一种热测试芯片的制作方法

1.本发明涉及热测试技术领域，尤其涉及一种热测试芯片。


背景技术：

2.随着以氮化镓、碳化硅为代表的宽禁带半导体材料的发展，高功率密度芯片广泛应用在电力电子等领域。20世纪70年代到90年代间，芯片热流密度从约10w/cm2增加到100w/cm2量级；目前氮化镓、碳化硅的芯片热流密度已达500w/cm2。随着电路集成化程度越来越高，芯片尺寸不断减小。芯片热流密度的持续增加和尺寸不断减小，对封装散热器的散热效率和尺寸提出了更高的要求。
3.热测试芯片用于模拟芯片发热、测试封装散热器的散热性能。常规的发热片、电阻丝尺寸大，无法用于芯片级封装散热器测试；传统的热测试芯片采用硅衬底表面沉积薄膜电阻方式；然而针对高热流密度散热测试需求，传统热测试芯片却受限于硅衬底的材料特性，热测试芯片的功耗仅可满足10w/cm2量级的热测试，热流密度低，无法满足更高热流密度散热的需求。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种热测试芯片，以解决现有技术热测试芯片尺寸大、热流密度低的问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种热测试芯片，包括盖板陶瓷层和至少两层电阻陶瓷层；
6.各电阻陶瓷层与盖板陶瓷层相向的一面设有电阻布线层；电阻布线层包括输入端、输出端和电阻布线；
7.各下层电阻布线层的输入端与相邻上层电阻布线层的输出端之间通过第一通孔串联；所述第一通孔贯穿对应电阻陶瓷层；
8.最上层电阻布线层的输入端通过贯穿盖板陶瓷层的第二通孔与外部连接；
9.最下层电阻布线层的输出端通过第三通孔与外部连接；所述第三通孔贯穿盖板陶瓷层以及除最下层之外的电阻陶瓷层。
10.在一种可能的实现方式中，各电阻布线层的输出端通过贯穿盖板陶瓷层和上层电阻陶瓷层的第四通孔与外部连接。所述电阻布线层为除最下层之外的电阻布线层
11.在一种可能的实现方式中，所述盖板陶瓷层和所述电阻陶瓷层的材料包括氧化铝。
12.在一种可能的实现方式中，所述电阻布线层的材料包括钨。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一通孔为圆柱形空心孔；所述第一通孔内的填充材料包括钨。
14.在一种可能的实现方式中，所述电阻布线的分布形状包括s型、同心圆型、多回字型或锯齿型。
15.在一种可能的实现方式中，所述第二通孔、第三通孔和第四通孔为圆柱形空心孔；所述第二通孔、第三通孔和第四通孔内的填充材料包括钨。
16.在一种可能的实现方式中，所述第二通孔和第三通孔为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；所述第二通孔连接的最上层电阻布线层的输入端为热测试芯片的输入端；所述第三通孔连接的最下层电阻布线层的输出端为所述热测试芯片的输出端。
17.在一种可能的实现方式中，所述第四通孔为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；所述第四通孔连接的各电阻布线层的输出端为所述热测试芯片的输出端。
18.在一种可能的实现方式中，所述热测试芯片还包括设在背面的金属化层。
19.第二方面，本发明实施例提供了一种热测试芯片的制备方法，包括：
20.在陶瓷生坯表面制备电阻布线层，形成电阻陶瓷层；电阻布线层包括输入端、输出端和电阻布线；
21.制备贯穿电阻陶瓷层的第一通孔；所述第一通孔设在电阻布线层的输出端；
22.采用陶瓷生坯制备盖板陶瓷层；
23.将一个盖板陶瓷层与多个电阻陶瓷层进行层压成型；各下层电阻布线层的输入端与相邻上层电阻布线层的输出端之间通过第一通孔串联；
24.制备贯穿盖板陶瓷层的第二通孔；最上层电阻布线层的输入端通过第二通孔与外部连接；
