[發明專利]一種三維芯片及其組合結構和制造方法

有效

• 申請號: 201110336147.4
• 申請日: 2011-10-28
• 公開（公告）號: CN103094227A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 劉靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01L23/44
• 分類號: H01L23/44;H01L23/31;H01L21/50
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及芯片制造技術領域，特別涉及一種三維芯片及其組合結構和制造方法。

背景技術

微電子芯片的應用遍及生產生活乃至國家安全的各個層面，在現代文明中扮演著極其重要的角色。芯片發展的趨勢是進一步提高集成度、減小芯片尺寸及增大時鐘頻率。早期的芯片僅含2300個晶體管，而如今在一枚高端Intel芯片上，晶體管的數量就超過10億。當前的芯片設計已日益精細化，由于采用先進平板印刷技術和其他技術，電路線寬越來越精細。工業界正著力發展三維芯片，以期實現運算速度更快、體積更小、更加便宜的芯片。高集成度對于計算機性能的升級是有利的。然而，由此帶來的問題是，芯片耗能和散熱問題也凸現出來。過高溫度會降低芯片的工作穩定性，增加出錯率，同時模塊內部與其外部環境間所形成的熱應力會直接影響芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性。

對現今微電子技術的分析表明，芯片頻率正逼近其極限。電子器件工作在70-80℃水平時，每增加一度，其可靠性就降低25％。因此，如何將極高的產熱量有效的排散掉，并將芯片溫度保持在較低水平已成為一個亟待解決的問題。芯片散熱的實質就是將芯片中的熱量經由封裝外殼、散熱器等排放到外界環境中，以避免結點溫度過高。絕大多數IC(集成芯片)器件的最高工作頻率受到最高結溫的限制，為了增強芯片的性能和可靠性，芯片必須維持在最低的結溫上，以降低由于熱循環而產生的應力集中。為了降低結溫同時又使熱流最大化，必須減少傳熱途徑中總的熱阻。

在各種熱阻中，芯片與外界熱沉之間界面材料引入的熱阻，對控制總熱阻是一個關鍵，也成為迄今為止幾乎所有熱阻研究關心的目標。以往研究中一直力求通過減小芯片與熱沉間的接觸熱阻，通過外界強化冷卻技術來降低芯片溫度。然而，一個至關重要卻被嚴重忽視的事實是，在芯片系統中的最大熱阻實際上來自于芯片內部的發熱元件自身，而非已傳至芯片外表面后與散熱器熱沉之間形成的熱阻，這是因為，發熱最嚴重的部位是在元件自身，而非已經過多層結構傳至周圍介質后的情形，因此，若能將其與芯片內部各介質間的熱阻減至最小，將最大限度地降低發熱元件乃至芯片的熱負荷。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何提供一種三維芯片及其組合結構和制造方法，以便降低芯片內部各介質間的熱阻，從而增強芯片的散熱性能。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供一種三維芯片，其包括：基底、內圍欄、元件和液態金屬；所述元件設置在所述基底與內圍欄所構成的封閉的內腔體中且固定在所述基底上；所述液態金屬填充于所述內腔體中。

優選地，所述元件的表面設置有絕緣層。

優選地，所述三維芯片包括至少一個所述元件。

優選地，所述圍欄高于所述元件。

優選地，所述液態金屬為鎵、鈉、鉀或者水銀。

優選地，所述液態金屬中混有0～99wt％的鎵銦錫合金或者鈉鉀合金，或者混有直徑介于10nm至900nm的導熱顆?；蛘叽判灶w粒。

優選地，所述基底或者圍欄的材料為銅、陽極氧化鋁、金剛石、不銹鋼、石墨、硅、有機玻璃或者聚合物材質。

本發明還提供一種三維芯片的組合結構，所述組合結構包括：外圍欄、基底、元件和液態金屬；所述外圍欄圍成封閉的外腔體；所述基底分層設置在所述外腔體中；所述元件設置在所述外腔體中，并且設置在所述基底上；所述液態金屬填充于所述外腔體中。

優選地，所述組合結構還包括內圍欄；所述內圍欄設置在所述外腔體中，并且與所述基底連接構成內腔體，所述元件位于所述內腔體中；所述液態金屬填充于所述內腔體中。

本發明還提供一種三維芯片的制造方法，其包括步驟：

A：將元件設置在基底上，并且在所述元件表面設置絕緣層；

B：將內圍欄固定在所述基底上，所述元件位于所述基底和內圍欄所構成的內腔體中；

C：從所述內圍欄的注液孔中注入液態金屬，所述內腔體中空氣從所述內圍欄的排氣孔中排出；

D：待液態金屬充滿所述內腔體后，封閉所述內圍欄的注液孔和排氣孔。

(三)有益效果

本發明所述三維芯片及其組合結構和制造方法，通過將元件完全浸潤在液態金屬中，從而有效降低芯片內部各介質間的熱阻，增強芯片的散熱性能。同時，在所述元件表面設置了絕緣層，保證絕緣的同時有效防止了元件被液態金屬所腐蝕。

附圖說明

圖1是本發明實施例所述的三維芯片的結構示意圖；