CN111653532B - 一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法 - Google Patents

一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种高热流密度芯片散热装置及其制备方法，高热流密度芯片散热装置包括散热箱体和芯片外壳，散热箱体为中空结构，芯片外壳置于散热箱体的内部，芯片封装于芯片外壳内，散热箱体和芯片外壳之间填充有散热填充物，芯片外壳的顶部嵌设有固化剂囊体和液态金属囊体，固化剂囊体内至少包括硅树脂囊层和固化剂囊层，固化剂囊层包覆硅树脂囊层，液态金属囊体内至少包括液态金属囊层。本申请实施例提供了一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法，由于在芯片外壳顶部设置液态金属囊体和固化剂囊体，通过胶焊时施压即可实现将液态金属固定于芯片外壳顶部，并可有效防止过热时液态金属膨胀导致的焊接处断裂，更换维护成本更低。

Description

一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法
技术领域
本申请涉及芯片散热技术领域，特别涉及一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法。
背景技术
芯片温度是影响芯片使用寿命和性能的重要因素之一，当芯片温度过高时，遇到高温环境很容易引起起火、融化等危险情况，无论是应用在手机、电动车还是其它例如摄像机的芯片，都存在着此问题。当芯片温度过低时，物理反应速度变慢，例如芯片外壳封装或芯片焊接部位可能会发生细微的材料结构变化，导致恢复到室温后管脚不一定能恢复到原来的状态，造成断裂，导致芯片寿命缩短甚至终结。
随着科技的发展，芯片尺寸设计越来越小，功耗越来越高，这样也导致芯片发热量急速上升，芯片使用寿命变短。目前常用的芯片降温方法是真空腔均热板技术、热管常温技术或者两者的组合技术，但这两种技术有各自的问题，真空腔均热板技术的问题在于：虽然改善了散热问题，但是真空腔均热板在抽真空处理时，现有技术还未达到能够完全避免漏气，而且流水线抽真空加工成本高，漏气时维护成本更高；而热管常温技术，由于原理是利用水蒸发吸热，漏液也是非常常见的问题，而且漏液之后维护成本也不低，一旦漏液就可能造成短路融化等意外事故。
发明内容
本申请实施例提供一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法，以解决相关技术中高热流密度芯片散热装置和方法中存在漏气、漏液，维护成本高的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种高热流密度芯片散热装置，其包括散热箱体和芯片外壳，所述散热箱体为中空结构；芯片外壳为塑料外壳，芯片封装于芯片外壳内，所述芯片外壳置于散热箱体的内部，散热箱体和芯片外壳之间填充有散热填充物，芯片外壳的顶部嵌设有固化剂囊体和液态金属囊体，所述固化剂囊体内至少包括硅树脂囊层和固化剂囊层，固化剂囊层包覆硅树脂囊层，所述液态金属囊体内至少包括液态金属囊层。
一些实施例中，所述散热填充物包括石蜡和液态金属。
一些实施例中，所述固化剂囊体内还包括聚环氧树脂囊层，固化剂囊层包覆聚环氧树脂囊层，聚环氧树脂囊层包覆硅树脂囊层；所述液态金属囊体内还包括有机酸囊层和醇类有机溶剂囊层，所述有机酸囊层包覆醇类有机溶剂囊层，醇类有机溶剂囊层包覆液态金属囊层。
一些实施例中，所述有机酸囊层中的有机酸为甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸中的一种或几种。
一些实施例中，所述醇类有机溶剂囊层中的醇类有机溶剂为聚乙烯醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、2-己醇、环己醇、1-甲基环己醇、2-甲基环己醇、3-甲基环己醇、2-乙基-己醇、1-庚醇、2-庚醇、苯甲醇、苯乙醇、乙二醇、2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇、2-丙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、二甘醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇中的一种或几种。
一些实施例中，所述散热箱体内的散热填充物中穿插有多个散热管，散热管的底部接触芯片外壳顶部，所述散热管外壳为金属外壳，金属外壳内填充有液态金属。
