集成微流道散热结构、制备方法及晶圆级封装结构与流程

本发明涉及一种芯片领域，尤其涉及的是一种集成微流道散热结构、制备方法及晶圆级 封装结构。

背景技术：

随着半导体技术的快速发展，晶体管密度不断增加，芯片性能不断提高，芯片功率和热 流密度越来越大，芯片散热能力成为制约摩尔定律进一步发展的关键因素。传统散热方式以 液冷或风冷的方式通过热沉为封装后的芯片散热，芯片表面功能层热量的传导需要经过芯片 衬底、芯片封装体、导热硅脂和热沉等大量中间热阻才能到达制冷介质，并且因为集成了多 种异质材料容易产生热失配等大量寄生问题。由于大量界面热阻的存在，传统散热方式的散 热能力已逼近极限，即使使用了微流道等高换热面积散热结构，仍不能解决高性能微处理器、 通讯射频器件等高热流密度芯片的散热问题。随着硅基微纳加工技术的进步一发展，与芯片 尺寸相当的硅微流道散热结构的加工成为现实。将硅基微流道散热结构直接与芯片集成的散 热方式，能够进一步减少中间界面热阻，成为进一步提高芯片散热能力的有效技术路径。

与微流道散热技术相关的专利有：(1)专利：申请号为CN201710321415，芯片级集成微 流体散热模块及制备方法；专利1中提出的硅基微流体散热模块通过阵列微喷口将冷却液喷 射到芯片表面，这种散热结构的换热面积就是芯片表面的面积，换热面积小，限制了散热结 构的散热能力，且微流体直接与芯片表面接触，降低了系统的可靠性。

(2)申请号为专利：CN201510989157，微流道散热结构及其方法。专利2中提出通过 在低温共烧陶瓷基板上加工微流道对贴装在基板上的芯片进行强化换热，这种散热结构由多 层陶瓷基板共烧而成，烧结时陶瓷有大量收缩，烧结后容易有粉体脱落，加工工艺难度大， 且基板与芯片之间还存在厚膜、贴片胶等中间界面热阻，散热效果并不理想。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视 为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中芯片的散热效果不理想的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明中集成微流道散热结构，包括 具有空腔的壳体，空腔内设有多个平行间隔设置的一级翅片，所述一级翅片的两侧以及壳体 的内侧设有二级翅片，二级翅片为多个片状散热片间隔设置，壳体的顶面设有冷却介质进入 的进液孔和冷却介质流出的出液口。

本发明通过进液孔进入冷却介质，冷却介质在硅基微流道内流动，实现散热，硅基微流 道包括两级翅片，一级翅片两侧有二级翅片，换热面积是与芯片接触面积的数十倍；且散热 结构都是硅材料，采用硅硅键合连接，由于制冷工质与热源(芯片的功能层)之间只有数百 微米的硅材料，能够将制冷工质与热源之间的热阻减小到极限，从而解决大功率芯片的散热 问题，并且不存在异质材料的热失配。

优选的，所述壳体包括硅材质制得的第一盖板、第二盖板，第一盖板与第二盖板通过硅 硅键合连接。

优选的，所述第一盖板为平板，第二盖板为顶面开口的盒体结构，第一盖板封装在第二 盖板的顶面。

其壳体的长宽尺寸与芯片的尺寸一致，具有超高集成度。

优选的，第二盖板的内部底面的两侧设有分别与进液口、出液口对应的分流槽、汇流槽， 分流槽通过相邻一级翅片之间的空隙和二级翅片之间的空隙与汇流槽连通。

本发明还提供集成微流道散热结构的制备方法，包括以下步骤：

SO1:准备硅晶圆，刻蚀出出液孔和进液孔，形成第一盖板；

SO2:准备硅晶圆，通过刻蚀工艺在硅片表面刻蚀出多个平行设置的一级翅片阵列，一级 翅片两侧呈现出波浪结构；

SO3:对SO2步骤中的硅晶圆表面进行倾斜蒸镀，在每个波浪结构的下部沉积Au湿法腐蚀 掩膜，利用刻蚀液进行湿法刻蚀，在一级翅片的两侧刻蚀出多个平行间隔设置的二级翅片阵 列结构；

