CN1728365A - 用于半导体集成电路封装的微通道冷却的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于比如IC芯片的电子器件微通道冷却的设备和方法，它们能实现具有非均匀功率密度分布的高功率密度电子器件有效且低操作电压的微通道冷却，所述电子器件面向下安装在封装衬底上。例如，用于冷却IC芯片的集成微通道冷却装置(或微通道散热器装置)用于提供均匀的冷却剂流体流动和分配，并使冷却剂流动路径上的压降最小，以及为具有更高平均功率密度的IC芯片的高功率密度区域(或“热点”)提供可变的局部冷却能力。

Description

用于半导体集成电路封装的微通道冷却的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于冷却电子器件的设备和方法。更准确地说，本发明涉及改善流体分布和流动机制，以便有效地冷却半导体集成电路(IC)芯片封装，以及增强半导体芯片的高功率密度区域的局部冷却能力的微通道冷却设备和方法。
背景技术
在半导体IC(集成电路)芯片封装和模块的设计、制造中，实现能够有效地去除IC芯片器件(比如微处理器)产生的热量，以保证这些器件连续可靠工作是必不可少的。实际上，对于放置在例如单芯片模块(SCM)或多芯片模块(MCM)中的计算机处理器芯片而言，散热特别重要，这些模块可产生大量的热量。随着芯片几何尺寸的缩小和运行速度的提高，导致功率密度增加，有效地去除热量的能力变得问题日益突出。尽管IC芯片模块不断地设计为在更高时钟频率下工作，但系统性能的提高受到限制，主要是受从该类IC芯片模块中有效地散热的能力限制。
为了冷却半导体IC封装/模块和其他电子器件，已经开发了多种散热技术。例如，已经提出了微通道冷却设备和方法，用于冷却在增加的热通量(功率/单位面积)或高功率密度(例如，～800W/cm2)条件下的电子器件，如IC芯片，MCM，二极管激光阵列和其他电-光器件。
图1A和1B是示意图，示出了普通的微通道冷却设备，比如美国专利US4573067中所述，其中图1B示出了图1A沿线1B的剖面图。如图所示，半导体芯片(10)包括形成于半导体芯片(10)的前表面区域(11)的电路。芯片(10)后表面区域进行加工，而形成下凹区域(12)和多个从所述下凹区域(12)升高的平行、微型导热翅片(14)，所述翅片形成多个通道(13)。透明的盖子(15)啮合芯片(10)的表面以及翅片(14)顶部，从而在透明的盖子(15)的输入和输出端口(16)和(17)之间形成流经通道(13)的冷却剂流动腔室，其中散热是通过翅片(14)和流经通道(13)的冷却流体之间的热接触实现的。
图1A和1B所示的冷却设备有许多缺点。例如，这种设计产生显著的压降和非均匀的流动分布，例如由于在输入端口(16)和输出端口(17)之间使用了一个热交换器分区(具有较长的通道长度)，且输入端口(16)和输出端口(17)具有小于微通道总截面积的截面积。而且，直接在IC芯片(10)的非活性表面上形成翅片(14)和通道(13)的过程可能直接导致芯片(10)的产量、特别是对比如微处理器的昂贵芯片来说，这是不希望的。实际上，如果微通道冷却器失效或泄漏，则在高性能处理器的情况下比冷却器更为昂贵的芯片与微通道冷却器一起损失。
图2A～2C示意地示出了另一种普通的微通道冷却设备，比如美国专利US 5998240中所述的。图2A示出了硅芯片(20)，具有包含在其中形成的多个通道(21)的区域，所述区域包含多个通常矩形截面的端部封闭的狭缝或凹槽。如图2B所示，芯片(20)位于陶瓷框架(22)上，所述框架包括三个通常矩形的冷却剂集管(23)，(24)和(25)。中心集管(24)包含具有形成于一端的冷却剂输入端口(27)的冷却剂输入集管，而两个外部集管(23)和(25)包含输出集管，且包括在与输入端口(27)相对的端部的冷却剂输出端口(26)和(28)。晶片(20)相对于陶瓷衬底(22)定向，而使微通道(21)与集管(23)，(24)和(25)正交。如图2C所示，芯片(20)和陶瓷衬底(22)安装在具有两个冷却剂输出导管(29a)和单个冷却剂输入导管(29a)的接地平面(29)上，其中液态冷却剂流动方向由箭头所示。
图2A～2C所示的普通微通道冷却设备具有许多缺点。例如，如果包含集管通道(23，24，25)的衬底(22)使用硅制成，衬底将非常弱，在制造过程中由于形成了贯穿衬底的具有尖锐边缘拐角的多个通道而可能断裂。而且，这种设计产生显著的压降，和非均匀的流动分布，这是由于(i)输入和输出端口(26，27，28)具有比整个微通道截面积更小的截面积，(ii)集管(23，24，25)具有截面稳定的凹槽通向微通道(21)，且(iii)当使用两个输出集管凹槽(23，25)时，具有在输入集管凹槽(24)下方连续的微通道(21)。
图3A和3B是示意图，示出了其他的普通微通道冷却结构，比如美国专利US5218515中所述的。图3A示出了集成电路模块(30)的局部剖透视图，该模块包括IC芯片(31)，该芯片具有沿芯片(31)的前(活性)表面(31a)的钎料凸块接合点(32)。芯片(31)的后(非活性)表面(31b)热接合于微通道结构(33)。在微通道结构(33)中形成多个微通道(33a)。盖集管(34)与微通道结构(33)接合。在盖集管(34)上切出或形成输入和输出冷却剂输送通道(34a)和(34b)，如图所示。
图3B示出了冷却剂供应集管(35)，用于为多芯片模块(MCM)封装供应冷却剂，所述封装包含面朝下安装在公共衬底或电路板上的微通道冷却IC模块(30)阵列。冷却剂供应集管(35)包括多个冷却剂供应通道(例如(36)，(37)(38)和(39))，其中通道(36)和(38)是高压通道，通道(37)和(39)是低压通道。集管(35)适于放置在印刷布线板上，从而，例如，在相应冷却剂供应通道(36)和(37)中的开口(36a)和(37a)与电路板上单独集成电路模块(30)上的开口(34a)和(34b)匹配。弹性体密封件用于使冷却剂供应集管(35)与集成电路模块(30)连接。
图3A和3B所示的微通道冷却设备有许多缺点。例如，微通道冷却器(30)形成有一个热交换器分区(在输入和输出集管通道(34a，34b)之间)，这可以导致沿微通道(33a)的流体流动产生显著的压降。而且，如果盖集管(34)形成有用于多交换器分区的多冷却剂输送通道(例如，34a)，以减小压降，则盖集管(34)易碎，且在制造过程中可能断裂，从而降低了制造生产率。
而且，图3B中的冷却剂供应集管(35)的设计由于所述通道，可能产生较大的压降和显著的非均匀流动分布，所述通道向四个具有恒定截面积的微通道入口输送。例如，如图3B所示，供应通道(36)将冷却剂流体经四个开口(36a)送入模块(30)的四个冷却剂输送集管(34a)中(图3A)。假定V，ΔP，和Q是最后集管片段，即，在所述底部的两个微通道入口之间，的速度、压差、和总流量，这样上面的片段将希望具有速度2V和总流量2Q。这一较高速度将产生，如果流动是层流，等于～2ΔP的片段压降，如果流动是紊流，等于～4ΔP(当流动是层流时，流量和压降之间是线性相关的，当流动是紊流时，是二次相关的)。因此，对于截面稳定通向四个微通道入口的集管通道来说，我们可以预计如果流动是层流，总集管通道压降为～10ΔP，如果流动是紊流，为～30ΔP。这一较大压降将致使不同微翅片部分内的流动变化，所述变化不能利用回流管补偿，而且，具有恒定的截面，但是相对于输入管路流向相反。因为集管通道必须有比给定微通道明显更大的水流，速度和截面将更大，因此，非常容易预计(或难以避免)在这两部分之间雷诺数增大10倍。对于较低的冷却能力，很可能低于50W/cm2，水流需求较低，且可能集管通道和微通道都为层流态，但在高流量下这是不可能的，因为微通道将要求雷诺数介于100-200范围内的流动条件，那么，在集管通道内的流动条件不是层流。
