本公開涉及溫度調(diào)節(jié)電路及其制造方法。

相關(guān)領(lǐng)域的說明

許多精密集成電路需要穩(wěn)定的溫度才能正常工作。用于溫度調(diào)節(jié)的常見解決方案是將精密集成電路耦接到加熱器以補(bǔ)償熱損失。也就是說，加熱器可以用于提供熱量并且補(bǔ)償從精密集成電路耗散到相鄰結(jié)構(gòu)的任何熱量。

用于加熱集成電路的當(dāng)前方法包括具有氧化鋁襯底的混合厚膜加熱器和環(huán)氧玻璃pcb材料上的分立式加熱電阻器。溫度調(diào)節(jié)的眾所周知的解決方案是lm399電壓基準(zhǔn)。然而，此類方法通常消耗大量的功率。例如，環(huán)氧玻璃pcb材料上的分立式加熱電阻器和具有氧化鋁襯底的混合厚膜加熱器各自通常消耗100毫瓦至幾瓦的功率。

因此，需要此類加熱器的集成電路通常限于應(yīng)用于大的實(shí)驗(yàn)室級(jí)產(chǎn)品，并且不適合于具有有限電源的便攜式設(shè)備。因此，期望具有用于精密集成電路的溫度調(diào)節(jié)的低功率解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提供了用于精密集成電路的溫度調(diào)節(jié)電路。溫度調(diào)節(jié)電路提供獨(dú)立于外部環(huán)境條件的溫度控制環(huán)境。

根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施例，溫度調(diào)節(jié)電路包括框架、懸掛塊、支撐梁、集成電路、溫度傳感器、加熱器、控制器、接合焊盤和導(dǎo)電軌。

懸掛塊定位在框架的開口中并且通過支撐梁懸掛于框架。懸掛塊包括集成電路、溫度傳感器和加熱器。集成電路可為將受益于具有穩(wěn)定溫度的任何集成電路。溫度傳感器生成與集成電路的溫度成比例的溫度信號(hào)。溫度信號(hào)可由控制器或控制到加熱器的電壓的誤差積分器使用，以連續(xù)調(diào)節(jié)懸掛塊的溫度，直到來自溫度傳感器的溫度信號(hào)等于預(yù)定的閾值?？刂破鞫ㄎ辉诳蚣苌?。接合焊盤定位在框架上，并且提供用于接收引線接合并將接合焊盤連接到外部位置的導(dǎo)電焊盤。導(dǎo)電軌在支撐梁上形成。導(dǎo)電軌在懸掛塊上的集成電路、溫度傳感器和加熱器以及在框架上的控制器和接合焊盤之間提供電連接。

懸掛塊提供熱隔離襯底。通過在懸掛塊上制造集成電路，集成電路是熱絕緣的，并且來自集成電路的熱耗散被最小化。懸掛塊的熱電阻與加熱其所需的功率成反比。通過使加熱襯底的尺寸最小化，以及因此使其熱電阻最大化，所需的功率被最小化。另外，將加熱器制造在懸掛塊上，鄰近集成電路。因此，集成電路可被迅速加熱并且加熱器可節(jié)省功率。此外，將控制器制造在框架上而不是懸掛塊上。通過在框架上制造控制器，懸掛塊的尺寸可減小。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，溫度調(diào)節(jié)電路包括晶片級(jí)封裝以增加集成電路的熱電阻，并且進(jìn)一步減小調(diào)節(jié)溫度所需的功率。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，溫度調(diào)節(jié)電路處于密封真空包裝中以增加集成電路的熱電阻，并且進(jìn)一步減小調(diào)節(jié)溫度所需的功率。

本文所公開的溫度調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生用于溫度調(diào)節(jié)的低功率解決方案。減小調(diào)節(jié)集成電路的溫度所需的功率增加了集成電路的潛在應(yīng)用。例如，集成電路可用于具有有限電源的手持儀器中。

