本發(fā)明涉及一種芯片領(lǐng)域，尤其涉及的是一種集成微流道散熱結(jié)構(gòu)、制備方法及晶圓級 封裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，晶體管密度不斷增加，芯片性能不斷提高，芯片功率和熱 流密度越來越大，芯片散熱能力成為制約摩爾定律進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)散熱方式以 液冷或風(fēng)冷的方式通過熱沉為封裝后的芯片散熱，芯片表面功能層熱量的傳導(dǎo)需要經(jīng)過芯片 襯底、芯片封裝體、導(dǎo)熱硅脂和熱沉等大量中間熱阻才能到達(dá)制冷介質(zhì)，并且因?yàn)榧闪硕?種異質(zhì)材料容易產(chǎn)生熱失配等大量寄生問題。由于大量界面熱阻的存在，傳統(tǒng)散熱方式的散 熱能力已逼近極限，即使使用了微流道等高換熱面積散熱結(jié)構(gòu)，仍不能解決高性能微處理器、 通訊射頻器件等高熱流密度芯片的散熱問題。隨著硅基微納加工技術(shù)的進(jìn)步一發(fā)展，與芯片 尺寸相當(dāng)?shù)墓栉⒘鞯郎峤Y(jié)構(gòu)的加工成為現(xiàn)實(shí)。將硅基微流道散熱結(jié)構(gòu)直接與芯片集成的散 熱方式，能夠進(jìn)一步減少中間界面熱阻，成為進(jìn)一步提高芯片散熱能力的有效技術(shù)路徑。

與微流道散熱技術(shù)相關(guān)的專利有：(1)專利：申請?zhí)枮镃N201710321415，芯片級集成微 流體散熱模塊及制備方法；專利1中提出的硅基微流體散熱模塊通過陣列微噴口將冷卻液噴 射到芯片表面，這種散熱結(jié)構(gòu)的換熱面積就是芯片表面的面積，換熱面積小，限制了散熱結(jié) 構(gòu)的散熱能力，且微流體直接與芯片表面接觸，降低了系統(tǒng)的可靠性。

(2)申請?zhí)枮閷＠篊N201510989157，微流道散熱結(jié)構(gòu)及其方法。專利2中提出通過 在低溫共燒陶瓷基板上加工微流道對貼裝在基板上的芯片進(jìn)行強(qiáng)化換熱，這種散熱結(jié)構(gòu)由多 層陶瓷基板共燒而成，燒結(jié)時陶瓷有大量收縮，燒結(jié)后容易有粉體脫落，加工工藝難度大， 且基板與芯片之間還存在厚膜、貼片膠等中間界面熱阻，散熱效果并不理想。

公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視 為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于：現(xiàn)有技術(shù)中芯片的散熱效果不理想的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：本發(fā)明中集成微流道散熱結(jié)構(gòu)，包括 具有空腔的殼體，空腔內(nèi)設(shè)有多個平行間隔設(shè)置的一級翅片，所述一級翅片的兩側(cè)以及殼體 的內(nèi)側(cè)設(shè)有二級翅片，二級翅片為多個片狀散熱片間隔設(shè)置，殼體的頂面設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)入 的進(jìn)液孔和冷卻介質(zhì)流出的出液口。

本發(fā)明通過進(jìn)液孔進(jìn)入冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)在硅基微流道內(nèi)流動，實(shí)現(xiàn)散熱，硅基微流 道包括兩級翅片，一級翅片兩側(cè)有二級翅片，換熱面積是與芯片接觸面積的數(shù)十倍；且散熱 結(jié)構(gòu)都是硅材料，采用硅硅鍵合連接，由于制冷工質(zhì)與熱源(芯片的功能層)之間只有數(shù)百 微米的硅材料，能夠?qū)⒅评涔べ|(zhì)與熱源之間的熱阻減小到極限，從而解決大功率芯片的散熱 問題，并且不存在異質(zhì)材料的熱失配。

優(yōu)選的，所述殼體包括硅材質(zhì)制得的第一蓋板、第二蓋板，第一蓋板與第二蓋板通過硅 硅鍵合連接。

優(yōu)選的，所述第一蓋板為平板，第二蓋板為頂面開口的盒體結(jié)構(gòu)，第一蓋板封裝在第二 蓋板的頂面。

其殼體的長寬尺寸與芯片的尺寸一致，具有超高集成度。

優(yōu)選的，第二蓋板的內(nèi)部底面的兩側(cè)設(shè)有分別與進(jìn)液口、出液口對應(yīng)的分流槽、匯流槽， 分流槽通過相鄰一級翅片之間的空隙和二級翅片之間的空隙與匯流槽連通。

本發(fā)明還提供集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

SO1:準(zhǔn)備硅晶圓，刻蝕出出液孔和進(jìn)液孔，形成第一蓋板；

SO2:準(zhǔn)備硅晶圓，通過刻蝕工藝在硅片表面刻蝕出多個平行設(shè)置的一級翅片陣列，一級 翅片兩側(cè)呈現(xiàn)出波浪結(jié)構(gòu)；