上述常规设计的另一个缺点是没有提供用于有效去除IC芯片的热量的机制，比如，具有“热点”区域的处理器，所述“热点”区域即具有明显高于芯片的平均热通量的热通量(功率/单位面积)的芯片区域，这可能产生比平均芯片温度高～℃的温度。实际上，为有效地去除平均芯片功率密度产生的热量设计的一种热方案，可能不足以去除芯片“热点”区域的热量，这可能导致“热点”区域内或附近“热点区域”的芯片器件失效。
发明内容
本发明的示例性实施例通常包括用于冷却电子器件的设备和方法，尤其是用于微通道冷却面朝下安装在封装衬底上的、具有非均匀功率密度分布的IC(集成电路)芯片的设备和方法。更准确地说，本发明的示例性实施例包括微通道冷却设备和方法，它们实现了为高于平均功率密度的半导体芯片的高功率密度区域(或“热点”)提供可变局部冷却能力的机制，从而增强了具有高于平均功率密度的IC芯片上的“热点”区域的局部冷却能力。
例如，在本发明的一个示例性实施例中，提供了用于冷却具有非均匀功率图的IC芯片的集成微通道冷却装置。微通道冷却装置包含在所述集成冷却装置内沿相同方向延伸的多个交替的输入和输出集管和多个热交换器分区。每个热交换器分区包含多个热微翅片，所述微翅片形成在相邻输入和输出集管之间延伸的微通道形成的微通道图案，而在相邻输入和输出集管之间形成流体的流动路径。一个或多个热交换器分区的微通道图案变化，以提供对应IC芯片预期功率图的热传递性能。所述输入和输出集管与所述热交换器分区的微通道图案这样构成，即在对应IC芯片热点区域的热交换器分区的区域中提供平均流速，该流速基本上与不对应IC芯片的预期热点区域的热交换器分区的其他区域的平均流速相同，或至少在约50％内。
在本发明的另一实施例中，集成微通道冷却装置的至少一个输入集管对准IC芯片的预期热点区域排列。在另一实施例中，一个或多个热交换器分区形成的微通道图案局部变化，以提供对应IC芯片的预期功率图局部变化的热传递性能。在另一实施例中，至少一个热交换器分区包含提供对IC芯片的预期平均功率密度来说足够的热传递性能的微通道第一图案，和对应于IC芯片的预期热点区域放置的微通道第二图案，其中微通道的第二图案提供对于比热点的平均功率密度更大的预期功率密度来说足够的热传递性能。
结合附图，从下面对优选实施例的详细描述中，本发明的这些及其他示例性实施例、方面、特征和优点将变得更为明显。
附图简要说明
图1A和1B是示出了用于微通道冷却IC芯片的普通设备的示意图。
图2A-2C是示出了用于微通道冷却IC芯片的另一种普通设备的示意图。
图3A和3B是示出了用于微通道冷却多芯片模块MCM的IC芯片的另一种普通设备的示意图。
图4A-4D是示出了如本发明的示例性实施例所述的集管板和制造所述集管板的方法的示例性示意图。
图5A～5B是示出了如本发明的示例性实施例所述的微通道板的示意图，该微通道板可以与图4A-4D的示例性集管板连接，构成如本发明的一个示例性实施例所述的集成微通道冷却装置。
图6是如本发明的示例性实施例所述的集管结构一部分的详细示意图。
图7是示出了如本发明的示例性实施例所述的用于微通道冷却半导体芯片的设备的剖面示意图。
图8A～8B示出了如本发明的另一示例性实施例所述的用于微通道冷却半导体芯片的设备的剖面示意图。
图9A～9C是示出了如本发明的另一示例性实施例所述的用于微通道冷却半导体芯片的设备的剖面示意图。
图10是如本发明的示例性实施例所述的流体分配集管装置的平面示意图。
图11是如本发明的另一示例性实施例所述的流体分配集管装置的平面示意图。
图12是示出了如本发明的示例性实施例所述的一种增强芯片“热点”区域的局部冷却能力的方法的示意图。
图13是示出了如本发明的另一示例性实施例所述的一种增强芯片“热点”区域的局部冷却能力的方法的示意图。
图14是示出了如本发明的另一示例性实施例所述的一种增强芯片“热点”区域的局部冷却能力的方法的示意图。
图15是示出了如本发明的另一示例性实施例所述的一种增强芯片“热点”区域的局部冷却能力的方法的示意图。
图16是示出了如本发明的另一示例性实施例所述的一种增强芯片“热点”区域的局部冷却能力的方法的示意图。
图17A和17B示出了如本发明的示例性实施例所述，可以在微通道冷却装置中实现的不同微翅片图案的示意图。
示例性实施例的详细描述
如上所述，本发明的示例性实施例包括用于冷却电子器件的设备和方法，尤其是用于微通道冷却面向下安装在封装衬底上的IC(集成电路)芯片的设备和方法，其中IC芯片可以具有非均匀的功率密度分布。通常，如本发明的一个示例性实施例所述的用于微通道冷却电子器件的设备包含集成微通道冷却装置(或微通道散热器)，该装置与面向下安装在封装衬底上的IC芯片的非活性表面热接合，还包含流体分配集管装置，该集管装置经机械顺从性垫圈可拆卸地连接于所述集成微通道装置，输送至/来自集成微通道装置的冷却剂流体。如上所述根据不同示例性实施例所述的微通道冷却装置和方法实现了流体分布和流动机制，促进了冷却剂流体的均匀流动，且避免/减轻沿冷却剂流动路径的冷却剂流体的压力下降，从而为冷却电子器件，比如半导体集成电路(IC)芯片封装/模块提供较高的冷却速度能力和效率。在其他实施例中，微通道冷却装置和方法实现了为半导体芯片的高功率密度区域(或“热点”)提供可变局部冷却能力的机制，从而增强IC芯片上高于平均功率密度的区域的局部冷却能力。
更准确地说，本发明的示例性实施例包括用于集成微通道冷却装置的不同框架/体系结构，可以与IC芯片热接合，且设计为优化冷却剂流体的分布和流动，用于有效地散热。例如，在本发明的一个示例性实施例中，集成微通道冷却装置包含微通道板，该微通道板具有多个由在该微通道板的一个表面上形成的微翅片形成的多个微通道，和集管板(或集管盖)，该集管板与微通道板接合，且具有多个冷却剂供应/返回集管。在本发明的另一示例性实施例中，集成微通道冷却装置包含一块板，该板由微通道和供应/返回集管结构构成。在所有这些实施例中，集成微通道冷却装置包括这样构成、形成图案、确定尺寸和/或排布的供应/返回集管和微通道/微翅片，即使压力下降最小，并增加沿冷却剂流动路径流体流动和分布的均匀性，和/或能实现芯片热点区域的可变局部冷却。
现在将参照例如图4A-4D和图5A-5B的示例性实施例详细描述本发明的一个示例性实施例的集成微通道冷却装置。尤其是，图4A-4D是示出了本发明的示例性实施例的集管板(40)的示意图，该集管板可以与对应的微通道板(50)接合，如图5A-5B的示例性示意图所示，从而形成集成微通道冷却装置。
更准确地说，在最初参照图4A-4D的示例图的情况下，示例性集管板(40)包含平面衬底(41)，该衬底具有其中形成的多个流体集管(M1-M7)(或概括地说，Mi)。每一流体集管(M1-M7)包含在衬底(41)的一个表面(S2)上形成的对应集管通道(C1-C7)(或概括地说，Ci)，和具有多个流体通路(v)的对应图案/系列的流体通路(V1-V7)(或概括地说，Vi)，所述流体通路形成从表面(S1)(该表面与表面(S2)相对)沿对应集管通道(C1-C7)延伸至各点的开口。如下所述，流体集管(Mi)这样构成、形成图案、确定尺寸和/或排布，即能使集管板(40)提供均匀的流体分布，并减小整个系统的压降，以及保持集管板的结构完整性，避免在制造过程中断裂。
