TW202234626A - 具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的ic封裝 - Google Patents

具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的ic封裝 Download PDF

Info

Publication number
TW202234626A
TW202234626A TW110144013A TW110144013A TW202234626A TW 202234626 A TW202234626 A TW 202234626A TW 110144013 A TW110144013 A TW 110144013A TW 110144013 A TW110144013 A TW 110144013A TW 202234626 A TW202234626 A TW 202234626A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
microchannel
package
microchannels
flow
encapsulation material
Prior art date
Application number
TW110144013A
Other languages
English (en)
Inventor
納爾新 克利西納 維傑拉歐
大衛 賽巴斯汀 摩頓森
Original Assignee
美商元平台公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商元平台公司 filed Critical 美商元平台公司
Publication of TW202234626A publication Critical patent/TW202234626A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4334—Auxiliary members in encapsulations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20281—Thermal management, e.g. liquid flow control
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/208—Liquid cooling with phase change
    • H05K7/20809—Liquid cooling with phase change within server blades for removing heat from heat source
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means
    • G06F1/206—Cooling means comprising thermal management
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2200/00—Indexing scheme relating to G06F1/04 - G06F1/32
    • G06F2200/20—Indexing scheme relating to G06F1/20
    • G06F2200/201—Cooling arrangements using cooling fluid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/16227—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203—Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/31—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape
    • H01L23/3107—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the arrangement or shape the device being completely enclosed
    • H01L23/3135—Double encapsulation or coating and encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L24/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L24/10, H01L24/18, H01L24/26, H01L24/34, H01L24/42, H01L24/50, H01L24/63, H01L24/71

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

經揭示IC封裝可包括：（1）一IC晶粒，其攜載電子電路系統；（2）一囊封材料，其至少部分地覆蓋該IC晶粒，其中（a）該囊封材料在該囊封材料內界定複數個微通道，且（b）該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料；（3）複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；及（4）複數個感測器，其中該複數個感測器中之每一感測器產生指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號。亦揭示各種其他IC封裝以及相關聯的冷卻系統及方法。

