CN115050711B

CN115050711B - 基于微流道的散热基板

Info

Publication number: CN115050711B
Application number: CN202210972153.7A
Authority: CN
Inventors: 陈维
Original assignee: Shenzhen Paipo Technology Co ltd; Dongguan Paipo Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Paipo Technology Co ltd; Dongguan Paipo Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-15
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2042-08-15
Also published as: CN115050711A

Abstract

本发明公开了基于微流道的散热基板，包括底板和微流道，微流道一端设置有进口另一端设置有出口，外部的冷却循环装置通过进口和出口向所述微流道送入和排出冷却介质，所述进口设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，所述微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度。本发明提供的基于微流道的散热基板将近口设置在需要高功率散热的区域，让低温冷却介质优先对需要高功率散热的区域进行冷却，同时微流道在对应高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，也能够增加针对特定区域的冷却功率，在不增大整体冷却功率的情况下实现在特定局部高功率冷却，用来满足现在多簇架构芯片大小核不同散热功率的需求。

Description

基于微流道的散热基板

技术领域

本发明涉及芯片加工技术领域，特别是涉及基于微流道的散热基板。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅速发展，电子设备的微形化已经成为现代电子设备发展的主流趋势，电子器件特征尺寸不断减小。片上系统(SOC)即在单个芯片上集成一个完整的系统，包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等，以及封装系统(SIP)即将具有一定功能的芯片密封在与其相适应的一个外壳壳体中，这两种技术也随之不断进步，微电子芯片实现的功能和功能密度都呈指数增加。功能增加的同时，其功耗和发热也随之增加，研究表明，超过55％的电子设备失效都是由温度过高引起的，因此对于芯片或集成系统的封装提出了很高的要求。封装基板性能的好坏很大程度上决定了产品的可靠性和使用寿命。其中低温共烧结陶瓷(LTCC)基板由于其具有耐热性好，热导率高，热膨胀系数小，以及微细化布线较容易等特点，已经被广泛应用于大规模集成电路以及混合电路(HIC)封装。传统的LTCC基板散热一般采用外接散热管的方式，随着LTCC基板上元件密度的增加以及基板层数的增加，这种传统散热方式已经很难满足系统的散热需求。近几年，基于微机电系统(MEMS)技术的微流道散热技术开始应用于LTCC基板散热中。微机电系统是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。微机电系统是一种先进的制造技术平台，它是以半导体制造技术为基础发展起来的，采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料。微流道散热是在很薄的硅片、金属、或其他合适的基板上，用光刻、蚀刻及精确切削方法加工出截面形状仅有几十到上百微米的流道，流体在流过这些微流道时带走基体上的热量，它是利用微尺度的换热性达到高效冷却的目的。传统散热基板在内部设置微流道，冷却介质从一端进入后从另一端排出，冷却介质在微流道中将热量吸收并带走，达到冷却的目的，这种散热方式其实是一个均热板整体散热，整体降温，现有技术也都是怎么散热均匀，怎么提高散热效率，无法做到针对重点发热区域进行重点降温，从而导致芯片局部温度过高，影响芯片的正常工作。

要想达到理想散热效果，首先要从芯片的结构上了解，现在的芯片为了兼顾高性能和低功耗，一般采用多簇架构设计，采用大小核的方案，需要高性能运转时启动大核，不需要高性能进行低功率运行时，启动小核，这时散热就需要针对大核进行局部高功率散热，对小核进行相对低功率散热。

发明内容

本发明的目的就在于为解决传统散热基板只能够进行整体散热，无法针对芯片不同区域发热量不同，进行不同功率散热的问题，而提供基于微流道的散热基板。

本发明采用的技术方案为，基于微流道的散热基板：包括底板，所述底板的一面与需要散热的芯片接触，另一面设置有一个或多个微流道，所述微流道一端设置有进口另一端设置有出口，外部的冷却循环装置通过所述进口和出口向所述微流道送入和排出冷却介质，所述进口设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，所述微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度；由于进口的冷却介质温度最低，所以将进口设置在芯片需要高功率散热处散热效果最好。

