CN107293496A - 芯片级集成微流体散热模块及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芯片级集成微流体散热模块及制备方法，散热模块包括下层硅基微流体拓扑结构、上层硅基微流体拓扑结构以及功率芯片接口；下层微流体拓扑结构将冷却液在水平方向上引导分配至微喷孔阵列的下方，并将与功率芯片发生完热交换的废液收集引导。上层微流体拓扑结构提供冷却液流入流出的接口，将下层微流体拓扑中的冷却液在垂直方向上引导分配至发热功率芯片底部，热交换完成后的废液通过四周的微槽道流往底层微流体拓扑。本发明中冷却液可以通过微喷孔阵列直达芯片底部，其间没有任何中间层增加额外的热阻，不仅能够有效提高散热效率，还能够针对系统局部热点散热，降低散热系统的复杂程度和成本。

Description

芯片级集成微流体散热模块及制备方法
技术领域
本发明属于微电子和微系统技术领域，具体涉及一种芯片级集成微流体散热模块及制备方法。
背景技术
未来微电子系统正向性能更高、体积更小、功能更多的集成化方向发展。系统集成度日益增加，随之而来的是系统功率密度的急剧增大。大功率输出必然带来大热量的产生。如果没有可靠的热管理措施，持续积累的热量会导致系统工作温度急剧提升，进而对系统性能、可靠性和寿命带来负面影响。激光器、LED、MMIC等化合物半导体有源器件是系统热量的主要来源。这些器件的共同特点是体积小、发热量大，在极小区域内形成超大热流密度，在系统内部形成局部热点。
传统的散热思维是先通过被动散热将热量从热点导出，再通过外围的强化换热(如风冷及水冷等)来维持系统温度。这样的散热架构从原理上无法应对大功率(>100W)及超高热流密度(>1kw/cm2)的微电子系统。热管理问题已经成为制约微电子系统，尤其是以三维堆叠技术为代表的微系统发展的瓶颈。要达到更高的散热效率，必须将重点放在芯片内部热点，打破传统多层叠加的散热架构，引入嵌入式结构进行芯片级散热，减小甚至消除堆叠热阻，提高导热效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种芯片级集成微流体散热模块及制备方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种芯片级集成微流体散热模块，包括下层硅基微流体拓扑结构、上层硅基微流体拓扑结构以及功率芯片接口；
所述下层硅基微流体拓扑结构和上层硅基微流体拓扑结构堆叠设置，上层硅基微流体拓扑结构的上表面开有凹槽，凹槽四周设置有一圈金属连接层，作为功率芯片接口；凹槽两侧设置有冷却液进口和冷却液出口，下层硅基微流体拓扑结构设置有与冷却液进口连通的下层冷却液导流槽道以及与冷却液出口连通的下层冷却液回流槽道，上层硅基微流体拓扑结构在凹槽内分别设置有与下层冷却液导流槽道连通的微喷孔阵列以及与下层冷却液回流槽道连通的冷却液回流口；
冷却液经冷却液进口、下层冷却液导流槽道、微喷孔阵列垂直喷射至热源底部，完成热交换后经冷却液回流口、下层冷却液导流槽道以及冷却液出口排出。
一种制备上述芯片级集成微流体散热模块的方法，包括以下步骤：
步骤1，在一片硅晶圆正面刻蚀出下层冷却液导流槽道和下层冷却液回流槽道，形成下层硅基微流体拓扑结构；
步骤2，在另一片硅晶圆正面刻蚀出功率芯片接口，接着二次刻蚀出微喷孔阵列轮廓，在硅晶圆背面刻蚀出微通孔阵列、冷却液进出口及回流槽，形成上层硅基微流体拓扑结构；
步骤3，将两片晶圆通过圆片键合的方式堆叠在一起，形成硅基芯片级微流体散热集成模块。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明的微流体散热模块与功率芯片一体化集成，使芯片背面直接与冷却液接触，相比传统散热模式可降低热阻提高导热效率；散热模块中的微流体拓扑可将冷却液通过微喷孔阵列垂直喷射至芯片近结区域，相比传统流道的层流形式可提高热传送效率；
(2)本发明的微流体散热模块采用硅材料通过MEMS加工工艺制备，厚度为2片硅晶圆堆叠，大小与功率芯片面积相当，可针对关键热点配置芯片级散热；硅基加工工艺还可与传统半导体工艺兼容，解决高密度集成微系统中的大功率散热问题。
附图说明
图1是本发明芯片级集成微流体散热模块的侧面剖图。
图2是本发明上层硅基微流体拓扑结构的顶视示意图。
图3是本发明下层硅基微流体拓扑结构的顶视示意图。
图4是本发明芯片级集成微流体散热模块整体结构图。
图5是本发明芯片级集成微流体散热模块的爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
结合图1-图5，一种芯片级集成微流体散热模块，包括下层硅基微流体拓扑结构12、上层硅基微流体拓扑结构11以及功率芯片接口；
所述下层硅基微流体拓扑结构12和上层硅基微流体拓扑结构11堆叠设置，上层硅基微流体拓扑结构11的上表面开有凹槽，凹槽四周设置有一圈金属连接层，作为功率芯片接口；凹槽两侧设置有冷却液进口14和冷却液出口17，下层硅基微流体拓扑结构12设置有与冷却液进口14连通的下层冷却液导流槽道18以及与冷却液出口17连通的下层冷却液回流槽道19，上层硅基微流体拓扑结构11在凹槽内分别设置有与下层冷却液导流槽道18连通的微喷孔阵列15以及与下层冷却液回流槽道19连通的冷却液回流口16；
冷却液经冷却液进口14、下层冷却液导流槽道18、微喷孔阵列15垂直喷射至热源20底部，完成热交换后经冷却液回流口16、下层冷却液导流槽道19以及冷却液出口17排出。
进一步的，下层硅基微流体拓扑结构12和上层硅基微流体拓扑结构11通过硅基圆片级三维堆叠工艺堆叠。
进一步的，下层硅基微流体拓扑结构12和上层硅基微流体拓扑结构11均为硅材料制备。
下层冷却液导流槽道18和下层冷却液回流槽道不连通。
进一步的，上层硅基微流体拓扑结构上表面与微喷孔阵列顶部距离为20-100μm；微喷孔直径为100-200μm。
进一步的，微喷孔阵列所有微喷孔面积与冷却液回流口面积相同。
一种制备上述芯片级集成微流体散热模块的方法，包括以下步骤：
步骤1，在一片硅晶圆正面刻蚀出下层冷却液导流槽道和下层冷却液回流槽道，形成下层硅基微流体拓扑结构；
步骤2，在另一片硅晶圆正面刻蚀出功率芯片接口，接着二次刻蚀出微喷孔阵列轮廓，在硅晶圆背面刻蚀出微通孔阵列、冷却液进出口及回流槽，形成上层硅基微流体拓扑结构；
步骤3，将两片晶圆通过圆片键合的方式堆叠在一起，形成硅基芯片级微流体散热集成模块。
其中，步骤3中圆片键合的方式为硅-硅键合或金-金键合，图1中13为两层硅片的键合层。
本发明将散热模块与功率芯片一体化设计，采用三维圆片级键合的半导体加工技术将两个硅基微流体模块堆叠，上层微流体模块开口，功率芯片通过开口边缘与散热模块集成，使冷却液直接与功率芯片接触。

