CN104959172B - 一种基于微循环理念的主动散热三维芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，其物理结构包括芯片层、散热金属层和微流体循环层；其特征在于：芯片层与散热金属层交叠分布，芯片和散热金属片垂直层级堆栈；芯片层之间通过TSVS（穿过硅片和金属片的通孔）进行信号连接；散热金属片设置在芯片层的上方；微流体循环层设置在芯片层和散热金属层的左侧、右侧、上方和下方。该芯片能够解决片内多层堆叠产生的高热流密度问题，实现内部高热密度迅速传递到芯片表面的功能。

Description

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片

技术领域

本发明属于散热和微流体技术领域，涉及一种三维芯片，尤其涉及一种以微流体动力学解决三维高热密度芯片的主动散热问题的基于微循环理念的主动散热三维芯片。

背景技术

目前，控制系统多采用PCB板作为信号联通和支撑的基板，芯片为了把众多的管脚以适合焊接的方式与PCB板连在一起，多数采用扁平的二维封装形式。这样做的优点是容易焊接，但缺点是实际芯片小，但封装却是核心芯片的几倍甚至几十倍。随着集成电路封装密度的不断增加，二维的扁平芯片化封装已经不能满足日益增加的集成度要求，堆叠多层芯片的三维立体封装形式逐渐出现，将更多的功能融入一个较小的空间。随着三维芯片功能和集成度增加，其热流密度也随之迅速增加，散热成为制约三维芯片集成密度继续增加的重要瓶颈。就目前已有文献，三维芯片散热主要采取空气冷却和液体冷却两种方式。其中空气冷却方式是采取开放式微孔散热，在芯片底部安装热沉。此种散热方式的优点是简单易实现，缺点是一方面也容易造成芯片内部较大的温度梯度，对内部电子器件的工作有影响；另一方面限制了芯片的使用环境，如在真空、埋入等没有空气流动环境下，此种散热方式则不能应用。为降低芯片内部温度梯度，进一步扩大三维芯片的应用范围和集成度，必须开拓新的散热方式。研究表明，风冷、热管、喷雾和微结构换热方式相比较，换热性能逐步提高，其中微结构换热方式的效率可达到5.7w/cm2。随着微技术的发展，电子器件尺寸向纳米级发展，基于三维芯片的内部循环散热是未来发展的趋势。本专利基于微流体技术及MEMS技术，提出在三维芯片上设计微流体自循环系统，将三维芯片内产生的热迅速散布到芯片外部散热器，同时降低芯片内温度梯度。1981年Tuekerman提出了第一个微槽道散热器，当进出口温差71℃时可带走790W/cm的热量。2004年Intel公司研发的使用液体冷却LSI(Large-scale integration)芯片和封装的技术“Micro-Fluidic Cooling”。Cooling公司开发了用于电子器件散热的冷却系统。格勒诺布尔CEA/LETI研究中心、电子技术实验室的C.Gillot等人在《Ieee Transactions on Components and PackagingTechnologies》上发表《Double-sided cooling for high power IGBTmodules using flip chip technology》论文，将两个微通道散热器直接集成在封装系统中完成了对绝缘三双极型功率管的热控制，开创将散热集成在芯片封装中的先河。2006年10月刘哓为等在《传感技术学报》上发表《集成微流体测控芯片的研制》一文中提出了电子冷却芯片的制作方法。文献将一种将无阀微泵、2个铂薄膜式温度传感器、1个微流量传感器集成在玻璃芯片中作为电子冷却芯片，贴在需要散热的微电子芯片上。2013年IEEE TRANSACTIONSONCOMPUTER-ADED DESIGN OFINTEGRATES CIRCUS AND SYSTEM上发表一篇《Greencool:An energy-efficient LiquidCooling design technique for 3-DMSoCs via channel width modulation》肯定了液体散热相对于风冷和热沉技术的优越性，并提出一种通过微通道调制液冷技术对三维多核芯片进行散热的方法。

名称为“拓扑图式化神经细胞网络培养测量微流控芯片装置”，申请号为“CN201010608561.1”，公开号为“CN102156158A”的中国发明专利申请，公开了一种拓扑图式化神经细胞网络培养测量微流控芯片装置，包括微电极阵列板、细胞培养池和盖玻片，细胞培养池采用可拆卸固定的方式覆盖在微电极阵列板上，盖玻片采用可拆卸固定的方式覆盖在细胞培养池上；细胞培养池包括固定外框，所述固定外框的尺寸与微电极阵列板相对应，在固定外框的中部设置凹槽培养区，所述凹槽培养区用于放置多组具有拓扑网络结构的培养孔板阵列，其虽然能够构建一个三维细胞培养环境，结合微流控技术，可以进行体外微环境的仿生式的细胞培养，但是该专利并不致力于改善三维芯片产生高热流密度问题。