25.制备贯穿盖板陶瓷层和除最下层之外的电阻陶瓷层的第三通孔；最下层电阻布线层的输出端通过第三通孔与外部连接。
26.本发明实施例提供一种热测试芯片，包括盖板陶瓷层和至少两层电阻陶瓷层；各电阻陶瓷层与盖板陶瓷层相向的一面设有电阻布线层；电阻布线层包括输入端、输出端和电阻布线；各下层电阻布线层的输入端与相邻上层电阻布线层的输出端之间通过第一通孔串联；所述第一通孔贯穿对应电阻陶瓷层；最上层电阻布线层的输入端通过贯穿盖板陶瓷层的第二通孔与外部连接；最下层电阻布线层的输出端通过第三通孔与外部连接；所述第三通孔贯穿盖板陶瓷层以及除最下层之外的电阻陶瓷层。通过采用多层电阻布线和耐高温陶瓷，多层电阻布线之间通过通孔串联，多层布线结构实现芯片尺寸减小，增加了单位面积的发热量，提高了热测试芯片的热流密度。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的一种热测试芯片的结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的另一种热测试芯片的结构示意图；
30.图3是本发明实施例提供的热测试芯片的电阻陶瓷层俯视图；
31.图4是本发明实施例提供的热测试芯片的制备方法流程图。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
33.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
34.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
35.图1是本发明实施例提供的一种热测试芯片的结构示意图。参照图1，该热测试芯片包括：盖板陶瓷层1和至少两层电阻陶瓷层2；自上至下依次为盖板陶瓷层1和电阻陶瓷层2。
36.各电阻陶瓷层2与盖板陶瓷层1相向的一面设有电阻布线层3；电阻布线层3包括输入端31、输出端32和电阻布线；各电阻陶瓷层2与盖板陶瓷层1相向的一面即为各电阻陶瓷层2的上表面；电阻布线的一端为输入端31，另一端为输出端32。
37.各下层电阻布线层3的输入端31与相邻上层电阻布线层3的输出端32之间通过第一通孔41串联；第一通孔41贯穿对应电阻陶瓷层2；除最下层之外的各电阻陶瓷层2上设有第一通孔41；通过第一通孔41实现相邻的电阻布线层3之间电连接，各层电阻布线层3之间为串联连接。示例性的第一通孔41内填充导电的金属材料。
38.最上层电阻布线层3的输入端31通过贯穿盖板陶瓷层1的第二通孔42与外部连接；最上层电阻布线层3的上方为盖板陶瓷层1，贯穿盖板陶瓷层1的第二通孔42实现最上层电阻布线层3的输入端31与热测试芯片的上方外部连接，实现热测试芯片的输入。
39.最下层电阻布线层3的输出端32通过第三通孔43与外部连接；第三通孔43贯穿盖板陶瓷层1以及除最下层之外的电阻陶瓷层2。第三通孔43实现最下层电阻布线层3的输出端32与热测试芯片的上方外部连接；第三通孔43实现热测试芯片的输出。
40.本发明实施例提供的一种热测试芯片通过采用多层电阻布线和耐高温陶瓷，多层电阻布线之间通过通孔串联，多层布线结构实现芯片尺寸减小，增加了单位面积的发热量，提高了热测试芯片的热流密度。各电阻布线层3设置在陶瓷层之间，模拟芯片内部发热。通过在芯片正面设置输入端31、输出端32，可采用引线键合或者焊接方式与外部电连接；芯片背面可采用胶粘或钎焊方式与外部封装粘接区连接，兼容封装散热器封装工艺。
41.在一个可选的实施例中，热流密度为热测试芯片的功率除以芯片面积。功率为电流的平方乘以电阻布线的电阻；芯片面积为芯片长度乘以宽度。
42.r＝(r
□
·
l)/w
43.r为热测试芯片电阻布线的电阻；r
□
