带有层间复杂微通道流体冷却的3d-ic的制作方法
【专利摘要】带有层间复杂微通道液体冷却的3D-IC，属于3D-IC微电子散热【技术领域】。包括依次叠层封装在一起的密封片、带有复杂微通道的芯片层、连接层；密封片上开有与外部管路连接的流体入口、流体出口；芯片层包括：连接上下层的流体的通孔TSFV、背面刻蚀复杂微通道、正面布置电路层或微电子元器件。上层不需要TSEV；其他层需要。本发明采用复杂微通道，比于微针肋结构增强了芯片的层间连接强度同时也增大了芯片的强度；TSEV采用钨或钨铜材料，增强了异质材料的热匹配性；连接层的填充材料采用参杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺复合薄膜，其增强了热匹配性并增大了导热性。弥补了微通道热沉的应用限制和芯片的温度分布不均匀的缺点。
【专利说明】带有层间复杂微通道流体冷却的3D-IC
【技术领域】
[0001] 本发明属于3D-IC微电子散热【技术领域】，涉及一种微冷却结构，尤其是错位复杂 微通道能够有效地带走芯片的热量，并实现较均匀的温度分布。同时采用钨或钨铜作为 TSEV材料、用具有良好导热性的掺杂无机纳米颗粒（如：Si02、Ti02、Al20 3、AlN、C等）的聚 酰亚胺复合薄膜作为连接层的填充材料增强了异质材料的匹配性并强化了换热。
【背景技术】
[0002] 在近几年来，国内外对3D-IC(集成电路）的集成技术、构架设计、代价分析、温度 控制、线路规划、可靠性分析等方面有较多的研究。随着超大规模集成电路的发展及应用需 求的不断提高，二维芯片已经不能满足其需求，具有功耗低、传输距离短、传递速率快、低延 迟、低噪音，高频性的3D-IC成为了备受关注的焦点。TVS (硅通孔）及CMOS (互补金属氧化 物半导体）实现了 3D-IC垂直方向的电连接，实现了真正意义上的3D-IC。但是，由于集成 电路的堆叠使得芯片的功耗密度在相同的面积上成倍增大导致芯片发热量成倍增大，而且 连接电路的层间低导热性的绝缘介电层，传统的冷却方式以及应用于二维芯片的微通道热 沉等已经不能有效地带走芯片的发热量。热量在芯片处的累计将导致芯片的温度上升、芯 片的温度分布不均匀，严重的影响芯片的工作状态和稳定性，甚至由于热应力而损坏芯片。 因此，高效稳定的3D-IC散热技术至关重要。
[0003] 目前国内外对3D-IC散热性分析主要从两方面研究：（1)合理的布局功能模块，平 衡层间模块的功耗密度防止出现过热点使电路失效；（2)对芯片强化换热，将芯片内的热 量传到外界环境中。但是，根据摩尔定理随着芯片的高度集成3D-IC的功耗密度急剧增加， 即使通过合理布局功能模块，芯片的最高温度还会达到150°C。对3D-IC的强化换热主要有 两种形式：（1)外部强化换热装置，如：用风扇的强迫对流换热、插入式散热器、背部粘贴热 沉（微通道热沉）强化换热；（2) 3D芯片层间冷却，如：通过TVS形成热通孔传递芯片层间 的热量、通过刻蚀技术在电路层间形成微通道结构并进行强制对流带走芯片的热量。尽管 经过优化的外部强化换热装置具有良好的换热性，但对多层堆叠3D-IC，不直接与换热装置 接触的电路层所产生的热量很难散去，产生很多热隐患，更严重的是不断积累的热量将严 重损害芯片的性能，甚至可能导致芯片失效。热通孔具有比器件层和芯片之间绝缘层介质 更高的热传导率，在芯片层之间插入这样的热通孔有利于上层芯片中器件散发的热向下传 导。但是如果在芯片之间插入过多的热通孔将导致芯片可靠性降低；另外插入过多的热通 孔必然导致布线资源的减少。具有良好换热效果的层间流体冷却被认为是3D-IC冷却的最 有前景、最有效的方法。
[0004] 本发明采用复杂微通道、钨或钨铜及掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺复合薄膜材 料，满足异质材料的热匹配性、增强了 3D-IC的强度、增强了其导热性和换热性。其应用于 大功率3D-IC的散热，具有良好的热匹配性、散热快快、温度分布均匀等优点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于有效地为3D-IC散热，用于解决高热流密度3D-IC的有效散热、 芯片层温度分布均匀性及异质材料的热匹配性的问题，为3D-IC的运行提供可靠的温度环 境。