更准确地说，图4A是在一个生产阶段的集管板(40)的平面示意图，其中在平面衬底(41)的一个表面(S1)上形成多个流体通路(V1-V7)图案/系列，在示图中所述表面是衬底(41)的底面。换言之，图4A示出了从衬底(41)的顶面(S2)看到的通路(V1-V7)图案，该顶面与形成通路(v)的底面(S1)相对。图4B是沿图4A的线AA的衬底(41)的一部分的剖面示意图，该图示出了具有厚度(T)和深度d1在衬底表面(S1)之下的通路(v)的衬底(即，所述通路没有整个穿透衬底(40))。在本发明的一个示例性实施例中，衬底(41)由硅(Si)制成，流体通路可以使用深Si蚀刻方法形成，从而蚀刻流体通路而部分地穿透衬底(41)。尤其是，在一个示例性实施例中，对于厚度T为0.75mm的典型硅晶片衬底来说，流体通路(v)可以形成深度d1＝0.50mm。而且，流体通路可以是直径约450微米的圆形孔。应当指出的是，虽然在示例性实施例中示出了圆形孔，但流体通路可以为其他形状，优选具有圆整的拐角(与具有尖锐拐角的形状相比，尖锐拐角起应力集中点的作用，在制造过程中可能增加元件的断裂可能性。)
如图4A的示例性实施例中所示，通路图案(V1)和(V7)包含一系列圆形开口，所述开口以线性图案排布，且通路图案(V2)-(V6)分别包含一系列以Z字形图案排布的圆形开口。如下所述，通过以Z字形图案形成一系列圆形开口而构成所述集管的制造方法降低了在集管板的制造过程中，当形成多个集管而形成多个热交换器分区时，晶片(或衬底)断裂的可能性。
每一图案/系列的流体通路(Vi)包含多个开口，所述开口用作对应输入/输出集管通道(Ci)的流体入口/出口，所述通道在衬底(41)的表面(S2)上形成，表面(S2)与形成流体通路(Vi)图案的表面(S1)相对。例如，图4C示出了在另一制造阶段的示例性集管板(40)的平面示意图，其中集管通道(C1-C7)在衬底(41)的表面(S2)上形成，其中每一集管通道(C1-C7)包含连续的凹腔，该凹腔形成图案，且下凹至足以连接对应图案的流体通路(V1-V7)的每一流体通路。更准确地说，图4D是沿图4C的线BB的衬底(41)的一部分的剖面示意图，该图示出了集管通道C2的通道部分，该部分在两通路(v)之间形成，通过在通路(v)之间在衬底(41)上蚀刻至衬底(41)的表面(S2)下方足够深度d2的凹槽，而与流体通路(v)连接。继续参照图4B描述的示例性实施例，其中集管板(40)的衬底(41)由硅制成，集管通道(Ci)可以利用深Si蚀刻工艺蚀刻出深度d2＝0.25mm的凹槽而制成。
而且，在本发明的示例性实施例中，集管(Mi)包含具有可变截面积的集管通道(Ci)。
例如，图6是如图4C所示的在区域(43)内的一部分流体集管(M2)的集管结构的详图。在图6的示例性视图中，在流体通路(v)之间的通道部分(44)形成锥形凹槽，该凹槽远离流体通路(v)向下渐缩，而减小通道截面积。示例性集管结构的细节在图9A中进一步示出，该图示出了具有Z字形图案的集管通道(91)的三维透视图，该通道在集管板(90)内形成。尤其是，图9A示出了多个流体通路(v)，所述通路形成通向集管通道(92)的开口，其中集管通道(92)形成图案，而使两流体通路(v)之间的通道部分(93)形成锥形凹槽。
有利的是，通过保持冷却剂流体的流速较稳定，锥形集管通道宽度有助于使沿通道的动态压降最小化。更准确地说，改变集管通道(Ci)的截面积提供了一种减小沿集管通道(Ci)的动态压降的方式，从而使集管通道(Ci)均匀地分配沿着集管通道(Ci)的通向/来自微通道入口/出口的冷却剂流体的流动。
图5A和5B是示出了本发明的示例性实施例的微通道板的示意图。更准确地说，图5A是微通道板(50)的平面示意图，该板可与例如图4C的示例集管板(40)兼容使用。在图5A中，微通道板(50)包含衬底(51)(例如，Si衬底)。衬底(51)包含区域(52)，该区域蚀刻(使用深Si蚀刻或其他本领域普通技术人员已知的适当技术)而形成多个平行的热微翅片(53)，所述微翅片形成沿同一方向在区域(52)内延伸的微通道(54)(见图5B)。微通道(54)包含多个通常矩形截面的端部开口的切口或槽。
在图5A的示例性实施例中，微翅片(53)在区域(52)上不是连续的，而是中断/不连续的，从而形成下凹区域(R1-R7)，当集管板(40)接合于微通道板(50)而形成集成的微通道冷却装置时，所述区域对应于集管通道C1-C7(图4C)，且与之对准。例如，图5B是图5A的微通道板(50)的一部分(55)的详细视图，其中微翅片(53)在对应于(对准)集管板(40)的集管通道(M2)的下凹区域(R2)(例如，如图6所示的部分(43))上是不连续的。下凹区域(R1-R7)作为集管，与集管板(40)的对应集管通道(C1-C7)一起，增加可用于从流体通路(v)流向微通道(入口集管)的流体分布的面积，和用于从微通道流至流体通路(出口集管)的流体分布的面积。例如，图6所示的集管板的部分(43)示出了一部分集管通道，所述部分对应于图5B所示的下凹区域R2的所述部分，且可以与之对准。在这方面，集管通道和下凹区域的组合区域增加了用于流体流动和分布的面积。
而且，如图6所示，例如，在流体通路(v)之间的集管通道的通道部分(44)具有用于减小压降目的的可变截面积。更准确地说，如图5B和6的示例性实施例所示，在集管通道(C2)的输入流体通路(v)和下凹区域(R2)的对应部分之间的通道部分(44)远离输入流体通路(v)向下渐缩，从而减小沿冷却剂路径的截面积。这导致压降减小，且保持流体流动速度稳定，从而均匀地将冷却剂送入沿所述通道部分布置的微通道中。
而且，对于图5B所示的示例性实施例，沿下凹区域(例如，图5B所示的R2)的微翅片(53)的端部部分可以具有圆形或渐缩的边缘，从而进一步减小整个系统的压降。实际上，微翅片(53)的圆形或渐缩边缘导致微通道(54)具有圆形入口/出口拐角，这样通过平滑进入/排出的流体流而减小流动阻力。
在本发明的一个示例性实施例中，假定微翅片(53)形成为具有宽度WF＝90微米，且形成具有通道宽度Wc＝60微米，通道深度为250微米的微通道(54)。而且假定两相邻流体通路(v)之间的竖直间隔(Vs)(如图6所示)为0.6mm，且每个通路(v)向相邻集管通道片段(44)的左侧和右侧的一系列微通道提供冷却剂，或来自所述微通道的冷却剂。因此，在该示例性实施例中，单流体通路(v)提供或接收冷却剂的微通道总截面积为1.2mm×0.25mm×60％＝0.18mm2(其中1.2mm＝2Vs，0.25mm是微通道的深度)。而且假定(如前所述)流体通路(v)的直径是0.450mm(对应于截面积0.16mm2)，每个集管通道片段(44)的初始截面积0.450×0.25＝0.11mm2，且向微通道(54)提供或接收截面积0.09mm2的流体流动。
应当认识到，集管通道(C)与之对准的下凹部分(R)还能够提供额外的流体流动截面积。这一额外面积用于减小由于流体流动方向改变和通道几何形状改变而造成的压降。所述微通道将具有比输送通路(v)更大的单位面积湿润周长，结果，将增大压降。与这两个结构互连的附加体积将使流体流动而发现远离壁的低阻路径。在更小体积的情况下，所述压降损失将由于壁的摩擦而增加。如上所述，流体通路(v)的截面积，每个集管通道片段的初始截面积，以及提供或接收流体的微通道的总截面积都在其平均值的25％内。
如上所述，集成微通道冷却装置可以由示例性集管板(40)和微通道板(50)通过集管板(40)的表面(S2)与微通道板(50)接合而形成，而使集管通道(Ci)与对应的下凹区域(Ri)对准且面向所述下凹区域。更准确地说，具有在交替的输入和输出集管，如图4C中的“I”和“O”所示，之间形成的六个热交换器分区的总体尺寸为20×20mm，且具有上述集管/微翅片/微通道尺寸的集成微通道冷却装置，可以使用示例性板(40)和(50)构成。下面将例如参照图7和8进一步解释形成集成冷却装置和封装这些装置和IC芯片的示例性方法。
