CN219203149U - 一种电热分离的微流道散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电热分离的微流道散热系统，其包括水冷散热模组、热源模块、功能模块以及PCB板。其中水冷散热模组包括制冷剂流道以及散热剂流道。热源模块包括设置于第一硅衬底上的热源芯片，第一硅衬底对应于热源芯片的位置处设置有分别与制冷剂流道以及散热剂流道连通的制冷剂进液腔以及散热液出液腔。功能模块包括设置于第二硅衬底上功能芯片，其与热源芯片电连接。PCB板与功能芯片电连接。该系统将电信号传输通道和液冷散热通道分离开来，使系统具有更高的可靠性。

Description

一种电热分离的微流道散热系统

技术领域

本实用新型涉及半导体封装技术领域，特别涉及一种电热分离的微流道散热系统。

背景技术

随着芯片尺寸的不断减小，芯片集成度不断提高，同时功能越来越强大，封装密度也越来越高。这就使得单位体积芯片的功耗急剧增大，芯片的温度急剧升高，这有可能会导致芯片的可靠性降低，影响芯片的正常工作。研究发现，有源器件的温度每升高10℃，系统可靠性将降低一半。同时，超过55％的电子设备的失效是由于温度过高造成的。由此可见，芯片的散热问题已经成为电子设备正常运行的关键要素。

在大功率微波系统中，GaN功率器件的热积累直接导致器件的结温升高，这导致在大功率条件下工作时，器件会出现输出特性衰减的现象，且功率密度越大，器件的输出特性衰减现象越严重。同时，GaN器件结温的升高也严重影响器件的寿命，结温越高，则器件寿命越低。针对这一问题，微流道散热是一种非常有效的解决方案。

目前常见的微流道散热结构有三种，第一种是冷板通过第二层热界面贴在封装盖的背面，该方案优点是容易实现，缺点是尺寸过大、热阻较大；第二种是直接在热源芯片背面制作微流道，这种结构热阻最小，但制作难度大；第三种是在热源芯片下层采用在中介板(interposer)中制作微流道的方式，满足散热的同时进行了电信号的传播，但是在中介板内集成微流道技术难度大，成本较高，易失效。

实用新型内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本实用新型提供一种电热分离的微流道散热系统，其将电信号传输通道和液冷散热通道分离开来，所述微流道散热系统包括：

水冷散热模组，包括制冷剂流道以及散热剂流道；

热源模块，包括热源芯片，所述热源芯片设置于第一硅衬底上，所述第一硅衬底对应于所述热源芯片的位置处设置有制冷剂进液腔以及散热液出液腔，所述制冷剂进液腔以及散热液出液腔分别与所述制冷剂流道以及散热剂流道连通；

功能模块，包括功能芯片，所述功能芯片设置于第二硅衬底上，且与所述热源芯片电连接；以及

PCB板，所述PCB板与所述功能芯片电连接。

进一步地，所述制冷剂流道包括：

制冷剂进液口，其与外部制冷剂存储设备连通；以及

制冷剂出液口，其与所述制冷剂进液腔连通。

进一步地，所述散热剂流道包括：

散热剂进液口，其与所述散热液出液腔连通；以及

散热剂出液口，其与外部散热剂存储设备连通。

进一步地，所述水冷散热模组与所述第一硅衬底之间设置有密封环。

进一步地，所述制冷剂进液腔以及散热液出液腔靠近所述热源芯片的一端设置有散热鳍道，所述散热鳍道与所述热源芯片之间设置有散热垫。

进一步地，所述功能芯片通过第一电连接模块与所述热源芯片电连接，所述第一电连接模块包括：

第一重布线结构，设置于所述第一硅衬底的第一表面，包括外接焊盘及第一微凸点，所述热源芯片通过键合金线连接至所述外接焊盘；

第二重布线结构，设置于所述第二硅衬底的第二表面，其通过外接焊盘与所述第一微凸点电连接；以及

第三重布线结构，设置于所述第二硅衬底的第一表面，其通过第一硅通孔与所述第二重布线结构电连接，所述第三重布线结构包括外接焊盘及第二微凸点，所述功能芯片通过键合金线连接至所述第三重布线结构的外接焊盘。

