CN113488441A - 一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 - Google Patents
一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113488441A CN113488441A CN202110557128.8A CN202110557128A CN113488441A CN 113488441 A CN113488441 A CN 113488441A CN 202110557128 A CN202110557128 A CN 202110557128A CN 113488441 A CN113488441 A CN 113488441A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- channel
- chip
- cover plate
- manifold
- embedded
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 77
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 66
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 47
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 27
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 18
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims description 16
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 14
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 9
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 9
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 claims description 8
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 7
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 5
- DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N acetaldehyde Diethyl Acetal Natural products CCOC(C)OCC DHKHKXVYLBGOIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 125000002777 acetyl group Chemical class [H]C([H])([H])C(*)=O 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 4
- 229920002689 polyvinyl acetate Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011118 polyvinyl acetate Substances 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 claims description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 3
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 abstract description 34
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 29
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 7
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 4
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229920006332 epoxy adhesive Polymers 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000013035 low temperature curing Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si].[Si] SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000033772 system development Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
- H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
- H01L23/29—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the material, e.g. carbon
- H01L23/293—Organic, e.g. plastic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
- H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
- H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
- H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于歧管通道盖板的封装结构,其包括:芯片,包括衬底和位于所述衬底顶部的嵌入式微流道;盖板,包括歧管通道、入液口和出液口;以及用于使所述嵌入式微流道和所述歧管通道密封连通的低温密封层,所述低温密封层位于所述芯片和所述盖板之间。本发明还涉及一种基于歧管通道盖板的封装结构的制备方法。本发明的封装结构包括嵌入歧管式微流道,具有低温工艺兼容性和高的散热效率。所述歧管式微流道具有流动距离短、流阻小和热阻小的优势,更适合集成在高功率芯片中进行高效散热。
Description
技术领域
本发明涉及IC芯片散热领域,具体涉及一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法。
背景技术
随着现代电子芯片的集成度增加、功耗上升和特征尺寸减小,快速增加的芯片系统发热已经成为先进电子芯片系统研发和应用中的一项重大挑战。液体冷却是一种通过液体来对电子器件中的高发热功率模块进行冷却的技术,用于具有较大热设计功耗的芯片模块,主要运用于高功率芯片的冷却。由于液体与气体相比具有更大的比热容,且液体与固体表面发生相对运动时一般具有更大的对流换热系数,因此液体冷却可以实现更小的晶体管与环境之间的热阻。按照与芯片的集成方式分类,液体冷却可以分为非嵌入式与嵌入式。非嵌入式液体冷却是指将一个内部留有液体通路的金属块通过高热导率材料与发热芯片贴装,流入低温工质带走芯片产生的热量。嵌入式液体冷却是一种采用冷却工质直接冲刷芯片表面(或背面)的冷却技术。嵌入式液体冷却技术一般直接在芯片背面加工微通道,冷却工质流过微通道时冲刷肋片,带走晶体管传递至肋片表面的热量。
在非嵌入式液体冷却散热技术中,由于金属块和芯片之间会使用导热硅脂或其他粘接材料,甚至会使用密封盖板,因此存在多个材料界面,多次引入了界面热阻,影响了散热的效率。另一方面,随着晶体管在芯片内的集成度越来越高,高功率晶体管产生的热量通过芯片内部的多层结构传递到芯片表面(或背面)的热阻也越来越大(内热阻增大),而非嵌入式冷却仅能减小其外部热阻,因此随着晶体管的复杂度与集成度越来越高,非嵌入式液体冷却的散热效率在逐渐降低。
嵌入式液体冷却散热技术通过冷却工质直接流过嵌入在芯片内部的微通道而带走热量,因此不存在界面热阻,也使得嵌入式冷却具有更高的效率,适用于高功率芯片的散热。液体冷却散热流道的设计通常是扰流柱结构或放射状分流结构,具有流阻大、冷却工质温升大的缺点。
然而,在嵌入式冷却通道加工制备的过程中,完成背腔的散热肋片刻蚀后,需要将其与盖板键合密封,实现微通道结构,传统的键合方式如硅-玻璃阳极键合或硅-硅直接键合需要较高的电压或温度,IC器件在此键合条件下会出现电学失效,因此传统的嵌入式冷却技术与IC无法兼容。
因此,迫切需要开发一种具有低温工艺兼容性和高的散热效率的封装结构。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点,提供一种基于歧管通道盖板的封装结构,该封装结构包括嵌入歧管式微流道,具有低温工艺兼容性和高的散热效率。所述歧管式微流道具有流动距离短、流阻小和热阻小的优势,更适合集成在高功率芯片中进行高效散热。
本发明的另一目的是提供一种基于歧管通道盖板的封装结构的制备方法。
为了实现以上目的,本发明提供如下技术方案。
一种基于歧管通道盖板的封装结构,其包括:
芯片,包括衬底和位于所述衬底顶部的嵌入式微流道;
盖板,包括歧管通道、入液口和出液口;以及
用于使所述嵌入式微流道和所述歧管通道密封连通的低温密封层,所述低温密封层位于所述芯片和所述盖板之间。
一种基于歧管通道盖板的封装结构的制备方法,其包括:
提供芯片,在所述芯片的衬底顶部制作嵌入式微流道;
制备具有歧管通道、入液口和出液口的盖板;以及
在所述芯片和所述盖板之间形成低温密封层,以使所述嵌入式微流道与所述歧管通道密封连通。
与现有技术相比,本发明达到了以下技术效果:
1、本发明的散热技术基于嵌入式微流体的液冷散热,通过嵌入至芯片背腔的流道结构内的流体对芯片进行散热。与其他非嵌入式的散热手段相比,该技术避免了封装体内部材料的导热热阻和不同材料的之间的界面热阻,使得散热效率更高,可以极大程度地降低高功率芯片的温升,保证芯片在高性能模式下稳定运行,延长芯片的使用寿命。
2、本发明的散热技术具有电路兼容性,应用对象中散热芯片具有广义性,不论是射频功率芯片还是逻辑数字芯片,只要在芯片衬底上刻蚀嵌入式微流道,然后与特定的歧管通道盖板进行键合,就可以在不影响电学封装的情况下实现液冷散热。
