CN116147793A - 一种测温芯片、芯片结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测温芯片、芯片结构及制造方法，其包括：传热基板，所述传热基板的一侧设置有与所述传热基板接触的热敏元件，所述热敏元件用于将温度信号转换为电信号；金属电极，所述金属电极固设于所述传热基板，且所述金属电极与所述热敏元件电性连接。由于测温芯片设置了传热基板，板状的传热基板能够更好的与被测芯片贴合，且传热基板能够将被测芯片的热量传递给热敏元件，使热敏元件将温度信号转化为电信号并可以通过金属电极传出，以对被测芯片进行温度测量，因此，本发明与被测芯片本身的真实温差较小，且设置的传热基板有利于更好的与被测芯片贴合，对人员贴合的技术水平要求较低，能够进一步降低误差。

Description

一种测温芯片、芯片结构及制造方法

技术领域

本发明涉及芯片测试技术领域，特别涉及一种测温芯片、芯片结构及制造方法。

背景技术

目前，对于芯片测温一般是在芯片旁放置热敏电阻，或者直接在芯片表面贴合热电偶电极，然后用导电胶固定通过热电偶电极温度变化表征芯片温度。

相关技术中，常规热敏电阻精度虽然高，但是它放置在离芯片较远的位置，因此表征的温度是距离芯片较远的位置的温度，和芯片本身的真实温度差别较大；热电偶精度高，响应快，但其的最大缺陷在于：非常依赖人员将热电偶电极贴合到芯片表面的技术水平；电极金属和芯片表面贴合度高，则测温准，响应快，若热电偶电极和芯片贴合角度大，表面空隙较大，则测温响应慢，误差大，效果较差。

因此，有必要设计一种新的测温芯片、芯片结构及制造方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明实施例提供一种测温芯片、芯片结构及制造方法，以解决相关技术中使用热敏电阻测温差别较大，且热电偶较依赖人员贴合的技术水平的问题。

第一方面，提供了一种测温芯片，其包括：传热基板，所述传热基板的一侧设置有与所述传热基板接触的热敏元件，所述热敏元件用于将温度信号转换为电信号；金属电极，所述金属电极固设于所述传热基板，且所述金属电极与所述热敏元件电性连接。

一些实施例中，所述传热基板的材料为金刚石。

一些实施例中，所述热敏元件为热敏电阻或者热敏PN结。

一些实施例中，所述热敏元件远离所述传热基板的一侧设置有钝化层；且所述金属电极远离所述热敏元件的一侧设置有钝化层。

第二方面，提供了一种芯片结构，其包括：被测芯片，所述被测芯片的一侧贴合有测温芯片，所述测温芯片包括：传热基板，所述传热基板的一侧设置有与所述传热基板接触的热敏元件，所述热敏元件用于将温度信号转换为电信号；金属电极，所述金属电极固设于所述传热基板，且所述金属电极与所述热敏元件电性连接。

一些实施例中，所述传热基板通过加压焊接或加压烧结的方式贴合至所述被测芯片。

第三方面，提供了一种测温芯片的制造方法，其包括以下步骤：在传热基板的一侧固设热敏元件，其中，所述热敏元件用于将温度信号转换为电信号；在所述传热基板上固设金属电极，使所述金属电极与所述热敏元件电性连接。

一些实施例中，所述在传热基板的一侧固设热敏元件，包括：在所述传热基板上制作外延层；对所述外延层进行蚀刻形成第一空腔；在所述第一空腔内填入热敏材料形成热敏元件。

一些实施例中，所述在所述传热基板上固设金属电极，使所述金属电极与所述热敏元件电性连接，包括：在所述外延层上涂覆光刻胶，并对所述光刻胶进行光刻，形成暴露区域；对所述暴露区域进行蚀刻，形成第二空腔；在所述第二空腔内填入金属材料形成金属电极。

