Integrated Microfluidic Cooling and Interconnects
for 2D and 3D Chips
摘要：在不久的将来微处理器的功耗达到的水平可能需要芯片级的液体冷却技术。一个片上微通道散热器能够减少集成电路芯片和对流冷却装置之间接口的发热量，因此在此环境下的热敏电阻需求更少。本文通过对金属氧化物半导体工艺兼容的微散热器和采用晶圆级批处理的输入/输出互连芯片的阐述，从而介绍了硅芯片的装配和测试。超小型化，低成本的制造与装配（系统集成）被用到二维和三维芯片的制作上，同时也在每个芯片背面的微散热器的制作上得到了应用。电气和流体性质的晶圆孔用来连接集成在芯片上的微通道散热器和I/O 互连。通过初步热阻的实验，证明本文提出的流体I/O内连接是可行的。
关键词：组装，流体的输入输出互连，微通道散热器，微流体冷却，包装，堆叠，热管理，三维集成电路。
I．INTRODUCTION
连接部分和晶体管的可靠性和功耗严重依赖于工作温度。如今由于高性能芯片的高功耗问题，芯片级的冷却技术已经变得非常重要。国际技术部门对半导体（ITRS）的项目展望道，一块芯片的功率密度将从现在的每平方厘米60-80瓦，增长到2018年的108瓦。从历史上看，为了在增加功耗的同时保持恒定的结区温度，用来冷却微处理器的散热器的大小一直在稳步增加（随着TIMs和热量传导技术的进步）。图1说明了各种英特尔微处理器的功耗与散热器尺寸（体积）。很明显，随着新微处理器的推出散热片的尺寸不断增长，从而导致系统的大小，芯片包装的效率，以及芯片间连线的长度受到了限制。虽然最小特征尺寸的硅晶体管已经接近亚20纳米栅极长度，但是为了达到更小的结点温度的热阻，热互连部分（散热器）的尺寸却越来越大。传统的散热器的点到四周的热阻构成了热互连系统，温度在约0.5 °C / W左右。传统的风冷式热缩放互连系统的规模最终不能满足ITRS的预测功耗，同时也满足不了合理的外形要求，风扇的噪音限制，以及芯片上的点到周围的热阻要求。由于低热量强制空气冷却，到2018年随着高性价比和高性能的芯片的推出，需要更先进的冷却系统，如单相或两相冷却液。此外，3D芯片冷却会遇到更加严峻的挑战，因此新型冷却技术对于3D芯片是不可缺少的。
集成微通道散热器的芯片（单片）满足了TIMs需要,代表了液体冷却联合工艺的最高水平。1981年，Tuck-erman and Pease研究表明芯片点到四周的热敏电阻的温度可低至0.09 °C，当微通道散热器被直接整合到芯片中时，功耗密度会高达790瓦每平方厘米。冷却液也有望降低芯片的工作温度，从而可以进一步提高微电子系统的性能和可靠性。此外，集成的微通道散热片，可以在很大程度上降低集成电路（IC）外形的封装尺寸和体积以及多芯片和3D芯片堆栈的性能要求。芯片上的微流体通道，也可以直接使热点冷却。由于这些优点，最近微流体冷却收到越来越大的关注。如今，大部分这个领域的研究集中在微通道尺寸和性能上面。重大的挑战仍然集中在集成、互连和微通道散热器的封装。
本文介绍了一种革新的技术，这项技术在于整合微通道散热器和利用近来的层间冷却进行单个芯片和堆叠芯片的液体传送。本文是按如下方式组织的。第二部分主要描述适合微通道散热器的金属氧化物半导体器件的制造。第三部分主要描述用于连接输入输出口与微通道散热器的流体芯片的制造与集成。芯片的装配放在第四部分。第五部分介绍集成芯片的热测试。第六部分是对3D堆叠芯片的微流体连接的展望。最后第七部分是总结。
II FABRICATION OF ON-CHIP MICROFLUIDIC HEAT SINK
微通道利用各种材料使用微细加工、成型或压花技术进行制造，材料包括硅、玻璃、金属和聚合物。当然，这些制作微通道的材料对于热阻有着重要的作用。本文提出了两种制造微通道散热器的方法。第一种方法是利用在较低的温度粘贴在封面板上的聚合物。第二个方法采用了可以在低温下热分解的聚合物。对于这两种方法，第一步工序都是利用深反应离子刻蚀(DRIE)在硅晶片的背面制作沟槽。