3、本发明的散热技术制备工艺简便,只需在目标芯片上刻蚀散热微流道,便可以和歧管通道盖板粘接;也可以在两个键合面分别制备金属薄膜,采用IC兼容的低温共晶键合实现流道密封。该方案不需要集成体积较大的金属散热翅片、散热风扇或散热冷板,可以大幅度的减少散热系统的体积,提升封装结构的集成度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1给出了本发明的基于歧管通道盖板的封装结构的示意图。
图2给出了具有嵌入式微流道的芯片的纵向剖面图。
图3给出了歧管通道盖板的俯视剖面图。
图4为本发明的冷却流体通路的示意图。
附图标记说明
100为芯片,101为衬底,102为嵌入式微流道,200为盖板,201为入液口,202为出液口,203为歧管通道,204为流入通道,205为流出通道。
具体实施方式
以下,将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本公开的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中,当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时,该层/元件可以直接位于该另一层/元件上,或者它们之间可以存在居中层/元件。另外,如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”,那么当调转朝向时,该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
下面将结合具体附图对本发明作进一步说明。
图1给出了本发明的基于歧管通道盖板的封装结构的示意图。具体地,如图1所示,本发明的基于歧管通道盖板的封装结构包括:芯片100,包括衬底101和位于衬底101顶部的嵌入式微流道102;盖板200,包括入液口201、出液口202(图中未示出)和歧管通道203;以及用于使嵌入式微流道102和歧管通道203密封连通的低温密封层(图中未示出),低温密封层位于芯片100和盖板200之间。
从图1可以看出,嵌入式微流道102位于歧管通道203正下方。
图2给出了具有嵌入式微流道的芯片的纵向剖面图,其中在衬底101顶部排列着多条嵌入式微流道102,这些嵌入式微流道彼此间平行排列且不连通。对于嵌入式微流道的长、宽、高、间距等参数选取需要考虑的因素包括长度太长会增大流体阻力,宽度太窄则会严重增大流体阻力;高度太小时,热量并不能充分通过流道散去;当流道高度太高时,由于翅片效率降低而影响换热效率,从而都不利于散热。为了达到最优的散热性能,可对各参数进行模拟仿真优化选取适合的参数。通常,嵌入式微通道长度约为0.5-5mm,宽度约为50-200μm,深宽比约为6:1至1:1。衬底101可为本领域的常规衬底,包括但不限于硅衬底、碳化硅衬底、硅锗衬底、砷化镓衬底等。本发明的芯片具有广义性,不论是射频功率芯片还是逻辑数字芯片,只要在芯片衬底上刻蚀出嵌入式微流道后,都可以与特定的歧管通道进行贴合。
图3给出了歧管通道盖板200的俯视剖面图。从图3可以看出,歧管通道203包括流入通道204和流出通道205,其中流入通道204包括一条总流入通道和多条分流入通道,其中总流入通道与入液口201连通;流出通道205包括一条总流出通道和多条分流出通道,总流出通道与出液口202连通。其中流入通道204和流出通道205均呈梳齿型。每条分流入通道的一端与总流入通道连通,另一端封闭;每条分流出通道的一端与总流出通道连通,另一端封闭。流入通道204和流出通道205呈叉指型排列且彼此不连通。如图3所示,各条分流入通道和各条分流出通道平行排列。各条分流入通道或各条分流出通道中的流体流动方向与嵌入式微流道102中的流体流动方向成垂直或近似垂直的角度。图3所示的盖板可以是硅基板或通常用作封装盖板的其他材料如陶瓷、玻璃、塑料或金属等。本发明优选采用硅基板作为盖板,原因在于,硅的刻蚀工艺较为成熟,另外硅基板还可以与硅基芯片的热胀系数实现较优的匹配。
图4给出了冷却流体在嵌入式微流道102、流入通道204和流出通道205中的流动情况,冷却流体从入液口201流入,沿实心箭头所示在流入通道204中流动,由于流入通道204在远离入液口201的一端是封闭的,因此冷却流体随后沿虚线箭头所示,流入芯片的嵌入式微流道102中与热源芯片发生热交换,再沿着空心箭头所示沿流出通道205流动,由于流出通道205在远离出液口202的一端是封闭的,因此最后冷却流体从出液口202流出,完成整个流体冷却过程。这样设计使得流经嵌入式微流道102整个表面的冷却流体可以带走芯片产生的热量,达到高效散热的目的。
低温密封层位于芯片100和盖板200之间。低温密封层用于密封流道,实现嵌入式微流道102和歧管通道203的密封连通,形成嵌入歧管式微流道结构。低温密封层可为粘合剂层或金属层。在一些实施例中,粘合剂层可包括热固性材料或热塑性材料。所述热固性材料可为环氧树脂或聚氨酯。所述热塑性材料可为聚乙酸乙烯酯或聚乙烯醇缩醛。所述金属层可以是通过物理气相淀积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺和电镀工艺中的任意一种与低温共晶键合工艺结合而得到的,其可包括一种或多种选自Cu、Sn、Pb、In、Au、Ag和Sb等的金属材料。针对流道尺寸较小或批量制造场合,通过物理气相淀积(PVD)工艺、化学气相沉积(CVD)工艺和电镀工艺中的任意一种与低温共晶键合工艺结合而得到的金属层比粘合剂层更为合适。在本发明中,低温是指300℃以下的温度。
配合上述嵌入歧管式微流道结构使用的冷却流体可以是去离子水,也可以是专用的沸点低(如:40℃-80℃)的冷却液,使得冷却过程为相变冷却,提高散热能力,提升温度均匀性。
