CN110364501B - 一种微流道散热结构、制造方法及电子器件 - Google Patents

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    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids

Abstract

本发明提供了一种微流道散热结构，包括至少两个散热单元，散热单元依次堆叠；每一个散热单元上均具有散热通道；与芯片接触的散热单元上开设至少一个与散热通道连通的入口和出口；其他散热单元上开设至少两个流通通道，以将相邻散热单元上的散热通道连通；还包括负热膨胀体，每一流通通道内均填充有负热膨胀体，用于将相邻散热单元的散热通道导通或不导通。利用负热膨胀体的膨胀或收缩控制相邻散热单元的导通或不导通。能够从整体上提升散热结构的有效热传导系数，满足大功率芯片的散热需求。本发明还提供一种微流道散热结构的制造方法以及具有该微流道散热结构的电子器件。

Description

一种微流道散热结构、制造方法及电子器件
技术领域
本发明涉及微电子芯片领域，特别是涉及一种微流道散热机构、制造方法及电子器件。
背景技术
现在电子设备正在迅速地向高集成度、高组装密度、高运行速度方向发展，电子芯片作为电子设备的核心，由于其集成度、封装密度以及工作时钟频率不断提高，而体积却不断缩小，因此，电子芯片单位面积的发热量不断增加，尤其对于大功率电子设备而言情况更为严重。电子芯片单位面积发热量不断增加极易引起其结区温度急剧升高，而结区高温则会对电子芯片、电子设备的性能产生不利影响。据统计有55%的电子设备失效是结区温度过高导致的，并有研究表明，单个电子芯片的结区温度每升高10℃，电子设备的可靠性将降低50%。
对电子设备尤其是电子芯片的散热变得尤为重要，微流道散热因具有高表面积/体积比、低热阻、低流量等优点，因此是一种有效的散热方式。通常，将用于输送散热介质的微流通道设置在电子芯片主要工作区的下方，即将其嵌入电子芯片的内部，以适应电子设备体积小的需求。
但是，现有的微流通道散热结构主要适用于发热功率密度在1000瓦/平方厘米以下电子芯片，不能满足高功率电子芯片散热需求。因此，亟待研发一种适用于高功率电子芯片散热的微流道散热结构。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于高功率电子芯片散热的微流道散热结构、制造方法及电子器件。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 一种微流道散热结构，包括至少两个散热单元，散热单元依次堆叠；每一个散热单元上均具有散热通道；与芯片接触的散热单元上开设至少一个与散热通道连通的入口和出口；其他散热单元上开设至少两个流通通道，以将相邻散热单元上的散热通道连通；还包括负热膨胀体，每一流通通道内均填充有负热膨胀体，用于将相邻散热单元的散热通道导通或不导通。
优选地，散热单元包括散热本体，自散热本体的顶部向底部间隔开设若干连通的凹槽，凹槽之间形成立柱，相邻立柱之间构成散热通道。
优选地，入口开设于散热本体的底面或侧面。
优选地，出口开设于散热本体的底面或侧面。
优选地，散热单元为硅散热单元。
优选地，入口和出口均淀积有金属。
本发明还提供一种微流道散热结构的制造方法，包括：
提供至少两个散热本体，从每一个散热本体顶部刻蚀形成散热通道，且与芯片接触的散热本体上开设至少一个连通散热通道的入口和出口；其他散热本体上开设至少两个流通通道，以将相邻散热本体上的散热通道连通；于散热本体上形成的入口、出口和散热通道构成与芯片接触的散热单元，于其他散热本体上形成的流通通道和散热通道构成其他散热单元；
将若干散热单元依次堆叠于芯片上；
将负热膨胀体填充于每一个流通通道内，以将相邻散热单元上的散热通道导通或不导通。
优选地，从散热本体顶部刻蚀形成散热通道的步骤包括：
在靠近散热本体的边缘刻蚀形成第一凹槽，自第一凹槽内侧的散热本体顶部刻蚀形成相互连通的凹槽，凹槽之间形成立柱；相邻立柱之间形成散热通道。
优选地，入口开设于散热本体的底面或侧面。
优选地，出口开设于散热本体的底面或侧面。
优选地，散热本体为硅散热本体。
优选地，入口和出口均淀积有金属。
优选地，相邻散热本体通过键合堆叠。
根据本发明的另一方面，提供了一种电子器件，包括芯片、基板，以及微流道散热结构，散热结构设置在芯片和基板之间；还包括引线，引线的一端键合于芯片、另一端键合于基板。
