CN110010566B - 一种竖立放置的液冷散热射频结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竖立放置的液冷散热射频结构，包括射频载板和多功能载板，射频载板和多功能载板焊接，射频载板和多功能载板都包括散热载板和底座载板，散热载板下表面与底座载板上表面键合；其中，散热载板上表面设置凹槽，凹槽内放置芯片，凹槽底部设置金属柱，金属柱延伸至底座载板上；底座载板上表面与凹槽相应位置设置流通口；底座载板下表面设置接地金属；本发明提供解决超高频率的射频模组的天线排布问题和散热问题的一种竖立放置的液冷散热射频结构及其制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体的说，它涉及一种竖立放置的液冷散热射频结构及其制作方法。
背景技术
微波毫米波射频集成电路技术是现代国防武器装备和互联网产业的基础，随着智能通信、智能家居、智能物流、智能交通等“互联网+”经济的快速兴起，承担数据接入和传输功能的微波毫米波射频集成电路也存在巨大现实需求及潜在市场。
但是对于高频率的微系统，天线阵列的面积越来越小，且天线之间的距离要保持在某个特定范围，才能使整个模组具备优良的通信能力。但是对于射频芯片这种模拟器件芯片来讲，其面积不能像数字芯片一样成倍率的缩小，这样就会出现特高频率的射频微系统将没有足够的面积同时放置PA/LNA，需要把PA/LNA堆叠起来，如此基于导热铜柱对上层芯片进行散热将变得非常困难。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供解决超高频率的射频模组的天线排布问题和散热问题的一种竖立放置的液冷散热射频结构及其制作方法。
本发明的技术方案如下：
一种竖立放置的液冷散热射频结构，包括射频载板和多功能载板，射频载板和多功能载板焊接，射频载板和多功能载板都包括散热载板和底座载板，散热载板下表面与底座载板上表面键合；其中，散热载板上表面设置凹槽，凹槽内放置芯片，凹槽底部设置金属柱，金属柱延伸至底座载板上；底座载板上表面与凹槽相应位置设置流通口；底座载板下表面设置接地金属。
进一步的，芯片采用射频芯片或多功能芯片。
进一步的，射频载板的底座载板下表面完全覆盖接地金属。
进一步的，多功能载板的底座载板下表面周围覆盖接地金属。
一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，具体处理包括如下步骤：
101)散热载板处理步骤：散热载板下表面通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔深度小于散热载板厚度；散热载板下表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满TSV孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；CMP工艺去除散热载板下表面的表面金属，留下金属柱；
散热载板上表面对应金属柱的区域，通过刻蚀工艺制作凹槽，使金属柱露出，通过湿法刻蚀工艺去除凹槽内金属柱；凹槽内通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，覆盖凹槽表面形成连接金属，200到500度温度下密化连接金属；CMP工艺去除凹槽表面金属，留下连接金属；凹槽内通过共晶键合工艺焊接射频芯片，使射频芯片引脚与剩余金属柱连接；在散热载板下表面制作介电质和金属布线，其他区域通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘；散热载板上表面通过临时键合工艺键合备用载板；
102)底座载板处理步骤：底座载板上表面与散热载板金属柱对应的位置，通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔深度小于底座载板厚度；底座载板上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满TSV孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；CMP工艺去除散热载板下表面的表面金属，留下金属柱；底座载板上表面通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘；底座载板上表面的金属柱区域通过光刻，刻蚀工艺设置流通口，流通口使金属柱露出，并延伸到底座载板的一侧；
103)键合步骤：散热载板下表面和底座载板上表面通过晶圆级键合工艺键合，去除备用载板，减薄底座载板下表面，使底座载板的金属柱露出；在底座载板下表面制作全覆盖接地金属，形成射频载板；
104)多功能载板步骤：将射频芯片替换为多功能芯片，重复上述三步骤，制作形成多功能载板；
105)成形步骤：将射频载板中底座载板的下表面与多功能载板的散热载板的上表面，通过键合工艺焊接，形成模组；模组设置流通口的一面通过光刻、干法刻蚀进行减薄，露出金属形成侧壁键合焊盘，通过机械或者激光切割模组形成竖立放置的液冷散热射频结构。
进一步的，散热载板、底座载板采用4、6、8、12寸中的一种，厚度范围为200um到2000um。
进一步的，TSV孔直径范围在1um到1000um，深度在10um到1000um；绝缘层厚度范围在10nm到100um之间，种子层厚度范围在1nm到100um，种子层的材料采用钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍中的一种或者多种，种子层本身结构为一层或多层。
进一步的，凹槽、流通口宽度范围在1um到1000um，深度在1um到500um；金属焊盘厚度在10nm到1000um之间；金属焊盘采用铜、铝、镍、银、金、锡中的一种；焊盘本身结构为一层或多层。
进一步的，键合工艺的温度控制在150度到350度之间。
本发明相比现有技术优点在于：通过在芯片底部设置微流通道的散热器来降低模组的工作温度，同时在模组的侧壁做焊盘，使模组可以竖立放置在PCB板上，而在模组的侧壁顶端设置面积较小的天线，这对于超高频率的射频模组来讲，解决了天线排布的问题和散热问题。
附图说明
图1为本发明散热载板剖面图；
图2为本发明图1设置接地金属的剖面图；
图3为本发明的图2设置射频芯片的剖面图；
图4为本发明的剖面图；
