CN105611801B - 微流道散热结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于给基板散热的微流道散热结构及方法，该结构包括散热板，该散热板内设置有第一微流道，该第一微流道划定出第一段和第二段，所述第一段在所述第一微流道上构成相对低温区，所述第二段在所述第一微流道上构成相对高温区，所述散热结构进一步包括第二微流道，该第二微流道划定出第A段和第B段，所述第A段构成所述第二微流道的相对高温区，所述第B段构成所述第二微流道上的相对低温区，所述第二微流道的第B段对应所述第一微流道的第二段的位置设置。本发明通过采用第二微流道进一步降低第一微流道的相对高温区如出口区所对应的基板的温度，使基板各处温度分布均匀，同时提高了冷却效率。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种微流道散热结构及散热方法，尤其涉及一种LTCC基板微流道散热结构及散热方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术的迅速发展，电子设备的微形化已经成为现代电子设备发展的主流趋势，电子器件特征尺寸不断减小。片上系统(SOC)即在单个芯片上集成一个完整的系统，包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等，以及封装系统(SIP)即将具有一定功能的芯片密封在与其相适应的一个外壳壳体中，这两种技术也随之不断进步，微电子芯片实现的功能和功能密度都呈指数增加。功能增加的同时，其功耗和发热也随之增加，研究表明，超过55％的电子设备失效都是由温度过高引起的，因此对于芯片或集成系统的封装提出了很高的要求。封装基板性能的好坏很大程度上决定了产品的可靠性和使用寿命。其中低温共烧结陶瓷(LTCC)基板由于其具有耐热性好，热导率高，热膨胀系数小，以及微细化布线较容易等特点，已经被广泛应用于大规模集成电路以及混合电路(HIC)封装。传统的LTCC基板散热一般采用外接散热管的方式，随着LTCC基板上元件密度的增加以及基板层数的增加，这种传统散热方式已经很难满足系统的散热需求。近几年，基于微机电系统(MEMS)技术的微流道散热技术开始应用于LTCC基板散热中。微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。微机电系统是一种先进的制造技术平台，它是以半导体制造技术为基础发展起来的，采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料。微流道散热是在很薄的硅片、金属、或其他合适的基板上，用光刻、蚀刻及精确切削方法加工出截面形状仅有几十到上百微米的流道，流体在流过这些微流道时带走基体上的热量，它是利用微尺度的换热性达到高效冷却的目的。传统封装芯片及LTCC二维微流道结构如图1所示。它是通过在低温共烧结陶瓷基板上加工出微流道。如图所示其中微流道的结构可以是多排直槽形、螺旋形、蛇形、折线形、工字形及树形等。
传统微流道散热技术存在一个缺点。如图2所示，在散热板1’上有微流道10’,微流道10’有入口101’和出口102’。因为入口101’处液体温度低，与散热板1’温差大，散热效率高，而出口102’处由于液体吸收了热量以后温度升高，与散热板1’温差变小导致散热效率降低，因此这种二维流道普遍存在温度场不均匀的现象，会造成整个LTCC基板温度不均匀。局部过热会对芯片造成不利影响，温度太高会导致芯片失效。
因此有必要提出一种新的微流道散热结构及散热方法，能解决传统微流道散热不均的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种微流道散热结构及散热方法，该结构及方法主要通过采用附加第二微流道进行进一步散热的微流道散热方式，使基板各处温度分布较为均匀。
本发明提供的一种用于给基板散热的微流道散热结构，包括散热板，该散热板内设置有第一微流道，该第一微流道划定出第一段和第二段。所述第一段在所述第一微流道上构成相对低温区，所述第二段在所述第一微流道上构成相对高温区。所述散热结构进一步包括第二微流道，该第二微流道划定出第A段和第B段。所述第A段构成所述第二微流道的相对高温区，所述第B段构成所述第二微流道上的相对低温区。所述第二微流道的第B段对应所述第一微流道的第二段的位置设置。
上述的微流道散热结构，所述第一微流道和所述第二微流道分别位于所述基板的两侧或位于所述基板的同一侧。
上述的微流道散热结构，所述第一微流道和所述第二微流道位于同一个散热板内或不同散热板内。
