CN113314470B - 一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构和方法，封装结构中控制芯片安装于含能半导体芯片与储存芯片之间，引线连接含能半导体芯片和PCB板；含能半导体芯片包括有半导体桥层、铝热剂含能层以及设置于半导体桥层和铝热剂含能层之间的聚酰亚胺薄膜；控制芯片包括用于检测周围环境的传感模块，还包括将传感模块检测的环境信息与预设的启动条件进行比对的比对模块，比对模块依据比对结果发送信号至PCB板，PCB板根据接收的信号控制半导体桥层放热使铝热剂含能层点火。本发明的封装结构具有简单实用、可靠性高、能够封装于常规芯片上且作用条件可以调节等优点，封装方法具有步骤简单和实施方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及芯片防护技术领域，尤其涉及一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构和方法。
背景技术
半导体桥是近年来国内外正在发展的一种高新技术火工品，是现代先进火工品的典型代表。半导体桥点火、起爆技术己经用于多个型号产品，在民用和军用起爆领域起着越来越重要的作用。但是，现有的半导体桥难以用于常规的芯片当中，以在特定情况下燃烧从而使芯片自毁，因为现有的半导体桥封装通常仅采用陶瓷塞进行保护性封装，其结构的不稳定性很容易导致在封装过程中便损坏芯片，这种日益严酷的使用环境对火工品的可靠性问题提出了更高的要求，目前火工品的研究主要是在点火和镀膜上，关于封装研究，文献资料鲜有报道。所以，有必要加强对火工品进行封装的分析，有针对性地采取防护技术措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单实用、可靠性高、能够封装于常规芯片上且作用条件可以调节的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，以及一种步骤简单和实施方便的用于完成该封装结构的封装方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，封装于PCB板上的需要装设自毁装置的储存芯片上，包括含能半导体芯片、控制芯片和引线，所述控制芯片安装于含能半导体芯片与储存芯片之间，所述引线连接含能半导体芯片和PCB板；所述含能半导体芯片包括有半导体桥层、铝热剂含能层以及设置于半导体桥层和铝热剂含能层之间的聚酰亚胺薄膜；所述控制芯片包括用于检测周围环境的传感模块，还包括将传感模块检测的环境信息与预设的启动条件进行比对的比对模块，所述比对模块依据比对结果发送信号至PCB板，所述PCB板根据接收的信号控制半导体桥层放热使铝热剂含能层点火。
作为上述封装结构的进一步改进：
所述铝热剂含能层为多个铝金属薄膜和多个氧化铜薄膜交替堆叠得到的含能层。
所述含能半导体芯片还包括硅基底、二氧化硅层、钛层、金层和氧化铜层；所述含能半导体芯片从靠近控制芯片至远离控制芯片的方向依次设置硅基底、二氧化硅层、半导体桥层、聚酰亚胺薄膜、钛层、金层、氧化铜层和铝热剂含能层。
所述半导体桥层为厚度为2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层。
所述半导体桥层的桥型为H形或V形。
所述封装结构还包括包覆于含能半导体芯片、控制芯片、引线和储存芯片外部的由环氧树脂和二氧化硅混合制得的塑封层。
所述含能半导体芯片和控制芯片之间以及控制芯片与储存芯片之间均设置有由环氧树脂和银浆混合制得的粘合层。
一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装方法，包括以下步骤：
S1：在硅基底的表面热氧化生成1μm的二氧化硅层；
S2：在二氧化硅层上通过外延工艺得到多晶硅，再通过掺杂一定量的磷元素，得到2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层；
S3：对N型重掺杂多晶硅层经光刻、显影以及刻蚀工序形成H形桥型的半导体桥层；
S4：在半导体桥层上沉积厚度为2μm的聚酰亚胺薄膜；
