專利名稱：用于半導(dǎo)體集成電路封裝的微通道冷卻的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷卻電子器件的設(shè)備和方法。更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明涉及改善流體分布和流動(dòng)機(jī)制，以便有效地冷卻半導(dǎo)體集成電路(IC)芯片封裝，以及增強(qiáng)半導(dǎo)體芯片的高功率密度區(qū)域的局部冷卻能力的微通道冷卻設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片封裝和模塊的設(shè)計(jì)、制造中，實(shí)現(xiàn)能夠有效地去除IC芯片器件(比如微處理器)產(chǎn)生的熱量，以保證這些器件連續(xù)可靠工作是必不可少的。實(shí)際上，對(duì)于放置在例如單芯片模塊(SCM)或多芯片模塊(MCM)中的計(jì)算機(jī)處理器芯片而言，散熱特別重要，這些模塊可產(chǎn)生大量的熱量。隨著芯片幾何尺寸的縮小和運(yùn)行速度的提高，導(dǎo)致功率密度增加，有效地去除熱量的能力變得問(wèn)題日益突出。盡管IC芯片模塊不斷地設(shè)計(jì)為在更高時(shí)鐘頻率下工作，但系統(tǒng)性能的提高受到限制，主要是受從該類IC芯片模塊中有效地散熱的能力限制。
為了冷卻半導(dǎo)體IC封裝/模塊和其他電子器件，已經(jīng)開發(fā)了多種散熱技術(shù)。例如，已經(jīng)提出了微通道冷卻設(shè)備和方法，用于冷卻在增加的熱通量(功率/單位面積)或高功率密度(例如，～800W/cm2)條件下的電子器件，如IC芯片，MCM，二極管激光陣列和其他電-光器件。


圖1A和1B是示意圖，示出了普通的微通道冷卻設(shè)備，比如美國(guó)專利US4573067中所述，其中圖1B示出了圖1A沿線1B的剖面圖。如圖所示，半導(dǎo)體芯片(10)包括形成于半導(dǎo)體芯片(10)的前表面區(qū)域(11)的電路。芯片(10)后表面區(qū)域進(jìn)行加工，而形成下凹區(qū)域(12)和多個(gè)從所述下凹區(qū)域(12)升高的平行、微型導(dǎo)熱翅片(14)，所述翅片形成多個(gè)通道(13)。透明的蓋子(15)嚙合芯片(10)的表面以及翅片(14)頂部，從而在透明的蓋子(15)的輸入和輸出端口(16)和(17)之間形成流經(jīng)通道(13)的冷卻劑流動(dòng)腔室，其中散熱是通過(guò)翅片(14)和流經(jīng)通道(13)的冷卻流體之間的熱接觸實(shí)現(xiàn)的。
圖1A和1B所示的冷卻設(shè)備有許多缺點(diǎn)。例如，這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著的壓降和非均勻的流動(dòng)分布，例如由于在輸入端口(16)和輸出端口(17)之間使用了一個(gè)熱交換器分區(qū)(具有較長(zhǎng)的通道長(zhǎng)度)，且輸入端口(16)和輸出端口(17)具有小于微通道總截面積的截面積。而且，直接在IC芯片(10)的非活性表面上形成翅片(14)和通道(13)的過(guò)程可能直接導(dǎo)致芯片(10)的產(chǎn)量、特別是對(duì)比如微處理器的昂貴芯片來(lái)說(shuō)，這是不希望的。實(shí)際上，如果微通道冷卻器失效或泄漏，則在高性能處理器的情況下比冷卻器更為昂貴的芯片與微通道冷卻器一起損失。
圖2A～2C示意地示出了另一種普通的微通道冷卻設(shè)備，比如美國(guó)專利US 5998240中所述的。圖2A示出了硅芯片(20)，具有包含在其中形成的多個(gè)通道(21)的區(qū)域，所述區(qū)域包含多個(gè)通常矩形截面的端部封閉的狹縫或凹槽。如圖2B所示，芯片(20)位于陶瓷框架(22)上，所述框架包括三個(gè)通常矩形的冷卻劑集管(23)，(24)和(25)。中心集管(24)包含具有形成于一端的冷卻劑輸入端口(27)的冷卻劑輸入集管，而兩個(gè)外部集管(23)和(25)包含輸出集管，且包括在與輸入端口(27)相對(duì)的端部的冷卻劑輸出端口(26)和(28)。晶片(20)相對(duì)于陶瓷襯底(22)定向，而使微通道(21)與集管(23)，(24)和(25)正交。如圖2C所示，芯片(20)和陶瓷襯底(22)安裝在具有兩個(gè)冷卻劑輸出導(dǎo)管(29a)和單個(gè)冷卻劑輸入導(dǎo)管(29a)的接地平面(29)上，其中液態(tài)冷卻劑流動(dòng)方向由箭頭所示。
圖2A～2C所示的普通微通道冷卻設(shè)備具有許多缺點(diǎn)。例如，如果包含集管通道(23，24，25)的襯底(22)使用硅制成，襯底將非常弱，在制造過(guò)程中由于形成了貫穿襯底的具有尖銳邊緣拐角的多個(gè)通道而可能斷裂。而且，這種設(shè)計(jì)產(chǎn)生顯著的壓降，和非均勻的流動(dòng)分布，這是由于(i)輸入和輸出端口(26，27，28)具有比整個(gè)微通道截面積更小的截面積，(ii)集管(23，24，25)具有截面穩(wěn)定的凹槽通向微通道(21)，且(iii)當(dāng)使用兩個(gè)輸出集管凹槽(23，25)時(shí)，具有在輸入集管凹槽(24)下方連續(xù)的微通道(21)。
圖3A和3B是示意圖，示出了其他的普通微通道冷卻結(jié)構(gòu)，比如美國(guó)專利US5218515中所述的。圖3A示出了集成電路模塊(30)的局部剖透視圖，該模塊包括IC芯片(31)，該芯片具有沿芯片(31)的前(活性)表面(31a)的釬料凸塊接合點(diǎn)(32)。芯片(31)的后(非活性)表面(31b)熱接合于微通道結(jié)構(gòu)(33)。在微通道結(jié)構(gòu)(33)中形成多個(gè)微通道(33a)。蓋集管(34)與微通道結(jié)構(gòu)(33)接合。在蓋集管(34)上切出或形成輸入和輸出冷卻劑輸送通道(34a)和(34b)，如圖所示。
圖3B示出了冷卻劑供應(yīng)集管(35)，用于為多芯片模塊(MCM)封裝供應(yīng)冷卻劑，所述封裝包含面朝下安裝在公共襯底或電路板上的微通道冷卻IC模塊(30)陣列。冷卻劑供應(yīng)集管(35)包括多個(gè)冷卻劑供應(yīng)通道(例如(36)，(37)(38)和(39))，其中通道(36)和(38)是高壓通道，通道(37)和(39)是低壓通道。集管(35)適于放置在印刷布線板上，從而，例如，在相應(yīng)冷卻劑供應(yīng)通道(36)和(37)中的開口(36a)和(37a)與電路板上單獨(dú)集成電路模塊(30)上的開口(34a)和(34b)匹配。彈性體密封件用于使冷卻劑供應(yīng)集管(35)與集成電路模塊(30)連接。
圖3A和3B所示的微通道冷卻設(shè)備有許多缺點(diǎn)。例如，微通道冷卻器(30)形成有一個(gè)熱交換器分區(qū)(在輸入和輸出集管通道(34a，34b)之間)，這可以導(dǎo)致沿微通道(33a)的流體流動(dòng)產(chǎn)生顯著的壓降。而且，如果蓋集管(34)形成有用于多交換器分區(qū)的多冷卻劑輸送通道(例如，34a)，以減小壓降，則蓋集管(34)易碎，且在制造過(guò)程中可能斷裂，從而降低了制造生產(chǎn)率。
而且，圖3B中的冷卻劑供應(yīng)集管(35)的設(shè)計(jì)由于所述通道，可能產(chǎn)生較大的壓降和顯著的非均勻流動(dòng)分布，所述通道向四個(gè)具有恒定截面積的微通道入口輸送。例如，如圖3B所示，供應(yīng)通道(36)將冷卻劑流體經(jīng)四個(gè)開口(36a)送入模塊(30)的四個(gè)冷卻劑輸送集管(34a)中(圖3A)。假定V，ΔP，和Q是最后集管片段，即，在所述底部的兩個(gè)微通道入口之間，的速度、壓差、和總流量，這樣上面的片段將希望具有速度2V和總流量2Q。這一較高速度將產(chǎn)生，如果流動(dòng)是層流，等于～2ΔP的片段壓降，如果流動(dòng)是紊流，等于～4ΔP(當(dāng)流動(dòng)是層流時(shí)，流量和壓降之間是線性相關(guān)的，當(dāng)流動(dòng)是紊流時(shí)，是二次相關(guān)的)。因此，對(duì)于截面穩(wěn)定通向四個(gè)微通道入口的集管通道來(lái)說(shuō)，我們可以預(yù)計(jì)如果流動(dòng)是層流，總集管通道壓降為～10ΔP，如果流動(dòng)是紊流，為～30ΔP。這一較大壓降將致使不同微翅片部分內(nèi)的流動(dòng)變化，所述變化不能利用回流管補(bǔ)償，而且，具有恒定的截面，但是相對(duì)于輸入管路流向相反。因?yàn)榧芡ǖ辣仨氂斜冉o定微通道明顯更大的水流，速度和截面將更大，因此，非常容易預(yù)計(jì)(或難以避免)在這兩部分之間雷諾數(shù)增大10倍。對(duì)于較低的冷卻能力，很可能低于50W/cm2，水流需求較低，且可能集管通道和微通道都為層流態(tài)，但在高流量下這是不可能的，因?yàn)槲⑼ǖ缹⒁罄字Z數(shù)介于100-200范圍內(nèi)的流動(dòng)條件，那么，在集管通道內(nèi)的流動(dòng)條件不是層流。
上述常規(guī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)缺點(diǎn)是沒(méi)有提供用于有效去除IC芯片的熱量的機(jī)制，比如，具有“熱點(diǎn)”區(qū)域的處理器，所述“熱點(diǎn)”區(qū)域即具有明顯高于芯片的平均熱通量的熱通量(功率/單位面積)的芯片區(qū)域，這可能產(chǎn)生比平均芯片溫度高～℃的溫度。實(shí)際上，為有效地去除平均芯片功率密度產(chǎn)生的熱量設(shè)計(jì)的一種熱方案，可能不足以去除芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的熱量，這可能導(dǎo)致“熱點(diǎn)”區(qū)域內(nèi)或附近“熱點(diǎn)區(qū)域”的芯片器件失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實(shí)施例通常包括用于冷卻電子器件的設(shè)備和方法，尤其是用于微通道冷卻面朝下安裝在封裝襯底上的、具有非均勻功率密度分布的IC(集成電路)芯片的設(shè)備和方法。更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括微通道冷卻設(shè)備和方法，它們實(shí)現(xiàn)了為高于平均功率密度的半導(dǎo)體芯片的高功率密度區(qū)域(或“熱點(diǎn)”)提供可變局部冷卻能力的機(jī)制，從而增強(qiáng)了具有高于平均功率密度的IC芯片上的“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力。
