CN112992817B - 微流道自驱动内循环对流强化传热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种微流道自驱动内循环对流强化传热方法，能够降低芯片结温，减小多芯片组件的热点温度，本发明通过下述技术方案实现：以封闭换热器壳体的壁面作为集成电路/芯片/微系统的传热面，芯片固定在金属基座上，金属基座底面层叠在导热衬底上，导热衬底的下方垂直固联有阵列在换热器底板上的安装柱，安装柱等距排列，矩阵分布在所述集成电路芯片结或微系统中的芯片四周，填充了工质填料的微流道旋流管以同心圈方式沿着换热器内腔，环绕芯片形成与传热面对流的多维层矩形立方体形螺旋管循环热通路，微流道螺旋管与外部热沉紧密贴合，构成传热路径循环系统，循环散热流体工质与传热面冷端冷流体产生传热温差的驱动力，启动自循环。

Description

微流道自驱动内循环对流强化传热方法

技术领域

本发明涉及集成电路/芯片/微系统热设计领域，集成电路内部微流道自驱动强化传热的方法。

背景技术

随着电子元器件的小型化和高集成度使得其热流密度不断增加，以及集成电路/芯片、功率芯片的功率增大，散热问题日益突出。功率芯片热流密度大、温度波动大、阵列芯片间温度差异大，散热问题已经严重制约着微电子器件的高速发展。面对集成电路/芯片/微系统日益增加的高性能、高集成度和小型化的应用需求，高效的冷却性能对其发展至关重要。微流道4作为一种新型散热技术，具有极低的热阻、较大的换热系数和良好的散热效能。随着晶体管特征尺寸的减小，芯片上能够集成的晶体管数量也越来越多，导致芯片产生高热流密度，同时产生大量的热量。热量若不能及时的转移，芯片长期工作在高温下，会减少电子元器件的工作寿命或者直接造成芯片的失效。一方面，器件热流密度特别高；另一方面，传热温差小，通常在几十度范围内。因此微电子器件的冷却变得非常困难。由此引发的热障问题使得对高性能冷却技术的需求到了前所未有的层面。

基于层流流动换热系数与通道当量尺寸成反比的理论，将热沉通道缩小到微小尺寸能显著提高换热效果。微通道换热基于结构和流体的改变优化，使得微通道换热有了很大的发展。微流道4散热器是针对芯片散热而提出的一种非常有潜力的散热方式。相对于传统的风冷散热以及宏观水冷散热，微流道散热器的尺寸小，比表面积高，同时散热效能高。对多芯片组件来说，可以根据芯片所在位置专门设置微流道来对热点进行专门散热，降低芯片温度，减小多芯片组件基板的热点温度，有利于延长多芯片组件的使用寿命。微流道作为散热器内部介质输运的载体，其流动和传热性能对微流道散热器的结构设计和散热效率的提高具有重要意义。集成电路/芯片/微系统以内的传热路径成为内部热路，以外的传热路径成为外部热路。通常情况下，对于使用集成电路/芯片/微系统的设备，在设计阶段会针对其良好导热的路径进行强化传热设计，尽可能降低热沉与集成电路/芯片/微系统的有效传热面之间的热阻，即尽量降低外部热路的热阻。芯片结发热时，其热传导路径为：芯片结-内部热路-外部热路-热沉。内部与外部热路之间的传热逻辑关系是串联，因此必须控制内部热路产生的温升，即降低内热阻。一般而言，集成电路/芯片/微系统的内热阻在10-2～101℃/W的数量级范围之内，内部导热结构的设计好坏将会对内热阻产生横跨4个数量级的影响，其对集成电路/芯片/微系统特性的影响和最终功能的实现不可小觑。内热阻是集成电路/芯片/微系统重要的固有特性之一，在设计时应尽量降低这一数值。内热阻一般使用结-壳热阻或结-基板热阻来进行定量描述，前者代表了芯片结到其换热器壳体7的传导热阻，后者代表了芯片结到其安装基板的传导热阻。对于集成电路/芯片/微系统的结温，有以下计算公式：T_j＝T_c+Q.θ_jc，其中，T_c代表其壳温，Q代表热耗，θ_jc代表内热阻。解决传热技术通常在给定工质温度、热负荷以及总流动阻力的条件下，采用强化传热技术使换热器尺寸大小、质轻的角度进行比较，比较得出的最佳强化传热技术。一般在改变固定换热器尺寸、总阻力和热负荷三个主要性能参数进行比较，得到最佳角度三个性能参数。强化传热的目的是减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；其次是提高现有换热器的能力，使换热器能在较低温差下工作。减少换热器的阻力还是换热器的动力消耗。从提高传热系数的各种强化传热技术分，则可分为有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。前者也称主动强化传热技术、有源强化技术、后者也称为被动强化技术、无源强化技术。有功强化传热技术需要应用外部能量来达到强化传热的目的；无功传热强化技术则无需应用外部能量即能达到强化传热的目的。有功强化传热技术包括机械强化法、震动强化、静电场法和抽压法等；无功强化传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩展表面法、装设强化元件法、加入扰动流体法等。单项流体管内强制对流换热时，流体做层流运动，流体沿相互平行的流线分层流动，各层流体间互不掺混，垂直于流动方向上的热量传递只能依靠流体内部的导热进行，因而换热强度较低。当流体做湍流运动时，流体的传热方式有两种：在层流底层区的热量传递主要依靠导热；而在底层以外的湍流区，除热传导以外，主要依靠流体微团的混合运动。除液态金属以外，一般流体导热率都很小，湍流换热时的主要热阻在层流地层区。因此对于强化湍流流动的换热，主要原则是减薄层流底层的厚度。在管子数目、工质流量及管道横截面周界均给定的情况下，圆形管道的流通截面积最大，矩形的最小，而流速恰好相反。在个管道中温度条件相同时，矩形管道能增加换热系数，但同时阻力也剧增，这就是管式换热器一般采用圆管而不用换热效果横好的矩形管道的原因。利用振动强化单相流体对流换热的方法可分为两种：一种是使换热面振动以强化换热；另一种是使流体脉动或振动以强化换热。研究表明，不管是换热面振动还是流体振动，对单相流体的自然对流和强制对流换热都是有强化作用的。振动可以增大流体间的扰动，干扰附面层的形成和发展，从而减小换热热阻，达到强化换热的目的。结果表明，换热面在流体中振动时，根据振动系统的不同，自然对流换热系数可提高30％～2000％。由于振动传热的效果随着介质流动状态变化而存在显著差别。一般情况下，随着流动数的增加，振动强化传热的效果会逐渐减弱。此外，流体介质自身的属性也会对振动强化传热的效果产生一定的影响，如同等条件下水的振动传热效果要优于水状甘油。与其它的强化传热技术相比，振动强化传热的效果比较显著，但是换热表面振动通常是应用机械振动或电机带动的偏心装置来实现的。这些装置的运行需要消耗能量。

