CN112349660B - 嵌入加热结构的硅基微通道散热器及应用方法与制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子散热技术领域，公开了一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器及其应用方法与制备方法。该微通道散热器由两片硅片键合而成，在进液口及进液分流区域对应的键合层内布置加热结构和温度传感器，加热结构与温度传感器的馈电端通过穿硅通孔(TSV)引至微通道散热器的外表面焊盘，实现与微通道散热器的紧凑集成。本发明提供的微通道散热器在低温工作状态，可对防冻冷却液进行加热同时监控液温，防止温度过高影响散热效果，当液温稳定时再开启大功率器件，从而保障系统在低温状态稳定工作。

Description

嵌入加热结构的硅基微通道散热器及应用方法与制备方法
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其涉及一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器及应用方法和制备方法。
背景技术
随着第三代半导体器件在电子设备中的广泛应用，其散热问题日趋严峻，一些多栅器件在微波频段的输出热流密度甚至高达千瓦每平方厘米量级。微通道散热器是解决这类器件散热的最佳途径之一，获得广泛关注。
航空、航天、极地、沙漠等苛刻环境，要求电子设备在低温时仍能稳定工作，最低工作环境温度甚至可能低至-55℃。当大功率器件的热流密度在500W/cm2以上时，依赖低温下空气对流和热传导不能满足器件的工作需求。研究表明，无高效散热措施的大功率器件(热流密度＞500W/cm2)在低温环境下，仍然会迅速烧毁。因此，对于此类器件在低温环境下工作时，需要采用微通道散热等主动换热技术。此时，基于普通水冷的微通道散热器不再适用，这是由于，当环境温度低于0℃后，水会结冰，体积膨胀，导致微通道破裂失效。因此，必须采用低温下仍然能够工作的防冻冷却工质。然而，现在常用的防冻冷却工质，例如65号冷却液(冰点为-65℃的乙二醇/水混合溶液)以及PAO(Poly-Alpha-Olefin，聚阿尔法烯烃)等液体，其粘度随温度降低而显著升高；-20℃时，其粘度为0℃时的5倍左右。低温工作时，流体阻力增大，当流道尺寸在毫米量级时，流阻增大效应并不显著，仅需要冷却系统适当提高供液压力。对于集成微通道散热器的冷却系统，由于其典型的通道尺寸在微米量级，冷却工质粘度上升导致的流阻增强效应更加明显，产生流体滞留现象。即使进一步增加系统的供液能力，也难以建立稳定的流体，甚至将导致微通道结构破损。因此，如何实现微通道散热器在低环境温度下稳定工作，从而实现高效散热，是一个技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器及应用方法和其制备方法，该微通道散热器由两片硅片键合而成，在进液口及进液分流区域对应的键合层内布置加热结构和温度传感器，加热结构与温度传感器的馈电端通过穿硅通孔(TSV)引至微通道散热器的外表面焊盘，实现与微通道散热器的紧凑集成。
本发明采用的技术方案如下：一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，由第一硅片和第二硅片键合形成，包括：进液口、出液口、进液分流区域、微通道沟道、键合层、穿硅通孔以及表面焊盘；
所述进液口和出液口设置在第二硅片上；
所述第一硅片和所述第二硅片键合后，两者之间形成键合层；
所述第一硅片靠近键合层的表面设有加热结构和温度传感器，且所述加热结构和所述温度传感器的位置与第二硅片上的进液口位置相对应。
进一步的，所述穿硅通孔和表面焊盘设置在第一硅片上，所述加热结构和所述温度传感器的馈电端通过所述穿硅通孔引至所述表面焊盘。
进一步的，所述第二硅片靠近键合层的表面上设有微通道沟道和进液分流区域。
进一步的，所述进液分流区域位于第二硅片上靠近进液口的一侧。
本发明还提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的应用方法，包括：
步骤1：提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，将大功率器件集成在所述微通道散热器的表面；
步骤2：通过供液系统向微通道散热器的下方进液口通入防冻冷却剂；
步骤3：利用温度传感器测试进液口的温度，当测试到温度低于设定温度时，对加热结构进行加热处理；其中，设定温度为：-5℃～5℃；
步骤4：持续测试温度传感器，当进液口温度稳定在预设的温度范围内时，开启大功率器件；其中，设定温度为：10℃～30℃；
步骤5：在大功率器件工作过程中持续监控温度传感器温度，当温度高于设定温度时，关闭加热结构或者降低加热结构的加热功率，保持进液温度稳定在一定的温度范围之内；其中，设定温度为：40℃～60℃，保持进液温度范围为：10℃～30℃；
