CN113299618A - 一种立体集成高效散热封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子散热技术领域，具体公开了一种立体集成高效散热封装结构及其制备方法，该封装结构包括第一封装基板、第二封装基板、散热微流道、第一芯片、第二芯片、盖板、围框、液冷连接器和电连接器；所述散热微流道和围框焊接在第一封装基板上；所述第一芯片焊接在散热微流道上且与第一封装基板的表面焊盘互联；第二芯片焊接在第二封装基板上且与第二封装基板的表面焊盘互联；所述盖板焊接在围框上进行封盖；所述液冷连接器和电连接器焊接在第一封装基板和第二封装基板之间，且第二封装基板上也焊接有液冷连接器和电连接器。本发明可以在实现高热流密度散热的同时，满足微波信号的电磁兼容性要求。
Description
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，尤其是一种立体集成高效散热封装结构及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，电子系统的集成密度逐渐提升，传统平面高密度集成的方式已经不能满足应用需求，需要采用三维集成技术将传统的平面集成方式改为三维立体集成方式。与此同时，以GaN为代表的第三代半导体技术的广泛使用，使得微波功率器件的功率密度逐渐提升。相应的，功率芯片的热流密度也日益提升，热管理问题已经逐渐成为了电子系统发展的技术瓶颈之一。传统的被动散热技术已经不能满足大功率器件的散热需求。利用微流体实现增强散热的热管理技术成为重要的解决途径。
目前，关于三维集成高效散热结构的专利很多：如中国专利ZL201811374347.7提出了一种嵌入微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺，实现了高效散热结构的三维集成；然而，该专利并未考虑微波功率芯片的空气腔问题。中国专利ZL201810601226.5提出了一种实现大功率GaN器件散热的三维异质结构的封装方法，实现了面向微波应用的三维集成；然而，该专利基于硅基板集成，技术难度大，中小批量加工时成本高。
如何构建面向典型微波多芯片组件应用的立体集成高效散热封装结构，在实现高热流密度散热的同时，满足微波信号的电磁兼容性要求，目前还鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种立体集成高效散热封装结构及其制备方法，在实现局部区域高热流密度散热的同时，通过陶瓷封装基板内金属布线层和陶瓷封装基板内金属通孔实现电气信号的立体传输，满足微波信号的电磁兼容性要求。
本发明采用的技术方案如下：一种立体集成高效散热封装结构，包括：第一封装基板、第二封装基板、散热微流道、第一芯片、第二芯片、盖板、围框、液冷连接器和电连接器；
所述散热微流道和围框焊接在第一封装基板上；
所述第一芯片焊接在散热微流道上且与第一封装基板的表面焊盘互联；第二芯片焊接在第二封装基板上且与第二封装基板的表面焊盘互联；
所述盖板焊接在围框上进行封盖；
所述液冷连接器和电连接器焊接在第一封装基板和第二封装基板之间，且第二封装基板上也焊接有液冷连接器和电连接器。
所述第一封装基板和第二封装基板均为内嵌微流道的陶瓷封装基板，其中，微流道为中小尺寸微流道，流道尺寸在100μm～3mm之间，流道深宽比≤3:1；可采用叠层后烧结工艺制备，并在单块基板中实现毫米尺度的深腔槽，不需要多次晶圆键合即可实现毫米尺度的深腔槽，降低了工艺难度和制备成本；第一封装基板主要用于实现散热微流道的供液和均匀分流，第二封装基板主要用于向第一封装基板的内嵌微流道供液和第二芯片的普通散热，其普通散热能力为50W/cm2～150W/cm2。
所述内嵌微流道的陶瓷封装基板为LTCC或HTCC陶瓷封装基板。
所述散热微流道为高效散热硅基微流道，其中，微流道为小尺寸、高深宽比微流道，流道尺寸在10～100μm之间，流道深宽比≥5:1；流道的当量尺寸越小，微尺寸换热效应愈明显，散热能力越强；为了实现数百瓦每平方厘米甚至千瓦每平方厘米的高效散热能力，微流道的当量尺寸应在数十微米量级，采用基于MEMS工艺的硅基微纳加工工艺制备散热微流道，可实现局部高效散热，高效散热的能力为500W/cm2～1000W/cm2。
所述第一芯片为大功率射频芯片，包括功率放大芯片和开关芯片；所述第二芯片为中小功率芯片，包括除大功率功率放大芯片和大功率开关芯片以外的其它所有芯片。
所述围框为金属围框，所述盖板为金属盖板。
所述第一封装基板顶面有深腔槽，所述第一封装基板顶面深腔槽的深度在1.5mm～3mm之间，所述第一封装基板顶面深腔槽用于集成散热微流道；所述第二封装基板顶面有矮腔槽，所述第二封装基板顶面矮腔槽的深度在0.5mm～1mm之间，所述第二封装基板顶面矮腔槽用于集成第二芯片。
