CN112441556A - 一种微流道芯片整体金属化加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微流道芯片整体金属化加工方法，将微流道芯片采用金属化夹具装夹，所述微流道芯片被悬空夹持于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片的侧壁与金属化夹具的内侧壁之间设置有间隙，仅通过微尺度精密夹持部件固定微流道芯片；将装夹好后的微流道芯片采用干法双面沉积金属化膜层，实现微流道芯片双面及侧壁同时金属化。通过对微流道芯片双面和侧壁进行整体金属化，实现了微流道芯片顶部的有效接地，避免在微流道芯片中引入TSV结构，在提升了集成密度的同时有效降低了微流道芯片加工难度和成本。此外，通过干法沉积金属化膜层，避免了高性能微流道芯片(流道宽度≤30μm)流道阻塞风险，提高了加工良率。

Description

一种微流道芯片整体金属化加工方法
技术领域
本发明属于微电子散热技术领域，具体涉及一种微流道芯片整体金属化加工方法。
背景技术
功率芯片是射频微系统的核心部件，先进半导体材料的发展使得功率芯片性能持续提升，随着功率密度的提高，散热问题越来越成为制约射频微系统性能发挥的瓶颈问题。硅基微通道通过微尺度的连续流体对芯片进行直接冷却，最大限度地降低了远程散热模式中各热沉间热阻对散热效率的影响，可以大幅度提升芯片的冷却效率，已经成为与芯片集成、实现器件在最近端散热的最佳途径之一，获得广泛关注。
在具体应用中，为实现微流道芯片散热目标功率芯片的有效接地，需要对微流道芯片进行金属化。现有技术主要采用整片晶圆表面溅射/蒸发金属种子层后电镀加厚实现表面金属化，再采用TSV结构实现器件上表面的有效连通。由于微流道芯片的高散热需求，其厚度通常较高(≥400μm)，深TSV孔不仅加工难度大，且在≥400μm厚度硅片上通常只能制备空心孔，使得TSV孔区域无法集成其它器件，严重影响电路集成密度，难以满足射频微系统中微流道芯片高集成密度和高散热的技术需求。专利CN109411427B中，硅基微流道芯片设计时即考虑到了采用刻蚀镂空结构实现整体金属化，可以规避TSV结构，但由于切割槽刻蚀需要采用深硅刻蚀工艺，在厚硅片上刻深通槽工艺耗时高，会增加较多制造成本。
同时，由于散热性能需求越来越高，为实现更好的散热效果，微流道芯片的流道宽度越来越窄。当微流道尺度降至30μm以下时，由于流道直径过窄，现有金属化加厚方法中镀液里的杂质容易造成微流道的堵塞，使得器件失效，难以满足器件加工良率要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种具备生产性的微流道器件整体金属化加工方法，通过对微流道芯片双面和侧壁进行整体金属化，避免在微流道芯片中引入TSV结构，在提升了集成密度的同时有效降低了微流道芯片加工难度和成本。此外，通过干法沉积金属化膜层，避免了高性能微流道芯片(流道宽度≤30μm)流道阻塞风险，提高了加工良率。
本发明采用的技术方案如下：
一种微流道芯片整体金属化加工方法，将微流道芯片采用金属化夹具装夹，所述微流道芯片被悬空夹持于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片的侧壁与金属化夹具的内侧壁之间设置有间歇，仅通过微尺度精密夹持部件固定微流道芯片；将装夹好后的微流道芯片采用干法双面沉积金属化膜层，实现微流道芯片双面及侧壁同时金属化。
所述金属化夹具包括结构相同的夹板一和夹板二，所述夹板一中部设置呈阵列分布有若干夹持单元一，同时沿周向方向均匀分布有固定螺钉孔一；所述夹板二上设置有与夹持单元一对应的呈阵列分布的若干夹持单元二；同时具有与所述固定螺钉孔一对应的固定螺钉孔二；任一所述夹持单元二与所述夹持单元一组成夹持单元；所述微流道芯片悬空置于夹持单元内，所述微流道芯片与夹持单元的内侧壁之间设置有间隙。
优选的，所述夹持单元一包括方形孔一，所述方形孔一的四个内侧壁中部均设置有微尺度精密夹持块一；所述夹持单元二包括方形孔二，所述方形孔二的四个内侧壁中部均设置的微尺度精密夹持块二；微尺度精密夹持块一和微尺度精密夹持块二形成微尺度精密夹持部件；所述微尺度精密夹持部件的夹持厚度与微流道芯片的高度尺寸一致。
优选的，所述夹板一表面上均有设置有若干对位销孔一，对位销孔一个数为偶数且两两对称，所述夹板二上设置有与对位销孔一匹配的对位销孔二。
