CN118016615A - 一种具高效散热封装的积体电路元件 - Google Patents

Abstract

一种具高效散热封装的积体电路元件，包含有一电路基板、M个晶片以及一封装构件，电路基板具有一上基板表面，M个晶片设置于电路基板的上基板表面，每一晶片分别具有一晶片表面，封装构件包含一壳体、N个具两相流循环的蒸气腔元件、P个输入管以及Q个输出管，壳体具有一热交换腔体以及N个下开孔洞，P个输入管以及Q个输出管连通热交换腔体，N个具两相流循环的蒸气腔元件分别对应N个下不孔洞，每一蒸气腔元件包含一冷凝端以及一吸热端，冷凝端透过对应的下开孔洞贯穿壳体，使得冷凝端设置于热交换腔体内，并且吸热端设置于热交换腔体的外部。其中，每一晶片的晶片表面接触蒸气腔元件的吸热端，以及热交换腔体内可用以设置一冷却液体。相较于习知技术，本发明具高效散热封装的积体电路元件具有极佳的散热效率。

Description

一种具高效散热封装的积体电路元件

技术领域

本发明系关于一种积体电路元件，尤其是指一种具高效散热功能封装的高功率积体电路元件。

背景技术

通常情况下，半导体晶片的计算速度越快其性能越是强大，但晶片的发热量也大增。如果不能有效地将晶片的热量散出，可能造成晶片超温，进而导致晶片降频工作甚至烧毁。由于电动车的普及，动力电池快充快放的需求，并且对于车载IGBT功率晶片的散热需求遽增，自动驾驶功能也需要高运算能力的晶片，再加上云端运算，数据中心服务器的CPU功率亦屡屡升高，单颗封装的功率IC已达500W或700W，甚至将会有超过1000W的产品设计需求。

习知用于半导体晶片的散热技术通常是利用晶片的封装外壳紧贴着一个外挂的热散器，将晶片产生的热传导至散热器，再由风冷或水冷的方式进行散热。在习知技术中，封装的积体电路元件与散热器是两个独立的器件。当热量在两个器件之间传导时，往往存在层层的介面热阻。一旦IC功率很大时，即使热阻微量的增加皆会造成晶片很大的温升值。

因此，为了解决习知技术的问题，有必要从晶片封装上进行改良，破除积体电路元件与散热器之间多余的介面及热阻，以突破高运算能力IC的功率限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具高效散热封装的积体电路元件，其结构简单，将散热器与晶片及电路板整合在一起，成为一个独立的积体电路元件，利用蒸气腔两相流循环的高效热传导并与冷却液的高效热交换，以解决习知技术的问题。

为实现上述目的，本发明公开了一种具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于包含有：

一电路基板，具有一上基板表面；

M个晶片，设置于该电路基板的该上基板表面，每一晶片分别具有一晶片表面；

一封装构件，包含一壳体、N个具两相流循环的蒸气腔元件、P个输入管以及Q个输出管，该壳体具有一热交换腔体以及N个下开孔洞，该P个输入管以及该Q个输出管连通该热交换腔体，该N个具两相流循环的蒸气腔元件分别对应该N个下开孔洞，每一蒸气腔元件包含一冷凝端以及一吸热端，该冷凝端透过对应的下开孔洞贯穿该壳体，使得该冷凝端设置于该热交换腔体内，并且该吸热端设置于该热交换腔体的外部；

其中，每一晶片的该晶片表面接触该蒸气腔元件的吸热端，该热交换腔体内设置一冷却液体，以及M、N、P、Q均为大于等于1的自然数。

其中，该吸热端与该晶片表面接触之间涂有一层导热的介面材料。

其中，每一蒸气腔元件为一三维蒸气腔元件，进一步包含有：

一上盖，具有一管体、一上外表面以及一上内表面，该管体具有一管体空腔以及一管体内表面；

一下盖，匹配该上盖并且具有一下外表面以及一下内表面，当该下盖封合于该上盖时，该管体空腔形成一密闭气腔；

一毛细结构，连续设置于该上内表面、该管体内表面以及该下内表面；以及

一工作流体，设置于该密闭气腔中。

其中，该下盖的一下外表面具有一凹槽结构，用以容置该晶片并具有一凹槽表面，以使该晶片表面接触该下盖的该下外表面的该凹槽表面。

其中，该凹槽结构对应的该下内表面上所设置的该毛细结构的厚度大于其它该下内表面上所设置的该毛细结构的厚度。

其中，该壳体的每一下开孔洞具有相互贯通的一第一孔洞及一第一凹槽，该第一凹槽容置该蒸气腔元件的该下盖以及设有该晶片的该电路基板，以及该蒸气腔元件的上盖的管体经由该第一凹槽以及该第一孔洞贯穿该壳体，以使得该管体设置于该热交换腔体内。

