[发明专利]一种耐超高温气密封装方法

说明书

本发明涉及微电子封装热压键合技术领域，具体是一种耐超高温气密封装方法，包括下列步骤：键合采用金属铂作为键合连接材料，且键合材料不混合其他金属材料；先将衬底底片清洗，然后用气相沉积法制备介质层；经过光刻、溅射、剥离制备底电极；利用沉积法在键合凸点铂金属表面制作纳米铂柱阵列；再将基板浸入己烷硫醇溶液中自主装一层防止铂金属表面氧化的阻隔膜，最后采用激光划片的方式将单个微结构分开；将两个带有密封环，键合凸点的结构放入倒装焊机，经焊机自动对准、加热，加压开始键合，最终使两个结构结合到一起。本发明通过Pt‑Pt直接键合形成无氧真空腔，可以在1500℃左右为石墨烯纳米薄膜材料提供无氧和高温防护。

技术领域

本发明涉及微电子封装热压键合技术领域，具体是一种适用于微电子的耐超高温气密封装方法。

背景技术

随着近年来航空发动机、燃气轮机的不断更新换代，其可承受的温度也逐步提升。这些器件的一些关键部位如涡轮叶片、燃烧室等工作温度达1000℃以上，在这种工作温度下，温度传感器所需要的耐高性便逐渐成为改进指标。利用温度传感器对其进行实时温度检测，可以有效分析器件的疲劳程度，对器件疲劳的检测有重要作用，也可以记录温度的变化，提高发动机的燃烧效率。

微电子传感器的发展，石墨烯传感器的发展应用自2004年用微机械剥离的方法成功从石墨中分离出单层石墨烯，石墨烯制作技术迅猛发展。由于石墨烯具有优良的导电性能，因此利用石墨烯制作微电子传感器成为一股潮流。

近些年石墨烯制作技术日趋成熟，基于石墨烯制作的高温环境传感器，被广泛应用航天、医药、冶金等各个领域。随着封装要求的不断更新，使人们不断更新传统键合材料，以适应新的环境。

键合的本质是两金属表面原子发生相互扩散，由于金属在空气中表面会形成一层薄的氧化膜，该氧化膜阻挡了两金属表面原子相互扩散。所以，金属表面原子的扩散，不可能无条件进行。

对于扩散驱动的热压键合而言，键合界面原子间的相互扩散是其键合得以实现的本质。泰曼(Gustav Tammann)发现，随着温度上升，原子/离子在平衡位置附近的振幅越来越大，原子/离子离开平衡位置，扩散加强。而原子/离子开始呈现显著扩散作用的温度(泰曼温度)，通常远低于材料熔点或系统共晶温度，金属材料泰曼温度(t_B)与其熔点(t_m)间存在如下关系：

t_B＝(0.3～0.4)t_m

根据上述关系可以得出Pt的泰曼温度为531.6～708.8℃(Pt熔点：1772℃)。当键合温度超过上述温度范围时，键合界面的原子扩散将明显增强。

由于Pt相较于其他金属材料不易被氧化，因此，键合时不需在铂表面镀膜作为钝化层，只需在Pt键合表面做活化处理，即可使键合表面的Pt得以扩散。本设计主要采用干法对键合铂表面进行活化。

根据金属材料泰曼温度，如果每一种材料不做处理直接键合，则需要的温度会很高，不仅容易损坏器件，而且大大的增加了制备成本，不易于量产。由此，在键合前一般均要对键合表面进行相应的处理。一般有两类方法除去界面表面的氧化膜，一类是在金属表面通一定功率的等离子气体如氩气，俗称干法；一类是将金属表面置于还原溶液中，除去表面氧化膜，俗称湿法。表面处理方法中，干法易于进行，对降低了键合过程中的键合温度有一定的效果。

但是干法不能完全除去键合表面的氧化膜。尤其对于那些表面易于形成致密氧化膜的金属材料来说起到的效果较小。湿法虽然能通过化学反应将表面的氧化膜除去，但是相对不易操作，在液体中的键合受无关因素影响较大。

发明内容

本发明采用自主装(SAM)低温键合工艺与纳米颗粒低温键合工艺相结合的方式降低铂-铂键合时的温度，使键合后的器件具有良好的耐超高温性，气密性。本发明的优势在于利用现有工艺，提升键合的效率，且键合质量可靠，可以广泛用于生产。