CN112928083B - 一种功率器件栅区的散热装置及制作方法 - Google Patents

一种功率器件栅区的散热装置及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率器件栅区的散热装置和制作方法，包括硅基板、流道层组件、冷却剂和针鳍，流道层组件和硅基板可拆卸连接，流道层组件上和硅基板上均设置有功率芯片，流道层组件上设置有多个针鳍，硅基板上开设有第一进液口和第一出液口，工作时，冷却剂通过第一进液口进入硅基板与流道层组件连接后形成的空腔内，然后通过针鳍使得硅基板上的功率芯片及流道层组件上的功率芯片得以快速散热，最后，冷却剂通过第一出液口流出。本发明属于散热装置技术领域，本发明的目的在于解决现有技术中的电子元件散热装置散热效果不好的问题。达到的技术效果为：本装置散热性能较好。

Description

一种功率器件栅区的散热装置及制作方法
技术领域
本发明涉及散热装置技术领域，具体涉及一种功率器件栅区的散热装置，还涉及一种功率器件栅区的散热装置的制作方法。
背景技术
近年来，随着电子器件小型化发展和工作速度的提高，以及功率器件的广泛应用，电子系统的热管理成为保证电子系统性能和稳定性的一大挑战。利用微流体的流动沸腾对高热流密度器件进行散热的方式具有很大潜力。受到广泛研究的微针鳍微流散热结构与平直微流道散热结构相比具有更好的扰流作用和散热性能，同时可以与具有垂直硅通孔TSV的射频系统集成，逐步成为大功率器件热管理的主流散热结构。但是，传统的封装散热需要在电子芯片和散热器之间加入热界面材料，这引入了较大的接触热阻，不利于芯片的热量向散热器传递。同时传统的微针鳍散热结构存在进出液口温差较大的问题，可能对电子器件的性能产生影响。
发明内容
为此，本发明提供一种功率器件栅区的散热装置，以解决现有技术中的上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据本发明的第一方面，一种功率器件栅区的散热装置，包括硅基板、流道层组件、冷却剂和针鳍，流道层组件和硅基板可拆卸连接，流道层组件上和硅基板上均设置有功率芯片，流道层组件上设置有多个针鳍，硅基板上开设有第一进液口和第一出液口，工作时，冷却剂通过第一进液口进入硅基板与流道层组件连接后形成的空腔内，然后通过针鳍使得硅基板上的功率芯片及流道层组件上的功率芯片得以快速散热，最后，冷却剂通过第一出液口流出。
进一步地，流道层组件包括第一流道层和第二流道层，第一流道层和硅基板可拆卸连接，第二流道层和第一流道层可拆卸连接，第一流道层上开设有第一槽，第二流道层上开设有第二槽，第一槽内和第二槽内均设置有多个针鳍，第一流道层上开设有第二进液口和第二出液口，第二进液口和第一进液口连通，第二出液口和第一出液口连通，第二槽内的针鳍用于增加第一流道层上的功率芯片区域的散热效果，第一槽内的针鳍用于增加硅基板上的功率芯片区域的散热效果。
进一步地，第一流道层上正对硅基板上的设置有功率芯片区域的针鳍的分布密度大于未设置有功率芯片的区域的针鳍的分布密度；第二流道层上的针鳍的分布密度为：第二流道层上正对第一流道层上的设置有功率芯片区域的针鳍的分布密度大于未设置有功率芯片的区域的针鳍的分布密度。
进一步地，还包括储液槽、泵和输液管，泵的一端通过输液管和第一进液口连接，泵的另一端通过输液管和储液槽的一端连接，储液槽的另一端通过输液管和第一出液口连接。
进一步地，还包括调节阀，泵和储液槽之间的输液管上设置有调节阀，储液槽内设置有冷却剂。
进一步地，冷却剂为绝缘冷却剂。
进一步地，冷却剂为含氟冷却剂。
进一步地，第一流道层和第二流道层的材质均为硅片。
进一步地，还包括硅片通道，针鳍内设置有硅片通道，第二流道层上设置有工作电路，第一流道层上的功率芯片、硅基板上的功率芯片和第二流道层上的工作电路之间相互通过硅片通道连接。
根据本发明的第二方面，一种功率器件栅区的散热装置的制作方法，使用本发明的第一方面任意一项的一种功率器件栅区的散热装置，包括以下步骤：
