嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板工藝及散熱性能研究

朱家昌，周悅，李奇哲，張振越，王剛，吉勇

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

隨著信息時(shí)代的到來，5G通訊、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新型應(yīng)用在高性能、高集成度和小型化等方面提出了更高的要求，以硅通孔（TSV）互連為核心的TSV三維集成技術(shù)因其集成密度高、集成體積小和互連路徑短等優(yōu)勢而成為了高性能綜合信息計(jì)算系統(tǒng)集成方式的研究熱點(diǎn)[1-4]。TSV三維集成內(nèi)部高功率點(diǎn)將在三維立體空間分布，能量密度將會是內(nèi)部芯片能量密度的總和；同時(shí)，由于“遠(yuǎn)距離冷卻”散熱模式的局限，目前只能對三維集成外部進(jìn)行散熱，其內(nèi)部芯片耗散生成的熱量難以快速傳遞出去，因此熱管理問題已成為TSV三維集成技術(shù)的主要挑戰(zhàn)[5-7]。

嵌入微流道的TSV轉(zhuǎn)接板技術(shù)是在TSV轉(zhuǎn)接板內(nèi)部嵌入微流道，通過微流體實(shí)現(xiàn)三維集成系統(tǒng)的主動散熱技術(shù)，具有極低的熱阻、較大的換熱系數(shù)，表現(xiàn)出良好的散熱效率，為高功率三維集成封裝的熱管理問題提供了一種潛在的解決方案。國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）提出3D-IC底填界面和芯片襯底內(nèi)嵌微流道的三維封裝結(jié)構(gòu)[8-9]，其散熱熱流密度達(dá)500 W/cm2；美國普渡大學(xué)提出嵌入芯片內(nèi)部的新型微通道絕緣冷卻技術(shù)[10]，旨在解決功率密度1 000 W/cm2芯片的散熱問題；廈門大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種微流道嵌入硅轉(zhuǎn)接板的2.5D封裝散熱結(jié)構(gòu)[11]，其散熱能力不低于425 W/cm2；電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)了一款多熱源微流道散熱器[12]，其承受的熱流密度可以達(dá)到500 W/cm2。

目前針對嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板的研究工作主要是轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真分析，很少聚焦到工藝實(shí)現(xiàn)方法和熱特性實(shí)測的研究。本文以嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板為研究對象，分析其制備過程關(guān)鍵工藝和優(yōu)化方法，探究其散熱性能，為TSV三維集成系統(tǒng)的熱管理提供了設(shè)計(jì)方案和工藝指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)和工藝流程設(shè)計(jì)

目前典型的微流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括直線型結(jié)構(gòu)和周期擾流型結(jié)構(gòu)[13]，其中周期擾流型結(jié)構(gòu)具有更好的散熱能力，但流動阻力較大；微流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所期望的最大溫升和最小壓降是相互矛盾的。為了在散熱能力和流動阻力間取得平衡，本文進(jìn)行直線型微流道硅基轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)和工藝流程設(shè)計(jì)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入直線型微流道結(jié)構(gòu)的硅轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它包括微流道層和蓋板層兩個(gè)部分，其中微流道層內(nèi)部設(shè)計(jì)有三角形的導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)、直線型微流道和TSV；蓋板層設(shè)計(jì)有與導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)的微流體出入口和TSV。嵌入微流道的硅基轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 嵌入微流道的硅基轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)

表1 嵌入微流道的硅基轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

本文以高阻硅基板作為襯底材料，利用TSV工藝技術(shù)在硅基板上制作內(nèi)嵌微流道TSV轉(zhuǎn)接板。其工藝流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括:1）TSV轉(zhuǎn)接板內(nèi)部同步集成微流道結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮微流道工藝和TSV工藝的兼容性問題；2）內(nèi)嵌微流道的TSV轉(zhuǎn)接板通過微流道層和蓋板層鍵合而成，鍵合工藝的選擇直接影響TSV轉(zhuǎn)接板的強(qiáng)度和微流體漏液問題；3）內(nèi)嵌微流道的TSV轉(zhuǎn)接板通過TSV結(jié)構(gòu)滿足垂直電學(xué)互連，應(yīng)考慮在高深寬比通孔側(cè)壁上制備連續(xù)的種子層和金屬層以降低工藝難度和工藝成本。

