CN114639647A

CN114639647A - 微流道散热结构和微电子芯片结构

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Publication number: CN114639647A
Application number: CN202210070196.6A
Authority: CN
Inventors: 王宏跃; 王鹏飞; 施宜军; 杨晓锋; 周斌; 黄云; 路国光
Original assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Current assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2022-06-17

Abstract

本发明涉及一种微流道散热结构和微电子芯片结构。本发明的微流道散热结构包括：衬底；多个相互独立的散热通道，各散热通道均位于衬底内。通过设置在衬底内的多个相互独立的散热通道，多个散热通道的设置可以将热源温度控制在较低的水平，能够有效提升器件的散热能力，减少热量的堆积，且本发明中的微流道散热结构在帮助器件提高散热能力的同时，还可以降低微流道散热结构自身的进出口之间的压降，使散热时压降较大的问题得到改善，从而避免温度过高而使器件损毁的问题发生。

Description

微流道散热结构和微电子芯片结构

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种微流道散热结构和微电子芯片结构。

背景技术

近年来，随着电子产品朝着高集成度、高功率和微小化方向发展，使电子产品的封装密度和功耗逐渐增大，与此同时，芯片的热流密度也在不断的增加，一些GaN芯片的热流密度甚至达到了1000W/cm²，如果这些热量不及时有效的排出，芯片温度将急剧增加，给微电子芯片带来严重的可靠性问题。面对如此高的芯片热流密度产生的热量，传统的散热方法是采用风冷的方式，但风冷散热的方式存在很多的缺点，首先是风冷由于风扇的存在，在散热过程中会产生振动和噪声的问题，另外空气的自身热导率较低，因此散热效果也不是很理想，对于大热流密度的芯片而言几乎达不到散热的要求。目前人们提出采用在芯片或微电子系统中嵌入散热通道，并采用冷却液换热来增强散热的方法。由于没有风扇的存在，自然不会有噪声、振动的问题存在；且冷却液的热导率也会比空气高很多，因此优势比较明显。但是现有微型流道散热结构设计不够完善，由于现有的微流道散热结构一般采用单个散热通道，单个散热通道会存在较多问题，譬如单通道散热结构长度较大，冷却液从进口开始经过较长的管道达到出口时，热量在出口处大量堆积，进口和出口之间温度差异大，散热效果不好，容易导致漏液、连接处开裂等问题，使得微电子产品散热设计困难。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种微流道散热结构和微电子芯片结构，具有更好的芯片温度均匀性，可以实现低进口和出口冷却液压降，以提高器件散热能力，能够有效解决微电子芯片的散热问题。

本发明设计了一种微流道散热结构，所述微流道散热结构包括：

衬底；

多个相互独立的散热通道，各所述散热通道均位于所述衬底内。

本发明的微流道散热结构通过设置在衬底内的多个相互独立的散热通道，多个散热通道的设置可以将热源温度控制在较低的水平，能够有效提升器件的散热能力，减少热量的堆积，且本发明中的微流道散热结构在帮助器件提高散热能力的同时，还可以降低微流道散热结构自身的压降，使散热时压降大的问题得到改善，从而避免温度过高而使器件损毁的问题发生。

在其中一个实施例中，各所述散热通道均包括折线型通道。

在其中一个实施例中，所述折线型通道包括直线部和折弯部；所述直线部与相邻的所述折弯部连接并连通。

在其中一个实施例中，各所述散热通道的所述直线部相平行。

在其中一个实施例中，各所述散热通道的所述直线部与所述折弯部相垂直。

在其中一个实施例中，所述散热通道的宽度为120～180um；所述散热通道的高度为250～350um；相邻的所述直线部之间的间距为100～150um。

在其中一个实施例中，各所述散热通道的进口和出口位于所述衬底相对的两侧。

在其中一个实施例中，各所述散热通道的截面形状均包括矩形、圆形或椭圆形。

本发明还提供一种微电子芯片结构，所述微电子芯片结构包括：

芯片和上述任一项所述的微流道散热结构；

所述芯片设于所述微流道散热结构上。

本发明的微电子芯片结构，通过微流道散热结构帮助芯片进行散热，可以帮助提高器件的散热能力，使微电子芯片结构具有更好的芯片温度均匀性，能够有效解决微电子芯片的散热问题。

