【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子封装领域，具体涉及一种多尺度硅通孔背部散热结构及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着集成电路产业化发展和便携应用需求，芯片正逐步向高性能、小尺寸的方向发展，单位面积或单位体积内热功率不断提高，产生的热量如果不能及时逸散至外界将导致芯片温度急剧升高，不仅会改变载流子迁移率、电阻率等半导体材料的物理性质，影响芯片的正常工作，甚至可能引发热力失效等一系列可靠性问题。研究表明晶体管的失效率随温度的升高呈现指数规律上升。此外，由于封装结构内各种材料的热失配(即热膨胀系数不匹配)，在高温下会产生较高热应力，导致封装结构出现应力破坏等可靠性问题。因此，先进芯片封装中的散热问题仍然是制约芯片发展的一个严峻挑战。
2、目前芯片散热主要以封装外壳作为散热通道，芯片散热效率低。芯片内部发热主要来自晶体管，其产生的热量只能通过芯片附近的材料逸散到外界(例如芯片上的beol，si，rdl等层)，或通过背部的硅片传递到封装emc保护层，然后再传递到热沉，通过热沉(heat sink)扩散到外界或受空间的限制直接经emc扩散到外界。组成这些层间结构材料通常具有较低的热导率，如常用于beol和rdl中的介质材料聚酰亚胺的热导率仅为0.2w/(m·k)，二氧化硅的热导率约为1.4w/(m·k)，硅的热导率约为157w/(m·k)。因此，热量通过芯片背部的硅传递到热沉是进行散热的主要方式。但是，背部硅与金属等材质相比仍有不少的差距，如铜为393w/(m·k)，碳纳米管的热导率在1000w/(m·k)以上。如何高效的对芯片进行热管理
3、按照散热方式，可将散热分为被动散热和主动散热：被动散热是不依靠外部介质而使热量自然逸散到外界的散热方式；而主动散热则是利用外部冷却介质与系统进行热量交换的散热方式。
4、改进封装材料和背部热沉结构，增加导热性能，可以显著提高被动散热效率。目前改进方向集中在emc封装材料、芯片与热沉界面、emc与热沉界面材料或无热沉封装类型的新型导热结构。封装结构中，热导率较高的铜热沉是主要的背部散热结构。此外，在部分封装结构中，热界面材料被用于连接芯片背面和热沉以降低两者之间的界面热阻。专利202410060010.8开发了一种基于铜-金刚石微纳米电沉积高导热材料，该材料从上至下为均匀致密的铜与微纳米金刚石弥散复合的电沉积层，其热导率与金刚石接近，可用于制作导热性能良好的芯片散热器直接贴于芯片背部。专利202211478919.2专利技术了一种以烯基硅油、含氢硅油为主要原料的热界面材料，具有优异的断裂伸长率、拉伸强度和si附着力等优势，可确保热界面材料与芯片背面和热沉的完全贴合。专利202211167609.9提出了一种泡沫金属与低熔点合金复合的热界面材料，相较热导率较低、仅为1～2w/(m·k)的硅脂，该热界面材料的热导率可达50～80w/(m·k)，并且低熔点合金在泡沫金属中的分布均匀，在高温下也不会泄露。专利202310226995.2提出了一种安装在芯片背面的金刚石-多金属修饰层的散热结构，金刚石不仅具有较高的热导率，可降低背面散热通路的热阻，而且cte也与硅接近，可以有效缓解热失配引发的可靠性问题。专利202311690803.x开发了一种封装有铜丝骨架和液态镓的散热结构，利用骨架引发的毛细现象可以实现液态镓的自动输送和分配，使其更加均匀地渗透到整个散热结构中，该结构将铜质芯片盖与铝散热片相连接，因而可以使芯片背部的热量分散更均匀、逸散更迅速从而提高散热效果和热量分散性。尽管上述研究对芯片背面到外界的导热通路上的封装材料进行改进，降低了这一部分的热阻或改变了芯片上方的热沉等散热结构，但热量从晶体管部分传输到背面仍需要经过热导率略低的硅材料，这一部分的导热通路并未改变。
5、改进芯片封装内的si与emc的结构，构建更短、更快的导热通道，可以增强封装结构的散热能力。目前已有部分专利技术专利通过引入tsv集成在emc中提高封装结构的散热效率。专利201922233537.3在三维集成封装中引入了含有tsv的硅结构，其中tsv一端与有源芯片的背部形成互连，另一端在封装体表面露出，在emc中构建了散热通路，在并保证热膨胀系数匹配的同时，通过tsv内热导率较高的材料进行散热。但该结构的tsv尺寸较大并且这种tsv导热硅结构只能在封装体内部分硅结构实现，十分局限并且依然无法在有源芯片的正面热源附近直接传输出热量。专利202111455893.5在芯片的无源区制作了连通芯片正面与背面的硅通孔，在有源区的背面制作了半通孔，并填充导电材料，不仅可以提高封装结构的散热能力在热功率较高有源区附近构建了高效的散热通路，还降低了封装结构的电阻和寄生电感，但通孔和盲孔内的高导热率的材料与发热明显的有源区之间仍有一段距离，热量在该区域内仍是通过硅材料传导，散热效率受限。专利202211404740.2在鳍式场效应晶体管中引入了掩埋式热轨线和纳米tsv，热量可从晶体管的鳍结构经由掩埋式热轨线和tsv直接传导到背部的散热片，形成了效率较高的散热通道。然而，该结构虽然引入了tsv的散热，但只经过一级tsv从根部进行传递，仍有两个缺陷：(1)该结构tsv是在晶体管工艺的制作过程中引入的，从晶体管直接引出导热结构，工艺复杂，实现困难；(2)该散热结构所要求的背部硅层不能太厚，否则tsv的深宽比过高，制作无法实现。这两个缺点制约了该单一tsv散热结构的应用。