Description

具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的IC封裝
本發明關於一種具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的IC封裝。
隨著積體電路（IC）設計者及製造商繼續增加在單個IC封裝內可用的功能性及速度，IC所消耗之功率之量且因此所耗散之熱量繼續類似地增加。因此，彼等往往會消耗最多功率之IC，包括但不限於中央處理單元（central processing unit；CPU）、圖形處理單元（graphics processing unit；GPU）等等，傳統上為大多數IC特定的被動熱緩解工作的焦點。
取決於IC封裝之大小、IC之電路設計、IC之操作速度及其他因素，將在最大預期工作負載下耗散之最大熱量（通常被稱作IC之「熱設計功率（thermal design power；TDP）」可指示是否需要IC特定的熱緩解策略。在一些實例中，至少150瓦特（W）之TDP可指示需要被動散熱片。典型地，使用熱黏著劑將散熱片（例如由鋁合金、銅或其他金屬塑造）耦接至IC封裝之頂部平坦表面以最大化自IC封裝之頂部至散熱片的熱傳遞。此外，散熱片可併有數個鰭片或類似的實體特徵以增加散熱片之表面積的量。橫跨散熱片之鰭片的空氣流接著可用以自散熱片移除熱能以增加散熱片對對應的IC封裝之冷卻效應。在一些實例中，可藉助於安裝在環繞IC封裝及其他電路系統之殼體中的單獨的風扇或經由更直接耦接至散熱片的IC特定的風扇來提供此空氣流。
具有較高TDP（諸如超過400 W之TDP）的IC封裝可受益於使用耦接至IC封裝的頂部之液體冷卻系統。此系統可包括管道，其藉助於泵將液體（例如蒸餾水）攜載至金屬裝置（例如水箱）以及散熱器，該金屬裝置耦接至IC封裝之頂部。在操作中，該液體經泵送通過水箱（例如以自IC封裝提取熱）且經泵送通過散熱器（例如以自液體提取熱，可能由外部風扇輔助）。
可附接至IC封裝之頂部外部表面的散熱片、水箱及其他裝置自其提取足夠熱量之能力繼續受到挑戰，此係因為具有增加的TDP（例如1 kW或更大）之IC繼續被提出且設計。
在一個具體實施例中，本發明提供一種積體電路（IC）封裝，其包含：一IC晶粒，其攜載電子電路系統；一囊封材料，其至少部分地覆蓋該IC晶粒，其中：該囊封材料在該囊封材料內界定複數個微通道；且該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料；複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；及複數個感測器，其中該複數個感測器中之每一感測器產生指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號。
在另一個具體實施例中，本發明提供一種用於一IC封裝之冷卻系統，該冷卻系統包含：複數個微通道，其經界定在該IC封裝之一囊封材料內，其中：該囊封材料至少部分地覆蓋攜載電子電路系統之一IC晶粒；且該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料；複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；一泵，其藉由該複數個微通道將流體自該一或多個微通道入口泵送至該一或多個微通道出口；複數個感測器，其位於該IC封裝中；及閥控制邏輯，其：自該複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號；且回應於所述信號而控制該複數個流閥中之每一流閥。
具體實施例中，本發明提供一種冷卻一IC封裝之方法，該方法包含：自包括於該IC封裝中之複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號，該IC封裝包括攜載電子電路系統之一IC晶粒；及回應於自該複數個感測器接收之所述信號而控制位於複數個微通道中之複數個流閥中之每一流閥，該複數個微通道經界定在至少部分地覆蓋該IC晶粒之一囊封材料中，其中該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料。
本發明大體上係關於一種IC封裝，其內經界定有複數個微通道（例如直徑為若干公釐之通道），其中複數個流閥位於微通道內。IC封裝可進一步包括分佈在其中的複數個感測器（例如熱感測器）。可經併入在IC封裝內或位於其外部之控制邏輯可基於自複數個感測器接收之信號而個別地控制複數個流閥中之每一者的操作，以控制液體（例如水）流動通過微通道，以維持IC所需的溫度位準。如將在下文更詳細地解釋，相比於較習知的技術，本發明之具體實例可促進更大熱提取，因此支援高TDP IC之使用。
來自本文中所描述的具體實例中之任一者的特徵可根據本文中所描述之一般原理彼此組合使用。在結合隨附圖式及申請專利範圍讀取以下詳細描述後，將更全面理解此等及其他具體實例、特徵及優點。
下文將參考圖1至圖5提供具有複數個嵌入式微通道之IC封裝以及使用此類封裝之相關聯的冷卻系統及方法之詳細描述。結合圖1至圖3描述例示性IC封裝，其經設置以實施用於該封裝之嵌入式以液體為基礎的冷卻系統。結合圖4及圖5分別地解釋包括例示性IC封裝之例示性冷卻系統以及操作此冷卻系統之例示性方法。