步骤6：在工作完成需要关闭供液系统时，首先关闭大功率器件，然后关断加热结构，最后切断流体。
进一步的，所述防冻冷却剂选用65号防冻液或者PAO。
本发明还提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A：提供两片硅片，并对两片硅片的表面进行光滑处理；
步骤B：加工第一硅片，包括：首先在第一硅片上开设穿硅通孔，并在第一硅片的表面上设置焊盘；其次将焊盘所在面与临时载片键合在一起，并使穿硅通孔贯通第一硅片；再次在第一硅片的另一表面设置加热结构、温度传感器以及键合对准图形；最后在加热结构与温度传感器的上方设置钝化层，并对该钝化层表面进行抛光；
步骤C：加工第二硅片，包括：首先在第二硅片的表面上制备键合对准图形，并在其表面设置一层钝化层，同时对该钝化层表面进行抛光；然后在第二硅片的表面刻蚀微通道沟道及进液分流区域；
步骤D：根据第一硅片和第二硅片上的对准图形，使用晶圆键合工艺将第一硅片与第二硅片键合；
步骤E：解除第一硅片与临时载片之间的键合；
步骤F：在第二硅片上刻蚀进液口与出液口；
步骤G：切分整个键合在一起的硅片，获得单个微通道散热器。
进一步的，所述步骤B包括：
步骤B1：使用光刻、干法刻蚀、孔壁钝化、孔金属化和化学机械抛光工艺在第一硅片上加工开设穿硅通孔，其中，所述穿硅通孔直径范围为5μm～30μm，深度范围为50μm～200μm，所述穿硅通孔为金属填充满的实心孔；
步骤B2：使用光刻、溅射种子层以及电镀技术在第一硅片的表面设置焊盘，其中，所述焊盘的金属材料选用Au或Al材料；
步骤B3：使用临时键合工艺将焊盘所在面与临时载片键合在一起，并使用减薄抛光工艺使穿硅通孔贯通硅片；
步骤B4：使用表面钝化、光刻、溅射种子层、气相沉积金属以及光刻结合薄膜刻蚀技术在第一硅片的表面设置加热结构、温度传感器以及键合对准图形；
步骤B5：使用表面钝化工艺在加热结构与温度传感器的上方设置钝化层，并使用化学机械抛光工艺将钝化层的表面粗糙度控制在1nm以下。
进一步的，所述步骤B4中设置的加热结构和温度传感器均为线性薄膜平面电阻，其中，所述加热结构分布在对应进液口和进液分流区域的位置，加热结构阻值为20～400欧姆；所述温度传感器分布在对应进液口中心区域的位置，温度传感器阻值为500～3000欧姆。
进一步的，所述步骤C包括：
步骤C1：在第二硅片表面通过溅射结合光刻与薄膜刻蚀技术制备键合对准图形，并在其表面生长一层钝化层，并使用化学机械抛光工艺将钝化层表面粗糙度控制在1nm以下；
步骤C2：使用干法刻蚀工艺在第二硅片表面刻蚀微通道沟道以及进液分流区域；其中，所述微通道沟道的宽度为10～100μm，深度为150～500μm。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)在进液口和进液分流区域内置加热结构和温度传感器，通过对低温粘度显著增大的防冻冷却液加热，显著降低了低温微米尺度流体流阻增大问题，并实时监控进液温度，保障了使用微通道散热器的大功率器件在低温状态稳定工作。
(2)加热结构和温度传感器集成在微通道内部，通过穿硅通孔引致表面馈电焊盘，不增大微通道散热器的体积，基本不降低微通道散热器上芯片的集成密度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器剖面图。
图2是本发明实施例提供的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器上层硅片键合面俯视图。
图3是本发明实施例提供的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器下层硅片键合面俯视图
图4是本发明实施例中上层硅片加工过程示意图
图5是本发明实施例中下层硅片加工过程示意图
图6是本发明实施例中将上层硅片与下层硅片进行晶圆键合过程示意图。
图7是与临时载片解键合键合示意图。
图8是微通道散热器集成应用示意图。
附图标记：1-上层硅片，2-下层硅片，3-加热结构，4-温度传感器，5-穿硅通孔，6-进液口、7-出液口、8-微通道沟道、9-表面焊盘、10-进液分流区域、11-键合层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明实施例提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，本微通道散热器由第一硅片和第二硅片键合而成，两者之间为键合层，第一硅片上设置由加热结构、温度传感器、表面焊盘以及穿硅通孔(TSV)，第二硅片上设置有进液口、出液口以及微通道沟道。
在本实施例中，如图1所示，本微通道散热器由上层硅片和下层硅片键合而成，具体包括：加热结构、温度传感器、穿硅通孔(TSV)、进液口、出液口、微通道沟道、表面焊盘、进液分流区域以及键合层。