所述第一封装基板顶面深腔槽、围框和盖板之间有高度在1mm～3mm的高空气腔；所述第二封装基板顶面矮腔槽和第一封装基板底面之间有高度在0.5mm～1mm的矮空气腔；在完成多芯片立体集成后，需要满足第一芯片顶部1～3mm的高空气腔要求和第二芯片顶部数百微米的矮空气腔要求，以防止出现芯片输出信号异常、自激和烧毁等现象。
本发明还公开了一种立体集成高效散热封装结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将散热微流道和围框焊接在第一封装基板上；
步骤2：将第一芯片通过低热阻集成的方法焊接在散热微流道上；
步骤3：通过键合引线，将第一芯片和第一封装基板表面的焊盘互联；
步骤4：利用盖板对围框进行焊接封盖；
步骤5：将第二芯片通过低热阻集成的方法焊接在第二封装基板上；
步骤6：通过键合引线，将第二芯片和第二封装基板表面的焊盘互联；
步骤7：使用液冷连接器和电连接器将第一封装基板和第二封装基板互联，得到立体集成高效散热封装结构。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)将高效散热硅基微流道与内嵌微流道的陶瓷封装基板一体化集成，同步在陶瓷封装基板内制备高深度的腔槽并结合金属围框实现高空气腔，在实现高热流密度散热的同时，通过陶瓷封装基板内金属布线层和陶瓷封装基板内金属通孔实现电气信号的立体传输，并满足微波信号的电磁兼容性要求。
(2)使用内嵌中小尺寸微流道的陶瓷封装基板作为供液网络和中小功率芯片的普通散热载体，可实现50W/cm2～150W/cm2的散热能力；使用内嵌小尺寸、高深宽比微流道的高效散热硅基微流道作为大功率射频芯片的高效散热载体，可实现500W/cm2～1000W/cm2的散热能力。分别优化设计两种流道的尺寸和结构后，将二者立体集成，可实现不同芯片区域的均匀散热。
(3)综合利用了硅基微纳加工工艺可制备小尺寸、高深宽比微流道和陶瓷基板叠层后烧结工艺可制备中小尺寸微流道、毫米尺度腔槽的技术优势，实现了成本、散热能力和微波性能的综合最优。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2是本发明的散热微流道切面示意图。
图3是本发明的第一封装基板正面示意图。
图4是本发明的第一封装基板切面示意图。
图5是本发明的第二封装基板切面示意图。
图6是本发明的制备方法工艺流程图。
附图标记：1-散热微流道，2-第一封装基板，3-第一芯片，4-键合引线，5-围框，6-盖板，7-焊盘，8-第一芯片低热阻集成界面，9-封装基板内金属布线层，10-封装基板内金属通孔，11-小尺寸、高深宽比微流道，12-进/出液口Ⅰ，13-供液网络，14-进/出液口Ⅱ，15-第二芯片，16-液冷连接器，17-电连接器，18-中小尺寸微流道，19-第二封装基板，20-第一封装基板顶面深腔槽，21-第二封装基板顶面矮腔槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1-图5所示，一种立体集成高效散热封装结构，包括：第一封装基板2、第二封装基板19、散热微流道1、第一芯片3、第二芯片15、盖板6、围框5、液冷连接器16和电连接器17；
所述散热微流道1和围框5焊接在第一封装基板2上；
所述第一芯片3焊接在散热微流道1上且与第一封装基板2的表面焊盘互联；第二芯片15焊接在第二封装基板上1且与第二封装基板19的表面焊盘互联；
所述盖板6焊接在围框5上进行封盖；
所述液冷连接器16和电连接器17焊接在第一封装基板2和第二封装基板19之间，且第二封装基板19也焊接有液冷连接器16和电连接器17。
在一个优选的实施例中，所述散热微流道1为高效散热硅基微流道，其中的流道为小尺寸、高深宽比微流道11，流道尺寸为30μm，流道深宽比为5:1。
在一个优选的实施例中，所述散热微流道1的底部设有进/出液口Ⅰ12。
在一个优选的实施例中，所述第一封装基板2和第二封装基板19均为内嵌微流道的陶瓷封装基板，所述内嵌微流道的陶瓷封装基板为HTCC陶瓷封装基板，其中的流道尺寸为中小尺寸微流道，流道尺寸为400um，流道深宽比为1:1。
需要说明的是，所述第一封装基板2和第二封装基板19通过立体集成的方法实现供液网络。
在一个优选的实施例中，所述第二封装基板19顶部有供液网络13，底部设有进/出液口Ⅱ14。
在一个优选的实施例中，所述第一封装基板2可实现4个散热微流道的供液和均匀分流。
在一个优选的实施例中，所述第一芯片3，包括功率放大芯片和开关芯片；所述第二芯片15，包括除大功率功率放大芯片和大功率开关芯片以外的其它所有芯片。
在一个优选的实施例中，所述围框5为金属围框，所述盖板6为金属盖板。
在一个优选的实施例中，所述第一封装基板2顶面有深腔槽，所述第一封装基板顶面深腔槽20的深度为2mm；所述第一封装基板顶面深腔槽20、围框5和盖板6之间形成了第一芯片3顶部3mm的高空气腔。
需要说明的是，所述散热微流道1集成在第一封装基板顶面深腔槽20内，且第一封装基板顶面深腔槽20内可集成一个或多个散热微流道。
