CN117855171B - 一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺，其中一种高功率芯片的微流道散热结构中包括壳体、晶粒和重布线层，晶粒的第二表面与壳体内侧壁之间形成降温腔，并且在降温腔内设置格栅，同时向降温腔内填充冷却液。晶粒在工作时发热，壳体上的散热器启动，散热器的震动能够挤压壳体，在壳体震动时，壳体内部冷却液被挤压，则格栅内部的气泡被挤压，使得冷却液在降温腔内流动，流动的冷却液能够将晶粒工作时散发的热量扩散至整个冷却液中，从而在壳体内部某一个或多个晶粒发热时，降温腔内流动的冷却液将热量均匀分布在降温腔内，更加便于晶粒进行散热，多个晶粒构成的芯片散热效果提升。

Description

一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺

技术领域

本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺。

背景技术

芯片封装主要是在半导体制造的后道制程中完成的，即利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺，芯片封装最基本的功能是保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响），制造完成的芯片如附图1所示。

在芯片封装制造完成之后需要考虑芯片在工作过程中散热的问题，在常规的设置中，在芯片外侧加装独立的散热机构，在芯片发热时，芯片的热量传导至外侧独立的散热机构上进行散热，但是在芯片的局部发热时，芯片的局部热量不能及时传导至整个芯片上，则芯片外侧加装的独立散热机构不能对局部发热位置进行快速降温，从而影响芯片正常工作。

发明内容

本发明提供一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺，以解决现有的芯片散热效率低的问题。

本发明的一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺采用如下技术方案：

一种高功率芯片的微流道散热结构，包括壳体、晶粒和重布线层。

壳体内部具有安装腔，壳体上连接有散热器；晶粒设置有多个，多个晶粒均设置于安装腔内，且多个晶粒固定设置于同一平面内，每个晶粒均具有第一表面和第二表面；每个晶粒的第一表面上均设置有第一触点；晶粒的第二表面与壳体内侧壁之间能够形成降温腔，降温腔内侧壁设置有格栅，格栅内附着有气泡，降温腔内填充有冷却液，壳体受到挤压时格栅的气泡发生形变；重布线层用于将多个晶粒上的第一触点传导至壳体外侧。

