CN109346452B - 一种应用于3d集成电路的散热装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种应用于3D集成电路的散热装置，包括3D集成电路、蒸发器和冷凝器；所述3D集成电路内设置有集成电路微通道，所述集成电路微通道用于对3D集成电路上部进行散热；所述蒸发器安装于3D集成电路下方，并与3D集成电路紧密相贴，所述蒸发器用于对3D集成电路下部进行散热，并为整个散热器的工质循环流动提供驱动毛细力；所述冷凝器通过循环管路分别与集成电路微通道和蒸发器的工质流动进出口相连，所述冷凝器用于冷却从蒸发器流出的工质，并将其送往集成电路微通道，和冷却从集成电路微通道流出的工质，并将其送往蒸发器。本公开结合了微通道冷却技术和环路热管技术，散热效率高，散热性能好，能够完全解决3D集成芯片的散热问题。

Description

一种应用于3D集成电路的散热装置

技术领域

本公开涉及电子芯片集成电路散热领域，尤其涉及一种3D集成电路芯片和系统的自驱动协同散热技术。

背景技术

自1965年英特尔创始人戈丹·摩尔提出“摩尔定律”以来，微电子器件的密度几乎就沿着“摩尔定律”的预言发展。到了现在，当微电子器件发展到极低的特征尺寸时，“摩尔定律”预言的微电子器件发展遇到了瓶颈。为延续或者超越“摩尔定律”，微电子制造由二维(2D)向三维(3D)发展，将芯片堆叠封装的3D电路封装技术应运而生。特别是能够贯通硅芯片的TSV技术具备集成度高、功耗低、带宽高、互联线短、支持异构集成的优点，极大的提高了3D电路封装技术的优势，使得3D电路封装技术在微电子器件的制造方面具备巨大潜力。

然而3D集成电路的发展还有一些问题需要克服。3D集成电路中3D芯片的垂直堆叠使得单位面积内功率器件的数目成倍增加，进而导致发热量也成倍增加。而且3D集成电路的结构紧凑散热条件差，堆叠结构造成热点的异化以及温度分布不均匀，限制了芯片电学性能，加速芯片失效，降低芯片的可靠性，甚至可能导致芯片烧毁、融化等严重后果。因此有效解决3D集成电路的散热问题是3D集成电路发展亟需解决的问题。

微通道冷却技术是近十几年研究人员重点研究的散热技术，其原理是在基板上制造出微尺度通道，液体在流经微通道时受热温升或者蒸发直接将热量带走。微通道冷却技术换热系数大，换热效果好。随着制造工艺水平的提高，微通道冷却技术得以不断的发展。特别是对于电子器件冷却领域，微通道冷却技术有广阔的应用前景。环路热管技术是目前广泛应用的散热技术之一，自上世纪由俄罗斯科学家提出以后，已有大量深入研究和工业应用。环路热管工作组件主要包括蒸发器、补偿器、冷凝器、液体管路和蒸汽管路等部件。工作原理简单依靠毛细芯产生的毛细力驱动液体工质循环，实现热量从蒸发器到冷凝器的长距离传输。

研究发现，微通道冷却技术具备极为优异的散热性能，特别适合用于3D集成电路的散热，能够完全解决3D集成电路散热问题。但是单一的微通道冷却技术需要外加泵功的输入，随着3D集成电路芯片的散热量增加，泵送功率逐渐增加。需要外加泵功这一条件无疑会增加散热系统的复杂程度，降低系统的稳定性。同时3D集成电路的立体空间结构，使得热管散热技术不具备完全解决3D集成电路散热需求的潜力。但是环路热管具备优异的散热性能和能够实现自循环的特性。因此，基于两者散热技术优异的性能，将两者结合应用到同一个散热系统中，能够为3D集成电路的散热问题提供一个优异的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种应用于3D集成电路的散热装置，其目的在于解决3D集成电路散热难题，促进3D集成电路的发展，结合微通道冷却技术和环路热管技术的优点。

