CN116130436A - 集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了关于集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构及其制备方法，所述封装结构包括晶圆基板，芯片阵列和PCB供电板。晶圆基板为集成了高密度的纳米多孔微流道散热结构阵列和信号传递部分的一体结构。根据不同芯片的功耗，纳米多孔微流道散热结构可设置具有不同通道宽度和孔隙尺寸的微通道，在实现对芯片阵列精准散热的同时，明显减小封装结构的厚度，提高了系统集成度。微流道盖板采用聚二甲基硅氧烷材料，做密封层和应力缓冲层；并且在封装结构制备过程中采用两次临时氮化铝载板键合，可避免大尺寸晶圆基板异质异构集成过程产生的应力积累和基板损坏。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构及其制备方法。
背景技术
随着摩尔定律失效在即，芯片发展已经从一味追求单组件尺寸微缩和性能提升，转向超越摩尔定律的多组件封装整合阶段。因此，后摩尔时代出现了许多更务实且满足市场需求的先进封装技术，例如2.5D，3D，SIP，SoW等现在颇为主流的异质整合封装形式。其中，SoW以一整张晶圆作基板，在其上完成若干芯片，有源元件，甚至无源元件的集成，以及重布线层，硅通孔等。这种由全硅互连网络组成的晶上系统，与PCB板上的传统系统相比，可明显提高带宽，减少延迟以及能量损耗，最终可实现对逻辑芯片、存储芯片、射频芯片等异构芯片之间的互连，和集成性能的优化。
晶上系统的制备贯穿多种预制芯片的设计，晶圆基板的制备，互连工艺和微组装的过程，以完成计算、存储、控制等多功能模块一次集成。但是在大尺寸晶圆(8英寸以上)完成高密度的预制芯片阵列集成，必然伴随着小空间高热流密度，热量不均匀的产生，同时多种电子器件和在晶圆上的异质集成和互连也会产生应力积累，这将是SoW技术应用的重大挑战。传统的散热通过在微组装过程中外接热沉，以液冷或者风冷的方式对微电子系统降温；人们也会在微组装过程中将集成系统与缓冲载板键合，以减小变形。这些外接的形式除了组装过程中衍生出界面热阻，和异质材料热膨胀系数不匹配的问题，降低了散热效果，也限制了晶上系统的体积微型化。
因此，组装过程中衍生出界面热阻，和异质材料热膨胀系数不匹配的问题是亟需解决的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是克服大尺寸晶上系统的散热效果不理想和应力积累的问题，本发明提供了一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构，直接在晶圆基板上刻蚀出与芯片阵列一一对应的微流道散热结构阵列，并在微通道壁上通过电镀、脱合金得到孔隙分布和尺寸可控的多孔结构，可有效提高换热面积，减小压降，实现对高密度芯片阵列的精准散热，提高系统的可靠性。微流道盖板采用柔性材料做缓冲层，以减小大尺寸晶圆制备过程中，由于异质材料热膨胀系数不匹配引起的应力，同时晶上系统封装过程中采用两次氮化铝载板临时键合，以实现键合界面的应力释放。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构，该封装结构包括芯片阵列、晶圆基板和PCB供电板；
所述晶圆基板包括纳米多孔微流道散热结构阵列和信号传递部分；
所述纳米多孔微流道散热结构包括微通道、纳米多孔结构壁和微流道盖板；所述纳米多孔结构壁为连续且开放的拓扑结构；微流道盖板上设置有进液口和出液口以供冷却液的进出，所述冷却液经进液口进入，在微通道和纳米多孔结构壁内流动；
所述信号传递部分包括垂直分布的硅通孔、再布线层和焊盘，三者处于芯片阵列和PCB供电板之间能够使芯片阵列之间，以及与PCB供电板间的电信号互连；
所述纳米多孔结构壁由铜层和锌层在高温退火和脱合金后得到的。
进一步地，所述晶圆基板上的纳米多孔微流道散热结构相互独立的方式阵列，且位于芯片阵列的下方。
进一步地，所述纳米多孔微流道散热结构设置有纳米多孔结构壁。
进一步地，所述微流道的宽度范围为20～50μm，高度范围为80～100μm，间距范围为20～50μm，纳米多孔结构壁的宽度范围为2～3μm。
进一步地，所述纳米多孔结构壁为连续，开放的，空间随机分布的多孔结构。
进一步地，根据不同芯片的功耗，所述纳米多孔结构壁的孔隙直径是100～200nm。
进一步地，所述纳米多孔结构壁的材料为金属，最好是铜。
具体地，所述微流道盖板是通过铜锡焊料和微流道键合的。