一些实施例中，所述金属外壳的金属为铜、铝、铁、铜合金、铝合金和铁合金中的一种。
一些实施例中，所述液态金属囊层中的液态金属为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铋、铅铋、铋铟锡和铋铟锡锌等合金中的一种。
一些实施例中，所述散热箱体上开设有多个散热槽，所述散热槽的槽壁为凹凸状结构。
另一方面，本申请实施例还提供了一种如上所述的高热流密度芯片散热装置的制作方法，其包括如下步骤；
提供一芯片外壳，将芯片封装于芯片外壳内；
在芯片外壳的顶部均匀嵌设液态金属囊体和固化剂囊体；
胶焊时对液态金属囊体和固化剂囊体施加物理压力，释放出液态金属、固化剂和硅树脂，液态金属被固化剂固化成核后被硅树脂包覆固定于芯片外壳的顶部；
将胶焊固定有液态金属的芯片外壳置于散热箱体的底部，在芯片外壳和散热箱体之前键填充散热填充物；
在散热填充物中穿插多个散热管，所述散热管内填充液态金属。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
1、本申请实施例提供了一种高热流密度芯片散热装置及其制作方法，由于在芯片外壳顶部设置液态金属囊体和固化剂囊体，可以通过胶焊时施加物理压力的方式，释放出液态金属和固化剂，在对芯片散热的过程中，液态金属即使在芯片外壳的顶部由于热胀冷缩的效应相对于固定点发生滑动，由于固化剂和硅树脂的存在，固化剂将液态金属固化包覆成核后被硅树脂固定于芯片外壳的顶部，可以有效防止过热时膨胀导致的焊接处断裂，更换维护成本更低；
2、散热箱体和芯片外壳中填充有散热填充物，可以对芯片有效散热，降低了芯片在温度过高的情况下产生融化的危险可能性，有效延长了芯片的实用寿命，使用起来更加稳定和安全；
3、本申请提供的高热流密度芯片散热装置，结构设计合理紧凑，可广泛应用于芯片的散热封装。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的高热流密度芯片散热装置隐藏散热管管体隐藏线部分的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的高热流密度芯片散热装置未隐藏散热管管体隐藏线部分，同时隐藏芯片隐藏线部分的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的液态金属囊体的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的固化剂囊体的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的散热管的结构示意图。
图中：1、散热箱体；11、散热填充物；2、芯片外壳；3、散热管；31、散热液态金属；4、液态金属囊体；41、液态金属囊层；42、醇类有机溶剂囊层；43、有机酸囊层；5、固化剂囊体；51、硅树脂囊层；52、聚环氧树脂囊层；53、固化剂囊层；6、芯片；7、散热槽；71、凸壁；72、凹壁。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种高热流密度芯片散热装置，其能解决现有技术中对图1中的芯片6进行散热时，存在漏气漏液，易造成短路融化等意外事故的问题。
一方面，请参考图1-2，本申请实施例提供了一种芯片6散热装置，其包括散热箱体1和芯片外壳2，所述散热箱体1为中空结构，所述芯片外壳2置于散热箱体1的内部，芯片6封装于芯片外壳2内，散热箱体1和芯片外壳2之间填充有散热填充物11，芯片外壳2的顶部嵌设有固化剂囊体5和液态金属囊体4，所述固化剂囊体5内至少包括硅树脂囊层51和固化剂囊层53，固化剂囊层53包覆硅树脂囊层51，所述液态金属囊体4内至少包括液态金属囊层41，液态金属囊层41中的液态金属一旦接触空气就会自动氧化，形成固态的氧化膜，由于是金属材料，此特性可以同时解决高温下的散热问题以及低温下芯片6焊接部位易于断裂的问题。
如上所述，所述固化剂囊体5为包含有固化剂的囊体状结构，所述液态金属囊体4为包含有液态金属的囊体状结构。相应地，所述固化剂囊层53为包含有固化剂的囊层结构，所述液态金属囊层41为包含有液态金属的囊层结构。
在另一实施例中，所述液态金属囊体4和固化剂囊体5还可实现为整体的一个囊体结构，只要能实现为，胶焊施压时，囊体物理结构破坏后，释放出液态金属和固化剂即可。
如上所述，所述液态金属囊层41中的液态金属囊体4和所述固化剂囊体5均为微胶囊型，所述液态金属囊层41中的液态金属囊体4和固化剂囊体5均匀嵌设于芯片外壳2的顶部。
如上所述，根据本申请，所述芯片外壳2顶部设有硅酮塑封材料，所述液态金属囊体4和固化剂囊体5嵌设于硅酮塑封材料中，硅酮塑封材料为金属囊体和固化剂提供多方位立体方向上的嵌入空间，以实现在胶焊施压后，液态金属弥散分布于不同深度的孔道内，对芯片6多维度进行散热，散热效果更佳。
