高散热性能TGV转接板

第58卷第2期 2021年2月
微鈉电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol. 58 No. 2
F eb ru ary2021
D O I: 1U. 13250/j. cnki. wndz. 2021 •02. 013
|加工、測量与设备%
高散热性能TGV转接板
王强文，郭育华，刘建军，王运龙
(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)
摘要：随着玻璃通孔（T G V)转接板在微波系统集成中的应用越来越广泛，其微波大功率应用 情况下的散热性能成为研究重点。

针对T G V转接板高效散热性能的要求，进行T G V散热结构 的设计和性能分析。

建立T G V转接板封装集成结构的有限元模型，设计T G V转接板铜柱阵列 散热结构。

通过T G V工艺制作T G V高密度阵列。

在4.82〜14.47 W功率范围内对T G V转接 板的散热性能进行测试，相应的T G V散热结构区域的热流密度为40. 03〜12(1. 18 W/cm2，测得 热阻芯片表面温度高达54. 0〜126. 5 °C,低于微波功率芯片最高结温150 °C，可以满足大功率微 波系统集成高效散热的需求。

关键词：微波系统集成；玻璃转接板；玻璃通孔（T G V);散热；热导率
中图分类号：T N305.94文献标识码：A 文章编号：1671-4776 (2021) 02-U177-07 High Heat Dissipation Performance of the TGV Interposer
W ang Q iangw en, Guo Y u h u a，Liu Jian ju n, W ang Y unlong
(T h e38,h Research In stitu te C hina Electronics T echn o lo g y G roup C orporation ^H e fe i230088, C h in a)
A bstract：T h e th ro u g h glass via (T G V) interposer is m ore and more widely used in the in teg ra­
tion of the microwave s y s te m, so the heat dissipation perform ance of the T G V interposer for high microwave pow er becom es the research focus. According to the requirem ents of the high heat dis­sipation perform ance of the T G V interposer, the design and perform ance analysis of the T G V heat dissipation s tru c tu re were carried out. A finite elem ent model of the packaging integrated structure of the T G V interposer was built to design the copper colum n array heat dissipation structure of the T G V interposer. Then the high density T G V array was fabricated by the T G V process. T h e heat dissipation performance of the T G V interposer was tested under the pow er range of 4.82 _ 14. 47 W, and the corresponding therm al flux of the T G V heat dissipation s tru c­ture area was 40. 03 ~ 120. 18 W/c m2. T h e m easured tem p eratu re on the therm al resistance chip surface was up to 54. () -126. 5 〇C，lower than the highest junction tem p eratu re of the microwave power chip, i. e. 150 °C , meeting the high efficient heat dissipation requirem ents of the in te g ra­tion of high pow er microwave systems.
Key words：microwave system in teg ratio n；glass in te rp o se r；through glass via (T G V)；heat dis­sipation；therm al conductivity
EEACC：2550F
收稿日期：2020-08-20
E-mail：wangqiangwen()***********
177
微鈉电子故术
〇引言
随着集成电路工艺不断进步和各种先进制造技 术蓬勃发展，目前电子设备正朝着小型化、轻型 化、集成化、通用化和综合化方向发展。

近年来以 转接板技术为基础的3D集成技术被认为是取代摩尔定律进一步提高芯片集成度的重要手段，将成为 未来高密度封装的主流[1_4]。

转接板技术主要有硅 基和玻璃基两种。

硅基转接板由于工艺较为成熟因 而应用更加广泛。

然而在高频应用情况下，硅材料 由于介电常数和损耗因子过大，会使信号产生较大 损耗，而在硅衬底上生长Si()2作为绝缘层又将额外增加工艺成本[5]。

这时玻璃作为高频传输的理想 材料，为人们提供了更加优异的解决方案。

玻璃材 料没有可自由移动的电荷，电阻率高达l〇u〜 1(V6 〇•0；〇!，介电性能优良[6],损耗因子很小，在 高频应用情况下，传输信号也不会有较大损耗；玻 璃与桂的热膨胀系数（coefficient of thermal ex­pansion,C T E)接近 ，两者 间失配小™，玻璃工艺易与硅工艺及器件兼容，结构稳定性好；玻璃具 有良好的气密性、防潮性和尺寸稳定性[8];玻璃基板可进行大尺寸生产，具有超薄加工的可能性。