名称为“三维芯片热通孔和性能优化的空白区重分配方法”，申请号为“CN200810105867.8”，公开号为“CN101373492”的中国发明专利申请，公开了一种三维芯片热通孔和性能优化的空白区重分配方法，依次含有以下步骤：计算每个格子所需要的热通孔数目；把对热通孔数目的需求转化为对空白区的需求；建立基本拓扑逻辑约束和空白区分配约束以及目标函数，建立芯片线长优化的线性规划模型；建立微体系结构下芯片性能的优化模型；设立权重，进行热通孔数目，线长和性能的多目标优化模型；用单纯型法求解各个模型，求得在性能优化条件下热通孔数目及其最佳分配区域。但是其同样存在产生高热流密度问题。

综上所述，现有的三维芯片多存在多层堆叠产生的高热流密度问题，为此，需要一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，解决多层堆叠产生的高热流密度问题，使其实现内部高热密度迅速传递到芯片表面的功能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，解决片内多层堆叠产生的高热流密度问题，实现内部高热密度迅速传递到芯片表面的功能。

为实现上述目的，本发明提供一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，其物理结构包括芯片层、散热金属层和微流体循环层；其特征在于：芯片层与散热金属层交叠分布，芯片和散热金属片垂直层级堆栈；芯片层之间通过TSVS进行信号连接；散热金属片设置在芯片层的上方；微流体循环层设置在芯片层和散热金属层的左侧、右侧、上方和下方。

在以上方案中优选的是，芯片层根据热点层级分为三级热点区、二级热点区和一级热点区。芯片层布置温度传感器，芯片层内CPU和信号采集模块除实现芯片功能外集成了主动散热控制功能。

在以上任一方案中优选的是，散热金属片内蚀刻两层微通道，一层为普通散热微通道，另一层为层级散热微通道，由三层级热点包络微通道结构组成。

在以上任一方案中优选的是，三层级热点包络微通道结构包括三层级平行包络、三层级方形包络、三层级圆形包络、三层级六边形包络或三层级八边形包络。

在以上任一方案中优选的是，三层级热点包络微通道内设有微阀，可实现层级微阀导通回路。

在以上任一方案中优选的是，微流体循环层包括微泵、微流体主通道、微流体分支和微流体回流汇集的微储液池，构成微流体循环通路。

在以上任一方案中优选的是，三维芯片的主动散热控制功能通过微流体循环子系统、内部信号采集子系统、主动散热控制子系统三个部分实现。

在以上任一方案中优选的是，微流体循环子系统包括微泵、微阀、微通道、微流体、热点换热区和微流体散热区。

在以上任一方案中优选的是，热点换热区分布在散热金属片上，由普通散热微通道和三层级热点包络微通道共同组成。

在以上任一方案中优选的是，微流体散热区即微流体循环层内的微储液池。

在以上任一方案中优选的是，微流体散热区是微通道内换热后的流体集聚区，在此处经过外部冷处理再由微泵压入微通道进行循环。

在以上任一方案中优选的是，内部信号采集子系统包括微温度传感器和微压力传感器。

在以上任一方案中优选的是，微温度传感器分布在芯片层内，三级热点区设有3X个微温度传感器，二级热点区设置2X个微温度传感器，一级热点区设置1X个微温度传感器，X为(1～n)。

在以上任一方案中优选的是，微压力传感器分别设置在大功率微泵的入口、出口处，每层金属片微通道入口、出口处以及微流体散热区的入口、出口处。

在以上任一方案中优选的是，主动散热控制子系统包括CPU和信号采集模块，集成在芯片层内。

在以上任一方案中优选的是，主动散热控制子系统的控制功能包括开机自检、信号采集、热点层级判断和微阀层级导通控制功能。

在以上任一方案中优选的是，根据热点阈值判断热点层级。随着芯片的工作，热点温度逐渐升高。根据微温度传感温度阈值判断热点层级。不同的芯片可定义不同的阈值。

在以上任一方案中优选的是，微阀层级导通控制功能通过层级微阀启动实现。根据热点层级依次控制微阀导通进行层级散热。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，解决多层堆叠产生的高热流密度问题。它将微流体主动散热系统分层集成到芯片中，通过微泵驱动制冷剂流过芯片实现内部高热密度迅速传递到芯片表面的功能。

