CN114256175B - 一种嵌入微流道的瓦片式tr组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子散热技术领域，公开了一种嵌入微流道的瓦片式TR组件及其制备方法，该瓦片式TR组件，包括盒体、嵌入所述盒体内的分流网络、设于所述盒体内的与所述分流网络连通的微流道、设于所述微流道上方的大功率芯片，所述分流网络连接有用以与盒体外部空间连通的进出液口，所述分流网络、所述微流道用以通过散热流体。本发明解决了现有技术存在的难以在满足组件电气功能的同时解决瓦片式TR组件散热问题等不足。

Description

一种嵌入微流道的瓦片式TR组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，具体是一种嵌入微流道的瓦片式TR组件及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，作为有源相控阵电子系统核心部件之一的TR组件的技术提升也越来越快。高性能、微型化、高集成度、高发射功率的TR组件的需求越来越大。传统的砖式TR组件采用纵向布局横向组装，集成度低，体积大。瓦片式TR组件采用横向布局纵向组装，集成度高，体积小。在集成度要求高的系统中瓦片式TR组件得到广泛应用。关于瓦片式TR组件也有很多专利报道，如专利CN 20702199 U提供了一种瓦片式TR组件的结构，实现了TR组件的小型化。
随着以GaN为代表的第三代半导体的广泛使用，TR组件的发射功率日益提高，导致其散热问题越发突出。据估计，未来TR组件的功率密度可能达到数百甚至上千瓦每平方厘米。
传统的散热技术包括金属热沉、强制风冷、强制液体循环制冷等技术。在一定的空间范围和功率密度范围内，能满足电子系统使用要求。但随着电子系统的微型化发展和功率密度的快速提升，传统散热技术已经不能满足TR组件中大功率芯片的散热需求。
瓦片式TR组件的高密度集成和电子系统的小型化要求极大地限制了TR组件的散热设计。利用微米尺度流体实现增强散热的热管理技术成为一种重要的解决途径。与传统散热方式相比，微流道散热技术具有独特的优势。一方面，以液体为冷却介质的微流道散热技术，可以实现大热流密度传热；另一方面，微流道内液体流动换热的对流换热系数与通道的当量尺寸成反比，在减小通道当量尺寸的同时，既可以显著提高换热效果，又可以大幅度减小体积，使得整个散热系统的结构尺寸及重量得到很大程度的简化和降低。因此，微流道散热技术在微系统集成和大功率电子器件等领域有广泛的应用前景。
目前，关于微流道散热的专利很多，如CN201710377322.1和CN201810412925.5这些专利技术提供了如何制备微流道散热结构。但是，如何将微米尺度微流道集成应用到TR组件中，在满足组件电气功能的同时解决组件散热问题，还鲜有报道。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种嵌入微流道的瓦片式TR组件及其制备方法，解决现有技术存在的难以在满足组件电气功能的同时解决瓦片式TR组件散热问题等不足。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，包括盒体、嵌入所述盒体内的分流网络、设于所述盒体内的与所述分流网络连通的微流道、设于所述微流道上方的大功率芯片，所述分流网络连接有用以与盒体外部空间连通的进出液口，所述分流网络、所述微流道用以通过散热流体；其中，所述大功率芯片指热流密度为400W/cm2～1500W/cm2的芯片。
作为一种优选的技术方案，所述分流网络的直径为100μm～5mm。
作为一种优选的技术方案，所述微流道的直径为10μm～100μm。
作为一种优选的技术方案，所述微流道与所述大功率芯片焊接连接。
作为一种优选的技术方案，所述微流道与所述大功率芯片低空洞率焊接连接。
作为一种优选的技术方案，所述微流道与所述大功率芯片采用低热阻集成方法焊接连接。
作为一种优选的技术方案，所述低热阻集成方法包括金锗共晶和/或纳米银浆烧结。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述盒体上方的多腔槽LTCC基板，所述多腔槽LTCC基板与所述大功率芯片互联。