S5：依次在半导体桥层上的聚酰亚胺薄膜外侧磁控溅射一层厚度为40nm的钛层和0.3μm的金层；
S6：对钛层和金层执行光刻、显影以及刻蚀工序，使此二层与带有聚酰亚胺薄膜的半导体桥层形成带有金属PAD的半导体桥层；
S7：在带有金属PAD的半导体桥层上执行剥离工艺，制备镂空图形，先沉积一层氧化铜层，之后使用磁控溅射交替溅射1.8μm的氧化铜薄膜和1.2μm的铝金属薄膜；
S8：经过去胶、清洗，获得含能半导体芯片，对含能半导体芯片进行可靠性测试；
S9：将控制芯片和储存芯片通过倒装焊键合于PCB板上；
S10：通过粘合层连接含能半导体芯片、控制芯片和储存芯片，通过引线将含能半导体芯片和PCB板键合；
S11：利用塑封剂对其进行塑封形成塑封层，之后装入陶瓷塞进行保护。
作为上述封装方法的进一步改进：
磁控溅射氧化铜薄膜和铝金属薄膜时的调制比为1.5：1，调制周期分别为120nm和80nm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，封装于PCB板上的需要装设自毁装置的储存芯片上。其中含能半导体芯片包括有半导体桥层、铝热剂含能层以及设置于半导体桥层和铝热剂含能层之间的聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺的介电常数为3.4左右，由其制成的薄膜具有良好的介电性能，安装在半导体桥层和铝热剂含能层之间可以有效防止连续不断的微弱能量和射频干扰，进而有效提高含能半导体芯片的稳定性，使其可以封装在常规的储存芯片上，避免封装过程中对储存芯片产生破坏，提高结构整体的可靠性和可控性。封装结构中的控制芯片包括用于检测周围环境的传感模块，还包括将传感模块检测的环境信息与预设的启动条件进行比对的比对模块，比对模块依据比对结果发送信号至PCB板，PCB板根据接收的信号控制半导体桥层放热使铝热剂含能层点火，从而销毁储存芯片。这种设置方式通过改变预设的启动条件便可以灵活的更改自毁芯片的自毁情形，适用于各种芯片、各类使用场景使用，进一步拓宽了本结构的适用范围，优化了使用效果。
本发明的封装方法同样具备上述封装结构的优点，同时其步骤简单、实施方便，能够通过简单的操作实现自毁芯片的快速封装。
附图说明
图1是本发明的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构的示意图；
图2是本发明的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构中半导体桥层的结构图。
图例说明：1、储存芯片；2、含能半导体芯片；21、半导体桥层；22、铝热剂含能层；23、聚酰亚胺薄膜；24、硅基底；25、二氧化硅层；26、钛层；27、金层；28、氧化铜层；3、控制芯片；4、引线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，封装于PCB板上的需要装设自毁装置的储存芯片1上，包括含能半导体芯片2、控制芯片3和引线4，控制芯片3安装于含能半导体芯片2与储存芯片1之间，引线4连接含能半导体芯片2和PCB板；含能半导体芯片2包括有半导体桥层21、铝热剂含能层22以及设置于半导体桥层21和铝热剂含能层22之间的聚酰亚胺薄膜23。聚酰亚胺的介电常数为3.4左右，由其制成的薄膜具有良好的介电性能，安装在半导体桥层21和铝热剂含能层22之间可以有效防止连续不断的微弱能量和射频干扰，进而有效提高含能半导体芯片2的稳定性，使其可以封装在常规的储存芯片1上，避免封装过程中对储存芯片1产生破坏，提高结构整体的可靠性和可控性。
控制芯片3包括用于检测周围环境的传感模块，还包括将传感模块检测的环境信息与预设的启动条件进行比对的比对模块，比对模块依据比对结果发送信号至PCB板，PCB板根据接收的信号控制半导体桥层21放热使铝热剂含能层22点火，从而实现储存芯片1的自毁。这种设置方式通过改变预设的启动条件便可以灵活的更改自毁芯片的自毁情形，适用于各种芯片、各类使用场景使用，进一步拓宽了本结构的适用范围，优化了使用效果。