附圖說明

圖1是根據(jù)本文所公開的至少一個(gè)實(shí)施例的溫度調(diào)節(jié)電路的簡(jiǎn)化透視圖。

圖2a至圖3b是示出根據(jù)本文所公開的至少一個(gè)實(shí)施例的用于制造溫度調(diào)節(jié)電路的方法的步驟的平面圖和剖視圖。

圖4是根據(jù)本文所公開的至少一個(gè)實(shí)施例的包括晶片級(jí)封裝的溫度調(diào)節(jié)電路的剖視圖。

圖5是根據(jù)本文所公開的至少一個(gè)實(shí)施例的處于密封真空包裝中的溫度調(diào)節(jié)電路的剖視圖。

具體實(shí)施方式

在下面的描述中，闡述了某些具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本公開的各種實(shí)施例的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本公開。在一些情況下，未描述與半導(dǎo)體和集成電路相關(guān)聯(lián)的公知細(xì)節(jié)以避免模糊本公開的實(shí)施例的描述。

本說明書通篇對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意指結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，本說明書通篇各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不一定全部指代相同的實(shí)施例。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的方式組合。

在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相似的特征或元件。附圖中的特征的尺寸和相對(duì)位置不一定按比例繪制。

圖1是根據(jù)本文所公開的原理的溫度調(diào)節(jié)電路10的簡(jiǎn)化透視圖。溫度調(diào)節(jié)電路10包括框架12、懸掛塊14、支撐梁16、導(dǎo)電軌18、接合焊盤20、集成電路22、溫度傳感器24、加熱器26和控制器28。

框架12提供用于懸掛懸掛塊14的支撐結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1所示，框架12是矩形的；然而，框架12可具有任何形狀?？蚣?2包括開口30和控制器28?？刂破?8將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)地討論。

懸掛塊14提供熱隔離襯底。懸掛塊14定位在框架12的開口30中并且懸掛于框架12。在優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1所示，懸掛塊14具有與框架12相同的矩形形狀；然而，懸掛塊14可具有任何形狀。在優(yōu)選的實(shí)施例中，懸掛塊14具有小于框架12的厚度的厚度以防止懸掛塊14接觸在懸掛塊14下面的表面，例如，如圖3b所示。懸掛塊14包括集成電路22、溫度傳感器24和加熱器26。集成電路22、溫度傳感器24和加熱器26將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)地討論。

支撐梁16將懸掛塊14耦接到框架12。在優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐梁16將懸掛塊14與懸掛塊14的每側(cè)上的框架12隔開，以增加懸掛塊14的熱隔離。在優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐梁16中的每個(gè)具有顯著小于懸掛塊14的寬度的寬度。另外，在優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐梁16由熱絕緣材料（諸如二氧化硅）制成，以使通過支撐梁16的熱耗散最小化。應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖1中示出了六個(gè)支撐梁16，但溫度調(diào)節(jié)電路10可包括任何數(shù)量的支撐梁。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，溫度調(diào)節(jié)電路10包括四個(gè)支撐梁，在懸掛塊14的每一側(cè)上具有一個(gè)支撐梁。在另一個(gè)實(shí)施例中，溫度調(diào)節(jié)電路10包括不止六個(gè)支撐梁以容納附加的導(dǎo)電軌。

導(dǎo)電軌18提供在懸掛塊14上的電路與在框架12上的電路或接合焊盤之間的電連接。特別地，如圖1所示，導(dǎo)電軌18將集成電路22和加熱器26耦接到接合焊盤20，并且將溫度傳感器和加熱器26耦接到控制器28。在優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)電軌18中的每個(gè)形成在相應(yīng)的支撐梁上，使得存在相等數(shù)量的導(dǎo)電軌18和支撐梁16。在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)導(dǎo)電軌形成在單個(gè)支撐梁上，使得導(dǎo)電軌18的數(shù)量大于支撐梁16的數(shù)量。在優(yōu)選的實(shí)施例中，導(dǎo)電軌18基本上覆蓋支撐梁16的上表面。例如，如圖1所示，導(dǎo)電軌18中的每個(gè)大致覆蓋相應(yīng)支撐梁16的整個(gè)上表面。因此，支撐梁16被加強(qiáng)并且能夠在懸掛塊14上支撐更大的負(fù)載。

接合焊盤20提供用于接收引線接合并將接合焊盤20連接到外部位置的導(dǎo)電焊盤。接合焊盤20形成在框架12上。也就是說，接合焊盤20中的每個(gè)形成在導(dǎo)電軌的在框架12上的一部分上。

