CN114300428A - 一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法，属于集成电路封装领域，包括通过键合工艺组装的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板；微流道盖板包括第一微流道结构单元和第二微流道结构单元，第一微流道结构单元和第二微流道结构单元上均制作有微流体出入口；二维异构集成结构单元包括转接通孔、凹槽和微流道结构，凹槽中埋有功能芯片，微流道结构分布于功能芯片的侧壁和底部，转接通孔中填充有电镀铜，通过再布线层与功能芯片实现信号互联；基板中设有微流体进液口和微流体出液口。本发明通过在芯片周边集成微流道结构，实现三维封装系统在芯片级的多维度、大面积的主动散热，有效地提升三维封装系统的芯片散热能力。

Description

一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路封装技术领域，特别涉及一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法。

背景技术

随着三维异构集成封装的快速发展，芯片的集成度不断增加，芯片性能不断提高，高功耗芯片在工作时会产生大量的热量，为了避免芯片因为高温烧损，保证芯片能长期稳定运行，必须对其进行散热。尤其是对于芯片采用三维异构集成封装，位于叠层结构中部的芯片，其热量的散发变得更加困难，因此目前提升芯片系统散热效率已经成为三维集成封装系统研发和应用中的一项重大挑战。

对于这类型的封装结构，普遍都是通过液冷或者风冷的方式进行芯片散热，芯片在运行中产生的热量需要经过芯片衬底、芯片封装体、封装基板等大量中间介质才能有效释放出去，并且因为同时集成了多种异质材料，容易产生热失配等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法，以解决现有三维封装系统芯片的散热能力不足的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可六面散热的微流道封装结构，包括通过键合工艺组装的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板；

所述微流道盖板位于顶层，包括第一微流道结构单元和第二微流道结构单元，所述第一微流道结构单元和第二微流道结构单元上均制作有微流体出入口；

所述二维异构集成结构单元位于中间层，包括转接通孔、凹槽和微流道结构，所述凹槽中埋有功能芯片，所述微流道结构分布于功能芯片的侧壁和底部，所述转接通孔中填充有电镀铜，通过再布线层与所述功能芯片实现信号互联；

所述基板位于底层，设有微流体进液口和微流体出液口。

可选的，所述基板的一侧为双进出液口结构，另一侧为单进出液口结构。

可选的，所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面均制作有进出液口密封环和金属导热垫，所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面键合；

所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面均制作有进出液口密封环，所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面键合。

可选的，所述微流道盖板由第一微流道结构单元和第二微流道结构单元通过键合工艺结合而成。

可选的，所述二维异构集成结构单元和所述微流道盖板的材料相同，采用硅，玻璃或有机树脂。

本发明还提供了一种可六面散热的微流道封装结构的制作方法，包括：

步骤一：提供圆片，在所述圆片上制作微流体出入口，得到第一微流道结构单元和第二微流道结构单元，采用晶圆级键合工艺将上述所得第一微流道结构单元和第二微流道结构单元进行组装，形成密封的微流道盖板；

步骤二：采用电镀工艺在所述微流道盖板的下表面制作进出液口密封环和金属导热垫；

步骤三：提供另一圆片，在所述圆片上采用刻蚀工艺制作转接通孔，并采用电镀工艺在转接通孔中填充电镀铜，在圆片上下表面制作电路层；

步骤四：在具有转接通孔的圆片上制作凹槽，在凹槽中埋入功能芯片，通过晶圆级扇出封装工艺进行一体化集成，形成二维异构集成结构单元，在其上下表面制作再布线层，实现转接通孔与功能芯片的信号互联，通过转接通孔将芯片信号引出到二维异构集成结构单元的下表面；

步骤五：采用刻蚀工艺在所述二维异构集成结构单元的下表面制作微流体出入口，分布于埋入功能芯片的侧壁和底部；

步骤六：采用电镀或贴装工艺在所述二维异构集成结构单元的上下表面制作进出液口密封环和金属导热垫；

步骤七：提供基板，采用机械打孔工艺或激光打孔工艺制作微流体进液口和微流体出液口，并在基板表面制作进出液口密封环；

步骤八：采用键合工艺将上述所得的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板进行组装，形成可六面散热的微流道封装结构。