上述的微流道散热结构，所述第一微流道和所述第二微流道分别呈蛇形或直槽形或折线形或树形或螺旋形或工字形；所述第一微流道和所述第二微流道的形状相同或不同。
上述的微流道散热结构，所述散热结构的所述散热板平行于所述基板放置。
上述的微流道散热结构，可以将所述第一微流道的入口与所述第二微流道的出口相邻或位于同一侧设置，将所述第一微流道的出口与所述第二微流道的入口相邻或位于同一侧设置。
上述的微流道散热结构，可以将所述第一微流道中的流体流向设置为第一方向，将所述第二微流道中的流体流向设置为第二方向，所述第一方向和所述第二方向相反。
本发明提供的一种微流道散热方法，该方法包括：
将所述的散热结构设置于作为热源的基板附近；
在所述微流道内通以吸热流体，使所述吸热流体流动，从而使基板的温度降低并使其各区域温度均匀。
上述的方法，用泵使所述吸热流体流动。
上述的方法，在所述基板的两侧放置相同的或不同的散热结构。
本发明的技术方案，通过采用附加第二微流道且该第二微流道能进一步针对第一微流道高温区域如出口区域对应的基板进行进一步散热，使芯片基板各处温度分布均匀，降低了因芯片基板局部温度过高引起的芯片失效风险，延长了芯片的使用寿命。同时因采用两个以上的微流道均衡散热的方式，比采用单向微流道散热的方式提高了冷却效率。
附图说明
图1是传统封装芯片及二维微流道散热结构示意图；
图2是一种传统二维微流道散热结构示意图；
图3是本发明第一实施例的一种两条微流道散热结构示意图；
图4是本发明第二实施例的一种两条微流道散热结构示意图；以及
图5是本发明第三实施例的一种两条以上微流道散热结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的实施例以LTCC基板微流道来说明此种包含至少两条微流道的散热结构及散热方法。
首先提供LTCC基板。将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，制出带电路基板。同时在部分不带电路基板上，用光刻、蚀刻及精确切削方法加工出截面形状仅有几十到上百微米的微流道，制备出微流道散热板以及带有出入口的基板。然后把带电路基板、微流道散热板及带出入口的基板叠压在一起，其中带出入口的基板上的入口与微流道散热板的入口对中，带出入口的基板上的出口与微流道散热板的出口对中。微流道散热板可以置于会产生热源的基板上方，也可以置于其下方。叠压的基板与散热板在高温下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。
微流道散热板上的微流道通过带出入口基板的出入口与外界的管路连接，此管路的终端连有泵。管路上设有测试管路内流体温度、压力等的传感器，以及调节与关闭微流道内压力的控制阀。当电路接通电源，基板处于工作状态时，带电路的基板上会不断产生热量，整个基板封装成的芯片组会温度升高。通过泵给微流道内供给吸热流体，吸热流体在微流道内流通，通过热传导的原理，吸热流体把热源处的热量带走。吸热流体是液体或气体或液体和气体的混合物。液体可以是水，酒精，水和酒精的混合液，氟利昂，或小分子有机物。气体可以是冷空气或氮气等。
下面结合图例来具体说明本发明的微流道散热结构及散热方法。
第一实施例
图3是本发明第一实施例的一种微流道散热结构示意图。该结构包括其上设有一组相反流向的双向微流道散热板1，双向微流道包括结构相似的第一微流道10和第二微流道11，此实施例中微流道的形状是蛇形。将第一微流道的入口101与第二微流道11的出口112相邻设置，将第一微流道10的出口102与第二微流道11的入口111相邻设置。
其中，第一微流道10划定出第一段103和第二段104，所述第一段103在所述第一微流道上构成相对低温区，所述第二段104在所述第一微流道上构成相对高温区。
相应地，第二微流道11划定出第A段113和第B段114，所述第A段113构成所述第二微流道的相对高温区，所述第B段114构成所述第二微流道上的相对低温区。如图所示，所述第二微流道的第B段114对应所述第一微流道的第二段104的位置设置。
上述实施例中，将所述一组双向微流道设置于同一个平面内，制作在同一基板1上，将所述第一微流道10与所述第二微流道11横向并排设置。
在所述第一微流道10与所述第二微流道11中通入的吸热流体为水。
在微流道中通吸热流体散热时，第一微流道10中的流体流向设置为第一方向，第二微流道11中的流体流向设置为第二方向，该两个方向相反，形成了双向微流道。
用泵使所述吸热流体流动，从而使基板的温度降低且均匀。
第二实施例
