CN115831509A - 一种薄膜铂电阻及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜铂电阻及其制备方法，该电阻包括单晶硅衬底；设置于所述单晶硅衬底上表面的铂薄膜电阻层；设置于所述铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，所述铂电阻凸点采用硅镀铜的方式制备；与所述铂电阻凸点键合的引线；设置于所述铂薄膜电阻层上表面的玻璃釉层。本发明提供的一种薄膜铂电阻，其铂电阻凸点采用硅镀铜的方式制备，可以使得薄膜铂电阻在电阻电焊过程中，不会发生由于焊接温度过高而使凸点被击穿的情况，有效避免了焊接过程中造成的元件失效问题，提高薄膜铂电阻元件的可靠性。

Description

一种薄膜铂电阻及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜铂电阻制备技术领域，尤其是涉及一种薄膜铂电阻及其制备方法。

背景技术

传感器是人类感知力的延伸，温度传感器作为最常用的几款传感器之一，在军工、医疗和可穿戴电子等领域应用广泛。在众多温度传感器中，铂电阻由于其测温范围广、灵敏度高和线性度好等优点，被各国作为温度定标标准使用。

传统铂电阻采用绕线法制作，其依赖于手工制造，因此重复性和均一性较差。在进入二十一世纪后，工业提出了小型化和集成化的要求，因此采用半导体工艺制备的薄膜铂电阻应运而生。但现有的薄膜铂电阻常以氧化铝作为衬底，其工艺复杂且成本较高；同时，由于薄膜铂电阻特殊的薄层结构，采用传统焊接手段易造成线路破坏而引起元件失效等问题，目前业内尚无良好解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种薄膜铂电阻及其制备方法，以解决上述技术问题，采用硅镀铜的方式制备铂电阻凸点，可以有效避免焊接过程中造成的元件失效的问题，提高制备的元件可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种薄膜铂电阻，包括：单晶硅衬底；设置于所述单晶硅衬底上表面的铂薄膜电阻层；设置于所述铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，所述铂电阻凸点采用硅镀铜的方式制备；与所述铂电阻凸点键合的引线；设置于所述铂薄膜电阻层上表面的玻璃釉层。

上述方案提供的薄膜铂电阻中，其铂电阻凸点采用硅镀铜的方式制备，可以使得薄膜铂电阻在电阻电焊过程中，不会发生由于焊接温度过高而使凸点被击穿的情况，有效避免了焊接过程中造成的元件失效问题，提高薄膜铂电阻元件的可靠性。

上述方案采用硅镀铜的方式制备铂电阻凸点，其相对于现有的凸点制备工艺而言，还具备定位更加精准、置点效率更高的优势，其无需复杂的烧结过程，可以适用于批量生产。

上述方案采用了单晶硅作为衬底，其工艺成熟，且成本低廉。且利用铜作为焊接材料，能在保证基本电气连接性能的前提下提供优异的焊接性能和剪切强度，而且相对于目前铂电阻常用的贵金属如铂、金、银凸点相比，采用铜作为焊接材料价格低廉，可以极大降低生产成本。

进一步地，所述铂薄膜电阻层通过铬粘附层或钛粘附层设置于所述单晶硅衬底上表面。

上述方案中，通过铬粘附层或钛粘附层等黏附层，可以提高铂薄膜电阻层与单晶硅衬底的粘附性，以提升元件的可靠性。

本发明提供一种薄膜铂电阻制备方法，包括以下步骤：

在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层；

采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片；

将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件。

上述方案在制备薄膜铂电阻过程中，采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，其可以是薄膜铂电阻在后续电阻电焊过程中，不会发生由于焊接温度过高而使凸点被击穿的情况，可以有效避免了焊接过程中造成的元件失效问题，提高薄膜铂电阻元件的可靠性。

进一步地，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：在选定的单晶硅衬底上设置铂薄膜电阻层。

上述方案选定单晶硅作为薄膜铂电阻的衬底，其工艺成熟，且成本低廉。且硅的导热系数大，散热快，能很好地适应薄膜铂电阻后续制备过程中的刻蚀工艺。

进一步地，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：

在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底；

在镀膜衬底上旋涂光刻胶并进行曝光显影处理，将曝光位置的光刻胶去除；

以剩余的光刻胶为掩膜，将粘附层以及铂功能层对应的部分去除；

去除剩余的光刻胶，完成铂薄膜电阻层在衬底上的设置。

通过上述方案的方式在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，其定位准确，操作方便，操作效率高，可以很好地适用于大批量的生产过程。

进一步地，所述在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底，具体为：在选定的衬底上沉积铬粘附层或钛粘附层后，再沉积铂功能层，得到镀膜衬底。

