热增强微电路封装及其形成方法技术

一种热增强的微电路封装，包括具有容纳微电路器件的微电路器件腔的微电路。微电子机械（ＭＥＭＳ）冷却组件有效连接到微电路封装，并形成毛细泵回路冷却线路，具有蒸发器、冷凝器以及互连冷却流体槽，用于在蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于半导体和微电路器件的冷却装置，更具体地，本专利技术涉及增强冷却的微电路封装。
技术介绍
越来越多用在军事和先进的商业系统的先进电子半导体和微电路器件需要先进和小型的电子器件用于多种应用中。用做开关的功率晶体管需要高通量应用，发送/接收组件需要保持等温。过去采用的许多热管理方法在这些类型的苛求应用中不再适合。尤其是在在商业和军事装置中使用的先进的飞机系统中。新的微电路设计适用于更容易操作的飞行器、较高功率和密度的航空电子设备以及更多如秘密行动的飞行器。这些先进的电子系统产生更多的热，必须保持冷却以便有效工作。已知的系统使用不同类型的热沉。这些系统在液压系统中具有高静态损耗、低效率的机械泵以及低效率的空气循环制冷系统，由此需要使用大面积的热沉。此外，越来越多地使用易更换/压力易变的液压机械系统，现已设计和使用了许多创新的热沉和热电容器。例如，一些塑料或陶瓷封装的器件具有光背面的铜板热沉。热通过铜迹线从引线传递到附带的PCB。大的集成微电路系统适用这些热沉，但不总是很适合。随着飞行器中复杂和较小“占地面积”的电子设备和电子控制系统数量的增加，对于MEA设备(例如，发动机IS/G和全动平尾(stabiliator)致动器)产生新的集中热负载和更苛刻的环境。这些也增加了在减少MEA和类似部件的重量和体积时的热问题，例如(a)先进的局部冷却技术；(b)提高热传递技术；(c)微冷却技术；(d)高热通量应用的封装设计；(e)低损耗/高温度功率半导体；以及(f)高温电动机/发电机。对于高热流通量和高密度封装，这些提高的热传递要求需要更多的先进的冷却系统直接应用到各集成电路，用于整个冷却这些电路。在许多的先进系统中需要封闭的回路系统，应该是自给的，与各个元件相关，并且不依靠较大的系统应用。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种更有效和热增强的微电子封装，提供了如半导体功率晶体管等的微电路器件的集成冷却，并提供了一种集成冷却微电路器件的热增强的微电路封装。本专利技术包括热增强的微电路封装，包括具有微电路器件腔的微电路封装、容纳在微电路器件腔中的微电路器件、以及有效(operatively)连接到所述微电路封装的微电子机械(MEMS)冷却组件，所述冷却组件包括毛细泵回路冷却线路，具有蒸发器、冷凝器以及互连冷却流体槽，用于在所述蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体，所述蒸发器有效与所述微电路器件相连，用于使用时冷却所述微电路器件。有利的是，热增强的微电路封装包括具有微电路器件腔的微电路封装，该腔用于容纳微电路器件。微电子机械(MEMS)冷却组件有效连接到微电路封装。该冷却组件包括毛细泵回路冷却线路，具有蒸发器、冷凝器以及互连冷却流体的槽，用于在所述蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体，所述蒸发器有效与所述微电路器件相连，用于使用时冷却所述微电路器件。在本专利技术的一个方案中，毛细泵回路冷却线路形成在硅基底上，即硅晶片，并包括蒸发器、冷凝器以及在硅基底中形成的互连冷却流体槽。在本专利技术的另一方案中，蒸发器的至少一部分形成在微电路封装内。在本专利技术的再一个方案中，热增强的微电路封装是由低温共烧陶瓷(LTCC)形成的球栅阵列封装，并具有本领域公知的球栅阵列，以及容纳微电路器件的微电路器件腔，所述器件可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，通过本领域公知的技术带连接到球栅阵列。冷却液贮存器有效连接到蒸发器。在本专利技术的一个方案中，芯吸(wicking)结构形成在蒸发器内。蒸发器和冷凝器可以由多个槽形成，每个具有约25到约150微米的高度和宽度。冷却液槽也可以由多个蒸汽管线和多个液体管线形成，每个具有基本上大于宽度和高度的长度。本专利技术还包括形成微电子机械(MEMS)冷却组件的方法，包括以下步骤深反应离子蚀刻硅晶片和淀积其上的氧化层，以形成配置成依附于微电路封装上的冷凝器、蒸发器以及互连冷却流体槽，所述深反应离子蚀刻步骤包括第一深反应离子蚀刻步骤以形成通孔，第二深反应离子蚀刻步骤以形成冷却流体槽，包括蒸发器和冷凝器，包括等离子体蚀刻淀积的氧化层以构图硅晶片。为方便起见，还公开了形成微电子机械(MEMS)冷却组件的方法，包括深反应离子蚀刻(DRIE)硅晶片和淀积其上的氧化层，以形成配置成依附于集成电路封装上的冷凝器、蒸发器以及互连冷却流体槽的步骤。该步骤可以包括第一深反应离子蚀刻步骤以形成通孔，第二深反应离子蚀刻步骤以形成冷却流体槽，包括蒸发器和冷凝器。方法还包括等离子体蚀刻淀积的氧化层以构图硅晶片的步骤。附图说明下面参考附图借助例子介绍本专利技术，其中图1示出了本专利技术的热增强微电路封装的示意性剖面图，形成为球栅阵列封装，并具有固定其上的微电子机械冷却组件。图2示出了测试图1所示热增强微电路封装的测试结构的示意性正等轴测图。图3示出了图1所示热增强微电路封装的工作部件的框图。