基于以上關(guān)鍵點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套嵌入微流道轉(zhuǎn)接板的工藝流程，如圖2所示，包含以下3個(gè)部分。1）微流道層工藝:首先，通過二次深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE:Deep Reactive Ion Etching）工藝在硅基圓片上制作TSV和微流道結(jié)構(gòu)；然后，通過濺射、電鍍工藝制作TSV側(cè)壁金屬層和TSV/微流道區(qū)域焊接層，如圖2a所示。2）蓋板層工藝:首先，通過一次DRIE工藝在硅基圓片上同時(shí)制作TSV和微流體出入口結(jié)構(gòu)；然后，通過濺射工藝制作TSV側(cè)壁金屬層和焊接層，如圖2b所示。3）鍵合工藝:通過過渡金屬層熱壓鍵合工藝實(shí)現(xiàn)微流道層和蓋板層硅-硅低溫鍵合，如圖2c所示。

圖2 嵌入微流道的硅基轉(zhuǎn)接板工藝流程

2 關(guān)鍵工藝過程及優(yōu)化分析

嵌入微流道TSV轉(zhuǎn)接板是實(shí)現(xiàn)微流道散熱與三維集成一體化的重要解決途徑。微流道和TSV轉(zhuǎn)接板兼容設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)嵌入微流道TSV轉(zhuǎn)接板加工制造的關(guān)鍵。其中，微流道層深硅刻蝕工藝、微流道層與蓋板層鍵合工藝是嵌入微流道轉(zhuǎn)接板的關(guān)鍵工藝，本文重點(diǎn)對其進(jìn)行過程分析。

2.1 微流道層深硅刻蝕工藝

嵌入微流道硅轉(zhuǎn)接板內(nèi)的微流道層結(jié)構(gòu)包括TSV和微流道，采用DRIE工藝進(jìn)行TSV和微流道圖形的加工。微流道刻蝕的深度要小于TSV刻蝕的深度，單次刻蝕工藝無法滿足不同深度加工圖形的刻蝕要求，通過開發(fā)二次刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)微流道層的深硅刻蝕工藝。

由于DRIE是由多次各向同性刻蝕疊加而成的，因此深刻蝕結(jié)構(gòu)的側(cè)壁不光滑，呈現(xiàn)類似貝殼表面的起伏結(jié)構(gòu)。由于刻蝕速率隨著深度的增加而減小，因此表面起伏在結(jié)構(gòu)的開口附近大，隨著深度的增加而減小。根據(jù)刻蝕機(jī)理，降低刻蝕循環(huán)的時(shí)間，可以降低側(cè)壁起伏的程度，但是，同時(shí)也影響刻蝕速率。另外，增加射頻電源的功率，可以提高刻蝕腔體內(nèi)的等離子體密度，實(shí)現(xiàn)更好的聚合效應(yīng)，使保護(hù)層更加高效，從而降低側(cè)壁起伏。

首先，通過槽式清洗機(jī)和甩干機(jī)將硅基圓片進(jìn)行清洗，保證圓片表面光滑，無沾污；其次，通過旋涂方式在圓片表面形成一層厚度為～10 μm的光阻膠（PR）；之后，根據(jù)PR材料來調(diào)整曝光參數(shù)，依次通過預(yù)烘、曝光、顯影和固膜等工序完成光刻工藝，完成TSV圖形制作；然后，采用DRIE工藝在硅圓片襯底上刻蝕深度為500 μm、孔徑為100 μm、節(jié)距為400 μm的TSV盲孔，刻蝕速率約為12 μm/min，通過輪廓儀對TSV深度進(jìn)行測量，刻蝕深度為～492 μm；最后，TSV盲孔側(cè)壁呈光滑且垂直度良好之態(tài)，其側(cè)壁粗糙度小于60 nm，滿足TSV工藝要求。如圖3所示。

