阅读说明：本技术 一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法 (High-power chip back heat dissipation method based on through silicon via ) 是由 马奎 杨发顺 周小康 王硕 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法,所述散热方法为：在芯片背面制备散热硅通孔阵列,在散热硅通孔中填充导热系数高的散热材料实现降低芯片整个体硅区域的热阻；解决了现有技术的芯片主要通过减薄、背面金属化降低大功率芯片体硅区域热阻,该方法存在散热效率低、工艺成本高、工艺可靠性差等问题,不利于提高电力电子系统的热可靠性等技术问题。(The invention discloses a back heat dissipation method of a high-power chip based on a through silicon via, which comprises the following steps: preparing a heat dissipation silicon through hole array on the back of the chip, and filling a heat dissipation material with high heat conductivity coefficient in the heat dissipation silicon through hole to reduce the heat resistance of the whole silicon area of the chip; the method solves the technical problems that the chip in the prior art mainly reduces the thermal resistance of the silicon area of the high-power chip body through thinning and back metallization, the method has the problems of low heat dissipation efficiency, high process cost, poor process reliability and the like, and the method is not beneficial to improving the thermal reliability of a power electronic system.)

一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法

技术领域

本发明属于微电子散热技术领域，尤其涉及一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法。

背景技术

伴随新能源电动汽车和工业变频器的快速发展，功率器件得到大规模的应用。然而，大功率、高频和集成化技术的发展使得功率器件易产生过高的温升。温度过高会引起键接线熔断、焊料失效、基片损坏等故障，散热己成为功率器件应用中面临的一项重要问题。

在电力电子系统中，对于低功率应用环境下，可以不去考虑器件的功率容量。而对于高功率应用环境中，由于极大的焦耳热损耗，功率器件的温度可以瞬间上升到极高的地步。同时相应产生的热应力也可以对器件造成物理损坏，这些因素对于功率器件的稳定工作有着致命影响；现有技术的芯片主要通过减薄、背面金属化降低大功率芯片体硅区域热阻，该方法存在散热效率低、工艺成本高、工艺可靠性差等问题，不利于提高电力电子系统的热可靠性。

发明内容

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本发明要解决的技术问题：提供一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法，以解决现有技术的芯片主要通过减薄、背面金属化降低大功率芯片体硅区域热阻，该方法存在散热效率低、工艺成本高、工艺可靠性差等问题，不利于提高电力电子系统的热可靠性等技术问题。

本发明技术方案：

一种基于硅通孔的大功率芯片背面散热方法，所述散热方法为：在芯片背面制备散热硅通孔阵列，在散热硅通孔中填充导热系数高的散热材料实现降低芯片整个体硅区域的热阻。

所述散热硅通孔阵列与芯片体硅区并联。

在芯片背面制备散热硅通孔阵列的方法为：通过干法刻蚀进行，即在反应腔体内通入氟系气体与硅选择性的反应刻蚀出所需的散热硅通孔阵列。

所述导热系数高的散热材料为铜。

所述在散热硅通孔中填充导热系数高的散热材料的方法包括：

步骤1、采用金属化学气相沉积法沉积一层扩散阻挡层防止散热材料在后续工艺中向硅衬底扩散，保证良好的硅通孔性能；

步骤2、采用金属化学气相沉积法沉积一层种子层增加散热材料与势垒层的粘附性，实现无孔洞的铜填充；

步骤3、采用电镀的方法填充散热材料。

扩散阻挡层位于硅通孔侧壁和底部。

种子层的材料为铜。

本发明有益效果是：

本发明的芯片背面散热方法在传统的通过减薄、背面金属化降低大功率芯片体硅区域热阻的方法外考虑了硅通孔在芯片背面体硅区域的应用，具有散热效率更高、工艺成本更低、工艺可靠性更好的优点，有利于提高电力电子系统的热可靠性。可用于指功率芯片的热设计，防止热预算被过度高估，有利于在设计电力电子系统时兼顾成本和可靠性；解决了现有技术的芯片主要通过减薄、背面金属化降低大功率芯片体硅区域热阻，该方法存在散热效率低、工艺成本高、工艺可靠性差等问题，不利于提高电力电子系统的热可靠性等技术问题。

