一种基于片内微流散热结构的高可靠高频GaN功率器件及其制备方法与流程

本发明涉及新型功率器件主动热管理技术，特别是涉及一种片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着信息化装备向着小型化、大功率化及多能化方向发展，对核心器件的功率密度提出更高要求，尤其是对以gan为代表的新三代半导体功率器件，但是随着gan功率器件进一步提升，gan功率器件自身热积累效应日益显著，导致gan功率器件性能及其可靠性严重衰减，热积累问题已成为限制gan功率器件进一步发展和应用的主要技术瓶颈。因此，如何解决gan功率器件的热积累问题已成为目前gan功率器件研究的重点方向。而基于片内微流散热结构的gan功率器件是将微流体引入芯片内部的热源区附近，通过固液交换传热途径，将芯片热源区的热量迅速传递走，可有效解决gan功率器件的热积累问题，提升gan器件功率密度。该技术途径已逐步发展为gan功率器件芯片级热管理的主要技术途径之一。但是现有的片内微流散热结构的集成技术难以满足gan hemt功率器件的高频应用和高可靠性问题，片内微流散热结构影响gan器件的高频特性和集成可靠性。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件及其制备方法，该结构解决了片内微流散热结构对高频gan器件集成应用的微波性能影响和电路匹配兼容问题，满足片内微流gan器件热管理应用的可操作性和高可靠性，提升gan微波功率器件的大功率特性等应用潜能。

2、技术方案：本发明的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，包括：gan功率器件有源区、片内微流结构区、匹配电路互连区和高可靠微流集成区，gan功率器件有源区和匹配电路互连区均设置于器件正面，且匹配电路互连区设置于gan功率器件有源区的外围；片内微流结构区和高可靠微流集成区均设置于器件背面，且高可靠微流集成区设置于片内微流结构区的外围；

3、gan功率器件有源区包括：器件功能区、源互连区和栅漏互连区，源互连区和栅漏互连区分别设置于器件功能区相对的两端，源互连区设有背地孔；

4、片内微流结构区包括：阵列微流散热区和引出液口区，引出液口区对称设置于阵列微流散热区两端，阵列微流散热区位于器件功能区下方；

5、高可靠微流集成区包括：焊料集成区和背地孔集成区，背地孔集成区设置于阵列微流散热区一侧，与器件正面的源互连区尺寸一致，且上下匹配对应，实现gan功率器件源端接地，焊料集成区的有效宽度在0.2-1.0mm之间。

6、优选的，阵列微流散热区尺寸和gan功率器件有源区的器件功能区尺寸一致。

7、优选的，阵列微流散热区为阵列微流道结构，微流道与gan功率器件栅结构垂直。

8、优选的，引出液口区的宽度在0.3-07mm之间，引出液口区长度与阵列微流散热区的宽度一致。

9、优选的，匹配电路互连区用于实现gan功率器件与外部互连电路的金属键合连接，并作为片内微流散热结构集成过程中的施压压力区。

10、优选的，源互连区外侧对应的匹配电路互连区的宽度ch1与背地孔集成区外侧对应的焊料集成区的有效宽度dh2保持一致。

11、优选的，焊料集成区的有效宽度包括：引出液口区外侧对应的有效宽度dh1、背地孔集成区外侧对应的有效宽度dh2和阵列微流散热区外侧对应的有效宽度dh3，其中引出液口区外侧对应的有效宽度dh1在0.5-1.mm之间，背地孔集成区外侧对应的有效宽度dh2在0.2-0.4mm之间，阵列微流散热区外侧对应的有效宽度dh3在0.2-1.0mm之间。

12、基于相同的发明构思，本发明的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件的制备方法，包括以下步骤：

13、gan功率器件有源区和匹配电路互连区在器件的正面工艺，采用传统gan器件流片工艺完成，包括源漏极工艺、隔离工艺、钝化工艺、栅极工艺、保护层工艺和电路互联工艺；

