[發明專利]實現大功率GaN器件層散熱的三維異質結構的封裝方法

有效

• 申請號: 201810601226.5
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN108766897B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 馬盛林;蔡涵;王瑋;金玉豐;陳兢;龔丹;胡鑫欣
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01L21/56
• 分類號: H01L21/56
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;張迪

本發明針對大功率GaN器件三維異質集成與器件層散熱一體化需求，提出了一種實現大功率GaN器件層散熱的三維異質結構的封裝方法，利用GaN芯片體?TSV射頻轉接板?硅支撐塊等多個疊層襯底實現立體折疊微流道設計，微流體從封裝殼體底層流入后拾階而上冷卻GaN器件層熱點然后拾階而下流出，克服了傳統TSV三維集成技術內嵌微流道從TSV轉接板向大功率GaN芯片體內延伸時存在分流設計、傳統立體微流道與封裝體?芯片集成與兼容制造等難題，進一步實現了高可制造性、高散熱效率、高穩定性的三維射頻異質集成應用，具有重要意義。

技術領域

本發明涉及微電子封裝領域，更具體的涉及一種基于TSV技術實現大功率GaN器件層散熱的三維異質集成封裝方法。

背景技術

5G無線通信、雷達、無人機、衛星等領域的快速發展為射頻前端電子器件帶來了更為廣泛的需求，波譜處理復雜化、高性能、小體積、高集成、輕量化既是微波和毫米波系統重要發展趨勢更是面臨的主要挑戰。自2006年起，隨著美國DARPA微系統所提出的先進SiCMOS技術與InP等異質集成技術的突破性進展，演示驗證了異質集成是突破技術局限的不二技術選擇。與InP基、GaAs基等器件相比，GaN HEMT器件擁有最高的Johnson因數，可應用于更高頻率、更大功率，是支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統等必不可少的關鍵器件，因而，GaN異質集成技術已成為當前國際重要發展方向。但與此同時，隨著三維集成封裝應用的發展，三維集成封裝大功率GaN芯片熱流密度已達100W/cm²以上，下一代機載平臺大功率GaN芯片熱流密度預計500W/cm²以上，已遠遠超出傳統散熱技術散熱能力，三維異質集成技術使得大功率器件的散熱問題更具挑戰性。

目前，針對GaN器件封裝的傳統散熱技術仍主要為風冷散熱技術和熱沉散熱技術。風冷散熱技術即利用空氣帶走熱量的冷卻方式實現散熱，其中包括自然冷卻和強制冷卻。自然冷卻技術由于冷卻成本低且無需涉及維護問題，廣泛應用于溫度控制要求不高、熱流密度不大的低功耗器件；強制冷卻技術則主要借助風扇等散熱裝置強迫周邊空氣流動以實現散熱的一種方式，主要優點是減小了空氣冷卻系統的體積，且其散熱量是自然冷卻散熱量的10倍。但對于大功率GaN器件來講，風冷散熱技術僅依靠傳導和對流的風冷散熱器已經接近其導熱極限，其散熱極限能力僅能實現將節點與環境熱阻降低到0.5℃/W，冷卻效率低；而且風扇等增強對流傳熱的散熱裝置較微電子芯片顯然直徑過大，GaN器件散熱空間有限，從而限制了散熱性能。

另一方面，熱沉散熱技術亦可實現GaN芯片散熱。一般而言，熱沉散熱技術即利用具有低熱擴散性的復合金屬材料制作微型散熱片從而實現對電子芯片裝置的冷卻，器件溫度隨傳遞到它的熱能大小變化不大，且可以滿足散熱器件的小型化需求，是一種降低芯片溫度、保證器件性能的有效途徑，但是外部熱沉散熱結構不利于高密度、小型化的三維集成封裝，且散熱能力同樣不足以滿足大功率GaN芯片三維集成封裝的熱流密度。

發明內容：

本發明的目的是針對大功率GaN器件(熱流密度≧500W/cm²)三維異質集成與器件層散熱一體化需求，本發明公開了一種基于TSV技術實現大功率GaN器件層散熱的三維異質集成封裝方法。

為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種實現大功率GaN器件層散熱的三維異質結構的封裝方法，包括如下步驟：

1)在GaN芯片的背面蝕刻制作第一開放微流道結構；

2)將內嵌第一垂直微流道和第一金屬化硅通孔的第一基板組裝在帶有第二開放微流道的金屬封裝殼體上；所述第一微流道和第一金屬化硅通孔分別沿著第一基板的厚度方向設置；將第一GaN芯片通過鍵合在第一基板遠離金屬封裝殼體的一面上，使得第一GaN芯片的第一開放微流道與第一基板的第一垂直微流道密閉連接；

3)將其他微電子功能芯片集成至第一基板遠離金屬封裝殼體的一面上；