一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，更具体的说，它涉及一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块及其制作方法。

背景技术：

微波毫米波射频集成电路技术是现代国防武器装备和互联网产业的基础，随着智能通信、智能家居、智能物流、智能交通等“互联网+”经济的快速兴起，承担数据接入和传输功能的微波毫米波射频集成电路也存在巨大现实需求及潜在市场。

但是对于高频率的微系统，只做底部的散热配置，射频芯片产生的热会聚集在芯片的底部金属块附近，造成局部温度过高，而周围转接板因为没有金属，把热量导出效果有限。同时芯片将热量传递至pcb板上的镶铜，需要通过芯片跟底座的焊接面、焊接面跟tsv铜柱以及铜柱跟微系统底部镶铜等界面，距离长，传热效果差。依靠pcb板镶铜散热，是把芯片的热量传导给了壳体，单纯的z轴方向的热传导如果碰到pcb板传热效果不好，会对匹配更大功率的芯片不利。

针对这种情况，一般施加微流控散热器，用液冷的方式实现芯片的降温，但是新加的散热器制作工艺复杂，需要先把射频模块先焊接在散热器上，然后把天线焊接在射频模块上，工艺复杂，且天线阵面不能保证在一个水平面上。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供了焊接在天线上的射频模块可以完成信号互联，大大减少制作封装的流程，节约成本，且保证了天线水平面的一致性的一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块及其制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块，包括基板、底座、天线结构和射频模组；基板上表面设置天线结构，且在连接天线结构的两端设置金属柱，基板下表面与底座上表面键合，底座上表面设置液冷微通道孔和液冷微通道凹槽，液冷微通道孔和液冷微通道凹槽整体呈倒凹形；底座下表面与射频模组焊接。

进一步的，射频模组上设置与液冷微通道孔联通的散热通道。

一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块的制作方法，具体处理包括如下步骤：

101)基板处理步骤：基板上表面通过光刻、刻蚀工艺制作tsv孔，tsv孔深度小于基板厚度；基板上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满tsv孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；cmp工艺去除基板上表面的表面金属，留下金属柱；基板上表面通过光刻、电镀工艺制作天线结构，天线结构与金属柱互联；

基板上表面用临时键合与载板连接，减薄基板下表面，露出金属柱；基板下表面通过沉积氧化硅或者氮化硅形成绝缘层，通过cmp工艺，露出金属柱；基板下表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属，形成焊盘，取下载板；

102)底座处理步骤：底座上表面通过光刻、刻蚀工艺制作tsv孔，tsv孔深度小于底座厚度；底座上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层；绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层；电镀金属，填满tsv孔形成金属柱，200到500度温度下密化金属柱；cmp工艺去除底座上表面的表面金属，留下金属柱；底座上表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属形成焊盘；底座上表面通过光刻、刻蚀工艺制作液冷微通道孔和液冷微通道凹槽，液冷微通道孔和液冷微通道凹槽整体呈倒凹形；

底座上表面用临时键合与载板连接，减薄底座下表面，露出金属柱和液冷微通道孔；底座下表面通过沉积氧化硅或者氮化硅形成绝缘层，通过cmp工艺，露出金属柱；底座下表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属，形成焊盘，取下载板；

103)键合成形步骤：基板和底座做晶圆级键合，底座下表面通过焊接的工艺焊接射频模组，切割基板得到单一的模组；其中射频模组上设置有与液冷微通道孔相适应的散热通道。

进一步的，基板和底座采用4、6、8、12寸中的一种，厚度范围为200um到2000um，材料采用硅片、玻璃、石英、碳化硅、氧化铝、环氧树脂、聚氨酯中的一种。

进一步的，tsv孔直径范围在1um到1000um，深度在10um到1000um；绝缘层厚度范围在10nm到100um之间，种子层厚度范围在1nm到100um，种子层的材料采用钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍中的一种或者多种，种子层本身结构为一层或多层。

进一步的，焊盘厚度范围在1um到500um，焊盘采用钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍中的一种；焊盘本身结构为一层或多层。

进一步的，键合工艺的温度控制在100度到350度之间。

进一步的，液冷微通道孔宽度在1um到1mm，深度在10um到1000um。

本发明相比现有技术优点在于：本发明通过在天线中制作微流通道液相散热结构，把射频模块竖立或者横放镶嵌在天线晶圆上，同时在天线上设置互联用的rdl和焊盘，使焊接在天线上的射频模块可以完成信号的互联，大大减少了此类封装设计的流程，节约了成本，且保证了天线水平面的一致性。

附图说明

图1为本发明基板设置金属柱的剖面图；

图2为本发明图1设置天线结构的剖面图；

图3为本发明的图2减薄后的剖面图；

图4为本发明的底座设置金属柱、液冷微通道孔的剖面图；

图5为本发明的图4设置液冷微通道凹槽的剖面图；

图6为本发明的图5减薄后的剖面图；

图7为本发明的基板和底座键合的剖面图；

图8为本发明图7键合射频模组的剖面图；

图9为本发明图7键合竖向设置的射频模组的剖面图；

图10为本发明的图7键合多组射频模组的剖面图；

图11为本发明图7键合多组竖向设置的射频模组的剖面图。

图中标识：基板101、金属柱102、天线结构103、液冷微通道孔104、液冷微通道凹槽105、焊盘106。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明而不能作为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科技术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样的定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