具体地，所述微流道盖板的材料为聚二甲基硅氧烷。
一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在晶圆基板正面上利用光刻、深刻蚀工艺刻蚀深孔，再利用沉积和电镀工艺生长铜来填充深孔，完成硅通孔制备；电镀的绝缘层、阻挡层和种子层所用材料分别为二氧化硅，氮化镓和铜；
步骤二：利用化学机械抛光工艺将晶圆基板表面多余的铜磨去，经过等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅钝化层，再利用光刻，刻蚀和大马士革工艺制备再布线层；
步骤三：在晶圆基板上进行光刻和蚀刻工艺制作平行的矩形通道阵列，在微通道底面和侧壁面电镀沉积生长铜；
步骤四：在铜基的微通道壁面上通过化学镀生长锌；具体地，其化学镀工艺是：利用含3g锌粉的化学镀液和5M的氢氧化钠溶液，其温度设置为50℃，其时间范围为1～3h，在微通道壁面经过高温退火来制备铜-锌合金层；其退火的条件具体为：退火温度范围为150℃～500℃，退火时间范围为0.5～1h，其保护气体为氩气；
步骤五：在室温下将晶圆基板放置于1.5M氢氧化钠溶液中，对微通道壁面进行脱合金反应，时间范围为10～24h，去除掉微通道壁上铜锌合金的锌成分，得到铜基多孔微通道；所述铜基多孔微通道中的纳米多孔结构壁的孔隙尺寸可通过改变脱合金时间进行设置；
步骤六：提供已刻蚀出液体出入口的微流道盖板，微流道盖板通过铜锡焊料与纳米多孔微流道散热结构键合；
步骤七：利用化学机械抛光工艺，将再布线层与微流道盖板磨平至同一高度；
步骤八：用光刻，刻蚀，等离子体增强化学气相沉积工艺在微流道盖板和再布线层表面沉积金属铝来制作基板顶部焊盘；
步骤九：在晶圆基板底部进行第一次临时键合氮化铝载板；晶圆基板与芯片预制件通过热压工艺键合；再进行底填、注塑封装工艺及注塑件减薄；对底部氮化铝载板进行解键合；
步骤十：在注塑件顶部进行第二次临时键合氮化铝载板；利用化学机械抛光以及刻蚀工艺将硅通孔背面裸露出；在晶圆基板底部完成焊盘和再布线层制备；对顶部氮化铝载板进行解键合；将晶圆基板的底部焊盘和PCB供电板通过毛纽扣进行连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的晶圆基板，利用晶圆基板上的相互独立的散热结构，与高密度的芯片阵列一一对应，提供一种精准且高效的主动散热方式；散热结构为开放纳米多孔翅片结构，极大地提高了换热面积；此外纳米多孔翅片的壁厚，孔隙尺寸根据不同的芯片功耗调整，使大尺寸晶圆上的热量分布更均匀，避免热量集中造成的应力集中，提高晶上系统的可靠性。
(2)纳米多孔散热结构阵列的制备工艺与微电子工艺高度兼容，降低工艺复杂度，另外，将散热结构阵列集成于基板上，可避免外接热沉产生的界面热阻和连接失效的问题，同时可以降低晶上系统的厚度，提高系统的集成度。
(3)本晶圆基板的微流道盖板采用柔性材料作应力缓冲层，并且晶上系统封装结构在大尺寸晶圆与芯片阵列和供电PCB板键合过程中，采用两次载板临时键合和解键合工艺，以减小大尺寸晶圆的弯曲变形，促进应力释放，可有效提高系统的可靠性。
附图说明
图1为集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构的剖面示意图；
图2为集成纳米多孔微流道散热结构阵列的晶圆基板的制备步骤示意图；
图3为纳米多孔微流道散热结构的制备步骤示意图；
图4为集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构的制备步骤示意图。
附图标记说明：1-晶圆基板、2-硅通孔、3-再布线层、4-纳米多孔微流道散热结构、5-微通道、6-铜层、7-锌层、8-纳米多孔结构壁、9-微流道盖板、10-进液口、11-出液口、12-焊盘、13-芯片阵列、14-PCB供电板、15-氮化铝载板、16-注塑件、17-毛纽扣。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及有益效果更加清楚，结合具体实施例对本发明的内容进行详细描述。应当注意，此处描述的实施例仅作为本发明详述，并不用于限定本发明。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
本发明提供了一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构，如图1所示，该结构包括芯片阵列13、晶圆基板1和PCB供电板14；