根据本发明示例性实施例，微流道散热结构堆叠设置，设置层数可以根据芯片的功率选择，即芯片的功率大则设置层数多，反之则少。每一散热单元上均具有散热通道，且与芯片接触的散热单元上开设入口和出口，入口、散热通道和出口形成散热单元的溢流通道。相邻两个散热单元具有流通通道，且流通通道内填充有负热膨胀体，利用负热膨胀体的膨胀或收缩控制相邻散热单元的导通或不导通。具体地，负热膨胀体具有形变温度区间，当小于温度区间时负热膨胀体膨胀以将相邻的散热单元不导通，当大于温度区间时负热膨胀体收缩以将相邻的散热单元导通。即，当芯片的发热量在温度区间以下时，利用单层的散热单元满足散热需求。当芯片的发热量在温度区间及以上时，单层的散热单元已经满足不了散热需求，此时，负热膨胀材料的收缩将多个散热单元导通，以整体上提升散热结构的有效热传导系数，满足大功率芯片的散热需求。
附图说明
图1是本发明提供的第一个实施例的微流道散热结构不导通状态下的正向剖视图；
图2是本发明提供的第一个实施例的微流道散热结构导通状态下的正向剖视图；
图3是本发明提供的第二个实施例的微流道散热结构不导通状态下的正向剖视图；
图4是本发明提供的第二个实施例的微流道散热结构导通状态下的正向剖视图；
图5是本发明提供的一种实施例的微流道散热结构的三维立体示意图；
图6是本发明提供的一种实施例的第一/第二散热单元的正向剖视图；
图7是本发明提供的一种实施例的第一/第二散热单元的俯视图；
图8是本发明提供的一种实施例的第一/第二散热单元的俯视图；
图9是本发明提供的一种实施例的第一/第二散热单元的俯视图；
图10是本发明提供的另一种实施例的第一/第二散热单元的正向剖视图；
图11是本发明提供的另一种实施例的第一/第二散热单元的俯视图；
图12是本发明提供的第三种实施例的第一/第二散热单元的俯视图；
图13是本发明提供的第三种实施例的第一/第二散热单元的左向剖视图；
图14是本发明提供的第三种实施例的微流道散热结构不导通状态下的正向剖视图；
图15是本发明提供的微流道散热结构制造方法流程图。
其中：10.散热单元，10a.第一散热单元，10b.第二散热单元，100.散热通道，101.入口，102.出口，103.流通通道，104.散热本体，1040.立柱，1041.隔板，1042.第一凹槽，1043.第二凹槽，1044.第三凹槽，105.金属层；11.负热膨胀体，20.芯片。
具体实施方式
下面结合附图说明根据本发明的具体实施方式。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
为了解决高功率电子芯片的散热问题，本发明提供一种微流道散热结构、制造方法及应用了该微流道散热结构的电子器件。本发明提供的微流道散热结构具有至少两层散热单元，每一个散热单元上均具有散热通道，散热单元依次堆叠，当不需要多个散热单元同时工作时，散热单元之间相对封闭，而当需要多个散热单元同时工作时，多个散热单元导通，以从整体上提升散热结构的有效热传导系统。散热单元之间的导通或不导通由负热膨胀体控制，负热膨胀体具有形变的温度区间，即当加载至负热膨胀体上的温度小于温度区间时，负热膨胀体膨胀以堵塞开设于两散热单元接触面上的流通通道；当加载至负热膨胀体上的温度大于温度区间时，负热膨胀体收缩以打开开设于两散热单元接触面上的流通通道，实现多层散热单元的同时散热，以适用高发热功率密度芯片的散热需求。当然，为了实现散热介质的循环溢流，在与芯片接触的散热单元上开设至少一个散热介质流入/流出的入口/出口。入口、散热通道和出口构成与芯片接触的散热单元的循环溢流通道，流通通道和散热通道构成其他散热单元的循环溢流通道。
图1示出了本发明提供的微流道散热结构第一个实施例不导通状态下的正向剖视图；图2示出了本发明提供的微流道散热结构的第一个实施例的导通状态下的正向剖视图。
