CN112701097A - 一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板，所述冷却系统包括：进液流道、进液分配流道、出液收集流道、毛细流道、进液口和出液口，所述进液流道连接所述进液分配流道，所述毛细流道连接所述进液分配流道和所述出液收集流道，所述进液口设置于所述进液流道上，所述出液口设置于所述出液收集流道上；所述进液分配流道的通道宽度逐渐减小；所述出液口到第一毛细流道端的距离为第一距离，所述出液口到第二毛细流道端的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离。本发明实施例提供的冷却系统及硅基转接板，对嵌入式微流体的流道结构进行改进，在减少泵功率的同时使冷却效率和散热均匀性大大提高，进而提升对芯片的冷却效果。

Description

一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板。

背景技术

芯片的散热不佳将直接导致处理器芯片的工作温度上升，目前而言，芯片的散热问题还是没有得到完美的解决。一方面来看，芯片温度的上升会致使芯片的功耗攀升，同时，芯片厂商为防止芯片温度上升导致的高功耗问题和芯片安全问题，在芯片温度超过阈值时会对芯片会进行锁频，这又会直接影响到芯片的性能表现；从另一方面来看，移动终端芯片温度的上升使得终端整体机身温度偏高，也影响了用户的使用体验。

尽管芯片的制程工艺一直在不断进步，理论上来说可以减少芯片的发热量，但随着人们对芯片的性能要求越来越高，高性能芯片的晶体管数量、晶体管密度也在大幅度增长，芯片发热量自然随之增长。因此，散热设计的优劣，仍然很大程度上决定了高性能芯片的性能表现和用户的使用体验。

市面上的用于芯片的散热产品五花八门，相对来说表现更佳的是主动式散热，如水冷散热器，通过压力泵做功，以循环流动的液体作为冷却介质，带走芯片产生的热量。但是，目前的主动散热冷却装置，冷却介质的流道设计过于粗放，往往体积庞大而占用大量空间，整体结构的散热利用率低下，散热均匀性和散热性能都有待提高，且不适用于便携设备。

微流体是使用微小通道来处理少量流体的技术，在半导体领域中，可以利用微流体技术将主动散热微缩进更小的尺寸，以更高的散热效率，占用更小的空间来进行主动式散热，以解决芯片的散热问题。因此，基于微流体技术，如何在相同的空间内实现更好的散热均匀性和散热效率，进而实现更好的冷却效果，是目前需要进一步解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种嵌入式微流体冷却系统和一种硅基转接板，旨在提高微流体对转接板上的芯片的整体冷却效果和冷却效果的均匀性。

本发明实施例提供了一种嵌入式微流体冷却系统，所述系统应用于硅基转接板，包括：进液流道1.1、进液分配流道1.2、出液收集流道1.3、毛细流道2.2、进液口1.4和出液口1.5，所述进液流道连接所述进液分配流道，所述毛细流道连接所述进液分配流道和所述出液收集流道，所述进液口设置于所述进液流道上，所述出液口设置于所述出液收集流道上；

冷却液从进液口流入进液流道，通过进液分配流分别流入每一条毛细流道，最后全部流入出液收集流道，从出液口流出；

所述进液分配流道在进液分配第一通道口1.21的通道宽度为进液分配第一通道宽度，所述进液分配流道在进液分配第二通道口1.22的通道宽度为进液分配第二通道宽度，所述进液分配第二通道宽度小于所述进液分配第一通道宽度，包括：所述进液分配流道的通道宽度从进液分配第一通道口向进液分配第二通道口逐渐减小；

所述进液分配第一通道口是进液分配流道靠近进液口的通道口，所述进液分配第二通道口是进液分配流道远离进液口的通道口；

所述出液口到第一毛细流道端1.31的距离为第一距离，所述出液口到第二毛细流道端1.32的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离；

第一毛细流道2.21是靠近进液分配第一通道口的毛细流道，第二毛细流道2.22是靠近进液分配第二通道口的毛细流道；所述第一毛细流道端是出液流道靠近第一毛细流道的通道端，所述第二毛细流道端是出液流道靠近第二毛细流道的通道端。

