CN112071818B - 一种微系统相变微冷却方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微系统相变微冷却方法及装置，微冷却装置包括微换热器、封装基板、3D芯片基板，3D芯片基板和微换热器分别安装在封装基板的正反面，在3D芯片基板内阵列形式排布多个3D堆栈芯片；封装基板为单层结构，内部设有集/分液流道，集/分液流道包括微换热器至3D芯片基板流道和3D芯片基板至微换热器流道；3D堆栈芯片产生的热量经3D芯片基板、封装基板内流道汇合后进入微换热器，和系统冷却外循环进行换热后冷凝，从而实现对3D堆栈芯片的相变冷却循环。本发明实现了微系统的二级冷却循环，提高了微系统相变冷却循环的集成度，容杂质能力，隔离度和可靠性。

Description

一种微系统相变微冷却方法及装置

技术领域

本发明涉及微系统相变冷却技术领域，具体涉及一种微系统相变微冷却方法及装置。

背景技术

随着SIP、SOC等架构的微组装/封装技术的发展，以雷达、通信、电子战为代表的主动阵列射频电子应用逐步向射频微系统的方向发展，同时以GaN为代表的三代半导体功率器件性能不断提升，微波功率芯片的热流密度将很快超过1kW/cm2，小型化、多点热源、高热流密度成为射频微系统热管理的主要挑战。可采用散热方式包括：远程散热、近结散热。

远程散热，作为传统散热模式，散热架构一般为功率芯片焊接(胶接) 到基板，再焊接到封装壳体，最后通过热界面材料压接到冷板上。散热路径上依次存在焊接、传导、界面、对流等多层热阻。在DARPA的TMT计划综述文献Advanced thermal mangementtechnologies for defense electronics中，提出了针对性的改进提升措施，包括低热阻型焊/胶料(纳米银胶等)、高导热基板/封装壳体(相变均温壳体等)、低热阻热界面材料(铜纳米弹簧、碳纳米管等)、强化传热冷板(微通道、射流冷板等)，可以一定程度提高散热能力。但是，远程散热方式存在天然的传热路径长、热阻高，体积和能耗大等缺点，使得该散热方式已接近能力极限，最高约 500W/cm2，无法满足高功率和小型化的散热需求。

近结散热，是一种新的散热方式。主要思路为将冷端从冷板向功率芯片封装或基板转移，缩短传热路径从而减小传热热阻，提升散热能力，根据冷端转移的位置，可以分为封装散热和基板散热。封装散热，采用传统的一次冷却循环，IJ Research公司在文献Thermal management technology 中，提出将冷却液(传统的乙二醇水溶液等)通入金刚石/铜，铝碳化硅等高导热的电子封装壳体，取消了封装和冷板之间一层较大的接触热阻，在封装壳体流道内加工0.1mm级微流道，散热能力可超过500W/cm2，而进一步提升散热能力比较困难；基板散热，DARPA的ICECOOL计划相关文献 Embedded cooling for RF andDigital Electronics中提出，通过将冷却介质引入芯片基板或衬底，包括硅/钼铜基板、SiC/金刚石衬底等，考虑传统冷却液存在腐蚀性和导电性，在距芯片如此近距离内一般使用绝缘相变类冷却介质，如Novec HFE电子氟化液等，由于更加靠近功率芯片热源，进一步取消了封装壳体的传导热阻和焊接热阻，在基板内加工0.01mm级的微流道获得足够的换热面积，散热能力更高，可实现1000W/cm2水平，满足大功率散热的需求。

但是，采用一级循环的基板散热存在一些明显的问题。一是容杂质能力差。基板微流道很细，而冷却循环系统体积大，连接点多，难免存在外来或中间杂质，容易造成基板流道堵塞，导致芯片过热失效；二是末端体积大。绝缘相变类冷却介质相比传统冷却液，导热率低一个量级，换热性能不高，需要更大体积的冷却末端换热器。三是可靠性低。采用一级循环，对于大型、复杂的阵列式微系统，一旦出现单点泄漏，整个系统全部受影响，难以隔离，造成可靠性降低。因此，对于3D堆栈芯片阵列的微系统散热问题，如要采用近结散热技术，亟需解决冷却系统隔离封闭、可靠性提升等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微系统相变微冷却方法及装置，目的在于针对近结散热技术应用于微系统散热的缺点和不足，在传统的一级系统冷却循环外，增加一级微系统相变冷却循环，从而提供一种完全隔离、封闭的、无泵驱的二级冷却循环方法和相关装置，提高近结散热技术的工程适用性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述微冷却装置包括微换热器、封装基板、3D芯片基板，所述3D芯片基板和所述微换热器分别安装在所述封装基板的正反面，在所述3D芯片基板内阵列形式排布多个3D堆栈芯片；