在其中一个实施例中，各所述散热通道共同形成散热区域，所述芯片在所述衬底表面的正投影位于所述散热区域在所述衬底表面的正投影内。

附图说明

图1是一种现有技术中单通道型微流道散热结构的结构示意图；

图2是一种现有技术中直排型微流道散热结构的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中的微流道散热结构的结构示意图；

图4是本发明另一个实施例中的微流道散热结构的结构示意图；

图5是本发明再一个实施例中的微流道散热结构的结构示意图；

图6是现有的微流道散热结构和本申请的微流道散热结构的热源最高温度数据集成图，其中a是现有技术中单通道型微流道散热结构的热源最高温度，b是图3的包括两个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，c是图4的包括三个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，d是图5的包括四个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度；

图7是现有的微流道散热结构和本申请的微流道散热结构的进口和出口之间的压降数据集成图，其中e是现有技术中单通道型微流道散热结构的进口和出口之间的压降，f是图3的包括两个散热通道的微流道散热结构的进口和出口之间的压降，g是图4的包括三个散热通道的微流道散热结构的进口和出口之间的压降，h是图5的包括四个散热通道的微流道散热结构的进口和出口之间的压降；

图8是本发明一个实施例中微电子芯片结构的结构示意图。

附图标记说明：

1、单通道型微流道散热结构；11、单通道型微流道散热结构的衬底；12、单通道型微流道散热结构的进口；13、单通道型微流道散热结构的出口；2、直排型微流道散热结构；21、直排型微流道散热结构的衬底；22、直排型微流道散热结构的进口；23、直排型微流道散热结构的出口；31、衬底；32、进口；33、出口；34、直线部；35、折弯部；4、芯片。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

近年来，随着电子产品朝着高集成度、高功率和微小化方向发展，使电子产品的封装密度和功耗逐渐增大，与此同时，芯片的热流密度也在不断的增加，一些GaN芯片的热流密度甚至达到了1000W/cm²，如果这些热量不及时有效的排出，芯片温度将急剧增加，给微电子芯片带来严重的可靠性问题。面对如此高的芯片热流密度产生的热量，传统的散热方法是采用风冷的方式，但风冷散热的方式存在很多的缺点，首先是风冷由于风扇的存在，在散热过程中会产生振动和噪声的问题，另外空气的自身热导率较低，因此散热效果也不是很理想，对于大热流密度的芯片而言几乎达不到散热的要求。目前人们提出采用在芯片或微电子系统中嵌入微流道，并采用冷却液换热来增强散热的方法。由于没有风扇的存在，自然不会有噪声、振动的问题存在；且冷却液的热导率也会比空气高很多，因此优势比较明显。但是现有微型流道散热结构设计不够完善，由于现有的微流道散热结构一般采用单个散热通道，散热通道或多或少会存在一些问题，譬如单个通道散热结构长度较大等，热量在出口处大量堆积，导致散热通道出口处温度显著高于入口处温度，进口和出口之间温度差异大，热源芯片局部温度过高且温度分布不均匀，带来热应力问题。

譬如，现有技术中常用的单通道型微流道散热结构，如图1所示，单通道型微流道散热结构1的流道连续绵长，衬底11的内部设置有一个散热通道，散热通道有一个进口11和一个出口12；冷却液在微流道内需要流经很长的距离，且拐角处水力直径的变化带来更多的冷却液扰动，由于单通道型微流道散热结构的尺寸小(几十微米)、流道过长(几十至几百毫米)，冷却液进口和出口之间的压降过高，导致容易出现漏液、连接处开裂、崩开等可靠性问题；在使用单通道型微流道散热结构进行散热时，热量在出口处大量堆积，导致微流道出口处温度显著高于入口处温度，进口和出口之间温度差异大，热源芯片局部温度过高且温度分布不均匀，带来热应力问题。

