CN114698230B - 一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电子散热技术领域，公开了一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构及其制备方法，一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，包括集成有二次分流网络的低流阻印制电路板、两块及以上连接于所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板上表面的集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板。本发明解决了现有技术存在的三维集成结构不能同时实现高效均匀散热和高集成密度等问题。

Description

一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子散热技术领域，具体是一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构及其制备方法。
背景技术
印制电路板是一种通用的电子系统基板，是电子元器件电气连接的提供者，是实现电子系统高密度集成的重要载体。通过将集成有封装器件的印制电路板进行三维集成，可以极大地提升系统的集成密度，有效提升系统功能。
将具有不同功能的印制电路板三维集成，构建低成本的可扩展阵列，是最有效的阵列系统集成方式之一。然而，随着GaN芯片的广泛应用，阵列化电子装备的发热功率大幅增加；热源分布呈现出垂直方向多层堆叠、水平方向阵列排布的特征。传统的印制电路板主要由有机介质层和铜布线层组成，由于有机材料的热导率很低(通常＜1W/m·K)，很难满足大功率器件高密度集成的需要；将具有不同功能的印制电路板三维集成后，其热传导路径更长、热累积效应更加明显。此外，在基于印制电路板的三维集成可扩展阵列中，每层电路板中器件的发热功率差异显著：例如，在集成有大功率芯片的印制电路板层，其热流密度最高，超过300W/cm2；而集成有命令、控制和电源等中小功率芯片的其他印制电路板层，热流密度较低，通常不超过100W/cm2。这些技术特点都增加了该类系统的热管理难度。通过在印制电路板中内嵌金属芯微流道，可有效解决上述问题。
中国专利202110118888.9提出了一种内嵌微流道的印制电路板及其制备方法，将微流道散热技术与印制电路板高密度集成技术相结合，实现高热流密度散热。
中国专利202110552478.5提出了一种内嵌阵列微流道的印制电路板及其制备方法，实现了阵列高热流密度散热。
中国专利202110550986.X提出了一种内嵌微流道的印制电路板集成结构及其制备方法，实现了内嵌微流道的印制电路板与外部供液系统的水密互连。
然而，上述专利均未涉及到内嵌微流道印制电路板的三维集成，以及如何实现该类三维集成结构的高效、均匀散热。此外，受印制电路板加工条件的约束，印制电路板内嵌金属芯厚度不宜过厚，其推荐厚度不宜超过2mm；对于可扩展阵列，在一块较薄金属芯内实现大幅面、低流阻、阵列化均匀分流，流体网络设计和加工难度高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构及其制备方法，解决现有技术存在的三维集成结构不能同时实现高效均匀散热和高集成密度等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，包括集成有二次分流网络的低流阻印制电路板、两块及以上连接于所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板上表面的集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板包括从上至下依次设置的金属芯板顶部多层布线层一、内嵌阵列散热网络的金属芯板、金属芯板底部多层布线层一，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板还包括进/出液口一，阵列散热网络包括一次分流网络、两个及以上高效散热微流道单元，高效散热微流道单元通过一次分流网络与所述进/出液口一互连，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板包括从上至下依次设置的金属芯板顶部多层布线层二、内嵌二次分流网络的金属芯板、金属芯板底部多层布线层二，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板还包括进/出液口二和分流接口，二次分流网络与进/出液口二、分流接口相连通，高效散热微流道单元的散热能力≥300W/cm2。
作为一种优选的技术方案，所述高效散热微流道单元表面设有大功率芯片封装，所述大功率芯片封装的芯片热流密度≥300W/cm2。
作为一种优选的技术方案，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板表面和所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板表面设有中小功率芯片封装，所述中小功率芯片封装的芯片热流密度为100W/cm2～300W/cm2。
作为一种优选的技术方案，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板的顶部设有普通液冷连接器。
作为一种优选的技术方案，还包括双通液冷连接器和射频连接器，集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板通过双通液冷连接器和射频连接器实现集成。
作为一种优选的技术方案，一次分流网络和高效散热微流道单元均为单层微流道结构。
作为一种优选的技术方案，所述二次分流网络为单层微流道结构。
作为一种优选的技术方案，内嵌阵列散热网络的金属芯板和内嵌二次分流网络的金属芯板的材料均为铜。
所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板；
S2，提供大功率芯片封装和中小功率芯片封装；
S3，将大功率芯片封装和中小功率芯片封装通过印制电路板表面贴装工艺分别焊接在集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板上；
S4，提供双通液冷连接器和射频连接器；
S5，使用双通液冷连接器和射频连接器将集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板连接在一起；
S6，提供普通液冷连接器；
S7，使用普通液冷连接器将集成有二次分流网络的低流阻印制电路板与外部供液系统互连。
