專利名稱：熱伏電源式固態(tài)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種微電子及微加工技術(shù)制作的高轉(zhuǎn)阻抗(transresistance)熱伏電源式固態(tài)開關(guān)。
現(xiàn)今半導(dǎo)體式的固態(tài)開關(guān)在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛。此類固態(tài)元件具有無接點、不跳火花與快速觸發(fā)等優(yōu)點。故用于大功率系統(tǒng)的啟閉，十分安全且耐用，是近代工業(yè)電子不可缺少的元件。長久以來，使用最廣的固態(tài)開關(guān)裝置為可控硅二極管(SCR)及進(jìn)一步將兩可控硅SCR反并聯(lián)(anti-parallel)而得到的三端雙向可控硅開關(guān)TRIAC。
利用可控硅SCR作為大電流的觸發(fā)開關(guān)有如下缺點(1)可控硅的輸入與輸出端的轉(zhuǎn)阻抗小，因此兩端無法完全隔離。若輸出端具有高電壓時，即有可能引起輸入端電路的崩潰；(2)可控硅元件觸發(fā)后具有鎖定(Latch-up)特性，一但觸發(fā)導(dǎo)通后即不息止，除非將陽極與陰極間的電壓歸零，或在柵極注入一逆向電流方能切斷。此點與傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)所具有的高轉(zhuǎn)阻抗特性，即輸入與輸出間電氣隔離狀況不同，可控硅的使用有本質(zhì)上的缺點。
為了達(dá)到如傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)的功能，且具有“無接點不跳火花”的優(yōu)點，最近數(shù)年來另有一種新型的光電耦合式固態(tài)開關(guān)裝置，目前其使用量與日俱增。此裝置輸出端的電力驅(qū)動功能是由常態(tài)斷路(normally off)的高壓、高功率MOS晶體管執(zhí)行。由于MOS晶體管具有雙向?qū)üδ?，且其柵極的輸入阻抗又非常大，因此在隔離(isolation)性能上與傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)十分類似。若要驅(qū)動此裝置為導(dǎo)通狀態(tài)，僅須在柵極施加一啟動電壓(threshold voltage)即可，就功率MOS晶體管而言，此值約為3伏特。由于MOS晶體管具有相當(dāng)大的輸入阻抗，因此驅(qū)動此元件的電流及功率需求皆十分小，僅須將MOS晶體管輸入端的微小柵極電容予以充電即可。當(dāng)驅(qū)動的外加電位去除時，柵極電荷可經(jīng)由漏電而消失，此時MOS晶體管即回復(fù)“斷路”狀態(tài)，如同機(jī)械開關(guān)的作用。又MOS晶體管為雙向?qū)ㄔ?，在適當(dāng)?shù)慕M合下，可用于交流電功率的負(fù)載。
為達(dá)到此MOS功率晶體管的觸發(fā)導(dǎo)通，必須有一電路可產(chǎn)生足夠的起始電位差，并施于柵極與接地的漏極間。此電路尚必須在其輸入與輸出端具有極高的電氣隔離，以避免如上述可控硅SCR的缺點。目前普遍采用的方法是利用二極管光電池的“光伏作用”(photovoltaic effect)達(dá)成，如圖1所示。圖中在MOS功率晶體管的柵極G前方設(shè)有一串聯(lián)的硅質(zhì)光二極管(siliconphotodiode)。此串聯(lián)二極管受其上方一發(fā)光二極管LED照射，因而可產(chǎn)一光電壓。就硅二極管而言，一般此光電壓約在0.3～0.6伏特間，故十?dāng)?shù)個硅二極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)即可產(chǎn)生大于高壓MOS晶體管的啟動電壓(約為3伏)的驅(qū)動電壓，而使此元件導(dǎo)通。此種光電耦合形式的“光伏電源”(photovoltaic generator,PVG)關(guān)閉，其作用與通訊電子用的光耦合器(photo-coupler)或光電隔離元件(opto-isolator)類似；因發(fā)光二極管與硅二極管之間并無電路的直接連接，故其具有極大的轉(zhuǎn)阻抗。此種以光為耦合介質(zhì)的光伏電源開關(guān)能在發(fā)光二極管端，以極小的光功率驅(qū)動MOS輸出端的高壓、高電流的負(fù)載(圖1中的R)，且不致引發(fā)輸入端的電崩潰。目前它是一種新型且優(yōu)良的固態(tài)功率電子開關(guān)，可參看目前各制造公司的產(chǎn)品目錄。