例如，在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了用于冷卻具有非均勻功率圖的IC芯片的集成微通道冷卻裝置。微通道冷卻裝置包含在所述集成冷卻裝置內(nèi)沿相同方向延伸的多個(gè)交替的輸入和輸出集管和多個(gè)熱交換器分區(qū)。每個(gè)熱交換器分區(qū)包含多個(gè)熱微翅片，所述微翅片形成在相鄰輸入和輸出集管之間延伸的微通道形成的微通道圖案，而在相鄰輸入和輸出集管之間形成流體的流動(dòng)路徑。一個(gè)或多個(gè)熱交換器分區(qū)的微通道圖案變化，以提供對(duì)應(yīng)IC芯片預(yù)期功率圖的熱傳遞性能。所述輸入和輸出集管與所述熱交換器分區(qū)的微通道圖案這樣構(gòu)成，即在對(duì)應(yīng)IC芯片熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)的區(qū)域中提供平均流速，該流速基本上與不對(duì)應(yīng)IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)的其他區(qū)域的平均流速相同，或至少在約50％內(nèi)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，集成微通道冷卻裝置的至少一個(gè)輸入集管對(duì)準(zhǔn)IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域排列。在另一實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)熱交換器分區(qū)形成的微通道圖案局部變化，以提供對(duì)應(yīng)IC芯片的預(yù)期功率圖局部變化的熱傳遞性能。在另一實(shí)施例中，至少一個(gè)熱交換器分區(qū)包含提供對(duì)IC芯片的預(yù)期平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能的微通道第一圖案，和對(duì)應(yīng)于IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域放置的微通道第二圖案，其中微通道的第二圖案提供對(duì)于比熱點(diǎn)的平均功率密度更大的預(yù)期功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能。
結(jié)合附圖，從下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些及其他示例性實(shí)施例、方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更為明顯。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1A和1B是示出了用于微通道冷卻IC芯片的普通設(shè)備的示意圖。
圖2A-2C是示出了用于微通道冷卻IC芯片的另一種普通設(shè)備的示意圖。
圖3A和3B是示出了用于微通道冷卻多芯片模塊MCM的IC芯片的另一種普通設(shè)備的示意圖。
圖4A-4D是示出了如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的集管板和制造所述集管板的方法的示例性示意圖。
圖5A～5B是示出了如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的微通道板的示意圖，該微通道板可以與圖4A-4D的示例性集管板連接，構(gòu)成如本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例所述的集成微通道冷卻裝置。
圖6是如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的集管結(jié)構(gòu)一部分的詳細(xì)示意圖。
圖7是示出了如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的用于微通道冷卻半導(dǎo)體芯片的設(shè)備的剖面示意圖。
圖8A～8B示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的用于微通道冷卻半導(dǎo)體芯片的設(shè)備的剖面示意圖。
圖9A～9C是示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的用于微通道冷卻半導(dǎo)體芯片的設(shè)備的剖面示意圖。
圖10是如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的流體分配集管裝置的平面示意圖。
圖11是如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的流體分配集管裝置的平面示意圖。
圖12是示出了如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的一種增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力的方法的示意圖。
圖13是示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的一種增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力的方法的示意圖。
圖14是示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的一種增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力的方法的示意圖。
圖15是示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的一種增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力的方法的示意圖。
圖16是示出了如本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的一種增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的局部冷卻能力的方法的示意圖。
圖17A和17B示出了如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述，可以在微通道冷卻裝置中實(shí)現(xiàn)的不同微翅片圖案的示意圖。
示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述如上所述，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于冷卻電子器件的設(shè)備和方法，尤其是用于微通道冷卻面向下安裝在封裝襯底上的IC(集成電路)芯片的設(shè)備和方法，其中IC芯片可以具有非均勻的功率密度分布。通常，如本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例所述的用于微通道冷卻電子器件的設(shè)備包含集成微通道冷卻裝置(或微通道散熱器)，該裝置與面向下安裝在封裝襯底上的IC芯片的非活性表面熱接合，還包含流體分配集管裝置，該集管裝置經(jīng)機(jī)械順從性墊圈可拆卸地連接于所述集成微通道裝置，輸送至/來(lái)自集成微通道裝置的冷卻劑流體。如上所述根據(jù)不同示例性實(shí)施例所述的微通道冷卻裝置和方法實(shí)現(xiàn)了流體分布和流動(dòng)機(jī)制，促進(jìn)了冷卻劑流體的均勻流動(dòng)，且避免/減輕沿冷卻劑流動(dòng)路徑的冷卻劑流體的壓力下降，從而為冷卻電子器件，比如半導(dǎo)體集成電路(IC)芯片封裝/模塊提供較高的冷卻速度能力和效率。在其他實(shí)施例中，微通道冷卻裝置和方法實(shí)現(xiàn)了為半導(dǎo)體芯片的高功率密度區(qū)域(或“熱點(diǎn)”)提供可變局部冷卻能力的機(jī)制，從而增強(qiáng)IC芯片上高于平均功率密度的區(qū)域的局部冷卻能力。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于集成微通道冷卻裝置的不同框架/體系結(jié)構(gòu)，可以與IC芯片熱接合，且設(shè)計(jì)為優(yōu)化冷卻劑流體的分布和流動(dòng)，用于有效地散熱。例如，在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，集成微通道冷卻裝置包含微通道板，該微通道板具有多個(gè)由在該微通道板的一個(gè)表面上形成的微翅片形成的多個(gè)微通道，和集管板(或集管蓋)，該集管板與微通道板接合，且具有多個(gè)冷卻劑供應(yīng)/返回集管。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，集成微通道冷卻裝置包含一塊板，該板由微通道和供應(yīng)/返回集管結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在所有這些實(shí)施例中，集成微通道冷卻裝置包括這樣構(gòu)成、形成圖案、確定尺寸和/或排布的供應(yīng)/返回集管和微通道/微翅片，即使壓力下降最小，并增加沿冷卻劑流動(dòng)路徑流體流動(dòng)和分布的均勻性，和/或能實(shí)現(xiàn)芯片熱點(diǎn)區(qū)域的可變局部冷卻。
現(xiàn)在將參照例如圖4A-4D和圖5A-5B的示例性實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的集成微通道冷卻裝置。尤其是，圖4A-4D是示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的集管板(40)的示意圖，該集管板可以與對(duì)應(yīng)的微通道板(50)接合，如圖5A-5B的示例性示意圖所示，從而形成集成微通道冷卻裝置。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，在最初參照?qǐng)D4A-4D的示例圖的情況下，示例性集管板(40)包含平面襯底(41)，該襯底具有其中形成的多個(gè)流體集管(M1-M7)(或概括地說(shuō)，Mi)。每一流體集管(M1-M7)包含在襯底(41)的一個(gè)表面(S2)上形成的對(duì)應(yīng)集管通道(C1-C7)(或概括地說(shuō)，Ci)，和具有多個(gè)流體通路(v)的對(duì)應(yīng)圖案/系列的流體通路(V1-V7)(或概括地說(shuō)，Vi)，所述流體通路形成從表面(S1)(該表面與表面(S2)相對(duì))沿對(duì)應(yīng)集管通道(C1-C7)延伸至各點(diǎn)的開口。如下所述，流體集管(Mi)這樣構(gòu)成、形成圖案、確定尺寸和/或排布，即能使集管板(40)提供均勻的流體分布，并減小整個(gè)系統(tǒng)的壓降，以及保持集管板的結(jié)構(gòu)完整性，避免在制造過(guò)程中斷裂。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖4A是在一個(gè)生產(chǎn)階段的集管板(40)的平面示意圖，其中在平面襯底(41)的一個(gè)表面(S1)上形成多個(gè)流體通路(V1-V7)圖案/系列，在示圖中所述表面是襯底(41)的底面。換言之，圖4A示出了從襯底(41)的頂面(S2)看到的通路(V1-V7)圖案，該頂面與形成通路(v)的底面(S1)相對(duì)。圖4B是沿圖4A的線AA的襯底(41)的一部分的剖面示意圖，該圖示出了具有厚度(T)和深度d1在襯底表面(S1)之下的通路(v)的襯底(即，所述通路沒(méi)有整個(gè)穿透襯底(40))。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，襯底(41)由硅(Si)制成，流體通路可以使用深Si蝕刻方法形成，從而蝕刻流體通路而部分地穿透襯底(41)。尤其是，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，對(duì)于厚度T為0.75mm的典型硅晶片襯底來(lái)說(shuō)，流體通路(v)可以形成深度d1＝0.50mm。而且，流體通路可以是直徑約450微米的圓形孔。應(yīng)當(dāng)指出的是，雖然在示例性實(shí)施例中示出了圓形孔，但流體通路可以為其他形狀，優(yōu)選具有圓整的拐角(與具有尖銳拐角的形狀相比，尖銳拐角起應(yīng)力集中點(diǎn)的作用，在制造過(guò)程中可能增加元件的斷裂可能性。)如圖4A的示例性實(shí)施例中所示，通路圖案(V1)和(V7)包含一系列圓形開口，所述開口以線性圖案排布，且通路圖案(V2)-(V6)分別包含一系列以Z字形圖案排布的圓形開口。如下所述，通過(guò)以Z字形圖案形成一系列圓形開口而構(gòu)成所述集管的制造方法降低了在集管板的制造過(guò)程中，當(dāng)形成多個(gè)集管而形成多個(gè)熱交換器分區(qū)時(shí)，晶片(或襯底)斷裂的可能性。
