CN113035808A - 一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置与制备方法，自上而下依次包括氮化镓晶体管微流结构层、集成键合层、微流体引流层及驱动集成模块。氮化镓晶体管微流结构层为晶体管的衬底，含片内微流道散热区及流道出入口区；集成键合层为金属或有机物键合，厚度为500 nm以内；微流体驱动层为Si及SiC材料，内部含内嵌式微流传输通道，实现对片内微流体的引流；微流体驱动集成模块采用金属等易加工材料，内部含微流传输通道、凸式互连接口和凸式流体进出口，实现与微流泵浦互连。该片内微流驱动装置可满足微流泵对氮化镓晶体管微流散热能力的控制，充分实现片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，可用于超大功率微波功率氮化镓器件。
Description
技术领域
本发明是一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置与制备方法，属于功率器件芯片级微流热管理开发技术领域。
背景技术
以氮化镓为代表的第三代固态功率器件已展现出其优异的大功率应用特性，在实际应用中的氮化镓功率器件多为SiC衬底和Si衬底，其功率器件的单位功率密度远未达到其理想值，导致氮化镓器件的研发和应用受到极大限制。这主要是因为氮化镓功率器件在输出大功率的同时会产生大量热积累，因氮化镓器件Si或SiC衬底的传热能力限制，导致器件内部产生热积累，直接引起器件结温的急剧升高，导致氮化镓器件性能和可靠性的严重下降。因此，进行氮化镓半导体器件的芯片级热管理技术开发成为了解决其进一步应用的主要技术瓶颈之一。目前针对氮化镓器件芯片级热管理的技术开发主要集中在高导热材料的片内集成和片内嵌入微流冷却的技术开发上。片内集成高导热材料热管理途径是被动式的散热技术，可有效提升氮化镓器件的功率密度，但仍然满足理想功率密度下的热耗散。而片内微流冷却技术是主动式的热管理，液体散主动式热能力通常是固体被动式散热能力的10倍以上，可有效解决氮化镓器件的热积累效应，提升其功率密度和性能。因而，应用于氮化镓器件的片内微流散热技术已成为解决其大功率特殊需求应用的热点研究方向。片内微流散热的能力不仅取决于片内微流道的结构设计，更取决于微流体的流动形式。然而，微流体的流动形式由微流体的驱动技术决定，因为氮化镓器件尺度的限制，其片内微流的驱动极为困难，已成为当今大功率器件芯片级微流热管理开发领域中亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明提出的是一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置设计与制备方法，其目的是实现微流泵浦对氮化镓晶体管微流散热能力的控制，充分发挥片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，解决氮化镓器件因热积累导致的器件性能衰退问题。
本发明的技术解决方案：一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其结构自上而下依次包括氮化镓晶体管微流结构层A、集成键合层B、微流体引流层C及驱动集成模块D；其中，所述氮化镓晶体管微流结构层A设有片内微流道散热区A-2及流道出入口区A-3，所述集成键合层B厚度＜500 nm，所述微流体引流层C内部含内嵌阶梯式微流传输通道，实现对片内微流体的引流，所述微流体驱动集成模块D包括微流传输通道D-1、凸式互连接口D-2和凸式流体进出口D-3，实现与微流泵浦互连，同时表面可实现与氮化镓晶体管电路E互连。
所述氮化镓晶体管微流结构层A设于晶体管的衬底背面、热源区正下方，距离热源区A-1 20um-50um，流道出入口区A-3中出入口尺寸一致，宽度≥500um，其他尺寸和微流道散热区一致。
所述氮化镓晶体管微流结构层A材料为Si、蓝宝石或SiC中的一种。
所述集成键合层B的工艺采用金属键合或有机物键合；若采用金属键，在氮化镓晶体管微流结构区A的面和微流体引流层C正面分别蒸发氮化镓晶体管微流结构区键合金属B-1和微流体引流层键合金属B-2，厚度都小于250 nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成；若采用有机物键合，在微流体引流层C正面旋涂一层有机物B-3，厚度小于500 nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成。
