基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构制造技术

本发明专利技术提出了基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构；利用射频前端‑TSV射频转接板‑结构件壳体实现低应力低热阻小型化高密度集成；采用高阻硅TSV转接板内嵌高效传热微结构填充高导热相变材料技术，并结合结构件壳体填充抗冲击高热导率复合相变材料，解决了高热流密度射频前端集成高效传热和抗冲击问题，进一步实现了高可制造性、高散热效率、高稳定性的三维射频异质集成应用，具有重要意义。

Packaging Structure of Radio Frequency Front End Miniaturization Integrated Heat Dissipation Based on Composite Phase Change Materials

The invention proposes a packaging structure based on miniaturized integrated heat dissipation of the RF front end of composite phase change material; realizes miniaturized and high density integration of low stress and low thermal resistance by using the RF front end TSV RF adapter plate structural shell; fills high thermal conductivity phase change material technology with high thermal conductivity micro-structure embedded in the high resistance silicon TSV adapter plate, and combines the structural shell with anti-impact and high thermal conductivity composite. Phase change materials have solved the problem of high heat flux RF front-end integrated heat transfer and shock resistance, and further realized the application of three-dimensional RF heterogeneous integration with high manufacturability, high heat dissipation efficiency and high stability, which is of great significance.

【技术实现步骤摘要】
基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构
本专利技术涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种基于抗冲击高热导率复合相变材料的射频前端小型化集成散热封装结构。
技术介绍
目前，为了实现相控阵阵元小型化，以LTCC为代表的高密度互连基板技术已开始应用在先进型号相控阵射频前端模块。高集成射频前端模块一般装配在均热板或导热管上进行散热，模块内高功率芯片至结铝合金壳体之间主要通过钼铜载板或金刚石/铜复合高性能载板将高密度热流传导扩散。这种技术方案本质上是一种二维平面混合集成、模块体内传热体外散热技术。但是，基于这种混合集成技术的射频前端模块，其内部高功率芯片、钼铜载体、铝合金壳体等之间主要通过焊接技术实现装配，由于空气、金锡焊料、锡铅焊料的导热系数低(空气自然对流导热系数为0.024W/mK、金锡焊料Au80Sn20导热系数为51W/mK、锡铅焊料Sn63Pb37导热系数为51W/mK)，与铝合金组件结构(导热系数为150W/mK)、钼铜载体基板(导热系数为160W/mK)的导热系数相差几倍至万倍以上，存在多接触界面热阻。再考虑到模块铝合金壳体与导热管之间连接，二者贴合精度问题导致的气隙，两者间存在接触热阻很大。这些因素会使高性能射频芯片热量积聚，温度迅速上升。而且，LTCC基板、多层混压板本质上仍属于厚膜工艺，线宽与线间距一般为100um/100um，线宽尺寸/精度以及互连密度仍存在较大提升空间。随着高性能GaN芯片应用发展，迫切需要发展可以实现射频前端模块内高功率芯片直接主动散热技术。与LTCC等互连基板相比，TSV(金属化硅通孔)转接板采用了MEMS深硅刻蚀工艺、IC后端金属化工艺，可以提供与传统微电子芯片相匹配的线宽/精度和高品质无源元件。2013年法国原子能研究院电子与信息技术研究所(CAE-LETI)报道的基于TSV-Last工艺的高阻硅TSV转接板技术概念图。北京大学、厦门大学、成都加纳海威有限责任公司等研发高阻硅TSV转接板技术，研制的基于TSV转接板的2.5D集成双波束四通道接收演示样机，与传统基于LTCC混合集成技术相比，该演示模块尺寸缩小为原来模块的1/5，集成度大为提高。另一方面，随着GaNHEMT高性能器件的应用发展和高阻硅TSV转接板技术工程化应用发展，大功率射频器件(如GaN器件等)异质集成主动散热成为高阻硅TSV转接板技术发展的前沿方向、热点话题。日本Shinko公司公开的内嵌微流道主动散热的TSV转接板技术概念；国内某单位2018年公开的内嵌微流道主动散热的高阻硅TSV转接板三维集成技术研究成果，基于内嵌微流道主动散热高阻硅TSV转接板三维异质射频集成技术，其等效散热能力达到400W/cm2以上。