[0006] 本发明设计了一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在于， 如图1所示，包括依次叠层封装在一起的密封片（1)、带有复杂微通道的芯片层（2. 1、2. 2、 2. 3)、连接层（3);密封片（1)上开有与外部管路连接的流体入口（4)、流体出口（5);带有 复杂微通道的芯片层分为带有复杂微通道的上层芯片层（2. 1)、带有复杂微通道的中间芯 片层（2. 2)、带带有复杂微通道的底层芯片层（2.3);定义靠近密封片（1)的一面为芯片 层的背面，远离的一面为正面；带有复杂微通道的上层芯片层（2. 1)背面刻蚀复杂微通道 (8)、正面布置电路层或微电子元器件（6)，复杂微通道（8)左右两侧设有通孔TSFV (7)，通 孔TSFV (7)与上层芯片层（2. 1)的复杂微通道相连通，上层芯片层（2. 1)不需要TSEV (9); 带有复杂微通道的中间芯片层（2.2)背面刻蚀复杂微通道（8)、正面布置电路层或微电子 元器件（6)，复杂微通道（8)左右两侧设有通孔TSFV (7)，通孔TSFV (7)与中间芯片层（2. 2) 的复杂微通道相连通，复杂微通道（8)肋上设有连接上下层电的硅穿孔电连接TSEV(9);带 带有复杂微通道的底层芯片层（2.3)背面刻蚀复杂微通道（8)、正面布置电路层或微电子 元器件（6)，复杂微通道（8)左右两侧设有TSFV (7)，TSFV (7)与底层芯片层（2. 3)的复杂微 通道相连通，复杂微通道（8)肋上设有连接上层电的硅穿孔电连接TSEV(9)，由于此芯片层 位于整个3D芯片的底层，为了形成流体流动的封闭腔，此层芯片的TSFV(7)的刻蚀深度与 微通道（8)的深度相同，从而形成底端封闭的TSFV(7)。
[0007] 连接层（3)其左右两边也设有通孔TSFV (7);连接层主要为金属材料，连接层上面 或下面的芯片与金属材料之间的间隙采用掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺进行密封绝缘。金 属材料连接层将其上下面的芯片上的TSEV与芯片上的电路或微电子元器件连接
[0008] 上述密封片（1)、带有复杂微通道的芯片层、连接层（3)的位置关系为上下结构， 依次为：密封片（1)、上层芯片层（2. 1)、连接层（3)、中间芯片层（2. 2)、连接层（3)、底层芯 片层（2. 3)，在底层芯片层（2.3)和上层芯片层（2. 1)之间可根据需要设计多层中间芯片 层（2. 2)，中间均采用连接层（3)连接，上述上层芯片层（2.1)、中间芯片层（2. 2)、连接层 (3)、底层芯片层（2.3)的两侧的TSFV(7)分别对应叠合，形成左右两个腔体；上层芯片层 (2. 1)、中间芯片层（2. 2)和底层芯片层（2. 3)的复杂微通道形成并联并分别与左右两个腔 体垂直连通，密封片（1)的流体入口（4)、流体出口（5)分别与两个腔体连通。
[0009] 本发明提出的复杂微通道（7)的加工区域及TSEV的疏密程度可根据芯片的电路 设计及尺寸确定。为了更加明确芯片层2的结构，图1(c)、图1(d)、图1(e)分别给出了芯 片层（2. 1)的主视图、A-A剖面图、B-B剖面图；图1(g)、图1(h)、图l(i)分别给出了芯片 层（2.2)的主视图、C-C剖面图、D-D剖面图；图l(j)、图l(k)、图1(1)分别给出了芯片层 (2. 3)的主视图、E-E剖面图、F-F剖面图；图l(m)给出了整个芯片的剖视图G-G。
[0010] 如图2所示，将3D-IC的各层依次封装后形成封微通道流体冷却的3D-IC。在带有 层间复杂微通道流体冷却的3D-IC内可形成封闭的流体流动循环，流体流经路线为：流体 入口（4)、了5?￥(7)、复杂微通道（8)、了5?￥(7)、流体出口（5)。冷却流体经了5?￥(7)后，将均 匀分散到各层的复杂结构微通道（8)，将从复杂微通道表面及连接层表面吸收热量，最后从 流体出口（5)流出。 toon] 复杂微通道是由含有扇形凹槽的长条微结构或由含有三角凹槽的长条微结构错 位形成的通道。
