CN113421868B - 一种芯片冷却装置及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及芯片热管理技术领域，提出一种芯片冷却装置及其装配方法。所述冷却装置包括多个金属热界面材料层；进液管；出液管；以及多个热沉粒。本发明通过采用热沉粒与金属化整为零的布置方式，并且通过热沉粒与输送冷却液的管道之间的柔性连接，可以在热沉粒、金属热界面材料层以及大尺寸芯片之间形成较小的应力，有效解决了大尺寸高功耗芯片的散热问题。

Description

一种芯片冷却装置及其装配方法
技术领域
本发明总的来说涉及芯片热管理技术领域。具体而言，本发明涉及一种芯片冷却装置及其装配方法。
背景技术
随着高性能计算需求的日益提高，芯片的尺寸与功耗也迅速增加。因此，用于芯片的冷却技术成为芯片制造中的关键技术之一。目前芯片的冷却方案中通常将热沉通过TIM(Thermal lnterface Material、热界面材料)(例如TIM1或者TIM2)与芯片连接。
然而由于热界面材料层的热导率比较低，其热阻会比较大。如果采用金属焊料作为热界面材料层，其热阻会得到极大改善。但在采用金属焊料热界面材料层的情况下，由于芯片尺寸的增加，会导致PCB板、基板、芯片、Lid、金属焊料以及热沉组成的系统产生热失配，从而造成应力过大，无法得到实际的应用。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种芯片冷却装置，包括：
多个金属热界面材料层，所述多个金属热界面材料层布置于单个芯片背面，并且所述金属热界面材料层的尺寸与热沉粒相配合；
进液管，所述进液管被配置为运送冷却液至多个热沉粒；
出液管，所述出液管被配置为从多个热沉粒运送出冷却液；以及
多个热沉粒，所述热沉粒包括：
热沉粒主体，所述热沉粒主体与所述金属热界面材料层相连接，并且被配置为通过冷却液；
热沉粒连接装置，所述热沉粒连接装置具有第一热沉粒接口以及第二热沉粒接口，其中第一热沉粒接口通过柔性管与进液管连接并且第二热沉粒接口通过柔性管与出液管连接。
在本发明一个实施例中规定：所述热沉粒主体具有微流道结构或者微射流结构。
在本发明一个实施例中规定：所述热沉粒主体与热沉粒连接装置通过焊接粘连。
在本发明一个实施例中规定：所述热沉粒主体的材料与硅芯片的热膨胀系数相适配，包括硅、碳化硅、陶瓷、玻璃以及金属；以及所述热沉粒连接装置的材料包括与热沉粒主体的热膨胀系数适配的金属。
在本发明一个实施例中规定：所述柔性管布置于柔性板上，所述柔性板的形状与热沉粒连接装置相配合以使所述柔性板与所述热沉粒连接装置的表面相贴合，并且所述柔性管嵌套于所述第一\第二热沉粒接口上。
在本发明一个实施例中规定：所述柔性管包括硅胶管、PVC管以及橡胶管。
在本发明一个实施例中规定：所述第一热沉粒接口和\或第二热沉粒接口具有外牙。
在本发明一个实施例中规定，所述芯片冷却装置还包括进出液模组，其中在所述进出液模组内布置进液管以及出液管。
在本发明一个实施例中规定：所述进液管上布置有进液口，所述进液口通过柔性管与所述第一热沉粒接口连接；以及所述出液管上布置有出液口，所述出液口通过柔性管与所述第二热沉粒接口连接。
本发明还提出一种装配所述芯片冷却装置的方法，包括下列步骤：
将多个所述金属热界面材料层布置于单个芯片背面；
通过吸嘴工装将多个热沉粒分别焊接于多个所述金属热界面材料层上，其中所述吸嘴工装的形状与所述热沉粒的形状相配合；
通过压板下压以使柔性板与所述热沉粒连接装置的表面相贴合，并且所述柔性管嵌套于所述第一\第二热沉粒接口上；
布置进出液模组，其中使进液口与所述第一热沉粒接口对齐连接并且出液口与所述第二热沉粒接口对齐连接；以及
上移所述压板，以使所述压板与所述进出液模组紧固连接。
本发明至少具有如下有益效果：通过采用热沉粒与金属化整为零的布置方式，并且通过热沉粒与输送冷却液的管道之间的柔性连接，可以在热沉粒、金属热界面材料层以及大尺寸芯片之间形成较小的应力，有效解决大尺寸高功耗芯片的散热问题。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了本发明一个实施例中芯片冷却装置的结构示意图。
图2示出了本发明一个实施例中装配芯片冷却装置的流程图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
以在大尺寸FC芯片背面布置冷却装置为例，如图1所示，提出一个芯片冷却装置1000，包括金属热界面材料层、热沉粒(sinklet)、柔性管、进液管和出液管。
在芯片1010的背面可以布置多个金属热界面材料层1020，金属热界面材料层1020的尺寸可以和热沉粒相配合，在多个金属热界面材料层1020上分别连接热沉粒。使用金属热界面材料层很好地降低了热阻，同时采用上述布置方法可以有效降低热沉粒与大尺寸的芯片1010之间形成的应力。
热沉粒可以包括热沉粒主体1030和热沉粒连接装置1040。热沉粒主体1030和热沉粒连接装置1040之间可以使用焊接的方式粘连。
热沉粒1030与金属热界面材料层1020接触，被配置为可以通过冷却液来实现对芯片的冷却。热沉粒主体1030的材料的热膨胀系数与硅芯片接近，例如可以是硅、碳化硅、陶瓷、玻璃或者金属。另外，热沉粒主体1030的内部还可以构造有微流道结构或者微射流结构以增强热沉粒主体1030的散热能力。