圖3 TSV盲孔形貌及側(cè)壁粗糙度測量

在TSV刻蝕盲孔完成之后，進(jìn)一步地完成微流道結(jié)構(gòu)刻蝕。刻蝕之前，為保護(hù)非微流道結(jié)構(gòu)區(qū)域不被刻蝕，同樣進(jìn)行光刻掩膜處理。由于常規(guī)PR旋涂工藝無法滿足已刻蝕TSV盲孔的PR覆蓋要求，采用噴膠工藝進(jìn)行微流道二次刻蝕前的掩膜處理，表面設(shè)置噴膠厚度與之前保持一致，為～10 μm；由于噴膠工藝的覆蓋率問題，實(shí)測下來TSV盲孔側(cè)壁的PR膠厚為～2 μm。同樣依次通過預(yù)烘、曝光、顯影和固膜等工序后，利用DRIE工藝完成微流道結(jié)構(gòu)的二次刻蝕，經(jīng)過剖面顯微分析，微流道側(cè)壁光滑，垂直度良好。如圖4所示。

圖4 二次刻蝕后微流道層剖面

2.2 微流道層與蓋板層的鍵合工藝

嵌入微流道硅轉(zhuǎn)接板內(nèi)的微流道層與蓋板層的鍵合不僅要求結(jié)合界面具有一定的鍵合強(qiáng)度，而且要求微流道完全密封，不發(fā)生液體泄漏，同時(shí)又要防止微流道的變形和堵塞。傳統(tǒng)的硅-硅鍵合方法普遍都是在高溫環(huán)境中才得以實(shí)現(xiàn)的，較高的溫度會供應(yīng)給鍵合過程中的分子擴(kuò)散和分子鍵的斷裂重組以充分的能量，使鍵合強(qiáng)度達(dá)到要求，但是高溫鍵合會造成鍵合工藝的諸多問題，例如:1）高溫引起的熱應(yīng)力常常會使得組件可靠性降低和工作不穩(wěn)定；2）高溫造成過高的殘余內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致鍵合界面出現(xiàn)翹曲、裂紋或破損的現(xiàn)象，降低器件的可靠性；3）鍵合界面的氣孔、灰塵等缺陷部位在高溫下擴(kuò)展，導(dǎo)致缺陷區(qū)域變大，進(jìn)而導(dǎo)致嵌入式微流道的氣密性下降，造成液體泄漏等問題。

本文采取帶過渡金屬層的硅-硅鍵合工藝來實(shí)現(xiàn)微流道硅基板的低溫鍵合，該工藝是一種實(shí)現(xiàn)硅-硅鍵合的間接手段，其具有鍵合溫度低、硅片表面平整度和環(huán)境要求不苛刻、應(yīng)力匹配度高、圖形化容易實(shí)現(xiàn)、鍵合界面耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 金屬過渡層設(shè)計(jì)

金屬過渡層是硅片和焊料層之間的一個(gè)過渡層，必須保證與硅片發(fā)生良好的連接，又能與焊料層發(fā)生潤濕。金屬過渡層包含粘附層、阻擋層和潤濕層3個(gè)部分的結(jié)構(gòu)。1）粘附層:增強(qiáng)金屬層與硅晶圓粘接力，保證與硅和二氧化硅之間的歐姆接觸系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)應(yīng)與硅接近，滿足這些要求的金屬有Cr、Ti、V。2）阻擋層:阻擋潤濕層到硅的擴(kuò)散，應(yīng)與粘附層和潤濕層形成良好的粘接性和熱膨脹系數(shù)匹配性，通常的過渡層金屬為Ni。3）潤濕層:起到防止內(nèi)層金屬氧化，以及提高焊料在金屬過渡層表面的潤濕性作用，要求性能穩(wěn)定、難氧化，通常有Au、SnPb和Pt等材料。常用的金屬過渡層材料的性能如表2所示。

表2 常用的金屬過渡層材料性能

根據(jù)以上原則，我們選擇粘附層材料使用Ti，阻擋層材料使用Ni，潤濕層材料使用Pb90Sn10。過渡金屬層各層的厚度設(shè)計(jì)要求為:1）粘附層無需太厚，在保證粘附強(qiáng)度的前提下設(shè)計(jì)Ti粘附層的厚度為100 nm；2）阻擋層要保證在鍵合過程中與軟焊料生成金屬間化合物（IMC）層后要有所剩余，因此阻擋層的厚度越厚越好，但同時(shí)要考慮工藝成本，設(shè)計(jì)Ni阻擋層的厚度為300 nm；3）潤濕層即要保證有足夠的厚度以便于形成有效的焊接面，同時(shí)又要控制厚度以保證鍵合過程不產(chǎn)生因焊料溢出而堵塞流道的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)Pb90Sn10層的厚度為1 μm。最終的金屬過渡層的厚度設(shè)計(jì)為:100 nm Ti/300 nm Ni/1 μm Pb90Sn10，如圖5所示。