可选的，所述圆片的材料包括硅、玻璃、以及三五族化合物；所述三五族化合物为氮化镓、砷化镓。

可选的，所述进出液口密封环和金属导热垫的材料均包括锡、铅、铋、铜一种低熔点金属单质，或多种的化合物。

本发明提供的可六面散热的微流道封装结构及其制作方法，具有以下有益效果：

(1)尺寸在微纳米级别的微流道结构分布在芯片顶部、底部与四周，使得冷却液可对芯片实现六面散热，形成高换热面积的微流道散热结构，为芯片提供了足够的热交换面积，大大提升了芯片的散热速率；

(2)本发明通过在基板上直接集成进出液口结构，即可直接实现冷却液的顺利注入与流出，省略金属模组，可以大大减少封装尺寸；

(3)基板上经单进出液口流入的液体在进入双进出口液后具有较大的流速，加快热量快速释放；

(4)增加微流道盖板在增强散热功能的同时，可以对有源芯片起到保护作用。

附图说明

图1是本发明提供的可六面散热的微流道封装结构示意图；

图2是制作微流道盖板的示意图；

图3是在微流道盖板上制作进出液口密封环和金属导热垫的示意图；

图4是制作二维异构集成结构单元的示意图；

图5是在二维异构集成结构单元上制作出液口密封环和金属导热垫的示意图；

图6是制作基板并在其表面制作进出液口密封环的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种可六面散热的微流道封装结构及其制作方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供了一种可六面散热的微流道封装结构，其结构如图1所示，包括通过键合工艺组装的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板；所述微流道盖板位于顶层，所述二维异构集成结构单元位于中间层，所述基板位于底层。

请继续参阅图1，位于顶层的所述微流道盖板包括相键合的第一微流道结构单元101和第二微流道结构单元102，所述第一微流道结构单元101和第二微流道结构单元102上均制作有微流体出入口103；位于中间层的所述二维异构集成结构单元包括转接通孔106、凹槽107和微流道结构109，所述凹槽107中埋有功能芯片108，所述微流道结构109分布于功能芯片108的侧壁和底部，所述转接通孔106中填充有电镀铜，通过再布线层110与所述功能芯片108实现信号互联；位于底层所述基板设有微流体进液口111和微流体出液口112，所述基板一侧为双进出液口结构，另一侧为单进出液口结构。所述微流道盖板和所述二维异构集成结构单元的材料相同，采用硅，玻璃或有机树脂。

所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面均制作有进出液口密封环104和金属导热垫105，所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面键合；所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面均制作有进出液口密封环104，所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面键合。电信号由底层基板表面的阵列外引出端引出。

本发明通过微流道主动散热是将微流道嵌入在芯片周边，形成微流道高换热面积散热结构，利用冷却液体流动带走芯片工作时产生的大量热能，确保芯片在合适温度下工作，从而解决了三维集成封装结构中高热流密度芯片的散热问题。

所述可六面散热的微流道封装结构通过如下方法制备：

步骤一：提供圆片用于制作微流道盖板，所述圆片的材料可以为硅、玻璃或其他材料，在圆片上采用干法刻蚀工艺制作深宽比符合设计要求的微流体出入口103，得到第一微流道结构单元101和第二微流道结构单元102，微流体出入口103通过刻蚀工艺嵌入到微流道盖板中，实现芯片顶部主动散热；采用晶圆级键合工艺将上述所得第一微流道结构单元101和第二微流道结构单元102进行组装，得到密封的微流道盖板，如图2所示；

步骤二：采用常规电镀工艺在上述所得密封的微流道盖板的下表面制作进出液口密封环104和金属导热垫105，如图3所示。所述进出液口密封环104和金属导热垫105的材料为锡、铅、铋、铜中的一种低熔点金属单质，或多种的化合物；

步骤三：提供另一圆片，该圆片与用于制作微流道盖板的圆片一样，可以为硅、玻璃或其他材料。在该圆片上采用刻蚀工艺制作直径符合设计要求的转接通孔106，采用电镀工艺在所述转接通孔106中进行填充电镀铜，在该圆片的上下表面制作电路层；

步骤四：再采用深硅刻蚀工艺制作深宽比符合要求的凹槽107，将功能芯片108埋入所述凹槽107中，通过晶圆级扇出封装工艺进行一体化集成，形成二维异构集成结构单元。在所述二维异构集成结构单元的上下表面制作再布线层110，实现转接通孔106与功能芯片108的信号互联，通过转接通孔106将功能芯片108的信号引出到二维异构集成结构单元的下表面，如图4所示；

