一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构，包括TSV转接板、GaN器件、壳体和电路板，其中TSV转接板设有输入微流道、输出微流道和导流结构，GaN器件装配于TSV转接板上且背面设有第一开放微流道，第一开放微流道水平方向的两侧分别通过导流结构与输入微流道和输出微流道导通；TSV转接板装配于壳体内且设有与输入微流道和输出微流道导通的流道，电路板设于壳体的侧壁顶部并与TSV转接板电气连接。本发明专利技术在提高GaN器件衬底微流道散热效能的同时不降低GaN器件体的机械强度、并解决GaN器件电气接地与异质集成问题。另外，本发明专利技术还提出了实现上述结构的制作方法。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法
本专利技术涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法。
技术介绍
GaN材料具有高功率密度、宽禁带、高导热率、高击穿场强和高电子饱和速度等特点，适合大功率、高频等应用，被广泛应用于雷达系统、通信系统、5G、新能源汽车等军事和商业领域。随着GaN器件应用发展，GaNHEMT器件的局部热流密度将超过1000W/cm2。若这些芯片内产生热量不能及时散出，将会影响芯片的使用性能，使其功能失效。目前，GaN器件散热主要通过将芯片装置于铜钼载体、金刚石载体等高导热载体上，再装载至冷板散热器上，进行散热。这种方式属于被动式散热，热源至散热器之间的热传导路径热阻大，限制了终端散热器散热能力的发挥。近年来，学术界提出在GaNHEMT器件有源区表面制作石墨烯，或将GaN器件的衬底全替换或局部替换为金刚石等高导热衬底的方式进行散热优化。这种方式，也属于被动散热，相比前者，热传导路径热阻大为降低，局部热点得到抑制，但是仍面临着如何将局限在芯片体尺度范围的高密度热流高效散出的问题，必须缩小短终端散热器至GaN器件体距离。微流道散热技术是一种主动的散热方式，具有高散热效率、极低的热阻，有望成为解决大功率GaN器件散热需求的关键途径。2006年，美国海军实验室提出了采用微流道热沉对大功率GaN器件散热方案，利用导电胶或共晶键合工艺将GaN器件装配在制作有开放式平行槽Si、AlN、铜等衬底底面(开放槽道相对的一面)上，附以夹具闭合微流道热沉开放面，微流道宽度500±25μm、高度1.4±0.025mm、间距1mm，利用GaN器件有源层制作模拟热源对微流道散热效率进行测试分析，验证了平行槽道式微流道散热效率。但是，这种方案本质上是通过模块夹具和具有开放平行槽微流道构成的微流道热沉对分立GaN器件进行散热，热源距离散热微流道包括GaN器件衬底层，Si、AlN、铜等衬底开放式平行槽底至底面的距离，以及两者之间的粘接层，热传导路径长，同时未考虑GaN器件集成化需求。近年来，业界已提出在高性能封装基板内嵌微流道对装配其上的大功率GaN器件进行散热，如北京大学研发了内嵌散热微流道的LTCC基板技术，演示了三种内嵌于LTCC基板的微流道结构的换热性能；四川省压电与声光技术研究所提出了在微波印制电路板内嵌微流道技术，演示了S波段10W连续波功率放大器模块的封装，在解决GaN器件集成同时进行散热。就高频电学表现而言，LTCC具有优秀的高频、高Q特性和高速传输特性，能耐高温、适应大电流的特点，是一种优秀的多芯片RF封装基板材料。但是，LTCC导热率仅有2-5W/m·K，而Si为150W/m·K，SiC为490W/m·K，与前述Si等平行槽道微流道散热技术方案相似，这导致装配其上的GaN器件热源区-也即是器件有源层至LTCC内嵌微流道之间路径存在较大热阻，散热效率难以提升，不能充分发挥微流道散热技术优点。而且，LTCC基板内嵌微流道尺寸、深宽比、最小间距等也难以进一步缩小以充分发挥微流道散热技术优势。2018年，厦门大学马盛林等提出了一种内嵌微流道的TSV转接板，用于GaN器件等2.5D集成与散热，演示了基于内嵌微流道TSV转接板的2-6GHzGaN功放模块，展示了400W/cm2的散热能力。与LTCC内嵌微流道技术相比，TSV转接板内嵌微流道不论是GaN器件热源至散热微流体之间的热阻还是微流道特征尺寸等都有大幅提升。但是，随着GaN器件应用水平发展，热流密度上升，热源区至散热微流体路径上的热阻急需进一步缩小。2015年美国Raytheon研究团队提出了利用键合工艺闭合GaN器件金刚石衬底内嵌开放式微流道和硅衬底内嵌微流道的技术路线，进一步降低GaN器件有源区至散热微流体的热阻、提高微流体散热效能。但是，该方案首先需要解决GaN-On-Diamond工艺问题，不论是直接在金刚石衬底上生长GaN器件层还是通过转移技术将GaN器件层转移至金刚石衬底上，与SiC基GaN器件或Si基GaN器件相比，此技术路线本身难度大，不成熟。其次是在金刚石衬底上制作微槽道，以及其与具有硅微流道基板键合工艺，不论是直接键合还是采用焊料键合，均面临热应力问题，技术复杂，难度大。2016年LockheedMartin研发团队提出局部减薄GaN器件有源区的SiC衬底，SiC衬底厚度为100μm，有源区刻蚀减薄至30μm，在其下装配分流歧管式散热器，工作时歧管式散热器正对悬空的SiC衬底喷射冷却工质，演示试验显示可将GaN单片微波集成电路放大器的增益提高4dB以上，其最大输出功率提高了8dB以上，并提高了3％至5％的功率。该方案中，GaN器件有源层衬底局部减薄，周围边框键合至歧管式散热器上，键合工艺难度降低，但是局部减薄的GaN器件有源层悬空设置，工作时冷却工质垂直悬空面喷射，悬空薄膜上的GaN器件有源区将面临性能退化与可靠性风险，需要在悬空薄膜厚度、冷却工质喷射速度、器件性能之间协同设计，难以进一步缩小GaN器件有源层与冷却工质之间距离。