所述微流体引流层C设有内嵌阶梯式微流传输通道，其中与氮化镓晶体管集成面的引流层正面微流传输通道C-1尺寸为宽≥500um，和氮化镓晶体管微流结构区的流道出入口尺寸一致；与驱动集成模块封接面的引流层背面微流传输通道C-2尺寸设计成阶梯状，长宽整体扩大500um，阶梯深度在≥300um；所述微流体引流层C利用SiC热沉基板材料，采用光刻和离子刻蚀技术制备。
所述驱动集成模块D内设有驱动集成模块微流传输通道D-1、凸式互连接口D-2和凸式流体进出口D-3，驱动集成模块微流传输通道尺寸D-1与引流层正面微流传输通道C-1尺寸一致，内部呈垂直结构；凸式互连接口D-2尺寸与引流层背面微流传输通道C-2尺寸一致，实现与微流体引流层C的集成；凸式流体进出口D-3设计在驱动集成模块D的两侧，尺寸比驱动集成模块微流传输通道D-1大500um-1500um，凸起尺寸在3-10mm，便于实现与微流泵互连；驱动集成模块采用机械或激光加工方式制备。
一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置的制备方法，包括以下步骤：
1）利用键合机将氮化镓晶体管微流结构层和微流体引流层进行对准键合封接，形成高可靠的集成键合层；
2）利用金属焊接技术将微流体引流层及驱动集成模块集成，实现片内微流驱动装置的制备。
3）利用橡胶管将驱动集成模块与微流泵互连集成，实现片内微流驱动装置对氮化镓晶体管微流散热能力的驱动控制。
所述键合温度小于250℃，避免氮化镓器件高温下损坏。
本发明的有益效果：
1）创新的引入了流体引流层作为过渡结构，解决了芯片与驱动集成模块因热失配和尺度失配等问题无法直接集成技术瓶颈。
2）设计了微流结构层流道出入口、流体引流层内嵌阶梯式传输通道及驱动集成模块的凸式互连接口和凸式流体进出口等新结构，解决了片内微流驱动装置集成中的微流道对准技术难题。
3）整个片内微流驱动装置的工艺无新工艺，结构简单，工艺简便，制备难度较低。整体设计与研制的片内微流驱动装置实现微流泵对氮化镓晶体管微流散热能力的控制，充分发挥片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，可用于超大功率微波功率氮化镓器件。
附图说明
附图1是片内微流散热驱动装置结构示意图。
附图2是氮化镓晶体管微流结构层结构示意图。
附图3是集成键合层结构示意图。
附图4是微流体引流层结构示意图。
附图5是驱动集成模块结构示意图。
附图6是片内微流驱动装置集成工艺示意图。
图中A是氮化镓晶体管微流结构层、B是集成键合层、C是微流体引流层、D是驱动集成模块、E是氮化镓晶体管、F是氮化镓晶体管微流、A-1热源区是、A-2微流道散热区是、A-3是流道出入口区、B-1键合金属是、B-2键合金属是、B-3是有机物、C-1是微流传输通道、C-2是微流传输通道、D-1是微流传输通道、D-2是凸式互连接口、D-3是凸式流体进出口D-3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
参照图1,本发明提出的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置设计与制备方法方法，其片内微流驱动装置设计结构设计自上而下一次包括氮化镓晶体管微流结构层A、集成键合层B、微流体引流层C及驱动集成模块D。所述的氮化镓晶体管微流结构层A特征是含片内微流道散热区及流道出入口区；所述的集成键合层B特征是厚度控制在500nm以内；所述的微流体驱动层C特征在于内部含内嵌阶梯式微流传输通道，实现对片内微流体的引流；所述的微流体驱动集成模块D特征在于含微流传输通道、凸式互连接口和凸式流体进出口，实现与微流泵浦互连；同时表面可实现氮化镓晶体管电路互连E。该片内微流驱动装置的设计可满足微流泵对氮化镓晶体管微流F散热能力的控制，充分实现片内微流散热结构氮化镓晶体管的高效散热能力，可用于超大功率微波功率氮化镓器件。
参照图2，本发明提出的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置设计与制备方法方法的设计及工艺流程示意图，包括如下具体设计和工艺：
1、氮化镓晶体管微流结构层的设计与制备：如图2，氮化镓晶体管微流结构区设计在晶体管的衬底背面，热源区A-1的正下方，距离热源区距离在20um-50um，保证散热能力和可靠性；同时，微流结构区设计为微流道散热区A-2（虚线框内）及流道出入口区A-3，出入口尺寸一致，入口宽度在不小于500um，其他尺寸和微流道散热区一致。氮化镓晶体管微流结构层的制备采用传统的光刻和离子刻蚀技术实现，适用于氮化镓衬底材料可为Si、蓝宝石、SiC的任意一种。