上述方案中，在选定的衬底上沉积铬粘附层或钛粘附层等黏附层后，可以提高铂功能层与单晶硅衬底的粘附性，提升元件的可靠性。

进一步地，所述将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件，具体为：将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后，通过丝网印刷的方式在铂电阻基片上涂覆玻璃釉料进行封装；获取薄膜铂电阻元件。

上述方案中，通过丝网印刷的方式在铂电阻基片上涂覆玻璃釉料进行封装，其避免了使用堆叠形式的不稳定结构，使得制备的元件可靠性更高。

进一步地，所述获取薄膜铂电阻元件，具体为：对封装后的铂电阻基片进行低温烧结并进行切割，获取薄膜铂电阻元件。

上述方案中，采用切割的方式完成薄膜铂电阻元件的获取，保证了薄膜铂电阻元件的获取效率。

进一步地，所述采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片，具体为：在设置有铂薄膜电阻层的衬底上旋涂光刻胶并进行显影去胶处理，得到待镀铜柱位置；通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜；将光刻胶去除，获取待镀铜柱位置上的铜柱作为铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点。

上述方案采用的工艺完成铂电阻凸点的制备，其相对于现有方法而言，操作步骤更为简单，极大地提高了制备效率。

进一步地，所述通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜，具体为：

在衬底上沉积铜籽晶层后，将衬底置于电解池中；其中，所述电解池以磷铜和硅片作为阳极和阴极，以硫酸铜和硫酸混合物作为电解液；

对电解池通电，铜离子经过电解液在阴极表面与阴离子反应并被还原，在衬底上镀制成铜膜。

采用上述方式在衬底上镀制铜膜，可以有效避免电解过程中产生一价铜离子，使得镀制形成的铜膜更加平滑，可以有效提升铜膜镀制的效果，且避免铜原料的浪费。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种薄膜铂电阻结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种薄膜铂电阻制备方法流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的增加粘附层前后薄膜铂电阻温度系数值比对图；

图4为本发明一实施例提供的镀膜衬底结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的曝光显影处理后的镀膜衬底结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的将粘附层以及铂功能层对应的部分去除后的镀膜衬底结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的设置了铂薄膜电阻层的衬底结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的在设置了铂薄膜电阻层的衬底上旋涂光刻胶后的衬底结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的设置了铂薄膜电阻层的衬底上待镀铜柱位置结构示意图；

图10为本发明一实施例提供的镀制了铜膜的衬底结构示意图；

图11为本发明一实施例提供的制备了铂电阻凸点的衬底结构示意图；

其中：1、衬底；2、铂薄膜电阻层；3、铂电阻凸点；4、引线；5、玻璃釉层；6、粘附层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本实施例提供一种薄膜铂电阻，包括：单晶硅衬底1；设置于所述单晶硅衬底1上表面的铂薄膜电阻层2；设置于所述铂薄膜电阻层2上的铂电阻凸点3，所述铂电阻凸点3采用硅镀铜的方式制备；与所述铂电阻凸点3键合的引线4；设置于所述铂薄膜电阻层2上表面的玻璃釉层5。

本实施例提供的薄膜铂电阻中，其铂电阻凸点3采用硅镀铜的方式制备，可以使得薄膜铂电阻在电阻电焊过程中，不会发生由于焊接温度过高而使凸点被击穿的情况，有效避免了焊接过程中造成的元件失效问题，提高薄膜铂电阻元件的可靠性。

本实施例采用硅镀铜的方式制备铂电阻凸点3，其相对于现有的凸点制备工艺而言，还具备定位更加精准、置点效率更高的优势，其无需复杂的烧结过程，可以适用于批量生产。

本实施例采用了单晶硅作为衬底，其工艺成熟，且成本低廉。且利用铜作为焊接材料，能在保证基本电气连接性能的前提下提供优异的焊接性能和剪切强度，而且相对于目前铂电阻常用的贵金属如铂、金、银凸点相比，采用铜作为焊接材料价格低廉，可以极大降低生产成本。

进一步地，所述铂薄膜电阻层2通过铬粘附层或钛粘附层设置于所述单晶硅衬底1上表面。

在本实施例中，通过铬粘附层或钛粘附层等黏附层6，可以提高铂薄膜电阻层2与单晶硅衬底1的粘附性，以提升元件的可靠性。

为了说明该薄膜铂电阻的性能，本实施例采用7个温度点对薄膜铂电阻进行测温误差分析，具体测量数据如表1所示，其测温误差均在±(0.3+0.005|t|)℃以内，符合标准误差范围，即本薄膜铂电阻在实现比现有铂电阻更好效果的情况下，其测量性能也是符合误差标准的。