但是，此種“光伏電源”驅(qū)動的MOS功率開關(guān)在“切斷”之初，即當(dāng)發(fā)光二極管的光源關(guān)掉時，MOS晶體管的柵極電容CG(一般約120pf)上有已存在的電荷，此電荷必須漏除，方能達(dá)到切斷的功能。但此時二極管是在負(fù)偏壓的高阻抗?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，因而電荷不易泄出，造成MOS晶體管無法立即反應(yīng)成斷路狀態(tài)。作為電力開關(guān)而言，此種延時切斷效應(yīng)十分不利。為克服此缺點，目前的“光伏電源MOS開關(guān)”(PVG switch)在柵極與光電池的輸出端之間需要設(shè)計一泄流電路以縮短切斷的反應(yīng)時間，如圖2所示一例的虛線方塊S。此種泄流電路不僅因其元件面積與制程的復(fù)雜性而增加了成本。另外，更需增加光伏感應(yīng)功率來驅(qū)動，這必須增加輸入端發(fā)光二極管的數(shù)目，或增加光電池的晶體面積來補(bǔ)充，因而亦使成本增加。如此使發(fā)光二極管的光線要均勻地照射于光電池表面增加困難。
又如圖3A所示，此光伏電源的固態(tài)開關(guān)在封裝結(jié)構(gòu)上，發(fā)光二極管與光電池兩元件必須彼此面對以達(dá)到直接的光耦合作用。故它較一般平面封裝的IC結(jié)構(gòu)，如圖3B所示，復(fù)雜許多，因此封裝的成本亦較高。另外，兩元件之間的封裝樹脂必須對發(fā)光二極管波長的光透明，否則將無光耦合作用。對目前的IC用樹脂材料而言，必須利用波長900nm左右的紅外線發(fā)光二極管為光源才能透明；而且這時廉價的硅光電池在此段光譜亦有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。但此點在制作硅質(zhì)光電池時又導(dǎo)致如下缺點。
由于光伏電源開關(guān)所使用的各硅質(zhì)光二極管元件必須串聯(lián)，才能累積足夠的光伏電壓(～3V)來驅(qū)動功率MOS晶體管。這在硅晶片上制作時有其困難。原因在于(1)各二極管必須具有完善的電氣隔離方有串聯(lián)效果，否則會引起漏電，降低感應(yīng)電壓及電流；(2)單晶硅對波長900nm光的吸收長度(absorption length)相當(dāng)大，因此，在硅晶片上的光二極管必須具有深的接合面(deep junction)才能提高光電效率，元件之間的隔離因而必須更深。這種深層隔層在一般硅晶片上制作較為困難。為達(dá)到此目的，在目前的商品中，有利用絕緣單晶硅(SOI,Silicon-on-Insulator)的晶片制作以完成元件間的隔離功能，如圖4所示的結(jié)構(gòu)。但SOI的晶片價格較一般硅單晶片昂貴，且其制作程序較復(fù)雜。此外，絕緣層上硅的厚度亦無法增加太多，造成V型溝槽過深而不易補(bǔ)平，結(jié)果此種較小的厚度造成光吸收率降低。
總之，光伏電源的功率MOS固態(tài)開關(guān)裝置目前雖已實用化，但如上所述，在元件的材料、制作、封裝結(jié)構(gòu)所造成的缺點，皆令其成本昂貴，或有不可忽略的缺點。
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉的固態(tài)開關(guān)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下措施本發(fā)明的原理是根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換(thermoelectric transducing)的物理效應(yīng)，以熱耦合作用取代上述光電效應(yīng)的光耦合作用，達(dá)到高轉(zhuǎn)阻抗特性。
本發(fā)明利用一半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)所形成的熱電偶堆(thermopile，以下稱熱電堆)，產(chǎn)生足夠的熱電電壓(thermoelectric voltage)，以驅(qū)動MOS晶體啟閉，作為固態(tài)電子開關(guān)功能。該驅(qū)動熱電電壓的產(chǎn)生是利用鄰近熱電堆的一加熱用薄膜電阻所釋出的焦耳熱，使熱電堆的冷、熱接點間產(chǎn)生足夠的溫差所致。這些元件皆置于同一硅晶片上，而加熱電阻與熱電堆的熱接點則置于以微加工技術(shù)形成的熱墊上，且具有高隔熱效果。
