CN110783288B - 一种芯片散热封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及芯片封装领域，具体涉及一种芯片散热封装结构，包括：装载有工作芯片的基板；安装在工作芯片上、用于对工作芯片进行散热的半导体制冷芯片；以及，安装在半导体制冷芯片上、用于对半导体制冷芯片进行散热的微流道芯片。本发明通过在工作芯片上设置半导体制冷芯片，使得工作芯片散热的热量能够直接进行主动散发，再通过在半导体制冷芯片上设置微流道芯片，通过微流道芯片对半导体制冷芯片进行散热，从而使得工作芯片的散热效率更高，散热效果明显。在工作芯片与基板之间还安装有热电转换层，热电转换层用于将工作芯片的热量转化为电能并驱动半导体制冷芯片或微流道芯片工作，避免了设置外接电源，节约了能源。

Description

一种芯片散热封装结构
技术领域
本发明涉及芯片封装领域，具体涉及一种芯片散热封装结构。
背景技术
随着电子器件集成度及功能的不断提高，电子产品及电子设备中一些器件热流密度也随之增大，给散热技术提出了越来越高的要求。
目前应用最广泛的散热技术是空气冷却技术，空气冷却是指通过空气的流动将电子元件产生的热量带走的一种散热方式，其包括自然对流和强制对流。自然对流空气冷却技术主要利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却散热目的。自然对流由于其冷却散热能力非常有限，所以往往被用于发热量较小的电子元件的冷却。强制对流是指介质在外力作用下的流动，主要借助于风扇等强迫器件周边空气流动，将热量带走。
由于空气冷却技术主要是通过空气传热进行散热，而空气的导热系数小，故存在散热效果不明显，散热效率低的缺陷。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的空气冷却技术散热效果不明显，散热效率低，从而提供一种芯片散热封装结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种芯片散热封装结构，包括：
基板，其上装载有工作芯片；
半导体制冷芯片，其安装在所述工作芯片的与所述基板相对的一侧上，用于对所述工作芯片进行散热；以及；
微流道芯片，其安装在所述半导体制冷芯片的与所述工作芯片相对的一侧上，用于对所述半导体制冷芯片进行散热。
进一步的，所述半导体制冷芯片和/或所述微流道芯片上开设有硅通孔。
进一步的，所述半导体制冷芯片与所述工作芯片之间还设置有用于填充半导体制冷芯片与工作芯片接触时形成的表面空隙的热界面材料层。
进一步的，所述热界面材料层的材料为导热粘胶、导热凝胶或导热膏。
进一步的，所述工作芯片与所述基板之间还设置有热电转换层，所述热电转换层与所述半导体制冷芯片和/或所述微流道芯片电连接，所述热电转换层用于将所述工作芯片的热能转化为电能。
进一步的，所述热电转换层的材料为硅锗薄膜或碲锑铋块体。
进一步的，所述热电转层与所述基板电连接，所述微流道芯片上设置有流体引导布线层，所述芯片散热封装结构还包括硅通孔转接板，所述硅通孔转接板一端与所述流体引导布线层电连接，另一端与所述基板电连接。
进一步的，所述半导体制冷芯片在基板上的投影面积小于所述微流道芯片在基板上的投影面积，半导体制冷芯片与所述微流道芯片电连接。
进一步的，所述工作芯片上设置有芯片有源层，所述热电转换层与所述芯片有源层抵接。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的芯片散热封装结构，半导体制冷芯片是一种基于帕尔贴(Peltier)效应的制冷器件，其利用半导体的帕尔帖效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，微流道芯片是一种通过在芯片上设置若干微流道，并在微流道内流通冷却液体，以通过冷却液体的换热效应进行散热制冷的目的，本发明通过在工作芯片表面上设置半导体制冷芯片，使得工作芯片散热的热量能够直接进行主动散发，再通过在半导体制冷芯片上设置微流道芯片，通过微流道芯片对半导体制冷芯片进行散热，从而使得工作芯片的散热效率更高，散热效果明显。
2.本发明提供的芯片散热封装结构，硅通孔可以传输信号，同时可以提高芯片的散热性能，通过在半导体制冷芯片和/或微流道芯片上开设硅通孔，使得半导体制冷芯片与微流道芯片的散热性能更好，从而可以进一步提高工作芯片的散热效率，增强工作芯片的散热效果。
3.本发明提供的芯片散热封装结构，由于表面粗糙度的问题，当半导体制冷芯片安装在工作芯片上时，两者的表面会存在表面空隙，而由于空气的导热系数小，因此造成较大的接触热阻，通过将热界面材料填充该表面空隙形成热界面材料层，从而使得半导体制冷芯片与工作芯片之间的接触热阻可以减小，进而提高工作芯片的散热性能。