如图1所示，微流道散热结构包括第一散热单元10a和第二散热单元10b，其中第一散热单元10a与芯片20接触，接触位置优选为芯片20的近结区，第二散热单元10b堆叠于第一散热单元10a的正上方。第一散热单元10a上具有散热通道100，第二散热单元10b上同样具有散热通道100。第一散热单元10a上开设与散热通道100连通的入口101和出口102，散热介质（一般为液体）通过入口101流入，流经散热通道100后由出口102流出，以将芯片20上的热量带走，实现芯片20的散热。第一散热单元10a与第二散热单元10b的接触面上具有至少两个流通通道103，其中一个流通通道103与入口101正对、另一个流通通道103与出口102正对，流通通道103将第一散热单元10a和第二散热单元10b连通。每一个流通通道103内均填充有负热膨胀体11，负热膨胀体11具有形变温度区间，即当加载至负热膨胀体11的温度小于温度区间时膨胀，以堵塞流通通道103，使第一散热单元10a和第二散热单元10b不导通（具体参见图1），此时，利用第一散热单元10a实现芯片20的散热；当加载至负热膨胀体11的温度大于温度区间时收缩，以打通流通通道103，使第一散热单元10a和第二散热单元10b导通（具体参见图2），此时，利用第一散热单元10a和第二散热单元10b实现芯片20的散热。
负热膨胀体11的温度区间由具体负热膨胀系数材料决定，而负热膨胀系数材料的选择由芯片20的发热功率密度和芯片的规格而定，即根据芯片20的发热功率密度和芯片20的规格选择与其适配的负热膨胀系数材料构成负热膨胀体11。可选的负热膨胀系数材料包括ZrV2O7、NbZr(PO4)3、ZrW2O8、Sc2(WO4)3、Mn3AN(A为Zn/Ga/Cu)中的一种。
在本实施例中，通过负热膨胀体11将第一散热单元10a和第二散热单元10b导通或不导通，既能满足高功率芯片的散热需求，又能满足低功率芯片的散热需求，具有较好的普适性。
在另一可选的实施例中，具体参见图3和图4，第二散热单元10b可以堆叠于第一散热单元10a的斜上方而非正上方，即第二散热单元10b相对于第一散热单元10a有一定的错位，而第二散热单元10b相对于第一散热单元10a的滑移方向不做限定。由于滑移方向的不限定，因此，可能存在流通通道103与入口101和出口102不对应的情况，此种情况也允许存在，只要确保流通通道103能够将第一散热单元10a和第二散热单元10b连通即可。
在上述实施例的基础上，进一步地，具体参见图5至图9，第一散热单元10a和第二散热单元10b结构相同，均包括散热本体104，自散热本体104顶部加工形成若干间隔分布的立柱1040，相邻立柱1040之间构成散热通道100。
作为本实施例的一个优选方案，立柱1040呈矩阵分布，立柱1040的规格、立柱1040之间的间距相等。
作为本实施例的一个可选方案，立柱1040的规格、立柱1040之间的间距不相等。
在另一可选的实施例中，散热本体104的形状适配芯片20的形状。
在另一可选的实施例中，具体参见图10至图13，自散热本体104顶部加工形成若干间隔分布的隔板1041，隔板1041的设置方向优选为与散热本体104的某一侧面平行，隔板1041之间构成散热通道。自散热本体104的底部，对应由相邻隔板1041构成的散热通道100的两端开设通孔，其中，与芯片20接触的散热本体104上的通孔构成入口101和出口102，其他散热本体104上的通孔构成流通通道103。
隔板1041的形状可以是规则形状（如方形），也可以是不规则形状（如波浪形）。隔板1041之间的间距可以相等或不相等。
在上述实施例的基础上，进一步地，入口101和出口102可以开设于散热本体104的底部（具体参见图5至图12）和/或任意一侧面，入口101和出口102（具体参见7、图8、图11和图12）为多个时，入口101和出口102可以位于散热本体104的同一面，也可以位于散热本体104的不同面。流通通道103需要位于散热本体104的底部，以确保散热介质顺畅地流入散热本体104的流通通道100内。
在上述实施例的基础上，进一步地，第一散热单元10a和第二散热单元10b均为硅散热单元。
作为本实施例的一个可选方案，第一散热单元10a和第二散热单元10b均为导热性能优的金属散热单元。
在上述实施例的基础上，进一步地，当第一散热单元10a和第二散热单元10b均为硅散热单元时，入口101和出口102均淀积有金属层105，键合金属层105的目的是便于入口101和出口102分别与进散热介质管路和出散热介质的金属管路连接，金属管路一般是铜质管路。淀积的金属优选为铬/金，其中，铬作为黏附层，首先与硅散热单元黏附，然后与金黏附，金作为键合金属层，与一般的铜质管路进行焊接键合。需要进一步说明的是，铬与硅散热单元的硅基衬底以及金均具有较好的黏附性。
