一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构的制作方法

1.本实用新型属于微机电系统技术领域，具体涉及一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构。


背景技术：

2.众所周知，军用电子和光电子技术一直处于现代军事变革的首要位置，随着该技术的不断发展，美欧等发达国家对雷达系统提出swap(size，weight and power)的需求，就是在提高雷达功率的同时，进一步减少系统尺寸和重量。但是带来的后果是小体积大功率器件必然使发热量变大，尤其是随着微型芯片在处理复杂信息的同时会产生惊人的热量，热量会削弱芯片的性能，甚至降低其使用寿命，影响芯片安全高效的工作状态。而传统的散热器无法应用在这种高温、高辐射、强腐蚀环境下，因此散热材料和散热方式的选择变得十分重要，新型散热材料的研究和发展成了一个必须和急需的问题。
3.相对于市面上常见的导热硅脂、石墨、金属等传统散热材料，金刚石有超高的导热率，可以将芯片热量迅速导出。除此之外，金刚石还具有卓越的力学、光学、声学、电学和化学性能，使其在高功率光电器件散热的问题上的明显优于其他材料，尤其适应高温、高辐射以及强腐蚀的恶劣环境。
4.而多通路散热器结构具有常规散热结构无可比拟的散热效果，尤其是设想以金刚石作为衬底的多通路散热器结构，热量可以高效的从金刚石衬底上传至衬底中多通路冷却液上，并迅速通过冷却液传导出去，是理想的大功率器件散热材料和散热方式。但是由于金刚石具有极高的强度、硬度和刚度，难以用常规的半导体工艺实现其高精度图形化，制作金刚石微结构，尤其是三维金刚石微结构始终是一个技术难题。
5.有鉴于此，本发明人提出一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，该散热器全采用金刚石材料，且通路间互相连通，可以迅速达到热平衡，解决传统散热器不能应用在高温、高辐射、强腐蚀等极端环境下的问题。
7.本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：
8.一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，包括层叠设置的金刚石衬底和金刚石外延层，所述金刚石衬底与金刚石外延层之间任一相对两侧边缘处设置有两个相互平行的金刚石条，所述金刚石衬底上、位于两个相互平行的金刚石条之间设置有多个金刚石柱，多个所述金刚石柱呈相互交错分布，所述金刚石外延层的表面用于放置待散热对象。
9.进一步地，所述金刚石衬底为高温高压衬底、自支撑金刚石薄膜、或者cvd金刚石衬底。
10.进一步地，多个所述金刚石柱的上端均由金刚石外延层封闭，所述金刚石衬底、金
刚石外延层及两个平行的金刚石条形成半封闭容腔，所述半封闭容腔空出的相对通道用于流通冷却液。
11.进一步地，相邻所述金刚石柱间距相同，且每列/行金刚石柱位于相邻列/行金刚石柱位置的垂直平分线上。
12.进一步地，所述金刚石柱的外径小于1000μm，且相邻所述金刚石柱间距范围为5μm～100μm。
13.进一步地，所述金刚石柱的高度与相邻金刚石柱间距的比值大于2：1。
14.进一步地，所述待散热对象为与金刚石外延层键合的半导体芯片或集成电路。
15.进一步地，所述金刚石衬底的形状矩形、正方形、圆形、椭圆形或者梯形。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
17.本实用新型一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，该散热器整体采用金刚石制作，且结构布局新颖，实现了基于金刚石衬底的多通路散热器结构，通路间互相连通使半导体芯片产生的热量可迅速通过冷却液传导出去，从而使芯片不因温度问题影响工作性能，延长了芯片的使用寿命。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构的结构示意图；
21.图2为本实用新型一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构的使用状态示意图。
22.其中：1为金刚石衬底；2为金刚石条；3为金刚石柱；4为金刚石外延层；5为半导体芯片。
具体实施方式
23.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置的例子。
24.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细描述。
25.参见图1～2所示，本实用新型一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，包括层叠设置的金刚石衬底1和金刚石外延层4，金刚石衬底1与金刚石外延层4之间任一相对两侧边缘处设置有两个相互平行的金刚石条2(如附图中左右相对两侧所示)，金刚石衬底1上、位于两个相互平行的金刚石条2之间设置有多个金刚石柱3，多个金刚石柱3呈相互交错分布，金刚石外延层4的表面用于放置待散热对象。本实用新型通过以上设置，其散热器全部采用金刚石材料，可以使得金刚石内通路不需要通过粘合剂等其它材料对其进行封顶粘