表1温度测量误差表

请参见图2，本实施例提供一种薄膜铂电阻制备方法，包括以下步骤：

S1：在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层；

S2：采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片；

S3：将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件。

本实施例在制备薄膜铂电阻过程中，采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，其可以是薄膜铂电阻在后续电阻电焊过程中，不会发生由于焊接温度过高而使凸点被击穿的情况，可以有效避免了焊接过程中造成的元件失效问题，提高薄膜铂电阻元件的可靠性。

进一步地，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：在选定的单晶硅衬底上设置铂薄膜电阻层。

本实施例选定单晶硅作为薄膜铂电阻的衬底，其工艺成熟，且成本低廉。且硅的导热系数大，散热快，能很好地适应薄膜铂电阻后续制备过程中的刻蚀工艺。

需要说明的是，采用单晶硅作为薄膜铂电阻的衬底，单晶硅作为第一代半导体材料，其在加工程序上十分成熟且简单。其相对于目前铂电阻研究常用的氧化铝(蓝宝石)衬底，半导体工艺中更加成熟，可行性更高，且整体成本低于氧化铝。硅的导热系数是氧化铝的6-7倍，散热快，能更好地适应半导体工艺中极为重要的刻蚀工艺。

进一步地，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：

在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底；

在镀膜衬底上旋涂光刻胶并进行曝光显影处理，将曝光位置的光刻胶去除；

以剩余的光刻胶为掩膜，将粘附层以及铂功能层对应的部分去除；

去除剩余的光刻胶，完成铂薄膜电阻层在衬底上的设置。

通过上述实施例的方式在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，其定位准确，操作方便，操作效率高，可以很好地适用于大批量的生产过程。

进一步地，所述在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底，具体为：在选定的衬底上沉积铬粘附层或钛粘附层后，再沉积铂功能层，得到镀膜衬底。

在本实施例中，在选定的衬底上沉积铬粘附层或钛粘附层等黏附层后，可以提高铂功能层与单晶硅衬底的粘附性，提升元件的可靠性。

需要说明的是，沉积黏附层可以优化薄膜铂电阻的性能，具体请参见图3所示的对比图，其显示了薄膜铂电阻的阻值随温度的变化关系，未沉积黏附层的电阻温度系数为0.00164948/℃，而沉积黏附层的电阻温度系数达到了0.00371/℃，几近达到国际标准规定的0.00385/℃，经过信号调理可得到标准铂电阻PT100。

为了进一步体现在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层的技术过程，本实施例提供了具体的技术手段进行实现，具体为：

第一步：通过磁控溅射的方法以

的速率在衬底上均匀沉积20-50nm的铬或钛粘附层，以及100nm-1μm铂功能层，得到镀膜衬底并在镀膜衬底上旋涂5-6μm厚的光刻胶，具体结构可参见图4；

第二步：对旋涂了光刻胶的镀膜衬底进行曝光显影处理，具体为：采用极紫外光源，以100-160mJ的剂量进行曝光，随后使用MIF300显影液进行140-200s的显影，将处于曝光部分的光刻胶用显影液去除，具体结构可参见图5；

第三步：以剩余的光刻胶为掩膜，通过刻蚀工艺将粘附层以及铂功能层对应的部分去除，具体结构可参见图6；

第四步：用丙酮超声去除剩余的光刻胶，超声范围在90-240W之间，完成铂薄膜电阻层在衬底上的设置，具体结构可参见图7。

在本实施例中，采用

的溅射速率在衬底上均匀沉积粘附层和铂功能层，可以使得到的膜层均匀性更佳；同时，光刻胶厚度与曝光剂量及显影时间匹配，可以得到边缘清晰、线宽精确的图形。

进一步地，所述将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件，具体为：将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后，通过丝网印刷的方式在铂电阻基片上涂覆玻璃釉料进行封装；获取薄膜铂电阻元件。

在本实施例中，通过丝网印刷的方式在铂电阻基片上涂覆玻璃釉料进行封装，其避免了使用堆叠形式的不稳定结构，使得制备的元件可靠性更高。

进一步地，所述获取薄膜铂电阻元件，具体为：对封装后的铂电阻基片进行低温烧结并进行切割，获取薄膜铂电阻元件。

在本实施例中，采用切割的方式完成薄膜铂电阻元件的获取，保证了薄膜铂电阻元件的获取效率。

需要说明的是，在获取铂电阻基片后，可以先将铂电阻批量调整至标准值，再在水冷和空冷同时作用下，用激光以5000-25000mm/s的速度将铂电阻基片切割成独立条状，并采用电阻点焊的工艺将铂电阻凸点与引线键合。最后用丝网印刷的方式涂覆玻璃釉料进行封装并低温烧结，最后切割成独立小片即可获取薄膜铂电阻元件成品。

