CN102446804A - 高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路的集成方法 - Google Patents

Abstract

高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路及其集成方法，该电路由器件管壳基座(1)、管脚(9)、氮化铝陶瓷基片(2)、半导体芯片(3)、热敏元件(4)、厚膜阻带(5)、厚膜导带/键合区(6)、N型半导体(7)、P型半导体(8)、微型热电致冷器（11）和绝缘介质(10)组成，陶瓷基片(2)正面是微型热电致冷器(11)与常规混合集成电路的一体化集成；N型半导体(7)、P型半导体(8)两端引有连接线，之间填充绝缘介质(10)；陶瓷基片(2)置于器件管壳基座(1)之上。集成方法是高真空溅射并进行刻蚀形成金属电极、N型半导体、P型半导体。本集成电路可以解决外界温度在125℃以上或-55℃以下的正常工作问题。广泛应用于航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、通讯等领域。

Description

高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路的集成方法

技术领域

本发明涉及集成电路，具体来说，涉及高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路。

背景技术

原有的混合电路集成技术中，是将厚膜基片直接装贴在管壳基座上，然后在厚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。原技术中由于半导体元器件是温度敏感器件，通常情况下会产生如下影响：

（1） 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。

原有的混合电路集成技术中，在需要进行工作温度控制的场合，采用绝缘陶瓷片分别作为冷端和热端衬底，中间置N型半导体、P型半导体颗粒，将N型半导体、P型半导体颗粒采用合金焊的方式与上、下衬底上的金属电极进行焊接，形成半导体温度致冷片，将其中一个端面与底座焊接，在另一个端面上集成需要进行温度控制的元器件。

显然，这样的方法存在以下不足：①体积过于庞大，不易微型化，产品集成度很难提高；②N型半导体、P型半导体颗粒与上、下衬底上的金属电极之间进行合金焊接，质量一致性不易控制，产品可靠性难以提高；③合金焊料通常属低温焊料，导致使用温度不能提高；④N型半导体颗粒与P型半导体颗粒之间属空气隔离，容易受到环境污染及水汽的影响，降低产品的可靠性。

近年来，申请中国专利的技术方案有200910102792.2号《高可靠厚膜混合集成电路键合系统及其制造方法》、200920125720.5号《高可靠厚膜混合集成电路键合系统》、201010165085.0号《高可靠功率混合集成电路的集成方法》、201020182220.8号《高可靠功率混合集成电路》等，但提高器件可靠性的问题，仍然是本技术领域的一个难题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路，以解决外界温度在- 100 ℃～+200 ℃之间变化时，器件内部电路的工作温度环境能控制在正常的工作温度范围内（- 55 ℃～+125 ℃），可根据需要将内部工作环境温度控制在某一适合的工作温度点，性减少器件参数随外界环境温度的变化，保护器件内部电路，提高器件的稳定性，确保器件的正常工作。

本发明的又一目的是提供上述厚膜混合集成电路的集成方法，使其能够得到实际应用。

发明人根据半导体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，提供的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路是由器件管壳基座、管脚、氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄）、半导体芯片、热敏元件、厚膜阻带、厚膜导带/键合区、N型半导体、P型半导体、微型热电致冷器（TEC）和绝缘介质组成的，其中，陶瓷基片正面是微型热电致冷器与常规混合集成电路的一体化集成，包括厚膜阻带、厚膜导带/键合区、半导体芯片、N型半导体、P型半导体和微型元器件；N型半导体、P型半导体的两端引出有连接线，之间填充有绝缘介质；背面通过金属膜置于器件管壳基座之上，管脚装在器件管壳基座的两端。

发明人提供的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路的集成方法包括：

(1) 取第一块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在正反面分别溅射金属薄膜，对正面金属薄膜进行刻蚀；

(2) 取第二块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在其正面分别印刷和烧结电阻浆料、电阻浆料、玻璃釉浆料，形成厚膜阻带、厚膜导带和玻璃釉绝缘保护层；

(3) 接着在其背面溅射金属膜，并进行刻蚀；

(4) 在刻蚀后的金属膜上溅射N型半导体材料，进行化学机械整平；

(5) 接着刻蚀出N型半导体；

(6) 之后溅射填充绝缘介质，并进行化学机械整平；

(7) 再溅射填充P型半导体材料并进行化学机械整平；

(8) 之后溅射金属薄膜，接着进行刻蚀；

(9) 再次溅射填充绝缘介质并进行化学机械整平和刻蚀；

(10) 再溅射金属膜并刻蚀；

(11) 与第一块基片对准焊接，形成带温控集成的厚膜基片；

(12) 将厚膜基片背面焊接在器件管壳基座上；

(13) 最后在厚膜基片的正面集成其他芯片或元件，进行键合、测试、封帽，即得到高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路。

本发明的原理是：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。热敏电阻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，跟踪电阻两端电压的变化来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。

本发明的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路有以下特点：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，工作稳定可靠；②能提升器件的长期可靠性；③可在125℃以上的高温环境中工作（一般能达到200℃左右）；④可在-55℃以下的低温环境中工作（一般能达到-100℃左右）；⑤对温度敏感器件，在工作状态下，可起到良好的温度稳定和调节作用；⑥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功能。

