[發(fā)明專利]三維封裝相變散熱裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110651714.9
• 申請(qǐng)日: 2021-06-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113421864A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 辛菲;田文超;陳志強(qiáng);陳勇;馮學(xué)貴
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L23/367
• 分類號(hào): H01L23/367;H01L23/427;H01L23/46;H01L23/24;H01L23/02
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開(kāi)了一種三維封裝相變散熱裝置，主要解決現(xiàn)有三維封裝內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)且耗能多、可靠性差的問(wèn)題。其包括上封裝殼體(1)、下封裝基板(3)、立體熱管(4)和三維封裝疊層(7)，該三維封裝疊層內(nèi)設(shè)有熱硅通孔部件(6)和微通道(9)，并與立體熱管相嵌后，置于上封裝殼體和下封裝基板構(gòu)成的封裝腔體內(nèi)，其外部包覆相變材料(2)。熱硅通孔部件內(nèi)穿微通道之間的通孔中，三維封裝疊層通過(guò)熱硅通孔部件將部分熱量傳遞給立體熱管，利用相變材料提取微通道和立體熱管中的熱量進(jìn)行外部換熱。本發(fā)明提高了三維封裝疊層溫度分布的均勻性，強(qiáng)化了三維封裝疊層內(nèi)部散熱，保障了三維封裝的可靠性，可用于電子設(shè)備的封裝。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于電子封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種散熱裝置，可用于電子設(shè)備的封裝。

背景技術(shù)

5G、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療電子、人工智能、高性能計(jì)算等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)先進(jìn)封裝提出了更高的要求，現(xiàn)有的主流封裝為二維封裝。

而二維封裝由于存在功耗、訪存、片上互連等問(wèn)題，阻礙了電子器件性能的進(jìn)一步提高，高頻、高速、高集成度、低能耗的三維封裝應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的二維封裝相比，三維封裝的尺寸及重量可下降數(shù)十倍，并在不增加能耗的基礎(chǔ)上提高元件運(yùn)行速度、減少信號(hào)延遲，成為微系統(tǒng)小型化的有效方案。

然而，三維封裝空間狹小，芯片的堆疊和熱負(fù)荷的增加，大大增大了芯片的功率密度，中間疊層中芯片的熱量較難散發(fā)，導(dǎo)致三維封裝的熱點(diǎn)溫度過(guò)高、溫度分布不均勻而產(chǎn)生熱變形等散熱問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，限制了三維封裝的發(fā)展。近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)三維封裝內(nèi)部散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化開(kāi)展了研究。

公開(kāi)號(hào)為CN106356344B專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于三維堆疊封裝的風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)及制造方法。該風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)主要由PCB板、堆疊在其上的多層基板和芯片構(gòu)成，其采用加工通孔和加熱回流的方法制造出該風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)。并通過(guò)在多層基板上開(kāi)通孔，利用風(fēng)扇從封裝體上方向內(nèi)部吹風(fēng)，實(shí)現(xiàn)三維封裝內(nèi)部的高效散熱。該裝置由于使用風(fēng)扇吹風(fēng)易產(chǎn)生噪聲，且風(fēng)量在封裝體通孔內(nèi)分布不均，易造成三維封裝內(nèi)部溫度分布不均而產(chǎn)生熱變形的問(wèn)題，影響三維封裝的可靠性。

公開(kāi)號(hào)為CN109524373B專利申請(qǐng)，提出了一種嵌入式微流道的三維主動(dòng)散熱封裝結(jié)構(gòu)及其制作工藝。該三維主動(dòng)散熱封裝結(jié)構(gòu)主要由微流道芯片結(jié)構(gòu)單元、二維異構(gòu)集成結(jié)構(gòu)單元、嵌入微流道基板和外殼構(gòu)成，采用晶圓鍵合、常規(guī)TSV、凸點(diǎn)互連、常規(guī)封帽、深反應(yīng)離子刻蝕等工藝制作出該三維主動(dòng)散熱封裝結(jié)構(gòu)。其通過(guò)在三維封裝內(nèi)部嵌入微流道利用流體工質(zhì)流動(dòng)帶走三維封裝內(nèi)部的熱量，以減小三維封裝疊層間熱阻，促進(jìn)三維封裝內(nèi)部散熱。該裝置由于需要用到泵等機(jī)械元件驅(qū)動(dòng)，因而系統(tǒng)較為復(fù)雜，不利于三維封裝小型化，且易產(chǎn)生振動(dòng)、泄露等問(wèn)題，影響電子設(shè)備工作的穩(wěn)定性。

此外，以上現(xiàn)有技術(shù)還存在如下問(wèn)題：1)兩種散熱結(jié)構(gòu)需要消耗外界能量，不利于節(jié)能；2)工質(zhì)利用顯熱所能吸收的熱量有限，限制兩種散熱結(jié)構(gòu)的散熱性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維封裝相變散熱裝置，以避免機(jī)械元件的使用，消除散熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)，并減少能耗，提高三維封裝內(nèi)部的散熱性能，減小溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱變形，保障三維封裝工作的可靠性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種三維封裝相變散熱裝置，包括上封裝殼體、下封裝基板和三維封裝疊層，三維封裝疊層位于上封裝殼體與下封裝基板組成的封閉腔體中，其特征在于：

所述三維封裝疊層包括多個(gè)封裝單層，且相嵌于立體熱管內(nèi)，該立體熱管外包覆有相變材料；

所述每個(gè)封裝單層由器件層、熱硅通孔部件、硅基板和微通道構(gòu)成，器件層位于硅基板的上表面，多條微通道刻蝕在硅基板的內(nèi)部，熱硅通孔部件內(nèi)穿在硅基板微通道之間的通孔中，作為立體熱管的氣液流通路徑；

所述相變材料用于提取微通道和立體熱管中的熱量，進(jìn)行外部換熱。