进一步地，降温腔内部设置有隔板，隔板与晶粒的第二表面平行且间隔设置，隔板能够将降温分隔为相对隔绝的第一腔和第二腔，隔板上设置有连通第一腔和第二腔的导通口。

进一步地，重布线层上设置有多个支撑板，支撑板的端部能够与隔板抵接。

进一步地，隔板上设置有扰流板，扰流板用于控制冷却液在降温腔内流动的方向。

进一步地，每个晶粒的各个表面上均涂覆有钝化层，钝化层上设置有多个第一缺口，每个第一缺口与第一触点连通。

进一步地，重布线层包括多个布线板和多个锡球；多个锡球在壳体外表面的一个侧壁上阵列排布；布线板为导电材质，每个布线板连接一个晶粒的第一触点与一个锡球。

进一步地，支撑板的材质与布线板的材质相同；壳体内部设置有挡板，挡板设置在晶粒的第二表面和支撑板的表面。

进一步地，壳体上设置多个接触焊垫，每个接触焊垫与一个布线板导通，锡球设置在接触焊垫上。

进一步地，壳体的侧壁上设置有金属片。

一种高功率芯片的微流道散热结构的加工工艺，用于加工上述任意一项所述的高功率芯片的微流道散热结构，包括以下步骤：

S100：清洗晶粒；

S200：在晶粒各个表面涂覆介电层，并固化介电层；

S300：在晶粒第一表面上的介电层外侧涂覆光刻胶；

S400：使用光刻技术在光刻胶上开孔，确定出晶粒的第一触点；

S500：在光刻胶的开孔处设置重布线层，并将重布线层与第一触点连接；

S600：向晶粒第二表面与壳体内侧壁之间的降温腔内安装格栅；

S700：向降温腔内填充冷却液。

本发明的有益效果是：本发明的一种高功率芯片的微流道散热结构及其加工工艺，其中高功率芯片的微流道散热结构中包括壳体、晶粒和重布线层，将多个晶粒固定设置在同一平面内，且多个晶粒均设置在安装腔内，将每个晶粒的第一表面上设置一个第一触点，其中第一触点用于晶粒输入或输出信号，在重布线层的作用下，将多个晶粒上的第一触点传导至壳体外侧，便于对晶粒进行连接。晶粒的第二表面与壳体内侧壁之间形成降温腔，并且在降温腔内设置格栅，同时向降温腔内填充冷却液。晶粒在工作时发热，壳体上的散热器启动，散热器在工作时产生震动，散热器的震动能够挤压壳体，在壳体震动时，壳体内部冷却液被挤压，则格栅内部的气泡被挤压，使得冷却液在降温腔内流动，流动的冷却液能够将晶粒工作时散发的热量扩散至整个冷却液中，从而在壳体内部某一个或多个晶粒发热时，降温腔内流动的冷却液将热量均匀分布在降温腔内，更加便于晶粒进行散热，多个晶粒构成的芯片散热效果提升。

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为现有的芯片封装结构图；

图2为本发明实施例提供的一种高功率芯片的微流道散热结构的原理图；

图3为本发明实施例提供的一种高功率芯片的微流道散热结构中隐去部分壳体和隔板后的俯视图；

图4为本发明实施例提供的一种高功率芯片的微流道散热结构中散热器的结构示意图。

图中：110、壳体；120、封堵板；130、晶粒；131、第一触点；140、格栅；150、支撑板；160、降温腔；161、第一腔；162、第二腔；170、钝化层；180、布线板；190、锡球；210、接触焊垫；220、隔板；230、扰流板；240、辅助板；250、挡板；260、金属片；310、鳍片；320、散热风扇；330、固定架；340、散热板。

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。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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”可以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。

如图2至图4所示，本发明实施例提供的一种高功率芯片的微流道散热结构，包括壳体110、晶粒130和重布线层。

壳体110外形略呈方形板状，壳体110内部中空，壳体110内部中空的腔室为安装腔，壳体110具有面积相对较大的上表面和下表面，如图2所示，处于上方的为壳体110的上表面，处于下方的为壳体110的下表面，壳体110的上表面与下表面相对设置，壳体110的上表面上设置有开口朝上的安装口，壳体110上设置有封堵板120，封堵板120能够对壳体110的安装口进行封堵。在进一步的设置中，壳体110能够分为多个矩阵单元，多个矩阵单元固定连接，多个矩阵单元共同构成壳体110。壳体110的上表面上设置有散热器，散热器包括鳍片310、散热风扇320、固定架330和散热板340。散热板340固定设置于固定架330上，散热板340能够与壳体110的上表面接触，在实际使用时，需要在壳体110的上表面涂覆散热硅脂，确保散热板340与壳体110紧密接触。鳍片310固定设置在固定架330上，鳍片310能够增加散热面积，散热风扇320能够安装在固定架330上，散热风扇320能够将对鳍片310进行吹风，提高鳍片310的散热效率。

晶粒130设置有多个，多个晶粒130均设置于安装腔内，且多个晶粒130固定设置于同一平面内，多个晶粒130所在的同一平面与壳体110的上表面或下表面平行。在进一步的设置中，每个矩阵单元内设置一个晶粒130，附图2所示的结构为一个矩阵单元和一个晶粒130。每个晶粒130均具有第一表面和第二表面，其中第一表面与第二表面处于相对的两个面，第一表面与第二表面为晶粒130面积最大的两个外表面。在本实施例中，设置晶粒130的第一表面靠近壳体110的下表面，晶粒130的第二表面靠近壳体110的上表面。每个晶粒130的第一表面上均设置有第一触点131，第一触点131用于晶粒130输入或输出信号。晶粒130的第二表面与壳体110内侧壁之间能够形成降温腔160，在具体的设置中，晶粒130的第二表面与壳体110内侧壁的上端之间形成降温腔160，在初始状态时，封堵板120处于不封堵安装口的状态，则降温腔160能够通过安装口连通外部环境。降温腔160内侧壁设置有格栅140，格栅140内附着有气泡，降温腔160内填充有冷却液，在降温腔160内填充冷却液后，使用封堵板120将安装口进行封堵，使得降温腔160处于相对密闭的环境。壳体110受到挤压时格栅140的气泡能够发生形变，在具体的设置中，在散热风扇320启动时，散热风扇320的震动经过固定架330和散热板340传导至壳体110上表面上，壳体110发生细微的形变，由于降温腔160内是处于充满冷却液的状态，壳体110的细微形变使得降温腔160内的冷却液对格栅140进行挤压，使得格栅140上的气泡发生改变，少量冷却液进入格栅140内部，此时格栅140上附着的气泡压力增加。壳体110被挤压后能够自动恢复原状，由于散热风扇320作用在壳体110上的震动是具有固定频率的，则在壳体110自动恢复原状时，格栅140中的气泡在自身压力的作用下恢复为原状，进入格栅140中的冷却液再次脱离格栅140，在冷却液进入和脱离格栅140的运动过程，实现了冷却液在降温腔160内的流动。

