用于制造电子发射体阵列芯片的硅管芯叠置体的系统和方法

技术领域

本文的公开内容涉及用于制造电子发射体芯片的硅管芯叠置体的系统和方法。具体地，本公开内容涉及用于将硅基板管芯结合至芯片以使其适合在真空管内使用的方法。

背景技术

硅芯片通常通过将芯片的硅焊接到基板的陶瓷基底上来安装到基板管芯上。芯片承载件通常用于封装集成电路或芯片。芯片承载件通常具有围绕包围用于容纳集成电路芯片的空腔的周边的电连接。芯片承载件的各种示例包括陶瓷无引线芯片承载件(CLCC)、凸块芯片承载件、塑料引线芯片承载件(PLCC)、引线芯片承载件(LCC)等以及层叠封装(PoP)承载件。

芯片通常使用需要大量清洁的焊接技术附接到基板、芯片承载件或封装上。即使是常用的所谓免清洗焊膏也无法避免清洁的需要，并且会在芯片上留下少量残留物。此外，与焊膏相关的其他问题包括表面之间截留的气泡以及固化过程中的蒸汽，这可能导致蒸汽路径穿过焊料，该焊料可能与板分离，从而导致整个组件的环境渗透。

此外，通常用于焊料的锡基焊膏等已被证明不适合在真空管内使用，这些真空管可能需要随后的高温处理以进行干燥和抽真空。此类焊膏通常会在400-500摄氏度的温度下液化，在管子抽真空期间通常会达到该温度。因此，焊料往往会释气到环境中，从而损害所需的真空，并且焊料的液化可能允许芯片从初始位置移动。因此，仍然需要更好和更有效的技术来附接芯片管芯层。本文描述的发明解决了上述需求。

发明内容

本发明的方面是教导一种用于制造场发射体阵列的方法。该方法包括获得具有结合表面的硅基板管芯；获得具有电路和线结合表面的芯片承载件；以及获得金属粉末。

根据该方法，可以将金属粉末施加到管芯的结合表面上，用芯片承载件覆盖并在两个加热板之间进行压缩。管芯的结合垫可以导电地耦接到芯片承载件的对应结合垫。

在适当的情况下，可以通过以下方式来制备结合的芯片和芯片承载件装置：获得具有覆金(gold coated，涂覆有金的)硅基底的集成电路芯片；获得具有覆金上侧部的芯片承载件；将第一层金属粉末施加到芯片承载件的覆金上侧部；将集成电路芯片覆盖在第一层金属粉末上；以及将集成电路芯片和承载件压缩在两个加热板之间。

因此，通过以下方式可以将该结合的芯片和芯片承载件连结并导电连接到硅基板管芯：将第二层金属粉末施加到管芯的结合表面；用芯片承载件覆盖第二层金属粉末；将管芯以及结合的芯片和芯片承载件压缩在两个加热板之间；以及将管芯的结合垫导电地耦接至芯片承载件的对应结合垫。