为了实现上述目的，本公开的技术方案如下：

一种应用于3D集成电路的散热装置，包括3D集成电路、蒸发器和冷凝器；

所述3D集成电路内设置有集成电路微通道，所述集成电路微通道用于对3D集成电路上部进行散热；

所述蒸发器安装于3D集成电路下方，并与3D集成电路紧密相贴，所述蒸发器用于对3D集成电路下部进行散热，并为整个散热器的工质循环流动提供驱动毛细力；

所述冷凝器通过循环管路分别与集成电路微通道和蒸发器的工质流动进出口相连，所述冷凝器用于冷却从蒸发器流出的工质，并将其送往集成电路微通道，和冷却从集成电路微通道流出的工质，并将其送往蒸发器。

进一步的，所述3D集成电路由多层集成电路硅片堆叠而成，每层集成电路硅片间通过硅通道相连，其中上部几层集成电路硅片上开设有集成电路微通道，所述集成电路微通道由两侧汇合后与工质流入流出管路相连。

进一步的，所述蒸发器内布设有补偿器、多孔毛细芯、填充纤维、蒸汽微通道和蒸汽腔，所述补偿器位于蒸发器内一侧，用于存储部分工质，所述蒸汽通道设置于蒸发器上盖板上或与蒸发器上盖板紧密相贴的多孔毛细芯上，所述蒸汽微通道与蒸汽腔相连通，所述蒸汽腔位于蒸发器内另一侧，所述填充纤维设置于多孔毛细芯和补偿器之间。

进一步的，所述补偿器与蒸发器的工质入口管道相连通。

进一步的，所述多孔毛细芯由金属粉末烧结而成，所述多孔毛细芯的中间位置设有横向不贯通的补偿槽。

进一步的，所述填充纤维尺寸为微米级别，所述填充纤维覆盖但不填满补偿槽。

所述填充纤维用于减少补偿器漏热，防止气泡拥塞，防止气泡破裂破坏水流。

进一步的，所述蒸汽腔用于汇集从蒸汽微通道流出的蒸汽，并将该蒸汽送入工质流出循环管路。

进一步的，所述冷凝器为两根循环管路交错规则盘叠而成，所述两根循环管路的任意位置处横向间距相等。

进一步的，所述两根循环管路，一根一端与蒸发器工质出口相连，另一端与3D集成电路工质入口相连，另一根一端与3D集成电路工质出口相连，另一端与蒸发器工质入口相连。

进一步的，所述冷凝器上可加装有其他冷却措施，所述其他冷却措施包括但不限于散热片、散热风扇和热电制冷装置。

整个散热系统的循环回路为“蒸发器—冷凝器—3D集成芯片—冷凝器—蒸发器”。整个散热系统工作过程为工质在蒸发器中吸收热量蒸发，工质蒸发后蒸汽进入蒸汽管路，通过蒸汽管路进入冷凝器在冷凝器散热液化，而后进入液体管路进入3D集成芯片微通道，在微通道内部吸收热量，进入蒸汽通道而后进入冷凝器，在冷凝器液化后回流至蒸发器，完成一个工作循环。整个散热系统工作原理与热管工作原理相同，保证系统能够正常循环工作的驱动力是蒸发器内毛细芯的毛细力，在毛细力下补偿器内的液体会源源不断的被吸收加热蒸发。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1.本公开结合了微通道冷却技术和环路热管技术，散热效率高，散热性能好，能够完全解决3D集成芯片的散热问题。

2.本公开应用了微通道冷却技术，但是却无需外加泵功，依靠3D集成芯片散发的热量和毛细芯提供的热量可以保证系统循环，本公开具备自驱动的特点。

3.本公开散热系统具备多层次的特点，不仅能够解决3D集成芯片的散热问题，在本公开的扩展应用下，整个电子器件系统的散热问题也可以得到解决，能够做到芯片和系统的协同散热。

4.本公开提供了一种新的散热器设计思路，不再单一局限于热管技术或者微通道技术，在这种思路下可以扩展出多种散热器涉及方案，还能够将微通道散热技术和环路热管结合的实际思路应用到其他领域的散热设计中。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开散热装置整体外观示意图；

