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张志模，张爱兵，汤莲花，朱家昌
中国电子科技集团公司第五十八研究所
摘要：
现代化三维立体集成技术的发展，对电子元器件提出了高密度、集成化和小型化的要求，其内部过高的热流密度成为影响器件长期可靠性的决定性因素。在这种发展趋势下，电子产品热管理的地位不断提升，其重要性甚至不下于芯片设计本身。自微流道散热技术诞生以来，其展现出的优异的散热效果，使其成为高密度集成器件热管理的首选方案，并受到世界范围内研究者广泛关注。经过数十年的研究，微流道技术演化出几种不同的技术路线，并出现了十数种不同结构的微流道设计方案。为了更好地理解这种日新月异的技术，本文进行了系统性的调研和综述。
0 引言
三维立体集成技术是近年来得到迅速发展的先进封装工艺，相比于传统二维平面集成，三维立体集成结构允许芯片在垂直维度上进行互联，避免了长距离引线结构的出现，从而大幅缩短芯片间信号传输时间、提高了封装密度以及信号传输质量，最终表现为集成系统的性能提升[1]。另一方面，由于三维立体集成的复杂构架和叠层封装的特点，导致内部芯片产生的热量难以及时有效散发至外部环境中，从而对电子产品的热管理提出很大的挑战。如果没有有效的散热途径，电子元器件的工作温度将不断上升，这将会导致电子元器件的失效机率急剧增加。著名的“10℃法则”揭示了一个统计规律：一个电子元器件工作环境温度每提升10℃，将使该器件的工作寿命降低到以前工作温度寿命的一半。当电子元器件温度达到90℃以上时，半导体的失效率骤增，约是40℃的7 倍[2]。在电子元件失效诱因中，热失效的比重占到了55%，比其他所有失效诱因之和还要多。早在50 年前，贝尔实验室就预言，热管理将成为三维电子封装面临的主要挑战，如今这已经成为技术人员正在面对的现实。
1 三维立体集成热管理技术
电子元器件热管理的根本目标就是保持器件的结温始终处于可接受的温度以内。在传统的2D 封装结构中，芯片以平铺方式在面内互联，芯片表面具有足够的表面积作为散热渠道。因此，通常在芯片表面安装鳍片式的金属热沉，并以空气交换方式散热。该方案具有容易安装、成本便宜等优点。在两层堆叠的芯片结构中，该方案依然有所应用。但是，当芯片叠层数量超过三层时，由于内层芯片向表面热沉的散热路径变长，热量散出过程中会经过多层热界面材料，导致封装体的结- 环境热阻大幅提升。此外，多芯片堆叠的结构，很容易在芯片内部制造出局域的“热点”，该点的热流密度将大大超过芯片平均水平。一个有效的冷却系统，需要有足够的能力散去热点附近的热量。在这种情况下，传统的空气交换散热方式变得不再适用。
为了解决三维立体集成封装结构的散热问题，目前主流的解决方案是在三维堆叠的芯片之间插入冷却层，以芯片- 冷却层交替堆叠的方式，减少芯片表面向外界散热过程中所遭遇的热阻，从而大幅提升三维立体集成结构的整体散热效率。一种典型的三维立体集成散热结构如图1 所示。
在图1 中，芯片层和冷却层交替堆叠排列。在冷却层和叠层芯片中同时布设了TSV 电学通道和用于冷却介质流动的换热通道，该结构可以同时实现系统级的高效电学互联以及热通道互联，属于高度的电- 热协同设计。图中的冷却层可以通过多种方式进行散热，包括嵌入式微流道制冷、喷雾式制冷、多射流制冷喷射制冷等。其中喷雾式制冷和多射流喷射制冷技术中涉及的流体输送路径复杂，制造工艺难度大，且器件的整体外形大，不利于实现小型化的目标。此外，由于需要对流体进行加压，需要额外的泵入功率，因此应用范围较小。相比之下，微流道制冷技术可以实现紧凑的结构外形，且流体的压降较小，得到了更加广泛的应用。微流道结构常是在很薄的硅片或具有高导热性的材料上用化学刻蚀、离子束切割、光刻电铸等微加工方法，加工出截面尺寸为10~200μm 的微流道[3]，通过微泵驱动冷却介质在这些流道中流过，与流道壁面发生热交换。由于微流道结构具有很高的比表面积，冷却液体与高温壁面发生充分的热交换，具有传热效率高、流体压降低、无噪音等优点。
