CN113421864B - 三维封装相变散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维封装相变散热装置，主要解决现有三维封装内部散热结构中易产生噪声、振动且耗能多、可靠性差的问题。其包括上封装壳体(1)、下封装基板(3)、立体热管(4)和三维封装叠层(7)，该三维封装叠层内设有热硅通孔部件(6)和微通道(9)，并与立体热管相嵌后，置于上封装壳体和下封装基板构成的封装腔体内，其外部包覆相变材料(2)。热硅通孔部件内穿微通道之间的通孔中，三维封装叠层通过热硅通孔部件将部分热量传递给立体热管，利用相变材料提取微通道和立体热管中的热量进行外部换热。本发明提高了三维封装叠层温度分布的均匀性，强化了三维封装叠层内部散热，保障了三维封装的可靠性，可用于电子设备的封装。
Description
技术领域：
本发明属于电子封装技术领域，特别涉及一种散热装置，可用于电子设备的封装。
背景技术
5G、物联网、医疗电子、人工智能、高性能计算等新兴领域的快速发展对先进封装提出了更高的要求，现有的主流封装为二维封装。
而二维封装由于存在功耗、访存、片上互连等问题，阻碍了电子器件性能的进一步提高，高频、高速、高集成度、低能耗的三维封装应运而生。与传统的二维封装相比，三维封装的尺寸及重量可下降数十倍，并在不增加能耗的基础上提高元件运行速度、减少信号延迟，成为微系统小型化的有效方案。
然而，三维封装空间狭小，芯片的堆叠和热负荷的增加，大大增大了芯片的功率密度，中间叠层中芯片的热量较难散发，导致三维封装的热点温度过高、温度分布不均匀而产生热变形等散热问题越发严重，限制了三维封装的发展。近年来，学者们针对三维封装内部散热的结构设计与优化开展了研究。
公开号为CN106356344B专利申请提出了一种基于三维堆叠封装的风冷散热结构及制造方法。该风冷散热结构主要由PCB板、堆叠在其上的多层基板和芯片构成，其采用加工通孔和加热回流的方法制造出该风冷散热结构。并通过在多层基板上开通孔，利用风扇从封装体上方向内部吹风，实现三维封装内部的高效散热。该装置由于使用风扇吹风易产生噪声，且风量在封装体通孔内分布不均，易造成三维封装内部温度分布不均而产生热变形的问题，影响三维封装的可靠性。
公开号为CN109524373B专利申请，提出了一种嵌入式微流道的三维主动散热封装结构及其制作工艺。该三维主动散热封装结构主要由微流道芯片结构单元、二维异构集成结构单元、嵌入微流道基板和外壳构成，采用晶圆键合、常规TSV、凸点互连、常规封帽、深反应离子刻蚀等工艺制作出该三维主动散热封装结构。其通过在三维封装内部嵌入微流道利用流体工质流动带走三维封装内部的热量，以减小三维封装叠层间热阻，促进三维封装内部散热。该装置由于需要用到泵等机械元件驱动，因而系统较为复杂，不利于三维封装小型化，且易产生振动、泄露等问题，影响电子设备工作的稳定性。
此外，以上现有技术还存在如下问题：1)两种散热结构需要消耗外界能量，不利于节能；2)工质利用显热所能吸收的热量有限，限制两种散热结构的散热性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种三维封装相变散热装置，以避免机械元件的使用，消除散热结构产生的噪声与振动，并减少能耗，提高三维封装内部的散热性能，减小温度分布不均匀而产生的热变形，保障三维封装工作的可靠性。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种三维封装相变散热装置，包括上封装壳体、下封装基板和三维封装叠层，三维封装叠层位于上封装壳体与下封装基板组成的封闭腔体中，其特征在于：
所述三维封装叠层包括多个封装单层，且相嵌于立体热管内，该立体热管外包覆有相变材料；
所述每个封装单层由器件层、热硅通孔部件、硅基板和微通道构成，器件层位于硅基板的上表面，多条微通道刻蚀在硅基板的内部，热硅通孔部件内穿在硅基板微通道之间的通孔中，作为立体热管的气液流通路径；
所述相变材料用于提取微通道和立体热管中的热量，进行外部换热。
进一步，所述的立体热管包括上平板腔体、下平板腔体、多个液体流通管道和多个蒸汽流通管道，这些液体流通管道和蒸汽流通管道固定在上平板腔体与下平板腔体之间，形成一体结构。
进一步，所述多个液体流通管道与多个蒸汽流通管道平行竖立，且多个蒸汽流通管道分布在上平板腔体与下平板腔体之间的中心位置，多个液体流通管道分布在上平板腔体与下平板腔体之间的四边位置，形成回字型分布，构成热硅通孔部件。
