CN116540368A - 芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片。芯片冷却结构包括基底；光子集成回路，设置于基底的一侧，光子集成回路包括若干光电器件；冷却层，设置于基底远离光子集成回路的一侧，冷却层包括微流道、微流道入口以及微流道出口；密封层，设置于冷却层远离基底的一侧，用于密封微流道。本申请通过在光子集成回路的背面集成包含微流道的冷却层，通过流体带走光子集成回路的热量，可以有效的给光子集成回路进行降温。
Description
技术领域
本申请涉及芯片技术领域，尤其涉及一种芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片。
背景技术
光子集成回路具有体积小、功耗低、性能优越等优势，广泛应用于光通信、光传感、光计算等领域。光子集成回路中包含不同功能的光电器件，比如：激光器、调制器、探测器、衰减器等。其中有源器件发生光电转换时伴随发热，随着光子集成回路规模增加，光信号处理速度提升，芯片发热问题不可忽视。
半导体光子集成器件通常采用热电制冷进行热管理，利用半导体的温差电现象达到热转移目的。半导体制冷器工作速度快，但制冷效率不高，另外光子集成器件与半导体制冷器的封装质量会影响器件性能。
因此，有必要提供一种改进的芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片以解决上述问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种冷却效果好的芯片冷却结构及其制造方法及光子集成芯片。
本申请公开了一种芯片冷却结构，包括基底；光子集成回路，设置于所述基底的一侧，所述光子集成回路包括若干光电器件；冷却层，设置于所述基底远离所述光子集成回路的一侧，所述冷却层包括微流道、微流道入口以及微流道出口；密封层，设置于所述冷却层远离所述基底的一侧，用于密封所述微流道。
进一步地，所述微流道包括：主流道，包括流入段与流出段，所述流入段与所述微流道入口连通，所述流出段与所述微流道出口连通；至少一个分支流道，自所述流入段引出，自所述流出段返回所述主流道。
进一步地，所述微流道包括三个所述分支流道。
进一步地，所述分支流道包括与所述流入段连接的蛇形段，以及与流出段连接的回归段；所述蛇形段通过蛇形弯折结构布满部分所述冷却层。
进一步地，所述微流道入口以及所述微流道出口相邻设置，所述微流道入口以及所述微流道出口共用一个外接端口。
进一步地，所述冷却层通过微纳加工技术直接形成于所述基底上。
进一步地，所述密封层覆盖所述微流道，露出所述微流道入口以及所述微流道出口。
进一步地，所述密封层通过键合工艺固定于所述冷却层远离所述基底的一侧。
进一步地，所述冷却层通过微纳加工技术直接形成于所述密封层上。
进一步地，所述冷却层通过键合工艺固定于所述基底远离所述光子集成回路的一侧。
进一步地，所述基底为碳化硅材质。
本申请还公开了一种芯片冷却结构的制造方法，包括形成基底；在所述基底的一侧集成光子集成回路；在所述基底远离所述光子集成回路的一侧设置冷却层，所述冷却层包括微流道、微流道入口以及微流道出口；在所述冷却层远离所述基底的一侧设置密封层。
进一步地，在所述基底远离所述光子集成回路的一侧通过微纳加工技术形成所述冷却层；所述密封层通过键合工艺集成于所述冷却层。
进一步地，所述密封层靠近所述基底的一侧通过微纳加工技术形成所述冷却层；所述冷却层通过键合工艺集成于所述基底。
本申请还公开了一种光子集成芯片，包括上述芯片冷却结构。
与现有技术相比，本申请通过在光子集成回路的背面集成包含微流道的冷却层，通过流体带走光子集成回路的热量，可以有效的给光子集成回路进行降温。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。
图1为本申请芯片冷却结构的剖面结构示意图。
图2为本申请一实施例的光子集成回路的示意图。
图3为本申请另一实施例的光子集成回路的示意图。
图4为本申请一实施例的液冷层的示意图。
图5为本申请另一实施例的液冷层的示意图。
图6为本申请一实施例的芯片冷却结构的结构示意图。
图7为图6中芯片冷却结构的热分布图。
图8为本申请另一实施例的芯片冷却结构的结构示意图。
图9为图8中芯片冷却结构的热分布图。
附图标记说明：基底、10；光子集成回路、20；第一光栅耦合器、211；第一功能器件、212；第一III-V材料与基底材料模斑转换器、213；III-V增益器件、214；第二III-V材料与基底材料模斑转换器、215；第二功能器件、216；第二光栅耦合器、217；第三光栅耦合器、221；萨格纳克环形反射镜、222；半导体光放大器、223；可调谐级联微环滤波器、224；马赫-曾德尔调制器、225；第四光栅耦合器、226；冷却层、30；微流道、31；主流道、311；流入段、3111；流出段、3112；分支流道、312；蛇形段、3121；回归段、3122；微流道入口、32；微流道出口、33；密封层、40。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本说明书使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内设有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本说明书使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