而且，与前述方案类似，此种方案只适合单片GaN器件散热，不能满足GaN器件集成尤其是与异质微电子芯片集成需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构及制作方法。为了实现以上目的，本专利技术的技术方案为：一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构，所述一体化结构包括TSV转接板，所述TSV转接板的上、下表面分别设有金属布线层，上表面设有导流结构，体内设有分别沿厚度方向延伸的互连结构、输入微流道和输出微流道，所述输入微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第一出口和第一入口，所述输出微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第二入口和第二出口，且所述第一入口和第二出口分别位于所述第一出口和第二入口的外侧；GaN器件，设于所述TSV转接板之上，所述GaN器件的衬底背面设有第一开放微流道，所述第一开放微流道水平方向的两侧分别通过所述导流结构与所述第一出口和第二入口导通；壳体，所述壳体设有流道，所述流道包括设于所述壳体的底部上表面的第三入口和第三出口，所述TSV转接板装配于所述壳体内且所述第三入口与所述第一入口导通，所述第三出口与所述第二出口导通；电路板，设于所述壳体的侧壁顶部并与所述TSV转接板电气连接。可选的，所述第一开放微流道的底面距离器件有源层的距离为100微米以下，所述第一开放微流道的特征尺寸为10-100微米。可选的，所述第一开放微流道是平行槽型、扰流柱型或翅片型。可选的，所述输入微流道和输出微流道的口径由所述TSV转接板的上表面至下表面方向阶梯式渐次扩大，且于阶梯变化处向外侧偏移。可选的，所述互联结构包括设于所述GaN器件装配区域之外的CPW、微带线或TSV互连的传输线形式的互连线，且所述互连线与所述TSV转接板的基底之间设有一保型连续的绝缘层。可选的，所述TSV转接板上表面还设有至少一个用于设置其他微电子芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：包括/nTSV转接板，所述TSV转接板的上、下表面分别设有金属布线层，上表面设有导流结构，体内设有分别沿厚度方向延伸的互连结构、输入微流道和输出微流道，所述输入微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第一出口和第一入口，所述输出微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第二入口和第二出口，且所述第一入口和第二出口分别位于所述第一出口和第二入口的外侧；/nGaN器件，设于所述TSV转接板之上，所述GaN器件的衬底背面设有第一开放微流道，所述第一开放微流道水平方向的两侧分别通过所述导流结构与所述第一出口和第二入口导通；/n壳体，所述壳体设有流道，所述流道包括设于所述壳体的底部上表面的第三入口和第三出口，所述TSV转接板装配于所述壳体内且所述第三入口与所述第一入口导通，所述第三出口与所述第二出口导通；/n电路板，设于所述壳体的侧壁顶部并与所述TSV转接板电气连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：包括
TSV转接板，所述TSV转接板的上、下表面分别设有金属布线层，上表面设有导流结构，体内设有分别沿厚度方向延伸的互连结构、输入微流道和输出微流道，所述输入微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第一出口和第一入口，所述输出微流道分别于所述TSV转接板的上、下表面设有第二入口和第二出口，且所述第一入口和第二出口分别位于所述第一出口和第二入口的外侧；
GaN器件，设于所述TSV转接板之上，所述GaN器件的衬底背面设有第一开放微流道，所述第一开放微流道水平方向的两侧分别通过所述导流结构与所述第一出口和第二入口导通；
壳体，所述壳体设有流道，所述流道包括设于所述壳体的底部上表面的第三入口和第三出口，所述TSV转接板装配于所述壳体内且所述第三入口与所述第一入口导通，所述第三出口与所述第二出口导通；
电路板，设于所述壳体的侧壁顶部并与所述TSV转接板电气连接。


2.根据权利要求1所述的大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：所述第一开放微流道的底面距离器件有源层的距离为100微米以下，所述第一开放微流道的特征尺寸为10-100微米。


3.根据权利要求1所述的大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：所述第一开放微流道是平行槽型、扰流柱型或翅片型。


4.根据权利要求1所述的大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：所述输入微流道和输出微流道的口径由所述TSV转接板的上表面至下表面方向阶梯式渐次扩大，且于阶梯变化处向外侧偏移。


5.根据权利要求1所述的大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：所述互联结构包括设于所述GaN器件装配区域之外的CPW、微带线或TSV互连的传输线形式的互连线，且所述互连线与所述TSV转接板的基底之间设有一保型连续的绝缘层。


6.根据权利要求1所述的大功率GaN器件散热与集成一体化结构，其特征在于：所述TSV转接板上表面还设有至少一个用于设...

【专利技术属性】
技术研发人员：马盛林，练婷婷，王玮，金玉丰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35