專利名稱：工作溫度可控多芯片組件的集成方法
技術領域：
本發明涉及多芯片組件(簡稱MCM)，進一步來說，涉及厚膜多層低溫共燒陶瓷多芯片組件(簡稱MCM-C)，尤其涉及工作溫度可控厚膜多層低溫共燒陶瓷多芯片組件。
背景技術：
在同一封裝體內安裝多個半導體芯片的器件為多芯片組件。原有的多芯片組件集成技術中，是將厚膜低溫多層共燒陶瓷(簡稱LTCC)基片直接裝貼在管殼基座上，然后在LTCC基片上絲網印刷、燒結厚膜導體漿料或厚膜電阻漿料，對燒結后的厚膜電阻進行激光修調，裝貼半導體芯片、片式元器件，再采用鍵合絲(金絲或硅鋁絲)進行鍵合，完成整個電路連接，最后在特定的氣氛中將管基和管帽進行密封而成。原有技術主要存在如下問題由于MCM多芯片組件集成的集成密度高，集成容量 大，因而產生的熱量就相應增大，給使用過程中的散熱設計、散熱手段、散熱環境等帶來很多困難，使用環境要求較高，使用配套成本大幅增加，限制多芯片組件產品的廣泛使用。經檢索，涉及多芯片組件的專利申請件有20件，但涉及溫度可控的多芯片組件的僅有I件，即CN1489200號《多芯片組件和多芯片關閉方法》，該專利提供一個在第一設置溫度時關閉自己的用于穩壓的半導體芯片，和一個與用于穩壓的半導體芯片位于同一封裝體內，在第二設置溫度時關閉自己的用于放大器的半導體芯片。顯然，該技術方案與溫度可控多芯片組件的集成沒有關系。其它專利申請件更與溫度可控多芯片組件的集成無關。
發明內容
本發明的目的是提供一種溫度可控多芯片組件的集成方法，使器件長期工作在某一特定的工作溫度范圍內，能確保器件長期工作的溫度穩定性，提高器件的長期可靠性。為實現上述目標，發明人根據半導體PN結的致冷原理一帕爾貼效應(Peltiereffect),采用包括微型熱電致冷(TEC thermoelectric Cooler)、厚膜絲網印刷、厚膜激光調阻、多層低溫共燒陶瓷(LTCC)、熱信號采集的厚膜熱敏電阻的一體化集成技術來制作溫度可控多芯片組件；所用LTCC多層共燒陶瓷基片由多層陶瓷燒結而成，在每一層含有金屬化通孔、導帶、裕量較大的阻帶；與原有技術不同的是，在LTCC多層共燒陶瓷基片的第二層陶瓷版上埋置厚膜熱敏電阻，位置正對溫度較敏感的集成電路芯片；在該基片正面進行多芯片三維平面集成，包括導帶、阻帶、集成電路芯片、小容量電感、電容和微型元器件；在該基片背面進行半導體致冷器的集成，并分別從N型半導體、P型半導體的兩端通過通孔的形式連接到表面鍵合區。上述陶瓷基片材料為氮化鋁(Al3N4)陶瓷。上述埋置厚膜熱敏電阻的方法是采用絲網印刷的方式，將厚膜電子漿料按規定的圖形印刷在陶瓷基片上。上述阻帶無需調阻。上述半導體致冷器的集成方法，是先制備N型和P型半導體晶粒，再用專用不銹鋼夾具將頂層氮化鋁(Al3N4)陶瓷基片、N型和P型半導體晶粒、底層氮化鋁(Al3N4)陶瓷基片、合金片按規定位置定位放置并固定，最后在真空合金爐中完成N型和P型半導體晶粒的合金焊接。PN結的工作原理是當PN結反偏工作時(即N型半導體引出端接正電源、P型半導體接負電源)，混合集成面致冷，器件內部工作溫度下降；當PN結正偏工作時(即N型半導體引出端接負電源、P型半導體接正電源)，混合集成面致熱，器件內部工作溫度上升。厚膜熱敏電阻是器件內部的熱敏電阻，用于檢測器件內部工作環境溫度，跟蹤電阻的變化及兩端電壓的變化；用于控制可控雙向開關電路，以控制半導體致冷器的電流方向，控制升溫或降溫頻率，以達到溫度控制的目的。本發明方法生產的產品有以下特點①器件內部工作溫度可控，可起到“恒溫室”的作用，在一定外界溫度范圍內，不受外界環境溫度變化的影響，器件性能參數指標基本上不發生溫度漂移，工作穩定可靠；②能提升器件的長期可靠性；③可在125°C 180°C的高溫環境中工作；④可在_80°C _55°C以下的低溫環境中工作；⑤在工作狀態下，對溫 度敏感器件可起到良好的溫度穩定和調節作用對功率集成電路芯片，可起到快速降溫作用，對器件具有良好的溫度保護功能。本發明方法生產的產品廣泛應用于航天、航空、船舶、精密儀器、地質勘探、石油勘探、其他野外作業、通訊、工業控制等領域，具有廣闊的市場前景。