第四方面，提供了一种芯片结构的制造方法，其包括以下步骤：在传热基板的一侧固设热敏元件，其中，所述热敏元件用于将温度信号转换为电信号；在所述传热基板上固设金属电极，使所述金属电极与所述热敏元件电性连接，形成测温芯片；将所述测温芯片贴在被测芯片的发热集中处，并通过加压焊接或加压烧结的方式使所述测温芯片固定至所述被测芯片。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种测温芯片、芯片结构及制造方法，由于测温芯片设置了传热基板，板状的传热基板能够更好的与被测芯片贴合，且传热基板能够将被测芯片的热量传递给热敏元件，使热敏元件将温度信号转化为电信号并可以通过金属电极传出，以对被测芯片进行温度测量，因此，热敏元件与被测芯片是间接接触的，与间隔设置热敏电阻进行测温相比，本发明与被测芯片本身的真实温差较小，且设置的传热基板有利于更好的与被测芯片贴合，对人员贴合的技术水平要求较低，能够进一步降低误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种测温芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的传热基板上设置外延层的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的第一次光刻的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第一次蚀刻的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的传热基板上形成热敏元件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的第二次光刻的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第二次蚀刻的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的传热基板上形成金属电极的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第三次光刻的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的第三次蚀刻的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的金属电极的一侧形成钝化层的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的二次外延的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的第四次光刻的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的第四次蚀刻的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的热敏元件上方形成钝化层的结构示意图；

图16为本发明实施例提供的酸洗后的结构示意图；

图17为本发明实施例提供的传热基板上形成多个测温芯片的结构示意图；

图18为本发明实施例提供的一种芯片结构的结构示意图。

图中：

100、测温芯片；

1、传热基板；2、热敏元件；3、金属电极；4、键合线；5、钝化层；6、外延层；7、光刻胶；8、半导体薄膜；

91、第一空腔；92、第二空腔；93、第三空腔；94、第四空腔；

200、被测芯片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

本发明实施例提供了一种测温芯片、芯片结构及制造方法，其能解决相关技术中使用热敏电阻测温差别较大，且热电偶较依赖人员贴合的技术水平的问题。

参见图1所示，为本发明实施例提供的一种测温芯片100，其可以包括：传热基板1，所述传热基板1的一侧设置有与所述传热基板1接触的热敏元件2，其中，此处的接触可以理解为直接接触或者间接接触均可，本实施例中，优选将热敏元件2设置为直接与传热基板1接触，且热敏元件2可以固定于传热基板1上；所述热敏元件2用于将温度信号转换为电信号，也即，热敏元件2可以感受传热基板1传递过来的温度，并将温度信号转换为电信号，以便于进行数字展现；金属电极3，所述金属电极3固设于所述传热基板1，且所述金属电极3与所述热敏元件2电性连接，如此设置，热敏元件2转换的电信号可以通过金属电极3输出；进一步的，可以将金属电极3连接到外部电路，得到电阻-时间曲线，通过数据运算处理，得到温度-时间曲线，进而可以分析被测芯片200的温度变化。

本发明实施例中，由于测温芯片100设置了传热基板1，板状的传热基板1能够更好的与被测芯片200贴合，且传热基板1能够将被测芯片200的热量传递给热敏元件2，使热敏元件2将温度信号转化为电信号并可以通过金属电极3传出，以对被测芯片200进行温度测量，因此，热敏元件2与被测芯片200是间接接触的，通过传热基板1能够感受到被测芯片200较真实的温度，而相关技术中的热敏电阻是放置在离被测芯片200较远的位置，与被测芯片200不接触的，与间隔设置热敏电阻进行测温相比，本发明测温芯片100能与被测芯片200接触，与被测芯片200本身的真实温差较小，且设置的传热基板1有利于更好的与被测芯片200贴合，对人员贴合的技术水平要求较低，能够进一步降低误差。本发明实施例提供的测温芯片100能够实现精准快速的测温。

进一步，参见图18所示，在一些实施例中，金属电极3可以连接有键合线4，通过键合线4将电信号导出，并且可以在每个热敏元件2的相对两侧分别设置一个金属电极3，两个金属电极3均连接键合线4。

