[發明專利]一種芯片熱點冷卻裝置及其使用方法

有效

• 申請號: 202011607765.3
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112670256B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發明（設計）人: 顏智斌;楊森;李政光;廖明;金名亮;周國富;水玲玲
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01L23/473
• 分類號: H01L23/473;H01L23/433;H01L23/367;G09G3/34;G02B26/00;G01K7/16;B01L3/00
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司 11225
• 代理人: 張皓

本發明提供了一種芯片熱點冷卻裝置及其使用方法，該裝置基于數字微流控芯片，將納米流體作為冷卻介質，可以有效地冷卻芯片堆棧中的熱點，實現對芯片的精確高效冷卻。所述芯片熱點冷卻裝置，包括：相對設置的上基部層和下基部層，以及位于由所述上基部層和下基部層之間形成的密封空間內的冷卻液滴。根據本發明的芯片熱點冷卻裝置集溫度檢測、分析、液滴驅動為一體，通過實時獲取芯片熱點溫度信息，輸送冷卻液滴至芯片熱點位置完成對芯片熱點的冷卻。將納米流體的高傳熱性能和數字微流控靈活的控制機制、可編程性、高靈敏度等特點充分應用在芯片熱點冷卻裝置的設計上，同時采用雙平面的密封結構，可以減小冷卻液滴蒸發損耗，利于冷卻液滴的循環利用。

技術領域

本發明屬于熱管理與液滴微流控技術領域，具體而言涉及一種芯片熱點冷卻裝置及其使用方法。

背景技術

隨著半導體工藝和集成電子技術的快速發展，集成電路(IC)，通常也被稱為IC芯片或簡稱為芯片，它的性能和密度功率也越來越高。在過去的幾十年里，晶體管發展遵循摩爾定律，即電子芯片的尺寸會隨著時間呈指數趨勢下降，但芯片的熱通量會顯著上升。溫度的升高和熱點的不均勻不僅會導致芯片性能下降，也可能造成芯片故障，因此通過探索新技術實現對芯片熱點冷卻的任務迫在眉睫。

現存在的風冷散熱、熱管和冷板等散熱方式，由于存在體積大，功耗高等缺點，很難實現對芯片內部熱點的精確高效散熱。Remco van Erp等人在《Co-designingelectronics with micro-fluidics for more sustainable cooling》(Nature，Vol.585,2020年9月10日)中提出了基于微通道的嵌入式芯片冷卻方式，冷卻性能大大提高，這展示出嵌入式冷卻方式在芯片散熱領域具有極高的潛力。但這種微通道冷卻裝置需要外加壓力泵或微流閥，增加了熱管理系統的復雜性和功耗，并且不適用于非固定的冷卻對象。

數字微流控是一種可以控制大量離散液滴的微流體控制技術。它基于介電潤濕(EWOD)原理，通過控制電極的通斷電，可實現液滴生成、傳輸與合并等一系列操作。目前，數字微流控主要應用于生化、醫藥、環境等領域，由于其具有靈活的控制機制、高靈敏度和可編程性等特點，人們開始嘗試將它應用于芯片的熱管理領域。K.Mohseni在《Effectivecooling of integrated circuits using liquid alloy electrowetting》(Semiconductor Thermal Measurement and Management IEEE Twenty First AnnualIEEE Symposium，2005年3月15日)中提到用液態金屬冷卻，但液態金屬的使用仍存在著安全性問題。Hyejin Moon等人在《Digital microfluidic device using ionic liquidsfor electronic hotspot cooling》(ASME 2009 7th International Conference onNanochannels,Microchannels and Minichannels，2010年9月21日)中提出使用離子液體進行電子熱點冷卻的數字微流控裝置，該裝置通過輸送離子液滴到熱點上實現芯片冷卻，但離子液滴由于導熱性低和粘度高，其冷卻性能并沒有得到改善，該冷卻方式仍存在缺陷。納米流體是一種新型的高傳熱冷卻劑，具有較高的導熱性能。其作為冷卻介質的潛力逐漸被廣大研究人員發掘出來。

發明內容

有鑒于此，根據本發明的一個方面，本發明的一個目的在于提供一種芯片熱點冷卻裝置及其使用方法，該裝置基于數字微流控芯片，將納米流體作為冷卻介質，可以有效地冷卻IC芯片堆棧中的熱點，實現對電子芯片的精確高效冷卻。

根據本發明的所述芯片熱點冷卻裝置，包括：相對設置的上基部層和下基部層，以及位于由所述上基部層和下基部層之間形成的密封空間內的冷卻液滴；

所述下基部層按照自下而上的順序依次包括：

第一基板，