所述封装基板为单层结构，内部设有集/分液流道，所述集/分液流道包括微换热器至3D芯片基板流道和3D芯片基板至微换热器流道；

所述微换热器至3D芯片基板流道为所述微换热器内循环侧的供液出口与所述3D芯片基板内侧的供液口串联的最短流程；所述3D芯片基板至微换热器流道为所述3D芯片基板内侧的回气口与所述微换热器内循环侧的回气入口串联的最短流程；

所述3D堆栈芯片产生的热量经所述3D芯片基板、所述封装基板内流道汇合后进入所述微换热器，和系统冷却外循环进行换热后冷凝，从而实现对所述3D堆栈芯片的相变冷却循环。

进一步地，所述封装基板正面阵列排布多个所述3D芯片基板，多个所述3D芯片基板的所述供液口和所述回气口分别串联后，与所述微换热器的所述供液出口和所述回气入口连通。

进一步地，所述3D芯片基板从下到上依次为分水流道、主微流道、集水流道、次微流道和封装层五部分；所述分水流道实现从1个所述3D芯片基板所述供液口到多个所述3D堆栈芯片的流量分配，按照最短流程和圆滑过渡的原则，所述3D堆栈芯片的供液方式为全并联；所述主微流道和所述次微流道内设有矩形强化换热微肋，所述微肋内具有液体通道，所述微肋外侧形成气体通道；所述集水流道实现多个所述3D堆栈芯片到1个所述3D 芯片基板所述回气口的流量汇合，多个所述3D堆栈芯片的回气方式为全并联；所述封装层在最上面，实现所述3D堆栈芯片的气密封装和保护。

进一步地，所述微换热器上靠近外侧处布置有外循环侧的进/回接口，所述进/回接口通过软管与所述系统冷却外循环装置连接。

进一步地，所述进/回接口为倒刺或者小型的快速自密封接头。

进一步地，所述供液出口和所述回气入口上通过接口密封圈或胶密封。

进一步地，所述微换热器紧凑型微通道板式液-液换热器，厚度在mm 级，尺寸为10mm级，换热量达kW级，换热温升10℃以内。

进一步地，所述微换热器至3D芯片基板流道上包含充注流道和充注口堵头，所述充注流道的开口位于所述封装基板的底面，用于所述微换热器至3D芯片基板流道的首次抽真空及充液，所述充注流道通过所述充注口堵头带胶封堵。

进一步地，所述内循环侧冷却介质为Novec HFE电子氟化液、R134a；外循环侧冷却介质为乙二醇冷却液。

本发明还提供了一种利用上述任一项所述的微系统相变微冷却装置实现的微冷却方法，其特征在于，所述冷却方法如下：在所述微换热器、所述封装基板和所述3D芯片基板连接的内部流道，以及所述外侧水接口与所述系统冷却外循环装置连接，形成的封闭流道内预充一定量的冷却介质，形成一个脉动热管；液态的冷却介质流经所述3D芯片基板内相应的所述3D 堆栈芯片的微流道，吸收所述3D堆栈芯片的热量后发生蒸发，经所述3D 芯片基板内一次汇合后进入所述封装基板，在所述封装基板内二次汇合后进入所述微换热器，和所述系统冷却外循环进行换热后冷凝，再进入所述封装基板实现一次流量分配，进入所述3D芯片基板实现二次分配，进入微流道，完成一个微系统相变微冷却的内循环。

本发明的有益效果：

本发明在传统的一级系统冷却循环外，增加一级微系统相变冷却循环，实现了微系统的二级冷却循环，提高了微系统相变冷却循环的集成度、容杂质能力、隔离度和可靠性，为近结散热技术的工程应用提供了一种解决方案，且本发明结构精巧、设计合理，可比一级系统冷却循环体积和重量减少30％，可靠性提升50％。