各实施方式中提到的有关于步骤的标号，仅仅是为了描述的方便，而没有实质上先后顺序的联系。各具体实施方式中的不同步骤，可以进行不同先后顺序的组合，实现本发明的发明目的。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图11所示，一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块，包括基板101、底座、天线结构103和射频模组；基板101上表面设置天线结构103，且在连接天线结构103的两端设置金属柱102，基板101下表面与底座上表面键合，底座上表面设置液冷微通道孔104和液冷微通道凹槽105，液冷微通道孔104和液冷微通道凹槽105整体呈倒凹形；底座下表面与射频模组焊接。射频模组上设置与液冷微通道孔104联通的散热通道。

一种天线结合液冷散热结构的射频系统级封装模块的制作方法，具体处理包括如下步骤：

101)基板101处理步骤：基板101上表面通过光刻、刻蚀工艺制作tsv孔，tsv孔直径范围在1um到1mm，深度在10um到1000um。tsv孔深度小于基板101厚度。基板101上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层，绝缘层厚度范围在10nm到100um之间。绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层，种子层厚度范围在1nm到100um，其结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等中的一种，当种子层本身结构为多层时，其每层一般采用相同材料。电镀金属，填满tsv孔形成金属柱102，200到500度温度下密化金属柱102，金属柱102本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等中的一种，当金属柱102本身结构为多层时，每层一般采用相同材料。cmp工艺去除基板101上表面的表面金属，留下金属柱102。基板101上表面绝缘层可以用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺去除，也可以保留。基板101上表面通过光刻、电镀工艺制作天线结构103，天线结构103与金属柱102互联。

基板101上表面用临时键合与载板连接，把基板101上表面保护住。以载板为支撑，减薄基板101下表面，露出金属柱102，减薄厚度范围控制在1um到700um，有助于保证效果。基板101下表面通过沉积氧化硅或者氮化硅形成绝缘层，绝缘层厚度在10nm到100um之间，通过cmp工艺，露出金属柱102。基板101下表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属，形成焊盘106，取下载板。焊盘106高度范围在10nm到1000um，材料可以是铜、铝、镍、银、金、锡等材料中的一种，本身结构可以是一层也可以是多层；当焊盘106结构为多层时，其中每层采用的材料相同。

102)底座处理步骤：底座上表面通过光刻、刻蚀工艺制作tsv孔，tsv直径范围在1um到1mm，深度在10um到1000um。tsv孔深度小于底座厚度。底座上表面采用沉积氧化硅、沉积氮化硅或者直接热氧化方法中的一种，形成绝缘层，绝缘层厚度范围在10nm到100um之间。绝缘层上采用物理溅射、磁控溅射或者蒸镀工艺中的一种，制作种子层，种子层厚度范围在1nm到100um，其结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铜、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等中的一种，当种子层本身结构为多层时，其每层一般采用相同材料。电镀金属，填满tsv孔形成金属柱102，200到500度温度下密化金属柱102。cmp工艺去除底座上表面的表面金属，留下金属柱102，金属柱102本身结构可以是一层也可以是多层，材质可以是钛、铝、银、钯、金、铊、锡、镍等中的一种，当金属柱102本身结构为多层时，每层一般采用相同材料。底座上表面绝缘层可以用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺去除，也可以保留。底座上表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属形成焊盘106。底座上表面通过光刻、刻蚀工艺制作液冷微通道孔104和液冷微通道凹槽105，液冷微通道孔104和液冷微通道凹槽105整体呈倒凹形。液冷微通道孔104直径范围在1um到1mm，深度在10um到1000um。液冷微通道凹槽105宽度在1um到1mm，深度在10um到1000um。

底座上表面用临时键合与载板连接，减薄底座下表面，减薄厚度控制在1um到700um，保证减薄效果，露出金属柱102和液冷微通道孔104。底座下表面通过沉积氧化硅或者氮化硅形成绝缘层，绝缘层厚度在10nm到100um之间，通过cmp工艺，露出金属柱102。底座下表面通过光刻、电镀工艺制作键合金属，形成焊盘106，取下载板。焊盘106高度范围在10nm到1000um，材料可以是铜、铝、镍、银、金、锡等材料中的一种，本身结构可以是一层也可以是多层；当焊盘106结构为多层时，其中每层采用的材料相同。

103)键合成形步骤：基板101和底座做晶圆级键合，使基板101和底座的金属柱102互联，同时形成液冷微通道，达到实现散热液冷通道和电性的互联。底座下表面通过焊接的工艺焊接射频模组，切割基板101得到单一的模组。其中射频模组上设置有与液冷微通道孔104相适应的散热通道。射频模组与底座的放置方式包括平面贴合和竖立放置。每个射频模组可以相互叠加数量达到1颗到1000颗。

基板101和底座采用4、6、8、12寸晶圆中的一种，厚度范围为200um到2000um，一般采用硅片，也可以是其他材质，包括玻璃，石英，碳化硅，氧化铝等无机材料，也可以是环氧树脂，聚氨酯等有机材料，其主要功能是提供支撑作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。