CN109560054A - 一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构及其制造方法，通过三维垂直结构微流道系统设计，微流体从封装壳体底层流入后拾阶而上分流冷却大功率射频芯片热点然后拾阶而下流出，实现了高密度芯片的同时高效散热的功能，解决了传统微流道低导热性及金属微流道制造工艺兼容性等难题，具有重要意义。

Description

一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及微电子封装领域，更进一步涉及一种基于金属微加工技术的垂直结构金属微流道热沉结构，此结构应用于大功率芯片高效散热。
背景技术
随着5G无线通信、雷达、无人机、卫星等领域的快速发展，大功率射频芯片的应用前景越来越广阔。目前基于高密度互连基板的高集成微波前端有源组件结构如下。微波印制电路板或LTCC/HTCC互连基板装配在在铝合金衬底上，大功率射频器件安装嵌入铝合金结构件的钼铜或金刚石铜高性能载板上，并与并排装配在铝合金结构件上的互连基板通过引线键合实现电气连接，控制电路芯片等贴装在微波印制电路板或LTCC/HTCC互连基板等高密度互连基板板上。微波前端有源组件模块装配在均热板、导热管上进行散热，微波前端有源组件内大功率芯片至结铝合金壳体之间主要通过钼铜载板或金刚石/铜复合高性能载板将高密度热流传导扩散。这种技术方案本质上是一种二维平面混合集成、模块体内被动传热、体外散热技术，代表了当前混合集成的典型能力。
当前功放芯片的散热功率已经达500W/cm2,随着芯片功率密度的进一步提高，未来功放芯片散热功率将达1000W/cm2，如何实现芯片在规定工作时间内的快速散热是实现探测单元高可靠工作的关键。考虑到高功率芯片与结构件壳体之间多界面热阻，目前模块体外散热、体内被动热传导方式传热，技术手段单一，不能满足未来需求。
发明内容：
针对上述问题，本发明目的在于提供一种立体金属微通道热沉结构，解决现有大功率芯片集成散热技术面临缺陷。同时本发明提供了该结构的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，包括：上下层叠设置的双层金属衬底；
其中位于上层的第一金属衬底在朝向第二金属衬底的一面，具有第一半开放式平面微通道；所述第一半开放式平面微通道朝向第二金属衬底的一侧为开口面，并且其沿着平行于第一金属衬底上表面的方向延伸；所述第二金属衬底朝向第一金属衬底的一面，具有垂直贯穿微通道；所述垂直贯穿微通道沿着平行于第二金属衬底侧表面的方向贯穿所述第二金属衬底；
所述第一金属衬底远离第二金属衬底的一面与射频芯片导热连接；所述第二金属衬底远离第一金属衬底的一面与铝合金衬底连接；
所述铝合金衬底朝向第二金属衬底的一面具有第二半开放式平面微通道；所述垂直贯穿微通道分别连通所述第一半开放式平面微通道、第二半开放式平面微通道形成三维垂直结构微流道系统。
在一较佳实施例中：所述第一金属衬底、第二金属的材质包括但不限于钨或钼或钛或铝或铜。
在一较佳实施例中：所述半开放式平面微通道为直线型或扰流柱型或翅片型。
在一较佳实施例中：所述垂直贯穿微通道为矩形或圆形。
本发明还提供了一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，包括如下步骤：
1)提供第一金属衬底，所述第一衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面，通过金属微加工技术在第一金属衬底的下表面上加工出平行于下表面的第一半开放式平面微流道；
2)提供第二金属衬底，所述第二衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面，通过金属微加工技术在第二金属衬底的上表面和下表面上加工出贯穿第二衬底的垂直贯穿微通道；
3)将所述第一金属衬底的下表面同所述第二金属衬底的上表面组装；使得所述第一半开放式平面微流道同贯穿微流道形成密封连接；
4)提供若干射频芯片，所述射频芯片同所述第一金属衬底的上表面组装在一起，组装位置分别对应所述开放式平面微流道结构区域；
5)提供铝合金衬底，所述铝合金衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面；在铝合金衬底的上表面加工出第二半开放式流道结构；将所述第二金属衬底的下表面同所述铝合金衬底的上表面组装在一起；所述垂直贯穿微流道同所述第二半开放式流道形成密闭连接，连同所述第一半开放式平面微流道形成三维垂直结构微流道系统；
6)提供贴装有控制电路芯片的高密度互连基板，所述高密度互连基板沿着厚度方向具有上表面和下表面，将所述高密度互连基板的下表面装配在所述铝合金衬底的上表面；将所述大功率射频芯片的上表面同所述高密度互连基板的上表面进行打线连接，形成电学互连结构。
在一较佳实施例中：所述第一金属衬底、第二金属的材质包括但不限于钨或钼或钛或铝或铜。
在一较佳实施例中：步骤1)和步骤2)中的所述金属微加工技术为金属等离子深刻蚀技术或金属微压印技术或金属微细电火花技术。
在一较佳实施例中：在步骤3)中所述第一金属衬底的下表面同所述第二金属衬底的上表面组装所用的装配工艺为聚合物键合或金属共晶键合或微焊接；
在步骤4)中将所述射频芯片同所述第一金属衬底的上表面组装在一起所用的装配工艺为金金键合或铜锡键合。
在一较佳实施例中：在步骤4)中所述大功率射频芯片成一字型排列或矩形阵列。
在一较佳实施例中：在步骤5)中在铝合金衬底的上表面加工出第二半开放式流道结构所采用的加工工艺为CNC机械加工工艺。
