一种芯片散热装置及方法、封装芯片与流程

本发明涉及芯片散热及封装，尤其涉及一种芯片散热装置及芯片散热方法、封装芯片。

背景技术：

1、随着集成电路的不断发展，集成芯片的尺寸越来越大，芯片功耗越来越高，高性能集成芯片的功耗将达到千瓦量级，因而其对散热的要求也大为提高。

2、传统的风冷散热技术，采用强迫风冷方式进行散热。由于空气的散热性能远不如冷却液；同时，因受加工工艺限制，通常风冷散热器体积较大，导热路径较长，热阻较大，因此散热性能难以支撑高功耗、高功耗密度芯片的散热，从而无法满足其散热要求。

3、目前，液冷散热技术因可以大幅提高芯片散热能力，成为解决高性能、高功耗芯片散热的优选方法。传统的通道式液冷散热板技术，采用的是使冷却液在流道中流动进行冷却散热的方式。但是，由于冷却液的流速较低，因而受流速的影响，散热能力有限。此外，液冷散热板通常作为独立的部件，需要通过螺钉与芯片组装在一起，在反复拆装过程中容易对芯片造成破坏，因而降低了芯片的可靠性。

4、而冷却液与芯片直接接触的直喷液冷技术，虽然能大幅提升芯片散热性能，但其喷射出的冷却液不仅会接触芯片，同时会接触芯片周边的电阻电容等器件，以及基板、pcb板，容易导致电路板吸湿损坏、元器件短路等，存在极高的可靠性风险，因而其缺点也十分明显。此外，由于芯片表面为光滑平面，散热面积有限，直喷液冷方式虽然提高了冷却液流动速度，但其散热面积却难以提高，从而其散热能力也较为有限。因此，如何解决直喷液冷的可靠性问题，成为制约其应用的关键瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种芯片散热装置及方法、封装芯片。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种芯片散热装置，包括：

4、壳体；

5、设于所述壳体中的冷却腔，所述冷却腔的顶面上设有循环冷却液喷射单元，所述冷却腔的底面上设有散热面积增大单元；

6、所述喷射单元用于朝向所述散热面积增大单元喷射所述冷却液，所述冷却腔用于通过设有所述散热面积增大单元部位的底面外侧，与位于下方的芯片表面相贴合以散热。

7、进一步地，还包括：设于所述壳体中的匀流腔和封装腔，所述匀流腔位于所述冷却腔的上方，所述匀流腔上设有冷却液进液口，所述冷却腔上设有冷却液出液口，所述喷射单元连接在所述匀流腔和所述冷却腔之间，所述封装腔位于所述冷却腔的下方，用于容纳所述芯片。

8、进一步地，所述壳体包括上盖和下盖，所述上盖具有下方开口的中空内部，所述中空内部通过隔离板被分隔为所述匀流腔和所述冷却腔，所述喷射单元通过所述隔离板连接在所述匀流腔和所述冷却腔之间，所述上盖通过位于所述冷却腔周围的侧壁下端与所述下盖的上表面密接，所述散热面积增大单元设于所述下盖的上表面上，并位于所述冷却腔中，所述封装腔位于所述下盖的下表面上，所述芯片通过上表面与所述封装腔的底面相贴合以散热。

9、进一步地，所述喷射单元为多个，且呈阵列分布，其分布密度与所述芯片的功耗密度对应。

10、进一步地，所述喷射单元包括喷嘴。

11、进一步地，所述散热面积增大单元包括设于所述冷却腔底面上的微突起结构，所述微突起结构为多个，且呈阵列分布。

12、进一步地，所述微突起结构包括微凸台结构、微尖刺结构或微翅片结构，或者，所述微突起结构包括微凸台结构、微尖刺结构和微翅片结构中的至少两种。

13、进一步地，所述冷却腔的底面外侧与所述芯片的表面之间贴合有导热层。

14、进一步地，所述导热层包括金属焊料层。

15、进一步地，所述导热层还包括设于所述金属焊料层与所述冷却腔底面外侧之间的第一金属焊层，和/或，所述导热层还包括设于所述金属焊料层与所述芯片表面之间的第二金属焊层。

16、进一步地，所述壳体的外表面上设有散热层。

17、本发明还提供一种封装芯片，包括基板，设于所述基板正面上的芯片，以及上述的芯片散热装置，所述芯片散热装置通过所述壳体上突出于所述冷却腔底面外侧的壳体下端，与所述基板的正面进行粘合，使所述芯片罩于其中以封装。

