[發(fā)明專利]一種微系統(tǒng)相變微冷卻方法及裝置

有效

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• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112071818B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 魏濤;錢吉裕;黃豪杰;崔凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團公司第十四研究所
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473;H01L23/427
• 代理公司: 北京律譜知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11457
• 代理人: 孫紅穎

本發(fā)明涉及一種微系統(tǒng)相變微冷卻方法及裝置，微冷卻裝置包括微換熱器、封裝基板、3D芯片基板，3D芯片基板和微換熱器分別安裝在封裝基板的正反面，在3D芯片基板內(nèi)陣列形式排布多個3D堆棧芯片；封裝基板為單層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設有集/分液流道，集/分液流道包括微換熱器至3D芯片基板流道和3D芯片基板至微換熱器流道；3D堆棧芯片產(chǎn)生的熱量經(jīng)3D芯片基板、封裝基板內(nèi)流道匯合后進入微換熱器，和系統(tǒng)冷卻外循環(huán)進行換熱后冷凝，從而實現(xiàn)對3D堆棧芯片的相變冷卻循環(huán)。本發(fā)明實現(xiàn)了微系統(tǒng)的二級冷卻循環(huán)，提高了微系統(tǒng)相變冷卻循環(huán)的集成度，容雜質(zhì)能力，隔離度和可靠性。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及微系統(tǒng)相變冷卻技術(shù)領域，具體涉及一種微系統(tǒng)相變微冷卻方法及裝置。

背景技術(shù)

隨著SIP、SOC等架構(gòu)的微組裝/封裝技術(shù)的發(fā)展，以雷達、通信、電子戰(zhàn)為代表的主動陣列射頻電子應用逐步向射頻微系統(tǒng)的方向發(fā)展，同時以GaN為代表的三代半導體功率器件性能不斷提升，微波功率芯片的熱流密度將很快超過1kW/cm2，小型化、多點熱源、高熱流密度成為射頻微系統(tǒng)熱管理的主要挑戰(zhàn)。可采用散熱方式包括：遠程散熱、近結(jié)散熱。

遠程散熱，作為傳統(tǒng)散熱模式，散熱架構(gòu)一般為功率芯片焊接(膠接) 到基板，再焊接到封裝殼體，最后通過熱界面材料壓接到冷板上。散熱路徑上依次存在焊接、傳導、界面、對流等多層熱阻。在DARPA的TMT計劃綜述文獻Advanced thermal mangementtechnologies for defense electronics中，提出了針對性的改進提升措施，包括低熱阻型焊/膠料(納米銀膠等)、高導熱基板/封裝殼體(相變均溫殼體等)、低熱阻熱界面材料(銅納米彈簧、碳納米管等)、強化傳熱冷板(微通道、射流冷板等)，可以一定程度提高散熱能力。但是，遠程散熱方式存在天然的傳熱路徑長、熱阻高，體積和能耗大等缺點，使得該散熱方式已接近能力極限，最高約 500W/cm2，無法滿足高功率和小型化的散熱需求。

近結(jié)散熱，是一種新的散熱方式。主要思路為將冷端從冷板向功率芯片封裝或基板轉(zhuǎn)移，縮短傳熱路徑從而減小傳熱熱阻，提升散熱能力，根據(jù)冷端轉(zhuǎn)移的位置，可以分為封裝散熱和基板散熱。封裝散熱，采用傳統(tǒng)的一次冷卻循環(huán)，IJ Research公司在文獻Thermal management technology 中，提出將冷卻液(傳統(tǒng)的乙二醇水溶液等)通入金剛石/銅，鋁碳化硅等高導熱的電子封裝殼體，取消了封裝和冷板之間一層較大的接觸熱阻，在封裝殼體流道內(nèi)加工0.1mm級微流道，散熱能力可超過500W/cm2，而進一步提升散熱能力比較困難；基板散熱，DARPA的ICECOOL計劃相關文獻 Embedded cooling for RF andDigital Electronics中提出，通過將冷卻介質(zhì)引入芯片基板或襯底，包括硅/鉬銅基板、SiC/金剛石襯底等，考慮傳統(tǒng)冷卻液存在腐蝕性和導電性，在距芯片如此近距離內(nèi)一般使用絕緣相變類冷卻介質(zhì)，如Novec HFE電子氟化液等，由于更加靠近功率芯片熱源，進一步取消了封裝殼體的傳導熱阻和焊接熱阻，在基板內(nèi)加工0.01mm級的微流道獲得足夠的換熱面積，散熱能力更高，可實現(xiàn)1000W/cm2水平，滿足大功率散熱的需求。

但是，采用一級循環(huán)的基板散熱存在一些明顯的問題。一是容雜質(zhì)能力差。基板微流道很細，而冷卻循環(huán)系統(tǒng)體積大，連接點多，難免存在外來或中間雜質(zhì)，容易造成基板流道堵塞，導致芯片過熱失效；二是末端體積大。絕緣相變類冷卻介質(zhì)相比傳統(tǒng)冷卻液，導熱率低一個量級，換熱性能不高，需要更大體積的冷卻末端換熱器。三是可靠性低。采用一級循環(huán)，對于大型、復雜的陣列式微系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)單點泄漏，整個系統(tǒng)全部受影響，難以隔離，造成可靠性降低。因此，對于3D堆棧芯片陣列的微系統(tǒng)散熱問題，如要采用近結(jié)散熱技術(shù)，亟需解決冷卻系統(tǒng)隔離封閉、可靠性提升等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種微系統(tǒng)相變微冷卻方法及裝置，目的在于針對近結(jié)散熱技術(shù)應用于微系統(tǒng)散熱的缺點和不足，在傳統(tǒng)的一級系統(tǒng)冷卻循環(huán)外，增加一級微系統(tǒng)相變冷卻循環(huán)，從而提供一種完全隔離、封閉的、無泵驅(qū)的二級冷卻循環(huán)方法和相關裝置，提高近結(jié)散熱技術(shù)的工程適用性和可靠性。