在一些可选的实施例中，所述传热基板1的材料优选为金刚石，由于金刚石的热导率在1000-2000kW/K，而铜/锡/Si的热导率均在400以内，普通陶瓷的导热系数约为30。

对被测芯片200进行测温的关键在于测温精度和响应速度，对于测温精度，需要解决的是热接触面的问题，本发明实施例是将测温芯片100制成片状结构，通过加压焊接或加压烧结，可以将被测芯片200和本测温芯片100完全贴合，不留空隙。

根据热阻R＝L/(λS)，λ是导热系数，L是材料厚度或长度，S是传热面积，可以看出，在相同厚度和传热面积下，金刚石的热阻最低，约为金属铜的3到5分之一；是陶瓷的几十分之一。

同时我们根据热时间常数模型：R×C＝τ，可以看到，由于金刚石的热阻R很小，因此金刚石的热时间常数相比金属更小，因此对温度变化的响应更快。

同时，本测温芯片100尺寸可以做到0.5mm×0.5mm以下(常规汽车IGBT芯片尺寸10mm×10mm)，同等厚度下体积比仅为1/400，热容非常小。因此，本测温芯片100对被测芯片200的散热影响非常小(不到0.25％)。

本测温芯片100的原理是利用金刚石的超高导热能力和热敏元件2良好的温度-电学特性，使用时，可以将此测温芯片100焊接或烧结到被测芯片200上，通过键合线4连接外部电路进行数据处理，能精确及时地表征被测芯片200的温度信息。

当然，在其他实施例中，也可以选择其他材料的传热基板1，比如选择氮化铝或者其他导热效果好的材料等。

进一步，在一些实施例中，所述热敏元件2可以为热敏电阻或者热敏PN结，热敏电阻和热敏PN结均能够将温度信号转换为电信号。

在一些可选的实施例中，所述热敏元件2远离所述传热基板1的一侧设置有钝化层5，以将热敏元件2密封在钝化层5和传热基板1之间；且所述金属电极3远离所述热敏元件2的一侧也设置有钝化层5，本实施例中，通过设置钝化层5可以保护测温芯片100的内部结构不受外部水汽、灰尘颗粒等的影响。

参见图18所示，本发明实施例还提供了一种芯片结构，其可以包括：被测芯片200，所述被测芯片200的一侧贴合有测温芯片100，其中，所述测温芯片100包括：传热基板1，所述传热基板1的一侧设置有与所述传热基板1接触的热敏元件2，所述热敏元件2用于将温度信号转换为电信号；以及金属电极3，所述金属电极3固设于所述传热基板1，且所述金属电极3与所述热敏元件2电性连接。本实施例中涉及的测温芯片100可以采用上述任一实施例中的测温芯片100，在此不再赘述。

进一步，在一些实施例中，所述传热基板1可以通过加压焊接或加压烧结的方式贴合至所述被测芯片200，将测温芯片100制成同样的片状结构，并通过加压焊接或加压烧结，可以将被测芯片200和测温芯片100完全贴合，不留空隙，进而提升测温精度。

本发明实施例还提供了一种测温芯片100的制造方法，其可以包括以下步骤：

步骤1：在传热基板1的一侧固设热敏元件2，其中，所述热敏元件2用于将温度信号转换为电信号。

步骤2：在所述传热基板1上固设金属电极3，使所述金属电极3与所述热敏元件2电性连接。其中，在制造测温芯片100时，可以一次做一个产品，也可以一次做多个产品，当一次做多个产品时，可以将传热基板1设计为一整块板，在整个大的传热基板1上制造出多个测温芯片100，最后再切割成多个独立的产品。本实施例中，可以将传热基板1设计为圆盘状，在整个大的传热基板1上制造多个测温芯片100。

其中，在步骤1之前，还包括将原材料通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)的方法生成传热基板1，其中，当传热基板1为金刚石时，原材料可以包括纯碳、CH4气体、H2气体。