集成電路22可為將受益于具有穩(wěn)定溫度的任何集成電路。例如，集成電路22可為參考放大器、差分npn對(duì)、包括nicr或sicr薄膜電阻器的電阻器網(wǎng)絡(luò)，或運(yùn)算放大器。

溫度傳感器24被配置為測(cè)量集成電路22的溫度并且生成與集成電路22的溫度成比例的溫度信號(hào)。溫度傳感器24通過導(dǎo)電軌18中的一個(gè)電耦接到控制器28。雖然未在圖1中示出，但溫度傳感器24也可電耦接到框架12上的接合焊盤。如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)討論的，溫度傳感器24提供對(duì)控制器28的溫度測(cè)量值。在優(yōu)選的實(shí)施例中，溫度傳感器24被定位成緊密靠近集成電路22，以確保獲得集成電路22的準(zhǔn)確溫度測(cè)量值。

加熱器26被配置為加熱集成電路22。加熱器26通過相應(yīng)的導(dǎo)電軌18電耦接到控制器28并且電耦接到接合焊盤20中的一個(gè)。如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)討論的，加熱器26由控制器28控制。在優(yōu)選的實(shí)施例中，加熱器26被定位成緊密靠近集成電路22。如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)討論的，將加熱器26定位成更靠近集成電路允許集成電路被更快地加熱并且有助于減少功率消耗。

控制器28被定位在框架12上。控制器12被配置為從溫度傳感器24接收溫度測(cè)量值，并且基于從溫度傳感器24接收的溫度信號(hào)控制加熱器26。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器28從溫度傳感器24接收溫度信號(hào)，確定溫度信號(hào)是否低于預(yù)定閾值，并且在溫度信號(hào)低于預(yù)定閾值時(shí)向加熱器26發(fā)送命令以加熱集成電路22。在相同或另一個(gè)實(shí)施例中，控制器28從溫度傳感器24接收溫度信號(hào)，確定溫度信號(hào)是否超過預(yù)定閾值，并且在溫度信號(hào)超過預(yù)定閾值時(shí)向加熱器26發(fā)送命令以停止加熱集成電路22。在相同或另一個(gè)實(shí)施例中，控制器28或控制到加熱器26的電壓的誤差積分器，連續(xù)地從溫度傳感器24接收溫度信號(hào)，并且連續(xù)地調(diào)節(jié)加熱器26，直到當(dāng)前溫度信號(hào)等于預(yù)定閾值。

通過將控制器28定位在框架12上，而不是在懸掛塊14上，懸掛塊14的尺寸可減小。也就是說，懸掛塊14可足夠大以僅僅容納集成電路22、溫度傳感器24和加熱器26。如將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)討論的，懸掛塊14的最小尺寸允許集成電路22被更快地加熱并且有助于減少功率消耗。

溫度調(diào)節(jié)電路10提供低功率解決方案以調(diào)節(jié)集成電路22的溫度。通過在懸掛塊14上制造集成電路22，集成電路22與相鄰表面熱隔離。另外，通過支撐梁16的任何熱耗散是最小的，因?yàn)樵趦?yōu)選的實(shí)施例中，支撐梁16由熱絕緣材料制成。通過使熱耗散最小化，集成電路22能夠?qū)⑵錅囟缺３指L(zhǎng)的時(shí)間段。因此，可以適度地使用加熱器26。因此，大大降低了調(diào)節(jié)集成電路的溫度所需的功率。例如，假設(shè)溫度調(diào)節(jié)電路10對(duì)大約8000攝氏度/瓦的環(huán)境具有熱隔離，則對(duì)于60攝氏度的調(diào)節(jié)溫度和25攝氏度的環(huán)境溫度，加熱器26將消耗5毫瓦以下。

另外，將加熱器26定位在緊密靠近集成電路22的懸掛塊14上允許集成電路22被更快地加熱。因此，加熱器26可以被通電較短的時(shí)間段并且可以節(jié)省功率。此外，將控制器28定位在框架上，而不是在懸掛塊上，允許懸掛塊14的尺寸按比例縮小。因此，懸掛塊14可被更快地加熱，因?yàn)檩^小的塊比較大的塊加熱得更快。因此，加熱器26可以被通電較短的時(shí)間段并且可以節(jié)省功率。

