CN109309067A - 一种模拟热源芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟热源芯片，其特征在于，所述模拟热源芯片表面具有模拟热源电阻和温度传感器，所述模拟热源电阻和所述温度传感器皆为薄膜平面电阻。本发明的模拟热源芯片，将模拟热源电阻和温度传感器集成在一起，实现大功率发热的同时，又能准确、实时地测量整个芯片的温度梯度变化情况；通过调整温度传感器的位置，可以实现微通道散热器不同区域散热特性的原位测量，从而更准确地分析散热器的热流体性能；结构简单，制作工艺简单，测量过程方便。
Description
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其是一种模拟热源芯片及其制作方法。
背景技术
微通道散热技术是一种强制换热的冷却技术，通过将微通道散热器集成在电子系统中，可以极大程度的提高散热效率。与被动散热和传统的主动散热相比，微通道散热技术具有独特的优势。这是因为：一方面，以液体为冷却介质的微通道散热技术，可以实现大热流密度传热；另一方面，微通道内液体流动换热的对流换热系数与通道的当量尺寸成反比，在减小通道当量尺寸的同时，既可以显著提高换热效果，又可以大幅度减小体积，使得整个散热系统的结构尺寸及重量得到很大程度的简化和降低。因此，微通道散热技术在微系统集成和大功率电子器件等领域有广泛的应用前景。
然而，微通道散热器的散热能力与其内部流体的流动情况紧密相关，并随着散热器(包括微通道结构形状和分布、通道横截面积、进/出液口位置和尺寸)的变化而改变，同时，由于冷却流体的层流粘滞效应，微通道中流体表面和中心的流速不同，这些特性都导致了微通道散热器不同区域的温度分布存在差异。
为了分析微通道散热器的散热能力和冷却液体的热流体特性，通常需要设计模拟热源芯片。此种芯片的核心是薄膜电阻，通常采用薄膜气相沉积技术制备，电阻材料一般为金、铂、铜、铝等金属材料。目前，关于微通道散热和模拟热源芯片的专利很多，如中国专利CN103839905A、中国专利CN201510409552和中国专利CN201410059287.5等。但是，这些模拟热源芯片通常只有简单的加热功能，必须借助热电偶或红外热成像的方法来分析微通道散热器的性能。测试时，需要将模拟热源芯片集成在微通道散热器的表面；在不同的供液条件下，使用热电偶或红外热成像仪测量不同区域模拟热源芯片的温度。热电偶一般使用接触式方法测量温度，很难准确地分析散热器表面不同区域的温度分布情况。精密的红外测试系统设备复杂，价格昂贵；测试前需要对芯片进行热辐射率标定，操作复杂。因此，有必要开发一种操作方便、测试准确的模拟热源芯片来分析微通道散热器的热流体性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的下述缺陷：现有模拟热源芯片只具有简单的加热功能，必须借助热电偶或红外热成像技术分析微通道散热器的性能；而热电偶一般使用接触式测量温度，很难准确分析出散热器表面不同区域模拟热源芯片的温度；红外热成像测试系统设备复杂，价格昂贵，操作复杂，实用性差。本发明提供了一种模拟热源芯片及其制备方法，可以很好的解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案如下：
一种模拟热源芯片，所述模拟热源芯片表面具有模拟热源电阻和温度传感器，所述模拟热源电阻和所述温度传感器皆为薄膜平面电阻。
金属的电阻温度系数呈线形，可以通过四线法来测量电阻变化，从而表征金属的温度变化，该方法被广泛应用于金属温度传感器中。在上述技术方案中，模拟热源电阻均匀分布在整个模拟热源芯片表面，实现均匀产热，温度传感器可以分布在模拟热源芯片表面的任意位置，其实际分布位置根据薄膜微通道散热器的散热结构来确定。将模拟热源电阻与温度传感器集成在一起，实现大功率发热的同时，又能准确、实时地测量整个芯片的温度梯度变化情况；同时，通过调整温度传感器的位置，可以实现微通道散热器不同区域散热特性的原位测量，从而更准确地分析散热器的热流体性能。