每一圖案/系列的流體通路(Vi)包含多個(gè)開口，所述開口用作對(duì)應(yīng)輸入/輸出集管通道(Ci)的流體入口/出口，所述通道在襯底(41)的表面(S2)上形成，表面(S2)與形成流體通路(Vi)圖案的表面(S1)相對(duì)。例如，圖4C示出了在另一制造階段的示例性集管板(40)的平面示意圖，其中集管通道(C1-C7)在襯底(41)的表面(S2)上形成，其中每一集管通道(C1-C7)包含連續(xù)的凹腔，該凹腔形成圖案，且下凹至足以連接對(duì)應(yīng)圖案的流體通路(V1-V7)的每一流體通路。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖4D是沿圖4C的線BB的襯底(41)的一部分的剖面示意圖，該圖示出了集管通道C2的通道部分，該部分在兩通路(v)之間形成，通過(guò)在通路(v)之間在襯底(41)上蝕刻至襯底(41)的表面(S2)下方足夠深度d2的凹槽，而與流體通路(v)連接。繼續(xù)參照?qǐng)D4B描述的示例性實(shí)施例，其中集管板(40)的襯底(41)由硅制成，集管通道(Ci)可以利用深Si蝕刻工藝蝕刻出深度d2＝0.25mm的凹槽而制成。
而且，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，集管(Mi)包含具有可變截面積的集管通道(Ci)。
例如，圖6是如圖4C所示的在區(qū)域(43)內(nèi)的一部分流體集管(M2)的集管結(jié)構(gòu)的詳圖。在圖6的示例性視圖中，在流體通路(v)之間的通道部分(44)形成錐形凹槽，該凹槽遠(yuǎn)離流體通路(v)向下漸縮，而減小通道截面積。示例性集管結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)在圖9A中進(jìn)一步示出，該圖示出了具有Z字形圖案的集管通道(91)的三維透視圖，該通道在集管板(90)內(nèi)形成。尤其是，圖9A示出了多個(gè)流體通路(v)，所述通路形成通向集管通道(92)的開口，其中集管通道(92)形成圖案，而使兩流體通路(v)之間的通道部分(93)形成錐形凹槽。
有利的是，通過(guò)保持冷卻劑流體的流速較穩(wěn)定，錐形集管通道寬度有助于使沿通道的動(dòng)態(tài)壓降最小化。更準(zhǔn)確地說(shuō)，改變集管通道(Ci)的截面積提供了一種減小沿集管通道(Ci)的動(dòng)態(tài)壓降的方式，從而使集管通道(Ci)均勻地分配沿著集管通道(Ci)的通向/來(lái)自微通道入口/出口的冷卻劑流體的流動(dòng)。
圖5A和5B是示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的微通道板的示意圖。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖5A是微通道板(50)的平面示意圖，該板可與例如圖4C的示例集管板(40)兼容使用。在圖5A中，微通道板(50)包含襯底(51)(例如，Si襯底)。襯底(51)包含區(qū)域(52)，該區(qū)域蝕刻(使用深Si蝕刻或其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的適當(dāng)技術(shù))而形成多個(gè)平行的熱微翅片(53)，所述微翅片形成沿同一方向在區(qū)域(52)內(nèi)延伸的微通道(54)(見圖5B)。微通道(54)包含多個(gè)通常矩形截面的端部開口的切口或槽。
在圖5A的示例性實(shí)施例中，微翅片(53)在區(qū)域(52)上不是連續(xù)的，而是中斷/不連續(xù)的，從而形成下凹區(qū)域(R1-R7)，當(dāng)集管板(40)接合于微通道板(50)而形成集成的微通道冷卻裝置時(shí)，所述區(qū)域?qū)?yīng)于集管通道C1-C7(圖4C)，且與之對(duì)準(zhǔn)。例如，圖5B是圖5A的微通道板(50)的一部分(55)的詳細(xì)視圖，其中微翅片(53)在對(duì)應(yīng)于(對(duì)準(zhǔn))集管板(40)的集管通道(M2)的下凹區(qū)域(R2)(例如，如圖6所示的部分(43))上是不連續(xù)的。下凹區(qū)域(R1-R7)作為集管，與集管板(40)的對(duì)應(yīng)集管通道(C1-C7)一起，增加可用于從流體通路(v)流向微通道(入口集管)的流體分布的面積，和用于從微通道流至流體通路(出口集管)的流體分布的面積。例如，圖6所示的集管板的部分(43)示出了一部分集管通道，所述部分對(duì)應(yīng)于圖5B所示的下凹區(qū)域R2的所述部分，且可以與之對(duì)準(zhǔn)。在這方面，集管通道和下凹區(qū)域的組合區(qū)域增加了用于流體流動(dòng)和分布的面積。
而且，如圖6所示，例如，在流體通路(v)之間的集管通道的通道部分(44)具有用于減小壓降目的的可變截面積。更準(zhǔn)確地說(shuō)，如圖5B和6的示例性實(shí)施例所示，在集管通道(C2)的輸入流體通路(v)和下凹區(qū)域(R2)的對(duì)應(yīng)部分之間的通道部分(44)遠(yuǎn)離輸入流體通路(v)向下漸縮，從而減小沿冷卻劑路徑的截面積。這導(dǎo)致壓降減小，且保持流體流動(dòng)速度穩(wěn)定，從而均勻地將冷卻劑送入沿所述通道部分布置的微通道中。
而且，對(duì)于圖5B所示的示例性實(shí)施例，沿下凹區(qū)域(例如，圖5B所示的R2)的微翅片(53)的端部部分可以具有圓形或漸縮的邊緣，從而進(jìn)一步減小整個(gè)系統(tǒng)的壓降。實(shí)際上，微翅片(53)的圓形或漸縮邊緣導(dǎo)致微通道(54)具有圓形入口/出口拐角，這樣通過(guò)平滑進(jìn)入/排出的流體流而減小流動(dòng)阻力。
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，假定微翅片(53)形成為具有寬度WF＝90微米，且形成具有通道寬度Wc＝60微米，通道深度為250微米的微通道(54)。而且假定兩相鄰流體通路(v)之間的豎直間隔(Vs)(如圖6所示)為0.6mm，且每個(gè)通路(v)向相鄰集管通道片段(44)的左側(cè)和右側(cè)的一系列微通道提供冷卻劑，或來(lái)自所述微通道的冷卻劑。因此，在該示例性實(shí)施例中，單流體通路(v)提供或接收冷卻劑的微通道總截面積為1.2mm×0.25mm×60％＝0.18mm2(其中1.2mm＝2Vs，0.25mm是微通道的深度)。而且假定(如前所述)流體通路(v)的直徑是0.450mm(對(duì)應(yīng)于截面積0.16mm2)，每個(gè)集管通道片段(44)的初始截面積0.450×0.25＝0.11mm2，且向微通道(54)提供或接收截面積0.09mm2的流體流動(dòng)。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，集管通道(C)與之對(duì)準(zhǔn)的下凹部分(R)還能夠提供額外的流體流動(dòng)截面積。這一額外面積用于減小由于流體流動(dòng)方向改變和通道幾何形狀改變而造成的壓降。所述微通道將具有比輸送通路(v)更大的單位面積濕潤(rùn)周長(zhǎng)，結(jié)果，將增大壓降。與這兩個(gè)結(jié)構(gòu)互連的附加體積將使流體流動(dòng)而發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離壁的低阻路徑。在更小體積的情況下，所述壓降損失將由于壁的摩擦而增加。如上所述，流體通路(v)的截面積，每個(gè)集管通道片段的初始截面積，以及提供或接收流體的微通道的總截面積都在其平均值的25％內(nèi)。
如上所述，集成微通道冷卻裝置可以由示例性集管板(40)和微通道板(50)通過(guò)集管板(40)的表面(S2)與微通道板(50)接合而形成，而使集管通道(Ci)與對(duì)應(yīng)的下凹區(qū)域(Ri)對(duì)準(zhǔn)且面向所述下凹區(qū)域。更準(zhǔn)確地說(shuō)，具有在交替的輸入和輸出集管，如圖4C中的“I”和“O”所示，之間形成的六個(gè)熱交換器分區(qū)的總體尺寸為20×20mm，且具有上述集管/微翅片/微通道尺寸的集成微通道冷卻裝置，可以使用示例性板(40)和(50)構(gòu)成。下面將例如參照?qǐng)D7和8進(jìn)一步解釋形成集成冷卻裝置和封裝這些裝置和IC芯片的示例性方法。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的集成微通道冷卻裝置提供了高效且低操作壓力的微通道冷卻器結(jié)構(gòu)，能有效地冷卻具有非常高功率密度的電子器件，且可易于制造，并與例如芯片封裝集成。更準(zhǔn)確地說(shuō)，本發(fā)明所述的集成冷卻裝置的多個(gè)示例性實(shí)施例設(shè)計(jì)有以某種方式構(gòu)成、形成圖案、確定尺寸、和/或排列的流體集管、微翅片和微通道，例如，提供(i)冷卻劑流體的均勻分布和流動(dòng)，總體上減小降低系統(tǒng)的壓降，(ii)增大組裝冷卻裝置的生產(chǎn)率；(iii)易于與芯片封裝集成。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，例如，對(duì)于與芯片封裝的容易集成，使用集管芯片背面上的流體通路來(lái)向/從集成微通道冷卻裝置輸入/輸出冷卻劑，能使微通道裝置確定尺寸，而不會(huì)明顯延伸超過(guò)被冷卻芯片的區(qū)域之外。這對(duì)于芯片安裝互相非常近的MCM特別有利。而且，如下所述，通過(guò)在獨(dú)立層中形成微翅片/微通道結(jié)構(gòu)(與在被冷卻芯片的非活性表面上形成此類結(jié)構(gòu)相對(duì))，單個(gè)微通道冷卻裝置可以首先構(gòu)成和測(cè)試，然后以在冷卻器制造過(guò)程中的任何生產(chǎn)率損失不會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過(guò)組裝的芯片和集成冷卻器的生產(chǎn)率損失的方式與所述芯片熱接合。
