CN107275299B

CN107275299B - 一种微通道换热器及其制作方法

Info

Publication number: CN107275299B
Application number: CN201710385095.7A
Authority: CN
Inventors: 官勇; 马盛林; 曾清华; 孟伟; 陈兢; 金玉丰
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: CN107275299A

Abstract

本发明公开一种微通道换热器及其制作方法，属于半导体结构制造领域。该微通道换热器包括第一衬底和第二衬底，第一衬底和第二衬底均具有相对的第一表面和第二表面，第一衬底具有贯穿其第一表面和第二表面的微通道，第二衬底在其第一表面上形成一定深度的通道；第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内设有第一绝缘层、导电层和第二绝缘层，导电层介于第一绝缘层和第二绝缘层之间；第一衬底的第一表面设有再布线层；第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面设有键合层，第一衬底和第二衬底通过键合层键合在一起。本发明的微通道兼具传热和导电的功能，能够提高微通道的散热效率和整个系统的热学可靠性。

Description

一种微通道换热器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体结构制造领域，尤其涉及一种微通道换热器及其制作方法。

背景技术

微通道换热器的工程背景来源于上个世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。随着半导体技术不断朝着多功能、高性能、小型化等方向的不断发展，高速电子器件的热密度已达5～10MW/m²，散热问题已经成为其发展的主要“瓶颈”，并成为了学术界和工业界研究和关注的重点热点。

除了采用新材料来增加系统的散热效率外，在系统内集成微通道换热器也成为了主要研究方向之一，微通道换热器取代传统换热装置已成必然趋势。不仅如此，某种意义上讲，微通道换热器的性能/可靠性对未来整个集成模块的性能好坏具有决定性影响。在嵌入式技术及高性能运算依赖程度较高的微电子、航空航天、现代医疗、化学生物工程等诸多领域，微通道换热器将有具广阔的应用前景。

但由于需要集成微通道换热器，对系统的高密度、小型化集成带来了很大的困难。而且为了达到最佳的散热性能，需要将微通道散热器集成在散热最显著的地方，对系统的这个设计又带来了很大的困难。如何有效地集成微通道换热器，并解决上述存在的问题，是目前学术界和工业界研究关注的重点热点和难点。

发明内容

针对上述所存在的各种问题，本发明的目的在于提供一种能同时兼具传热和导电功能的微通道换热器。由于导电层自身为热源，将其集成在微通道外侧，不仅可以提高集成密度，还可以提高微通道的散热效率，进行提高整个系统的热学性能和可靠性。

本发明的微通道换热器，其包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和所述第二衬底均具有相对的第一表面和第二表面，所述第一衬底具有贯穿其第一表面和第二表面的微通道，所述第二衬底在其第一表面上形成一定深度的通道；所述第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内设有第一绝缘层、导电层和第二绝缘层，所述导电层介于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间；所述第一衬底的第一表面设有再布线层；所述第一衬底的第二表面和所述第二衬底的第一表面设有键合层，所述第一衬底和所述第二衬底通过所述键合层键合在一起。

进一步地，所述第一衬底和/或所述第二衬底为硅、玻璃、或者聚合物材料。

进一步地，所述导电层为电学性能良好的材料，保型覆盖所述贯穿第一衬底的微通道的侧壁；所述第一绝缘层和或所述第二绝缘层为二氧化硅、聚酰亚胺、parylene材料中的一种。

进一步地，所述第二衬底为硅，所述第二衬底的第一表面和微通道内制作绝缘层，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。

进一步地，通过控制键合层工艺，使第一衬底和第二衬底上的微通道直径一致或者不一致。

进一步地，所述第一衬底的第一表面和第二表面都设有再布线层，并通过贯穿第一衬底的微通道侧壁的导电层进行连接。

相应地，本发明公开了该微通道换热器的制作方法，该制作方法包括以下几个主要步骤：

a)提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和所述第二衬底均具有相对的第一表面和第二表面，在所述第一衬底制作贯穿其第一表面和第二表面的微通道，在所述第二衬底的第一表面上制作形成一定深度的通道；

b)在所述第一衬底的第一表面和第二表面以及微通道内制作均匀绝缘层；所述第二衬底为硅时，第二衬底上的第一表面和微通道也需要制作第一绝缘层；

c)在所述第一衬底的第一表面和第二表面以及微通道内制作导电层；

d)在所述第一衬底的第一表面和第二表面以及微通道内制作第二绝缘层；

e)在所述第一衬底的第一表面和第二表面制作再布线层；

f)在所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面制作键合层；

g)将所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面制作键合到一起。

优选地，在步骤a)中微通道的制作方法为深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、喷砂以及超声加工；