本發(fā)明的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)主要包括一硅基片基座、一熱墊、一薄膜加熱電阻及一熱電偶堆(以下簡稱熱電堆)等。其中該熱墊以微加工技術(shù)制作浮板(membrane)懸浮硅基片的局部區(qū)域上，作為熱隔離之用。該薄膜加熱電阻的制作于該熱墊區(qū)內(nèi)，亦為開關(guān)裝置的輸入端。該熱電堆是利用半導(dǎo)體薄膜制作，形成含復(fù)數(shù)個串聯(lián)電偶的結(jié)構(gòu)。該等熱電偶的熱接點位于該熱墊區(qū)內(nèi)且鄰近于該薄膜加熱電阻，而其冷接點則位于遠(yuǎn)離該熱墊的未懸浮基片區(qū)。該熱電堆的兩端作為MOS元件開關(guān)的輸入端。
當(dāng)由該加熱電阻的輸入端施與偏壓，使其產(chǎn)生焦耳熱時，此熱流向基板區(qū)，使得該熱電堆因為不勻勻的熱分布而在冷卻接點間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臏夭?，故可在該熱電堆兩端產(chǎn)生一熱電動勢，此電動勢使與該熱電堆串接的MOS晶體管得以被觸發(fā)，而成為導(dǎo)通狀態(tài)。但當(dāng)輸入端不再施與偏壓，冷熱接點會因熱平衡原理而回復(fù)相同溫度，該熱電堆的輸出端所呈現(xiàn)的熱電電位即回歸為零，因而使該MOS晶體管回復(fù)斷路狀態(tài)。
本發(fā)明的一種熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，包括一單晶硅基片；其特征在于一MOS場效應(yīng)晶體管，其柵極接受信號而控制輸出端的負(fù)載；一熱墊，以微加工技術(shù)制作于硅基片的局部區(qū)域；一薄膜加熱電阻，制作于該熱墊片上，作為開關(guān)的輸入端；一熱電堆，利用p-n接合結(jié)的半導(dǎo)體薄膜熱電偶串聯(lián)所形成，該等熱電偶的熱接點位于熱墊上且鄰近于薄膜加熱電阻處，并具有足夠的電氣絕緣強(qiáng)度的間距，其冷接點則遠(yuǎn)離熱墊的基片區(qū)而恒等溫于基片，該熱電堆的輸出端作為MOS晶體管開關(guān)元件的輸入端；由輸入端施以偏壓，使加熱電阻產(chǎn)生焦耳熱時，熱電堆的冷熱接點間由不均勻的熱分布產(chǎn)生適當(dāng)溫差，并在熱電堆的兩端感應(yīng)一熱電動勢，此電動勢足以使其銜接的MOS場效應(yīng)晶體管觸發(fā)而成為導(dǎo)通狀態(tài)；輸入端不再施以偏壓時，熱電堆的冷熱接點回復(fù)相同溫度，使熱電堆的感應(yīng)電動勢消失，MOS場效應(yīng)晶體管開關(guān)回復(fù)斷路狀態(tài)。
所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述加熱電阻與熱電堆為單晶片式元件，加熱電阻與熱電堆間具有完全電性隔離及極高的轉(zhuǎn)阻抗特性。
本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置具有下列效果(1)固態(tài)開關(guān)裝置在輸出與輸入兩端間是以熱為耦合介質(zhì)，故具有完全的氣隔離，亦即有極高的轉(zhuǎn)阻抗功效，因而可利用極小的輸入電壓控制極大輸出電壓與功率的電力裝置；(2)固態(tài)開關(guān)裝置是微加工制作的單晶片結(jié)構(gòu)，故能以半導(dǎo)體制程做批量生產(chǎn)，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)的單體生產(chǎn)方式；(3)固態(tài)開關(guān)裝置在“開關(guān)”狀態(tài)時，不需使用目前的“光電耦合MOS固態(tài)開關(guān)”所必備的電荷漏電電路，因而可減少元件的占用面積；(4)固態(tài)開關(guān)裝置的輸入端用以驅(qū)動加熱電阻，可任意設(shè)計為高或低的輸入電壓，不似光電耦合開關(guān)必須為固定的低電壓來驅(qū)動發(fā)光二極管；(5)該固態(tài)開關(guān)裝置的封裝，亦可利用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)“并排封裝”(dual-in-line,DIP IC)結(jié)構(gòu)，因此較光耦合開關(guān)的立體封裝技術(shù)更為簡單且成本更低。


圖1為光電耦合作用的“光伏電源固態(tài)開關(guān)”的示意電路。
圖2為光伏電源MOS開關(guān)的斷泄電路的一實施例。
圖3A為光伏電源開關(guān)的立體封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3B為傳統(tǒng)IC的DIP平面封裝結(jié)構(gòu)。
圖4為以絕緣單晶硅SOI晶片制作的光伏電源開關(guān)。
