带有层间复杂微通道液体冷却的3D-IC，属于3D-IC微电子散热技术领域。包括依次叠层封装在一起的密封片、带有复杂微通道的芯片层、连接层；密封片上开有与外部管路连接的流体入口、流体出口；芯片层包括：连接上下层的流体的通孔TSFV、背面刻蚀复杂微通道、正面布置电路层或微电子元器件。上层不需要TSEV；其他层需要。本实用新型专利技术采用复杂微通道，比于微针肋结构增强了芯片的层间连接强度同时也增大了芯片的强度；TSEV采用钨或钨铜材料，增强了异质材料的热匹配性；连接层的填充材料采用参杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺复合薄膜，其增强了热匹配性并增大了导热性。弥补了微通道热沉的应用限制和芯片的温度分布不均匀的缺点。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】带有层间复杂微通道液体冷却的3D-IC，属于3D-IC微电子散热
。包括依次叠层封装在一起的密封片、带有复杂微通道的芯片层、连接层；密封片上开有与外部管路连接的流体入口、流体出口；芯片层包括：连接上下层的流体的通孔TSFV、背面刻蚀复杂微通道、正面布置电路层或微电子元器件。上层不需要TSEV；其他层需要。本技术采用复杂微通道，比于微针肋结构增强了芯片的层间连接强度同时也增大了芯片的强度；TSEV采用钨或钨铜材料，增强了异质材料的热匹配性；连接层的填充材料采用参杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺复合薄膜，其增强了热匹配性并增大了导热性。弥补了微通道热沉的应用限制和芯片的温度分布不均匀的缺点。【专利说明】带有层间复杂微通道流体冷却的3D-1C
本技术属于3D-1C微电子散热
，涉及一种微冷却结构，尤其是错位复杂微通道能够有效地带走芯片的热量，并实现较均匀的温度分布。同时采用钨或钨铜作为TSEV材料、用具有良好导热性的掺杂无机纳米颗粒(如:Si02、Ti02、Al203、AlN、C等)的聚酰亚胺复合薄膜作为连接层的填充材料增强了异质材料的匹配性并强化了换热。
技术介绍
在近几年来，国内外对3D-1C(集成电路)的集成技术、构架设计、代价分析、温度控制、线路规划、可靠性分析等方面有较多的研究。随着超大规模集成电路的发展及应用需求的不断提高，二维芯片已经不能满足其需求，具有功耗低、传输距离短、传递速率快、低延迟、低噪音，高频性的3D-1C成为了备受关注的焦点。TVS(硅通孔)及CM0S(互补金属氧化物半导体)实现了 3D-1C垂直方向的电连接，实现了真正意义上的3D-1C。但是，由于集成电路的堆叠使得芯片的功耗密度在相同的面积上成倍增大导致芯片发热量成倍增大，而且连接电路的层间低导热性的绝缘介电层，传统的冷却方式以及应用于二维芯片的微通道热沉等已经不能有效地带走芯片的发热量。热量在芯片处的累计将导致芯片的温度上升、芯片的温度分布不均匀，严重的影响芯片的工作状态和稳定性，甚至由于热应力而损坏芯片。因此，高效稳定的3D-1C散热技术至关重要。 目前国内外对3D-1C散热性分析主要从两方面研究:(I)合理的布局功能模块，平衡层间模块的功耗密度防止出现过热点使电路失效；(2)对芯片强化换热，将芯片内的热量传到外界环境中。但是，根据摩尔定理随着芯片的高度集成3D-1C的功耗密度急剧增加，即使通过合理布局功能模块，芯片的最高温度还会达到150°C。对3D-1C的强化换热主要有两种形式:(I)外部强化换热装置，如:用风扇的强迫对流换热、插入式散热器、背部粘贴热沉(微通道热沉)强化换热；(2) 3D芯片层间冷却，如:通过TVS形成热通孔传递芯片层间的热量、通过刻蚀技术在电路层间形成微通道结构并进行强制对流带走芯片的热量。尽管经过优化的外部强化换热装置具有良好的换热性，但对多层堆叠3D-1C，不直接与换热装置接触的电路层所产生的热量很难散去，产生很多热隐患，更严重的是不断积累的热量将严重损害芯片的性能，甚至可能导致芯片失效。热通孔具有比器件层和芯片之间绝缘层介质更高的热传导率，在芯片层之间插入这样的热通孔有利于上层芯片中器件散发的热向下传导。但是如果在芯片之间插入过多的热通孔将导致芯片可靠性降低；另外插入过多的热通孔必然导致布线资源的减少。具有良好换热效果的层间流体冷却被认为是3D-1C冷却的最有前景、最有效的方法。 本技术采用复杂微通道、钨或钨铜及掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺复合薄膜材料，满足异质材料的热匹配性、增强了 3D-1C的强度、增强了其导热性和换热性。其应用于大功率3D-1C的散热，具有良好的热匹配性、散热快快、温度分布均匀等优点。
技术实现思路
本技术的目的在于有效地为3D-1C散热，用于解决高热流密度3D-1C的有效散热、芯片层温度分布均匀性及异质材料的热匹配性的问题，为3D-1C的运行提供可靠的温度环境。 