SO4:对SO3步骤中硅晶圆，蚀刻出用于进液的分流槽和用于出液的汇流槽，从而制备完 成散热结构第二盖板；

SO5:将第一盖板和第二盖板进行硅硅直接键合形成散热结构。

优选的，所述步骤S01中的硅晶圆厚度为200um-300um，在表面沉积Al膜并通过光刻 图形化，形成ICP刻蚀掩膜，然后在硅晶圆上通过ICP刻蚀出出液孔和进液孔。

优选的，所述步骤S02的硅晶圆为<111>晶向的硅晶圆，其厚度为400-500um，一级翅片 阵列的高度为300-400um。

优选的，所述步骤S03中，利用电子束蒸发工艺在硅晶圆表面进行两次倾斜蒸镀，在每 个波浪结构的下部沉积Au湿法腐蚀掩膜，利用KOH或TMAH刻蚀液进行湿法刻蚀，在一级翅 片的两侧刻蚀出二级翅片阵列结构，厚度0.5um-5um，间距0.5um-5um。

优选的，所述步骤S04中，在硅晶圆表面沉积Al膜并通过光刻图形化，形成ICP刻蚀掩 膜，形成分流槽和汇流槽，分流槽和汇流槽的槽深与一级翅片高度一致。

本发明还提供集成微流道散热结构的晶圆级封装结构，包括上述所述的集成微流道散热 结构、芯片硅衬底、功能层、重布线层、焊球阵列，功能层顶面依次叠加芯片硅衬底、集成 微流道散热结构，底面依次叠加重布线层、焊球阵列。

优选的，所述芯片硅衬底和功能层的厚度之和为50-100um。将芯片的晶圆原片减薄，整 个封装体在厚度上有一定的增加。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)通过进液孔进入冷却介质，冷却介质在硅基微流道内流动，实现热交换，由出液口 流出被换热的介质，硅基微流道包括两级翅片，一级翅片两侧有二级翅片，换热面积是与芯 片接触面积的数十倍；且散热结构都是硅材料，采用硅硅键合连接，由于制冷工质与热源(芯 片的功能层)之间只有数百微米的硅材料，能够将制冷工质与热源之间的热阻减小到极限， 从而解决大功率芯片的散热问题，并且不存在异质材料的热失配；

(2)由于采用晶圆级前道封装工艺，封装体的长宽尺寸与芯片的尺寸一致，具有超高集 成度；

(3)本封装结构具有超高集成度、超大散热能力，散热结构和芯片之间不存在热失配， 能够直接集成规模化一体制造，成本低并且可靠性高，便于后端集成。

附图说明

图1是本发明实施例中具有集成微流道散热结构的晶圆级封装结构的俯视图；

图2是图1中A-A的剖视图；

图3是第一盖板的俯视图；

图4是第二盖板的俯视图；

图5是图4中的B-B的剖视图；

图6是工艺流程图(其中右侧为俯视图，虚线处为剖面线，左侧为对应的剖视图)。

图中标号：第一盖板1、进液孔11、出液口12、第二盖板2、分流槽21、汇流槽22、 一级翅片3、二级翅片4、芯片硅衬底5、功能层6、重布线层7、焊球阵列8。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

如图1、图2所示，本实施例中集成微流道散热结构，包括第一盖板1、第二盖板2、一 级翅片3、二级翅片4；

第一盖板1、第二盖板2形成具有空腔的壳体，空腔内设有多个平行间隔设置的一级翅 片3，所述一级翅片3的两侧以及壳体的内侧设有二级翅片4，二级翅片4为多个片状散热片 间隔设置，形成的散热面是芯片本身的数十倍，壳体的顶面设有冷却介质进入的进液孔11和 冷却介质流出的出液口12。换热通道由一级翅片3之间的空隙与二级翅片4之间的空隙构成。