相较于现有技术，针对大功率射频芯片(热流密度≧500W/cm2)基于高密度互连基板的高集成微波前端有源组件结构散热一体化需求，本发明提出了一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构及其制造方法，通过三维多层垂直金属微通道结构设计，微流体从封装壳体底层流入后拾阶而上分流冷却大功率射频芯片热点然后拾阶而下流出，实现了高密度芯片的同时高效散热的功能，解决了传统微流道低导热性及金属微流道制造工艺兼容性等难题，具有重要意义。
具体具有如下的有益效果：
1)提出了垂直分流金属散热微通道散热解决方案，解决了传统微流道无法进行多芯片散热的难题；
2)解决了金属微流道同大功率射频芯片集成兼容性问题；
3)将外部宏观封装散热同高密度大功率芯片散热建立起有效结合，极大的提高了散热效率；
4)有望实现热流密度高达1000W/cm2热点的散热能力。
附图说明
图1为应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的正视图；
图2为应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的俯视图；
图3为三维垂直结构微流道系统的正视图；
图4为图3在a-a方向上的剖视图；
图5为图3在b-b方向上的剖视图；
图6为图3在c-c方向上的剖视图；
图7-12为应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造工艺流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。
下面详细描述本发明的实施例，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。下面通过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。
本实施例公开了应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，可参考图1-图6，包括：上下层叠设置的双层金属衬底；
其中位于上层的第一金属衬底100在朝向第二金属衬底200的一面，具有第一半开放式平面微通道101；所述第一半开放式平面微通道101朝向第二金属衬底200的一侧为开口面，并且其沿着平行于第一金属衬底100上表面的方向延伸；所述第二金属衬底200朝向第一金属衬底100的一面，具有垂直贯穿微通道201；所述垂直贯穿微通道201沿着平行于第二金属衬底200侧表面的方向贯穿所述第二金属衬底200；
所述第一金属衬底100远离第二金属衬底200的一面与射频芯片400导热连接；所述第二金属衬底200远离第一金属衬底100的一面与铝合金衬底500连接；
所述铝合金衬底500朝向第二金属衬底200的一面具有第二半开放式平面微通道501；所述垂直贯穿微通道201分别连通所述第一半开放式平面微通道101、第二半开放式平面微通道501形成三维垂直结构微流道系统。
铝合金衬底500的上表面510还设有高密度互连基板800；将所述大功率射频芯片400的上表面410同所述高密度互连基板800的上表面810进行打线连接，通过金属线900形成电学互连结构。
通过上述三维垂直结构微流道系统，能够同时对多个大功率射频芯片400提供高效散热，且同大功率射频芯片400、高密度互连基板800和铝合金衬底500具有极佳的兼容性；将外部宏观封装同高密度大功率芯片散热建立起有效结合。
其中，所述第一金属衬底100、第二金属衬底200为钨及其合金、钼及其合金、钛、铝、铜或其他导电性材料。
所述第一半开放式平面微通道101为直线型、扰流柱型或翅片型；所述垂直贯穿微通道201为矩形或圆形；所述高密度互连基板800为微波印制电路板或LTCC/HTCC互连基板。
进一步参考图7-12，本实施例还公开了应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法：
步骤1,如图7所示，提供第一金属衬底100，第一金属衬底100沿着厚度方向具有上表面110和下表面120，通过金属微加工技术在所述第一金属衬底100的下表面120上加工出第一半开放式平面微通道101；
步骤2，如图8所示，提供第二金属衬底200，第二金属衬底200沿着厚度方向具有上表面210和下表面220，通过金属微加工技术在所述第二金属衬底200的上表面210和下表面220上加工出贯穿微流道结构201；
步骤3，如图9所示，将所述第一金属衬底100的下表面110同所述第二金属衬底200的上表面210组装；使得所述第一半开放式平面微通道101同贯穿微流道201形成密封连接，形成开放式三维垂直微流道结构301；
步骤4，如图10所示，提供若干大功率射频芯片400，所述芯片沿着厚度方向具有上表面410和下表面420，将所述大功率射频芯片400的下表面420同所述第一金属衬底100的上表面110组装在一起，组装位置分别对应所述第一开放式平面微流道结构101区域；
步骤5，如图11所示，提供铝合金衬底500，所述铝合金衬底500沿着厚度方向具有上表面510和下表面520，在所述铝合金衬底500的上表面510加工出第二半开放式平面微通道501；将所述第二金属衬底200的下表面220同所述铝合金衬底500的上表面510组装在一起；所述贯穿微流道201同第二半开放式平面微通道501形成密闭连接，连同所述第一半开放式平面微通道101形成三维垂直结构微流道系统601；