应当认识到，根据本发明的示例性实施例所述的集成微通道冷却装置提供了高效且低操作压力的微通道冷却器结构，能有效地冷却具有非常高功率密度的电子器件，且可易于制造，并与例如芯片封装集成。更准确地说，本发明所述的集成冷却装置的多个示例性实施例设计有以某种方式构成、形成图案、确定尺寸、和/或排列的流体集管、微翅片和微通道，例如，提供(i)冷却剂流体的均匀分布和流动，总体上减小降低系统的压降，(ii)增大组装冷却装置的生产率；(iii)易于与芯片封装集成。
更准确地说，例如，对于与芯片封装的容易集成，使用集管芯片背面上的流体通路来向/从集成微通道冷却装置输入/输出冷却剂，能使微通道装置确定尺寸，而不会明显延伸超过被冷却芯片的区域之外。这对于芯片安装互相非常近的MCM特别有利。而且，如下所述，通过在独立层中形成微翅片/微通道结构(与在被冷却芯片的非活性表面上形成此类结构相对)，单个微通道冷却装置可以首先构成和测试，然后以在冷却器制造过程中的任何生产率损失不会导致经过组装的芯片和集成冷却器的生产率损失的方式与所述芯片热接合。
而且，对于增加生产率，流体集管这样设计/构造，即可以保持形成有集管的衬底的结构完整性，并使衬底断裂的可能性最小。实际上，如参照示例性集管板(40)所述，集管(Mi)并非形成有用于提供冷却剂流动的连续细长狭缝(如在普通设计中)，而是有一系列圆形开口，或具有圆角的开口，以Z字形图案排列，从而减少制造期间的晶片断裂，且在面向微通道的板面上的圆形开口之间形成集管通道。通过使用圆形开口使可能成为裂纹形成区域的应力集中最小，通过使用集管图案的下凹区域作为与集管通道一起的集管使通道集管的总凹腔面积最小，并避免所述凹腔沿(100)Si解理面对准，这些集管结构减轻了晶片断裂的可能性。
而且，如本发明的示例性实施例所述的集成微通道冷却装置可以实现冷却剂流体均匀分布和流动的多种机制，和系统压降的总体减小。例如，一种用于减小压降的方法将冷却剂流动分成多个热交换器分区，而使通过微通道的流动路径非常短。更准确地说，例如，上述的示例性集管和微通道板实施例，提供了多个用于形成多个热交换器分区的输入和输出流体集管(Mi)。实际上，如图5A的示例性微通道板(50)和图4C的集管板(40)所示，由交替的输入和输出集管形成六个热交换器分区，其中每个输入集管(M2，M4和M6)输送两个终止于输出集管(M1，M3，M5和M7)的微通道分区。而且，所述Z字形的集管结构能形成多个集管，同时保持芯片的结构完整性。
另一种减小压降的方法是这样设计集管，即每个集管通道都具有初始、或最终截面积，至少等于从集管通道接收冷却剂流体，或向集管通道供应冷却剂流体的微通道的总截面积。例如，在图4C和图5A的示例性实施例中，输入集管通道C2，C4和C6分别向两个微通道分区输送。这样，每个输入集管通道的初始截面积应当至少与由这些通道输送的微通道截面积的总和一样大。而且，输出集管通道C3和C5分别从微通道的两个分区接收冷却剂流体。这样，输出集管通道C3和C5的最终截面积应当至少与向这些通道输送的微通道截面积的总和一样大(或，在示例性实施例中，每个集管通道C2～C6的截面积应当相同)。另一方面，输出集管通道C1和C7分别由一个微通道输送。这样，每个输出集管通道C1和C7的最终截面积应当不低于输出集管通道(M2和M6)初始截面积的一半。
类似地，另一种减小压降的方法是这样设计集管，即每一集管的流体通路具有至少等于所有微通道总截面积的总截面积，所述微通道接收经流体通路供应的冷却剂流体，或供应从流体通路排出的冷却剂流体。例如，通路图案V4的流体通路应当具有至少等于由对应集管通道C4输送的微通道的截面积总和的总截面积。
而且，如上所述，减小压降的另一集管设计特征是改变集管的截面积，从而将冷却剂流体均匀地输送至微通道。例如，如图5B和6的示例性实施例所示，在集管通道(C2)的输入流体通路(v)和下凹区域(R2)的对应部分之间的通道部分(44)远离输入流体通路(v)向下渐缩，从而减小沿冷却剂路径的截面积。这样产生压降，并保持流体的流动速度稳定，从而将冷却剂均匀地输送入沿通道部分布置的微通道。而且，所述压降可以通过使微通道入口拐角圆整或渐缩而进一步减小，所述圆整和渐缩通过平滑进入的流体而减小流动阻力。
总的来说，由示例集管和微通道板(40)和(50)制成的本发明的集成微通道冷却装置，提供了一种多热交换器分区结构，其中所有热交换器分区并连，这意味着热交换器分区均匀地设计(例如，在所有热交换器分区内微通道图案相同(具有相同间距的连续通道)，且交替的输入和输出集管相同地间隔，而使所有热交换器分区的微通道长度基本上相同)，从而在入口和出口集管之间以相同的压降工作，且集管设计有可变的截面积，从而确保对于给定的热交换器分区来说，在热交换器分区上有均匀的冷却剂分布。这样，根据芯片的预计平均功率密度，集成微通道冷却器可以设计有足够数目的平行热交换器分区，和流体压力，从而提供足以有效地冷却具有这种平均功率密度的芯片的每单位宽度的流动和每单位长度的压降。
图7是根据本发明的示例性实施例所述的用于冷却半导体芯片的设备示意图。更准确地说，图7示意地示出了根据本发明的示例性实施例所述的半导体封装(70)的剖面侧视图，该封装包含集成微通道冷却装置(71)，该装置经热接合(B2)与半导体芯片(72)(例如，处理器芯片)的后(非活性)表面热连接。芯片(72)的活性表面包含多个用于倒装芯片与封装衬底接合的钎料球(C4s)。
微通道冷却装置(71)包含微通道板(74)和集管板(75)，它们经接头(B1)连接，且板(74)和(75)可以具有类似于上述针对图4A-4D和5A-5B所述的集管和微通道结构。在这方面，图7的示例性实施例可以认为是沿纵向线的平面图，该纵向线：(i)沿平行于集管板(75)内形成的Z字形流体集管结构且与微通道板(74)的多个热微翅片(76)和微通道(77)正交的方向延伸；(ii)经过在Z字形流体集管结构一侧上形成的多个流体通路(v)的每一个的中心。如图7所示，流体通路(v)在沿集管通道(C)的位置形成开口，且微通道板(74)包含多个区域(R)，其中热微翅片(76)不连续。所述多个微翅片(76)和通道(77)沿与图页表面正交的方向平行延伸。
在集管板(75)和微通道板(74)之间的接合面(B1)足以提供水密密封，但接合面(B1)不必提供低热阻。因此，可以使用比如直接晶片接合、熔化接合、阳极接合、玻璃粉接合、钎焊接合、聚合物粘结剂接合的接合方法，或任何其他适当的接合方法，来连接微通道和集管板(74)和(75)。而且，在微通道和集管板(74)和芯片(72)之间的接合面(B2)应当使用低热阻接头形成，从而实现从芯片(72)至微通道板(74)的的足够热传导。可以使用低热阻接头比如金属接头、钎焊接头，或填充热粘结剂比如Ag环氧树脂，或其他连接方式，只要接合厚度足够薄，且与所需的冷却通量级别兼容。希望低热阻接头的热阻小于0.2C-cm2/W，或优选的是，小于或等于0.1C-cm2/W。而且，希望接合(B2)可以再加工，而使微通道冷却器(71)可以从芯片(72)上取下，当需要时，从而更换单独的冷却装置(71)或更换芯片(72)。因此，钎焊接头可以再加工，且如果钎料层接触Ag环氧接头，它也可以再加工。
集管板(75)的尺寸，比如厚度T1，和集管机构的尺寸，比如流体通路(v)的深度d1和集管通道(C)的深度d2，可以与上述针对图4D所述的那些相同。而且，微通道(77)的下凹深度d3可以与上述针对图5A-B所述的那些相同。然而，在本发明的另一示例性实施例中，微通道板(74)的厚度T2可以使用各种方法减小(从0.75mm的典型硅晶片厚度)，从而使距离d4最小化，减小硅厚度上的温度下降，从而增加封装(70)的热性能。例如，在一个实施例中，对于200或300mm直径的硅晶片来说，厚度T2可以从0.75mm的典型厚度减小，而使距离d4约100微米。