传统的集成电路/芯片/微系统内部热路结构为：芯片结-衬板-焊层-基板-导热胶-换热器底板，内部层数较多、热路较长、热阻较高。特别是对于一些小体积、高热耗的集成电路，如电源芯片或射频微系统等，传统内部结构所带来的内热阻一般都在100℃/W数量级以上，难以继续下降，是集成电路本身和设备的可靠性瓶颈所在，亟需采用新技术以实现其内热阻的数量级下降。

在传统的集成电路/芯片/微系统中，为了降低内热阻，通常会使用一些成本高昂的导热材料(如金刚石及其制备物等)。传统的集成电路/芯片/微系统内部传热方法只使用传导这一种方式进行传热，传统的方法下，由于只使用传导这一种方式，因此内热阻是常数，不利于高功耗的工作模式。当循环微流道4内的工质受热不均匀时，在传热温差的推动下和微流道4的毛细力的作用下，可以形成自驱动流动的现象。当流动带来的对流传热加入集成电路/芯片/微系统的内部热路后，其内热阻将随着对流强度变化，更加有利于高功耗的工作模式。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种热阻更小的强化传热方法。能够降低芯片结温，减小多芯片组件基板的热点温度，有利于延长多芯片组件使用寿命的集成电路内微流道自驱动强化传热的方法。

为实现本发明的上述目的，采用如下技术方案，一种微流道自驱动内循环对流强化传热方法，其特征在于：以封闭换热器壳体7的壁面作为集成电路/芯片/微系统的传热面，将集成电路芯片结或微系统中的芯片1通过焊层固定在金属基座2上，金属基座2底面层叠在导热衬底3上，导热衬底3的下方垂直固联有阵列在换热器底板5上的安装柱6，安装柱6等距排列，矩阵分布在所述集成电路芯片结或微系统中的芯片1四周，填充了工质填料的微流道4旋流管以同心圈方式沿着换热器内腔，环绕集成电路芯片结或微系统中的芯片1形成与传热面对流的多维层矩形立方体形螺旋管循环热通路，微流道4螺旋管与外部热沉紧密贴合，构成往返循环传导热量的传热路径循环系统，流动于微流道4螺旋管流道中的循环散热流体工质，沿流体流动方向，将在集成电路芯片结或微系统中的芯片1热端做旋流运动的热流体，与传热面冷端冷流体产生传热温差热传热的的驱动力，在微流道4毛细力无源扰动的促进体的作用下启动自循环，对集成电路芯片结或微系统中的芯片1进行强化吸热，并在换热器底板上放热，形成完整的周期地吸热和放热的冷却循环机制。