因此，现有技术无法同时获得高散热效率和低冷却液进口和出口之间压降，使得微电子产品散热设计困难，每种结构或多或少的存在一些问题，无法同时实现高散热能力和低进口和出口冷却液压降；而高进口和出口冷却液压降会显著影响微流道的可靠性，导致漏液、连接处开裂等问题。因此开发一种具有高散热性能、低压降的微型流道散热器对于实际应用具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明设计了一种微流道散热结构和微电子芯片结构，既具有更好的芯片温度均匀性，还可以实现低进口和出口冷却液压降，以提高器件散热能力，能够有效解决微电子芯片的散热问题。

本发明设计了一种微流道散热结构，如图3所示，微流道散热结构包括衬底31和多个相互独立的散热通道；各散热通道均位于衬底31内。

本发明的微流道散热结构通过设置在衬底31内的多个相互独立的散热通道，多个散热通道的设置可以将热源温度控制在较低的水平，能够有效提升器件的散热能力，减少热量的堆积，且本发明中的微流道散热结构在帮助器件提高散热能力的同时，还可以降低微流道散热结构自身的压降，使散热时压降大的问题得到改善，从而避免温度过高而使器件损毁的问题发生。

其中，衬底31可以采用硅衬底31，也可采用其他导热能力强的材料作为衬底31，譬如可以采用但不仅限于铜衬底31、不锈钢衬底31或陶瓷衬底31等。

在其中一个实施例中，可以采用刻蚀衬底31以形成多个散热通道的方法，来获得本发明的微流道散热结构。

继续参阅图3，在其中一个实施例中，各散热通道均包括折线型通道，每个散热通道均包括一个进口32和一个出口33，进口32和出口33位于衬底31相对的两侧。

本发明的散热通道采用多个散热通道，每个散热通道采用折线型通道，相对于单通道型微流道散热结构1来说，可以提高对流换热系数，因此降低对流热阻，进而降低系统整体热阻；并且相对于单通道型微流道散热结构1进口和出口之间距离较长，产生压降较高的情况，本发明的微流道散热结构的多个散热通道进行散热时，可以更好的降低进口和出口之间的压降。

虽然，现有技术中常用的直排型微流道散热结构也具有多个散热通道，直排型微流道散热结构2的结构示意图如图2所示，于衬底21内设置多个直排型散热通道，即直排型微流道散热结构2是最简单的具有多个散热通道的散热结构，采用平行的直线流道并排排列，实现冷却液从进口22到出口23的流动，将直排型微流道结构2放置于热源区域实现对热源的散热；但直排型微流道结构2是通过调节冷却液的流速、微流道的宽高比、间距来实现所需的散热效率，由于直排型微流道内冷却液流道阻碍少，冷却液很容易快速通过流道，无法充分与热源交换热量，换热效率较低，导致直排型微流道的散热效率在相同冷却液流速下明显低于本发明的折线型通道的散热效率。

进一步地，折线型通道包括直线部34和折弯部35；直线部34与相邻的折弯部35连接并连通；具体地，每个散热通道可以包括至少3段直线部34和至少2段折弯部35。继续参阅图3，在其中一个实施例中，各散热通道的直线部34可以是相互平行的；具体地，各散热通道的直线部34相平行，即每个散热通道的所有直线部34也是互相平行的；在其他实施例中，各散热通道的直线部34也可以不设置互相平行，即每个散热通道的所有直线部34也可以是不互相平行的，能实现本方案的提高散热效率和降低进出口压降的目的即可。

继续参阅图3，在其中一个实施例中，各散热通道的折弯部35可以相互平行，具体地，若各散热通道的折弯部35相平行，即每个散热通道的所有折弯部35也是互相平行的；在其他实施例中，各散热通道的折弯部35也可以不设置互相平行，即每个散热通道的所有折弯部35也可以是不互相平行的，能实现本方案的提高散热效率和降低进出口压降的目的即可。