本技术设计了一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D-1C，其特征在于，如图1所示，包括依次叠层封装在一起的密封片(I)、带有复杂微通道的芯片层(2.1、2.2、2.3)、连接层(3);密封片(I)上开有与外部管路连接的流体入口(4)、流体出口(5);带有复杂微通道的芯片层分为带有复杂微通道的上层芯片层(2.1)、带有复杂微通道的中间芯片层(2.2)、带带有复杂微通道的底层芯片层(2.3);定义靠近密封片(I)的一面为芯片层的背面，远离的一面为正面；带有复杂微通道的上层芯片层(2.1)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件￠)，复杂微通道(8)左右两侧设有通孔TSFV(7)，通孔TSFV(7)与上层芯片层(2.1)的复杂微通道相连通，上层芯片层(2.1)不需要TSEV(9);带有复杂微通道的中间芯片层(2.2)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件￠)，复杂微通道(8)左右两侧设有通孔TSFV(7)，通孔TSFV(7)与中间芯片层(2.2)的复杂微通道相连通，复杂微通道(8)肋上设有连接上下层电的硅穿孔电连接TSEV (9);带带有复杂微通道的底层芯片层(2.3)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件出)，复杂微通道(8)左右两侧设有TSFV(7)，TSFV(7)与底层芯片层(2.3)的复杂微通道相连通，复杂微通道(8)肋上设有连接上层电的硅穿孔电连接TSEV(9)，由于此芯片层位于整个3D芯片的底层，为了形成流体流动的封闭腔，此层芯片的TSFV (7)的刻蚀深度与微通道(8)的深度相同，从而形成底端封闭的TSFV (7)。 连接层(3)其左右两边也设有通孔TSFV (7);连接层主要为金属材料，连接层上面或下面的芯片与金属材料之间的间隙采用掺杂无机纳米颗粒的聚酰亚胺进行密封绝缘。金属材料连接层将其上下面的芯片上的TSEV与芯片上的电路或微电子元器件连接 上述密封片(I)、带有复杂微通道的芯片层、连接层(3)的位置关系为上下结构，依次为:密封片(I)、上层芯片层(2.1)、连接层(3)、中间芯片层(2.2)、连接层(3)、底层芯片层(2.3)，在底层芯片层(2.3)和上层芯片层(2.1)之间可根据需要设计多层中间芯片层(2.2)，中间均采用连接层(3)连接，上述上层芯片层(2.1)、中间芯片层(2.2)、连接层 (3)、底层芯片层(2.3)的两侧的TSFV(7)分别对应叠合，形成左右两个腔体；上层芯片层(2.1)、中间芯片层(2.2)和底层芯片层(2.3)的复杂微通道形成并联并分别与左右两个腔体垂直连通，密封片(I)的流体入口(4)、流体出口(5)分别与两个腔体连通。 本技术提出的复杂微通道(7)的加工区域及TSEV的疏密程度可根据芯片的电路设计及尺寸确定。为了更加明确芯片层2的结构，图1 (C)、图1(d)、图1(e)分别给出了芯片层(2.1)的主视图、A-A剖面图、B-B剖面图；图1(g)、图1(h)、图1 (i)分别给出了芯片层(2.2)的主视图、C-C剖面图、D-D剖面图；图l(j)、图l(k)、图1(1)分别给出了芯片层(2.3)的主视图、E-E本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有层间复杂微通道流体强制对流冷却的3D‑IC，其特征在于，包括依次叠层封装在一起的密封片(1)、带有复杂微通道的芯片层、连接层(3)；密封片(1)上开有与外部管路连接的流体入口(4)、流体出口(5)；带有复杂微通道的芯片层分为带有复杂微通道的上层芯片层(2.1)、带有复杂微通道的中间芯片层(2.2)、带带有复杂微通道的底层芯片层(2.3)；定义靠近密封片(1)的一面为芯片层的背面，远离的一面为正面；带有复杂微通道的上层芯片层(2.1)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件(6)，复杂微通道(8)左右两侧设有通孔TSFV(7),通孔TSFV(7)与上层芯片层(2.1)的复杂微通道相连通，上层芯片层(2.1)不需要TSEV(9)；带有复杂微通道的中间芯片层(2.2)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件(6)，复杂微通道(8)左右两侧设有通孔TSFV(7),通孔TSFV(7)与中间芯片层(2.2)的复杂微通道相连通，复杂微通道(8)肋上设有连接上下层电的硅穿孔电连接TSEV(9)；带有复杂微通道的底层芯片层(2.3)背面刻蚀复杂微通道(8)、正面布置电路层或微电子元器件(6)，复杂微通道(8)左右两侧设有TSFV(7),TSFV(7)与底层芯片层(2.3)的复杂微通道相连通，复杂微通道(8)肋上设有连接上层电的硅穿孔电连接TSEV(9)，此层芯片的TSFV(7)的刻蚀深度与微通道(8)的深度相同，从而形成底端封闭的TSFV(7)；连接层(3)；上述密封片(1)、带有复杂微通道的芯片层、连接层(3)的位置关系为上下结构，依次为：密封片(1)、上层芯片层(2.1)、连接层(3)、中间芯片层(2.2)、连接层(3)、底层芯片层(2.3)，在底层芯片层(2.3)和上层芯片层(2.1)之间可根据需要设计多层中间芯片层(2.2)，中间均采用连接层(3)连接，上述上层芯片层(2.1)、中间芯片层(2.2)、连接层(3)、底层芯片层(2.3)的两侧的TSFV(7)分别对应叠合，形成左右两个腔体；上层芯片层(2.1)、中间芯片层(2.2)和底层芯片层(2.3)的复杂微通道形成并联并分别与左右两个腔体垂直连通，密封片(1)的流体入口(4)、流体出口(5)分别与两个腔体连通。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏国栋，马丹丹，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：新型
国别省市：北京;11
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