圖1為經設置以實施嵌入式以液體為基礎的冷卻系統之例示性IC封裝100之側面橫截面。在IC封裝100之描述中，相對於IC封裝100之水平定向提供各種方向參考（例如，頂部、底部、向上、向下等等），如圖1中所說明。然而，僅出於解釋性目的提供此類方向參考，且當經部署在電子系統中時，IC封裝100之其他定向亦為可能的。
如圖1中所描繪，IC封裝100可包括攜載電子電路系統之IC晶粒102，該電子電路系統之操作可產生熱。為了使得能夠電連接至由IC晶粒102攜載之電路系統的各個部分，耦接至電路系統之各個點的複數個導電襯墊110可沿著IC晶粒102之一或多個表面（例如沿著底部）分佈（例如分佈成二維柵格）。此外，在一些具體實例中，可沿著待定位於IC晶粒102下方之基板104的表面（例如沿著頂部）設置對應的導電襯墊110。基板104可為多層有機基板，但在其他實例中，基板104可包括其他類型之材料及/或結構。基板104可包括複數個跡線106，其以導電方式將沿著基板104之頂部的導電襯墊110耦接至沿著基板104之相對表面（例如沿著底部）的複數個焊料凸塊116。在一些實例中，焊料凸塊116可間隔開以促進諸如藉由加熱或另一焊接製程與印刷電路板（printed circuit board；PCB）（圖1中未展示）之對應的襯墊之電連接。又，在一些具體實例中，IC晶粒102之導電襯墊110可藉助於導電凸塊108（例如焊料凸塊）電連接至基板104之對應的導電襯墊110。另外，在一些具體實例中，在將IC晶粒102耦接至基板104之後，如上文所描述，由非導電物質製成之底部填充劑112可在IC晶粒102與基板104之間施加（例如加熱及流動），使得當底部填充劑112冷卻時，在存在物理震擊、極熱及/或其他具挑戰性的物理事件之情況下，IC晶粒102、基板104及底部填充劑112之組合會形成機械穩定的結構。
雖然圖1描繪包括IC晶粒102之特定結構及用於促進IC晶粒102與PCB或其他電子結構之間的電連接之互連結構，但在其他具體實例中，可在IC封裝100中使用涉及IC晶粒102之其他結構。
為了促進保護IC晶粒102免於多種環境條件影響，囊封材料114（例如經模製在IC晶粒102上方之環氧樹脂）可經施加在IC晶粒102以及可能的基板104及底部填充劑112上方。習知地，被動冷卻系統，諸如散熱片，應用於此囊封材料之外部表面，以促進相關聯的IC封裝之冷卻。實情為，如圖1中所說明且在下文較充分地描述，囊封材料114可界定平行於囊封材料114或IC晶粒102之頂部表面的複數個微通道120，所述微通道經設置以在複數個流閥（圖1中未描繪）之控制下將流體（例如水）攜載通過囊封材料114，以促進提取熱，該熱係自在IC晶粒102中攜載之電子電路系統的操作產生。在圖2之橫截面中，檢視者之視角與每一可見微通道120之縱向軸線重合。
圖2為IC封裝100之頂部橫截面視圖，其中囊封材料114界定在兩個單獨方向經導向之微通道120。更特定言之，微通道120之第一部分在平行於囊封材料114之頂部的第一方向（例如圖2中之左右）上對準，而微通道120之第二部分在平行於囊封材料114之頂部且正交於第一方向之第二方向（例如圖2中之上下）上對準。另外，如圖2中所展示，微通道120之第一及第二部分可相交，因此形成二維微通道柵格或網路。在一些實例中，此柵格可經視為微通道120之複數個較短區段，所述區段垂直地且水平地配置且在其端部處附接。雖然圖2中之每一微通道120經描繪為筆直或線性路徑，但其他非線性路徑（例如彎曲路徑）可實施於其他具體實例中。此外，雖然微通道120形成二維柵格，但在其他具體實例中，用於微通道120之其他組態或配置亦為可能的。
在一些具體實例中，囊封材料114可界定一或多個微通道入口204（例如用於將流體接收至囊封材料114中）及一或多個微通道出口206（例如用於允許流體離開囊封材料114），所述微通道入口及微通道出口將一或多個微通道120之相對端部耦接至囊封材料114外部的區域或區。在圖1之特定實例中，微通道入口204及相對的微通道出口206與微通道120之第一部分之每一微通道120以連通方式耦接。此外，因為微通道120經設置為二維柵格，所以流動至微通道入口204中之流體可在經由微通道出口206離開之前流動通過複數個微通道120之第一及第二部分兩者。
為了控制通過微通道120之流體流，複數個流閥202可位於微通道120之各個位置處。在一些實例中，流閥202可為二元閥，其可呈現完全打開狀態或完全關閉狀態。在其他具體實例中，可能除了完全打開狀態及完全關閉狀態之外，流閥亦可呈現部分打開狀態（例如25%、50%、75%等）。