如图2，第一种方法中，聚合物胶被旋涂在封面板上，然后经过5分钟100摄氏度的烘烤来去除溶剂。然后翻转盖板，放在先前刻蚀有沟槽的硅片背面上。然后对紧密接触的两个部件进行压缩当样品被放在烘炉中进行聚合物粘贴膜愈合的时候。聚合物凝固的时间为2小时，峰值温度在160摄氏度。随着凝固，盖板与硅片间形成了强有力的粘合。此盖片可以是硅片或高硅玻璃，其热膨胀系数为2.8。为了降低最后封装的整体厚度，盖板可通过研磨机械减薄。图3为使用这种制造工艺形成微通道的横截面SEM图像。显微图像显示了粘合接口的一致性。
如图四，第二种方法是用沟槽，沟槽里填的是一种可以溶解的聚合物。通过旋涂，使用机械抛光使表面平坦，形成一种层状结构的涂层，再进行加热使聚合物分解。这种方法不需要任何晶片粘合剂，因此这种方法相比传统的CMOS晶片加工具有更好的整体性和相容性。例如，这种旋涂和抛光工艺在标准BEOL设备上有着非常好的应用。另一个优点是使芯片变薄源于聚合物薄膜的使用，如图5所示。再加上这种非传导性的聚合物，多种材料用于密封涂料，比如直流磁控溅射的金属层和电/化学电镀，自旋玻璃等。
III INTEGRATION OF ELECTRICAL AND FLUIDIC CHIP
I/O INTERCONNECTIONS
除了微通道，对于片上的微流体冷却，微散热器中的微流体互连也是不可或缺的。在这一节，将介绍热流体芯片的输入输出的概念，它可以确保芯片到电路板的互连。图6为使用芯片规模的批处理进行微散热器、热流体芯片的输入输出互连以及硅片上的C4凸点的制造与集成。这个过程开始于半导体后段制程加工的完成。一个两步的硅蚀刻工序用来在硅片的背面制作硅孔和通道。在第一步中，硅孔通过光致抗蚀剂和硅片中的蚀刻部分被预置。然后沟槽在第二步中被蚀刻出来。使第一步中硅孔与沟槽对齐，这样一来硅孔被蚀刻的更加深了。晶片上面的蚀刻被二氧化硅钝化膜阻止了。通过这种方式，形成了连接芯片上下两面的硅孔。接着，一个带有聚合物涂层的玻璃板被粘合在带有沟槽的晶片上，然后在烘炉中使粘合剂固化。固化后，翻转粘合的晶片，开始处理晶片的前半边。一种聚合物钝化层首先被涂抹形成硅孔。到了这个阶段，芯片已经为焊接碰撞做好了准备，可以制造集成芯片的电路互连了。这一步，一种34微米厚的薄膜被用来作为电镀模具。一定体积的焊接剂通过光阻模具被电镀上去。在液体溶剂的帮助下，形成了球形凸点。在这个工作中，Sn/Pb (60/40)焊接剂被使用，是由于它非常好的有效性和可沾性，它需要220摄氏度的焊接温度。如果需要，其他焊接剂包括无铅焊接剂，如锡铜、锡银等也可被使用。以此顺应向无铅电子制造的转变。使用一层Avatrel 2195P制作的聚合物微管阵列分布，来作为芯片和封装级的流体网络间的互连。聚合物微管使用聚合物薄膜制作，也可使用其他介质聚合物制作，比如SU-8。微管要和穿过芯片的硅孔对齐，为了和芯片背面的散热片互连。制作完后，微管要在160摄氏度的温度下烘烤一小时。微管里的钝化层接着被蚀刻，使用温浸方法以便流体流通。接下来的步骤，晶片被切成方块。基于这种方法，晶片级的流体I/O被制作出来，可以通过流体互连直接传送工作液到散热片。
图7为一排微管和一区域阵列的C4焊料凸点的SEM图像。聚合物微管的内外径分别为100和250微米，高度约100微米。焊料凸点的高度大约为65微米，直径为80微米。微管制作的高度高于焊料凸点，是为了组装时当凸点与互连层的铜垫接触时，微通道会被部分
插入到硅孔中。
IV.FLIP-CHIP ASSEMBLY OF DIE WITH ELECTRICAL
AND THERMOFLUIDIC I/OS