Claims (9)

1.一种芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，包括下层硅基微流体拓扑结构、上层硅基微流体拓扑结构以及功率芯片接口；
所述下层硅基微流体拓扑结构和上层硅基微流体拓扑结构堆叠设置，上层硅基微流体拓扑结构的上表面开有凹槽，凹槽四周设置有一圈金属连接层，作为功率芯片接口；凹槽两侧设置有冷却液进口和冷却液出口，下层硅基微流体拓扑结构设置有与冷却液进口连通的下层冷却液导流槽道以及与冷却液出口连通的下层冷却液回流槽道，上层硅基微流体拓扑结构在凹槽内分别设置有与下层冷却液导流槽道连通的微喷孔阵列以及与下层冷却液回流槽道连通的冷却液回流口；
冷却液经冷却液进口、下层冷却液导流槽道、微喷孔阵列垂直喷射至热源底部，完成热交换后经冷却液回流口、下层冷却液导流槽道以及冷却液出口排出。
2.根据权利要求1所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，下层硅基微流体拓扑结构和上层硅基微流体拓扑结构通过硅基圆片级三维堆叠工艺堆叠。
3.根据权利要求1或2所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，下层硅基微流体拓扑结构和上层硅基微流体拓扑结构均为硅材料制备。
4.根据权利要求1所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，下层冷却液导流槽道和下层冷却液回流槽道不连通。
5.根据权利要求1所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，上层硅基微流体拓扑结构上表面与微喷孔阵列顶部距离为20-100μm。
6.根据权利要求1所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，微喷孔直径为100-200μm。
7.根据权利要求1所述的芯片级集成微流体散热模块，其特征在于，微喷孔阵列所有微喷孔面积与冷却液回流口面积相同。
8.一种制备权利要求1所述芯片级集成微流体散热模块的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在一片硅晶圆正面刻蚀出下层冷却液导流槽道和下层冷却液回流槽道，形成下层硅基微流体拓扑结构；
步骤2，在另一片硅晶圆正面刻蚀出功率芯片接口，接着二次刻蚀出微喷孔阵列轮廓，在硅晶圆背面刻蚀出微通孔阵列、冷却液进出口及回流槽，形成上层硅基微流体拓扑结构；
步骤3，将两片晶圆通过圆片键合的方式堆叠在一起，形成硅基芯片级微流体散热集成模块。
9.根据权利要求8所述的制备芯片级集成微流体散热模块的方法，其特征在于，步骤3中圆片键合的方式为硅-硅键合或金-金键合。
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