附图说明：

图1为背面散热结构的底部示意图；

图2为背面散热结构侧面的示意图；

图3为芯片分段热阻模型示意图示意图；

图4为TSV热流传输的示意图。

具体实施方式

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为了便于本领域技术人员理解本发明技术方案，对本发明方案进一步的进行细化说明。

首先将功率芯片分解成对称的四个功率元胞及与其对应的散热硅通孔阵列的情况进行研究分析，如图2所示。在该功率元胞中，考虑硅通孔横向热阻和纵向热阻的影响，建立分段热阻模型。分段热阻分布示意图如图3所示。根据基尔霍夫定律，可以写出以下的方程组：

其中，q是芯片功率元胞产生的热源，R1和R4分别是芯片散热硅通孔上方体硅区热阻和芯片散热硅通孔之间的体硅区的热阻，R2和R3分别是散热硅通孔纵向热阻和散热硅通孔横向热阻。

傅里叶定律给出：

通过类比欧姆定律可以得到热阻：

其中R是热阻，L是热量流经材料的长度，k是材料导热系数，A是热量流经材料的截面积。

由式(4)可知，热阻与材料的导热系数成反比关系，即材料的导热系数越高，热量在该区域的传导能力就越强，系统的散热效率就约好。设普通芯片散热硅通孔所在的体硅区域热阻为r1，设芯片在体硅区制备散热硅通孔阵列后该体硅区的热阻为r2。根据式(1)(2)和欧姆定律，可以得到，在填充导热系数较高的导热材料之后的硅通孔之后，r2<r1，达到了降低芯片热阻的效果。

实现方法如图1所示，通过有限元分析软件，就具体热预算下不同大小的芯片分析合适的散热硅通孔的阵列规模、孔间距和通孔高度，再通过硅通孔制备工艺在芯片背面制备一个分布在有源区以下体硅区中的散热TSV(TTSV)阵列。主要包括以下工艺：

首先是通孔的刻蚀，工业上主要应用干法刻蚀，即在反应腔体内通入氟系气体与硅选择性的反应刻蚀出所需的硅通孔阵列。通孔的侧壁垂直度和深宽比是衡量性能好坏的关键参数，而通孔侧壁平整度和垂直度越好，后续工艺中的应力，电场等存在的问题便会越小，整体可靠性越高。填充材料选用的是导电性能优异的金属铜，但是铜极其容易扩散进入体硅区，这在硅中会引入复合中心，改变硅迁移率，降低芯片可靠性。采用金属化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)沉积一层扩散阻挡层(势垒层)防止铜在后续工艺中向硅衬底扩散，保证良好的硅通孔性能，提高芯片可靠性。扩散阻挡层位于硅通孔侧壁和底部，扩散阻挡层的材料为钛和钽以及其氮化物。最后是填充导电材料，工业上通常采用电镀的方法填充铜，用于导电或者散热，在电镀前会沉积一层种子层增加铜与和势垒层的粘附性，实现无孔洞的铜填充；种子层材料选用钛。种子层的范围包括硅通孔侧壁和底部。

本发明综合考虑TTSV的传热路径以及现有TTSV的制备技术，发明了一种适用于大功率芯片的背面散热方法。本方案主要利用TTSV高导热性能的优点，通过将其与芯片体硅区并联，所述硅通孔与体硅区并联指的是硅通孔内的铜与体硅区中的硅连通以降低芯片整个体硅区的热阻，较普通芯片而言，充分利用了芯片背面区域，提高了散热效率，降低了系统的热设计难度，能够更好地分配电力电子系统的热预算。