进一步，每个液体流通管道，其内部为带有微槽道的吸液芯结构；每个蒸汽流通管道，其内部为光滑管壁。
进一步，所述器件层，其上布置有各种功能的芯片、微型无源器件和有源器件。
进一步，所述每条微通道采用矩形直通道结构或不同形式的柱状通道结构。
进一步，所述的三维封装叠层通过焊球与下封装基板固定在一起。
进一步，所述的相变材料选择熔点在三维封装叠层工作温度范围内的绝缘材料。
进一步，所述硅基板采用厚度为微米到毫米级的薄板。
本发明相对于现有技术，具有如下优点：
1)本发明由于将三维封装内嵌于立体热管并外包覆相变材料，可利用立体热管内气液的相变潜热和相变材料液固的相变潜热来强化三维封装散热，避免了机械驱动元件的使用，有利于消除由于机械驱动元件工作而产生的噪声与振动，并减少能耗。
2)本发明通过利用三维封装微通道内相变材料的流动相变和热硅通孔即立体热管的气液流通路径将热量传递给立体热管的上下平板腔体，提高了三维封装内部的换热性能。
3)本发明由于考虑到热载荷分布的影响，多个蒸汽流通管道分布在立体热管上平板腔体和下平板腔体之间的中心位置，多个液体流通管道分布在立体热管上平板腔体和下平板腔体之间的四边位置，形成回字型分布，可提高三维封装温度分布的均匀性以减小其由于热应力而产生的热变形，保障三维封装工作的可靠性。
4)所采用的蒸汽流通管道内部为光滑管壁，可以减小蒸汽流通的阻力，液体流通管道内部为带有微槽道的吸液芯结构，可以增强液体流通的毛细吸力来促进液体回流，有利于强化立体热管内工质传热传质。
5)本发明利用相变材料提取微通道和立体热管中的热量并进行外部换热，有助于实现三维封装的高效散热以促进其工作稳定性。
附图说明
图1为本发明的三维封装相变散热装置结构图；
图2为本发明中的立体热管结构图；
图3为本发明中立体热管的工质流通路径截面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。
参照图1，本实例的三维封装相变散热装置，包括上封装壳体1、相变材料2、下封装基板3、立体热管4和三维封装叠层7，上封装壳体1和下封装基板3构成封装壳体，三维封装叠层7内嵌于立体热管4，并置于封装壳体内，其外部包覆相变材料2，且通过焊球10与下封装基板3固定在一起。
所述三维封装叠层7包括多个封装单层，每个封装单层由器件层5、热硅通孔部件6、硅基板8、微通道9构成，器件层5位于硅基板8的上表面，多条微通道9刻蚀在硅基板8的内部，热硅通孔部件6内穿在硅基板8微通道之间的通孔中，作为立体热管4的气液流通路径；器件层5上布置有各种功能的芯片、微型无源器件和有源器件；硅基板8采用厚度为微米到毫米级的薄板，在本实例中硅基板厚度取为400微米，但不限于此；三维封装叠层7的封装单层数可为2-10层，本实例中封装单层数取为3层，但不限于3层。三维封装叠层7通过热硅通孔部件6将部分热量传递给立体热管4的上下平板腔体，利用相变材料2提取微通道9和立体热管4中的热量进行外部换热。三维封装叠层7的微通道9设为直通道或各种形式的柱状通道，在本实例中为矩形柱状微通道，以提供相变材料2在三维封装内流动相变的通道，强化三维封装内部散热。该相变材料2采用熔点在三维封装叠层7的工作温度范围内的绝缘材料，通过液固相变潜热控制三维封装的温度，并将封装壳体内部的热量传递到外界。三维封装叠层7的工作温度为-55至120℃，在本实例中设工作温度为55℃，相变材料2为石蜡，但不限于此。三维封装叠层通过热硅通孔部件将部分热量传递给立体热管的上下平板腔体，通过相变材料提取三维封装叠层微通道内相变材料的液固流动相变潜热和立体热管内的气液流动相变潜热，以强化三维封装叠层内部的散热。
参照图2，本实例的立体热管4由上平板腔体41、下平板腔体42、多个液体流通管道43和多个蒸汽流通管道44构成，这些液体流通管道43和蒸汽流通管道44固定在上平板腔体41与下平板腔体42之间，形成一体结构，且每个腔体和管道内均注有与三维封装工作温度相适宜的工质，在本实例中注入的工质为无水乙醇。
所述多个液体流通管道43和多个蒸汽流通管道44平行竖立固定在上平板腔体41和下平板腔体42之间，共同构成了三维封装叠层7的热硅通孔部件6，以强化三维封装内部热量传递。
由于三维封装叠层7受热载荷分布的影响，多个蒸汽流通管道44分布在上平板腔体41与下平板腔体42之间的中心位置，多个液体流通管道43分布在上平板腔体41与下平板腔体42之间的四边位置，形成回字型分布，以提高三维封装温度分布的均匀性，减弱三维封装由于热应力分布不均匀而导致的热变形。
