[发明专利]实现大功率GaN器件层散热的三维异质结构的封装方法

说明书

本发明针对大功率GaN器件三维异质集成与器件层散热一体化需求，提出了一种实现大功率GaN器件层散热的三维异质结构的封装方法，利用GaN芯片体‑TSV射频转接板‑硅支撑块等多个叠层衬底实现立体折叠微流道设计，微流体从封装壳体底层流入后拾阶而上冷却GaN器件层热点然后拾阶而下流出，克服了传统TSV三维集成技术内嵌微流道从TSV转接板向大功率GaN芯片体内延伸时存在分流设计、传统立体微流道与封装体‑芯片集成与兼容制造等难题，进一步实现了高可制造性、高散热效率、高稳定性的三维射频异质集成应用，具有重要意义。

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种基于TSV技术实现大功率GaN器件层散热的三维异质集成封装方法。

背景技术

5G无线通信、雷达、无人机、卫星等领域的快速发展为射频前端电子器件带来了更为广泛的需求，波谱处理复杂化、高性能、小体积、高集成、轻量化既是微波和毫米波系统重要发展趋势更是面临的主要挑战。自2006年起，随着美国DARPA微系统所提出的先进SiCMOS技术与InP等异质集成技术的突破性进展，演示验证了异质集成是突破技术局限的不二技术选择。与InP基、GaAs基等器件相比，GaN HEMT器件拥有最高的Johnson因数，可应用于更高频率、更大功率，是支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统等必不可少的关键器件，因而，GaN异质集成技术已成为当前国际重要发展方向。但与此同时，随着三维集成封装应用的发展，三维集成封装大功率GaN芯片热流密度已达100W/cm²以上，下一代机载平台大功率GaN芯片热流密度预计500W/cm²以上，已远远超出传统散热技术散热能力，三维异质集成技术使得大功率器件的散热问题更具挑战性。

目前，针对GaN器件封装的传统散热技术仍主要为风冷散热技术和热沉散热技术。风冷散热技术即利用空气带走热量的冷却方式实现散热，其中包括自然冷却和强制冷却。自然冷却技术由于冷却成本低且无需涉及维护问题，广泛应用于温度控制要求不高、热流密度不大的低功耗器件；强制冷却技术则主要借助风扇等散热装置强迫周边空气流动以实现散热的一种方式，主要优点是减小了空气冷却系统的体积，且其散热量是自然冷却散热量的10倍。但对于大功率GaN器件来讲，风冷散热技术仅依靠传导和对流的风冷散热器已经接近其导热极限，其散热极限能力仅能实现将节点与环境热阻降低到0.5℃/W，冷却效率低；而且风扇等增强对流传热的散热装置较微电子芯片显然直径过大，GaN器件散热空间有限，从而限制了散热性能。

另一方面，热沉散热技术亦可实现GaN芯片散热。一般而言，热沉散热技术即利用具有低热扩散性的复合金属材料制作微型散热片从而实现对电子芯片装置的冷却，器件温度随传递到它的热能大小变化不大，且可以满足散热器件的小型化需求，是一种降低芯片温度、保证器件性能的有效途径，但是外部热沉散热结构不利于高密度、小型化的三维集成封装，且散热能力同样不足以满足大功率GaN芯片三维集成封装的热流密度。

发明内容：

本发明的目的是针对大功率GaN器件(热流密度≧500W/cm²)三维异质集成与器件层散热一体化需求，本发明公开了一种基于TSV技术实现大功率GaN器件层散热的三维异质集成封装方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种实现大功率GaN器件层散热的三维异质结构的封装方法，包括如下步骤：

1)在GaN芯片的背面蚀刻制作第一开放微流道结构；

2)将内嵌第一垂直微流道和第一金属化硅通孔的第一基板组装在带有第二开放微流道的金属封装壳体上；所述第一微流道和第一金属化硅通孔分别沿着第一基板的厚度方向设置；将第一GaN芯片通过键合在第一基板远离金属封装壳体的一面上，使得第一GaN芯片的第一开放微流道与第一基板的第一垂直微流道密闭连接；

3)将其他微电子功能芯片集成至第一基板远离金属封装壳体的一面上；