如圖2中所描繪，流閥202可定位於每一微通道120區段之中間點（例如中點）處，因此能夠允許、阻止及/或限制通過彼區段之流體流。因此，在一些具體實例中，冷卻液體（例如，水）之流動可使用流閥202來控制，使得液體之較大流動可經導向通過IC封裝100之較暖部分，且液體之較小流動可經導向通過IC封裝100之相對較冷部分。在一些實例中，可控制流閥202，使得可在微通道入口204與微通道入口204之間提供通過微通道120之複數個單獨流（例如藉由關閉複數個流閥202）。此外，可控制流閥202，使得複數個單獨流亦延伸通過微通道入口204及微通道出口206。舉例而言，位於微通道120之在微通道入口204與微通道出口206之間直接延行（例如圖2中之左右）的第一區段上的流閥202可經設定為完全打開狀態，而位於微通道120之正交於微通道120之第一區段延行（例如圖2中之上下）的第二區段上的流閥202可經設定為完全關閉狀態。因此，可在每一微通道入口204/微通道出口206對之間建立單個單獨的液體流。將一或多個微通道入口204耦接至一或多個微通道出口206之許多其他個別流亦為可能的。
圖3為IC封裝100之第二頂部橫截面，其描繪駐存在囊封材料114中之複數個感測器302。在一些具體實例中，每一感測器302可產生指示（換言之，表明）感測器302之位置處的溫度之信號。感測器302可包括熱感測器、熱通量感測器、溫度感測器，及/或提供感測器之位置處的溫度之某一指示之其他感測器。
在圖3之特定實例中，感測器302在二維陣列或柵格中對準，使得每一感測器302可位於兩個微通道120之交叉點處。此外，每一感測器302可位於每一此類交叉點上方或下方。用於每一感測器302之其他位置亦為可能的，諸如與微通道120之間的每一組四個交叉點等距（例如在圖2中所說明的囊封材料114之每一個別「正方形」內）。在又其他具體實例中，感測器可位於IC晶粒102中（例如與其他電子電路系統一起併入在該IC晶粒中）或位於IC晶粒102之上。
在一些實例中，囊封材料114亦可包括用於電跡線或導線（圖2中未展示）將電源供應器及/或流動控制邏輯與流閥202及/或感測器302耦接之空間（例如路徑）。
在一些具體實例中，囊封材料114可經模製、機械加工或以其他方式處理以在其中形成微通道120、用於感測器302之空腔及/或其他空腔。在一些實例中，分層製程（例如三維印刷），其中囊封材料114之多個層沈積在IC晶粒102上，以促進產生空腔及微通道120。如圖2中所展示，在微通道120之間保留的囊封材料114可促進保持囊封材料114之機械強度，此可能係保護IC晶粒102及IC封裝100之其他部分所需要的。然而，在其他實例中，可使用在微通道120及/或其他空腔或空隙之間保留的更少或更多量的囊封材料114。
圖4為包括界定微通道入口204及微通道出口206之IC封裝100的例示性冷卻系統400之方塊圖，所述微通道入口及微通道出口中之每一者將一或多個微通道120（圖4中未明確地展示）與IC封裝100之外部耦接，如上文所論述。在一些具體實例中，複數個微通道入口204可與冷卻流體之單個來源（例如單個入口歧管）耦接，且複數個微通道出口206可與冷卻流體之單個接收器（例如，單個出口歧管）耦接。亦可在IC封裝100中包括複數個流閥202及複數個感測器302（例如熱感測器），如早先所描述。如圖4中所展示，冷卻系統400亦可包括電源供應器402及閥控制邏輯404。又，如圖4中所描繪，電源供應器402及閥控制邏輯404可駐存在IC封裝100外部。舉例而言，電源供應器402及閥控制邏輯404可駐存在上面安裝有IC封裝100之PCB上，或駐存在併有IC封裝100之電子系統之另一部分中。然而，在其他實例中，電源供應器402及/或閥控制邏輯404可併入在IC封裝100內（例如併入在IC晶粒102內或上，嵌入囊封材料114內，或其他地方）。在一些具體實例中，電源供應器402可供應電力以操作流閥202、感測器302及/或閥控制邏輯404。
在至少一些具體實例中，冷卻系統400亦可包括冷卻液體子系統406，其用於儲存、冷卻及/或提供冷卻液體，以用於經由微通道入口204、微通道120及微通道出口206（以及可能的入口及輸出歧管，如上文所提及）運送通過IC封裝100，以自IC封裝100提取熱。在一些實例中，冷卻液體子系統406可包括：儲集器412，其儲存冷卻液體；以及泵414，其經由微通道入口204及微通道出口206將冷卻液體驅送通過微通道120。如上文所指示，冷卻液體可包括水；然而，在其他具體實例中，可使用具有所要熱特性之其他液體。此外，雖然本文中所論述的具體實例涉及使用液體，但在其他實例中亦可利用其他流體（例如氣體，或可以其氣態狀態及液態狀態使用之流體）。因此，在其他具體實例中，可在冷卻液體子系統406中包括壓縮器或其他組件。又，在一些實例中，冷卻液體子系統406可耦接至多個IC封裝100，以促進每一IC封裝100之高效冷卻。
在一些實例中，閥控制邏輯404可為硬體控制邏輯，或執行儲存在記憶體裝置中之指令之小型演算法控制器。通常，閥控制邏輯404可自一或多個感測器302接收各自指示對應的感測器302之位置處的溫度之信號，且基於彼等信號，操作流閥202（例如，以自IC封裝之展現高溫的部分提取熱，如由感測器302之信號所指示）。
圖5為操作圖4之冷卻系統400的例示性方法500之流程圖。雖然下文鑒於如在圖1至圖3中所說明之IC封裝100描述方法500之各種具體實例，但如上文更大體所論述之IC封裝100之其他具體實例亦可受益於方法500之應用。
