CN113097200B - 一种倒装热源芯片及其制备方法和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装热源芯片及其制备方法和应用方法，该倒装热源芯片包括芯片衬底、底部绝缘层、导热钝化层、阻焊层、粘附层、发热电阻、温度传感器、金属互连焊盘、金属导热焊盘和微凸点，芯片衬底、底部绝缘层、导热钝化层和阻焊层依次连接；导热钝化层内设置有发热电阻和多个温度传感器，发热电阻和温度传感器通过粘附层连接底部绝缘层；阻焊层内贯穿地设置有多个金属互连焊盘和多个金属导热焊盘，金属互连焊盘电连接发热电阻和温度传感器，金属导热焊盘连接导热钝化层，金属互连焊盘和金属导热焊盘的表面设置有微凸点。该芯片能够模拟真实倒装芯片发热，能够实时、原位测量倒装芯片的温度，从而准确分析基于倒装芯片电子系统的散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其涉及一种倒装热源芯片及其制备方法和应用方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，电子系统的体积和集成密度逐渐提升。传统的正装芯片依赖金属引线与外部实现电气互连；由于引线互联焊盘通常位于芯片外部，占用了更大的集成面积，限制了基于正装芯片电子系统集成密度的进一步提升。倒装芯片则通过将芯片倒装，并在其表面制备微凸点的方法与外部实现电气互联；由于微凸点的互联焊盘通常位于芯片底部，不额外占用集成面积，可以实现更高密度的集成。此外，由于采用了微凸点结构，倒装芯片的互连长度大大缩短，互连线电阻、电感更小，电子系统的电性能得到极大地改善。
然而，与正装芯片相比，倒装芯片的热传导路径更加复杂，很难准确地分析其散热能力，原因如下：
(1)普通的芯片通常采用粘接或焊接的方法正装在封装基板上，其散热路径为穿过芯片衬底后，通过芯片背面向下传输；而倒装芯片则通过微凸点倒装在封装基板上，热量既可以从芯片表面经过微凸点向下传输，也可在芯片背面通过散热结构向上传输。因此，对于同一倒装芯片，有微凸点的区域散热能力强，无微凸点的区域散热能力弱，使得倒装芯片上温度分布不均匀。
(2)普通正装芯片可以通过红外热成像或热电偶原位接触等方法，测量其表面温度，从而表征基于正装芯片电子系统的散热能力。而倒装芯片由于芯片表面与封装载板焊接在一起，只能通过间接测量和仿真分析相结合的方法对其进行热分析，而无法直接测量其表面温度分布，这进一步加剧了基于倒装芯片电子系统的热分析难度。
中国发明专利ZL201810972120.6提出了一种正装的模拟热源芯片及其制作方法。通过在芯片内部添加模拟热源电阻和温度传感器，在大功率发热的同时，实现芯片温度的实时、原位测量。
然而，如何构建一种倒装热源芯片，在发热的同时，实现芯片温度的实时、原位测量，从而准确分析基于倒装芯片电子系统的散热能力，还鲜有报道。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种倒装热源芯片及其制备方法和应用方法，通过薄膜气相沉积技术将发热电阻和温度传感器集成在芯片内部，并通过微凸点倒装集成的方法，将该热源芯片集成在封装载板上。在发热的同时，实现芯片内部温度的原位、实时监测。该芯片能够模拟真实倒装芯片发热，同时能够实时、原位测量倒装芯片的温度，从而准确分析基于倒装芯片电子系统的散热能力。
本发明的技术方案如下：
一种倒装热源芯片，包括：芯片衬底、底部绝缘层、导热钝化层、阻焊层、粘附层、发热电阻、温度传感器、金属互连焊盘、金属导热焊盘和微凸点，所述芯片衬底、所述底部绝缘层、所述导热钝化层和所述阻焊层依次连接；所述导热钝化层内设置有所述发热电阻和多个所述温度传感器，所述发热电阻和所述温度传感器通过所述粘附层连接所述底部绝缘层；所述阻焊层内贯穿地设置有多个所述金属互连焊盘和多个所述金属导热焊盘，所述金属互连焊盘电连接所述发热电阻和所述温度传感器，所述金属导热焊盘连接所述导热钝化层，所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘的表面设置有所述微凸点。
进一步的，所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘均匀间隔布置，多个所述温度传感器中的一部分与所述微凸点的位置上下对应，另一部分与所述微凸点的位置上下错开。
进一步的，所述发热电阻为蛇形串联薄膜平面电阻。
进一步的，所述发热电阻均匀布置，多个所述温度传感器分别分布在发热电阻内部的不同位置。
进一步的，所述底部绝缘层、所述导热钝化层和所述阻焊层均为绝缘薄膜，所述底部绝缘层的材料包括SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm；所述导热钝化层的材料包括SiNx、AlN或SiC，厚度为100nm到4000nm；所述阻焊层的材料包括SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm。
进一步的，所述发热电阻和所述温度传感器为耐温金属薄膜，所述耐温金属薄膜的材料包括Pt、W或Au，所述温度传感器的电阻值远大于所述发热电阻的电阻值，所述发热电阻和所述温度传感器的厚度为100nm到2000nm。