附图说明

图1为按照本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片的系统原理图；

图2为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片的实施例其芯片层内三级热点及微温度传感器布置图；

图3为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片的实施例其微流体循环层微压力传感器布置图；

图4为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片的金属层内双层微通道示意图；

图5为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片的金属层内层级散热层微通道剖面图；

图6为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的热点平行包络微通道示意图；

图7为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的热点方形包络微通道示意图；

图8为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的热点圆形包络微通道示意图；

图9为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的热点六边形包络微通道示意图；

图10为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的热点八边形包络微通道示意图；

图11为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的平行包络三层级微阀导通散热拓扑示意图；

图12为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的方形包络三层级微阀导通散热拓扑示意图；

图13为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的圆形包络三层级微阀导通散热拓扑示意图；

图14为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的六边形包络三层级微阀导通散热拓扑示意图；

图15为按照图1所示的本发明的基于微循环理念的八边形包络三层级微阀导通散热拓扑示意图。

图中，1为微储液池，2为第1个大功率微泵M1，3为第2个大功率微泵M2，4为散热金属层1上的小功率微泵m₁₁，5为散热金属层上1的小功率微泵m₁₂，6为散热金属层2上的小功率微泵m₂₁，7为散热金属层2上的小功率微泵m₂₂，8为芯片层1，9为芯片层2，10为散热金属层1，11为散热金属层2，12为信号线，13为微流体主通道，14为微流体分支，15为散热金属层(n-1)上的小功率微泵m_(n-1)1，16为散热金属层(n-1)上的小功率微泵m_(n-1)2，17为散热金属层n上的小功率微泵m_n1，18为散热金属层n上的小功率微泵m_n2，19为芯片层n-1，20为散热金属层n，21为散热金属层n-1，22为芯片层n，23为微流体循环层(有4处)，24为三级热点，25为二级热点，26为一级热点，27为微温度传感器St，28为微压力传感器Sp，29为普通散热微通道层，30为层级散热微通道入口，31为层级散热微通道层，32为微流体通道入口，33为三级热点包络，34为二级热点包络，35为一级热点包络，36为层级主微通道，37为层级子微通道，38为微流体通道出口，39为二层级微阀，40为三层级微阀。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。

实施例1：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，其物理结构包括芯片层(如8，9，19，22)、散热金属层(如10，11，20，21)和微流体循环层23。

实施例2：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，芯片层内芯片垂直层级堆栈，芯片层之间通过TSVS信号线12进行连接。

实施例3：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，芯片层根据热点层级分为三级热点区24、二级热点区25和一级热点区26。芯片层布置微温度传感器27，芯片层内CPU和信号采集模块除实现芯片功能外集成了主动散热控制功能。

实施例4：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，散热金属层(如10，11，20，21)内散热金属片垂直层级堆栈；散热金属片(如10，11，20，21)设置在芯片层(如8，9，19，22)的上方。

实施例5：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，散热金属片内蚀刻两层微通道，一层为普通散热微通道29，另一层为层级散热微通道31。

实施例6：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，层级散热微通道31是由三层级热点包络微通道组成(如33，34，35)，其结构包括三层级平行包络(如图6)、三层级方形包络(如图7)、三层级圆形包络(如图8)、三层级六边形包络(如图9)和三层级八边形包络(如图10)。

实施例7：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，三层级热点包络微通道内设有层级微阀(如39，40)，可实现层级微阀导通回路。

实施例8：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微流体循环层设置在芯片层和散热金属层的左侧、右侧、上方和下方。

实施例9：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微流体循环层23内包括微泵(如2，3，4，5，6，7，15，16，17，18)、微流体主通道13、微流体分支14和微流体回流汇集的微储液池1，构成微流体循环通路。

实施例10：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，三维芯片的主动散热控制功能通过微流体循环子系统、内部信号采集子系统、主动散热控制子系统三个部分实现。

实施例11：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微流体循环子系统包括微泵、微阀、微通道、微流体、热点换热区和微流体散热区。

实施例12：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，热点换热区分布在散热金属片上，由普通散热微通道29和层级散热微通道31共同组成。