图2为本公开散热装置俯视图；

图3为本公开3D芯片微通道结构示意图；

图4为本公开蒸发器结构示意图；

图中：1蒸发器、2 3D集成电路、3集成电路液体管、4蒸发器液体管、5集成电路蒸汽管、6蒸发器蒸汽管、7冷凝器、8补偿器、9填充纤维，10多孔毛细芯、11蒸汽微通道、12蒸汽腔、13集成电路硅片、14集成电路微通道。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1和图2所示，一种应用于3D集成电路的散热装置由蒸发器1、冷凝器和3D集成电路2这三大部件连接而成。具体连接方式为蒸发器1位于3D集成电路2下方，蒸发器1两侧分别连接有蒸发器蒸汽管6和蒸发器液体管4，工质从液体管路4抽吸进蒸发器，蒸发后从蒸汽管路6流出。蒸发器蒸汽管6与冷凝器7连接，并通过冷凝器7连接3D集成电路液体管3。3D集成电路2位于蒸发器1正上方，两侧分别连接有集成电路液体管3和蒸汽管5。集成电路蒸汽管5经冷凝器7与蒸发器液体管4连接。整个装置组成了“蒸发器1—冷凝器7—3D芯片微通道14—冷凝器7—蒸发器1”的循环工作回路。

具体的，所述蒸发器为圆柱状结构，，蒸发器的上底面为受热面，蒸发器采用优质导热材料如铜制造。

具体的，蒸发器1和3D集成电路2两者通过焊接紧密贴合在一起，如有间隙使用石墨粉或者高导热粘合剂填充空隙。

如图3所示，3D集成电路2由数层集成电路硅片13堆叠而成。每层集成电路硅片通过硅通道相连。在3D集成电路2中加工有微通道14。工质在微通道14内流动，在流经3D集成电路2时带走热量，冷却3D集成电路2。为保证蒸发器1能够接受足够的热量，在最下面的数层硅片上并没有加工微通道。

具体的，3D集成芯片为TSV硅通孔技术制造的集成芯片。

如图4所示，蒸发器内部结构包含有补偿器8、蒸汽微通道11和蒸汽腔12。补偿器8为蒸发器1内加工出的方形空腔，位于蒸汽器1一侧。补偿器8用于储存部分工质，保证蒸发器1内始终有液态工质参与工作。蒸汽微通道11开设在蒸发器1的上盖板上或与蒸发器1的上盖板相紧贴的多孔毛细芯上，当开设在上盖板上时，上盖板的厚度增加。蒸汽微通道11的截面形状可以是矩形、半圆形、梯形等。例如可以开设6mm×4mm的矩形蒸汽微通道。蒸汽微通道11的作用是保证毛细芯内产生的蒸汽能够顺利逸出。从蒸汽微通道11逸出的蒸汽在蒸汽腔12中汇集，由蒸汽腔12进入蒸发器蒸汽管6。

进一步在蒸发器1内加入多孔毛细芯10。多孔毛细芯10与蒸发器1的上底面直接紧密接触，多孔毛细芯10采用镍基金属烧结而成，烧结而成的多孔毛细芯10具备更大的毛细抽吸力，确保整个系统能够稳定运行。金属粉末烧结而成的多孔毛细芯具备良好的导热能力。

多孔毛细芯10上开有蒸汽微通道。多孔毛细芯10整体形状为四棱柱，且中间位置开有横向不贯通的补偿槽。

进一步在蒸发器1内填充有填充纤维9，填充纤维9位于多空毛细芯10与补偿器8之间，填充纤维9覆盖但不填满补偿槽，填充纤维9可以采用硅铝酸盐纤维等材料制造，填充纤维9纤维直径为微米级别。填充纤维9的作用是减少补偿器8漏热，防止气泡拥塞，防止气泡破裂破坏水流。

