CN116546869A - 一种新型微流热电散热器及其制造方法和散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型微流热电散热器及其制造方法和散热方法。本发明的新型微流热电散热器的制造方法，包括如下步骤：S1：制作帕尔贴元件；S2：制作微流道散热器；S3：将微流道散热器与帕尔贴元件冷端键合。本发明的新型微流热电散热器包括微流道散热器和帕尔贴元件，微流道散热器键合在帕尔贴元件的冷端，该新型微流热电散热器通过帕尔贴效应将芯片产热传导至微流道散热器的微流道，再通过冷却工质的循环流动带走，减小了传热路径上的热阻，缩短了传热路径，增加了散热能力，实现了高效散热，满足了低热导率的高功率芯片的散热需求。
Description
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其是涉及一种新型微流热电散热器及其制造方法和散热方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，晶体管的尺寸和集成度不断增加，芯片的性能不断提升，同时也会带来芯片发热量增加等问题，如果不能及时带走芯片产生的热量，会使得芯片局部温度过高，进而严重影响芯片的工作性能和有效寿命。因此，高功率芯片的散热是当前一个很重要的研究方向。
微流热电散热器是一种十分高效的散热结构，其所含有的帕尔贴元件是一种利用帕尔贴效应来传递热量的元件，当电流通过时，帕尔贴元件会将热端的热量带到冷端。利用帕尔帖元件能够高效地将热量从芯片热点区域搬运到更大的散热平面上，从而获得较好的散热性能。
现有的微流热电散热器一般为七层，结构如图1所示。由于热源芯片11背面与陶瓷基板13之间的接触不能做到完全光滑，为了增大它们之间的传热面积，通常会使用导热硅脂等热界面材料12(Thermal Interface Material,TIM)来填充孔隙区域，以减小由于空气带来的高热阻，TIM导热系数一般为3-5W/m·K。陶瓷基板13的材料一般为氧化铝陶瓷，导热系数通常为30W/m·K左右，目的是提高界面的温度均匀性。热源芯片11上产生的热量通过热界面材料12(即TIM1)传递后，到达陶瓷基板13(即上基板)，随后通过帕尔贴元件14搬运到下基板15，再通过热界面材料16(即TIM1)传递到微流道散热器17，利用微流道散热器17的高热导率将热量耗散，实现较高的整体散热性能。
然而，上述现有的微流热电散热器中，热源芯片产生的热量需要经过热导率较低的热界面材料层与陶瓷基板层的传导才能与冷却工质进行热交换，传热路径长，热阻高，散热性能受TIM和陶瓷基板热导率影响严重。因此，需要开发一种新型的微流热电散热器结构，以缩短传热路径，降低整体热阻，进而实现低热导率的高功率芯片的散热需求。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型微流热电散热器及其制造方法和散热方法，该新型微流热电散热器减小了传热路径上的热阻，缩短了传热路径，增加了散热能力，实现了高效散热。
本发明提供一种新型微流热电散热器的制造方法，包括如下步骤：
S1：制作帕尔贴元件；
S2：制作微流道散热器；
S3：将微流道散热器与帕尔贴元件冷端键合。
具体地，步骤S1包括：
S11：在砷化镓衬底上生长超晶格材料；
S12：在超晶格材料上形成阻挡层，随后切割成独立的单元；
S13：在硅衬底上镀铜焊盘，将步骤S12的单元焊接在铜焊盘，随后去除砷化镓衬底；
S14：蒸发扩散屏障，随后电镀微型铜焊盘以形成p、n单元对。
步骤S11中，超晶格材料由p型Bi2Te3/Sb2Te3和n型Bi2Te3/Bi2Te2.83Se0.17超晶格组成。
步骤S2包括：
S21：在硅衬底上电镀铜线；
S22：在硅衬底的背面制作微流道。
步骤S22中，制作微流道的方法包括深硅刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、激光刻蚀或化学腐蚀。
步骤S3中，键合的方法包括铜铜热压键合、阳极键合、硅硅键合、金锡键合、金硅键合、金铟键合、金金键合或聚合物晶圆键合。
