CN114284223A - 一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，包括：歧管基板，微通道基板，冷却液进口，入口缓冲区，入口段，歧管进液通道，歧管出液通道。本发明采用歧管式微通道结构，缩短了冷却液在微通道中的流动长度，进而降低了冷却液的沿程流动阻力；利用热力入口段效应增强传热系数；采用HU进出口流型提高功率芯片表面均温性，减少热点发生，提高芯片表面的散热能力，进而可提高功率芯片的可靠性和使用寿命。

Description

一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构。

背景技术

随着功率芯片技术的发展，功率芯片的热流密度已突破了1kw/cm²的数量级。功率芯片在高热流密度下工作时，如果不能对其进行高效的散热，则功率芯片的温升会大大超过其正常工作时的允许值。

高热流密度下功率芯片散热不良引起的高的温升会损坏功率芯片元器件节点与电路拓扑连接结构、产生热应力损伤，进而降低芯片工作的可靠性与使用寿命。而高热流密度下功率芯片内部存在的温度分布不均匀性亦会进一步加剧上述效应。

在传统的电子冷却技术中，芯片与远端散热器之间热界面材料的存在增加了导热热阻并因此难以将芯片表面的温度维持在安全工作范围内。在半导体衬底背面蚀刻微通道的嵌入式冷却消除了传统冷却的热界面材料所带来的多层热阻，相比传统换热器件，微通道热沉具有换热效率高、运行更为稳定，制造成本低和使用寿命长等特点，作为一种热量交换的方式，发展前景广阔。

发明内容

针对上述功率芯片在高热流密度下散热方面存在的技术需求，本发明的目的是提供一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，使得功率芯片表面热点温升控制在一定范围内时，同时利用嵌入式功率芯片内部制冷剂的高效相变传热及歧管分流结构来提高芯片表面的均温性及冷却液流经芯片内部的压力损失，进而提高芯片的可靠性及使用寿命，降低用于功率芯片冷却的泵功。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，包括歧管基板，微通道基板，冷却液出口，冷却液进口；所述歧管基板下表面设有所述冷却液进口及冷却液出口，所述歧管基板上表面设有入口缓冲区、入口段、歧管进液通道，歧管出液通道，所述微通道基板下表面设有微通道，所述微通道基板上表面布置有功率芯片。

作为优选技术手段：所述歧管基板与微通道基板采用平板结构，材料可选用硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料。

作为优选技术手段：所述冷却液进口、入口缓冲区、入口段、歧管进液通道、歧管出液通道均采用激光刻蚀或等离子体刻蚀等刻蚀工艺在所述歧管基板上刻出，形成歧管式分布流道。

作为优选技术手段：所述歧管进液通道与歧管出液通道相间布置在所述歧管基板上表面。

作为优选技术手段：所述歧管进液通道与歧管出液通道结构整体上呈H进U出的流动结构。

作为优选技术手段：所述微通道蚀刻在以硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料为基的芯片背面，采用激光刻蚀或等离子体刻蚀等刻蚀工艺加工而成。

作为优选技术手段：所述歧管基板与微通道基板两者之间键合。

作为优选技术手段：所述微通道与功率芯片一体化加工而成。

作为优选技术手段：所述冷却液进口用来流入冷却液，所述冷却液出口用来排出热的冷却液或气体。

作为优选技术手段：所述入口段结构在两相流动时可用于抑制两相流动的非稳定性。

作为优选技术手段：所述的入口缓冲区可用于缓冲入口冷却液的压力波动，使进入入口段的流量均匀分布。

本发明采用歧管式微通道结构，缩短了冷却液在微通道中的流动长度，进而降低了冷却液的沿程流动阻力；利用热力入口段效应增强传热系数；歧管结构采用H进U出流型结构提高功率芯片表面均温性，减少热点发生，提高芯片表面的散热能力，进而可提高功率芯片的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构示意图；

图2为歧管基板上表面结构；

图3为歧管基板下表面结构；

图4为微通道基板下表面结构；

图中标号说明：1-歧管基板；2-微通道基板；3-冷却液出口；4-冷却液进口；5-入口缓冲区；6-入口段；7-歧管进液通道；8-歧管出液通道；9-微通道。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，为一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，包括歧管基板1，微通道基板2，冷却液出口3，冷却液进口4，入口缓冲区5、入口段6、歧管进液通道7，歧管出液通道8，微通道9。

该歧管式微通道结构的工作原理如下：工作时，外部冷却液从歧管基板1下表面的双侧冷却液进口4进入歧管基板1上表面；之后，冷却液依次流经歧管基板1上表面的入口缓冲区5、入口段6、歧管进液通道7；歧管进液通道7与微通道基板2中的微通道9相互连通；冷却液在微通道基板1中的微通道9中与微通道9中的热壁面受热温度增高或蒸发后，最后从歧管基板1下表面的歧管出液通道8中流出。

歧管基板1与微通道基板2采用平板结构，材料可选用硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料，两者间相互键合。

歧管基板1上的冷却液进口4、入口缓冲区5、入口段6、歧管进液通道7、歧管出液通道8均采用激光刻蚀、等离子体干法刻蚀等刻蚀工艺在歧管基板1上刻出。

冷却液双侧进入的歧管进液通道7与歧管出液通道8相间布置在歧管基板1上表面，冷却液在流动方向整体上呈H进U出的流动结构，以提高冷却液的流动均匀性。歧管基板1上的冷却液进口4用来流入冷却液，冷却液出口3用来排出热的冷却液或气体。入口缓冲区5用于缓冲入口冷却液的压力波动，使进入入口段6的流量分布更加均匀。入口段6的截面积渐缩结构当冷却液处于两相沸腾传热时可用于抑制两相流动的非稳定性。

微通道9蚀刻在以硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料为基的芯片背面，采用激光刻蚀、等离子体干法刻蚀等刻蚀工艺加工而成。微通道9与功率芯片一体化加工而成。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是，包括歧管基板(1)，微通道基板(2)，冷却液出口(3)，冷却液进口(4)；所述歧管基板(1)下表面设有所述冷却液进口(4)及冷却液出口(3)，所述歧管基板(1)上表面设有入口缓冲区(5)、入口段(6)、歧管进液通道(7)，歧管出液通道(8)，所述微通道基板(2)下表面设有微通道(9)，所述微通道基板(2)上表面布置有功率芯片。

2.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述歧管基板(1)与微通道基板(2)采用平板结构，材料可选用硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓半导体材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述冷却液进口(4)、入口缓冲区(5)、入口段(6)、歧管进液通道(7)、歧管出液通道(8)均采用激光刻蚀或离子体干法刻蚀工艺在所述歧管基板(1)上刻出，形成歧管式分布流道。

4.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述歧管进液通道(7)与歧管出液通道(8)相间布置在所述歧管基板(1)上表面。

5.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述歧管进液通道(7)与歧管出液通道(8)结构整体上呈H进U出的流动结构。

6.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述歧管基板(1)与微通道基板(2)两者之间键合。

7.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述微通道(9)与功率芯片一体化加工而成。

8.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述冷却液进口(4)用来流入冷却液，所述冷却液出口(3)用来排出热的冷却液或气体。

9.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述入口段(6)结构在两相流动时可用于抑制两相流动的非稳定性。

10.根据权利要求1所述的一种用于嵌入式功率芯片散热的歧管式微通道结构，其特征是：所述的入口缓冲区(5)可用于缓冲入口冷却液的压力波动，使进入到入口段(6)的流量均匀分布。

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