一种集成大功率射频芯片的微流体转接板及其制备方法与流程

本发明涉及微电子和微系统技术领域。

背景技术：

随着技术的发展，雷达、电子对抗和通信领域系统逐步呈现高密度、多功能、高可靠性和低成本。射频功率芯片作为射频系统中的核心部件，多为gan高电子迁移率晶体管（hemt）多级放大器。其中ganhemt晶体管栅极发热功率可达60-80w。随着射频功率器件在安全工作温度基础上每增加1℃，其射频输出特性就会成指数下降，同时其可靠性就会下降5%左右，如果电子器件所产生的热量不能及时散发出去，将直接影响射频系统的性能，甚至导致损毁。gan射频功率芯片中ganhemt晶体管源极采用通孔由背金引出接地，gan射频功率芯片底部需要满足良好的接地条件，否则将影响gan射频功率芯片的输出性能，导致性能失效。相对于早期的pcb集成方式，目前广泛采用低温共烧陶瓷（ltcc）材料作为微波多层转接板，通过芯片贴装、金丝键合等的微组装技术加工，虽然集成密度显著提高，但在pcb或陶瓷转接板上的集成仅限于小信号射频功率芯片的集成。

大功率射频功率芯片在射频系统中的集成方式目前主要采用合金焊料直接焊接在铜、铝等高导热金属管壳表面，采用pcb电路板或陶瓷电路板通过与芯片金丝键合实现互连。通过管壳实现芯片背面接地和被动散热，集成密度较低，散热成本较高。因此，针对用于大功率射频功率芯片集成的转接板成套技术是制约目前大功率射频系统发展的瓶颈。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种集成大功率射频芯片的微流体转接板及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种集成大功率射频芯片的微流体转接板，包括由上至下设置的信号互联层、微流道结构层以及微流体接口结构层；

其中，

所述信号互联层包括表面覆盖有接地金属层的顶层硅片以及嵌入顶层硅片内部的厚铜结构件，所述厚铜结构件上表面设有芯片键合面并与接地金属层相连；

所述微流道结构层包括中间层硅片以及设置在中间层硅片内部的分流流道和合流流道，所述分流流道与合流流道之间平行设置有若干条冷却流道，且所述分流流道、冷却流道以及合流流道顺次连通；

所述微流体接口结构层包括底层硅片以及与分流流道对应的入液口、与合流流道对应的出液口；

所述信号互联层、微流道结构层以及微流体接口结构层之间通过键合层连接。

进一步的，所述芯片键合面的上表面键合有射频功率芯片和贴装芯片。

进一步的，还包括用于传输芯片信号的表面传输线，所述表面传输线包括射频功率信号传输线和直流偏置信号传输线；所述射频功率信号传输线通过金丝与射频功率芯片相连，所述直流偏置信号传输线通过金丝与贴装芯片相连。

进一步的，所述厚铜结构件的厚度为100-500μm。

进一步的，所述顶层硅片的厚度等于厚铜结构件的厚度与射频功率芯片的厚度之和，厚度偏差为±20μm。

进一步的，所述微流道结构层中冷却流道的高度、宽度以及各冷却流道之间的间距均为100-500μm，且所述中间层硅片的厚度等于冷却流道的高度。

进一步的，所述底层硅片的厚度为300-600μm。

一种集成大功率射频芯片的微流体转接板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在顶层硅片和中间层硅片之间依次沉积介质钝化层、金属粘附层以及金属键合层形成键合层，并通过加热加压将顶层硅片与中间层硅片键合；

步骤2：在顶层硅片上刻蚀槽体，去除槽体内金属粘附层后，通过电镀铜填充槽体形成厚铜结构；

步骤3：在中间层硅片上刻蚀至键合层形成微流道结构层；

步骤4：在底层硅片上刻蚀通孔形成入液口和出液口；

步骤5：在中间层和底层硅片之间依次沉积介质钝化层、金属粘附层以及金属键合层，通过加热加压使顶层硅片、中间层硅片以及底层硅片之间键合；

步骤6：在转接板顶层表面沉积金属粘附层和电镀种子层，通过光刻、电镀形成接地金属层后，去除接地金属层外的光刻胶、金属电镀种子层和粘附层。

进一步的，在所述步骤1中金属键合层的厚度大于1μm，在所述步骤6中接地金属层厚度大于2μm。

更进一步的，所述介质钝化层包括氧化硅或氮化硅，所述金属粘附层包括钛或铬或镍，所述金属键合层为二元或多元共晶键合的金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中大功率射频功率芯片集成的硅基厚铜微流体转接板中顶层的信号互连层与硅tsv转接板工艺兼容，可广泛可应用于射频系统集成。

