CN106229304B - 基于逆压电效应的3d芯片封装冷却结构 - Google Patents
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Abstract
一种微电子技术领域的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，包括：封装3D芯片的封装腔和分别与封装腔左右两侧相连的振动驱动腔；所述的封装腔内设有沿厚度方向堆叠的若干芯片，上下两层芯片之间、底层芯片与封装腔之间均设有储存块，所述的储存块横向排布在上下层间形成若干横向微通道；所述的振动驱动腔内设有压电驱动器，所述的基于逆压电效应的3D芯片封装结构通过密封处理内部充注冷却工质，所述的冷却工质在压电驱动器的振动驱动下在微通道内震荡流动。本发明能够利用压电片的逆压电效应，驱动冷却工质在芯片间的微通道中流动，强化换热，确保芯片不超温。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微电子领域的技术，具体是一种基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构。
背景技术
随着集成电路封装的不断发展，设备不断走向多功能化，小型化，芯片的集成度不断提高，传统的二维芯片已经不能满足要求。3D芯片封装方式应运而生，3D芯片是把多个芯片在三维空间进行堆叠，芯片不再并排连接，而是上下平行堆叠，如此可以增大封装密度、降低功耗、提高产品性能。
3D芯片由于集成度显著高于传统芯片，单位产热量巨大，引起芯片温度的急剧升高，芯片温度过高将严重影响芯片性能，甚至使芯片失效，传统的芯片散热手段无法满足散热需求，因此3D芯片需要发展新的冷却技术。
发明内容
本发明针对现有技术结构过于复杂、无法对大功率芯片进行冷却并可能产生沸腾达到临界极限，传热恶化的问题，提出了一种基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，能够利用压电片的逆压电效应，驱动冷却工质在芯片间的微通道中流动，强化换热，确保芯片不超温。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：用于3D芯片的封装腔和分别与封装腔左右两侧相连的振动驱动腔，其中：封装腔内设有沿厚度方向堆叠的若干芯片，上下两层芯片之间以及底层芯片与封装腔之间均设有储存块，该储存块排布在上下层间形成若干横向微通道，该微通道内充注冷却工质；所述的振动驱动腔内设有压电驱动器，冷却工质在压电驱动器的振动驱动下在微通道内震荡流动。
所述的冷却工质漫过芯片且充满微通道，与基于逆压电效应的3D芯片封装结构内侧上壁面保持一定的间距。
所述的压电驱动器包括：振动片、压电片和轴腔，其中：轴腔前后两端均设有竖向轴孔，轴孔分别与振动驱动腔的内侧前后壁面相连，轴孔设有伸缩轴，振动片的端部为空心圆柱结构，套于伸缩轴上并可转动，压电片小于振动片、与振动片一侧粘接。
所述的两个压电驱动器对称安装在封装腔两侧；所述的两个压电片采用相反的接线方式分别与两根单股电缆相连，所述的两根单股电缆通过基于逆压电效应的3D芯片封装结构上的接电孔与同一外部电源连通，在通电后，带动两个振动片同向弯曲。
技术效果
本发明在基于逆压电效应的3D芯片封装结构内加入振动驱动结构，可有效改善高热流密度下，芯片间微通道内产生的蒸汽不能及时排出导致传热恶化的问题，同时不会对芯片外部元件产生影响；而振动驱动结构运用压电片的逆压电效应，结构简单，体积小，不需要使用电机，且可拆卸安装，方便更换压电片、振动片。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为图1的B-B向剖视图；
图4为本发明中压电片与振动片结构示意图；
图5为本发明冷却散热原理图；
图中：振动驱动腔1、粘合缝2、管脚3、封装腔4、储存块5、芯片6、微通道7、伸缩轴8、压电驱动器9、压电片10、振动片11、接电孔12、轴腔13、冷却工质14、散热肋片15、真空孔16、密封铜管17、电极引线18、电接头19、轴孔20、气泡21、液滴22、单股电缆23、绝缘包皮24、绝缘胶25、镀银层26。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例包括：封装3D芯片的封装腔4和通过金属粘合剂分别与封装腔4左右两侧粘合密封的振动驱动腔1，封装腔4和振动驱动腔1之间形成粘合缝2；所述的封装腔4内设有沿厚度方向堆叠的三层芯片6，但本发明中芯片6的数量并不限于三层，上下两层芯片6之间、底层芯片6与封装腔4之间均设有用于通讯的储存块5；优选地，所述的储存块5布置四组，在上下层之间形成三个横向的微通道7；所述的振动驱动腔1内设有压电驱动器9，所述的基于逆压电效应的3D芯片封装结构内充注冷却工质14，所述的冷却工质14漫过芯片6且充满微通道7，在压电驱动器9的振动驱动下在微通道7内震荡流动。
所述的封装腔4外侧底部均布有管脚3，用于将基于逆压电效应的3D芯片封装结构固定于电路板上并实现芯片6与电路板的通讯；所述的封装腔4外侧上部均布有散热肋片5，用于强化基于逆压电效应的3D芯片封装结构与空气的换热；所述的封装腔4上设有密封铜管17，密封铜管17上设有真空孔16，用于充注冷却工质14和抽真空密封。
如图1、图2和图3所示，所述的压电驱动器9包括：压电片10、振动片11和轴腔13，其中：轴腔13前后两端均设有竖向轴孔20，轴孔20分别与振动驱动腔1的内侧前后壁面相连，轴孔20设有伸缩轴8，振动片11的端部为空心圆柱结构，套于伸缩轴8上并可转动，压电片10小于振动片11、与振动片11一侧粘接；所述的振动片11在高度方向上大于芯片6堆叠的高度。