优选的，所述金属化夹具经过精细腐蚀去除表面毛刺的处理。
优选的，所述金属化夹具采用金属制备。
优选的，所述干法双面沉积包括磁控溅射和蒸发金属中的任一种。
优选的，所述金属化膜层厚度为1.5～2μm。
优选的，所述金属化膜层为TiW/Au，TiW膜层作为粘附层，厚度为50-100nm； Au层作为导体层，厚度为1.5～2μm。
优选的，具体包括如下步骤：
步骤1：对硅基微流道芯片晶圆，通过激光或砂轮切割分片，得到分立的微流道芯片；
步骤2：根据微流道芯片尺寸通过机加工方式制作金属化夹具，将微流道芯片悬空置于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片与金属化夹具的内侧壁之间仅在微尺度精密夹持部件部分接触；
步骤3：装夹微流道芯片后，采用干法双面沉积金属化膜层，由于该沉积方式具备一定台阶覆盖性，可有效实现微流道芯片的侧边金属化。
本发明的有益技术效果是：
本发明所涉及的微流道芯片整体金属化加工方法，该方法采用干法沉积整体金属化膜层，通过优化装夹结构解决了微流道芯片侧边金属化接地问题，提高了微流道芯片集成密度，降低了微流道芯片的结构复杂性，同时避免了湿法电镀加厚过程带来的微通道阻塞风险。该装夹结构稳定性，安装便利，非常适用于实现微流道芯片等无法使用湿法加工工艺的高精密芯片的整体金属化。
附图说明
图1(a)是需要金属化的微流道芯片外观示意图；
图1(b)是图1(a)的A-A截面图；
图2(a)是金属化夹具阵列单元结构示意图；
图2(b)是图2(a)的A-A截面图；
图3(a)是微流道芯片装夹图示意图；
图3(b)是图3(a)的A-A截面图；
图4是金属化夹具整体示意图；
图5是金属化完成后的微流道芯片。
其中，附图标记对应的名称为：
1-夹板一；11-固定螺钉孔一；12-夹持单元一；13-方形孔一；14-微尺度精密夹持块一；15-对位销孔一；2-夹板二；21-固定螺钉孔二；22-夹持单元二；23- 方形孔二；24-微尺度精密夹持块二；25-对位销孔二；3-微尺度精密夹持部件；4-微流道；5-微流道芯片；6-进液口；7-出液口；8-金属化膜层；9-被夹持部位。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明公开了一种微流道芯片整体金属化加工方法，改善现有技术存在的微流道芯片存在的流道堵塞和金属化接地等问题。通过将微流道芯片5悬空置于金属化夹具装夹内，所述微流道芯片5与金属化夹具的内侧壁之间存在间隙；将装夹好后的微流道芯片5采用干法双面沉积金属化膜层8，由于干法双面沉积金属化膜层具备一定台阶覆盖性，可有效实现微流道芯片5的侧边金属化，因此可实现微流道芯片5双面及侧壁同时金属化；解决了微流道芯片5侧边金属化接地问题，提高了微流道芯片集成密度，降低了微流道芯片的结构复杂性，同时避免了湿法电镀加厚过程带来的微通道阻塞风险。该加工方法的具体加工方式，包括如下步骤：
步骤1：对硅基微流道芯片晶圆，通过激光或砂轮切割分片，得到分立的微流道芯片5；
步骤2：根据微流道芯片5尺寸通过机加工方式制作金属化夹具，将微流道芯片5悬空置于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片5与金属化夹具的内侧壁之间部分接触；
步骤3：装夹微流道芯片5后，采用干法双面沉积金属化膜层，由于该沉积方式具备一定台阶覆盖性，可有效实现微流道芯片的侧边金属化。
其中步骤2中采用的金属化结构采用如下结构：如图2-4所示，
所述金属化夹具包括结构相同的夹板一1和夹板二，所述夹板一1中部设置呈阵列分布有若干夹持单元一12，同时沿周向均匀分布有固定螺钉孔一11；所述夹板二上设置有与夹持单元一12对应的呈阵列分布的若干夹持单元二22；同时具有与固定螺钉孔一11对应的固定螺钉孔二21。任一所述夹持单元二22 与所述夹持单元一12组成夹持单元；所述微流道芯片5悬空置于夹持单元内，所述微流道芯片5与夹持单元的内侧壁之间设置有间隙。上述所述夹持单元一 12和夹持单元二22具体结构如下所示：
