[实用新型]大功率GaN器件散热与集成一体化结构

说明书

本实用新型公开了一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构，包括TSV转接板、GaN器件、壳体和电路板，其中TSV转接板设有输入微流道、输出微流道和导流结构，GaN器件装配于TSV转接板上且背面设有第一开放微流道，第一开放微流道水平方向的两侧分别通过导流结构与输入微流道和输出微流道导通；TSV转接板装配于壳体内且设有与输入微流道和输出微流道导通的流道，电路板设于壳体的侧壁顶部并与TSV转接板电气连接。本实用新型在提高GaN器件衬底微流道散热效能的同时不降低GaN器件体的机械强度、并解决GaN器件电气接地与异质集成问题。

技术领域

本实用新型涉及微电子封装领域，更具体的涉及一种大功率GaN器件散热与集成一体化结构。

背景技术

GaN材料具有高功率密度、宽禁带、高导热率、高击穿场强和高电子饱和速度等特点，适合大功率、高频等应用，被广泛应用于雷达系统、通信系统、5G、新能源汽车等军事和商业领域。随着GaN器件应用发展，GaN HEMT器件的局部热流密度将超过1000W/cm²。若这些芯片内产生热量不能及时散出，将会影响芯片的使用性能，使其功能失效。

目前，GaN器件散热主要通过将芯片装置于铜钼载体、金刚石载体等高导热载体上，再装载至冷板散热器上，进行散热。这种方式属于被动式散热，热源至散热器之间的热传导路径热阻大，限制了终端散热器散热能力的发挥。近年来，学术界提出在GaN HEMT器件有源区表面制作石墨烯，或将GaN器件的衬底全替换或局部替换为金刚石等高导热衬底的方式进行散热优化。这种方式，也属于被动散热，相比前者，热传导路径热阻大为降低，局部热点得到抑制，但是仍面临着如何将局限在芯片体尺度范围的高密度热流高效散出的问题，必须缩小短终端散热器至GaN器件体距离。

微流道散热技术是一种主动的散热方式，具有高散热效率、极低的热阻，有望成为解决大功率GaN器件散热需求的关键途径。2006年，美国海军实验室提出了采用微流道热沉对大功率GaN器件散热方案，利用导电胶或共晶键合工艺将GaN器件装配在制作有开放式平行槽Si、AlN、铜等衬底底面(开放槽道相对的一面)上，附以夹具闭合微流道热沉开放面，微流道宽度500±25μm、高度1.4±0.025mm、间距1mm，利用GaN器件有源层制作模拟热源对微流道散热效率进行测试分析，验证了平行槽道式微流道散热效率。但是，这种方案本质上是通过模块夹具和具有开放平行槽微流道构成的微流道热沉对分立GaN器件进行散热，热源距离散热微流道包括GaN器件衬底层，Si、AlN、铜等衬底开放式平行槽底至底面的距离，以及两者之间的粘接层，热传导路径长，同时未考虑GaN器件集成化需求。

近年来，业界已提出在高性能封装基板内嵌微流道对装配其上的大功率GaN器件进行散热，如北京大学研发了内嵌散热微流道的LTCC基板技术，演示了三种内嵌于LTCC基板的微流道结构的换热性能；四川省压电与声光技术研究所提出了在微波印制电路板内嵌微流道技术，演示了S波段10W连续波功率放大器模块的封装，在解决GaN器件集成同时进行散热。就高频电学表现而言，LTCC具有优秀的高频、高Q特性和高速传输特性，能耐高温、适应大电流的特点，是一种优秀的多芯片RF封装基板材料。但是，LTCC导热率仅有2- 5W/m·K，而Si为150W/m·K，SiC为490W/m·K，与前述Si等平行槽道微流道散热技术方案相似，这导致装配其上的GaN器件热源区-也即是器件有源层至LTCC内嵌微流道之间路径存在较大热阻，散热效率难以提升，不能充分发挥微流道散热技术优点。而且，LTCC 基板内嵌微流道尺寸、深宽比、最小间距等也难以进一步缩小以充分发挥微流道散热技术优势。2018年，厦门大学马盛林等提出了一种内嵌微流道的TSV转接板，用于GaN器件等 2.5D集成与散热，演示了基于内嵌微流道TSV转接板的2-6GHz GaN功放模块，展示了 400W/cm²的散热能力。与LTCC内嵌微流道技术相比，TSV转接板内嵌微流道不论是GaN 器件热源至散热微流体之间的热阻还是微流道特征尺寸等都有大幅提升。