作为一种优选的技术方案，所述多腔槽LTCC基板包括盲腔和空腔。
一种嵌入微流道的瓦片式TR组件的制备方法，包括以下步骤：
S1，将分流网络嵌入盒体内，分流网络的进出液口与盒体外部空间连通；
S2，将微流道设置在盒体内，使微流道与分流网络连通；
S3，将大功率芯片设置在微流道上方。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明将大功率瓦片式TR组件和微流道相结合，将微米尺度微流道集成应用到TR组件中，有效解决了大功率瓦片式TR组件的散热问题，在满足组件电气功能的同时解决组件散热问题；本发明针对多通道大功率瓦片式TR组件，将微流道和具有分流网络的盒体集成在一起，通过使用微米级微流道替代传统金属热沉散热，TR组件的散热能力显著提升，在满足TR组件高集成度的同时实现高热流密度散热；
(2)本发明多腔槽LTCC基板为所述大功率芯片提供了安装位置，还便于安装其他电子元件；
(3)本发明通过巧妙的布局，实现了电、流体、热在同一个组件里的高密度集成；电信号和流体信号完全隔离，实现了TR组件安全有效的散热。
附图说明
图1为本发明一种嵌入微流道的瓦片式TR组件的俯视图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明一种嵌入微流道的瓦片式TR组件的仰视图；
图4为本发明所述盒体的俯视图；
图5为图4的剖视图；
图6为本发明所述多腔槽LTCC基板的结构示意图；
图7为内嵌分流网络的盒体的结构示意图；
图8为设有微流道的硅基板结构的结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、盒体；2、多腔槽LTCC基板；3、进出液口；4、射频大功率信号连接器；5、射频小信号连接器；6、多芯加电控制绝缘子；7、低频连接器；8、微流道；9、多层互联基板；10、射频绝缘子；11、微波印制电路片；12、大功率芯片；13、微波元件；14、分流网络；21、盲腔；22、空腔。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图8所示，一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，包括盒体1、嵌入所述盒体1内的分流网络14、设于所述盒体1内的与所述分流网络14连通的微流道8、设于所述微流道8上方的大功率芯片12，所述分流网络14连接有用以与盒体1外部空间连通的进出液口3，所述分流网络14、所述微流道8用以通过散热流体；其中，所述大功率芯片12指热流密度为400W/cm2～1500W/cm2的芯片。
本发明将大功率瓦片式TR组件和微流道相结合，将微米尺度微流道8集成应用到TR组件中，有效解决了大功率瓦片式TR组件的散热问题，在满足组件电气功能的同时解决组件散热问题。本发明针对多通道大功率瓦片式TR组件，将微流道8和具有分流网络14的盒体1集成在一起，通过使用微米级微流道8替代传统金属热沉散热，TR组件的散热能力显著提升，在满足TR组件高集成度的同时实现高热流密度散热。优选的，微流道8采用硅基微流道。
作为一种优选的技术方案，所述分流网络14的直径为100μm～5mm。
这样直径的分流网络14散热效果较好。
作为一种优选的技术方案，所述微流道8的直径为10μm～100μm。
这样直径的微流道8散热效果较好。
作为一种优选的技术方案，所述微流道8与所述大功率芯片12焊接连接。
焊接连接便于紧固，而且接触面稳定，便于提高散热效率和可靠性。
作为一种优选的技术方案，所述微流道8与所述大功率芯片12低空洞率焊接连接。
低空洞率焊接便于进一步提高散热效果。
作为一种优选的技术方案，所述微流道8与所述大功率芯片12采用低热阻集成方法焊接连接。
这进一步提高了散热效果。
作为一种优选的技术方案，所述低热阻集成方法包括金锗共晶和/或纳米银浆烧结。
这进一步提高了散热效果。
