[发明专利]一种热沉的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器及其列阵器件、大规模集成电路等散热冷却期间的一种微通道冷却热沉的制作方式及其结构，属于半导体电子封装技术领域。

背景技术

微通道冷却热沉是一种模块式微通道致冷器(Modular Microchannel Cooled Heatsinks,简称 MCC)。列阵的发展与这一有效的低热阻热沉的出现有密切的关系，特别是高占空比甚至 CW 运行的全填充激光二极管列阵。MCC 是在硅中借助各向异性化学腐蚀制得的，可以像积木一样按二极管列阵的设计需要搭接大的二维结构。MCC 的低热阻是依赖液体致冷剂和它通过 MCC 的层流(Laminar Flow)，其良好的热控制性能十分适合平均功率大的泵浦固体激光器的二极管列阵，因为吸收波长狭窄的线宽(<3nm)要求对列阵进行严格的温度调制。

二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman 和 Pease首先提出了平行微通道热沉（Microchannel Heatsink ，MCHS），从理论上证明出了水冷却微通道可达1000 W/ cm2的散热能力。其加工方法是：在集成电路硅衬底的背面采取化学方法腐蚀出若干矩形沟槽，使用盖板耦合而构成封闭式的冷却剂通道，与外界密封连接从而形成为冷却剂回路。由器件产生的热通过联结层传导到热沉，而被微通道中的流动冷却剂带走以致达到对于集成电路芯片良好散热的目的。

该概念的提出为进一步降低热沉热阻奠定了理论基础，它的优点在于扩大固液之间的接触面积的同时，利用非常小的水流沟道宽度最大限度的减小了热边界层的厚度，因此大大提高了热传导效率，有源热沉设计的基本原理就是要尽可能的使热沉的热导率高，以便达到最好的散热效果，同时兼顾制造的可行性及制作成本等问题。

作为高能固态半导体器件的核心部件, 半导体芯片内部有源区的热管理水平直接影响器件的性能和寿命，所以微通道热沉散热技术是支撑高能固态半导体器件高性能工作的关键。根据散热需求不同，微通道热沉包含多个尺寸为数十至数百微米的微细水流通道，通过扩大固液接触面积和压缩冷却液热边界层厚度获得高热传导效率。传统微通道热沉多用铜或铝作为基底材料，通过机械加工、等离子刻蚀、化学腐蚀等方法制备出多层内部镂空图形各异的矩形薄片，而后将其焊接起来制成微通道热沉。由于制备工艺水平的限制，这种传统的微通道热沉在散热能力、使用寿命与体积重量等方面存在一定的局限性，已经越来越难满足高能固态半导体器件对高功率、长寿命、体积小的要求。

在传统的制造方法中，单片式微通道热沉由五层形态各异的薄片组合而成，激光 bar 位于上盖层的前端，冷却液从入水口进入微通道层的微通道区，经过导水层的狭缝再次进入微通道区，再由出水口进入下盖层，对 bar 条完成一次循环制冷。

制备微通道热沉的关键是微通道结构的制备，因为微通道的宽度和叶片的宽度约为几百甚至几十个微米，属于微细加工技术领域。目前制备微通道热沉的技术有好多种，包括化学腐蚀，激光切割，数控电火花加工(微机械加工)，反应离子刻蚀，电化学加工，化学辅助离子切割，热模压加工等，对于不同材料不同规模的微通道热沉的制备可以采用不同的技术。

现在最常用的就是深层光刻分离曝光化学腐蚀技术制备微通道热沉。主要原理就是将光刻胶均匀的旋转涂覆在加工材料表面上，在一定温度下前烘，去除溶剂，而后将样品进行第一次完全曝光，完全曝光后的样品再次用光刻胶溶液旋转涂覆烘干，选用所需图形的掩膜版进行掩膜光刻，曝光结束后马上采用一定浓度的稀碱液显影，而后坚膜固化，最后腐蚀，控制时间得到通道，然后将用化学腐蚀加工得到的无氧铜冷却液密封层，微通道层，冷却液导引层进行表面处理后按设计顺序叠放在一起通过扩散焊连接在一起，最后进行表面抛光和镀金等表面处理。首先在腐蚀过程中，时间决定了通道的深度，时间的控制决定了通道的尺寸质量，控制不好就容易引起侧向腐蚀，侧腐蚀效应导致微通道深宽比较低；同时很难获得平整的通道壁。制备过程的“失真”使得微通道热沉的实际散热性能低于理论设计的性能。在各层焊接过程中，不可避免地会产生焊接界面，从而引入大量的界面热阻，导致了微通道热沉散热效率的下降。这是制造过程中存在的弊端。