可以采用各种方法来构成图7的封装结构(70)。通常，在本发明的一个实施例中，微通道板(74)和集管芯片(75)可以互相接合和测试，然后与芯片(72)的背面热接合，其中微通道板(74)接触芯片(72)的背面。更准确地说，在本发明的一个示例性实施例中，在晶片级别上，包含多个微通道板的第一晶片可以接合于含有多个对应集管板的第二晶片。然后接合的晶片可以进行抛光、磨削，和/或研磨，而使衬底变薄，在衬底上制造微通道板。或者，含有多个微通道板的晶片可以在接合或切割之前首先变薄。在两个晶片接合在一起的情况下，晶片可以切割而分出单独的微通道冷却装置。或者，含有微通道和集管板的晶片可以抛光、切割等，然后通过接合单独的集管和微通道板可以制成单独的微通道冷却装置。注意的是图7中的微通道冷却器(71)的外侧尺寸可以稍大于芯片(72)的外侧尺寸，从而使微通道冷却器(71)在每一侧稍延伸超过芯片(72)。这种稍延伸可以改善性能，因为与微通道冷却器(71)的内部区域相比，集管板(75)和微通道板(74)连接在一起的周边区域减轻了冷却。这种稍延伸可以使芯片(72)的背面接触含有微通道的微通道冷却器(71)的内部区域。
在本发明的另一示例性实施例中，图7的封装结构(70)的热性能可以通过使芯片(72)的衬底变薄而进一步改善，除了减小保留在微通道板(74)的微通道(77)下面的衬底材料厚度之外。例如，如上所述，与芯片(72)接合的微通道板(74)的表面可以抛光，而在微通道板上最深的蚀刻区域下方有仅约100微米的Si。而且，芯片(72)的厚度T3，例如处理器芯片，可以从约0.75mm的最初Si晶片厚度减小至约0.3mm。
上述的示例性微通道冷却装置实施例，比如图7中的，包括通过连接分离的集管和微通道板形成的集成微通道冷却装置。在本发明的另一示例性实施例中，集成微通道冷却装置包含由微通道和供应/返回集管结构构成的一块板。例如，图8A和8B是示出了根据本发明的另一示例性实施例，用于冷却半导体芯片的设备(80)的示意图，该设备包括与半导体芯片(82)的非活性表面热接合的集成微通道冷却器(81)，所述芯片可以是经钎料球(83)接合于封装衬底的倒装芯片。
更准确地说，图8A示意地示出了沿一纵向线作出的IC封装衬底(80)的剖面图，所述纵向线沿与冷却器(81)的热交换器分区中的多个热微翅片(84)和微通道(85)正交的方向延伸。而且，图8B示意地示出了沿一纵向线的剖面图，该纵向线(i)沿平行于在集成冷却器(81)的热交换器分区端部形成的Z字形流体集管结构的方向延伸，且(ii)经过在Z字形流体集管结构一侧上形成的多个流体通路(v)的每一个的中心。
换言之，在图8A和8B中示出的集成微通道冷却装置(81)框架，将微通道板和集管板的功能和结构组合在一个衬底层上。示例性微通道冷却装置(81)可以通过如上所述蚀刻通路图案而形成，从而形成在冷却器衬底(81)的一个表面上深度d1的流体通路(v)。然后，可以使用一或多个干式蚀刻步骤来形成集管通道(C)和热微翅片(84)以及微通道(85)。如果集管通道(C)具有与微通道(85)相同的深度，即d2＝d3，那么集管通道(C)和微通道(85)可以利用相同的干式蚀刻步骤形成。或者，集管通道和微通道可以通过两个分离且独立的干式蚀刻步骤或两个干式蚀刻步骤组合形成。
在图8A和8B的示例性实施例中，集管通道(C)示为比微通道(85)更深(d2＞d3)。在该实施例中，可以使用两个干式蚀刻步骤来形成更深的集管通道(C)(该通道比微通道(85)更深，大于RIE延迟产生的-更宽的特征比更窄的特征蚀刻更快)。利用这种结构，由于冷却流体与芯片(82)的直接接触，制造工艺可以更简单，且性能可以改善。而且，热微翅片(84)的翅片使用低热阻接头(B3)连接于芯片(82)。应当注意，利用这种设计，含有微通道的微通道冷却装置(81)的内部区域比芯片(82)更小，因为周边区域需要一起密封两者。注意的是，在周边区域需要密封接合方法来形成密封。
图9A-9C是本发明的另一示例性实施例的集成微通道冷却装置的示意透视图。更准确地说，如上所述，图9A示出了具有流体集管(91)的集管板(90)一部分的三维透视图，该集管板包含Z字形图案形成的集管通道(92)和多个形成通向集管通道(92)的开口的流体通路(v)。在流体通路(v)之间形成的集管通道(92)的通道片段(93)是锥形的。
图9B示出了微通道板(94)的一部分的三维透视图，该板可以接合于图9A的集管板(90)，从而形成图9C中所示的集成微通道冷却设备。图9B是从顶部看到的微通道板(94)的透视图，其中为清楚起见，衬底示为半透明固体，示出了在衬底底面上以交错图案形成的多个热微翅片(95)。与上述示例性实施例相比，其中微通道在集管之间的每一热交换器分区中是连续的，图9B所示的交错微翅片图案可以用于增加热传递(与连续翅片相比)，通过使每一翅片片段脱去边界层，从而每一翅片片段形成新边界层。这种设计可以实现横向混和(在通道之间)；这种结构有助于防止由于通道堵塞造成的严重故障，且提供一种改善微翅片区域内的流动均匀性的附加机构。而且，如上所述，交错的热微翅片图案可用于增加芯片“热点”区域的冷却能力。
图9C示出了通过图9A的集管板(90)和图9B的微通道板(94)接合形成的集成微通道冷却模块的一部分的透视图。尤其是，图9C是从微通道板衬底(94)的顶面上看到的透视图，为示例性说明，该衬底示为半透明固体，其中热微翅片(95)图案在沿集管通道(92)对准的区域R中是不连续的。
在本发明的另一示例性实施例中，微通道冷却设备包括用于SCM和MCM封装的流体分配集管，它们连接于分离的微通道冷却装置，所述冷却装置接合于芯片的背面，所述芯片倒装芯片地接合于衬底上，以便向/从集成微通道冷却装置输送冷却剂流体。高性能芯片，例如，处理器，通常面向下安装在封装衬底上，所述衬底由陶瓷或有机材料制成，且含有多个布线层，使用微钎料球形成的区域阵列，比如C4’s。在多芯片模块(MCM)中，许多芯片安装在公共衬底上，而单芯片模块(SCM)仅一个芯片连接于衬底上。陶瓷衬底在微小间距(～200微米)的C4s与第一级封装衬底和印刷电路板，或第二级封装之间的更粗间距的电连接之间提供了一种空间变化，所述电连接间隔约1mm。在第一和第二级封装之间提供电连接的一种普通方式是平台格栅阵列(LGA)，它们需要施加较大的压力来启动LGA。
图10和11是示出了本发明的示例性实施例的流体分配集管的示意图，该集管可用于SCM和MCM芯片封装。示例性流体分配集管以这样的方式设计，即通过使用可变截面的流体供应/返回通道来向/从集成微通道冷却装置输送冷却剂流体，使总系统压降最小化。而且，本发明的示例性实施例实现了连接机构，所述机构提供了流体分配集管和集成微通道冷却装置之间的机械分离，从而避免C4’s上有过度的应力，所述C4s使芯片连接于封装衬底。更准确地说，为了当流体分配集管固定于微通道冷却器时提供机械顺从性，在流体分配集管和微通道冷却器之间提供机械顺从的垫圈/密封件，从而密封这些元件之间的连接。机械顺从性垫圈包含任何适当的可压缩材料，比如弹性体，或任何其他适当的材料，当使冷却剂输送集管与微通道结构的连接可以牢固地形成，同时容许集成电路芯片的高度差别时可以压缩，且无需可能损坏芯片的较大压力。顺从性垫圈材料也可以附着于或接合于微通道冷却器和流体分配集管，而使其不必保持在压缩状态，从而形成流体密封。
例如，图10是本发明的示例性实施例的流体分配集管装置的平面示意图，该集管装置可以与利用上述用于单芯片模块(SCM)的示例性集管板(40)形成的集成微通道冷却装置一起使用。更准确地说，图10示出了一种示例性流体分配集管(100)，该集管包含壳体(101)，该壳体具有切割或形成的流体返回集管(102)和流体供应集管(103)。流体返回集管(102)包含由水平剖面线区域示出的多个流体通道，流体供应集管(103)包含由竖直剖面线区域示出的多个流体通道。而且，圆形区域(104)和(105)示出在固定于壳体(101)的盖板(未示出)中形成的出口和入口的位置，从而形成与流体分配集管(100)的流体供应/返回连接。