所述晶圆基板1包括纳米多孔微流道散热结构4阵列和信号传递部分；
所述纳米多孔微流道散热结构4包括微通道5，纳米多孔结构壁8和微流道盖板9，在提供精确散热的同时具有超高的集成度。
所述微通道5在晶圆基板1上可直接刻蚀；所述微通道5壁面上设置有纳米多孔结构壁8，纳米多孔结构壁8为连续且开放的拓扑结构，孔隙特征尺寸可根据不同的芯片功耗进行设置，可通过改变脱合金工艺参数调整；
所述微流道盖板9上设置有供冷却液进出的进液口10和出液口11，冷却液经进液口10进入，在硅基的通道和纳米多孔结构壁8内流动，极大地提高换热面积，减小冷却液进出口压降；微流道盖板9采用聚二甲基硅氧烷，不仅可密封微流道5，还可做应力缓冲层，减小大尺寸晶圆上多次异质集成过程中的热应力。
所述信号传递部分包括垂直分布的硅通孔2，再布线层3和焊盘12，三者处于芯片阵列13和PCB供电板14之间，实现芯片阵列13之间，以及与PCB供电板14间的电信号互连。所述纳米多孔结构壁8由铜层6和锌层7在高温退火和脱合金后得到的。
本发明提供的集成多孔微流道散热结构阵列的晶圆基板，通过如下步骤制作：
1)如图2所示，准备12英寸晶圆基板1，基板厚度为700μm。通过光刻图形化、深反应离子刻蚀等工艺在基板正面刻蚀硅通孔深孔2，孔的高度为100μm。在深孔表面沉积一系列的功能性薄膜，包括绝缘层，阻挡层和种子层，所用材料分别为二氧化硅，氮化镓和铜。再通过电镀工艺生长铜来填充深孔。
2)利用化学机械抛光工艺磨去晶圆基板表面多余的铜，再经过等离子体增强化学气相沉积法在晶圆表面沉积二氧化硅，通过光刻和刻蚀工艺制作铜孔填充区，最后利用大马士革工艺制备沉积铜，形成再布线层3。
3)如图3所示，在晶圆基板上通过光刻，刻蚀工艺形成平行设置的微通道5阵列，通道形状为矩形，宽度为30μm，高度为100μm，间距为30μm，通道宽度和高度可根据不同的芯片功耗进行定向调整；根据芯片的功耗通过电镀沉积工艺选择性地在微通道5壁面生长铜层6，铜层厚度为2μm。
4)在铜基的微流道壁面通过化学镀工艺生长锌层8，锌层厚度为2μm；化学镀工艺：化学液中含3g锌粉和5M的氢氧化钠溶液，温度50℃，时间1～3h。再经过高温退火来制备铜锌合金微通道5壁面，合金层厚度为3～4μm；退火条件：退火温度为150℃～500℃，退火时间为0.5～1h，保护气体为氩气。
5)在室温下将晶圆基板1放置于1.5M氢氧化钠溶液，对铜锌合金微通道壁面进行脱合金反应，时间为10～24h，去除掉微通道壁上铜锌合金的锌成分，得到铜基的纳米多孔结构壁8。第一次腐蚀后，将晶圆基板1浸入2M盐酸溶液以去除表面的氧化物。纳米多孔结构壁8的孔隙直径为100～200nm，孔隙尺寸可通过改变脱合金时间进行调整。
6)准备已刻蚀出液体出入口的微流道盖板9，微流道盖板9通过铜锡焊料与多孔微流道结构阵列键合。
7)利用化学机械抛光工艺，将再布线层3与微流道盖板9磨平至同一高度。
8)利用光刻、刻蚀，等离子化学增强气相沉积等工艺在微流道盖板9和再布线层3表面上沉积焊盘金属铝和氮化硅钝化层来制作基板顶部焊盘12。
所述晶圆基板1最终与芯片阵列13，供电PCB板14构成晶上系统封装结构。本发明提供的集成多孔微流道散热结构阵列的晶上系统封装结构，通过如下步骤制作：
如图4所示，在大尺寸晶圆基板1底部通过热塑性临时键合胶与氮化铝载板15键合；晶圆基板1与芯片阵列13通过热压工艺一次性键合；对晶圆基板1和芯片阵列13连接面进行底填、注塑，得到注塑层16；加热使临时键合胶失效，以对氮化铝载板15进行键合；在注塑件的顶部进行第二次临时键合氮化铝载板15；利用化学机械抛光以及刻蚀工艺将硅通孔2背面裸露出；在晶圆基板1底部通过电镀工艺完成焊盘12和再布线层3制备；再次加热对注塑件16的顶部的氮化铝载板15进行解键合；将晶圆基板1的底部焊盘12和PCB供电板14通过毛纽扣17进行连接。
本发明参照当前的具体实施例来描述，但本技术领域中的技术人员可以也应当认识到，以上的实施例仅是用来详细阐述本发明的优越性以及具体实施方式，在本发明的实质精神下还可以作出各种变化和替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，该封装结构包括芯片阵列(13)、晶圆基板(1)和PCB供电板(14)；
所述晶圆基板(1)包括纳米多孔微流道散热结构(4)阵列和信号传递部分；
所述纳米多孔微流道散热结构(4)包括微通道(5)、纳米多孔结构壁(8)和微流道盖板(9)；所述纳米多孔结构壁(8)为连续且开放的拓扑结构；微流道盖板(9)上设置有进液口(10)和出液口(11)以供冷却液的进出，所述冷却液经进液口(10)进入，在微通道(5)和纳米多孔结构壁(8)内流动；
