CN115084060A - 一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于芯片散热技术领域，涉及一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用。所述热沉内开设用于冷却工质进出的微流道，所述微流道具有高深宽比，所述微流道内设置若干错列排布的肋柱，所述肋柱的径向截面沿轴向从两端向中间逐渐减小。本发明提供的热沉能够提高微流道的散热性能。

Description

一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于芯片散热技术领域，涉及一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
据发明人研究了解，现有的微流道结构主要采用硅作为制作材料，采用简单的矩形截面通道或圆柱肋板结构，随着功率芯片的热流密度急剧增大，由于冷却液与流道壁面的接触面积较小，简单结构的微流道已难以满足日益增加的散热需求，迫切需要结构方面的改进以达到更佳的散热效果。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用，本发明提供的热沉能够提高微流道的散热性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种高深宽比微流道热沉，所述热沉内开设用于冷却工质进出的微流道，所述微流道具有高深宽比，所述微流道内设置若干错列排布的肋柱，所述肋柱的径向截面沿轴向从两端向中间逐渐减小。
本发明通过设置高深宽比的微流道，以及设置中间窄两端宽的肋柱，能够增加换热面积，协同肋柱的错列排布，提高了热沉中微流道的散热性能。
硅作为微流道材料用于微波功率组件时，其寄生效应会影响微波功率芯片接地，进而影响微波芯片的性能，甚至导致微波芯片出现自激或烧毁现象。另外，硅的热导率相对较低，硅基微流道受导热能力的限制容易散热能力不足导致热量堆积。并且，碳化硅作为第三代宽禁带半导体，未来将成为射频等领域高性能芯片衬底材料的主流，碳化硅热膨胀系数为4.7×10-6/K，硅的热膨胀系数为2.5×10-6/K，碳化硅的热膨胀系数接近于硅的二倍，若将硅基微流道与碳化硅衬底芯片进行装配，发生热失配的概率较大，对射频微系统部件的电气性能及可靠性具有极大的负面影响。因而，进一步地，所述热沉的材质为碳化硅。碳化硅作为微流道材料，不仅可以提高微流道热导率；还能够降低寄生效应，预防与碳化硅芯片装配时发生热失配。
研究表明，为了实现数百瓦每平方厘米甚至千瓦每平方厘米的高效散热能力，需要微流道的流道宽度在数十微米量级(10～90μm)，流道的深宽比需超过5∶1，即本发明所述的高深宽比。然而，目前普通的加工工艺难以满足要求，从而难以实现高深宽比微流道的加工。另外，受蚀刻原理限制，目前的蚀刻技术无法直接加工中间收窄的肋柱结构。
因而，另一方面，一种上述高深宽比微流道热沉的制备方法，提供两块衬底，每块衬底开设凹槽，并在凹槽内设置若干错列排布的半肋柱，获得半热沉；半热沉内凹槽的深度等于半肋柱的高度，所述半肋柱的径向截面按照凹槽底向凹槽开口方向逐渐减小；将两块半热沉拼接，使两块半热沉的凹槽对齐，且两块半热沉的半肋柱对齐，通过晶圆键合组装，即得。
第三方面，一种上述高深宽比微流道热沉在芯片散热中的应用。
本发明的有益效果为：
1.本发明在微流道内设置中间窄两端宽的肋柱在减小冷却工质流动阻力的同时增大了微流道内散热接触面积，且通过错列排布增强了微流道内冷却剂受到的扰动，且具有较大的深宽比，显著提高了散流道冷却效率，降低微流道中冷却工质的压降，降低了功耗。
2.本发明选择碳化硅作为热沉材料，相比于硅具有更小的寄生效应、更大的热导率，以及与碳化硅芯片之间更好的热适配性。