可选地，芯片承载件包括陶瓷无引线芯片承载件(CLCC)。

根据各个实施方式，金属粉末可以包括尺寸为100纳米的颗粒。在适当的情况下，金属粉末包括银颗粒。

为了通过烧结结合元件，加热板可以被配置为将金属粉末加热到低于其熔点但高于其结合温度的温度。例如，可以使加热板达到830摄氏度的温度并且可以施加10

可选地，将管芯的结合垫导电地耦接至芯片承载件的对应结合垫的步骤包括使用线结合。

可以通过根据需要以所需厚度或所需体积的金属粉末分配金属粉末、例如通过从注射器分配金属粉末来施加金属粉末。

附图说明

图1A示意性地表示穿过包括本公开的金属结合电子发射体阵列芯片的x射线真空管的示例的横截面；

图1B示意性地表示本公开的金属结合电子发射体阵列芯片；

图2A示意性地表示穿过集成电路芯片诸如发射体阵列芯片的示例的横截面；

图2B示意性地表示用于封装芯片诸如发射体阵列芯片的芯片承载件的示例的横截面；

图2C示意性地表示用于实施方式的芯片承载件的硅基板管芯；图2D示意性地表示根据本公开的实施方式的芯片、芯片承载件和基板管芯的结合和电连接布置；

图3A是示出了用于制造场发射体阵列的方法的选定步骤的流程图；

图3B是示出了用于通过烧结金属粉末将管芯结合至芯片的方法的选定步骤的流程图；

图4A示意性地示出了如何可以将金属粉末施加在芯片和硅管芯基板之间；

图4B示意性地示出了如何可以在加热板之间压缩芯片和硅管芯基板，以促进金属粉末的烧结反应，从而将芯片结合到硅管芯基板上；

图4C示意性地示出了金属粉末烧结后的结合的芯片和硅管芯基板；

图5A示意性地示出了如何可以将金属粉末施加在芯片和芯片承载件之间；

图5B示意性地示出了如何可以在加热板之间压缩芯片承载件和硅管芯基板，以便于金属粉末的烧结，从而将芯片结合到芯片承载件上；

图5C示意性地示出了金属粉末烧结后的结合的芯片和芯片承载件；

图6A示意性地示出了如何可以将金属粉末施加在芯片承载件和硅管芯基板之间；

图6B示意性地示出了如何可以在加热板之间压缩芯片承载件和硅管芯基板，以便于金属粉末的烧结，从而将芯片承载件结合到硅管芯；

图6C示意性地示出了金属粉末烧结之后的结合的芯片承载件和硅管芯基板；

图7A示意性地示出了如何可以将金属粉末施加在芯片和芯片承载件之间以及芯片承载件和硅管芯基板之间；图7B示意性地示出了如何将芯片、芯片承载件和硅管芯基板全部压缩在加热板之间以便于金属粉末的烧结，从而将芯片结合到芯片承载件以及将芯片承载件结合到硅管芯；

图7C示意性地示出了金属粉末烧结之后的结合的芯片、芯片承载件和硅管芯基板；

具体实施方式

本公开的各方面涉及用于制造电子发射体芯片的硅管芯叠置体的系统和方法。具体地，本公开涉及用于应用烧结以将硅基板管芯结合到其他管芯层诸如芯片或芯片承载件的方法。

用于x射线真空管的场发射体阵列(FEA)可以被制造在硅基板的顶表面上。可选地，然后可以使用下述方法将FEA管芯附接至配备有电路和线结合表面的芯片承载件。

可以通过在管芯基板和芯片的结合表面之间施加非常细的金属诸如银的粉末或薄片来制备结合层。通常，粉末或薄片形式的金属颗粒的平均尺寸小于100nm。

管芯和芯片可以放置在两个加热板之间并且可以压缩两个板以实现结合表面和金属颗粒之间的粘附。

组件可以通过结合垫例如管芯的结合垫与芯片或芯片承载件上的垫之间的引线结合来电连接。

精度和可重复性可能非常重要，特别是对于x射线发射体的阳极靶上的焦斑的定位：因此，芯片和芯片承载件可以在处理过程中保持就位，以便管芯的位置以期望的精度保持在规定的地方。这使得x射线管的焦斑的位置一致且可重复。值得注意的是，烧结允许在较低温度下附接各层：金属结合剂的细粉末在甚至比金属熔点更低的温度下形成牢固的结合。例如，尽管银的熔点为961.8摄氏度，但银粉在300摄氏度下就会形成结合。已经发现，在低于熔化温度的后续热循环中，结合强度变得甚至更强。

本文描述的系统和方法可以容易地自动化。举例来说，金属粉末可以用注射器或以规定的量和厚度分配粉末的其他机器人装置来分配。

还需要注意的是，芯片的金属结合形成高导热结合以及导电结合。这是场发射阵列产生的热量耗散的重要因素，该场发射阵列可以通过防止过热导致的退化来延长x射线发射装置的寿命。

根据需要，此处公开了本发明的具体实施方式；然而，应当理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式和替代形式来实施。附图不一定按比例绘制；某些特征可能会被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为教导本领域技术人员以不同方式应用本发明的代表性基础。

在适当的情况下，在本公开的各种实施方式中，本文描述的一个或多个任务可以由数据处理器执行，例如用于执行多个指令的计算平台或分布式计算系统。可选地，数据处理器包括或访问用于存储指令、数据等的易失性存储器。另外或替代地，数据处理器可以访问非易失性存储装置，例如磁硬盘、闪存驱动器、可移动介质等，用于存储指令和/或数据。

特别注意的是，本文公开的系统和方法在其应用中可以不限于在描述中阐述或在附图和示例中示出的部件或方法的构造和布置的细节。本公开的系统和方法可以具有其他实施方式，或者能够以各种方式和技术来实践和执行。

