CN108735693A - 高散热性硅/玻璃复合转接板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高散热性硅/玻璃复合转接板。包括依次层叠的下层硅片、上层硅片及玻璃片；其中，所述下层硅片背面形成有叉指状冷却液进出流道，正面形成有与冷却液进出流道的两端连通的冷却液进出口；所述上层硅片背面形成有与冷却液进出流道连通的毛细微流道，正面形成有至少一键合凸起部；所述玻璃片通过该键合凸起部与上层玻璃片键合。该复合转接板具有高散热性能，流阻小的优点，且提供一个良好的电介质环境，为射频领域中实现高散热且良好电绝缘转接板提供一套成熟可行的解决方案。同时提供上述转接板的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及微电子热管理及先进封装领域，具体涉及一种基于微机电系统工艺(MEMS工艺)制造的具有微流道硅片与玻璃键合形成高散热性复合转接板及其制造方法。
背景技术
随着多芯片组转接板封装技术的成熟及广泛运用，转接板上集成芯片数量不断增多，造成了基板上单位热密度不断增大；并且由于芯片发热功率不同，使得搭载芯片的基板热分布不均匀，这就形成了局部热点。如果不能针对性地将此局部热点热量及时散发出去，很有可能降低整个系统性能，甚至使整个系统失效。因此，为了解决这个问题，需要研发出具有特定区域强散热能力的基板。
目前，芯片冷却技术主要包括：空气冷却、液体冷去、热管冷却、半导体冷却和相变冷却等基本散热方法。其中目前商业上主要使用和研究的为空气冷却和液体冷却。
空气冷却又分为自然对流冷却和强制对流冷却。自然对流冷却是指被冷却物直接暴露在自然环境下通过空气对流而达到散热的目的。强制对流冷却主要是指通过外加设备(风扇)增加被冷却芯片表面空气流速，从而达到增加散热效果的目的。
液体冷却是指采用液体(水或其他液体导热介质)来代替空气来进行散热，由于液体导热系数比空气大，所以液体冷却通常比空气冷却效果提升显著。目前微流体冷却是解决芯片散热的一个重要研究方向，微流体冷却技术利用微细流道具有很大的传热系数和表面积比的特点，同时又由于冷却液具有较高的导热系数，使得微流体散基板具有显著的热传递效果。
热管冷却技术中，典型的热管由一段封闭管道组成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，这样使得热量由热管的一端传至另—端从而达到制冷的目的。
半导体制冷片工作时利用热电转换原理来工作，主要理论基础为帕尔帖效应，即通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高从而达到制冷的目的。由于半导体材料相对于其他材料来说具有较好的热电转换效率，所以叫半导体制冷。
硅转接板技术中，以硅基板三维集成技术为半导体工业界近几年的研发热点,特别是2.5D TSV转接板技术的出现,为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片(SoC)提供了解决方案。转接板作为中介层,实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连,降低了系统芯片制作成本和功耗。
目前国内外关于微流体冷却芯片的研究发明数量较多，出现更新频率快。因而受到较多关注，具有代表性的现有技术有：
美国专利US7190580B2，提出了一种分流歧管进出冷却液装置。其特点是在竖直方向将冷却液进行分流，由于竖直方向管可以做的比较大，而且冷却液在微流道中流动的距离很短，使得整个流体芯片流阻较小。但是，由于该芯片把分流结构做在竖直方向上面，因此该结总体来说比较厚，在不断追求超小薄的数字芯片领域限制了其运用前景。