合，而且通路间互相连通，可以迅速达到热平衡，保障良好的散热效率。
26.具体的，金刚石衬底1为高温高压衬底、自支撑金刚石薄膜、或者cvd金刚石衬底。金刚石衬底1的形状矩形、正方形、圆形、椭圆形、梯形或者其它形状。
27.其中，所有的金刚石柱3上端均由金刚石外延层4封闭，即金刚石衬底1、金刚石外延层4及两个平行的金刚石条2形成半封闭容腔，半封闭容腔内设有多个呈相互交错分布的金刚石柱3，不设置其它任何障碍，组成多连通通路，所述半封闭容腔空出的相对通道(附图中前后方向所示)用于保证冷却液可顺畅流通。
28.实际制作时，首先通过金属掩膜，干法刻蚀，剥离的方法得到金刚石条2和金刚石柱3，再通过mpcvd技术横向外延生长技术外延生长金刚石外延层4，使得金刚石条2和金刚石柱3的上端均与金刚石外延层4连接，以形成完整的金刚石多联通通路。该制作过程可以保证制作金刚石多通路散热器结构时，不引入其他牺牲层材料，并形成多联通通路，确保了散热的稳定性，提高散热效率。
29.本实用新型金刚石柱3具体分布如下：相邻金刚石柱3间距相同，且每列(行)金刚石柱3位于邻列(行)相邻金刚石柱3位置的垂直平分线上，保证外延生长的一致性和成功率。金刚石柱3的外径小于1000μm，金刚石柱3过大会使得散热表面积过小，影响散热效率；相邻金刚石柱3间距范围为5μm～100μm，间距小于5μm会影响冷却液的流通，间距大于100μm会导致外延层长入通路内部；金刚石柱3的高度和间距的比值大于2：1，进一步保证外延层不会长入通路内部。
30.本实用新型一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构的制作方法包括以下步骤：
31.步骤1、在金刚石衬底1上通过金属掩膜，干法刻蚀，剥离的方法得到金刚石条2和金刚石柱3；其中，干法刻蚀方法可以为电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀或聚焦离子束刻蚀等。
32.步骤2、在得到的金刚石条2和金刚石柱3表面上外延一层金刚石外延层4；外延方法为mpcvd外延，mpcvd即气相外延生长。
33.本实用新型使用时，如图2所示，先将一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构制作好之后，然后将半导体芯片5键合在金刚石外延层4上，就可以通过该散热器对半导体芯片5进行散热。
34.实施例
35.如图1所示，一种基于金刚石衬底的多通路散热器结构，其金刚石衬底1为高温高压7
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1mm3合成的本征金刚石；金刚石条2和金刚石柱3首先利用磁控溅射薄膜淀积工艺，标准光刻工艺及干法刻蚀工艺，在金刚石衬底1两侧边缘上制备出厚度为10μm，宽度50μm，长度7000μm的al条(金刚石条2)，并制备厚度为10μm，直径100μm，间距10μm的圆形al柱(金刚石柱3)阵列，al柱阵列交错排列，相邻al柱间距相等，每列(行)al柱位于邻列(行)相邻al柱位置的垂直平分线上，通过icp刻蚀工艺，将al条和al柱阵列转移至金刚石衬底1的表面，刻蚀条件为：刻蚀气体为氧气和氩气，气体流量分别为50sccm和20sccm，刻蚀功率800w，腔压10mtorr，刻蚀深度为30μm，并用硫酸和硝酸洗掉al条和al柱阵列，在金刚石衬底1表面两侧边缘形成金刚石al条，al条间为金刚石柱阵列；最后通过mpcvd技术横向外延生长100μm的金刚石外延层4使其与al条和al柱阵列顶端分别连接，形成多连通通路。生长条件为：反应气体为甲烷和氢气，气体流量分别为280sccm和250sccm，生长气压100torr，衬底
温度为880℃。待生长结束后，将金刚石多通路散热器结构与半导体芯片5进行键合。
36.本实用新型利用金刚石具备的超高热导率性能，在金刚石衬底1上通过金属掩膜，干法刻蚀，剥离的方法得到金刚石条2和金刚石柱3陈列；然后通过mpcvd技术横向外延生长出金刚石外延层4；最终形成了金刚石三维多通路散热器结构，该散热器不仅可以引入冷却液，还可以保证散热的稳定性。该散热器结构经与半导体芯片键合，可使半导体芯片的热量迅速通过金刚石衬底扩散并通过其中的冷却液通道迅速传导出去，显著的提高散热效率，同时该散热器结构由于全部采用金刚石制作，因此能够在高温、高辐射、强腐蚀等极端环境下仍正常工作，确保芯片长久安全高效的工作状态。
37.以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
38.应当理解的是，本实用新型并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。