在上述实施例的基础上，进一步地，具体参见图14，微流道散热结构还可以包括依次堆叠于第二散热单元10b上方的第n（n大于等于3）散热单元10n，n的取值取决于芯片20的散热需求，即芯片20的结区温度较高时，n的取值较大，当然，n的取值也受芯片20封装体积的影响。第n散热单元与位于其下的堆叠方式可以采用第一散热单元10a与第二散热单元10b的堆叠方式，且第n散热单元10n的具体结构与第一散热单元10a/第二散热单元10b相同，在此不再赘述。
本发明还提供一种微流道散热结构的制造方法，如图15所示，可通过如下步骤实现：
S10、具体参见图6至图13，提供至少两个散热本体104，从每一个散热本体104顶部刻蚀形成散热通道100，与芯片20接触的散热本体104上开设至少一个连通散热通道100的入口101和出口102；其他散热本体104上开设流通通道103；于散热本体104上形成的入口101、出口102、散热通道100，以及流通通道103和散热通道100构成散热单元10；
从每一个散热本体104顶部刻蚀形成散热通道100的步骤包括：
S100、在靠近散热本体104的边缘，从散热本体104的顶部向下刻蚀形成绕散热本体104一周的第一凹槽1042（具体参见图7）；第一凹槽1042不贯穿散热本体104；
S101、从第一凹槽1042内侧的散热本体104的顶部向下刻蚀形成若干与其中一侧面平行和垂直且间隔分布的第二凹槽1043（具体参见图7），第二凹槽1043不贯穿散热本体104；第二凹槽1043之间形成若干立柱1040；立柱1040之间形成散热通道100；
S102、贯穿其中一个散热本体104的侧面和/或底部，形成散热介质的入口101和出口102（具体参见图7至图9），该散热本体104与芯片20接触；
S103、贯穿另外散热本体104的底部，形成至少两个流通通道103（具体参见图7至图9），流通通道103连通两个相邻的散热本体104。
S11、具体参见图1至图4，将若干散热单元10依次堆叠于与芯片20上；流通通道103能够将散热单元10连通；
将散热单元10依次堆叠于芯片20的正上方，使开设于散热本体104上的流通通道12一一对应。
或者，将散热单元10依次堆叠于芯片20的斜上方而非正上方，即位于其上的散热单元10相对于其下的散热单元10具有一定的错位，而错位的方向不做限定。需要解释的是，由于错位的方向不做限定，因此，可能存在流通通道103与入口101和出口102，或者与其他流通通道103不对应的情况，此种情况也允许存在，只要确保流通通道103能够将散热单元10连通即可。
散热单元10之间采用键合的方式堆叠。
S12、具体参见图1至图4，将负热膨胀体11填充于每一个流通通道103内，以将流通通道103导通或不导通。
负热膨胀体11的膨胀状态为自然状态，自然状态下将流通通道103堵塞，以使流通通道103关闭，此时，两个相邻的散热单10元不导通，仅利用与芯片20直接接触的散热单元10的入口101、散热通道100和出口102实现芯片20的散热。
而负热膨胀体11具有形变温度区间，当加载至负热膨胀体11的温度大于温度区间时收缩，以打通流通通道103，此时，散热单元10通过流通通道12贯通，多个散热单元10同时实现芯片20的散热。
需要说明的是，负热膨胀体11的温度区间由具体负热膨胀系数材料决定，而负热膨胀系数材料的选择由芯片20的发热功率密度和芯片的规格而定，即根据芯片20的发热功率密度和芯片20的规格选择与其适配的负热膨胀系数材料构成负热膨胀体11。
步骤S10中，还可以通过以下方式形成散热通道100，具体参见图10至图13：
从散热本体104的顶部向下刻蚀形成若干间隔分布的第三凹槽1044，第三凹槽1044形成散热通道100。
在本实施例中，为了确保散热介质的流动，在散热本体104的底部且对应每一个第三凹槽1044的两端分别开设一个通孔。与芯片20接触的散热本体104一端的通孔构成散热介质的入口101、另一端的通孔构成散热介质的出口102，堆叠于与芯片20接触的散热本体104之上的散热本体104两端的通孔构成流通通道103。
当然，与芯片20接触的散热本体104上的通孔也可以开设于散热本体104的侧面且对应每一第三凹槽1044。一部分通孔开设于散热本体104的侧面，构成入口101或出口102，而另一部分通孔开设于散热本体104的底面，构成出口102或入口101。
在本实施例中，第三凹槽1044为条状或波浪状，为条状时，可以与散热本体104的某一侧面平行或不平行，且第三凹槽1044之间可以相互平行或不平行。为波浪状时，第三凹槽1044之间可以相互平行或不平行。
在上述实施例的基础上，进一步地，散热本体104为硅散热本体或具有较好导热系数的金属散热本体。