可选地，所述进液分配第二通道宽度与所述进液分配第一通道宽度的比值等于1：3。

可选地，所述第一距离与所述第二距离的比值为2:1。

可选地，所述毛细流道的通道宽度大于等于100μm且小于等于300μm；所述毛细流道的结构肋片2.3宽度大于等于200μm且小于等于500μm。

可选地，所述毛细流道的通道宽度等于150μm，所述毛细流道的结构肋片宽度等于350μm。

可选地，所述冷却系统的结构材料为硅，所述冷却系统的冷却液材料包括以下任一项：水、乙二醇、HFE-7100溶液。

可选地，所述硅基转接板由上层硅晶1和下层硅晶2通过键合完成封装。

可选地，所述毛细流道与其他流道分为上下层设置；

其中，通过分别对所述上层硅晶和所述下层硅晶进行刻蚀，将所述毛细流道设置于所述下层硅晶，将所述进液流道、所述出液分配流道和所述出液收集流道设置于所述上层硅晶。

可选地，所述下层硅晶为近芯片端，所述上层硅晶为近泵端。

本发明实施例还提供了一种硅基转接板，所述硅基转接板包括上述任一实施例所述的嵌入式微流体冷却系统。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种嵌入式微流体冷却系统及硅基转接板，对微流体的进液分配流道的结构设计进行改进，以及，调节出液口在出液流道上的位置，使微流体的毛细流道内的流量保持在较高的水平，并令各毛细流道内的流量大小相近，在减少泵功率、使用更小的空间占用的同时，使冷却效率和散热均匀性大大提高，进而提升对芯片的冷却效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种嵌入式微流体冷却系统的正面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种嵌入式微流体冷却系统的背面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种分配流道层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种毛细流道层的结构示意图；

图5是本实施例提供的一种冷却剂局部流向图；

图6是本发明实施例提供的一种改进前的嵌入式微流体的热性能仿真结果示意图；

图7是本发明实施例提供的一种改进后的嵌入式微流体的热性能仿真结果示意图。

附图标记说明：

1-上层硅晶，1.1-进液流道，1.2-进液分配流道，1.21-进液分配第一通道口，1.22-进液分配第二通道口，1.3-出液收集流道，1.4进液口，1.5-出液口，1.31-第一毛细流道端，1.32-第二毛细流道端，2-下层硅晶，2.2-毛细流道，2.21-第一毛细流道，2.22-第二毛细流道，2.3-结构肋片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。

相关技术已经提出在芯片的转接板内嵌入微流体冷却系统，对芯片进行冷却散热。这种内嵌于转接板的微流体冷却系统，通过冷却剂泵做功，能够在芯片转接板内部实现主动散热，相比较于外部的主动散热装置，以更加紧凑的结构和更少的空间占用，实现了更高的冷却效率，对芯片具有良好的冷却效果。

从另一个角度来说，由于嵌入式微流体空间的极度紧凑，微流体的散热效果辐射区域相较于外部散热更加集中，因此，微流体的结构设计对整体的散热效果具有更加显著的影响。

本发明申请人考虑到相关技术中微流体的散热均匀性和散热效率仍有待提高，而微流体的整体散热效果与冷却结构、冷却材质、流量分布等诸多因素相关，本发明实施例提供了一种流量分布更加均匀，在相同尺寸的空间内能实现散热效果更均匀、散热效率更高的嵌入式微流体冷却系统。

参照图1，图1是本发明实施例提供的一种嵌入式微流体冷却系统的正面结构示意图。参照图2，图2是本发明实施例提供的一种嵌入式微流体冷却系统的背面结构示意图。参照图3，图3是本发明实施例提供的一种分配流道层的结构示意图。参照图4，图4是本发明实施例提供的一种毛细流道层的结构示意图。如图1至图4所示，所述系统由毛细流道层和分配流道层组成，应用于硅基转接板，所述系统包括：

进液流道1.1、进液分配流道1.2、出液收集流道1.3、毛细流道2.2、进液口1.4和出液口1.5，所述进液流道连接所述进液分配流道，所述毛细流道连接所述进液分配流道和所述出液收集流道，所述进液口设置于所述进液流道上，所述出液口设置于所述出液收集流道上。

在本实施例中，各个流道的横截面为包括正方形在内的矩形。

顾名思义，该嵌入式微流体冷却系统内嵌于芯片转接板，该冷却系统的尺寸大小和在转接板内部的位置可以根据芯片转接板的尺寸大小和内部结构来决定。

具体地，该冷却系统可以设置为平行正对芯片处理器核心，以实现更佳的散热均匀性和散热效果。根据芯片转接板尺寸和内部结构，该冷却系统的正面形状可以适应性地设置为包括正方形在内的矩形。示例性地，该冷却系统的正面大小可以为1cm×1cm、2cm×2cm、3cm×3cm等，该冷却系统的结构厚度可以为0.4cm、0.5cm、0.6cm等。