其中，如图1、图2所示，表面焊盘设置在上层硅片的上表面，加热结构和温度传感器位于上层硅片对应进液口和进液分流区域的键合层内，与防冻冷却液通过键合层隔开；加热结构和温度传感器的馈电端通过穿硅通孔引到上层硅片的上表面焊盘。
如图1、图3所示，进液口和出液口分别设置在下层硅片左右的两端，微通道沟道和进液分流区域设置在下层硅片的上表面，进液分流区域位于偏向进液口的一端。
本发明实施例还提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的应用方法，其应用示例如图8所示，大功率器件集成在微通道散热器的上表面，液体由供液系统提供，通过封装盒体的流道由微通道散热器下方进液口流入，出液口流出。
具体的应用流程如下：
步骤1：提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，将大功率器件集成在微通道散热器的上表面。
步骤2：通过供液系统向微通道散热器的下方进液口通入防冻冷却剂。
其中，所述防冻冷却剂为低温黏度显著增大的冷却液，优选地，该冷却液为65号防冻液或PAO。在本实施例中，所述防冻冷却剂选用65号防冻液。
步骤3：使用小电流测试温度传感器电阻，根据电阻温度系数换算得到进液口温度，当温度低于设定温度时，对加热结构加电，加热结构即开始发热。
其中，设定温度的范围为：-5℃～5℃，在本实施例中，选用0℃为设定温度。
步骤4：持续测试温度传感器，当进液口温度稳定在预设的温度范围内时，开启大功率器件。
其中，预设的温度范围为：10℃～30℃；在本实施例中，预设的温度范围为20℃～25℃。
步骤5：在大功率器件工作过程中持续监控温度传感器温度，当温度高于设定值时，关闭加热结构或者降低加热结构的加热功率，保持进液温度稳定在一定的温度范围之内；
其中，设定值范围为：40℃～60℃，保持进液温度范围为：10℃～30℃；在本实施例中，温度设定值为40℃，保持进液温度范围为20℃～25℃。
步骤6：在工作完成需要关闭供液系统时，首先关闭大功率器件，然后关断加热结构，最后切断流体。
本发明实施例还提供一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的制备方法，具体的制备流程如下：
(1)提供两片表面光滑的硅片1和硅片2。
(2)如图4所示，加工硅片1：
a)使用光刻结合干法刻蚀工艺加工盲孔，使用化学气相沉积工艺将孔壁钝化，然后通过深孔溅射和电镀工艺在孔内填充金属Cu，最后通过化学机械抛光工艺去除表面多余的Cu层。
b)使用化学气相沉积工艺在穿硅通孔表层加工钝化层，通过光刻工艺定义焊盘图形，然后使用溅射工艺加工种子层Ti/TiN/Au，并使用电镀工艺电镀焊盘材料Au，最后通过剥离工艺去除多余的光刻胶，从而在穿硅通孔表面完成焊盘加工。
c)使用临时键合工艺将焊盘所在面与一个同等规格的硅片键合在一起，然后减薄抛光工艺对硅片1进行减薄，使穿硅通孔贯通硅片。
d)使用化学气相沉积工艺在硅片1表面加工钝化层SiN，使用光刻工艺定义加热结构、温度传感器与穿硅通孔的互连端口，通过溅射工艺制备种子层Ti/TiN，在种子层表面使用化学气相沉积工艺制备耐高温金属薄膜W，通过光刻结合薄膜刻蚀技术制备加热结构、温度传感器的图形以及键合对准图形。
其中，所述加热结构集中分布在对应进液口和进液分流区域，加热结构阻值为20～400欧姆。所述温度传感器分布在对应进液口中心区域，温度传感器阻值为500～3000欧姆。在本实施例中，加热结构的电阻为40欧姆，温度传感器的阻值为2000欧姆。
e)使用化学气相沉积工艺在硅片1的表面加工SiO2层，并使用化学机械抛光技术将其表面粗糙度控制在1nm以下。
(3)如图5所示，加工硅片2：
a)在硅片2的表面溅射Ti/TiN，通过光刻结合薄膜刻蚀技术制备键合对准图形，并在其表面生长一层SiO2，并使用化学机械抛光技术将其表面粗糙度控制在1nm以下。
b)使用干法刻蚀工艺在硅片2表面刻蚀微流道结构，流道的宽度为30μm，深度为250μm。
(4)如图6所示，使用SiO2熔融键合工艺将1和2通过键合对准图形键合在一起。
(5)如图7所示，硅片1与硅片2之间解键合。
(6)使用光刻结合干法刻蚀工艺在硅片2上刻蚀进、出液口。
(7)使用砂轮分片工艺获得单个微通道散热器。
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。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，由第一硅片和第二硅片键合形成，包括：进液口、出液口、进液分流区域、微通道沟道、键合层、穿硅通孔以及表面焊盘，其特征在于：
所述进液口和出液口设置在第二硅片上；
所述第一硅片和所述第二硅片键合后，两者之间形成键合层；
