CN103094227B - 一种三维芯片及其组合结构和制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维芯片及其组合结构和制造方法，涉及芯片制造技术领域。所述三维芯片包括：基底、内围栏、元件和液态金属；所述元件设置在所述基底与内围栏所构成的封闭的内腔体中且固定在所述基底上；所述液态金属填充于所述内腔体中。所述三维芯片及其组合结构和制造方法，通过将元件完全浸润在液态金属中，从而有效降低芯片内部各介质间的热阻，增强芯片的散热性能。同时，在所述元件表面设置了绝缘层，保证绝缘的同时有效防止了元件被液态金属所腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及芯片制造技术领域，特别涉及一种三维芯片及其组合结构和制造方法。
背景技术
微电子芯片的应用遍及生产生活乃至国家安全的各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。芯片发展的趋势是进一步提高集成度、减小芯片尺寸及增大时钟频率。早期的芯片仅含2300个晶体管，而如今在一枚高端Intel芯片上，晶体管的数量就超过10亿。当前的芯片设计已日益精细化，由于采用先进平板印刷技术和其他技术，电路线宽越来越精细。工业界正着力发展三维芯片，以期实现运算速度更快、体积更小、更加便宜的芯片。高集成度对于计算机性能的升级是有利的。然而，由此带来的问题是，芯片耗能和散热问题也凸现出来。过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。
对现今微电子技术的分析表明，芯片频率正逼近其极限。电子器件工作在70-80℃水平时，每增加一度，其可靠性就降低25％。因此，如何将极高的产热量有效的排散掉，并将芯片温度保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题。芯片散热的实质就是将芯片中的热量经由封装外壳、散热器等排放到外界环境中，以避免结点温度过高。绝大多数IC(集成芯片)器件的最高工作频率受到最高结温的限制，为了增强芯片的性能和可靠性，芯片必须维持在最低的结温上，以降低由于热循环而产生的应力集中。为了降低结温同时又使热流最大化，必须减少传热途径中总的热阻。
在各种热阻中，芯片与外界热沉之间界面材料引入的热阻，对控制总热阻是一个关键，也成为迄今为止几乎所有热阻研究关心的目标。以往研究中一直力求通过减小芯片与热沉间的接触热阻，通过外界强化冷却技术来降低芯片温度。然而，一个至关重要却被严重忽视的事实是，在芯片系统中的最大热阻实际上来自于芯片内部的发热元件自身，而非已传至芯片外表面后与散热器热沉之间形成的热阻，这是因为，发热最严重的部位是在元件自身，而非已经过多层结构传至周围介质后的情形，因此，若能将其与芯片内部各介质间的热阻减至最小，将最大限度地降低发热元件乃至芯片的热负荷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种三维芯片及其组合结构和制造方法，以便降低芯片内部各介质间的热阻，从而增强芯片的散热性能。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种三维芯片，其包括：基底、内围栏、元件和液态金属；所述元件设置在所述基底与内围栏所构成的封闭的内腔体中且固定在所述基底上；所述液态金属填充于所述内腔体中。
优选地，所述元件的表面设置有绝缘层。
优选地，所述三维芯片包括至少一个所述元件。
优选地，所述围栏高于所述元件。
优选地，所述液态金属为镓、钠、钾或者水银。
优选地，所述液态金属中混有0～99wt％的镓铟锡合金或者钠钾合金，或者混有直径介于10nm至900nm的导热颗粒或者磁性颗粒。
优选地，所述基底或者围栏的材料为铜、阳极氧化铝、金刚石、不锈钢、石墨、硅、有机玻璃或者聚合物材质。
本发明还提供一种三维芯片的组合结构，所述组合结构包括：外围栏、基底、元件和液态金属；所述外围栏围成封闭的外腔体；所述基底分层设置在所述外腔体中；所述元件设置在所述外腔体中，并且设置在所述基底上；所述液态金属填充于所述外腔体中。
优选地，所述组合结构还包括内围栏；所述内围栏设置在所述外腔体中，并且与所述基底连接构成内腔体，所述元件位于所述内腔体中；所述液态金属填充于所述内腔体中。
本发明还提供一种三维芯片的制造方法，其包括步骤：
A：将元件设置在基底上，并且在所述元件表面设置绝缘层；
B：将内围栏固定在所述基底上，所述元件位于所述基底和内围栏所构成的内腔体中；
C：从所述内围栏的注液孔中注入液态金属，所述内腔体中空气从所述内围栏的排气孔中排出；
D：待液态金属充满所述内腔体后，封闭所述内围栏的注液孔和排气孔。
(三)有益效果
本发明所述三维芯片及其组合结构和制造方法，通过将元件完全浸润在液态金属中，从而有效降低芯片内部各介质间的热阻，增强芯片的散热性能。同时，在所述元件表面设置了绝缘层，保证绝缘的同时有效防止了元件被液态金属所腐蚀。
附图说明
图1是本发明实施例所述的三维芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例所述的三维芯片的第一种组合结构示意图；
图3是本发明实施例所述的三维芯片的第二种组合结构示意图；