4.本发明提供的芯片散热封装结构，导热粘胶、导热凝胶以及导热膏是较为常用的热界面材料，来源广泛易得。
5.本发明提供的芯片散热封装结构，通过在工作芯片与基板之间设置热电转换层，热电转换层能将工作芯片散发的热量转化为电能，通过将工作芯片与半导体芯片和/或微流道芯片设置为电连接，从而使得可以利用热电转换层转换的电能去驱动半导体芯片或微流道芯片进行工作，避免了外接电源的繁琐操作，同时可以将工作芯片产生的热量进行利用，节约了能源。
6.本发明提供的芯片散热封装结构，硅锗薄膜或碲锑铋块体是常用的可以实现热电转换的材料，来源广泛易得。
7.本发明提供的芯片散热封装结构，通过在微流道芯片上设置流体引导布线层，硅通孔转接板一端与流体引导布线层连接，另一端与基板连接，由于热电转换层与基板是电连接的，故可以通过基板将热电转换层转化得到的电能输送至硅通孔转接板，之后电能再通过硅通孔转接板传递至流体引导布线层上，从而实现在流体引导布线层上施加电压，使得微流道芯片内的冷却液体可以朝特定方向流动以实现对半导体制冷芯片的散热，实现了利用工作芯片散发的热量去驱动微流道芯片工作的目的。
8.本发明提供的芯片散热封装结构，通过半导体制冷芯片在基板上的投影面积设置为小于微流道芯片在基板上的投影面积，且将半导体制冷芯片与微流道芯片电连接，一方面，使得热电转化层转化得到的电能可以通过微流道芯片转移至半导体制冷芯片上，从而实现热电转化层与半导体制冷芯片之间的电连接，另一方面可以使得芯片散热封装结构的结构更加紧凑，从而有缩小降低芯片封装结构的尺寸。
9.本发明提供的芯片散热封装结构，芯片有源层是工作芯片上主要散发热量的区域，通过将热电转换层设置为与芯片有源层抵接，从而可以使得热电转换层能够将工作芯片散热的热量尽可能多的进行转化，从而提高工作芯片散发的热量的能量利用率，进一步节约能源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中的芯片散热封装结构的结构示意图；
附图标记：
1、基板；2、工作芯片；21、芯片有源层；3、半导体制冷芯片；31、PN节；4、微流道芯片；41、微流道；42、流体引导布线层；5、热界面材料层；6、热电转换层；7、硅通孔转接板。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种芯片散热封装结构，包括基板1、半导体制冷芯片3以及微流道芯片4。
工作芯片2装载在基板1上，工作芯片2即为要散热的芯片，半导体制冷芯片3安装在工作芯片2上，且半导体制冷芯片3位于工作芯片2上的与基板1相对的一侧，半导体制冷芯片3用于对工作芯片2进行散热。微流道芯片4安装在半导体制冷芯片3上，微流道芯片4位于半导体制冷芯片3的与工作芯片2相对的一侧上，微流道芯片4用于对半导体制冷芯片3进行散热。
其中，为增强半导体制冷芯片3以及微流道芯片4的散热效果，在半导体制冷芯片3以及微流道芯片4上均开设有硅通孔。半导体制冷芯片3内设有PN节31，半导体制冷芯片3通过PN节31进行散热，微流道芯片4上开设有若干微流道41，同时，微流道芯片4上设置有注液口以及出液口，微流道41内流通有冷却液体，通过在微流道芯片4两侧施加电压形成电场可以驱动冷却液体向预定方向移动从而进行散热降温。
由于半导体制冷芯片3以及工作芯片2的表面均具有粗糙度，当半导体制冷芯片3安装在工作芯片2表面时，二者之间会存在空隙，空隙内有空气，由于空气的导热系数较小，故导致半导体制冷芯片3与工作芯片2之间会存在较大的接触热阻，从而导致工作芯片2的散热效果较差，故为减小半导体制冷芯片3与工作芯片2之间的接触热阻，在本实施例中，在半导体制冷芯片3与工作芯片2之间还设置有热界面材料层5，热界面材料层5用于填充半导体制冷芯片3与工作芯片2表面之间的空隙。具体地，在本实施例中，热界面材料层5选用的热界面材料为导热粘胶，在其他实施中，热界面材料也可以选择导热凝胶或导热膏。
由于半导体制冷芯片3以及微流道芯片4均需依靠外接电源才能进行工作，但是连接外接电源的操作较为繁琐，且工作芯片2散热的热量得不到利用，故为解决这一问题，在本实施例中，在工作芯片2与基板1之间还设置有热电转换层6，热电转换层6用于将工作芯片2产生的热量转换为电能，热电转换层6与半导体制冷芯片3以及微流道芯片4均电连接，从而可以实现将工作芯片2产生的热量转化为电能并驱动半导体制冷芯片3以及微流道芯片4工作的目的，这样设置，使得芯片散热封装结构不需再提供外部电源，节约了能源。具体地，在本实施例中，热电转换层6由硅锗薄膜采用晶圆级工艺制成，在其他实施例中，热电转换层6也可以采用碲锑铋块体制成。
