阅读说明：本技术 一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板及其制备方法 (A kind of silicon substrate is adaptively gushed the fluid for radiating heat substrate and preparation method thereof that declines ) 是由 禹淼 黄旼 张洪泽 吴静 朱健 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板及其制备方法,散热基板由三层结构堆叠而成,自下而上依次设置支撑层、底层微流体结构层和顶层微流体结构层；支撑层上设置有入液口和支撑层出液口；底层微流体结构层上设置底层微流体通道、底层喷涌口和底层出液口；顶层微流体结构层上设置顶层微流体通道和顶层喷涌口；底层微流体通道和顶层微流体通道分别位于底层微流体结构层或顶层微流体结构层的下表面；入液口的位置与底层微流体通道的端部相对应,支撑层出液口和底层出液口的位置与顶层微流体通道的端部相对应。本发明针对微系统集成需求,解决了微流体散热模块在系统中的集成难题,并针对局部热点,有效提高散热效率。(It adaptively gushs the fluid for radiating heat substrate and preparation method thereof that declines the present invention relates to a kind of silicon substrate, heat-radiating substrate is stacked by three-decker, sets gradually supporting layer, bottom microfluidic structures layer and top layer microfluidic structures layer from bottom to top；Liquid inlet and supporting layer liquid outlet are provided on supporting layer；Bottom microfluidic channel, bottom are arranged on bottom microfluidic structures layer to gush mouth and bottom liquid outlet；Top layer microfluidic channel and top layer are arranged on top layer microfluidic structures layer to gush mouth；Bottom microfluidic channel and top layer microfluidic channel are located at the lower surface of bottom microfluidic structures layer or top layer microfluidic structures layer；The position of liquid inlet is corresponding with the end of bottom microfluidic channel, and the position of supporting layer liquid outlet and bottom liquid outlet is corresponding with the end of top layer microfluidic channel.The present invention integrates demand for micro-system, solves the integrated problem of microfluid radiating module in systems, and be directed to hot localised points, effectively improves radiating efficiency.)

一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子和微系统技术领域，具体而言，涉及一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板及其制备方法。

背景技术

随着微电子和微系统集成技术的发展，芯片与模块的集成密度越来越高，微系统集成正在向小体积、高密度、高性能、多功能化和三维堆叠方向发展，因此微系统对热管理提出了更高的要求。热管理性能的优劣会直接影响微系统的使用寿命、性能和可靠性。尤其是高功率密度芯片集成的系统中，芯片对应区域将形成高密度、极小区域的局部热点，若在局部无法得到有效散热，热量将持续累积，系统温度急剧升高。针对局部热点的热管理是目前微系统集成热管理的重点和难点问题。

微流体散热技术是一种主动散热技术，相对传统的被动散热，散热效率可成倍提升。目前针对微流体散热主要有为三大类：常规散热、两相散热和喷射散热。常规散热是通过流体在芯片底部循环对芯片散热，具有稳定的大面积散热效果，但对流体流量需求较高；两相散热是指液态流体冷却芯片时汽化形成两相流，具有高散热效率，同时汽化也会导致局部流阻激增问题；喷射散热具有分布式喷嘴结构，是针对芯片局部热点位置直接冷却，具有更高的散热效率，但微流体结构复杂。上述三种微流体散热的散热效率是逐步提升的，属于芯片级外部嵌入式微流体散热模块，对于微系统集成的工艺兼容性均较差，不易于在系统中集成，对于三维堆叠的微系统而言，无法直接对集成芯片实现散热。针对微系统集成需求，亟需解决微流体散热模块在系统中的集成难题，并针对局部热点，结合上述三种微流体散热的优势，有效提高散热效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板及其制备方法，针对微系统集成需求，解决了微流体散热模块在系统中的集成难题，并针对局部热点，有效提高散热效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板，由三层结构堆叠而成，自下而上依次设置支撑层、底层微流体结构层和顶层微流体结构层，且包含入液口、出液口、微流体通道和喷涌口四种流体通道结构；支撑层上设置有入液口和支撑层出液口；底层微流体结构层上设置底层微流体通道、底层喷涌口和底层出液口；顶层微流体结构层上设置顶层微流体通道和顶层喷涌口；底层喷涌口和顶层喷涌口在散热基板纵向平面上的投影重合，且呈阵列分布于散热基板的中心区域；底层微流体通道和顶层微流体通道分别位于底层微流体结构层或顶层微流体结构层的下表面，底层微流体通道分别为贯穿底层喷涌口的横向和纵向两对双向微流体通道，顶层微流体通道分别为贯穿顶层喷涌口的横向和纵向两对双向微流体通道；支撑层的位置与底层微流体通道的端部相对应，支撑层出液口和底层出液口的位置与顶层微流体通道的端部相对应。

