CN1988764B - 制造电子器件冷却***的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法。该方法包括在基板(12)的内表面上形成传导层，和在传导层上方提供牺牲层(36)。该方法包括在牺牲层(36)中形成多个通道，和电镀牺牲层，以用包括传导材料的电镀材料基本上填充多个通道。该方法还包括蚀刻牺牲层(36)以形成具有翅片的传导结构，在该处保留传导材料，所述翅片由在蚀刻了牺牲层(36)的位置处的微通道隔开。

Description

制造电子器件冷却***的方法

技术领域

本发明通常涉及一种用于电子器件的冷却***，且尤其涉及一种用于制造在器件冷却***中流体循环的微通道的处理。 

背景技术

高密度功率电子装置的发展已经使其越来越难以制造有效的冷却***。通过能够散热达500W/cm²的当前硅基功率装置，需要一种改善的热控制方案。自然和强制通风冷却方案仅能处理达约1W/cm²的热通量。常规液体冷却板能够实现20W/cm²量级的热通量。然而，微通道冷却技术已经表现出极大地增强冷却性能的能力，在约1000W/cm²量级上。 

在某些提出的结构中，在通过其循环冷却剂流体以分散由器件产生的热的功率器件的相反侧上制造微通道。冷却的效率取决于通道的宽度和均匀性。在某些限制中，例如，较窄的通道易于更好地散热，这是由于其与冷却剂流体较好的接触。然而，在较窄通道中增加的热传递通常由横跨通道的增加的压力损失补偿，其会导致在强制冷却流体通过该***方面的挑战。另一限制是微通道的非均匀性，这会导致会不利地影响功率器件性能的热点，甚至会导致器件的击穿。硅是通常使用的用于微通道制造的材料。然而，由具有导热性比硅高的材料制成的通道显示出较好的效率，这是由于其较好的热传输热性。 

而且，虽然已经提出并测试这种结构，但是仍然缺乏用于其制造的有效率且经济的方法。现有技术中没有进行足够简单可靠地制造均匀微通道的迫切需要。 

因此，，对于制造具有较窄通道宽度和较好均匀性的通道，需要改进当前技术。尤其，存在以有效、低成本方式制造这种器件的需要。 

发明内容

本发明的实施例涉及到这个和其它需要。在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括在基板的内表面上形成传导层和在传导层上方提供牺牲层。该方法包括在牺牲层中形成多个通道和电镀牺牲层，从而用包括传导材料的电镀材料基本填充多个通道，该传导材料与传导层接触并从传导层延伸出。该方法还包括蚀刻牺牲层，以形成具有翅片的传导结构，其中在蚀刻牺牲层的位置处传导材料保留由微通道分离。该方法还包括将支管贴附到所述传导结构上。 

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更容易理解，其中贯穿附图，相同的字符表示相同的部件。 

图1示出了根据本发明方面制造的功率器件的示范性冷却***； 

图2是具有图1中示出的功率器件的冷却***的剖面图； 

图3-9示出了根据电镀技术用于在图1和2中所示类型器件的微通道制造步骤； 

图10-12示出了根据图3-9实施例的变形的微通道制造步骤； 

图13是描述根据图3-9的实施例制造微通道方法的流程图； 

图14-20示出了根据图10-12的微通道制造步骤； 

图21是根据该方法另一变形制造微通道方法的流程图； 

图22-26示出了根据激光烧蚀技术的微通道形成的制造步骤；和 

图27是根据图22-26实施例制造微通道方法的流程图。 

具体实施方式

图1是用于器件如功率电子器件的电子电路组件10的示意性表示。电路组件10包括衬底12。衬底12可包括通常用在功率电子器件中的半导体如硅、金钢砂、氧化铝、氮化铝、氮化镓或其组合。器件14安装成接近基板12的表面，如图1中所示。附图描述了安装到基板12上的六个这种器件14。如本领域技术人员将理解的，可将任意数量的器件或者甚至是单个器件安装到基板上。相似地，可将任意所需器件、尤其是在需要抽出或散热的操作期间产生足够热的器件安装到基板上。这种器件可包括例如固态转换器件。 