SO3:對SO2步驟中的硅晶圓表面進(jìn)行傾斜蒸鍍，在每個波浪結(jié)構(gòu)的下部沉積Au濕法腐蝕 掩膜，利用刻蝕液進(jìn)行濕法刻蝕，在一級翅片的兩側(cè)刻蝕出多個平行間隔設(shè)置的二級翅片陣 列結(jié)構(gòu)；

SO4:對SO3步驟中硅晶圓，蝕刻出用于進(jìn)液的分流槽和用于出液的匯流槽，從而制備完 成散熱結(jié)構(gòu)第二蓋板；

SO5:將第一蓋板和第二蓋板進(jìn)行硅硅直接鍵合形成散熱結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述步驟S01中的硅晶圓厚度為200um-300um，在表面沉積Al膜并通過光刻 圖形化，形成ICP刻蝕掩膜，然后在硅晶圓上通過ICP刻蝕出出液孔和進(jìn)液孔。

優(yōu)選的，所述步驟S02的硅晶圓為<111>晶向的硅晶圓，其厚度為400-500um，一級翅片 陣列的高度為300-400um。

優(yōu)選的，所述步驟S03中，利用電子束蒸發(fā)工藝在硅晶圓表面進(jìn)行兩次傾斜蒸鍍，在每 個波浪結(jié)構(gòu)的下部沉積Au濕法腐蝕掩膜，利用KOH或TMAH刻蝕液進(jìn)行濕法刻蝕，在一級翅 片的兩側(cè)刻蝕出二級翅片陣列結(jié)構(gòu)，厚度0.5um-5um，間距0.5um-5um。

優(yōu)選的，所述步驟S04中，在硅晶圓表面沉積Al膜并通過光刻圖形化，形成ICP刻蝕掩 膜，形成分流槽和匯流槽，分流槽和匯流槽的槽深與一級翅片高度一致。

本發(fā)明還提供集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，包括上述所述的集成微流道散熱 結(jié)構(gòu)、芯片硅襯底、功能層、重布線層、焊球陣列，功能層頂面依次疊加芯片硅襯底、集成 微流道散熱結(jié)構(gòu)，底面依次疊加重布線層、焊球陣列。

優(yōu)選的，所述芯片硅襯底和功能層的厚度之和為50-100um。將芯片的晶圓原片減薄，整 個封裝體在厚度上有一定的增加。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過進(jìn)液孔進(jìn)入冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)在硅基微流道內(nèi)流動，實(shí)現(xiàn)熱交換，由出液口 流出被換熱的介質(zhì)，硅基微流道包括兩級翅片，一級翅片兩側(cè)有二級翅片，換熱面積是與芯 片接觸面積的數(shù)十倍；且散熱結(jié)構(gòu)都是硅材料，采用硅硅鍵合連接，由于制冷工質(zhì)與熱源(芯 片的功能層)之間只有數(shù)百微米的硅材料，能夠?qū)⒅评涔べ|(zhì)與熱源之間的熱阻減小到極限， 從而解決大功率芯片的散熱問題，并且不存在異質(zhì)材料的熱失配；

(2)由于采用晶圓級前道封裝工藝，封裝體的長寬尺寸與芯片的尺寸一致，具有超高集 成度；

(3)本封裝結(jié)構(gòu)具有超高集成度、超大散熱能力，散熱結(jié)構(gòu)和芯片之間不存在熱失配， 能夠直接集成規(guī)?；惑w制造，成本低并且可靠性高，便于后端集成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中具有集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖2是圖1中A-A的剖視圖；

圖3是第一蓋板的俯視圖；

圖4是第二蓋板的俯視圖；

圖5是圖4中的B-B的剖視圖；

圖6是工藝流程圖(其中右側(cè)為俯視圖，虛線處為剖面線，左側(cè)為對應(yīng)的剖視圖)。

圖中標(biāo)號：第一蓋板1、進(jìn)液孔11、出液口12、第二蓋板2、分流槽21、匯流槽22、 一級翅片3、二級翅片4、芯片硅襯底5、功能層6、重布線層7、焊球陣列8。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施， 給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例一：

如圖1、圖2所示，本實(shí)施例中集成微流道散熱結(jié)構(gòu)，包括第一蓋板1、第二蓋板2、一 級翅片3、二級翅片4；

第一蓋板1、第二蓋板2形成具有空腔的殼體，空腔內(nèi)設(shè)有多個平行間隔設(shè)置的一級翅 片3，所述一級翅片3的兩側(cè)以及殼體的內(nèi)側(cè)設(shè)有二級翅片4，二級翅片4為多個片狀散熱片 間隔設(shè)置，形成的散熱面是芯片本身的數(shù)十倍，殼體的頂面設(shè)有冷卻介質(zhì)進(jìn)入的進(jìn)液孔11和 冷卻介質(zhì)流出的出液口12。換熱通道由一級翅片3之間的空隙與二級翅片4之間的空隙構(gòu)成。