优选地，在步骤b)和步骤d)中绝缘层的制作方法为热氧化，化学气相沉积，物理气相沉积，蒸发等；绝缘层材料为二氧化硅，聚酰亚胺，parylene等；

优选地，在步骤c)和步骤e)中导电层和再布线层的制作方法包括蒸发、溅射、电镀、化学气相沉积及其组合，所述金属层材料为铜、金、银、铂、铝或其合金等；

优选地，在步骤f)中键合层的制作方法为旋涂，喷，键合层材料为光敏BCB、parylene、聚酰亚胺或其他商用光敏键合材料，通过光刻控制键合层开口的直径，键合方法为热压键合。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明中，由于导电层自身为热源，将其直接集成在贯穿第一衬底的微通道外侧，可以大幅度提高微通道的散热效率，从而允许第一衬底可以承载更多的热设计；现有技术常将微通道散热器和导电层分开集成，不利于提高整体的集成密度，而本发明则顺利解决了上述问题。此外，采用键合的方式，将第一衬底和第二衬底键合到一起，不仅能够实现三维方向的散热，还能通过光刻控制键合层开口的直径，保证即使第一衬底和第二衬底微通道尺寸不一致的情况下亦能实现集成，提高了工艺兼容性。上述的各个有益效果，最终可以达到提高整个系统的热学性能和可靠性的目的。

附图说明

图1是实施例中第一衬底的示意图；

图2是实施例在第一衬底上制作贯穿衬底的微通道的示意图；

图3是实施例在第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内制作绝缘层的示意图；

图4是实施例在第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内制作导电层的示意图；

图5是实施例在第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内制作绝缘层和再布线层的示意图；

图6是实施例在第一衬底的第二表面制作键合层的示意图；

图7是实施例中第二衬底的示意图；

图8是实施例在第二衬底的第一表面上制作一定深度的微通道的示意图；

图9是实施例在第二衬底的第一表面上制作的微通道的俯视示意图；

图10是实施例在第二衬底的第一表面制作键合层的示意图；

图11是实施例将第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面完成键合的示意图；

图12是液体经过贯穿第一衬底的微通道流入第一衬底，再通过第二衬底表面的微通道流入第二衬底，最后经过贯穿第一衬底的微通道流出第一衬底的示意图。

其中：

1第一衬底 2第一绝缘层

3导电层 4第二绝缘层

5键合层 6第二衬底

7第二衬底上微通道入口 8第二衬底上微通道

9再布线层

具体实施方式

为了使本发明的目的、优点、制作方法更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施示例进行详细描述，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。需要说明的是，参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

下文对本发明提供的微通道换热器结构进行阐述。参考附图说明，需要说明的是，本发明各个实施例的附图仅是为了示意的目的，因此没有必要按比例绘制。该微通道换热器的制作步骤具体包括：

步骤S101，提供第一衬底1和第二衬底6，第一衬底和第二衬底均具有相对的第一表面和第二表面，分别如图1和图7所示，在所述第一衬底第一表面光刻，并制作贯穿第一衬底的微通道，在所述第二衬底第一表面光刻，并制作具有一定深度的微通道。

所述衬底可以是高阻硅片或者低阻硅片，还可以是玻璃或石英等绝缘材料。所述衬底的厚度在150μm～2000μm范围内。

在本实施例中，形成贯穿第一衬底的微通道的具体步骤如下：首先在所述第一衬底上制作掩膜层，并形成多个微通道图形开口。所述掩膜层的材料为氧化硅、氮化硅或者是聚酰亚胺、聚对二甲苯或厚的光刻胶，及其组合。对所述掩膜层图形化的方法包括RIE干法刻蚀、湿法腐蚀，及其组合。随后，如图2和图8、图9所示，刻蚀所述第一衬底，刻蚀出多个垂直贯穿第一衬底的微通道，其中图9是在第二衬底的第一表面上制作的微通道的俯视示意图，该图中示意了微通道入口7和微通道8。所述微通道的孔径在20μm～150μm范围内，所述微通道的深宽比范围是1:1～100:1，其横截面一般为圆形或方形，也可以是六边形或八边形等其他形状，形成所述垂直微通道的方法包括深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、喷砂、湿法腐蚀及其组合。

步骤S102，在所述第一衬底的第一表面和第二表面以及微通道内制作均匀的第一绝缘层2，如图3所示。第二衬底为硅时，第二衬底上的第一表面和微通道也需要制作绝缘层。

所述第一绝缘层可以具有一层或多层结构，其材料为氧化硅、氮化硅，或者是聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚苯并丁烯及其组合，其厚度范围是100nm～10μm，用以实现深孔与转接板衬底之间的电学隔离。形成所述绝缘层的方法包括热氧化、原子层沉积、化学气相沉积、溅射、旋涂、喷胶及其组合。在本发明的其他一些实施例中，若所述衬底材料为玻璃、石英等绝缘材料时，可以不必形成绝缘层。