18、进一步地，还包括：设于所述基板背面上的焊球。

19、本发明还提供一种芯片散热方法，包括：

20、提供设有冷却腔的壳体；所述冷却腔的顶面上设有循环冷却液喷射单元，所述冷却腔的底面上设有散热面积增大单元；

21、将所述壳体通过所述冷却腔的底面外侧与芯片表面相贴合，并使所述芯片与所述散热面积增大单元位置对应；

22、通过所述喷射单元朝向所述散热面积增大单元喷射循环冷却液，对隔离在所述冷却腔底面外侧下的所述芯片进行散热。

23、进一步地，还包括：通过设于所述壳体中且位于所述冷却腔上方的匀流腔，向所述喷射单元提供经匀流的冷却液；通过所述冷却腔，将所述喷射单元喷射入的冷却液导出；通过设于所述壳体中且位于所述冷却腔下方的封装腔，对所述芯片进行容纳以隔离。

24、进一步地，还包括：通过将所述芯片设于基板的正面上，并通过所述封装腔的侧壁下端，与所述基板的正面进行粘合，使所述芯片在封装状态下进行散热。

25、进一步地，所述喷射单元包括喷嘴，所述喷嘴为多个，且呈阵列分布，其分布密度与所述芯片的功耗密度对应。

26、进一步地，所述散热面积增大单元包括设于所述冷却腔底面上的微突起结构，所述微突起结构为多个，且呈阵列分布。

27、进一步地，所述冷却腔的底面外侧与所述芯片的表面之间贴合有导热层，所述导热层包括依次相贴合的第一金属焊层、金属焊料层和第二金属焊层。

28、进一步地，采用回流焊接方法，使所述金属焊料层融化，将所述芯片焊接在所述冷却腔的底面外侧上，在所述芯片与所述壳体之间形成导热通路。

29、相比现有技术，本发明具有以下优点：

30、(1)本发明通过采用液冷散热方式，以及密封式散热壳体结构，并使冷却液不与芯片直接接触，从而有效解决了以往因冷却液碰到芯片表面，造成材料吸湿等所带来的可靠性问题。并且，通过采用喷洒式结构(例如喷嘴)，可使冷却液以高速形式喷射到下方的热源区域上，从而能达到相比现有流道式结构更强的散热能力。因此，本发明产生了散热性能增强，且散热可靠性高的有益效果。

31、(2)本发明针对高功耗区域，通过布置数量更多、密度更高的喷嘴，进一步实现对热源区域的高效散热。

32、(3)本发明提出的芯片散热装置，内部制作有大量微突起结构(例如微翅片等)，可有效解决芯片本身平面面积较小的问题，大幅提升有效散热面积，实现散热性能的大幅提升。

33、(4)本发明通过采用粘合(例如焊接或粘接)的形式，将芯片散热装置与芯片封装集成为一体，并采用高导热的金属焊料与芯片焊接集成，有效解决了传统液冷散热板与芯片之间存在的传导热阻大的问题，并大幅减少了芯片与壳体之间的导热热阻，使得散热性能得到大幅提升。

34、(5)本发明通过将芯片散热装置的壳体与芯片封装集成为一体，使得壳体除了能对芯片进行散热以外，其本身的刚性结构对芯片的翘曲、安装受力等也起到了一定的保护作用，从而避免了传统液冷散热板需与芯片反复拆装，对芯片可能造成的破坏，同时也增强了芯片的可靠性。

技术特征：

1.一种芯片散热装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的芯片散热装置，其特征在于，还包括：设于所述壳体中的匀流腔和封装腔，所述匀流腔位于所述冷却腔的上方，所述匀流腔上设有冷却液进液口，所述冷却腔上设有冷却液出液口，所述喷射单元连接在所述匀流腔和所述冷却腔之间，所述封装腔位于所述冷却腔的下方，用于容纳所述芯片。

3.根据权利要求2所述的芯片散热装置，其特征在于，所述壳体包括上盖和下盖，所述上盖具有下方开口的中空内部，所述中空内部通过隔离板被分隔为所述匀流腔和所述冷却腔，所述喷射单元通过所述隔离板连接在所述匀流腔和所述冷却腔之间，所述上盖通过位于所述冷却腔周围的侧壁下端与所述下盖的上表面密接，所述散热面积增大单元设于所述下盖的上表面上，并位于所述冷却腔中，所述封装腔位于所述下盖的下表面上，所述芯片通过上表面与所述封装腔的底面相贴合以散热。

