成电路组装工艺，进行半导体芯片、热敏电阻的组装；
(11)N型和P型半导体引出脚的焊接：采用高温焊料焊接到指定的管脚上；
(12)键合：采用硅铝丝或金丝进行键合，整个电路连接；
(13)烘烤：在高纯氮的保护下、在150℃左右的炉子中进行8小时以上的高温烘烤，将水汽彻底烘干；
(14)封帽：在特定的环境中进行封帽，完成整个器件的集成与生产工作；
(15)测试、筛选、打印与包装：按产品工艺文件与检验文件，完成器件的测试、筛选、打印与包装工作。
采用本集成技术制作的FH10耐高温集成运算放大器，冷端与热端的温差ΔT在常温下能达到70℃以上，在125℃～200℃的高温环境中，ΔT能达到85℃以上，实现了设计目的，可完全满足用户的要求。

Claims (3)

1.一种工作温度可控混合集成电路的集成方法，其基本工艺是微型热电致冷与常规混合集成电路一体化集成技术，其特征在于该方法是在顶层基片的正面进行常规混合集成电路集成，在顶层基片的背面与底层基片的正面之间进行半导体致冷器的集成，从而实现微型热电致冷与常规混合集成电路一体化集成技术；并分别在底层基片正面的两端从N型半导体、P型半导体的端面引出连接线，采用高温焊料焊接或直接键合的方法连接到指定的管脚上，再用硅铝丝或金丝将顶层基片正面集成的元器件按集成电路设计的连线要求进行内部键合连接，以及与指定管脚间的键合连接，从而实现器件内部整个电路的连接；器件内部有热敏电阻，其位置紧靠对温度较敏感的半导体芯片，用于检测器件内部工作环境温度，通过跟踪电阻的变化检测电阻两端电压的变化，用于控制外部可控开关电路，以控制半导体致冷器的电流方向，控制升温或降温频度，从而达到温度控制的目的。
2.如权利要求1所述混合集成电路的集成方法，其特征在于所述N型和P型半导体晶粒与顶层、底层氮化铝陶瓷基片之间的连接采用高温合金焊连接。
3.如权利要求1所述混合集成电路的集成方法，其特征在于所述混合集成电路是将半导体热电致冷与常规混合集成电路一体化集成，包括热电致冷半导体PN结、导带、阻带、半导体芯片、小容量电感、电容、以及微型元器件的集成。
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