圖5 微流道層上的金屬過渡層

2.2.2 鍵合工藝

基于上述Ti/Ni/Pb90Sn10結(jié)構(gòu)的過渡金屬層設(shè)計(jì)，優(yōu)選熱風(fēng)式回流焊接工藝實(shí)現(xiàn)微流道層與蓋板層鍵合。傳統(tǒng)的助焊劑涂覆后再回流焊接的方式，焊接界面出現(xiàn)大量空洞，如圖6所示。分析認(rèn)為，回流焊接過程中微流道層和蓋板層形成閉合空間，位于微流道過渡金屬層上的助焊劑受熱揮發(fā)產(chǎn)生的氣體無法及時(shí)地從閉合空間內(nèi)逸出，殘留在微流道結(jié)構(gòu)內(nèi)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的空洞。

圖6 傳統(tǒng)回流焊接工藝的空洞問題

基于上述焊接空洞問題，開發(fā)了一種無助焊劑的回流焊接方式，利用射頻等離子（RF）處理工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的助焊劑涂覆工藝，用于去除焊接金屬表面氧化物，RF處理工藝的具體參數(shù)如下:RF功率為200 W，清洗時(shí)間為30 s，內(nèi)部氣氛為Ar。其原理是:首先，利用射頻源產(chǎn)生的高壓交變電場將氬氣震蕩成具有高能量的正離子，正離子在電場作用下轟擊過渡金屬層表面的氧化物，從而達(dá)到去除氧化物的目的，并能夠使表面呈分子級微觀形態(tài)粗糙化，從而增加表面焊接活性；然后，依次通過臨時(shí)對位貼裝、回流焊接等工藝完成微流道層與蓋板層的鍵合，為保證焊接強(qiáng)度，一般回流升溫速率不應(yīng)超過3℃/s，降溫速率不應(yīng)超過4℃/s。通過X射線（X-Ray）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析，如圖7所示，焊接界面的空洞問題得到了極大的改善，未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞，界面處Pb90Sn10焊料未溢出到微流道溝槽內(nèi)，焊接強(qiáng)度和密封性得到了保證。

圖7 嵌入微流道轉(zhuǎn)接板分析

3 熱性能測試

為了評估嵌入流道硅基轉(zhuǎn)接板的散熱能力，搭建了嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板熱特性測試系統(tǒng)，如圖8-9所示，分別進(jìn)行芯片結(jié)溫和熱測試電路電阻測試分析。

圖8 嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板的熱特性測試系統(tǒng)

圖9 嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板的熱特性測試電路

3.1 芯片結(jié)溫測試

測試試驗(yàn)以去離子水作為循環(huán)冷卻液，以微型泵通過擠壓管道實(shí)現(xiàn)液體驅(qū)動，流體通過液體流量計(jì)控制流速從冷卻液交換池輸入到轉(zhuǎn)接板中的微流道內(nèi)，輸出的流體返回冷卻液交換池，熱阻芯片內(nèi)發(fā)熱電阻作為熱源與硅基微流道中的液體進(jìn)行換熱，通過直流恒壓電源對發(fā)熱電阻輸入不同的電流以控制輸出不同的熱功耗，通過熱阻芯片內(nèi)溫度感應(yīng)二極管反饋熱信息到熱阻測試儀內(nèi)的計(jì)算機(jī)上，二極管正向壓降作為溫敏參數(shù)（K系數(shù)），實(shí)時(shí)地記錄發(fā)熱電阻溫度（芯片結(jié)溫）。

取工質(zhì)流量為40 mL/min，調(diào)節(jié)電源輸入電流，對硅基微流道轉(zhuǎn)接板熱測試電路進(jìn)行不同功率密度下的散熱特性測試。功率密度PW由公式（1）計(jì)算:

式（1）中:I——輸入電流；

R——發(fā)熱電阻阻值；

S——發(fā)熱熱源面積。

實(shí)測發(fā)熱電阻阻值R為6.6 Ω，發(fā)熱熱源面積S以熱阻芯片面積計(jì)算，熱源面積S為0.032 9 cm2。

不同的輸入電流下芯片結(jié)溫測試曲線如圖10所示。1）輸入電流為0.5 A（功率密度為50 W/cm2）時(shí)，未通水情況下芯片結(jié)溫呈線性快速增長，60 s后溫度仍未趨于穩(wěn)定，結(jié)溫超過100℃；在40 mL/min流量的通水情況下，芯片結(jié)溫在10 s后趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的增長，芯片結(jié)溫與室溫相當(dāng)（低于30℃），微流道轉(zhuǎn)接板在低功率密度條件下已表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱特性。2）隨著輸入電流的不斷增加，芯片功率密度上升，引起芯片結(jié)溫的不斷升高；當(dāng)輸入電流達(dá)到2.5 A時(shí)，熱流密度已達(dá)到1 254 W/cm2，此時(shí)芯片結(jié)溫為93.5℃，未超過100℃，表明嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板具備最大熱流密度1 254 W/cm2、芯片結(jié)溫＜100℃的散熱能力。

圖10 不同輸入電流下的芯片結(jié)溫測試曲線

3.2 熱阻測試

進(jìn)一步地完成嵌入微流道轉(zhuǎn)接板熱阻測試分析。電路總熱阻為芯片熱阻、導(dǎo)熱膠熱阻與微流道轉(zhuǎn)接板熱阻之和，考慮到測試難度，忽略導(dǎo)熱膠與轉(zhuǎn)接板、導(dǎo)熱膠與熱阻芯片間的界面熱阻，如圖11所示。

圖11 熱特性測試電路的熱阻組成

電路總熱阻R總由公式（2）計(jì)算:

式（2）中:Tj——熱阻芯片結(jié)溫；

Tc——微流道外表面溫度；

P——熱源加載功率。

Tj通過熱阻測試儀測結(jié)溫獲得，Tc通過微流道轉(zhuǎn)接板表面貼裝的熱電偶測得。

在輸入電流為2.5 A（功率為41.25 W）的條件下，芯片結(jié)溫Tj為93.5℃，微流道外表面溫度Tc為44.9℃，因此，測試電路的總熱阻R總為1.18℃/W，如圖12所示。進(jìn)一步地采用JEDEC 51-14規(guī)定的雙界面法測量芯片熱阻，可得芯片熱阻為0.56℃/W；根據(jù)供應(yīng)商提供的材料參數(shù)，65 μm厚度下導(dǎo)熱膠熱阻為0.2℃/W，因此可知微流道轉(zhuǎn)接板在40 mL/min流量的通液情況下的熱阻約為0.42℃/W，相較于傳統(tǒng)熱沉式散熱片，微流道轉(zhuǎn)接板表現(xiàn)出優(yōu)異的散熱特性。

圖12 測試電路Tj和Tc的測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文開展了新型嵌入微流道轉(zhuǎn)接板制造工藝和散熱性能研究，詳細(xì)地闡述了微流道轉(zhuǎn)接板的制造關(guān)鍵工藝過程和優(yōu)化方法，評估了不同功率密度下嵌入微流道轉(zhuǎn)接板的散熱性能。研究發(fā)現(xiàn):通過二次DRIE工藝和噴膠工藝開發(fā)和優(yōu)化，可獲得側(cè)壁粗糙度小于60 nm且垂直度良好的TSV和微流道結(jié)構(gòu)；采用100 nm Ti/300 nm Ni/1 μm Pb90Sn10過渡金屬層的硅-硅鍵合技術(shù)和射頻等離子去氧化層預(yù)處理技術(shù)，可獲得低空洞率的嵌入微流道轉(zhuǎn)接板；嵌入微流道硅基轉(zhuǎn)接板40 mL/min流量通液情況下表現(xiàn)出最大熱流密度超過1 000 W/cm2、芯片結(jié)溫低于100℃的散熱能力，散熱性能優(yōu)異，為高功率高密度三維集成微系統(tǒng)的熱管理提供了一種潛在的解決方案。