附图说明

图1为本发明微系统相变微冷却装置的装配示意图；

图2为本发明中封装基板反面安装示意示意图；

图3为本发明中封装基板流道和冷却介质接口示意图；

图4为本发明中3D芯片基板流道和冷却介质接口示意图；

图5为本发明中3D芯片基板流道平面示意图。

其中：1–微换热器，2–封装基板，3–3D芯片基板，4–3D堆栈芯片， 5–充注口堵头，6–固定孔，7–接口密封圈，8–外侧水接口，9–微换热器至3D芯片基板流道，10–3D芯片基板至微换热器流道，11–充注流道， 12–供液口，13–回气口，14–供液出口，15–回气入口，16–分水流道，17–主微流道，18–集水流道，19–次微流道，20–封装层，21–大功率芯片，22–小功率芯片，23–液体通道，24–气体通道。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本申请文件中的上、下、左、右、内、外、前端、后端、头部、尾部等方位或位置关系用语是基于附图所示的方位或位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

本实施例记载了一种微系统相变微冷却方法及装置，如图1和图2所示，该微冷却装置主要由微换热器1、封装基板2和3D芯片基板3等组成。微换热器1通过焊接或者螺接集成在封装基板2反面的一角，3D芯片基板 3焊接或者胶接在封装基板2的正面，在3D芯片基板3内焊接或胶接3D堆栈芯片4。在封装基板2和3D芯片基板3内分别设有流道，3D堆栈芯片4产生的热量经3D芯片基板3、封装基板2内流道汇合后进入微换热器1，和系统冷却外循环进行换热后冷凝(液态)，从而实现对3D堆栈芯片4的相变冷却循环。在封装基板2正面可以阵列排布多个3D芯片基板3，一个封装基板2可单独工作，也可由多个封装基板2拼装组合成大功率微系统独立单元。

本实施例所用的微换热器1厚度在mm级，尺寸为10mm级，可为紧凑型微通道板式液-液换热器，该液-液换热器由表面防腐处理后的铝合金制造而成，内循环侧流阻很小。该微换热器1的换热效果，采用常规相变介质，如内循环侧采用R134a、外循环侧采用乙二醇冷却液时，换热量可达到 kW级，换热温差不超过10℃。

如图2和图3所示，本实施例的微换热器1内循环侧的供液出口14和回气入口15均在底面，用于与封装基板2上的流道相接，供液出口14和回气入口15直径为1-3mm，在供液出口14和回气入口15上设置接口密封圈7或者采用胶密封，保证供液出口14和回气入口15的密封性，接口密封圈7可以是O型圈或者平面密封圈。微换热器1的四角分别设有固定孔6，在封装基板2反面一角设有相应的螺纹孔，微换热器1通过固定孔6、螺纹孔与封装基板2螺栓连接。微换热器1上靠近外侧处布置有外循环侧的进/ 回接口，本实施例中的进/回接口为外侧水接口8，外侧水接口8通过金属或橡胶软管与系统冷却外循环装置连接。外侧水接口8为倒刺或者小型的快速自密封接头，流阻较大。微换热器1与冷却介质接触部分的材料和冷却介质相容。

本实施例所用的封装基板2为LTCC(低温共烧陶瓷)或者HTCC(高温共烧陶瓷)基板，厚度为2-4mm，内部设计有集/分液流道，为单层结构。集/分液流道端部在封装基板2正反面分别设有冷却介质接口，正面的冷却介质接口和3D芯片基板3的冷却介质接口位置相对应，依据3D芯片基板3 布局可成等间距阵列排布，正面的冷却介质接口直径约为0.2mm；反面的冷却介质接口和微换热器1的供液出口14和回气入口15位置相对应，冷却介质接口直径约为0.5mm，比供液出口14和回气入口15略大，用于消除对接误差。封装基板2的正面进行镀金处理，采用金锡回流焊或者胶接方式，实现与多个3D芯片基板3冷却介质接口固定连接，且在冷却介质接口的外环1mm区域内不镀金和焊接，防止焊料进入流道。

如图3所示，封装基板2内部的集/分液流道宽度为1-3mm，高度为 1-2mm，共分为二段。本实施例以一块封装基板2上固定间距排布的2×2 阵列3D芯片基板3为例说明集/分液流道。

第一段为微换热器至3D芯片基板流道9，为微换热器1的出口至每个 3D芯片基板3的入口，按照最短流程将微换热器1内循环侧的供液出口14 和4个3D芯片基板3内侧的供液口12串联，阵列排布的3D芯片基板3的供液方式为并联，并在流道拐弯处做圆滑过渡以降低局部流阻。微换热器至3D芯片基板流道9上包含充注流道11和充注口堵头5，见图1所示，充注流道11的开口位于封装基板2的底面，用于微换热器至3D芯片基板流道9的首次抽真空及充液。充注流道11通过充注口堵头5带胶封堵，充注口堵头5为环氧树脂材料。