[0012] 所述含有扇形凹槽的长条微结构指的是以多个平行的平直长条微结构为基础，任 一个平直长条与相邻的平直长条平行相对的两侧面均刻有扇形凹槽，扇形凹槽是凹向平直 长条中心轴的，扇形凹槽的高度与平直长条的高度齐平，扇形凹槽任意高度所在的扇面均 与平直长条的中心轴平行，扇形凹槽在平直长条的两个侧面错位均匀分散布置，即在同一 侧面是扇形凹槽和未刻蚀的直平面交替分布，同一平直长条两侧面的扇形凹槽是交错分布 的，即一侧面的扇形凹槽对应另一侧面的未刻蚀的直平面，从总体看形成波浪形状；任意相 邻两个含有扇形凹槽的长条微结构之间形成微通道的相对的两侧面是扇形凹槽相对扇形 凹槽、未刻蚀的直平面相对未刻蚀的直平面。扇形凹穴扇形对应的角度为120°。
[0013] 所述的含有三角凹槽的长条微结构与含有扇形凹槽的长条微结构相同，只是将扇 形凹槽替换为三角形凹槽。凹向平直长条中心轴的角为等腰直角。
[0014] 芯片层（2)采用硅、TSEV(9)采用钨或钨铜、连接层采用的填充材料采用与芯片热 膨胀系数匹配的导热性好的参杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺材料；相应的密封片（1)选用硅 或玻璃，与芯片可键合封装且热膨胀系数匹配的材料。通道的高度大于50微米，通道高度 大于芯片电路层的厚度。
[0015] 本发明采用如下技术方案：
[0016] 基于增大换热面积和流体扰动的对流换热理论，并考虑得到层间结构强度要求及 换热要求，提出在带有复杂结构微通道层间流体冷却3D-IC的主要部位采用复杂结构微通 道（8)(含有扇形凹穴或三角凹穴的两种结构）。复杂微通道的结构尺寸，疏密程度，芯片层 上通道组数多少可根据实际芯片的功率及芯片的尺寸等实际情况优化设计。复杂微通道在 增大层间结构强度的同时一方面有效的扩展了换热面积并加强流体的扰动，提高了换热效 率；另一方面在压降一定条件下可极大地提高被冷却表面温度分布的均匀性。
[0017] 考虑到3D-IC的强度及电路设计的要求，TSEV位于微通道两侧肋的中间，其疏密 程度根据电路设计的要求而定。由于采用倒装封装技术，上层芯片不需要TSEV，其它两层均 有TSEV。为了形成封闭的3D-IC，底层芯片的TSFV的刻蚀深度与微通道的深度相同，其它 层芯片的TSFV均形成通孔（即刻蚀深度与芯片层的厚度相同）。错位复杂微通道区域的顶 面与芯片背面四周齐平即复杂微通道是在芯片背面刻蚀的，未刻蚀的区域（芯片背面四周 及肋）高度依旧相同没有变化。
[0018] 考虑到带有层间复杂微通道流体冷却3D-IC封装集成，带有层间复杂微通道流体 冷却的3D-IC的进出口设计在密封片（1)上与流体在通道里的流动方向垂直。相对于流体 水平方向的进出口，流体垂直方向进出口的3D-IC与集成板的连接简单方便，可根据不同 3D-IC的散热量控制每个带有层间复杂微通道流体冷却3D-IC的流量，使得3D-IC集成板上 的各个3D芯片温度分布均匀。同时有利于流体在3D-IC层间的均匀分配。芯片封装的采 用倒装技术。
[0019] 换热工质可分别选用水、制冷剂等。根据所用工质以及器件最佳工作温度范围，在 传热表面上将形成流体通过错位复杂微通道的单相对流换热或相变换热来实现冷却技术 要求。
[0020] 带有层间复杂微通道流体冷却3D-IC的TSEV可选用钨或钨铜、填充材料采用填充 掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺，增强异质3D-IC的热匹配性与导热性。总体几何形状尺寸 可根据被芯片层的尺寸及总体封装要求确定。
[0021] 本发明具有下列优点与效果：
[0022] 1、垂直流体入口，方便安装、集成、流体均匀分配；
[0023] 2、复杂微通道有效的增大换热面积并强化了流体的扰动，有效的换热并极大地提 高被冷却表面温度分布的均匀性；
[0024] 3、相比于矩形通道结构，在相同压降下，换热效果大大增加；
[0025] 4、相比于微针肋结构，增大了 3D-IC层间连接的强度同时也增大了通道的强度， 消除了针肋尾部的涡流区，提高了芯片层温度的均匀性、减小了压降。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1 :本发明的层间复杂微通道流体冷却3D-IC的结构示意图；