接下来对本说明书实施例进行详细说明。
如图1所示，本申请公开了一种芯片冷却结构。芯片冷却结构包括基底10、光子集成回路20、冷却层30以及密封层40。光子集成回路20设置于基底10的一侧。冷却层30设置于基底10远离光子集成回路20的一侧，冷却层30通过流体带走光子集成回路20的热量。密封层40设置于冷却层30远离基底10的一侧，用于对冷却层30进行密封。
基底10为板状结构，基底10的材料包括但不限于硅、氮化硅、碳化硅、铌酸锂、III-V族半导体等。出于材料导热性能的考虑，采用碳化硅为较优的选择。
请同时参阅图2及图3，光子集成回路20设置于基底10的一侧。光子集成回路20包括若干光电器件。若干光电器件中部分器件通过在基底10上直接进行微纳加工得到，部分器件通过键合等措施集成到基底10。
在一实施例中，本申请提供了一种光子集成回路20。光子集成回路20的输入端以及输出端分别由第一光栅耦合器211及第二光栅耦合器217构成。由输入端至输出端依次连接有第一功能器件212、第一III-V材料与基底材料模斑转换器213、III-V增益器件214、第二III-V材料与基底材料模斑转换器215以及第二功能器件216。其中，第一功能器件212以及第二功能器件216可以是调制器、探测器、滤波器、合束器等功能器件。
在另一实施例中，本申请提供了一种光子集成回路20。回路的输入端以及输出端分别由第三光栅耦合器221及第四光栅耦合器226构成。由输入端至输出端依次连接有萨格纳克环形反射镜222、带有增益的半导体光放大器223、可调谐级联微环滤波器224以及用于信号调制的马赫-曾德尔调制器225。马赫-曾德尔调制器225调制的信号光通过第四光栅耦合器226输出。
请同时参阅图4及图5，冷却层30设置于基底10远离光子集成回路20的一侧。冷却层30包括微流道31、微流道入口32以及微流道出口33。低温流体工质从微流道入口32流入，在微流道31中流动，同时通过热传导及热对流带走光子集成回路20中积攒的热量，最终变为高温流体工质从微流道出口33流出。高温的流体工质在外界将热量散出，重新变为低温流体工质进入微流道31，以此完成散热循环。流体工质包括但不限于水、乙二醇、丙二醇等任何具有热传导、热对流功能的流体工质。
在一实施例中，微流道31为蛇形流道。微流道入口32以及微流道出口33分别设置于冷却层30的两对角位置。微流道31自微流道入口32进入并向对向延伸，抵达冷却层30的边缘时往回弯折延伸。以此往复，最终与微流道出口33连通。此种方式使微流道31均匀的布及整个冷却层30。
在另一实施例中，微流道31包括主流道311以及分支流道312。主流道311包括流入段3111与流出段3112。流入段3111与微流道入口32连通，流出段3112与微流道出口33连通。分支流道312自流入段3111引出，自流出段3112返回主流道311。微流道入口32与微流道出口33相邻设置，微流道入口32与微流道出口33共用一个外接端口。
具体地，微流道入口32以及微流道出口33位于基底10左侧靠上方的位置。流入段3111自微流道入口32向右延伸。延伸至超过基底10左右方向中线位置，之后弯折并与位于流入段3111上侧的流出段3112连接。流出段3112向左延伸并与微流道出口33连接。此结构使主流道311下侧的空间大于主流道311上侧的空间。
流入段3111的下侧等间距的引出三条分支流道312。分支流道312包括与流入段3111连接的蛇形段3121，以及与流出段3112连接的回归段3122。由于主流道311下侧的空间大于主流道311上侧的空间，故通过蛇形段3121的蛇形结构使分支流道312可以充分布满冷却层30的。主流道311上侧的空间较小，故通过比较直的回归段3122即可布满冷却层30。
此实施例的流道结构通过设置主流道311与若干分支流道312的形式，使流道构成并联结构，缩短了流体工质自微流道入口32到达微流道出口33的流动距离，防止了微流道入口32处与微流道出口33处冷却效果差距过大的问题。并且分支流道312设置了蛇形段3121以及回归段3122，使得流体工质能充分的流经整个冷却层30，从而提升了冷却效果。
密封层40设置于冷却层30远离基底10的一侧。密封层40覆盖住全部的微流道31，露出微流道入口32以及微流道出口33，以防止流体工质循环过程中发生泄漏。在本实施例中，密封层40为玻璃盖板。在另一实施例中，密封层40可以为硅质盖板等。
本申请提供的的冷却层30可以通过不同方式得到。在一实施例中，通过对基底10远离光子集成回路20的一侧直接进行微纳加工得到冷却层30。之后将密封层40键合至冷却层30上。此种方式使得冷却层30更加的贴合光子集成回路20，使冷却层30可以更有效的吸收光子集成回路20的热量。
在另一实施例中，通过对密封层40靠近基底10的一侧直接进行微纳加工得到冷却层30，之后将冷却层30及密封层40一同键合至基底10上。其中，微纳加工工艺可以是深硅刻蚀或高功率激光刻蚀等。键合工艺可以是硅-硅键合、硅-玻璃键合或者是通过聚合物介质作为媒介进行键合等。
请同时参阅图6、图7、图8及图9，通过COMSOL仿真软件建模得到微流道31的结构示意图。在给定光子集成回路20的热功率为20W的情况下。微流道31中不流通液冷介质时，光子集成回路20的温度将达到8.2×104K。当微流道31结构采用单蛇形流道结构，并流通液冷介质时，光子集成回路20的平均温度为318K。当微流道31采用主流道311加分支流道312的结构，并流通液冷介质时，光子集成回路20的平均温度为311K。比单蛇形流道结构的温度降低了7K。因此，微流道31采用主流道311加分支流道312的结构具有更好的散热效果。
