金刚石传感器测试用探测器模块封装结构及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911080198.8 (22)申请日 2019.11.07 (71)申请人 山东浪潮人工智能研究院有限公司 地址 250100 山东省济南市高新区浪潮路 1036号浪潮科技园S05楼北六层 (72)发明人 刘幼航刘强聂鸿飞 (74)专利代理机构 济南信达专利事务所有限公 司 37100 代理人 孙园园 (51)Int.Cl. G01D 18/00(2006.01) G01D 11/26(2006.01) (54)发明名称 一种金刚石传感器测试用探测器模块封装 结构及方法 。

2、(57)摘要 本发明公开了一种金刚石传感器测试用探 测器模块封装结构及方法， 属于半导体测试模块 封装领域， 本发明要解决的技术问题为传统封装 方案只能对一片金刚石传感器进行封装以及探 测器模块拆解困难的弊端， 采用的技术方案为： 其结构包括陶瓷基印刷电路板、 绝缘垫片和传感 器， 陶瓷基印刷电路板设置有两个， 两个陶瓷基 印刷电路板上下平行设置且两个均采用双面电 路设计结构， 双面电路设计结构的陶瓷基印刷电 路板一面的中心位置设置有四个分离设置的方 形金属电极， 另一面为通过孔化工艺连接到金属 电极上的引线连接点； 绝缘垫片上设置有与陶瓷 基印刷电路板的方形金属电极相对应的孔位。 本 发明还。

3、公开了一种金刚石传感器测试用探测器 模块封装方法。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 110793562 A 2020.02.14 CN 110793562 A 1.一种金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 包括陶瓷基印刷电路 板、 绝缘垫片和传感器， 陶瓷基印刷电路板设置有两个， 两个陶瓷基印刷电路板上下平行设 置且两个均采用双面电路设计结构， 双面电路设计结构的陶瓷基印刷电路板一面的中心位 置设置有四个分离设置的方形金属电极， 另一面为通过孔化工艺连接到金属电极上的引线 连接点； 绝缘垫片位于两陶瓷基印刷电路板之间， 绝缘垫片上设置有与陶瓷基印刷电路板的方 形金属。

4、电极相对应的孔位； 传感器设置有四个， 四个传感器位于陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片之间； 传感器位于 绝缘垫片的孔位内且传感器与陶瓷基印刷电路板的方形金属电极电连接； 传感器是基于人 工制备的金刚石晶片制成的传感器； 两陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片通过螺钉和螺母固定连接。 2.根据权利要求1所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 所述 绝缘垫片选用标准为100微米和25微米的聚醚醚酮薄膜作为绝缘垫片材料； 绝缘垫片的厚度小于传感器中金刚石晶片的厚度。 3.根据权利要求1或2所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 所述绝缘垫片设置有多层， 多层绝缘垫片层叠设置。

5、且绝缘垫片均设置有与陶瓷基印刷电路 板的方形金属电极相对应的孔位。 4.根据权利要求1所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 所述 基于人工制备的金刚石晶片制成的传感器中的金刚石晶片上表面和下表面所镀金属膜为 Ti-W-Au复合膜， 镀膜工艺为磁控溅射方式； 其中， Ti-W-Au复合膜底层Ti膜厚度为50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au膜厚度 30nm； 底层Ti膜与金刚石表层碳原子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与金刚 石间的表面附着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金刚石表面金属电极与印 刷电路板电极间的接触电阻； 中间层W膜。

6、用于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的隔离， 增加金 属膜厚度并降低成本。 5.根据权利要求1所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 所述 陶瓷基印刷电路板的四角设置有固定的螺钉孔， 绝缘垫片四角设置有与陶瓷基印刷电路板 相对应的螺钉孔， 螺钉孔内设置有贯穿陶瓷基印刷电路板和绝缘垫片的螺钉， 螺母通过螺 纹锁紧螺钉。 6.根据权利要求5所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构， 其特征在于， 所述 螺钉和螺母均采用聚醚醚酮材料制成。 7.一种金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 其特征在于， 该方法步骤如下： S1、 利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器： 利用磁控溅。