結(jié)合圖3、圖4、圖5所示，第一蓋板1、第二蓋板2均為硅材質(zhì)制得，第一蓋板1與第 二蓋板2通過硅硅鍵合連接；其中，第一蓋板1為平板，進(jìn)液孔11和出液口12設(shè)置在第一 蓋板1上，均為通孔，不限于孔的形狀，進(jìn)液孔11和出液口12盡量設(shè)置在第一蓋板1的兩 端；第二蓋板2為頂面開口的盒體結(jié)構(gòu)，第一蓋板1封裝在第二蓋板2的頂面，其殼體的長 寬尺寸與芯片的尺寸一致，具有超高集成度。

除此之外，也可以是第一蓋板1為盒體結(jié)構(gòu)，第二蓋板2為平板結(jié)構(gòu)，進(jìn)液孔11和出液 口12設(shè)置在第一蓋板1的頂面，第二蓋板2鍵合在第一蓋板1的底部開口處。

本發(fā)明通過進(jìn)液孔11進(jìn)入冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)在硅基微流道內(nèi)流動，實(shí)現(xiàn)換熱，再由出 液孔12流出，硅基微流道包括兩級翅片，一級翅片3兩側(cè)有二級翅片4，本實(shí)施例中的第二 蓋板2的內(nèi)側(cè)面也設(shè)有二級翅片4，換熱面積是與芯片接觸面積的數(shù)十倍；且散熱結(jié)構(gòu)都是 硅材料，采用硅硅鍵合連接，由于制冷工質(zhì)與熱源(芯片的功能層)之間只有數(shù)百微米的硅 材料，能夠?qū)⒅评涔べ|(zhì)與熱源之間的熱阻減小到極限，從而解決大功率芯片的散熱問題，并 且不存在異質(zhì)材料的熱失配。

實(shí)施例二：

如圖5、圖6所示，第二蓋板2的內(nèi)部底面的兩側(cè)設(shè)有分別與進(jìn)液口11、出液口12對應(yīng) 的分流槽21、匯流槽22，分流槽21通過相鄰一級翅片3之間的空隙和二級翅片4之間的空 隙與匯流槽22連通。分流槽21的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)液體先在分流槽中21存儲，然后通過相鄰一 級翅片3之間的空隙和二級翅片4之間的空隙分別流向匯流槽22，實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的均勻分配。

本發(fā)明還提供具有集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

SO1:準(zhǔn)備硅晶圓，硅晶圓厚度為200um-300um，在表面沉積Al膜并通過光刻圖形化， 形成ICP刻蝕掩膜，然后在硅晶圓上通過ICP刻蝕出出液孔和進(jìn)液孔，形成第一蓋板1；

SO2:準(zhǔn)備<111>晶向的硅晶圓，其厚度為400-500um，在表面沉積Al膜并通過光刻圖形化， 形成ICP刻蝕掩膜，然后通過ICP-BOSH刻蝕工藝在硅片表面刻蝕出平行設(shè)置的一級翅片陣列， 高度300～400um，翅片兩側(cè)呈現(xiàn)出波浪結(jié)構(gòu)；

SO3:利用電子束蒸發(fā)工藝在步驟SO2中硅晶圓表面進(jìn)行兩次傾斜蒸鍍，在每個波浪結(jié)構(gòu) 的下部沉積Au濕法腐蝕掩膜，利用KOH或TMAH刻蝕液進(jìn)行濕法刻蝕，在一級翅片的兩側(cè) 刻蝕出二級翅片陣列結(jié)構(gòu)，厚度0.5um～5um，間距0.5um～5um；

SO4:對SO3步驟中硅晶圓的表面沉積Al膜并通過光刻圖形化，形成ICP刻蝕掩膜，形成 用于進(jìn)液的分流槽21和用于出液的匯流槽22，分流槽21與匯流槽22的槽深與一級翅片3 的高度一致，從而制備完成散熱結(jié)構(gòu)第二蓋板2；

SO5:將第一蓋板1和第二蓋板2進(jìn)行硅硅直接鍵合形成散熱結(jié)構(gòu)；

SO6:利用CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝將大功率芯片的晶圓原片減薄至50-100um，然后與 散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行硅硅直接鍵合；

SO7:對芯片晶圓進(jìn)行RDL重布線并植球，劃片，形成封裝體。

其中步驟S01-S05為集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的制備方法。

如圖本發(fā)明中提供集成微流道散熱結(jié)構(gòu)的晶圓級封裝結(jié)構(gòu)，包括上述所述的集成微流道 散熱結(jié)構(gòu)、芯片硅襯底5、功能層6、重布線層7、焊球陣列8，功能層6頂面依次疊加芯片 硅襯底5、集成微流道散熱結(jié)構(gòu)，底面依次疊加重布線層7、焊球陣列8。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原 則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。