步骤S103，在所述第一衬底第一表面和第二表面以及微通道内制作导电层3，如图4所示。

在所述具有绝缘层的第一衬底的第一表面和第二表面光刻制备导电层图形，然后制备导电层。所述导电层可以通过蒸发、溅射、电镀、化学镀、化学气相沉积及其组合。

步骤S104，在所述第一衬底第一表面和第二表面以及微通道内制作第二绝缘层4，如图5所示；所述第二绝缘层和S102中第一绝缘层的制作方法类似。

步骤S105，在所述第一衬底第一表面制作再布线层9，如图5所示；在所述具有绝缘层的衬底上光刻制备再布线层图形，然后制备再布线层。所述再布线层可以通过蒸发、溅射、电镀、化学镀、化学气相沉积及其组合。可以多次进行金属沉积、层间介质层沉积的工艺步骤，从而形成多层结构的再布线层。此外，第一衬底的第一表面和第二表面也可以都设有再布线层，并通过贯穿第一衬底的微通道侧壁的导电层进行连接。

步骤S106，在所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面制作键合层5，如图6和图10所示；

所述键合层的制作方法为旋涂，或喷，键合层材料为光敏BCB、parylene、聚酰亚胺或其他商用光敏键合材料，通过光刻控制键合层开口的直径。

步骤S107，将所述第一衬底的第二表面和第二衬底的第一表面进行晶圆键合，键合到一起，键合方法为热压键合，如图11所示。

随后，可以进行半导体芯片制造的其他后续的工艺步骤，包括划片、封装、测试等，在此不再赘述。

图12是液体经过贯穿第一衬底的微通道流入第一衬底，再通过第二衬底表面的微通道流入第二衬底，最后经过贯穿第一衬底的微通道流出第一衬底的示意图。由于导电层自身为热源，将其直接集成在贯穿第一衬底的微通道外侧，可以大幅度提高微通道的散热效率，从而允许第一衬底可以承载更多的热设计；现有技术常将微通道散热器和导电层分开集成，不利于提高整体的集成密度，而本发明则顺利解决了上述问题。此外，采用键合的方式，将第一衬底和第二衬底键合到一起，不仅能够实现三维方向的散热，还能通过光刻控制键合层开口的直径，保证即使第一衬底和第二衬底微通道尺寸不一致的情况下亦能实现集成，提高了工艺兼容性。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims

1.一种微通道换热器，其特征在于，包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和所述第二衬底均具有相对的第一表面和第二表面，所述第一衬底具有贯穿其第一表面和第二表面的微通道，所述第二衬底在其第一表面上形成一定深度的通道；所述第一衬底的第一表面、第二表面以及微通道内设有第一绝缘层、导电层和第二绝缘层，所述导电层介于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间；所述第一衬底的第一表面设有再布线层；所述第一衬底的第二表面和所述第二衬底的第一表面设有键合层，所述第一衬底和所述第二衬底通过所述键合层键合在一起。

2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述第一衬底和/或所述第二衬底为硅、玻璃、或者聚合物材料。

3.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述导电层为电学性能良好的材料，保型覆盖所述贯穿第一衬底的微通道的侧壁；所述第一绝缘层和或所述第二绝缘层为二氧化硅、聚酰亚胺、parylene材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述第二衬底为硅，所述第二衬底的第一表面和微通道内制作绝缘层，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。

5.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，通过控制键合层工艺，使第一衬底和第二衬底上的微通道直径一致或者不一致。

6.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述第一衬底的第一表面和第二表面都设有再布线层，并通过贯穿第一衬底的微通道侧壁的导电层进行连接。

7.一种微通道换热器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

b)在所述第一衬底的第一表面、第二表面和微通道内依次制作第一绝缘层、导电层、第二绝缘层；

c)在所述第一衬底的第一表面制作再布线层；

d)在所述第一衬底的第二表面和所述第二衬底的第一表面制作键合层，并使所述第一衬底和所述第二衬底键合在一起。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤a)中微通道的制作方法为下列中的一种：深反应离子刻蚀、激光烧蚀、喷砂、超声加工；步骤b)中第一绝缘层、第二绝缘层的制作方法为下列中的一种：热氧化，化学气相沉积，物理气相沉积，蒸发。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述导电层、再布线层的制作方法为蒸发、溅射、电镀、化学镀、化学气相沉积及其组合，所述导电层为铜、金、银、铂、镍、钨、铝或其合金，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层为二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、parylene中的一种。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤d)中键合层的制作方法为旋涂或喷，键合层的材料为光敏BCB、parylene、聚酰亚胺或其他商用光敏键合材料，通过光刻控制键合层开口的直径，键合方法为热压键合。