圖5A～圖5D表示本發(fā)明的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)的示意圖；其中圖5A為俯視圖；圖5B為側(cè)視圖；圖5C為立體圖；圖5D為利用本發(fā)明以驅(qū)動MOS晶體管Q的功能示意圖。
圖6表示懸浮式熱墊裝置；圖7表示非懸浮式熱墊裝置；圖8A及8B為具有懸浮式熱墊的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)的封裝示意圖，其中圖8A為金屬罐(TO metal-can)封裝方式；圖8 B為并排(DIP)封裝方式；圖9為具有非懸浮式熱墊的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)的封裝示意圖。
結(jié)合較佳實施例及附圖詳細(xì)描述本發(fā)明如下如圖5A～圖5D所表示，其為本發(fā)明的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)的示意圖。參考圖5A，其中所示的r元件為一薄膜加熱電阻，其兩端ii’為本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)的輸入端。當(dāng)通以電流至此輸入端即可產(chǎn)生焦耳電熱，并使其周圍附近產(chǎn)生局部的溫升。此電熱元件座落于一個T區(qū)內(nèi)。該區(qū)是在硅基片S(圖5B)上制作的一局部性熱墊板M，用以增加該區(qū)的熱絕緣性能，而達(dá)到上述優(yōu)良的溫升效果。在圖5中，熱墊是利用塊體微加工技術(shù)(bulk micromachining)的背面異方性蝕刻(back-side anisotropic etching)，達(dá)到懸浮薄板M(圖5B)結(jié)構(gòu)，其細(xì)節(jié)將于后文再述。當(dāng)熱墊上的電熱功率P向較冷的基片區(qū)S(圖5B)流散時，因有一相當(dāng)?shù)臒嶙?thermal resistance)居間，使熱墊與基片間有效率地產(chǎn)生一溫差。此外，圖5A中，有由a及b兩材料構(gòu)成的數(shù)個薄膜熱電偶(thermo-couple)所串聯(lián)形成的熱電堆(thermopile)。此熱電堆的熱接點(hot junctions)h比鄰于上述熱電阻r，且設(shè)置在熱墊區(qū)T上，故其溫度與加熱電阻的溫度相近；而此熱電堆的冷接點(cold junction)c則設(shè)置在未懸浮基材部s，且遠(yuǎn)離熱墊區(qū)。由于冷接點緊貼于硅基片上，散熱十分快，故其溫度與基片的溫度，即室溫，基本上一致。由此結(jié)構(gòu)可了解，在ii’端輸入電功率后，基片上的熱分布即不均勻，在冷熱兩接點之間可具有一預(yù)設(shè)的溫差。此溫差因而可在熱電堆的輸出端oo’產(chǎn)生一串聯(lián)累積的熱電動勢。如圖5D所示，此電動勢跨接于功率MOS晶體管Q的柵極與漏極(接地)間，可用以推動晶體管成導(dǎo)通狀態(tài)，其功能與上述固態(tài)光電開關(guān)的光伏電源相似。但必須強(qiáng)調(diào)，就產(chǎn)生此電位差的物理基礎(chǔ)與工程技術(shù)而言，兩者完全不同。一種是利用光作為耦合媒介，另一種則是利用熱作為媒介。當(dāng)輸入的電功率去除時，熱墊上的溫升即開始降低，回復(fù)與冷接點及室溫一致。此時熱電動勢亦同步消失，致使常態(tài)斷路的MOS晶體管回復(fù)“切斷”狀態(tài)。此為本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置所依據(jù)的基本原理，換言之，根據(jù)焦耳熱(Joule＇s heating)-熱電(thermoeectricity)兩效應(yīng)達(dá)成的熱耦合方式可產(chǎn)生推動MOS晶體管啟閉所需的致動能量，作為固態(tài)電子功率開關(guān)的功能，它具有如下優(yōu)點；(1)由于加熱電阻r與熱電偶堆兩元件間是由二氧化硅或氮化硅等優(yōu)良的電氣絕緣材料隔離，故其間并無電氣的直接耦合或連接。僅依賴熱量為耦合的媒介，故本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置具有非常高的轉(zhuǎn)阻值，如目前光伏開關(guān)所具有的優(yōu)點；(2)由于熱電堆是電阻性材料所制作的薄膜元件，雖然其串聯(lián)后的薄膜電阻在實際制作時可能達(dá)到約100KΩ，但與光二極管逆向阻抗一般達(dá)1012Ω以上相較仍然十分微小。若一般大型功率MOS的柵極電容CG保守地以電容量約150pf計，則所形成的RC電路充放電的時間常數(shù)仍在數(shù)十微秒范圍。因此，本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置的柵極電荷的泄電速度仍然非?？焖佟?br> 由此可了解本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置無需具備前述光伏電源開關(guān)的泄流電路與相關(guān)的消耗功率；制程亦較簡單，可完全利用半導(dǎo)體技術(shù)實施，且面積亦可減少，功能及成本皆較光電開關(guān)有改進(jìn)。