实施例13：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微流体散热区即微流体循环层内的微储液池1。

实施例14：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微流体散热区是微通道内换热后的流体集聚区，在此处经过外部冷处理再由微泵压入微通道进行循环。

实施例15：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，内部信号采集子系统包括微温度传感器27和微压力传感器28。

实施例16：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微温度传感器27分布在芯片层内(如8，9，19，22)，三级热点区24设有3X个微温度传感器，二级热点区25设置2X个微温度传感器，一级热点区26设置1X个微温度传感器，X为(1～n)。

实施例17：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微压力传感器分别设置在大功率微泵的入口、出口处，每层金属片微通道入口、出口处以及微流体散热区的入口、出口处。

实施例18：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，主动散热控制子系统包括CPU和信号采集模块，集成在芯片层内。

实施例19：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，主动散热控制子系统的控制功能包括开机自检、信号采集、热点层级判断和微阀层级导通控制功能。

实施例20：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，根据热点阈值判断热点层级。随着芯片的工作，热点温度逐渐升高。根据微温度传感温度阈值判断热点层级。不同的芯片可定义不同的阈值。

实施例21：

一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，与实施例1相似，所不同的是，微阀层级导通控制功能通过层级微阀(如39，40)启动实现。根据热点层级依次控制微阀导通进行层级散热。

本发明的基于微循环理念的主动散热三维芯片，具有如下特征：

(1)包含数据处理、数据传送、执行和主动散热功能，其中微设备的特征尺寸为微米，微通道的特征尺寸为纳米到微米，随着MEMS技术的发展，微结构、微设备以及微通道的特征尺度会进一步的缩小。

(2)三维芯片包含芯片层(如8，9，19，22)、散热金属层(如10，11，20，21)和微流体循环层23。其中芯片垂直层级堆栈，分为n层，芯片层之间通过TSVS信号线12进行信号连接。从而实现数据的传送、数据处理以及数据执行等功能。微流体主动散热系统按包括散热金属层和和微流体循环层。其中散热金属片垂直层级堆栈，分为n层。将金属片布置在芯片层上方，金属片层内刻蚀两层微流体通道；微流体循环层分布在芯片层与散热金属层的左右以及上方，包含微泵(如2，3，4，5，6，7，15，16，17，18)、微流体主通道13、微流体分支14以及微流体回流汇集的微储液池1。

(3)根据功能将微流体主动散热系统划分为微流体循环子系统、内部信号采集子系统、主动散热控制子系统三个部分。其中微流体循环子系统包括微泵、微阀、微通道、微流体、热点换热区、微流体散热区；内部信号子系统包括微压力传感器28和微温度传感器27。微压力传感器28分别布置在微泵的入口、出口处，每层金属片微通道入口、出口处以及微流体散热区的入口、出口处。微温度传感器27分别布置在芯片高热流密度区(三级热点区)24、中热流密度区(二级热点区)25和低热流密度区(一级热点区)26；热点换热区是在散热金属片层蚀刻两层微通道，分别是普通散热微通道29和层级散热微通道31，其中层级散热微通道31由三层级热点包络微通道构成；微流体散热区由微储液池1构成，是微通道内换热后的流体集聚区，在此处经过外部冷处理再由微泵2吸入微通道进行循环；主动散热控制子系统集成在三维芯片控制器中，主要功能是根据内部信号采集子系统采集到的各种信号确定微泵的压力。

(4)为协助微流体主动散热系统的工作，每个芯片层内在三级热点区24布置3个微温度传感器27，二级热点区25布置2个微温度传感器27，一级热点区26布置1个微温度传感器27。每层芯片的数据采集区还需要采集该层芯片微温度传感器信号、金属片微通道出入口的微压力传感器信号。第一层芯片的数据采集区额外采集微泵出入口微压力传感器信号，该层CPU除原有功能外还包括主动散热控制子系统控制功能。

(5)主动散热系统采用三层级微阀导通机制。微通道为三层级导通回路。随着芯片热点温度的升高，热点周围的包络通道开通越多，直到全部进入微流体循环；微阀(如39，40)分布在微通道回路中，控制进入微通道循环的层级。

(6)微流体循环子系统中的微泵采用2个大功率微压力泵(如2，3)和2n个小功率微压力泵(如4，5，6，7，15，16，17，18)。两个大功率微压力泵中一个为压入式2(将微储液池内降温后的微流体压入主通道)；一个为抽吸式3(将通过金属片温度升高的微流体吸到顶部的微储液槽)。2n个小功率微压力泵分布在金属片微流体通道的出入口，入口为压入式，出口为抽吸式。它们可由三维芯片自身电源供电，压力可由主动散热控制子系统根据温度和压力调节。微泵要求响应时间快并且无脉冲效应。