作为一种优选的技术方案，步骤S5中连接工艺为插拔式水密连接工艺，步骤S7中互连工艺为螺纹水密连接工艺。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过射频连接器和双通液冷连接器实现电气信号和冷却流体的垂直传输，解决了内嵌微流道的印制电路板三维集成所面临的电和流体传输难题，提升了集成密度；
(2)本发明将冷却流体的阵列散热网络和二次分流网络分置于两层内嵌微流道的印制电路板中，极大降低了每块内嵌微流道印制电路板的制造工艺难度；通过双通液冷连接器实现阵列散热网络与二次分流网络的连接，可以更好的实现低流阻均匀分流；
(3)本发明通过非焊接的插拔式连接方式将集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板进行集成，可满足低成本阵列可扩展集成的应用需求，为大阵面集成提供了有效的工程实现途径；
(4)本发明通过一次分流网络和高效散热微流道单元满足集成有大功率芯片的印制电路板层高效散热需求；通过调整一次分流网络微流道截面宽度，实现小规模阵列的低流阻、均匀分流；通过非均匀、扰流排布的高效散热微流道单元，克服了冷却工质层流粘滞效应导致的散热不均匀现象，实现局部区域均匀散热；
(5)本发明通过二次分流网络，在满足低流阻分流的同时、满足集成有命令、控制和电源等中小功率芯片的其他印制电路板层较低热流密度的散热需求，实现三维集成结构高效热管理。
附图说明
图1是本发明的内嵌微流道的印制电路板三维集成结构剖面示意图。
图2是本发明的内嵌微流道的印制电路板三维集成结构示意图。
图3是本发明的集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板中阵列散热网络结构示意图。
图4是本发明的集成有二次分流网络的低流阻印制电路板中二次分流网络结构示意图。
附图中标记及相应的零部件名称：1-集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板、2-集成有二次分流网络的低流阻印制电路板、3-双通液冷连接器、4-射频连接器、5-普通液冷连接器、6-阵列散热网络、7-二次分流网络、8-进/出液口一、9-进/出液口二、10-大功率芯片封装、11-中小功率芯片封装、12-金属芯板顶部多层布线层一、13-金属芯板底部多层布线层一、14-金属芯板顶部多层布线层二、15-金属芯板底部多层布线层二、16-内嵌阵列散热网络的金属芯板、17-内嵌二次分流网络的金属芯板、18-分流接口、19-一次分流网络、20-高效散热单元。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图4所示，本发明提供了一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，包括：集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1、集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2、双通液冷连接器3、射频连接器4、普通液冷连接器5、大功率芯片封装10和中小功率芯片封装11。
在一个优选的实施例中，如图1至图4所示，
(1)集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1包括内嵌阵列散热网络的金属芯板16，金属芯板顶部多层布线层一12，金属芯板底部多层布线层一13和进/出液口一8。
阵列散热网络包括一次分流网络19和四个高效散热微流道单元20。
高效散热微流道单元阵列化均匀排布，并通过一次分流网络19实现与进/出液口一8的互连。
一次分流网络19和高效散热微流道单元20为单层微流道结构，且微流道截面深度尺寸相同，而宽度尺寸不同。
一次分流网络19从进液口到出液口，大流量区域的微流道截面较宽，小流量区域的微流道截面较窄，通过调整微流道截面宽度，实现小规模阵列的低流阻、均匀分流。
一次分流网络19和进/出液口一8在集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1层中“横平竖直”排布，便于后续双通液冷连接器和射频连接器的阵列布局和电气信号的穿板互连。
高效散热微流道单元20的微流道典型截面宽度尺寸小于一次分流网络19的微流道典型截面宽度尺寸，且微流道布局呈非均匀、扰流排布。
(2)集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2包括内嵌二次分流网络的金属芯板17，金属芯板顶部多层布线层二14，金属芯板底部多层布线层二15，进/出液口二9和分流接口18。
二次分流网络7与进/出液口二9、分流接口18相连通。
二次分流网络7为单层微流道结构，且微流道截面深度尺寸相同，而宽度尺寸不同。
二次分流网络7从进液口到分流接口18、再到出液口，大流量区域的微流道截面较宽，小流量区域的微流道截面较窄，通过调整微流道截面宽度，实现可扩展阵列的低流阻、均匀分流。
二次分流网络7、进/出液口二9和分流接口18在集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2层中“横平竖直”排布，且分流接口18与集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1中的进/出液口一8相对排布，满足内嵌微流道的印制电路板三维集成结构可扩展集成的需要。
(3)集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1表面集成有四个大功率芯片封装10。
大功率芯片封装的芯片热流密度为300W/cm2。
(4)集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2表面集成有多个中小功率芯片封装11和普通液冷连接器5。
中小功率芯片封装的芯片热流密度为100W/cm2。
(5)集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2通过双通液冷连接器3和射频连接器4实现三维集成。
集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2表面可扩展集成四块集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1。
(6)内嵌微流道的印制电路板三维集成结构通过集成在集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2表面的普通液冷连接器5实现与外部供液系统的互连。