优选地，所述模拟热源电阻和所述温度传感器由同种耐高温金属材料制成。
使用同种耐高温金属材料制作所述模拟热源电阻和温度传感器，可以最大程度地简化本发明模拟热源芯片的制作工艺。
优选地，所述耐高温金属材料为Au、Pt、W中的一种。
更优选地，所述耐高温金属材料为W。
优选地，所述模拟热源电阻和所述温度传感器为线形薄膜平面电阻。
更优选地，所述模拟热源电阻和所述温度传感器皆为蛇形串联薄膜平面电阻。所述蛇形串联薄膜平面电阻是指按照蛇形线形状分布并串联连接的薄膜平面电阻。
优选地，所述模拟热源电阻的阻值为10～200欧姆，所述温度传感器的阻值为500～3000欧姆。
更优选地，所述模拟热源电阻的阻值为50欧姆，所述温度传感器的阻值为2000欧姆。
优选地，所述温度传感器的数量为1～10个。
温度传感器的数量由薄膜微通道散热器散热结构的形状和大小决定。
优选地，所述模拟热源芯片包括焊接层、衬底、钝化层、粘附层和金属膜层，所述焊接层设于所述衬底下表面，所述钝化层设于所述衬底的上表面，所述粘附层设于所述钝化层表面，所述金属膜层设于所述粘附层表面；所述金属膜层由模拟热源电阻和温度传感器组成。
优选地，所述衬底的材料为硅，所述钝化层的材料为SiN，所述粘附层的材料为Ti/TiN，所述焊接层的材料为Au、Ag、Cu等，通过所述焊接层可将本发明的模拟热源芯片焊接于微通道散热器表面。
优选地，上述模拟热源芯片还包括金属焊盘，所述金属焊盘与所述模拟热源电阻或者所述温度传感器相连。
所述金属焊盘的材料为Au、Al等金属，所述金属焊盘分为热源焊盘和传感器焊盘，每个模拟热源电阻对应2个热源焊盘，每个温度传感器对应4个传感器焊盘。
本发明还提供了上述模拟热源芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底表面，利用等离子体增强化学气相沉积技术制作钝化层；
2)在钝化层表面，利用磁控溅射方法制作粘附层；
3)在粘附层表面，利用薄膜气相沉积技术制作金属膜层；
4)利用光刻和薄膜刻蚀技术将金属膜层制成模拟热源电阻和温度传感器；
5)在衬底的另一表面，利用薄膜沉积技术制作焊接层。
优选地，上述制作方法中，步骤3)所述薄膜气相沉积技术为化学气相沉积技术。步骤5)制作焊接层时，应将衬底的厚度控制为20～500微米，优选为100微米，适宜的衬底厚度，使微通道散热器的散热效果更好，温度及其变化情况测定结果更加准确。
优选地，上述模拟热源芯片的制作方法还包括如下步骤：在粘附层表面，利用光刻和薄膜沉积技术制作金属焊盘。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明的模拟热源芯片，将模拟热源电阻和温度传感器集成在一起，实现大功率发热的同时，又能准确、实时地测量整个芯片的温度梯度变化情况。
2)本发明的模拟热源芯片，通过调整温度传感器的位置，可以实现微通道散热器不同区域散热特性的原位测量，从而更准确地分析散热器的热流体性能。
3)本发明的模拟热源芯片，结构简单，制作工艺简单，测量过程方便。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明实施例中模拟热源芯片的结构示意图。
图2为本发明实施例中模拟热源芯片与微通道散热器的集成结构示意图。
图3为本发明实施例中模拟热源芯片的加工过程示意图。
附图标记说明：
1、模拟热源芯片；2、模拟热源电阻；3、热源焊盘；4、温度传感器；5、传感器焊盘；6、微通道散热器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
现有技术的缺陷：现有模拟热源芯片只具有简单的加热功能，必须借助热电偶或红外热成像技术分析微通道散热器的性能；而热电偶一般使用接触式测量温度，很难准确分析出散热器表面不同区域模拟热源芯片的温度；红外热成像测试系统设备复杂，价格昂贵，操作复杂，实用性差。
本发明要解决的技术问题：提供一种内置温度传感器的模拟热源芯片，将模拟热源电阻与温度传感器集成在一起，实现发热和测量过程的同时进行。