在生成传热基板1后，可以使用离子研磨机和抛光设备将传热基板1研磨并抛光到表面粗糙Ra符合Ra≤1nm的要求，使传热基板1变得利于加工，增强散热度。

在一些实施例中，参见图2至图5所示，所述在传热基板1的一侧固设热敏元件2，可以包括：在所述传热基板1上制作外延层6，其中，可以通过磁控溅射工艺在传热基板1上制作一层外延层6，外延层6的材料可以为氮化铝或者氮化硅；然后对所述外延层6进行蚀刻形成第一空腔91；在所述第一空腔91内填入热敏材料形成热敏元件2。

其中，参见图3至图4所示，对所述外延层6进行蚀刻形成第一空腔91，可以包括以下步骤：在外延层6上涂抹一层光刻胶7，并根据需要的图形位置制作光刻板，将光刻板上的图形转移到光刻胶7上，被曝光部分的光刻胶7被腐蚀掉，其他区域被保护(此步骤为对光刻胶7进行光刻)；然后采用蚀刻液对被暴露出来的区域进行蚀刻，形成第一空腔91。

进一步，在形成第一空腔91后，可以洗掉光刻胶7，采用丝网印刷或沉积的方法，将热敏浆料填入第一空腔91内。

在上述技术方案的基础上，参见图6至图8所示，所述在所述传热基板1上固设金属电极3，使所述金属电极3与所述热敏元件2电性连接，可以包括以下步骤：在所述外延层6上涂覆光刻胶7，并对所述光刻胶7进行光刻(此为二次光刻)，形成暴露区域，其中，在光刻时，提前根据需要的图形位置制作光刻板，并将光刻板上的图形转移到光刻胶7上，被曝光部分的光刻胶7被腐蚀掉，其他区域被保护；然后对所述暴露区域进行蚀刻(此为二次蚀刻)，形成第二空腔92，在进行蚀刻时，可以采用蚀刻液对暴露出来的区域进行蚀刻；在所述第二空腔92内填入金属材料形成金属电极3。

其中，可以采用沉积的方式在第二空腔92内沉积金属材料形成金属电极3，金属材料可以为金属铝，也可以是钛或者镍或者银，其中铝的成本最低。

在一些可选的实施例中，参见图9至图11所示，在形成金属电极3之后，还可以再进行第三次光刻，也即再次根据需要的图形位置制作光刻板，对光刻胶7进行光刻，将光刻板上的图形转移到光刻胶7上，被曝光部分的光刻胶7被腐蚀掉，其他区域被保护；然后再进行第三次蚀刻，采用蚀刻液对暴露出来的区域进行蚀刻，形成第三空腔93(其中，第三空腔93位于相邻测温芯片100的金属电极3之间)，然后在第三空腔93内填充材料形成钝化层5，再洗掉光刻胶7，其中，形成钝化层5的材料可以为聚酰亚胺(PSPI)材料或者玻璃SiO2等均可。本实施例中在第三空腔93内形成的钝化层5，可以在测温芯片100切割后保护在金属电极3的外侧。

进一步，参见图12至图15所示，在第三空腔93内形成钝化层5之后，可以在晶圆(其中，在生长半导体薄膜8之前形成的元器件均可以称之为晶圆)正面生长一层半导体薄膜8，优选硅薄膜8，当然，也可以是其他类型的半导体材料，然后再在半导体薄膜8上进行第四次光刻，也即再次根据需要的图形位置制作光刻板，对光刻胶7进行光刻，将光刻板上的图形转移到光刻胶7上，被曝光部分的光刻胶7被腐蚀掉，其他区域被保护；然后再进行第四次蚀刻，采用蚀刻液对被暴露出来的区域进行蚀刻，形成第四空腔94(其中，第四空腔94位于热敏元件2远离传热基板1的一侧)，然后在第四空腔94内填充材料形成钝化层5，再洗掉光刻胶7，此处形成钝化层5的材料可以为聚酰亚胺(PSPI)材料或者玻璃SiO2等均可；然后再进行酸洗，将表面的半导体薄膜8洗掉，最后划片、切割晶圆，分成一颗颗的测温芯片100(参见图16至图17所示)。