第二段为3D芯片基板至微换热器流道10，为3D芯片基板3出口到微换热器1的入口，将4个3D芯片基板3内侧的回气口13和微换热器1内循环侧的回气入口15串联起来，阵列排布的3D芯片基板3的回气方式为并联，按照同程式原理增加了一条同程流道。

本实施例所用的3D芯片基板3上按照固定间距排布有3D堆栈芯片4 阵列，本实施例以4×4阵列的3D堆栈芯片4为例，如图4所示。3D芯片基板3层数与3D堆栈芯片4相对应，3D堆栈芯片4可以多层，本实施例以两层3D堆栈芯片4为例，如图5所示，包括下层1个大功率芯片21和上层2个小功率芯片22，大功率芯片21尺寸为1-3mm，厚度约0.1-0.2mm，热流密度约200W/cm²，小功率芯片22尺寸为1-2mm，厚度约0.1-0.2mm，热流密度约50W/cm²。

3D芯片基板3包括多个流道和封装层，本实施例3D芯片基板3包括上下两层，上层为次微流道19和封装层20，下层为分水流道16、主微流道 17、集水流道18，共五部分组成，每部分厚度约0.3-0.5mm。大功率芯片 21和小功率芯片22分别通过低热阻导热胶或者回流焊等方式粘接/焊接在 3D芯片基板3的下层和上层。3D芯片基板3的下层和上层通过键合或粘接等方式实现集成连接及密封连接。

在大功率芯片21正下方，3D芯片基板3开有两层沟槽，从近至远分别为主微流道17和分水流道16，主微流道17紧贴在大功率芯片21下方，且宽度不小于大功率芯片21的宽度。小功率芯片22正下方开有沟槽，形成次微流道19，且宽度不小于小功率芯片22的宽度。主微流道17和次微流道19分别对大功率芯片21和小功率芯片22进行散热，主微流道17和次微流道19内设有10um级宽、100um级高的矩形强化换热微肋，可以同时提高液体冷却介质的换热面积和换热系数，微肋内具有液体通道23，微肋外侧形成气体通道24。主微流道17的微肋高度大于次微流道19，主微流道 17的微肋间距比次微流道19密集。

在大功率芯片21侧下方，为集水流道18。在小功率芯片21的上方和侧方，为封装层20。在大功率芯片21两侧3D芯片基板3上层与下层之间留有流体通道，一侧流体通道实现主微流道17、次微流道19与分水流道 16连通，另一侧实现主微流道17、次微流道19与集水流道18连通。两侧的流体通道由此成为分水流道16和集水流道18的一部分。分水流道16实现从1个3D芯片基板3供液口12到4×4阵列的3D堆栈芯片4的流量分配，按照最短流程和圆滑过渡的原则，多个3D堆栈芯片4的供液方式为全并联。集水流道18和分水流道16相似，实现4×4阵列的3D堆栈芯片4 到1个3D芯片基板3回气口13的流量汇合，多个3D堆栈芯片4的回气方式也是全并联。封装层20实现对3D堆栈芯片4的气密封装和保护。

冷却介质的应用，外循环侧一般使用乙二醇冷却液，低温下不结冰；内循环根据使用Novec HFE电子氟化液、R134a等相变冷却介质。

通过上述微冷却装置进行微系统相变微冷却的方法是：封装基板2和 3D芯片基板3通过冷却介质接口将内部流道连接，并利用封装基板2的冷却介质接口与微换热器1内换热流道连接，微换热器1通过外侧水接口8 与系统冷却外循环装置连接，形成封闭流道，整个封闭流道内预充一定量的冷却介质，形成一个脉动热管。冷却介质(液态)流经3D芯片基板3内相应的3D堆栈芯片4的微流道，吸收3D堆栈芯片4的热量后发生蒸发(气态)，通过3D芯片基板3内一次汇合后进入封装基板2，在封装基板2内二次汇合后进入微换热器1，和系统冷却外循环进行换热后冷凝(液态)，再通过供液出口14进入封装基板2实现一次流量分配，经供液口12进入3D 芯片基板3实现二次分配，进入微流道，完成一个微系统相变微冷却的内循环。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述微冷却装置包括微换热器(1)、封装基板(2)、3D芯片基板(3)，所述3D芯片基板(3)和所述微换热器(1)分别安装在所述封装基板(2)的正反面，在所述3D芯片基板(3)内阵列形式排布多个3D堆栈芯片(4)；