与本文描述的那些类似或等同的替代方法和材料可以用于本公开的实施方式的实践或测试。然而，本文描述的特定方法和材料仅用于说明性目的。材料、方法和实施方式不一定是限制性的。因此，各种实施方式可以适当地省略、替代或添加各种程序或部件。例如，可以按照与所描述的不同的顺序来执行这些方法，并且可以添加、省略或组合各种步骤。另外，关于某些实施方式描述的方面和部件可以在各种其他实施方式中组合。

现在参考图1A，其示意性地表示穿过x射线真空管10的示例的横截面。x射线真空管10包括冷阴极电子源100、栅电极20和靶阳极40，这些全部保存在空气已被抽空的密封的玻璃室内。

电子束可以由冷阴极电子源100产生并且被引导向阳极靶40上的焦点，使得可以产生x射线。

冷阴极电子源100可以是：场阵列发射芯片，诸如具有排列成阵列的锥体102(“发射体尖端”)的门控锥体电子源，每个发射体尖端被栅电极104中的开口(“栅孔”)围绕；Spindt型电子源；碳纳米管(CNT)型电子源；金属-绝缘体-金属(MIM)型电子源；或金属-绝缘体-半导体(MIS)型电子源。在特定实施方式中，电子源可以是Spindt型电子源。图1B示意性地表示了这样的电子发射体阵列芯片，发射体芯片可以使用金属结合106连结到基板。

参考图2A，其示意性地示出了集成电路芯片210诸如发射体阵列芯片、的示例的横截面，该芯片组件可以包括硅基底214，在该硅基底上安装有锥体电极217的阵列。以及具有从中穿过的孔215以便容纳发射锥体217的铬栅极层216。可以通过镍中间层219促进金电连接垫218到栅极层的铬的粘附。金涂层212可以施加到硅基底214的下侧。

如图2C所示，基板管芯230可以包括具有馈通电连接器234A、234B的陶瓷层232。

本公开的具体特征是使用烧结银粉将芯片210附接到基板230以形成结合层。还应当注意的是，银可能不能很好地粘附到陶瓷222、232和硅212。因此，可以沿着基板的上表面231涂覆薄金层238。类似地，芯片212的硅下侧可以涂覆有薄金层238。金层可以有助于各层的粘附以及芯片和基板的热耦接和电耦接。

现在参考图2B，其示意性地表示用于封装诸如发射体阵列芯片210的芯片的芯片承载件220的示例的横截面。承载件芯片220包括被配置为承载芯片210在其中的陶瓷基底222。通常由钨等制成的导电通孔224提供从承载件的通常连结到芯片210的上侧221和通常连结到基板230的下侧223的导电通路。承载件芯片220的上表面221和下表面223可以涂覆有薄层金226、228以促进银粘附至陶瓷222和硅212。

现在参考图2D，其示意性地表示芯片210、芯片承载件220和基板管芯230的结合且电连接的布置240的另一实施方式的横截面。应当理解，该布置可用于自动化系统中，在该系统中，可以在将承载件220结合到基板230之前将芯片210结合到承载件220，从而提高可重复性。导电耦接器242、244可以用于电连接各种元件，例如使用连接垫218。

现在参考图3A的流程图，其是呈现用于例如在真空管中使用的场发射体阵列的制造方法的选定步骤的流程图。该方法可以包括：获得具有结合表面310的硅基板管芯；获得具有电路和线结合表面320的芯片；获得金属粉末，例如银粉330；将金属粉末施加到管芯340的结合表面上；用芯片350覆盖金属粉末；通过烧结金属粉末360将管芯结合到芯片；以及将管芯导电地耦接到芯片(例如使用线结合)370。

图3B的流程图示出了通过烧结金属粉末将管芯结合到芯片承载件的方法的选定步骤。可以准备362加热的压缩板，可以将基板和芯片放置在加热的压缩板364之间，并且可以向基板和芯片施加压力366，使得金属粉末经历将各层结合在一起的烧结。

在各种示例中，金属粉末可以由包括尺寸为100纳米左右的颗粒的银粉或银浆组成。应注意的是，加热的压缩板可以被加热至低于金属粉末的熔点但高于其结合温度的温度。因此，例如，银粉可以被加热到高于300摄氏度但低于900摄氏度的温度，例如830摄氏度左右。