4.根据权利要求1所述的芯片散热装置，其特征在于，所述喷射单元为多个，且呈阵列分布，其分布密度与所述芯片的功耗密度对应。

5.根据权利要求4所述的芯片散热装置，其特征在于，所述喷射单元包括喷嘴。

6.根据权利要求1所述的芯片散热装置，其特征在于，所述散热面积增大单元包括设于所述冷却腔底面上的微突起结构，所述微突起结构为多个，且呈阵列分布。

7.根据权利要求6所述的芯片散热装置，其特征在于，所述微突起结构包括微凸台结构、微尖刺结构或微翅片结构，或者，所述微突起结构包括微凸台结构、微尖刺结构和微翅片结构中的至少两种。

8.根据权利要求1所述的芯片散热装置，其特征在于，所述冷却腔的底面外侧与所述芯片的表面之间贴合有导热层。

9.根据权利要求8所述的芯片散热装置，其特征在于，所述导热层包括金属焊料层。

10.根据权利要求9所述的芯片散热装置，其特征在于，所述导热层还包括设于所述金属焊料层与所述冷却腔底面外侧之间的第一金属焊层，和/或，所述导热层还包括设于所述金属焊料层与所述芯片表面之间的第二金属焊层。

11.根据权利要求1所述的芯片散热装置，其特征在于，所述壳体的外表面上设有散热层。

12.一种封装芯片，其特征在于，包括基板，设于所述基板正面上的芯片，以及权利要求1-11任意一项所述的芯片散热装置，所述芯片散热装置通过所述壳体上突出于所述冷却腔底面外侧的壳体下端，与所述基板的正面进行粘合，使所述芯片罩于其中以封装。

13.根据权利要求12所述的封装芯片，其特征在于，还包括：设于所述基板背面上的焊球。

14.一种芯片散热方法，其特征在于，包括：

15.根据权利要求14所述的芯片散热方法，其特征在于，还包括：通过设于所述壳体中且位于所述冷却腔上方的匀流腔，向所述喷射单元提供经匀流的冷却液；通过所述冷却腔，将所述喷射单元喷射入的冷却液导出；通过设于所述壳体中且位于所述冷却腔下方的封装腔，对所述芯片进行容纳以隔离。

16.根据权利要求15所述的芯片散热方法，其特征在于，还包括：通过将所述芯片设于基板的正面上，并通过所述封装腔的侧壁下端，与所述基板的正面进行粘合，使所述芯片在封装状态下进行散热。

17.根据权利要求14所述的芯片散热方法，其特征在于，所述喷射单元包括喷嘴，所述喷嘴为多个，且呈阵列分布，其分布密度与所述芯片的功耗密度对应。

18.根据权利要求14所述的芯片散热方法，其特征在于，所述散热面积增大单元包括设于所述冷却腔底面上的微突起结构，所述微突起结构为多个，且呈阵列分布。

19.根据权利要求14所述的芯片散热方法，其特征在于，所述冷却腔的底面外侧与所述芯片的表面之间贴合有导热层，所述导热层包括依次相贴合的第一金属焊层、金属焊料层和第二金属焊层。

20.根据权利要求19所述的芯片散热方法，其特征在于，采用回流焊接方法，使所述金属焊料层融化，将所述芯片焊接在所述冷却腔的底面外侧上，在所述芯片与所述壳体之间形成导热通路。

技术总结
本发明公开了一种芯片散热装置及方法、封装芯片，芯片散热装置包括：设于壳体中的冷却腔，所述冷却腔的顶面上设有循环冷却液喷射单元，所述冷却腔的底面上设有散热面积增大单元；所述喷射单元用于朝向所述散热面积增大单元喷射所述冷却液，所述冷却腔用于通过设有所述散热面积增大单元部位的底面外侧，与位于下方的芯片表面相贴合以散热。本发明将芯片散热装置与芯片封装集成为一体，可避免冷却液直接接触芯片，并使芯片的散热能力得到进一步提升，同时增强了芯片的可靠性。

技术研发人员：邱德龙,丁士进
受保护的技术使用者：嘉善复旦研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23