如图1和图2所示，进液口1.4和出液口1.5可以设置在冷却系统的同一面。每个微流体冷却子系统可以包括1个进液口、1条进液流道、4条进液分配流道、多条毛细流道、2条出液收集流道、2个出液口。其中，进液口位于进液流道，每条1条进液流道连通4条进液分配流道，每两条进液分配流道连通紧密并列的多条毛细流道，这些紧密并列的多条毛细流道连通一条出液收集流道，每条出液收集流道上设置一个出液口。

参照图5，图5是本实施例提供的一种冷却剂局部流向图。图中黑色箭头表示冷却液在其中一个微流体冷却子系统中的流动方向。如图4所示，冷却剂泵为冷却液提供动力，将冷却液输入微流体冷却系统，冷却液从进液口流入进液流道，通过进液分配流道分别流入每一条毛细流道，最后全部流入出液收集流道，从出液口流出。

结合图1-图4所示，本实施例提供的嵌入式微流体冷却系统可以包含两套并列的微流体冷却子系统，这两套微流体冷却子系统彼此独立运行，互不相通。在实际应用中，嵌入式微流体冷却系统可以根据冷却性能的要求、尺寸的要求，确定微流体冷却子系统的数量。示例性地，可以是1个、2个或更多。

微流体冷却系统的冷却效果的优劣主要体现为芯片表面的最高温度、芯片表面的平均温度、芯片温度的分布均匀性等方面。而冷却液与结构壁的接触面积、流量、冷却液材质、冷却系统结构材质等都是影响冷却效果的重要因素。一般来说，微流体的温度分布均匀性差大多是由流量分布不均导致，同时还会伴随出现芯片部分区域热量集中，最高温度上升的情况，这也是目前的微流体系统普遍存在的问题。

毛细流道是冷却系统中起主要散热作用的流道，可以称为工作流道，各毛细流道的结构设计保持一致，使各毛细流道中冷却液与结构壁的接触面积相同，保证基本的散热效果均匀性。冷却液通过进液分配流道依次为各毛细流道进行供给，两端压降变化使各微流体冷却子系统中远离进液口和出液口的毛细流道中流速更低，流量更小，使得各微流体冷却子系统的工作区域中间位置温度最高，微流体的冷却效果不均匀。

图6是本发明实施例提供的一种改进前的嵌入式微流体的热性能仿真结果示意图。如图6所示，歧管式微流体中的流道呈双H型，拥有4个冷却子系统。如图6所示，在未对该微流体进行改进前，进液分配流道1.2的宽度保持不变，进液口位于出液收集流道的一端，此时整个微流体的冷却效果不均匀。

这是由于工作区域的中间位置冷却液流速最低，又因工作流道的横截面积相同，所以工作区域的中间位置冷却液流量最低，此现象被称作歧管式微流道流量分布不均匀现象。此现象所导致的结果就是热源表面温度分布不均匀，而热源温度均匀性是判断散热性能好坏的重要标准之一。该冷却系统表面温度分布不均，各工作区域各自的中间位置散热效果最差，且由于热量集中，在各个冷却子系统工作区域的中间位置出现了最高表面温度。

因此，如图3所示，所述进液分配流道在进液分配第一通道口1.21的通道宽度为进液分配第一通道宽度，所述进液分配流道在进液分配第二通道口1.22的通道宽度为进液分配第二通道宽度，所述进液分配第二通道宽度小于所述进液分配第一通道宽度，包括：所述进液分配流道的通道宽度从进液分配第一通道口向进液分配第二通道口逐渐减小；所述进液分配第一通道口是进液分配流道靠近进液口的通道口，所述进液分配第二通道口是进液分配流道远离进液口的通道口。

其中，所述进液分配第一通道口是进液分配流道靠近进液口的通道口，所述进液分配第二通道口是进液分配流道远离进液口的通道口。这里的通道口是指进液分配流道两端的通道口。

在本实施例中，进液分配流道的通道宽度逐渐减小，即，进液分配流道的横截面积逐渐减小，根据公式流量＝流速×流道的横截面积，改进前的微流体两端的压降变化的不均匀性使得远离进液口和出液口的毛细流道内流速较低，流量较小，改进后的微流体的进液分配流道的横截面积逐渐减小，减小了靠近出液口的各毛细流道的流量，在保证了进液分配流道的平滑性的同时，也在一定程度上减弱了流量差异带来的影响，使各毛细流道内的流速更加接近，从而使得各毛细流道内的流量保持一致，让冷却系统的散热效果均匀分布。

