CN111081665A - 一种用于多热源器件散热的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子元器件的散热技术领域，公开了一种用于多热源器件散热的装置，本发明散热的装置包括基板、多热源器件及散热件，热源器件封装在基板内，多热源器件至少包括三个并列分布的热源器件，其中，至少有两个热源器件封装发热区域的热流密度不同；对应于热流密度最低区域的第一热源器件采用对流散热，其他热源器件散热采用散热件，散热件设置于热源器件与基板之间，散热件为微流道散热装置或/和液冷散热装置；本发明解决了现有多热源器件不能均匀发热及现有散热装置不能对具有不同热流密度电子器件进行均匀散热的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件的散热技术，尤其涉及一种用于多热源器件散热的装置。
背景技术
近年来，随着信息技术数字化及网络资讯化的发展，电子信息器件呈现出向高精度、高可靠性、及小型化方向发展的趋势。并且，随着电器元件越发精密及微型化，把不同功能的芯片集成到一个封装体内的SIP技术，成为未来技术发展的导向。
SIP技术的形式千变万化，系统级封装可包括平面或是利用3D堆叠，或是采用多芯片封装，亦或是采用前述两种的各种组合。3D堆叠形式的封装由于可扩大存储模块容量,目前已在较多公司中广泛使用,虽然3D堆叠形式提高了芯片应用效率,但由于芯片堆叠后发热密度大幅增加也使热的问题越来越显著。多芯片封装虽然仍保有原散热面积,但由于热源的相互接近,热耦合增强,从而也会造成严重的热问题。
封装技术的发展带来了严峻的散热问题，据统计，由热所引起的失效约占电子器件失效的一半以上。过高的温度不仅会造成半导体器件的损毁,也会造成电子器件可靠性降低及性能下降。因此，封装级的散热设计更显得非常重要。
其中，对于具有更多功能、更高性能和更小体积的多芯片封装结构的散热研究具有很大的研究价值。由于多芯片封装结构的组成元件正常工作时功率不同，因此多芯片组件中各个元件的发热量也有所不同，并且，由于受限于封装结构及尺寸，目前针对具有多热源高热流密度的多芯片封装电子器件的散热设计的重点是如何将芯片的发热和散热均匀化。
发明内容
本发明为了解决现有散热装置不能够解决多热源高热流密度电子器件的均匀发热和散热的问题，提供了一种多热源器件散热的装置，针对各具有不同热源的器件采用不同冷却方式即可实现均匀散热又可提高散热速度，且各芯片采用并列方式排列实现热量均匀分布，避免了芯片局部热负荷过高带来的风险。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
本发明提供一种用于多热源器件散热的装置，包括基板、多热源器件及散热件，所述热源器件封装在所述基板内，其特征在于：所述多热源器件至少包括三个并列分布的热源器件，其中，至少有两个所述热源器件封装发热区域的热流密度不同；对应于热流密度最低区域的第一热源器件采用对流散热，其他热源器件散热采用散热件，所述散热件设置于热源器件与所述基板之间，所述散热件为微流道散热装置或/和液冷散热装置。
优选的，所述第一热源器件为普通芯片，所述普通芯片封装在所述基板上。
所述多热源器件还包括第二热源器件和第三热源器件，第二热源器件采用3D封装，第三热源器件采用2.5D封装。
所述第二热源器件采用微流道散热装置，所述第三热源器件采用液冷散热装置；还包括设置在所述基板上的转接板结构，微流道散热装置设置在所述第二热源器件与所述转接板结构之间，液冷散热装置设置在所述第二热源器件与所述转接板结构之间。
还包括进流管、回流管、泵和液箱，泵用于抽取液箱内的液体；进流管的一端与泵连接，进流管的另一端与微流道散热装置或/和液冷散热装置的一端连接；回流管的一端与微流道散热装置或/和液冷散热装置的另一端连接，回流管的另一端与液箱连接。
包括设置在散热装置内的温度传感器，所述进流管与微流道散热装置或/和液冷散热装置连接的一端设置有开关阀，根据所述温度传感器的温度信息控制开关阀的开度及液体速度。
优选的，微流道散热装置或液冷散热装置的流道设置在热源器件背面或底部填充胶层上。
优选的，所述微流道散热装置的微流道形状包括等腰三角形洞穴结构、等腰三角形突出结构、圆弧形突出结构、圆弧形洞穴结构、等腰梯形洞穴结构、等腰梯形突出结构、第一锯齿形洞穴结构、第二锯齿形洞穴结构、第一锯齿形突出结构或第二锯齿形突出结构中的一种或者任意几种的组合。
有益效果：