集管(100)包括多个在壳体(101)底面上的细长矩形开口(106)和(107)，它们利用机械顺从性垫圈连接于图4C中的集管板(40)上对应集管(Mi)的流体通路(v)。例如，在示例性实施例中，矩形开口(107)与输入集管M2，M4和M6的流体通路对准且连接，从而将冷却剂流体供入微通道冷却装置中，且矩形开口(106)与输出集管M1，M3，M5和M7的流体通路对准且连接，用于接收从微通道冷却装置返回的加热流体。
而且，如图10所示，集管(102)和(103)形成可变截面的通道，从而保持流体流动的速度接近稳定，并减小动态压降。例如，与入口(105)对准的供应集管(103)的流体通道的截面积渐缩，而使通向矩形开口(107)的每一流体通道有均匀的输入冷却剂流体分布。而且，通向矩形开口(107)的流体通道也渐缩，而减小截面积，从而向沿连接的集成微通道冷却器的输入集管的输入流体通路均匀地供应冷却剂流体。类似地，形成返回集管(102)的各流体通道设计有可变截面积，从而减小从连接的集成微通道冷却器的输出集管接收的返回流体的动态压降。例如，与输出端口(105)对准的供应集管(102)的流体通道截面积渐缩，而实现输出冷却剂流体的均匀再分配，所述流体来自具有矩形开口(106)的每一流体通道。而且，从矩形开口(106)接收返回流体的流体通道也渐缩，从而减小截面积，实现冷却剂流体的均匀流动和再分配，所述流体来自沿着相连接的集成微通道冷却器的输出集管的出口流体通路。
应当理解，供应/返回集管部分的截面积也可以通过改变这些部分的下凹深度而改变，除了或代之以改变通道的宽度，比如图10所示。在一切情况下，流体通道的面积充分减小，通过保持冷却剂流体的速度沿流体分配集管装置(100)中的流体通道基本上恒定或非常接近恒定，减小动态压降。而且，虽然没有特别示出，压降的进一步减小可以通过圆整输入和输出集管(102)和(103)的流体通道的拐角，减小流动阻力而实现。
流体分配集管可以由任何适当的耐腐蚀材料制成，比如铜或塑料或其他材料，其中输入和输出集管的流体通道可以铣削、钻削、模制或其他方式在这些材料的毛坯上形成。流体分配集管(100)应当有足够的尺寸，具有较大的可变截面，从而为相连接的集成微通道冷却装置的入口和出口集管适当地输送。这种尤其更大的可变截面的集管不可能加工成集管板，主要是由于几何尺寸限制，所述尺寸限制需要附加的截面积，从而形成更高的竖直尺寸，这不可能使用薄板实现，比如硅晶片。
图11是本发明的另一示例性实施例的流体分配集管的平面示意图。尤其是，图11示出了普通流体分配集管(110)，该集管可以用于多芯片模块(MCM)，所述模块包含四个倒装芯片接合的芯片形成的阵列，其中每一芯片具有连接于芯片的分离的集成微通道冷却装置，所述冷却装置形成有如图4C所示的示例性集管板(40)。示例性流体分配集管(110)包含壳体(111)，该壳体具有两个流体供应集管(112)和(113)，它们供有来自盖板(未示出)中形成的各入口(114)和(115)的冷却剂流体，以及两个流体返回集管(116)和(117)，它们将流体输出至集管盖中形成的出口(118)和(119)。示例性流体分配集管(110)包含四个集管部分(A，B，C和D)，它们与图10的流体分配集管机构(100)在结构上相同。
流体供应集管(112)和(113)包含多个由竖直剖面线区域示出的流体通道，它们在壳体(111)中切出或形成。流体供应集管(113)将冷却剂流体供应至连接于集管部分A和B的2个集成微通道冷却器，流体供应集管(112)将冷却剂流体供应至连接于集管部分C和D的2个集成微通道冷却器。更准确地说，流体供应集管(113)包含具有多个矩形开口(120a)的流体通道区域，这些开口与连接于集管部分A的第一微通道冷却装置的对应输入集管的流体通路对准，还包含具有多个矩形开口(120b)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分B的第二微通道冷却装置的对应输入集管的流体通路对准。类似地，流体供应集管(112)包含具有多个矩形开口(120c)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分C的第三微通道冷却装置的对应输入集管的流体通路对准，还包含具有多个矩形开口(120d)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分D的第四微通道冷却装置的对应输入集管的流体通路对准。
流体返回集管(116)和(117)包含由水平剖面线示出的多个流体通道，它们在壳体(111)上切出或形成。流体返回集管(116)接收从连接于集管部分A和C的2个集成微通道冷却器返回的冷却剂流体，流体返回集管(117)接收从连接于集管部分B和D的两个集成微通道冷却器返回的冷却剂流体。更准确地说，流体返回集管(116)包含具有多个矩形开口(121a)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分A的第三微通道冷却装置的对应输出集管的流体通路对准，且还包含具有多个矩形开口(121c)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分C的第三微通道冷却装置的对应输出集管的流体通路对准。类似地，流体返回集管(117)包含具有多个矩形开口(121b)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分B的第二微通道冷却装置的对应输出集管的流体通路对准，还包含具有多个矩形开口(121d)的流体通道区域，所述开口与连接于集管部分D的第四微通道冷却装置的对应输出集管的流体通路对准。
所以，如上所述，根据本发明的示例性实施例所述的流体分配系统，可用作微通道冷却设备，包含利用顺从性垫圈连接于一或多个微通道冷却装置的集管板(例如，集管板(40))的流体分配集管模块(例如，100或110)，其中至少所述分配集管模块和集管板具有可变截面(即，锥形)流体通道。所述顺从性垫圈可能包含或不包含可变截面的流体通道。
在本发明的另一示例性实施例中，可以采用多种方法定制设计微通道冷却装置，为芯片的一或多个“热点”区域(高于平均功率密度的区域)提供局部冷却能力。更准确地说，对于具有非均匀功率密度分布(非均匀功率图)的芯片来说，通过提供能增强芯片热点的局部冷却能力的集管和微通道机构、图案、排列等，可以定制设计本发明的集成微通道冷却装置。这些集成微通道冷却装置可以定制设计的方式根据比如芯片的尺寸、大小和/或数目的因素变化。现在将参照图12-16和17A-B描述本发明的多种示例性方法，设计增强芯片热点区域的局部冷却能力的微通道冷却装置。
根据本发明的一个示例性实施例，图12示意地示出了一种用于设计集成微通道冷却装置的方法，增强了芯片热点区域的局部冷却能力。总的来说，图12示出了一种示例性设计方法，其中集成微通道冷却装置可以设计有均匀的结构，该结构提供均匀的冷却，所述冷却对于芯片的预期平均功率密度来说是足够的，同时为芯片的“热点”区域提供了增强的局部冷却能力。更准确地说，图12示出了具有均匀的、多区域的热交换器结构(类似于图5B所示)的示例性微通道板(125)，其中区域(126)对应于芯片的“热点”区域。如上所述，示例性均匀微通道框架(均匀的微通道图案和均匀间隔的I/O集管)能使流体均匀地流过所有热交换器分区，并在芯片的表面上提供均匀的冷却。
