CN104867890A - 一种用于3d芯片的相变冷却结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于3D芯片的相变冷却结构，包括被封装结构封装且固定于基板上的多层相互平行的芯片，各层芯片之间夹置有多个储存块，互不接触的各个储存块和各层芯片在相互之间形成多个微通道，所述封装结构内充填有漫过芯片且充满微通道的冷却工质，冷却工质以制冷剂R113为基液，添加活性剂Span-80以增加湿润性和纳米CuO颗粒形成沉积层以降低表面张力，封装结构上壁的外侧面设有散热器，内侧面为冷凝面；整个相变冷却结构形成传热机理类似于热管的结构，芯片为热端，冷却工质由于毛细力和重力的作用进入微通道，并在微通道中吸热沸腾形成蒸汽，冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面处放热冷凝，形成液滴落下，如此循环完成3D芯片的冷却散热。本发明具有高换热系数，无需外动力，对结构之外的元件无影响。

Description

一种用于3D芯片的相变冷却结构
技术领域
本发明涉及IC的微型结构，具体涉及一种利用纳米流体自然对流沸腾冷却技术的用于3D芯片的相变冷却结构，属于微电子技术领域。
背景技术
随着各行业对集成电路(integrated circuit)芯片要求的提高以及芯片技术本身的发展，芯片的集成度不断提高，二维芯片已经不能满足要求，许多研究机构都在积极推进3D芯片的技术进步。3D芯片是把多个芯片进行三维空间的立体整合，芯片不再是并排相连，而是上下平行的连在一起。这样，线缆的分布面积就扩大至整个处理表面，而且芯片相互平行的结构也有效地缩短了各个芯片之间线缆的长度，因此3D芯片能大大降低芯片之间以及芯片与储存器之间的通信延迟时间，同时处理器电路得到简化，其功耗也大大降低。
然而，3D芯片技术面临一些亟待解决的技术难关，芯片冷却问题就是其中非常重要的一个。温度过高会对芯片产生不利影响，试验和研究表明，芯片温度每提高10℃芯片的性能就会下降50％，超过55％的电子元器件失效问题是由于温度过高引起的。由于3D芯片的高集成度，单位面积的散热量超过了传统冷却技术的冷却范围，所以3D芯片需要发展自己独特的冷却技术。
检索现有的3D芯片冷却相关专利发现：专利号：201420134505.2，专利名称：一种新型3D封装芯片，该专利在3D封装芯片中每一芯片单体上设有与相邻芯片单体相互连通的散热流体通道，冷却液体在循环泵的推动下流经芯片间的流体通道，从而将热量带走；又，专利号：201420375142.1，专利名称：带有层间复杂微通道流体冷却的3D-IC，该专利公开了一种带有层间复杂微通道的采用液体冷却的3D芯片封装结构，其封装结构包括密封片上的连接外部管路的流体出入口、连接上下层的流体通孔TSFV、芯片背面的微通道和正面的电路或电子元器件，芯片的冷却方式同样是通过流体的强制对流换热，需要泵提供动力；另外，专利号：201410380524.8，专利名称：用2.5D/3DTSV大功率芯片封装的散热结构，该专利把上述冷却工质入口改在了芯片正上方，并加入了微喷腔体以提高换热效率。上述专利涉及的几种冷却方法都可以归结为管路内部的强制对流换热，类似于2D芯片冷却技术的改良。然而它们共同存在的主要问题是，对3D芯片封装内的每片芯片都需要配置微通道冷却工质循环系统，微通道的密封和整体工装非常复杂，可靠性很低；另外必须增加循环动力系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种用于3D芯片的相变冷却结构，使整个封装形成一个热管结构，通过纳米流体冷却工质在芯片之间窄缝中的自然对流沸腾对芯片进行冷却，利用毛细力和重力作为整个循环过程的动力，无需额外的动力装置，从而达到非常高的换热系数，确保芯片不会超温。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于3D芯片的相变冷却结构，包括被封装结构封装且固定于基板上的多层相互平行的芯片，其特征在于：各层所述芯片之间夹置有排列整齐的用于实现能量和信号的传递的多个储存块，互不接触的各个储存块和各层芯片在相互之间形成多个微通道，所述封装结构内充填有漫过所述芯片且充满所述微通道的冷却工质，位于各层芯片上方的所述封装结构的上壁上设有用于充入所述冷却工质和对所述封装结构进行真空抽气的真空孔，该上壁的外侧面设有用于冷却的散热器，该上壁的内侧面为冷凝面；整个所述相变冷却结构形成一个传热机理类似于热管的结构，所述芯片为热端，所述冷却工质由于毛细力和重力的作用进入所述微通道，并在该微通道中吸热沸腾形成蒸汽，所述冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面处放热冷凝，形成液滴落下，如此循环完成所述3D芯片的冷却散热。