进一步的，所述芯片衬底的材料包括Si、GaAs或SiC，厚度为50μm到800μm；所述粘附层为金属薄膜，所述粘附层的材料包括Ti、TiW或Ta，所述粘附层的厚度为1nm到20nm。
进一步的，所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘的材料包括Ti/Au、Ni/Au、Ni/Pd/Au或Cu；所述微凸点为金凸点、钎料球凸点或铜柱凸点。
一种倒装热源芯片制备方法，包括以下步骤：
步骤101：提供芯片衬底；
步骤102：在所述芯片衬底表面使用薄膜气相沉积技术生长底部绝缘层；
步骤103：在所述底部绝缘层表面采用磁控溅射方法制备粘附层；
步骤104：在所述粘附层表面采用薄膜气相沉积技术制备耐温薄膜金属；
步骤105：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将所述耐温薄膜金属制备成发热电阻和温度传感器；
步骤106：在所述发热电阻和所述温度传感器表面使用薄膜气相沉积技术制备导热钝化层；
步骤107：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将金属互连焊盘区域底部的所述导热钝化层去除；
步骤108：采用光刻结合薄膜沉积技术制备分别与所述发热电阻和所述温度传感器互联的金属互连焊盘，以及不参与电气互连的金属导热焊盘；
步骤109：采用薄膜沉积技术制备阻焊层；
步骤110：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘表面的所述阻焊层去除；
步骤111：采用光刻结合电镀技术、植球技术或焊膏印刷回流技术在所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘表面制备微凸点。
一种倒装热源芯片应用方法，包括以下步骤：
步骤201：提供倒装热源芯片；
步骤202：提供封装载板；
步骤203：将所述倒装热源芯片倒装键合在所述封装载板表面；
步骤204：通过所述封装载板将电源和数字欧姆计分别与所述倒装热源芯片中的发热电阻和温度传感器互联；
步骤205：在所述倒装热源芯片背部增加散热结构；
步骤206：通过所述发热电阻对所述倒装热源芯片进行加热，利用所述倒装热源芯片的微凸点和所述封装载板，实现所述倒装热源芯片热量的向下传输；利用所述倒装热源芯片背部空气对流或者风扇辅助增强散热的方法，实现所述倒装热源芯片热量的向上传输；
步骤207：利用所述温度传感器的电阻温度系数，结合“四线法”测电阻的原理，实现所述倒装热源芯片表面温度的原位、实时测量。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)通过在倒装热源芯片内部原位布置发热电阻和温度传感器，在发热的同时，实时监控芯片表面温度，解决了无法使用红外热像仪或热电偶直接测量倒装芯片表面温度的技术难题。
(2)通过调整温度传感器、发热电阻和微凸点的相对分布位置，能够准确分析倒装芯片有微凸点、无微凸点区域的温度分布情况，测量结果更加准确。
(3)通过在倒装芯片表面制备导热绝缘钝化层的方法，可以进一步提升倒装热源芯片的散热能力和温度均匀性，指导真实倒装芯片和基于倒装芯片电子系统的热设计。
附图说明
图1是本发明的倒装热源芯片剖面示意图；
图2是本发明的倒装热源芯片中发热电阻和温度传感器的布线结构示意图；
图3是本发明的倒装热源芯片中温度传感器、发热电阻和微凸点的相对分布位置示意图；
图4是本发明的倒装热源芯片中微凸点正下方的温度传感器示意图；
图5是本发明的倒装热源芯片中微凸点侧下方的温度传感器示意图；
图6是本发明的倒装热源芯片制备方法工艺流程图；
图7是本发明的倒装热源芯片应用方法示意图；
附图标记：1-芯片衬底、2-底部绝缘层、3-导热钝化层、4-粘附层、5-发热电阻、6-金属互连焊盘、7-微凸点、8-温度传感器、9-金属导热焊盘、10-阻焊层。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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
本实施例提供了一种倒装热源芯片，如图1所示，包括：芯片衬底1、底部绝缘层2、导热钝化层3、阻焊层10、粘附层4、发热电阻5、温度传感器8、金属互连焊盘6、金属导热焊盘9和微凸点7，其中芯片衬底1、底部绝缘层2、导热钝化层3和阻焊层10依次连接。导热钝化层3内设置有发热电阻5和多个温度传感器8，发热电阻5和温度传感器8通过粘附层4连接底部绝缘层2。阻焊层10内贯穿地设置有多个金属互连焊盘6和多个金属导热焊盘9，金属互连焊盘6电连接发热电阻5和温度传感器8，金属导热焊盘9连接导热钝化层3，金属互连焊盘6和金属导热焊盘9的表面设置有微凸点7。因此基于上述结构，在发热电阻5(即模拟热源)发热的同时，可实现实时监控倒装热源芯片表面温度，解决无法使用红外热像仪或热电偶直接测量倒装芯片表面温度的技术难题。