图4为例如图1所示热增强微电路封装的非限定性说明的例子。图5示出了例如图1所示热增强微电路封装的一个例子的最大热传输与最大液体/蒸汽管线长度之间的曲线图。图6示出了例如图1所示热增强微电路封装的放大示意剖面图。图7-12示出了用硅制造互连冷却流体槽、蒸发器和冷凝器的顺序步骤图。图13-16示出了在玻璃盖板中制造芯吸结构的图。图17A为根据热增强微电路封装的第一实施例，硅基底即硅晶片的示意性正等轴测图，示出了蒸发器、冷凝器以及用于在蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体的互连冷却流体的槽。图17B为图17A的微电路封装的示意性剖面图，示出了玻璃晶片和硅晶片之间的关系，以及蒸发器使用贮存器。图18A和18B类似于图17A和17B，但示出了与冷凝器合作的充填输送管，并添加了热电偶管，用于容纳用于温度测试电路使用的热电偶。图19示出了热增强微电路封装的另一个实施例，与冷凝器和互连冷却流体的槽相比，蒸发器形成在不同的结构层中。具体实施例方式下面参考附图介绍本专利技术。类似的数字指类似的元件。本专利技术涉及热增强微电路封装20a，很有利是由于它提供了有效连接到微电路封装22的微电子机械(MEMS)冷却组件20，所述封装例如示出了的用于封装微电路器件的球栅阵列封装。这种器件的一个例子是绝缘栅双极晶体管(IGBT)24。冷却组件20具有毛细泵回路冷却线路26，集成冷却封装的微电路器件腔28内接收的微电路器件，在示出的实施例中，形成为球栅阵列封装，但本专利技术可以使用不同类型的电子器件封装。在一个方案中，球栅阵列封装22由低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成，并且包括微电路器件腔28并接收示出的绝缘栅双极晶体管24形式的微电路器件。绝缘栅双极晶体管为强大的晶体管，能开关达到1000安。MOSFET和双极晶体管组合产生IGBT。通过将电压施加到金属栅产生电流，其中电压产生电场迫使荷正电的空穴离开离开栅。同时，它吸引电子，形成电流流过的N沟道。在形成为IGBT一部分的P-N-P双极晶体管中，小控制电流向基极增加了电子，并由发射极吸引空穴。这些空穴从发射极流到集电极并形成大的工作电流。控制电压施加到MOSFET并形成工作电流，进而作为控制电流施加到形成为IGBT一部分的P-N-P双极晶体管。该控制电流使较大的工作电流在双极晶体管中流动。由此，IGBT的工作电流为MOSFET和双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热增强微电路封装，包括具有微电路器件腔的微电路封装、容纳在微电路器件腔中的微电路器件、以及有效连接到所述微电路封装的微电子机械（ＭＥＭＳ）冷却组件，所述冷却组件包括毛细泵回路冷却线路，具有蒸发器、冷凝器以及互连冷却流体槽，用于在所述蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体，所述蒸发器与所述微电路器件有效连接，用于在使用时冷却所述微电路器件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2000-11-30 09/727,1401.一种热增强微电路封装，包括具有微电路器件腔的微电路封装、容纳在微电路器件腔中的微电路器件、以及有效连接到所述微电路封装的微电子机械(MEMS)冷却组件，所述冷却组件包括毛细泵回路冷却线路，具有蒸发器、冷凝器以及互连冷却流体槽，用于在所述蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体，所述蒸发器与所述微电路器件有效连接，用于在使用时冷却所述微电路器件。2.根据权利要求1的热增强微电路封装，其中所述蒸发器和冷凝器形成在硅基底中，并且所述冷凝器形成在硅基底中，而且所述蒸发器的至少一部分形成在所述微电路封装内。3.根据权利要求2的热增强微电路封装，其中所述微电路封装微由低温共烧陶瓷(LTCC)形成。4.根据权利要求1的热增强微电路封装，其中冷却液贮存器有效连接到所述蒸发器，芯吸结构形成在所述蒸发器内。5.根据权利要求1的热增强微电路封装，其中所述蒸发器和冷凝器由多个槽形成，每个具有约25到约150微米的高度和宽度，其中所述冷却液槽可以由多个蒸汽管线和多个液体管线形成，具有基本上大于宽度和高度的长度。6.一种热增强微电路封装，包括具有微电路器件腔的微电路封装、容纳在微电路器件腔中的微电路器件、以及有效连接到所述微电路封装的微电子机械(MEMS)冷却组件，所述冷却组件包括毛细泵回路冷却线路，具有硅基底和蒸发器、冷凝器以及连接所述硅基底的互连冷却流体槽，用于在所述蒸发器和冷凝器之间传送蒸汽和流体并蒸发和冷凝冷却流体，所述蒸发器与所述微电路器件有效连接，用于在使用时冷却所述微电路器件，以及玻璃盖，所述玻璃盖位于所述硅基底之上并封闭所述蒸发器、冷凝器和互连冷却流体槽。6.根据权利要求6的热增强微电路封装，其中所述蒸发器和冷凝器形成在硅基底中，并且所述冷凝器形成在硅基底中，所述蒸发器形成在所述微电路封装内，其中所述微电路封装微...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯纽顿，雷蒙德拉姆普夫，卡洛尔加姆林，
申请(专利权)人：哈里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]