而且，***10包括设置在基板12相对表面上的传导层16。传导层16可包括任意适合的导热材料如铜。传导层可用作器件14和冷却***之间的散热界面，这是由于其增强的热传输特性。 

将热交换层18设置在传导层16上。热交换层18包括用于流动冷却剂的微通道22。合适的冷却剂包括油、水、乙二醇、航空燃料或其组合。应当注意，可使用液体或气体冷却剂，且本发明并非意指限于任一个或任意特定的冷却介质。支管20贴附到交换热层18。支管20进一步包括充料室24，用于将冷却剂 导向至微通道，和排料室26以从微通道排除冷却剂。支管结构的详细结构在图2中示出。 

图2是图1中示出的电路组件10的剖面图。其上安装了器件14的基板10的表面表示为外部表面28，其上形成了传导层16的相对侧表示为内部表面30。热交换层18设置在传导层16上，且在热交换层18中形成微通道22。微通道22从传导层16延伸到支管20。支管20具有在面对微通道22的表面上形成的两组通道32和34。充料室24通过通道组32将冷却剂引入到微通道22中，另外其也称为进料支管。出料室26通过通道组34将冷却剂从微通道22排除，且这些通道称作出料支管。以下将描述微通道22的制造。 

图3—9示出了根据一个实施例的微通道22的制造步骤。如图3中所示，提供具有内部表面30的基板12。基板12可以是半导体，且在这种情况下其由金钢砂制成。传导层16设置在基板12上。使用沉积技术如电镀形成传导层。在该实施例中，传导层的厚度小于约300微米。而且，传导层16由具有良好导热性的材料如铜制成。可以使用的其它材料包括金和银。 

然后将牺牲层36设置在传导层16上，如图4中所示。在该实例中，牺牲层36由硅制成，尽管可使用其他材料。在示出的实施例中，所形成的牺牲层36厚度小于约400微米。应当注意，牺牲层36的厚度可根据所需微通道的深度而变化。 

图5描述了在图4的牺牲层36中的通道形成。在所示出的实施例中，由参考数字38表示沟槽，且参考数字40表示通道的肋。通道通过使用蚀刻剂蚀刻牺牲层36来形成。例如，氢氧化钾溶液是用于由硅制成的牺牲层的蚀刻剂。氢氧化钾优先蚀刻硅，同时不影响下部传导层16。在蚀刻之前，在一个实例中，可形成肋的区域可以被掩蔽，并然后将氢氧化钾溶液用于去除暴露到氢氧化钾溶液的硅区。而且，继续暴露到氢氧化钾溶液直到达到传导层16。形成如图中所描述的垂直通道。通道的沟槽38具有与所形成的牺牲层36的厚度相关的深度。在本实施例中，沟槽38具有小于约400微米的深度。在特定实例中，沟槽38具有从约300微米到约400微米的深度。形成通道导致肋40具有小于约200微米的宽度。在特定实施例中，肋40具有约100微米到约200微米的宽度。如本领域技术人员所理解的，肋宽度取决于蚀刻技术的固有限制，例如所使用的掩模的限制。

在于牺牲层中形成通道之后，进行电镀，如图6中所示。在一个实例中，可通过电镀术进行电镀。电镀基本上覆盖通道，并形成了如所示出的电镀材料上部层46。在该实施例中，电镀材料包括导热材料如铜、银、金或其合金。在所示出的实例中，使用铜。 

去除在通道肋40上方形成的电镀材料的上部层46以暴露出牺牲层36，如图7中所示。可通过研磨去除电镀材料。可进行研磨以使电镀材料的顶部表面和肋40都位于相同平面上以暴露出牺牲层36。 

图8示出了在牺牲层36中的微通道形成。使用氢氧化钾溶液蚀刻由硅制成的暴露出的牺牲层36。氢氧化钾溶液蚀刻硅，形成传导肋44，同时用于电镀的铜保留。在传导肋之间的在硅之前的区域形成了微通道22。在微通道22的宽度和高度的纵横比方面对微通道进行限定。对于冷却***，希望其具有尽可能高的纵横比。微通道22的宽度跟随肋40的宽度，且小于约200微米。在具体实施例中，微通道具有从约100微米到约200微米的宽度。微通道为约400微米深。在特定实例中，微通道的深度可从约300微米到约400微米变化。基于微通道的宽度和深度，微通道的纵横比在从约1:2到约1:3的范围内。 