如图4所示，多条毛细流道可以平行设置，并且，毛细流道可以与对应的进液流道平行设置。

参照图2，第一毛细流道2.21是靠近进液分配第一通道口的毛细流道，第二毛细流道2.22是靠近进液分配第二通道口的毛细流道；所述第一毛细流道端是出液流道靠近第一毛细流道的通道端，所述第二毛细流道端是出液流道靠近第二毛细流道的通道端。

在本实施例中，第一毛细流道2.21同样也是离进液流道最近的毛细流道，相应地，第二毛细流道2.22则是离进液流道最远的毛细流道。

如图5所示，在本实施例中，冷却剂流体通过多条毛细流道汇入一条出液流道，通过该出液流道上的出液口流出，将回到冷却剂泵。如图3所示，出液流道的两端分别为第一毛细流道端1.31和第二毛细流道端1.32，冷却剂分别从第一毛细流道和第二毛细流道，通过第一毛细流道端和第二毛细流道端进入出液流道。

在靠近出液口处，受流阻和压降变化的影响，毛细流道内的流速会相应增加。因此，出液口在出液流道上所处位置的设置，同样影响各毛细流道内冷却液的流速。因而在本实施例中，还可以对出液口的位置进行优化。

因此，所述出液口到第一毛细流道端1.31的距离为第一距离，所述出液口到第二毛细流道端1.32的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离。

通过本实施例，减小了出液口位置对各毛细流道内冷却液流速的影响，使得各个进液流道的各个毛细流道的流量和流速能够进一步保持一致，增强散热的均匀性，并且，由于这样做还能够降低微流体所有流道的整体流阻，降低热源的最高温度，还将降低对泵功率的需求。

进一步调整进液分配第二通道宽度与所述进液分配第一通道宽度的比值，可以使得各个毛细流道的流速能够更加接近。因此，在一种实施方式中，所述进液分配第二通道宽度与所述进液分配第一通道宽度的比值等于1：3。

通过本实施例，使得各个毛细流道的流速能够更加接近，进而使各个毛细流道的流量方差更小，提高微流体的散热均匀性。

进一步调整出液口在出液收集流道上的位置，可以使得各个毛细流道的流速能够更加接近，并且，可以让微流体的整体流阻减小，降低热源的最高温度，还将降低对泵功率的要求。因此，在一种实施方式中，所述第一距离与所述第二距离的比值为2:1。

通过本实施例，使得各个毛细流道内冷却液的流速更加接近，并且，可以让微流体的整体流阻减小，降低热源的最高温度，还将降低对泵功率的要求。

增大毛细流道的流阻，将使各个毛细流道内冷却液的流速更加接近，但同时也将减小微流体内流体通道的整体流速，并对泵功率提出更高的要求。因此，合理设置毛细流道的通道宽度，将毛细流道的流阻控制在合理的范围，可以使各个毛细流道内冷却液的流速更加接近，同时能减小对微流体内流体通道的整体流速的影响，减少对泵功率的要求。

为此，在本实施例中，所述毛细流道的通道宽度大于等于100μm且小于等于300μm；所述毛细流道的结构肋片2.3宽度大于等于200μm且小于等于500μm。

进一步地，所述毛细流道的通道宽度等于150μm，所述毛细流道的结构肋片宽度等于350μm。

通过上述实施例，综合考虑毛细流道的宽度、密度对微流体的整体散热能力和散热均匀性的影响，将毛细流道的流阻控制在合理的范围，可以使各个毛细流道内冷却液的流速更加接近，同时能减小对微流体内流体通道的整体流速的影响，减少对泵功率的要求。

以及，考虑到材质的散热性能和适用性，在一种实施方式中，所述冷却系统的结构材料为硅，所述冷却系统的冷却液材料包括以下任一项：水、乙二醇、HFE-7100溶液。

为便于嵌入式微流体冷却系统的制造生产，提高封装的便捷性，在本实施例中，所述硅基转接板由上层硅晶(1)和下层硅晶(2)通过键合完成封装。

同样为了便于嵌入式微流体冷却系统的制造生产，提高封装的便捷性，在本实施例中，所述毛细流道与其他流道分为上下层设置；

其中，通过分别对所述上层硅晶和所述下层硅晶进行刻蚀，将所述毛细流道设置于所述下层硅晶，将所述进液流道、所述出液分配流道和所述出液收集流道设置于所述上层硅晶。

由于在整个微流体结构中，毛细流道能够起到更加均匀有效的散热作用，可以将毛细流道所在的下层硅晶设置在靠近芯片的位置。为此，在本实施例中，所述下层硅晶为近芯片端，所述上层硅晶为近泵端。