假定微通道板(125)设计为芯片的预期平均功率密度提供均匀的冷却能力，如图12所示，通过设计微通道板(125)而具有与芯片的热点区域(126)对准的输入流体集管(127)，可以实现芯片热点区域(126)的局部冷却增强。图12的示例性方法可以用于增强芯片“热点”区域(126)的局部冷却，例如，与微通道冷却器设计所针对的芯片平均功率密度相比，“热点”区域(126)具有较小的面积，适当增加的功率密度。这是因为在典型的微通道冷却器设计中，沿微通道的长度，流体温度可能有较大的增加，直到约10℃，这取决于冷却流体和构造。所以，利用图12的示例性方法，“热点”的温度可以减小约为流经所述通道的流体获得的温度量。此外，图12的示例方法提供了一种排列，其中热点区域(126)的中心部分/轴线与微通道的入口对准，其中局部热传递系数大于通道长度的其余部分，这有效地增强了热点(126)的局部冷却。
总的来说，应当注意的是，提供均匀冷却能力的均匀的微通道冷却结构，比如图12和5B所示，可以用于冷却具有“热点”区域的芯片，从而微通道冷却器用于为“热点”的预期高于平均功率密度的位置提供均匀的冷却。然而，这种“均匀”设计方法可能对冷却均匀“热点”区域的芯片无效，因为需要的水流和压降比最佳设计方案增加。实际上，“高性能”微通道图案(例如，微小间距的微通道，或由交错或中断的微翅片形成的微通道(例如，图17A-B)，具有高速流体流动)可能需要，从而充分地冷却热点，但这些图案造成较大的压降。
所以，更佳的微通道冷却器设计方案将为具有大于平均功率密度的芯片“热点”提供更高性能的微通道图案，同时对功率密度减小(例如，平均功率密度)的芯片区域使用低性能的微通道图案(例如，使用更小的微通道间距和更低的流速设计)。利用这些方法，微通道冷却装置的结构是“不均匀的”，但含有在与周围区域相同的操作条件(即，对于每一热交换器部分来说相同的总压降)下的区域，所述区域能冷却更高的功率密度，且与芯片上的热点区域对准。换言之，集成微通道冷却装置可以根据芯片的功率图(功率密度分布)，通过改变相同和/或不同热交换器分区内的微通道性能，匹配芯片的(非均匀)功率图，针对给定芯片定制设计。现在将参照图13-16和17A-B的示例性实施例描述本发明的多种方法，其中微通道性能变化，增强芯片的局部冷却能力，所述芯片具有较大的热点和/或具有与芯片的平均功率密度相比，更高功率密度的热点。
例如，图13示意地示出了一种根据本发明的另一示例性实施例所述的用于增强芯片热点区域局部冷却能力的方法。尤其是，图13示出了一种具有类似于图12中所示的多分区热交换器结构的示例性微通道板(130)，其中区域(131)(热点区域)对应于芯片的“热点”。然而，在图13的示例性实施例中，芯片的热点(131)假定具有与被冷却芯片的平均功率密度相比明显更高的功率密度，该功率密度可能使图12的方法通过仅使输入集管与热点对准而不足以冷却热点。因此，在图13的示例性实施例中，增强热点区域(131)的局部冷却可以通过使输入集管(132)与热点区域(131)对准而实现，以及通过使用中断或交错的翅片(如图17A或17B的示例性实施例中示意地所示)，改变围绕对应于热点区域(131)的输入集管(132)的所述部分的区域中的微通道图案。
尤其是，图17A示意地示出了中断的微翅片图案(170)，包含多排平行的微翅片(171，172，173)，它们间隔间距P。每排微翅片(171，172，173)包含多个较长的微翅片结构(174)，它们间隔沿所述排的在微翅片(174)之间的小间隙(G1)(中断)，其中相邻排的间隙(G1)交错。中断的微翅片图案(170)形成较长的微通道，它们能使微通道之间的流体交叉混和。
另一方面，图17B示意地示出了交错的微翅片图案(175)，包含多排平行的微翅片(176，177，178，179，180)，其中每隔一排(例如排176和178)间隔同样的间距P(如图17A所示)。每排微翅片(176，177，178，179，180)包含较短的微翅片结构(181)，具有沿所述排在微翅片(181)之间的间隙(G2)(中断)，其中相邻排的间隙(G2)交错。在图17B的示例性实施例中，微翅片结构(181)和间隙(G2)的长度是相同的。在图9B中所示的示例性微翅片图案形成类似于图17B所示的交错图案。
回过来参照图13，包含交错微翅片图案(如图17B所示)的高性能微通道图案可以用于热点区域(131)，从而实现热传递系数的2倍增加。热传递速度的增加预计为两个原因。首先，每一微翅片片段太短而不能产生展开流，因此，每一微翅片片段作用就象具有预期更高局部热传递系数和压降有几分增加的短通道。此外，交错阵列向流体流中心线传递能量，同时保持周围区域内连续微翅片图案的翅片间距，这样作用就象热学上更窄的通道。有利的是，在热点区域(131)内使用交错或中断的翅片将使热传递系数局部增加。但是因为修改的翅片图案与连续翅片的区域平行，所以流动可以减轻，因为与连续翅片的区域相比，交错或中断的翅片导致沿微通道的压降增加。这种流动减小可适用于功率密度的更大增加，当限于翅片的小部分时，所述功率密度仅表示微通道冷却器设计所针对的总功率的适当部分。希望限制垂直于包含修改翅片图案的区域内的通道单位面积的流动，直到小于包含正常翅片图案的区域内的约1/2。或者，希望限制包含修改翅片图案的区域内的流体速度，直到小于包含正常翅片图案的区域内的约1/2。
然而，如上所述，“平行”连接的所有热交换器分区应当设计有可变截面积，从而在热交换器截面上有均匀的流体流动，其中“平行”指的是它们都应当设计为在入口和出口集管和所述集管之间相同的压降下工作。
图14示意地示出了一种根据本发明的另一示例性实施例所述的用于增强芯片热点区域的局部冷却能力的方法。尤其是，图14示出了具有6个分区的热交换器结构的示例性微通道板(140)，其中区域(141)(热点区域)对应于芯片的“热点”。类似于图13的方法，通过使输入集管(142)与热点区域(141)对准，且形成用于热点区域(141)的高性能微通道图案(例如，中断或交错的微翅片图案)，实现局部冷却。然而，图14还示出了一种通过朝向与输入集管(142)对准的热点区域(141)移动/重新排布相应输出集管(143)和(144)的部分(143a)和(144a)，增强局部冷却的方法。这种方法有效地减小了在与热点区域(141)对准的输入集管(142)的所述部分和输出集管(143)和(144)的重新排布部分(143a)和(144a)之间的热交换器分区的微通道的通道长度，而使具有缩短通道长度的热交换器分区的压降基本上与这些热交换器分区的其他区域内的压降相同，其中所述热交换器分区的微通道更长且连续(不中断或交错)。
利用图14的示例性局部冷却方法，假定热交换器分区的数目不变，在集管部分(144a)和输入集管(145)之间，以及集管部分(143a)和输入集管(146)之间的热交换器分区内的微通道长度将增加，从而减轻流动，这样冷却这些区域。然而，根据芯片的功率图，这样可能可以接受。
图15示意地示出了根据本发明的另一示例性实施例所述的用于增加芯片热点区域的局部冷却能力的方法。尤其是，图15示出了一种通常具有6个分区的热交换器结构的示例性微通道板(150)，其中区域(151)(热点区域)对应于芯片的“热点”。图15示出了一种用于增强更大的芯片热点区域的局部冷却能力的示例性微通道板(150)，其中在区域(151)内形成附加集管，而使通道长度可以局部减小。在图15的示例性实施例中，形成六个热交换器分区，用于冷却那些具有平均功率密度的芯片区域。然而，在热点区域(151)中，形成附加集管，而为单个热点形成六个热交换器分区。
图16示意地示出了根据本发明的另一实施例所述的一种用于增强芯片热点区域的局部冷却能力的方法。更准确地说，图16示出了一种具有对应于芯片的两个较大“热点”区域(161)和(162)的示例性微通道板(160)。在图16的示例性实施例中，功率密度假定在芯片的热点中非常高，而在芯片的剩余区域较小。微通道板(160)包含两个热交换器分区(163)和(164)，其中热交换器分区(163)用于冷却对应于热点区域(161)和(162)的芯片的更高功率密度区域，且热交换器分区(164)用于冷却芯片的较低功率密度区域。为了增强芯片热点区域的冷却能力，同时保持热交换器分区(163)和(164)上的压降基本上相同，热交换器分区(163)设计有较短且细间距的微通道，但热交换器分区(164)设计有较长且粗间距的微通道。
