CN109256364A - 基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

基于复合相变材料射频前端小型化集成散热的封装结构

技术领域

本发明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。

背景技术

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/m K、金锡焊料Au80Sn20导热系数为51W/m K、锡铅焊料Sn63Pb37导热系数为51W/m K)，与铝合金组件结构(导热系数为150W/m K)、钼铜载体基板(导热系数为160W/m K)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GaN HEMT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(Phase ChangeMaterial，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，本发明结合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。

发明内容

本发明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，本发明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，本发明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，本发明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。具体具有如下的有益效果：

(1)针对提出基于抗冲击高导热复合相变材料的有源组件集成散热技术，解决空投型相控阵雷达热流密度高、抗冲击要求高的应用需求。

(2)针对提出基于抗冲击高导热复合相变材料的有源组件小型化集成散热技术，不仅解决了阵雷达应用的装载空间有限，实现相控阵阵元小型化，还解决了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。

(3)有望实现对射频前端热流密度高达500W/cm²热点的散热能力。

附图说明

图1-图3为高阻硅转接板的工艺流程图；

图4为结构壳体的结构设计示意图；

图5-7为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过程示意图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例进行详细说明。

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，如图3所示，包括：

转接板110，如图1-3所示，高阻硅材料(≥1000Ω·cm)衬底所制作得转接板由第一高阻硅圆片111和第二高阻硅圆片112组成，所述转接板110包括开放扰流阵列微通道结构和垂直互联结构。所述开放扰流阵列微通道结构由第一高阻硅圆片111背面具有一定深度的开放流道结构113和第二高阻硅圆片112开放微流道通孔结构114组成。所述垂直互联结构由若干互相独立的金属化硅通孔115组成，所述金属化硅通孔115填充导电材料以形成金属导电层116。所述转接板110正面制作了第一金属布线层120，背面制作了第二金属布线层121。所述开放扰流阵列微通道结构内表面覆盖沉积了一层高导热材料石墨烯130，并采用石蜡140填充开放扰流阵列微通道结构。

结构壳体210，如图4所示，钼铜合金片211与铝合金壳体212组合制造形成所述结构壳体210。所述的钼铜合金片211具有与转接板110背面开放微流道结构114一致的微流道通孔结构213。所述钼铜合金片211的微流道通孔结构213和铝合金壳体212形成一个大型的空腔结构214，大型空腔结构214里面填充了高导热抗冲击复合相变材料215。

射频前端，射频前端采用金锡共晶000键合工艺集成至转接板110上表面，从左至右依次分别为低噪放芯片310，移相、衰减收发多功能芯片311，开关芯片312，GaN功放芯片313。

第二高阻硅圆片的开放微流道通孔结构114与第一高阻硅圆片111的开放流道结构113的结构对应，通过键合形成放式扰流阵列微通道结构。所述开放流道结构113、114可以为直线型、扰流柱型、蛇形等微流道结构；所述金属化硅通孔115内由内到外依次设置绝缘层122、扩散阻挡层和导电金属层，其中导电金属层116包括种子层和加厚金属层；

所述第一高阻硅圆片111、第二高阻硅圆片112通过圆片级键合工艺连接形成所述转接板110，使得。所述键合工艺为硅-硅键合、聚合物键合等工艺；

上述转接板110的制作方法如图1-3所示为：

(1)通过DRIE、激光等技术对第一高阻硅111圆片制作具有一定深度的开放阵列微流道结构113；

(2)通过DRIE、激光等技术对第二高阻硅圆片112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114；

(3)通过硅硅键合工艺，将带有微流道结构的第一、第二高阻硅圆片111、112键合在一起形成开放扰流阵列微流道结构113、114；

(4)通过DRIE、激光等技术对高阻硅键合圆片刻蚀TSV通孔115；

(5)通过物理或化学方法包括PECVD、CVD、PVD、旋涂或喷涂中的至少一种，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122；

(6)在键合高阻硅正反两面及硅通孔侧壁通过蒸发扩散或溅射工艺制作扩散阻挡层和金属种子层，然后再通过电镀或化镀等工艺方法形成导电金属层116；

(7)通过干法刻蚀包括DIRE、ICP深硅刻蚀，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120；

(8)通过干法刻蚀包括DIRE、ICP深硅刻蚀，对所述的键合高阻硅下表面的绝缘层和导电金属层进行刻蚀形成第二层金属互连布线层121以暴露出扰流阵列微通道结构；

(9)将石墨烯粉体制备溶液130，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140熔化填充高阻硅TSV转接板内嵌的开放扰流阵列微通道区域。

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过程如图5-7所示，包括以下步骤：

(1)采用金锡共晶000键合工艺将射频前端310、311、312、313集成在高阻硅TSV转接板110上；

(2)采用纳米银焊料150将高阻硅TSV转接板110装配在订制体内具有腔体的壳体结构件210上；

(3)将订制的复合相变材料214填充至结构件壳体210的凹坑214内；

(4)采用密封材料220将结构壳体210底部进行密封。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

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。

3.根据权利要求2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：所述转接板为双抛高阻硅材料。

4.根据权利要求2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：所述开放阵列微流道结构为直线型、扰流柱型、蛇形中的一种。

5.根据权利要求2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。

6.根据权利要求2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：所述高导热材料包括但不限于石墨烯；所述相变材料包括但不限于石蜡。

7.根据权利要求2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：所述焊料包括但不限于纳米银。

8.根据权利要求2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。

9.根据权利要求2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。