步骤6，如图12所示，提供贴装有控制电路芯片700的高密度互连基板800，所述高密度互连基板800沿着厚度方向具有上表面810和下表面820，将所述高密度互连基板800的下表面820装配在所述铝合金衬底500的上表面510；将所述大功率射频芯片400的上表面410同所述高密度互连基板800的上表面810进行打线连接，通过金属线900形成电学互连结构。
步骤1)和步骤2)中的所述金属微加工技术为金属等离子深刻蚀技术或金属微压印技术或金属微细电火花技术。在步骤3)中所述第一金属衬底的下表面同所述第二金属衬底的上表面组装所用的装配工艺为聚合物键合或金属共晶键合或微焊接；在步骤4)中将所述射频芯片同所述第一金属衬底的上表面组装在一起所用的装配工艺为金金键合或铜锡键合。在步骤4)中所述大功率射频芯片成一字型排列或矩形阵列。在步骤5)中在铝合金衬底的上表面加工出第二半开放式流道结构所采用的加工工艺为CNC机械加工工艺。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，其特征在于包括：上下层叠设置的双层金属衬底；
其中位于上层的第一金属衬底在朝向第二金属衬底的一面，具有第一半开放式平面微通道；所述第一半开放式平面微通道朝向第二金属衬底的一侧为开口面，并且其沿着平行于第一金属衬底上表面的方向延伸；所述第二金属衬底朝向第一金属衬底的一面，具有垂直贯穿微通道；所述垂直贯穿微通道沿着平行于第二金属衬底侧表面的方向贯穿所述第二金属衬底；
所述第一金属衬底远离第二金属衬底的一面与射频芯片导热连接；所述第二金属衬底远离第一金属衬底的一面与铝合金衬底连接；
所述铝合金衬底朝向第二金属衬底的一面具有第二半开放式平面微通道；所述垂直贯穿微通道分别连通所述第一半开放式平面微通道、第二半开放式平面微通道形成三维垂直结构微流道系统。
2.根据权利要求1所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，其特征在于：所述第一金属衬底、第二金属的材质包括但不限于钨或钼或钛或铝或铜。
3.根据权利要求1所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，其特征在于：所述半开放式平面微通道为直线型或扰流柱型或翅片型。
4.根据权利要求1所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构，其特征在于：所述垂直贯穿微通道为矩形或圆形。
5.一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1)提供第一金属衬底，所述第一衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面，通过金属微加工技术在第一金属衬底的下表面上加工出平行于下表面的第一半开放式平面微流道；
2)提供第二金属衬底，所述第二衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面，通过金属微加工技术在第二金属衬底的上表面和下表面上加工出贯穿第二衬底的垂直贯穿微通道；
3)将所述第一金属衬底的下表面同所述第二金属衬底的上表面组装；使得所述第一半开放式平面微流道同贯穿微流道形成密封连接；
4)提供若干射频芯片，所述射频芯片同所述第一金属衬底的上表面组装在一起，组装位置分别对应所述开放式平面微流道结构区域；
5)提供铝合金衬底，所述铝合金衬底沿着厚度方向具有上表面和下表面；在铝合金衬底的上表面加工出第二半开放式流道结构；将所述第二金属衬底的下表面同所述铝合金衬底的上表面组装在一起；所述垂直贯穿微流道同所述第二半开放式流道形成密闭连接，连同所述第一半开放式平面微流道形成三维垂直结构微流道系统；
6)提供贴装有控制电路芯片的高密度互连基板，所述高密度互连基板沿着厚度方向具有上表面和下表面，将所述高密度互连基板的下表面装配在所述铝合金衬底的上表面；将所述大功率射频芯片的上表面同所述高密度互连基板的上表面进行打线连接，形成电学互连结构。
6.根据权利要求5所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于：所述第一金属衬底、第二金属的材质包括但不限于钨或钼或钛或铝或铜。
7.根据权利要求5所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于：步骤1)和步骤2)中的所述金属微加工技术为金属等离子深刻蚀技术或金属微压印技术或金属微细电火花技术。
8.根据权利要求5所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于：在步骤3)中所述第一金属衬底的下表面同所述第二金属衬底的上表面组装所用的装配工艺为聚合物键合或金属共晶键合或微焊接；
在步骤4)中将所述射频芯片同所述第一金属衬底的上表面组装在一起所用的装配工艺为金金键合或铜锡键合。
9.根据权利要求5所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于：在步骤4)中所述大功率射频芯片成一字型排列或矩形阵列。
10.根据权利要求5所述的一种应用于芯片散热的金属微通道热沉结构的制造方法，其特征在于：在步骤5)中在铝合金衬底的上表面加工出第二半开放式流道结构所采用的加工工艺为CNC机械加工工艺。
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