在方法500中，在步驟510處，可自嵌入於IC封裝（例如IC封裝100）中之複數個感測器（例如感測器302）中之每一感測器（例如在閥控制邏輯404處）接收指示感測器之位置處的溫度之信號。在步驟520處，可回應於來自複數個感測器之信號而控制位於在IC封裝之囊封材料（例如囊封材料114）中界定的複數個微通道（例如微通道120）中之複數個流閥（例如流閥202）中的每一流閥，該複數個微通道經設置以將流體攜載通過囊封材料。此外，在一些實例中，可在至少一些時長內連續地、定期地或重複地執行信號之接收及閥之控制（例如將一或多個流閥設定為完全打開、部分打開、完全關閉等）。
更特定言之，在一些具體實例中，回應於一或多個感測器302信號，閥控制邏輯404可識別IC封裝100之展現高溫或增加的熱之一或多個特定位置或區域。作為回應，閥控制邏輯404可控制複數個流閥以增加或最大化通過彼等位置或區域之流體流，且因此增強熱提取。在一些具體實例中，可部分地藉由縮減IC封裝100之當前不存在熱量產生問題的其他部分中之流體流而促進IC封裝100之各個部分處的流體流之此類最大化。使用圖2作為一實例，閥控制邏輯404可設定流閥202，使得可朝向不成比例的少數微通道120聚集來自多個微通道入口204之液體，從而可能導致通過彼等微通道之流量高於平均水平。此外，閥控制邏輯404可設定其他流閥，使得來自其他微通道入口204之液體經導向至不成比例的大量微通道120，因此可能導致通過IC封裝100之當前不展現熱問題之一或多個區域的流速降低。在其他實例中，閥控制邏輯404可使用用於冷卻IC封裝100之特定區域的其他手段或策略。
如上文結合圖1至圖5所解釋，本文中所描述的IC封裝以及上文所論述之相關聯的冷卻系統及方法可促進更有效且高效地冷卻IC封裝，尤其展現高TDP的需要非尋常的冷卻位準之IC封裝。更特定言之，在一些具體實例中，熱提取可針對IC封裝之當前產生最多熱之彼等部分，且該提取可根據此時所偵測到之熱的位準而在彼等具體位置處增加或減小。另外，相較於散熱片或其他被動技術，本文中所論述的冷卻系統具體實例可佔用IC封裝上方之少得多的經冷卻體積，從而可能導致使用IC封裝之電子裝置的剖面較低。
實例具體實例
實例1：一種IC封裝可包括：（1）一IC晶粒，其攜載電子電路系統；（2）一囊封材料，其至少部分地覆蓋該IC晶粒，其中（a）該囊封材料在該囊封材料內界定複數個微通道，且（b）該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料；（3）複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；及（4）複數個感測器，其中該複數個感測器中之每一感測器產生指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號。
實例2：如實例1之IC封裝，其中該複數個微通道中之至少一些可耦接在一起以形成一互連微通道網路。
實例3：如實例1或實例2之IC封裝，其中（1）該複數個微通道之一第一子集可沿著平行於該IC晶粒之一第一方向經導向，且（2）該複數個微通道之一第二子集可沿著平行於該IC晶粒且正交於該第一方向之一第二方向經導向。
實例4：如實例3之IC封裝，其中（1）該複數個微通道之該第一子集中之每一者可與該複數個微通道之該第二子集相交以形成包括複數個微通道區段之一互連微通道柵格，且（2）該複數個微通道區段中之每一微通道區段可耦接該第一子集與該第二子集之兩個交叉點。
實例5：如實例4之IC封裝，其中該複數個微通道之該第一子集可在相對端部處耦接，以使該一或多個微通道入口中之微通道入口分離且使該一或多個微通道出口中之微通道出口分離。
實例6：如實例4之IC封裝，其中該複數個微通道區段中之至少一些中之每一微通道區段可併有該複數個流閥中之一流閥。
實例7：如實例6之IC封裝，其中該複數個感測器可經配置成平行於該IC晶粒之一頂部表面的一二維陣列。
實例8：如實例7之IC封裝，其中該複數個感測器中之每一者可相對於該第一子集與該第二子集之每一交叉點而垂直地對準。
實例9：如實例7之IC封裝，其中該複數個感測器中之每一者可相對於該複數個微通道區段中之每一微通道區段而垂直地對準。
實例10：如實例1或實例2之IC封裝，其中該複數個流閥中之至少一者可經設置以在一完全打開狀態中或在一完全關閉狀態中操作。
實例11：如實例1或實例2之IC封裝，其中該複數個流閥中之至少一者可經設置以在至少一個部分打開狀態中操作。
實例12：一種用於一IC封裝之冷卻系統可包括：（1）複數個微通道，其經界定在該IC封裝之一囊封材料內，其中（a）該囊封材料至少部分地覆蓋攜載電子電路系統之一IC晶粒且（b）該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料；（2）複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；（3）一泵，其藉由該複數個微通道將流體自該一或多個微通道入口泵送至該一或多個微通道出口；（4）複數個感測器，其位於該IC封裝中；及（5）閥控制邏輯，其（a）自該複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號且（b）回應於所述信號而控制該複數個流閥中之每一流閥。
實例13：如實例12之冷卻系統，其中該閥控制邏輯可控制該複數個流閥以增加至至少一個溫度升高的區域之流體流，如由來自該複數個感測器之所述信號所指示。