7、射方式在金刚石晶片双表 面镀复合金属膜， 掩膜尺寸要求小于金刚石晶片尺寸， 复合金属膜结构为底层Ti膜中间 层W膜表面层Au膜； S2、 根据镀膜后的传感器厚度选择合适的绝缘垫片的尺寸， 绝缘垫片的厚度小于传感 器厚度， 绝缘垫片采用至少一层聚醚醚酮薄膜， 聚醚醚酮薄膜标注厚度为25微米和100微 米； S3、 将四个传感器放置在绝缘垫片预留的孔位中， 利用陶瓷基印刷电路板将绝缘垫片 权利要求书 1/2 页 2 CN 110793562 A 2 和传感器的组合体夹在中间， 再利用聚醚醚酮螺钉与螺母在四角螺钉孔处对整个测试用模 块进行封装； S4、 将数据输出线焊接在封装结构外表面的引线连接点。。

8、 8.根据权利要求7所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 其特征在于， 所述 步骤S1中利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器前对金刚石晶片进行清洗， 具体如下： S101、 将金刚石晶片放入温度为70摄氏度的半导体清洗一号液和半导体清洗二号液中 分别浸泡15分钟， 以去除晶片表面有机沾污和钠、 镁金属沾污； S102、 利用无水乙醇对金刚石晶片进行超声清洗， 以去除清洗液残留。 9.根据权利要求8所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 其特征在于， 所述 半导体清洗一号液是由硝酸、 双氧水和去离子水按比例为1:1:5组成的混合液； 所述半导体清洗二号液是由盐酸、 双氧水、 去。

9、离子水按比例为1:1:6组成的混合液。 10.根据权利要求7所述的金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 其特征在于， 所 述步骤S2中底层Ti膜厚度为50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au膜厚度30nm； 底层Ti膜 与金刚石表层碳原子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与金刚石间的表面附 着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金刚石表面金属电极与印刷电路板电极 间的接触电阻； 中间层W膜用于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的隔离， 增加金属膜厚度并降 低成本。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110793562 A 3 一种金刚石传感器测试用探测器模块封装。

10、结构及方法 技术领域 0001 本发明涉及半导体测试模块封装领域， 具体地说是一种金刚石传感器测试用探测 器模块封装结构及方法。 背景技术 0002 作为自然界中存在的硬度最高的材料， 金刚石具有非常卓越的力学性能与导热系 数。 另外， 由于组成金刚石的碳原子间形成了sp3杂化轨道， 并且碳原子排列具有极强的周 期性， 金刚石自身也具有极强的抗辐照性能； 以上性质使得基于金刚石晶片制成的传感器 在极端恶劣的辐照环境下仍然有良好的响应信号输出能力， 因此， 以金刚石为传感器材料 制成的新型探测器成为了国内外近年来的研究热点。 0003 传统的测试用金刚石探测器模块封装方案一般在一片陶瓷基印刷电路。

11、板上只能 放置一片金刚石传感器， 金刚石传感器与印刷电路板间采用导电银胶胶粘工艺固定， 传感 器上表面利用金线焊接与印刷电路板上的电极进行连接， 最后再用环氧树脂做表面封装。 传统封装方案有如下几点问题： 0004 (一)每个测试模块中只能安装一片金刚石传感器， 这样就导致对多片金刚石传感 器进行测试时测试模块需前后堆叠放置， 因此测试用束流在通过前面遮挡的模块时会发生 能量沉积， 导致前后测试模块的实验条件存在不可控的差异； 0005 (二)采用传统工艺对探测模块进行封装导致模块拆解不便， 使得对辐照测试后的 金刚石结构变化的后续检测十分困难； 0006 (三)传统模块封装方案中导电银胶的调。

12、配与粘贴以及环氧树脂封装受人工影响 较大， 工艺水平的差距对辐照测试的结果同样存在影响。 0007 故如何解决传统封装方案只能对一片金刚石传感器进行封装以及探测器模块拆 解困难的弊端是目前现有技术中急需解决的问题。 发明内容 0008 本发明的技术任务是提供一种金刚石传感器测试用探测器模块封装结构及方法， 来解决传统封装方案只能对一片金刚石传感器进行封装以及探测器模块拆解困难的弊端。 0009 本发明的技术任务是按以下方式实现的， 一种金刚石传感器测试用探测器模块封 装结构， 包括陶瓷基印刷电路板、 绝缘垫片和传感器， 陶瓷基印刷电路板设置有两个， 两个 陶瓷基印刷电路板上下平行设置且两个均采。