两种截然不同的底层冷却液输送计划如图8所示。如图8a，底层板上嵌入了微通道，穿过外层形成了孔口。这个计划完成的一个挑战是底层安装芯片的那一面上可利用的区域由于信号通路受到了占用和限制。为了解决这个潜在的不兼容性，第二种结构发展起来，如图8b所示。在这种结构中，多种通道被嵌入到电路板的多个层中，通孔为流体互连服务。由于通孔一般用于印刷电路板，通道可以用各种方法制造，这种提议的工序可以被采纳进印制配线板技术。虽然防止水分被电路板材料吸收很重要。例如，在印刷电路板的制作中，通道轻易地被嵌入到多个层中。Bauer et al和Ilgen已经表示微通道网络可以在LTCC基板和FR-4薄板中实施。在工作中，虽然基板在两种结构中都可以制作和测试，但重点在第二种结构上。图9为硅测试板正面的显微图像，电路板的四周分布有流体通孔。蚀刻在板上的铜线厚度为8微米。一种聚合物钝化膜被应用到铜垫的阻焊上。由于这种聚合物的作用，很容易形成流体和电气的通孔，从而可以调节输入输出微管和焊料凸点。
芯片的组装方法基于倒装和密封工序。基本的装配程序如图10。由于聚合物微管要高于焊料凸点，当焊料凸点与底板上的金属垫接触时，微管的一部分会插入孔中。在粘合过程中，芯片和底板会被加热到150摄氏度。用200g的压缩力量使它们接触的更紧密。当温度上升到峰值220摄氏度，压力继续保持。一旦回流，凸点和铜垫间会连接起来，从而形成芯片和底板间的互连。微管的外径和孔的内径是一样的。然而由于Avatrel 2195P是负增强的聚合物，微管的直径要稍大于孔口。因此，微管实际是被挤压进孔的，这样有利于密封。为了确保微管的密封性和凸点的可靠性，一种液体环氧树脂被用到芯片边缘，这让人联想到传统的底部填充处理。在底部填充固化后（大约在100摄氏度的环境下持续1小时），聚合物微管和孔口连接起来，芯片和底板之间密封的流体通道形成了。
图11为含有电气焊盘和流体微通道的底板上粘合有若干微流体芯片。为了达到简化的目的，通过胶水粘合的硅盖板，芯片上的微通道被封装起来。底板上的多种通道是用感光聚合物制作的。Avatrel 2195作为外部材料，用于通孔的形成。为了验证芯片和底板间流体的连续性，一个塑料管和底板上的分支连接起来，注射泵用来驱动液体。底板上三种微通道用于三种微流体输入输出互连。每一种流体输入输出和三种微通道连接。注射泵可以驱动九个流体通道。抽取的液体通过微流体输入输出离开芯片，底板另一端的通道用于液体的注入。图11中白色的小液滴是离开芯片的液体。
V. THERMAL MEASUREMENTS
这节介绍测试的芯片，测试的方法，以及冷却操作的初步论证。多功能薄膜加热器/温度计被设计和制作出来在测试的芯片上。加热器是用钛/铂薄膜制作的。铂被选中制作薄膜加热器的原因是它是一种热稳定的贵金属，且它的电阻率在一定范围内是随温度线性变化。钛铂薄膜的温度系数为0.0033到0.0039，且可以在800摄氏度的环境下使用。因此此加热器也可作为感温的温度计。在加热器/温度计解决后，晶片表面钝化有二氧化硅层且外面涂有一层聚合物。通孔通过钝化层和焊料凸点打开，且聚合物微管被制造出来为了电气和流体互连。图11为测试印模的SEM图像，该模具含有用耐热玻璃晶片封装的微通道。测试印模的正面集成有钛/铂薄膜电阻，焊料凸点和聚合物微管。凸点和微管的高度分别为75微米和90微米。
图13为当电阻在45瓦功率的加热下，流速为每分钟65到104毫升的情况下，进出口温度和芯片平均温度的测试结果。进出口温度用热电偶进行测试，用软件进行记录。在每次测
试前，循环冷却器首先被打开，使金属热交换器维持一个较低的温度（20℃—22℃）。在达到目标温度后，DI水泵被打开为了微通道散热器的液体流通。在DI水泵的流速稳定后，直流电被打开加热芯片，温度测试工作完成了。从图13中可以看到，随着加热器供电，芯片温度和出口温度迅速增加，而进口温度却没有变化，原因是金属热交换器在循环冷却器的帮助下消散了热量。在流速为65毫升每分钟时，芯片的平均温度上升18.1摄氏度，同时产生0.4摄氏度每瓦的热阻。在更大的流速下（104毫升每分钟），平均温度上升12.7摄氏度，相应的热阻为0.28摄氏度每瓦。实际上，第一个微通道液体冷却的例子证明在每分钟516毫升的流速下，有0.09摄氏度每瓦的热阻和790瓦每平方厘米的冷却。在这个工作中，相比微散热器的表现，我们更加关注流体互连网络的集成与实施。此研究的新奇之处在于用一种方法从微散热器中传送和提取液体冷却剂，这种方法与CMOS工艺和传统的芯片I/O技术兼容。