3.本发明提出了在碳化硅材料上加工高深宽比的复杂微流道结构的制备方法，相比于传统的在单块衬底上刻蚀微流道结构，新的制备方法大大提高了所能加工的微流道深宽比上限，并且显著降低了复杂微结构的加工难度，为碳化硅基微流道加工、高深宽比微流道加工，以及复杂微流道结构加工提供了解决方案。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的高深宽比微流道热沉的结构示意图；
图2为本发明实施例1的高深宽比微流道热沉的内部结构剖视图；
图3为本发明实施例1的高深宽比微流道热沉的内部结构立体截面图；
图4为本发明实施例1的单叶双曲面肋柱结构示意图；
图5为本发明实施例2的简化后的单叶双曲面肋柱结构示意图；
图6为本发明实施例3制备过程中进行晶圆键合前碳化硅衬底的侧视示意图；
图7为本发明实施例3制备过程中碳化硅衬底进行晶圆键合前后过程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有热沉微流道散热较差，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种高深宽比微流道热沉及其制备方法与应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种高深宽比微流道热沉，所述热沉内开设用于冷却工质进出的微流道，所述微流道具有高深宽比，所述微流道内设置若干错列排布的肋柱，所述肋柱的径向截面沿轴向从两端向中间逐渐减小。
本发明通过设置高深宽比的微流道，以及设置中间窄两端宽的肋柱，能够增加换热面积，协同肋柱的错列排布，提高了热沉中微流道的散热性能。
该实施方式的一些实施例中，所述热沉的材质为碳化硅。采用碳化硅作为微流道材料，不仅可以提高微流道热导率；还能够降低寄生效应，预防与碳化硅芯片装配时发生热失配。
该实施方式的一些实施例中，所述肋柱的壁面为单叶双曲面。该结构上下过渡更加平滑，具有更大的对流换热面积以及更小的流动阻力。
该实施方式的一些实施例中，所述肋柱的径向截面为圆形。具有更大的表面积，并且能够降低微流道中冷却工质的压降。
该实施方式的一些实施例中，热沉为立方块状结构。该结构有利于与芯片装配。
该实施方式的一些实施例中，热沉表面进行金属化处理。降低寄生效应对芯片接地的影响，保证芯片的可靠接地，避免芯片出现自激或烧毁现象。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述高深宽比微流道热沉的制备方法，提供两块衬底，每块衬底开设凹槽，并在凹槽内设置若干错列排布的半肋柱，获得半热沉；半热沉内凹槽的深度等于半肋柱的高度，所述半肋柱的径向截面按照凹槽底向凹槽开口方向逐渐减小；将两块半热沉拼接，使两块半热沉的凹槽对齐，且两块半热沉的半肋柱对齐，通过晶圆键合组装，即得。
本发明通过晶圆键合组装大大提高了所能加工的微流道深宽比上限，降低了中间窄两端宽的肋柱的加工难度。
该实施方式的一些实施例中，制备半热沉的过程为：将衬底的一面进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻，形成图形化掩膜，再采用等离子体刻蚀工艺对衬底进行刻蚀，即得。
该实施方式的一些实施例中，对半热沉的刻蚀面进行二次化学机械研磨抛光，清洗后再进行拼接、晶圆键合组装。
在一种或多种实施例中，二次化学机械研磨抛光至表面粗糙度不低于2nm。
该实施方式的一些实施例中，晶圆键合组装后，进行表面整体金属化处理。该处理的目的在于：降低寄生效应对芯片接地的影响，保证芯片的可靠接地，避免芯片出现自激或烧毁现象。
本发明提供了一种更好的制备方法，其步骤如下：