重布线层用于将多个晶粒130上的第一触点131传导至壳体110外侧，若多个晶粒130之间需要进行连接时，在重布线层的作用下，将第一触点131引导至壳体110外侧，在实际使用时，直接将壳体110安装在相应位置即可，提高使用的便捷性。

本发明的高功率芯片的微流道散热结构，将多个晶粒130固定设置在同一平面内，且多个晶粒130均设置在安装腔内，将每个晶粒130的第一表面上设置一个第一触点131，其中第一触点131用于晶粒130输入或输出信号，在重布线层的作用下，将多个晶粒130上的第一触点131传导至壳体110外侧，便于对晶粒130进行连接。晶粒130的第二表面与壳体110内侧壁之间形成降温腔160，并且在降温腔160内设置格栅140，同时向降温腔160内填充冷却液。晶粒130在工作时发热，壳体110上的散热器启动，散热器在工作时产生震动，散热器的震动能够挤压壳体110，在壳体110震动时，壳体110内部冷却液被挤压，则格栅140内部的气泡被挤压，使得冷却液在降温腔160内流动，流动的冷却液能够将晶粒130工作时散发的热量扩散至整个冷却液中，从而在壳体110内部某一个或多个晶粒130发热时，降温腔160内流动的冷却液将热量均匀分布在降温腔160内，更加便于晶粒130进行散热，多个晶粒130构成的芯片散热效果提升。

在其中一个实施例中，降温腔160内部设置有隔板220，隔板220与晶粒130的第二表面平行且间隔设置，隔板220能够将降温腔160分隔为相对隔绝的第一腔161和第二腔162，在具体的设置中，隔板220与晶粒130第二表面之间的腔室为第一腔161，隔板220与壳体110内侧壁之间的腔室为第二腔162，隔板220上设置有连通第一腔161和第二腔162的导通口。在本实施例中，格栅140能够设置在第一腔161或第二腔162室内，在壳体110受到散热风扇320的震动时，第一腔161与第二腔162内的冷却液能够相互流通，通过设置相对隔绝的第一腔161与第二腔162，从而实现将壳体110内部局部的晶粒130发热量扩散至整个降温腔160，提高对晶粒130散热的效果。

在其中一个实施例中，重布线层上设置有多个支撑板150，支撑板150的端部能够与隔板220抵接，支撑板150与隔板220抵接时，支撑板150对隔板220进行支撑，防止隔板220在降温腔160内弯折。

在其中一个实施例中，隔板220上设置有扰流板230，扰流板230用于控制冷却液在降温腔160内流动的方向。在具体的设置中，隔板220上的多个导通口能够分为一类口和二类口，其中一类口设置于隔板220的中部，二类口设置于隔板220的边缘，一类口用于冷却液由第二腔162流向第一腔161，二类口用于冷却液由第一腔161流向第二腔162。扰流板230设置在一类口处，扰流板230与隔板220之间具有夹角设置，扰流板230的一端与隔板220固定连接，扰流板230远离隔板220一端处于扰流板230连接隔板220一端的下方，且扰流板230远离隔板220一端的厚度小于扰流板230连接隔板220一端的厚度，在第一腔161内的冷却液经过一类口时，一类口处的扰流板230对冷却液具有一定的阻碍作用，降低冷却液通过一类口由第一腔161流动至第二腔162的概率，从而将第一腔161内的冷却液引导至二类口处流向第二腔162，从而控制冷却液在第一腔161与第二腔162内的流动方向。