而且，對(duì)于增加生產(chǎn)率，流體集管這樣設(shè)計(jì)/構(gòu)造，即可以保持形成有集管的襯底的結(jié)構(gòu)完整性，并使襯底斷裂的可能性最小。實(shí)際上，如參照示例性集管板(40)所述，集管(Mi)并非形成有用于提供冷卻劑流動(dòng)的連續(xù)細(xì)長(zhǎng)狹縫(如在普通設(shè)計(jì)中)，而是有一系列圓形開口，或具有圓角的開口，以Z字形圖案排列，從而減少制造期間的晶片斷裂，且在面向微通道的板面上的圓形開口之間形成集管通道。通過(guò)使用圓形開口使可能成為裂紋形成區(qū)域的應(yīng)力集中最小，通過(guò)使用集管圖案的下凹區(qū)域作為與集管通道一起的集管使通道集管的總凹腔面積最小，并避免所述凹腔沿(100)Si解理面對(duì)準(zhǔn)，這些集管結(jié)構(gòu)減輕了晶片斷裂的可能性。
而且，如本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的集成微通道冷卻裝置可以實(shí)現(xiàn)冷卻劑流體均勻分布和流動(dòng)的多種機(jī)制，和系統(tǒng)壓降的總體減小。例如，一種用于減小壓降的方法將冷卻劑流動(dòng)分成多個(gè)熱交換器分區(qū)，而使通過(guò)微通道的流動(dòng)路徑非常短。更準(zhǔn)確地說(shuō)，例如，上述的示例性集管和微通道板實(shí)施例，提供了多個(gè)用于形成多個(gè)熱交換器分區(qū)的輸入和輸出流體集管(Mi)。實(shí)際上，如圖5A的示例性微通道板(50)和圖4C的集管板(40)所示，由交替的輸入和輸出集管形成六個(gè)熱交換器分區(qū)，其中每個(gè)輸入集管(M2，M4和M6)輸送兩個(gè)終止于輸出集管(M1，M3，M5和M7)的微通道分區(qū)。而且，所述Z字形的集管結(jié)構(gòu)能形成多個(gè)集管，同時(shí)保持芯片的結(jié)構(gòu)完整性。
另一種減小壓降的方法是這樣設(shè)計(jì)集管，即每個(gè)集管通道都具有初始、或最終截面積，至少等于從集管通道接收冷卻劑流體，或向集管通道供應(yīng)冷卻劑流體的微通道的總截面積。例如，在圖4C和圖5A的示例性實(shí)施例中，輸入集管通道C2，C4和C6分別向兩個(gè)微通道分區(qū)輸送。這樣，每個(gè)輸入集管通道的初始截面積應(yīng)當(dāng)至少與由這些通道輸送的微通道截面積的總和一樣大。而且，輸出集管通道C3和C5分別從微通道的兩個(gè)分區(qū)接收冷卻劑流體。這樣，輸出集管通道C3和C5的最終截面積應(yīng)當(dāng)至少與向這些通道輸送的微通道截面積的總和一樣大(或，在示例性實(shí)施例中，每個(gè)集管通道C2～C6的截面積應(yīng)當(dāng)相同)。另一方面，輸出集管通道C1和C7分別由一個(gè)微通道輸送。這樣，每個(gè)輸出集管通道C1和C7的最終截面積應(yīng)當(dāng)不低于輸出集管通道(M2和M6)初始截面積的一半。
類似地，另一種減小壓降的方法是這樣設(shè)計(jì)集管，即每一集管的流體通路具有至少等于所有微通道總截面積的總截面積，所述微通道接收經(jīng)流體通路供應(yīng)的冷卻劑流體，或供應(yīng)從流體通路排出的冷卻劑流體。例如，通路圖案V4的流體通路應(yīng)當(dāng)具有至少等于由對(duì)應(yīng)集管通道C4輸送的微通道的截面積總和的總截面積。
而且，如上所述，減小壓降的另一集管設(shè)計(jì)特征是改變集管的截面積，從而將冷卻劑流體均勻地輸送至微通道。例如，如圖5B和6的示例性實(shí)施例所示，在集管通道(C2)的輸入流體通路(v)和下凹區(qū)域(R2)的對(duì)應(yīng)部分之間的通道部分(44)遠(yuǎn)離輸入流體通路(v)向下漸縮，從而減小沿冷卻劑路徑的截面積。這樣產(chǎn)生壓降，并保持流體的流動(dòng)速度穩(wěn)定，從而將冷卻劑均勻地輸送入沿通道部分布置的微通道。而且，所述壓降可以通過(guò)使微通道入口拐角圓整或漸縮而進(jìn)一步減小，所述圓整和漸縮通過(guò)平滑進(jìn)入的流體而減小流動(dòng)阻力。
總的來(lái)說(shuō)，由示例集管和微通道板(40)和(50)制成的本發(fā)明的集成微通道冷卻裝置，提供了一種多熱交換器分區(qū)結(jié)構(gòu)，其中所有熱交換器分區(qū)并連，這意味著熱交換器分區(qū)均勻地設(shè)計(jì)(例如，在所有熱交換器分區(qū)內(nèi)微通道圖案相同(具有相同間距的連續(xù)通道)，且交替的輸入和輸出集管相同地間隔，而使所有熱交換器分區(qū)的微通道長(zhǎng)度基本上相同)，從而在入口和出口集管之間以相同的壓降工作，且集管設(shè)計(jì)有可變的截面積，從而確保對(duì)于給定的熱交換器分區(qū)來(lái)說(shuō)，在熱交換器分區(qū)上有均勻的冷卻劑分布。這樣，根據(jù)芯片的預(yù)計(jì)平均功率密度，集成微通道冷卻器可以設(shè)計(jì)有足夠數(shù)目的平行熱交換器分區(qū)，和流體壓力，從而提供足以有效地冷卻具有這種平均功率密度的芯片的每單位寬度的流動(dòng)和每單位長(zhǎng)度的壓降。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的用于冷卻半導(dǎo)體芯片的設(shè)備示意圖。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖7示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的半導(dǎo)體封裝(70)的剖面?zhèn)纫晥D，該封裝包含集成微通道冷卻裝置(71)，該裝置經(jīng)熱接合(B2)與半導(dǎo)體芯片(72)(例如，處理器芯片)的后(非活性)表面熱連接。芯片(72)的活性表面包含多個(gè)用于倒裝芯片與封裝襯底接合的釬料球(C4s)。
微通道冷卻裝置(71)包含微通道板(74)和集管板(75)，它們經(jīng)接頭(B1)連接，且板(74)和(75)可以具有類似于上述針對(duì)圖4A-4D和5A-5B所述的集管和微通道結(jié)構(gòu)。在這方面，圖7的示例性實(shí)施例可以認(rèn)為是沿縱向線的平面圖，該縱向線(i)沿平行于集管板(75)內(nèi)形成的Z字形流體集管結(jié)構(gòu)且與微通道板(74)的多個(gè)熱微翅片(76)和微通道(77)正交的方向延伸；(ii)經(jīng)過(guò)在Z字形流體集管結(jié)構(gòu)一側(cè)上形成的多個(gè)流體通路(v)的每一個(gè)的中心。如圖7所示，流體通路(v)在沿集管通道(C)的位置形成開口，且微通道板(74)包含多個(gè)區(qū)域(R)，其中熱微翅片(76)不連續(xù)。所述多個(gè)微翅片(76)和通道(77)沿與圖頁(yè)表面正交的方向平行延伸。
在集管板(75)和微通道板(74)之間的接合面(B1)足以提供水密密封，但接合面(B1)不必提供低熱阻。因此，可以使用比如直接晶片接合、熔化接合、陽(yáng)極接合、玻璃粉接合、釬焊接合、聚合物粘結(jié)劑接合的接合方法，或任何其他適當(dāng)?shù)慕雍戏椒?，?lái)連接微通道和集管板(74)和(75)。而且，在微通道和集管板(74)和芯片(72)之間的接合面(B2)應(yīng)當(dāng)使用低熱阻接頭形成，從而實(shí)現(xiàn)從芯片(72)至微通道板(74)的的足夠熱傳導(dǎo)?？梢允褂玫蜔嶙杞宇^比如金屬接頭、釬焊接頭，或填充熱粘結(jié)劑比如Ag環(huán)氧樹脂，或其他連接方式，只要接合厚度足夠薄，且與所需的冷卻通量級(jí)別兼容。希望低熱阻接頭的熱阻小于0.2C-cm2/W，或優(yōu)選的是，小于或等于0.1C-cm2/W。而且，希望接合(B2)可以再加工，而使微通道冷卻器(71)可以從芯片(72)上取下，當(dāng)需要時(shí)，從而更換單獨(dú)的冷卻裝置(71)或更換芯片(72)。因此，釬焊接頭可以再加工，且如果釬料層接觸Ag環(huán)氧接頭，它也可以再加工。
集管板(75)的尺寸，比如厚度T1，和集管機(jī)構(gòu)的尺寸，比如流體通路(v)的深度d1和集管通道(C)的深度d2，可以與上述針對(duì)圖4D所述的那些相同。而且，微通道(77)的下凹深度d3可以與上述針對(duì)圖5A-B所述的那些相同。然而，在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，微通道板(74)的厚度T2可以使用各種方法減小(從0.75mm的典型硅晶片厚度)，從而使距離d4最小化，減小硅厚度上的溫度下降，從而增加封裝(70)的熱性能。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于200或300mm直徑的硅晶片來(lái)說(shuō)，厚度T2可以從0.75mm的典型厚度減小，而使距離d4約100微米。
可以采用各種方法來(lái)構(gòu)成圖7的封裝結(jié)構(gòu)(70)。通常，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，微通道板(74)和集管芯片(75)可以互相接合和測(cè)試，然后與芯片(72)的背面熱接合，其中微通道板(74)接觸芯片(72)的背面。更準(zhǔn)確地說(shuō)，在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，在晶片級(jí)別上，包含多個(gè)微通道板的第一晶片可以接合于含有多個(gè)對(duì)應(yīng)集管板的第二晶片。然后接合的晶片可以進(jìn)行拋光、磨削，和/或研磨，而使襯底變薄，在襯底上制造微通道板?；蛘?，含有多個(gè)微通道板的晶片可以在接合或切割之前首先變薄。在兩個(gè)晶片接合在一起的情況下，晶片可以切割而分出單獨(dú)的微通道冷卻裝置?；蛘?，含有微通道和集管板的晶片可以拋光、切割等，然后通過(guò)接合單獨(dú)的集管和微通道板可以制成單獨(dú)的微通道冷卻裝置。注意的是圖7中的微通道冷卻器(71)的外側(cè)尺寸可以稍大于芯片(72)的外側(cè)尺寸，從而使微通道冷卻器(71)在每一側(cè)稍延伸超過(guò)芯片(72)。這種稍延伸可以改善性能，因?yàn)榕c微通道冷卻器(71)的內(nèi)部區(qū)域相比，集管板(75)和微通道板(74)連接在一起的周邊區(qū)域減輕了冷卻。這種稍延伸可以使芯片(72)的背面接觸含有微通道的微通道冷卻器(71)的內(nèi)部區(qū)域。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，圖7的封裝結(jié)構(gòu)(70)的熱性能可以通過(guò)使芯片(72)的襯底變薄而進(jìn)一步改善，除了減小保留在微通道板(74)的微通道(77)下面的襯底材料厚度之外。例如，如上所述，與芯片(72)接合的微通道板(74)的表面可以拋光，而在微通道板上最深的蝕刻區(qū)域下方有僅約100微米的Si。而且，芯片(72)的厚度T3，例如處理器芯片，可以從約0.75mm的最初Si晶片厚度減小至約0.3mm。