[0027] 图中：1、密封片，2. 1、芯片层，2. 2、中间芯片层，2. 3最底层芯片层，3、连接层，4、 流体入口，5、流体出口，6、电路层（微电子器件），7、TSFV (硅穿孔流体连接），8、复杂微通 道，9、TSEV(硅穿孔电连接）。
[0028] 图1 (a):本发明带有流体进出口密封片的俯视图；
[0029] 图1(b):本发明的芯片层俯视图；
[0030] 图1 (c):本发明具有错位三角凹穴微通道的上层芯片主视图；
[0031] 图1 (d):本发明具有错位三角凹穴微通道的上层芯片A-A剖面图；
[0032] 图1 (e):本发明具有错位三角凹穴微通道的上层芯片B-B剖面图；
[0033] 图1 (f):本发明的连接层的俯视图；
[0034] 图1 (g):本发明具有错位三角凹穴微通道的中间层芯片主视图；
[0035] 图1 (h):本发明具有错位三角凹穴微通道的中间层芯片C-C剖面图；
[0036] 图1⑴：本发明具有错位三角凹穴微通道的中间层芯片D-D剖面图；
[0037] 图1 (j):本发明具有错位三角凹穴微通道的底层芯片主视图；
[0038] 图1 (k):本发明具有错位三角凹穴微通道的底层芯片E-E剖面图；
[0039] 图1 (1):本发明具有错位三角凹穴微通道的底层芯片F-F剖面图；
[0040] 图2 :具有图1所示结构的本发明带有层间复杂微通道流体冷却3D-IC整体结构 示意图；
[0041] 图中：1、密封片，2、芯片，3、连接层；
[0042] 图3 :本发明带有层间错位扇形凹穴微通道流体冷却3D-IC的整体结构示意图；
[0043] 图中：1、密封片，2. 1、芯片层，2. 2、中间芯片层，2. 3最底层芯片层，3、连接层；
[0044] 图4 :本发明的错位扇形凹穴微通道的结构示意图
[0045] 图5 :本发明的带有层间错位三角凹穴微通道流体冷却3D-IC的整体结构示意 图；
[0046] 图中：1、密封片，2、芯片，3、连接层；
[0047] 图6 :本发明的错位三角凹穴微通道的结构示意图；
[0048] 图7 :本发明具有错位三角凹穴微通道流体冷却的3D-ICM-M剖面图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合实施例对本发明做进一步说明书，但本发明并不限于以下实施例。
[0050] 实施例1
[0051] 下面结合附图及带有错位扇形凹穴微通道层间流体冷却3D-IC的应用对本发明 做进一步描述：
[0052] 具有功耗低、传输距离短、传递速率快、低延迟、低噪音，高频性的3D-IC成为了备 受关注的焦点。但是，由于集成电路的堆叠使得芯片的功耗密度在相同的面积上成倍增大 导致芯片发热量成倍增大，而且连接电路的层间低导热性的绝缘介电层，3D-IC的散热成为 限制其发展的关键问题。带有复杂微通道层间流体冷却3D-IC成为其有效的散热技术。带 有错位扇形凹穴微通道层间流体冷却3D-IC由密封片（1)、多层带有TSEV(硅穿孔电连接） 和复杂微通道的芯片层（2)、连接层（3)组成。芯片及密封片均采用硅，连接层采用焊料及 填充材料掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺，工质为去离子水。
[0053] 带有TSEV和错位扇形凹穴微通道的大功率芯层的加工及尺寸：首先在 13mm*llmm*0· 25mm的娃基的上表面中心加工1C(集成电路），同时给TSEV留出加 工区域。然后采用后通孔技术（BE0L即在所有的电路、器件工艺后再制作通孔）在硅基上 刻蚀通孔形成TSV、TSFV，在背面形成错位扇形凹穴微通道。然后在芯片上下两侧通过化学 气相沉积（CVD)依次在通孔（TSV)形成绝缘层、过渡层、及钨导线，最终形成直径为5μπι的 TSEV。TSFV是1. 的矩形区域，其位于芯片的两侧与芯片1C区域连接。
[0054] 错位扇形凹穴微通道的高度是200 μ m，间距为200 μ m。单个通道的放大图如图4 所示，错位扇形凹穴微通道肋结构是由侧壁由120度半径为0. 1mm的圆弧和直线形成的长 度为0. 25_的单元依次构成，相邻微通道肋结构的两个侧壁依次错位。其通道在两个扇形 凹穴中间的处形成最大间距为200 μ m(即两个扇形凹穴顶面相对的位置的间距），在两个 直线中间处形成最小间距为100 μ m(即两个未刻蚀的直平面相对的位置的间距）。