本发明实施例还提供了一种芯片结构的制造方法，其可以包括以下步骤：在传热基板1的一侧固设热敏元件2，其中，所述热敏元件2用于将温度信号转换为电信号；在所述传热基板1上固设金属电极3，使所述金属电极3与所述热敏元件2电性连接，形成测温芯片100；将所述测温芯片100贴在被测芯片200的发热集中处，并通过加压焊接或加压烧结的方式使所述测温芯片100固定至所述被测芯片200。

其中，测温芯片100的制造方法可以采用上述任一实施例中提供的制造方法，在测温芯片100制造完成之后，可以进行后续的封装，也即将测温芯片100取下，贴在被测芯片200的发热集中处，提供烧结或回流焊进行固化，在测温芯片100上进行引线键合，连接到外部电路，得到电阻-时间曲线，通过数据运算处理，进而得到温度-时间曲线。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测温芯片，其特征在于，其包括：

传热基板(1)，所述传热基板(1)的一侧设置有与所述传热基板(1)接触的热敏元件(2)，所述热敏元件(2)用于将温度信号转换为电信号；

金属电极(3)，所述金属电极(3)固设于所述传热基板(1)，且所述金属电极(3)与所述热敏元件(2)电性连接。

2.如权利要求1所述的测温芯片，其特征在于：所述传热基板(1)的材料为金刚石。

3.如权利要求1所述的测温芯片，其特征在于：所述热敏元件(2)为热敏电阻或者热敏PN结。

4.如权利要求1所述的测温芯片，其特征在于：所述热敏元件(2)远离所述传热基板(1)的一侧设置有钝化层(5)；

且所述金属电极(3)远离所述热敏元件(2)的一侧设置有钝化层(5)。

5.一种芯片结构，其特征在于，其包括：

被测芯片，所述被测芯片的一侧贴合有测温芯片，所述测温芯片包括：

传热基板(1)，所述传热基板(1)的一侧设置有与所述传热基板(1)接触的热敏元件(2)，所述热敏元件(2)用于将温度信号转换为电信号；

金属电极(3)，所述金属电极(3)固设于所述传热基板(1)，且所述金属电极(3)与所述热敏元件(2)电性连接。

6.如权利要求5所述的芯片结构，其特征在于：

所述传热基板(1)通过加压焊接或加压烧结的方式贴合至所述被测芯片。

7.一种测温芯片的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

在传热基板(1)的一侧固设热敏元件(2)，其中，所述热敏元件(2)用于将温度信号转换为电信号；

在所述传热基板(1)上固设金属电极(3)，使所述金属电极(3)与所述热敏元件(2)电性连接。

8.如权利要求7所述的测温芯片的制造方法，其特征在于，所述在传热基板(1)的一侧固设热敏元件(2)，包括：

在所述传热基板(1)上制作外延层(6)；

对所述外延层(6)进行蚀刻形成第一空腔(91)；

在所述第一空腔(91)内填入热敏材料形成热敏元件(2)。

9.如权利要求8所述的测温芯片的制造方法，其特征在于，所述在所述传热基板(1)上固设金属电极(3)，使所述金属电极(3)与所述热敏元件(2)电性连接，包括：

在所述外延层(6)上涂覆光刻胶(7)，并对所述光刻胶(7)进行光刻，形成暴露区域；

对所述暴露区域进行蚀刻，形成第二空腔(92)；

在所述第二空腔(92)内填入金属材料形成金属电极(3)。

10.一种芯片结构的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：

在传热基板(1)的一侧固设热敏元件(2)，其中，所述热敏元件(2)用于将温度信号转换为电信号；

在所述传热基板(1)上固设金属电极(3)，使所述金属电极(3)与所述热敏元件(2)电性连接，形成测温芯片；

将所述测温芯片贴在被测芯片的发热集中处，并通过加压焊接或加压烧结的方式使所述测温芯片固定至所述被测芯片。

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