上述的示例性微通道冷卻裝置實(shí)施例，比如圖7中的，包括通過(guò)連接分離的集管和微通道板形成的集成微通道冷卻裝置。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，集成微通道冷卻裝置包含由微通道和供應(yīng)/返回集管結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一塊板。例如，圖8A和8B是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，用于冷卻半導(dǎo)體芯片的設(shè)備(80)的示意圖，該設(shè)備包括與半導(dǎo)體芯片(82)的非活性表面熱接合的集成微通道冷卻器(81)，所述芯片可以是經(jīng)釬料球(83)接合于封裝襯底的倒裝芯片。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖8A示意地示出了沿一縱向線作出的IC封裝襯底(80)的剖面圖，所述縱向線沿與冷卻器(81)的熱交換器分區(qū)中的多個(gè)熱微翅片(84)和微通道(85)正交的方向延伸。而且，圖8B示意地示出了沿一縱向線的剖面圖，該縱向線(i)沿平行于在集成冷卻器(81)的熱交換器分區(qū)端部形成的Z字形流體集管結(jié)構(gòu)的方向延伸，且(ii)經(jīng)過(guò)在Z字形流體集管結(jié)構(gòu)一側(cè)上形成的多個(gè)流體通路(v)的每一個(gè)的中心。
換言之，在圖8A和8B中示出的集成微通道冷卻裝置(81)框架，將微通道板和集管板的功能和結(jié)構(gòu)組合在一個(gè)襯底層上。示例性微通道冷卻裝置(81)可以通過(guò)如上所述蝕刻通路圖案而形成，從而形成在冷卻器襯底(81)的一個(gè)表面上深度d1的流體通路(v)。然后，可以使用一或多個(gè)干式蝕刻步驟來(lái)形成集管通道(C)和熱微翅片(84)以及微通道(85)。如果集管通道(C)具有與微通道(85)相同的深度，即d2＝d3，那么集管通道(C)和微通道(85)可以利用相同的干式蝕刻步驟形成。或者，集管通道和微通道可以通過(guò)兩個(gè)分離且獨(dú)立的干式蝕刻步驟或兩個(gè)干式蝕刻步驟組合形成。
在圖8A和8B的示例性實(shí)施例中，集管通道(C)示為比微通道(85)更深(d2＞d3)。在該實(shí)施例中，可以使用兩個(gè)干式蝕刻步驟來(lái)形成更深的集管通道(C)(該通道比微通道(85)更深，大于RIE延遲產(chǎn)生的-更寬的特征比更窄的特征蝕刻更快)。利用這種結(jié)構(gòu)，由于冷卻流體與芯片(82)的直接接觸，制造工藝可以更簡(jiǎn)單，且性能可以改善。而且，熱微翅片(84)的翅片使用低熱阻接頭(B3)連接于芯片(82)。應(yīng)當(dāng)注意，利用這種設(shè)計(jì)，含有微通道的微通道冷卻裝置(81)的內(nèi)部區(qū)域比芯片(82)更小，因?yàn)橹苓厖^(qū)域需要一起密封兩者。注意的是，在周邊區(qū)域需要密封接合方法來(lái)形成密封。
圖9A-9C是本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的集成微通道冷卻裝置的示意透視圖。更準(zhǔn)確地說(shuō)，如上所述，圖9A示出了具有流體集管(91)的集管板(90)一部分的三維透視圖，該集管板包含Z字形圖案形成的集管通道(92)和多個(gè)形成通向集管通道(92)的開口的流體通路(v)。在流體通路(v)之間形成的集管通道(92)的通道片段(93)是錐形的。
圖9B示出了微通道板(94)的一部分的三維透視圖，該板可以接合于圖9A的集管板(90)，從而形成圖9C中所示的集成微通道冷卻設(shè)備。圖9B是從頂部看到的微通道板(94)的透視圖，其中為清楚起見，襯底示為半透明固體，示出了在襯底底面上以交錯(cuò)圖案形成的多個(gè)熱微翅片(95)。與上述示例性實(shí)施例相比，其中微通道在集管之間的每一熱交換器分區(qū)中是連續(xù)的，圖9B所示的交錯(cuò)微翅片圖案可以用于增加熱傳遞(與連續(xù)翅片相比)，通過(guò)使每一翅片片段脫去邊界層，從而每一翅片片段形成新邊界層。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)橫向混和(在通道之間)；這種結(jié)構(gòu)有助于防止由于通道堵塞造成的嚴(yán)重故障，且提供一種改善微翅片區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)均勻性的附加機(jī)構(gòu)。而且，如上所述，交錯(cuò)的熱微翅片圖案可用于增加芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域的冷卻能力。
圖9C示出了通過(guò)圖9A的集管板(90)和圖9B的微通道板(94)接合形成的集成微通道冷卻模塊的一部分的透視圖。尤其是，圖9C是從微通道板襯底(94)的頂面上看到的透視圖，為示例性說(shuō)明，該襯底示為半透明固體，其中熱微翅片(95)圖案在沿集管通道(92)對(duì)準(zhǔn)的區(qū)域R中是不連續(xù)的。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，微通道冷卻設(shè)備包括用于SCM和MCM封裝的流體分配集管，它們連接于分離的微通道冷卻裝置，所述冷卻裝置接合于芯片的背面，所述芯片倒裝芯片地接合于襯底上，以便向/從集成微通道冷卻裝置輸送冷卻劑流體。高性能芯片，例如，處理器，通常面向下安裝在封裝襯底上，所述襯底由陶瓷或有機(jī)材料制成，且含有多個(gè)布線層，使用微釬料球形成的區(qū)域陣列，比如C4’s。在多芯片模塊(MCM)中，許多芯片安裝在公共襯底上，而單芯片模塊(SCM)僅一個(gè)芯片連接于襯底上。陶瓷襯底在微小間距(～200微米)的C4s與第一級(jí)封裝襯底和印刷電路板，或第二級(jí)封裝之間的更粗間距的電連接之間提供了一種空間變化，所述電連接間隔約1mm。在第一和第二級(jí)封裝之間提供電連接的一種普通方式是平臺(tái)格柵陣列(LGA)，它們需要施加較大的壓力來(lái)啟動(dòng)LGA。
圖10和11是示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的流體分配集管的示意圖，該集管可用于SCM和MCM芯片封裝。示例性流體分配集管以這樣的方式設(shè)計(jì)，即通過(guò)使用可變截面的流體供應(yīng)/返回通道來(lái)向/從集成微通道冷卻裝置輸送冷卻劑流體，使總系統(tǒng)壓降最小化。而且，本發(fā)明的示例性實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了連接機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)提供了流體分配集管和集成微通道冷卻裝置之間的機(jī)械分離，從而避免C4’s上有過(guò)度的應(yīng)力，所述C4s使芯片連接于封裝襯底。更準(zhǔn)確地說(shuō)，為了當(dāng)流體分配集管固定于微通道冷卻器時(shí)提供機(jī)械順從性，在流體分配集管和微通道冷卻器之間提供機(jī)械順從的墊圈/密封件，從而密封這些元件之間的連接。機(jī)械順從性墊圈包含任何適當(dāng)?shù)目蓧嚎s材料，比如彈性體，或任何其他適當(dāng)?shù)牟牧?，?dāng)使冷卻劑輸送集管與微通道結(jié)構(gòu)的連接可以牢固地形成，同時(shí)容許集成電路芯片的高度差別時(shí)可以壓縮，且無(wú)需可能損壞芯片的較大壓力。順從性墊圈材料也可以附著于或接合于微通道冷卻器和流體分配集管，而使其不必保持在壓縮狀態(tài)，從而形成流體密封。
例如，圖10是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的流體分配集管裝置的平面示意圖，該集管裝置可以與利用上述用于單芯片模塊(SCM)的示例性集管板(40)形成的集成微通道冷卻裝置一起使用。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖10示出了一種示例性流體分配集管(100)，該集管包含殼體(101)，該殼體具有切割或形成的流體返回集管(102)和流體供應(yīng)集管(103)。流體返回集管(102)包含由水平剖面線區(qū)域示出的多個(gè)流體通道，流體供應(yīng)集管(103)包含由豎直剖面線區(qū)域示出的多個(gè)流體通道。而且，圓形區(qū)域(104)和(105)示出在固定于殼體(101)的蓋板(未示出)中形成的出口和入口的位置，從而形成與流體分配集管(100)的流體供應(yīng)/返回連接。
集管(100)包括多個(gè)在殼體(101)底面上的細(xì)長(zhǎng)矩形開口(106)和(107)，它們利用機(jī)械順從性墊圈連接于圖4C中的集管板(40)上對(duì)應(yīng)集管(Mi)的流體通路(v)。例如，在示例性實(shí)施例中，矩形開口(107)與輸入集管M2，M4和M6的流體通路對(duì)準(zhǔn)且連接，從而將冷卻劑流體供入微通道冷卻裝置中，且矩形開口(106)與輸出集管M1，M3，M5和M7的流體通路對(duì)準(zhǔn)且連接，用于接收從微通道冷卻裝置返回的加熱流體。
而且，如圖10所示，集管(102)和(103)形成可變截面的通道，從而保持流體流動(dòng)的速度接近穩(wěn)定，并減小動(dòng)態(tài)壓降。例如，與入口(105)對(duì)準(zhǔn)的供應(yīng)集管(103)的流體通道的截面積漸縮，而使通向矩形開口(107)的每一流體通道有均勻的輸入冷卻劑流體分布。而且，通向矩形開口(107)的流體通道也漸縮，而減小截面積，從而向沿連接的集成微通道冷卻器的輸入集管的輸入流體通路均勻地供應(yīng)冷卻劑流體。類似地，形成返回集管(102)的各流體通道設(shè)計(jì)有可變截面積，從而減小從連接的集成微通道冷卻器的輸出集管接收的返回流體的動(dòng)態(tài)壓降。例如，與輸出端口(105)對(duì)準(zhǔn)的供應(yīng)集管(102)的流體通道截面積漸縮，而實(shí)現(xiàn)輸出冷卻劑流體的均勻再分配，所述流體來(lái)自具有矩形開口(106)的每一流體通道。而且，從矩形開口(106)接收返回流體的流體通道也漸縮，從而減小截面積，實(shí)現(xiàn)冷卻劑流體的均勻流動(dòng)和再分配，所述流體來(lái)自沿著相連接的集成微通道冷卻器的輸出集管的出口流體通路。