[0055] 芯片层与连接层的连接：将两层芯片依次通过连接层连接，连接层由焊接将下层 芯片的TSEV与上层芯片（1C)电路连接的金属焊料和填充材料掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚 胺组成（即连接层主要为金属材料，连接层上面或下面的芯片与金属材料之间的间隙采用 掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺进行密封绝缘。金属材料连接层将其上下面的芯片上的TSEV 与芯片上的电路或微电子元器件连接）。
[0056] 密封片加工及结构：通过刻蚀技术在硅基上形成流体入口 4、流体出口 5。流体入 口 4、流体出口 5为直径为1. 5mm的圆形通孔分别与芯片的TSFV中心位置对应，所有。
[0057] 最后将已连接好的芯片层与密封片键合形成密封的腔体带有错位扇形凹穴微通 道层间流体冷却3D-IC。去离子水依次流经流体入口 4、TSFV7、复杂微通道8、TSFV7、流体 出口 5。冷却流体经TSFV7后，将均匀分散到各层芯片层的错位扇形凹穴微通道8,将从错 位扇形凹穴微通道表面及连接层表面吸收热量，最后从流体出口 5流出。实现高热流密度 3D-IC的散热，保证电子器件运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
[0058] 在3D-IC的热流密度为600w/cm2 (即每层芯片的热流密度为200w/cm2)、流体的入 口处的质量流量相同时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小9.5°、散热面平 均温度可以减小7°。
[0059] 在3D-IC的热流密度为600w/cm2 (即每层芯片的热流密度为200w/cm2)、流体的进 出口的压降相同（即所消耗的能量相同）时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减 小7.3°、散热面平均温度可以减小6. Γ。
[0060] 如果采用微通道热沉是没法满足如此大热流密度的3D-IC的散热，其电路层的温 度会达到160°C。芯片温度上升Γ，芯片的寿命就会减小5%，因此本发明带有层间复杂微 通道流体冷却的3D-IC具有了良好的散热性，对3D-IC具有重大意义。所以本发明实现高 热流密度3D-IC的散热，保证芯片运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
[0061] 实施例2
[0062] 下面结合附图及带有错位三角凹穴微通道液层间体冷却3D-IC的应用对本发明 做进一步描述：
[0063] 具有功耗低、传输距离短、传递速率快、低延迟、低噪音，高频性的3D-IC成为了备 受关注的焦点。但是，由于集成电路的堆叠使得芯片的功耗密度在相同的面积上成倍增大 导致芯片发热量成倍增大，而且连接电路的层间低导热性的绝缘介电层，3D-IC的散热成为 限制其发展的关键问题。带有复杂微通道层间流体冷却3D-IC成为其有效的散热技术。带 有错位三角凹穴微通道层间流体冷却3D-IC由密封片（1)、多层带有TSEV (硅穿孔电连接） 和错位三角凹穴微通道的芯片层（2. 1-2. 3)、连接层（3)组成。芯片及密封片均采用硅，连 接层采用焊料及填充材料掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺，工质为去离子水。
[0064] 带有TSEV和错位三角凹穴微通道的大功率芯层的加工及尺寸：首先在 13mm*llmm*0· 25mm的娃基的上表面中心加工1C(集成电路），同时给TSEV留出加 工区域。然后采用后通孔技术（BE0L即在所有的电路、器件工艺后再制作通孔）在硅基上刻 蚀通孔形成TSV、TSFV，在背面形成错位三角凹穴微通道。然后在芯片上下两侧通过化学气 相沉积（CVD)依次在通孔（TSV)形成绝缘层、过渡层、及钨导线，最终形成直径为5ymTSEV。 TSFV是1. 的矩形区域，其位于芯片的两侧与芯片1C区域连接。