为使得冷却液体能在微流道41中沿特定方向移动，通常在微流道芯片4上都会设置有流体引导布线层42，通过在流体引导布线层42上施加电压可以驱动冷却液体沿特定方向移动，在本实施例中，热电转换层6与基板1电连接，芯片散热封装结构内还设置有硅通孔转接板7，硅通孔转接板7一端与流体引导布线层42电连接，一端与基板1电连接，从而实现热电转换层6与微流道芯片4之间的电连接。热电转换层6将热能转换成电能后，转化得到的电能会依次经由基板1、硅通孔转接板7以传递至流体引导布线层42，从而控制微流道芯片4工作。
为使得芯片散热结构的结构能够更加紧凑，在本实施例中，将半导体制冷芯片3在基板1上的投影面积设置为小于微流道芯片4在基板1上的投影面积，半导体制冷芯片3与微流道芯片4电连接，从而实现与热电转换层6之间的电连接。
另外，工作芯片2上设置有芯片有源层21，芯片有源层21是工作芯片2上主要散发热量的区域，在本实施例中，为使得工作芯片2散发的热量能转化得更加完全，将热电转换层6设置为与芯片有源层21抵接，这样设置使得工作芯片2散发的热量能及时由热电转换层6进行转化，而半导体制冷芯片3由于接触到的是工作芯片2上温度较低的部分，从而可以使得对半导体制冷芯片3的制冷效果的需求可以降低，即保证由热电转换层6转换得到的电能可以满足半导体制冷芯片3以及微流道芯片4的工作需求。
本实施例的使用原理大致如下所述：
半导体制冷芯片3是一种基于帕尔贴效应的制冷器件，其利用半导体的帕尔帖效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，微流道芯片4是一种通过在芯片上设置若干微流道41，并在微流道41内流通冷却液体，以通过冷却液体的换热效应进行散热制冷的目的，本实施例通过在工作芯片2表面上设置半导体制冷芯片3，使得工作芯片2散热的热量能够直接进行主动散发，再通过在半导体制冷芯片3上设置微流道芯片4，通过微流道芯片4对半导体制冷芯片3进行散热，从而使得工作芯片2的散热效率更高，散热效果明显。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种芯片散热封装结构，其特征在于，包括：
基板(1)，其上装载有工作芯片(2)；
半导体制冷芯片(3)，其安装在所述工作芯片(2)的与所述基板(1)相对的一侧上，用于对所述工作芯片(2)进行散热；以及；
微流道芯片(4)，其安装在所述半导体制冷芯片(3)的与所述工作芯片(2)相对的一侧上，用于对所述半导体制冷芯片(3)进行散热；
所述工作芯片(2)与所述基板(1)之间还设置有热电转换层(6)，所述热电转换层(6)与所述半导体制冷芯片(3)和/或所述微流道芯片(4)电连接，所述热电转换层(6)用于将所述工作芯片(2)的热能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述半导体制冷芯片(3)和/或所述微流道芯片(4)上开设有硅通孔。
3.根据权利要求1或2所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述半导体制冷芯片(3)与所述工作芯片(2)之间还设置有用于填充半导体制冷芯片(3)与工作芯片(2)接触时形成的表面空隙的热界面材料层(5)。
4.根据权利要求3所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述热界面材料层(5)的材料为导热粘胶、导热凝胶或导热膏。
5.根据权利要求1所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述热电转换层(6)的材料为硅锗薄膜或碲锑铋块体。
6.根据权利要求1所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述热电转换层(6)与所述基板(1)电连接，所述微流道芯片(4)上设置有流体引导布线层(42)，所述芯片散热封装结构还包括硅通孔转接板(7)，所述硅通孔转接板(7)一端与所述流体引导布线层(42)电连接，另一端与所述基板(1)电连接。
7.根据权利要求6所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述半导体制冷芯片(3)在基板(1)上的投影面积小于所述微流道芯片(4)在基板(1)上的投影面积，半导体制冷芯片(3)与所述微流道芯片(4)电连接。
8.根据权利要求1所述的芯片散热封装结构，其特征在于，所述工作芯片(2)上设置有芯片有源层(21)，所述热电转换层(6)与所述芯片有源层(21)抵接。
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