作为进一步改进，所述的芯片和基板水平放置。
作为进一步改进，所述的芯片和基板垂直放置。
作为进一步改进，所述的冷却工质为高湿润性纳米流体，由基液、活性剂和氧化铜纳米颗粒均匀混合而成，在换热过程中所述纳米流体在所述芯片表面形成纳米级的多空介质沉积层，形成毛细结构，提高表面湿润性和最大热流密度。
作为进一步改进，所述的基液为制冷剂R113，所述活性剂为Span-80。
本发明所述的用于3D芯片的相变冷却结构的运行原理为：芯片为热端，冷却工质由于毛细力和重力的作用进入芯片之间的微通道，并在这里吸热沸腾形成蒸汽；封装结构上壁内侧面的冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面在这里放热冷凝，形成液滴落下。
本发明的有益效果在于：冷却工质的整个循环过程与热管的运行方式相同，并且由高湿润性纳米流体构成的冷却工质在芯片表面形成纳米级的多空介质沉积层，极大提高了表面湿润性和最大热流密度，因此所述的相变冷却结构具有非常高的换热系数，能够在温差较小的情况下把芯片产生的热量运到芯片之外，确保芯片不会超温；毛细力和重力是整个循环过程的动力，因此不需要额外的动力装置；同时整个循环过程被限制在封装结构内，不会对芯片之外的元件产生影响。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为实施例一中冷却工质的循环过程示意图(仅显示封装内部)。
图3为图1中C的局部放大图。
图4为本发明实施例二的结构示意图。
图5实施例二中冷却工质的循环过程示意图(仅显示封装内部)
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作详细的说明。下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技术方案前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。
实施例一，水平热管结构。
如图1所示，所述用于3D芯片的相变冷却结构包括有多层相互平行且水平放置(与重力方向垂直)的芯片3，本实施例中该芯片3的数量为三层，但本发明中该芯片3的数量不限于三层。三层所述芯片3固定在水平放置(与重力方向垂直)的基板2上并且被封装结构7封装起来，而基板2固定在管脚1上。其中，基板2的尺寸是50×50mm，厚度是1000μm；封装结构7的内部尺寸是40×40mm，高度是2mm；芯片3的尺寸都是30×30mm，厚度是50μm，设计功率是0.55W/cm2，即单层芯片3的功率都是4.95W。
各层所述芯片3之间夹置有用于实现能量和信号的传递的多个储存块4，该多个储存块4排列整齐且互不接触，每一储存块4的厚度是40μm。各个储存块4和各层芯片3在相互之间形成多个微通道5。本实施例中，储存块4的分布如图1所示，每两层芯片3之间共有四组储存块4，每组有三列，每列有100个储存块4，即每两层芯片3之间有1200个储存块4。每两组储存块4之间形成的微通道5较大，同一组的储存块4相互并不接触，其之间形成的微通道5较小。
所述的芯片3在正对所述储存块4处设有通信孔，其剖面结构如图3所示，该通信孔上下两侧各有一储存块4，通信孔内设有一铜块16，该铜块16与所述芯片3之间设有一介电层15用来绝缘，位于所述通信孔两侧的两储存块4通过所述铜块16连接，并且储存块4与芯片3并不是直接接触。
再请参阅图1，所述封装结构7内充填有冷却工质6，该冷却工质6漫过所述芯片3且充满所述微通道5。位于各层芯片3上方的所述封装结构7的上壁上设有真空孔10，该真空孔10用于充入所述冷却工质6和对所述封装结构7进行真空抽气，真空孔10外接用于密封的密封铜管11。所述封装结构7的上部是3D芯片与外界发生热交换的部位，该封装结构7的上壁的内侧面为蒸汽的冷凝面8；该上壁的外侧面设有散热器，本实施例中，该散热器为肋片式散热器9，采用风冷的方式散热。