14、片内微流结构区采用等离子体刻蚀技术或激光刻蚀技术制备完成；

15、高可靠微流集成区采用镀镍金工艺完成，镍金厚度满足金锡焊料集成要求。

16、进一步的，片内微流结构区刻蚀时，先对gan功率器件正面的器件功能区进行临时保护，采用器件功能区旋涂高温蜡工艺实现保护，片内微流结构刻蚀完成后，将高温蜡清洗掉。

17、进一步的，高可靠微流集成区采用镀镍金工艺完成，具体为：先蒸发电镀种子层，然后镀镍，再镀金工艺。

18、有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明通过gan功率器件有源区的背地孔、高可靠微流集成区包含背地孔集成区、及其与片内微流结构区的协同结构设计，解决了片内微流散热结构对高频gan器件集成应用的微波性能影响和电路匹配兼容问题；同时通过对高可靠微流集成区尺寸和片内微流结构区尺寸的设计，有效实现高可靠性的集成和高频应用；本发明满足了片内微流gan器件热管理应用的可操作性和高可靠性，提升了gan微波功率器件的大功率特性等应用潜能。

技术特征：

1.一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，包括：gan功率器件有源区(a)、片内微流结构区(b)、匹配电路互连区(c)和高可靠微流集成区(d)，gan功率器件有源区(a)和匹配电路互连区(c)均设置于器件正面，且匹配电路互连区(c)设置于gan功率器件有源区(a)的外围；片内微流结构区(b)和高可靠微流集成区(d)均设置于器件背面，且高可靠微流集成区(d)设置于片内微流结构区(b)的外围；

2.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，阵列微流散热区(b1)尺寸和gan功率器件有源区(a)的器件功能区(a1)尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，阵列微流散热区(b1)为阵列微流道结构，微流道与gan功率器件栅结构垂直。

4.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，引出液口区(b2)的宽度在0.3-07mm之间，引出液口区(b2)长度与阵列微流散热区(b1)的宽度一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，匹配电路互连区(c)用于实现gan功率器件与外部互连电路的金属键合连接，并作为片内微流散热结构集成过程中的施压压力区。

6.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，源互连区(a2)外侧对应的匹配电路互连区(c)的宽度ch1与背地孔集成区(d2)外侧对应的焊料集成区(d1)的有效宽度dh2保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件，其特征在于，焊料集成区(d1)的有效宽度包括：引出液口区(b2)外侧对应的有效宽度dh1、背地孔集成区(d2)外侧对应的有效宽度dh2和阵列微流散热区(b1)外侧对应的有效宽度dh3，其中引出液口区(b2)外侧对应的有效宽度dh1在0.5-1.mm之间，背地孔集成区(d2)外侧对应的有效宽度dh2在0.2-0.4mm之间，阵列微流散热区(b1)外侧对应的有效宽度dh3在0.2-1.0mm之间。

8.一种权利要求1-7任一项所述基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件的制备方法，其特征在于：片内微流结构区刻蚀时，先对gan功率器件正面的器件功能区进行临时保护，采用器件功能区旋涂高温蜡工艺实现保护，片内微流结构刻蚀完成后，将高温蜡清洗掉。

10.根据权利要求8所述的一种基于片内微流散热结构的高可靠高频gan功率器件的制备方法，其特征在于：高可靠微流集成区采用镀镍金工艺完成，具体为：先蒸发电镀种子层，然后镀镍，再镀金工艺。

技术总结
本发明公开了一种基于片内微流散热结构的高可靠高频GaN功率器件及其制备方法，器件包括：设置于器件正面的GaN功率器件有源区和匹配电路互连区，以及器件背面的片内微流结构区和高可靠微流集成区，匹配电路互连区设置于GaN功率器件有源区的外围，高可靠微流集成区设置于片内微流结构区的外围；GaN功率器件有源区的源互连区设有背地孔，且与高可靠微流集成区的背地孔集成区匹配对应，实现源端接地；片内微流结构区设有垂直于GaN功率器件栅结构的引出液口区。本发明实现了将片内微流散热结构高可靠性集成于GaN功率器件中，解决了GaN功率器件集成应用的微波性能影响和电路匹配兼容问题。

技术研发人员：郭怀新,王瑞泽,钟世昌,成爱强,潘斌,孔月婵,陈堂胜
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1