在一个优选的实施例中，所述第二封装基板19顶面有矮腔槽，所述第二封装基板顶面矮腔槽21的深度为1mm；所述第二封装基板顶面矮腔槽21与第一封装基板2底面之间形成了第二芯片15顶部800um的矮空气腔。
需要说明的是，所述第二芯片15集成在第二封装基板顶面矮腔槽21内。
需要说明的是，所述散热微流道1、第一封装基板2和第二封装基板19使用液冷连接器16、电连接器17、封装基板内金属布线层9和封装基板内金属通孔10实现电气信号的立体传输，从而构成了立体集成高效散热封装结构。
需要说明的是，散热微流道1在立体集成高效散热封装结构的上部，用于实现第一芯片600W/cm2的高效散热；第二封装基板19在立体集成高效散热封装结构的下部，主要用于向上部第一封装基板2供液和第二芯片100W/cm2的普通散热。
如图6所示，提供了一种上述立体集成高效散热封装结构的制备方法：
步骤1：将散热微流道1和围框5焊接在第一封装基板2上；
步骤2：将第一芯片3通过低热阻集成的方法焊接在散热微流道上1；
步骤3：通过键合引线，将第一芯片3和第一封装基板表面2的焊盘互联；
步骤4：利用盖板6对围框5进行焊接封盖；
步骤5：将第二芯片15通过低热阻集成的方法焊接在第二封装基板19上；
步骤6：通过键合引线，将第二芯片15和第二封装基板19表面的焊盘互联；
步骤7：使用液冷连接器16和电连接器17将第一封装基板2和第二封装基板19互联，得到立体集成高效散热封装结构。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，包括：第一封装基板、第二封装基板、散热微流道、第一芯片、第二芯片、盖板、围框、液冷连接器和电连接器；
所述散热微流道和围框焊接在第一封装基板上；
所述第一芯片焊接在散热微流道上且与第一封装基板的表面焊盘互联；第二芯片焊接在第二封装基板上且与第二封装基板的表面焊盘互联；
所述盖板焊接在围框上进行封盖；
所述液冷连接器和电连接器焊接在第一封装基板和第二封装基板之间，且第二封装基板上也焊接有液冷连接器和电连接器。
2.如权利要求1所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述第一封装基板和第二封装基板均为内嵌微流道的陶瓷封装基板，其中，微流道为中小尺寸微流道，流道尺寸在100μm～3mm之间，流道深宽比≤3:1。
3.如权利要求2所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述内嵌微流道的陶瓷封装基板为LTCC或HTCC陶瓷封装基板。
4.如权利要求3所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述散热微流道为高效散热硅基微流道，其中，微流道为小尺寸、高深宽比微流道，流道尺寸在10～100μm之间，流道深宽比≥5:1。
5.如权利要求4所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述第一芯片为大功率射频芯片，包括功率放大芯片和开关芯片；所述第二芯片为中小功率芯片，包括除大功率功率放大芯片和大功率开关芯片以外的其它所有芯片。
6.如权利要求5所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述围框为金属围框，所述盖板为金属盖板。
7.如权利要求6所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述第一封装基板顶面有深腔槽，所述第一封装基板顶面深腔槽的深度在1.5mm～3mm之间，所述第一封装基板顶面深腔槽用于集成散热微流道；所述第二封装基板顶面有矮腔槽，所述第二封装基板顶面矮腔槽的深度在0.5mm～1mm之间，所述第二封装基板顶面矮腔槽用于集成第二芯片。
8.如权利要求7所述的一种立体集成高效散热封装结构，其特征在于，所述第一封装基板顶面深腔槽、围框和盖板之间有高度在1mm～3mm的高空气腔；所述第二封装基板顶面矮腔槽和第一封装基板底面之间有高度在0.5mm～1mm的矮空气腔。
9.一种立体集成高效散热封装结构制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制造如权利要求1-8任一项所述的立体集成高效散热封装结构，包括如下步骤：
步骤1：将散热微流道和围框焊接在第一封装基板上；
步骤2：将第一芯片通过低热阻集成的方法焊接在散热微流道上；
步骤3：通过键合引线，将第一芯片和第一封装基板表面的焊盘互联；
步骤4：利用盖板对围框进行焊接封盖；
步骤5：将第二芯片通过低热阻集成的方法焊接在第二封装基板上；
步骤6：通过键合引线，将第二芯片和第二封装基板表面的焊盘互联；
步骤7：使用液冷连接器和电连接器将第一封装基板和第二封装基板互联，得到立体集成高效散热封装结构。
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