基础实施方式：
如图1-3所示，一种模拟热源芯片1，所述模拟热源芯片1表面具有模拟热源电阻2和温度传感器4，所述模拟热源电阻2和所述温度传感器4皆为薄膜平面电阻。
金属的电阻温度系数呈线性，可以通过四线法来测量电阻变化，从而表征金属的温度变化，该方法被广泛应用于金属温度传感器中。在上述技术方案中，模拟热源电阻2均匀分布在整个模拟热源芯片1表面，实现均匀产热，温度传感器4可以分布在模拟热源芯片1表面的任意位置，其实际分布位置根据薄膜微通道散热器的散热结构来确定。测试时，将模拟热源芯片1集成在微通道散热器6的表面。将模拟热源电阻2与温度传感器4集成在一起，实现大功率发热的同时，又能准确、实时地测量整个芯片的温度梯度变化情况；同时，通过调整温度传感器4的位置，可以实现微通道散热器不同区域散热特性的原位测量，从而更准确地分析散热器的热流体性能。
优选地，所述模拟热源电阻2和所述温度传感器4由同种耐高温金属材料制成。
使用同种耐高温金属材料制作所述模拟热源电阻2和温度传感器4，可以最大程度地简化本发明模拟热源芯片1的制作工艺。
优选地，所述耐高温金属材料为Au、Pt、W中的一种。
更优选地，所述耐高温金属材料为W。
优选地，所述模拟热源电阻2和所述温度传感器4为线形薄膜平面电阻。
更优选地，所述模拟热源电阻2和所述温度传感器4皆为蛇形串联薄膜平面电阻。所述蛇形串联薄膜平面电阻是指按照蛇形线形状分布并串联连接的薄膜平面电阻。
优选地，所述模拟热源电阻2的阻值为10～200欧姆，所述温度传感器4的阻值为500～3000欧姆。示例性地，模拟热源电阻2的阻值可以为10欧姆、25欧姆、50欧姆、100欧姆、200欧姆，温度传感器4的阻值可以为500欧姆、1000欧姆、2000欧姆、2500欧姆、3000欧姆。
更优选地，所述模拟热源电阻2的阻值为50欧姆，所述温度传感器4的阻值为2000欧姆。
优选地，所述温度传感器4的数量为1～10个。示例性地，温度传感器4的数量可以为1个、3个、5个、7个、10个。
温度传感器4的数量由薄膜微通道散热器散热结构的形状和大小决定。
优选地，所述模拟热源芯片1包括焊接层、衬底、钝化层、粘附层和金属膜层，所述焊接层设于所述衬底下表面，所述钝化层设于所述衬底的上表面，所述粘附层设于所述钝化层表面，所述金属膜层设于所述粘附层表面；所述金属膜层由模拟热源电阻2和温度传感器4组成。
优选地，所述衬底的材料为硅，所述钝化层的材料为SiN，所述粘附层的材料为Ti/TiN，所述焊接层的材料为Au、Ag、Cu等，通过所述焊接层可将本发明的模拟热源芯片焊接于微通道散热器表面。
优选地，上述模拟热源芯片还包括金属焊盘，所述金属焊盘与所述模拟热源电阻2或者所述温度传感器4相连。
所述金属焊盘的材料为Au、Al等金属，所述金属焊盘分为热源焊盘3和传感器焊盘5，每个模拟热源电阻对应2个热源焊盘3，每个温度传感器对应4个传感器焊盘5。
本发明还提供了上述模拟热源芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底表面，利用等离子体增强化学气相沉积技术制作钝化层；
2)在钝化层表面，利用磁控溅射方法制作粘附层；
3)在粘附层表面，利用薄膜气相沉积技术制作金属膜层；
4)利用光刻和薄膜刻蚀技术将金属膜层制成模拟热源电阻和温度传感器；
5)在衬底的另一表面，利用薄膜沉积技术制作焊接层。
优选地，上述制作方法中，步骤3)所述薄膜气相沉积技术为化学气相沉积技术。步骤5)制作焊接层时，应将衬底的厚度控制为20～500微米，优选为100微米，适宜的衬底厚度，使微通道散热器的散热效果更好，温度及其变化情况测定结果更加准确。示例性地，衬底的厚度可以为20微米、50微米、100微米、250微米、500微米等。
优选地，上述模拟热源芯片的制作方法还包括如下步骤：在粘附层表面，利用光刻和薄膜沉积技术制作金属焊盘。
实施例：