所述封装基板(2)为单层结构，内部设有集/分液流道，所述集/分液流道包括微换热器至3D芯片基板流道(9)和3D芯片基板至微换热器流道(10)；

所述微换热器至3D芯片基板流道(9)为所述微换热器(1)内循环侧的供液出口(14)与所述3D芯片基板(3)内侧的供液口(12)串联的最短流程；所述3D芯片基板至微换热器流道(10)为所述3D芯片基板(3)内侧的回气口(13)与所述微换热器(1)内循环侧的回气入口(15)串联的最短流程；

所述3D堆栈芯片(4)产生的热量经所述3D芯片基板(3)、所述封装基板(2)内流道汇合后进入所述微换热器(1)，和系统冷却外循环进行换热后冷凝，从而实现对所述3D堆栈芯片(4)的相变冷却循环。

2.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述封装基板(2)正面阵列排布多个所述3D芯片基板(3)，多个所述3D芯片基板(3)的所述供液口(12)和所述回气口(13)分别串联后，与所述微换热器(1)的所述供液出口(14)和所述回气入口(15)连通。

3.根据权利要求1或2所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述3D芯片基板(3)从下到上依次为分水流道(16)、主微流道(17)、集水流道(18)、次微流道(19)和封装层(20)五部分；所述分水流道(16)实现从1个所述3D芯片基板(3)所述供液口(12)到多个所述3D堆栈芯片(4)的流量分配，按照最短流程和圆滑过渡的原则，所述3D堆栈芯片(4)的供液方式为全并联；所述主微流道(17)和所述次微流道(19)内设有矩形强化换热微肋，所述微肋内具有液体通道(23)，所述微肋外侧形成气体通道(24)；所述集水流道(18)实现多个所述3D堆栈芯片(4)到1个所述3D芯片基板(3)所述回气口(13)的流量汇合，多个所述3D堆栈芯片(4)的回气方式为全并联；所述封装层(20)在最上面，实现所述3D堆栈芯片(4)的气密封装和保护。

4.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述微换热器(1)上靠近外侧处布置有外循环侧的进/回接口，所述进/回接口通过软管与所述系统冷却外循环装置连接。

5.根据权利要求4所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述进/回接口为倒刺或者小型的快速自密封接头。

6.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述供液出口(14)和所述回气入口(15)上通过接口密封圈(7)或胶密封。

7.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述微换热器(1)紧凑型微通道板式液-液换热器，厚度在mm级，尺寸为10mm级，换热量达kW级，换热温升10℃以内。

8.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述微换热器至3D芯片基板流道(9)上包含充注流道(11)和充注口堵头(5)，所述充注流道(11)的开口位于所述封装基板(2)的底面，用于所述微换热器至3D芯片基板流道(9)的首次抽真空及充液，所述充注流道(11)通过所述充注口堵头(5)带胶封堵。

9.根据权利要求1所述的微系统相变微冷却装置，其特征在于，所述内循环侧冷却介质为Novec HFE电子氟化液、R134a；外循环侧冷却介质为乙二醇冷却液。

10.一种利用权利要求1所述的微系统相变微冷却装置实现的微冷却方法，其特征在于，所述冷却方法如下：在所述微换热器(1)、所述封装基板(2)和所述3D芯片基板(3)连接的内部流道，以及所述微换热器(1)上靠近外侧处布置的外循环侧的外侧水接口(8)与系统冷却外循环装置连接，形成的封闭流道内预充一定量的冷却介质，形成一个脉动热管；液态的冷却介质流经所述3D芯片基板(3)内相应的所述3D堆栈芯片(4)的微流道，吸收所述3D堆栈芯片(4)的热量后发生蒸发，经所述3D芯片基板(3)内一次汇合后进入所述封装基板(2)，在所述封装基板(2)内二次汇合后进入所述微换热器(1)，和所述系统冷却外循环进行换热后冷凝，再进入所述封装基板(2)实现一次流量分配，进入所述3D芯片基板(3)实现二次分配，进入微流道，完成一个微系统相变微冷却的内循环。

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