本发明还提供一种新型微流热电散热器，包括微流道散热器和帕尔贴元件，微流道散热器键合在帕尔贴元件的冷端。
本发明的新型微流热电散热器可以按照上述制备方法制得。
本发明还提供上述新型微流热电散热器的散热方法，将芯片产热通过帕尔贴元件传导至微流道散热器的微流道。
进一步地，传导至微流道的热量通过冷却工质循环流动带走。
本发明提出了一种用于高功率芯片散热的新型微流热电散热器及其制造方法和散热方法，给帕尔帖元件通电后，利用帕尔帖效应，将芯片区域的高热流高效地搬运到微流道区域，冷却工质通过微流道区域将热量带走。现有微流热电散热器的热传导路径为：“芯片-TIM-热端-帕尔帖元件-冷端-TIM-微流道散热器”，本发明将其中的TIM去除，令芯片与热端结合，微流道散热器与冷端结合，形成新的结构设计；其中，热端为芯片结区，冷端为利用MEMS工艺加工出的微流道结构。相比于传统的微流热电散热器，通过去除热界面材料，将芯片、微流道散热器分别与冷端、热端集成，缩短了热传导的路径，显著降低了整体结构的热阻，提高了散热效率，加快了散热速度，满足了高功率芯片的散热需求。
相对于现有技术，本发明至少具有以下优势：
1、本发明的新型微流热电散热器从热源芯片的背面进行散热，去除了传统基板和热界面材料的热阻，缩短了散热过程中的热传导路径，热源芯片产热可以直接传导至微流道散热器的微流道，再通过冷却工质循环流动带走，减小了传热路径上的热阻，增加了散热能力；
2、本发明的新型微流热电散热器使用微流体冷却，基于微流体比热容大或沸点低的特点，单位体积可以带走的热量更多，散热能力更强，实现了微流热电散热器的高效散热，满足了低热导率的高功率芯片的散热需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有微流热电散热器的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的新型微流热电散热器的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的新型微流热电散热器的帕尔贴元件的制作流程图；
图4为本发明一实施方式的新型微流热电散热器的制作流程图。
附图标记说明：
11：热源芯片；12、16：热界面材料；13：陶瓷基板；14：帕尔贴元件；15：下基板；17：微流道散热器；
21：热源芯片；22：帕尔贴元件；23：微流道散热器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种新型微流热电散热器，包括热源芯片21、帕尔贴元件22和微流道散热器23，微流道散热器23键合在帕尔贴元件22的冷端。
具体地，帕尔贴元件22包括生长在砷化镓衬底上的超晶格材料，超晶格材料由p型Bi2Te3/Sb2Te3和n型Bi2Te3/Bi2.83Se0.17超晶格组成。
本实施例的新型微流热电散热器去除了传统的TIM层和陶瓷基板，利用帕尔贴元件22直接将热量从热源芯片21搬运至微流道散热器23，使得散热过程中的热传导路径进一步缩短为：热源芯片21产热→帕尔贴元件22→微流道散热器23→冷却工质。在上述结构中，热量通过三种途径进行传递，即固体热传导、帕尔贴效应和强制对流，通过上述结构优化，消除了传统芯片与TIM、TIM与基板、TIM与硅微流道散热器之间固体热传导带来的高热阻，实现了高效的散热，满足了高功率芯片的散热需求。
实施例2
本实施例提供实施例1的新型微流热电散热器的制造方法，步骤如下：
S1：制作帕尔贴元件
结合图3，帕尔贴元件的制作步骤如下：
(a)在砷化镓衬底上，利用MOCVD生长超晶格材料
首先在一层砷化镓衬底上通过MOCVD生长一层超晶格材料，该超晶格材料由p型Bi2Te3/Sb2Te3和n型Bi2Te3/Bi2Te2.83Se0.17超晶格组成。
(b)蒸发一层金属做为阻挡层
在生长超晶格材料的砷化镓衬底上蒸发一层接触金属作为扩散屏障。
(c)切割成独立的单元
将砷化镓衬底切割成小块，形成单独的p、n单元。
(d)在硅衬底上镀铜焊盘，将p、n对焊接到铜焊盘上，并刻蚀掉砷化镓衬底
在硅衬底上电镀微型铜焊盘，将上步形成的p、n单元焊接到铜头上，再刻蚀掉砷化镓衬底。
(e)蒸发扩散屏障
随后，蒸发扩散屏障。