参见图7，图7是本发明实施例提供的一种改进后的嵌入式微流体的热性能仿真结果示意图。本发明对上述实施例所述的嵌入式微流体进行了仿真，如图7所示，热学仿真中热源表面的最高温度大幅度下降，且表面温度分布均匀，获得了更好的整体散热效果和散热均匀性。

通过上述实施例，本发明提供的嵌入式微流体冷却系统，通过对微流体内部的进液分配流道的结构设计改进和出液口所在位置的改进，使得各个毛细流道内的流量大小更加接近，增强微流体散热的均匀性。还可以减小微流体的整体流阻，降低热源的最高温度，增强微流体的散热效果，同时降低对泵功率的要求，能够进一步通过更小的空间占用实现更加的散热效果。

基于同一发明构思，本发明实施例提供一种硅基转接板，所述硅基转接板包括上述任一实施例所述的嵌入式微流体冷却系统。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。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、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种嵌入式微流体冷却系统和一种硅基转接板，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种嵌入式微流体冷却系统，应用于硅基转接板，其特征在于，所述系统包括：进液流道(1.1)、进液分配流道(1.2)、出液收集流道(1.3)、毛细流道(2.2)、进液口(1.4)和出液口(1.5)，所述进液流道连接所述进液分配流道，所述毛细流道连接所述进液分配流道和所述出液收集流道，所述进液口设置于所述进液流道上，所述出液口设置于所述出液收集流道上；

冷却液从进液口流入进液流道，通过进液分配流分别流入每一条毛细流道，最后全部流入出液收集流道，从出液口流出；

所述进液分配流道在进液分配第一通道口(1.21)的通道宽度为进液分配第一通道宽度，所述进液分配流道在进液分配第二通道口(1.22)的通道宽度为进液分配第二通道宽度，所述进液分配第二通道宽度小于所述进液分配第一通道宽度，包括：所述进液分配流道的通道宽度从进液分配第一通道口向进液分配第二通道口逐渐减小；

所述进液分配第一通道口是进液分配流道靠近进液口的通道口，所述进液分配第二通道口是进液分配流道远离进液口的通道口；

所述出液口到第一毛细流道端(1.31)的距离为第一距离，所述出液口到第二毛细流道端(1.32)的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离；

第一毛细流道(2.21)是靠近进液分配第一通道口的毛细流道，第二毛细流道(2.22)是靠近进液分配第二通道口的毛细流道；所述第一毛细流道端是出液流道靠近第一毛细流道的通道端，所述第二毛细流道端是出液流道靠近第二毛细流道的通道端。

2.根据权利要求1所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，所述进液分配第二通道宽度与所述进液分配第一通道宽度的比值等于1：3。

3.根据权利要求1所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，所述第一距离与所述第二距离的比值为2:1。

4.根据权利要求1所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，

所述毛细流道的通道宽度大于等于100μm且小于等于300μm；所述毛细流道的结构肋片(2.3)宽度大于等于200μm且小于等于500μm。

5.根据权利要求5所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，

所述毛细流道的通道宽度等于150μm，所述毛细流道的结构肋片宽度等于350μm。

6.根据权利要求1所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，

所述冷却系统的结构材料为硅，所述冷却系统的冷却液材料包括以下任一项：水、乙二醇、HFE-7100溶液。

7.根据权利要求1所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，所述硅基转接板由上层硅晶(1)和下层硅晶(2)通过键合完成封装。

8.根据权利要求7所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，

所述毛细流道与其他流道分为上下层设置；

其中，通过分别对所述上层硅晶和所述下层硅晶进行刻蚀，将所述毛细流道设置于所述下层硅晶，将所述进液流道、所述出液分配流道和所述出液收集流道设置于所述上层硅晶。

9.根据权利要求8所述的嵌入式微流体冷却系统，其特征在于，

所述下层硅晶为近芯片端，所述上层硅晶为近泵端。

10.一种硅基转接板，其特征在于，所述硅基转接板包括权利要求1至9任一项所述的嵌入式微流体冷却系统。

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