其中，该壳体包含有一底板，该底板包含有一第一金属层以及一第二金属层，该第一金属层设置在该第二金属层上，该第一金属层具有该第一孔洞并用以接触该上盖的该上外表面以及该管体的一管体外表面，以及该第二金属层具有该第一凹槽以容置该下盖。

其中，该壳体具有一下壳体表面，该电路基板具有一下基板表面，以及该下壳体表面与该下基板表面系呈现为一平整面。

其中，每一蒸气腔元件包含有R个散热鳍片耦接该冷凝端，其中R为大于等于1的自然数，并且散热鳍片为薄型均温板元件。

其中，该第一凹槽包含一第二凹槽以及一第三凹槽，该第二凹槽用以容置该蒸气腔元件的该下盖，该第三凹槽用以容置设有该晶片的该电路基板，该电路基板具有至少一锁固孔洞，以使该电路基板透过对应的至少一螺丝固定该壳体位于该第三凹槽中的该下壳体表面上。

综上所述，本发明提供一种具高效散热封装的积体电路元件，将散热机构与承载着晶片的电路基板整合在一积体电路元件中，利用将晶片的晶片表面接触蒸气腔元件的吸热端，由透过具两相流循环的蒸气腔元件的冷凝端直接与热交换腔体中的冷却液体进行热交换，减少习知IC封装技术晶芯与散热器之间热传导的层层热阻，并利用蒸气腔下盖的下内表面上毛细结构中的液体瞬间气化为蒸气释放潜热并与热交换腔体内的冷却液进行高效热交换，进而提升本发明具高效散热封装的积体电路元件的散热效率。

此外，本发明具高效散热封装的积体电路元件可利用将设有晶片的电路基板透过螺丝而固定于壳体的下壳体表面上，仅让电路板对外电连接的接脚露出下壳体表面，由螺丝锁紧可增加晶片与蒸气腔元件的下盖的下外表面的接触压力，进而降低接触热阻以提供整个积体电路元件的散热效率。此外，本发明具高效散热封装的积体电路元件，可透过散热鳍片以及设置于散热鳍片上的微流道增加冷凝端与冷却液体之间的接触面积，进而提升散热效率。此散热鳍片亦可以由薄型均温板制成，加强散热鳍片的热传导能力。再者，本发明具高效散热封装的积体电路元件，亦可透过三维蒸气腔元件的完整且连续的毛细结构，让液相工作流体能够顺利且快速地由冷凝端回流至吸热端以再次吸取晶片所产生的热能，让液态工作流体进行相变释放潜热，进而提升三维蒸气腔元件中两相流循环的效率。最后，本发明具高效散热封装的积体电路元件也可以是多晶片模组封装，透过多个蒸气腔元件分别接触多个晶片并且于同一个壳体的热交换腔体中进行散热，进而提升散热效率。

附图说明

图1显示了本发明一具体实施例的具高效散热封装的积体电路元件的结构剖面示意图。

图2显示了图1的封装构件的壳体的结构剖面示意图。

图3显示了图1的封装构件的具两相流循环的蒸气腔元件的结构剖面示意图。

图4显示了本发明另一具体实施例的具高效散热封装的积体电路元件的结构剖面示意图。

图5显示了图4的壳体的结构剖面示意图。

图6显示了图4的具高效散热封装的积体电路元件于另一视角的示意图。

具体实施方式

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以具体实施例并参照所附图式进行详述与讨论。需注意的是，这些具体实施例仅为本发明代表性的具体实施例，其中所举例的特定方法、装置、条件、材质等并非用以限定本发明或对应的具体实施例。又，图中各元件仅系用于表达其相对位置且未按其实际比例绘述，本发明的步骤编号仅为区隔不同步骤，并非代表其步骤顺序，合先叙明。

请一并参阅图1至图3。图1显示了本发明一具体实施例的具高效散热封装的积体电路元件10的结构剖面示意图。图2显示了图1的封装构件16的壳体22的结构剖面示意图。图3显示了图1的封装构件16的具两相流循环的蒸气腔元件24的结构剖面示意图。如图1、图2及图3所示，本发明提供一种具高效散热封装的积体电路元件10，包含有一电路基板12、一晶片14以及一封装构件16。电路基板12具有一上基板表面18。晶片14设置于电路基板12的上基板表面18，以及晶片14具有一晶片表面20。封装构件16包含一壳体22、一具两相流循环的蒸气腔元件24、一输入管26以及一输出管28。壳体22具有一热交换腔体30以及一下开孔洞32。输入管26以及输出管28连通热交换腔体30。具两相流循环的蒸气腔元件24分别对应下开孔洞32，而蒸气腔元件24包含一冷凝端34以及一吸热端36，冷凝端34透过对应的下开孔洞32贯穿壳体22，使得冷凝端34没置于热交换腔体30的内部，并且吸热端36设置于热交换腔体30的外部。其中，晶片14的晶片表面20接触蒸气腔元件24的吸热端36，热交换腔体30内可用以设置一冷却液体。于实际应用上，本发明由透过具两相流循环的蒸气腔元件24的冷凝端34与热交换腔体30中由输入管26进入的冷却液体进行热交换，并透过输出管28将带有热量的冷却液排出，减少习知IC封装技术晶芯与散热器之间热传导的层层热阻，进而提升本发明具高效散热封装的积体电路元件的散热效率。于实际应用上，本发明具高效散热封装的积体电路元件10可以包含多个晶片14；封装构件16亦可包含多个具两相流循环的蒸气腔元件24对应多个晶片14，并且包含多个输入管26以及多个输出管28；以及，壳体22亦可具有多个相对应蒸气腔元件24的下开孔洞32。