一些实施例中，所述散热填充物11包括石蜡和液态金属，所述石蜡和液态金属之间的质量配比根据散热需要而定，以达到有效散热效果为准，优选地，所述石蜡为纳米级材料，纳米级石蜡和液态金属均匀混合而成所述散热填充物11，石蜡吸热融化，所述液态金属囊层41中的液态金属将融化后的石蜡的热量进一步释放至空气中。
一些实施例中，请参考图3-4，所述固化剂囊体5内还包括聚环氧树脂囊层52，所述液态金属囊体4内还包括有机酸囊层43和醇类有机溶剂囊层42，所述有机酸囊层43包覆醇类有机溶剂囊层42，醇类有机溶剂囊层42包覆液态金属囊层41。优选地，所述有机酸包覆醇类有机溶剂囊层42，醇类有机溶剂囊层42包覆液态金属形成微胶囊，有机酸用于对液态金属表面产生微米级不规则孔洞，而醇类有机溶剂的加入，可以改善液态金属和芯片外壳2之间的液相-固相接触角，使得液态金属在芯片外壳2的顶部均匀铺张，增加液态金属和芯片外壳2顶部的接触面积，使得液体金属进入微米级孔洞内继续蚀刻芯片外壳2的顶部，处理后的液态金属表面与芯片外壳2的结合效果更佳，可以对芯片6起到更佳的散热作用。
其中，所述有机酸囊层43中的有机酸甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸中的一种或几种或水解后呈酸性的有机酸。
其中，所述醇类有机溶剂囊层42中的醇类有机溶剂为聚乙烯醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、2-己醇、环己醇、1-甲基环己醇、2-甲基环己醇、3-甲基环己醇、2-乙基-己醇、1-庚醇、2-庚醇、苯甲醇、苯乙醇、乙二醇、2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇、2-丙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、二甘醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇中的一种或几种。
一些实施例中，请参考图5，所述散热箱体1内的散热填充物11中穿插有多个散热管3，散热管3的底部接触芯片外壳2顶部，所述散热管3外壳为金属外壳，金属外壳内填充有散热液态金属31。金属外壳用于吸收散热填充物11的热量，所述液态金属囊层41中的液态金属与金属外壳相接触，将芯片外壳2吸收的热量释放至空气中。
如上所述，根据本申请，所述散热管3为圆柱状结构。散热管3均匀嵌插在散热箱体1的散热填充物11内部，所述散热管3的底部与芯片外壳2的顶部接触，具体地，所述散热管3的底部与液态金属囊体4接触，或者与经胶焊后释放出的液态金属相接触，用于对芯片外壳2顶部的液态金属进行导热散热。
其中，所述金属外壳为所述金属为铜、铝、铁、铜合金、铝合金、铁合金中的一种或几种。
其中，所述液态金属囊层41中的液态金属为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铋、铅铋、铋铟锡、铋铟锡锌等合金中的一种或几种。
在一具体的技术方案中，所述金属外壳为一片铜铝合金，液态金属为合金铋铟锡，合金铋铟锡用于吸热降温，铜铝合金用于进一步散热并防止吸热融化的铋铟锡渗漏至散热箱体1的散热填充物11中。
一些实施例中，所述散热箱体1上开设有多个散热槽7，所述散热槽7的槽壁为凹凸状结构。具体地，所述凸壁71和凹壁72交错设置，用于降低散热箱体1和散热填充物11热胀冷缩的影响力，凸壁71可以在制冷状态时形成快速降温需要的温度梯度，从而发挥散热作用，凹壁72可以在芯片6受热时形成快速吸热需要的温度梯度，从而发挥散冷作用
另一方面，本申请实施例还提供了一种如上所述的高热流密度芯片散热装置，其包括如下步骤；
提供一芯片外壳2，将芯片6封装于芯片外壳2内；
在芯片外壳2的顶部均匀嵌设液态金属囊体4和固化剂囊体5；
胶焊时对液态金属囊体4和固化剂囊体5施加物理压力，释放出液态金属、固化剂和硅树脂，液态金属被固化剂固化后成核被硅树脂固定于芯片外壳2的顶部；
将胶焊固定有液态金属的芯片外壳2置于散热箱体1的底部，在芯片外壳2和散热箱体1之前键填充散热填充物11；
在散热填充物11中穿插多个散热管3，所述散热管3内填充液态金属。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请实施例提供了一种高热流密度芯片散热装置，由于在芯片外壳2顶部设置液态金属囊体4和固化剂囊体5，可以通过胶焊时施加物理压力的方式，释放出液态金属和固化剂，在对芯片6散热的过程中，液态金属即使在芯片外壳2的顶部由于热胀冷缩的效应相对于固定点发生滑动，由于固化剂和硅树脂的存在，固化剂将液态金属固化包覆于聚环氧树脂中，可以有效防止过热时液态金属膨胀导致液态金属与芯片外壳2之间的焊接处断裂；