本实施例中，设置启动条件为温度超过80℃/冲击载荷达到300N，在射频在30W以下和静电作用(1000PF、500Ω、25KV)的条件下芯片均能够正常工作。而在运行温度超过80℃和冲击载荷达到300N时，外部环境达到了启动条件，因此比对模块发送信号给PCB板，PCB板放电致使半导体桥层21等离子体放热，从而使铝热剂含能层22点燃着火，燃烧整个储存芯片1，实现储存芯片1的自毁，保证信息的私密性。
本实施例中，一个PCB板上可能存在多个需要设置自毁装置的储存芯片1，因此可以在每个储存芯片1上都设置本实施例的封装结构。
本实施例中，引线4可以选用纯度为99.99％的金线。
本实施例中，铝热剂含能层22为多个铝金属薄膜和多个氧化铜薄膜交替堆叠得到的含能层。可以优选纯度为99.99％的铝靶材和纯度为99.99％的氧化铜靶材作为原料，采用磁控溅射和等离子辅助化学气相乘积法来制备。
本实施例中，含能半导体芯片2的整体尺寸为2mm×1mm，芯片厚度为200μm，含能半导体芯片2还包括500μm厚的硅基底24、1μm厚的二氧化硅层25、钛层26、金层27和氧化铜层28；硅具有较好的丰裕度和优良的机械和半导体性能，是最主要的基础材料。二氧化硅层25使换能元与基底之间形成电容器，对射频短路，可提高换能元的安全性，同时减少桥区发火时对衬底的热损失，使得桥区部分的能量更为集中。钛层26和金层27形成的焊盘有良好的导热性和较低的电阻率，具有连接导线、导电和散热的作用。氧化铜层28用于使半导体桥层21和铝热剂含能层22绝缘。含能半导体芯片2从靠近控制芯片3至远离控制芯片3的方向依次设置硅基底24、二氧化硅层25、半导体桥层21、聚酰亚胺薄膜23、钛层26、金层27、氧化铜层28和铝热剂含能层22。
本实施例中，半导体桥层21为厚度为2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层，且桥型为H形或V形。本实施例中选用H形，如图2所示。
本实施例中，封装结构还包括包覆于含能半导体芯片2、控制芯片3、引线4和储存芯片1外部的由环氧树脂和二氧化硅混合制得的塑封层。
本实施例中，含能半导体芯片2和控制芯片3之间以及控制芯片3与储存芯片1之间均设置有由环氧树脂和银浆混合制得的粘合层。
本实施例的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装方法，步骤简单，实施方便，包括以下步骤：
S1：在硅基底24的表面热氧化生成1μm的二氧化硅层25；
S2：在二氧化硅层25上通过外延工艺生长出3μm厚的多晶硅，再通过扩散注入浓度为7×1019cm3的磷，从而沉积得到2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层；
S3：对N型重掺杂多晶硅层经光刻、显影以及刻蚀工序形成H形桥型的半导体桥层21，桥区尺寸为380μm×80μm×2.5μm(宽×长×高)，电阻1.3欧；
S4：在半导体桥层21上沉积厚度为2μm的聚酰亚胺薄膜23；
S5：依次在半导体桥层21上的聚酰亚胺薄膜23外侧磁控溅射一层厚度为40nm的钛层26和0.3μm的金层27；
S6：对钛层26和金层27执行光刻、显影以及刻蚀工序，使此二层与带有聚酰亚胺薄膜23的半导体桥层21形成带有金属PAD的半导体桥层；
S7：在带有金属PAD的半导体桥层上执行剥离工艺，制备镂空图形，先沉积一层氧化铜层，之后使用磁控溅射交替溅射1.8μm的氧化铜薄膜和1.2μm的铝金属薄膜；
S8：经过去胶、清洗，获得含能半导体芯片2，对含能半导体芯片2进行可靠性测试；
S9：将控制芯片3和储存芯片1通过倒装焊键合于PCB板上；在硅基底24上生成粘粘板通过助溶剂用控制芯片上的焊球键合在一起，通过热压焊使得控制芯片3和硅基底24粘接在一起，通过填充物进行填充，通过热压焊起固定作用，完成封装；
S10：通过粘合层连接含能半导体芯片2、控制芯片3和储存芯片1，通过引线4将含能半导体芯片2和PCB板键合；
S11：利用塑封剂对其进行塑封形成塑封层，之后装入陶瓷塞进行保护。
