[發(fā)明專利]一種嵌入式金剛石硅基微流體散熱轉(zhuǎn)接板及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010983066.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-17
• 公開（公告）號(hào): CN112234037B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 禹淼;張洪澤;黃旼;吳靜;朱健
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所
• 主分類號(hào): H01L23/367
• 分類號(hào): H01L23/367;H01L23/373;H01L23/473
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開了一種嵌入式金剛石硅基微流體散熱轉(zhuǎn)接板及其制備方法，該轉(zhuǎn)接板由嵌入式金剛石薄片和硅基微流體散熱結(jié)構(gòu)組成，大功率密度芯片集成于嵌入式金剛石薄片上，微流體結(jié)構(gòu)通過外接循環(huán)系統(tǒng)或集成微泵形式，驅(qū)動(dòng)其中的冷卻液循環(huán)。該轉(zhuǎn)接板利用金剛石的高導(dǎo)熱特性，將芯片上局部熱點(diǎn)處的高熱流密度在金剛石薄片中迅速鋪開，并快速傳導(dǎo)至嵌入式金剛石薄片下方，實(shí)現(xiàn)局部熱點(diǎn)快速均溫效果，通過微流體通道中的冷卻液對(duì)流作用，與外界形成熱量交換，形成了一種高效的循環(huán)散熱過程，有效保障系統(tǒng)中大功率有源芯片的性能和可靠性，利用硅轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三維互連，提高系統(tǒng)的集成度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出一種嵌入式金剛石硅基微流體散熱轉(zhuǎn)接板及其制備方法，屬于微電子和微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著芯片與模塊在系統(tǒng)中集成密度的提高，系統(tǒng)集成的熱管理問題日益顯著，將直接影響其中關(guān)鍵芯片與模塊的使用壽命、性能和可靠性。特別是在大功率密度芯片的集成中，由于在傳統(tǒng)集成方式、常用材料與結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)散熱方式所對(duì)應(yīng)的散熱路徑中，常常出現(xiàn)熱阻分布不均，形成局部熱點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵芯片的性能和可靠性造成嚴(yán)重影響，因此在上述三方面的完善和改進(jìn)成為系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展中無法避免的需求。

在微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展過程中，硅轉(zhuǎn)接板的應(yīng)用由于其工藝兼容性、高加工精度和較高導(dǎo)熱特性，在高密度小型化集成系統(tǒng)中出現(xiàn)得越來越頻繁。在大功率器件的集成中，如氮化鎵第三代半導(dǎo)體器件，傳統(tǒng)的鉬銅、鎢銅、A1SiC等材料，由于熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料的差別較大，無法滿足熱匹配需求。因此金剛石材料吸引了越來越多的目光，出現(xiàn)了氮化鎵器件襯底轉(zhuǎn)移、原位生長等新興的技術(shù)。采用金剛石材料作為器件襯底，具有高導(dǎo)熱特性，可以實(shí)現(xiàn)均熱效果，有效解決大功率器件應(yīng)用過程中形成局部熱點(diǎn)的散熱問題。目前金剛石襯底生長大功率器件的工藝加工技術(shù)難度較大，工藝成本較高，而用于大功率器件集成的高導(dǎo)熱材料異質(zhì)襯底技術(shù)尚未形成，嵌入金剛石材料的硅轉(zhuǎn)接板成為一種成本低廉且易于工程化的有效技術(shù)途徑。同時(shí)在新興的硅基散熱方式中，常見于MEMS體硅工藝的一種主動(dòng)散熱方式是微流體散熱，相對(duì)傳統(tǒng)的被動(dòng)散熱，散熱效率可成倍提升，同時(shí)易于集成在硅轉(zhuǎn)接板中，形成與外界熱量交換的高效散熱循環(huán)，大大提升系統(tǒng)整體的散熱效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種嵌入式金剛石硅基微流體散熱轉(zhuǎn)接板及其制備方法，結(jié)合系統(tǒng)集成方式、材料與結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)散熱方式三方面的技術(shù)改進(jìn)，有效解決上述背景技術(shù)中所提及系統(tǒng)集成中的散熱問題。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種嵌入式金剛石硅基微流體散熱轉(zhuǎn)接板，包含嵌入式金剛石薄片和硅襯底；

所述的嵌入式金剛石薄片表面沉積有鍵合薄膜材料或焊接所需薄膜材料；

所述的硅襯底包含上下兩層硅片：具有對(duì)應(yīng)用于嵌入金剛石的槽體結(jié)構(gòu)的上層硅片和具有微流體通道結(jié)構(gòu)的下層硅片。

進(jìn)一步的，該轉(zhuǎn)接板應(yīng)用于集成有功率芯片的系統(tǒng)或模塊。

進(jìn)一步的，嵌入式金剛石薄片為高溫高壓或CVD金剛石襯底采用激光切割制成的薄片，熱導(dǎo)率大于1000W/m·K，厚度為100-2000μm，待散熱的芯片焊接于金剛石薄片上，金剛石薄片長度和寬度尺寸大于或等于相應(yīng)的芯片長度和寬度尺寸。

進(jìn)一步的，所述的硅襯底上層硅片中的槽體長度和寬度尺寸大于相應(yīng)的金剛石薄片長度和寬度尺寸，尺寸余量小于或等于10μm，槽體深度根據(jù)集成芯片的互連要求設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步的所述的硅襯底下層硅片中的微流體通道位于上層硅片中的槽體結(jié)構(gòu)的下方，微流體通道分布區(qū)域尺寸大于或等于槽體分布面尺寸。

進(jìn)一步的，所述的硅襯底下層硅片中的微流體通道，根據(jù)與上層硅片槽體的結(jié)構(gòu)關(guān)系，分為與上方槽體連通的開放式微流體通道和不與上方槽體連通的封閉式微流體通道，封閉式微流體通道的上層壁厚小于300μm。