SE447318B - Integrerad halvledarkrets med fog av termiskt isolerande fogemne, sett att framstella kretsen samt dess anvendning i en flodesmetare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 447 318 I- 2 tionella integrerade kretsar, d v s uppbyggda pâ ett skikt av enkristallint halvledarmaterial på vilket enligt känd teknik har integrerats för givarens funktion er- forderliga elektriska komponenter och ledare. Förutom givarens ringa storlek och den lägre tillverkningskost- nad för själva givaren som uppnås genom framställning av flera identiska enheter åt gängen, s k batch-process, uppnås härigenom även den fördelen, att den till givaren hörande signalbehandlingselektroniken eller motsvarande kan integreras direkt pà givaren vid tillverkningen av densamma, vilket ytterligare reducerar givarens till- verkningskostnad samtidigt som dennas tillförlitlighet förbättras. Det totala systemets mätprestanda förbättras också genom att signalbehandlingselektroniken integreras direkt på givaren. En första signalförstärkning kan då åstadkommas närmare själva mätenheten, vilket för- hindrar att svaga signaler ofördelaktigt matas över, längre signalvägar.

En känd_flödeshastighetsgivare av detta slag inne- fattar en tunn och smal kiselstav, en med kiselstavens ena ände fast förbunden basplatta, vilken uppbär för givarens funktion erforderliga anslutningsytor, och en med kiselstavens andra ände fast förbunden sensordel, vilken likaledes är tillverkad av kisel. Vid användning av givaren inskjutes stavens andra ände genom en rörvägg eller liknande till den gas eller vätska, vars flödeshas- tighet skall mätas, varvid sensordelen anbringas i flödet.

Denna givares funktionssätt, som bygger på känd teknik, är följande. Sensordelen upphettas elektriskt medelst en på denna del integrerad resistans till en övre tem- peratur, varefter sensordelen får svalna på grund av konvektionsförluster till en lägre temperatur, varvid » detta förlopp kan upprepas cykliskt. Både uppvärmnings- tiden och avsvalningstiden är ett mått på mediets flödes- hastighet. En första temperaturkänslig diod för kompen- sering för temperaturändringar i mediet är integrerad i kiselstaven och en andra temperaturkänslig diod är l0 15 20 25 30 35 447 318 '\ l 3 integrerad i sensordelen, varvid man med denna andra diod jämte resistansen kan åstadkomma ett temperatur- àterkopplat reglersystem för styrning av sensordelens temperatur. I För uppnàende av en noggrann flödesmätning med den ovan beskrivna flödesgivaren är det uppenbarligen önskvärt att sensordelen är termiskt isolerad från kisel- staven, så att sensordelens temperatur huvudsakligen påverkas av termiska konvektionsförluster på grund av flödet och ej på grund av värmeledning mellan sensordelen och staven.

För detta ändamål har man i den ovan beskrivna, kända flödesgivaren utformat kretsen i tvâ fysiskt åt- skilda enheter eller brickor, som endast sammanhàlles av de ledare som sträcker sig mellan brickorna (sensor- delen och staven) och som också svarar för den elekt- riska förbindelsen mellan brickorna. Denna lösning har dock en allvarlig nackdel. För att ledarna skall få en tillräckligt god bärförmàga, d v s för att staven i den ovan beskrivna flödesgivaren skall kunna uppbära sensorbrickan, måste tjockleken hos dessa vara förhållande- vis stor, vilket innebär en stor ledartvärsnittsarea. i mellanrummet mellan sensorbrickan och staven och däri- genom en oönskad värmeledning via ledarna från sensor- brickan till staven, vilket i sin tur inverkar negativt på givarens känslighet och snabbhet. Om man gör ledarna tunnare för att hindra denna oönskade värmetransport mellan sensorbrickan och staven, blir givaren mera sårbar för stötar och bryts den lättare sönder. Det finns även en risk för att en givare av ovan beskrivna typ bryts sönder på grund av trycket från det omgivande, strömmande - .v mediumet.

För lösning av ovanstående problem har det enligt uppfinningen framtagits en integrerad halvledarkrets av den inledningsvis beskrivna typen, som utmärkes av att ett termiskt isolerande fogämne är anbringat över mellanrummet mellan brickorna för att tjäna till samman- 447 318 10 15 20 25 30 35 .f- 4 hållning av dessa. Fogämnet är härvid företrädesvis mekaniskt bärande för uppnáende av en stark sammanhållning av brickorna, och ledarna är företrädesvis så dimen- sionerade, att de jämfört med fogämnet har en försumbar bärande funktion. Genom denna konstruktion undanröjes säledes det ovan angivna problemet och uppnås ovannämnda ändamål, d V s att samtidigt åstadkomma en termisk iso- lering mellan brickorna, en elektrisk förbindelse dem emellan och en mekanisk sammanhållning av brickorna.

