CN102931144B - 高灵敏温控薄膜混合集成电路的集成方法 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏温控薄膜混合集成电路的集成方法，该方法是：先采用薄膜溅射方式或蒸发方式，在氮化铝（Al₃N₄）陶瓷基片衬底表面生长薄膜电阻、薄膜导带和键合区；接着用同样方式形成热敏电阻薄膜，再用同样方式在热敏电阻薄膜上形成绝缘介质层及芯片粘贴所需的金属化层；然后，将热敏传感信号处理芯片、温控器件主芯片、其他有源或无源元器件装贴在基片上；最后，采用键合丝进行键合，在特定气氛中将管基和管帽进行密封即得到高灵敏温控薄膜混合集成电路器件。本方法实现了薄膜热敏电阻与温控器件主芯片在最大接触面的无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将主芯片的热量传导给热敏电阻，以实现高灵敏温度控制。

Description

高灵敏温控薄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，涉及高灵敏温控薄膜混合集成电路。

背景技术

原有工作温度可控混合电路集成技术中，在工作温度可控集成电路的混合集成面采用二维平面集成技术，将分离的热敏片式电阻、热敏传感信号处理芯片、温控器件主芯片、其他有源或无源元器件等分离元器件直接装贴在薄膜基片上，再采用键合丝（金丝或硅铝丝）进行键合，完成整个电器连接，最后在特定的气氛中将管基和管帽进行密封而成。原有技术由于采用二维平面集成技术，热敏电阻等温度传感器件与需保护的温控器件主芯片之间不可避免会有间隙，温度传感只能经过面积较小的侧面热辐射、衬底基片迂回传导的方式感应热量，因而，热量传导时间相应过长，造成热信号反馈速度的大大延长，从而影响温度控制的精度范围，进一步加大温控器件相关性能参数指标的温度漂移范围，限制温控器件在高精度、高稳定性使用的场合，或者增大应用系统的设计难度、复杂程度和使用成本。

经检索，涉及温控混合集成电路的中国专利申请件仅有CN101295184号《具有温控功能的集成电路、温控加热电路及恒温保持装置》，该集成电路包含一温度调控模组及一加热器，温度调控模组能根据使用者设定一控制讯号，加热器受温度调控模组的控制讯号控制以产生一预定温度的热能。但该集成电路不属于高灵敏温控薄膜混合集成电路。

发明内容

本发明的目的是提供高灵敏温控薄膜混合集成电路的集成方法，以解决以下问题：①热敏电阻等温度传感器件与需保护的温控器件主芯片之间在大面积方向上实现零距离原子间接触；②当温控器件外界工作环境温度发生变化时，其内部芯片工作环境温度的变化范围可控制在设定温度的±3℃以内，从而降低温控器件相关性能参数指标的温度漂移范围；③节省外贴热电阻等温度传感器件的集成空间，进一步提高温控制集成电路的集成度；④热敏电阻等温度传感器件的形状及大小可随温控器件主芯片的形状及大小自行设定，免去受外贴热电阻等温度传感器件形状及大小的影响。

发明人提供的高灵敏温控薄膜混合集成电路的集成，是采用薄膜热敏电阻、绝缘介质与温控器件主芯片一体化三维混合集成的方式来实现的，具体的集成方法是：先采用薄膜溅射方式或蒸发方式，在氮化铝（Al₃N₄）陶瓷基片衬底表面生长所需的薄膜电阻、导带和键合区；接着采用薄膜溅射方式或蒸发方式形成热敏电阻薄膜，再用同样的方法在热敏电阻薄膜上形成绝缘介质层及芯片粘贴所需的金属化层；然后，将热敏传感信号处理芯片、温控器件主芯片、其他有源或无源元器件直接装贴在基片上；最后，采用键合丝进行键合，完成整个电器连接，最后在特定气氛中将管基和管帽进行密封即得到所需高灵敏温控薄膜混合集成电路器件。

上述薄膜溅射方式是磁控溅射。

上述蒸发方式是电子束蒸发。

上述有源或无源元器件是半导体裸芯片、经封装后的表贴式元器件。

上述键合丝是金丝或硅铝丝。

上述特定的气氛是指高真空、高纯氮气或氩气。

本发明的集成方法原理是：由于实现了薄膜热敏电阻与温控器件主芯片在最大接触面的无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将主芯片的热量传导给热敏电阻，经信号处理后，迅速将信号传送到半导体热电致冷单元（TEC单元），以控制半导体热电致冷单元（TEC单元）的电流方向，控制升温或降温频率，从而达到温度控制的目的。

本发明方法的优点是：①采用薄膜热敏电阻、绝缘介质与温控器件主芯片一体化三维混合集成的方法，实现了薄膜热敏电阻与温控器件主芯片在最大接触面的无间隙接触，且属原子间接触，可最大程度、最快地将主芯片的热量传导给热敏电阻，以快速控制半导体热电致冷单元（TEC单元），达到高灵敏温度控制的目的；②当温控器件外界工作环境温度发生变化时，其内部芯片工作环境温度的变化范围可控制在设定温度的±3℃以内，从而降低温控器件相关性能参数指标的温度漂移范围；③采用薄膜溅射或蒸发方法代替原来的表面贴装再流焊方法，实现原子间的直接接触，大大减小热传导阻抗，因而，能提升器件的长期可靠性；④节省外贴热电阻等温度传感器件的集成空间，进一步提高温控制集成电路的集成度；⑤热敏电阻等温度传感器件的形状及大小可随温控器件主芯片的形状及大小自行设定，免去受外贴热电阻等温度传感器件形状及大小的影响。

