[發明專利]芯片級集成微流體散熱模塊及制備方法

有效

• 申請號: 201710321415.2
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107293496B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發明（設計）人: 黃旼;賈世星;朱健
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/48
• 分類號: H01L21/48;H01L23/473;B81B1/00;B81B7/04;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明涉及一種芯片級集成微流體散熱模塊及制備方法，散熱模塊包括下層硅基微流體拓撲結構、上層硅基微流體拓撲結構以及功率芯片接口；下層微流體拓撲結構將冷卻液在水平方向上引導分配至微噴孔陣列的下方，并將與功率芯片發生完熱交換的廢液收集引導。上層微流體拓撲結構提供冷卻液流入流出的接口，將下層微流體拓撲中的冷卻液在垂直方向上引導分配至發熱功率芯片底部，熱交換完成后的廢液通過四周的微槽道流往底層微流體拓撲。本發明中冷卻液可以通過微噴孔陣列直達芯片底部，其間沒有任何中間層增加額外的熱阻，不僅能夠有效提高散熱效率，還能夠針對系統局部熱點散熱，降低散熱系統的復雜程度和成本。

技術領域

本發明屬于微電子和微系統技術領域，具體涉及一種芯片級集成微流體散熱模塊及制備方法。

背景技術

未來微電子系統正向性能更高、體積更小、功能更多的集成化方向發展。系統集成度日益增加，隨之而來的是系統功率密度的急劇增大。大功率輸出必然帶來大熱量的產生。如果沒有可靠的熱管理措施，持續積累的熱量會導致系統工作溫度急劇提升，進而對系統性能、可靠性和壽命帶來負面影響。激光器、LED、MMIC等化合物半導體有源器件是系統熱量的主要來源。這些器件的共同特點是體積小、發熱量大，在極小區域內形成超大熱流密度，在系統內部形成局部熱點。

傳統的散熱思維是先通過被動散熱將熱量從熱點導出，再通過外圍的強化換熱(如風冷及水冷等)來維持系統溫度。這樣的散熱架構從原理上無法應對大功率(>100W)及超高熱流密度(>1kw/cm²)的微電子系統。熱管理問題已經成為制約微電子系統，尤其是以三維堆疊技術為代表的微系統發展的瓶頸。要達到更高的散熱效率，必須將重點放在芯片內部熱點，打破傳統多層疊加的散熱架構，引入嵌入式結構進行芯片級散熱，減小甚至消除堆疊熱阻，提高導熱效率。

發明內容

本發明目的在于提供一種芯片級集成微流體散熱模塊及制備方法。

實現本發明目的的技術方案為：一種芯片級集成微流體散熱模塊，包括下層硅基微流體拓撲結構、上層硅基微流體拓撲結構以及功率芯片接口；

所述下層硅基微流體拓撲結構和上層硅基微流體拓撲結構堆疊設置，上層硅基微流體拓撲結構的上表面開有凹槽，凹槽四周設置有一圈金屬連接層，作為功率芯片接口；凹槽兩側設置有冷卻液進口和冷卻液出口，下層硅基微流體拓撲結構設置有與冷卻液進口連通的下層冷卻液導流槽道以及與冷卻液出口連通的下層冷卻液回流槽道，上層硅基微流體拓撲結構在凹槽內分別設置有與下層冷卻液導流槽道連通的微噴孔陣列以及與下層冷卻液回流槽道連通的冷卻液回流口；

冷卻液經冷卻液進口、下層冷卻液導流槽道、微噴孔陣列垂直噴射至熱源底部，完成熱交換后經冷卻液回流口、下層冷卻液導流槽道以及冷卻液出口排出。

一種制備上述芯片級集成微流體散熱模塊的方法，包括以下步驟：

步驟1，在一片硅晶圓正面刻蝕出下層冷卻液導流槽道和下層冷卻液回流槽道，形成下層硅基微流體拓撲結構；

步驟2，在另一片硅晶圓正面刻蝕出功率芯片接口，接著二次刻蝕出微噴孔陣列輪廓，在硅晶圓背面刻蝕出微通孔陣列、冷卻液進出口及回流槽，形成上層硅基微流體拓撲結構；

步驟3，將兩片晶圓通過圓片鍵合的方式堆疊在一起，形成硅基芯片級微流體散熱集成模塊。

與現有技術相比，本發明的顯著優點為：

(1)本發明的微流體散熱模塊與功率芯片一體化集成，使芯片背面直接與冷卻液接觸，相比傳統散熱模式可降低熱阻提高導熱效率；散熱模塊中的微流體拓撲可將冷卻液通過微噴孔陣列垂直噴射至芯片近結區域，相比傳統流道的層流形式可提高熱傳送效率；