进一步地，所述功能芯片通过第二电连接模块与所述PCB板电连接，所述第二电连接模块包括：

第三硅衬底；

第四重布线结构，设置于所述第三硅衬底的第二表面，其通过外接焊盘与所述第二微凸点电连接；

第五重布线结构，设置于所述第三硅衬底的第一表面，其通过第二硅通孔与所述第四重布线结构电连接；以及

外接焊球，其设置于所述第五重布线结构的外接焊盘处，所述PCB5板贴装于所述外接焊球上。

进一步地，所述第二硅衬底的第一表面对应于所述热源芯片处设置有第一芯片埋置空腔。

进一步地，所述第三硅衬底的第一表面对应于所述功能芯片处设置有第二芯片埋置空腔。

0进一步地，所述功能芯片与所述第二硅衬底之间设置有散热垫。

本实用新型提供的一种电热分离的微流道散热系统，将电信号传输通道和液冷散热通道分离开来，使系统具有更高的可靠性。基于此，其硅通孔与硅基液冷流道可以分开加工，进而大大减小了工艺制造难度以及生产成本，此外，所述微流道散热系统还实现了封装模块与液冷模块5的密封焊接。

附图说明

为进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这0些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本实用新型一个实施例的一种电热分离的微流道散热系统

的结构示意图；以及

图2a至2n示出根据本实用新型的实施例形成电热分离的微流道散

热系统的过程的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。应当指0出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是

比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本实用新型中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本实用新型中，各实施例仅仅旨在说明本实用新型的方案，而不应被理解为限制性的。

在本实用新型中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本实用新型的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本实用新型的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本实用新型的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本实用新型中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本实用新型。

图1示出本实用新型一个实施例的一种电热分离的微流道散热系统的结构示意图。如图1所示，一种电热分离的微流道散热系统，包括水冷散热模组101、热源模块、功能模块以及PCB板104。

所述水冷散热模组101为一独立的基板，所述基板上设置有制冷剂流道111以及散热剂流道112。其中，所述制冷剂流道111包括一个制冷剂进液口1111及至少一个制冷剂出液口1112，所述制冷剂进液口1111与外部制冷剂存储设备连通，制冷剂从所述制冷剂进液口1111流入所述制冷剂流道111，所述制冷剂出液口1112则与热源一一对应，以使得制冷剂能够流经所述热源进行散热。散热剂流道112包括一个散热剂出液口1121及至少一个散热剂进液口1122，所述散热剂出液口1121与外部散热剂存储设备连通，散热剂从所述散热剂出液口1121流出所述散热剂流道112，所述散热剂进液口1122则与热源一一对应，以使得散热剂能够流经所述热源进行散热。

所述热源模块记为第一晶圆。其包括热源芯片121，所述热源芯片121即为所述水冷散热模组101需要冷却的对象。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，所述热源芯片121设置于第一硅衬底122的第一表面。所述第一硅衬底122的第一表面还设置有第一重布线结构123，在本实用新型的一个实施例中，所述热源芯片121采用正装的方式，通过键合金线与设置于所述第一重布线结构123电连接。

所述第一硅衬底122对应于所述热源芯片121的位置处设置有制冷剂进液腔124以及散热液出液腔125，所述制冷剂进液腔124以及散热液出液腔125分别与所述制冷剂流道111以及散热剂流道112连通。在本实用新型的一个实施例中，所述制冷剂进液腔124以及散热液出液腔125靠近所述热源芯片121的一端设置有散热鳍道126，所述热源芯片121的背面与所述散热鳍道126相连。为了实现更好的散热效果，在本实用新型的一个实施例中，所述热源芯片121与所述散热鳍道126之间设置有散热垫127。所述制冷剂进液腔124的另一端与所述制冷剂出液口1112连通。为避免制冷剂流出，在本实用新型的一个实施例中，所述水冷散热模组101与所述第一硅衬底122之间设置有密封环128，所述密封环128可由设置于所述水冷散热模组101第一表面的第一密封环以及第一硅衬底122第二表面的第二密封环贴合形成。

所述功能模块记为第二晶圆，其包括功能芯片131。所述功能芯片设置于第二硅衬底132上，且与所述热源芯片121电连接。如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，所述功能芯片131设置于第二硅衬底132的第一表面。所述第二硅衬底132的第一表面还设置有第三重布线结构133，在本实用新型的一个实施例中，所述功能芯片131采用正装的方式，通过键合金线与设置于所述第三重布线结构133电连接。在本实用新型的一个实施例中，所述功能芯片131通过第一电连接模块与所述热源芯片121电连接，所述第一电连接模块包括所述第一重布线结构123、第三重布线结构133，此外，还包括第二重布线结构134。具体而言，如图1所示，所述第二重布线结构134设置于所述第二硅衬底132的第二表面，其上设置有外接焊盘，所述第二重布线结构134通过所述外接焊盘与所述第一重布线结构123上的第一微凸点电连接。所述第三重布线结构133则通过第一硅通孔135与所述第二重布线结构134电连接。