13、用双面电路设计结构， 双面电路设计结构的陶 瓷基印刷电路板一面的中心位置设置有四个分离设置的方形金属电极， 另一面为通过孔化 工艺连接到金属电极上的引线连接点； 0010 绝缘垫片位于两陶瓷基印刷电路板之间， 绝缘垫片上设置有与陶瓷基印刷电路板 的方形金属电极相对应的孔位； 0011 传感器设置有四个， 四个传感器位于陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片之间； 传感器 位于绝缘垫片的孔位内且传感器与陶瓷基印刷电路板的方形金属电极电连接； 传感器是基 说明书 1/5 页 4 CN 110793562 A 4 于人工制备的金刚石晶片制成的传感器； 0012 两陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片通过螺钉和螺母固定连接。

14、。 0013 作为优选， 所述绝缘垫片选用标准为100微米和25微米的聚醚醚酮薄膜作为绝缘 垫片材料； 0014 绝缘垫片的厚度略小于传感器中金刚石晶片的厚度， 在保证上下表面电极间良好 绝缘性的同时还能保证传感器上下表面金属电极与印刷电路板电极接触良好。 0015 更优地， 所述绝缘垫片设置有多层， 多层绝缘垫片层叠设置且绝缘垫片均设置有 与陶瓷基印刷电路板的方形金属电极相对应的孔位。 0016 作为优选， 所述基于人工制备的金刚石晶片制成的传感器中的金刚石晶片上表面 和下表面所镀金属膜为Ti-W-Au复合膜， 镀膜工艺为磁控溅射方式； 0017 其中， Ti-W-Au复合膜底层Ti膜厚度为。

15、50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au膜 厚度30nm； 底层Ti膜与金刚石表层碳原子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与 金刚石间的表面附着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金刚石表面金属电极 与印刷电路板电极间的接触电阻； 中间层W膜用于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的隔离， 增 加金属膜厚度并降低成本。 其中， Ti本身为易碳化的金属， 在磁控溅射过程中Ti原子带有较 大的动能， 能够穿过金刚石表面的碳原子层， 并且在随后的退火过程中与金刚石表面的表 层碳原子结合形成TiC化合物。 0018 作为优选， 所述陶瓷基印刷电路板的四角设置有固定的螺钉孔，。

16、 绝缘垫片四角设 置有与陶瓷基印刷电路板相对应的螺钉孔， 螺钉孔内设置有贯穿陶瓷基印刷电路板和绝缘 垫片的螺钉， 螺母通过螺纹锁紧螺钉。 0019 更优地， 所述螺钉和螺母均采用聚醚醚酮材料制成。 0020 一种金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 该方法步骤如下： 0021 S1、 利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器： 利用磁控溅射方式在金刚石晶片 双表面镀复合金属膜， 掩膜尺寸要求小于金刚石晶片尺寸， 复合金属膜结构为底层Ti膜 中间层W膜表面层Au膜； 0022 S2、 根据镀膜后的传感器厚度选择合适的绝缘垫片的尺寸， 绝缘垫片的厚度小于 传感器厚度， 绝缘垫片采用至少一层聚醚醚。

17、酮薄膜， 聚醚醚酮薄膜标注厚度为25微米和100 微米； 0023 S3、 将四个传感器放置在绝缘垫片预留的孔位中， 利用陶瓷基印刷电路板将绝缘 垫片和传感器的组合体夹在中间， 再利用聚醚醚酮螺钉与螺母在四角螺钉孔处对整个测试 用模块进行封装； 0024 S4、 将数据输出线焊接在封装结构外表面的引线连接点。 0025 作为优选， 所述步骤S1中利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器前对金刚石 晶片进行清洗， 具体步骤如下： 0026 S101、 将金刚石晶片放入温度为70摄氏度的半导体清洗一号液和半导体清洗二号 液中分别浸泡15分钟， 以去除晶片表面有机沾污以及钠、 镁金属沾污； 0027。