應(yīng)當(dāng)理解，供應(yīng)/返回集管部分的截面積也可以通過(guò)改變這些部分的下凹深度而改變，除了或代之以改變通道的寬度，比如圖10所示。在一切情況下，流體通道的面積充分減小，通過(guò)保持冷卻劑流體的速度沿流體分配集管裝置(100)中的流體通道基本上恒定或非常接近恒定，減小動(dòng)態(tài)壓降。而且，雖然沒(méi)有特別示出，壓降的進(jìn)一步減小可以通過(guò)圓整輸入和輸出集管(102)和(103)的流體通道的拐角，減小流動(dòng)阻力而實(shí)現(xiàn)。
流體分配集管可以由任何適當(dāng)?shù)哪透g材料制成，比如銅或塑料或其他材料，其中輸入和輸出集管的流體通道可以銑削、鉆削、模制或其他方式在這些材料的毛坯上形成。流體分配集管(100)應(yīng)當(dāng)有足夠的尺寸，具有較大的可變截面，從而為相連接的集成微通道冷卻裝置的入口和出口集管適當(dāng)?shù)剌斔汀＿@種尤其更大的可變截面的集管不可能加工成集管板，主要是由于幾何尺寸限制，所述尺寸限制需要附加的截面積，從而形成更高的豎直尺寸，這不可能使用薄板實(shí)現(xiàn)，比如硅晶片。
圖11是本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的流體分配集管的平面示意圖。尤其是，圖11示出了普通流體分配集管(110)，該集管可以用于多芯片模塊(MCM)，所述模塊包含四個(gè)倒裝芯片接合的芯片形成的陣列，其中每一芯片具有連接于芯片的分離的集成微通道冷卻裝置，所述冷卻裝置形成有如圖4C所示的示例性集管板(40)。示例性流體分配集管(110)包含殼體(111)，該殼體具有兩個(gè)流體供應(yīng)集管(112)和(113)，它們供有來(lái)自蓋板(未示出)中形成的各入口(114)和(115)的冷卻劑流體，以及兩個(gè)流體返回集管(116)和(117)，它們將流體輸出至集管蓋中形成的出口(118)和(119)。示例性流體分配集管(110)包含四個(gè)集管部分(A，B，C和D)，它們與圖10的流體分配集管機(jī)構(gòu)(100)在結(jié)構(gòu)上相同。
流體供應(yīng)集管(112)和(113)包含多個(gè)由豎直剖面線區(qū)域示出的流體通道，它們?cè)跉んw(111)中切出或形成。流體供應(yīng)集管(113)將冷卻劑流體供應(yīng)至連接于集管部分A和B的2個(gè)集成微通道冷卻器，流體供應(yīng)集管(112)將冷卻劑流體供應(yīng)至連接于集管部分C和D的2個(gè)集成微通道冷卻器。更準(zhǔn)確地說(shuō)，流體供應(yīng)集管(113)包含具有多個(gè)矩形開口(120a)的流體通道區(qū)域，這些開口與連接于集管部分A的第一微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸入集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)，還包含具有多個(gè)矩形開口(120b)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分B的第二微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸入集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)。類似地，流體供應(yīng)集管(112)包含具有多個(gè)矩形開口(120c)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分C的第三微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸入集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)，還包含具有多個(gè)矩形開口(120d)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分D的第四微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸入集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)。
流體返回集管(116)和(117)包含由水平剖面線示出的多個(gè)流體通道，它們?cè)跉んw(111)上切出或形成。流體返回集管(116)接收從連接于集管部分A和C的2個(gè)集成微通道冷卻器返回的冷卻劑流體，流體返回集管(117)接收從連接于集管部分B和D的兩個(gè)集成微通道冷卻器返回的冷卻劑流體。更準(zhǔn)確地說(shuō)，流體返回集管(116)包含具有多個(gè)矩形開口(121a)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分A的第三微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸出集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)，且還包含具有多個(gè)矩形開口(121c)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分C的第三微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸出集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)。類似地，流體返回集管(117)包含具有多個(gè)矩形開口(121b)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分B的第二微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸出集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)，還包含具有多個(gè)矩形開口(121d)的流體通道區(qū)域，所述開口與連接于集管部分D的第四微通道冷卻裝置的對(duì)應(yīng)輸出集管的流體通路對(duì)準(zhǔn)。
所以，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例所述的流體分配系統(tǒng)，可用作微通道冷卻設(shè)備，包含利用順從性墊圈連接于一或多個(gè)微通道冷卻裝置的集管板(例如，集管板(40))的流體分配集管模塊(例如，100或110)，其中至少所述分配集管模塊和集管板具有可變截面(即，錐形)流體通道。所述順從性墊圈可能包含或不包含可變截面的流體通道。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，可以采用多種方法定制設(shè)計(jì)微通道冷卻裝置，為芯片的一或多個(gè)“熱點(diǎn)”區(qū)域(高于平均功率密度的區(qū)域)提供局部冷卻能力。更準(zhǔn)確地說(shuō)，對(duì)于具有非均勻功率密度分布(非均勻功率圖)的芯片來(lái)說(shuō)，通過(guò)提供能增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)的局部冷卻能力的集管和微通道機(jī)構(gòu)、圖案、排列等，可以定制設(shè)計(jì)本發(fā)明的集成微通道冷卻裝置。這些集成微通道冷卻裝置可以定制設(shè)計(jì)的方式根據(jù)比如芯片的尺寸、大小和/或數(shù)目的因素變化。現(xiàn)在將參照?qǐng)D12-16和17A-B描述本發(fā)明的多種示例性方法，設(shè)計(jì)增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力的微通道冷卻裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，圖12示意地示出了一種用于設(shè)計(jì)集成微通道冷卻裝置的方法，增強(qiáng)了芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力?？偟膩?lái)說(shuō)，圖12示出了一種示例性設(shè)計(jì)方法，其中集成微通道冷卻裝置可以設(shè)計(jì)有均勻的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供均勻的冷卻，所述冷卻對(duì)于芯片的預(yù)期平均功率密度來(lái)說(shuō)是足夠的，同時(shí)為芯片的“熱點(diǎn)”區(qū)域提供了增強(qiáng)的局部冷卻能力。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖12示出了具有均勻的、多區(qū)域的熱交換器結(jié)構(gòu)(類似于圖5B所示)的示例性微通道板(125)，其中區(qū)域(126)對(duì)應(yīng)于芯片的“熱點(diǎn)”區(qū)域。如上所述，示例性均勻微通道框架(均勻的微通道圖案和均勻間隔的I/O集管)能使流體均勻地流過(guò)所有熱交換器分區(qū)，并在芯片的表面上提供均勻的冷卻。
假定微通道板(125)設(shè)計(jì)為芯片的預(yù)期平均功率密度提供均勻的冷卻能力，如圖12所示，通過(guò)設(shè)計(jì)微通道板(125)而具有與芯片的熱點(diǎn)區(qū)域(126)對(duì)準(zhǔn)的輸入流體集管(127)，可以實(shí)現(xiàn)芯片熱點(diǎn)區(qū)域(126)的局部冷卻增強(qiáng)。圖12的示例性方法可以用于增強(qiáng)芯片“熱點(diǎn)”區(qū)域(126)的局部冷卻，例如，與微通道冷卻器設(shè)計(jì)所針對(duì)的芯片平均功率密度相比，“熱點(diǎn)”區(qū)域(126)具有較小的面積，適當(dāng)增加的功率密度。這是因?yàn)樵诘湫偷奈⑼ǖ览鋮s器設(shè)計(jì)中，沿微通道的長(zhǎng)度，流體溫度可能有較大的增加，直到約10℃，這取決于冷卻流體和構(gòu)造。所以，利用圖12的示例性方法，“熱點(diǎn)”的溫度可以減小約為流經(jīng)所述通道的流體獲得的溫度量。此外，圖12的示例方法提供了一種排列，其中熱點(diǎn)區(qū)域(126)的中心部分/軸線與微通道的入口對(duì)準(zhǔn)，其中局部熱傳遞系數(shù)大于通道長(zhǎng)度的其余部分，這有效地增強(qiáng)了熱點(diǎn)(126)的局部冷卻。
總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)注意的是，提供均勻冷卻能力的均勻的微通道冷卻結(jié)構(gòu)，比如圖12和5B所示，可以用于冷卻具有“熱點(diǎn)”區(qū)域的芯片，從而微通道冷卻器用于為“熱點(diǎn)”的預(yù)期高于平均功率密度的位置提供均勻的冷卻。然而，這種“均勻”設(shè)計(jì)方法可能對(duì)冷卻均勻“熱點(diǎn)”區(qū)域的芯片無(wú)效，因?yàn)樾枰乃骱蛪航当茸罴言O(shè)計(jì)方案增加。實(shí)際上，“高性能”微通道圖案(例如，微小間距的微通道，或由交錯(cuò)或中斷的微翅片形成的微通道(例如，圖17A-B)，具有高速流體流動(dòng))可能需要，從而充分地冷卻熱點(diǎn)，但這些圖案造成較大的壓降。