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、通讯、工业控制等要求在外界环境温度变化时，装备必需具有高精度、高稳定性使用的场合，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为发明前的温控混合集成电路的集成技术示意图；图2为本发明的温控混合集成电路的集成技术示意图，图3为控制电路示意图。

图中1为器件管壳基座，2为氮化铝（Al₃N₄）陶瓷基片衬底背面，3为半导体热电致冷单元（TEC单元），4为氮化铝（Al₃N₄）陶瓷基片衬底表面，5为管脚，6为薄膜导带/键合区，7为薄膜电阻，8为半导体芯片，9为表贴式热敏电阻，10为传感信号处理芯片，11为热电致冷引脚，12为薄膜绝缘介质膜，13为薄膜热敏电阻。

具体实施方式

实施例：

贵州振华风光半导体公司研发的FHTC30温控精密集成功率运算放大器，主要用于精密测量、精密控制领域，进行传感器信号的快速、精密处理和放大，典型工作环境温度在-100℃～200℃。

该器件的核心部分是一块功率运算放大器芯片（器件主芯片），一个自制薄膜热敏电阻（用于温控信号的采集），一块小功率精密运算放大器芯片（用于温控信号的处理和放大）。采用本发明技术——薄膜热敏电阻与温控器件主芯片一体化三维混合集成技术。具体工艺如下：

⑴  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（Al₃N₄）陶瓷基片作衬底；

⑵  采用薄膜溅射和光刻的方法，在氮化铝陶瓷基片衬底表面生长所需的镍铬薄膜电阻，导带和键合区选用导电性、导热性、可焊性优良的Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜，总厚度为1.5μm，其中金层厚度0.5μm；

⑶  在氮化铝陶瓷基片衬底的另一面用上述方法生产一层导电性、导热性、可焊性优良的Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜，总厚度1.5μm，其中金层厚度0.5μm；并刻蚀集成半导体热电致冷单元（TEC单元）所需图形；

⑷  采用选择性金属掩模进行薄膜溅射的方法，形成所需形状和大小的铂热敏电阻薄膜；

⑸ 采用选择性金属掩模进行薄膜溅射的方法在热敏电阻薄膜上形成图2所示的三氧化二铝（Al₂O₃）绝缘介质层及芯片粘贴所需的金属化层；

⑹  半导体热电致冷单元（TEC单元）的制备：在另一氮化铝陶瓷基片上采用薄膜溅射和光刻的方法，生产一层导电性、导热性、可焊性优良的Ni-Cr-Cu-Ni-Cr-Au复合金属薄膜，总厚度在1.5μm左右，其中金层厚度0.5μm左右；并刻蚀集成半导体热电致冷单元（TEC单元）所需的图形；

⑺  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属化，厚度为1.5μm，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；

⑻ 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；

⑼  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；

⑽  将合金焊接后的一体化基片采用合金焊的方式组装到管座上。

⑾  按常规集成电路组装工艺，进行半导体芯片、其他贴片元器件的组装。

⑿  键合：采用硅铝丝或金丝进行键合，整个电气连接。

⒀  烘烤：在高纯氮的保护下、在炉子中进行8小时以上150℃的主高温烘烤，将水汽彻底烘干；

⒁  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；

⒂  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。

采用此集成技术制作的器件，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，能达到85℃以上，典型工作环境温度在-100℃～200℃，实现了设计目的，完全满足用户的要求。

Claims (6)

1.一种高灵敏温控薄膜混合集成电路的集成方法，其特征在于该方法是采用薄膜热敏电阻、绝缘介质与温控器件主芯片一体化三维混合集成的方式来实现的，具体集成方法是：先采用薄膜溅射方式或蒸发方式，在氮化铝(Al₃N₄)陶瓷基片衬底表面生长所需的薄膜电阻、导带和键合区；接着采用薄膜溅射方式或蒸发方式形成热敏电阻薄膜，再用同样的方法在热敏电阻薄膜上形成绝缘介质层及芯片粘贴所需的金属化层；然后，将热敏传感信号处理芯片、温控器件主芯片、有源或无源元器件直接装贴在基片上；最后，采用键合丝进行键合，完成整个电器连接，最后在特定的气氛中将管基和管帽进行密封即得到所需高灵敏温控薄膜混合集成电路器件。

2.如权利要求1所述的集成方法，其特征在于所述的薄膜溅射方式是磁控溅射。

3.如权利要求1所述的集成方法，其特征在于所述蒸发方式是电子束蒸发。

4.如权利要求1所述的集成方法，其特征在于所述有源或无源元器件是半导体裸芯片或经封装后的表贴式元器件。

5.如权利要求1所述的集成方法，其特征在于所述键合丝是金丝或硅铝丝。

6.如权利要求1所述的集成方法，其特征在于所述特定的气氛是指高真空、高纯氮气或高纯氩气。