作为一种优选的技术方案，还包括设于所述盒体1上方的多腔槽LTCC基板2，所述多腔槽LTCC基板2与所述大功率芯片12互联。
多腔槽LTCC基板2为所述大功率芯片12提供了安装位置，还便于安装其他电子元件。
作为一种优选的技术方案，所述多腔槽LTCC基板2包括盲腔21和空腔22。
这样的设置使得更便于安装其他电子元件，尤其是更方便提高连接器等元器件的适配安装类别。
实施例2
如图1至图8所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
所述的一种嵌入微流道的瓦片式TR组件的制备方法，包括以下步骤：
S1，将分流网络14嵌入盒体1内，分流网络14的进出液口3与盒体1外部空间连通；
S2，将微流道8设置在盒体1内，使微流道8与分流网络14连通；
S3，将大功率芯片12设置在微流道8上方。
本发明将大功率瓦片式TR组件和微流道相结合，将微米尺度微流道8集成应用到TR组件中，有效解决了大功率瓦片式TR组件的散热问题，在满足组件电气功能的同时解决组件散热问题。本发明针对多通道大功率瓦片式TR组件，将微流道8和具有分流网络14的盒体1集成在一起，通过使用微米级微流道8替代传统金属热沉散热，TR组件的散热能力显著提升，在满足TR组件高集成度的同时实现高热流密度散热。优选的，微流道8采用硅基微流道。
实施例3
如图1至图8所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种嵌入微流道的瓦片式TR组件及其制备方法。本发明将大功率瓦片式TR组件和微流道相结合，有效解决了大功率瓦片式TR组件的散热问题，在满足TR组件高集成度的同时实现高热流密度散热。
一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，包括：内嵌分流网络14的盒体1、硅基微流道(微流道8)、多腔槽LTCC基板2(优选多腔槽多层LTCC互联基板)、大功率芯片12、微波元件13、微波印制电路片11、多层互联基板9、低频连接器7和射频连接器。
需要说明的是，本发明在传统瓦片式TR组件基础上增加微流道8，传统瓦片式TR组件的结构有多种形式，在此不一一列举，瓦片式TR组件并不仅仅限于本实施例所展示的具体的结构，本实施例列举的传统瓦片式TR组件结构不应该被视为对本发明公开范围和保护范围的限定。
优选的，一种嵌入硅基微流道的多通道大功率瓦片式TR组件，包括瓦片式TR组件结构和内嵌微流道8的盒体1结构。瓦片式TR组件的结构要求微波信号下进上出，本发明中微波信号从盒体1底部进入后，通过射频大功率信号连接器4和微波印制电路片11形成垂直互联，信号转为水平传输，经过大功率芯片12和安装在多腔槽LTCC基板上的其他微波元件以及多腔槽LTCC基板的功分网络形成多路微波信号，然后通过射频绝缘子10穿出盒体1与微波印制电路片11形成垂直互联，再通过射频小信号连接器5从盒体1顶部输出。瓦片式TR组件的下进上出结构实现了TR组件的高集成度和小型化要求，但同时也限制了TR组件的散热设计。而未来电子系统对TR组件功率密度的要求越来越高，瓦片式TR组件的散热问题日益突出。本专利通过在盒体1中嵌入微流道8，解决了瓦片式TR组件大功率信号的散热问题，本专利中盒体1内嵌的分流网络14和硅基微流道8板通过气密焊接工艺焊接在一起形成密闭的散热结构。再在硅基板上焊接大功率芯片12后和瓦片式TR组件结构形成互联，组成完整的TR组件射频链路。瓦片式TR组件结构和内嵌微流道的盒体1结构两者之同通过巧妙的布局，实现了瓦片式TR组件电信号和流体信号完全隔离以及大功率信号安全有效的散热。
技术特征如下：
(1)提供内嵌分流网络14的盒体1；
优选地，所述盒体1材料为铝合金、钛合金、柯伐，表面镀金。
优选地，所述盒体1内嵌分流网络14的对外流体的出入口位于盒体1顶部，分为进液口和出液口；其对外流体接口的典型结构为圆形、椭圆形、方形，典型尺度在1mm～3cm之间。对内典型接口结构为圆形、椭圆形、方形，典型的接口尺寸在500μm～3mm之间。
优选地，所述盒体1用于焊接射频大功率信号输出的连接器(射频大功率信号连接器4)的开孔位于盒体1的底部，减小信号传输路径的同时满足瓦片式TR组件纵向组装需求。