實際上，控制本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置的啟閉速度，乃在于該開關(guān)裝置的升溫與降溫的熱時間常數(shù)。此熱時間常數(shù)受該開關(guān)裝置上，熱墊的熱容值H與熱墊上熱流往基片或周圍的熱阻Z，兩者的乘積H*Z所決定。應(yīng)用集成電路IC技術(shù)制作時，熱墊的尺寸可十分微小，均在數(shù)毫米范圍，其熱容十分小。在適當(dāng)?shù)臒嶙柙O(shè)計下，由經(jīng)驗可知，此熱時間常數(shù)可在0.1至1毫秒之間或更小。故本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置具有較傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)的啟閉速度(約1.25毫秒)更為快速，與光伏電源開關(guān)的速度相比亦不相上下，故具實用價值。
如前所述，由于MOS晶體管的輸入電阻十分大，因此驅(qū)動其導(dǎo)通所需的功率與電流皆非常小，其柵極電壓幾乎等于熱電堆感應(yīng)的熱電動勢。有關(guān)熱電偶堆所需產(chǎn)生的電動勢，用以推動功率MOS晶體管，可由如下公式計算emf=αab*N*△T=m*Vth(1)其中，emf為熱電堆產(chǎn)生的電動勢；αab為a與b兩熱電偶材料所構(gòu)成的Seebeck系數(shù)或稱熱電(thermoelectricpower)差值；N為熱電堆的熱電偶對數(shù)；△T為冷熱接點的溫差；Vth為MOS晶體管的啟動電壓；m為一安全系數(shù)，其值至少應(yīng)較1略大；又依付利葉熱流定律(F oruier＇s law)，相對于基片溫度或環(huán)境溫度的溫升為△T=P·RT=i2·r·RT=i·V·RT(2)其中r為電熱元件的電阻值；P、i及V分別為輸入的電熱功率、電流及電壓；RT則為該電阻至基片間的熱阻(℃/W)。由前(1)、(2)二式可知，所必須具備的熱電偶對數(shù)為N=m·Vth/αab.△T=m·Vth/αab·i2·r·RT=m·Vth/αab·i·y·RT(3)一實施例如下假設(shè)本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置的各參數(shù)如下
RT=103℃/W；i=5mA；V=10伏；αab=200μV/℃(如Bi-Sb金屬性熱電偶)；Vth=3伏；m=1.5；則本例所需的熱電偶對數(shù)為N=1.5×3/200×10-6×5×10-3×10×103=450故知需要制作450對串聯(lián)熱電偶的熱電堆。若每對為線長300μm(微米)、線距(spacing)線寬(line width)為10μm，則每對電偶周距(pitch)為40μm，故共需元件的活性面積(active are)約為0.3×0.04×450mm2=5.4mm2(1mm=1000μm)。
若加上加熱電阻所必須占據(jù)的線墊(bonding pad)及邊緣面積(以400μm寬及1000μm長計)，約0.4mm2，則本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置，不含MOS功率晶體在內(nèi)時不超過6mm2。此面積較前述光伏電源開關(guān)尺寸小了甚多，且可利用一般硅元件的標(biāo)準(zhǔn)制程實施單晶片結(jié)構(gòu)，成本較前述光伏開關(guān)的SOI制程及材料均低廉。
此例中，元件的溫升△T=P·RT=5×10-3×10×103=50 (℃)此溫升加基片溫度(室溫)即為熱墊上的溫度，其值應(yīng)在100℃以下，不會破壞元件及封裝材料的熱安定性。
若以多晶硅半導(dǎo)體來制作p與n接合(p-n junction)的熱電偶，則其塞貝克Seebeck(溫差電動墊)系數(shù)αab可高達(dá)1～2 mV/℃上下，為Bi-Sb電偶材的5倍。若其它條件與上例相同，則本熱電堆的對數(shù)N可降至90對以下，這將使制作的元件更加縮小至2mm2以下。或者，若仍保持同于上例的450對，則元件熱墊的溫升僅需10℃上下即足，輸入端的電流將亦可降至1mA的程度。此點較光伏電源開關(guān)利用發(fā)光二極管工作時，正常所需要的20mA小了許多。