[0065] 错位三角凹穴微通道的高度是200 μ m，间距为200 μ m。单个通道的放大图如图6 所示，错位三角凹穴微通道肋结构即侧壁由直角边为0. 1mm的等腰直角三角形的两个直角 边与直线形成长度为〇. 2_的单元依次构成，肋结构的两个侧壁依次错位结构。错位三角 凹穴微通道肋的最小宽度为50 μ m。错位三角凹穴微通道在两个三角凹穴中间处形成最大 间距为200 μ m，在两个直线中间处形成最小间距为100 μ m。
[0066] 芯片层与连接层的连接：将两层芯片依次通过连接层连接，连接层由焊接将下层 芯片的TSEV与上层芯片（1C)电路连接的焊料和填充材料掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺组 成。
[0067] 密封片加工及结构：通过刻蚀技术在硅基上形成流体入口 4、流体出口 5。流体入 口 4、流体出口 5为直径为1. 5mm的圆形通孔分别与芯片的TSFV中心位置对应。
[0068] 最后将已连接好的芯片层与密封片键合形成密封的腔体带有错位三角凹穴微通 道层间流体冷却3D-IC。去离子水依次流经流体入口 4、TSFV7、复杂微通道8、TSFV7、流体 出口 5。冷却流体经TSFV7后，将均匀分散到各层芯片层的错位扇形凹穴微通道8,将从错 位三角凹穴微通道表面及连接层表面吸收热量，最后从流体出口 5流出。实现高热流密度 3D-IC的散热，保证电子器件运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
[0069] 在3D-IC的热流密度为630w/cm2 (即每层芯片的热流密度为210w/cm2)、流体的入 口处的质量流量相同时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减小10°、散热面平均 温度可以减小8°。
[0070] 在3D-IC的热流密度为630w/cm2 (即每层芯片的热流密度为210w/cm2)、流体的进 出口的压降相同（即所消耗的能量相同）时，与常规微通道相比，其散热面的最大温差以减 小7.9°、散热面平均温度可以减小6.6°。
[0071] 如果采用微通道热沉是没法满足如此大热流密度的3D-IC的散热，其电路层的温 度会达到160°C。芯片温度上升Γ，芯片的寿命就会减小5%，因此本发明带有层间复杂微 通道流体冷却的具有了良好的散热性，对3D-IC的散热具有重大意义。所以本发明实现高 热流密度3D-IC的散热，保证芯片运行的温度及温度的均匀性增强散热器件的寿命。
【权利要求】
1. 一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在于，包括依次叠层 封装在一起的密封片（1)、带有复杂微通道的芯片层、连接层（3);密封片（1)上开有与外 部管路连接的流体入口（4)、流体出口（5);带有复杂微通道的芯片层分为带有复杂微通道 的上层芯片层（2.1)、带有复杂微通道的中间芯片层（2. 2)、带带有复杂微通道的底层芯片 层（2.3);定义靠近密封片（1)的一面为芯片层的背面，远离的一面为正面；带有复杂微通 道的上层芯片层（2. 1)背面刻蚀复杂微通道（8)、正面布置电路层或微电子元器件（6)，复 杂微通道（8)左右两侧设有通孔TSFV(7)，通孔TSFV(7)与上层芯片层（2. 1)的复杂微通 道相连通，上层芯片层（2. 1)不需要TSEV(9);带有复杂微通道的中间芯片层（2.2)背面刻 蚀复杂微通道（8)、正面布置电路层或微电子元器件（6)，复杂微通道（8)左右两侧设有通 孔TSFV(7)，通孔TSFV(7)与中间芯片层（2. 2)的复杂微通道相连通，复杂微通道（8)肋 上设有连接上下层电的硅穿孔电连接TSEV(9);带有复杂微通道的底层芯片层（2.3)背面 刻蚀复杂微通道（8)、正面布置电路层或微电子元器件（6)，复杂微通道（8)左右两侧设有 TSFV (7)，TSFV (7)与底层芯片层（2. 