2 微流道散热技术简介
微流道散热结构能够有效应对当今高性能、高功耗、高密度集成电路的散热问题。相对于传统的风冷式热沉，微流道热沉具有更紧凑的外形结构（如图3 所示），可以满足高密度封装的要求。传统风冷式热沉中，芯片有源区域的导热路径过长，且导热路径上存在多层热界面材料，对于电路散热十分不利。相比之下，微流道可以被直接刻蚀至和芯片有源区域紧密相邻的位置，避免了引入额外的热界面材料，因此可以大幅降低散热路径的热阻，满足高热流密度散热要求。
1981 年，Tuckerman 和Pease 首次提出了在芯片上集成微通道热沉的概念，他们在400μm 厚的硅晶圆上用KOH 刻蚀出槽宽度50μm、壁厚50μm、深度300μm 的微通道。在冷却水流量为0.52 L/min，进出口压降为214 kPa，平均温差71℃的条件下，微通道展示了790 W/cm2 的高热流密度散热能力，研究认为，如果对微通道散热系统进行优化，带走1000 W/cm2 以上的热流是可以实现的。
由于微流道结构被证明具有大热流密度的散热能力，该技术受到世界范围内的研究者的广泛关注，经过数十年的研究，大量不同种类和结构的微流道技术陆续被开发出来。总体而言，这些不同的微流道技术可以按照散热机制和流道结构两种角度进行分类。按照散热机制不同，微流道技术可以划分为单相流体散热和两相相变式散热[4]。在单相流体散热技术中，冷却介质在流道中一直保持为液态，通过液体的固有热容带走热量，缺点是流体在流道中流动时会逐渐被加热，形成横向温度梯度，最终导致芯片表面换热不均匀，容易在芯片中引入热应力；在两相相变式散热技术中，一般使用低沸点液体作为冷却介质，冷却液会在热源区被加热汽化，通过吸收相变潜热的方式带走大量热量，缺点是需要通过较为复杂的结构实现。按照微流道结构的不同，微流道技术又可划分为平直型流道、辐射式流道、微针- 鳍片式流道以及分流歧管式流道[5]。其中平直型流道、辐射式流道、微针- 鳍片式流道结构一般采取单相流体散热，分流歧管式流道一般采用两相相变式散热。下面对几种主流的微流道技术做逐一介绍。
2.1 平直结构微流道单相散热技术
Tuckerman 和Pease 最早提出的微流道概念即为平直结构微流道单相散热技术，该技术通过深硅刻蚀工艺在硅片表面加工出具有矩形横截面的流道槽结构，并通过焊料焊接的方式加装盖板层，形成封闭的流道结构。该技术具有结构简单，散热效率高等优势。笔者所在的中国电科58 所在平直结构微流道单相散热技术上进行了较为深入的研究，并从热力学仿真、微流道加工工艺到热阻测试开展了系统性的研究，下面以本单位开展的工作为例，对平直结构微流道单相散热技术做简要介绍。
在仿真研究中，采用Fluent 流体仿真软件进行微流道芯片结构和热性能仿真[6]。仿真模型中芯片功耗为60 W、流道槽宽0.1 mm、槽深0.5 mm。固体域采用硅材料，流体域采用液态纯水。设定冷却液流量为0.25 cm3/s，温度为30℃。图4、图5 为平直结构微流道单相散热的瞬态仿真结果，图4 和图5 分别代表芯片的温度及流道内部压力分布云图。由图可以看出，芯片的最高温度最后稳定在92℃；芯片上温度分布存在一定的梯度，靠近入水口处温度较低，靠近出水口处温度较高。流道中最大压力为3593N/m2，整体压力分布较为均匀，未出现压力突变区。通过仿真分析，同等功率芯片，如果仅采用热沉和风冷的方式进行散热，芯片的温度将达到几百度。通过该硅基MEMS 微流道散热器的散热效果，可有效控制芯片温度在100℃以内。
对微流道的刻蚀形貌尺寸及侧壁粗糙度进行了SEM 截面分析，可见微流道呈现比较良好的垂直状态，微流道刻蚀侧壁的粗糙度基本保持在60 nm 以下，满足后续绝缘层及种子层的沉积要求。最终的热阻测试结果表明，该平直结构微流道热阻为0.41℃/W，表现出优异的散热性能。
2.2 中心辐射式结构微流道技术