在另一示例性实施例中，在较短的热交换器分区(163)中可以形成两种不同的微通道图案。更准确地说，例如，可以在有两虚线限定的区域(165)内使用较高性能的微通道设计，这可能产生更高单位长度压降，但在围绕所述区域(165)的热交换器分区(163)的区域内可以使用更低性能的微通道设计。而且，在图16的示例性实施例中，高性能区域(165)内的微通道总长度和周围低性能区域内的总长度对于更短热交换器分区(163)内的所有单独微通道来说都是相同的。高性能微通道区域(165)可以包括以多种方式之一形成图案、形成结构或排列的微通道。例如，区域(165)可包括更细间距的微通道，或以交错或中断图案形成的微翅片(如图17A和17B)。或者，区域(165)内的微通道可以具有相同的间距，但减小了通道宽度。
在本发明的另一示例性实施例中，通过设计微翅片而延伸入集管区域(即延伸入小凹区域(R))，可以增强局部冷却能力，虽然这些方法可以增大压降，这取决于微翅片延伸入下凹区域有多远。在另一实施例，可以这样设计热微翅片，而使每隔一个翅片相对于其相邻翅片具有更长的长度，其中额外的长度使翅片在集管板上入口/出口流体通路正下方结束。利用该实施例，一半翅片可用于增加入口流体通路的传导路径，并增加在出口流体通路下方具有流体停滞点的区域上的传导冷却，从而局部增强集管区域的整体冷却能力，但在压降上有适当的增加。
虽然已经参照附图描述了示例性实施例，但应当理解，所述系统和方法不限于那些精确的实施例，本领域的技术人员可以实现多种其他变化和改进，而没有脱离本发明的范围和主旨。所有这些变化和改进都将包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种用于冷却具有非均匀功率图的IC(集成电路)芯片的集成微通道冷却装置，所述集成微通道冷却装置包含：
多个在集成冷却装置内沿同一方向延伸的交替输入和输出集管；
多个热交换器分区，其中每一热交换器分区包含多个热微翅片，所述微翅片形成在相邻输入和输出集管之间延伸的微通道的微通道图案，所述微通道延伸从而在相邻输入和输出集管之间形成流体路径，
其中一或多个热交换器分区的微通道图案变化，而提供对应于IC芯片的预期功率图的热传递性能；
其中所述输入和输出集管和热交换器分区的微通道图案被构造成：在对应于IC芯片预期热点区域的热交换器分区的区域内提供平均流体速度，该流体速度基本上与不对应于IC芯片预期热点区域的热交换器分区其他区域的平均流体速度相同，或至少在约50％之内。
2.如权利要求1所述的集成微通道冷却装置，其特征在于至少所述集成微通道冷却装置的一个输入集管被布置成与IC芯片的预期热点区域对准。
3.如权利要求1所述的集成微通道冷却装置，其特征在于一或多个热交换器分区的微通道图案局部变化，而提供对应于IC芯片的预期功率图局部变化的热传递性能。
4.如权利要求3所述的集成微通道冷却装置，其特征在于至少一个热交换器分区包含微通道的第一图案，该图案提供对于IC芯片的预期平均功率密度来说足够的热传递性能；还包含微通道的第二图案，该图案对应于IC芯片的预期热点区域布置，其中微通道的第二图案提供了对于预计大于热点的平均功率密度来说足够的热传递性能。
5.如权利要求4所述的集成微通道冷却装置，其特征在于所述微通道的第一图案包含连续的微通道，且微通道的第二图案包含交错或中断的微翅片图案。
6.如权利要求4所述的集成微通道冷却装置，其特征在于微通道的第一图案包含间隔第一间距的连续平行的微通道，且微通道的第二图案包含间隔第二间距的连续平行的微通道，所述第二间距小于第一间距，更为优选的是大于或等于第一间距的约一半。
7.如权利要求4所述的集成微通道冷却装置，其特征在于微通道的第一图案包含间隔第一间距的交错或中断的微翅片图案，微通道的第二图案包含间隔第二间距的交错或中断的微翅片图案。
8.如权利要求4所述的集成微通道冷却装置，其特征在于热交换器分区的微通道的第一和第二图案在相邻输入和输出集管之间串联排列。
9.如权利要求8所述的集成微通道冷却装置，其特征在于微通道的第一图案包含如下限定的区域，在该区域中，与微通道的第一图案单独对比，垂直于串联的微通道第一和第二图案的每单位宽度的流体不被减少超过1/2。
10.如权利要求1所述的集成微通道冷却装置，其特征在于通过对一或多个热交换器分区使用相同的第一微通道图案，该图案提供了对于IC芯片的预期平均功率密度来说足够的热传递性能，且通过在对应于IC芯片预期热点区域的热交换器分区中的至少一个第二微通道图案，该图案提供了对于预期大于芯片的平均功率密度的来说足够的增强热传递性能，改变一或多个热交换器分区的微通道图案。
11.如权利要求10所述的集成微通道冷却装置，其特征在于第一微通道图案包含具有在输入和输出集管之间延伸的第一长度的连续微通道，且它们以第一间距间隔开，所述至少一个第二微通道图案包含具有在输入和输出集管之间延伸的第二长度的连续微通道，且它们以第二间距间隔开，其中第一长度和间距大于第二长度和间距。
12.如权利要求1所述的集成微通道冷却装置，其特征在于通过对一或多个热交换器分区使用相同的第一微通道图案，该图案提供了对于IC芯片的预期平均功率密度来说足够的热传递性能，且通过在对应于IC芯片预期热点区域的热交换器分区中的至少第二和第三微通道图案，所述图案提供了对于预期大于芯片的平均功率密度来说足够的增强热传递性能，改变一个或多个热交换器分区的微通道图案。
13.如权利要求12所述的集成微通道冷却装置，其特征在于第一微通道图案包含具有在输入和输出集管之间延伸的第一长度的连续微通道，且它们以第一间距间隔开，所述至少第二和第三微通道图案在对应于IC芯片的预期热点区域的热交换器分区上串联布置，且至少第二和第三微通道图案的总体比例对于热交换器分区上的任何给定通道来说基本上相同。
14.如权利要求13所述的集成微通道冷却装置，其特征在于所述至少第二微通道图案基本上与IC芯片的预期热点区域对准地布置，且提供对于IC芯片热点区域的预期功率密度来说足够的第二热传递性能，且第三微通道图案位于围绕所述第二微通道图案的热交换器分区的区域内，且提供小于第二热传递性能、但大于由第一微通道图案提供的第一热传递性能的第三热传递性能。
15.一种用于冷却电子器件的设备，包含：
集成微通道冷却装置，包含多个沿同一方向延伸的交替的输入和输出集管，其中在每相邻的输入和输出集管之间形成至少一个热交换器分区，且每一热交换器分区包含形成微通道的多个热微翅片，所述微通道形成在相邻集管之间的流体流动路径；
具有与集成微通道冷却装置热接合的非活性表面的IC(集成电路)芯片，
其中所述IC芯片和集成微通道冷却器接合，而使集成微通道冷却器的输入集管与IC芯片的热点区域对准。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于所述输入集管与热点区域的中心点对准。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于相邻集管之间的距离在与所述热点区域对准的区域内减小，在热交换器分区的不同区域内，垂直于微通道的每单位宽度的流动不会变化超过1/2。
18.如权利要求15所述的设备，其特征在于在IC芯片上的集成微通道冷却装置的热交换器分区数目变化，而使在与IC芯片的热点区域对准的集成微通道冷却装置的部分内热交换器分区的数目增加，增强所述热点区域的冷却。
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