本发明的嵌入歧管式微流道结构与其他非嵌入式的散热手段相比,避免了封装体内部材料的导热热阻和不同材料的之间的界面热阻,使得散热效率更高,极大程度地降低高功率芯片的温升,保证芯片在高性能模式下稳定运行,延长了芯片的使用寿命。
在一个具体实施例中,本发明提供了一种基于歧管通道盖板的封装结构的制备方法,其包括:
提供芯片,在所述芯片的衬底顶部制作嵌入式微流道。
在芯片100为晶圆状态的情况下,在制作嵌入式微流道102之前,首先将芯片100的晶圆厚度减薄,如减薄至300-500μm的厚度,优选350-450μm的厚度。该厚度要求即使在衬底顶部刻蚀用于散热的嵌入式微流道后,硅片仍能保持强度可靠性。然后,通过晶圆光刻工艺和晶圆刻蚀工艺的结合在芯片100的衬底101顶部制作嵌入式微流道102。刻蚀工艺包括常规的湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀又可包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀和深反应离子刻蚀。在本发明的一个具体实施例中,通过晶圆光刻工艺和晶圆深反应离子刻蚀工艺的结合在芯片100的衬底101上制作出嵌入式微流道102;之后,对所得芯片进行划片并进行中测挑选已知合格芯片(Known Good Die,KGD)。本发明对嵌入式微流道102的几何尺寸没有特别限制。嵌入式微流道102的几何尺寸可结合流阻与热阻协同设计。
在芯片100为裸片状态的情况下,可通过硬掩模与刻蚀工艺的结合或通过光刻工艺和刻蚀工艺的结合制作嵌入式微流道102。此处,刻蚀工艺包括常规的湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀又可包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀和深反应离子刻蚀。
当芯片100位于封装模块中时,首先需要露出芯片的衬底,然后在衬底顶部刻蚀出嵌入式微流道102。在一个具体实施例中,露出芯片衬底的方法包括首先去除封装模块的上盖板,露出位于芯片衬底上表面的热界面材料(Thermal Interface Material,TIM),然后采用打磨或抛光的方式去除TIM。接着,可通过硬掩模与刻蚀工艺的结合或通过光刻工艺和刻蚀工艺的结合制作嵌入式微流道102。此处,刻蚀工艺包括常规的湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀又可包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀和深反应离子刻蚀。另外,在制作嵌入式微流道102之前,可对芯片上的其他电学结构进行保护,使其不受刻蚀气体的影响,所述电学结构包括但不限于器件层、互联凸点和转接板等;本发明对于电学结构的保护方法没有特别限制,例如可通过涂覆光刻胶进行。
制备具有歧管通道、入液口和出液口的盖板。本发明的盖板可以是硅基板或通常用作封装盖板的其他材料如陶瓷、玻璃、塑料或金属等。本发明中制作歧管通道203、入液口201和出液口202的方法可以是本领域的常规加工方法,例如光刻工艺、刻蚀工艺、铣刀加工工艺、钻孔工艺、腐蚀工艺或其结合等。对于所得歧管通道203的一个具体结构,歧管通道203包括流入通道204和流出通道205,其中流入通道204包括一条总流入通道和多条分流入通道,其中总流入通道与入液口201连通;流出通道205包括一条总流出通道和多条分流出通道,总流出通道与出液口202连通。其中流入通道204和流出通道205均呈梳齿型。每条分流入通道的一端与总流入通道连通,另一端封闭;每条分流出通道的一端与总流出通道连通,另一端封闭。流入通道204和流出通道205呈叉指型排列且彼此不连通。如图3所示,各条分流入通道和各条分流出通道平行排列。
在制作好带有嵌入式微流道102的芯片100和带有歧管通道203的盖板200后,将芯片100的嵌入式微流道102部分与盖板200的歧管通道203部分对准,使得各条分流入通道或各条分流出通道中的流体流动方向与嵌入式微流道102中的流体流动方向成垂直或近似垂直的角度。
之后,在芯片100和盖板200之间形成低温密封层,从而实现流道密封,使得嵌入式微流道102与流入通道204和流出通道205密封连通。
所述低温密封层的形成方法包括使用粘合剂固化形成。所述低温密封层可以是采用热固性材料或热塑性材料而形成的粘合剂层。所述热固性材料可以是环氧树脂或聚氨酯,所述热塑性材料可以是聚乙酸乙烯酯或聚乙烯醇缩醛。
所述低温密封层的形成方法还包括使用金属材料通过物理气相淀积工艺、化学气相沉积工艺和电镀工艺中的任意一种与低温共晶键合工艺结合而形成。所述金属材料可选自Cu、Sn、Pb、In、Au、Ag和Sb的一种或多种。在这里,低温是指300℃以下的温度。
所述粘合剂层的厚度与贴片压力可结合芯片的嵌入式微流道的尺寸进行设计。如果嵌入式微流道的尺寸较小,则粘合剂层的厚度和贴片压力不能太大,否则会引起严重的溢胶现象堵塞流道。另外,固化温度决定固化强度,因此,如果需要较强的键合强度,则可以适当升高固化温度,延长固化时间。