I en föredragen utföringsform av den uppfinnings- enliga halvledarkretsen är fogämnet så anbringat i ut- rymmet mellan brickornas mot varandra vända smalsidor, att brickorna och fogämnet bildar en väsentligen jämntjock enhet, och utgöres ledarna av flata, mellan brickorna utsträckta metalledare, vilka, eventuellt via en på ledarna anbringad oxid, anligger direkt mot fogämnet.

Fogämnet kan utöver nämnda bärande funktion även ha en skyddande funktion, och för detta ändamål är fogäm- net, förutom över nämnda mellanrum, anbringat i form av ett tunt skyddsskikt över ledarna och eventuellt pà en del av brickornas ena flatsida.

Fogämnet, vilket kan vara vilket som helst termiskt isolerande och företrädesvis mekaniskt bärande material, utgöres företrädesvis av ett organiskt material, såsom polyimid, som är ett mycket värmetàligt och mekaniskt starkt'material.

Vid användning av den uppfinningsenliga integrerade halvledarkretsen för uppbyggnad av en flödesmätare av den inledningsvis beskrivna typen och av den typ som närmare har beskrivits ovan hålles staven och sensor- brickan så samman medelst nämnda termiskt isolerande fogämne, att sensorbrickan via fogämnet uppbäres av staven. Sensorbrickan upphettas härvid elektriskt via nämnda ledare, vilkas totala tvärsnittsarea i mellanrummet mellan sensorbrickan och staven är begränsad för begräns- ning av sensorbrickans värmeledningsförluster via ledarna till staven.

För framställning av den ovan beskrivna, integrerade 10 15 20 25 30 35 447 318 5 halvledarkretsen har det enligt uppfinningen framtagits ett sätt att framställa densamma, varvid kretsen först formas i ett stycke med eventuella komponenter och nämnda ledare anbringade i ett önskat mönster på kretsens fram- sida. Det uppfinningsenliga framställningssättet utmärkes av åtgärderna att åstadkomma ett mot kretsens baksida anslutet skikt, att avlägsna halvledarmaterialet i mellan- rummet eller mellanrummen mellan de önskade brickorna, varigenom brickorna huvudsakligen sammanhàlles medelst baksidesskiktet och varigenom ledarna bildar broar över mellanrummet eller mellanrummen mellan brickorna, och att anbringa ett termiskt isolerande fogämne över mellan- rummet eller mellanrummen.

Genom användning av baksidesskiktet, vilket kan utgöras av en kiseloxid eller en metall, uppnås två fördelar. För det första tjänar skiktet till sammanhåll- ning av brickorna i det steg under tillverkningen då halvledarmaterialet mellan de önskade brickorna har avlägsnats och fogämnet ännu ej har anbringats över mellanrummet eller mellanrummen mellan brickorna. För det andra hindra; baksidesskiktet, i det fall fogämnet páföres kretsen uppifrån, fogämnet att få kontakt med kretsens baksida. Efter anbringandet av fogämnet kan baksidesskiktet avlägsnas, varefter fogämnet själv sam- manhàller respektive brickor.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare i det föl- jande genom ett speciellt föredraget utföringsexempel av en integrerad, flerdelad flödesmätare, vilken är uppbyggd medelst den uppfinningsenliga integrerade halv- ledarkretsen, och genom ett föredraget sätt att framställa halvledarkretsen enligt uppfinningen.

I medföljande ritningar, vartill nu hänvisas, àskädl liggör fig l i perspektiv en gasflödesmätare av känt utförande, i vilken de olika halvledarbrickorna endast sammanhàlles medelst ledare. Fig 2 är en schematisk sidovy av en fog som svarar mot fogen mellan brickorna i flödesmätaren i fig l, men där brickorna istället är sammanfogade genom användning av halvledarkretsen i; 447 318 10 15 20 25 30 35 6 och sättet enligt uppfinningen. Fig 3A-3E åskådliggör schematiskt det uppfinningsenliga sättet att framställa den i samband med fig l och 2 beskrivna flödesmätaren.

