[發(fā)明專利]一種耐超高溫氣密封裝方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111361151.6
• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114121693A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王俊強;張海坤;李孟委
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)南通智能光機電研究院;中北大學(xué)
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;H01L21/603;B82Y40/00
• 代理公司: 太原榮信德知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 連慧敏;楊凱

本發(fā)明涉及微電子封裝熱壓鍵合技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種耐超高溫氣密封裝方法，包括下列步驟：鍵合采用金屬鉑作為鍵合連接材料，且鍵合材料不混合其他金屬材料；先將襯底底片清洗，然后用氣相沉積法制備介質(zhì)層；經(jīng)過光刻、濺射、剝離制備底電極；利用沉積法在鍵合凸點鉑金屬表面制作納米鉑柱陣列；再將基板浸入己烷硫醇溶液中自主裝一層防止鉑金屬表面氧化的阻隔膜，最后采用激光劃片的方式將單個微結(jié)構(gòu)分開；將兩個帶有密封環(huán)，鍵合凸點的結(jié)構(gòu)放入倒裝焊機，經(jīng)焊機自動對準、加熱，加壓開始鍵合，最終使兩個結(jié)構(gòu)結(jié)合到一起。本發(fā)明通過Pt?Pt直接鍵合形成無氧真空腔，可以在1500℃左右為石墨烯納米薄膜材料提供無氧和高溫防護。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子封裝熱壓鍵合技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種適用于微電子的耐超高溫氣密封裝方法。

背景技術(shù)

隨著近年來航空發(fā)動機、燃氣輪機的不斷更新?lián)Q代，其可承受的溫度也逐步提升。這些器件的一些關(guān)鍵部位如渦輪葉片、燃燒室等工作溫度達1000℃以上，在這種工作溫度下，溫度傳感器所需要的耐高性便逐漸成為改進指標。利用溫度傳感器對其進行實時溫度檢測，可以有效分析器件的疲勞程度，對器件疲勞的檢測有重要作用，也可以記錄溫度的變化，提高發(fā)動機的燃燒效率。

微電子傳感器的發(fā)展，石墨烯傳感器的發(fā)展應(yīng)用自2004年用微機械剝離的方法成功從石墨中分離出單層石墨烯，石墨烯制作技術(shù)迅猛發(fā)展。由于石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，因此利用石墨烯制作微電子傳感器成為一股潮流。

近些年石墨烯制作技術(shù)日趨成熟，基于石墨烯制作的高溫環(huán)境傳感器，被廣泛應(yīng)用航天、醫(yī)藥、冶金等各個領(lǐng)域。隨著封裝要求的不斷更新，使人們不斷更新傳統(tǒng)鍵合材料，以適應(yīng)新的環(huán)境。

鍵合的本質(zhì)是兩金屬表面原子發(fā)生相互擴散，由于金屬在空氣中表面會形成一層薄的氧化膜，該氧化膜阻擋了兩金屬表面原子相互擴散。所以，金屬表面原子的擴散，不可能無條件進行。

對于擴散驅(qū)動的熱壓鍵合而言，鍵合界面原子間的相互擴散是其鍵合得以實現(xiàn)的本質(zhì)。泰曼(Gustav Tammann)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，原子/離子在平衡位置附近的振幅越來越大，原子/離子離開平衡位置，擴散加強。而原子/離子開始呈現(xiàn)顯著擴散作用的溫度(泰曼溫度)，通常遠低于材料熔點或系統(tǒng)共晶溫度，金屬材料泰曼溫度(t_B)與其熔點(t_m)間存在如下關(guān)系：

t_B＝(0.3～0.4)t_m

根據(jù)上述關(guān)系可以得出Pt的泰曼溫度為531.6～708.8℃(Pt熔點：1772℃)。當(dāng)鍵合溫度超過上述溫度范圍時，鍵合界面的原子擴散將明顯增強。

由于Pt相較于其他金屬材料不易被氧化，因此，鍵合時不需在鉑表面鍍膜作為鈍化層，只需在Pt鍵合表面做活化處理，即可使鍵合表面的Pt得以擴散。本設(shè)計主要采用干法對鍵合鉑表面進行活化。

根據(jù)金屬材料泰曼溫度，如果每一種材料不做處理直接鍵合，則需要的溫度會很高，不僅容易損壞器件，而且大大的增加了制備成本，不易于量產(chǎn)。由此，在鍵合前一般均要對鍵合表面進行相應(yīng)的處理。一般有兩類方法除去界面表面的氧化膜，一類是在金屬表面通一定功率的等離子氣體如氬氣，俗稱干法；一類是將金屬表面置于還原溶液中，除去表面氧化膜，俗稱濕法。表面處理方法中，干法易于進行，對降低了鍵合過程中的鍵合溫度有一定的效果。

但是干法不能完全除去鍵合表面的氧化膜。尤其對于那些表面易于形成致密氧化膜的金屬材料來說起到的效果較小。濕法雖然能通過化學(xué)反應(yīng)將表面的氧化膜除去，但是相對不易操作，在液體中的鍵合受無關(guān)因素影響較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明采用自主裝(SAM)低溫鍵合工藝與納米顆粒低溫鍵合工藝相結(jié)合的方式降低鉑-鉑鍵合時的溫度，使鍵合后的器件具有良好的耐超高溫性，氣密性。本發(fā)明的優(yōu)勢在于利用現(xiàn)有工藝，提升鍵合的效率，且鍵合質(zhì)量可靠，可以廣泛用于生產(chǎn)。