[发明专利]一种用于3D芯片的相变冷却结构

说明书

技术领域

本发明涉及IC的微型结构，具体涉及一种利用纳米流体自然对流沸腾冷却技术的用于3D芯片的相变冷却结构，属于微电子技术领域。

背景技术

随着各行业对集成电路(integrated circuit)芯片要求的提高以及芯片技术本身的发展，芯片的集成度不断提高，二维芯片已经不能满足要求，许多研究机构都在积极推进3D芯片的技术进步。3D芯片是把多个芯片进行三维空间的立体整合，芯片不再是并排相连，而是上下平行的连在一起。这样，线缆的分布面积就扩大至整个处理表面，而且芯片相互平行的结构也有效地缩短了各个芯片之间线缆的长度，因此3D芯片能大大降低芯片之间以及芯片与储存器之间的通信延迟时间，同时处理器电路得到简化，其功耗也大大降低。

然而，3D芯片技术面临一些亟待解决的技术难关，芯片冷却问题就是其中非常重要的一个。温度过高会对芯片产生不利影响，试验和研究表明，芯片温度每提高10℃芯片的性能就会下降50％，超过55％的电子元器件失效问题是由于温度过高引起的。由于3D芯片的高集成度，单位面积的散热量超过了传统冷却技术的冷却范围，所以3D芯片需要发展自己独特的冷却技术。

检索现有的3D芯片冷却相关专利发现：专利号：201420134505.2，专利名称：一种新型3D封装芯片，该专利在3D封装芯片中每一芯片单体上设有与相邻芯片单体相互连通的散热流体通道，冷却液体在循环泵的推动下流经芯片间的流体通道，从而将热量带走；又，专利号：201420375142.1，专利名称：带有层间复杂微通道流体冷却的3D-IC，该专利公开了一种带有层间复杂微通道的采用液体冷却的3D芯片封装结构，其封装结构包括密封片上的连接外部管路的流体出入口、连接上下层的流体通孔TSFV、芯片背面的微通道和正面的电路或电子元器件，芯片的冷却方式同样是通过流体的强制对流换热，需要泵提供动力；另外，专利号：201410380524.8，专利名称：用2.5D/3DTSV大功率芯片封装的散热结构，该专利把上述冷却工质入口改在了芯片正上方，并加入了微喷腔体以提高换热效率。上述专利涉及的几种冷却方法都可以归结为管路内部的强制对流换热，类似于2D芯片冷却技术的改良。然而它们共同存在的主要问题是，对3D芯片封装内的每片芯片都需要配置微通道冷却工质循环系统，微通道的密封和整体工装非常复杂，可靠性很低；另外必须增加循环动力系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种用于3D芯片的相变冷却结构，使整个封装形成一个热管结构，通过纳米流体冷却工质在芯片之间窄缝中的自然对流沸腾对芯片进行冷却，利用毛细力和重力作为整个循环过程的动力，无需额外的动力装置，从而达到非常高的换热系数，确保芯片不会超温。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于3D芯片的相变冷却结构，包括被封装结构封装且固定于基板上的多层相互平行的芯片，其特征在于：各层所述芯片之间夹置有排列整齐的用于实现能量和信号的传递的多个储存块，互不接触的各个储存块和各层芯片在相互之间形成多个微通道，所述封装结构内充填有漫过所述芯片且充满所述微通道的冷却工质，位于各层芯片上方的所述封装结构的上壁上设有用于充入所述冷却工质和对所述封装结构进行真空抽气的真空孔，该上壁的外侧面设有用于冷却的散热器，该上壁的内侧面为冷凝面；整个所述相变冷却结构形成一个传热机理类似于热管的结构，所述芯片为热端，所述冷却工质由于毛细力和重力的作用进入所述微通道，并在该微通道中吸热沸腾形成蒸汽，所述冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面处放热冷凝，形成液滴落下，如此循环完成所述3D芯片的冷却散热。

作为进一步改进，所述的芯片和基板水平放置。

作为进一步改进，所述的芯片和基板垂直放置。

作为进一步改进，所述的冷却工质为高湿润性纳米流体，由基液、活性剂和氧化铜纳米颗粒均匀混合而成，在换热过程中所述纳米流体在所述芯片表面形成纳米级的多空介质沉积层，形成毛细结构，提高表面湿润性和最大热流密度。

作为进一步改进，所述的基液为制冷剂R113，所述活性剂为Span-80。

本发明所述的用于3D芯片的相变冷却结构的运行原理为：芯片为热端，冷却工质由于毛细力和重力的作用进入芯片之间的微通道，并在这里吸热沸腾形成蒸汽；封装结构上壁内侧面的冷凝面为冷端，蒸汽上升到该冷凝面在这里放热冷凝，形成液滴落下。