所以，更佳的微通道冷卻器設(shè)計(jì)方案將為具有大于平均功率密度的芯片“熱點(diǎn)”提供更高性能的微通道圖案，同時(shí)對(duì)功率密度減小(例如，平均功率密度)的芯片區(qū)域使用低性能的微通道圖案(例如，使用更小的微通道間距和更低的流速設(shè)計(jì))。利用這些方法，微通道冷卻裝置的結(jié)構(gòu)是“不均勻的”，但含有在與周圍區(qū)域相同的操作條件(即，對(duì)于每一熱交換器部分來(lái)說(shuō)相同的總壓降)下的區(qū)域，所述區(qū)域能冷卻更高的功率密度，且與芯片上的熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)。換言之，集成微通道冷卻裝置可以根據(jù)芯片的功率圖(功率密度分布)，通過(guò)改變相同和/或不同熱交換器分區(qū)內(nèi)的微通道性能，匹配芯片的(非均勻)功率圖，針對(duì)給定芯片定制設(shè)計(jì)。現(xiàn)在將參照?qǐng)D13-16和17A-B的示例性實(shí)施例描述本發(fā)明的多種方法，其中微通道性能變化，增強(qiáng)芯片的局部冷卻能力，所述芯片具有較大的熱點(diǎn)和/或具有與芯片的平均功率密度相比，更高功率密度的熱點(diǎn)。
例如，圖13示意地示出了一種根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的用于增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)區(qū)域局部冷卻能力的方法。尤其是，圖13示出了一種具有類似于圖12中所示的多分區(qū)熱交換器結(jié)構(gòu)的示例性微通道板(130)，其中區(qū)域(131)(熱點(diǎn)區(qū)域)對(duì)應(yīng)于芯片的“熱點(diǎn)”。然而，在圖13的示例性實(shí)施例中，芯片的熱點(diǎn)(131)假定具有與被冷卻芯片的平均功率密度相比明顯更高的功率密度，該功率密度可能使圖12的方法通過(guò)僅使輸入集管與熱點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)而不足以冷卻熱點(diǎn)。因此，在圖13的示例性實(shí)施例中，增強(qiáng)熱點(diǎn)區(qū)域(131)的局部冷卻可以通過(guò)使輸入集管(132)與熱點(diǎn)區(qū)域(131)對(duì)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)，以及通過(guò)使用中斷或交錯(cuò)的翅片(如圖17A或17B的示例性實(shí)施例中示意地所示)，改變圍繞對(duì)應(yīng)于熱點(diǎn)區(qū)域(131)的輸入集管(132)的所述部分的區(qū)域中的微通道圖案。
尤其是，圖17A示意地示出了中斷的微翅片圖案(170)，包含多排平行的微翅片(171，172，173)，它們間隔間距P。每排微翅片(171，172，173)包含多個(gè)較長(zhǎng)的微翅片結(jié)構(gòu)(174)，它們間隔沿所述排的在微翅片(174)之間的小間隙(G1)(中斷)，其中相鄰排的間隙(G1)交錯(cuò)。中斷的微翅片圖案(170)形成較長(zhǎng)的微通道，它們能使微通道之間的流體交叉混和。
另一方面，圖17B示意地示出了交錯(cuò)的微翅片圖案(175)，包含多排平行的微翅片(176，177，178，179，180)，其中每隔一排(例如排176和178)間隔同樣的間距P(如圖17A所示)。每排微翅片(176，177，178，179，180)包含較短的微翅片結(jié)構(gòu)(181)，具有沿所述排在微翅片(181)之間的間隙(G2)(中斷)，其中相鄰排的間隙(G2)交錯(cuò)。在圖17B的示例性實(shí)施例中，微翅片結(jié)構(gòu)(181)和間隙(G2)的長(zhǎng)度是相同的。在圖9B中所示的示例性微翅片圖案形成類似于圖17B所示的交錯(cuò)圖案。
回過(guò)來(lái)參照?qǐng)D13，包含交錯(cuò)微翅片圖案(如圖17B所示)的高性能微通道圖案可以用于熱點(diǎn)區(qū)域(131)，從而實(shí)現(xiàn)熱傳遞系數(shù)的2倍增加。熱傳遞速度的增加預(yù)計(jì)為兩個(gè)原因。首先，每一微翅片片段太短而不能產(chǎn)生展開流，因此，每一微翅片片段作用就象具有預(yù)期更高局部熱傳遞系數(shù)和壓降有幾分增加的短通道。此外，交錯(cuò)陣列向流體流中心線傳遞能量，同時(shí)保持周圍區(qū)域內(nèi)連續(xù)微翅片圖案的翅片間距，這樣作用就象熱學(xué)上更窄的通道。有利的是，在熱點(diǎn)區(qū)域(131)內(nèi)使用交錯(cuò)或中斷的翅片將使熱傳遞系數(shù)局部增加。但是因?yàn)樾薷牡某崞瑘D案與連續(xù)翅片的區(qū)域平行，所以流動(dòng)可以減輕，因?yàn)榕c連續(xù)翅片的區(qū)域相比，交錯(cuò)或中斷的翅片導(dǎo)致沿微通道的壓降增加。這種流動(dòng)減小可適用于功率密度的更大增加，當(dāng)限于翅片的小部分時(shí)，所述功率密度僅表示微通道冷卻器設(shè)計(jì)所針對(duì)的總功率的適當(dāng)部分。希望限制垂直于包含修改翅片圖案的區(qū)域內(nèi)的通道單位面積的流動(dòng)，直到小于包含正常翅片圖案的區(qū)域內(nèi)的約1/2?；蛘撸Ｍ拗瓢薷某崞瑘D案的區(qū)域內(nèi)的流體速度，直到小于包含正常翅片圖案的區(qū)域內(nèi)的約1/2。
然而，如上所述，“平行”連接的所有熱交換器分區(qū)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)有可變截面積，從而在熱交換器截面上有均勻的流體流動(dòng)，其中“平行”指的是它們都應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為在入口和出口集管和所述集管之間相同的壓降下工作。
圖14示意地示出了一種根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的用于增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力的方法。尤其是，圖14示出了具有6個(gè)分區(qū)的熱交換器結(jié)構(gòu)的示例性微通道板(140)，其中區(qū)域(141)(熱點(diǎn)區(qū)域)對(duì)應(yīng)于芯片的“熱點(diǎn)”。類似于圖13的方法，通過(guò)使輸入集管(142)與熱點(diǎn)區(qū)域(141)對(duì)準(zhǔn)，且形成用于熱點(diǎn)區(qū)域(141)的高性能微通道圖案(例如，中斷或交錯(cuò)的微翅片圖案)，實(shí)現(xiàn)局部冷卻。然而，圖14還示出了一種通過(guò)朝向與輸入集管(142)對(duì)準(zhǔn)的熱點(diǎn)區(qū)域(141)移動(dòng)/重新排布相應(yīng)輸出集管(143)和(144)的部分(143a)和(144a)，增強(qiáng)局部冷卻的方法。這種方法有效地減小了在與熱點(diǎn)區(qū)域(141)對(duì)準(zhǔn)的輸入集管(142)的所述部分和輸出集管(143)和(144)的重新排布部分(143a)和(144a)之間的熱交換器分區(qū)的微通道的通道長(zhǎng)度，而使具有縮短通道長(zhǎng)度的熱交換器分區(qū)的壓降基本上與這些熱交換器分區(qū)的其他區(qū)域內(nèi)的壓降相同，其中所述熱交換器分區(qū)的微通道更長(zhǎng)且連續(xù)(不中斷或交錯(cuò))。
利用圖14的示例性局部冷卻方法，假定熱交換器分區(qū)的數(shù)目不變，在集管部分(144a)和輸入集管(145)之間，以及集管部分(143a)和輸入集管(146)之間的熱交換器分區(qū)內(nèi)的微通道長(zhǎng)度將增加，從而減輕流動(dòng)，這樣冷卻這些區(qū)域。然而，根據(jù)芯片的功率圖，這樣可能可以接受。
圖15示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例所述的用于增加芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力的方法。尤其是，圖15示出了一種通常具有6個(gè)分區(qū)的熱交換器結(jié)構(gòu)的示例性微通道板(150)，其中區(qū)域(151)(熱點(diǎn)區(qū)域)對(duì)應(yīng)于芯片的“熱點(diǎn)”。圖15示出了一種用于增強(qiáng)更大的芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力的示例性微通道板(150)，其中在區(qū)域(151)內(nèi)形成附加集管，而使通道長(zhǎng)度可以局部減小。在圖15的示例性實(shí)施例中，形成六個(gè)熱交換器分區(qū)，用于冷卻那些具有平均功率密度的芯片區(qū)域。然而，在熱點(diǎn)區(qū)域(151)中，形成附加集管，而為單個(gè)熱點(diǎn)形成六個(gè)熱交換器分區(qū)。
圖16示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例所述的一種用于增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)區(qū)域的局部冷卻能力的方法。更準(zhǔn)確地說(shuō)，圖16示出了一種具有對(duì)應(yīng)于芯片的兩個(gè)較大“熱點(diǎn)”區(qū)域(161)和(162)的示例性微通道板(160)。在圖16的示例性實(shí)施例中，功率密度假定在芯片的熱點(diǎn)中非常高，而在芯片的剩余區(qū)域較小。微通道板(160)包含兩個(gè)熱交換器分區(qū)(163)和(164)，其中熱交換器分區(qū)(163)用于冷卻對(duì)應(yīng)于熱點(diǎn)區(qū)域(161)和(162)的芯片的更高功率密度區(qū)域，且熱交換器分區(qū)(164)用于冷卻芯片的較低功率密度區(qū)域。為了增強(qiáng)芯片熱點(diǎn)區(qū)域的冷卻能力，同時(shí)保持熱交換器分區(qū)(163)和(164)上的壓降基本上相同，熱交換器分區(qū)(163)設(shè)計(jì)有較短且細(xì)間距的微通道，但熱交換器分區(qū)(164)設(shè)計(jì)有較長(zhǎng)且粗間距的微通道。
