CN114334871A - 用于高功率芯片封装散热的装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高功率芯片封装散热的装置和系统，包括依次层叠设置的电路板、绝缘层和液冷基板，液冷基板上设置有液冷通道、冷却液入口和冷却液出口，液冷通道分别与冷却液入口和冷却液出口相通，冷却液入口用于与进液管道连通，冷却液出口用于与出液管道连通。本发明技术方案中，电路板用于封装高功率芯片，高功率芯片散发的热量将经由电路板传递至液冷通道，通过液冷通道中的冷却液吸收热量并经由冷却液出口流出，从而实现对于高功率芯片的散热。本发明通过液冷的方式对高功率芯片进行散热，水冷方式在芯片封装散热装置上是一种全新的应用，相较于现有的风冷和热电制冷的方式，其具有散热效率高以及易集成加工等诸多优势。

Description

用于高功率芯片封装散热的装置和系统

技术领域

本发明涉及芯片封装领域，特别涉及一种用于高功率芯片封装散热的装置和系统。

背景技术

随着智能化普及及半导体市场的持续增长，嵌入式封装芯片已经广泛智能穿戴、手机、车载电子等设备等。而电子产品的小型化，芯片随着摩尔定律集成度越来越高，嵌入式芯片封装中追求更小的封装面积比，即在单位面积内能够放置更多的芯片。

但是，紧密相连的芯片在高密度的封装下，会产生更大的热功耗，导致电子产品的温度急剧上升，而高温会降低电子元器件的可靠性，从而导致电子产品失效。因此，散热严重制约了封装产品的集成化和小型化，电子元器件的热管理已经成为不可或缺的一部分。

对于制造厂商而言，在产品开发及出厂阶段前需要对电子产品进行大量的测试，在测试过程中产品放置密度大，热量大量聚集，传统风冷已经无法解决高密度热流问题，热电制冷技术则需要更多的功耗。

目前，高功率芯片的液冷散热通常采用直线形微通道，多条直线微通道在液冷散热器中并列排布输送冷却液。然而，冷却液在直线形微通道中通过，与微通道壁面的热交换不充分，吸收热量少，散热效果差；直线形微通道互相多以90度角连接，拐弯弧度过大，微型泵需要更高的功耗来保证冷却液在散热通道内的流动速度。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种用于高功率芯片封装散热的装置，旨在解决上述背景技术中所提出的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种用于高功率芯片封装散热的装置，包括依次层叠设置的电路板、绝缘层和液冷基板，所述液冷基板上设置有液冷通道、冷却液入口和冷却液出口，所述液冷通道分别与所述冷却液入口和所述冷却液出口相通，所述冷却液入口用于与进液管道连通，所述冷却液出口用于与出液管道连通。

进一步的，所述液冷通道呈花瓣形设置。

进一步的，所述液冷通道包括多个心形通道，多个所述心形通道围合形成花瓣形。

进一步的，所述心形通道包括四个，四个所述心形通道分别为第一心形通道、第二心形通道、第三心形通道和第四心形通道，所述第一心形通道、第二心形通道、第三心形通道和第四心形通道相互连通；

所述第一心形通道与所述第三心形通道呈轴对称设置，所述第二心形通道与所述第四心形通道呈轴对称设置，所述第一心形通道与所述冷却液入口连通，所述第三心形通道与所述冷却液出口连通。

进一步的，所述液冷基板呈矩形设置，所述第一心形通道与所述第三心形通道沿所述液冷基板的一对角线设置，所述第二心形通道与所述第四心形通道沿所述液冷基板的另一对角线设置。

进一步的，所述液冷通道包括直通通道和多个分支通道，所述多个分支通道分别与所述直通通道连通，所述直通通道设置在所述冷却液入口和所述冷却液出口之间。

进一步的，所述冷却液为去离子水、酒精或乙二醇。

进一步的，所述液冷基板和所述电路板的尺寸为30mm×30mm×0.5mm。

本发明进一步提出一种用于高功率芯片封装散热的系统，包括前述记载的用于高功率芯片封装散热的装置，该用于高功率芯片封装散热的装置包括依次层叠设置的电路板、绝缘层和液冷基板，所述液冷基板上设置有液冷通道、冷却液入口和冷却液出口，所述液冷通道分别与所述冷却液入口和所述冷却液出口相通，所述冷却液入口用于与进液管道连通，所述冷却液出口用于与出液管道连通。

进一步的，所述用于高功率芯片封装散热的系统还包括芯片、微型泵、进液管道、出液管道和冷却箱，所述芯片设置在所述电路板上，所述微型泵与所述进液管道的一端连通，所述进液管道的另一端与所述冷却液入口连通，所述出液管道的一端与所述冷却液出口连通，所述出液管道的另一端与所述冷却箱连通。

