高性能硅基微流道優化方法研究

錢吉裕，魏 濤*，王 韜，李秋燕，吳傳貴

(1.南京電子技術研究所 南京 210039；2.電子科技大學電子科學與工程學院(示范性微電子學院) 成都 611731)

隨著微電子技術朝著微型化、集成化方向發展，小封裝尺寸、高芯片集成度等原因，使微電子器件工作時產生的熱量不易向外散發。在實際應用中，當微電子器件處于工作狀態時，產生的焦耳熱會使微電子芯片單位面積上的熱通量升高，逐漸形成過熱點，特別是一些大功率器件，如氮化鎵功率器件等，其工作時的熱流密度能達到1 000 W/cm2以上[1]。通過有效的芯片熱管理技術解決微電子器件熱致失效問題變得尤為重要。自微流道散熱器的概念提出后[2]一直受到學者們廣泛的關注，在提高微流道散熱性能與散熱均勻性等方面做了大量研究[3-4]。如，在微流道底部加入針翅結構或者在側面加入擾流結構擾亂流體邊界層[5-8]；增大流體與微流道的有效接觸面積提高微流道散熱器散熱性能；此外，通過制備多孔微流道也是一種有效提高散熱性能的方法[9-10]。

在對微流道散熱器的性能進行評測時，尤其是對微流道內部溫度分布、變化等進行監測時，需要通過集成在微流道內部的溫度傳感器實現。但是，目前常見且合適的工具或方法無法直接獲取散熱器內部的溫度信息，這些用來測試散熱器的溫度傳感器多位于散熱器的進、出口處[11]和表面[12]，而紅外熱成像方法只能監測到散熱器表面的溫度分布[13]。

本文通過激光刻蝕工藝，制備了一種內部集成有薄膜溫度傳感器的硅基微流道散熱器，對優化微流道設計和提高散熱器性能具有重要意義。

1 設計原理及結構設計

1.1 設計原理

已知單位時間內帶走的熱量可以由牛頓散熱定律描述：

式中，Qconv是單位時間內帶走的熱量；h是冷卻液與固體之間的對流傳熱系數；A是冷卻液與固體之間的接觸面積；TS和T∞分別是熱源表面的溫度和冷卻液的入口溫度。從式(1)中可以得知，增大對流傳熱系數或者增大冷卻液與微流道的接觸面積都可以有效地增大單位時間內帶走的熱量。通過牛頓冷卻定律定義熱阻來評估微流道散熱器的散熱性能，對式(1)進行變換，得到：

式中，Rconv=(1/h)A即為熱阻。

文獻[14-15]研究了微流道的入口效應，發現微流道的努塞爾數比微流道中后位置的努塞爾數大，努塞爾數的整體計算分為入口處和中后部分，這樣得到的努塞爾數更為準確。所以在設計微流道時，可以根據實際情況結合入口效應來確定流道的長度。

1.2 散熱器結構設計

圖1a是微流道散熱器的整體結構示意圖。圖1b是微流道散熱器的爆炸圖，微流道散熱器主要包括模擬熱源、微流道硅片和集成有薄膜溫度傳感器的基片。模擬熱源分布在微流道硅片的上表面，溫度傳感器分布在基片的上表面。其中，基片的尺寸為20 000 μm×20 000 μm，模擬熱源的尺寸為 4 000 μm×4 000 μm。微流道硅片尺寸為 11 000 μm×10 000 μm。結合入口效應以及模擬熱源的大小，每根流道的長度為5 000 μm，寬度和深度分別為100 μm 和300 μm，一共25根流道。圖1c為薄膜溫度傳感器在微流道內的分布示意圖，9個小型薄膜溫度傳感器等間距分布在微流道內部，沿散熱器入水口到散熱器出水口，依次被命名為S-1、S-2、S-3、S-4、S-5、S-6、S-7、S-8、S-9。每個溫度傳感器之間的距離為500 μm，尺寸為 40 μm×200 μm。而在散熱器的出入水口正下方，分布兩個尺寸較大(400 μm×500 μm)的薄膜溫度傳感器，分別命名為S-In和S-Out。