18、 S102、 利用无水乙醇对金刚石晶片进行超声清洗， 以去除清洗液残留。 0028 更优地， 所述半导体清洗一号液是由硝酸、 双氧水和去离子水按比例为1:1:5组成 的混合液； 说明书 2/5 页 5 CN 110793562 A 5 0029 所述半导体清洗二号液是由盐酸、 双氧水、 去离子水按比例为1:1:6组成的混合 液。 0030 作为优选， 所述步骤S2中底层Ti膜厚度为50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au 膜厚度30nm； 底层Ti膜与金刚石表层碳原子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜 与金刚石间的表面附着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金。

19、刚石表面金属电 极与印刷电路板电极间的接触电阻； 中间层W膜用于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的隔离， 增加金属膜厚度并降低成本。 0031 本发明的金刚石传感器测试用探测器模块封装结构及方法具有以下优点： 0032 (一)本发明主要解决传统探测器模块封装方案探测器模块拆解困难、 并且一个测 试模块只能安装一片金刚石传感器的问题； 且本发明关键在于利用双面电路设计的陶瓷基 印刷电路板将电路电极与信号线连接电极分开在了一个印刷电路板的两面， 并且通过电路 设计使得可在一个测试模块中同时封装四个金刚石传感器， 另外， 该封装结构仅存在机械 组装， 可大幅降低人为工艺差异的影响， 没有任何胶粘或焊接。

20、操作， 拆解十分方便； 0033 (二)、 绝缘垫片的厚度可根据金刚石晶片的厚度自由调节， 最终使得绝缘垫片的 厚度略小于金刚石晶片的厚度， 这样在保证上下表面电极间良好绝缘性的同时还能保证传 感器上下表面金属电极与印刷电路板电极接触良好； 0034 (三)、 金刚石晶片上、 下表面所镀金属膜为Ti-W-Au复合膜， 镀膜工艺为磁控溅射 方式， 所镀Ti膜厚度50nm， W膜厚度200nm， Au膜厚度30nm； 底层Ti膜可以与金刚石表层碳原 子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与金刚石间的表面附着力并构建良好的 欧姆接触； 表面层Au膜可以降低金刚石表面金属电极与印刷电路板电极。

21、间的接触电阻； 中 间层W膜起到对Ti和Au隔离的作用， 可增加金属膜厚度并降低成本； 0035 (四)当对多片(小于等于四片)金刚石传感器进行辐照测试时可将多个传感器封 装在一个探测器模块内， 这样所有被测样品均处于同一平面， 可以避免前后叠放可能导致 的不同样品的测试结果出现不可控误差的问题； 0036 (五)本发明的传感器电极与印刷电路板电极间依靠接触进行连接， 可保证较低的 本底暗电流和系统噪声； 0037 (六)为了便于输出信号线的连接， 本发明采用孔化工艺将引线连接点引到了印刷 电路板的反面； 0038 (七)在涉及到需在辐照环境下应用的军工类产品时需对产品内传感器进行辐照 测试，。

22、 且在辐照完成后对传感器进行回收或做进一步测试时， 所述封装结构拆解方便。 附图说明 0039 下面结合附图对本发明进一步说明。 0040 附图1为金刚石传感器测试用探测器模块封装结构的结构示意图； 0041 附图2为陶瓷基印刷电路板电极面的示意图； 0042 附图3为陶瓷基印刷电路板电极相连的引线连接点示意图。 0043图中：代表孔化工艺。 说明书 3/5 页 6 CN 110793562 A 6 具体实施方式 0044 参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种金刚石传感器测试用探测器模块 封装结构及方法作以下详细地说明。 0045 实施例1： 0046 如附图1所示， 本发明的金刚石传感器。

23、测试用探测器模块封装结构,其结构包括陶 瓷基印刷电路板、 绝缘垫片和传感器， 陶瓷基印刷电路板设置有两个， 两个陶瓷基印刷电路 板上下平行设置且均采用双面电路设计结构， 如附图2和3所示， 双面电路设计结构的陶瓷 基印刷电路板一面的中心位置设置有四个分离设置的方形金属电极， 另一面为通过孔化工 艺连接到金属电极上的引线连接点； 绝缘垫片位于两陶瓷基印刷电路板之间， 绝缘垫片上 设置有与陶瓷基印刷电路板的方形金属电极相对应的孔位； 传感器设置有四个， 四个传感 器位于陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片之间； 传感器位于绝缘垫片的孔位内且传感器与陶瓷 基印刷电路板的方形金属电极电连接； 传感器是基于人工制。