步骤1、双面抛光硅晶圆，依次进行标准有机清洗，丙酮超声，异丙醇超声，去离子水超声，氮气吹干；
步骤2、按照针鳍排布的图形设计光刻板并加工，首先使用光刻胶旋涂，然后使用光刻机进行光刻；
步骤3、通过刻蚀定义出第一流道层内的针鳍和第二流道层内的针鳍，形成冷却剂的腔室和流道，刻蚀之前进行氧离子体处理，然后进行深硅刻蚀；
步骤4、对第一流道层进行激光打孔制作出流体的通孔以连通硅基板和第二流道层的流体通路；
使用飞秒激光对准后打孔，之后清理熔渣，进行晶圆清洗；
步骤5、在硅基板和第一流道层上进行布线以连接各个功率芯片，首先在布线的位置通过物理气相沉积沉积一层钽或氮化钽作为阻挡层，且通过溅镀沉积沉积铜种晶层，之后通过电镀沉积铜，完成布线；
步骤6、对功率芯片进行贴装，并在芯片引脚和电路布线之间超声键合金线；
步骤7、硅基板和第一流道层之间以及第一流道层和第二流道层之间进行硅硅键合以形成密封的冷却剂腔；
步骤8、使用切割机对散热结构进行切割。
本发明具有如下优点：通过硅基板和流道层组件可拆卸连接星形成了空腔及流道层组件上的针鳍用于冷却硅基上的功率芯片使得本散热装置实现了三维立体结构散热，使得本装置内可存储较多的冷却剂，散热效果较好，并且可有效的避免传统的微针鳍散热结构存在进出液口温差较大的问题，进而增加了电子器件的工作性能和使用寿命，此外，本装置将内嵌微流散热结构键合到硅基板上，利用微流体的流动沸腾对功率器件发热区进行直接冷却，避免了封装中使用的热界面材料，极大提高了散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明一些实施例提供的一种功率器件栅区的散热装置的爆炸图的第一视图。
图2为本发明一些实施例提供的一种功率器件栅区的散热装置的俯视图。
图3为本发明一些实施例提供的一种功率器件栅区的散热装置的侧视图的剖面图。
图4为本发明一些实施例提供的一种功率器件栅区的散热装置的结构示意图。
图5为本发明一些实施例提供的一种功率器件栅区的散热装置的爆炸图的第二视图。
图中：1、硅基板，2、第一流道层，3、第二流道层，4、第一进液口，5、第一出液口，6、工作电路，7、功率芯片，8、针鳍，9、第二出液口，10、第二进液口，11、泵，12、输液管，13、调节阀，14、第一槽、15、第二槽，16、储液槽，17、硅片通道。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1至图5所示，本发明第一方面实施例中的一种功率器件栅区的散热装置，包括硅基板1、流道层组件、冷却剂和针鳍8，流道层组件和硅基板1可拆卸连接，流道层组件上和硅基板1上均设置有功率芯片7，流道层组件上设置有多个针鳍8，硅基板1上开设有第一进液口4和第一出液口5，工作时，冷却剂通过第一进液口4进入硅基板1与流道层组件连接后形成的空腔内，然后通过针鳍8使得硅基板1上的功率芯片7及流道层组件上的功率芯片7得以快速散热，最后，冷却剂通过第一出液口5流出。
在上述实施例中，需要说明的是，第一进液口4有四个，第一出液口5有两个，每两个第一进液口4中间设置有一个第一出液口5；此外，功率芯片7也可为其他的发热元件。
上述实施例达到的技术效果为：通过硅基板1和流道层组件可拆卸连接星形成了空腔及流道层组件上的针鳍8用于冷却硅基1上的功率芯片7使得本散热装置实现了三维立体结构散热，使得本装置内可存储较多的冷却剂，散热效果较好，并且可有效的避免传统的微针鳍散热结构存在进出液口温差较大的问题，进而增加了电子器件的工作性能和使用寿命；此外，本装置将内嵌微流散热结构键合到硅基板1上，利用微流体的流动沸腾对功率器件发热区进行直接冷却，避免了封装中使用的热界面材料，极大提高了散热性能。