为电阻布线的方阻，当电阻布线厚度为15微米时，钨金属电阻布线的方阻一般为15毫欧至18毫欧；l为电阻布线长度；w为电阻布线宽度，示例性的电阻布线的宽度最小可为50微米；示例性的，电阻布线的间距最小可为50微米。
44.图2是本发明实施例提供的另一种热测试芯片的结构示意图。参照图2，
45.在一个可选的实施例中，各电阻布线层3的输出端32通过贯穿盖板陶瓷层1和上层电阻陶瓷层2的第四通孔44与外部连接。上述电阻布线层3为除最下层之外的电阻布线层3。
46.上述上层电阻陶瓷层2为各电阻布线层3上方的电阻陶瓷层2。示例性的，三层电阻陶瓷层2的热测试芯片，自上而下的顺序，第二层电阻布线层3的上层电阻陶瓷层2为第一层电阻陶瓷层2，相应的，第二层电阻布线层3对应的第四通孔44贯穿盖板陶瓷层1和第一层电阻陶瓷层2；第三层电阻布线层3的上层电阻陶瓷层2为第一层电阻陶瓷层2和第二层电阻陶瓷层2，相应的，第三层电阻布线层3对应的第四通孔44贯穿盖板层、第一层电阻陶瓷层2和第二层电阻陶瓷层2。
47.除最下层之外的每一层电阻布线层3的输出端32均通过各层对应的第四通孔44与外部连接，实现一个热测试芯片多种规格热流密度、多种发热模式，满足不同规格的热测试需求。
48.示例性的，三层电阻陶瓷层2的热测试芯片，自上而下的顺序，第一层电阻布线层3的输入端31通过第二通孔42与外部连接，第一层电阻布线层3的输出端32通过第一通孔41与第二层电阻布线层3的输入端31连接，第二层电阻布线层3的输出端32通过第一通孔41与第三层电阻布线层3的输入端31连接，第三层电阻布线层3的输出端32通过第三通孔43与外部连接；第一层电阻布线层3和第二层电阻布线层3的输出端32通过第四通孔44与外部连接。通过第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44的不同连接组合，可实现任意层电阻布线层3发热，实现一个热测试芯片多种规格热流密度。示例性的，三层电阻布线层3中任一电阻布线层3单独使用；示例性的，三层电阻布线层3中任意两层电阻布线层3用于发热；示例性的，三层电阻布线层3都用于发热。
49.在一个可选的实施例中，盖板陶瓷层1和电阻陶瓷层2的材料包括氧化铝。盖板陶瓷层1的材料和电阻陶瓷层2材料相同，方便制造；材料相同，热膨胀系数相同，热测试芯片的耐高温特性更高、热流密度更高。采用氧化铝材料，材料成本低，制备工艺简单。
50.在一个可选的实施例中，电阻布线层3的材料包括钨。钨金属是熔点最高的难熔金属；采用钨作为电阻布线层3，高热流密度下不易熔断，可实现高热流密度的热测试芯片。
51.在一个可选的实施例中，第一通孔41为圆柱形空心孔；第一通孔41内的填充材料包括钨。
52.图3是本发明实施例提供的热测试芯片的电阻陶瓷层2俯视图。参照图3，
53.电阻陶瓷层2的上表面设有电阻布线层3；电阻布线层3包括输入端31、输出端32和电阻布线。
54.在一个可选的实施例中，电阻布线的分布形状包括s型、同心圆型、多回字型或锯齿型。不同电阻布线形式，一方面不同的布线形式长度和宽度不同，其最终电阻不同；另一方面不同布线形式其模拟的发热区域不同。不同布线形式对应不同散热区域形状需求和电阻大小需求。
55.在一个可选的实施例中，第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44为圆柱形空心孔；第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44内的填充材料包括钨。
56.示例性的，在第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44与盖板陶瓷层1上表面相向的一端设有外部电极，用于与外部电连接；示例性与外部电连接的方式包括球状引脚栅格阵列倒装和引线键合正面封装。