尽管国内外最近研究进展显示高阻硅TSV转接板内嵌微流道散热技术在大功率三维异质射频集成散热的先进性、可行性，但是在一些特殊应用领域(如空投型相控阵雷达)，平台装载空间有限，微液体冷却技术存在动力供应困难、抗冲击性差等致命问题，难以工程化应用。相变散热技术是利用物质相态变化释放相变潜热，相变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)在相变过程中可以储存或释放大量的热量，相变过程近似等温，实现过热保护，具有体积小、重量轻、性能可靠、经济性和不耗能等优点。目前弹载相控阵雷达射频前端采用均热板等本质上也是一种相变散热，只是这种散热技术仅可对射频前端整体散热，考虑到高功率GaN器件技术应用、GaN芯片-结构件壳体-均热板之间界面热阻，如何将相变散热技术应用于射频前端体内实现高密度集成散热是未来重要的发展方向。石蜡是一种常用的有机相变材料，具有相变温度可选范围大、相变潜热大、高化学稳定性、无毒性等优点，但是存在在热导率低、相变液体后抗冲击问题，液体金属相变材料具有高导热性、高散热效率，但是相变后体积变化大，而且与微电子芯片衬底材料-硅热膨胀系数差别大，一定程度上限制这些材料的实际应用。为了改善石蜡相变材料热导率、抗冲击表现，在石蜡添加高导热材料、或者制作多孔高导热材料作为骨架制作复合相变材料是近年来国内外研究热点话题。综上所述，针对空投型相控阵雷达射频前端模块散热技术面临的问题与缺陷，本专利技术结合MEMS微流体技术和复合相变材料技术提出了射频前端小型化集成散热方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对空投型相控阵雷达热流密度高、抗冲击要求高的应用需求，本专利技术公开了一种基于抗冲击高热导率复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构。为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构，其特征在于包括：射频转接板、高导热载体、壳体；所述射频转接板由转接板和射频前端组成，所述转接板由表面再布线层、开放式扰流阵列微通道结构和垂直互联结构组成；所述开放式扰流阵列微通道结构包括复数个间隔设置的开放式扰流微通道结构，所述垂直互联结构设置在相邻两个开放式扰流微通道结构之间，并且垂直互联结构沿着转接板的宽度方向贯穿设置；所述开放扰流阵列微通道内表面覆盖一层高导热材料，并再开放式扰流阵列微通道结构中填充相变材料；所述壳体内部含有一凹腔结构，顶部由高导热载体密封，凹腔内采用高导热抗冲击复合相变材料填充空腔，底部采用铝合金载片密封；所述高导热载体具有微流道通孔结构，所述微流道通孔结构与所述开放扰流阵列微通道朝向壳体的一侧键合形成微流通道结构。在一较佳实施例中：所述转接板由如下方法制作：1)对第一高阻硅圆片制作具有一定深度的开放阵列微流道结构；2)对第二高阻硅圆片制作与第一高阻硅圆片不同尺寸的扰流阵列微流道通孔结构；3)将第一、第二高阻硅圆片键合在一起形成开放扰流阵列微流道结构；4)对高阻硅键合圆片刻蚀金属化硅通孔形成所述垂直互联结构；5)在所述键合高阻硅圆片上下表面及硅通孔侧壁覆盖一层致密的绝缘层；6)在键合高阻硅正反两面及硅通孔侧壁制作扩散阻挡层和金属种子层，然后再通过电镀或化镀形成导电金属层；7)对所述的键合高阻硅上表面导电金属层进行刻蚀形成第一层金属互连布线层；8)对所述的键合高阻硅下表面导电金属层进行刻蚀形成第二层金属互连布线层以暴露出扰流阵列微通道结构；9)将石墨烯粉体制备溶液，在低真空条件下灌入开放扰流阵列结构区域，一定条件下蒸发，实现石墨烯在扰流阵列涂覆沉积。10)在真空条件下将石蜡熔化填充开放扰流阵列微通道区域。在一较佳实施例中：所述转接板为双抛高阻硅材料。在一较佳实施例中：所述开放阵列微流道结构为直线型、扰流柱型、蛇形中的一种。在一较佳实施例中：所述金属化硅通孔的绝缘层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、BCB、聚酰亚胺、玻璃、聚丙烯、聚对二甲苯的一种；所述扩散阻挡层包括Ta、TaN、TiW的至少一种；所述导电金属层包括Cu、Al、Au、W的至少一种。在一较佳实施例中：所述高导热材料包括但不限于墨烯；所述相变材料包括但不限于石蜡。在一较佳实施例中：所述焊料包括但不限于纳米银。在一较佳实施例中：所述复合相变材料包括但不限于金属纤维/石蜡或者泡沫石墨/石蜡。在一较佳实施例中：所述密封材料包括但不限于铝、铅、铟、不锈钢、橡胶、塑料、陶瓷中的至少一种。相较于现有技术，本专利技术提出了基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构，；利用射频前端-转接板-结构件壳体实现低应力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构，其特征在于包括：射频转接板、高导热载体、壳体；所述射频转接板由转接板和射频前端组成，所述转接板由表面再布线层、开放式扰流阵列微通道结构和垂直互联结构组成；所述开放式扰流阵列微通道结构包括复数个间隔设置的开放式扰流微通道结构，所述垂直互联结构设置在相邻两个开放式扰流微通道结构之间，并且垂直互联结构沿着转接板的宽度方向贯穿设置；所述开放扰流阵列微通道内表面覆盖一层高导热材料，并再开放式扰流阵列微通道结构中填充相变材料；所述壳体内部含有一凹腔结构，顶部由高导热载体密封，凹腔内采用高导热抗冲击复合相变材料填充空腔，底部采用铝合金载片密封；所述高导热载体具有微流道通孔结构，所述微流道通孔结构与所述开放扰流阵列微通道朝向壳体的一侧键合形成微流通道结构。