(7)微流体循环子系统中微阀分布在热点包络区，由主动散热控制子系统根据热点温微度传感器27温度信号控制微阀(如39，40)的开通与关断。

(8)微流体循环子系统中微阀采用MEMS技术蚀刻在通道两侧，由电信号控制其通断。微阀可根据需要采用任何目前或将来能制作的易蚀刻、微体积、高可靠性阀。

(9)微流体循环子系统中微通道形状和特征尺寸。微通道高深宽比且尺寸可根据实际情况进行变动。微通道分为两层，一层是普通微通道29，另一层是层级散热微通道31。普通微通道的通道宽度一致。层级散热微微通道分为两种宽度，分别是是刚进入散热金属片主微通道36和片内子微通道37，其中主微通道的宽度是子微通道的三倍。

(10)微流体循环子系统中金属片层内双层微流体通道设计。其中普通微通道为均匀直通分布；层级散热微通道的入口数目和该层热点数对应，位置与热点分布对应，且通道和热点层级相对应。

(11)微流体循环子系统中微传感器可根据需要采用任何目前或将来能制作的高精度、微体积传感器。

(12)微流体循环子系统中微流体介质采用去离子超纯水或各种高纯度制冷剂。

(13)微流体循环子系统中热点换热区标定原则。根据芯片内各器件工作时产生热量的等级进行标定。鉴于每个三维芯片在设计前已经知道芯片功能，芯片内各种电路的数量和位置也确定，因此可根据不同电路工作时产生热量对其进行热点标定。可以采用3D-ICE软件建立实际芯片的三维热传导模型。根据功耗将热点标定为三级，与层级热点包络相对应。级别越高的热点应尽量布置在芯片顶部，越接近金属片散热效果越好。

(14)微流体循环子系统中散热区位于三维芯片顶部，使芯片内积聚的热量迅速导致外表面，并在芯片表面此区域布置制冷片或散热器。

(15)主动散热控制子系统的主要功能是开机自检、启动微泵、根据微压力传感器、微流量传感器、微温度传感器信号判断热点层级并控制三层级微阀的通断以及微泵的压力。

本发明的三维芯片，解决高流密度三维芯片内部散热，使不同热流密度的器件都能在要求的温度范围内正常工作。针对此目标提出一种解决方案，其具体实施方式如下：

(1)将微流体主动散热系统集成到三维芯片内，快速将芯片内部热量导至芯片表面。其原理图如图1所示，三维芯片包括n个芯片组成的芯片层(如8，9，19，22)、n个金属片组成的散热金属片层(如10，11，20，21)、1个包含上面、左面、下面、右面的微流体循环层23。微流体循环系统由两个大功率微泵M1(如2)和M2(如3)、2n个小功率微泵m₁₁-m_n1(如4，6，15，17)和m₁₂-m_n2(如5，7，16，18)、散热微通道以及微储液池1组成。M1(如2)大功率微泵为压入式，M2(如3)大功率微泵为抽吸式。微流体介质由M1(如2)大功率微泵驱动，通过微流体主通道13。第i层的第m_i1小功率微泵将主通道内的微流体压入，经微流体分支14进入每层金属片微通道，流经普通散热层和层级散热层。另一侧的小功率微泵m_i2流经普通散热层内的微通道和层级散热层内的层级主微通道35和层级子微通道37，将芯片内的热量传送出来，导致微流体介质温度升高。升温后的介质由M2(如3)大功率微泵抽入微储液池，芯片表面此位置贴装外部散热器(散热器或制冷片)，将微储液池内的液体迅速冷却至要求的温度重新进行循环。微储液池1内液体容量远大于循环通道内的液体容量(100：1)，能实现快速降温。

(2)微传感器包括微温度传感器和微压力传感器，其中微温度传感器St(如27)分布在芯片层，如图2所示。微压力传感器Sp(如28)分布在微流体循环层23，其布置示意图如图3所示。其中，图2为金属片上微温度传感器St(如27)分布在各芯片层热点(如24，25，26)附近。热点周围的传感器可根据芯片功能和散热要求的精确性设计数量。三级热点24周围分布3X个微温度传感器St，二级热点25周围分布2X个微温度传感器St，一级热点26周围分布1X个微温度传感器St，用于检测热点温度值。图2仅绘出X＝1的情况，其余X值情况下的传感器分布类推。图3中微压力传感器Sp(如28)分布在各微泵出入口，每层金属片微通道出入口，微储液池出入口，检测该点压力是否达到要求值。微传感器的数量可根据实际需求增减。