热沉粒连接装置1040可以包括第一热沉粒接口1041和第二热沉粒接口1042。其中第一热沉粒接口1041通过柔性管1050与进液管1060 连接并且第二热沉粒接口1042通过柔性管1050与出液管1070连接。第一热沉粒接口1041和第二热沉粒接口1042上可以构造有外牙，以便于和柔性管1050的连接。热沉粒连接装置1040的材料可以是和热沉粒主体1030的材料的热膨胀系数适配接近的金属或者其它材料。
多个柔性管1050提供了热沉粒与进液管1060以及出液管1070的柔性连接，柔性管1050的材料可以是杨氏模量低的材料，例如可以是硅胶管、PVC管或者橡胶管。多个柔性管1050可以是布置在柔性板上的，所述柔性板的形状与热沉粒连接装置1040相配合以使所述柔性板与热沉粒连接装置1040的表面相贴合，并且所述柔性管1050嵌套于所述第一\第二热沉粒接口1041\1042上。
进液管1060和出液管1070可以布置在进出液模组1080内，其中进液管1060运送冷却液至多个热沉粒，出液管1070被配置为从多个热沉粒运送出冷却液。进液管1060上可以有多个进液口1061，进液口1061通过柔性管1050与第一热沉粒接口1041连接。出液管1070上可以有多个出液口 1071，出液口1071通过柔性管1050与第二热沉粒接口1042连接。通过上述柔性连接的技术方案，可以有效降低金属热界面材料层在大尺寸芯片中形成的应力。
如图2所示，本发明的一个实施例中还提出一个装配所述于大尺寸高功耗芯片的冷却装置的方法，包括下列步骤：
将多个金属热界面材料层1020布置于芯片1010的背面；
通过吸嘴工装将多个热沉粒分别焊接于多个金属热界面材料层 1020上，其中所述吸嘴工装的形状与热沉粒的形状相配合；
通过压板下压以使柔性板与热沉粒连接装置的表面相贴合，并且柔性管1050嵌套于所述第一\第二热沉粒接口1041\1042上；
布置进出液模组，其中使进液口1061与第一热沉粒接口1041对齐连接并且所述出液口1071与所述第二热沉粒接口1042对齐连接；以及
上移所述压板，以使所述压板与所述进出液模组紧固连接。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种芯片冷却装置，其特征在于，包括：
多个金属热界面材料层，所述多个金属热界面材料层布置于单个芯片背面，并且所述金属热界面材料层的尺寸与热沉粒相配合；
进液管，所述进液管被配置为运送冷却液至多个热沉粒；
出液管，所述出液管被配置为从多个热沉粒运送出冷却液；以及
多个热沉粒，所述热沉粒包括：
热沉粒主体，所述热沉粒主体与所述金属热界面材料层相连接，并且被配置为通过冷却液；以及
热沉粒连接装置，所述热沉粒连接装置具有第一热沉粒接口以及第二热沉粒接口，其中第一热沉粒接口通过柔性管与进液管连接并且第二热沉粒接口通过柔性管与出液管连接。
2.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述热沉粒主体具有微流道结构或者微射流结构。
3.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述热沉粒主体与热沉粒连接装置通过焊接粘连。
4.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述热沉粒主体的材料与硅芯片的热膨胀系数相适配，包括硅、碳化硅、陶瓷、玻璃或者金属；以及所述热沉粒连接装置的材料包括与热沉粒主体的热膨胀系数适配的金属。
5.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述柔性管布置于柔性板上，所述柔性板的形状与热沉粒连接装置相配合以使所述柔性板与所述热沉粒连接装置的表面相贴合，并且所述柔性管嵌套于所述第一\第二热沉粒接口上。
6.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述柔性管包括硅胶管、PVC管或者橡胶管。
7.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述第一热沉粒接口和\或第二热沉粒接口具有外牙。
8.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于还包括进出液模组，其中在所述进出液模组内布置进液管以及出液管。
9.根据权利要求1所述的芯片冷却装置，其特征在于：所述进液管上布置有进液口，所述进液口通过柔性管与所述第一热沉粒接口连接；以及所述出液管上布置有出液口，所述出液口通过柔性管与所述第二热沉粒接口连接。
10.一种装配权利要求1-9之一所述的芯片冷却装置的方法，其特征在于，包括下列步骤：
将多个所述金属热界面材料层布置于单个芯片背面；
通过吸嘴工装将多个热沉粒分别焊接于多个所述金属热界面材料层上，其中所述吸嘴工装的形状与所述热沉粒的形状相配合；
通过压板下压以使柔性板与所述热沉粒连接装置的表面相贴合，并且所述柔性管嵌套于所述第一\第二热沉粒接口上；
布置进出液模组，其中使进液口与所述第一热沉粒接口对齐连接并且出液口与所述第二热沉粒接口对齐连接；以及
上移所述压板，以使所述压板与所述进出液模组紧固连接。
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