进一步地，所述底板上还设置有与所述微流道所在平面平行的上层微流道，所述上层微流道的数量与微流道数量相同且对应设置，所述上层微流道的进口与所述微流道的出口连接，所述上层微流道的出口与所述冷却循环装置连接，所述上层微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，双层散热进一步提高散热效率，同时上下两层微流道均采用不均衡的密度排列，使需要高功率散热区域散热功率明显大于其他区域。

进一步地，所述多个微流道的进口合为一个总进口，多个所述上层微流道的出口合为总出口，所述总进口设置在对应芯片需要高功率散热区域的中心，所述微流道以所述总进口为中心向外延伸至所述底板边缘与所述上层微流道连接，所述上层微流道从所述底板边缘汇聚在所述总出口，使所述微流道和所述上层微流道对应处冷却介质流向相反。

进一步地，所述微流道呈蛇形或直槽形或折线形或树形或螺旋形或工字形，所述上层微流道与微流道形状相同或不同。

进一步地，所述上层微流道与所述微流道交错设置。

进一步地，所述微流道和所述上层微流道在拐弯处的半径大于两倍的所述微流道宽度。

进一步地，所述底板采用LTCC材质制成，所述底板包括与所述芯片接触的导热层、设置所述微流道和所述上层微流道的微流层、设置所述进口和所述出口的连接层和分隔各层的分隔层，所述微流道和所述上层微流道设置在不同的微流层内，所述分隔层上设置有通孔使所述微流道的出口与所述上层微流道的进口连通。

进一步地，所述底板采用导热金属制成，所述底板包括上板、隔板和下板，所述下板和上板分别通过光刻、蚀刻或精确切削在表面上加工出所述微流道和上层微流道，所述隔板上开有通孔使所述微流道的出口与所述上层微流道的进口连通，所述上板、隔板或下板上设置所述进口和出口。

进一步地，所述进口和出口相对于所述底板水平设置或垂直设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于微流道的散热基板将近口设置在需要高功率散热的区域，让低温冷却介质优先对需要高功率散热的区域进行冷却，同时微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，也能够增加针对特定区域的冷却功率，在不增大整体冷却功率的情况下实现在需要的特定局部高功率冷却，用来满足现在多簇架构芯片针对大小核不同散热功率的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多簇架构芯片的示意图；

图2是实施例1的示意图；

图3是实施例2的示意图；

图4是实施例3的示意图。

附图标记说明如下：

1、微流道；2、进口；3、出口；4、总进口；5、总出口；6、上层微流道；7、导热层；8、微流层；9、连接层；10、分隔层；11、通孔；12、上板；13、隔板；14、下板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

如图1所示芯片采用二簇架构设计，左上角为1个大核，右边和下边为5个小核，大核功率高发热量大，所以针对该芯片需要对散热基板进行不同区域不同散热功率设计，左上角散热功率高，右边和下边散热功率低。

实施例1和实施例2采用LTCC基板技术，将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，制出带电路基板。同时在部分不带电路基板上，用光刻、蚀刻及精确切削方法加工出截面形状仅有几十到上百微米的微流道，制备出微流道散热板以及带有出进口的基板。然后把带电路基板、微流道散热板及带出进口的基板叠压在一起，其中带进出口的基板上的进口与微流道散热板的进口对中，带出进口的基板上的出口与微流道散热板的出口对中。微流道散热板可以置于会产生热源的基板上方，也可以置于其下方。