2 制備與測試平臺的搭建

Pt金屬薄膜具有優良的溫度電阻特性，本文采用Pt作為溫度敏感金屬層。同時，為方便連接外界電路，采用Au作為焊接材料。Ti薄膜金屬層與Cr薄膜金屬層為粘附層，目的是提高Pt與基片之間、Pt與Au之間的黏附性。需要制備的Ti/Pt/Cr/Au多層溫度敏感金屬層采用標準的MEMS工藝制作。在硅片上沉積金屬薄膜前，要先生長一層厚度為200 nm的二氧化硅層(SiO2)用于電絕緣層。通過磁控濺射鍍膜和電子束蒸發鍍膜制備的Ti/Pt/Cr/Au金屬層的厚度分別為20/200/20/100 nm。本文使用激光刻蝕方法制備硅基微流道，同時，采用蛇形薄膜金屬層模擬微電子芯片的工作狀態。

為了提高薄膜溫度傳感器的測試精度和穩定性，對薄膜金屬層進行了高溫退火處理。在350 ℃下退火1 h后，所有的溫度傳感器通過VPF-100-FTIR低溫恒溫器進行嚴格校準。為了精確測量溫度傳感器的電阻，所有傳感器均采用四線連接，目的在于消除連接線寄生電阻的影響。在校準前，恒溫室的壓力保持在100 Pa以下(防止空氣中的水蒸氣冷凝結冰)。液氮用于降低低溫恒溫器中的溫度。在低溫恒溫器中通過溫控器調節溫度后，讀取相應傳感器的電阻。標定結果表明，該溫度傳感器保持了良好的溫度電阻特性，呈正的、高線性的溫度依賴。完成模擬熱源、硅基微流道以及薄膜溫度傳感器的制備后，采用苯并環丁烯(BCB)進行鍵合。BCB是鍵合層也是保護層，防止薄膜溫度傳感器直接暴露在冷卻液中，從而提高薄膜溫度傳感器的穩定性和可靠性。通過FINEPLACER sigma半自動亞微米貼片機對準鍵合后的微流道散熱器如圖2a所示，所有的薄膜溫度傳感器集成在微流道散熱器的內部。測試平臺如圖2b所示。

為了實時監測微流道散熱器內的溫度變化，本文實驗搭建了一套相匹配的測試系統。測試儀器主要包括一個為模擬熱源提供輸入功率的直流電壓/電流源；一個控制冷卻劑流量的注射泵；以及開發有LabVIEW程序的Keithley2700數據采集儀(實時監測微流道內的溫度變化)。同時在微流道散熱器正上方安裝了紅外熱像儀實時監控微流道散熱器表面溫度的變化。溫度傳感器讀取數據的時間間隔為50 ms，測得的溫度數據最終在PC端進行轉換、顯示和存儲。

在對微流道散熱器內部溫度進行測試時，可靠、穩定的薄膜溫度傳感器是精確測量的前提條件，特別是當微流道散熱器內的溫度波動較大或者工作溫度較高時，它所集成的薄膜傳感器的電學性能必須保持穩定。圖3為薄膜溫度傳感器與測試系統的穩定性、可靠性測試結果。圖3b為S-5薄膜傳感器的溫度瞬態響應。此時熱源芯片輸入功率為1.5 W，去離子水的注入流量為0 ml/h時，薄膜溫度傳感器在68 ℃左右的工作溫度下持續1 h。所以，溫度傳感器性能穩定，在較高溫度下，性能沒有退化，能準確實時讀取微流道散熱器內的溫度變化。

3 測試結果與討論

3.1 薄膜溫度傳感器與測試系統的穩定性、可靠性測試

首先，通過實驗對薄膜溫度傳感器和測試系統的穩定性進行了測試。整個測試過程在相對封閉的實驗室內進行。實驗中，采用去離子水作為微流道散熱器的冷卻液。如圖3a所示，當去離子水的流量為0 ml/h，模擬熱源上的工作功率為0 W時，11個傳感器之間的溫差大約為0.05 ℃。結果顯示，散熱器上的溫度沒有發生明顯的波動，從散熱器入水口到出水口之間的溫度差異始終維持在0.05 ℃以內。這一結果表明了微流道散熱器與測試系統在工作時性能穩定，薄膜溫度傳感器的靈敏度較高。

3.2 激光刻蝕的微流道散熱器散熱性能研究

圖4a、圖4b分別是激光刻蝕的硅片表面形貌圖和深反應離子刻蝕的硅片表面圖。通過對比能夠發現，在相同的區域內，激光刻蝕得到的表面要比深反應離子刻蝕得到的表面粗糙。這些表面凹凸不平的地方能夠增大流體與微流道內表面的接觸面積。