6、综上，目前对于芯片散热主要分为主动散热和被动散热。主动散热虽然具有较高的散热效率，但系统复杂，易产生新的干扰，尤其是从芯片热源处即晶体管进行散热，这些干扰将严重影响芯片的性能，产生可靠性问题。如微流道的引用所产生的流体震动，相变材料使用造成的体积缩放等，如果微流道被破坏导致流体溢出将损坏晶体管，影响芯片的正常运行。因此，被动散热方式是从芯片热源处进行散热的优先选择。尽管目前已开发有很多芯片被动散热技术，但主要是集中在芯片背部emc材料与芯片与外部环境的接触等材料与结构改进上。从材料进行改进由较多的局限性，例如需要考虑工艺配合，不同材料性能的匹配，材料之间的反应和在多物理场下的材料可靠性。结构改进是提升散热能力的主要方式，但从芯片热源直接进行热量传递的方案仍然十分匮乏。
7、现有的技术中，主要通过优化被动散热或主动散热的方式提高封装结构的散热效率。优化被动散热可从两方面入手，一是开发热导率更高的材料，使传递到芯片背部的热量更快逸散到热沉或环境中；二是改进封装结构，通过在晶体管层级或者封装层级引入导热结构，促进热量由发热的有源部分传递至热沉或环境中。而优化主动散热则是在封装体中引入微流道结构，利用流体作为冷源吸收芯片产生的热量，尤其是近年来相变材料因其独特的热学性能受到关注，已被某些专利技术专利用于散热系统中。
8、硅通孔技术为从芯片内部散热提供了基础，改进芯片内结构，优化散热通路成为新的散热方向。前文提到部分专利已采用tsv提升散热效率，但仍存在以下几个问题：一是受工艺限制，散热用tsv仍然无法靠近发热本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，设置于芯片(1)的背面；
2.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的高热导率材料包括铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、碳纳米管、石墨和相变材料。
3.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的硅通孔背向芯片(1)的一端贴合设置有热沉(3)。
4.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的导热轨道(21)的横截面为阵列结构、平行结构、H型结构和环形结构中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求4所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的导热轨道(21)的横截面包括设置于外层的方环状圆阵列、设置于中层的方环以及设置于内层的方环，导热轨道(21)的三层同心设置。
6.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的硅通孔的纵截面为梯形或方形。
7.一种如权利要求1-6任一所述的多尺度硅通孔背部散热结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
8.根据权
9.根据权利要求7所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构的制备方法，其特征在于，步骤S6中，在芯片(1)背面外露后安装热沉(3)。
10.一种如权利要求1-6任一所述的多尺度硅通孔背部散热结构在微电子封装领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，设置于芯片(1)的背面；
2.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的高热导率材料包括铜、银、氮化铝、氮化硼、碳化硅、碳纳米管、石墨和相变材料。
3.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的硅通孔背向芯片(1)的一端贴合设置有热沉(3)。
4.根据权利要求1所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的导热轨道(21)的横截面为阵列结构、平行结构、h型结构和环形结构中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求4所述的一种多尺度硅通孔背部散热结构，其特征在于，所述的导热轨道(21)的横截面包括设置于外层的方环状圆阵列、设置于中层的方环以及设置于内层的方环，导热轨道(21)的三层同心设置。...
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