可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，流道层组件包括第一流道层2和第二流道层3，第一流道层2和硅基板1可拆卸连接，第二流道层3和第一流道层2可拆卸连接，第一流道层2上开设有第一槽14，第二流道层3上开设有第二槽15，第一槽14内和第二槽15内均设置有多个针鳍8，第一流道层2上开设有第二进液口10和第二出液口9，第二进液口10和第一进液口4连通，第二出液口9和第一出液口5连通，第二槽15内的针鳍8用于增加第一流道层2上的功率芯片7区域的散热效果，第一槽14内的针鳍8用于增加硅基板1上的功率芯片7区域的散热效果。
上述可选的实施例的有益效果为：第一流道层2和第二流道层3的设置实现了对电子系统进行多层散热，有利于散热封装的高效化和紧凑化。
在上述可选的实施例中，需要说明的是，第二进液口10和第一进液口4之间虽然连通，但是，第二进液口10和第一进液口4之间设置有缝隙，同理，第二出液口9和第一出液口5之间也设置有缝隙，工作时，冷却液进入进液口4之后通过第一进液口4和第二进液口10之间的缝隙将第一流道层2和硅基板1之间的空腔填充，然后冷却液通过第二进液口10进入到第一流道层2和第二流道层3之间的空腔内，最后，第一流道层2和硅基板1形成的空腔内冷却液直接通过第一出液口5流出，第二流道层3和第一流道层2形成的空腔内冷却液从第二出液口9流到第一出液口5，然后，通过第一出液口5流出。
可选的，如图1和图3至图5所示，在一些实施例中，第一流道层2上正对硅基板1上的设置有功率芯片7区域的针鳍8的分布密度大于未设置有功率芯片7的区域的针鳍8的分布密度；第二流道层3上的针鳍8的分布密度为：第二流道层3上正对第一流道层2上的设置有功率芯片7区域的针鳍8的分布密度大于未设置有功率芯片7的区域的针鳍8的分布密度。
上述可选的实施例的有益效果为：本装置的针鳍8在热源区和非热源区采用变密度和变大小的针鳍排布，在提高两相传热系数的同时提高了散热结构的匀温性能。
在上述可选的实施例中，需要说明的是，第一流道层2上正对硅基板1上的设置有功率芯片7区域的针鳍8的分布密度大于未设置有功率芯片7的区域的针鳍8的分布密度的同时第一流道层2上正对硅基板1上的设置有功率芯片7区域的针鳍8的体积较小，未设置有功率芯片7的区域的针鳍8的体积较大。
可选的，如图4所示，在一些实施例中，还包括储液槽16、泵11和输液管12，泵11的一端通过输液管12和第一进液口4连接，泵11的另一端通过输液管12和储液槽16的一端连接，储液槽16的另一端通过输液管12和第一出液口5连接。
上述可选的实施例的有益效果为：通过储液槽16、泵11和输液管12的设置实现了冷却剂的循环使用，避免了浪费。
在上述可选的实施例中，需要说明的是，储液槽16为橡胶储液槽或塑料储液槽，泵11为流体泵，如恒压液相泵或MEMS微型泵。
可选的，如图4所示，在一些实施例中，还包括调节阀13，泵11和储液槽16之间的输液管12上设置有调节阀13，储液槽16内设置有冷却剂。
上述可选的实施例的有益效果为：通过调节阀13的设置实现了冷却剂进入装置散热的速度及冷却剂在本装置内的流量的可控性。
在上述可选的实施例中，需要说明的是，调节阀13为手动调节阀或自动调节阀中的一种。
可选的，在一些实施例中，冷却剂为绝缘冷却剂。
上述可选的实施例的有益效果为：通过冷却剂为绝缘冷却剂的设置可有效的避免由于冷却剂进入装置内从而导致电路短路。
可选的，在一些实施例中，冷却剂为含氟冷却剂。
上述可选的实施例的有益效果为：通过冷却剂为含氟冷却剂的设置可有效的避免冷却剂粘附在装置内，减少了清理的难度。
可选的，在一些实施例中，第一流道层2和第二流道层3的材质均为硅片。
上述可选的实施例的有益效果为：通过第一流道层2和第二流道层3的材质均为硅片的设置实现了第一流道层2和硅基板1之间的连接方式为硅-硅键合连接，第二流道层3和第一流道层2之间的连接方式为硅-硅键合连接，通过硅-硅键合的连接方式使得本装置密封性较好。
可选的，如图1至图5所示，在一些实施例中，还包括硅片通道17，针鳍8内设置有硅片通道17，第二流道层3上设置有工作电路6，第一流道层2上的功率芯片7、硅基板1上的功率芯片7和第二流道层3上的工作电路6之间相互通过硅片通道17连接。
上述可选的实施例的有益效果为：通过硅片通道17的设置实现了本装置上各个部分的电路得到了一个稳定的连接方式。