微流道制冷技术已经被证明具备高热流密度的散热能力，可以用于三维芯片堆叠中的热管理。然而，在使用单相液体制冷的情况下，常规的平直结构微流道中冷却液在流动过程中被芯片加热，容易形成横向的温度梯度，导致芯片在流体的后半段流动路径上的散热效果不佳。此外，在大尺寸芯片的微流道结构中，由于流道槽截面积小，冷却液的流道路径长，导致流体的压降也很大，这意味着需要更大的泵入功率来保障流体在微流道中的流动。
针对传统平直结构流道的以上不足，2016 年，美国IBM 公司的Bing Dang 等学者提出了一种放射式微流道布局的方案[7]。该方案在倒装焊组装的热测试芯片衬底背面制作了开放式放射状微流道结构，并通过上下层焊接来完成微流道结构的密封，最后封装在铜基板和陶瓷基底之间构成完整的立体微流道系统。冷却液由位于芯片中心位置的入口流入，并以辐射的方式从中心向四方流动。这种结构大幅缩短了冷却液的流动距离，在一定程度上避免了横向温度梯度问题。
实验中使用到的测试装置如图8 所示，测试对象包括带微流道的两层堆叠芯片、带出入口的铜外框架、带歧管的硅板以及陶瓷基板。通过上下芯片叠层，形成了深度100μm 的闭合微流道结构。通过使用R1234ze冷却液，该测试装置实现了340 W/cm2的热流密度散热能力。通过分布于芯片表面的RTD温度传感器，探测到被冷却的芯片表面呈现出良好的匀温性，最高温和最低温区域的温度差不超过4.5℃，远远优于常规的平直结构微流道。
2018 年，Mark D. Schultz 等学者对上述辐射式微流道进行了改进，在上述方案的基础上，在流道中引入了额外的立柱状结构。该柱状结构中可以布设TSV，最终通过柱互联的方式，实现叠层芯片封装。实际加工出的器件外形如图9 所示。
2.3 微针- 鳍片型扰流柱结构微流道散热技术
在平直结构微流道中，由于流道壁对流体的吸附作用，流体在流道中以层流方式流动，呈现中间速度快、边界速度低的状态。因此，流体与流道壁接触界面基本处于不受扰动的平衡状态，流道中心温度更低的层流难以发挥冷却作用。在扰流柱式微流道散热技术方案中，平直结构的流道槽被替换为交错排列的微针- 鳍片式阵列结构，流体的平衡流动模式不断被微针或鳍片打破，层流中心的冷却液有机会与热界面接触，从而能够提供更高的散热效率。
2007 年，IBM 公司的Colgan 等人为进一步提高单相流微通道散热能力，采用多支管进出口设计[8]。该设计一方面将微通道热沉划分为多个换热区，缩短通道内流体流动距离，另一方面，将平直结构微流道变为交错排列的微鳍片阵列，这种设计能在整体流体压降不大的情况下，增强微通道的传热性能。研究结果表明，对于以去离子水作为冷却工质的情况，当冷却水入口温度为22℃，流量为1.25 L/min、压降为42.1 kPa 时，在芯片节温与冷却水入口温差为70℃的条件下，宽35μm 间距60μm 的微通道展示了超过500 W/cm2 的散热能力，其传热系数达到了约200000 W/m2 K。对于以含氟化合物作为冷却工质的情况，在芯片节温与工质入口端温差65℃的条件下，宽42μm 间距75μm 的微通道实现了最大热流密度超过270 W/cm2 的散热能力。
2017 年，美国佐治亚理工的E.S.Thomas采用直接在28 nm CMOS 工艺制程的FPGA 芯片的背面刻蚀微针－翅片微流道进行芯片散热。测试载具中的微针直径为100μm，微流道深度为240μm，形成蜂窝状阵列式分布，如图11-12 所示。测试中使用去离子水作为冷却介质，在流体流速为3 mL/s，芯片功率为160 W 的条件下，芯片温度能够从61℃降低至24℃，实现平均节点与入口热阻为0.07℃/W，冷却液压降为97 kPa。
2.4 两相分层歧管微流道散热技术
在传统两相微流道散热技术中，由于微流道过长，工质在流动过程中发生相变之后，后半段路径中高温的气体工质难以继续对热源产生冷却效果，从而造成热源芯片温度分布不均匀，热应力过大等缺陷。为了改善这个问题，研究人员提出了分流歧管式散热概念，其原理是将工质的流动路径分段化，从而降低工质的有效流动长度。图13 展示了传统微流道散热器与歧管式微流道散热器的冷却原理示意。
