嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺的制作方法

本发明涉及一种三维封装结构，尤其是一种嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺，属于集成电路封装的技术领域。

背景技术：

随着现代电子芯片的集成度的增加、功耗的上升和尺寸的减小，快速增加的芯片系统发热已经成为先进电子芯片系统研发和应用中的一项重大挑战。一般地，元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，器件在70～80℃水平上每升高1℃，其可靠性降低5%。尤其在三维封装系统中，热管理问题不容忽视，这是因为：（1）三维封装系统中往往集成了多个芯片，晶体管数目较多，发热量较大，但整体的封装面积并未随之增加，因此具有更高的发热密度；（2）芯片采用三维叠层封装，不利于热量散发，位于叠层底部和中部的芯片，其热量的散发将更加困难；（3）对于三维组装结构，铜导体部分被绝缘层、芯片、基板等结构包围，使得芯片产生的热量较难散发。这些因素导致芯片的温度迅速增加。

常规散热方式主要有热传导、对流、微喷冷却、辐射和相变制冷等，但是这些散热方式对应的设备体积和效率都不尽人意。尤其当系统的功率密度高于100w/cm²时，这些热管理方法根本无法适用。而微流道主动散热技术是将微流道集成在芯片或基板内部，利用流体工质流动带走芯片工作时产生的热量，其等效传热系数要远远大于一些传统导热材料（铝、铜、银等）的传热系数，可以确保器件在合适的温度下工作。所以为了满足三维微电子系统高性能、高散热的发展需求，亟需开发一种嵌入式微流道的三维主动散热封装结构。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中三维封装系统散热水平的不足，提供一种嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺，通过在芯片背面以及基板内部集成微流道结构，实现三维封装系统在芯片级和基板级的多维度、多尺度主动散热，极大地提升三维封装系统的散热能力。

按照本发明提供的技术方案，所述嵌入式微流道的三维主动散热封装结构，其特征是：包括三维封装结构，在所述三维封装结构顶层设有微流道芯片结构单元，所述微流道芯片结构单元包括嵌入微流道结构的ic芯片与微流道盖板，在所述三维封装结构底层设有二维异构集成结构单元，所述二维异构集成结构单元包括tsv转接板和ic芯片，tsv转接板和ic芯片通过再布线层连接；所述微流道芯片结构单元与二维异构集成结构单元通过阵列凸点和底部填充层连接，最终与嵌入微流道基板和封装外壳封装形成三维主动散热封装结构，电信号由嵌入微流道基板表面的阵列外引出端引出。

进一步地，所述微流道芯片结构单元通过在ic芯片衬底背面直接制作微流道结构，与微流道盖板键合而成。

进一步地，所述微流道盖板的材料采用硅或玻璃。

进一步地，所述嵌入微流道基板的材料采用陶瓷或有机树脂。

所述嵌入式微流道的三维主动散热封装结构的制作工艺，其特征是，包括以下步骤：

（1）在三维封装结构顶层功能芯片背面制作微纳尺度微流道结构，得到嵌入微流道结构的ic芯片；通过晶圆级键合工艺在嵌入流道结构的ic芯片表面键合微流道盖板，密封微流道，制得微流道芯片结构单元；

（2）通过常规tsv工艺制得tsv转接板，将tsv转接板结构与三维封装结构底层ic芯片通守晶圆级扇出封装工艺进行一体化集成，制得二维异构集成结构单元；在所述二维异构集成结构单元上下表面通过再布线实现tsv转接板与ic芯片的信号互连，通过阵列凸点实现三维封装结构信号互连；

（3）将上述得到的嵌入微流道芯片单元与二维异构集成结构单元通过凸点互连工艺实现上下互连，制得三维集成结构；其中，顶层单元包含微流道结构，底层单元包括tsv结构；

（4）最后通过凸点互连工艺和常规封帽工艺，将上述所得三维集成结构与嵌入微流道基板和封装外壳进行封装，通过阵列外引出端实现封装电路信号的引出，制得所述的嵌入式微流道的三维主动散热封装结构。

进一步地，所述步骤（1）中，微流道结构通过深反应离子刻蚀工艺直接制作于功能芯片衬底背面，实现芯片尺度主动散热，微流道盖板包含微流体出入口通孔结构。

本发明具有以下优点：

（1）尺寸在微米级别的微流道结构直接集成在功能芯片背面，引入冷却剂将芯片有源区（尤其是热点区域）的发热量带走，这种“短距离”的散热方式是一种直接、高效的芯片级主动散热方式，消除了传统散热方式存在的界面热阻；