优选地，所述盒体1用于焊接射频小信号输入的连接器(射频小信号连接器5)开孔位于盒体1腔壁的顶部。
优选地，所述盒体1腔壁侧面开孔用于焊接射频绝缘子10。
进一步地，为实现射频小信号组件内横向传输转为纵向传输，腔壁侧面开孔和其顶部开孔方向互相垂直且开孔中心位于同一平面。
优选地，为减小TR组件的体积，所述盒体1用于焊接低频连接器7的开孔位于盒体1顶部。
优选地，所述盒体1用于低频信号传输的绝缘子开孔位于盒体1内。
优选地，所述盒体1内开不同深度盲槽，实现射频信号盒体1内水平传输和低频信号可靠连接。
(2)提供硅基微流道；
优选地，所述硅基微流道顶部金属化层满足低空洞焊接要求，底部金属化层满足气密焊接要求。其对外流体接口位于硅基微流道底部，分为进液口和出液口；其对外流体接口的典型结构为圆形、椭圆形、方形，典型的接口尺寸在500μm～3mm之间。
(3)提供多腔槽的LTCC互联基板；
优选地，所述LTCC基板射频信号互联位于基板顶部，低频信号互联位于基板底部。
优选地，所述LTCC基板的腔槽开腔分为盲腔和空腔。盲腔尺寸和低功率的普通微波元件13尺寸相当，满足射频信号低高度差传输。空腔尺寸与硅基微流道尺寸和射频大功率信号垂直互联所需尺寸相适应。
进一步地，空腔数量为多个，对应多通道TR组件射频传输需求。
(4)提供多层互联基板9；
优选地，所述多层互联基板9为微波印制基板，其内连线实现加电控制信号从低频连接器7到多芯加电控制绝缘子6之间互联。
(5)提供电路片实现射频信号互联。
优选地，所述电路片为微波印制电路片11，实现射频信号互联。
本发明还提供了一种嵌入微流道的瓦片式TR组件制备方法，在内嵌分流网络14的盒体1中安装射频连接器和低频连接器7。低频连接器7由多芯连接器和多芯加电控制绝缘子6组成，与多层互联基板9互联后为整个TR组件提供电源信号。在集成有微米级散热微流道的硅基板上焊接大功率芯片12，和多腔槽LTCC基板2一起安装在盒体1内。在多腔槽LTCC基板和盒体1上装配其他微波元件13、微波印制电路片11等，将所有芯片及电路片键合互联后，形成TR组件射频信号传输。盒体1与外部供液系统互联后，在电源信号和射频信号驱动下，射频支路持续稳定的输出大功率信号而不会出现过热现象，解决了瓦片式TR组件大功率信号散热问题。
具体制备方法包括以下步骤：
(1)通过精密金属机械加工技术结合真空扩散焊接技术制备内嵌分流网络14的盒体1，其分流网络14典型尺度在100μm～5mm之间。
(2)使用硅基MEMS工艺制备硅基微通道，典型流道尺度在10～100μm之间。
(3)通过气密焊接工艺，将射频连接器、低频连接器7、多芯加电控制绝缘子6与内嵌微流道的盒体1通过高温焊料实现气密焊接；
优选地，所述的气密焊接工艺为金锡共晶工艺。
(4)通过低热阻集成方法，将大功率芯片12低空洞焊接在硅基微流道上。
优选地，所选的低热阻集成方法为金锗共晶和纳米银浆烧结等焊接工艺。
(5)通过气密焊接工艺，将(2)中所述的硅基微流道焊接在(1)中所述的内嵌分流网络14的盒体1上。
优选地，所述的气密焊接工艺为耐流体腐蚀的焊接工艺。
优选地，所述的气密焊接工艺为金锡共晶工艺。
(6)通过粘接工艺，将提供的多腔槽LTCC基板集成在(5)中所述的盒体1上。
(7)采用粘接工艺将提供的小功率的普通微波元件13、多层互联基板9和电路片集成在(6)所述的盒体1和LTCC基板上。
(8)通过键合工艺，将以上所述结构进行金丝、金带互联，实现射频信号和低频信号传输。
本专利取得了以下技术效果：
1.针对多通道大功率瓦片式TR组件，将硅基微流道和具有分流网络14的盒体1集成在一起，通过使用微米级硅基微流道替代传统金属热沉散热，TR组件的散热能力显著提升，可实现600W/cm2以上的局部高散热能力。
2.通过巧妙的布局，实现了电、流体、热在同一个组件里的高密度集成。电信号和流体信号完全隔离，实现了TR组件安全有效的散热。
3.通过结构创新，为低剖面的大功率相控阵提供了新的大功率散热解决方案。
更具体地，可采用以下方案实施：