图9示出了在冷却***中支管20和器件14的附加物。在形成微通道之后，将支管20贴附到其间形成了微通道的导热肋44上。而且，已经贴附到基板12外部表面上的器件由参考数字14表示。事实上，可将单个器件或多个器件安装于示出的基板上。应当注意，在需要所使用的特定处理的情况下且根据所使用的特定处理，事实上在形成微通道之前安装器件。 

图10—12描述出对具有其它传导层的微通道制造步骤的变形。图10描述出其上方形成了传导层16的基板12。基板也是半导体材料。传导层16通过使用溅射技术的沉积在基板12上形成。溅射获得本实施例中约1微米的厚度。传导层16由具有良好导热性的材料如铜制成。第二传导层48如铜沉积在层16上方，如图11中所示，并通过构成这些层的材料之间的直接粘合固定到下部层。将第二传导层48电镀到第一传导层16上方。图12示出了在第二传导层48上牺牲层36的形成。所形成的牺牲层36的典型厚度小于约400微米。层36的厚度根据所需的微通道22的深度而变化。然后随之是参考图5—8讨论的制造步骤，以在牺牲层36中形成微通道。 

使用图13的流程图50概述了上面描述的形成微通道22的方法。在图13 的步骤52处，将传导层沉积在衬底内表面上。而且，通过溅射技术或电镀沉积该传导层。可选地，可将第二传导层增加到传导层上方，如由步骤54表示的。然后在步骤56中将牺牲层沉积在传导层上。在步骤58处，蚀刻牺牲层至传导层以形成通道。然后在步骤60中电镀所蚀刻的牺牲层，从而基本上填充图6中示出的通道。而且，在步骤62中，例如通过研磨去除电镀材料的薄表面以暴露出牺牲层的表面。然后在步骤64中蚀刻保留的牺牲层以形成微通道。可使用参考步骤58所讨论的选择性蚀刻剂。该蚀刻剂去除了牺牲层，同时保留电镀材料未蚀刻。蚀刻的牺牲层区域形成了由热交换肋隔开的微通道。在步骤66中，增加支管和器件。在微通道形成器件安装到基板上之后，将支管贴附到面对微通道的表面上。 

根据另一电镀实施例，提供了一种形成微通道的方法，如图14—20中所示。在示出的实施例中，在基板12上形成传导层16，如图14中所示。使用对于本领域技术人员公知的沉积技术如溅射形成传导层。传导层16的典型厚度小于约300微米，尽管这并不改变。合适的基板还包括在功率电子器件中使用的半导体如Si、SiC、氧化铝、AlN、GaN或其组合。如之前，传导层16由导电材料如Cu、Ag、Au或其任意组合或者任意其它合适的材料制成。 

如图15中所示，借助于粘附层68在传导层16上形成牺牲层36。粘附层68夹在层16和36之间，并促进粘附层68和传导层16之间和在粘附层68和牺牲层36之间的粘合。粘附层68的典型厚度为约12微米至约14微米。合适的粘附材料包括热固性材料、热塑性材料或环氧树脂。在该实例中，牺牲层36由硅制成，尽管可使用其它材料。牺牲层36的典型厚度小于约400微米。层36的厚度根据所需的微通道的深度而变化。 

图16示出了在牺牲层36中通道的形成。元件40是肋，牺牲层36中的通道38和粘附层68通过锯切至传导层16来形成，以形成肋40。已经发现，锯切具有110取向面的硅形成良好的垂直通道。而且，可使用本领域中公知的锯切方法。在一个实例中，使用热电碳叶片(thermocarbon blade)且调整锯切参数以形成约100微米宽的通道。沟道38可具有小于约400微米的深度。在特定实例中，沟道38可具有约300微米至约400微米的深度。本实施例中，通道的形成导致肋40具有小于约200微米的宽度。在特定实施例中，肋40具有约100微米至约200微米的宽度。