圖I為原有溫度可控多芯片組件的集成技術示意圖，圖2為本發明的集成方法示意圖，圖3為工作溫度可控多芯片組件原理框圖，圖4為原有MCM多芯片組件陶瓷基片多層布線工藝流程圖，圖5為本發明的MCM多芯片組件陶瓷基片多層布線工藝流程圖。圖I 一 2中，I為管殼基座，2為管腳，3為LTCC多層低溫共燒陶瓷基片，4為片式元件，5為集成電路芯片1，6為集成電路芯片2，7為阻帶，8為導帶/鍵合區，9為埋置厚膜熱敏電阻，10為半導體熱電致冷單元(TEC)。LTCC多層低溫共燒陶瓷基片中的虛線表示基片為多層，至少一層。
具體實施例方式實施例I :原有的集成工藝如圖4所示，流程簡述如下
(I)流延由于通過改變材料類型及配比，可獲得預期設計要求(如熱傳導特性、介電常數、損耗因子、絕緣電阻、擊穿電壓等)的基板。按照設計要求，將漿料配比完成，并將漿料在流延機上沿襯底薄膜流延成薄片；此時成為生瓷料，經預烘干后卷成一卷，備用；
⑵裁片將流延后的成卷的生瓷片，進行表面檢查并裁成規定尺寸的陶瓷塊，即巴
塊；
⑶沖孔為制成LTCC各層的互聯結構，需要在陶瓷片上沖制各種孔徑、各種形狀的過孔或定位孔，使用激光或機械方式沖孔；
(4)填孔及印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網印刷的方法，將通孔材料填充到過孔內，并在表面印刷出導電圖形、介質衆料；
(5)疊片將各層陶瓷片按照設計順序進行精確疊放。為使得陶瓷片相互緊密粘連，需把流延時預置的襯底薄膜揭除；
(6)等靜壓將已經精確疊放的多層陶瓷在機械高壓下進行貼合，實現緊密接觸；
(7)切割將靜壓之后的陶瓷片，按照模塊邊界進行切割分離；
⑶燒結陶瓷片切割分離后，在燒結爐中進行排膠和燒結，使瓷材硬化結構穩定；
O)激光調阻使用功率激光對通過絲網印刷制成的電阻進行精細調節，以消除絲網印刷誤差、燒結過程中的材料收縮，并適配外圍器件個體差異；
CO)測試為保證成品質量，使用各種檢測手段對全程質量進行監控；
(ID圖形轉移采用絲網印刷的方式，將厚膜電子漿料按規定的圖形印刷取陶瓷基片
上；
(12)LTCC 一體化基片的組裝將合金焊接后的一體化基片按圖I示意圖的位置，采用合金焊的方式組裝到基座上
(13)鍵合采用硅鋁絲或金絲進行鍵合，整個電路連接；
(14)烘烤在高純氮的保護下、在150°C左右的爐子中進行8小時以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘干；
(15)封帽在特定的環境中進行封帽，完成整個器件的集成與生產工作；
(16)測試、篩選、打印與包裝按產品工藝文件與檢驗文件，完成器件的測試、篩選、打印與包裝工作。制得的產品如圖I所示。實施例2本發明的工藝流程如圖5所示；本發明在原有流程的基礎上，增加厚膜熱敏電阻漿料絲網印刷和燒結、LTCC基片背面厚膜導體漿料絲網印刷與固化、TEC襯底陶瓷基片的準備與厚膜導帶的印刷和燒結、TEC所需N型和P型半導體晶粒的制備、PTCC與TEC的一體化集成等工藝，整體工藝流程簡述如下
(I)流延由于通過改變材料類型及配比，可獲得設計要求(如熱傳導特性、介電
常數、損耗因子、絕緣電阻、擊穿電壓等)的基板。按照設計要求，將漿料配比完成，并將漿料在流延機上沿襯底薄膜流延成薄片；此時成為生瓷料，經預烘干后卷成一卷，備用；
⑵裁片將流延后的成卷的生瓷片，進行表面檢查并裁成規定尺寸的陶瓷塊，即巴
塊；
⑶沖孔為制成LTCC各層的互聯結構，需要在陶瓷片上沖制各種孔徑、各種形狀的過孔或定位孔，使用激光或機械方式沖孔；
(4)填孔及印刷在LTCC陶瓷片上通過絲網印刷的方法，將通孔材料填充到過孔內，并在表面印刷出導電圖形、介質衆料；
(5)疊片將各層陶瓷片按照設計順序進行精確疊放，為使陶瓷片相互緊密粘連，需將流延時預置的襯底薄膜揭除；
(6)等靜壓將已經精確疊放的多層陶瓷在機械高壓下進行貼合，實現緊密接觸；
(7)切割將靜壓之后的陶瓷片，按照模塊邊界進行切割分離；
⑶燒結陶瓷片切割分離后，在燒結爐中進行排膠和燒結，使瓷材硬化結構穩定；