为了更好地保证所述热源芯片121的散热，在本实用新型的一个实施例中，所述第二硅衬底132的第一表面对应于所述热源芯片121处设置有第一芯片埋置空腔136。

所述PCB板104与所述功能芯片131电连接。在本实用新型的一个实施例中，所述功能芯片131通过第二电连接模块与所述PCB板104电连接。具体而言，如图1所示，所述第二电连接模块记为第三晶圆，其包括第三硅衬底151，所述第三硅衬底151的第一表面设置有第五重布线结构152，第二表面设置有第四重布线结构153。所述第四重布线结构153通过外接焊盘与所述第三重布线结构133上的第二微凸点电连接。所述第五重布线结构152则通过第二硅通孔154与所述第四重布线结构153电连接。所述第五重布线结构152的外接焊盘处设置有外接焊球155，所述PCB104贴装于所述外接焊球155上，至此实现所述PCB板与所述功能芯片和/或热源芯片的电连接。

为了保证所述功能芯片131的散热，在本实用新型的一个实施例中，所述第三硅衬底151的第一表面对应于所述功能芯片131处设置有第二芯片埋置空腔156。在本实用新型的又一个实施例中，所述功能芯片131的背面还设置有散热垫137。

图2a至2n示出根据本实用新型的实施例形成电热分离的微流道散热系统的过程的剖面示意图，如图所示，一种电热分离的微流道散热系统的制造方法包括：

首先，如图2a所示，在第一硅衬底122的第二表面，特别是在制冷剂进液口及散热剂的出液口周围电镀一层金属密封环128，后期与水冷散热模组贴合后起到密封的作用；

接下来，如图2b所示，在所述第一硅衬底的第二表面对应于热源芯片的位置处刻蚀出制冷剂进液腔124以及散热液出液腔125；

接下来，如图2c所示，在所述第一硅衬底的第二表面，通过临时键合胶002键合临时键合载片001；

接下来，如图2d所示，在所述第一硅衬底的第一表面未设置热源芯片的位置处形成第一重布线结构123，起到传输信号的作用。在本实用新型的一个实施例中，所述第一重布线结构123可包括若干层重布线层及有机中介薄膜，其中所述有机中介薄膜用于金属走线的保护。如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述第一重布线结构上制作有芯片打线焊盘1231，用于热源芯片的引线键合。在本实用新型的又一个实施例中，所述第一重布线结构上还制作有微凸点1232，以用于与第二晶圆的组装。在本实用新型的一个实施例中，所述第一硅衬底的第一表面贴装热源芯片的位置处设置有芯片贴装金属散热垫127，所述散热垫127的形状需预留好位置以便于后期刻蚀散热鳍道；

接下来，如图2e所示，刻蚀散热鳍道126，使得其与所述制冷剂进液腔124以及散热液出液腔125连通；

接下来，如图2f所示，拆除所述临时键合载片；

接下来，如图2g所示，将大功率的热源芯片121贴装至所述散热垫127上，并利用引线键合工艺(WireBond)将所述热源芯片121的功能信号引至芯片打线焊盘1231上；

接下来，如图2h所示，制备第二晶圆。所述第二晶圆包括第二硅衬底132，在所述第二硅衬底的第一表面未设置功能芯片的位置处形成第三重布线结构133以用于信号的平面传输与互联。在本实用新型的一个实施例中，所述第三重布线结构133可包括若干层重布线层及有机中介薄膜，其中所述有机中介薄膜用于金属走线的保护。如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述第三重布线结构上制作有微凸点1331，以用于与第三晶圆的组装。在本实用新型的一个实施例中，所述第二硅衬底的第一表面贴装功能芯片的位置处设置有金属散热垫137。所述第二硅衬底的第二表面形成第二重布线结构134以用于信号传输。在本实用新型的一个实施例中，所述第二重布线结构134可包括若干层重布线层及有机中介薄膜，其中所述有机中介薄膜用于金属走线的保护。如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述第二重布线结构上制作有微凸点键合焊盘1341，以用于与微凸点1232键合，进而使得第一晶圆可与第二晶圆组装在一起；如图所示，所述第二硅衬底132中还设置有第一硅通孔135，其两端分别电连接至所述第二重布线结构及第三重布线结构，以用于信号的纵向传输。如图所示，所述第二硅衬底132的第二表面还设置有第一芯片埋置空腔136，所述第一芯片埋置空腔136与所述第一晶圆中的热源芯片的位置相对应；

接下来，如图2i所示，将第一晶圆与第二晶圆组装在一起；

接下来，如图2j所示，将低功率的功能芯片131贴装到所述金属散热垫137上，并利用引线键合工艺(WireBond)将所述功能芯片131的功能信号引至第三重布线结构上，再通过第一硅通孔、第二重布线结构、微凸点与第一晶圆上贴装的热源芯片完成信号互联；