按照上述结构制作3D芯片并完成封装之后，通过真空孔10充入一定量的高湿润性冷却工质6，然后对封装结构7抽真空并用熔融技术封死密封铜管11。所述冷却工质6漫过了堆叠在一起的三层芯片3，由于冷却工质6的强湿润性，冷却工质6能够充满所述微通道5。
本实施例的3D芯片的冷却过程如图2所示。整个所述相变冷却结构形成一个传热机理类似于水平热管的结构。启动阶段所述芯片3和冷却工质6之间的热传递方式主要是热传导和自然对流，此时也有少量蒸汽产生；随着热量的不断积累，冷却流体的温度不断升高直至沸点，芯片3与冷却工质6之间的热量传递方式就转变为自然对流沸腾。所述芯片3为热端，所述冷却工质6由于毛细力和重力的作用进入所述芯片3之间的微通道5，并在该微通道5中吸热沸腾形成蒸汽12，蒸汽12再流出微通道5；在微通道5内液体和蒸汽是异向两相流，液体的流入受到很大限制；所述封装结构7的上壁的冷凝面8为冷端，蒸汽12上升到该冷凝面8处并在这里放热冷凝，形成液滴13落下；如此循环完成所述3D芯片的冷却散热。整个冷却工质6的循环过程与热管的运行方式相同，因此具有非常高的换热系数，能够在温差较小的情况下把芯片3产生的热量运到封装结构7之外，确保芯片3不会超温。
按照上述冷却过程，本发明所使用的冷却工质6必须具有以下特点：强湿润性，在毛细力的作用下能够沿着微通道5向上流动；较小的粘性，本发明中的微通道5尺寸较小，粘性较大的流体容易在其中阻塞，而且沸腾产生的气泡脱离壁面之后也需要流体及时补充，因此需要冷却工质6具有较好的流动性；适宜的沸点，芯片3都有正常工作的温度范围，其中最高温度一般在85℃以下，因此冷却工质6的沸点应该在40-60℃为宜；另外，冷却工质6还应该具有无毒、不可燃、容易获得等特点。
按照上面所述的对冷却工质6的要求，本发明选择制冷剂R113作为冷却工质6的基液。制冷剂R113的沸点为48℃，动力粘度是5.03E-04N.s，表面张力为4.5E-03N/m，符合本发明对冷却工质6的要求。
对于热功率相当大的3D芯片，仅仅使用制冷剂R113作为冷却介质并不能满足散热要求，必须采用一些特殊技术手段来提高其散热能力。本发明利用冷却工质6在微通道5中的自然对流沸腾来冷却芯片3，因此如何提高微通道5中的换热系数(HTC)和最大热流密度(MHF)是技术的关键。本发明采用了两条技术措施：一是提高冷却工质6的湿润性，提高供液量，以提高最大热流密度；二是在芯片3表面(传热面)制备一层多空质纳米涂层，以增强毛细力和沸腾活化核心；前者提高了最大热流密度，后者提高了换热系数。
为了进一步增大制冷剂R113的湿润性，降低表面张力，本发明在制冷剂R113中添加表面活性剂。为了保持冷却工质6的介电特性，选择了一种非离子表面活性剂：Span-80。Span-80是一种琥珀色粘稠油状液体，其化学式是C24H44O6，分子量为428.6，亲水亲油平衡值为4.3。根据文献和实验结论，Span-80的浓度为1000ppm时，R113的湿润性达到最高。因此在制冷剂R113中添加Span-80可以增加冷却工质6的湿润性、降低其表面张力、增加其流动性。对于沸腾换热而言，流体的表面张力下降虽然会使沸腾换热有所恶化，但是可以大大提高沸腾的最大热流密度。
本发明还通过使用纳米流体达到在芯片3表面形成一层沉积层的目的，本发明采用氧化铜纳米颗粒配置纳米流体。从图3的放大图可以看到，纳米流体可以在芯片3表面形成纳米级的多空介质沉积层14，该沉积层14是冷却工质6中的纳米颗粒沉积形成的，是纳米CuO颗粒沉积层。该沉积层14在本发明中起到了非常重要的作用，其能够在传热面形成毛细结构，促进冷却工质6在芯片3表面的扩散；并且由于R113在氧化铜表面的表面张力较小，所以该纳米级的沉积层14可以进一步降低冷却工质6的表面张力，增加其湿润性；另外由于沉积层14的多孔特性，沸腾传热面的活性汽化核心数大大增加，对沸腾换热来说，汽化核心数的增加可以增加沸腾换热系数。因此，使用添加活性剂的氧化铜纳米流体可以同时提高沸腾换热的换热系数和最大热流密度。