如图2～5所示，金属互连焊盘6和金属导热焊盘9均匀间隔布置，多个温度传感器8中的一部分与微凸点7的位置上下对应，另一部分与微凸点7的位置上下错开，从而能够用于准确分析倒装热源芯片有微凸点7、无微凸点7区域的温度分布情况，使测量结果更加准确。具体的，发热电阻5和温度传感器8均为蛇形串联薄膜平面电阻，发热电阻5均匀布置，多个温度传感器8分别分布在发热电阻5内部的不同位置。
芯片衬底1的材料可采用Si、GaAs或SiC，厚度为50μm到800μm；底部绝缘层2、导热钝化层3和阻焊层10均为绝缘薄膜，底部绝缘层2的材料可采用SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm；导热钝化层3的材料可采用SiNx、AlN或SiC，厚度为100nm到4000nm；阻焊层10的材料可采用SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm；粘附层4为金属薄膜，粘附层4的材料可采用Ti、TiW或Ta，粘附层4的厚度为1nm到20nm。
发热电阻5和温度传感器8为耐温金属薄膜，耐温金属薄膜的材料可采用Pt、W或Au，温度传感器8的电阻值远大于发热电阻5的电阻值，发热电阻5的电阻值为10～200欧姆，温度传感器8的电阻值为500～3000欧姆，发热电阻5和温度传感器8的厚度为100nm到2000nm。
金属互连焊盘6和金属导热焊盘9的材料可采用Ti/Au、Ni/Au、Ni/Pd/Au或Cu，微凸点7为金凸点、钎料球凸点或铜柱凸点。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种倒装热源芯片，其中：芯片衬底1为Si，厚度为300μm；底部绝缘层2为SiOx绝缘薄膜，厚度为300nm；导热钝化层3为SiNx绝缘薄膜，厚度为400nm；粘附层4为Ti薄膜，厚度为10nm；发热电阻5和温度传感器8为W(钨)薄膜，厚度均为300nm，发热电阻5的阻值为20欧姆，温度传感器8的阻值为2000欧姆；金属互连焊盘6和金属导热焊盘9为Ti/Au金属焊盘；阻焊层10为SiNx绝缘薄膜，厚度为100nm；微凸点7为金凸点。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种倒装热源芯片制备方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤101：提供芯片衬底1；
步骤102：在芯片衬底1表面使用薄膜气相沉积技术生长底部绝缘层2；
步骤103：在底部绝缘层2表面采用磁控溅射方法制备粘附层4；
步骤104：在粘附层4表面采用薄膜气相沉积技术制备耐温薄膜金属；
步骤105：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将耐温薄膜金属制备成发热电阻5和温度传感器8；
步骤106：在发热电阻5和温度传感器8表面使用薄膜气相沉积技术制备导热钝化层3；
步骤107：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将金属互连焊盘6区域底部的导热钝化层3去除；
步骤108：采用光刻结合薄膜沉积技术制备分别与发热电阻5和温度传感器8互联的金属互连焊盘6，以及不参与电气互连的金属导热焊盘9；
步骤109：采用薄膜沉积技术制备阻焊层10；
步骤110：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将金属互连焊盘6和金属导热焊盘9表面的阻焊层10去除；
步骤111：采用光刻结合电镀技术、植球技术或焊膏印刷回流技术在金属互连焊盘6和金属导热焊盘9表面制备微凸点7。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上，提供了一种倒装热源芯片应用方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤201：提供倒装热源芯片；
步骤202：提供封装载板；
步骤203：将倒装热源芯片倒装键合在封装载板表面；
步骤204：通过封装载板将电源和数字欧姆计分别与倒装热源芯片中的发热电阻5和温度传感器8互联；
步骤205：在倒装热源芯片背部增加散热结构；
步骤206：通过发热电阻5对倒装热源芯片进行加热，利用倒装热源芯片的微凸点7和封装载板，实现倒装热源芯片热量的向下传输；利用倒装热源芯片背部空气对流或者风扇辅助增强散热的方法，实现倒装热源芯片热量的向上传输；
步骤207：利用温度传感器8的电阻温度系数，结合“四线法”测电阻的原理，实现倒装热源芯片表面温度的原位、实时测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。
Claims (9)
1.一种倒装热源芯片，其特征在于，包括：芯片衬底、底部绝缘层、导热钝化层、阻焊层、粘附层、发热电阻、温度传感器、金属互连焊盘、金属导热焊盘和微凸点，所述芯片衬底、所述底部绝缘层、所述导热钝化层和所述阻焊层依次连接；
所述导热钝化层内设置有所述发热电阻和多个所述温度传感器，所述发热电阻和所述温度传感器通过所述粘附层连接所述底部绝缘层；