實驗結果如圖5所示。從圖5a中可以看出，當電源的功率固定為1.5 W時，隨著入口處流量的增大，熱源表面的溫度降低；在同樣熱源功率和流量的情況下，激光刻蝕微流道表面的溫度要低于深反應離子刻蝕微流道表面的溫度，隨著流量的增大，溫度的差異逐漸減小。圖5b是熱源功率與熱源表面溫度之間的關系。實驗入口處流量固定為100 ml/h，在0.02～2 W之間改變熱源的功率；隨著功率的增加，熱源表面的溫度呈線性增長。在相同的功率和流量下，激光刻蝕微流道表面的溫度一直低于深反應離子刻蝕微流道表面的溫度。根據式(2)，計算得到不同流量和不同功率下的熱阻。圖5c中，相同的功率下，流量在0～300 ml/h之間，兩種方法制作的微流道的熱阻具有和圖5a相同的趨勢；隨著流量的增大，兩種方法制作的微流道熱阻均隨之降低。熱阻越低，單位時間內帶走的熱量就越多。圖5d是相同流量不同功率下熱阻的變化。在冷卻液入口溫度不變以及功率相同的情況下，深反應離子刻蝕微流道的熱阻是激光刻蝕微流道的兩倍左右。綜合分析得到，激光刻蝕微流道散熱器的散熱性能優于深反應離子制備的微流道散熱器的散熱性能。

3.3 微流道散熱器溫度均勻性與局部熱點研究

在實際應用中，微電子芯片上產生的局部熱點以及溫度分布不均勻的現象都會影響芯片的工作狀態和性能。圖6所示是散熱器的溫度分布研究。

圖6a和圖6b是在不同的條件下，微流道散熱器內的溫度仿真和實驗結果。圖6a是模擬熱源的工作功率為1.5 W，去離子水的流量為0 ml/h時，散熱器上的溫度分布遵循正態分布。實驗和仿真結果都表明散熱器上的溫度峰值處在微通道散熱器的中央區域。當施加相同的輸入功率(1.5 W)，而將去離子水(冷卻液)的流量增加到100 ml/h時，微流道散熱器上的溫度從入水口到出水口逐漸增加，熱點移動到微流道散熱器出口附近，如圖6b所示。特別地，為了研究微流道散熱器上熱點的位置隨去離子水流量變化而變化的情況，通過集成的薄膜溫度傳感器進行了研究。如圖6c所示，當去離子水的流量為0 ml/h時，散熱器上溫度峰值位于微通道正中心，是溫度傳感器S-5所在位置，微流道內溫度為正態分布。增大去離子水流量到5 ml/h時，散熱器上的峰值溫度移動至傳感器S-7的位置附近，溫度峰值向出水口方向移動。當去離子水的流量繼續增加至100 ml/h，溫度峰值的位置已經處于S-9傳感器之外。

與此同時，從結果可以看出，微流道散熱器上的溫度分布并不均勻，出入水口的溫差已經達到了3 ℃。當實際工作中，如果熱源芯片處于較大的輸入功率條件下，芯片上不均勻的溫度分布將成為一個嚴重的問題，會導致芯片的性能降低和功能出錯，使芯片失效。

通過分布在微流道內的溫度傳感器陣列能夠準確測得熱點的變化，對于優化微流道散熱器結構設計與提高微電子芯片性能都具有重要意義。

4 結 束 語

本文通過激光刻蝕工藝，制備了一種內部集成有薄膜溫度傳感器的硅基微流道散熱器。當功率為2 W，流量為100 ml/h時，激光刻蝕微流道的模擬熱源芯片表面平均溫度為27 ℃，溫升為9.5 ℃；而深反應離子刻蝕微流道表面熱源芯片的溫度達到34 ℃，溫升為16.5 ℃。在功率為1.5 W，流量僅為30 ml/h時，激光刻蝕微流道的熱阻為10 K/W，而深反應離子刻蝕微流道的熱阻約為它的兩倍。通過集成在微流道內部的溫度傳感器(Ti/Pt/Cr/Au薄膜)可以實時、精確地對微流道內部溫度進行監控，優化微流道散熱器結構設計，對消除局部熱點與調控溫度的不均勻分布都具有重要的指導意義。