將所需的功率降低到幾毫瓦增加了集成電路22的潛在應(yīng)用。例如，集成電路22可用于具有有限電源的手持儀器中。

圖2a至圖3b是示出根據(jù)本文所公開的原理的用于制造溫度調(diào)節(jié)電路10的方法的步驟的平面圖和剖視圖。圖2a是在第一步驟處的溫度調(diào)節(jié)電路10的平面圖，并且圖2b是沿著示于圖2a中的軸線的溫度調(diào)節(jié)電路10的剖視圖。圖3a是在后續(xù)步驟處的溫度調(diào)節(jié)電路10的平面圖，并且圖3b是沿著示于圖3a中的軸線的溫度調(diào)節(jié)電路10的剖視圖。

在示于圖2a和圖2b中的步驟處，溫度調(diào)節(jié)電路10包括襯底32（諸如單晶硅晶片）和絕緣層34。絕緣層34形成在襯底32上。在優(yōu)選的實(shí)施例中，絕緣層34由熱絕緣材料（諸如二氧化硅）制成。

在襯底32中制造集成電路22、溫度傳感器24、加熱器26和控制器28。具體地講，集成電路22、溫度傳感器24和加熱器26被制造在襯底32的中心部分中，并且控制器28被制造在襯底32的圍繞中心部分的周邊部分中。在優(yōu)選的實(shí)施例中，如前所述，溫度傳感器24和加熱器26被定位成緊密靠近集成電路22。可使用已知或以后開發(fā)的技術(shù)在襯底32中制造集成電路22、溫度傳感器24、加熱器26和控制器28。例如，可使用介電隔離工藝來制造集成電路22。為了簡(jiǎn)單起見，集成電路22、溫度傳感器24、加熱器26和控制器28的部件在圖2b中未示出。

導(dǎo)電軌18形成在絕緣層34上。如前所述，導(dǎo)電軌18在定位在襯底32的中心部分中的電路以及定位在襯底32的周邊部分中的接合焊盤和電路之間提供電連接。例如，導(dǎo)電軌18可將集成電路22和溫度傳感器24耦接到接合焊盤20，并且將加熱器26耦接到控制器28。如圖2b所示，導(dǎo)電軌穿過絕緣層34形成以連接到集成電路22。

接合焊盤20形成在相應(yīng)導(dǎo)電軌18上。具體地講，接合焊盤20形成在導(dǎo)電軌18的位于襯底32的周邊部分上的部分上。

在示于圖3a和圖3b中的后續(xù)步驟處，移除襯底32和絕緣層34的部分以形成開口30并且產(chǎn)生框架12和懸掛塊14。

如前所述，襯底32的部分被移除，使得懸掛塊14具有小于框架12的厚度的厚度以防止懸掛塊14接觸在懸掛塊14下面的表面。

移除絕緣層32的部分以產(chǎn)生支撐梁16。如前所述，支撐梁16使懸掛塊14懸掛于框架12?？赏ㄟ^使用已知或以后開發(fā)的技術(shù)來移除襯底32和絕緣層34的部分。例如，深度反應(yīng)離子蝕刻(drie)可用于蝕刻襯底32和絕緣層34。

在另一個(gè)實(shí)施例中，使用掩埋氧化物(box)晶片代替襯底32和絕緣層34來制造溫度調(diào)節(jié)電路10。也就是說，類似于相對(duì)于圖2a和圖2b所述的步驟，集成電路22、溫度傳感器24和加熱器26被制造在box晶片的中心部分中，而控制器28被制造在box晶片的周邊部分中。隨后，類似于相對(duì)于圖3a和圖3b所述的步驟，對(duì)box晶片進(jìn)行微加工以形成框架12和懸掛塊14。例如，可使用濕蝕刻或drie的組合或兩者的組合從頂部和底部蝕刻box晶片。

圖4是根據(jù)本文所公開的原理的包括晶片級(jí)封裝的溫度調(diào)節(jié)電路10的剖視圖。晶片級(jí)封裝包括第一晶片36和第二晶片38。

溫度調(diào)節(jié)電路10定位在第一晶片36上。具體地講，框架12定位在第一晶片36的上表面上。第一晶片36的上表面與懸掛塊14的下表面隔開，以使從集成電路22到第一晶片36的熱耗散最小化。