顶层喷涌口对应于芯片底部所需的散热区域，若芯片底部部分位置存在特殊结构，顶层喷涌口阵列中对应位置的喷涌口可去除。

底层微流体通道包括连通支撑层的主流流体通道和连通底层喷涌口的若干支流流体通道。顶层微流体通道包括底层出液口的主流流体通道和连通顶层喷涌口的若干支流流体通道。

支撑层、支撑层出液口与底层出液口的开口宽度与主流流体通道的宽度相同。

底层喷涌口的图形中心点位置与底层微流体通道的中心点位置相对应，底层喷涌口的面积小于底层微流体通道的中心矩形面积。顶层喷涌口的图形中心点位置与顶层微流体通道的中心点位置相对应，顶层喷涌口的面积小于顶层微流体通道的中心矩形面积。

底层喷涌口或顶层喷涌口的长度和宽度尺寸均大于20μm，底层喷涌口或顶层喷涌口的厚度为20-100μm。

底层微流体通道的体积大于等于顶层微流体通道的体积。

各支流流体通道的宽度为20-500μm，支流流体通道的厚度为20-500μm，相邻支流流体通道的间距大于20μm。

支撑层、底层微流体结构层和顶层微流体结构层均采用硅片作为基板材料，散热基板通过三层硅片圆片级堆叠而成。

底层微流体结构层的厚度等于底层微流体通道的厚度与底层喷涌口的厚度之和，顶层微流体结构层的厚度等于顶层微流体通道的厚度与底层喷涌口32的厚度之和。

顶层微流体结构层的上表面覆盖有厚度大于2μm的金层，用于芯片的焊接。

一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板的制备方法，包含如下步骤：

(1)采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在支撑层上形成入液口和支撑层出液口，在底层微流体结构层上形成底层微流体通道、底层喷涌口和底层出液口，在顶层微流体结构层上形成顶层微流体通道和顶层喷涌口；

(2)三层硅片键合面依次蒸发或溅射沉积金属粘附层和蒸发或溅射或电镀沉积金属键合层，其中金属键合层为二元或多元共晶键合的金属；

(3)三层硅片通过2次圆片级共晶键合，完成散热基板的三层堆叠；

(4)在顶层微流体结构层的上表面电镀或蒸发沉积金层。

步骤(1)中，硅片为厚度小于200μm的薄片，工艺步骤需结合临时键合工艺、硅片减薄工艺和临时键合的解键合工艺，制备薄片微流体通道结构。

在基板制备过程中，根据需要通过系统集成所需的平面或三维金属互连工艺和钝化工艺，制备用于系统集成的转接板和封装结构，实现微流体散热基板的系统集成。

基自适应喷涌式微流体散热基板的工作原理：

流体从支撑层的支撑层以横向和纵向两对同时成对流入底层微流体结构层；经过底层微流体通道以横向和纵向两对相向方向同时流向底层喷涌口，随后从底层喷涌口喷涌至顶层喷涌口流入顶层微流体结构层，直接冷却芯片底部，该过程伴随部分液态流体汽化；流体形成两相流后，经过顶层微流体通道以横向和纵向两对反向方向同时经过底层微流体结构层流向底层出液口，进而从支撑层出液口流出；该过程中横向和纵向同时流动流体补偿相邻喷涌口流体的流量，避免形成两相流过程流阻激增带来流动停滞，导致微流体散热失效的问题，形成稳定的微流体散热循环过程。

有益效果

本技术方案中的微流体散热基板具有芯片、模块系统集成的工艺兼容性，可应用于系统集成的转接板和封装结构中，实现微流体模块的系统集成；微流体散热基板与芯片底部直接接触，散热过程中液态流体喷涌至芯片底部可能汽化，可形成具有高散热效率的气液两相散热，且结构比喷射散热简单。

本技术方案中的微流体散热基板，底层和顶层微流体结构各有横向和纵向两对双向流体通道，各层流体通道呈网格状结构，底层和顶层网格交点重合，交点为流体喷涌至芯片底部的喷涌口，喷涌口的流量可由相邻喷涌口之间相互补偿，防止在芯片热流密度大的位置附近，喷涌口处液态流体汽化，进而流阻激增出现流动停滞现象，导致微流体散热失效问题，该结构具有自适应调节作用，微流体流阻稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是硅基自适应喷涌式微流体散热基板支撑层的顶视图；