實例14：如實例12或實例13之冷卻系統，其中該閥控制邏輯可控制該複數個流閥以減少至至少一個溫度降低的區域之流體流，如由來自該複數個感測器之所述信號所指示。
實例15：如實例12或實例13之冷卻系統，其中該閥控制邏輯可控制該複數個流閥以在該一或多個微通道入口與該一或多個微通道出口之間產生通過該複數個微通道之複數個單獨的流體流。
實例16：如實例12或實例13之冷卻系統，其中（1）該一或多個微通道入口可包括複數個微通道入口，（2）該一或多個微通道出口可包括複數個微通道出口，且（3）該閥控制邏輯可控制該複數個流閥以產生通過該複數個微通道、該複數個微通道入口及該複數個微通道出口之複數個單獨的流體流。
實例17：一種冷卻一IC封裝之方法可包括：（1）自經包括於該IC封裝中之複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之一位置處的一溫度之一信號，該IC封裝包括攜載電子電路系統之一IC晶粒；及（2）回應於自該複數個感測器接收之所述信號而控制位於在一囊封材料中界定之複數個微通道中的複數個流閥中之每一流閥，該囊封材料至少部分地覆蓋該IC晶粒，其中該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之一外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料。
實例18：如實例17之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥可包括：（1）基於所述信號識別該IC封裝之展現增加的熱之複數個區域；及（2）控制該複數個流閥中之每一流閥以增加該複數個微通道中之通過該複數個區域之流體流。
實例19：如實例18之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥可進一步包括控制該複數個流閥中之每一流閥以減少該複數個微通道中之通過該IC封裝之在該複數個區域外部的至少一個區域之流體流。
實例20：如實例18之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥可進一步包括控制該複數個流閥中之每一流閥以針對該複數個區域中之每一者在該一或多個微通道入口與該一或多個微通道出口之間產生單獨的流體流。
本文中所描述及/或說明的程序參數及步驟序列僅作為實例給出且可按需要變化。舉例而言，雖然本文中所說明及/或描述的步驟可以特定次序展示或論述，但此等步驟未必需要以所說明或論述之次序執行。本文中所描述及/或說明的各種例示性方法亦可省略本文中所描述或說明的步驟中之一或多者或包括除了所揭示彼等步驟之外的額外步驟。
先前描述已經提供以使所屬領域中具有通常知識者能夠最佳利用本文中所揭示之例示性具體實例的各種態樣。此例示性描述並不意欲為詳盡的或限制於所揭示之任何精確形式。在不脫離本發明之精神及範圍的情況下，許多修改及變化係可能的。本文中所揭示之具體實例在全部方面應視為說明性且非限制性的。在判定本發明之範圍時應參考所附申請專利範圍及其等效物。
除非另外指出，否則如說明書及申請專利範圍中所使用的術語「連接至」及「耦接至」（及其衍生詞）被視為准許直接及間接（亦即，經由其他元件或組件）連接兩者。另外，如說明書及申請專利範圍中使用之術語「一（a或an）」被視為意謂「中之至少一者」。最終，為易於使用，如說明書及申請專利範圍中所使用的術語「包括」及「具有」（及其衍生詞）可與詞「包含」互換並具有與詞「包含」相同之含義。
100:例示性IC封裝 102:IC晶粒 104:基板 106:跡線 108:導電凸塊 110:導電襯墊 112:底部填充劑 114:囊封材料 116:焊料凸塊 120:微通道 202:流閥 204:微通道入口 206:微通道出口 302:感測器 400:冷卻系統 402:電源供應器 404:閥控制邏輯 406:冷卻液體子系統 412:儲集器 414:泵 500:例示性方法 510:步驟 520:步驟
隨附圖式說明數個例示性具體實例且為本說明書之一部分。連同以下描述，此等圖式展現並解釋本發明之各種原理。
[圖1]為經設置以實施用於積體電路（integrated circuit；IC）封裝之以液體為基礎的冷卻系統之例示性IC封裝的側面橫截面。
[圖2]為圖1的例示性IC封裝之頂部橫截面，其描繪流體微通道及相關聯的流閥。
[圖3]為圖1及圖2之例示性IC封裝之第二頂部橫截面，其描繪IC封裝中之複數個感測器。
[圖4]為包括圖1至圖3之例示性IC封裝的例示性冷卻系統之方塊圖。
[圖5]為操作圖4之例示性冷卻系統的例示性方法之流程圖。
貫穿所述圖式，相同的參考標號及描述指示類似但未必相同的元件。儘管本文中所描述之例示性具體實例易受各種修改及替代形式之影響，但在圖式中以舉例方式展示了特定具體實例，且將在本文中對其進行詳細描述。然而，本文中所描述之例示性具體實例並不意欲限於所揭示之特定形式。相反地，本發明涵蓋屬於所附申請專利範圍之範圍內之全部修改、等效物及替代方案。
100:例示性IC封裝
102:IC晶粒
104:基板
106:跡線
108:導電凸塊
110:導電襯墊
112:底部填充劑
114:囊封材料
116:焊料凸塊
120:微通道