(1)提供内嵌分流网络14的盒体1，盒体1材料为铝合金，表面镀金。该盒体1内嵌分流网络14的对外流体的出入口3位于盒体1顶部，分为进液口和出液口；其对外流体接口的结构为圆形，典型接口尺寸为3mm。对内接口结构为圆形，接口尺寸为1mm。
该盒体1用于焊接射频大功率信号输出的连接器4的开孔位于盒体1的底部，用于焊接射频小信号输入的连接器5开孔位于盒体1腔壁的顶部。
该盒体1腔壁侧面开孔用于焊接射频绝缘子10。
该盒体1顶部开孔用于焊接低频连接器7。
该盒体1内开孔用于焊接低频信号传输的多芯加电控制绝缘子6。
该盒体1内开不同深度盲槽。
(2)提供硅基微流道。
提供硅基微流道8，顶部金属化层满足低空洞焊接要求，底部金属化层满足气密焊接要求。其对外流体接口位于硅基微流道底部，分为进液口和出液口；其对外流体接口的结构为圆形，接口尺寸为1mm。
(3)提供多腔槽的LTCC基板2，该基板内电路满足多通道TR组件射频信号平面均匀传输、加电控制信号互联要求。内布线满足大功率芯片12供电要求。多腔槽开腔分为盲腔和空腔。盲腔满足普通射频芯片放置要求，空腔满足大功率芯片12放置要求。多腔槽设计满足LTCC可靠性要求。
(4)提供多层互联基板9，该基板为微波印制基板，其内连线满足加电控制信号从低频连接器7到多绝缘子之间互联。
(5)提供微波印制电路片11，用于射频信号之间的互联。
该实施例的制备方法如图所示，包括以下步骤：
(1)通过精密金属机械加工技术结合真空扩散焊接技术制备内嵌分流网络14的盒体1，流道宽度为1mm。
(2)通过硅基MEMS工艺制备微米尺度硅基微流道，流道宽度为50微米。
(3)通过金锡共晶工艺，将射频连接器、低频连接器7、多芯加电控制绝缘子6与内嵌微流道的盒体1实现气密焊接；
(4)通过纳米银浆烧结工艺，将大功率芯片12低空洞焊接在硅基微流道上。
(5)通过金锡共晶工艺，将(2)中所述的硅基微流道焊接在(1)中所述的内嵌分流网络14的盒体1上。
(6)通过粘接工艺，将提供的多腔槽LTCC基板集成在(5)中所述的盒体1上。
(7)采用粘接工艺将提供的小功率的普通微波元件13、多层互联基板9和电路片集成在(6)所述的盒体1和LTCC基板上。
(8)通过键合工艺，将以上所述结构进行金丝、金带互联，实现射频信号和低频信号传输。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，其特征在于，包括盒体(1)、嵌入所述盒体(1)内的分流网络(14)、设于所述盒体(1)内的与所述分流网络(14)连通的微流道(8)、设于所述微流道(8)上方的大功率芯片(12)，所述分流网络(14)连接有用以与盒体(1)外部空间连通的进出液口(3)，所述分流网络(14)、所述微流道(8)用以通过散热流体；其中，所述大功率芯片(12)指热流密度为400W/cm2～1500W/cm2的芯片；
所述分流网络(14)的直径为100μm～5mm；
所述微流道(8)的直径为10μm～100μm；
还包括设于所述盒体(1)上方的多腔槽LTCC基板(2)，所述多腔槽LTCC基板(2)与所述大功率芯片(12)互联；
所述多腔槽LTCC基板(2)包括盲腔(21)和空腔(22)；
空腔(22)尺寸与微流道(8)尺寸相适应，并且微流道(8)设于空腔(22)内。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，其特征在于，所述微流道(8)与所述大功率芯片(12)焊接连接。
3.根据权利要求2所述的一种嵌入微流道的瓦片式TR组件，其特征在于，所述微流道(8)与所述大功率芯片(12)采用金锗共晶和/或纳米银浆烧结方法焊接连接。
4.权利要求1至3任一项所述的一种嵌入微流道的瓦片式TR组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将分流网络(14)嵌入盒体(1)内，分流网络(14)的进出液口(3)与盒体(1)外部空间连通；
S2，将微流道(8)设置在盒体(1)内，使微流道(8)与分流网络(14)连通；
将大功率芯片(12)设置在微流道(8)上方。
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