于实际应用上，吸热端36与晶片表面20接触之间涂有一层导热的介面材料，该介面材料可以是导热胶，但不以此为限。再者，蒸气腔元件24可以是一三维蒸气腔元件，进一步包含有一上盖38、一下盖40、一毛细结构42以及一工作流体(未显示)。上盖38具有一管体44、一上外表面以46及一上内表面48。管体44具有一管体空腔50以及一管体内表面52。下盖40匹配上盖38并且具有一下外表面54以及一下内表面56。当下盖40封合于上盖38时，管体空腔50形成一密闭气腔。毛细结构42连续设置于上内表面48、管体内表面52以及下内表面56。工作流体设置于密闭气腔中。此外，下盖40的一下外表面54具有一凹槽结构58，用以容置晶片14并具有一凹槽表面60，以使晶片表面20接触下盖40的下外表面54的凹槽表面60。再者，凹槽结构58对应的下内表面56上所设置的毛细结构42的厚度大于其它下内表面56上所设置的毛细结构42的厚度，用以增加容置有晶片14的凹槽结构58所对应的下内表面56的毛细结构中液态工作流体的储量，增加吸热端36工作流体的气化潜热释放量，进而增加晶片14的散热效率。此外，本发明所提供管体44的外表面得设置多个散热鳍片45，每一散热鳍片45上可设有微流道(图未示)，并且微流道的延伸方向与输入管26的延伸方向相同。本发明可透过散热鳍片45以及设置于散热鳍片45上的微流道增加冷凝端34与冷却液体之间的接触面积，进而提升散热效率。于实务中，散热鳍片亦可用薄型均温板元件制而成。

此外，壳体22的下开孔洞32包含相互贯通的一第一孔洞62及一第一凹槽64，第一凹槽64用以容置蒸气腔元件24的下盖40以及设有晶片14的电路基板12。蒸气腔元件24的上盖38的管体44得经由第一凹槽64，以及第一孔洞62以贯穿壳体22，以使得管体44设置于热交换腔体30内。再者，壳体22包含有一底板66，底板66包含有一第一金属层68以及一第二金属层70，第一金属层68设置在第二金属层70上，第一金属层68具有第一孔洞62并用以接触上盖38的上外表面46以及管体44的一管体外表面(图未示)，以及第二金属层70具有第一凹槽64并用容置下盖40。于实际应用上，第一金属层68可以是铜层，而第二金属层70可以是铝层，但不以此为限。

如图1所示，壳体22具有一下壳体表面72，电路基板12具有一下基板表面74，而本发明所提供的下壳体表面72与下基板表面74系呈现为一平整面，但实际应用上不以此为限，下基板表面74可以稍微凸出于下壳体表面72。再者，电路基板12可以是一球栅阵列封装(BGA)基板，而电路基板12的下基板表面74上设有多个焊球；电路基板12也可以是一插针网格阵列(PGA)基板，而电路基板12的下基板表面74上设有多个焊针。

请见图4至图6。图4显示了本发明另一具体实施例的具高效散热封装的积体电路元件11的结构剖面示意图。图5显示了图4的壳体22的结构剖面示意图。图6显示了图4的具高效散热封装的积体电路元件11以及电路基板12的下基板表面74的仰视图。如图4、图5及图6所示，本发明另提供一种具高效散热封装的积体电路元件11，壳体22的下开孔洞32的第一凹槽65包含一第二凹槽76以及一第三凹槽78，第二凹槽76用以容置蒸气腔元件24的下盖40，第三凹槽78用以容置设有晶片14的电路基板12。电路基板12具有四个锁固孔洞(图未示)，以使电路基板12可以透过相对应的四个螺丝82而固定于壳体22位于该第三凹槽78中的下壳体表面上，由螺丝82的锁紧可增加晶片14与蒸气腔元件24的下盖40的下外表面54的接触压力，进而减少接触热阻以提高整个积体电路元件的散热效率。

