一种MEMS致动冷却芯片

本技术涉及半导体冷却领域，特别涉及到了一种mems致动冷却芯片。

背景技术：

1、随着半导体器件特征尺寸的不断缩小和三维集成技术的快速发展，高性能计算芯片、5g射频模块及人工智能加速器等半导体器件的功率密度呈现指数级增长，热管理已成为制约其性能提升与可靠性的关键瓶颈。

2、微机电系统（mems）技术为上述问题提供了极具潜力的解决方案。其中，mems合成射流致动器能够通过微结构的往复振动产生定向脉冲气流，直接冲击发热表面，有效破坏停滞的热边界层，从而极大增强对流换热效率，是一种理想的新型散热方案。然而，尽管其散热原理得到验证，但该技术走向大规模商业应用，尤其是在消费电子领域，却面临一个根本性的障碍：现有大多数mems致动器的结构设计与主流cmos集成电路在单片集成方面存在显著的不匹配性。这种结构上的不匹配具体导致以下问题：

3、第一，系统集成结构复杂且引入寄生效应。传统mems致动器通常为独立芯片结构，必须通过系统级封装与cmos驱动电路在物理和电气上进行互连。该分立式结构不仅增加了封装体积，占用设备内部宝贵空间，还由于引入额外的键合线、焊点和互连衬底，导致显著的寄生电阻、电感及电容。这些寄生元件降低系统能效，影响信号完整性，增加故障风险，难以满足高集成度电子设备对紧凑型散热结构的需求。

4、第二，致动器本体结构存在气密性与可靠性缺陷。部分设计为了在封装层面实现与cmos芯片的集成，采用预蚀刻腔体或复杂解耦膜层结构，致使致动器（10）的振动部件、空腔及流体通道在气密性和机械稳固性方面存在不足。这类结构易发生漏气、材料疲劳或输出位移衰减等问题，不仅限制其散热效能，也降低了器件在长期工作条件下的可靠性，无法充分发挥合成射流技术的理论散热潜力。

5、因此，半导体器件领域迫切需要发展一种能够从根本上实现与cmos电路单片集成的mems致动器结构。该结构应基于cmos晶圆直接构建，充分利用集成电路制造中的标准层次与材料，实现致动单元与控制电路在芯片层面的无缝集成。

技术实现思路

1、本实用新型提供了一种mems致动冷却芯片，其目的是为了解决mems致动器需要额外通过系统级封装实现物理和电气互联而导致的结构复杂、寄生效应明显问题。

2、为了达到上述目的，本实用新型的实施例提供了一种mems致动冷却芯片，包括：

3、致动器，为mems致动器；

4、底部结构，包括自上而下的第一硅衬底、第一玻璃层以及第二硅衬底，所述第一硅衬底和所述第一玻璃层上设置有一凹陷的第一空腔，所述致动器设置在所述第一硅衬底上并对所述第一空腔进行密封，所述第二硅衬底上集成有cmos驱动电路，所述cmos驱动电路与所述致动器电连接以驱动致动器形变；

5、封装结构，设置在所述底部结构上，所述封装结构将所述致动器包裹在所述封装结构形成的第二空腔内，所述致动器上设置有中心通孔，所述中心通孔连通所述第一空腔和所述第二空腔，所述封装结构的顶部用于固定芯片本体。

6、优选地，所述致动器包括自上而下的上电极组件、压电组件、下电极组件和硅基组件，所述上电极组件、所述下电极组件分别设置在所述压电组件的上下方并与所述压电组件电连接，所述硅基组件设置在所述下电极组件的下方，所述硅基组件与所述第一硅衬底通过低温键合工艺键合连接。

7、优选地，所述上电极组件和所述下电极组件结构均为由mo材料溅射形成的厚度为0.1μm的层状结构；

8、所述压电组件为由aln材料低温溅射形成的厚度为1μm的层状结构。

9、优选地，所述第一硅衬底和所述第二硅衬底为cmos标准晶圆；所述第一玻璃层上设置有tgv,第一硅衬底上设置有与tgv电性连接的tsv；所述第一硅衬底通过低温键合工艺与所述第一玻璃层键合连接，所述第二硅衬底通过cmos阳极键合工艺与所述第一玻璃层键合连接，并且所述第二硅衬底上的cmos驱动电路输出端与所述上电极组件、所述下电极组件通过tgv、tsv电连接。

10、优选地，所述tgv、tsv结构相同，包括开设在第一玻璃层或者第一硅衬底上的电连接孔及沉积在电连接孔内的复合导电层，所述复合导电层由孔心向孔壁依次为au和tiw材料制成的内层和外层。