本申请还公开了一种芯片冷却结构的制造方法，包括：
形成基底10；
在基底10的一侧集成光子集成回路20；
在基底10远离光子集成回路20的一侧设置冷却层30，冷却层30包括微流道31、微流道入口32以及微流道出口33；
在冷却层30远离基底10的一侧设置密封层40。
在一实施例中，在基底10远离光子集成回路20的一侧通过微纳加工技术形成冷却层30；密封层40通过键合工艺集成于冷却层30。
在另一实施例中，在密封层40靠近基底10的一侧通过微纳加工技术形成冷却层30；冷却层30通过键合工艺集成于基底10。
本申请还公开了一种光子集成芯片，包括上述的芯片冷却结构。光子集成芯片可以是通信应用中的收发功能芯片、数据中心应用的大规模集成芯片以及大数据光计算等智能领域应用的计算芯片等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里申请的发明后，将容易想到本说明书的其它实施方案。本说明书旨在涵盖本说明书的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本说明书的一般性原理并包括本说明书未申请的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本说明书的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本说明书并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本说明书的范围仅由所附的权利要求来限制。
以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书，凡在本说明书的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书保护的范围之内。
Claims (15)
1.一种芯片冷却结构，其特征在于，包括：
基底；
光子集成回路，设置于所述基底的一侧，所述光子集成回路包括若干光电器件；
冷却层，设置于所述基底远离所述光子集成回路的一侧，所述冷却层包括微流道、微流道入口以及微流道出口；
密封层，设置于所述冷却层远离所述基底的一侧，用于密封所述微流道。
2.根据权利要求1所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述微流道包括：
主流道，包括流入段与流出段，所述流入段与所述微流道入口连通，所述流出段与所述微流道出口连通；
至少一个分支流道，自所述流入段引出，自所述流出段返回所述主流道。
3.根据权利要求2所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述微流道包括三个所述分支流道。
4.根据权利要求2所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述分支流道包括与所述流入段连接的蛇形段，以及与流出段连接的回归段；所述蛇形段通过蛇形弯折结构布满部分所述冷却层。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述微流道入口以及所述微流道出口相邻设置，所述微流道入口以及所述微流道出口共用一个外接端口。
6.根据权利要求1所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述冷却层通过微纳加工技术直接形成于所述基底上。
7.根据权利要求6所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述密封层覆盖所述微流道，露出所述微流道入口以及所述微流道出口。
8.根据权利要求7所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述密封层通过键合工艺固定于所述冷却层远离所述基底的一侧。
9.根据权利要求1所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述冷却层通过微纳加工技术直接形成于所述密封层上。
10.根据权利要求9所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述冷却层通过键合工艺固定于所述基底远离所述光子集成回路的一侧。
11.根据权利要求1所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述基底为碳化硅材质。
12.一种芯片冷却结构的制造方法，其特征在于，包括：
形成基底；
在所述基底的一侧集成光子集成回路；
在所述基底远离所述光子集成回路的一侧设置冷却层，所述冷却层包括微流道、微流道入口以及微流道出口；
在所述冷却层远离所述基底的一侧设置密封层。
13.根据权利要求12所述的芯片冷却结构的制造方法，其特征在于，在所述基底远离所述光子集成回路的一侧通过微纳加工技术形成所述冷却层；所述密封层通过键合工艺集成于所述冷却层。
14.根据权利要求12所述的芯片冷却结构的制造方法，其特征在于，所述密封层靠近所述基底的一侧通过微纳加工技术形成所述冷却层；所述冷却层通过键合工艺集成于所述基底。
15.一种光子集成芯片，其特征在于，包括如权利要求1-11任意一项所述的芯片冷却结构。
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