所述第一硅片靠近键合层的表面设有加热结构和温度传感器，且所述加热结构和所述温度传感器的位置与第二硅片上的进液口位置相对应；
所述加热结构与所述温度传感器为金属薄膜W，所述金属薄膜W面向第二硅片的一侧设置有钝化层。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，其特征在于，所述穿硅通孔和表面焊盘设置在第一硅片上，所述加热结构和所述温度传感器的馈电端通过所述穿硅通孔引至所述表面焊盘。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，其特征在于，所述第二硅片靠近键合层的表面上设有微通道沟道和进液分流区域。
4.根据权利要求3所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器，其特征在于，所述进液分流区域位于第二硅片上靠近进液口的一侧。
5.一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的应用方法，其特征在于，包括：
步骤1：提供一种如权利要求1所述的嵌入加热结构的硅基微通道散热器，将大功率器件集成在所述微通道散热器的表面；
步骤2：通过供液系统向微通道散热器的下方进液口通入防冻冷却剂；
步骤3：利用温度传感器测试进液口的温度，当测试到温度低于设定温度时，对加热结构进行加热处理；
步骤4：持续测试温度传感器，当进液口温度稳定在预设的温度范围内时，开启大功率器件；
步骤5：在大功率器件工作过程中持续监控温度传感器温度，当温度高于设定值时，关闭加热结构或者降低加热结构的加热功率，保持进液温度稳定在一定的温度范围之内；
步骤6：在工作完成需要关闭供液系统时，首先关闭大功率器件，然后关断加热结构，最后切断流体。
6.根据权利要求5所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的应用方法，其特征在于，所述防冻冷却剂选用65号防冻液或者PAO。
7.一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A：提供两片硅片，并对两片硅片的表面进行光滑处理；
步骤B：加工第一硅片，包括：首先在第一硅片上开设穿硅通孔，并在第一硅片的表面上设置焊盘；其次将焊盘所在面与临时载片键合在一起，并使穿硅通孔贯通第一硅片；再次在第一硅片的另一表面设置加热结构、温度传感器以及键合对准图形；最后在加热结构与温度传感器的上方设置钝化层，并对该钝化层表面进行抛光；
所述步骤B包括：
步骤B1：使用光刻、干法刻蚀、孔壁钝化、孔金属化和化学机械抛光工艺在第一硅片上加工开设穿硅通孔，其中，所述穿硅通孔直径范围为5μm～30μm，深度范围为50μm～200μm，所述穿硅通孔为金属填充满的实心孔；
步骤B2：使用光刻、溅射种子层以及电镀技术在第一硅片的表面设置焊盘，其中，所述焊盘的金属材料选用Au或Al材料；
步骤B3：使用临时键合工艺将焊盘所在面与临时载片键合在一起，并使用减薄抛光工艺使穿硅通孔贯通硅片；
步骤B4：使用表面钝化、光刻、溅射种子层、气相沉积金属以及光刻结合薄膜刻蚀技术在第一硅片的表面设置加热结构、温度传感器以及键合对准图形；
步骤B5：使用表面钝化工艺在加热结构与温度传感器面向第二硅片的一侧设置钝化层，并使用化学机械抛光工艺将钝化层的表面粗糙度控制在1nm以下；步骤C：加工第二硅片，包括：首先在第二硅片的表面上制备键合对准图形，并在其表面设置一层钝化层，同时对该钝化层表面进行抛光；然后在第二硅片的表面刻蚀微通道沟道及进液分流区域；
步骤D：根据第一硅片和第二硅片上的键合对准图形，使用SiO2熔融晶圆键合工艺将第一硅片与第二硅片键合；
步骤E：解除第一硅片与临时载片之间的键合；
步骤F：在第二硅片上刻蚀进液口与出液口；
步骤G：切分整个键合在一起的硅片，获得单个微通道散热器。
8.根据权利要求7所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的制备方法，其特征在于，所述步骤B4中设置的加热结构和温度传感器均为线性薄膜平面电阻，其中，所述加热结构分布在对应进液口和进液分流区域的位置，加热结构阻值为20～400欧姆；所述温度传感器分布在对应进液口中心区域的位置，温度传感器阻值为500～3000欧姆。
9.根据权利要求7所述的一种嵌入加热结构的硅基微通道散热器的制备方法，其特征在于，所述步骤C包括：
步骤C1：在第二硅片表面通过溅射结合光刻与薄膜刻蚀技术制备键合对准图形，并在其表面生长一层钝化层，并使用化学机械抛光工艺将钝化层表面粗糙度控制在1nm以下；
步骤C2：使用干法刻蚀工艺在第二硅片表面刻蚀微通道沟道以及进液分流区域；其中，所述微通道沟道的宽度为10～100μm，深度为150～500μm。
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