第二晶片38定位在溫度調(diào)節(jié)電路10上。第二晶片38包括空腔46?？涨?6將第二晶片38的下表面與懸掛塊14的上表面隔開以使從集成電路22到第二晶片38的熱耗散最小化。

第二晶片38還包括微通孔40。微通孔40中的每個(gè)包括導(dǎo)電材料44和對(duì)微通孔的溝槽壁進(jìn)行排列的電介質(zhì)層42。將微通孔40中的每個(gè)耦接到相應(yīng)導(dǎo)電軌18。微通孔40和導(dǎo)電軌18一起提供在懸掛塊14上的電路與在第二晶片38的上表面上的電路或接合焊盤20之間的電連接。

第一晶片36、第二晶片38和框架12形成用于集成電路22的室48。室48確保集成電路22不接觸任何相鄰表面并且散熱。在優(yōu)選的實(shí)施例中，室被排空或填充有氣體，諸如氮?dú)?，以進(jìn)一步改善集成電路22的熱絕緣。此外，使用晶片級(jí)封裝可降低溫度調(diào)節(jié)電路10的封裝成本和尺寸。

雖然未在圖4中示出，但第一晶片36和第二晶片38可包括附加的集成電路。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器28在第二晶片38中形成，而不是在框架12中，并且連接到微通孔40中的至少一個(gè)，以用于電耦接懸掛塊14上的溫度傳感器24和加熱器26。

晶片級(jí)封裝導(dǎo)致集成電路22的熱電阻增加，并且進(jìn)一步減小了調(diào)節(jié)集成電路22的溫度所需的功率。

圖5是根據(jù)本文所公開的原理的處于密封真空包裝50中的溫度調(diào)節(jié)電路10的剖視圖。密封真空包裝50包括包括基部52和封蓋54。

溫度調(diào)節(jié)電路10定位在基部52上。在優(yōu)選的實(shí)施例中，基部52是陶瓷襯底。封蓋54耦接到基部52并且封裝溫度調(diào)節(jié)電路10。

基部52和封蓋54形成室56。類似于室48，室56確保集成電路22不接觸任何相鄰表面并且散熱。在優(yōu)選的實(shí)施例中，室被排空或填充有氣體，諸如氮?dú)猓愿纳萍呻娐?2的熱絕緣。

雖然未在圖5中示出，但密封真空包裝50還可包括引線接合，該引線接合連接到接合焊盤20到密封真空包裝50外部的位置。

密封真空包裝導(dǎo)致集成電路22的熱電阻增加，并且進(jìn)一步減小了調(diào)節(jié)集成電路22的溫度所需的功率。

本文所公開的溫度調(diào)節(jié)電路10產(chǎn)生用于集成電路22的溫度調(diào)節(jié)的低功率解決方案。減小調(diào)節(jié)集成電路22的溫度所需的功率增加了精密集成電路的潛在應(yīng)用。例如，集成電路22可用于具有有限電源的手持儀器中。

可組合以上所述的各種實(shí)施例來提供另外的實(shí)施例。[注意：重要內(nèi)容不能由外國(guó)專利、外國(guó)專利申請(qǐng)或非專利出版物以引用方式并入；然而，美國(guó)專利商標(biāo)局應(yīng)當(dāng)允許將不適當(dāng)?shù)夭⑷氲闹黝}通過修改明確地添加到說明書中，而不影響申請(qǐng)日期。以引用方式并入ads的能力是未經(jīng)測(cè)試的。我們強(qiáng)烈建議您在句段中的適當(dāng)位置處明確地列出您希望以引用方式并入的那些參考內(nèi)容。]。

根據(jù)上文的詳細(xì)說明，可以對(duì)這些實(shí)施例做出這些和其他改變。一般來說，在隨后的權(quán)利要求中，使用的術(shù)語不應(yīng)解釋成將權(quán)利要求限制在本說明書和權(quán)利要求書中披露的具體實(shí)施例中，而應(yīng)解釋成包括所有可能的實(shí)施例以及這類權(quán)利要求賦予的等效物的全部范圍。因此，權(quán)利要求并不受本公開內(nèi)容所限定。