本发明技术方案中，电路板用于封装高功率芯片，高功率芯片散发的热量将经由电路板传递至液冷通道，通过液冷通道中的冷却液吸收热量并经由冷却液出口流出，从而实现对于高功率芯片的散热。本发明通过液冷的方式对高功率芯片进行散热，水冷方式在芯片封装散热装置上是一种全新的应用，相较于现有的风冷和热电制冷的方式，其具有散热效率高以及易集成加工等诸多优势。

附图说明

图1为本发明一实施例中用于高功率芯片封装散热的装置的结构示意图；

图2为图1实施例中用于高功率芯片封装散热的装置的爆炸图；

图3为图2实施例中液冷基板的正视图。

附图标号说明

标号	名称	标号	名称
				10	电路板	20	液冷基板
30	液冷通道	31	第一心形通道
				32	第二心形通道	33	第三心形通道
34	第四心形通道	35	直通通道
				36	分支通道	40	冷却液入口
50	冷却液出口

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参见图1-3，图1为本发明一实施例中用于高功率芯片封装散热的装置的结构示意图，图2为图1实施例中用于高功率芯片封装散热的装置的爆炸图，图3为图2实施例中液冷基板的正视图。

在一些实施例中，本发明提出一种用于高功率芯片封装散热的装置，包括依次层叠设置的电路板10、绝缘层和液冷基板20，液冷基板20上设置有液冷通道30、冷却液入口40和冷却液出口50，液冷通道30分别与冷却液入口40和冷却液出口50相通，冷却液入口40用于与进液管道连通，冷却液出口50用于与出液管道连通。

本实施例中，电路板10为印刷电路板，采用FR4材料制成，用于封装高功率芯片100。液冷基板20采用铝合金或者不锈钢制成，其上构造有液冷通道30、冷却液入口40和冷却液出口50，冷却液经由冷却液入口40进入到液冷通道30，冷却液在液冷通道30中流动时，会吸收高功率芯片100所散发的热量，而后再经由冷却液出口50排出，从而将热量通过冷却液带出，达到给高功率芯片100进行散热的目的。

进一步的，液冷基板20、绝缘层和电路板10依次层叠设置，液冷通道30通过绝缘层和电路板10盖合形成封闭通道，绝缘层的主要作用在于绝缘，避免液冷通道30中的冷却液与电路板10之间导电。更进一步的，为保证散热，绝缘层采用导热性能好的材料制成，使得高功率芯片100所散发的热量尽可能多的经由绝缘层传递给冷却液。

本发明所提出的装置采用水冷的方式对高功率芯片100进行散热，水冷方式在芯片100封装散热装置上是一种全新的应用，相较于现有的风冷和热电制冷的方式，其具有散热效率高以及易集成加工等诸多优势。

在一些实施例中，本发明所提出的液冷通道30呈花瓣形设置。

本实施例中，液冷通道30呈花瓣形设置，整个液冷通道30为弧形状，相较于直线形液冷通道30，能够增强其对流换热系数，降低流体输送阻力，便于流体输送，在节能的情况下增强换热效果。

在一些实施例中，本发明所提出的液冷通道30包括多个心形通道，多个心形通道围合形成花瓣形。

本实施例中，液冷通道30包括多个心形通道，或者包括多个心脏形通道，多个心形通道围合形成花瓣形，其中相邻两个心形通道之间的夹角可以相同，也可以不相同。比如，假设液冷通道30包括三个心形通道，相邻两个心形通道之间的夹角均为120度，也即以其中一个心形通道分别旋转120度和240度后即可得到另外两个心形通道，并且共同围合构成花瓣形。再比如，假设液冷通道30包括三个心形通道，分别为第一心形通道、第二心形通道和第三心形通道，第一心形通道与第二心形通道之间的夹角为100度，第二心形通道与第三心形通道之间的夹角为140度，第三心形通道与第一心形通道之间的夹角为120度。

在一些实施例中，本发明所提出的心形通道包括四个，四个心形通道分别为第一心形通道31、第二心形通道32、第三心形通道33和第四心形通道34，第一心形通道31、第二心形通道32、第三心形通道33和第四心形通道34相互连通；第一心形通道31与第三心形通道33呈轴对称设置，第二心形通道32与第四心形通道34呈轴对称设置，第一心形通道31与冷却液入口40连通，第三心形通道33与冷却液出口50连通。

本实施例中，液冷通道30包括四个心形通道，分别为第一心形通道31、第二心形通道32、第三心形通道33和第四心形通道34，第一心形通道31与第三心形通道33呈轴对称设置，第二心形通道32与第四心形通道34呈轴对称设置。作为优选，本实施例所提出的相邻两心形通道之间的夹角均为90度，位于冷却液入口40处的为第一心形通道31，位于冷却液出口50处的为第四心形通道34，第一心形通道31分别旋转90度、180度和270度后得到第二心形通道32、第三心形通道33和第四心形通道34。

