[发明专利]高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路的集成方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路，具体来说，涉及高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路。

背景技术

原有的混合电路集成技术中，是将厚膜基片直接装贴在管壳基座上，然后在厚膜基片上装贴半导体芯片、片式元器件，再采用键合丝（金丝或硅铝丝）进行键合，完成整个电路连接，最后在特定的气氛中将管基和管帽进行密封而成。原技术中由于半导体元器件是温度敏感器件，通常情况下会产生如下影响：

（1） 集成电路构成中的元器件的某些性能参数指标随工作温度的变化会发生较大的漂移，甚至超出规定的使用范围，导致器件不能在规定的温度范围内正常工作，特别是高精密器件。必要时，被迫更换新器件、或降级使用、或采用其他外部散热（或降温）措施进行温度控制。

（2） 随着温度的升高，器件的可靠性会下降，例如，温度每升高10℃，半导体器件的可靠性就要下降一倍；在工作环境温度较严酷的使用场合，器件的长期可靠性会大幅下降。

（3） 功率混合集成电路在正常使用情况下，会产生大量的热量，使器件内部工作温度迅速上升；除影响器件的可靠性外，如无可靠的泄热通道，器件将会迅速烧毁，给器件的正常使用带来严重的影响。

(4) 在一般的使用场合，根据半导体PN结结温的物理特性，器件最高工作温度限定为125 ℃，超出此温度，器件的工作就会不稳定，超出结温（150℃）就会产生永久性的损坏，在要求大于125 ℃以上的高温环境中工作时，这类器件已无法满足；另一方面，器件的最低工作温度限定为-55℃，低于此温度，器件的工作就会不稳定，甚至失去作用。

原有的混合电路集成技术中，在需要进行工作温度控制的场合，采用绝缘陶瓷片分别作为冷端和热端衬底，中间置N型半导体、P型半导体颗粒，将N型半导体、P型半导体颗粒采用合金焊的方式与上、下衬底上的金属电极进行焊接，形成半导体温度致冷片，将其中一个端面与底座焊接，在另一个端面上集成需要进行温度控制的元器件。

显然，这样的方法存在以下不足：①体积过于庞大，不易微型化，产品集成度很难提高；②N型半导体、P型半导体颗粒与上、下衬底上的金属电极之间进行合金焊接，质量一致性不易控制，产品可靠性难以提高；③合金焊料通常属低温焊料，导致使用温度不能提高；④N型半导体颗粒与P型半导体颗粒之间属空气隔离，容易受到环境污染及水汽的影响，降低产品的可靠性。

近年来，申请中国专利的技术方案有200910102792.2号《高可靠厚膜混合集成电路键合系统及其制造方法》、200920125720.5号《高可靠厚膜混合集成电路键合系统》、201010165085.0号《高可靠功率混合集成电路的集成方法》、201020182220.8号《高可靠功率混合集成电路》等，但提高器件可靠性的问题，仍然是本技术领域的一个难题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路，以解决外界温度在- 100 ℃～+200 ℃之间变化时，器件内部电路的工作温度环境能控制在正常的工作温度范围内（- 55 ℃～+125 ℃），可根据需要将内部工作环境温度控制在某一适合的工作温度点，性减少器件参数随外界环境温度的变化，保护器件内部电路，提高器件的稳定性，确保器件的正常工作。

本发明的又一目的是提供上述厚膜混合集成电路的集成方法，使其能够得到实际应用。

发明人根据半导体PN结的致冷原理——帕尔贴效应（Peltier effect），采用微型热电致冷（TEC：Thermoelectric Cooler）与常规混合集成电路一体化集成技术，提供的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路是由器件管壳基座、管脚、氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄）、半导体芯片、热敏元件、厚膜阻带、厚膜导带/键合区、N型半导体、P型半导体、微型热电致冷器（TEC）和绝缘介质组成的，其中，陶瓷基片正面是微型热电致冷器与常规混合集成电路的一体化集成，包括厚膜阻带、厚膜导带/键合区、半导体芯片、N型半导体、P型半导体和微型元器件；N型半导体、P型半导体的两端引出有连接线，之间填充有绝缘介质；背面通过金属膜置于器件管壳基座之上，管脚装在器件管壳基座的两端。

发明人提供的高集成高可靠工作温度可控厚膜混合集成电路的集成方法包括：

(1) 取第一块氮化铝陶瓷基片（Al₃N₄），在正反面分别溅射金属薄膜，对正面金属薄膜进行刻蚀；