本发明相比传统内部传热方法的具有如下有益效果：

在以封闭在换热器壳体7中的壁面作为传热面的集成电路/芯片/微系统中，芯片结或微系统中的芯片通过焊层固定在金属基座2上，金属基座2底面层叠在导热衬底3上，导热衬底3利用下方垂直固联在换热器壳体底板5上多根间隔阵列的安装柱6间区形成传导的微流道4热通路，换热器以封闭在集成电路换热器壳体7中的内侧壁面作为换热器底板，沿集成电路芯片结或微系统中的芯片1温度场分布工况，形成与传热面对流热通路的往返循环的微流道4，通过在集成电路/芯片/微系统中一体化集成微流道4的结构、并预先充入传热工质的方法，使得传热工质可以在集成电路发热后自行进行内循环，达到导通集成电路内部热路中的对流热阻的效果；同时，通过传导和对流并联传热的方式，降低了集成电路的表征内热阻。集成电路/芯片/微系统的内热阻降低，带来的直接效果是在相同的许用结温下，器件的许用壳温提高。采用这种微流道4内的对流高效的强化传热机制，具有极高的换热系数。避免了传统的集成电路/芯片/微系统内部传热方法只使用传导这一种方式进行传热的缺陷。

本发明采用封闭在集成电路换热器壳体7中的内侧壁面作为换热器底板，沿集成电路芯片结或微系统中的芯片1形成与传热面对流热通路的往返循环的微流道4，集成电路/芯片/微系统传热面与外部热沉紧密贴合构成传热路径。可扩大换热面表面积，并促进流体的扰动而减小传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加传热量，或者在传热量不变时减小换热器的体积，达到高效紧凑的目的。

本发明微流道4内的循环散热工质将在热端(集成电路芯片结或微系统中的芯片1与冷端(传热面)的传热温差的推动下和微流道4毛细力的作用下启动自循环，在芯片结或微系统中的芯片附近吸热，并在换热器底板附近放热，形成完整的冷却循环机制流体，在流道中产生强烈扰动，使边界层不断破坏、更新，从而有效地降低热阻，提高传热能力。

本发明在靠近芯片结的部分(热端)和靠近换热器底板的部分(冷端)产生温差势能。通过微结构，在毛细力的作用下，工质产生等效于在集成电路内部进行强迫对流的自循环的现象，极大地降低传热热阻。可以使流动阻力最小而传热系数最大，显著降低集成电路/芯片/微系统的内热阻。微流道4由于尺寸小，天然具有与集成电路/芯片/微系统一体化集成的优势，通过合理的流体、流道、电气、机械结构协同设计，低功耗时，温差势能较小，微流道4内工质的流速较低，内热阻相对较大；高功耗时，温差势能较大，微流道4内工质的流速较快，内热阻相对较低。即：功耗越大，内热阻越低，可以起到自适应匹配内热阻的效果。可以实现集成电路的低内热阻解决方案。尤其是在本发明中，冷却工质已经被预先密封在集成电路内部，无需使用微流体连接等复杂的技术。因此，使用该集成电路的系统热设计可以更加简单，避免了传统设计方法下的复杂系统热设计方式，提高了系统的简易性。一方面，由于系统简易性的提高，系统中不可靠的部件数量减少，可靠性得以上升；另一方面，由于内热阻降低、许用壳温上升，集成电路/芯片/微系统热设计本身的冗余量也在提高，以上两重因素共同导致了系统可靠性的提高。

本发明采用沿集成电路芯片结或微系统中的芯片1温度场分布工况，形成与传热面对流热通路的往返循环的微流道4运行工况，使流动阻力最小而传热系数最大，并且增大了强化传热的平均传热温差，增加了强化传热换热面积，提高了强化传热传热系数，使得集成电路/芯片/微系统的内热阻降低，且可与其功耗自适应匹配，还可降低物料成本，并提高使用该集成电路的系统的可靠性，直接提高了电子系统的综合竞争力。螺旋管循环热通路错开带在管内流体中引起的旋转、流体的不断分割和掺混使得中心流体与管壁流体产生较强的径向混合，破坏边界层的发展，强化了传热过程。

本发明适用于解决集成电路/芯片/微系统(包括片上系统和系统级封装SiP)内热阻过大的热设计问题。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明微流道自驱动内循环对流强化传热结构的剖视示意图；