实施例2
本实施例中的一种功率器件栅区的散热装置的制作方法，使用如实施例1中的一种功率器件栅区的散热装置，包括以下步骤：
步骤1、双面抛光硅晶圆，依次进行标准有机清洗，丙酮超声，异丙醇超声，去离子水超声，氮气吹干；
步骤2、按照针鳍8排布的图形设计光刻板并加工，首先使用光刻胶旋涂，然后使用光刻机进行光刻；
步骤3、通过刻蚀定义出第一流道层2内的针鳍8和第二流道层3内的针鳍8，形成冷却剂的腔室和流道，刻蚀之前进行氧离子体处理，然后进行深硅刻蚀；
步骤4、对第一流道层2进行激光打孔制作出流体的通孔以连通硅基板1和第二流道层3的流体通路；
使用飞秒激光对准后打孔，之后清理熔渣，进行晶圆清洗；
步骤5、在硅基板1和第一流道层2上进行布线以连接各个功率芯片7，首先在布线的位置通过物理气相沉积沉积一层钽或氮化钽作为阻挡层，且通过溅镀沉积沉积铜种晶层，之后通过电镀沉积铜，完成布线；
步骤6、对功率芯片7进行贴装，并在芯片引脚和电路布线之间超声键合金线；
步骤7、硅基板1和第一流道层2之间以及第一流道层2和第二流道层3之间进行硅硅键合以形成密封的冷却剂腔；
步骤8、使用切割机对散热结构进行切割。
在上述实施例中，需要说明的是，更具体的制作方法包括以下步骤：
步骤1、准备四英寸双面抛光1mm厚硅晶圆，进行标准有机清洗，丙酮超声5min，异丙醇超声5min，去离子水超声5min，氮气吹干；
步骤2、按照针鳍8排布的图形设计光刻板并加工，加工精度±0.3μm，然后进行光刻，然后使用光刻胶旋涂，旋转1000转，时间60秒，然后使用光刻机进行光刻，曝光1.5min，显影2.5min；
步骤3、通过刻蚀定义出第一流道层2内的针鳍8和第二流道层3内的针鳍8，形成冷却剂的腔室和流道，刻蚀之前进行氧离子体处理1min，使用200W的功率，然后进行深硅刻蚀，刻蚀深度0.5mm，刻蚀速率2μm/min；
步骤4、对第一流道层2进行激光打孔制作出流体的通孔以连通硅基板1和第二流道层3的流体通路；
使用飞秒激光对准后打孔，之后清理熔渣，进行晶圆清洗；
步骤5、在硅基板1和第一流道层2上进行需要布线以连接各个功率芯片7，首先在需要布线的位置通过物理气相沉积沉积一层钽或氮化钽作为阻挡层，并通过溅镀沉积沉积铜种晶层，之后通过电镀沉积铜，完成布线；
步骤6、对功率芯片7进行贴装，并在芯片引脚和电路布线之间超声键合金线；
步骤7、硅基板1和第一流道层2之间以及第一流道层2和第二流道层3之间需要进行硅硅键合以形成密封的冷却剂腔，键合使用键合机，键合温度260度，键合压力3.6Mpa，高温炉处理6小时；
步骤8、使用切割机对散热结构进行切割，切割过程中使用软刀。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (8)

1.一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，包括硅基板（1）、流道层组件、冷却剂和针鳍（8），所述流道层组件和所述硅基板（1）可拆卸连接，所述流道层组件上和所述硅基板（1）上均设置有功率芯片（7），所述流道层组件上设置有多个所述针鳍（8），所述硅基板（1）上开设有第一进液口（4）和第一出液口（5），工作时，所述冷却剂通过所述第一进液口（4）进入所述硅基板（1）与所述流道层组件连接后形成的空腔内，然后通过所述针鳍（8）使得所述硅基板（1）上的功率芯片（7）及所述流道层组件上的功率芯片（7）得以快速散热，最后，所述冷却剂通过所述第一出液口（5）流出；