针对嵌入式微流道尺寸较小或需批量制造的情况,低温共晶键合比低温固化粘合剂粘接更为适合。优选地,低温共晶键合可包括Cu/Sn共晶键合、Pb/Sn共晶键合和Pb/In共晶键合。低温共晶键合工艺的键合温度为300℃以下,键合压力取决于键合界面的面积。在低温共晶键合步骤之前,需要分别在两个键合面制备共晶焊料。其中,带有嵌入式微流道的芯片键合面的焊料可采用物理气相淀积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺直接制备,或者可在制作嵌入式微流道之前首先在芯片键合面制备黏附层和种子层,并在制作嵌入式微流道之后在种子层上通过电镀工艺制备焊料。带有歧管通道、入液口和出液口的盖板侧焊料可采用物理气相淀积(PVD)或化学气相沉积(CVD)工艺直接制备,或者在制作歧管通道、入液口和出液口之前首先在盖板的键合面制备黏附层和种子层,并在制作歧管通道、入液口和出液口之后在种子层上通过电镀工艺制备焊料。黏附层和种子层可采用物理气相淀积(PVD)工艺制备。
以上可以看出,本发明的制备工艺简便,只需在目标芯片上刻蚀散热微流道,便可以和歧管通道盖板粘接;也可以在两个键合面分别制备金属薄膜,采用IC兼容的低温共晶键合实现流道密封。本发明不需要集成体积较大的金属散热翅片、散热风扇或散热冷板,可以大幅度地减少散热系统的体积,提升封装结构的集成度。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但本发明不限于此。
实施例1
提供芯片的封装模块,去除封装模块的上盖板,露出位于芯片衬底上表面的热界面材料(TIM)。采用打磨方式去除TIM,露出芯片的衬底。通过涂覆光刻胶对芯片上的其他电学结构进行保护。接着,通过硬掩模与刻蚀工艺的结合在衬底顶部制作嵌入式微流道102,得到如图2所示的结构。
提供硅基板,在硅基板上刻蚀出流入通道204、流出通道205、入液口201及出液口202,得到如图3所示的盖板200。
在如图3所示的盖板200背面涂敷或蘸取适当厚度的低温固化的环氧树脂粘合剂,与如图2所示的芯片中的嵌入式微流道部分对准(使得各条分流入通道或各条分流出通道中的流体流动方向与嵌入式微流道102中的流体流动方向成垂直或近似垂直的角度)后贴装在其表面,固化后实现流道密封粘接,得到如图1所示的结构。
固化后,在盖板200的入液口201与出液口202处连接管道接头,实现冷却工质的供给与收集。
冷却流体的流动情况如图4所示,流体从入液口201流入,沿实心箭头所示在流入通道204中流动,随后沿虚线箭头所示,流入芯片的嵌入式微流道102中与热源芯片发生热交换,再沿着空心箭头所示沿流出通道205流动,最后从出液口202流出,完成整个流体冷却过程。
实施例2
按照实施例1描述的方法进行,不同之处在于,提供硅基板,在硅基板的背面通过物理气相淀积(PVD)工艺制备Ti/Cu 100/300nm分别作为黏附层和种子层。之后,在硅基板上刻蚀出流入通道204、流出通道205、入液口201及出液口202,去除光刻胶后在种子层上电镀Cu/Sn 6/2μm,得到带有焊料和歧管通道的盖板200。其中PVD+刻蚀+电镀的工艺顺序可以保证歧管通道内部无金属,减小对流动的影响。然后,在如图2所示的结构的键合界面处通过物理气相淀积(PVD)工艺直接制备厚度约为1μm的Cu层,得到带有焊料的芯片结构。最后,将带有焊料的盖板的歧管通道部分与带有焊料的芯片结构的嵌入式微流道部分对准(使得各条分流入通道或各条分流出通道中的流体流动方向与嵌入式微流道102中的流体流动方向成垂直或近似垂直的角度)后,在一定的键合压力和约240℃的键合温度下进行共晶键合,从而实现流道密封粘接。
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揭露的技术范围内,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。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于歧管通道盖板的封装结构,其包括:
芯片,包括衬底和位于所述衬底顶部的嵌入式微流道;
盖板,包括歧管通道、入液口和出液口;以及
用于使所述嵌入式微流道和所述歧管通道密封连通的低温密封层,所述低温密封层位于所述芯片和所述盖板之间。
2.根据权利要求1所述的封装结构,其特征在于,所述歧管通道包括流入通道和流出通道;优选地,所述流入通道和所述流出通道呈叉指型排列且彼此不连通。
3.根据权利要求2所述的封装结构,其特征在于,所述流入通道和所述流出通道均呈梳齿型;优选地,所述流入通道包括一条总流入通道和多条分流入通道,其中所述总流入通道与所述入液口连通;所述流出通道包括一条总流出通道和多条分流出通道,所述总流出通道与所述出液口连通;优选地,所述分流入通道或所述分流出通道中的流体流动方向与所述嵌入式微流道中的流体流动方向成垂直或近似垂直的角度。
4.根据权利要求1或2所述的封装结构,其特征在于,所述低温密封层为粘合剂层或金属层;优选地,所述粘合剂层包括热固性材料或热塑性材料;优选地,所述热固性材料为环氧树脂或聚氨酯,所述热塑性材料为聚乙酸乙烯酯或聚乙烯醇缩醛;优选地,所述金属层包括一种或多种选自Cu、Sn、Pb、In、Au、Ag和Sb的金属材料,所述金属层是通过物理气相淀积工艺、化学气相沉积工艺和电镀工艺中的任意一种与低温共晶键合工艺结合而得到的。
5.一种基于歧管通道盖板的封装结构的制备方法,其包括:
提供芯片,在所述芯片的衬底顶部制作嵌入式微流道;
制备具有歧管通道、入液口和出液口的盖板;以及