(3)主动散热控制子系统根据温度传感器信号判断热点包络层级，从而控制三层级微阀的通断。微阀可采用相同结构，在通道中分为二层级微阀39和三层级微阀40，分别控制二、三层级微通道内微流体流过。

(4)微流体循环子系统中微储液池布置在三维芯片顶面，使芯片内积聚的热量迅速导至外表面，并通过芯片表面此区域布置的制冷片或散热器迅速冷却至要求的温度。

(5)微通道包括微流体循环层内的微流体主通道13、微流体分支14和散热金属片内层级主微通道35和层级子微通道37。微流体循环层内的微通道尺寸应远大于散热金属片内层级微通道尺寸。散热金属片内层级微通道的尺寸可根据实际芯片的功能和要求进行调整微。微通道采用矩形通道，高深宽比(10：1)，采用刻蚀法加工，通道内涂薄层防水层绝缘防漏再涂金属层，保证微通道绝缘防水并且微通道内壁粗糙度小于1％。

(6)流动工质与微通道壁面之间的平均传热系数可下式计算：A_w为对流换热面积，Q为流动工质带走的总热量Q＝M_Cp(T_o-T_i)；强化换热温度梯度与散热流场夹角越小强化换热效果越好。因此微通道中热点包络微通道方向与热点热辐射方向尽量平行。

(7)热点包络微通道设计方案有五种方案，这里只给出剖面示意图，如图6至图10所示。图6至图10中分别为平行包络(图6)、方形包络(图7)、圆形包络(图8)、六边形包络(图9)、八边形包络(图10)。包络微通道根据热点层级不同，分别为一级平行包络；二级平行包络；三级平行包络。这里只给出三层级包络，其余类推。

其中，平行包络图6的特点是将层级主微通道36分流成七个平行层级子微通道37分布在热点周围，微通道设计和实现简单；方形包络图7是将层级子微通道37设计成方形，近距离包裹热点，微通道设计和实现相对简单；圆形包络图8是将层级子微通道37设计成圆形，与热点切合，弧形通道更有利于微流体流动；六边形包络图9增大流体接触范围，相当于在热点周围分布了更多的散热通道，散热效果较好；八边形包络图10则包含更多面积的通道，散热效果更好。但通道设计相对复杂，增大芯片制作难度。为便于微流体流动，微通道的边角处可设计成弧形。

(8)实际使用热点包络微通道可有多种方式。第一种，所有热点均采用同一种三层级热点包络微通道，根据每个热点微温度传感器St信号的大小选择进入的微循环的层级；第二种，不同热点采用不同的三层级热点包络微通道，根据每个热点微温度传感器St信号的大小选择进入的微循环的层级；还可以组合使用。

(9)微流体循环子系统中微阀分布在热点包络区，由主动散热控制子系统根据热点温度传感器温度信号控制微阀的开通与关断。其微阀在三层级微阀导通散热拓扑中的布置如图11至图15所示。其中根据功能将微阀分为二层级微阀39和三层级微阀40。图11至图15中分别为平行包络三层级微阀导通散热拓扑(图11)、方形包络三层级微阀导通散热拓扑(图12)、圆形包络三层级微阀导通散热拓扑(图13)、六边形包络三层级微阀导通散热拓扑(图14)、八边形包络三层级微阀导通散热拓扑(图15)。层级微阀布置在二层级热点包络微通道入口和三层级热点包络微通道入口。

(10)主动散热控制子系统的主要功能是开机自检、启动微泵、热点层级判断、微阀控制功能。其各部分主要功能描述为：

开机自检功能：对于三维芯片而言，一上电需要进行初始化，相应数据存储区的清零操作，判断微温度传感器和微压力传感器。如读数在正常范围，可认为主动散热系统无故障；否则有故障。若无系统故障可以让芯片开始工作。如有故障则向上级报警。