2、集成键合层的设计与制备：如图3，集成键合层厚度设计控制在500 nm以内，可有效满足对界面热阻及键合强度的需求；同时键合温度控制在250℃，避免氮化镓器件高温下损坏。键合层的工艺采用金属键合或有机物键合。若采用金属键合时，在氮化镓晶体管微流结构区的面和微流体引流层正面分别蒸发键合金属（B-1和B-2），厚度控制在250 nm以内，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成。若采用有机物键合时，在微流体引流层正面旋涂一层有机物B-3，厚度控制在500 nm以内，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成。
3、微流体引流层设计与制备：如图4，微流体驱动层厚度设计控制在500um-1000um，内部含内嵌阶梯式微流传输通道，与氮化镓晶体管集成面（引流层正面）的微流传输通道C-1尺寸和氮化镓晶体管微流结构区的流道出入口尺寸一致，与驱动集成模块封接面（引流层背面）的微流传输通道C-2尺寸成阶梯状，整体扩大500um，阶梯深度在200um-300um，实现与驱动集成模块对准集成，实现对片内微流体的引流。微流体引流层的制备采用传统的光刻和离子刻蚀技术实现，适用于Si或SiC热沉基板材料。
4、驱动集成模块设计与制备：如图5，驱动集成模块厚度设计在5-10mm以内，内部含微流传输通道D-1、凸式互连接口D-2和凸式流体进出口D-3，微流传输通道尺寸与引流出层正面的微流传输通道尺寸一致，内部微流传输通道成垂直结构；凸式互连接口尺寸与引流层背面微流传输通道尺寸一致，实现与微流体引流层的集成；凸式液体进出口设计在驱动集成模块的两侧，尺寸比微流传输通道大500um-1500um，凸起尺寸在3-10mm，便于实现与微流泵浦互连。驱动集成模块的制备采用传统机械或激光加工方式实现，适用于Al或铜等易加工的金属材料。
5、片内微流驱动装置集成工艺：
1）利用键合机将氮化镓晶体管微流结构层和微流体引流层进行对准键合封接，形成高可靠的集成键合层，如图6中A-C。
2）利用金属焊接技术将微流体引流层及驱动集成模块集成，如图6中C-D。实现片内微流驱动装置的制备。
3）利用橡胶管将驱动集成模块与微流泵互连集成，实现片内微流驱动装置对氮化镓晶体管微流散热能力的驱动控制。
实施例1
一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置设计与制备方法方法方法，具体包括：
1、氮化镓晶体管微流结构层的设计与制备：氮化镓晶体管微流结构区设计在晶体管的衬底背面，热源区正下方，距离热源区距离在30 um。同时，微流结构区入口宽度设计500um，其他尺寸和微流道散热区一致（长度为2mm）。氮化镓晶体管衬底为SiC材料，微流结构层的制备采用传统的光刻和离子刻蚀技术实现。
2、集成键合层的设计与制备：采用有机物键合，首先在微流体引流层正面旋涂一层苯并环丁烯（BCB）有机物，厚度控制在500 nm，随后利用键合工艺在200℃实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的键合集成。
3、微流体引流层设计与制备：微流体驱动层厚度设计在1mm，与氮化镓晶体管集成面（引流层正面）的微流传输通道尺寸设计为宽500um，长2mm；和氮化镓晶体管微流结构区的流道出入口尺寸一致。与驱动集成模块封接面（引流层背面）的微流传输通道尺寸设计成阶梯状，整体扩大500um，即宽度为1 mm长度为2.5mm，阶梯深度在300um。微流体引流层利用SiC热沉基板材料，其制备采用传统的光刻和离子刻蚀技术实现。
4、驱动集成模块设计与制备：驱动集成模块厚度设计为10mm，内部微流传输通道尺寸与引流出层正面的微流传输通道尺寸一致，设计为宽500um，长2mm，内部微流传输通道设计成垂直结构。凸式互连接口尺寸与引流层背面微流传输通道尺寸一致，设计为宽度为1mm长度为2.5mm，凸起高度为300um。凸式液体进出口设计在驱动集成模块的两侧，其尺寸设计为宽度为1.5mm长度为3mm，凸起高度为5mm。驱动集成模块采用Al材料，利用传统机械加工方式实现。
5、片内微流驱动装置集成工艺：
1）利用键合机将氮化镓晶体管微流结构层和微流体引流层进行对准键合封接，形成高可靠的集成键合层。
2）利用金锡焊接技术将微流体引流层及驱动集成模块集成。实现片内微流驱动装置的制备。