实施例1

如图2所示，本实施例的基于微流道的散热基板：包括底板，所述底板的一面与需要散热的芯片接触，另一面设置有一个微流道1，所述微流道1一端设置有进口2另一端设置有出口3，外部的冷却循环装置通过所述进口2和出口3向所述微流道1送入和排出冷却介质，所述进口2设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，也就是左上角区域，由于进口的冷却介质温度最低，所以将进口设置在芯片需要高功率散热处散热效果最好；所述微流道1在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，即图中做上区域微流道1的排列密度大与右边和下边区域，也能够增加针对左上角大核区域的冷却功率。

所述微流道1呈矩形单螺旋形。

所述底板采用LTCC材质制成，所述底板包括与所述芯片接触的导热层7、设置所述微流道1的微流层8、设置所述进口2和所述出口3的连接层9和分隔各层的分隔层10，本实施例为单层微流道1，所以从上往下依次是导热层7、分隔层10、微流层8、分隔层10、连接层9和分隔层10，冷却介质从连接层9的进口2进入到连接层9，然后向上进入到微流道1，进入后低温的冷却介质首先在左上角区域进行冷却，然后转到右边和下边区域，最后从出口3排出，这样的排列设置使左上角对应大核区域首先冷却，且微流道1在左上角区域排列密度大冷却功率高。微流道1在拐弯处的半径大于两倍的微流道1宽度，使冷却介质在微流道1中的拐弯处流动更流畅，不会产生湍流。所述冷却介质为冷却液。

实施例2

如图3所示，本实施例的基于微流道的散热基板：包括底板，所述底板的一面与需要散热的芯片接触，另一面设置有四个微流道1，所述微流道1一端设置有进口2另一端设置有出口3，外部的冷却循环装置通过所述进口2和出口3向所述微流道1送入和排出冷却介质，所述进口2设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，也就是左上角区域，由于进口的冷却介质温度最低，所以将进口设置在芯片需要高功率散热处散热效果最好；所述微流道1在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，也能够增加针对左上角大核区域的冷却功率。

为了提高散热功率，所述底板上还设置有与微流道1平行的上层微流道6，所述上层微流道6的数量与微流道1数量相同且对应设置，所述上层微流道6的进口2与微流道的出口3连接，所述上层微流道的出口3与所述冷却循环装置连接，所述上层微流道6在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，双层散热进一步提高散热效率，同时上下两层微流道均采用不均衡的密度排列，使需要高功率散热区域散热功率明显大于其他区域。

进一步地，所述四个微流道1的进口合为一个总进口4，所述四个上层微流道6的分出口3合为总出口5，所述总进口4设置在对应芯片需要高功率散热区域的中心，所述微流道1以所述总进口4为中心向外延伸至所述底板边缘与所述上层微流道6连接，所述上层微流道6从所述底板边缘汇聚在所述总出口5，使所述微流道1和所述上层微流道6对应处冷却介质流向相反，由于冷却介质在微流道1和上层微流道6中流动温度逐渐升高，所以微流道1的散热效率是中间高四周低，而上层微流道6是四周高中间低，微流道1和上层微流道6叠加后使高功率散热区域和低功率散热区域在区域范围内散热均匀。

为了进一步使区域局部散热均匀，所述微流道1和上层微流道6呈蛇形，上层微流道6与所述微流道1交错设置，如图3中，微流道1的左半部分为左右蛇形，右半部分为上下蛇形，对应的上层微流道6的左半部分为上下蛇形，右半部分为左右蛇形，这样微流道1和上层微流道6在纵向上交叉折叠，使区域局部散热均匀。同时微流道1在拐弯处的半径大于两倍的微流道1宽度，使冷却介质在微流道1中的拐弯处流动更流畅，不会产生湍流。