有關(guān)本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置的制作，其中加熱薄膜電阻可以利用任何耐熱性金屬，如鈦、鎢等；或具有較低電阻的鋁材；或利用較高電阻的多晶硅材料。這些材料皆為目前半導(dǎo)體微電子元件制作上所習(xí)用，故可完全與標(biāo)準(zhǔn)的IC制程匹配。另外有關(guān)熱電堆的制作，除可利用傳統(tǒng)“熱電偶堆感測元件”所用的“半金屬”材料，如前提及的Bi、Te、Sb等外，亦可利用多硅制作p與n接合的半導(dǎo)體式為熱電偶。多晶硅的電偶材料除有前述靈敏度達(dá)1～2mV/℃上下的熱電功率外，更可與標(biāo)準(zhǔn)IC制程完全匹配。這些制作技術(shù)為目前習(xí)知的技術(shù)，如S.Middelhoek及S．A.Audet氏所著的書“Silicon Sensors”中即有詳細(xì)說明，傳統(tǒng)上用來制作熱輻射微感測元件，故本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置無制作上的困難。
綜而言之，由以上說明可知，本發(fā)明的“熱伏式固態(tài)開關(guān)”不僅具有“光伏式固態(tài)開關(guān)”高轉(zhuǎn)阻功能，而且制作面積亦較小，制程較簡單，更因驅(qū)動與反應(yīng)元件皆在同一硅晶片平面上形成，故元件封裝可簡化為以低成本的標(biāo)準(zhǔn)平面式封裝結(jié)構(gòu)實施，如圖3B所示。
如上述為了增加熱電偶堆的靈敏性，在基片上的局部區(qū)域必須具有足夠良好的熱墊，以便安置熱電堆的熱接點及加熱電阻。本發(fā)明的開關(guān)裝置的熱墊主要可藉由以下兩種結(jié)構(gòu)來實施第一種為懸浮薄板的結(jié)構(gòu)；另一種為非懸浮式結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)是在硅基片上形成局部懸浮的硅薄板或玻璃板，加熱電阻及熱接點可制作于此薄板上。這種結(jié)構(gòu)具有十分優(yōu)良的熱阻特性，對前述實施例所述的面積5.4mm2而言，熱阻抗在一大氣壓下可達(dá)104℃/W上下，若施以真空封裝抑除氣體的導(dǎo)熱，則其值更可達(dá)105℃/W上下；第二種結(jié)構(gòu)是在硅基片上制作隔熱性良好的氧化物墊層，此墊層與基片相緊貼，故熱阻較前類懸浮性結(jié)構(gòu)低，但至少約100℃/W，此時元件的密度必須提高，但制作及封裝卻較懸浮式簡易。
懸浮薄板結(jié)構(gòu)的制作方法有許多種，其中之一如圖6所示。它是利用背面異方蝕刻(back-side anisotropic etching)的技術(shù)去除浮板下方部份的硅材而形成。被留下的可為高濃度滲硼(＞5×1019)的硅板其上具有二氧化硅絕緣層；或無應(yīng)力的氮化硅板，如申請人曾發(fā)表的論文(A method offabricating a thin,and low-stress dielectric film for microsensorsapplications,Proceeding of Eurosensors X,pp.287～290,Sep.8～11,1996,Belgium)及專利(臺灣專利申請?zhí)柎a85109746)。另外，尚有許多形成懸浮薄板的微加工技術(shù)，均可使本發(fā)明所需的熱墊實用化，此等技術(shù)為本領(lǐng)域人士所習(xí)知，在此不加詳述。
有關(guān)非懸浮式熱墊結(jié)構(gòu)可參考圖7所示的一示意例其是以習(xí)知的電蝕方式在硅基片上形成局部厚層約數(shù)十微米的多孔硅(porous silicon)層(圖7中的P區(qū))，它具有與二氧化硅相當(dāng)?shù)牡蜔醾鲗?dǎo)率及高氧化速率的特性，此多孔硅的形成為目前習(xí)知的半導(dǎo)體微加工技術(shù)，是將濃度高于1016/cm3的P型硅半導(dǎo)體單晶片于氟酸溶液中作電蝕(electro-etching)，形成如蚯蚓穴狀的多孔硅結(jié)構(gòu)于表層。在多孔硅層形成后，可另在其上做局部性快速氧化，產(chǎn)生約數(shù)微米的玻璃層，以便形成熱性與電性皆隔離于其下多孔硅基片的局部熱墊，此局部性多孔硅即是圖5A中的T區(qū)，用以提供與電熱阻及熱電堆元件的設(shè)置。
非懸浮式的熱墊亦可以耐高溫的聚酰亞胺(polyimide)材料涂布數(shù)微米于熱墊上，而在其上制作加熱電阻及熱接點。聚酰亞胺的導(dǎo)熱為純二氧化硅的1/5，或為硅元件的1/600，故熱隔離效果十分優(yōu)良，制作亦更簡易。但其后的制程溫度必須以低于約400℃以下的低溫化學(xué)氣相沉積術(shù)(LTCVD)實施，此點以目前的技術(shù)亦可達(dá)到，亦為習(xí)知技術(shù)。