24、备的金刚石晶片制成的传感 器； 陶瓷基印刷电路板的四角开设有固定的螺钉孔， 绝缘垫片四角开设有与陶瓷基印刷电 路板相对应的螺钉孔， 螺钉孔内安装有贯穿陶瓷基印刷电路板和绝缘垫片的螺钉， 螺母通 过螺纹锁紧螺钉。 螺钉和螺母均采用聚醚醚酮材料制成。 两陶瓷基印刷电路板与绝缘垫片 通过螺钉和螺母固定连接。 其中， 绝缘垫片选用标准为100微米和25微米的聚醚醚酮薄膜作 为绝缘垫片材料； 绝缘垫片的厚度略小于传感器中金刚石晶片的厚度， 在保证上下表面电 极间良好绝缘性的同时还能保证传感器上下表面金属电极与印刷电路板电极接触良好。 绝 缘垫片设置有三层， 三层绝缘垫片层叠设置且绝缘垫片均设置有与陶瓷基。

25、印刷电路板的方 形金属电极相对应的孔位。 0047 基于人工制备的金刚石晶片制成的传感器中的金刚石晶片上表面和下表面所镀 金属膜为Ti-W-Au复合膜， 镀膜工艺为磁控溅射方式； 其中， Ti-W-Au复合膜底层Ti膜厚度为 50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au膜厚度30nm； 底层Ti膜与金刚石表层碳原子结合生 成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与金刚石间的表面附着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金刚石表面金属电极与印刷电路板电极间的接触电阻； 中间层W膜用 于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的隔离， 增加金属膜厚度并降低成本。 0048 实施例2： 004。

26、9 本发明的金刚石传感器测试用探测器模块封装方法， 该方法步骤如下： 0050 S1、 利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器； 利用磁控溅射方式在金刚石晶片 双表面镀复合金属膜， 掩膜尺寸要求小于金刚石晶片尺寸， 复合金属膜结构为底层Ti膜 中间层W膜表面层Au膜； 底层Ti膜厚度为50nm， 中间层W膜厚度为200nm， 表面层Au膜厚度 30nm； 底层Ti膜与金刚石表层碳原子结合生成TiC， 在后续退火过程中可加强金属膜与金刚 石间的表面附着力并构建良好的欧姆接触； 表面层Au膜用于降低金刚石表面金属电极与印 刷电路板电极间的接触电阻； 中间层W膜用于完成对底层Ti膜和表面层Au膜的。

27、隔离， 增加金 属膜厚度并降低成本； 0051 利用CVD方法生长的金刚石晶片制备传感器前对金刚石晶片进行清洗， 具体如下： 0052 S101、 将金刚石晶片放入温度为70摄氏度的半导体清洗一号液和半导体清洗二号 液中分别浸泡15分钟， 以去除晶片表面有机沾污和钠、 镁金属沾污； 0053 S102、 利用无水乙醇对金刚石晶片进行超声清洗， 以去除清洗液残留。 说明书 4/5 页 7 CN 110793562 A 7 0054 其中， 半导体清洗一号液是由硝酸、 双氧水和去离子水按比例为1:1:5组成的混合 液； 半导体清洗二号液是由盐酸、 双氧水、 去离子水按比例为1:1:6组成的混合液。。

28、 0055 S2、 根据镀膜后的传感器厚度选择合适的绝缘垫片的尺寸， 绝缘垫片的厚度略小 于传感器厚度， 绝缘垫片采用三层聚醚醚酮薄膜， 聚醚醚酮薄膜标注厚度为25微米和100微 米； 0056 S3、 将四个传感器放置在绝缘垫片预留的孔位中， 利用陶瓷基印刷电路板将绝缘 垫片和传感器的组合体夹在中间， 再利用聚醚醚酮螺钉与螺母在四角螺钉孔处对整个测试 用模块进行封装； 0057 S4、 将数据输出线焊接在封装结构外表面的引线连接点。 0058 最后应说明的是： 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽 管参照前述各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， 或者对其中部分或者全部技术特征进 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 方案的范围。 说明书 5/5 页 8 CN 110793562 A 8 图1 说明书附图 1/2 页 9 CN 110793562 A 9 图2 图3 说明书附图 2/2 页 10 CN 110793562 A 10 。