在其中一个实施例中，第二腔162内设置有多个辅助板240，多个辅助板240均与隔板220之间均具有夹角设置，辅助板240的一端固定连接第二腔162的内侧壁，辅助板240连接第二腔162内侧壁的一端处于冷却液流动方向的前侧，辅助板240远离连接第二腔162内侧壁的一端处于冷却液流动方向的后侧，在第二腔162内通过设置多个辅助板240能够对第二腔162内流动的冷却液进行引导，确保第二腔162内的冷却液能以预设方向进行流动。

在其中一个实施例中，每个晶粒130的各个表面上均涂覆有钝化层170，钝化层170上设置有多个第一缺口，每个第一缺口与第一触点131连通，晶粒130表面的钝化层170能够对晶粒130起到保护作用，防止相邻两个晶粒130之间相互导通，确保每个晶粒130均能够稳定且独立运行。

在其中一个实施例中，重布线层包括多个布线板180和多个锡球190。多个锡球190在壳体110外表面，多个锡球190均处于壳体110的下表面，多个锡球190在壳体110的下表面阵列排布。布线板180为导电材质，每个布线板180连接一个晶粒130的第一触点131与一个锡球190。在布线板180的作用下，每个晶粒130的第一触点131与一个锡球190导通，任意两个相邻锡球190之间的距离大于两个相邻晶粒130之间的距离，从而将晶粒130的第一触点131的位置进行调整，提高芯片连接其他电子元件的便捷性。

在其中一个实施例中，支撑板150的材质与布线板180的材质相同，支撑板150与布线板180均能够导热，在本实施例中，优选布线板180与支撑板150为金属铜材质。在布线板180与晶粒130的第一触点131接触时，晶粒130产生的热量能够传递至布线板180上，此时设置支撑板150与布线板180的材质相同，便于布线板180上的热量传递到支撑板150上，由于支撑板150具有一定的厚度，则支撑板150能够对布线板180上的热量进行有效散热，进一步提高对晶粒130的散热效率。壳体110内部设置有挡板250，挡板250设置在晶粒130的第二表面和支撑板150的表面，挡板250能够阻碍支撑板150与冷却液接触，且挡板250能够阻碍晶粒130的第二表面与冷却液接触，挡板250能够阻碍支撑板150与钝化层170接触，从而防止支撑板150上的热量再次作用在晶粒130上，防止降低对晶粒130的散热效果。

在其中一个实施例中，壳体110上设置多个接触焊垫210，每个接触焊垫210均贯穿壳体110的下表面，每个接触焊垫210与一个布线板180导电连接，锡球190设置在接触焊垫210上。锡球190能够稳定的停留在接触焊垫210上，通过设置接触焊垫210能够提高锡球190在壳体110上分布的精准度。

在其中一个实施例中，壳体110为绝缘橡胶材质，壳体110的侧壁上设置有金属片260，在具体的设置中，金属片260设置在壳体110上表面的外侧壁，散热板340能够与金属片260紧密抵接，在散热板340上涂覆硅脂能够提高金属板与散热板340之间的导热性能。

一种高功率芯片的微流道散热结构的加工工艺，用于加工上述任意一项所述的高功率芯片的微流道散热结构，包括以下步骤：

S100：清洗晶粒130；通过清洗晶粒130能够防止在制造晶粒130时晶粒130表面残留有其他物质，其中清理晶粒130的主要方式为超声波清洗。

S200：在晶粒130各个表面涂覆介电层，并固化介电层；介电层的作用是为了隔绝上下层的导电，其中介电层的厚度一般设置为4-7微米之间。

S300：在晶粒130第一表面上的介电层外侧涂覆光刻胶，为后续光刻晶粒130的第一表面做准备。

S400：使用光刻技术在光刻胶上开孔，确定出晶粒130的第一触点131；其中光刻技术主要有对准、曝光、显影等步骤，在使用光刻技术在光刻胶上开孔时突破介电层，从而暴露出晶粒130的第一触点131。