在所述芯片和所述盖板之间形成低温密封层,以使所述嵌入式微流道与所述歧管通道密封连通。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述芯片为晶圆状态,通过晶圆光刻工艺和晶圆刻蚀工艺的结合制作所述嵌入式微流道;优选地,所述芯片为晶圆状态,所述制备方法还包括在制作所述嵌入式微流道之前,将所述芯片的晶圆厚度减薄;优选地,所述芯片为晶圆状态,所述制备方法还包括在制作所述嵌入式微流道之后,对所述芯片进行划片。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述芯片为裸片状态,通过硬掩模与刻蚀工艺的结合或通过光刻工艺和刻蚀工艺的结合制作所述嵌入式微流道;当所述芯片位于封装模块之中时,首先将芯片的衬底露出,之后通过硬掩模与刻蚀工艺的结合或通过光刻工艺和刻蚀工艺的结合制作所述嵌入式微流道。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,在制备具有歧管通道、入液口和出液口的盖板的步骤中,所述歧管通道、入液口和出液口的制作方法包括光刻工艺、刻蚀工艺、铣刀加工工艺、钻孔工艺、腐蚀工艺或其结合。
9.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述低温密封层的形成方法包括使用粘合剂固化形成;优选地,所述低温密封层为采用热固性材料或热塑性材料而形成的粘合剂层;优选地,所述热固性材料为环氧树脂或聚氨酯,所述热塑性材料为聚乙酸乙烯酯或聚乙烯醇缩醛。
10.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述低温密封层的形成方法包括使用金属材料通过物理气相淀积工艺、化学气相沉积工艺和电镀工艺中的任意一种与低温共晶键合工艺结合而形成;优选地,所述金属材料选自Cu、Sn、Pb、In、Au、Ag和Sb的一种或多种。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110557128.8A CN113488441A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110557128.8A CN113488441A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113488441A true CN113488441A (zh) | 2021-10-08 |
Family
ID=77932983
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110557128.8A Pending CN113488441A (zh) | 2021-05-21 | 2021-05-21 | 一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113488441A (zh) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115682767A (zh) * | 2021-12-20 | 2023-02-03 | 山东大学 | 一种歧管分流层及其歧管微柱阵列平板换热器 |
CN116469856A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-07-21 | 之江实验室 | 一种带歧管微通道结构的冷却芯片和冷却方法 |
CN116540368A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-08-04 | 之江实验室 | 芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片 |
CN118366943A (zh) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 北京大学 | 一种芯片散热结构及加工方法 |
CN118471941A (zh) * | 2024-07-11 | 2024-08-09 | 浙江大学 | 基于晶圆片上生长的一体化液冷微流道埋入式封装结构 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5801442A (en) * | 1996-07-22 | 1998-09-01 | Northrop Grumman Corporation | Microchannel cooling of high power semiconductor devices |
US20050151244A1 (en) * | 2003-12-29 | 2005-07-14 | Intel Corporation | Integrated micro channels and manifold/plenum using separate silicon or low-cost polycrystalline silicon |
CN1790705A (zh) * | 2004-11-12 | 2006-06-21 | 国际商业机器公司 | 用于冷却半导体集成电路芯片封装的装置和方法 |
CN109524373A (zh) * | 2018-11-19 | 2019-03-26 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺 |
CN110164835A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-23 | 北京工业大学 | 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 |