11、优选地，所述封装结构包括自上而下的设置的第三玻璃层、第三硅衬底和第二玻璃层，所述第二空腔沿所述封装结构的堆叠方向贯穿所述封装结构；所述第二玻璃层与所述第一硅衬底采用cmos阳极键合工艺键合连接；所述第二玻璃层与所述第三硅衬底之间采用低温键合工艺键合连接；所述第三硅衬底与所述第三玻璃层之间采用cmos阳极键合工艺键合连接，所述第三玻璃层的上方贴装所述芯片本体。

12、优选地，所述第一硅衬底和所述第一玻璃层上开设的所述第一空腔尺寸小于所述致动器的尺寸以使得所述致动器的所述硅基组件与所述第一硅衬底之间通过低温键合工艺键合连接。

13、优选地，所述第三玻璃层、第三硅衬底和第二玻璃层的侧向具有与第二空腔连通的开口，且所述第三玻璃层、所述第三硅衬底和所述第二玻璃层的开口方向一致。

14、优选地，所述第一玻璃层、所述第二玻璃层和所述第三玻璃层均为硼硅玻璃。

15、优选地，所述中心通孔是由icp蚀刻工艺形成的通孔。

16、本实用新型的上述方案有如下的有益效果：

17、本申请通过电压驱动致动器进行震荡产生脉动射流，垂直冲击热边界层从而实现高效散热；而且整体的制作工艺可以兼容cmos标准工艺，减小芯片间的互联损耗，降低因工艺不兼容导致的生产成本与集成难度，保证了封装的可靠性和一致性。

18、本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种mems致动冷却芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述致动器（10）包括自上而下的上电极组件（12）、压电组件（13）、下电极组件（14）和硅基组件（15），所述上电极组件（12）、所述下电极组件（14）分别设置在所述压电组件（13）的上下方并与所述压电组件（13）电连接，所述硅基组件（15）设置在所述下电极组件（14）的下方，所述硅基组件（15）与所述第一硅衬底（21）通过低温键合工艺键合连接。

3.根据权利要求2所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述上电极组件（12）和所述下电极组件（14）结构均为由mo材料溅射形成的厚度为0.1μm的层状结构；

4.根据权利要求2所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述第一硅衬底（21）和所述第二硅衬底（23）为cmos标准晶圆；所述第一玻璃层（22）上设置有tgv（22a）,第一硅衬底（21）上设置有与tgv（22a）电性连接的tsv（21a）；所述第一硅衬底（21）通过低温键合工艺与所述第一玻璃层（22）键合连接，所述第二硅衬底（23）通过cmos阳极键合工艺与所述第一玻璃层（22）键合连接，并且所述第二硅衬底（23）上的cmos驱动电路输出端与所述上电极组件（12）、所述下电极组件（14）通过tgv（22a）、tsv（21a）电连接。

5.根据权利要求4所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述tgv（22a）、tsv（21a）结构相同，包括开设在第一玻璃层（22）或者第一硅衬底（21）上的电连接孔及沉积在电连接孔内的复合导电层，所述复合导电层由孔心向孔壁依次为au和tiw材料制成的内层和外层。

6.根据权利要求1所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述封装结构（30）包括自上而下的设置的第三玻璃层（33）、第三硅衬底（34）和第二玻璃层（35），所述第二空腔（31）沿所述封装结构（30）的堆叠方向贯穿所述封装结构（30）；所述第二玻璃层（35）与所述第一硅衬底（21）采用cmos阳极键合工艺键合连接；所述第二玻璃层（35）与所述第三硅衬底（34）之间采用低温键合工艺键合连接；所述第三硅衬底（34）与所述第三玻璃层（33）之间采用cmos阳极键合工艺键合连接，所述第三玻璃层（33）的上方贴装所述芯片本体（32）。

7.根据权利要求2所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述第一硅衬底（21）和所述第一玻璃层（22）上开设的所述第一空腔（24）尺寸小于所述致动器（10）的尺寸以使得所述致动器（10）的所述硅基组件（15）与所述第一硅衬底（21）之间通过低温键合工艺键合连接。

8.根据权利要求6所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述第三玻璃层（33）、第三硅衬底（34）和第二玻璃层（35）的侧向具有与第二空腔（31）连通的开口，且所述第三玻璃层（33）、所述第三硅衬底（34）和所述第二玻璃层（35）的开口方向一致。

9.根据权利要求6所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述第一玻璃层（22）、所述第二玻璃层（35）和所述第三玻璃层（33）均为硼硅玻璃。

10.根据权利要求1所述的mems致动冷却芯片，其特征在于：所述中心通孔（11）是由icp蚀刻工艺形成的通孔。