O)激光調阻使用功率激光對通過絲網印刷制成的電阻進行精細調節，以消除絲網印刷誤差、燒結過程中的材料收縮，并適配外圍器件個體差異；
CO)測試為保證成品質量，使用各種檢測手段對全程質量進行監控；(11)TEC陶瓷基片的選取為便于熱量的快速傳遞，以及與半導體芯片在熱膨脹方面的匹配性，采用氮化鋁陶瓷基片(Al3N4)作襯底；
(12)圖形轉移采用絲網印刷的方式，將厚膜電子漿料按規定的圖形印刷在陶瓷基片
上；
(13)N型和P型半導體晶粒的制備采用以碲化鉍為基體的三元固溶晶體材料，其中P型半導體材料為=Bi2Te3-Sb2Te3, N型半導體材料為=Bi2Te3-Bi2Se3，半導體晶園厚度為O. 5mm左右，對晶園的正反面進行金金屬化(厚度I. 5 μ m左右)，并進行充分的合金；再在劃片機上，按規定的尺寸進行劃片，分離出所需的N型和P型半導體晶粒；
(14)晶粒定位放置與固定在專用不銹鋼夾具中，將頂層氮化鋁(Al3N4)陶瓷基片、N型和P型半導體晶粒、底層氮化鋁(A13N4)陶瓷基片、合金片按規定的位置定位放置，并固定；
(15)合金焊接在真空合金爐中完成N型和P型半導體晶粒的合金焊接；
(16)LTCC、TEC—體化基片的組裝將合金焊接后的一體化基片按圖2示意圖的位置，采用合金焊的方式組裝到基座上；
(17)鍵合采用硅鋁絲或金絲進行鍵合，整個電路連接；
(IB)烘烤在高純氮的保護下、在爐子中150°C下進行8小時以上的高溫烘烤，將水汽徹底烘干；
(19)封帽在特定的環境中進行封帽，完成整個器件的集成與生產工作；
CO)測試、篩選、打印與包裝按產品工藝文件與檢驗文件，完成器件的測試、篩選、打印與包裝工作。制得的產品如圖2所示。
權利要求
1.一種溫度可控多芯片組件的集成方法，它是采用包括微型熱電致冷、厚膜絲網印刷、厚膜激光調阻、多層低溫共燒陶瓷、熱信號采集的厚膜熱敏電阻的一體化集成技術來制作溫度可控多芯片組件；所用多層共燒陶瓷基片由多層陶瓷燒結而成，在每一層含有金屬化通孔、導帶、裕量較大的阻帶；其特征在于在多層共燒陶瓷基片的第二層陶瓷版上埋置厚膜熱敏電阻，其位置正對溫度較敏感的集成電路芯片；在該基片正面進行多芯片三維平面集成，包括導帶、阻帶、集成電路芯片、小容量電感、電容和微型元器件；在該基片背面進行半導體致冷器的集成，并分別從N型半導體、P型半導體的兩端通過通孔的形式連接到表面鍵合區。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述陶瓷 基片材料為氮化鋁陶瓷。
3.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述埋置厚膜熱敏電阻的方法是采用絲網印刷的方式，將厚膜電子漿料按規定的圖形印刷在陶瓷基片上。
4.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述半導體致冷器的集成，是先制備N型和P型半導體晶粒，再用專用不銹鋼夾具將頂層氮化鋁陶瓷基片、N型和P型半導體晶粒、底層氮化鋁陶瓷基片、合金片按規定位置定位放置并固定，最后在真空合金爐中完成N型和P型半導體晶粒的合金焊接。
全文摘要
本發明公開了溫度可控多芯片組件的集成方法，該方法采用包括微型熱電致冷、厚膜絲網印刷、厚膜激光調阻、多層低溫共燒陶瓷、熱信號采集的厚膜熱敏電阻的一體化集成技術來制作；所用多層共燒陶瓷基片由多層陶瓷燒結而成，在每一層含有金屬化通孔、導帶和阻帶；在多層共燒陶瓷基片的第二層陶瓷版上埋置厚膜熱敏電阻，位置正對溫度較敏感的集成電路芯片；在該基片正面集成導帶、阻帶、集成電路芯片、小容量電感、電容和微型元器件；在該基片背面集成半導體致冷器，并分別從N型半導體、P型半導體的兩端通過通孔連接到表面鍵合區。本發明使器件長期工作在某一特定的工作溫度范圍內，能確保器件長期工作的溫度穩定性，提高器件的長期可靠性。
文檔編號H01L21/50GK102881602SQ20121039619
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者楊成剛, 蘇貴東, 劉俊 申請人:貴州振華風光半導體有限公司