图4是本发明第二实施例的一种微流道散热结构示意图。该结构包括一组微流道，为第三微流道20和第四微流道21。第三微流道20设置在散热板2上，第四微流道设置在散热板3上，第三微流道20和第四微流道21的形状完全相同，都是蛇形。封装时散热板2置于产生热源的基板4上方，散热板3置于热源基板4的下方，且将第三微流道20的入口201设置在第四微流道21的出口212正下方，将第三微流道20的出口202设置在第四微流道21的入口211正下方。第三微流道20的入口201与第四微流道21的出口212于同一侧设置，第三微流道20的出口202与第四微流道21的入口211于同一侧设置。这样就形成了纵向并排放置的微流道。
其中，第三微流道20划定出第一段203和第二段204，所述第一段203在所述第一微流道上构成相对低温区，所述第二段204在所述第一微流道上构成相对高温区。这是因为，当流体刚刚流入微流道时，其温度最低，随着流体不断吸热，流体温度不断升高，从而在流体流出的出口处温度最高，即，因流体吸热，从而形成流体从进入微流道的入口处到流出基板区域的出口处的过程中，温度逐渐升高。
相应地，第四微流道11划定出第A段213和第B段214，所述第A段213构成所述第四微流道的相对高温区，所述第B段214构成所述第四微流道上的相对低温区。如图所示，所述第四微流道的第B段214对应所述第三微流道的第二段204的位置设置。
在所述第三微流道20与所述第四微流道21中通入的吸热流体为水和酒精的混合液。
用泵使所述吸热流体流动，从而使基板的温度降低。
在微流道中通吸热流体散热时，第三微流道20和第四微流道21中的吸热流体的流通方向相反，形成了双向微流道。
第三实施例
图5是本发明第三实施例的一种微流道散热结构示意图。该结构包括数组微流道，而且包含两种不同的微流道结构形状，分别是蛇形和直槽形。其中蛇形的双向微流道上下纵向对应，直槽形的微流道既上下纵向对应，又左右横向对应。
具体地，散热板5上设置有直槽形微流道分别为第五微流道50，第六微流道51，第七微流道52，第八微流道53；设置的蛇形微流道为54。散热板7上设有直槽形微流道分别为第九微流道70，第十微流道71，第十一微流道72，第十二微流道73；设置的蛇形微流道为74。封装时散热板7置于产生热源的基板6上方，散热板5置于热源基板6的下方。
对于直槽形微流道，将第五微流道50的入口501设置在第九微流道70的出口702正下方，将第五微流道50的出口502设置在第九微流道70的入口701正下方。同理，依次把第六微流道51的入口511、第七微流道52的入口521和第八微流道53的入口531分别与第十微流道71的出口712，第十一微流道72的出口722，第十二微流道73的出口732上下对应。把第六微流道51的出口511、第七微流道52的出口521和第八微流道53的出口531分别与第十微流道71的入口712、第十一微流道72的入口722、第十二微流道73的入口732上下对应，这样就形成了在纵向方向的四组双向微流道。同时，在横向来看，把第六微流道51的出口512与第五微流道50的入口501相邻设置，把第六微流道51的入口511与第五微流道50的出口502相邻设置。把第七微流道52的出口522与第六微流道51的入口511相邻设置，把第七微流道52的入口521与第六微流道51的出口512相邻设置。把第八微流道53的出口532与第七微流道52的入口521相邻设置，把第八微流道53的入口531与第七微流道53的出口532相邻设置。这样，直槽形的微流道就形成了上下左右任意相邻两个微流道成为一组相反流向的双向微流道。
对于此实施例的蛇形微流道，把微流道54的入口541设置在微流道74的出口742正下方，将微流道54的出口542设置在微流道74的入口741正下方，微流道54和微流道74形成一组上下纵向并排的双向微流道。
其中，第五微流道50划定出第一段503和第二段504，所述第一段503在所述第五微流道上构成相对低温区，所述第二段504在所述第五微流道上构成相对高温区。
相应地，如图所示，第七微流道70划定出第A段703和第B段704，所述第A段703构成所述第七微流道的相对高温区，所述第B段704构成所述第七微流道上的相对低温区。所述第七微流道的第B段704对应所述第五微流道的第二段504的位置设置。
同理，其他相对应的微流道都可如上述第五微流道和第七微流道一样划定出第一段和第二段以及第A段和第B段，并各段分别对应，在此不再一一举例说明。
在上述微流道中通入的吸热流体为氮气。
用泵使所述吸热流体流动，从而使基板的温度降低。