所述阻焊层内贯穿地设置有多个所述金属互连焊盘和多个所述金属导热焊盘，所述金属互连焊盘电连接所述发热电阻和所述温度传感器，所述金属导热焊盘连接所述导热钝化层，所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘的表面设置有所述微凸点；
所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘均匀间隔布置，多个所述温度传感器中的一部分与所述微凸点的位置上下对应，另一部分与所述微凸点的位置上下错开。
2.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述发热电阻为蛇形串联薄膜平面电阻。
3.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述发热电阻均匀布置，多个所述温度传感器分别分布在发热电阻内部的不同位置。
4.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述底部绝缘层、所述导热钝化层和所述阻焊层均为绝缘薄膜，所述底部绝缘层的材料包括SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm；所述导热钝化层的材料包括SiNx、AlN或SiC，厚度为100nm到4000nm；所述阻焊层的材料包括SiOx、AlOx或SiNx，厚度为5nm到500nm。
5.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述发热电阻和所述温度传感器为耐温金属薄膜，所述耐温金属薄膜的材料包括Pt、W或Au，所述温度传感器的电阻值远大于所述发热电阻的电阻值，所述发热电阻和所述温度传感器的厚度为100nm到2000nm。
6.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述芯片衬底的材料包括Si、GaAs或SiC，厚度为50μm到800μm；所述粘附层为金属薄膜，所述粘附层的材料包括Ti、TiW或Ta，所述粘附层的厚度为1nm到20nm。
7.根据权利要求1所述的一种倒装热源芯片，其特征在于，所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘的材料包括Ti/Au、Ni/Au、Ni/Pd/Au或Cu；所述微凸点为金凸点、钎料球凸点或铜柱凸点。
8.一种倒装热源芯片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101：提供芯片衬底；
步骤102：在所述芯片衬底表面使用薄膜气相沉积技术生长底部绝缘层；
步骤103：在所述底部绝缘层表面采用磁控溅射方法制备粘附层；
步骤104：在所述粘附层表面采用薄膜气相沉积技术制备耐温薄膜金属；
步骤105：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将所述耐温薄膜金属制备成发热电阻和温度传感器；
步骤106：在所述发热电阻和所述温度传感器表面使用薄膜气相沉积技术制备导热钝化层；
步骤107：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将金属互连焊盘区域底部的所述导热钝化层去除；
步骤108：采用光刻结合薄膜沉积技术制备分别与所述发热电阻和所述温度传感器互联的金属互连焊盘，以及不参与电气互连的金属导热焊盘；
步骤109：采用薄膜沉积技术制备阻焊层；
步骤110：采用光刻结合薄膜蚀刻技术将所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘表面的所述阻焊层去除；
步骤111：采用光刻结合电镀技术、植球技术或焊膏印刷回流技术在所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘表面制备微凸点；所述金属互连焊盘和所述金属导热焊盘均匀间隔布置，多个所述温度传感器中的一部分与所述微凸点的位置上下对应，另一部分与所述微凸点的位置上下错开。
9.一种倒装热源芯片应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤201：提供如权利要求1-7任一项所述的倒装热源芯片；
步骤202：提供封装载板；
步骤203：将所述倒装热源芯片倒装键合在所述封装载板表面；
步骤204：通过所述封装载板将电源和数字欧姆计分别与所述倒装热源芯片中的发热电阻和温度传感器互联；
步骤205：在所述倒装热源芯片背部增加散热结构；
步骤206：通过所述发热电阻对所述倒装热源芯片进行加热，利用所述倒装热源芯片的微凸点和所述封装载板，实现所述倒装热源芯片热量的向下传输；利用所述倒装热源芯片背部空气对流或者风扇辅助增强散热的方法，实现所述倒装热源芯片热量的向上传输；
步骤207：利用所述温度传感器的电阻温度系数，结合“四线法”测电阻的原理，实现所述倒装热源芯片表面温度的原位、实时测量。
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