[发明专利]基于阵列散热的三维集成结构及其制备方法和分析方法

说明书

本发明公开了一种基于阵列散热的三维集成结构及其制备方法和分析方法，该三维集成结构包括从上至下依次堆叠的芯片层、转接板层、封装层和母板层。本发明构建从芯片到封装、再到系统的高效传热路径，实现该三维集成结构原位、实时热分析，从而减小整个系统的热衰减，提升电子系统的可靠性。

技术领域

本发明属于微电子散热技术领域，尤其涉及基于阵列散热的三维集成结构及其制备方法和分析方法。

背景技术

小型化、多功能化和高性能化是电子系统发展的重要方向。基于片上系统、封装级系统和系统级封装的三维集成技术是实现电子系统小型化和多功能化的重要途径：

(1)片上系统技术强调在单芯片上水平集成多个系统功能；

(2)封装级系统技术强调使用转接板、封装基板，在三维方向实现芯片的堆叠，将多种芯片、器件和无源元件集成在一个封装体内，实现综合集成密度更高；

(3)系统级封装技术强调将封装与系统母板一体化集成，实现更强的功能和成本协同更优。

典型的电子系统包括：芯片、转接板、封装基板和系统母板，彼此之间通过金属布线层和金属微凸点实现电气信号的互联互通。

在上述三维集成结构中，功率器件的散热能力成为了电子系统应用的主要瓶颈。特别是随着以GaN为代表的第三代半导体功率器件的广泛应用，散热问题越来越突出。由于GaN功率器件的功率密度更高，自热效应更大，对三维集成系统的散热能力要求更高。

在如上所述的三维集成系统中，由于芯片衬底、转接板、封装基板和系统母板的材料通常为半导体或绝缘体，热导率通常都比较低，特别是系统母板的有机布线材料热导率通常小于1W/m·K，不能满足散热需求。需要采用高密度阵列散热结构来解决三维集成系统的散热需求。

此外，三维集成系统的材料体系复杂，涉及硅、陶瓷、有机材料和金属材料；同时，三维集成系统工艺体系复杂，涉及半导体工艺、陶瓷材料烧结工艺、有机材料层压工艺、软钎料焊接工艺等等。仅仅使用材料热导率结合仿真分析的方法，不能准确分析系统的散热能力。需要设计合理的三维集成结构热分析方法，从而根据不同的应用需求和功率器件功耗，优化传热路径。

目前，使用散热结构实现电子系统高效热传导的研究很多：美国加州大学的AyedAlqahtani等采用基于硅的芯片内热传导孔，使三维集成电路仅用6％的面积就实现了最高温度下降25％的效果；马来西亚的N.A.Ngah等人采用多层LTCC散热孔设计实现了PIN光电二极管模块，获得了极佳的散热能力。然而，现有研究主要集中在部分结构、部分基板层级的增强散热，如何构建从芯片到封装、再到系统的高效传热路径，减小整个系统的热衰减，提升电子系统的可靠性，还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于阵列散热的三维集成结构及其制备方法,通过将芯片表面高导热钝化层、芯片内热传导孔、转接板内金属传热层、转接板内高密度阵列散热孔、封装基板内金属传热层、封装基板内高密度阵列散热孔、母板内金属传热层、母板内高密度阵列散热孔和母板内高导热金属芯一体化集成，构建从芯片到封装、再到系统的高效传热路径，减小整个系统的热衰减，提升电子系统的可靠性。

本发明还提供了一种基于阵列散热结构的三维集成结构分析方法，通过使用内嵌温度传感器的大功率热源芯片，实现该三维集成结构原位、实时热分析，从而根据不同的应用需求，优化传热路径。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

本发明提出的基于阵列散热的三维集成结构，包括：从上至下依次堆叠的芯片层、转接板层、封装层和母板层；

芯片层集成有芯片表面高导热钝化层、芯片内金属传热层和芯片内热传导孔；

转接板层集成有转接板内金属传热层和转接板内高密度阵列散热孔；