在其中一个实施例中，各散热通道的直线部34可以与折弯部35相垂直；具体地，若各散热通道的直线部34与折弯部35互相垂直，即每个散热通道的直线部34与折弯部35也是互相垂直的，直线部34与折弯部35之间的角度设置为90°，即散热通道内的冷却液在经过直线部34流经折弯部35之后进入下一个直线部34时，冷却液的流动方向改变180°，且折弯部35处液力直径的变化带来更多的冷却液扰动，因此使各散热通道与热源的换热效率提高，可以实现较快的散热；在其他实施例中，各散热通道的直线部34与折弯部35之间的角度范围可以在0～180°之间，即每个散热通道的直线部34与折弯部35可以不设置互相垂直，能实现本方案的提高散热效率和降低进出口压降的目的即可。

在其中一个实施例中，各散热通道的截面形状可以包括但不仅限于矩形、圆形或椭圆形，仍参阅图3，本实施例中，各散热通道的截面优选为矩形。

在其中一个实施例中，散热通道的宽度的允许范围为120～180um，具体可以为120um、150um或180um；散热通道的高度的允许范围为250～350um，具体可以为250um、300um或350um；相邻的直线部34之间的间距的允许范围为100～150um，具体可以为100um、120um或150um；本实施例中，散热通道的宽度优选为150um，散热通道的高度优选为300um，相邻的直线部34之间的间距优选为120um。

在一个实施例中，如图3所示，微流道散热结构可以包括两个散热通道，每个散热通道包括进口32、出口33、十一段直线部34和十段折弯部35，各散热通道的直线部34与折弯部35相垂直；在其他实施例中，如图4所示，微流道散热结构可以包括三个散热通道，每个散热通道包括进口32、出口33、七段段直线部34和六段折弯部35，各散热通道的直线部34与折弯部35相垂直；如图5所示，微流道散热结构可以包括四个散热通道，每个散热通道包括进口32、出口33、五段直线部34和四段折弯部35，各散热通道的直线部34与折弯部35相垂直；需要说明的是，散热通道的数量不受上述实施例和附图所限制，本发明的微流道散热结构中的散热通道的数量可以依据采用此微流道散热结构的器件需求而定，当器件较大，需要更多散热通道时，可依据需求进行设置。

并且，参阅图6所示的现有的微流道散热结构和本申请的微流道散热结构的热源最高温度数据集成图，其中a是现有技术中单通道型微流道散热结构1的热源最高温度，b是图3的包括两个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，c是图4的包括三个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，d是图5的包括四个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，冷却液的流速均设置为20米/秒，本发明的微流道散热结构的热源最高温度均低于现有技术中单通道型微流道散热结构的热源最高温度，因此可知相对于现有技术中常用的单通道型微流道散热结构，本发明的微流道散热结构可以将热源最高温度保持在较低的温度水平，这可以避免采用本发明的微流道散热结构进行散热的微电子芯片4或其他器件由于过高的温度而损毁以及带来其他可靠性问题。另外，本发明的包括两个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度＞包括三个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度大于包括四个散热通道的微流道散热结构的热源最高温度，因此进一步可以将包括四个散热通道的微流道散热结构作为优选。

进一步地，参阅图7的现有的微流道散热结构和本申请的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降数据集成图，其中e是现有技术中单通道型微流道散热结构1的进口12和出口13之间的压降，f是图3的包括两个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降，g是图4的包括三个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降，h是图5的包括四个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降，冷却液的流速均设置为20米/秒，可知相对于现有技术中常用的单通道型微流道散热结构1，本发明的微流道散热结构的散热通道的进口32和出口33之间的压降明显较低；具体地，每一个散热通道的进口32和出口33之间都会通入冷却液，大大降低了微电子芯片4热量囤积，使散热效果提高；另外，相对于单通道型微流道散热结构1，由于每一段进口32和出口33之间的流道长度减小，因此进口32和出口33之间压降降低。另外，本发明的包括两个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降＞包括三个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降＞包括四个散热通道的微流道散热结构的进口32和出口33之间的压降，因此进一步可以将包括四个散热通道的微流道散热结构作为优选。