步骤五：采用刻蚀工艺在上述所得的二维异构集成结构单元的下表面制作直径符合设计要求的微流体出入口109，分布于功能芯片108的侧壁和底部，实现芯片五面主动散热，如图4所示；

步骤六：采用电镀或贴装工艺在上述所得的二维异构集成结构单元的上表面制作进出液口密封环104和金属导热垫105，下表面制作进出液口密封环104，如图5所示。所述进出液口密封环104和金属导热垫105的材料为锡、铅、铋、铜中的一种低熔点金属单质，或多种的化合物；

步骤七：提供基板，采用机械打孔工艺或激光打孔工艺制作直径符合设计要求的微流体进液口111和微流体出液口112，并在基板表面制作进出液口密封环104，基板一侧为双进出液口结构，另一侧为单进出液口结构，如图6所示；

步骤八：采用键合工艺将上述所得微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板进行组装，得到如图1所示的一种可六面散热的微流道封装结构。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，包括通过键合工艺组装的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板；

所述微流道盖板位于顶层，包括第一微流道结构单元(101)和第二微流道结构单元(102)，所述第一微流道结构单元(101)和第二微流道结构单元(102)上均制作有微流体出入口(103)；

所述二维异构集成结构单元位于中间层，包括转接通孔(106)、凹槽(107)和微流道结构(109)，所述凹槽(107)中埋有功能芯片(108)，所述微流道结构(109)分布于功能芯片(108)的侧壁和底部，所述转接通孔(106)中填充有电镀铜，通过再布线层(110)与所述功能芯片(108)实现信号互联；

所述基板位于底层，设有微流体进液口(111)和微流体出液口(112)。

2.如权利要求1所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述基板的一侧为双进出液口结构，另一侧为单进出液口结构。

3.如权利要求1所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面均制作有进出液口密封环(104)和金属导热垫(105)，所述微流道盖板的下表面和所述二维异构集成结构单元的上表面键合；

所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面均制作有进出液口密封环(104)，所述二维异构集成结构单元的下表面和所述基板的上表面键合。

4.如权利要求1所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述微流道盖板由第一微流道结构单元(101)和第二微流道结构单元(102)通过键合工艺结合而成。

5.如权利要求1所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述二维异构集成结构单元和所述微流道盖板的材料相同，采用硅，玻璃或有机树脂。

6.一种可六面散热的微流道封装结构的制作方法，其特征在于，包括：

步骤一：提供圆片，在所述圆片上制作微流体出入口(103)，得到第一微流道结构单元(101)和第二微流道结构单元(102)，采用晶圆级键合工艺将上述所得第一微流道结构单元(101)和第二微流道结构单元(102)进行组装，形成密封的微流道盖板；

步骤二：采用电镀工艺在所述微流道盖板的下表面制作进出液口密封环(104)和金属导热垫(105)；

步骤三：提供另一圆片，在所述圆片上采用刻蚀工艺制作转接通孔(106)，并采用电镀工艺在转接通孔(106)中填充电镀铜，在圆片上下表面制作电路层；

步骤四：在具有转接通孔的圆片上制作凹槽(107)，在凹槽(107)中埋入功能芯片(108)，通过晶圆级扇出封装工艺进行一体化集成，形成二维异构集成结构单元，在其上下表面制作再布线层(110)，实现转接通孔(106)与功能芯片(108)的信号互联，通过转接通孔(106)将芯片信号引出到二维异构集成结构单元的下表面；

步骤五：采用刻蚀工艺在所述二维异构集成结构单元的下表面制作微流体出入口(109)，分布于埋入功能芯片(108)的侧壁和底部；

步骤六：采用电镀或贴装工艺在所述二维异构集成结构单元的上下表面制作进出液口密封环(104)和金属导热垫(105)；

步骤七：提供基板，采用机械打孔工艺或激光打孔工艺制作微流体进液口(111)和微流体出液口(112)，并在基板表面制作进出液口密封环(104)；

步骤八：采用键合工艺将上述所得的微流道盖板、二维异构集成结构单元和基板进行组装，形成可六面散热的微流道封装结构。

7.如权利要求6所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述圆片的材料包括硅、玻璃、以及三五族化合物；所述三五族化合物为氮化镓、砷化镓。

8.如权利要求6所述的可六面散热的微流道封装结构，其特征在于，所述进出液口密封环(104)和金属导热垫(105)的材料均包括锡、铅、铋、铜一种低熔点金属单质，或多种的化合物。

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