如上所述，按照本发明，在现有技术仅仅设置一组同一方向的微流道时，该一组微流道(即，第一组微流道)越接近其出口(即离开基板区域的部位)，温度越高，对基板的散热效果会变得越来越差。本发明的发明人注意到了这个现象，并着意消除该现象，因此，本发明人在该一组微流道的接近出口区域的附近，附加设置了第二组微流道，并将该第二组微流道的入口区域即低温区对应上述第一组微流道的高温区设置，以加强散热效果，并使得基板的散热进一步均匀。由于上述实施例仅仅用于举例说明，因此，选用了比较简单的微流道形状，但实践中，微流道的形状等可以根据需要任意选择，微流道的布置形式以及微流道中的流体的流向，均可以改变，只要使附加设置的第二组微流道能够增强第一组微流道的相对高温区对应的基板区域的散热即可。
另外，如上所述的实施例2和3中，基板上下的散热板上的微流道形状是相同的且散热结构工作时其流体的流向是相反的，但是，这都不是必须的。按照本发明，可根据具体情况，如根据散热需求制作其他形状的微流道，设定相同或不同组数的微流道，微流道中的流体流向也可以不做限定，只要能有效散热即可，即，只要把每组微流道划定出相对高温区段和相对低温区段，并把每组微流道的高温区段与低温区段相对应，就可达到本发明的发明目的。如此，可以变换出无数的微流道散热结构，但这些微流道散热结构，只要采用了附加的第二微流道来增强第一微流道的散热效果，并且只要在第一微流道的相对高温区设置所述第二微流道的相对低温区，即应该包含在本发明的范围中。
如上所述，按照本发明，通过采用一组或多组附加的微流道来进一步增强第一微流道的散热效果，使芯片基板各处温度分布更加均匀，由此降低了因芯片基板局部温度过高引起的芯片失效风险，延长了芯片的使用寿命。特别是，如上述实施例1-3所述，若采用双向微流道散热的方式，能进一步提高冷却效率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于给基板散热的微流道散热结构，包括散热板，该散热板内设置有第一微流道，该第一微流道划定出第一段和第二段，所述第一段在所述第一微流道上构成相对低温区，所述第二段在所述第一微流道上构成相对高温区，其特征在于，
所述散热结构进一步包括第二微流道，该第二微流道划定出第A段和第B段，所述第A段构成所述第二微流道的相对高温区，所述第B段构成所述第二微流道上的相对低温区，所述第二微流道的第B段对应所述第一微流道的第二段的位置设置。
2.如权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于，所述第一微流道和所述第二微流道分别位于所述基板的两侧或位于所述基板的同一侧。
3.如权利要求1或2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述第一微流道和所述第二微流道位于同一个散热板内或不同散热板内。
4.如权利要求1或2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述第一微流道和所述第二微流道分别呈蛇形或直槽形或折线形或树形或螺旋形或工字形；所述第一微流道和所述第二微流道的形状相同或不同。
5.如权利要求1或2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述散热结构的所述散热板平行于所述基板放置。
6.如权利要求1或2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述第一微流道的入口与所述第二微流道的出口相邻或位于同一侧，所述第一微流道的出口与所述第二微流道的入口相邻或位于同一侧。
7.如权利要求1或2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述第一微流道中的流体流向设置为第一方向，所述第二微流道中的流体流向设置为第二方向，所述第一方向和所述第二方向相反。
8.一种用于给基板散热的微流道散热方法，该方法包括下列步骤：
将权利要求1至7之一所述的散热结构设置于所述基板附近；
在所述微流道内通以吸热流体，使所述吸热流体流动，从而使基板的温度降低并使其各区域温度均匀。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用泵使所述吸热流体流动。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述基板的两侧放置相同的或不同的散热结构。
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