（2）尺寸在亚微米或者毫米级别的微流道结构直接嵌入在基板内部，引入冷却剂将三维封装系统底层芯片发热量带走，是一种直接、高效的基板级主动散热方式，极大地降低了封装基板的等效热阻，实现了三维封装系统的多维度、多尺度的热管理；

（3）tsv转接板与功能芯片的一体化集成可以实现功能芯片的三维集成功能，同时tsv可以作为热传递通道，起到一定的散热作用，提升三维系统散热能力。

附图说明

图1～图7是本发明所述嵌入式微流道的三维主动散热封装结构的典型实例工艺流程图；其中：

图1为背面嵌入微流道结构的ic芯片晶圆示意图。

图2为制作有微流体出入口通孔的微流道盖板圆片示意图。

图3为截取下的微流道芯片结构单元示意图。

图4为双面制作有再布线层的二维异构集成结构单元示意图。

图5为二维异构集成结构单元上下表面制作陈列凸点示意图。

图6为嵌入微流道芯片单元与二维异构集成结构单元三维互连结构示意图。

图7为本发明所述嵌入式微流道的三维主动散热封装结构示意图。

附图标记说明：1-三维封装结构、2-微流道芯片结构单元、3-嵌入微流道结构的ic芯片、4-微流道盖板、5-二维异构集成结构单元、6-再布线层、7-tsv转接板、8-ic芯片、9-阵列凸点、10-底部填充层、11-嵌入微流道基板、12-封装外壳、13-阵列外引出端。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图7所示，本发明所述嵌入式微流道的三维主动散热封装结构，包括三维封装结构1；在所述三维封装结构1顶层设有微流道芯片结构单元2，所述微流道芯片结构单元2中设有嵌入微流道结构的ic芯片3与微流道盖板4，在所述三维封装结构1底层设有二维异构集成结构单元5，所述二维异构集成结构单元5中设有tsv转接板7和ic芯片8，tsv转接板7和ic芯片8通过再布线层6连接；所述微流道芯片结构单元2与二维异构集成结构单元5通过阵列凸点9和底部填充层10连接，最终与嵌入微流道基板11和封装外壳12封装形成三维主动散热封装结构，电信号由嵌入微流道基板11表面的阵列外引出端13引出。

本发明所述基于嵌入微流道三维封装结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：提供ic芯片的晶圆，所述ic芯片晶圆衬底材料包括但不限于硅、砷化镓等材料，在所述晶圆背面采用常规深反应离子刻蚀工艺制作节距和深宽比符合设计要求的微流道结构，得到嵌入微流道结构的ic芯片3，如图1所示；

步骤二：提供盖板圆片，所述盖板圆片材料包括但不限于硅、玻璃等材料，在所述盖板圆片上采用常规深反应离子刻蚀工艺或激光打孔工艺制作直径符合设计要求的微流体出入口通孔，得到微流道盖板4，如图2所示；

步骤三：采用晶圆级键合工艺将上述所得嵌入微流道结构的ic芯片3与微流道盖板4进行组装，通过标准划片工艺截取得到相应尺寸的微流道芯片结构单元2，如图3所示；

步骤四：采用常规tsv工艺制得tsv转接板7，将上述所得tsv转接板7与三维封装结构底层ic芯片8通过晶圆级扇出封装工艺进行一体化集成，制得二维异构集成结构单元5，在所述二维异构集成结构单元5上下表面通过光刻但不限于光刻的工艺制作再布线层6，实现tsv转接板7与ic芯片8的电连接，如图4所示；

步骤五：采用常规植球工艺或电镀工艺在上述所得二维异构集成结构单元5上下表面制作阵列凸点9，如图5所示；所述阵列凸点材料包括但不限于铜、锡铅、锡银以及锡银铜等材料；

步骤六：采用凸点互连工艺和底部填充工艺实现上述所得嵌入微流道芯片单元3与二维异构集成结构单元5的三维互连，如图6所示；所述凸点互连工艺包括但不限于回流焊、热压焊等工艺；

步骤七：采用凸点互连工艺和常规封帽工艺，将上述所得三维集成结构与定制化的嵌入微流道基板11和封装外壳12进行封装，得到嵌入式微流道的三维主动散热封装结构1，通过常规植球/植柱工艺制得阵列信号外引出端13，如图7所示；所述嵌入微流道基板材料包括但不限于陶瓷、有机树脂等材料，所述阵列凸点料包括但不限于锡铅、锡银以及锡银铜等材料。