在一个实施例中，本发明还提供一种微电子芯片结构，如图8所示，微电子芯片结构包括：芯片4和上述所述的微流道散热结构；芯片4设于微流道散热结构上；具体地，芯片4可以直接设置于微流道散热结构上，与衬底31的上表面相接触。

需要说明的是，微流道散热结构可以为图3、图4及图5实施例中的微流道散热结构，微流道散热结构的具体结构请参阅图3、图4、图5及相关文字描述，此处不再累述。

在其中一个实施例中，各散热通道共同形成散热区域，芯片4在衬底31表面的正投影位于散热区域在衬底31表面的正投影内，以确保芯片4的面积小于散热通道所分布的面积区域，确保芯片4下面都对应有散热通道，保证散热效果。

在一个实施例中，芯片4可以包括但不仅限于微电子芯片4，芯片4的上下表面均可以是矩形；本实施例中，芯片4的上下表面形状优选为正方形，上下表面的尺寸均优选为5mm*5mm；衬底31的上下表面形状可以是矩形，本实施例中，衬底31的上下表面形状优选为正方形，上下表面的尺寸均优选为6mm*6mm。

为方便理解，在一个实施例中，采用微流道散热理论模型对本发明的微流道散热结构在给芯片进行散热时的优势进行说明。

系统整体热阻的计算公式为：R_total＝R_cont+R_cond+R_conv，其中R_total为系统整体热阻，R_cont为接触热阻，为芯片与散热器之间的接触热阻，表达式为：

式中d为芯片与散热结构之间的厚度，k_s为空气的热导率，A_s为芯片与散热结构之间的接触面积；

其中R_cond为传导热阻，为散热结构与微流道管壁之间的热阻，表达式为：

式中L为衬底厚度，λ为衬底材料(譬如，硅)的热导率，A₁为靠近芯片一侧的衬底的表面积；

其中R_conv为对流热阻，为微流道管壁与管道内液体之间的热阻。表达式为：

式中h为对流换热系数，A₂为微流道接触面积。

因此，通过本发明的微流道散热结构的多个散热通道进行散热，相对于单通道型微流道散热结构来说，提高了对流换热系数，因此降低了对流热阻，进而降低系统整体热阻。

另外，微流道进口和出口之间的压降可以表示为：

式中f为摩擦系数，L为微流道长度，d为水力直径，ρ为流体密度，v为流体速度。

因此，相对于单通道型微流道散热结构进口和出口之间距离较长，产生压降较高的情况，本发明的微流道散热结构的多个散热通道进行散热时，可以更好的降低进口和出口之间的压降。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种微流道散热结构，其特征在于，所述微流道散热结构包括：

衬底；

2.根据权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于，各所述散热通道均包括折线型通道。

3.根据权利要求2所述的微流道散热结构，其特征在于，所述折线型通道包括直线部和折弯部；所述直线部与相邻的所述折弯部连接并连通。

4.根据权利要求3所述的微流道散热结构，其特征在于，各所述散热通道的所述直线部相平行。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的微流道散热结构，其特征在于，各所述散热通道的所述直线部与所述折弯部相垂直。

6.根据权利要求3或4中任一项所述的微流道散热结构，其特征在于，所述散热通道的宽度为120～180um；所述散热通道的高度为250～350um；相邻的所述直线部之间的间距为100～150um。

7.根据权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于，各所述散热通道的进口和出口位于所述衬底相对的两侧。

8.根据权利要求1所述的微流道散热结构，其特征在于，各所述散热通道的截面形状均包括矩形、圆形或椭圆形。

9.一种微电子芯片结构，其特征在于，所述微电子芯片结构包括：

芯片和如权利要求1至7中任一项所述的微流道散热结构；

所述芯片设于所述微流道散热结构上。

10.根据权利要求9所述的微电子芯片结构，其特征在于，各所述散热通道共同形成散热区域，所述芯片在所述衬底表面的正投影位于所述散热区域在所述衬底表面的正投影内。