所述底板采用LTCC材质制成，所述底板包括与所述芯片接触的导热层7、设置所述微流道1的微流层8、设置所述进口2和所述出口3的连接层9和分隔各层的分隔层10，本实施例为双层微流道，包括微流道1和上层微流道6，所以从上往下依次是导热层7、分隔层10、微流层8、分隔层10、连接层9、分隔层10、微流层8、和分隔层10，冷却介质从连接层9的总进口4进入到连接层9，然后向上进入到微流道1（以左上角的微流道1举例），进入后低温的冷却介质首先在左上角区域进行冷却，蛇形向左上角流动，然后通过左上角的通孔11进入到上层微流道6然后向右下流动，最后从总出口5排出，这样的排列设置使左上角对应大核区域首先冷却，且微流道1排列密度大冷却功率高。所述进口2和出口3相对于所述底板水平设置，所述冷却介质为冷却气体。

实施例3

如图4所示，本实施例的基于微流道的散热基板：包括底板，所述底板的一面与需要散热的芯片接触，另一面设置有2个微流道1，所述微流道1一端设置有进口2另一端设置有出口3，外部的冷却循环装置通过所述进口2和出口3向所述微流道1送入和排出冷却介质，所述进口2设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，也就是左上角区域，由于进口的冷却介质温度最低，所以将进口设置在芯片需要高功率散热处散热效果最好；所述微流道1在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，也能够增加针对左上角大核区域的冷却功率。

为了提高散热功率，所述底板上还设置有与微流道1平行的上层微流道6（上层微流道6设置在上板12的下表面，所以图中没有画出），所述上层微流道6的数量与微流道1数量相同且对应设置，所述上层微流道6的进口2与微流道的出口3连接，所述上层微流道的出口3与所述冷却循环装置连接，所述上层微流道6在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度，双层散热进一步提高散热效率，同时上下两层微流道均采用不均衡的密度排列，使需要高功率散热区域散热功率明显大于其他区域。

进一步地，所述多个微流道1的进口合为一个总进口4，所述多个上层微流道6的分出口3合为总出口5，所述总进口4设置在对应芯片需要高功率散热区域的中心，所述微流道1以所述总进口4为中心向外延伸至所述底板边缘与所述上层微流道6连接，所述上层微流道6从所述底板边缘汇聚在所述总出口5，使所述微流道1和所述上层微流道6对应处冷却介质流向相反，由于冷却介质在微流道1和上层微流道6中流动温度逐渐升高，所以微流道1的散热效率是中间高四周低，而上层微流道6是四周高中间低，微流道1和上层微流道6叠加后使高功率散热区域和低功率散热区域在区域范围内散热均匀。

为了进一步使区域局部散热均匀，所述微流道1和上层微流道6呈双头螺旋形，所述上层微流道6与所述微流道1交错设置，这样微流道1和上层微流道6在纵向上交叉折叠，使区域局部散热均匀。同时微流道1在拐弯处的半径大于两倍的微流道1宽度，使冷却介质在微流道1中的拐弯处流动更流畅，不会产生湍流。

所述底板采用导热金属制成，所述底板包括上板12、隔板13和下板14，下板14下表面与需要散热的芯片接触，所述下板14和上板12分别通过光刻、蚀刻或精确切削在表面上加工出所述微流道1和上层微流道6，所述隔板13上开有通孔11使所述微流道1的出口与所述上层微流道6的进口连通，所述上板12上设置所述总进口4和总出口5，总进口4和总出口5相对于上板12垂直设置，由于本实施例底板采用导热金属制成有一定厚度，总进口4和总出口5可垂直设置直接穿透底板与上层微流道6和微流道1连接，冷却介质从总进口4进入到下板14，然后进入到微流道1，沿着双螺旋线向外循环，进入后低温的冷却介质首先在左上角区域进行冷却，然后通过通孔11进入到上板12的上层微流道6然后向内螺旋汇聚在总出口5，最后从总出口5排出，这样的排列设置使左上角对应大核区域首先冷却，且微流道1左上角排列密度大冷却功率高。所述冷却介质为冷却气体。