所述信号传递部分包括垂直分布的硅通孔(2)、再布线层(3)和焊盘(12)，三者处于芯片阵列(13)和PCB供电板(14)之间能够使芯片阵列(13)之间，以及与PCB供电板(14)间的电信号互连；
所述纳米多孔结构壁(8)由铜层(6)和锌层(7)在高温退火和脱合金后得到的。
2.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述晶圆基板(1)上的纳米多孔微流道散热结构(4)相互独立的方式阵列，且位于芯片阵列(13)的下方。
3.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述纳米多孔微流道散热结构(4)设置有纳米多孔结构壁(8)。
4.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述微流道(5)的宽度范围为20～50μm，高度范围为80～100μm，间距范围为20～50μm，纳米多孔结构壁(8)的宽度范围为2～3μm。
5.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述纳米多孔结构壁(8)为连续，开放的，空间随机分布的多孔结构。
6.根据权利要求3所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，根据不同芯片的功耗，所述纳米多孔结构壁(8)的孔隙直径是100～200nm。
7.根据权利要求3所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述纳米多孔结构壁(8)的材料为金属，最好是铜。
8.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述微流道盖板(9)是通过铜锡焊料和微流道(5)键合的。
9.根据权利要求1所述的一种集成纳米多孔微流道散热结构阵列的封装结构，其特征在于，所述微流道盖板(9)的材料为聚二甲基硅氧烷。
10.一种集成多孔微流道散热结构阵列的封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在晶圆基板(1)正面上利用光刻、深刻蚀工艺刻蚀深孔，再利用沉积和电镀工艺生长铜来填充深孔，完成硅通孔制备；电镀的绝缘层、阻挡层和种子层所用材料分别为二氧化硅，氮化镓和铜；
步骤二：利用化学机械抛光工艺将晶圆基板(1)表面多余的铜磨去，经过等离子体增强化学气相沉积法沉积二氧化硅钝化层，再利用光刻，刻蚀和大马士革工艺制备再布线层(3)；
步骤三：在晶圆基板(1)上进行光刻和蚀刻工艺制作平行的矩形通道阵列，在微通道(5)底面和侧壁面电镀沉积生长铜；
步骤四：在铜基的微通道(5)壁面上通过化学镀生长锌；具体地，其化学镀工艺是：利用含3g锌粉的化学镀液和5M的氢氧化钠溶液，其温度设置为50℃，其时间范围为1～3h，在微通道壁面经过高温退火来制备铜-锌合金层；其退火的条件具体为：退火温度范围为150℃～500℃，退火时间范围为0.5～1h，其保护气体为氩气；
步骤五：在室温下将晶圆基板(1)放置于1.5M氢氧化钠溶液中，对微通道(5)壁面进行脱合金反应，时间范围为10～24h，去除掉微通道(5)壁上铜锌合金的锌成分，得到铜基多孔微通道(5)；所述铜基多孔微通道中的纳米多孔结构壁(8)的孔隙尺寸可通过改变脱合金时间进行设置；
步骤六：提供已刻蚀出液体出入口的微流道盖板(9)，微流道盖板(9)通过铜锡焊料与纳米多孔微流道散热结构(4)键合；
步骤七：利用化学机械抛光工艺，将再布线层(3)与微流道盖板(9)磨平至同一高度；
步骤八：用光刻，刻蚀，等离子体增强化学气相沉积工艺在微流道盖板(9)和再布线层(3)表面沉积金属铝来制作基板顶部焊盘(12)；
步骤九：在晶圆基板(1)底部进行第一次临时键合氮化铝载板；晶圆基板(1)与芯片预制件通过热压工艺键合；再进行底填、注塑封装工艺及注塑件减薄；对底部氮化铝载板(15)进行解键合；
步骤十：在注塑件(16)顶部进行第二次临时键合氮化铝载板(15)；利用化学机械抛光以及刻蚀工艺将硅通孔(2)背面裸露出；在晶圆基板(1)底部完成焊盘(12)和再布线层(3)制备；对顶部氮化铝载板(15)进行解键合；将晶圆基板(1)的底部焊盘(15)和PCB供电板(14)通过毛纽扣(17)进行连接。
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