图2是硅基自适应喷涌式微流体散热基板支撑层的正置立体图；

图3是硅基自适应喷涌式微流体散热基板支撑层的倒置立体图；

图4是硅基自适应喷涌式微流体散热基板底层微流体结构层的顶视图；

图5是硅基自适应喷涌式微流体散热基板底层微流体结构层的正置立体图；

图6是硅基自适应喷涌式微流体散热基板底层微流体结构层的倒置立体图；

图7是硅基自适应喷涌式微流体散热基板顶层微流体结构层的顶视图。

图8是硅基自适应喷涌式微流体散热基板顶层微流体结构层的正置立体图；

图9是硅基自适应喷涌式微流体散热基板顶层微流体结构层的倒置立体图；

图10是硅基自适应喷涌式微流体散热基板的正置立体***图；

图11是硅基自适应喷涌式微流体散热基板的倒置立体***图。

附图中：

1、支撑层 11、入液口 12、支撑层出液口 2、底层微流体结构层

21、底层微流体通道 22、底层喷涌口 23、底层出液口 3、顶层微流体结构层

31、顶层微流体通道 32、顶层喷涌口

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如附图1-附图11所示，一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板，由三层结构堆叠而成，自下而上依次设置支撑层1、底层微流体结构层2和顶层微流体结构层3，且包含入液口、出液口、微流体通道和喷涌口四种流体通道结构；支撑层1上设置有入液口11和支撑层出液口12；底层微流体结构层2上设置底层微流体通道21、底层喷涌口22和底层出液口23；顶层微流体结构层3上设置顶层微流体通道31和顶层喷涌口32；底层喷涌口22和顶层喷涌口32在散热基板纵向平面上的投影重合，且呈阵列分布于散热基板的中心区域；底层微流体通道21和顶层微流体通道31分别位于底层微流体结构层2或顶层微流体结构层3的下表面，底层微流体通道21分别为贯穿底层喷涌口22的横向和纵向两对双向微流体通道，顶层微流体通道31分别为贯穿顶层喷涌口32的横向和纵向两对双向微流体通道；入液口11的位置与底层微流体通道21的端部相对应，支撑层出液口12和底层出液口23的位置与顶层微流体通道31的端部相对应。

顶层喷涌口32对应于芯片底部所需的散热区域，若芯片底部部分位置存在特殊结构，顶层喷涌口32阵列中对应位置的喷涌口可去除。

底层微流体通道21包括连通入液口11的主流流体通道和连通底层喷涌口22的若干支流流体通道。顶层微流体通道31包括底层出液口23的主流流体通道和连通顶层喷涌口32的若干支流流体通道。

入液口11、支撑层出液口12与底层出液口23的开口宽度与主流流体通道的宽度相同。

底层喷涌口22的图形中心点位置与底层微流体通道21的中心点位置相对应，底层喷涌口22的面积小于底层微流体通道21的中心矩形面积。顶层喷涌口32的图形中心点位置与顶层微流体通道31的中心点位置相对应，顶层喷涌口32的面积小于顶层微流体通道31的中心矩形面积。

底层喷涌口22或顶层喷涌口32的长度和宽度尺寸均大于20μm，底层喷涌口22或顶层喷涌口32的厚度为20-100μm。

底层微流体通道21的体积大于等于顶层微流体通道31的体积。本实施例中，底层微流体通道21和顶层微流体通道31的端部均为“L”型设置，所述底层微流体通道21和顶层微流体通道31在散热基板纵向平面上呈镜像设置。

各支流流体通道的宽度为20-500μm，支流流体通道的厚度为20-500μm，相邻支流流体通道的间距大于20μm。

支撑层1、底层微流体结构层2和顶层微流体结构层3均采用硅片作为基板材料，散热基板通过三层硅片圆片级堆叠而成。

底层微流体结构层2的厚度等于底层微流体通道21的厚度与底层喷涌口22的厚度之和，顶层微流体结构层3的厚度等于顶层微流体通道31的厚度与底层喷涌口32的厚度之和。

顶层微流体结构层3的上表面覆盖有厚度大于2μm的金层，用于芯片的焊接。

一种硅基自适应喷涌式微流体散热基板的制备方法，包含如下步骤：

(1)采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在支撑层1上形成入液口11和支撑层出液口12，在底层微流体结构层2上形成底层微流体通道21、底层喷涌口22和底层出液口23，在顶层微流体结构层3上形成顶层微流体通道31和顶层喷涌口32；

(2)三层硅片键合面依次蒸发或溅射沉积金属粘附层和蒸发或溅射或电镀沉积金属键合层，其中金属键合层为二元或多元共晶键合的金属；

(3)三层硅片通过2次圆片级共晶键合，完成散热基板的三层堆叠；

(4)在顶层微流体结构层3的上表面电镀或蒸发沉积金层。

步骤(1)中，硅片为厚度小于200μm的薄片，工艺步骤需结合临时键合工艺、硅片减薄工艺和临时键合的解键合工艺，制备薄片微流体通道结构。

在基板制备过程中，根据需要通过系统集成所需的平面或三维金属互连工艺和钝化工艺，制备用于系统集成的转接板和封装结构，实现微流体散热基板的系统集成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。