本发明的集成方法有以下特点：①采用高真空溅射的方法，直接在高真空中溅射形成金属电极、N型半导体、P型半导体；②半导体与金属电极之间的接触为原子接触，取代了传统低温合金焊接工艺，大大提高每一个半导体颗粒与上下电极接触的可靠性，从而提高整个电路的可靠性；③直接采用溅射厚膜成型，取代了传统分立半导体颗粒的大间距焊接，大大缩小N型半导体颗粒和P型半导体颗粒之间的间距，从而大大提高N型半导体和P型半导体之间集成度；④在N型半导体颗粒和P型半导体颗粒之间，采用高真空溅射的方法填充了致密的绝缘介质，如二氧化硅（SiO₂）、三氧化二铝（Al₂O₃）、氮化铝（Al₃N₄）等，确保N型半导体颗粒和P型半导体颗粒之间不受水汽及其他污染物的影响，从而提高整个电路的可靠性；⑤可以在绝缘介质厚膜之上进行多层集成，从而可大大提高电路的集成度和缩小电路体积，提升电路的可靠性。 

采用本发明集成方法生产的器件广泛应用于航天、航空、船舶、精密仪器、地质勘探、石油勘探、其他野外作业、光纤通讯、工业控制等领域，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路示意图图2为控制电路示意图。图中1为器件管壳基座，2为陶瓷基片，3为半导体芯片，4为热敏元件，5为厚膜阻带，6为厚膜导带/键合区， 7为N型半导体，8为P型半导体，9为管脚，10为绝缘介质，11为微型热电致冷器（TEC）。

具体实施方式

实施例：

贵州振华风光半导体公司研发的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路，该混合集成电路结构如图1所示，由器件管壳基座1、管脚9、氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄）2、半导体芯片3、热敏元件4、厚膜阻带5、厚膜导带/键合区6、N型半导体7、P型半导体8、微型热电致冷器（TEC）11和绝缘介质10组成，其中，陶瓷基片2正面是微型热电致冷器11与常规混合集成电路的一体化集成，包括厚膜阻带5、厚膜导带/键合区6、半导体芯片3、N型半导体7、P型半导体8和微型元器件；N型半导体7、P型半导体8的两端引出有连接线，之间填充有绝缘介质10；背面通过金属膜置于器件管壳基座1之上，管脚9装在器件管壳基座1的两端。

其集成方法包括：

(1) 取第一块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在正反面分别溅射金属薄膜，对正面金属薄膜进行刻蚀；

(2) 取第二块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在其正面分别印刷和烧结电阻浆料、电阻浆料、玻璃釉浆料，形成厚膜阻带、厚膜导带和玻璃釉绝缘保护层；

(3) 接着在其背面溅射金属膜，并进行刻蚀；

(4) 在刻蚀后的金属膜上溅射N型半导体材料，进行化学机械整平；

(5) 接着刻蚀出N型半导体；

(6) 之后溅射填充绝缘介质，并进行化学机械整平；

(7) 再溅射填充P型半导体材料并进行化学机械整平；

(8) 之后溅射金属薄膜，接着进行刻蚀；

(9) 再次溅射填充绝缘介质并进行化学机械整平和刻蚀；

(10) 再溅射金属膜并刻蚀；

(11) 与第一块基片对准焊接，形成带温控集成的厚膜基片；

(12) 将厚膜基片背面焊接在器件管壳基座上；

(13) 最后在厚膜基片的正面集成其他芯片或元件，进行键合、测试、封帽，即得到高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路。

该混合集成电路长期工作在特定的工作温度范围内，在125 ℃以上的外界工作温度下，能将器件内部芯片的实际工作温度下降到125 ℃以下，确保器件的正常工作；在-55 ℃以下的低温环境下工作时，能将器件内部芯片的实际工作温度升高到-55 ℃以上，确保器件的正常工作。 

Claims (2)

1. 一种高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路，其特征在于该电路由器件管壳基座(1)、管脚(9)、氮化铝陶瓷基片(2)、半导体芯片(3)、热敏元件(4)、厚膜阻带(5)、厚膜导带/键合区(6)、N型半导体(7)、P型半导体(8)、微型热电致冷器（11）和绝缘介质(10)组成，陶瓷基片(2)正面是微型热电致冷器(11)与常规混合集成电路的一体化集成，包括厚膜阻带(5)、厚膜导带/键合区(6)、半导体芯片(3)、N型半导体(7)、P型半导体(8)和微型元器件；N型半导体(7)、P型半导体(8)的两端引出有连接线，之间填充有绝缘介质(10)；陶瓷基片(2)背面通过金属膜置于器件管壳基座(1)之上，管脚(9)装在器件管壳基座(1)的两端。

2. 如权利要求1所述混合集成电路的集成方法，其特征包括：

(1) 取第一块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在正反面分别溅射金属薄膜，对正面金属薄膜进行刻蚀；

(2) 取第二块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在其正面分别印刷和烧结电阻浆料、电阻浆料、玻璃釉浆料，形成厚膜阻带、厚膜导带和玻璃釉绝缘保护层；

(3) 接着在其背面溅射金属膜，并进行刻蚀；

(4) 在刻蚀后的金属膜上溅射N型半导体材料，进行化学机械整平；

(5) 接着刻蚀出N型半导体；

(6) 之后溅射填充绝缘介质，并进行化学机械整平；

(7) 再溅射填充P型半导体材料并进行化学机械整平；

(8) 之后溅射金属薄膜，接着进行刻蚀；

(9) 再次溅射填充绝缘介质并进行化学机械整平和刻蚀；

(10) 再溅射金属膜并刻蚀；

(11) 与第一块基片对准焊接，形成带温控集成的厚膜基片；

(12) 将厚膜基片背面焊接在器件管壳基座上；

(13) 最后在厚膜基片的正面集成其他芯片或元件，进行键合、测试、封帽，即得到高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路。

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