在图17中，将电镀材料增加到牺牲层16上，以基本上填充沟道38，并形成电镀材料的表面46，与上述的实施例中相同。接下来，如图18中所示，研磨电镀材料以暴露出牺牲层36。该研磨获得了牺牲层36的顶表面和在相同平面上的电镀材料。 

在研磨之后，蚀刻暴露出的牺牲层36至粘附层68，如图19中所示。通过优先蚀刻在肋之间保留的牺牲层的蚀刻剂进行蚀刻。可选地，使用具有随后蚀刻的掩模的方法，以去除暴露到蚀刻剂的区域。氢氧化钾溶液对于由硅制成的牺牲层是可接受的蚀刻剂。氢氧化钾优先蚀刻硅，而不会影响下部粘附层68。继续暴露到氢氧化钾溶液直到达到粘附层68。然后蚀刻粘附层68以暴露出传导层16，如图20中所示。而且，使用蚀刻粘附层同时保留传导层16不蚀刻的蚀刻剂。该蚀刻导致传导肋44的形成。在传导肋44之间的在硅和粘着剂之前的区域形成了微通道22。获得的肋和微通道的尺寸与上面对于第一实施例描述的相似。 

图21是示出在电镀之前应用锯切以形成微通道的方法的流程图70。在步骤72处，将传导层沉积在基板上。 

然后借助于粘附层将牺牲层粘着到传导层上，由步骤74表示。在步骤76处，通过锯切在牺牲层中形成通道。锯切导致在牺牲层肋处形成堆积物，其在清洗过程中被去除。应当注意，由锯切获得的通道形状取决于所使用的材料。在一个实例中，如上所述，具有110取向的硅用作在垂直通道中由锯切导致的牺牲层。在锯切以形成通道之后，在步骤78处，将电镀材料沉积在被锯切的牺牲层上。在步骤80处去除作为电镀结果形成的表面以暴露出牺牲层。在步骤82处，蚀刻暴露出的牺牲层，和在步骤84处，通过蚀刻去除粘附层以形成微通道。在沟道形成之后，在步骤86处增加支管和器件，以形成器件冷却***。 

根据另一实施例，通过对具有内表面和外表面的基板的激光烧蚀形成微通道。将铜或者这种热传导材料设置在基板的内表面上以形成传导层，通过在传导层中逐渐变深的通道的连续烧蚀而在铜层中形成微通道。 

图22—26示出了通过激光烧蚀进行微通道形成的制造步骤。如图22中所示，在基板12上形成铜层88。基板12是通常在功率电子器件中使用的半导体材料，例如是上述材料中的一种。在一个实例中，通过电镀工艺将铜层88沉积在基板12上。可以使用本领域技术人员公知的其它技术。尽管可使用其它厚 度，但是在本实例中，该电镀导致具有约400微米厚度的铜层88。 

激光烧蚀铜层88，如图23中所示，以形成部分烧蚀的通道90。在一个实例中，在连续的激光烧蚀步骤中，将硅树脂脱模剂或其它清洗介质施加在铜层88上。已经发现，烧蚀工艺会导致在重新贴附到微通道侧壁上的连续形成的微通道中的堆积物。在烧蚀步骤之间施加清洗剂有效地去除了该堆积物，或者至少防止其重新粘附到微通道侧壁上。然后对该铜层进行激光烧蚀并再次用硅树脂脱模剂对其溅射。在每次应用清洗剂之后，擦拭该表面以去除作为激光烧蚀结果形成的堆积物。在另一实施例中，在连续的激光烧蚀通路之间用水冲洗基板以去除所形成的堆积物。 

可选地，使用化学蚀刻清洗。在这种情况下，可将化学蚀刻停止层施加到铜层88上。然后对铜层88进行激光烧蚀。在激光烧蚀之后，将氯化铁溶液设置在铜层上，且清洗掉由烧蚀获得的堆积物以形成局部烧蚀的通道90。该烧蚀和蚀刻工艺可在连续的通路中完成，直到实现了所需深度。 

可选地，通过本领域技术人员公知的技术在有水的情况下进行激光烧蚀，例如，激光束通过水并烧蚀基板。便利地，这会导致作为连续激光通过结果形成的清除堆积物，且会导致更快的激光烧蚀率但是需要更好的激光功率。 