所述流道层组件包括第一流道层（2）和第二流道层（3），所述第一流道层（2）和所述硅基板（1）可拆卸连接，所述第二流道层（3）和所述第一流道层（2）可拆卸连接，所述第一流道层（2）上开设有第一槽（14），所述第二流道层（3）上开设有第二槽（15），所述第一槽（14）内和所述第二槽（15）内均设置有多个所述针鳍（8），所述第一流道层（2）上开设有第二进液口（10）和第二出液口（9），所述第二进液口（10）和所述第一进液口（4）连通，所述第二出液口（9）和所述第一出液口（5）连通，所述第二进液口（10）和所述第一进液口（4）之间设置有缝隙，所述第二出液口（9）和所述第一出液口（5）之间也设置有缝隙，所述第二槽（15）内的针鳍（8）用于增加所述第一流道层（2）上的功率芯片（7）区域的散热效果，所述第一槽（14）内的针鳍（8）用于增加所述硅基板（1）上的功率芯片（7）区域的散热效果；
所述第一流道层（2）上正对所述硅基板（1）上的设置有功率芯片（7）区域的所述针鳍（8）的分布密度大于未设置有功率芯片（7）的区域的所述针鳍（8）的分布密度；所述第二流道层（3）上的所述针鳍（8）的分布密度为：所述第二流道层（3）上正对所述第一流道层（2）上的设置有功率芯片（7）区域的所述针鳍（8）的分布密度大于未设置有功率芯片（7）的区域的所述针鳍（8）的分布密度。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，还包括储液槽（16）、泵（11）和输液管（12），所述泵（11）的一端通过所述输液管（12）和所述第一进液口（4）连接，所述泵（11）的另一端通过所述输液管（12）和所述储液槽（16）的一端连接，所述储液槽（16）的另一端通过所述输液管（12）和所述第一出液口（5）连接。
3.根据权利要求2所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，还包括调节阀（13），所述泵（11）和所述储液槽（16）之间的所述输液管（12）上设置有所述调节阀（13），所述储液槽（16）内设置有所述冷却剂。
4.根据权利要求3所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，所述冷却剂为绝缘冷却剂。
5.根据权利要求3所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，所述冷却剂为含氟冷却剂。
6.根据权利要求1所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，所述第一流道层（2）和所述第二流道层（3）的材质均为硅片。
7.根据权利要求1所述的一种功率器件栅区的散热装置，其特征在于，还包括硅片通道（17），所述针鳍（8）内设置有硅片通道（17），所述第二流道层（3）上设置有工作电路（6），所述第一流道层（2）上的功率芯片（7）、所述硅基板（1）上的功率芯片（7）和所述第二流道层（3）上的工作电路（6）之间相互通过所述硅片通道（17）连接。
8.一种功率器件栅区的散热装置的制作方法，其特征在于，使用如权利要求1至权利要求7任一项所述的一种功率器件栅区的散热装置，包括以下步骤：
步骤1、双面抛光硅晶圆，依次进行标准有机清洗，丙酮超声，异丙醇超声，去离子水超声，氮气吹干；
步骤2、按照针鳍（8）排布的图形设计光刻板并加工，首先使用光刻胶旋涂，然后使用光刻机进行光刻；
步骤3、通过刻蚀定义出第一流道层（2）内的针鳍（8）和第二流道层（3）内的针鳍（8），形成冷却剂的腔室和流道，刻蚀之前进行氧离子体处理，然后进行深硅刻蚀；
步骤4、对第一流道层（2）进行激光打孔制作出流体的通孔以连通硅基板（1）和第二流道层（3）的流体通路；
使用飞秒激光对准后打孔，之后清理熔渣，进行晶圆清洗；
步骤5、在硅基板（1）和第一流道层（2）上进行布线以连接各个功率芯片（7），首先在布线的位置通过物理气相沉积沉积一层钽或氮化钽作为阻挡层，且通过溅镀沉积沉积铜种晶层，之后通过电镀沉积铜，完成布线；
步骤6、对功率芯片（7）进行贴装，并在芯片引脚和电路布线之间超声键合金线；
步骤7、硅基板（1）和第一流道层（2）之间以及第一流道层（2）和第二流道层（3）之间进行硅硅键合以形成密封的冷却剂腔；
步骤8、使用切割机对散热结构进行切割。
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