1)准备两块相同尺寸的碳化硅衬底，碳化硅衬底尺寸可根据实际应用中目标芯片或微系统的尺寸决定。
2)分别对两块碳化硅衬底的一面进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻，形成图形化掩膜，再采用等离子体刻蚀工艺对碳化硅衬底进行刻蚀，形成错列分布的上窄下宽的半单叶双曲面肋柱结构。
3)对两块碳化硅衬底的刻蚀面进行二次化学机械研磨抛光，表面粗糙度要求达到2nm以上，并进行清洗，去除表面金属、有机物等杂质。
4)将具有半个单叶双曲面肋柱结构的两块碳化硅衬底进行精准拼接，合并为完整的单叶双曲面肋柱结构，并保持一定的温度(1100℃～1400℃)和压力(1MPa～4MPa)，通过晶圆键合技术将两块碳化硅衬底键合为一体结构，使接合面达到足够的键合强度，进行晶圆键合组装后，得到的完整微流道的深宽比为键合前的二倍，实现了大深宽比单叶双曲面复杂结构微流道的加工。
5)将键合组装后的微流道热沉进行表面整体金属化处理，降低寄生效应对芯片接地的影响，保证芯片的可靠接地，避免芯片出现自激或烧毁现象。
湿法腐蚀和干法刻蚀是制备上窄下宽的肋柱结构的两种基本技术，相较于湿法刻蚀，干法刻蚀具有控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、污染少等特点。干法刻蚀的主要方法有激光直写法、反应离子(RIE)刻蚀法、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀法。其中ICP刻蚀技术是一种高密度、低气压的刻蚀技术，可通过参数调节精确控制刻蚀形貌，具有低损伤、高精度等优势。本发明采用ICP刻蚀技术，利用含氯气体(如BCl3)、含氧气体(O2)、载体气体(如Ar)组成的混合气体进行刻蚀，在刻蚀过程中，首先设置适当的ICP源功率、RF偏压功率，再通过逐渐减小含氯气体流量，实现反应室腔体压强(Cavity Pressure)逐渐降低，从而逐渐降低蚀刻过程中的选择比，完成上窄下宽的半单叶双曲面肋柱结构的刻蚀加工，此方法可以精确控制刻蚀形貌，最终得到上窄下宽的曲率可控、侧壁光滑、底部平坦的半单叶双曲面肋柱结构。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述高深宽比微流道热沉在芯片散热中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种碳化硅基高深宽比单叶双曲面肋柱微流道热沉，如图1～4所示，包括入口1、流道2、单叶双曲面肋柱3、出口4。冷却液由入口1进入流道2，流经内部设置的单叶双曲面肋柱3，最终由出口4流出，完成芯片散热过程。
当冷却液流经单叶双曲面肋柱3时，单叶双曲面肋柱3提供了比传统圆柱肋柱微流道结构更大的散热接触面积，提高了对流换热效率；另外，单叶双曲面肋柱3为交错布置，增大了对冷却液的扰动，促进了流体的充分混合，流体的充分混合显著提高了换热系数；另外，由于单叶双曲面肋柱3的截面直径自上下两侧到中间部分逐渐缩小，有利于降低压降损失，圆形截面也有利于降低摩擦因数；另外，采用碳化硅衬底作为原材料，由于碳化硅的热导率高，所以提升了微流道散热结构的热导率，增强了流道壁与流道内液体的热交换能力；另外，得益于本发明提出的先进制备方法，上述微流道散热结构具有比传统微流道结构更大的深宽比，大大提升了微流道的散热性能。
实施例2
一种碳化硅基高深宽比简化单叶双曲面肋柱微流道热沉，如实施例1相同，不同在于，将实施例1的单叶双曲面肋柱进行简化，简化后的结构如图5所示。
实施例3
一种碳化硅基高深宽比单叶双曲面肋柱微流道热沉的制备方法，步骤如下：
1)准备两块相同尺寸的碳化硅衬底，本实施例中选择10×10mm，实际应用中可根据目标芯片或微系统尺寸决定。