优选地，所述的振动片11安装于靠近微通道7的一侧并与微通道7垂直，压电片10安装于远离微通道7的一侧。
如图2和图4所示，所述的压电片10上下端面均镀银形成镀银层26，保证通电后压电片10表面处于相同电位；所述的上下端面镀银层26的边缘分别焊接有一根电极引线18，两根电极引线18由绝缘包皮24包裹后封装为单股电缆23，并在末端形成电接头19，通过预留在3D封装结构上的接电孔12与外部电源连通。
所述的压电片10由绝缘胶25粘贴于振动片11一侧，压电片10上下端面镀银层26以及电极引线18焊接点使用绝缘胶25做绝缘处理；所述的两个压电片10与单股电缆23的接线方式相反，单股电缆23与同一外部电源连通，在单股电缆23通电后，带动两个振动片11同向弯曲，推动冷却工质14在微通道17内震荡流动。
所述的绝缘胶25采用环氧树脂胶，绝缘性能好；所述的压电片10采用PMN-PT单晶材料，具有高形变性能；所述的振动片11采用铜片，具有较好的应变能力和疲劳强度。
如图5所示，本实施例在工作时，所述的芯片6为热端，冷却工质14由于重力、毛细力与振动片11的驱动作用，进入微通道7，并在这里吸热沸腾形成蒸汽，所述的基于逆压电效应的3D芯片封装结构内侧上壁面为冷端，蒸汽上升到上壁面冷凝放热，形成液滴滴落，如此循环完成芯片6的冷却散热；整个循环过程与热管运行方式相似，因此具有较高的换热系数，能在较小的温差下将芯片6产生的热量传递到整个封装结构之外，确保芯片6工作在合适的温度。
本实施例涉及上述装置充注冷却工质14及抽真空密封实现方法：先使用环氧树脂胶密封接电孔12，再使用金属粘合剂XK-0350粘合安装好振动驱动腔1与封装腔4，然后通过真空孔16充入一定量的高湿润性冷却工质14，最后通过真空孔16对整个装置抽真空并用胶合技术封死密封铜管17。
按照上述冷却过程，本发明所使用的冷却工质14需具有以下特点：强湿润性，以湿润微通道7中芯片6的表面；较小的粘性，本实施例中的微通道7尺寸很小，粘性太大的流体容易在其中阻塞，因此需要冷却工质14具有较好的流动性，在振动片11的驱动下，容易沿着微通道7流动；适宜的沸点，芯片6有正常工作温度范围，一般在85℃以下，因此冷却工质14的沸点在40-60℃较好；此外，冷却工质14还需具有无毒、不可燃、易获得等特点。根据上述要求，本发明选取制冷剂R113作为冷却工质14的基液，制冷剂R113的沸点为48℃，符合本发明对冷却工质14的要求。
优选地，冷却工质14采用超湿润性流体，所述的超湿润性流体通过向制冷剂R113中添加2000ppm的Span-80制得；所述的Span-80是一种琥珀色黏稠油状液体，添加2000ppm的Span-80后，可最大限度降低制冷剂R113的表面张力，增加其流动性；对于沸腾换热而言，表面张力下降虽然会使沸腾换热系数有所下降，但是可以大大提高最大热流密度，也就是散热功率。在使用本发明的超湿润性流体后，比较纯R113,在不同芯片间隙的芯片尺寸的条件下，平均换热系数可提高1倍到2倍，散热功率可提高50％到130％。
Claims (7)
1.一种基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征在于，包括：用于3D芯片的封装腔和分别与封装腔左右两侧相连的振动驱动腔，其中：封装腔内设有沿厚度方向堆叠的若干芯片，上下两层芯片之间以及底层芯片与封装腔之间均设有储存块，该储存块排布在上下层间形成若干横向微通道，该微通道内充注冷却工质；两个振动驱动腔内均设有压电驱动器，冷却工质在压电驱动器的振动驱动下在微通道内震荡流动；
所述的压电驱动器包括：振动片、压电片和轴腔，其中：轴腔前后两端均设有竖向轴孔，轴孔分别与振动驱动腔的内侧前后壁面相连，轴孔设有伸缩轴，振动片的端部为空心圆柱结构，套于伸缩轴上并可转动，压电片小于振动片、与振动片一侧粘接。
2.根据权利要求1所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的冷却工质漫过芯片且充满微通道，与基于逆压电效应的3D芯片封装结构内侧上壁面保持一定的间距。
3.根据权利要求1所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的两个振动驱动腔内的压电驱动器对称安装在封装腔两侧，其中的两个压电片采用相反的接线方式与单股电缆相连，其中的单股电缆通过基于逆压电效应的3D芯片封装结构上的接电孔与同一外部电源连通，在通电后，带动两个振动片同向弯曲。
4.根据权利要求3所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的压电片由绝缘胶粘贴于振动片一侧，所述的压电片上下端面均设有导电层，保证通电后压电片表面处于相同电位；所述上下端面导电层的边缘分别焊接有一根电极引线，两根电极引线由绝缘包皮包裹后封装为单股电缆，并在末端形成电接头。
5.根据权利要求1所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的振动片安装于靠近微通道的一侧并与微通道垂直，压电片安装于远离微通道的一侧。
6.根据权利要求1或5所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的振动片在高度方向上大于芯片堆叠的高度。
7.根据权利要求1所述的基于逆压电效应的3D芯片封装冷却结构，其特征是，所述的封装腔外侧底部均布有管脚，用于将基于逆压电效应的3D芯片封装结构固定于电路板上并实现芯片与电路板的通讯；所述的封装腔外侧上部均布有散热肋片，用于强化基于逆压电效应的3D芯片封装结构与空气的换热；所述的封装腔上设有密封铜管，密封铜管上设有真空孔，用于充注冷却工质和抽真空密封。
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