(7)内嵌阵列散热网络的金属芯板16和内嵌二次分流网络的金属芯板17材料为铜。
(8)金属芯板顶部多层布线层一12和金属芯板顶部多层布线层二14为有机介质层和铜布线层。
(9)金属芯板底部多层布线层一13和金属芯板底部多层布线层二15为有机介质层和铜布线层。
实施例2
如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构的制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：提供集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2。
步骤(2)：提供大功率芯片封装10和中小功率芯片封装11。
步骤(3)：将大功率芯片封装10和中小功率芯片封装11通过印制电路板表面贴装工艺分别焊接在集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2上。
步骤(4)：提供双通液冷连接器3和射频连接器4。
步骤(5)：使用双通液冷连接器3和射频连接器4将集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板1与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2连接在一起。
该连接工艺为非焊接的插拔式水密连接工艺。
步骤(6)：提供普通液冷连接器5。
步骤(7)：使用普通液冷连接器5将集成有二次分流网络的低流阻印制电路板2与外部供液系统互连。
该互连工艺为螺纹水密连接工艺。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，包括集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)、两块及以上连接于所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)上表面的集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)包括从上至下依次设置的金属芯板顶部多层布线层一(12)、内嵌阵列散热网络的金属芯板(16)、金属芯板底部多层布线层一(13)，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)还包括进/出液口一(8)，阵列散热网络包括一次分流网络(19)、两个及以上高效散热微流道单元(20)，高效散热微流道单元(20)通过一次分流网络(19)与所述进/出液口一(8)互连，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)包括从上至下依次设置的金属芯板顶部多层布线层二(14)、内嵌二次分流网络的金属芯板(17)、金属芯板底部多层布线层二(15)，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)还包括进/出液口二(9)和分流接口(18)，二次分流网络与进/出液口二(9)、分流接口(18)相连通，高效散热微流道单元(20)的散热能力≥300W/cm2；
还包括双通液冷连接器(3)和射频连接器(4)，集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)通过双通液冷连接器(3)和射频连接器(4)实现集成。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，所述高效散热微流道单元(20)表面设有大功率芯片封装(10)，所述大功率芯片封装(10)的芯片热流密度≥300W/cm2。
3.根据权利要求2所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，所述集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)表面和所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)表面设有中小功率芯片封装(11)，所述中小功率芯片封装(11)的芯片热流密度为100W/cm2～300W/cm2。
4.根据权利要求3所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，所述集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)的顶部设有普通液冷连接器(5)。
5.根据权利要求4所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，一次分流网络(19)和高效散热微流道单元(20)均为单层微流道结构。
6.根据权利要求5所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，所述二次分流网络为单层微流道结构。
7.根据权利要求6所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构，其特征在于，内嵌阵列散热网络的金属芯板(16)和内嵌二次分流网络的金属芯板(17)的材料均为铜。
8.权利要求4至7任一项所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，提供集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)；
S2，提供大功率芯片封装(10)和中小功率芯片封装(11)；
S3，将大功率芯片封装(10)和中小功率芯片封装(11)通过印制电路板表面贴装工艺分别焊接在集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)和集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)上；
S4，提供双通液冷连接器(3)和射频连接器(4)；
S5，使用双通液冷连接器(3)和射频连接器(4)将集成有阵列散热网络的高效散热印制电路板(1)与集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)连接在一起；
S6，提供普通液冷连接器(5)；
S7，使用普通液冷连接器(5)将集成有二次分流网络的低流阻印制电路板(2)与外部供液系统互连。
9.根据权利要求8所述的一种内嵌微流道的印制电路板三维集成结构的制备方法，其特征在于，步骤S5中连接工艺为插拔式水密连接工艺，步骤S7中互连工艺为螺纹水密连接工艺。
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