2、本发明中大功率射频功率芯片集成的硅基厚铜微流体转接板采用厚铜结构实现大功率密度芯片的均温特性，增加散热面积，减小功率密度，提升系统散热稳定性。

3、本发明中大功率射频功率芯片集成的硅基厚铜微流体转接板采用厚铜结构实现芯片良好接地效果，保障芯片集成性能，避免了采用tsv结构做接地，使其中的寄生电感电阻影响射频功率芯片的性能。

4、本发明采用mems体硅工艺，结合厚铜结构的微通道，利用高热容的冷却液工质可将发热器件的废热及时带走，相对传统的被动散热方式，散热效率可以获得显著提升。基于该技术的硅转接板可用于大功率射频功率芯片的集成与散热，是一种可靠的大功率射频系统的热管理技术。

5、本发明中顶层硅片的厚度等于厚铜结构的厚度与射频功率芯片的厚度之和，避免金丝键合将芯片与传输线时，高度差会导致金丝会有个台阶，因而形成寄生电感，影响射频性能。

附图说明

图1是本发明实施例中集成大功率射频芯片的微流体转接板的俯视图；

图2是图1的a-a’截面剖面图；

图3是图1的b-b’截面剖面图；

图4是本发明实施例中集成大功率射频芯片的微流体转接板的微流道结构层俯视图。

图中：1、顶层硅片；2、厚铜结构件；3、接地金属层；4、中间层硅片；5、分流流道；6、合流流道；7、冷却流道；8、底层硅片；9、入液口；10、出液口；11、键合层；12、芯片键合面；13、射频功率芯片；14、贴装芯片；15、射频功率信号传输线；16、偏置信号传输线；17、金丝。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例来进一步说明本发明的具体内容。

一方面，本发明的实施例提供了一种集成大功率射频芯片的微流体转接板，如图1-4所示，包括由上至下设置的信号互联层、微流道结构层以及微流体接口结构层；

所述信号互联层包括表面覆盖有接地金属层3的顶层硅片1以及嵌入顶层硅片1内部的厚铜结构件2，所述厚铜结构件2上表面设有芯片键合面12并与接地金属层3相连；

所述微流道结构层包括中间层硅片4以及设置在中间层硅片4内部的分流流道5和合流流道6，所述分流流道5与合流流道6之间平行设置有若干条冷却流道7，且所述分流流道5、冷却流道7以及合流流道6顺次连通；

所述微流体接口结构层包括底层硅片8以及与分流流道5对应的入液口9、与合流流道6对应的出液口10；

所述信号互联层、微流道结构层以及微流体接口结构层之间通过键合层11连接。

所述芯片键合面12的上表面键合有射频功率芯片13和贴装芯片14。

还包括用于传输芯片信号的表面传输线，所述表面传输线包括射频功率信号传输线15和直流偏置信号传输线16；所述射频功率信号传输线15通过金丝17与射频功率芯片13相连，所述直流偏置信号传输线16通过金丝17与贴装芯片14相连。

所述厚铜结构件2的厚度为100-500μm。

所述顶层硅片1的厚度等于厚铜结构件2的厚度与射频功率芯片13的厚度之和，厚度偏差为±20μm。

所述微流道结构层中冷却流道7的高度、宽度以及各冷却流道7之间的间距均为100-500μm，且所述中间层硅片4的厚度等于冷却流道7的高度。

所述底层硅片8的厚度为300-600μm。

另一方面，本发明的实施例提供了一种集成大功率射频芯片的微流体转接板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在顶层硅片和中间层硅片之间依次沉积介质钝化层、金属粘附层以及金属键合层形成键合层，并通过加热加压将顶层硅片与中间层硅片键合；

步骤2：在顶层硅片上刻蚀槽体，去除槽体内金属粘附层后，通过电镀铜填充槽体形成厚铜结构；

步骤3：在中间层硅片上刻蚀至键合层形成微流道结构层；

步骤4：在底层硅片上刻蚀通孔形成入液口和出液口；

步骤5：在中间层和底层硅片之间依次沉积介质钝化层、金属粘附层以及金属键合层，通过加热加压使顶层硅片、中间层硅片以及底层硅片之间键合；

步骤6：在转接板顶层表面沉积金属粘附层和电镀种子层，通过光刻、电镀形成接地金属层后，去除接地金属层外的光刻胶、金属电镀种子层和粘附层。

在所述步骤1中金属键合层的厚度大于1μm，在所述步骤6中接地金属层厚度大于2μm。

所述介质钝化层包括氧化硅或氮化硅，所述金属粘附层包括钛或铬或镍，所述金属键合层为二元或多元共晶键合的金属。

芯片装配时，通过焊接将射频功率芯片和贴装芯片的接地面固定焊接在厚铜结构上，射频功率芯片通过接地金属层接地，射频功率芯片与贴装芯片之间、贴装芯片与直流偏置信号传输线、射频功率芯片与射频信号传输线之间用金丝键合方式形成金丝互连，直流偏置信号传输线向射频功率芯片提供直流偏置信号，射频信号传输线传输射频信号。