CN110425914A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-11-08 | 中国空间技术研究院 | 一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构 |
CN111769087A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-13 | 厦门大学 | 一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法 |
CN112768432A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-07 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种集成大功率射频芯片的微流体转接板及其制备方法 |
-
2021
- 2021-05-21 CN CN202110557128.8A patent/CN113488441A/zh active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5801442A (en) * | 1996-07-22 | 1998-09-01 | Northrop Grumman Corporation | Microchannel cooling of high power semiconductor devices |
US20050151244A1 (en) * | 2003-12-29 | 2005-07-14 | Intel Corporation | Integrated micro channels and manifold/plenum using separate silicon or low-cost polycrystalline silicon |
CN1790705A (zh) * | 2004-11-12 | 2006-06-21 | 国际商业机器公司 | 用于冷却半导体集成电路芯片封装的装置和方法 |
CN109524373A (zh) * | 2018-11-19 | 2019-03-26 | 中国电子科技集团公司第五十八研究所 | 嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺 |
CN110164835A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-23 | 北京工业大学 | 一种歧管式复杂结构微通道微型散热器 |
CN110425914A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-11-08 | 中国空间技术研究院 | 一种基于纳米超润湿界面的低阻强化传热结构 |
CN111769087A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-13 | 厦门大学 | 一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法 |
CN112768432A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-07 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种集成大功率射频芯片的微流体转接板及其制备方法 |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115682767A (zh) * | 2021-12-20 | 2023-02-03 | 山东大学 | 一种歧管分流层及其歧管微柱阵列平板换热器 |
CN115682767B (zh) * | 2021-12-20 | 2023-09-22 | 山东大学 | 一种歧管分流层及其歧管微柱阵列平板换热器 |
CN116469856A (zh) * | 2023-06-20 | 2023-07-21 | 之江实验室 | 一种带歧管微通道结构的冷却芯片和冷却方法 |
CN116469856B (zh) * | 2023-06-20 | 2024-07-26 | 之江实验室 | 一种带歧管微通道结构的冷却芯片和冷却方法 |
CN116540368A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-08-04 | 之江实验室 | 芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片 |
CN116540368B (zh) * | 2023-06-25 | 2024-01-09 | 之江实验室 | 芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片 |
CN118366943A (zh) * | 2024-06-20 | 2024-07-19 | 北京大学 | 一种芯片散热结构及加工方法 |
CN118366943B (zh) * | 2024-06-20 | 2024-08-30 | 北京大学 | 一种芯片散热结构及加工方法 |
CN118471941A (zh) * | 2024-07-11 | 2024-08-09 | 浙江大学 | 基于晶圆片上生长的一体化液冷微流道埋入式封装结构 |