如圖8A及圖8B所示為懸浮式熱墊結(jié)構(gòu)的兩種元件封裝方法圖8A所示是利用標(biāo)準(zhǔn)的TO金屬罐(to-metal can)的封裝技術(shù)。為了降低氣體的熱損，此結(jié)構(gòu)亦可以真空封裝(＜10-2Torr)的形式達(dá)到更高的熱效率。(此點可參考申請人著作之一High performance Pirani vacuum gauge，發(fā)表于Journal of Vacuum Science＆Technology A,vol.13,No.6,Dec.1995)；圖8B所示者則是利用成本低廉的標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝技術(shù)，但是為降低元件上方與封裝材料接觸導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)，元件本身可利用晶圓貼著(wafer bonding)技術(shù)，事先制作密封腔的結(jié)構(gòu)，如圖8B及C，使懸浮薄板可與封膠離而不接觸。本法雖然較為復(fù)雜，但卻具有另一優(yōu)點晶圓黏著技術(shù)可達(dá)到真空封腔的構(gòu)造，而做到無氣體熱損的高熱阻特性。此外，如圖9所示，其為非懸浮式熱墊結(jié)構(gòu)的一種封裝方法其中與傳統(tǒng)DIP封裝方法不同處，是于晶粒黏著與焊線的步驟之后、與樹脂射出成型步驟之前，在晶粒上加以覆蓋隔熱極為良好的硅橡膠(silicone rubber)的厚層，以抑制熱墊上的熱散失。用于電子方面的硅橡膠，其導(dǎo)熱系數(shù)非常小，約為硅晶片導(dǎo)熱系數(shù)的1/2400，亦約為IC封裝成型的樹脂1/10，此低傳熱性可防止熱堆運(yùn)作時熱接點的熱散失，使冷熱接點間有足夠的溫差。以上所述的種種方法均為標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝設(shè)備足以完成，易于自動化大批量生產(chǎn)而達(dá)低成本，較圖3A所示的光伏電源的固態(tài)開關(guān)所涉及的封裝結(jié)構(gòu)簡易許多，此亦為本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置的另一優(yōu)點。
總之，本發(fā)明所述的單晶片式熱伏電源固態(tài)元件，用以驅(qū)動MOS開關(guān)裝置，不僅具有類似傳統(tǒng)機(jī)械式以及光伏電源開關(guān)裝置的高轉(zhuǎn)阻抗特性，而且其中元件相關(guān)的制造步驟皆可利用標(biāo)準(zhǔn)的微電子制程，適合批量生產(chǎn)，所需的元件面積亦較小，又可用標(biāo)準(zhǔn)的DIP或TO金屬罐結(jié)構(gòu)實施晶片封裝，故相較下成本較光伏電源式低甚多；同時，輸入端的控制電功率又可較傳統(tǒng)元件小，并且可設(shè)計適當(dāng)?shù)募訜犭娮柚狄赃m應(yīng)不同狀況的輸入電流或電壓，即直流或交流、高壓或低壓的輸入信號。上述的多重優(yōu)點使本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)裝置具有很強(qiáng)的實用價值。
在發(fā)明的詳細(xì)說明中所提出的具體的實施例僅為了易于說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而并非將本發(fā)明限制于該實施例中，在不超出本發(fā)明的構(gòu)思及以下的權(quán)利范圍下，可作種種變化實施。
權(quán)利要求
1.一種熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，包括一單晶硅基片；其特征在于一MOS場效應(yīng)晶體管，其柵極接受信號而控制輸出端的負(fù)載；一熱墊，以微加工技術(shù)制作于硅基片的局部區(qū)域；一薄膜加熱電阻，制作于該熱墊片上，作為開關(guān)的輸入端；一熱電堆，利用p-n接合結(jié)的半導(dǎo)體薄膜熱電偶串聯(lián)所形成，該等熱電偶的熱接點位于熱墊上且鄰近于薄膜加熱電阻處，并具有足夠的電氣絕緣強(qiáng)度的間距，其冷接點則遠(yuǎn)離熱墊的基片區(qū)而恒等溫于基片，該熱電堆的輸出端作為MOS晶體管開關(guān)元件的輸入端；由輸入端施以偏壓，使加熱電阻產(chǎn)生焦耳熱時，熱電堆的冷熱接點間由不均勻的熱分布產(chǎn)生適當(dāng)溫差，并在熱電堆的兩端感應(yīng)