所施加的压力可根据需要选择，已经发现施加10

一旦结合，每层的电连接器和结合垫可以通过通常使用金线的线结合来导电耦接。

现在参考图4A至图4C，可以通过在芯片410和硅管芯基板430之间施加金属粉末450来形成结合的叠置体440，并且可以在加热板之间压缩芯片410和硅管芯基板430，以便于金属粉末450的烧结，从而将芯片410结合到硅管芯基板430。

可以例如使用注射器来施加金属粉末450，以确保以所需的厚度均匀分布。特别值得注意的是，自动注射器能够通过分配适合于该目的的已知体积来提供适当的金属粉末团。

现在参考图5A至图5C，应当注意，替代地，可以通过以下方式形成结合的承载件540：施加芯片510，可以首先通过施加金属粉末550将芯片510结合到芯片承载件520，可以将金属粉末550施加在芯片510和芯片承载件520诸如陶瓷无引线芯片承载件(CLCC)之间，以及将芯片承载件520和硅管芯基板压缩在加热板562、564之间，以便于促进金属粉末550的烧结，从而将芯片510结合到芯片承载件520。结合的芯片和芯片承载件540在金属粉末550烧结之后结合。

图6A至图6C示出了如何可以通过在芯片承载件620和硅管芯基板630之间引入金属粉末650来将芯片610和芯片承载件620的结合布置615结合到硅管芯基板630以形成堆叠布置640，然后，芯片承载件620和硅管芯基板630被压缩在加热板662、664之间，以便促进金属粉末650的烧结反应，从而将芯片承载件620结合到硅管芯630。

图7A至图7C中示出了又一方法，其中芯片710和芯片承载件720之间以及芯片承载件720和硅管芯基板730之间的烧结结合可以在加热板762、764之间的一次压缩中实现，从而促进金属粉末752、754的烧结反应。

本文中使用的技术和科学术语应具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。然而，预计在本申请的专利有效期内，将开发出许多相关系统和方法。因此，诸如计算单元、网络、显示器、存储器、服务器等术语的范围旨在包括所有此类先验新技术。

如本文所用，术语“约”是指至少±10％。

术语“包括(comprises)”、“comprising”、“包含(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”以及它们的同源词意思是“包括但不限于”并且表明包括所列出的部件，但通常不排除其他部件。此类术语涵盖术语“由......组成”和“基本上由......组成”。

短语“基本上由......组成”是指组合物或方法可以包括附加成分和/或步骤，但前提是附加成分和/或步骤不会实质性改变所要求保护的组合物或方法的基本和新颖特征。

如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”可以包括复数引用，除非上下文另有明确说明。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括其混合物。本文使用的词语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式优选或有利，或者排除来自其他实施方式的特征的结合。

本文使用的词语“可选地”意指“在一些实施方式中提供而在其他实施方式中不提供”。本公开的任何特定实施方式可以包括多个“可选”特征，除非这些特征冲突。

每当本文指出数值范围时，其意在包括所指出的范围内的任何引用的数字(分数或整数)。短语“在第一指示数和第二指示数之间的范围”和“从第一指示数到第二指示数的范围”在本文中可互换使用，并且旨在包括第一指示数和第二指示数以及其间的所有小数和整数。因此，应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，而不应当被解释为对本公开的范围的僵化限制。因此，范围的描述应当被认为已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，诸如1至6的范围的描述应当被认为已经具体公开了子范围，诸如1至3、1至4、1至5、7至4、7至6、从3到6等，以及该范围内的单个数字，例如1、7、3、4、5和6以及非整数中间值。无论范围有多大，这都适用。

应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方式的上下文中描述的本公开的某些特征也可以在单个实施方式中组合地提供。相反，为了简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或在本公开的任何其他描述的实施方式中适当地提供。在各个实施方式的上下文中描述的某些特征不被认为是这些实施方式的基本特征，除非该实施方式在没有这些元件的情况下无法操作。

虽然已经结合本公开的具体实施方式描述了本公开，但是显然许多替代、修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代、修改和变化。

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体且单独地指出通过引用并入本文一样。另外，本申请中任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认此类参考文献可作为本公开的现有技术。就所使用的章节标题而言，它们不应被解释为必然的限制。

所公开的主题的范围由所附权利要求限定，并且包括本领域技术人员在阅读前述描述后将想到的上述各种特征的组合和子组合及其变化和修改。