2)分别对两块碳化硅衬底的一面进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻，形成图形化掩膜，再采用等离子体刻蚀工艺对碳化硅衬底进行刻蚀，形成上窄下宽的半个单叶双曲面肋柱结构，如图6所示。
采用ICP刻蚀技术，利用BCl3、O2、Ar组成的混合气体进行刻蚀，在刻蚀过程中，首先设置ICP功率1375W，RF偏压功率240W，再通过逐渐减小含氯气体流量，实现反应室腔体压强(Cavity Pressure)逐渐降低，从而逐渐降低蚀刻过程中的选择比，完成上窄下宽的半单叶双曲面肋柱结构的刻蚀加工。
3)对碳化硅衬底的刻蚀面二次化学机械研磨抛光，表面粗糙度要求达到2nm以上。在进行键合之前，样品需经过亲水性的表面处理，其中包括湿法清洗和等离子体处理。湿法清洗依次用丙酮、酒精、食人鱼液(SPM)、标准清洗1号液(SC1)、稀释后的氢氟酸溶液和去离子水进行清洗，去除表面金属、有机物等杂质。随后利用氧等离子体进行了碳化硅表面激活，同时也可以达到消除晶圆表面的碳污染以及进一步降低表面粗糙度的目的。
4)经过上述的表面处理后，利用两片碳化硅衬底刻蚀面进行直接键合，将具有半个单叶双曲面肋柱结构的两块碳化硅衬底进行精准拼接，合并为完整的单叶双曲面肋柱结构，并且对键合样品加载压力(3MPa)，最后在常规大气的高温环境(1200℃)中进行退火，从而得到SiC与SiC的直接键合样品。键合样品的气密性与力学性能符合应用要求。具有单叶双曲面肋柱复杂结构的碳化硅微流道散热结构加工完成，组装后的微流道的深宽比为键合前的二倍，实现了高深宽比。进行晶圆键合时的拼装过程如图7所示。
5)将组装后的微流道热沉进行表面整体金属化处理，降低寄生效应对芯片接地性能的影响，保证芯片的可靠接地，避免芯片出现自激或烧毁现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高深宽比微流道热沉，其特征是，所述热沉内开设用于冷却工质进出的微流道，所述微流道具有高深宽比，所述微流道内设置若干错列排布的肋柱，所述肋柱的径向截面沿轴向从两端向中间逐渐减小。
2.如权利要求1所述的高深宽比微流道热沉，其特征是，所述热沉的材质为碳化硅。
3.如权利要求1所述的高深宽比微流道热沉，其特征是，所述肋柱的壁面为单叶双曲面；
或，所述肋柱的径向截面为圆形。
4.如权利要求1所述的高深宽比微流道热沉，其特征是，热沉为立方块状结构。
5.如权利要求1所述的高深宽比微流道热沉，其特征是，热沉表面进行金属化处理。
6.一种权利要求1～5任一所述的高深宽比微流道热沉的制备方法，其特征是，提供两块衬底，每块衬底开设凹槽，并在凹槽内设置若干错列排布的半肋柱，获得半热沉；半热沉内凹槽的深度等于半肋柱的高度，所述半肋柱的径向截面按照凹槽底向凹槽开口方向逐渐减小；将两块半热沉拼接，使两块半热沉的凹槽对齐，且两块半热沉的半肋柱对齐，通过晶圆键合组装，即得。
7.如权利要求6所述的高深宽比微流道热沉的制备方法，其特征是，制备半热沉的过程为：将衬底的一面进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻，形成图形化掩膜，再采用等离子体刻蚀工艺对衬底进行刻蚀，即得。
8.如权利要求6所述的高深宽比微流道热沉的制备方法，其特征是，对半热沉的刻蚀面进行二次化学机械研磨抛光，清洗后再进行拼接、晶圆键合组装；
优选地，二次化学机械研磨抛光至表面粗糙度不低于2nm。
9.如权利要求6所述的高深宽比微流道热沉的制备方法，其特征是，晶圆键合组装后，进行表面整体金属化处理。
10.一种权利要求1～5任一所述的高深宽比微流道热沉在芯片散热中的应用。
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