本发明提供了一种用于多热源器件散热的装置，包括基板、多热源器件及散热件，热源器件封装在基板内，该多热源器件至少包括三个并列分布的热源器件，其中，至少有两个热源器件封装发热区域的热流密度不同；对应于热流密度最低区域的第一热源器件采用对流散热，其他热源器件采用散热件散热，散热件设置于热源器件与基板之间，散热件为微流道散热装置或/和液冷散热装置；各热源器件并列分布，可显著改善散热时热量分布的均匀性，避免了芯片局部热负荷过高带来的危害，且针对具有不同热流密度的热源器件设置不同的散热方式，可使得封装结构工艺条件实现更简单、成本更低、尺寸更小，同时可提高封装体内芯片传热和散热的能力，有效地延长了微电子器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明优选实施例的用于多热源器件散热的装置的立体结构示意图一。
图2为本发明优选实施例的用于多热源器件散热的装置的立体结构示意图二。
图3是本发明优选实施例的用于多热源器件散热的装置的主视结构示意图。
图4是本发明优选实施例的用于多热源器件散热的装置的微流道形状示意图。
附图标记：
1、基板；2、第一热源器件；3、第二热源器件；4、第三热源器件；5、液箱；6、泵；7、液冷散热装置；8、进流管；9、回流管；10、开关阀；11、微流道散热装置；12、硅通孔转接板结构。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种用于多热源器件散热的装置，包括基板1，并列封装在基板1上的第一热源器件2、第二热源器件3和第三热源器件4。在基板上采用并列的方式分布各热源器件可显著改善散热时热量分布的均匀性。本发明以si基芯片作为散热装置进行说明，需要指出的是，本发明并不对散热装置的类型做具体限定，作为可变换的实施方式，散热装置还可以为sic、GaN等高功率芯片。
其中，第一热源器件2为普通芯片，普通芯片封装在基板上，第二热源器件3采用3D封装，第三热源器件4采用2.5D封装。其中，第一热源器件2的热流密度最低，因此对应第一热源器件2下的发热区域，仅需采用空气对流散热；次高的是第三热源器件4的热流密度，在工作状态下，第三热源器件4的发热区域的热流密度约为20w/cm2；最高的是第二热源器件3的发热区域的热流密度，在工作状态下可达100w/cm2-200w/cm2。需要说明的是，上述的第二热源器件3和第三热源器件4都不局限于上述的封装形式，主要是其相应的工作热流密度达到其对应的热流密度即可。
对应于上述高热流密度、中等热流密度和普通热流密度区域，根据相应的芯片封装类型及热流密度选择其最适应的散热方式，针对具有不同热流密度的热源器件设置不同的散热方式，可使得封装结构工艺条件实现更简单、成本更低、尺寸更小，同时可提高封装体内芯片传热和散热的能力，有效地延长了微电子器件的使用寿命。
由于第一热源器件2为普通芯片，其发热区域的热流密度较低，仅需采用普通空气对流散热即可。对于采用2.5D封装的第三热源器件4发热区域的热流密度相对适中，采用液冷散热装置。在采用3D封装的第二热源器件3的高功率发热区域中，热流密度较大，需采用微流道散热装置。液冷散热装置7和微流道散热装置11设置在热源器件的背面。整个封装结构中结合了对流传热和热导传热的散热方式，可大大改善热沉的散热性能，保障了多热源器件在严苛环境下的正常工作。
第二热源器件3和第三热源器件4通过硅通孔转接板(TSV interposer)结构12与基板 1连接，并且，液冷散热装置7设置在第三热源器件4与硅通孔转接板结构12之间，微流道散热装置11设置在第二热源器件3与硅通孔转接板结构12之间。微流道散热装置11和液冷散热装置7的流道设置在热源器件的背面；可选的，所述流道在不同的实施例中，也可设置在底部填充胶层(underfill层)或硅通孔转接板(TSV interposer)上，本发明并不对此做具体限定。值得指出的是，在实际情况中，热源器件的正面布设有电路，背面没有电路，遂可在其背面布置散热微流道。
并且微通道的深宽比以及通道内部的粗糙元结构对微通道的整体散热性能影响巨大。突起结构或洞穴结构对流体形成的热边界层起到终止与再生成的作用,从而提高传热努赛尔数；刻蚀的突起结构或洞穴结构能够起到扰流作用,打破热边界层。
优选的，如图4所示，微流道形状可为等腰三角形洞穴结构(图4(a))、等腰三角形突出结构(图4(a))、圆弧形突出结构(图4(b))、圆弧形洞穴结构(图4(b))、等腰梯形洞穴结构(图4(c))、等腰梯形突出结构(图4(c))、第一锯齿形洞穴结构(图4(d))、第二锯齿形洞穴结构(图4(d))、第一锯齿形突出结构(图4(e))或第二锯齿形突出结构(图 4(e))中的一种或者任意几种的组合。