Den i perspektiv visade, kända gasflödesgivaren eller -mätaren i fig l är uppbyggd av tre huvuddelar: En basplatta l med fem elektriska anslutningsytor 2 anbringade pà basplattans framsida med hjälp av vilka givaren kan anslutas till yttre kretsar och drivorgan, en från basplattan l utsträckt kiselstav 3 med en tjocklek i storleksordningen 30 um samt en vid kiselstavens 3 från basplattan l vända ände anbringad sensordel 4 i form av en mindre kiselbricka. Staven 3 och sensorbrickan 4 är inskjutna genom ett hål 5 i en rörvägg 6 eller motsvarande, som avgränsar den gas vars flödeshastig- het skall mätas av flödesgivaren. Såsom visas i figuren är sensorbrickan 4 anbringad med sin flatsida parallellt med flödesriktningen, som àskàdliggöres med pilen A.

En resistans R och en första diod Dl är integrerade på sensorbrickans 4 framsida och en andra diod D2 är integrerad på kiselstavens 3 framsida. Dessa tre kompo- nenter R, Dl och D2 är via fem flata metalledare 7 elek- triskt förbundna med anslutningsytorna 2.

Den visade givarens arbetssätt vid gasflödesmätning, vilket sätt bygger på känd teknik, skall nu beskrivas närmare. Sensorbrickan 4 uppvärmes medelst resistansen R till en övre temperatur TI, varefter brickan som en följd av konvektionsförluster till den omgivande, ström- mande gasen svalnar till en lägre temperatur T2, varvid detta uppvärmníngs- och avsvalningsförlopp kan upprepas cykliskt. Vid mätförfarandet utnyttjas det faktum, att en pn-övergång i kisel, d v s dioderna Dl och D2, ändrar sitt framspänningsfall med cirka -2 mV/°C vid konstant , ström i diodernas framriktning. Den första dioden Dl, vilken är anbringad på sensorbrickan 4, bildar tillsammans med resistansen R ett temperaturâterkopplat reglersystem för styrning av sensorbrickans 4 temperatur i nämnda cykel. Den andra, på kiselstaven 3 anbringade dioden 10 15 20 25 30 35 447 318 7 D2 utnyttjas för kompensering av eventuella variationer i gasens temperatur. Genom mätning av sensorbrickans 4 konvektionsförluster utifrån sensorbrickans 4 olika temperatur- och effektförbrukningsförlopp under uppvärm- nings- och avsvalningscykeln kan man således erhålla ett mätvärde på gasens flödeshastighet.

För uppnående av en hög noggrannhet och/eller käns- lighet och snabbhet hos givaren är det uppenbarligen önskvärt att åstadkomma en termisk isolering mellan staven 3 och sensorbrickan 4. I den i fig l visade gas- flödesmätaren av känt utförande har man sökt lösa detta problem genom att utforma staven 3 och sensorbrickan 4 som tvâ fysiskt åtskilda enheter. Ovannämnda metalledare 7 utnyttjas härvid även för mekanisk sammanhållning av de båda delarna vid mellanrummet 8. För åstadkommande av en tillräckligt god bärförmàga hos ledarna 7 har man förstärkt dessa genom elektroplätering, vilket har medfört att ledarnas slutliga tjocklek har legat i stor- leksordningen 10 um eller mer. Denna betydande tjocklek hos ledarna 7 har medfört att värmeledningsförlusterna från sensorbrickan 4 via ledarna till staven 3 har haft en relativt stor inverkan vid mätningen och beräkningen av gasflödeshastigheten, vilket har nedsatt givarens noggrannhet. Som en följd av ledarnas 7 större massa nedsättes även snabbheten hos givaren. f fig 2, som i förstorad skala visar sensorbrickan 4 och staven 3 från sidan, har detta problem hos den ovan beskrivna flödesgivaren lösts genom användning av en integrerad halvledarkrets och sättet enligt uppfin- ningen. Staven 3 och sensorbrickan 4 är i det visade utförandet enligt uppfinningen fortfarande utformade som tvâ fysiskt åtskilda enheter, men den mekaniska ' ' sammanhållningen av de båda delarna åstadkommas nu ej av ledarna 7, vilka här endast tjänar till upprättande av elektrisk förbindelse mellan staven 3 och brickan 4, utan medelst ett termiskt isolerande och mekaniskt bärande fogämne 9, vilket är anbringat i mellanrummet 447 518 l0 15 20 25 30 35 :_ 8 8 mellan stavens 3 och brickans 4 mot varandra vända smalsidor 10 på ett sådant sätt, att staven 3, fogämnet 9 och brickan 4 bildar en väsentligen jämntjock enhet.

Tjockleken hos ledarna 7, vilka nu ej behöver ha någon bärande funktion, har i det i fig 2 visade utförandet reducerats till omkring l um eller mindre. Genom utnytt- jande av den uppfinningsenliga halvledarkretsen och det för densamma framtagna framställningssättet uppnår man således dels en stark, mekanisk bärande förbindelse, dels en elektrisk förbindelse, och detta utan att någon oönskad värmetransport genom fogen uppstår.