接下来，如图2k所示，制备第三晶圆。所述第三晶圆包括第三硅衬底151，在所述第三硅衬底的第一表面形成第五重布线结构152以用于信号的平面传输与互联。在本实用新型的一个实施例中，所述第五重布线结构可包括若干层重布线层及有机中介薄膜，其中所述有机中介薄膜用于金属走线的保护。如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述第五重布线结构上制作有C4凸点，即外接焊球155以用于与PCB板的组装。所述第三硅衬底的第二表面形成第四重布线结构153以用于信号传输。在本实用新型的一个实施例中，所述第四重布线结构153可包括若干层重布线层及有机中介薄膜，其中所述有机中介薄膜用于金属走线的保护。如图所示，在本实用新型的一个实施例中，所述第四重布线结构上制作有微凸点键合焊盘1531，以用于与微凸点1331键合，进而使得第二晶圆可与第三晶圆组装在一起；如图所示，所述第三硅衬底中还设置有第二硅通孔154，其两端分别电连接至所述第四重布线结构及第五重布线结构，以用于信号的纵向传输。如图所示，所述第三硅衬底的第二表面还设置有第二芯片埋置空腔156，所述第二芯片埋置空腔156与所述第二晶圆中的功能芯片的位置相对应；

接下来，如图2l所示，将第三晶圆与第一、第二晶圆组装在一起；

接下来，如图2m所示，制备水冷散热模组101，并将其与第一、第二、第三晶圆组装，将水冷散热模组的密封环与第一晶圆的密封环紧密贴合，完成密封工作，防止制冷液流出；以及

最后，如图2n所示，制备PCB板104，并将其与第三晶圆的外接焊球155贴装，完成系统互联。

本实用新型提供的一种电热分离的微流道散热系统，将电信号传输通道和液冷散热通道分离开来，使系统具有更高的可靠性。基于此，其硅通孔与硅基液冷流道可以分开加工，进而大大减小了工艺制造难度以及生产成本，此外，所述微流道散热系统还实现了封装模块与液冷模块的密封焊接。

尽管上文描述了本实用新型的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本实用新型的精神和范围。因此，此处所公开的本实用新型的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种电热分离的微流道散热系统，其特征在于，包括：

水冷散热模组，包括制冷剂流道以及散热剂流道；

热源模块，包括热源芯片，所述热源芯片设置于第一硅衬底上，在所述第一硅衬底对应于所述热源芯片的位置处设置有制冷剂进液腔以及散热液出液腔，所述制冷剂进液腔以及散热液出液腔分别与所述制冷剂流道以及散热剂流道连通；

功能模块，包括功能芯片，所述功能芯片设置于第二硅衬底上，且与所述热源芯片电连接；以及

PCB板，所述PCB板与所述功能芯片电连接。

2.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述制冷剂流道包括：

制冷剂进液口，其与外部制冷剂存储设备连通；以及

制冷剂出液口，其与所述制冷剂进液腔连通。

3.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述散热剂流道包括：

散热剂进液口，其与所述散热液出液腔连通；以及

散热剂出液口，其与外部散热剂存储设备连通。

4.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述水冷散热模组与所述第一硅衬底之间设置有密封环。

5.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述制冷剂进液腔以及散热液出液腔靠近所述热源芯片的一端设置有散热鳍道，所述散热鳍道与所述热源芯片之间设置有散热垫。

6.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述功能芯片通过第一电连接模块与所述热源芯片电连接，所述第一电连接模块包括：

第一重布线结构，设置于所述第一硅衬底的第一表面，包括外接焊盘及第一微凸点，所述热源芯片通过键合金线连接至所述外接焊盘；

第二重布线结构，设置于所述第二硅衬底的第二表面，其通过外接焊盘与所述第一微凸点电连接；以及

第三重布线结构，设置于所述第二硅衬底的第一表面，其通过第一硅通孔与所述第二重布线结构电连接，所述第三重布线结构包括外接焊盘及第二微凸点，所述功能芯片通过键合金线连接至所述第三重布线结构的外接焊盘。

7.如权利要求6所述的微流道散热系统，其特征在于，所述功能芯片通过第二电连接模块与所述PCB板电连接，所述第二电连接模块包括：

第三硅衬底；

第四重布线结构，设置于所述第三硅衬底的第二表面，其通过外接焊盘与所述第二微凸点电连接；

第五重布线结构，设置于所述第三硅衬底的第一表面，其通过第二硅通孔与所述第四重布线结构电连接；以及

外接焊球，其设置于所述第五重布线结构的外接焊盘处，所述PCB板贴装于所述外接焊球上。

8.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述第二硅衬底的第一表面对应于所述热源芯片处设置有第一芯片埋置空腔。

9.如权利要求7所述的微流道散热系统，其特征在于，所述第三硅衬底的第一表面对应于所述功能芯片处设置有第二芯片埋置空腔。

10.如权利要求1所述的微流道散热系统，其特征在于，所述功能芯片与所述第二硅衬底之间设置有散热垫。

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