启动微泵功能：自检无误可启动微阀进行主动散热。首先开启大第M1大功率微泵和第M2大功率微泵，根据微压力传感器读数判断微泵是否正常；如大功率微泵正常可开启2n个小功率微泵m₁₁-m_n1和m₁₂-m_n2，通过微压力传感器读数判断它们是否正常；读取微温度传感器值判断是否在正常范围；都无故障可以进行微流体循环主动工作进行普通散热。如有故障则向上级报警。

热点阈值判断：随着芯片的工作，热点温度逐渐升高。根据微温度传感温度阈值判断热点层级。其中T_on2为二级热点温度阈值，T_on3为三级热点温度阈值。当温度传感器读数T≥T_on2可视为三层级热点，T≥T_on3可视为三层级热点。不同的芯片可定义不同的阈值。

层级微阀启动：根据热点层级依次控制微阀导通进行层级散热。T≥T_on2允许开通二层级微阀，T≥T_on3允许开通三层级微阀。二层级微阀开通后才允许三层级微阀开通。

(11))主动散热控制子系统中三层级微阀通断控制逻辑实现。

三级热点周围布置3X个温度传感器，根据其平均值决定层级，但同时监控每个传感器的读数，若某一读数大于温度阈值也可进入较高层级。二级热点周围布置2X个温度传感器，根据其平均值决定层级，但同时监控每个传感器的读数，若某一读数大于温度阈值也可进入较高层级。一级热点周围布置1X个温度传感器，直接决定层级，但若某一读数大于温度阈值也可进入较高层级。

上述说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。

Claims (18)

1.一种基于微循环理念的主动散热三维芯片，其物理结构包括芯片层、散热金属层和微流体循环层；其特征在于：芯片层与散热金属层交叠分布，芯片和散热金属片垂直层级堆栈；芯片层之间通过TSVS进行信号连接；散热金属片设置在芯片层的上方；微流体循环层设置在芯片层和散热金属层的左侧、右侧、上方和下方；芯片层布置温度传感器，芯片层内CPU和信号采集模块除实现芯片功能外集成了主动散热控制功能。

2.如权利要求1所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：芯片层根据热点层级分为三级热点区、二级热点区和一级热点区。

3.如权利要求1所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：散热金属片内蚀刻两层微通道，一层为普通散热微通道，另一层为层级散热微通道，由三层级热点包络微通道结构组成。

4.如权利要求3所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：三层级热点包络微通道结构包括三层级平行包络、三层级方形包络、三层级圆形包络、三层级六边形包络或三层级八边形包络。

5.如权利要求4所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：三层级热点包络微通道内设有微阀，可实现层级微阀导通回路。

6.如权利要求1所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微流体循环层包括微泵、微流体主通道、微流体分支和微流体回流汇集的微储液池，构成微流体循环通路。

7.如权利要求1所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：三维芯片的主动散热控制功能通过微流体循环子系统、内部信号采集子系统、主动散热控制子系统三个部分实现。

8.如权利要求7所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微流体循环子系统包括微泵、微阀、微通道、微流体、热点换热区和微流体散热区。

9.如权利要求8所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：热点换热区分布在散热金属片上，由普通散热微通道和三层级热点包络微通道共同组成。

10.如权利要求8所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微流体散热区即微流体循环层内的微储液池。

11.如权利要求10所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微流体散热区是微通道内换热后的流体集聚区，在此处经过外部冷处理再由微泵压入微通道进行循环。

12.如权利要求7所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：内部信号采集子系统包括微温度传感器和微压力传感器。

13.如权利要求12所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微温度传感器分布在芯片层内，三级热点区设有3X个微温度传感器，二级热点区设置2X个微温度传感器，一级热点区设置1X个微温度传感器，X为（1~n）。

14.如权利要求12所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微压力传感器分别设置在大功率微泵的入口、出口处，每层金属片微通道入口、出口处以及微流体散热区的入口、出口处。

15.如权利要求7所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：主动散热控制子系统包括CPU和信号采集模块，集成在芯片层内。

16.如权利要求15所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：主动散热控制子系统的控制功能包括开机自检、信号采集、热点层级判断和微阀层级导通控制功能。

17.如权利要求16所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：根据热点阈值判断热点层级；随着芯片的工作，热点温度逐渐升高，

根据微温度传感温度阈值判断热点层级，不同的芯片可定义不同的阈值。

18.如权利要求16所述的基于微循环理念的主动散热三维芯片，其特征在于：微阀层级导通控制功能通过层级微阀启动实现；根据热点层级依次控制微阀导通进行层级散热。