进一步地，所述采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片，具体为：在设置有铂薄膜电阻层的衬底上旋涂光刻胶并进行显影去胶处理，得到待镀铜柱位置；通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜；将光刻胶去除，获取待镀铜柱位置上的铜柱作为铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点。

本实施例采用的工艺完成铂电阻凸点的制备，其相对于现有方法而言，操作步骤更为简单，极大地提高了制备效率。

进一步地，所述通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜，具体为：

在衬底上沉积铜籽晶层后，将衬底置于电解池中；其中，所述电解池以磷铜和硅片作为阳极和阴极，以硫酸铜和硫酸混合物(其中铜离子所占浓度比为40-50％)作为电解液；

对电解池通电，铜离子经过电解液在阴极表面与阴离子反应并被还原，在衬底上以70μm/h左右的速率镀制成铜膜。

采用上述方式在衬底上镀制铜膜，可以有效避免电解过程中产生一价铜离子，使得镀制形成的铜膜更加平滑，可以有效提升铜膜镀制的效果，且避免铜原料的浪费。

为了进一步体现铂电阻凸点的制备过程，本实施例提供了具体的技术手段进行实现，具体为：

在设置有铂薄膜电阻层的衬底上旋涂光刻胶，具体结构可参见图8；

更换掩膜版，显影去胶后得到待镀铜柱位置图案，具体结构可参见图9；

通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜，具体结构可参见图10；

通过lift-off的方式将光刻胶去除，获取待镀铜柱位置上的铜柱作为铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，具体结构可参见图11。

上述实施例在铂电阻凸点制备过程中采用了剥离工艺，相比于现有的刻蚀方案步骤更简单，生产效率更高。本实施例创造性地将硅镀铜方法使用在铂电阻凸点制备工艺上，相比于现有技术，如丝网印刷银浆或铂浆，其定位更为精准，置点速率更快，且无需复杂的烧结过程，适用于批量生产。

上述实施例以金属铜作为焊接材料，相比于当前新兴的铜膏焊料，能在保证基本电气连接性能的前提下提供优异的焊接性能和剪切强度，而与目前铂电阻常用的贵金属如铂、金、银接触垫相比，价格极为低廉，极大降低生产成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄膜铂电阻，其特征在于，包括：

单晶硅衬底；

设置于所述单晶硅衬底上表面的铂薄膜电阻层；

设置于所述铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，所述铂电阻凸点采用硅镀铜的方式制备；

与所述铂电阻凸点键合的引线；

设置于所述铂薄膜电阻层上表面的玻璃釉层。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜铂电阻，其特征在于，所述铂薄膜电阻层通过铬粘附层或钛粘附层设置于所述单晶硅衬底上表面。

3.一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层；

采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片；

将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件。

4.根据权利要求3所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：在选定的单晶硅衬底上设置铂薄膜电阻层。

5.根据权利要求3所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述在选定的衬底上设置铂薄膜电阻层，具体为：

在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底；

在镀膜衬底上旋涂光刻胶并进行曝光显影处理，将曝光位置的光刻胶去除；

以剩余的光刻胶为掩膜，将粘附层以及铂功能层对应的部分去除；

去除剩余的光刻胶，完成铂薄膜电阻层在衬底上的设置。

6.根据权利要求5所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述在选定的衬底上沉积粘附层以及铂功能层，得到镀膜衬底，具体为：

在选定的衬底上沉积铬粘附层或钛粘附层后，再沉积铂功能层，得到镀膜衬底。

7.根据权利要求3所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后对铂电阻基片进行封装，获取薄膜铂电阻元件，具体为：

将铂电阻基片上的铂电阻凸点与引线键合后，通过丝网印刷的方式在铂电阻基片上涂覆玻璃釉料进行封装；

获取薄膜铂电阻元件。

8.根据权利要求7所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述获取薄膜铂电阻元件，具体为：对封装后的铂电阻基片进行低温烧结并进行切割，获取薄膜铂电阻元件。

9.根据权利要求3～8任一项所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述采用硅镀铜的方式制备铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点，获取铂电阻基片，具体为：

在设置有铂薄膜电阻层的衬底上旋涂光刻胶并进行显影去胶处理，得到待镀铜柱位置；

通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜；

将光刻胶去除，获取待镀铜柱位置上的铜柱作为铂薄膜电阻层上的铂电阻凸点。

10.根据权利要求9所述的一种薄膜铂电阻制备方法，其特征在于，所述通过电镀的方式在衬底上镀制铜膜，具体为：

在衬底上沉积铜籽晶层后，将衬底置于电解池中；其中，所述电解池以磷铜和硅片作为阳极和阴极，以硫酸铜和硫酸混合物作为电解液；

对电解池通电，铜离子经过电解液在阴极表面与阴离子反应并被还原，在衬底上镀制成铜膜。

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