所述夹持单元一12包括方形孔一，所述方形孔一13的四个内侧壁中部均设置有微尺度精密夹持块一14；所述夹持单元二22包括方形孔二23，所述方形孔二23的四个内侧壁中部均设置的微尺度精密夹持块二24；微尺度精密夹持块一14和微尺度精密夹持块二24形成微尺度精密夹持部件3；所述微尺度精密夹持部件的夹持厚度3与微流道芯片5的高度尺寸一致。在本发明中，如图2-3所示，所述微尺度精密夹持块一14为可为L型，所述微尺度精密夹持块二24为可为L型，L型的微尺度精密夹持块一14与L型的微尺度精密夹持块二24形成的微尺度精密夹持部件3为凹陷阶梯状支撑结构，其凹陷阶梯状支撑结构的凹陷部分深度即为微尺度精密夹持部件3的夹持厚度，与微流道芯片5 的高度尺寸一致。与此同时，所述金属化夹具的所述夹板一1表面上均有设置有若干对位销孔一15，对位销孔一15个数为偶数且两两对称，所述夹板二2上设置有与对位销孔一15匹配的对位销孔二25。
与此同时，为保证精确对位和避免划伤微流道芯片，金属化夹具应进行精细腐蚀去除表面毛刺；所述金属化夹具还经过精细腐蚀去除表面毛刺的处理。
上述金属化夹具对微流道芯片进行夹持的方法为：
将微流道芯片5放入夹板一1中的夹持单元一12的微尺度精密夹持块一14 上，随后将夹板二2对扣在夹板一1上，微尺度精密夹持块一14和微尺度精密夹持块二24组成的微尺度精密夹持部件3夹持微流道芯片5，使得微流道芯片 5悬空置于由夹持单元一12和夹持单元二22形成的夹持单元内，所述微流道芯片5的侧壁与夹持单元的内侧壁之间设置有间隙，由于夹板一1设置有若干个呈阵列排布的夹持单元一12以及对应的夹板二2设置有若干个呈阵列排布的夹持单元二22，因此，一个金属化夹具可以夹持若干个微流道芯片5，且微流道芯片5在金属化夹具内呈阵列排布；与此同时，由于接触夹持部位结构精细，为保证对位夹持，金属化夹具设置有高精度对位销钉；因此，在夹板一1和夹板二2对扣后，通过对位销钉对位，实现细小接触部分的交叠，从而固定微流道芯片。在上述夹持过程中，微尺度精密夹持部件3的夹持厚度同微流道芯片 5高度尺寸相同。
其中，步骤3中采用的干法双面沉积金属化膜层的方法包括磁控溅射和蒸发金属中的任一种。沉积的金属化膜层厚度为1.5～2μm。当所述金属化膜层为 TiW/Au，TiW膜层作为粘附层，厚度为50～100nm；Au层作为导体层，厚度约为1.5～2μm。
实施例
本实施例提供一种微流道芯片整体金属化加工方法，实现微流道芯片5双面及侧壁同时金属化，避免了湿法电镀加厚过程带来的微通道阻塞风险，具体包括如下加工步骤：如图1-5所示，
步骤1：针对硅基微流道芯片晶圆，通过激光或砂轮切割分片，得到分立的微流道芯片5，所述微流道芯片5包括设置在芯片表面的圆形进液口6和出液口 7，以及微流道芯片5内部设置有微流道4。如图1(a)、1(b)所示
步骤2：根据微流道芯片5尺寸通过机加工方式制作金属化夹具，该夹具可采用铜制备，所述金属化夹具包括结构一致的夹板一1和夹板二2，夹板一1上设置有呈阵列分布的夹持单元一12，夹板二2设置有与夹持单元一对应的呈阵列分布的若干夹持单元二22(图2)；所述夹持单元一12包括方形孔一13，所述方形孔一13的四个内侧壁中部均设置有L型的微尺度精密夹持块一14；所述夹持单元二22包括方形孔二23，所述方形孔二23的四个内侧壁中部均设置的 L型的微尺度精密夹持块二24；L型的微尺度精密夹持块一14和L型的微尺度精密夹持块二24形成微尺度精密夹持部件3为凹陷阶梯状支撑结构；所述凹陷阶梯状支撑结构的凹陷部分深度与微流道芯片5的高度尺寸一致。其中，凹陷阶梯状支撑结构5的宽度为100μm，凹陷阶梯状支撑结构5的凹陷部分深度为365μm；此外，所述夹板一1表面上均匀分布有固定螺钉孔一11，夹板二2 上设置有与所述固定螺钉孔一11对应的固定螺钉孔二21；夹板一1表面上均有设置有若干对位销孔一15，对位销孔一15个数为偶数且两两对称，所述夹板二 2上设置有与对位销孔一15匹配的对位销孔二25。如图2(a)、2(b)所示。
步骤3：将制备好的金属化夹具在铜微蚀液中进行微蚀，去除表面毛刺；
步骤4：将微流道芯片5装入金属化夹具中由夹持单元一12和夹持单元二 22组成的夹持单元内，如图31(a)、3(b)所示，夹板一1和夹板二2对扣，通过对位销钉连接对位销孔一15和对位销孔二25进行对位，实现±30μm对位精度。并通过固定螺钉连接固定螺孔一11和固定螺孔二21进行紧固，实现微流道芯片5装夹，如图4所示。