在基板1上设置有液箱5和泵6，泵6用于抽取液箱5内的液体；泵6与液冷散热装置7和微流道散热装置11之间通过进流管8连接，液箱5与液冷散热装置7和微流道散热装置 11之间通过回流管9连接。进流管8与液冷散热装置7和微流道散热装置11连接的一端设置有开关阀10，开关阀10用于控制散热装置中液体的流通及流量大小。
在液冷散热装置7和微流道散热装置11内部设置有多个流体通道，在流道内设置有温度传感器，通过温度传感器将各热源器件的温度信息反馈给控制器，控制器控制泵6和开关阀 10的开关，液体流速随反馈温度增加而增加，并且根据温度传感器反馈的信息，实时控制开关阀10的开度大小。
散热装置的工作原理如下：设定热源器件正常工作温度为70℃-80℃，当温度传感器检测到第二热源器件3或第三热源器件4的工作温度超过80℃时，控制器控制相应的开关阀开启，若第二热源器件3和第三热源器件4的工作温度均超过80℃，两个开关阀10均开启；并且根据温度传感器检测到的温度信息，实时控制开关阀的开度大小及液体流速；当温度降至80℃后，液冷散热装置关闭，微流道散热装置停止。通过根据温度变化实时调节散热件散热速度，可有效解决多芯片电子器件热致失效的问题，保证电器件安全稳定的工作。
优选的，基板1上可设置n个这3种类型区域，且n个散热区其底下设置的微通道装置及液冷装置使用同一泵及液箱，方便统一供应及回收。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于多热源器件散热的装置，包括基板、多热源器件及散热件，所述热源器件封装在所述基板上，其特征在于：所述多热源器件至少包括三个并列分布的热源器件，其中，至少有两个所述热源器件封装发热区域的热流密度不同；对应于热流密度最低区域的第一热源器件采用对流散热，其他热源器件采用散热件散热，所述散热件设置于热源器件与所述基板之间，所述散热件为微流道散热装置或/和液冷散热装置。
2.根据权利要求1所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：所述第一热源器件为普通芯片，所述普通芯片封装在所述基板上。
3.根据权利要求1所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：所述多热源器件还包括第二热源器件和第三热源器件，第二热源器件采用3D封装，第三热源器件采用2.5D封装。
4.根据权利要求3所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：所述第二热源器件散热采用微流道散热装置，所述第三热源器件散热采用液冷散热装置。
5.根据权利要求3或4所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：还包括设置在所述基板上的转接板结构，微流道散热装置设置在所述第二热源器件与所述转接板结构之间，液冷散热装置设置在所述第三热源器件与所述转接板结构之间。
6.根据权利要求1所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：还包括进流管、回流管、泵和液箱，泵用于抽取液箱内的液体；进流管的一端与泵连接，进流管的另一端与微流道散热装置或/和液冷散热装置的一端连接；回流管的一端与微流道散热装置或/和液冷散热装置的另一端连接，回流管的另一端与液箱连接。
7.根据权利要求6所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：还包括设置在散热装置内的温度传感器，所述进流管与微流道散热装置或/和液冷散热装置连接的一端设置有开关阀，根据所述温度传感器的温度信息控制开关阀的开度及液体流速。
8.根据权利要求1所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：所述微流道散热装置或液冷散热装置的流道设置在热源器件背面或底部填充胶层上。
9.根据权利要求1所述的用于多热源器件散热的装置，其特征在于：所述微流道散热装置的微流道形状包括等腰三角形洞穴结构、等腰三角形突出结构、圆弧形突出结构、圆弧形洞穴结构、等腰梯形洞穴结构、等腰梯形突出结构、第一锯齿形洞穴结构、第二锯齿形洞穴结构、第一锯齿形突出结构或第二锯齿形突出结构中的一种或者任意几种的组合。
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