散热箱体1和芯片外壳2中填充有散热填充物11，可以对芯片6有效散热，降低了芯片6在温度过高的情况下产生融化的危险可能性，有效延长了芯片6的实用寿命，使用起来更加稳定和安全，更换维护成本更低；
本申请提供的芯片6散热装置，结构设计合理紧凑，可广泛应用于芯片6的散热封装。在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的几种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种高热流密度芯片散热装置，其特征在于，其包括：
散热箱体，其为中空结构；
芯片外壳，其为塑料外壳，所述芯片外壳置于散热箱体的内部，散热箱体和芯片外壳之间填充有散热填充物，芯片外壳的顶部嵌设固化剂囊体和液态金属囊体，所述固化剂囊体内至少包括硅树脂囊层和固化剂囊层，固化剂囊层包覆硅树脂囊层，所述液态金属囊体内至少包括液态金属囊层。
2.如权利要求1所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述散热填充物包括石蜡和液态金属。
3.如权利要求1所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述固化剂囊体内还包括聚环氧树脂囊层，固化剂囊层包覆聚环氧树脂囊层，聚环氧树脂囊层包覆硅树脂囊层；所述液态金属囊体内还包括有机酸囊层和醇类有机溶剂囊层，所述有机酸囊层包覆醇类有机溶剂囊层，醇类有机溶剂囊层包覆液态金属囊层。
4.如权利要求3所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述有机酸囊层中的有机酸为甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸中的一种或几种。
5.如权利要求3所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述醇类有机溶剂囊层中的醇类有机溶剂为聚乙烯醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1-戊醇、1-己醇、2-己醇、环己醇、1-甲基环己醇、2-甲基环己醇、3-甲基环己醇、2-乙基-己醇、1-庚醇、2-庚醇、苯甲醇、苯乙醇、乙二醇、2-甲氧基乙醇、2-乙氧基乙醇、2-丙氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、二甘醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述散热箱体内的散热填充物中穿插有多个散热管，散热管的底部接触芯片外壳顶部，所述散热管外壳为金属外壳，金属外壳内填充有液态金属。
7.如权利要求6所述高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述金属外壳的金属为铜、铝、铁、铜合金、铝合金和铁合金中的一种。
8.如权利要求6所述高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述液态金属囊层中的液态金属为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铋、铅铋、铋铟锡和铋铟锡锌合金中的一种。
9.如权利要求1所述的高热流密度芯片散热装置，其特征在于，所述散热箱体上开设有多个散热槽，所述散热槽的槽壁为凹凸状结构。
10.如权利要求1-9任一项所述的高热流密度芯片散热装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤；
提供一芯片外壳，将芯片封装于芯片外壳内；
在芯片外壳的顶部均匀嵌设液态金属囊体和固化剂囊体；
胶焊时对液态金属囊体和固化剂囊体施加物理压力，释放出液态金属、固化剂和硅树脂，液态金属被固化剂固化成核后被硅树脂包覆固定于芯片外壳的顶部；
将胶焊固定有液态金属的芯片外壳置于散热箱体的底部，在芯片外壳和散热箱体之前键填充散热填充物；
在散热填充物中穿插多个散热管，所述散热管内填充液态金属。
11.芯片外壳，其是由权利要求10所述的制作 方法制备而成的，所述芯片外壳顶部铺设有硅酮塑封层，所述硅酮塑封层为金属囊体和固化剂提供多方位立体方向上的嵌入空间。
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