[发明专利]一种微系统相变微冷却方法及装置

说明书

本发明涉及一种微系统相变微冷却方法及装置，微冷却装置包括微换热器、封装基板、3D芯片基板，3D芯片基板和微换热器分别安装在封装基板的正反面，在3D芯片基板内阵列形式排布多个3D堆栈芯片；封装基板为单层结构，内部设有集/分液流道，集/分液流道包括微换热器至3D芯片基板流道和3D芯片基板至微换热器流道；3D堆栈芯片产生的热量经3D芯片基板、封装基板内流道汇合后进入微换热器，和系统冷却外循环进行换热后冷凝，从而实现对3D堆栈芯片的相变冷却循环。本发明实现了微系统的二级冷却循环，提高了微系统相变冷却循环的集成度，容杂质能力，隔离度和可靠性。

技术领域

本发明涉及微系统相变冷却技术领域，具体涉及一种微系统相变微冷却方法及装置。

背景技术

随着SIP、SOC等架构的微组装/封装技术的发展，以雷达、通信、电子战为代表的主动阵列射频电子应用逐步向射频微系统的方向发展，同时以GaN为代表的三代半导体功率器件性能不断提升，微波功率芯片的热流密度将很快超过1kW/cm2，小型化、多点热源、高热流密度成为射频微系统热管理的主要挑战。可采用散热方式包括：远程散热、近结散热。

远程散热，作为传统散热模式，散热架构一般为功率芯片焊接(胶接) 到基板，再焊接到封装壳体，最后通过热界面材料压接到冷板上。散热路径上依次存在焊接、传导、界面、对流等多层热阻。在DARPA的TMT计划综述文献Advanced thermal mangementtechnologies for defense electronics中，提出了针对性的改进提升措施，包括低热阻型焊/胶料(纳米银胶等)、高导热基板/封装壳体(相变均温壳体等)、低热阻热界面材料(铜纳米弹簧、碳纳米管等)、强化传热冷板(微通道、射流冷板等)，可以一定程度提高散热能力。但是，远程散热方式存在天然的传热路径长、热阻高，体积和能耗大等缺点，使得该散热方式已接近能力极限，最高约 500W/cm2，无法满足高功率和小型化的散热需求。

近结散热，是一种新的散热方式。主要思路为将冷端从冷板向功率芯片封装或基板转移，缩短传热路径从而减小传热热阻，提升散热能力，根据冷端转移的位置，可以分为封装散热和基板散热。封装散热，采用传统的一次冷却循环，IJ Research公司在文献Thermal management technology 中，提出将冷却液(传统的乙二醇水溶液等)通入金刚石/铜，铝碳化硅等高导热的电子封装壳体，取消了封装和冷板之间一层较大的接触热阻，在封装壳体流道内加工0.1mm级微流道，散热能力可超过500W/cm2，而进一步提升散热能力比较困难；基板散热，DARPA的ICECOOL计划相关文献 Embedded cooling for RF andDigital Electronics中提出，通过将冷却介质引入芯片基板或衬底，包括硅/钼铜基板、SiC/金刚石衬底等，考虑传统冷却液存在腐蚀性和导电性，在距芯片如此近距离内一般使用绝缘相变类冷却介质，如Novec HFE电子氟化液等，由于更加靠近功率芯片热源，进一步取消了封装壳体的传导热阻和焊接热阻，在基板内加工0.01mm级的微流道获得足够的换热面积，散热能力更高，可实现1000W/cm2水平，满足大功率散热的需求。

但是，采用一级循环的基板散热存在一些明显的问题。一是容杂质能力差。基板微流道很细，而冷却循环系统体积大，连接点多，难免存在外来或中间杂质，容易造成基板流道堵塞，导致芯片过热失效；二是末端体积大。绝缘相变类冷却介质相比传统冷却液，导热率低一个量级，换热性能不高，需要更大体积的冷却末端换热器。三是可靠性低。采用一级循环，对于大型、复杂的阵列式微系统，一旦出现单点泄漏，整个系统全部受影响，难以隔离，造成可靠性降低。因此，对于3D堆栈芯片阵列的微系统散热问题，如要采用近结散热技术，亟需解决冷却系统隔离封闭、可靠性提升等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微系统相变微冷却方法及装置，目的在于针对近结散热技术应用于微系统散热的缺点和不足，在传统的一级系统冷却循环外，增加一级微系统相变冷却循环，从而提供一种完全隔离、封闭的、无泵驱的二级冷却循环方法和相关装置，提高近结散热技术的工程适用性和可靠性。