美国专利US7230334B2，提出一种在高密度的电子模块(例如，芯片封装，系统-封装，等等)中集成了微通道的冷却模块，组成了多个高性能集成电路。其主要为三层结构：中间层为硅微流体基板，并将数字集成芯片贴装在流体基板表面。上面层和下面层为硅转接板，通过微凸点技术将芯片电信号引出。该方案提出了微流体基板技术，并集成大量数字集成电路形成微流体冷却系统。但是其基板冷却能力处处相等，不具有特定区域冷却功能，并且其系统由于引入布线转接板，使得整个系统很厚。并且，由于转接板均使用硅材料制成，使其不适用于高频电路冷却。
综上，其一，目前集成微流体技术最主要的问题在于微流体芯片需要外加体积很大且不易于集成的外置循环泵。
其二：目前微流体技术都只是研究整个微流体基板散热能力，并没有研究特定区域有不同强弱的散热能力，而对于多芯片集成封装来说，区域性强散热能力具有特别重要意义。
其三：目前微流体系冷却技术多用于数字芯片领域，较少研究其射频领域的运用，对于高功率射频领域，强散热能力基板尤其重要。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高散热性硅/玻璃复合转接板及制备方法。该复合转接板具有高散热性能，流阻小的优点，且提供一个良好的电介质环境，为射频领域中实现高散热且良好电绝缘转接板提供一套成熟可行的解决方案。
为了达到上述技术目的，本发明采取的技术方案是：
一种高散热性硅/玻璃复合转接板，包括依次层叠的下层硅片、上层硅片及玻璃片；
其中，
所述下层硅片背面形成有叉指状冷却液进出流道，正面形成有与冷却液进出流道的两端连通的冷却液进出口；
所述上层硅片背面形成有与冷却液进出流道连通的毛细微流道，正面形成有至少一键合凸起部；
所述玻璃片通过该键合凸起部与上层玻璃片键合。
进一步地，所述毛细微流道与冷却液进出流道部分投影重合。
一种采用上述高散热性硅/玻璃复合转接板实现的冷却方法，使用去离子水或电子制冷剂流通于冷却液进出流道与毛细微流道进行冷却。
一种制备硅/玻璃微流体转接板的方法，包括以下步骤：
在下层硅片的背面刻蚀出流路方向为第一方向的冷却液进出流道；
在上层硅片的背面刻蚀出流路方向为第二方向的毛细微流道；
下层硅片的背面与上层硅片的背面通过硅-硅键合形成键合硅片，进出通道与毛细微流道连通；
在键合硅片的正面的非流道区域腐蚀掉一定厚度硅，形成至少一键合凸块；
键合硅片凸块面与玻璃片键合，高温玻璃回流，再将玻璃片减薄到暴露出键合凸块；
键合硅片背面刻蚀出与冷却液进出流道的两侧连通的液体进出口。
进一步地，所述上层硅片与下层硅片键合采用Si-Si直接键合。
进一步地，还包括在键合硅片的正面划片、裂片。
通过采取上述技术方案，与现有技术比，本发明具有如下的有益效果：
与现有微流道结构比，本发明采用叉指状的流入流出加毛细微流道结构，具有更强的散热能力和较低的压降。硅片间键合直接采用硅-硅键合技术，相比于其它的采用CuSn键合优点是后续还可以对转接板做tsv通孔做点互联等。而且，硅/玻璃结构解决了某些特定结构需要强散热且其他区域需要良好电绝缘特性的特殊需求，特别是在射频运用领域。
附图说明
图1为本发明一实施例中的高散热性硅/玻璃复合转接板的结构示意图。
图2为一实施例中的高散热性硅/玻璃复合转接板中冷却液进出流道的结构示意图。
图3为图1中A-A向剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
本发明的核心构思为：在转接板中嵌入微通道，并通过高温玻璃回流技术形成高散热性能的硅/玻璃转接板。由于玻璃的损耗角正切小，且对电绝缘，所以具有低损耗传输的优势。特别是在射频网络，可以在在玻璃上面做射频匹配网络，而且可以在玻璃面上可以进行布局布线。因此可以结合了硅微流道强散热能力和玻璃高电介质特性，使得硅/玻璃转接板具有强散热能力和优良的电特性。
具体而言，结合附图，在一实施例中，详细介绍了一种微流道硅/玻璃高性能散热转接板的结构。
如图1所示，图中1为冷却液进口，2为冷却液出口，3为冷却液进出流道。