基 于上述优点，基于玻璃通孔（through glass via, T G V)的转接板在微波系统集成中的应用越来越受到关注[9~]。

微波集成系统内部存在大功率器件，例如射频/微波固态功率放大器、电压转换芯片和现场可编程门阵列（Held programmable gate array，F P G A)芯片等。

随着系统集成度不断增加、尺寸 不断缩小，为了实现更高性能，这些大功率器件功 耗可能会进一步升高，而总热耗却不能等比例降低。

如果系统内部大功率器件产生的热量无法有效 地快速散出，将会因为局部温度急剧升高而导致器 件失效，从而影响系统整体性能与可靠性。

对于 T G V转接板封装集成的大功率微波器件来说，器 件工作时的结温是影响器件寿命的重要参数[13]，一般认为，温度每降低1()°C，器件平均失效前时间（mean time to failure,M T T F)增大一倍，因此降低器件工作时的结温可以有效提高器件的寿命[M]。

根据原理不同散热技术分为热传导、液冷、风冷和热管等，其中热传导散热方式简单、可靠，
178但要求散热材料热导率高、热匹配及加工工艺兼容性好等。

基于热传导的微波集成系统散热技术主要是通过微纳加工工艺在临近热源的芯片衬底上或器件附近制作具有高热导率的散热结构，形成一个额外的超低热阻的导热通道，实现微型热交换，将热 量快速有效地传导出去Ds]。

由于玻璃基板的热导率较低，为0.52〜1.28 W A m.K)D6-17]，难以满 足大功率微波器件高效散热的要求，因此需要充分发挥金属铜（C u)散热好的特性，对玻璃转接板进行高密度铜柱阵列设计形成T G V散热结构来提升散热能力，以保证T G V转接板封装集成良好的可靠性。

因此，本文针对玻璃转接板开展T G V散 热结构设计、制作及散热性能分析研究。

1T G V散热结构设计
使用肖特AF 32型玻璃作为基板材料，AF 32 型玻璃热膨胀系数与硅相近，能承受约600 °C的高 温，具有良好的绝缘性及高介电性能，非常适合作为微波高频应用条件下T G V转接板的基板材料。

玻 璃转接板上下表面均布有5 p m厚的钛/金层作为功率芯片焊接区域。

功率芯片用SnAgCu焊料焊接在玻璃转接板T G V散热结构上表面焊接区域。

玻璃转 接板下表面通过导热硅脂粘接在散热板上。

功率芯片的散热路径主要有两条，如图1所示。

一是功率芯片的上表面与外部空间通过空气热对流的方式直接散热；二是功率芯片产生的热量经由下方的SnAgCu焊层、T G V散热结构和导热硅脂传导到散热板上，再通过热对流的方式散热到外部空间。

其中路径一由于空气的热导率极低，仅为0.024 W/ (m«K)，且没有风扇等强迫对流的装置，属于自然 对流，散热效率极低，可以忽略不计。

因而功率芯片产生的热量主要通过路径二，即经由SnAgCu焊 层、T G V散热结构和导热硅脂传导到散热板上对流到外部空间，实现功率芯片的高效散热。

图1功率芯片传热路径
Fig. 1Heat transmission paths of the
power chip
王强文等：高散热性能TGV 转接板
图3
高密度T G V 散热结构设计图
Fig. 3 Design drawing of the high density TGV heat
dissipation structure
计。

因而假设玻璃转接板与散热板之间接触无间 隙，忽略接触热阻。

同理，功率芯片用SnAgCu 焊料焊接在玻璃转接板上表面焊接区域，焊层厚度 约为50 p m ,热导率为45 W A m . K )，远大于
A F 32玻璃基板的热导率。

可以认为功率芯片与玻
璃转接板之间接触无间隙，接触热阻忽略不计。

因 而功率芯片主要传热路径中T G V 散热结构的传导 热阻和散热板的与外部空间的对流换热热阻是决定 该路径散热效能最主要的因素。

本文主要针对玻璃 转接板的T G V 散热结构性能进行研究，T G V 散 热结构的传导热阻（R tg v ,)为
t c ~ t h
«
t g v , = ^
〇-± (1)
式中：
为功率芯片达到稳定工作状态后的温度;
^为相应状态下的散热板温度；Q 为功率芯片产 生的初始热量。