在上述实施例的基础上，进一步地，当第一散热单元10a和第二散热单元10b均为硅散热单元时，入口101和出口102均淀积有金属层105，淀积金属层105的目的是便于入口101和出口102分别与进散热介质管路和出散热介质的金属管路连接，金属管路一般是铜质管路。淀积的金属优选为铬/铜 金，其中，铬作为黏附层，首先与硅散热单元黏附，然后与金黏附，金作为淀积金属层，与一般的铜质管路进行焊接键合。需要进一步说明的是，铬与硅散热单元的硅基衬底以及金均具有较好的黏附性。
本发明还提供一种电子器件，包括芯片20、基板（图中未示出）以及前述散热结构，散热结构设置在芯片20和基板之间，还包括引线（图中未示出），引线的一端键合于芯片，另一端键合于基板。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种微流道散热结构，其特征在于：包括至少两个散热单元，所述散热单元依次堆叠；
每一个所述散热单元上均具有散热通道；
与芯片接触的所述散热单元上开设至少一个与所述散热通道连通的入口和出口；
其他所述散热单元上开设至少两个流通通道，以将相邻所述散热单元上的所述散热通道连通；
还包括负热膨胀体，每一所述流通通道内均填充有所述负热膨胀体，用于将相邻所述散热单元的散热通道导通或不导通。
2.根据权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于：所述散热单元包括散热本体，自所述散热本体的顶部向底部间隔开设若干连通的凹槽，所述凹槽之间形成立柱，相邻所述立柱之间构成所述散热通道。
3.根据权利要求2所述的微流道散热结构，其特征在于：所述入口开设于所述散热本体的底面或侧面。
4.根据权利要求2所述的微流道散热结构，其特征在于：所述出口开设于所述散热本体的底面或侧面。
5.根据权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于：所述散热单元为硅散热单元。
6.根据权利要求5所述的微流道散热结构，其特征在于：所述入口和所述出口均淀积有金属。
7.一种微流道散热结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供至少两个散热本体，从每一个所述散热本体顶部刻蚀形成散热通道，且与芯片接触的所述散热本体上开设至少一个连通所述散热通道的入口和出口；其他所述散热本体上开设至少两个流通通道，以将相邻所述散热本体上的所述散热通道连通；于所述散热本体上形成的所述入口、所述出口和所述散热通道构成与所述芯片接触的散热单元，于其他所述散热本体上形成的流通通道和所述散热通道构成其他所述散热单元；
将若干所述散热单元依次堆叠于所述芯片上；
将负热膨胀体填充于每一个所述流通通道内，以将所述相邻所述散热单元上的所述散热通道导通或不导通。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述从每一个所述散热本体顶部刻蚀形成散热通道的步骤包括：
在靠近所述散热本体的边缘刻蚀形成第一凹槽，自所述第一凹槽内侧的所述散热本体顶部刻蚀形成相互连通的凹槽，所述凹槽之间形成立柱；相邻所述立柱之间形成所述散热通道。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述入口开设于所述散热本体的底面或侧面。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述出口开设于所述散热本体的底面或侧面。
11.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述散热本体为硅散热本体。
12.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述入口和出口均淀积有金属。
13.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：相邻所述散热本体通过键合堆叠。
14.一种电子器件，其特征在于：包括芯片、基板，以及如权利要求1至6任一项所述的散热结构，所述散热结构设置在所述芯片和所述基板之间；
还包括引线，所述引线的一端键合于所述芯片、另一端键合于所述基板。
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