CN114284224A - 一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，包括：微通道基板，冷却液进出口基板，冷却液进口，入口缓冲区，缩口段，扩口段，出口缓冲区，冷却液出口等。本发明采用刻蚀工艺，在晶圆上一体化刻蚀出单个功率芯片或多个功率芯片组及带翅片的微通道结构，翅片的存在强化了微通道中的传热，提高了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

一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉

技术领域

本发明属于半导体领域，具体涉及一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉。

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。在半导体芯片内部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，相比传统热沉件，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带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，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冷却液的高效相变传热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，本发明提供了一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，包括微通道基板，冷却液进出口基板，冷却液进口，入口缓冲区，缩口段，翅片段，扩口段，出口缓冲区，冷却液出口；所述冷却液进出口基板下表面设有所述冷却液进口及冷却液出口，所述冷却液进出口基板上表面设有所述冷却液出口及冷却液进口，所述微通道基板中设有入口缓冲区、缩口段、翅片段、扩口段，出口缓冲区，所述微通道基板上表面布置有单个功率芯片或功率芯片组。

作为优选技术手段：所述微通道基板与冷却液进出口基板采用平板结构，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：所述冷却液入口缓冲区、缩口段、翅片段、扩口段、冷却液出口缓冲区均采用激光刻蚀、等离子体干法刻蚀等刻蚀工艺在所述微通道基板上刻出。

作为优选技术手段：所述翅片段中的翅片交叉排列布置在所述微通道基板内。

作为优选技术手段：所述翅片段中的翅片蚀刻在以硅、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。

作为优选技术手段：所述微通道基板与冷却液进出口基板两者之间键合。

作为优选技术手段：所述微通道基板与单个功率芯片或功率芯片组一体化加工而成。

作为优选技术手段：所述冷却液进出口基板中的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：所述缩口段、扩口段结构用于减小流动局部损失。

作为优选技术手段：所述的入口缓冲区、出口缓冲区可用于缓冲入口、出口冷却液的压力波动。

作为优选技术手段：所述冷却液进出口基板上表面的冷却液出口与微通道基本中的入口缓冲区相连，所述冷却液进出口基板上表面的冷却液进口与微通道基板中的出口缓冲区相连。

本发明采用刻蚀工艺，在晶圆上一体化刻蚀出单个功率芯片或多个功率芯片组及带翅片的微通道结构，翅片的存在强化了冷却液在微通道中的传热，提高了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为本发明一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉结构示意图；

图2微通道热沉结构A-A视图；

图3微通道基板结构视图；

图4冷却液进出口基板结构视图；

图中标号说明：1-微通道基板；2-冷却液进出口基板；3-第一冷却液进口；4-第一冷却液出口；5-第二冷却液出口；6-第二冷却液进口；7-入口缓冲区；8-出口缓冲区；9-缩口段；10-扩口段；11-翅片段；12-单个功率芯片或功率芯片组。

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，为一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉结构，包括微通道基板1，冷却液进出口基板2，第一冷却液进口3，入口缓冲区7，缩口段9，翅片段11，扩口段10，出口缓冲区8，第一冷却液出口4，第二冷却液出口5，第二冷却液进口6。

该微通道热沉结构的工作原理如下：工作时，外部冷却液从冷却液进出口基板2下表面的第一冷却液进口3流入，然后从冷却液进出口基板2上表面的第二冷却液出口5流出，进入微通道基板1的入口缓冲区7；之后，冷却液流经微通道基板1中的缩口段9后进入翅片段11；冷却液在翅片段11中的翅片与壁面受热温度增高或蒸发后，进入扩口段10，最后从出口缓冲区8流出，进入冷却液进出口基板2中的第二冷却液进口6，之后从冷却液进出口基板2下表面的第一冷却液出口4流出，流回外部冷却液循环管路中。

微通道基板1与冷却液进出口基板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。

入口缓冲区7、缩口段9、翅片段11、扩口段10、出口缓冲区8均采用激光刻蚀、等离子体干法刻蚀等刻蚀工艺在微通道基板1上刻出。

翅片段11中的翅片交叉排列布置在微通道基板1内。

翅片段11中的翅片蚀刻在以硅、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。

微通道基板1与冷却液进出口基板2两者之间键合。

微通道基板1与单个功率芯片或功率芯片组12一体化加工而成。

冷却液进出口基板2中的第一冷却液进口3用来流入冷却液，第一冷却液出口4用来排出热的冷却液或气体。

缩口段9、扩口段10结构用于减小流动局部损失。

入口缓冲区7、出口缓冲区8可用于缓冲入口、出口冷却液的压力波动。

冷却液进出口基板2上表面的第二冷却液出口5与微通道基板1中的入口缓冲区7相连，冷却液进出口基板2上表面的第二冷却液进口6与微通道基板1中的出口缓冲区8相连。

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)

1.一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是，包括微通道基板(1)，冷却液进出口基板(2)，第一冷却液进口(3)，入口缓冲区(7)，缩口段(9)，翅片段(11)，扩口段(10)，出口缓冲区(8)，第一冷却液出口(4)，第二冷却液出口(5)，第二冷却液进口(6)；所述冷却液进出口基板(2)下表面设有所述第一冷却液进口(3)及第一冷却液出口(4)，所述冷却液进出口基板(2)上表面设有所述第二冷却液出口(5)及第二冷却液进口(6)，所述微通道基板(1)中设有入口缓冲区(7)、缩口段(9)、翅片段(11)、扩口段(10)，出口缓冲区(8)，所述微通道基板(1)上表面布置有单个功率芯片或功率芯片组(12)。

2.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述入口缓冲区(7)、缩口段(9)、翅片段(11)、扩口段(10)、出口缓冲区(8)均采用激光刻蚀或等离子体干法刻蚀工艺在所述微通道基板(1)上刻出。

3.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述翅片段(11)中的翅片交叉排列布置在所述微通道基板(1)内。

4.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述翅片段(11)中的翅片蚀刻在以硅、碳化硅、氮化镓或氧化镓半导体材料为基的芯片背面，采用激光刻蚀或等离子体干法刻蚀工艺加工而成。

5.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述微通道基板(1)与冷却液进出口基板(2)两者之间键合。

6.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述微通道基板(1)与单个功率芯片或功率芯片组(12)一体化加工而成。

7.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述冷却液进出口基板(2)中的第一冷却液进口(3)用来流入冷却液，所述第一冷却液出口(4)用来排出热的冷却液或气体。

8.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述缩口段(9)、扩口段(10)结构用于减小流动局部损失。

9.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述的入口缓冲区(7)、出口缓冲区(8)可用于缓冲入口、出口冷却液的压力波动。

10.根据权利要求1所述的一种带翅片的嵌入式功率芯片微通道热沉，其特征是：所述冷却液进出口基板(2)上表面的第二冷却液出口(5)与微通道基板(1)中的入口缓冲区(7)相连，所述冷却液进出口基板(2)上表面的第二冷却液进口(6)与微通道基板(1)中的出口缓冲区(8)相连。

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