作者:Peter Singer

　　事實(shí)上，如果使用過筆記本電腦的人都知道芯片能夠產(chǎn)生驚人的熱量。半導(dǎo)體行業(yè)主要的挑戰(zhàn)之一是如何對(duì)芯片、電路板和系統(tǒng)進(jìn)行散熱。

　　今天，微處理器主要是采用倒裝芯片法封裝的，其散熱的主要模式是通過一個(gè)熱沉/散熱器從硅的背面進(jìn)行。利用導(dǎo)熱凝膠或環(huán)氧樹脂使散熱器與芯片的背部粘合成一個(gè)整體。

　　然而，根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖(ITRS)的估計(jì)，到2018年，高性能的芯片能夠產(chǎn)生100 W/cm2的功率密度。利用傳統(tǒng)的IC封裝技術(shù)沒有可制造的解決辦法排除如此高的熱通量。

　　最近在Burlingame舉行的國(guó)際互連技術(shù)會(huì)議(IITC)上提出了一個(gè)令人關(guān)注的新選擇，即在晶圓上通過向微流通道及熱管輸送冷卻劑的方法散熱，并把這一結(jié)構(gòu)看作晶圓級(jí)封裝互連的一部分。這種技術(shù)同CMOS和倒裝芯片技術(shù)是兼容的，并且小型簡(jiǎn)單。

　　這種工藝是在對(duì)晶圓上芯片的互連系統(tǒng)進(jìn)行后道加工（BEOL）之后，在將晶圓切割成單個(gè)芯片之前進(jìn)行的。在晶圓背部蝕刻深溝槽并填充犧牲聚合物，然后覆蓋上一種多孔材料（如圖所示）。

　　當(dāng)晶圓被加熱時(shí)，犧牲聚合物分解并形成封閉的微通道。第二層涂層用于增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和密封性。這個(gè)涂層可以是一個(gè)旋涂聚合物層，一種高質(zhì)量的SiO2薄膜或是一種電鍍金屬片。然后用一種標(biāo)準(zhǔn)的C4工藝在晶圓上形成焊接凸點(diǎn)。

　　芯片通孔和聚合物“管道”用作引入和引出，在晶圓正面由光可成像聚合物的厚層形成。聚合物通道應(yīng)與引入/引出孔對(duì)準(zhǔn)，然后管道內(nèi)部的鈍化層被刻蝕從而使流體循環(huán)。

　　清潔和干燥之后，準(zhǔn)備切割晶圓。將最終的倒裝芯片安裝在一個(gè)液體冷卻的PWB襯底上，一起裝入微流通道并通過集成或外用泵對(duì)流體循環(huán)提供動(dòng)力。采用傳統(tǒng)的底部填充法實(shí)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)。

　　研究組研究了兩種不同的帶有多路引入/引出結(jié)構(gòu)的通道陣列設(shè)計(jì)，從而通過冷卻系統(tǒng)測(cè)出壓降并評(píng)估散熱能力。第一個(gè)設(shè)計(jì)有51個(gè)并聯(lián)通道并且每3個(gè)通道共用一組引入/引出孔。在第二個(gè)設(shè)計(jì)里，通道是一種蛇形彎曲的形狀，從而獲得更均勻的溫度梯度。

　　由于兩種設(shè)計(jì)的整體熱交換區(qū)域是一樣的，所以對(duì)于某種冷卻液體的整體流速來說，它們的散熱能力是相同的。研究人員們說，采用去離子水可以散除100 W/cm2熱通量，引入和引出之間的溫度差為60℃時(shí)，要求最低的整體流速為0.4 cc/sec。研究人員們得出的結(jié)論是采用壓降小于2個(gè)大氣壓，將有可能排除100 W/cm2的熱通量。