CN112234037A - 一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法 - Google Patents

一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法，该转接板由嵌入式金刚石薄片和硅基微流体散热结构组成，大功率密度芯片集成于嵌入式金刚石薄片上，微流体结构通过外接循环系统或集成微泵形式，驱动其中的冷却液循环。该转接板利用金刚石的高导热特性，将芯片上局部热点处的高热流密度在金刚石薄片中迅速铺开，并快速传导至嵌入式金刚石薄片下方，实现局部热点快速均温效果，通过微流体通道中的冷却液对流作用，与外界形成热量交换，形成了一种高效的循环散热过程，有效保障系统中大功率有源芯片的性能和可靠性，利用硅转接板实现系统三维互连，提高系统的集成度。

Description

一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法
技术领域
本发明提出一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法，属于微电子和微系统技术领域。
背景技术
随着芯片与模块在系统中集成密度的提高，系统集成的热管理问题日益显著，将直接影响其中关键芯片与模块的使用寿命、性能和可靠性。特别是在大功率密度芯片的集成中，由于在传统集成方式、常用材料与结构和系统散热方式所对应的散热路径中，常常出现热阻分布不均，形成局部热点，对关键芯片的性能和可靠性造成严重影响，因此在上述三方面的完善和改进成为系统集成技术发展中无法避免的需求。
在微系统集成技术的发展过程中，硅转接板的应用由于其工艺兼容性、高加工精度和较高导热特性，在高密度小型化集成系统中出现得越来越频繁。在大功率器件的集成中，如氮化镓第三代半导体器件，传统的钼铜、钨铜、A1SiC等材料，由于热膨胀系数与半导体材料的差别较大，无法满足热匹配需求。因此金刚石材料吸引了越来越多的目光，出现了氮化镓器件衬底转移、原位生长等新兴的技术。采用金刚石材料作为器件衬底，具有高导热特性，可以实现均热效果，有效解决大功率器件应用过程中形成局部热点的散热问题。目前金刚石衬底生长大功率器件的工艺加工技术难度较大，工艺成本较高，而用于大功率器件集成的高导热材料异质衬底技术尚未形成，嵌入金刚石材料的硅转接板成为一种成本低廉且易于工程化的有效技术途径。同时在新兴的硅基散热方式中，常见于MEMS体硅工艺的一种主动散热方式是微流体散热，相对传统的被动散热，散热效率可成倍提升，同时易于集成在硅转接板中，形成与外界热量交换的高效散热循环，大大提升系统整体的散热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法，结合系统集成方式、材料与结构和系统散热方式三方面的技术改进，有效解决上述背景技术中所提及系统集成中的散热问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，包含嵌入式金刚石薄片和硅衬底；
所述的嵌入式金刚石薄片表面沉积有键合薄膜材料或焊接所需薄膜材料；
所述的硅衬底包含上下两层硅片：具有对应用于嵌入金刚石的槽体结构的上层硅片和具有微流体通道结构的下层硅片。
进一步的，该转接板应用于集成有功率芯片的系统或模块。
进一步的，嵌入式金刚石薄片为高温高压或CVD金刚石衬底采用激光切割制成的薄片，热导率大于1000W/m·K，厚度为100-2000μm，待散热的芯片焊接于金刚石薄片上，金刚石薄片长度和宽度尺寸大于或等于相应的芯片长度和宽度尺寸。
进一步的，所述的硅衬底上层硅片中的槽体长度和宽度尺寸大于相应的金刚石薄片长度和宽度尺寸，尺寸余量小于或等于10μm，槽体深度根据集成芯片的互连要求设计。
进一步的所述的硅衬底下层硅片中的微流体通道位于上层硅片中的槽体结构的下方，微流体通道分布区域尺寸大于或等于槽体分布面尺寸。
进一步的，所述的硅衬底下层硅片中的微流体通道，根据与上层硅片槽体的结构关系，分为与上方槽体连通的开放式微流体通道和不与上方槽体连通的封闭式微流体通道，封闭式微流体通道的上层壁厚小于300μm。
进一步的，所述的微流体通道的高度、宽度、间距为1-300μm，微流体通道的高度、宽度、间距的三者中任意两者的比例小于5∶1。
本发明还提供一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板制备方法，包含以下步骤：
步骤1，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在上层硅片上形成槽体结构，在下层硅片上形成微流体通道，根据所设计的入液口和出液口位置，在相应的硅片上形成入液口和出液口的结构；
步骤2，两层硅片在键合面可以经表面处理后形成硅-硅圆片键合或通过依次沉积金属粘附层和金属键合层后形成共晶圆片键合，其中金属键合层的材料为二元或多元合金；