从功率芯片与散热板的温度差值可 以推算T G V 散热结构的传导热阻。

而影响传导热 阻的主要因素是材料导热率和热流方向上的长度， 即转接板厚度。

转接板厚度可由热结构设计和加工 工艺调控，转接板越厚，热流方向上的传导热阻越 大。

材料的热导率对热传导有最直接的影响，尤其 对于原材料热导率较低的玻璃基板来说，通过
T G V 铜柱散热结构设计和制作来提高功率芯片热
流方向上的转接板热导率，是提升玻璃转接板散热 性能的研究重点。

建立T G V 转接板封装集成结构的有限元模 型，采用实体单元针对玻璃转接板、焊层、散热材 料等各部分进行模拟，设置全约束边界条件，分析 玻璃转接板的散热能力。

设计玻璃转接板厚度为 2U 0 p m ,铜柱直径为50 fim ，铜柱中心间距为 100 fxm ，铜柱阵列区域面积为4. 3 mm X 2. 8 m m 。

高密度T G V 散热结构设计如图3所示。

针对图1所示的传热路径二分析其传热路径热 阻，如图2所示，图中Q 为功率芯片工作产生的 初始热量，Q '为初始热量经过主要传热路径二后 传导到外部空间的最终热量，尺，为SnA gC u 焊层 热阻，&
为T G V 散热结构热阻，i ?3为导热硅脂
热阻，i ?4为散热板热阻。

功率芯片的主要传热路 径中，有芯片与玻璃转接板之间Sn A gC u 焊层的 接触热阻、T G V 散热结构的传导热阻、玻璃转接 板与散热板之间导热硅脂的接触热阻以及散热板与 外部空间的对流换热热阻。

接触热阻传导热阻接触热阻对流换热热阻
图2
功率芯片主要传热路径热阻组成
Fig. 2 Thermal resistance composition of the main heat
transmission path of the power chip
在模型建立过程中，使模型和实际情况完全一 致是不可能的，在研究过程中要忽略一些对结果影 响较小的变量，同时对部分部件进行一定的简化处 理。

研究假设功率芯片在稳定工作状态下热功耗保 持不变，其发热量均匀分布于芯片和散热结构内。

假设T G V 转接板散热结构为一体化结构，忽略转 接板加工工艺等带来的不确定因素。

玻璃转接板与 散热板均为硬质材料，两者之间为刚体-刚体的硬 接触，受表面粗糙度的影响，接触面上存在很多空 气间隙，不能完全贴合，由于此类空气间隙产生的 热阻远远大于直接接触的热阻，导致功率芯片产生 的热量不能快速有效地传导至散热板；另外，超薄 玻璃转接板是非常脆弱的，过大的装配压力将直接 导致转接板的损毁。

为了避免以上两种情况产生， 需要在转接板与散热板之间增加一层热界面材料 (thermal interface material ，T IM )，用于填补两者 接触时产生的微空气间隙，减少热传导的阻抗，提 髙散热性。

本研究中玻璃转接板下表面与散热板的 接触界面使用A R C TIC MX _ 4型导热硅脂粘接， 平均厚度为50 jum ，热导率为8. 5 W Am • K )，远 大于A F 32玻璃基板的热导率1. 16 W Am • K )， 在安全固定转接板和填补接触间隙的同时，导热桂 脂相对于整个传热路径的热阻较小，可以忽略不
1 0
-
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撳纳电子技术
对玻璃转接板T G V 散热结构进行散热能力 仿真分析，热源热流密度9分别设定为50和 75W /cm 2,假定玻璃基板下散热板温度为3()°C ， 仿真分析结果如图4 (a )和（b )所示。

从仿真 结果中可以看出，发热芯片的热量主要通过铜柱 阵列传导到散热板上。

当热流密度为5() W /cm 2 时，即功率芯片 5(1 W /cm 2 X 4. 3 mm X 2. 8 mm =6.02 W 的发热功率下，芯片安装面最高温度约 为32.7 °C ，相对散热板的温升为2.7 °C ;当热 流密度为75 W /cm 2时，即功率芯片在9. 03 W (75 W /cm 2 X 4. 3 mm X 2. 8 mm )的发热功率 下，芯片安装面最高温度约为34 °C ,相对散热 板的温升为4 °C 。