立体热管4的上平板腔体41和下平板腔体42的中心受热后，工质蒸发，下平板腔体42内中心处的蒸汽通过多个蒸汽流通管道44到达上平板腔体41内中心处，与上平板腔体41内中心处的蒸汽聚合后，再流向上平板腔体41内的四周并冷凝为液体，该液体在多个液体流通管道43内的微槽道毛细力作用下，回流到下平板腔体42内的热载荷较高处，实现工质的循环，将热量从高温区传递到低温区。
所述蒸汽流通管道44的管道数可为1-50根，液体流通管道43的管道数可为4-100根，在本实例中蒸汽流通管道数取为18根，液体流通管道数取为42根，但不限于这些根数。
参照图3，本实例的立体热管的工质流通管道截面图，每个蒸汽流通管道44内部为光滑管壁，以减小蒸汽流通的阻力。
每个液体流通管道43内部为带有多个微槽道的吸液芯结构，以增强液体流通的毛细吸力来促进液体回流，每个微槽道的形貌为三角形或多边形。本实例设置10个梯形微槽道，但不限于这样的形貌及条数。
本实例利用立体热管内气液的相变潜热和相变材料液固的相变潜热来强化三维封装散热，有利于提高三维封装的热可靠性；通过三维封装微通道内相变材料的流动相变和热硅通孔部件将热量传递给立体热管的上下平板腔体，提高了三维封装内部的换热性能。依据热载荷分布设计立体热管的气液流通路径分布，提高了三维封装温度分布的均匀性，可减小其由于热应力而产生的热变形。利用相变材料提取微通道和立体热管中的热量并进行外部换热，有助于实现三维封装的高效散热，可促进其工作稳定性。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种三维封装相变散热装置，包括上封装壳体(1)、下封装基板(3)和三维封装叠层(7)，三维封装叠层(7)位于上封装壳体(1)与下封装基板(3)组成的封闭腔体中，其特征在于：
所述三维封装叠层(7)包括多个封装单层，且镶嵌于立体热管(4)内，该立体热管外包覆有相变材料(2)；
所述每个封装单层由器件层(5)、热硅通孔部件(6)、硅基板(8)和微通道(9)构成，器件层(5)位于硅基板(8)的上表面，多条微通道(9)刻蚀在硅基板(8)的内部，热硅通孔部件(6)内穿在硅基板(8)微通道之间的通孔中，作为立体热管(4)的气液流通路径；
所述相变材料(2)用于提取微通道(9)和立体热管(4)中的热量，进行外部换热。
所述的立体热管(4)包括上平板腔体(41)、下平板腔体(42)、多个液体流通管道(43)和多个蒸汽流通管道(44)，这些液体流通管道(43)和蒸汽流通管道(44)固定在上平板腔体(41)与下平板腔体(42)之间，形成一体结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述多个液体流通管道(43)与多个蒸汽流通管道(44)平行竖立，且多个蒸汽流通管道(44)分布在上平板腔体(41)与下平板腔体(42)之间的中心位置，多个液体流通管道(43)分布在上平板腔体(41)与下平板腔体(42)之间的四边位置，形成回字型分布，构成热硅通孔部件(6)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个液体流通管道(43)，其内部为带有微槽道的吸液芯结构；每个蒸汽流通管道(44)，其内部为光滑管壁。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述器件层(5)，其上布置有各种功能的芯片、微型无源器件和有源器件。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述每条微通道(9)采用矩形直通道结构或不同形式的柱状通道结构。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的三维封装叠层(7)通过焊球(10)与下封装基板(3)固定在一起。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的相变材料(2)选择熔点在三维封装叠层(7)工作温度范围内的绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述硅基板(8)采用厚度为微米到毫米级的薄板。
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