如图1-3所示，一种模拟热源芯片1，包括焊接层、衬底、钝化层、粘附层和金属膜层，所述焊接层设于所述衬底下表面，所述钝化层设于所述衬底的上表面，所述粘附层设于所述钝化层表面，所述金属膜层设于所述粘附层表面；所述金属膜层由模拟热源电阻2和温度传感器4组成，金属膜层上还设有热源焊盘3和传感器焊盘5。
所述衬底的材料为硅，所述钝化层的材料为SiN，所述粘附层的材料为TiN，所述焊接层的材料为Au，所述金属膜层的材料为W，所述衬底的厚度为100微米。所述模拟热源电阻2和所述温度传感器5均为蛇形串联薄膜平面电阻，所述模拟热源电阻2均布于模拟热源芯片1表面，其电阻值为50欧姆，所述温度传感器4的数量为3个，其电阻值为2000欧姆，所述热源焊盘3与所述模拟热源电阻2相连，数量为2个，所述传感器焊盘5与所述温度传感器4相连，数量为12个。
上述模拟热源电阻的制作方法：
1)提供表面光滑的硅片；
2)在硅片表面，使用PECVD技术制备钝化层SiN；
3)在钝化层表面，使用磁控溅射的方法制备粘附层TiN；
4)在粘附层表面，使用化学气相沉积技术制备耐高温的金属材料薄膜W；
5)通过光刻结合薄膜刻蚀技术制备蛇形串联薄膜平面电阻作为模拟热源电阻和3个温度传感器；
6)通过光刻结合薄膜沉积技术制备金属Al焊盘，每个模拟热源电阻和温度传感器所对应的焊盘数量分别为2个和4个；
7)将模拟热源芯片的衬底减薄至100微米；
8)使用薄膜沉积技术在芯片背面制备焊接层Au，满足后续焊接要求。
本发明的优点众多。不同的方面、实施例或实施方式可以产生以下优点中的一个或多个优点。本发明的一个优点是：将模拟热源电阻和温度传感器集成在一起，实现大功率发热的同时，又能准确、实时地测量整个芯片的温度梯度变化情况。本发明的另一个优点是：通过调整温度传感器的位置，可以实现微通道散热器不同区域散热特性的原位测量，从而更准确地分析散热器的热流体性能。本发明的又一个优点是：结构简单，制作工艺简单，测量过程方便。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种模拟热源芯片，其特征在于，所述模拟热源芯片表面具有模拟热源电阻和温度传感器，所述模拟热源电阻和所述温度传感器皆为薄膜平面电阻。
2.根据权利要求1所述的模拟热源芯片，其特征在于，所述模拟热源电阻和所述温度传感器由同种耐高温金属材料制成。
3.根据权利要求2所述的模拟热源芯片，其特征在于，所述耐高温金属材料为Au、Pt、W中的一种。
4.根据权利要求1所述的模拟热源电阻，其特征在于，所述模拟热源电阻和所述温度传感器为线形薄膜平面电阻。
5.根据权利要求1所述的模拟热源芯片，其特征在于，所述模拟热源电阻的阻值为10～200欧姆，所述温度传感器的阻值为500～3000欧姆。
6.根据权利要求1所述的模拟热源芯片，其特征在于，所述温度传感器的数量为1～10个。
7.根据权利要求1所述的模拟热源电阻，其特征在于，所述模拟热源芯片包括焊接层、衬底、钝化层、粘附层和金属膜层，所述焊接层设于所述衬底下表面，所述钝化层设于所述衬底的上表面，所述粘附层设于所述钝化层表面，所述金属膜层设于所述粘附层表面；所述金属膜层由模拟热源电阻和温度传感器组成。
8.根据权利要求1～7任一项所述的模拟热源芯片，其特征在于，还包括金属焊盘，所述金属焊盘与所述模拟热源电阻或者所述温度传感器相连。
9.权利要求1～8任一项所述的模拟热源芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在衬底表面，利用等离子体增强化学气相沉积技术制作钝化层；
2)在钝化层表面，利用磁控溅射方法制作粘附层；
3)在粘附层表面，利用薄膜气相沉积技术制作金属膜层；
4)利用光刻和薄膜刻蚀技术将金属膜层制成模拟热源电阻和温度传感器；
5)在衬底的另一表面，利用薄膜沉积技术制作焊接层。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：在粘附层表面，利用光刻和薄膜沉积技术制作金属焊盘。
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