图5为本发明的竖立放置的剖面图；
图6为本发明的图5形成与天线连接焊盘的剖面图；
图7为本发明图1的多组剖面图；
图8为本发明图2的多组剖面图；
图9为本发明图3的多组剖面图；
图10为本发明的多组剖面图；
图11为本发明图10的竖立放置的剖面图；
图12为本发明图11与天线连接的剖面图。
图中标识：散热载板101、凹槽102、金属柱103、流通口104、接地金属105、底座载板106、射频芯片107、多功能芯片108。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明而不能作为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样的定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
各实施方式中提到的有关于步骤的标号，仅仅是为了描述的方便，而没有实质上先后顺序的联系。各具体实施方式中的不同步骤，可以进行不同先后顺序的组合，实现本发明的发明目的。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图6所示，一种竖立放置的液冷散热射频结构，包括射频载板和多功能载板，射频载板和多功能载板焊接，射频载板和多功能载板都包括散热载板101和底座载板106，散热载板101下表面与底座载板106上表面键合；其中，散热载板101上表面设置凹槽102，凹槽102内放置芯片，芯片采用射频芯片107或多功能芯片108。凹槽102底部设置金属柱103，金属柱103延伸至底座载板106上；底座载板106上表面与凹槽102相应位置设置流通口104；底座载板106下表面设置接地金属105。射频载板的底座载板106下表面完全覆盖接地金属105，起到屏蔽射频芯片107信号的功能。多功能载板的底座载板106下表面周围覆盖接地金属105。
一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，具体处理包括如下步骤：
101)散热载板101处理步骤：散热载板101下表面通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔直径范围在1um到1000um，深度在10um到1000um。TSV孔深度小于散热载板101厚度。散热载板101下表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层，绝缘层厚度范围在10nm到100um之间。绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；种子层厚度范围在1nm到100um，其本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等；当种子层本身结构为多层时，每层采用的材料一般相同。电镀金属，填满TSV孔形成金属柱103，金属柱103高度在1um到100um之间，金属柱103本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等。当金属柱103为多层结构时，其每一层一般采用同一种材质。200到500度温度下密化金属柱103。CMP工艺去除散热载板101下表面的表面金属，留下金属柱103。散热载板101下表面的绝缘层可以用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺去除，也可以保留。
散热载板101上表面对应金属柱103的区域，通过刻蚀工艺制作凹槽102，使金属柱103露出，凹槽102的宽度范围在1um到1000um，深度在1um到500um之间。通过湿法刻蚀工艺去除凹槽102内金属柱103。凹槽102内通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，覆盖凹槽102表面形成连接金属，200到500度温度下密化连接金属；CMP工艺去除凹槽102表面金属，留下连接金属；凹槽102内通过共晶键合工艺焊接射频芯片107，使射频芯片107引脚与剩余金属柱103连接；在散热载板101下表面制作介电质和金属布线，其他区域通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘，金属焊盘厚度在1um到100um；金属焊盘本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等。当金属焊盘本身结构为多层时，每层采用的材料一般相同。散热载板101上表面通过临时键合工艺键合备用载板。以保护射频芯片107。
散热载板101下表面开设一个方形槽，方形槽深度范围在1um到700um之间，方形槽的底部可以一直延伸到芯片底部的金属层，也可以跟芯片底部金属层之间保留一部分载板材质。即在凹槽102与散热载板101之间留有一定厚度，在该厚度范围内开设出方型槽，用于进一步提高成形后液体流动时与芯片底部的距离，提升散热效果。
102)底座载板106处理步骤：底座载板106上表面与散热载板101金属柱103对应的位置，通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔直径范围在1um到1000um，深度在10um到1000um。TSV孔深度小于底座载板106厚度。底座载板106上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层，绝缘层厚度范围在10nm到100um之间。绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层，种子层厚度范围在1nm到100um，种子层本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等。当种子层本身结构为多层时，其每层一般都采用相同材料。电镀金属，填满TSV孔形成金属柱103，金属柱103高度在1um到100um之间，金属柱103本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等。当金属柱103为多层结构时，其每一层一般采用同一种材质。200到500度温度下密化金属柱103。CMP工艺去除散热载板101下表面的表面金属，留下金属柱103。底座载板106上表面的绝缘层可以用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺去除，也可以保留。