S500：在光刻胶的开孔处设置重布线层，并将重布线层与第一触点131连接；

S600：向晶粒130第二表面与壳体110内侧壁之间的降温腔160内安装格栅140；

S700：向降温腔160内填充冷却液。

在步骤S500之中包括：

S510：剥离掉光刻胶；

S520：在晶粒130的第一表面上喷涂钛铜种子层，其中种子层的厚度一般不超过2微米。

S530：再次在钛铜种子层表面喷涂光刻胶；

S540：通过曝光显影等来定义金属层结构，并清洗掉第一触点131位置的光刻胶；

S550：在光刻胶的开口处进行电镀铜，从而形成布线板180；

S560：剥离掉所有光刻胶，并将多余的钛铜种子层蚀刻掉；

S570：重复执行步骤S200、S300、S400、S510、S520、S530、S540、S550和S560一次，制造出接触焊垫210；

S580：在接触焊垫210上焊接一个锡球190。

在步骤S600之中包括：

S610：将步骤S580后的晶粒130反转，在布线板180上喷涂光刻胶；

S620：通过曝光显影等来定义金属层结构，并使用光刻技术在光刻胶上开孔；

S630：在光刻胶的开口处进行电镀铜，从而形成支撑板150；

S640：在支撑板150的各个表面涂覆介电层，并固化介电层；

S650：使用介电层材料制造一个隔板220和封堵板120，并使用隔板220抵接多个支撑板150。

在步骤S650之后包括：

S660：将附着有气泡的格栅140安装在隔板220上。

在步骤S700之中包括：

S710：将壳体110整体放置在冷却液中，在壳体110处于冷却液内时使用封堵板120对安装口进行封堵，并使用密封胶进行密封。

在步骤S710之后包括：

S720：使用金属板粘贴在壳体110的上表面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于，包括：

壳体，壳体内部具有安装腔，壳体上连接有散热器；

晶粒，晶粒设置有多个，多个晶粒均设置于安装腔内，且多个晶粒固定设置于同一平面内，每个晶粒均具有第一表面和第二表面；每个晶粒的第一表面上均设置有第一触点；晶粒的第二表面与壳体内侧壁之间形成降温腔，降温腔内侧壁设置有格栅，格栅内附着有气泡，降温腔内填充有冷却液，壳体受到挤压时格栅的气泡发生形变；

重布线层，重布线层用于将多个晶粒上的第一触点传导至壳体外侧。

2.根据权利要求1所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：降温腔内部设置有隔板，隔板与晶粒的第二表面平行且间隔设置，隔板将降温腔分隔为相对隔绝的第一腔和第二腔，隔板上设置有连通第一腔和第二腔的导通口。

3.根据权利要求2所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：重布线层上设置有多个支撑板，支撑板的端部与隔板抵接。

4.根据权利要求2所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：隔板上设置有扰流板，扰流板用于控制冷却液在降温腔内流动的方向。

5.根据权利要求1所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：每个晶粒的各个表面上均涂覆有钝化层，钝化层上设置有多个第一缺口，每个第一缺口与第一触点连通。

6.根据权利要求1所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：重布线层包括多个布线板和多个锡球；多个锡球在壳体外表面的一个侧壁上阵列排布；布线板为导电材质，每个布线板连接一个晶粒的第一触点与一个锡球。

7.根据权利要求6所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：支撑板的材质与布线板的材质相同；壳体内部设置有挡板，挡板设置在晶粒的第二表面和支撑板的表面。

8.根据权利要求6所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：壳体上设置多个接触焊垫，每个接触焊垫与一个布线板导通，锡球设置在接触焊垫上。

9.根据权利要求1所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于：壳体的侧壁上设置有金属片。

10.一种高功率芯片的微流道散热结构的加工工艺，用于加工权利要求1-9中任意一项所述的高功率芯片的微流道散热结构，其特征在于，包括以下步骤：

S100：清洗晶粒；

S200：在晶粒各个表面涂覆介电层，并固化介电层；

S300：在晶粒第一表面上的介电层外侧涂覆光刻胶；

S400：使用光刻技术在光刻胶上开孔，确定出晶粒的第一触点；

S500：在光刻胶的开孔处设置重布线层，并将重布线层与第一触点连接；

S600：向晶粒第二表面与壳体内侧壁之间的降温腔内安装格栅；

S700：向降温腔内填充冷却液。