如图2所示是图1中分界面P的俯向剖视图，绘示了冷却液进出流道的分布结构。图中已清楚地绘示了冷却液进出流道的体布局。较宽的流道(图中7)为进液流道，更细的(图中8)为出液流道，从图中可以看到出液流道数量是进液流道的两倍，但是进液流道宽度是出液流道的两倍。每一条进液流道和其邻近的两出液流道组成一个单元，这样就保证了每一个单元内流入流出截面积大小相同。当然上述的尺寸比例关系和数量比例关系仅为示例性说明，在可选的其他实施例中，能够进行适当地调整，使之基本满足每一个单元内流入流出截面积相同或近似相同即可。
图3为图1中A-A向剖面示意图，从图中可以清楚的看到毛细流道的分布，图中5为毛细微流道。当冷却液从进口流入进液流道，再通过连通的毛细微流道流出到出液流道，这样就可以把毛细微流道表面大量热量带走。
由此，上述的多级叉指状流道加大面积并联超短毛细微流道组成了分流歧管式散热器结构。
图1中，6为玻璃片，图示的整个硅/玻璃转接板为三层结构。第一层为带进出流道和进出口的下层硅片，第二层为带毛线微流道的上层硅片，第三层为玻璃片。
其中，毛细微流道位于进出液流道正上方，进出液体流道方向与毛细流道方向垂直或近似垂直地交叉布置，使连通后冷却液能够从入液流道流入毛细微流道，从毛细微流道流入出液流道，再从冷却液出口流出。
具体地，下层硅片进出液流道的流道尺寸包括长、宽、高等参数需要根据待冷却芯片面积而定，例如，在某一实施例中可选：长5000um、宽400um、高100um；出液流道：长5000um、宽200um、高100um；整体布局为叉指状，进液流道两侧为出液流道。流道之间留有一定间距，例如，在某一实施例中可选：200um。这种叉指状流入流出通道可以极大的降低冷却液在转接板内的压降，提高散热能力。
而上层硅片形成毛细微流道，对于其长、宽、高、间距等参数选取需要考虑的因素包括长度太长会增大流体阻力，宽度太窄则会严重增大流体阻力，太宽会使得翅片数量减小，从而都不利于散热；高度太小时，热量并不能充分通过流道散去；当流道高度太高时，由于液体不一定能充满整个流道，从而都不利于散热。为了达到最优的散热新能，可对各参数进行模拟仿真优化选取适合的参数，例如，在某一实施例中，依据模拟仿真优化结果可选：毛细微流道长为2000um，宽度为40um，高100um，间距为40um。
通过上述结构，多列毛细微流道与多级叉指状分流结构的进出流道网状多点连通，实现进出流道大面积多点并联低流阻的不到百微米长度的毛细微流道，可以大大降低流体流阻；并且，由熔融玻璃在带毛细微流道的硅衬底散热块上镶嵌而成的转接板结构可以同时实现高介电常数和高散热特性，为待冷却芯片提供平坦化及高介电常数的电学环境。
此外，配合上述结构的冷却液可以使用去离子水，也可以使用专用沸点低(如：40℃-80℃)的冷却液，使得冷却过程为相变冷却，提高散热能力。由于毛细位流道的存在，在相变的时候相比与单层流道相比，能够获得更佳的散热效果。
上述实施例描述的高散热能力硅/玻璃转接板的工作原理为：
冷却液从液体进口进入转接板，随着二叉分流结构均匀的进入每条进液流道内，因为进液流道的未与液体进口连通的另一端是封闭的，所以冷却液只能从进液流道顶部的毛细微流道流出，从而冷却液流经毛细微流道，再流入两侧的出液流道，由于出液流道的未与液体出口连通的另一端封闭，所以冷却液只能经由二叉结构再到冷却液出口流出。这个过程中，冷却液在毛细微流道里面被加热，由于毛细留到只有几十微米量级，液体充分接触壁面，从而实现高散热性能。
上述高散热性能硅/玻璃转接板可由下面加工方法实现：
1)选双抛硅片A，在硅片背面通过深硅刻蚀技术形成冷却液进出流道，并漂去表面自然氧化层。
2)选用双抛硅片B，在硅片背面特定区域通过深硅刻蚀技术刻蚀出毛细微流道，漂去背面表面氧化层。
3)将上述刻蚀好的硅片A背面与硅片B背面通过硅-硅键合，形成带微流道键合片。键合片重新打标，有毛细微流道为片为正面。
4)将键合片正面减薄。