Claims (20)

  1. 一種積體電路（IC）封裝，其包含： IC晶粒，其攜載電子電路系統； 囊封材料，其至少部分地覆蓋該IC晶粒，其中： 該囊封材料在該囊封材料內界定複數個微通道；且 該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料； 複數個流閥，其定位於該複數個微通道中；及 複數個感測器，其中該複數個感測器中之每一感測器產生指示該感測器之一位置處的溫度之信號。
  2. 如請求項1之IC封裝，其中該複數個微通道中之至少一些微通道耦接在一起以形成互連微通道網路。
  3. 如請求項1之IC封裝，其中： 該複數個微通道之第一子集經導向而沿著平行於該IC晶粒之第一方向；且 該複數個微通道之第二子集經導向而沿著平行於該IC晶粒且正交於該第一方向之第二方向。
  4. 如請求項3之IC封裝，其中： 該複數個微通道之該第一子集中之每一者與該複數個微通道之該第二子集相交以形成包含複數個微通道區段之互連微通道柵格；且 該複數個微通道區段中之每一微通道區段耦接該第一子集與該第二子集之兩個交叉點。
  5. 如請求項4之IC封裝，其中該複數個微通道之該第一子集在相對端部處耦接，以使該一或多個微通道入口中之微通道入口分離且使該一或多個微通道出口中之微通道出口分離。
  6. 如請求項4之IC封裝，其中該複數個微通道區段中之至少一些微通道區段中之每一微通道區段包含該複數個流閥中之一流閥。
  7. 如請求項4之IC封裝，其中該複數個感測器經配置成平行於該IC晶粒之頂部表面的二維陣列。
  8. 如請求項7之IC封裝，其中該複數個感測器中之每一者相對於該第一子集與該第二子集之每一交叉點垂直地對準。
  9. 如請求項7之IC封裝，其中該複數個感測器中之每一者相對於該複數個微通道區段中之每一微通道區段垂直地對準。
  10. 如請求項1之IC封裝，其中該複數個流閥中之至少一者經設置以在一完全打開狀態中或在一完全關閉狀態中操作。
  11. 如請求項1之IC封裝，其中該複數個流閥中之至少一者經設置以在至少一個部分打開狀態中操作。
  12. 一種用於一IC封裝之冷卻系統，該冷卻系統包含： 複數個微通道，其經界定在該IC封裝之囊封材料內，其中： 該囊封材料至少部分地覆蓋攜載電子電路系統之IC晶粒；且 該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料； 複數個流閥，其定位於該複數個微通道中； 泵，其藉由該複數個微通道將流體自該一或多個微通道入口泵送至該一或多個微通道出口； 複數個感測器，其位於該IC封裝中；及 閥控制邏輯，其： 自該複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之位置處的溫度之信號；且 回應於所述信號而控制該複數個流閥中之每一流閥。
  13. 如請求項12之冷卻系統，其中該閥控制邏輯控制該複數個流閥以增加流至至少一個溫度升高的區域之流體流，藉由來自該複數個感測器之所述信號所指示。
  14. 如請求項12之冷卻系統，其中該閥控制邏輯控制該複數個流閥以減少流至至少一個溫度降低的區域之流體流，藉由來自該複數個感測器之所述信號所指示。
  15. 如請求項12之冷卻系統，其中該閥控制邏輯控制該複數個流閥以在該一或多個微通道入口與該一或多個微通道出口之間產生通過該複數個微通道之複數個單獨的流體流。
  16. 如請求項12之冷卻系統，其中： 該一或多個微通道入口包含複數個微通道入口； 該一或多個微通道出口包含複數個微通道出口；且 該閥控制邏輯控制該複數個流閥以產生通過該複數個微通道、該複數個微通道入口及該複數個微通道出口產生之複數個單獨的流體流。
  17. 一種冷卻IC封裝之方法，該方法包含： 自包括於該IC封裝中之複數個感測器中之每一感測器接收指示該感測器之位置處的溫度之信號，該IC封裝包括攜載電子電路系統之IC晶粒；及 回應於自該複數個感測器接收之所述信號而控制位於複數個微通道中之複數個流閥中之每一流閥，該複數個微通道經界定在至少部分地覆蓋該IC晶粒之囊封材料中，其中該複數個微通道經設置以在位於該囊封材料之外部的一或多個微通道入口與一或多個微通道出口之間將流體攜載通過該囊封材料。
  18. 如請求項17之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥包含： 基於所述信號識別該IC封裝之呈現熱增加的複數個區域；及 控制該複數個流閥中之每一流閥以增加該複數個微通道中之通過該複數個區域之流體流。
  19. 如請求項18之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥進一步包含控制該複數個流閥中之每一流閥以減少該複數個微通道中之通過該IC封裝之在該複數個區域外部的至少一個區域之流體流。
  20. 如請求項18之方法，其中控制該複數個流閥中之每一流閥進一步包含控制該複數個流閥中之每一流閥以針對該複數個區域中之每一者在該一或多個微通道入口與該一或多個微通道出口之間產生單獨的流體流。
TW110144013A 2021-02-17 2021-11-25 具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的ic封裝 TW202234626A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/177,941 2021-02-17
US17/177,941 US20220262704A1 (en) 2021-02-17 2021-02-17 Ic package with embedded liquid-based cooling system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW202234626A true TW202234626A (zh) 2022-09-01