(f)电镀微型铜焊盘
最后，电镀微型铜焊盘以形成p、n单元对。
S2：制作微流道散热器
如图4所示，微流道散热器制作步骤如下：
(a)在硅衬底上电镀铜线
首先，在硅片上电镀铜线。
(b)利用DRIE等方法在硅衬底上刻蚀出微流道
然后，通过深硅刻蚀(DRIE)、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、激光刻蚀、化学腐蚀等方式在硅片背面刻蚀出微流道结构。
S3：将微流道散热器与帕尔贴元件冷端键合
(c)将TEC冷端与微流道散热器键合，完成工艺
通过铜铜热压键合、阳极键合、硅硅键合、金锡键合、金硅键合、金铟键合、金金键合、聚合物晶圆键合等方式将微流道散热器与帕尔贴元件冷端键合，完成工艺。
本实施例以举例形式给出一种实施方式，但并不局限于此。可以理解，通过帕尔贴效应把芯片产热从芯片背面散失带走实现高功率芯片的散热、同时通过微流道散热器带走帕尔贴元件传递的高热流，都属于本发明的保护范畴。
本实施例的制造方法去除了传统的TIM层和陶瓷基板，制得的新型微流热电散热器从热源芯片的背面进行散热，去除了传统基板和热界面材料的热阻，缩短了散热过程中的热传导路径，热源芯片产热可以直接传导至微流道散热器的微流道，再通过冷却工质循环流动带走，减小了传热路径上的热阻，增加了散热能力；该新型微流热电散热器使用微流体冷却，基于微流体比热容大或沸点低的特点，单位体积可以带走的热量更多，散热能力更强，实现了微流热电散热器的高效散热，满足了低热导率的高功率芯片的散热需求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种新型微流热电散热器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：制作帕尔贴元件；
S2：制作微流道散热器；
S3：将微流道散热器与帕尔贴元件冷端键合。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11：在砷化镓衬底上生长超晶格材料；
S12：在超晶格材料上形成阻挡层，随后切割成独立的单元；
S13：在硅衬底上镀铜焊盘，将步骤S12的单元焊接在铜焊盘，随后去除砷化镓衬底；
S14：蒸发扩散屏障，随后电镀微型铜焊盘以形成p、n单元对。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S11中，超晶格材料由p型Bi2Te3/Sb2Te3和n型Bi2Te3/Bi2Te2.83Se0.17超晶格组成。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21：在硅衬底上电镀铜线；
S22：在硅衬底的背面制作微流道。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤S22中，制作微流道的方法包括深硅刻蚀、等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、激光刻蚀或化学腐蚀。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S3中，键合的方法包括铜铜热压键合、阳极键合、硅硅键合、金锡键合、金硅键合、金铟键合、金金键合或聚合物晶圆键合。
7.一种新型微流热电散热器，其特征在于，包括微流道散热器和帕尔贴元件，微流道散热器键合在帕尔贴元件的冷端。
8.根据权利要求7所述的新型微流热电散热器，其特征在于，按照权利要求1-6任一所述的制备方法制得。
9.权利要求7或8所述的新型微流热电散热器的散热方法，其特征在于，将芯片产热通过帕尔贴元件传导至微流道散热器的微流道。
10.根据权利要求9所述的新型微流热电散热器的散热方法，其特征在于，传导至微流道的热量通过冷却工质循环流动带走。
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| PB01 | Publication | ||
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