图2是图1的视剖俯视图。

图3是图1用虚线表示的微流道循环冷却工质流向示意图，其中箭头表示冷却工质流动方向；

图4是图2的示意图；

图中：1集成电路芯片结或微系统中的芯片，2金属基座，3导热衬底，4微流道，5换热器底板，6安装柱，7换热器壳体，8充液口。

具体实施方式

参阅图1-图4。根据本发明，以封闭换热器壳体7的壁面作为集成电路/芯片/微系统的传热面，将集成电路芯片结或微系统中的芯片1通过焊层固定在金属基座2上，金属基座2底面层叠在导热衬底3上，导热衬底3的下方垂直固联有阵列在换热器底板5上的安装柱6，安装柱6等距排列，矩阵分布在所述集成电路芯片结或微系统中的芯片1四周，填充了工质填料的微流道4旋流管以同心圈方式沿着换热器内腔，环绕集成电路芯片结或微系统中的芯片1温度场分布工况，形成与传热面对流的多维层矩形立方体形螺旋管循环热通路，微流道4螺旋管与外部热沉紧密贴合，构成往返循环传导热量的传热路径形成循环系统，流动于微流道4螺旋管流道中的循环散热流体工质沿流体流动方向，将在集成电路芯片结或微系统中的芯片1热端做旋流运动的热流体，与传热面冷端冷流体产生传热温差热传热的驱动力，在微流道4毛细力无源扰动的促进体的作用下启动自循环，对集成电路芯片结或微系统中的芯片1进行强化吸热，并在换热器底板5上放热，形成完整的周期地吸热和放热的冷却循环机制。

集成电路芯片结或微系统中的芯片1焊接在金属基座2上，金属基座2与导热衬底3相连接，微流道4与换热器壳体7、换热器底板5和安装柱6一体化成型，将集成电路芯片结或微系统中的芯片1封装在封闭的换热器壳体7腔体中制造。

换热器壳体7与工质流动结构整体相焊接，并预留出充液口8，提高了换热器的强度和承压能力。

在可选的实施例中，可以在微流道4管内插入金属螺旋线圈是继续传热强化。将金属螺旋线圈插入并固定在微流道4管内，即可构成螺旋线圈强化传热管。在内插螺旋线圈管子的近壁区域，流体一方面由于螺旋线圈的作用发生旋转，一方面还周期性的受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝较细，流体旋转强度较弱，因此这种强化管的流动阻力相对较小。

通过充液口8对微流道4抽真空，充注氟碳化合物工质，随即采用焊接的方式将充液口8密封。将封装完毕的集成电路/芯片结或微系统中的芯片1安装在对象系统中，并对其对象系统加电，此时，集成电路芯片结或微系统中的芯片1发热，少部分热量沿金属基座2-导热衬底3-安装柱6-散热器换热器壳体7这一传导路径导出，大部分热量沿微流道4-散热器换热器壳体7这一对流路径传热，其内热阻低于传统方法的集成电路/芯片/微系统内热阻，此时其温升也低于传统方法下的温升。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；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 (6)

1.一种微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：以封闭换热器壳体(7)的壁面作为集成电路/芯片/微系统的传热面，将集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)通过焊层固定在金属基座(2)上，金属基座(2)底面层叠在导热衬底(3)上，导热衬底(3)的下方垂直固联有阵列在换热器底板(5)上的安装柱(6)，安装柱(6)等距排列，矩阵分布在所述集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)四周，填充了工质填料的微流道(4)旋流管以同心圈方式沿着换热器内腔，环绕集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)形成与传热面对流的多维层矩形立方体形螺旋管循环热通路，微流道(4)螺旋管与外部热沉紧密贴合，构成往返循环传导热量的传热路径循环系统，流动于微流道(4)螺旋管流道中的循环散热流体工质，沿流体流动方向，将在集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)热端做旋流运动的热流体，与传热面冷端冷流体产生传热温差的驱动力，在微流道(4)毛细力无源扰动的促进体的作用下启动自循环，对集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)进行强化吸热，并在换热器底板(5)上放热，形成完整的周期地吸热和放热的冷却循环机制。

2.如权利要求1所述的微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)焊接在金属基座(2)上，金属基座(2)与导热衬底(3)相连接，微流道(4)与换热器壳体(7)、换热器底板(5)和安装柱(6)一体化成型，将集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)封装在封闭的换热器壳体(7)腔体中制造。

3.如权利要求1所述的微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：换热器壳体(7)与工质流动结构整体相焊接，并预留出充液口(8)。

4.如权利要求3所述的微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：充液口(8)对微流道(4)抽真空，充注氟碳化合物工质，随即采用焊接的方式将充液口(8)密封。

5.如权利要求1所述的微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：在微流道(4)管内插入金属螺旋线圈，将金属螺旋线圈插入并固定在微流道(4)管内，构成螺旋线圈强化传热管。

6.如权利要求5所述的微流道自驱动内循环对流强化传热方法其特征在于：将封装完毕的集成电路/芯片结或微系统中的芯片(1)安装在对象系统中，并对其对象系统加电，此时，集成电路芯片结或微系统中的芯片(1)发热，少部分热量沿金属基座(2)-导热衬底(3)-安装柱(6)-散热器换热器壳体(7)这一传导路径导出，大部分热量沿微流道(4)-散热器换热器壳体(7)这一对流路径传热。

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