步骤3，在金刚石薄片和上层硅片槽体的接触面，依次沉积金属粘附层和金属键合层，当金属键合层采用单一金属材料，则将金锡合金焊料片填入槽体内，将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合，当金属键合层采用二元或多元合金材料时，则直接将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合；
步骤4，在转接板上表面沉积金属粘附层和金属键合层，用于后续芯片的装配。
进一步的，开放式结构的微流体通道在步骤3中采用二元或多元合金材料键合。
进一步的，封闭式微流体通道在步骤3中采用两种键合方式中的任意一种相比现有技术方案，本发明具有以下优点：
(1)该嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板具有芯片、模块系统集成的工艺兼容性，可广泛可应用于硅基转接板系统集成或封装结构中；
(2)该嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板采用嵌入式金刚石薄片解决大功率密度芯片在系统中形成的局部热点问题，相较于使用金刚石衬底器件用于系统集成而言，系统整体成本较低；
(3)该嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，采用了微流体散热方式，相较于传统被动散热方式，散热效率成倍提高。
附图说明
图1是嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板的顶视图。
图2是嵌入式金刚石硅基开放式微流体散热转接板的图1A-A’剖面图。
图3是嵌入式金刚石硅基封闭式微流体散热转接板的图1A-A’剖面图。
具体实施方式
本发明提出了一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，包含嵌入式金刚石薄片和硅衬底，具体的技术方案详细说明如下：
图1-图3为该嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板的结构图，包括嵌入式金刚石薄片2和硅衬底3，其中：
嵌入式金刚石薄片2的上表面有与芯片1焊接所需的薄膜材料，嵌入式金刚石薄片2的下表面有与硅衬底3键合的薄膜材料或焊接所需的薄膜材料。
硅衬底3包含对应用于嵌入金刚石薄片2的槽体结构5的上层硅片4和具有微流体通道结构7的下层硅片6。
嵌入式金刚石薄片2为高温高压或CVD金刚石衬底采用激光切割制成的薄片，热导率大于1000W/m·K，厚度为100-2000μm，厚度可以根据带散热芯片1上热源分布情况设计，热源分布密集的芯片通常选用厚度较厚。待散热的芯片1可以采用金锡焊料等材料直接焊接于金刚石薄片2上，金刚石薄片2长度和宽度尺寸大于或等于相应的芯片1长度和宽度尺寸。
硅衬底3的上层硅片4中，槽体5长度和宽度尺寸大于相应的金刚石薄片2长度和宽度尺寸，尺寸余量小于或等于10μm，槽体5深度根据集成芯片1的互连要求设计，可以根据芯片外围电路的分布情况适当调整槽体5深度，以缩短互连路径长度。
硅衬底3的下层硅片6中，微流体通道7位于槽体结构5的下方，微流体通道7分布区域尺寸大于或等于槽体5分布面尺寸。微流体通道7分为图2中与上方槽体5连通的开放式结构和图3中不与上方槽体5连通的封闭式结构，在槽体5下方的封闭式微流体通道7上层壁厚，即微流体通道7上表面和槽体5下表面间距小于300μm。微流体通道7尺寸为1-300μm，微流体通道7的高度、宽度、间距的三者中任意两者的比例小于5：1。
图2和图3两种结构的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板的制备方法包含如下步骤：
步骤1，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在上层硅片4上形成槽体结构5，在下层硅片6上形成微流体通道7，根据所设计的入液口和出液口位置，在相应的硅片上形成入液口和出液口的结构；
步骤2，两层硅片4、6在键合面可以经表面处理，如表面氧化和表面激活等工艺后，形成硅-硅圆片键合，或通过采用蒸发或溅射等工艺，依次沉积金属粘附层和金属键合层后，形成共晶圆片键合，其中金属键合层的材料为二元或多元合金，如金锡、铜锡等材料；
步骤3，在金刚石薄片2和上层硅片槽体5的接触面，通过采用蒸发或溅射等工艺，依次沉积金属粘附层和金属键合层，当金属键合层采用单一金属材料，如金或铜时，则将金锡合金焊料片填入槽体内，将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合，当金属键合层采用二元或多元合金材料时，则直接将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合；
步骤4，在转接板上表面沉积金属粘附层和金属键合层，用于后续芯片1的装配。
图2中开放式微流体通道7硅转接板的制备步骤3中键合面需要采用沉积二元或多元合金材料实现键合，图3中封闭式微流体通道7硅转接板的制备步骤3中键合面可以采用沉积单一金属材料后填入金锡合金焊料片，也可以采用沉积二元或多元合金材料实现键合。
该转接板应用于集成有功率芯片的系统或模块中，系统或模块的封装结构中存在冷却液的接口，用于连接转接板中冷却液接口与外围冷却液循环系统。