Ett sätt enligt uppfinningen att framställa den beskrivna integrerade halvledarkretsen skall nu beskrivas under hänvisning till fig 3A-3E, vilka visar olika till- verkningssteg vid framställning av den i samband med fig l och fig 2 beskrivna flödesgivaren.

Enligt känd teknik bearbetas den enkristallina kiselskivan, exempelvis med hjälp av en kristallrikt- ningsberoende kiselets, till den i fig 3A visade formen.

I detta steg antages ledarna 7, resistansen R och dio- derna Dl och D2 att vara integrerade på kiselskivans ovansida.

I ett första steg (fig 3A) enligt uppfinningen âstadkommes ett baksidesskikt ll, vilket här utgöres av ett cirka l um tjockt lager kiseldioxid på kretsens baksida.

I ett andra steg (fig 3B) avlägsnas halvledarmate- rialet genom etsning vid det ställe där mellanrummet 8 mellan kiselstaven 3 och sensorbrickan 4 skall bildas och vid kanterna runt dessa båda delar, varvid staven 3 vid sin från sensorbrickan 4 vända ände är fästad vid en bär- eller skyddsram 12 (se fig 3E). Staven 3 - , och sensorbrickan 4 kommer nu huvudsakligen att samman- hållas medelst baksidesskiktet ll, varigenom de mellan staven 3 och sensorbrickan 4 utsträckta ledarna 7 bildar broar över mellanrummet 8. Baksidesskiktet ll är härvid "utspänt" mellan brickan 4 respektive staven 3 och nämnda bärram l2. 10 15 20 25 30 35 447 318 9 I ett tredje steg (fig 3C) enligt uppfinningen anbringas det termiskt isolerande och mekaniskt bärande fogämnet 9 uppifrån i mellanrummet 8. Fogämnet 9 utgöres företrädesvis av ett organiskt material, såsom polyimid, som efter värmehärdning ger en stark förbindelse mellan sensorbrickan 4 och staven 3. Baksidesskiktet ll för- hindrar härvid fogämnet 9 att tränga ner på kretsens undersida. Såsom visas i fig 3C anbringas vid polyimid- påföringen även ett tunt skikt av samma fogämne över sensorbrickan 4, ledarna 7 och staven 3 och i praktiken bildas detta tunna skikt över hela den halvledarskiva som senare skall sönderbrytas till separata givare.

En del av detta skikt kan behållas efter avslutad till- verkning för åstadkommande av ett skyddsskikt för flödes- givaren. I vilket fall är det föredraget att fogämnet åtminstone vid fogstället skjuter något in över brickan 4 och staven 3 för àstadkommande av en stark sammanhåll- ning av dessa. (Se fig 3D).

I ett sista och fjärde steg (fig 3D) enligt uppfin- ningen kan baksidesskiktet ll avlägsnas från kretsen eller flödesgivaren, varigenom sensorbrickan 4 uppbäres av kiselstaven 3 endast med hjälp av fogämnet 9.

I fig 3E visas uppifrån den färdiga flödesgivaren samt nämnda skyddsram 12, som via brottanvisningar 13 är fästad vid basplattan l pá avstånd fràn kiselstaven 3. Denna skyddsram 12 är avsedd att bortbrytas vid nämnda brottanvisningar 13 före användandet av flödesgivaren.

Uppfinningen får givetvis inte anses begränsad till den visade och beskrivna utföringsformen, som endast utgör exempel, utan kan modifieras på flera sätt inom ramen för det begärda patentskyddet. Exempelvis kan flödesmätaren således även vara av en sådan typ, i vilken' temperaturen hos sensorbrickan hálles konstant och ström- flödet genom uppvärmningsresistansen R således varierar i beroende av den aktuella flödeshastigheten. Mätvärdet beräknas i detta fall utifrân den aktuella effektförbruk- 447 318 5'- 10 ningen. Vidare kan halvledarmaterialet också utgöras av andra halvledare än kisel, såsom GaAs, eller kombina- tioner av olika halvledare. Som en variant kan fogämnet vara anbringat endast som ett brickorna sammanhàllande skikt över brickornas ovansida på ett sådant sätt, att inget fogämne anbringas i utrymmet mellan brickornas mot varandra vända smalsidor.