3)的复杂微通道相连通，复杂微通道（8)肋上设有连接 上层电的硅穿孔电连接TSEV(9)，此层芯片的TSFV(7)的刻蚀深度与微通道（8)的深度相 同，从而形成底端封闭的TSFV(7);连接层（3); 上述密封片（1)、带有复杂微通道的芯片层、连接层（3)的位置关系为上下结构，依 次为：密封片（1)、上层芯片层（2.1)、连接层（3)、中间芯片层（2. 2)、连接层（3)、底层芯 片层（2. 3)，在底层芯片层（2.3)和上层芯片层（2. 1)之间可根据需要设计多层中间芯片 层（2. 2)，中间均采用连接层（3)连接，上述上层芯片层（2.1)、中间芯片层（2. 2)、连接层 (3)、底层芯片层（2.3)的两侧的TSFV(7)分别对应叠合，形成左右两个腔体；上层芯片层 (2. 1)、中间芯片层（2. 2)和底层芯片层（2. 3)的复杂微通道形成并联并分别与左右两个腔 体垂直连通，密封片（1)的流体入口（4)、流体出口（5)分别与两个腔体连通。
2. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，在带有层间复杂微通道流体冷却的3D-IC内形成封闭的流体流动循环，流体流经路线 为：流体入口（4)、TSFV(7)、复杂微通道（8)、TSFV(7)、流体出口（5);冷却流体经TSFV(7) 后，将均匀分散到各层的复杂结构微通道（8)，将从复杂微通道表面及连接层表面吸收热 量，最后从流体出口（5)流出。
3. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，复杂微通道是由含有扇形凹槽的长条微结构或由含有三角凹槽的长条微结构错位形成 的通道； 所述含有扇形凹槽的长条微结构指的是以多个平行的平直长条微结构为基础，任一个 平直长条与相邻的平直长条平行相对的两侧面均刻有扇形凹槽，扇形凹槽是凹向平直长条 中心轴的，扇形凹槽的高度与平直长条的高度齐平，扇形凹槽任意高度所在的扇面均与平 直长条的中心轴平行，扇形凹槽在平直长条的两个侧面错位均匀分散布置，即在同一侧面 是扇形凹槽和未刻蚀的直平面交替分布，同一平直长条两侧面的扇形凹槽是交错分布的， 即一侧面的扇形凹槽对应另一侧面的未刻蚀的直平面，从总体看形成波浪形状；任意相邻 两个含有扇形凹槽的长条微结构之间形成微通道的相对的两侧面是扇形凹槽相对扇形凹 槽、未刻蚀的直平面相对未刻蚀的直平面； 所述的含有三角凹槽的长条微结构与含有扇形凹槽的长条微结构相同，只是将扇形凹 槽替换为三角形凹槽。
4. 按照权利要求3的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，扇形凹穴扇形对应的角度为120° ;三角形凹槽凹向平直长条中心轴的角为等腰直角。
5. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，芯片层（2)采用硅、TSEV(9)采用钨或钨铜、连接层采用的填充材料采用与芯片热膨胀 系数匹配的导热性好的掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺材料；相应的密封片（1)选用硅或玻 3? 〇
6. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，通道的高度大于50微米，通道高度大于芯片电路层的厚度。
7. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，换热工质选用水或制冷剂。
8. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，流体可以在复杂微通道中形成单相换热或沸腾相变换热。
9. 按照权利要求1的一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-IC，其特征在 于，连接层主要为金属材料，连接层上面或下面的芯片与金属材料之间的间隙采用掺杂无 机纳米颗粒的聚酰亚胺进行密封绝缘；金属材料连接层将其下面的芯片上的TSEV与上面 芯片上的电路或微电子元器件连接。
【文档编号】H01L25/00GK104112736SQ201410322765
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】夏国栋, 马丹丹 申请人:北京工业大学