3）利用橡胶管将驱动集成模块与微流泵互连集成，实现片内微流驱动装置对氮化镓晶体管微流散热能力的驱动控制。
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流散热驱动装置设计与制备方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (8)
1.一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是其结构自上而下依次包括氮化镓晶体管微流结构层（A）、集成键合层（B）、微流体引流层（C）及驱动集成模块（D）；其中，所述氮化镓晶体管微流结构层（A）设有片内微流道散热区（A-2）及流道出入口区（A-3），所述集成键合层（B）厚度＜500 nm，所述微流体引流层（C）内部含内嵌阶梯式微流传输通道，实现对片内微流体的引流，所述微流体驱动集成模块（D）包括微流传输通道（D-1）、凸式互连接口（D-2）和凸式流体进出口（D-3），实现与微流泵浦互连，同时表面可实现与氮化镓晶体管电路（E）互连。
2.根据权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是所述氮化镓晶体管微流结构层（A）设于晶体管的衬底背面、热源区正下方，距离热源区（A-1）20um-50um，流道出入口区（A-3）中出入口尺寸一致，宽度≥500um，其他尺寸和微流道散热区一致。
3.根据权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是所述氮化镓晶体管微流结构层（A）材料为Si、蓝宝石或SiC中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是所述集成键合层（B）的工艺采用金属键合或有机物键合；若采用金属键，在氮化镓晶体管微流结构区（A）的面和微流体引流层（C）正面分别蒸发氮化镓晶体管微流结构区键合金属（B-1）和微流体引流层键合金属（B-2），厚度都小于250nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成；若采用有机物键合，在微流体引流层（C）正面旋涂一层有机物（B-3），厚度小于500nm，随后利用键合工艺实现氮化镓晶体管微流结构区和微流体引流层的集成。
5.根据权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是所述微流体引流层（C）设有内嵌阶梯式微流传输通道，其中与氮化镓晶体管集成面的引流层正面微流传输通道（C-1）尺寸为宽≥500um，和氮化镓晶体管微流结构区的流道出入口尺寸一致；与驱动集成模块封接面的引流层背面微流传输通道（C-2）尺寸设计成阶梯状，长宽整体扩大500um，阶梯深度≥300um；所述微流体引流层（C）利用SiC热沉基板材料，采用光刻和离子刻蚀技术制备。
6.根据权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置，其特征是所述驱动集成模块（D）内设有驱动集成模块微流传输通道（D-1）、凸式互连接口（D-2）和凸式流体进出口（D-3），驱动集成模块微流传输通道尺寸（D-1）与引流层正面微流传输通道（C-1）尺寸一致，内部呈垂直结构；凸式互连接口（D-2）尺寸与引流层背面微流传输通道（C-2）尺寸一致，实现与微流体引流层（C）的集成；凸式流体进出口（D-3）设计在驱动集成模块（D）的两侧，尺寸比驱动集成模块微流传输通道（D-1）大500um-1500um，凸起尺寸在3-10mm，便于实现与微流泵浦互连；驱动集成模块采用机械或激光加工方式制备。
7.如权利要求1所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）利用键合机将氮化镓晶体管微流结构层和微流体引流层进行对准键合封接，形成高可靠的集成键合层；
（2）利用金属焊接技术将微流体引流层及驱动集成模块集成，实现片内微流驱动装置的制备。
（3）利用橡胶管将驱动集成模块与微流泵浦互连集成，实现片内微流驱动装置对氮化镓晶体管微流散热能力的驱动控制。
8.根据权利要求7所述的一种应用于氮化镓晶体管的片内微流驱动装置的制备方法，其特征是所述键合温度小于250℃，避免氮化镓器件高温下损坏。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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