Claims (13)

l0 15 20 25 30 447 318 'ä I ll PATENTKRAV

1. l. Integrerad halvledarkrets, innefattande åtminstone två inbördes åtskilda brickor (3, 4) av halvledarmaterial samt ledare (7) för upprättande av elektrisk förbindelse mellan brickorna, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett termiskt isolerande fogämne (9) är anbringat över mellanrummet mellan brickorna (3, 4) för att tjäna till sammanhållning av brickorna.

2. Integrerad halvledarkrets enligt krav 1, n e t e c k n a d därav, att fogämnet (9) är mekaniskt k ä n - bärande för sammanhållning av brickorna (3, 4) och att ledarna (7) är så dimensionerade, att de jämfört med fogämnet (9) har en försumbar bärande funktion.

3. Integrerad halvledarkrets enligt något före- gående krav,- k ä n n e t e c k n a d därav, att fogämnet (9) är så anbringat i utrymmet (8) mellan brickornas mot varandra vända smalsidor (10), att brickorna (3, 4) och fogämnet (9) bildar en väsentligen jämntjock enhet.

4. Integrerad halvledarkrets enligt något föregående krav, varvid ledarna (7) utgöres av flata, mellan bric- korna utsträckta metalledare, k ä n n e t e c k n a d därav, att ledarna, eventuellt via en på ledarna an- bríngad oxid, anligger direkt mot fogämnet (9).

5. Integrerad halvledarkrets enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att fogämnet (9), förutom över nämnda mellanrum, är anbringat i form av ett tunt skyddsskikt över ledarna (7) och på en del av brickornas (3, 4) ena flatsida.

6. Integrerad halvledarkrets enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att fogämnet (9) utgöres av ett organiskt material, såsom polyimid

7. Integrerad halvledarkrets enligt något föregående krav, k ä n n e t e c k n a d därav, att åtminstone en av brickorna i kretsen har organ (R) för uppvärmning 10 15 "20 25 30 35 447 318 p.. 12 - av brickan (4), vilka organ (R) drives via de med brickan (3) förbundna ledarna (7).

8. Integrerad halvledarkrets enligt något föregående' krav, k ä n n e t e c k n a d däravf att åtminstone en av brickorna i kretsen har organ (Dl, D2) för mätning av brickans temperatur.

9. Sätt att framställa en integrerad halvledarkrets, vilken innefattar åtminstone tvåémed mellanrum inbördes åtskilda brickor (3, 4) av halvledarmaterial samt ledare (7) för upprättande av elektrisk förbindelse mellan brickorna, varvid kretsen formas i ett stycke med ledarna (7) och eventuella elektriska komponenter anbringade i ett önskat mönster på kretsens framsida, k ä n n e - t e c k n a t av åtgärderna att åstadkomma ett mot kret- sens baksida anslutet skikt (ll), att avlägsna halv- ledarmaterialet i mellanrummet eller mellanrummen (8) mellan de önskade brickorna (3, 4), varigenom brickorna huvudsakligen sammanhâlles medelst baksidesskiktet (ll) och varigenom ledarna (7) bildar broar över mellanrummet eller mellanrummen (8) mellan brickorna, och att anbringa ett termiskt isolerande fogämne (3) över mellanrummet eller mellanrummen (8).

10. Sätt enligt krav 9, därav, att baksidesskiktet (ll) borttages efter anbringan- det av fogämnet (9), vilket därigenom själv sammanhàller k ä n n e t e c k n a t respektive brickor.

11. ll. Sätt enligt krav 9 eller 10, n a t därav, att halvledarmaterialet är kisel och att baksidesskiktet (ll) är en kiseloxid.

12. Sätt enligt krav 9 eller 10, n a t därav, att baksidesskiktet (ll) är metalliskt.

13. Användning av en halvledarkrets enligt nàgot_ , k ä n n e t e c k - k ä n n e t e c k - av kraven l-8 för en flödesmätare för mätning av flödes- hastigheten hos ett strömmande gas- eller vätskeformigt medium, vilken mätare innefattar en integrerad halvledar- krets som har dels en första bricka (4), vilken är in- rättad att upphettas och anbringas i flödet, dels en 10 447 318 13 andra bricka (3). vilken är inrättad att anbringas i flödet utan att upphettas, i vilken mätare den första (4) øch den andra (3) brickan hâlles sà samman medelst ett termiskt isolerande fogämne (9), att den första brickan (4) via fogämnet (9) uppbäres av den andra brickan (3), och i vilken mätare den första brickans temperatur (4) styres och mätes elektriskt via ledare (7), vilkas totala tvärsnittsarea i mellanrummet (8) mellan brickorna (3, 4) är begränsad för begränsning av den första brickans (4) värmeledning via ledarna (7) till den andra brickan (3).