CN118471941B (zh) * | 2024-07-11 | 2024-10-11 | 浙江大学 | 基于晶圆片上生长的一体化液冷微流道埋入式封装结构 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN113257757B (zh) | 一种硅基扇出型封装结构及其制备方法 | |
CN113488441A (zh) | 一种基于歧管通道盖板的封装结构及其制备方法 | |
US7271034B2 (en) | Semiconductor device with a high thermal dissipation efficiency | |
CN108766897B (zh) | 实现大功率GaN器件层散热的三维异质结构的封装方法 | |
US9337124B1 (en) | Method of integration of wafer level heat spreaders and backside interconnects on microelectronics wafers | |
KR101675028B1 (ko) | 전자 냉각을 위한 cmos 호환 가능 마이크로채널 히트 싱크 및 그의 제조 | |
EP2973697B1 (en) | Method of creating a coolant channel in a semiconductor wafer assembly | |
US7355277B2 (en) | Apparatus and method integrating an electro-osmotic pump and microchannel assembly into a die package | |
US10170392B2 (en) | Wafer level integration for embedded cooling | |
US20100187682A1 (en) | Electronic package and method of assembling the same | |
CN113257763A (zh) | 一种包括嵌入歧管式微流道的引线键合结构及其制备方法 | |
CN111244050A (zh) | 芯片级集成微流体散热模块及制备方法 | |
CN108735693B (zh) | 高散热性硅/玻璃复合转接板及其制造方法 | |
CN114300428A (zh) | 一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法 | |
CN110010567B (zh) | 一种大功率系统级射频模块的液冷散热互联结构及其制作方法 | |
CN112349660B (zh) | 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 | |
Yu et al. | Fabrication of silicon carriers with TSV electrical interconnections and embedded thermal solutions for high power 3-D package | |
CN112234037B (zh) | 一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法 | |
CN113035808B (zh) | 一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置与制备方法 | |
KR102423373B1 (ko) | 반도체 디바이스 및 그 제조 방법 | |
CN113023663B (zh) | 一种全硅结构mems微流道散热器及其加工方法 | |
CN113161306B (zh) | 芯片的高效散热结构及其制备工艺 | |
CN114256178A (zh) | 一种高功率芯片散热结构及其制备方法 | |
Du et al. | Embedded cooling method with monolithic dual-layer microchannel cold plate for high-power chips | |
CN117038629A (zh) | 基于玻璃载板的无塑封嵌入式晶上系统结构及制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
TA01 | Transfer of patent application right | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20230629 Address after: 100871 No. 5, the Summer Palace Road, Beijing, Haidian District Applicant after: Peking University Applicant after: North IC Technology Innovation Center (Beijing) Co.,Ltd. Address before: 100871 No. 5, the Summer Palace Road, Beijing, Haidian District Applicant before: Peking University |