5)将减薄后的键合片正面有毛线微流道区域遮住，没流到区域腐蚀掉一定厚度(例如100um)，形成微流道凸块的硅键合片。
6)硅键合片带凸块面与玻璃片阳极键合，并加热到符合条件的高温例如600℃，由于玻璃高温变软后玻璃将自动回流到凹口内，形成硅玻璃片。
此步骤中，硅键合片与玻璃键合，高温玻璃回流形成硅-玻璃键合片。当玻璃片厚度不需要太厚时，可以使用旋涂玻璃法形成玻璃片层，这样操作的优点是工艺简单，但是存在厚度极限(一般≤5um)。实现的方式例如：一、玻璃片与带凸块硅片键合，通过高温玻璃融化回流平硅键和片，然后磨掉一层玻璃片直到硅凸面；二、采用旋涂玻璃，涂到硅片上，旋转然后高温退火后即可形成一层玻璃。
7)键合片玻璃面减薄，减至刚好露出凸块硅面。
8)键合片微流道进出口刻蚀。
9)正面划片，裂片，至此，完成高散热能力硅/玻璃转接板的制作。
其中A片硅片正面第一方向(例如：东西方向)方向刻蚀出冷却液进出水流道，多条进液流道的一端(如左端)通过二叉树结构汇聚到一总入液流道，再从背面在该总入液流道位置刻蚀冷却液流入口；多条出液流道的一端(如右端)通过二叉树结构汇聚到一总出液流道，再从背面在该总出液流道位置刻蚀冷却液流出口。B硅片正面在特定区域刻蚀出南北走向毛细微流道，A硅片刻有进出流道面与B片刻有毛细流道(例如：毛细流道方向为南北方向)面键合在一起形成微流道硅键合片。冷却液从A片流入口经二叉分流到进液流道，流入B片毛细微流道，再从毛细微流道流进出液流道从而从出口流出。键和硅片B片背面腐蚀掉一定厚度非流道区域，形成带特定区域(该区域的选取与被冷却芯片位置对应)毛细微流道的凸块。这种设计结构，可以增大微流道散热器散热能力，且可以减小进出口压降。凸块表面与熔融玻璃键合，通过加热玻璃回流的方法形成硅/玻璃散热器，这样散热器表面具有很好的电绝缘，解决了射频网络的阻抗匹配问题。
通过实验，配合去离子水或专用电子制冷剂，能够使得冷却过程为相变冷却，较大幅度提高散热能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (6)
1.一种高散热性硅/玻璃复合转接板，其特征在于，包括依次层叠的下层硅片、上层硅片及玻璃片；
其中，
所述下层硅片背面形成有叉指状冷却液进出流道，正面形成有与冷却液进出流道的两端连通的冷却液进出口；
所述上层硅片背面形成有与冷却液进出流道连通的毛细微流道，毛细流道对应区域正面形成有至少一键合凸起部；
所述玻璃片通过该键合凸起部与上层玻璃片键合，高温玻璃回流并减薄至凸块面，形成特定区域局部为硅面的玻璃面。
2.如权利要求1所述的高散热性硅/玻璃复合转接板，其特征在于，所述毛细微流道与冷却液进出流道部分投影重合。
3.一种采用权利要求1至2任一项所述高散热性硅/玻璃复合转接板实现的冷却方法，使用去离子水或者电子制冷剂流通于冷却液进出流道与毛细微流道进行冷却。
4.一种制备硅/玻璃微流体转接板的方法，包括以下步骤：
在下层硅片的背面刻蚀出流路方向为第一方向的冷却液进出流道；
在上层硅片的背面刻蚀出流路方向为第二方向的毛细微流道；
下层硅片的背面与上层硅片的背面通过硅-硅键合形成键合硅片，进出通道与毛细微流道连通；
在键合硅片的正面(有毛细流道硅面为键和片正面)的非流道区域腐蚀掉一定厚度硅，形成至少一键合硅凸块；
键合硅片凸块面与玻璃片键合，高温玻璃回流，再将玻璃片减薄到恰好暴露出键合凸块；
键合硅片背面刻蚀出与冷却液进出流道的两侧连通的液体进出口，正面进行划片，裂片处理。
5.如权利要求4所述的制备硅/玻璃微流体转接板的方法，其特征在于，所述上层硅片及下层硅片是通过Si-Si直接键合而成。
6.如权利要求4所述的制备硅/玻璃微流体转接板的方法，其特征在于，所述下层硅为双面工艺，背面刻蚀进出液流道，正面刻蚀与流道连通的进出口。
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