[发明专利]一种三维芯片及其组合结构和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及芯片制造技术领域，特别涉及一种三维芯片及其组合结构和制造方法。

背景技术

微电子芯片的应用遍及生产生活乃至国家安全的各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。芯片发展的趋势是进一步提高集成度、减小芯片尺寸及增大时钟频率。早期的芯片仅含2300个晶体管，而如今在一枚高端Intel芯片上，晶体管的数量就超过10亿。当前的芯片设计已日益精细化，由于采用先进平板印刷技术和其他技术，电路线宽越来越精细。工业界正着力发展三维芯片，以期实现运算速度更快、体积更小、更加便宜的芯片。高集成度对于计算机性能的升级是有利的。然而，由此带来的问题是，芯片耗能和散热问题也凸现出来。过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性。

对现今微电子技术的分析表明，芯片频率正逼近其极限。电子器件工作在70-80℃水平时，每增加一度，其可靠性就降低25％。因此，如何将极高的产热量有效的排散掉，并将芯片温度保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题。芯片散热的实质就是将芯片中的热量经由封装外壳、散热器等排放到外界环境中，以避免结点温度过高。绝大多数IC(集成芯片)器件的最高工作频率受到最高结温的限制，为了增强芯片的性能和可靠性，芯片必须维持在最低的结温上，以降低由于热循环而产生的应力集中。为了降低结温同时又使热流最大化，必须减少传热途径中总的热阻。

在各种热阻中，芯片与外界热沉之间界面材料引入的热阻，对控制总热阻是一个关键，也成为迄今为止几乎所有热阻研究关心的目标。以往研究中一直力求通过减小芯片与热沉间的接触热阻，通过外界强化冷却技术来降低芯片温度。然而，一个至关重要却被严重忽视的事实是，在芯片系统中的最大热阻实际上来自于芯片内部的发热元件自身，而非已传至芯片外表面后与散热器热沉之间形成的热阻，这是因为，发热最严重的部位是在元件自身，而非已经过多层结构传至周围介质后的情形，因此，若能将其与芯片内部各介质间的热阻减至最小，将最大限度地降低发热元件乃至芯片的热负荷。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种三维芯片及其组合结构和制造方法，以便降低芯片内部各介质间的热阻，从而增强芯片的散热性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维芯片，其包括：基底、内围栏、元件和液态金属；所述元件设置在所述基底与内围栏所构成的封闭的内腔体中且固定在所述基底上；所述液态金属填充于所述内腔体中。

优选地，所述元件的表面设置有绝缘层。

优选地，所述三维芯片包括至少一个所述元件。

优选地，所述围栏高于所述元件。

优选地，所述液态金属为镓、钠、钾或者水银。

优选地，所述液态金属中混有0～99wt％的镓铟锡合金或者钠钾合金，或者混有直径介于10nm至900nm的导热颗粒或者磁性颗粒。

优选地，所述基底或者围栏的材料为铜、阳极氧化铝、金刚石、不锈钢、石墨、硅、有机玻璃或者聚合物材质。

本发明还提供一种三维芯片的组合结构，所述组合结构包括：外围栏、基底、元件和液态金属；所述外围栏围成封闭的外腔体；所述基底分层设置在所述外腔体中；所述元件设置在所述外腔体中，并且设置在所述基底上；所述液态金属填充于所述外腔体中。

优选地，所述组合结构还包括内围栏；所述内围栏设置在所述外腔体中，并且与所述基底连接构成内腔体，所述元件位于所述内腔体中；所述液态金属填充于所述内腔体中。

本发明还提供一种三维芯片的制造方法，其包括步骤：

A：将元件设置在基底上，并且在所述元件表面设置绝缘层；

B：将内围栏固定在所述基底上，所述元件位于所述基底和内围栏所构成的内腔体中；

C：从所述内围栏的注液孔中注入液态金属，所述内腔体中空气从所述内围栏的排气孔中排出；

D：待液态金属充满所述内腔体后，封闭所述内围栏的注液孔和排气孔。

(三)有益效果

本发明所述三维芯片及其组合结构和制造方法，通过将元件完全浸润在液态金属中，从而有效降低芯片内部各介质间的热阻，增强芯片的散热性能。同时，在所述元件表面设置了绝缘层，保证绝缘的同时有效防止了元件被液态金属所腐蚀。

附图说明

图1是本发明实施例所述的三维芯片的结构示意图；