2017 年，普渡大学开发了一种两相分层歧管微流道散热技术[9]。该技术通过利用MEMS 刻蚀技术和传统机械加工方法制作了两相分层歧管微通道散热器阵列。利用传统机械加工的方式在多层硅片上制造出歧管式通道，用于对流体工质进行分流。利用MEMS 微刻蚀技术，在热源芯片背面制备出9×9 的微流道阵列，并与被分流的工质通道一一对应。
该散热器具体结构如图14 所示，图中的两个箭头分别表示冷却液流入和流出的路径，从底层硅片流入的冷却液被逐级分解，在到达微流道阵列的入口之后，流动方向由垂直变为水平，并最终流出。顶部为带有微流道阵列的热源，在5×5 mm 的热沉区域，微流道被划分为9×9 的栅格阵列，一共包含81个独立的热沉单元。这种划分方式可以将工质的有效流动长度缩短为225μm。每个热沉单元包含一个入口和两个出口，并包含18 条高深宽比的微流道，微流道宽11μm，深155 微米。本工作中使用蒸镀铂电阻的方式制备出5×5 mm 的模拟热源区域，并划分为3×3的阵列，在每个阵列栅格中布设一对RTD 用于监测温度变化。实验测试结果表明，使用HFE-7100 作为冷却工质，流量在200 kg/m2 s 到300kg/m2 s 时，可产生最高445 W/cm2 的散热效果，相应的流体压降可低于80 kPa。
3 面向三维集成的微流道散热方案
由于三维立体集成微系统对高效的热管理方案的需求，微流道散热技术和三维立体集成技术必须被整合至统一的工艺框架之下。这将会涉及到芯片工艺、微流道加工工艺以及立体集成工艺之间的兼容性及多物理场耦合影响等复杂问题。
根据微流道所处位置不同，目前主流的微流道和三维立体集成一体化加工方案分为两种：分别是在芯片背面嵌入微流道和在转接板上嵌入微流道，如图15 所示。前者在转接板（硅或玻璃基）上刻蚀微流道和加工TSV，芯片通过倒装焊的方式直接与转接板互联，该工艺的优势是将微流道和TSV 等复杂结构转移至转接板上，不需要对芯片做进一步加工；后者在芯片本身上加工微流道和TSV结构，芯片间通过三维堆叠方式集成，该方案可以避免引入多层转接板，保证封装体外形更加紧凑，但是对芯片加工能力的要求高。
3.1 内嵌微流道的叠层芯片技术
2008 年，美国佐治亚理工学院Deepak Sekar 与美国IBM 公司的Bing Dang 等学者联合提出了三维叠层芯片内嵌微流道散热技术的概念[10]。技术的概念图如图16 所示，每层芯片均包含以下特征结构：1） 微刻蚀加工的微流道槽结构；2） 导电过孔-TSEV、导光过孔-TSOV、流体过孔-TSFV；3）作为TSEV 的I/O 端口的焊料凸点、TSOV 的I/O 端口等结构。相邻芯片层之间通过微凸点和焊料垫完成键合，并通过密封环完成了封装体内微流道的连接。该方案解决了三维集成电路中具有挑战性的热互连问题，最终形成垂直芯片间的电信号、光信号以及冷却液通道的互联。
M. S. Bakir 和B. Dang 等人通过在1x1.2 cm2 的芯片上嵌入深度300μm，宽度100μm 的平直型微流道，以去离子水作为冷却液，在65 mL/min 的泵入速度下，单芯片的结- 环境热阻可低至0.24℃/W。所采用的测试装置如图17所示：四层芯片形成叠层结构，相邻芯片层间通过焊料微凸点和焊料垫实现TSV 和微流道的互联。叠层芯片组装主要通过热压焊工艺实现：最底层芯片和基板分别被预热至180℃和140℃左右，之后在芯片上施加200 g 大小的压力，并同时将芯片和基板的温度提升至230℃和150℃左右，完成热压倒装焊接。后续芯片通过类似方法依次往上叠层。完成所有芯片叠层后，通过涂覆密封剂来密封顶层芯片上的流道管。
为了降低芯片热阻和流体的流阻，在更低的泵入功率下实现更高热流密度散热，芯片内嵌微流道深度需要达到一定水平（一般在250μm 以上）。因此，每一层芯片必须保留得足够厚。这和传统三维芯片堆叠的原则不同，后者为了追求更薄的封装外形，叠层封装之前，每一层芯片都减薄至尽量低的水平。芯片厚度增加之后，会不可避免造成TSV 集成密度的降低。这是因为，在TSV 加工工艺中，TSV 的深宽比极限是一定的，芯片厚度的增加意味着TSV 直径随之增加，从而导致TSV 分布密度降低。为此，必须寻找一个平衡点，以同时满足三维立体集成对集成密度和热管理的要求。