结合图3、图4、图5所示，第一盖板1、第二盖板2均为硅材质制得，第一盖板1与第 二盖板2通过硅硅键合连接；其中，第一盖板1为平板，进液孔11和出液口12设置在第一 盖板1上，均为通孔，不限于孔的形状，进液孔11和出液口12尽量设置在第一盖板1的两 端；第二盖板2为顶面开口的盒体结构，第一盖板1封装在第二盖板2的顶面，其壳体的长 宽尺寸与芯片的尺寸一致，具有超高集成度。

除此之外，也可以是第一盖板1为盒体结构，第二盖板2为平板结构，进液孔11和出液 口12设置在第一盖板1的顶面，第二盖板2键合在第一盖板1的底部开口处。

本发明通过进液孔11进入冷却介质，冷却介质在硅基微流道内流动，实现换热，再由出 液孔12流出，硅基微流道包括两级翅片，一级翅片3两侧有二级翅片4，本实施例中的第二 盖板2的内侧面也设有二级翅片4，换热面积是与芯片接触面积的数十倍；且散热结构都是 硅材料，采用硅硅键合连接，由于制冷工质与热源(芯片的功能层)之间只有数百微米的硅 材料，能够将制冷工质与热源之间的热阻减小到极限，从而解决大功率芯片的散热问题，并 且不存在异质材料的热失配。

实施例二：

如图5、图6所示，第二盖板2的内部底面的两侧设有分别与进液口11、出液口12对应 的分流槽21、汇流槽22，分流槽21通过相邻一级翅片3之间的空隙和二级翅片4之间的空 隙与汇流槽22连通。分流槽21的设置可以实现液体先在分流槽中21存储，然后通过相邻一 级翅片3之间的空隙和二级翅片4之间的空隙分别流向汇流槽22，实现冷却介质的均匀分配。

本发明还提供具有集成微流道散热结构的晶圆级封装结构的制备方法，包括以下步骤：

SO1:准备硅晶圆，硅晶圆厚度为200um-300um，在表面沉积Al膜并通过光刻图形化， 形成ICP刻蚀掩膜，然后在硅晶圆上通过ICP刻蚀出出液孔和进液孔，形成第一盖板1；

SO2:准备<111>晶向的硅晶圆，其厚度为400-500um，在表面沉积Al膜并通过光刻图形化， 形成ICP刻蚀掩膜，然后通过ICP-BOSH刻蚀工艺在硅片表面刻蚀出平行设置的一级翅片阵列， 高度300～400um，翅片两侧呈现出波浪结构；

SO3:利用电子束蒸发工艺在步骤SO2中硅晶圆表面进行两次倾斜蒸镀，在每个波浪结构 的下部沉积Au湿法腐蚀掩膜，利用KOH或TMAH刻蚀液进行湿法刻蚀，在一级翅片的两侧 刻蚀出二级翅片阵列结构，厚度0.5um～5um，间距0.5um～5um；

SO4:对SO3步骤中硅晶圆的表面沉积Al膜并通过光刻图形化，形成ICP刻蚀掩膜，形成 用于进液的分流槽21和用于出液的汇流槽22，分流槽21与汇流槽22的槽深与一级翅片3 的高度一致，从而制备完成散热结构第二盖板2；

SO5:将第一盖板1和第二盖板2进行硅硅直接键合形成散热结构；

SO6:利用CMP(化学机械抛光)工艺将大功率芯片的晶圆原片减薄至50-100um，然后与 散热结构进行硅硅直接键合；

SO7:对芯片晶圆进行RDL重布线并植球，划片，形成封装体。

其中步骤S01-S05为集成微流道散热结构的制备方法。

如图本发明中提供集成微流道散热结构的晶圆级封装结构，包括上述所述的集成微流道 散热结构、芯片硅衬底5、功能层6、重布线层7、焊球阵列8，功能层6顶面依次叠加芯片 硅衬底5、集成微流道散热结构，底面依次叠加重布线层7、焊球阵列8。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。