57.在一个可选的实施例中，第二通孔42和第三通孔43为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；第二通孔42连接的最上层电阻布线层3的输入端31为热测试芯片的输入端31；第三通
孔43连接的最下层电阻布线层3的输出端32为热测试芯片的输出端32。
58.凹槽结构为贯穿陶瓷层侧面的u型结构，u型开口朝向侧面，u型结构为中空结构，内部不填充导电材料；示例性的，凹槽结构的横截面形状为矩形或半圆形。相应的，第二通孔42为贯穿盖板陶瓷层1侧面的u型结构；第三通孔43为贯穿盖板陶瓷层1以及除最下层之外的电阻陶瓷层2的u型结构。
59.采用设在陶瓷层侧面的中空凹槽结构作为第二通孔42、第三通孔43，相对于通孔内填充金属材料的方式，结构更简单、更容易实现，可用于正面封装形式，即陶瓷盖板层在上，通过引线键合或探针方式实现热测试芯片的输入、输出端32与外部电连接。
60.在一个可选的实施例中，第四通孔44为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；第四通孔44连接的各电阻布线层3的输出端32为热测试芯片的输出端32。
61.在一个可选的实施例中，热测试芯片还包括设在背面的金属化层。热测试片背面设置金属化层，模拟芯片结构，模拟芯片散热方式，便于将热测试片焊接在封装散热器上。
62.图4是本发明实施例提供的热测试芯片的制备方法流程图。参照图4，该方法包括：
63.在步骤s1中、在陶瓷生坯表面制备电阻布线层3，形成电阻陶瓷层2；电阻布线层3包括输入端31、输出端32和电阻布线。
64.在一个可选的实施例中，电阻布线层3的材料包括钨。
65.在步骤s2中、制备贯穿电阻陶瓷层2的第一通孔41；第一通孔41设在电阻布线层3的输出端32。
66.在一个可选的实施例中，第一通孔41为圆柱形空心孔；第一通孔41内的填充材料包括钨。
67.在步骤s3中、采用陶瓷生坯制备盖板陶瓷层1。
68.在一个可选的实施例中，盖板陶瓷层1和电阻陶瓷层2的材料包括氧化铝。
69.在步骤s4中、将一个盖板陶瓷层1与多个电阻陶瓷层2进行层压成型；各下层电阻布线层3的输入端31与相邻上层电阻布线层3的输出端32之间通过第一通孔41串联；
70.在步骤s5中、制备贯穿盖板陶瓷层1的第二通孔42；最上层电阻布线层3的输入端31通过第二通孔42与外部连接。
71.在步骤s6中、制备贯穿盖板陶瓷层1和除最下层之外的电阻陶瓷层2的第三通孔43；最下层电阻布线层3的输出端32通过第三通孔43与外部连接。
72.在一个可选的实施例中，在步骤s6之后，还包括：制备贯穿盖板陶瓷层1和相应上层电阻陶瓷层2的第四通孔44；各电阻布线层3的输出端32通过贯穿盖板陶瓷层1和相应上层电阻陶瓷层2的第四通孔44与外部连接；电阻布线层3为除最下层之外的电阻布线层3。
73.在一个可选的实施例中，第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44为圆柱形空心孔；第二通孔42、第三通孔43和第四通孔44内的填充材料包括钨。
74.在一个可选的实施例中，第二通孔42和第三通孔43为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；第二通孔42连接的最上层电阻布线层3的输入端31为热测试芯片的输入端31；第三通孔43连接的最下层电阻布线层3的输出端32为热测试芯片的输出端32。
75.在一个可选的实施例中，第四通孔44为设在热测试芯片侧面的凹槽结构；第四通孔44连接的各电阻布线层3的输出端32为热测试芯片的输出端32。
76.在一个可选的实施例中，在步骤s6之后，还包括在热测试芯片的背面制备金属化
层。
77.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。