Claims (10)

1.一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，包含嵌入式金刚石薄片和硅衬底，其特征在于：
所述的嵌入式金刚石薄片表面沉积有键合薄膜材料或焊接所需薄膜材料；
所述的硅衬底包含上下两层硅片：具有对应用于嵌入金刚石薄片的槽体结构的上层硅片和具有微流体通道结构的下层硅片。
2.根据权利要求1所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，该转接板应用于集成有功率芯片的系统或模块。
3.根据权利要求1所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，所述的嵌入式金刚石薄片为高温高压或CVD金刚石衬底采用激光切割制成的薄片，热导率大于1000W/m·K，厚度为100-2000μm，待散热的芯片焊接于金刚石薄片上，金刚石薄片长度和宽度尺寸大于或等于相应的芯片长度和宽度尺寸。
4.根据权利要求1所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，所述的硅衬底上层硅片中的槽体长度和宽度尺寸大于相应的金刚石薄片长度和宽度尺寸，尺寸余量小于或等于10μm，槽体深度根据集成芯片的互连要求设计。
5.根据权利要求1所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，所述的硅衬底下层硅片中的微流体通道位于上层硅片中的槽体结构的下方，微流体通道分布区域尺寸大于或等于槽体分布面尺寸。
6.根据权利要求5所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，所述的硅衬底下层硅片中的微流体通道，根据与上层硅片槽体的结构关系，分为与上方槽体连通的开放式微流体通道和不与上方槽体连通的封闭式微流体通道，封闭式微流体通道的上层壁厚小于300μm。
7.根据权利要求5或6所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板，其特征在于，所述的微流体通道的高度、宽度、间距为1-300μm，微流体通道的高度、宽度、间距的三者中任意两者的比例小于5：1。
8.一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板制备方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在上层硅片上形成槽体结构，在下层硅片上形成微流体通道，根据所设计的入液口和出液口位置，在相应的硅片上形成入液口和出液口的结构；
步骤2，两层硅片在键合面可以经表面处理后形成硅-硅圆片键合或通过依次沉积金属粘附层和金属键合层后形成共晶圆片键合，其中金属键合层的材料为二元或多元合金；
步骤3，在金刚石薄片和上层硅片槽体的接触面，依次沉积金属粘附层和金属键合层，当金属键合层采用单一金属材料，则将金锡合金焊料片填入槽体内，将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合，当金属键合层采用二元或多元合金材料时，则直接将金刚石薄片接触面嵌入槽体内，加热加压键合；
步骤4，在转接板上表面沉积金属粘附层和金属键合层，用于后续芯片的装配。
9.根据权利要求8所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板制备方法，其特征在于，开放式结构的微流体通道在步骤3中采用二元或多元合金材料键合。
10.根据权利要求8所述的嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板制备方法，其特征在于，封闭式微流体通道在步骤3中采用两种键合方式中的任意一种。
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