Family

ID=80595145

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110144013A TW202234626A (zh) 2021-02-17 2021-11-25 具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的ic封裝

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220262704A1 (zh)
EP (1) EP4295396A1 (zh)
CN (1) CN116888731A (zh)
TW (1) TW202234626A (zh)
WO (1) WO2022177957A1 (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7763973B1 (en) * 2007-04-05 2010-07-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integrated heat sink for a microchip
WO2010117874A2 (en) * 2009-04-05 2010-10-14 Microstaq, Inc. Method and structure for optimizing heat exchanger performance
US9257366B2 (en) * 2013-10-31 2016-02-09 International Business Machines Corporation Auto-compensating temperature valve controller for electro-rheological fluid micro-channel cooled integrated circuit
CN111081665A (zh) * 2019-10-31 2020-04-28 中南大学 一种用于多热源器件散热的装置
US11915997B2 (en) * 2020-06-24 2024-02-27 Micron Technology, Inc. Thermal management of GPU-HBM package by microchannel integrated substrate

Also Published As

Publication number Publication date
US20220262704A1 (en) 2022-08-18
EP4295396A1 (en) 2023-12-27
CN116888731A (zh) 2023-10-13
WO2022177957A1 (en) 2022-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10727159B2 (en) Counter-flow expanding channels for enhanced two-phase heat removal
Zhang et al. Embedded cooling method with configurability and replaceability for multi-chip electronic devices
CN106449569B (zh) 叠层芯片微流道散热结构和制备方法
US6981849B2 (en) Electro-osmotic pumps and micro-channels
US10410954B2 (en) Cooling module, water-cooled cooling module and cooling system
US6882543B2 (en) Apparatus for conditioning power and managing thermal energy in an electronic device
US20150195955A1 (en) Method and device for cooling a heat generating component
US11967541B2 (en) Liquid-based heat exchanger
JP2009532871A (ja) 冷却装置
JP2010161184A (ja) 半導体装置
US20050213301A1 (en) Cooling an integrated circuit die with coolant flow in a microchannel and a thin film thermoelectric cooling device in the microchannel
US11769710B2 (en) Heterogeneous integration module comprising thermal management apparatus
US20120061059A1 (en) Cooling mechanism for stacked die package and method of manufacturing the same
Chen et al. Design, integration and performance analysis of a lid-integral microchannel cooling module for high-power chip
Zhou et al. A novel thermal management scheme of 3D-IC based on loop heat pipe
TW202234626A (zh) 具有嵌入式以液體為基礎的冷卻系統的ic封裝
US7365980B2 (en) Micropin heat exchanger
JP6131730B2 (ja) 半導体装置及びその冷却方法
US11570930B2 (en) IC package with embedded fan-based cooling system
CA2802815A1 (fr) Device for generating current and/or voltage based on a thermoelectric module placed in a flowing fluid
Brunschwiler et al. Dual-side heat removal by micro-channel cold plate and silicon-interposer with embedded fluid channels
Zajac et al. Analysis of the impact of power distribution on the efficiency of microchannel cooling in 3D ICs
Feng et al. Development of Crossflow Manifold for Two-Phase Liquid Cooling of 3D ICs via 3D Printing
Chauhan et al. Single-phase microchannel cooling for stacked single core chip and DRAM
Ekkad et al. High Efficiency Minichannel and Mini-Impingement Cooling Systems for Hybrid Electric Vehicle Electronics