在其他实施例中，微流道1呈蛇形或直槽形或折线形或树形或工字形，所述上层微流道6与微流道1形状相同或不同。

依照本发明，现有技术的微流道都是冷却介质从一端流入从另一端流出，各种散热结构的改进都是在使散热整体更均匀更快速，都没有对多簇架构的大小核芯片，针对大核和小核散热需求的不同，采用针对性的散热功率设计。因为本发明将冷却介质的进口设置在对应大核需要高功率散热处，让低温冷却介质首先对大核区域进行冷却，然后冷却介质便会升温，冷却功率下降，然后再流向小核对应位置，进行低功率冷却，同时为了确保大核区域冷却功率高，微流道在该区域排布密度大于其他区域，是冷却介质在大核区域冷却时间长，提高了在大和区域的总冷却量，满足该区域的冷却要求。上述三个实施例仅用于举例说明，为画图和描述方便选用了较为简单的微流道形状，第二和第三实施例也仅举例两层微流道，针对不用散热需求的芯片，可以设计不通形状的复杂微流道，微流道的数量、形状、层数均可具体设计，只要能够满足多簇架构芯片不同区域不同散热需求即可，可以变幻出无数种微流道结构，这些微流道结构只要采用进口设置在高功率散热区域、微流道在高功率散热区域排布密度大于其他区域的设计，均包含在本发明的范围内。

依照本发明，通过采用一层或两层微流道来进一步增强散热基板的散热效果，针对芯片特定区域进行高功率散热，由此降低了因芯片局部温度过高引起的芯片失效风险，延长了芯片的使用寿命；本领域技术人员很容易通过简单的叠加，采用三层或更多层的微流道来提高散热功率，都在本发明的保护范围内。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.基于微流道的散热基板，其特征在于：包括底板，所述底板的一面与需要散热的芯片接触，另一面设置有一个或多个微流道，所述微流道一端设置有进口另一端设置有出口，外部的冷却循环装置通过所述进口和出口向所述微流道送入和排出冷却介质，所述进口设置在对应所述芯片需要高功率散热区域，所述微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度;

所述底板上还设置有与所述微流道所在平面平行的上层微流道，所述上层微流道的数量与微流道数量相同且对应设置，所述上层微流道的进口与所述微流道的出口连接，所述上层微流道的出口与所述冷却循环装置连接，所述上层微流道在对应所述芯片需要高功率散热区域排列密度大于其他区域排列密度;

所述多个微流道的进口合为一个总进口，多个所述上层微流道的出口合为总出口，所述总进口设置在对应芯片需要高功率散热区域的中心，所述微流道以所述总进口为中心向外延伸至所述底板边缘与所述上层微流道连接，所述上层微流道从所述底板边缘汇聚在所述总出口，使所述微流道和所述上层微流道对应处冷却介质流向相反;

且所述上层微流道与所述微流道交错设置。

2.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述微流道呈蛇形或直槽形或折线形或树形或螺旋形或工字形，所述上层微流道与微流道形状相同或不同。

3.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述微流道和所述上层微流道在拐弯处的半径大于两倍的所述微流道宽度。

4.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述底板采用LTCC材质制成，所述底板包括与所述芯片接触的导热层、设置所述微流道和所述上层微流道的微流层、设置所述进口和所述出口的连接层和分隔各层的分隔层，所述微流道和所述上层微流道设置在不同的微流层内，所述分隔层上设置有通孔使所述微流道的出口与所述上层微流道的进口连通。

5.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述底板采用导热金属制成，所述底板包括上板、隔板和下板，所述下板和上板分别通过光刻、蚀刻或精确切削在表面上加工出所述微流道和所述上层微流道，所述隔板上开有通孔使所述微流道的出口与所述上层微流道的进口连通，所述上板、隔板或下板上设置所述进口和出口。

6.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述进口和出口相对于所述底板水平设置或垂直设置。

7.根据权利要求1所述的基于微流道的散热基板，其特征在于：所述冷却介质为液体、气体或气液混合物。