Temperature/'C
32.666 332.333 031.999 731.666 431.333 230.999 930.666 630.333 3 30.000 0
(a )热流密度50 W/cm2
T em p eratu re/t
*-33.998 3 _■ 33.498 5 M -32.998 7 W -32.498 9 ■h 31.999 2 ■-31.499 4 g
-30.999 6 ■-30.499 8 ■-30.000 0
(b )热流密度75 W/cm2图4 T G V 散热结构仿真分析
Fig. 4 Simulation and analysis of the TGV heat
dissipation structure
由此可见，通过玻璃基板内设计制作高密度 的铜柱阵列散热结构，可以将热导率较低的玻璃 基板材料转变为等效高热导率的传热材料，实现 微波集成系统热流密度为5()〜75 W /c m 2的高效 散热。

2 T G V 散热结构制备
高密度T G V 工艺流程示意图如图5所示，包
括以下主要工艺步骤：首先在清洗干净的A F 32 玻璃基板上进行选择性激光改性，通过高能量和高功率密度激光聚焦在玻璃内部，使硅-氧键断裂， 在玻璃基板全厚度范围内形成直径2〜3 p m 的微 活化区域；再利用一定浓度的强碱腐蚀液对激光改 性后的基板进行湿法腐蚀，过程中通过搅拌和超声 保持腐蚀液的均匀性，调控加热温度控制反应速 率，精确控制刻蚀时间，获得直径为5() p m 的通 孔；然后采用物理气相沉积（physical vapor depo­sition, P V D ) 工艺在通孔内侧壁和基板表面沉积 粘附性较好的T i -C u 结构种子层；通过深孔电镀工 艺对基板的通孔和表面进行镀铜，研究电镀参数 (电压、电流、脉冲及时间等）和镀液添加剂（抑 制剂、加速剂、整平剂和光亮剂等）对深孔电镀的
影响，考虑到A F 32玻璃的热膨胀系数为3. 2X
1()_6/K ,铜的热膨胀系数为17.5X l (r 6/K ，两者 热膨胀系数相差较大，为了避免大功率工作条件下 转接板温度较高使铜柱与玻璃基板热失配而导致转 接板碎裂，通孔电镀采用部分空心的方式，即通孔
(b )激光改性（宽度2~3 (xm )
(c )湿法腐蚀（改性区域）
(d )湿法腐蚀（扩孔）
U U □□画
(e) PVD 制作种子层
(〇深孔电镀（铜柱填充）
(g )研磨
(h )抛光
(i )清洗及铜保护
图5
高密度T G V 的工艺流程图
Fig. 5 Flow charts of the high density TGV process
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王强文等：髙散热性能TGV转接板
内铜柱不完全填实，铜柱两端留下空气间隙，给大 功率工作条件下铜柱受热膨胀提供空间；采用微米 级研磨介质对面铜进行研磨减薄；利用氧化铝纳米 粉对面铜和种子层进行抛光去除，确保基板表面平 整光洁；最后清洗去除基板表面的沾污（表面附着 的有机物和抛光液残留），用铜保护剂在铜柱的上下表面各形成一层保护膜，防止铜面氧化。

由上述工艺制作获得的T G V转接板实物如图 6所示。

图中是一块边长2英寸（1英寸= 2.54 cm)的A F 32玻璃基板上制作的4X4高密直径较小，这种形状有助于实现玻璃通孔自中间向 两端电镀填充。

从图8 (a)可见，玻璃通孔分布均匀，尺寸均一，由图8 (b)实测通孔中心间距满足设计值U)0 p m的要求，转接板厚度即通孔深度为199.05 p m,孔内铜柱两端开口处未完全填实，留有热膨胀间隙。

l u i i u i i a n j i i i i m m i i i
(a) TGV阵列
图6T G V转接板实物照片 Fig. 6Photo of the TGV interposer
图8TG V散热结构的横截面照片 Fig. 8Cross-section photos of the TGV heat dissipation structure
玻璃转接板上的高密度T G V散热结构区域
光学显微照片如图7所示。

从图7 (a)中可以看 出，玻璃通孔分布均匀，圆度达标；如图7 (b)所示，实测通孔半径24. 33 pm，与设计值的误差 极小。

(a) TGV阵列（b)单个TGV
图7高密度T G V散热结构光学照片
Fig. 7 Optical photos of the high density TGV heat
dissipation structure
T G V散热结构的横截面如图8所示。