VI. EXTENDING MICROFLUIDIC NETWORK TO 3D MICROSYTEMS
3D元件的堆叠最早是在60年代提出的。然而现在运用芯片堆叠的商业产品受到低功耗的限制，因为冷却效果已经成为3D微系统最主要的挑战。片上微通道，微流体互连，液体传送技术的发展，已经为3D堆叠芯片形成了集成液体冷却平台。图14为一种微流体网络冷却计划，该计划可以用来冷却3D集成电路。堆叠芯片的每一层硅片有如下特点：1）整体集成的微散热器，2）电气硅孔（TSEV）和流体硅孔（TSFV），后一种是堆叠芯片的液体通道，3）焊料凸点和聚合物微管在芯片上对着散热器的另一面。层间的流体互连是通过穿过晶片的通孔和聚合物微管来实现的。芯片经过特殊的设计，当芯片堆叠起来时，每个芯片都和它的上下层进行液体和电气的互连。结果电气连接用来支持能量传送，流体输入输出和微散热器用来支持每层的热量传送。3D原型组装的工序和第五节中描述的很相似，所以可以和传统的倒装焊接兼容。
芯片的制造过程如图15所示。工序开始于电气通孔的制作，接着是沟槽和微流体通孔的制作，如图15（b）所示。然后沟槽被封进内部形成微通道，如图15（c）所示。接着孔口形成了外层的聚合物，同时暴露了电气硅孔，形成了通过上下层的流体硅孔。这一步后，在硅孔上安装了铜垫，用来在组装时进行焊接。最后焊料凸点和流体聚合物微管制作出来，按上文所描述的。
硅片上没有和有微散热器时，电气硅孔的截面图如图16所示。在图16（a）中，微通道有200微米高，100微米宽。而在图16（b）中，微通道有300微米高，100微米宽。这些制造结果表明对于3D集成系统非常关键的电气硅孔，可以用尺寸范围更大的微通道来集成，从而可以满足大范围的热阻和压降需求。在这两种情况下，整体芯片的面积是1*1.2平方厘米，铜孔的直径为50微米。
微通道冷却的3D集成电路对于高性能服务器有着重大的意义，包括芯片间连接长度的减少。微通道冷却器的另一个优点是热敏电阻的减少相比今天的空气散热器，从而可以转化为芯片性能和功耗的改善。这个可以用下面的简单模型来说明。
这里P是芯片的功耗，T是芯片的温度，Tamd是环境温度，Rth是热阻，a是活动因子，Ctotal是总电容，f是时钟频率，Ileak是漏电流系数，n是亚阈值斜率因子，△Vt是阈值电压变化系数。Nose and Sakurai取得最佳供电电压（Vdd（T））和阈值电压（Vt（T））的模型。集成电路因为确定的性能约束而减少功耗。这些Vdd和Vt显示温度和设备/系统参数的
功能。当这些最佳的Vdd和Vt公式代入（2）中，（1）和（2）代表以功耗和温度为未知数的方程式。如果方程被解出和化简，可以得到一个三次方程，这是芯片功耗和温度的精确表达。利用这种简单的模型可以得到表I的数据，表I显示了在性能和功耗以及工作温度上的重大进步，这是因为采用了65纳米工艺的微通道冷却的3D集成电路。对比空气散热器，3D堆叠芯片的频率可以提高大约12%，如果功耗维持不变。减少的热敏电阻同样可以降低芯片的工作温度，在这里，从88摄氏度降到52摄氏度，因此提高了部件的可靠性。如果芯片的频率保持不变，每块芯片的功耗可以降低20%。这也将工作温度从88摄氏度降低到47摄氏度，也提高了部件的可靠性。最后，如果芯片的功耗可以被提高，芯片的频率可以提高50%以上。由于液体散热器的使用，提高频率的高功耗的芯片可以被冷却，使温度维持在88摄氏度。
VII. CONCLUSION
一种新奇的芯片级的微流体冷却计划，使用晶圆级批量制造，可以解决冷却问题，满足未来千兆纳米级系统的需要。微流体冷却技术的关键特点包括：1）与微散热器兼容的低温度CMOS，2）电气和流体硅孔，3）电气和流体芯片输入输出互连，4）倒装芯片组装工艺与整体密封和粘合技术，5）电气和流体互连的硅板。这些芯片的组装和测试证明了它们的可行性。3D集成电路的热互连问题可以用本文提到的微通道冷却技术解决。3D集成电路微通道散热器使得芯片间的连接长度减少了，同时相比今天的2D空气散热器改善了热阻。总之，晶片级的微流体芯片的批量制造，对千兆规模集成电路的最终表现起到关键作用。