图4是本发明实施例所述的三维芯片的制造方法流程图；
图5是本发明实施例所述的三维芯片的制造过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例所述的三维芯片的结构示意图。如图1所示，所述三维芯片包括：基底1、内围栏2、元件3、绝缘层4和液态金属5。所述基底1和内围栏2围成封闭的内腔体；多个所述元件3设置在所述内腔体中，并且设置在所述基底1上；所述元件3的表面设置有所述绝缘层4；所述液态金属5填充所述内腔体中的空隙。
所述基底1和内围栏2的材料为铜、阳极氧化铝、金刚石、不锈钢、石墨、硅、有机玻璃或者聚合物材质，并且在所述基底1和内围栏2的表面镀制有防止所述液态金属5腐蚀的薄膜，如氧化硅层、聚四氟乙烯层、环氧树脂层。
所述元件3为电子元件，其数量可以为1至1亿个，其尺寸可以介于1nm至100mm。
所述绝缘层4的材料为氧化硅层、聚四氟乙烯层或环氧树脂层，保证绝缘的同时有效防止了所述元件3被所述液态金属5所腐蚀。
所述液态金属5为镓、钠、钾或者水银，所述液态金属5中还混有0～99wt％的镓铟锡合金或者钠钾合金，或者混有直径介于10nm至900nm的导热颗粒(如铜、金、银、金刚石)或者磁性颗粒(如四氧化三铁)。
本发明实施例所述三维芯片具有以下优势：1、采用液态金属作为封装填充流体，其导热和流动传热产生的强化传热效果远远高于传统的空隙结构和低导热焊料的传热性能；2、传统芯片内，为减少高低起伏元件的热量聚集，会采用焊接工艺将其分别焊接到四周基底上，以减小热阻，但对于芯片内数量巨大、高低起伏的元件，若分别焊接，其工艺复杂性可想而知，也大大增加了制造成本，本发明实施例将这些所有元件在对其表面作绝缘处理后，统一浸泡在高导热性液态金属中(液态金属层略高出最高元件即可)，既解决了强化传热问题，又免去了数量众多的元件的点对点焊接工艺，形成的芯片更加可靠；3、芯片内各元件通常发热密度不同，由此会形成特定的热点，本发明实施例借助液态金属的高导热性和微对流效应，可将分布不均的热量予以均温化，这就大大减少了个别热点的热负荷，因而增加了芯片的工作性能，同时也为后续通过外界热沉的散热提供了方便；4、由于发热元件四周是液态金属，芯片内各元件发热时，会产生膨胀收缩，由此导致的热应力在液体中可以自由伸缩，这样就免除了传统芯片中发热元件被基底及四周围栏牢牢固定住而产生的强烈热应力，因而芯片工作寿命更长。本发明实施例所述三维芯片不仅限于一般的计算机芯片，同样可以是应用于微控制器、磁盘驱动、显示器、通信设备、发热电池及传感器等的芯片，乃至推广到大型电器中如用于替换电力行业中通常采用的传统油浸冷却方式。
图2是本发明实施例所述的三维芯片的第一种组合结构示意图。如图2所示，所述第一种组合结构采用级联的方式将多个所述三维芯片分层连接，并且在连接后的三维芯片外部设置外围栏6，形成外腔体，在外腔体与其中的三维芯片之间同样填充有所述液态金属5。
图3是本发明实施例所述的三维芯片的第二种组合结构示意图。如图3所示，所述第二种组合结构是对所述第一种组合结构的进一步简化，即其省略了所述内围栏2。在该组合结构中，所述基底1直接分层固定在所述外围栏6上，取消了所述内腔体，所述元件3直接浸润在所述外腔体的液态金属5中。同时，为了保证各层的液态金属5能够流通，在所述基底上设置有通孔7。
图4是本发明实施例所述的三维芯片的制造方法流程图；图5是本发明实施例所述的三维芯片的制造过程示意图。如图4和图5所示，所述方法主要包括：
步骤A：将元件3设置在基底1上，并且在所述元件3的表面设置绝缘层。该步骤对应图5中的步骤a、b、c。
步骤B：将内围栏2固定在所述基底1上，所述元件3位于所述基底1和内围栏2所构成的内腔体中。该步骤对应图5中的步骤d，需要说明的是，为了加工需要，此时所述内围栏2上设置有用于注入所述液态金属5的注液孔8和排气孔9。
步骤C：从所述内围栏2的注液孔8中注入液态金属5，所述内腔体中空气从所述内围栏2的排气孔9中排出。该步骤对应图5中的步骤e。
步骤D：待液态金属5充满所述内腔体后，封闭所述内围栏2的注液孔8和排气孔9。该步骤对应图5中的步骤f。
根据需要可以将所述三维芯片进一步加工成所述组合结构，比如加工成所述第一种组合结构，可以首先将已经成型的所述三维芯片分层粘连，然后在外部设置所述外围栏6，最后按照所述步骤C类似的方式注入所述液态金属5。
本发明实施例所述三维芯片及其组合结构和制造方法，通过将元件完全浸润在液态金属中，从而有效降低芯片内部各介质间的热阻，增强芯片的散热性能。同时，在所述元件表面设置了绝缘层，保证绝缘的同时有效防止了元件被液态金属所腐蚀。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (1)
1.一种三维芯片的组合结构，其特征在于，所述组合结构包括：外围栏、基底、元件和液态金属；所述外围栏围成封闭的外腔体；所述基底分层设置在所述外腔体中；所述元件设置在所述外腔体中，并且设置在所述基底上；所述液态金属填充于所述外腔体中；
其中，所述组合结构还包括内围栏；所述内围栏设置在所述外腔体中，并且与所述基底连接构成内腔体，所述元件位于所述内腔体中；所述液态金属填充于所述内腔体中。
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