由图5 所示方法实现的T G V上下开口处直径较大，中间
基于图5所示T G V的工艺流程，实现了直径 50 /jtm、中心间距100 pm、深度200 p m的高密度 T G V阵列的制作。

3 T G V散热结构测试
对于T G V转接板散热能力的测试，使用热阻芯片替代高功率芯片作为模拟热源，将热阻芯片（厚膜电阻型，（9()±3) n)通过Sn A gC u焊 料焊接在T G V转接板正面对应焊盘区域（传热 面积为4. 3m m X2. 8 mm), T G V转接板背面通过导热硅脂（ARCTIC M X-4)粘接在含热管的散热板上，Keysight34972A数据采集仪在热阻芯片正负极两端施加一系列电压（V)，热阻芯片发热达到稳定的工作状态后，通过热电偶温度传感器与热阻芯片上表面直接接触测得相应条件下的热阻芯片表面最高温度，记录热阻芯片实际功率(■P)和散热板温度。

T G V转接板散热性能的测试方法如图9所示。

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微纳电子技术
D C
(数据采集仪}^
(热电偶
—焊层
—1111111111111111^^
含热管的散热板
图9 TG V转接板散热性能的测试方法示意图 Fig. 9 Test method schematic diagram of the heat dissipation performance of the TGV interposer
T G V转接板铜柱阵列区域的热流方向即Z方 向热流密度（9)的计算公式可等效为
P
q=S⑵式中S为传热面积，其值为4.3 mm X2.8 mm= 12. 04 mm2〇
根据以上方法，对T G V转接板的散热性能进行测试，并计算相应的热流密度，获得的测试结果 如表1所7K。

表1T G V转接板散热性能测试结果
Table 1Test results of the heat dissipation performance of the TGV interposer
v/v P/W“A：g/(W• cm 2) 20.9 4. 8254.025.5040. 03
22.2 5.4359. 625. 8045. 10
23.3 6.0163.825.7049.92
24. 56. 6367.226.7055. 07
25. 57. 1972.227. 1059.72
26.67. 8477. 128. 1065. 12
27.68. 4481.328. 5070. 10
28. 59.0084.229. 2074. 75
29. 59.6486.729. 8080. 07
30.410. 2491.830. 5085. 05
31. 210.7998. 530. 8089. 62
32. 111.42101.731.6094. 85
33.012.07107.632.30100.25
33. 712. 60111. 833. 00104. 65
34. 513. 21116. 533.60109. 72
35.313. 83117. 034. 50114.87
36. 114.47126. 536. 00120. 18
由上述测试结果可知，在4.82〜14. 47 W功 率范围内，热阻芯片表面最高温度为54. 0〜 126. 5 °C,相应的T G V转接板铜柱阵列区域的热流密度为40. 03〜120. 18 W/cm2。

测试结果与仿真分析结果存在一定差距，主要是在仿真模型建立过程中忽略了一些变量，同时对部分部件进行一定 的简化处理，设定了一些理想状态，如忽略了所有 接触热阻，设定T G V铜柱为实心填充，设定功率 芯片上表面温度与玻璃转接板焊接面温度一致，设 定散热板所有区域恒温30 °C等，因而仿真结果功 率芯片相对于散热板的温升较小。

在实际大功率的 测试条件下，热阻芯片相对于散热板的温升较大，但仍低于微波功率芯片晶体管最高结温150 °C ,可 以满足微波集成系统的散热需求。

4结论
通过高密度T G V散热结构设计和性能的测试分析，基于T G V工艺制作的玻璃转接板的散热性能显著提升，在4.82〜14.47 W功率范围内，相 应的T G V转接板铜柱阵列区域的热流密度为40. 03〜120. 18 W/c m2，热阻芯片表面温度高达54.0〜126.5 °C，低于微波功率芯片晶体管最高结 温150 °C,可以满足高集成大功率密度封装系统的 散热需求。

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作者简介：
王强文（1989—），女，安徽合肥人，
博士，高级工程师，主要研究方向为多层
薄膜电路、微纳米加工和微系统集成工艺。

(上接第162页）
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作者简介：
谢凡（ 1997—），男，安徽宿州人，
硕士研究生，研究方向为植入式脑机接口
器件；
刘景全（1971 —)，男，吉林长春人，教授，博士生导师，主要研究方向为生物医学微机电系统、极端环境微传感器与微执行 器、微能源技术。

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