基于上述原理，本发明的冷却工质6采用由基液、活性剂和氧化铜纳米颗粒均匀混合而成的高湿润性纳米流体，在换热过程中该纳米流体在所述芯片3表面形成纳米级的多空介质沉积层14，提高了沸腾换热的换热系数和最大热流密度。所述的基液为制冷剂R113，所述活性剂为Span-80。所述冷却工质6的制备方法为，将制冷剂R113、浓度为1000ppm的活性剂Span-80和粒径范围为20nm-40nm、质量浓度为1％的氧化铜纳米颗粒均匀混合，然后用超声波震荡器搅拌5小时左右，即可获得稳定的纳米流体。
本实施例中，封装结构7中充填了冷却介质6，充液率为0.7，充液体积是1.95mL。
实施例二，垂直热管结构。
本实施例的结构与实施例一类似，如图4所示，芯片3和储存块4固定在基板2上，基板2固定在管脚1上，各层芯片3之间形成微通道5；封装结构7的上壁的内侧面为蒸汽的冷凝面8；该上壁的外侧面设有散热器，布置散热器时，留出了真空孔10的位置；真空孔10外接一个密封铜管11，封装结构7抽真空之后，采用熔融法封死密封铜管11；冷却工质6使用上述的高湿润性纳米流体——添加了1000ppm的Span-80和1％的纳米CuO的R113。
结构上与实施例一不同的是，所述的芯片3和基板2垂直放置，即沿重力方向放置；所述散热器采用在封装结构7的上部加厚上壁形成微管散热器17，其内部设有微管18，微管18内通入水进行强制对流水冷散热，以带走冷却工质6冷凝释放的热量；冷却工质6的充液率为0.9，充液体积是57mL。
本实施例中，所述基板2的尺寸是50×50mm，厚度是1000μm；所述封装结构7的内部尺寸是40×40mm，高度是40mm；所述芯片3的数量为八层，单层芯片3的尺寸都是30×30mm，厚度是50μm，设计功率是0.55W/cm2，即每层芯片3的功率都是4.95W。各层芯片3之间的储存块4的厚度是40μm，该储存块4的分布具体为，每两层芯片3之间设有十一组储存块4，每组有一列，每列有100个储存块，即每层有1100个储存块4。
实施例二的3D芯片的冷却过程与实施例一相似，如图5所示，冷却工质6以传热机理类似于垂直热管的方式运行。所述芯片3是热端，冷却工质6由于毛细力和重力的作用进入各层芯片3之间的微通道5，并在这里吸热沸腾形成蒸汽12；所述封装结构7的上壁的冷凝面8为冷端，蒸汽12上升到冷凝面8并在这里放热冷凝，形成液滴13落下。与实施例一所不同的是，垂直放置时，各层芯片3之间形成向上的开口结构，冷却工质6可以从芯片3底部贯穿开口到达上部出口，在流路中形成汽液同向自然对流，这种布置方式能够具备更大的散热功率。

Claims (5)

1.一种用于3D芯片的相变冷却结构，包括被封装结构封装且固定于基板上的多层相互平行的芯片，其特征在于：各层所述芯片之间夹置有排列整齐的用于实现能量和信号的传递的多个储存块，互不接触的各个储存块和各层芯片在相互之间形成多个微通道，所述封装结构内充填有漫过所述芯片且充满所述微通道的冷却工质，位于各层芯片上方的所述封装结构的上壁上设有用于充入所述冷却工质和对所述封装结构进行真空抽气的真空孔，该上壁的外侧面设有用于冷却的散热器，该上壁的内侧面为冷凝面；整个所述相变冷却结构形成一个传热机理类似于热管的结构，所述芯片为热端，所述冷却工质由于毛细力和重力的作用进入所述微通道，并在该微通道中吸热沸腾形成蒸汽，所述冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面处放热冷凝，形成液滴落下，如此循环完成所述3D芯片的冷却散热。
2.根据权利要求1所述的用于3D芯片的相变冷却结构，其特征在于：所述的芯片和基板水平放置。
3.根据权利要求1所述的用于3D芯片的相变冷却结构，其特征在于：所述的芯片和基板垂直放置。
4.根据权利要求2或3所述的用于3D芯片的相变冷却结构，其特征在于：所述的冷却工质为高湿润性纳米流体，由基液、活性剂和氧化铜纳米颗粒均匀混合而成，在换热过程中所述纳米流体在所述芯片表面形成纳米级的多空介质沉积层，形成毛细结构，提高表面湿润性和最大热流密度。
5.根据权利要求4所述的用于3D芯片的相变冷却结构，其特征在于：所述的基液为制冷剂R113，所述活性剂为Span-80。
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