底座载板106上表面通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘，此处金属焊盘与散热载板101的金属焊盘相同。底座载板106上表面的金属柱103区域通过光刻、刻蚀工艺设置流通口104，流通口104使金属柱103露出，并延伸到底座载板106的一侧；提供成形后的液体流通通道，进行快速散热。
103)键合步骤：散热载板101下表面和底座载板106上表面通过晶圆级键合工艺键合，去除备用载板，减薄底座载板106下表面，使底座载板106的金属柱103露出；在底座载板106下表面制作全覆盖接地金属105，形成射频载板。
104)多功能载板步骤：将射频芯片107替换为多功能芯片108，重复上述三步骤，制作形成多功能载板。主要区别在于大小，多功能芯片108相应的结构会变大，且多功能载板的底座载板106的下表面只需部分覆盖接地金属105即可。
105)成形步骤：将射频载板中底座载板106的下表面与多功能载板的散热载板101的上表面，通过键合工艺焊接，形成模组，键合温度控制在150度到350度之间。模组设置流通口104的一面通过光刻、干法刻蚀进行减薄，露出金属形成侧壁键合焊盘，通过机械或者激光切割模组形成竖立放置的液冷散热射频结构。通过模具使模组竖立放置于设备基座上，用FC工艺在模组相对于流通口104的一面的侧壁焊接天线完成模组的安装。
如图7至图12所示，此处射频芯片107和多功能综合芯片还可以通过组合的方式，在一个模组上设置二组或者二组以上，使模组最终结构集成度更高。
射频载板、多功能载板采用4、6、8、12寸晶圆中的一种，厚度范围为200um到2000um，一般都采用硅片，其主要功能是提供支撑作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。
Claims (4)
1.一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，其特征在于，液冷散热射频结构包括射频载板和多功能载板，射频载板和多功能载板焊接，射频载板和多功能载板都包括散热载板和底座载板，散热载板下表面与底座载板上表面键合；其中，散热载板上表面设置凹槽，凹槽内放置芯片，凹槽底部设置金属柱，金属柱延伸至底座载板上；底座载板上表面与凹槽相应位置设置流通口；底座载板下表面设置接地金属；芯片采用射频芯片或多功能芯片；射频载板的底座载板下表面完全覆盖接地金属；多功能载板的底座载板下表面周围覆盖接地金属具体处理包括如下步骤：
101）散热载板处理步骤：散热载板下表面通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔深度小于散热载板厚度；散热载板下表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满TSV孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；CMP工艺去除散热载板下表面的表面金属，留下金属柱；
散热载板上表面对应金属柱的区域，通过刻蚀工艺制作凹槽，使金属柱露出，通过湿法刻蚀工艺去除凹槽内金属柱；凹槽内通过物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，覆盖凹槽表面形成连接金属，200到500度温度下密化连接金属；CMP工艺去除凹槽表面金属，留下连接金属；凹槽内通过共晶键合工艺焊接射频芯片，使射频芯片引脚与剩余金属柱连接；在散热载板下表面制作介电质和金属布线，其他区域通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘；散热载板上表面通过临时键合工艺键合备用载板；
102）底座载板处理步骤：底座载板上表面与散热载板金属柱对应的位置，通过刻蚀工艺制作TSV孔，TSV孔深度小于底座载板厚度；底座载板上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满TSV孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；CMP工艺去除散热载板下表面的表面金属，留下金属柱；底座载板上表面通过光刻、电镀工艺制作金属焊盘；底座载板上表面的金属柱区域通过光刻，刻蚀工艺设置流通口，流通口使金属柱露出，并延伸到底座载板的一侧；
103）键合步骤：散热载板下表面和底座载板上表面通过晶圆级键合工艺键合，去除备用载板，减薄底座载板下表面，使底座载板的金属柱露出；在底座载板下表面制作全覆盖接地金属，形成射频载板；
104）多功能载板步骤：将射频芯片替换为多功能芯片，重复上述三步骤，制作形成多功能载板；
105）成形步骤：将射频载板中底座载板的下表面与多功能载板的散热载板的上表面，通过键合工艺焊接，形成模组；模组设置流通口的一面通过光刻、干法刻蚀进行减薄，露出金属形成侧壁键合焊盘，通过机械或者激光切割模组形成竖立放置的液冷散热射频结构。
2.根据权利要求1所述的一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，其特征在于：TSV孔直径范围在1um到1000um，深度在10um到1000um；绝缘层厚度范围在10nm到100um之间，种子层厚度范围在1nm到100um，种子层的材料采用钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍中的一种或者多种，种子层本身结构为一层或多层。
3.根据权利要求1所述的一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，其特征在于：凹槽、流通口宽度范围在1um到1000um，深度在1um到500um；金属焊盘厚度在10nm到1000um之间；金属焊盘采用铜、铝、镍、银、金、锡中的一种；焊盘本身结构为一层或多层。
4.根据权利要求1所述的一种竖立放置的液冷散热射频结构的制作方法，其特征在于：键合工艺的温度控制在150度到350度之间。
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