图24示出了具有比图23中示出的那些深的通道的局部烧蚀的通道90。再次将硅树脂脱模剂施加到铜层上并之后进行激光烧蚀，和擦拭堆积物以形成更深的通道90。相似地，当将化学蚀刻停止层施加到铜层上时，形成的堆积物在施加氯化铁溶液之后清除。重复参考图24描述的步骤，以逐步形成微通道至所需深度，如图25中所示。由激光烧蚀获得的微通道22通常为V形。在本实施例中，微通道的典型厚度为小于约200微米。在具体实施例中，该厚度可从约100微米至约200微米而变化。该微通道小于约400微米深。在特定实施例中，微通道的深度可从约300微米至约400微米而变化。在微通道形成之后，可去除硅树脂脱模剂或者在烧蚀期间使用的其它化学试剂。在一个实例中，将50体积百分比的柠檬烯和丙醇溶液用于去除粘附硅树脂脱模剂。此外，可将氮气用于吹掉堆积物。 

如图26中所示，此时可增加支管20和器件14。支管20的表面包括入料支管和出料支管，该入料支管与微通道流体连通并可对其进行操作以将冷却剂引入到微通道22中，该出料支管与微通道22流体连通并可对其进行操作以将 冷却剂从微通道22排出，与前面实施例中的相同。将器件14安装成接近基板的外表面。如上所述，在某些应用中，在激光烧蚀和增加支管之前安装器件。 

在图27的流程图92中概述了图22—26的制造方法。在步骤96处，对导热层进行激光烧蚀。在暴露出导热层之前，测量并规格化激光参数如曝光时间、激光功率，且其通常取决于激光的特性和设计、用于传导层的材料和微通道的所需深度。在步骤98处，在激光烧蚀之后，将树脂脱模剂施加于导热层上，且擦拭该层以去除堆积物。重复多次步骤96和98直到获得所需的通道尺寸。在一个实例中，重复步骤96和98足够次数，以获得约100微米的通道深度。激光烧蚀导致V形的通道。在微通道形成之后，进行清洗。该清洗包括擦洗、施加溶剂或吹气的组合。在步骤102处，将支管和功率电子器件安装在处理的基板和热传导层上。 

虽然在此仅示出并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可作出很多改进和变化。因此，应当理解，所附的技术方案意指覆盖落入到本发明真实精神之内的所有的这种改进和变化。

Claims (10)

1.一种用于制造电子器件冷却***的方法，包括：

在基板(12)的内表面上形成传导层；

在传导层上方提供牺牲层(36)；

在牺牲层(36)中形成多个通道；

电镀牺牲层(36)，以用包括传导材料的电镀材料基本填充多个通道，并且覆盖通道且形成所述电镀材料的上部层(46)；

去除所述电镀材料的上部层(46)以暴露出所述牺牲层(36)；和

蚀刻牺牲层(36)，以形成具有翅片的传导结构，其中在蚀刻牺牲层的位置处传导材料保留由微通道分离；

将支管贴附到所述传导结构上。

2.如权利要求1的方法，进一步包括将功率电子器件(14)安装到基板(12)的外表面上。

3.如权利要求1的方法，其中形成传导层包括将传导材料溅射到内表面上，或者使用粘合剂将传导材料设置在内表面上。

4.如权利要求1的方法，其中传导层具有小于约300微米的厚度。

5.如权利要求1的方法，牺牲层(36)包括硅。

6.如权利要求1的方法，其中多个通道通过蚀刻牺牲层形成。

7.如权利要求1的方法，其中多个通道通过锯切牺牲层形成。

8.如权利要求1的方法，其中微通道具有约1∶2至约1∶3的宽度与高度的纵横比。

9.如权利要求1的方法，进一步包括提供与微通道流体连通的进料支管(32)，以将冷却剂引入到微通道中，和提供与微通道流体连通的出料支管(34)以将冷却剂从微通道排出。

10.如权利要求9的方法，进一步包括提供进料室(24)以将冷却剂引入到进料支管，并提供出料室(26)以从出料支管排出冷却剂。

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