步骤5：装夹微流道芯片后，采用双面溅射方法干法沉积TiW/Au金属化膜层，沉积厚度为2μm，实现微流道芯片双面和侧边的有效金属化接地连通效果。金属化完成后的微流道芯片如图5所示，上表面和侧壁上都有金属化膜层8，而侧壁被夹持部位9没有金属化膜层8。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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)

1.一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，将微流道芯片(5)采用金属化夹具装夹，所述微流道芯片(5)被悬空夹持于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片(5)的侧壁与金属化夹具的内侧壁之间设置有间隙，仅通过微尺度精密夹持部件固定微流道芯片；将装夹好后的微流道芯片(5)采用干法双面沉积金属化膜层，实现微流道芯片(5)双面及侧壁同时金属化。
2.根据权利要求1所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述金属化夹具包括结构相同的夹板一(1)和夹板二，所述夹板一(1)中部设置呈阵列分布有若干夹持单元一(12)，同时沿周向方向均匀分布有若干固定螺钉孔一(11)；所述夹板二上设置有与夹持单元一(12)对应的呈阵列分布的若干夹持单元二(22)；同时具有与所述固定螺钉孔一(11)对应的固定螺钉孔二(21)；任一所述夹持单元二(22)与所述夹持单元一(12)组成夹持单元；所述微流道芯片(5)悬空置于夹持单元内，所述微流道芯片(5)与夹持单元的内侧壁之间设置有间隙。
3.根据权利要求2所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述夹持单元一(12)包括方形孔一(13)，所述方形孔一(13)的四个内侧壁中部均设置有微尺度精密夹持块一(14)；所述夹持单元二(22)包括方形孔二(23)，所述方形孔二(23)的四个内侧壁中部均设置的微尺度精密夹持块二(24)；微尺度精密夹持块一(14)和微尺度精密夹持块二(24)形成微尺度精密夹持部件(3)；所述微尺度精密夹持部件(3)的夹持厚度与微流道芯片(5)的高度尺寸一致。
4.根据权利要求3所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述夹板一(1)表面上均有设置有若干对位销孔一(15)，对位销孔一(15)个数为偶数且两两对称，所述夹板二上设置有与对位销孔一(15)匹配的对位销孔二(25)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述金属化夹具经过精细腐蚀去除表面毛刺的处理。
6.根据权利要求5所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述金属化夹具采用金属制备。
7.根据权利要求1所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述干法双面沉积包括磁控溅射和蒸发金属中的任一种。
8.根据权利要求1所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述金属化膜层厚度为1.5～2μm。
9.根据权利要求1所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，所述金属化膜层为TiW/Au，TiW膜层作为粘附层，厚度为50～100nm；Au层作为导体层，厚度为1.5～2μm。
10.根据权利要求1-4或6-9任一项所述的一种微流道芯片整体金属化加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：对硅基微流道芯片晶圆，通过激光或砂轮切割分片，得到分立的微流道芯片(5)；
步骤2：根据微流道芯片尺寸通过机加工方式制作金属化夹具，将微流道芯片(5)悬空置于所述金属化夹具装夹内，所述微流道芯片(5)与金属化夹具的内侧壁之间仅在微尺度精密夹持部件部分接触；
步骤3：装夹微流道芯片(5)后，采用干法双面沉积金属化膜层，由于该沉积方式具备台阶覆盖性，因此，有效实现微流道芯片(5)的侧边金属化。
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