为了满足三维叠层芯片散热技术对微流道深度的要求，IBM 公司的Mark D. Schultz 等人在2018 年提出一种通过柱互连工艺来实现嵌入微流道散热结构和TSV 结构集成的封装技术概念，此方法将允许更高的微流道深度，并且有源芯片可以正常进行减薄处理。该方案的核心思想是将原本凹陷在芯片内部的微流道凹槽结构变为凸出在芯片表面立柱和隔墙结构。凸出的立柱和隔墙结构单独在一块硅片上完成，并以倒装焊接的方式与有源芯片互联，上下层间芯片电学互联的TSV 结构分布在圆柱体之中，上下层芯片之间通过圆柱上的焊球进行互联，微流道通过径向分布的隔离壁进行密封。冷却液从芯片中心流入，沿径向的各个分支流道流出。由于冷却液沿中心辐射流出，且流动过程不断被立柱扰动，该方案可以被认为是辐射式扰流柱结构微流道的三维叠层版本。
3.2 集成微流道散热的硅转接板技术
集成微流道散热的硅转接板技术通过转接板中的TSV 互连和微流道散热结构，可对单层或多层高性能芯片叠层的2.5D/3D 集成系统在实现高集成度的同时进行散热管理，可在提高集成度、高密度散热、兼容制造等方面取得折中，有望成为突破三维集成高效散热的关键路径。
图18 为一个典型的三维堆叠芯片式立体集成和微流道散热一体化案例，芯片通过倒装焊的方式组装到硅转接板上，转接板上带有微流道结构和TSV 结构，前者用于带走倒装芯片产生的热量，后者用于堆叠芯片在垂直方向上的信号和电源传输。
2018 年，德国弗劳恩霍夫研究所的Wolfram Steller 等学者提出了一种基于内嵌微流道硅转接板的双面散热技术。如图19 所示。其中叠层芯片模块以倒装焊接的方式组装到转接板上，叠层芯片顶部由冷盘散热，底部由转接板散热，顶部和底部的冷却液单独供给。使用该转接板方案，在20 x 20 mm2 的芯片面积上散去了672 W 的功率， 实现了168W/cm2 热流密度的散热效果，实验中流道的压降最大为23 kpa，如果需要提高输入的流体压力，需要更好的流道密封性。
4 未来挑战
三维立体集成技术以其优异的电学互联性能，在近年来得到了广泛的关注，然而，随着集成密度的提升，芯片之间的间距也变得越来越小，对系统级的热管理提出的挑战也越来越大。总体而言，未来的立体集成微流道技术将面临以下几个方面的挑战：
（1）高功率器件在叠层封装过程中容易产生“热点”，需要足够的散热效率来满足“热点”的散热需求；
（2）芯片散热的均匀性，包括平面维度和垂直维度。由于存在面内温度梯度，常规的平直结构微流道难以满足面内匀温性的要求，需要进行新的结构设计，如中心辐射式微流道结构；垂直方向的进行堆叠的芯片往往性能和功率不统一，使用同一进出水口，难以保证所有芯片均得到良好的散热效果；
（3）为提高集成密度，叠层芯片厚度有限，导致内嵌微流道深度不足，难以满足散热需求；
（4）微流道工艺引入较为复杂的结构，需要较大的外界泵入功率来支撑冷却介质的流动，同时对器件密封接合的性能提出了较高要求，否则会存在漏液的风险。
5 结束语
本文对三维立体集成中的内嵌微流道散热技术进行了调研综述，首先介绍了三维立体集成微系统的热管理技术背景，对比分析论证了嵌入式微流道技术的优越性。之后，从冷却机制和流道结构两个方面对微流道工艺技术进行了分类。并着重介绍了几种典型的微流道散热技术，包括：传统平直结构微流道技术、中心辐射式微流道技术、微针- 鳍片式微流道技术以及两相分层歧管微流道散热技术。之后，从三维微系统和微流道工艺整合集成的角度，总结了两条典型的工艺路线，包括叠层芯片内嵌微流道以及转接板内嵌微流道两种。最后，简要总结分析了面向当今三维立体集成的微流道散热技术所面临的挑战以及可能的发展方向。
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