本实施例中，磁控溅射氧化铜薄膜和铝金属薄膜时的调制比为1.5：1，调制周期分别为120nm和80nm。良好的调制比以及调制周期进一步保证了铝热剂含能层22的稳定性，保证封装过程的安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，封装于PCB板上的需要装设自毁装置的储存芯片(1)上，其特征在于：包括含能半导体芯片(2)、控制芯片(3)和引线(4)，所述控制芯片(3)安装于含能半导体芯片(2)与储存芯片(1)之间，所述引线(4)连接含能半导体芯片(2)和PCB板；所述含能半导体芯片(2)包括有半导体桥层(21)、铝热剂含能层(22)以及设置于半导体桥层(21)和铝热剂含能层(22)之间的聚酰亚胺薄膜(23)；所述控制芯片(3)包括用于检测周围环境的传感模块，还包括将传感模块检测的环境信息与预设的启动条件进行比对的比对模块，所述比对模块依据比对结果发送信号至PCB板，所述PCB板根据接收的信号控制半导体桥层(21)放热使铝热剂含能层(22)点火；
所述含能半导体芯片(2)还包括硅基底(24)、二氧化硅层(25)、钛层(26)、金层(27)和氧化铜层(28)；所述含能半导体芯片(2)从靠近控制芯片(3)至远离控制芯片(3)的方向依次设置硅基底(24)、二氧化硅层(25)、半导体桥层(21)、聚酰亚胺薄膜(23)、钛层(26)、金层(27)、氧化铜层(28)和铝热剂含能层(22)。
2.根据权利要求1所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，其特征在于：所述铝热剂含能层(22)为多个铝金属薄膜和多个氧化铜薄膜交替堆叠得到的含能层。
3.根据权利要求1所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，其特征在于：所述半导体桥层(21)为厚度为2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层。
4.根据权利要求3所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，其特征在于：所述半导体桥层(21)的桥型为H形或V形。
5.根据权利要求1所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，其特征在于：所述封装结构还包括包覆于含能半导体芯片(2)、控制芯片(3)、引线(4)和储存芯片(1)外部的由环氧树脂和二氧化硅混合制得的塑封层。
6.根据权利要求1所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装结构，其特征在于：所述含能半导体芯片(2)和控制芯片(3)之间以及控制芯片(3)与储存芯片(1)之间均设置有由环氧树脂和银浆混合制得的粘合层。
7.一种集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在硅基底(24)的表面热氧化生成1μm的二氧化硅层(25)；
S2：在二氧化硅层(25)上制得2μm～3μm的N型重掺杂多晶硅层；
S3：对N型重掺杂多晶硅层经光刻、显影以及刻蚀工序形成H形桥型的半导体桥层(21)；
S4：在半导体桥层(21)上沉积厚度为2μm的聚酰亚胺薄膜(23)；
S5：依次在半导体桥层(21)上的聚酰亚胺薄膜(23)外侧磁控溅射一层厚度为40nm的钛层(26)和0.3μm的金层(27)；
S6：对钛层(26)和金层(27)执行光刻、显影以及刻蚀工序，使此二层与带有聚酰亚胺薄膜(23)的半导体桥层(21)形成带有金属PAD的半导体桥层；
S7：在带有金属PAD的半导体桥层上执行剥离工艺，制备镂空图形，先沉积一层氧化铜层(28)，之后使用磁控溅射交替溅射1.8μm的氧化铜薄膜和1.2μm的铝金属薄膜；
S8：经过去胶、清洗，获得含能半导体芯片(2)，对含能半导体芯片(2)进行可靠性测试；
S9：将控制芯片(3)和储存芯片(1)通过倒装焊键合于PCB板上；
S10：通过粘合层连接含能半导体芯片(2)、控制芯片(3)和储存芯片(1)，通过引线(4)将含能半导体芯片和PCB板键合；
S11：利用塑封剂对其进行塑封形成塑封层，之后装入陶瓷塞进行保护。
8.根据权利要求7所述的集成含能半导体桥的可自毁芯片器件封装方法，其特征在于：磁控溅射氧化铜薄膜和铝金属薄膜时的调制比为1.5：1，调制周期分别为120nm和80nm。
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