在一些实施例中，本发明所提出的液冷基板20呈矩形设置，第一心形通道31与第三心形通道33沿液冷基板20的一对角线设置，第二心形通道32与第四心形通道34沿液冷基板20的另一对角线设置。

本实施例中，液冷基板20呈矩形设置，其具有两条相交的对角线，两条对角线分别为第一对角线和第二对角线。其中，第一心形通道31和第三心形通道33沿第一对角线分布，第二心形通道32和第四心形通道34沿第二对角线分布。进一步的，本实施例所提出的绝缘层和/或电路板10亦呈矩形设置。

在一些实施例中，本发明所提出的液冷通道30包括直通通道35和多个分支通道36，多个分支通道36分别与直通通道35连通，直通通道35设置在冷却液入口40和冷却液出口50之间。

本实施例中，冷却液入口40和冷却液出口50之间的直线形成直通通道35，也即部分冷却液直接经由该直通通道35流动，以将高功率芯片100所产生的热量快速排出，从而达到及时散热的效果。进一步的，分支通道36的设计能够起到均匀散热的效果，从而降低电子器件失效的可靠性。具体的，部分冷却液先通过直通通道35流入到各个分支通道36，而后再汇合于直通通道35，最后再经由冷却液出口50排出。

在一些实施例中，本发明所提出的冷却液为去离子水、酒精或乙二醇，包括但不限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。

在一些实施例中，本发明所提出的液冷基板20和所述电路板10的尺寸为30mm×30mm×0.5mm。

本实施例中，液冷基板20和电路板10均呈矩形设置，其长、宽、高分别为30mm、30mm和0.5mm，此仅为本方案的一较佳实施例，本领域技术人员也可根据实际情况进行设计。

本发明进一步提出的一种用于高功率芯片100封装散热的系统包括前述各实施例记载的用于高功率芯片100封装散热的装置，该用于高功率芯片100封装散热的装置的具体结构参照上述实施例，由于本用于高功率芯片100封装散热的系统采用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。

在一些实施例中，本发明所提出的用于高功率芯片100封装散热的系统还包括芯片100、微型泵、进液管道、出液管道和冷却箱，芯片100设置在电路板10上，微型泵与进液管道的一端连通，进液管道的另一端与冷却液入口40连通，出液管道的一端与冷却液出口50连通，出液管道的另一端与冷却箱连通。

本实施例中，芯片100封装在电路板10上，微型泵通过进液管道与冷却液入口40连通，冷却液出口50通过出液管道与冷却箱连通，微型泵驱动冷却液经由冷却液入口40流入液冷通道30，而后再经由冷却液出口50流出至冷却箱，吸收热量后的冷却液经由冷却箱进行冷却，然后再循环使用。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，包括依次层叠设置的电路板、绝缘层和液冷基板，所述液冷基板上设置有液冷通道、冷却液入口和冷却液出口，所述液冷通道分别与所述冷却液入口和所述冷却液出口相通，所述冷却液入口用于与进液管道连通，所述冷却液出口用于与出液管道连通。

2.根据权利要求1所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述液冷通道呈花瓣形设置。

3.根据权利要求2所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述液冷通道包括多个心形通道，多个所述心形通道围合形成花瓣形。

4.根据权利要求3所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述心形通道包括四个，四个所述心形通道分别为第一心形通道、第二心形通道、第三心形通道和第四心形通道，所述第一心形通道、第二心形通道、第三心形通道和第四心形通道相互连通；

所述第一心形通道与所述第三心形通道呈轴对称设置，所述第二心形通道与所述第四心形通道呈轴对称设置，所述第一心形通道与所述冷却液入口连通，所述第三心形通道与所述冷却液出口连通。

5.根据权利要求4所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述液冷基板呈矩形设置，所述第一心形通道与所述第三心形通道沿所述液冷基板的一对角线设置，所述第二心形通道与所述第四心形通道沿所述液冷基板的另一对角线设置。

6.根据权利要求1所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述液冷通道包括直通通道和多个分支通道，所述多个分支通道分别与所述直通通道连通，所述直通通道设置在所述冷却液入口和所述冷却液出口之间。

7.根据权利要求1所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述冷却液为去离子水、酒精或乙二醇。

8.根据权利要求1所述的用于高功率芯片封装散热的装置，其特征在于，所述液冷基板和所述电路板的尺寸为30mm×30mm×0.5mm。

9.一种用于高功率芯片封装散热的系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的用于高功率芯片封装散热的装置。

10.根据权利要求9所述的用于高功率芯片封装散热的系统，其特征在于，还包括芯片、微型泵、进液管道、出液管道和冷却箱，所述芯片设置在所述电路板上，所述微型泵与所述进液管道的一端连通，所述进液管道的另一端与所述冷却液入口连通，所述出液管道的一端与所述冷却液出口连通，所述出液管道的另一端与所述冷却箱连通。

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