一熱電動勢，此電動勢足以使其銜接的MOS場效應(yīng)晶體管觸發(fā)而成為導(dǎo)通狀態(tài)；輸入端不再施以偏壓時，熱電堆的冷熱接點回復(fù)相同溫度，使熱電堆的感應(yīng)電動勢消失，MOS場效應(yīng)晶體管開關(guān)回復(fù)斷路狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述加熱電阻與熱電堆為單晶片式元件，加熱電阻與熱電堆間具有完全電性隔離及極高的轉(zhuǎn)阻抗特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱電堆的熱電偶是以具有十分優(yōu)良的溫差電動墊效應(yīng)的多晶硅或非晶硅半導(dǎo)體材料形成的p-n結(jié)，并利用微電子制程在該硅基片上形成至少二對串聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱電堆的熱電偶材料是鉍及銻，并利用微電子制程在所述硅基片上形成至少二對串聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱墊懸浮于所述硅基片上、呈熱隔離狀的硅或氮化硅薄板，并在薄板上制作所述加熱電阻與所述熱電堆的熱接點，在未懸浮的硅晶片區(qū)制作冷接點。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱墊是在所述硅晶片上部區(qū)域制作數(shù)十微米厚層的多孔硅，然后施以位置一致的局部性氧化步驟，在多孔硅表面形成二氧化硅層，使其上的加熱電阻及熱電堆與多孔硅間具有電與熱皆隔離特性的非懸浮性熱墊疊層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述封裝方式以TO金屬罐予以粘晶粒及焊線技術(shù)完成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述封裝是在標(biāo)準(zhǔn)的IC引線框上實施標(biāo)準(zhǔn)焊晶及焊線工作，在所述開關(guān)上覆蓋熱隔離性的硅膠厚層，再以標(biāo)準(zhǔn)并排樹脂作成IC模組。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述TO金屬罐封裝的內(nèi)腔在封配時予以抽氣而達(dá)氣壓約10-3torr的真空狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱墊、薄膜加熱電阻與熱電堆與所述被驅(qū)動的MOS場效應(yīng)晶體管合并在同一硅晶片上而成單晶片。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述熱墊、薄膜加熱電阻與熱電堆元件與所述驅(qū)動的MOS場效應(yīng)晶體管元件分立，而以雙晶粒的模組形式合并封裝。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，利用晶片粘合的方式形成微腔，以標(biāo)準(zhǔn)的并排樹脂封裝方式完成整體元件模組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，以真空晶片粘合技術(shù)完成微真空腔。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述輸入端加熱電阻的驅(qū)動電源為直流電源。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱伏電源式固態(tài)開關(guān)，其特征在于，所述輸入端加熱電阻的驅(qū)動電源為交流電源。
全文摘要
一種熱伏電源式固態(tài)開關(guān),包括:一單晶硅基片,一MOS場效應(yīng)晶體管,其柵極接受信號而控制輸出端的負(fù)載;一熱墊,以微加工技術(shù)制作于硅基片的局部區(qū)域;一薄膜加熱電阻,制作于該熱墊片上,作為開關(guān)的輸入端;一熱電堆,利用p－n接合結(jié)的半導(dǎo)體薄膜熱電偶串聯(lián)所形成,熱電堆的輸出端作為MOS晶體管開關(guān)元件的輸入端;由輸入端施以偏壓,MOS場效應(yīng)晶體管為導(dǎo)通狀態(tài);輸入端不再施以偏壓時,MOS場效應(yīng)晶體管開關(guān)回復(fù)斷路狀態(tài)。
文檔編號H01H37/00GK1222747SQ9712188
公開日1999年7月14日 申請日期1997年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月16日
發(fā)明者謝正雄 申請人:謝正雄