综上所述，本发明提供一种将晶片及电路板与散热机构整合为一体的具高效散热封装的积体电路元件，利用将晶片的晶片表面接触蒸气腔元件的吸热端，由透过具两相流循环的蒸气腔元件的冷凝端直接与热交换腔体中的冷却液体接触进行热交换，减少习知IC封装技术晶芯与散热器之间热传导的层层热阻，进而提升本发明具高效散热封装的积体电路元件的散热效率。此外，本发明具高效散热封装的积体电路元件可利用将设有晶片的电路基板透过螺丝而固定于壳体的下壳体表面上，由螺丝可增加晶片与蒸气腔元件的下盖的下外表面的接触压力，进而减少接触热阻以提高整个积体电路元件的散热效率。此外，本发明具高效散热封装的积体电路元件，可透过散热鳍片以及设置于散热鳍片上的微流道增加冷凝端与冷却液体之间的接触面积，进而提升散热效率。再者，本发明具高效散热封装的积体电路元件，亦可透过三维蒸气腔元件的完整且连续的毛细结构，让液相工作流体能够顺利且快速地由冷凝端回流至吸热端以再次吸取晶片所产生的热能，提升两相流循环效率，进而提升整个积体电路元件的散热效率。最后，本发明具高效散热封装的积体电路元件也可透过多个蒸气腔元件分别接触多个晶片并且于同一个壳体的热交换腔体中进行散热，进而提升散热效率。

由以上较佳具体实施例的详述，系希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (10)

1.一种具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于包含有：

一电路基板，具有一上基板表面；

M个晶片，设置于该电路基板的该上基板表面，每一晶片分别具有一晶片表面；

一封装构件，包含一壳体、N个具两相流循环的蒸气腔元件、P个输入管以及Q个输出管，该壳体具有一热交换腔体以及N个下开孔洞，该P个输入管以及该Q个输出管连通该热交换腔体，该N个具两相流循环的蒸气腔元件分别对应该N个下开孔洞，每一蒸气腔元件包含一冷凝端以及一吸热端，该冷凝端透过对应的下开孔洞贯穿该壳体，使得该冷凝端设置于该热交换腔体内，并且该吸热端设置于该热交换腔体的外部；

其中，每一晶片的该晶片表面接触该蒸气腔元件的吸热端，该热交换腔体内设置一冷却液体，以及M、N、P、Q均为大于等于1的自然数。

2.如权利要求1所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该吸热端与该晶片表面接触之间涂有一层导热的介面材料。

3.如权利要求1所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，每一蒸气腔元件为一三维蒸气腔元件，进一步包含有：

一上盖，具有一管体、一上外表面以及一上内表面，该管体具有一管体空腔以及一管体内表面；

一下盖，匹配该上盖并且具有一下外表面以及一下内表面，当该下盖封合于该上盖时，该管体空腔形成一密闭气腔；

一毛细结构，连续设置于该上内表面、该管体内表面以及该下内表面：以及

一工作流体，设置于该密闭气腔中。

4.如权利要求3所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该下盖的一下外表面具有一凹槽结构，用以容置该晶片并具有一凹槽表面，以使该晶片表面接触该下盖的该下外表面的该凹槽表面。

5.如权利要求4所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该凹槽结构对应的该下内表面上所设置的该毛细结构的厚度大于其它该下内表面上所设置的该毛细结构的厚度。

6.如权利要求3所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该壳体的每一下开孔洞具有相互贯通的一第一孔洞及一第一凹槽，该第一凹槽容置该蒸气腔元件的该下盖以及设有该晶片的该电路基板，以及该蒸气腔元件的上盖的管体经由该第一凹槽以及该第一孔洞贯穿该壳体，以使得该管体设置于该热交换腔体内。

7.如权利要求6所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该壳体包含有一底板，该底板包含有一第一金属层以及一第二金属层，该第一金属层设置在该第二金属层上，该第一金属层具有该第一孔洞并用以接触该上盖的该上外表面以及该管体的一管体外表面，以及该第二金属层具有该第一凹槽以容置该下盖。

8.如权利要求6所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该壳体具有一下壳体表面，该电路基板具有一下基板表面，以及该下壳体表面与该下基板表面呈现为一平整面。

9.如权利要求1所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，每一蒸气腔元件包含有R个散热鳍片耦接该冷凝端，其中R为大于等于1的自然数，并且散热鳍片为薄型均温板元件。

10.如权利要求6所述的具高效散热封装的积体电路元件，其特征在于，该第一凹槽包含一第二凹槽以及一第三凹槽，该第二凹槽用以容置该蒸气腔元件的该下盖，该第三凹槽用以容置设有该晶片的该电路基板，该电路基板具有至少一锁固孔洞，以使该电路基板透过对应的至少一螺丝固定该壳体位于该第三凹槽中的该下壳体表面上。