【技术特征摘要】
1.基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构，其特征在于包括：射频转接板、高导热载体、壳体；所述射频转接板由转接板和射频前端组成，所述转接板由表面再布线层、开放式扰流阵列微通道结构和垂直互联结构组成；所述开放式扰流阵列微通道结构包括复数个间隔设置的开放式扰流微通道结构，所述垂直互联结构设置在相邻两个开放式扰流微通道结构之间，并且垂直互联结构沿着转接板的宽度方向贯穿设置；所述开放扰流阵列微通道内表面覆盖一层高导热材料，并再开放式扰流阵列微通道结构中填充相变材料；所述壳体内部含有一凹腔结构，顶部由高导热载体密封，凹腔内采用高导热抗冲击复合相变材料填充空腔，底部采用铝合金载片密封；所述高导热载体具有微流道通孔结构，所述微流道通孔结构与所述开放扰流阵列微通道朝向壳体的一侧键合形成微流通道结构。2.根据权利要求1所述的基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构，其特征在于：所述转接板由如下方法制作：1)对第一高阻硅圆片制作具有一定深度的开放阵列微流道结构；2)对第二高阻硅圆片制作与第一高阻硅圆片不同尺寸的扰流阵列微流道通孔结构；3)将第一、第二高阻硅圆片键合在一起形成开放扰流阵列微流道结构；4)对高阻硅键合圆片刻蚀金属化硅通孔形成所述垂直互联结构；5)在所述键合高阻硅圆片上下表面及硅通孔侧壁覆盖一层致密的绝缘层；6)在键合高阻硅正反两面及硅通孔侧壁制作扩散阻挡层和金属种子层，然后再通过电镀或化镀形成导电金属层；7)对所述的键合高阻硅上表面导电金属层进行刻蚀形成第一层金属互连布线层；8)对所述的键合高阻硅下表面导电金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：马盛林，龚丹，蔡涵，厦雁鸣，胡鑫欣，胡柳成，王玮，金玉丰，陈兢，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35