冷凝器7为两根循环管路交错规则盘叠而成，两根循环管路间的任意位置处横向间距相等。

冷凝器7可以结合其他冷却方式来强化冷却作用，例如可以在冷凝器7下加装风扇冷却装置、冷凝器7上外加散热片或外加热电制冷装置等。

本公开的工质可以选择液氨，水，丙烷、有机制冷剂等。

循环蒸汽管路选取优质铜管加工而成，铜管导热系数高，延展性好易于加工。循环蒸汽管路和蒸发器1、3D集成电路2间的连接采用焊接而成。整个散热系统必须保证足够的密封性。整个装置的封装需要在真空室内进行，装置组装完成后通过预留的开口将整个装置抽成真空状态，然后再注入工作液体封口。真空封装有利于装置的运行，保证散热器的持续稳定工作，提高散热器的工作性能。

本公开的设计思路是结合微通道冷却技术和环路热管技术，利用环路热管受热工作时产生的驱动力，驱动工质在整个循环回路中循环工作，从而实现自驱动的特性。3D集成电路中制造有微通道，工质通过微通道流经3D集成电路，带走集成电路产生的热量。环路热管工作所需热量来源于3D集成电路，3D集成电路产生的热量一部分通过热传导传递到蒸发器，蒸发器中工质受热蒸发，毛细芯产生毛细力，驱动工质在循环回路中工作。另一部分热量被微通道中工质受热带走。可以通过调整微通道的布置，调节两部分热量的分配比例。

本公开的特点在于同时有蒸发器和3D集成电路微通道两个换热部。针对3D集成电路结构紧凑密集，发热量大，在三个空间维度尺寸相当的特点，本公开不仅能够很好的解决3D集成电路的散热问题，还可以有效解决多集成电路组成的系统散热问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于：包括3D集成电路、蒸发器和冷凝器；

所述3D集成电路内设置有集成电路微通道，所述集成电路微通道用于对3D集成电路上部进行散热；

所述蒸发器安装于3D集成电路下方，并与3D集成电路紧密相贴，所述蒸发器用于对3D集成电路下部进行散热，并为整个散热器的工质循环流动提供驱动毛细力；

所述冷凝器通过循环管路分别与集成电路微通道和蒸发器的工质流动进出口相连，所述冷凝器用于冷却从蒸发器流出的工质，并将其送往集成电路微通道，和冷却从集成电路微通道流出的工质，并将其送往蒸发器；

所述3D集成电路由多层集成电路硅片堆叠而成，每层集成电路硅片间通过硅通道相连，其中上部几层集成电路硅片上开设有集成电路微通道，所述集成电路微通道由两侧汇合后与工质流入流出管路相连；

所述蒸发器内布设有补偿器、多孔毛细芯、填充纤维、蒸汽微通道和蒸汽腔，所述补偿器位于蒸发器内一侧，用于存储部分工质，所述蒸汽微通道设置于蒸发器上盖板上或与蒸发器上盖板紧密相贴的多孔毛细芯上，所述蒸汽微通道与蒸汽腔相连通，所述蒸汽腔位于蒸发器内另一侧，所述填充纤维设置于多孔毛细芯和补偿器之间。

2.如权利要求1所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述补偿器与蒸发器的工质入口管道相连通。

3.如权利要求1所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述多孔毛细芯由金属粉末烧结而成，所述多孔毛细芯的中间位置设有横向不贯通的补偿槽。

4.如权利要求3所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，填充纤维尺寸为微米级别，填充纤维覆盖但不填满所述补偿槽。

5.如权利要求1所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述蒸汽腔用于汇集从蒸汽微通道流出的蒸汽，并将该蒸汽送入工质流出循环管路。

6.如权利要求1所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述冷凝器为两根循环管路交错规则盘叠而成，所述两根循环管路的任意位置处横向间距相等。

7.如权利要求6所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述两根循环管路，一根一端与蒸发器工质出口相连，另一端与3D集成电路工质入口相连，另一根一端与3D集成电路工质出口相连，另一端与蒸发器工质入口相连。

8.如权利要求6所述的一种应用于3D集成电路的散热装置，其特征在于，所述冷凝器上加装有其他冷却措施，所述其他冷却措施包括散热片、散热风扇和热电制冷装置。