在另一示例性實(shí)施例中，在較短的熱交換器分區(qū)(163)中可以形成兩種不同的微通道圖案。更準(zhǔn)確地說(shuō)，例如，可以在有兩虛線限定的區(qū)域(165)內(nèi)使用較高性能的微通道設(shè)計(jì)，這可能產(chǎn)生更高單位長(zhǎng)度壓降，但在圍繞所述區(qū)域(165)的熱交換器分區(qū)(163)的區(qū)域內(nèi)可以使用更低性能的微通道設(shè)計(jì)。而且，在圖16的示例性實(shí)施例中，高性能區(qū)域(165)內(nèi)的微通道總長(zhǎng)度和周圍低性能區(qū)域內(nèi)的總長(zhǎng)度對(duì)于更短熱交換器分區(qū)(163)內(nèi)的所有單獨(dú)微通道來(lái)說(shuō)都是相同的。高性能微通道區(qū)域(165)可以包括以多種方式之一形成圖案、形成結(jié)構(gòu)或排列的微通道。例如，區(qū)域(165)可包括更細(xì)間距的微通道，或以交錯(cuò)或中斷圖案形成的微翅片(如圖17A和17B)?；蛘?，區(qū)域(165)內(nèi)的微通道可以具有相同的間距，但減小了通道寬度。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，通過(guò)設(shè)計(jì)微翅片而延伸入集管區(qū)域(即延伸入小凹區(qū)域(R))，可以增強(qiáng)局部冷卻能力，雖然這些方法可以增大壓降，這取決于微翅片延伸入下凹區(qū)域有多遠(yuǎn)。在另一實(shí)施例，可以這樣設(shè)計(jì)熱微翅片，而使每隔一個(gè)翅片相對(duì)于其相鄰翅片具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，其中額外的長(zhǎng)度使翅片在集管板上入口/出口流體通路正下方結(jié)束。利用該實(shí)施例，一半翅片可用于增加入口流體通路的傳導(dǎo)路徑，并增加在出口流體通路下方具有流體停滯點(diǎn)的區(qū)域上的傳導(dǎo)冷卻，從而局部增強(qiáng)集管區(qū)域的整體冷卻能力，但在壓降上有適當(dāng)?shù)脑黾印?br> 雖然已經(jīng)參照附圖描述了示例性實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，所述系統(tǒng)和方法不限于那些精確的實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)多種其他變化和改進(jìn)，而沒(méi)有脫離本發(fā)明的范圍和主旨。所有這些變化和改進(jìn)都將包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻具有非均勻功率圖的IC(集成電路)芯片的集成微通道冷卻裝置，所述集成微通道冷卻裝置包含多個(gè)在集成冷卻裝置內(nèi)沿同一方向延伸的交替輸入和輸出集管；多個(gè)熱交換器分區(qū)，其中每一熱交換器分區(qū)包含多個(gè)熱微翅片，所述微翅片形成在相鄰輸入和輸出集管之間延伸的微通道的微通道圖案，所述微通道延伸從而在相鄰輸入和輸出集管之間形成流體路徑，其中一或多個(gè)熱交換器分區(qū)的微通道圖案變化，而提供對(duì)應(yīng)于IC芯片的預(yù)期功率圖的熱傳遞性能；其中所述輸入和輸出集管和熱交換器分區(qū)的微通道圖案被構(gòu)造成在對(duì)應(yīng)于IC芯片預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)的區(qū)域內(nèi)提供平均流體速度，該流體速度基本上與不對(duì)應(yīng)于IC芯片預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)其他區(qū)域的平均流體速度相同，或至少在約50％之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于至少所述集成微通道冷卻裝置的一個(gè)輸入集管被布置成與IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)。
3.如權(quán)利要求1所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于一或多個(gè)熱交換器分區(qū)的微通道圖案局部變化，而提供對(duì)應(yīng)于IC芯片的預(yù)期功率圖局部變化的熱傳遞性能。
4.如權(quán)利要求3所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于至少一個(gè)熱交換器分區(qū)包含微通道的第一圖案，該圖案提供對(duì)于IC芯片的預(yù)期平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能；還包含微通道的第二圖案，該圖案對(duì)應(yīng)于IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域布置，其中微通道的第二圖案提供了對(duì)于預(yù)計(jì)大于熱點(diǎn)的平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能。
5.如權(quán)利要求4所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于所述微通道的第一圖案包含連續(xù)的微通道，且微通道的第二圖案包含交錯(cuò)或中斷的微翅片圖案。
6.如權(quán)利要求4所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于微通道的第一圖案包含間隔第一間距的連續(xù)平行的微通道，且微通道的第二圖案包含間隔第二間距的連續(xù)平行的微通道，所述第二間距小于第一間距，更為優(yōu)選的是大于或等于第一間距的約一半。
7.如權(quán)利要求4所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于微通道的第一圖案包含間隔第一間距的交錯(cuò)或中斷的微翅片圖案，微通道的第二圖案包含間隔第二間距的交錯(cuò)或中斷的微翅片圖案。
8.如權(quán)利要求4所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于熱交換器分區(qū)的微通道的第一和第二圖案在相鄰輸入和輸出集管之間串聯(lián)排列。
9.如權(quán)利要求8所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于微通道的第一圖案包含如下限定的區(qū)域，在該區(qū)域中，與微通道的第一圖案單獨(dú)對(duì)比，垂直于串聯(lián)的微通道第一和第二圖案的每單位寬度的流體不被減少超過(guò)1/2。
10.如權(quán)利要求1所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于通過(guò)對(duì)一或多個(gè)熱交換器分區(qū)使用相同的第一微通道圖案，該圖案提供了對(duì)于IC芯片的預(yù)期平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能，且通過(guò)在對(duì)應(yīng)于IC芯片預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)中的至少一個(gè)第二微通道圖案，該圖案提供了對(duì)于預(yù)期大于芯片的平均功率密度的來(lái)說(shuō)足夠的增強(qiáng)熱傳遞性能，改變一或多個(gè)熱交換器分區(qū)的微通道圖案。
11.如權(quán)利要求10所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于第一微通道圖案包含具有在輸入和輸出集管之間延伸的第一長(zhǎng)度的連續(xù)微通道，且它們以第一間距間隔開，所述至少一個(gè)第二微通道圖案包含具有在輸入和輸出集管之間延伸的第二長(zhǎng)度的連續(xù)微通道，且它們以第二間距間隔開，其中第一長(zhǎng)度和間距大于第二長(zhǎng)度和間距。
12.如權(quán)利要求1所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于通過(guò)對(duì)一或多個(gè)熱交換器分區(qū)使用相同的第一微通道圖案，該圖案提供了對(duì)于IC芯片的預(yù)期平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的熱傳遞性能，且通過(guò)在對(duì)應(yīng)于IC芯片預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)中的至少第二和第三微通道圖案，所述圖案提供了對(duì)于預(yù)期大于芯片的平均功率密度來(lái)說(shuō)足夠的增強(qiáng)熱傳遞性能，改變一個(gè)或多個(gè)熱交換器分區(qū)的微通道圖案。
13.如權(quán)利要求12所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于第一微通道圖案包含具有在輸入和輸出集管之間延伸的第一長(zhǎng)度的連續(xù)微通道，且它們以第一間距間隔開，所述至少第二和第三微通道圖案在對(duì)應(yīng)于IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域的熱交換器分區(qū)上串聯(lián)布置，且至少第二和第三微通道圖案的總體比例對(duì)于熱交換器分區(qū)上的任何給定通道來(lái)說(shuō)基本上相同。
14.如權(quán)利要求13所述的集成微通道冷卻裝置，其特征在于所述至少第二微通道圖案基本上與IC芯片的預(yù)期熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)地布置，且提供對(duì)于IC芯片熱點(diǎn)區(qū)域的預(yù)期功率密度來(lái)說(shuō)足夠的第二熱傳遞性能，且第三微通道圖案位于圍繞所述第二微通道圖案的熱交換器分區(qū)的區(qū)域內(nèi)，且提供小于第二熱傳遞性能、但大于由第一微通道圖案提供的第一熱傳遞性能的第三熱傳遞性能。
15.一種用于冷卻電子器件的設(shè)備，包含集成微通道冷卻裝置，包含多個(gè)沿同一方向延伸的交替的輸入和輸出集管，其中在每相鄰的輸入和輸出集管之間形成至少一個(gè)熱交換器分區(qū)，且每一熱交換器分區(qū)包含形成微通道的多個(gè)熱微翅片，所述微通道形成在相鄰集管之間的流體流動(dòng)路徑；具有與集成微通道冷卻裝置熱接合的非活性表面的IC(集成電路)芯片，其中所述IC芯片和集成微通道冷卻器接合，而使集成微通道冷卻器的輸入集管與IC芯片的熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于所述輸入集管與熱點(diǎn)區(qū)域的中心點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。
17.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于相鄰集管之間的距離在與所述熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)的區(qū)域內(nèi)減小，在熱交換器分區(qū)的不同區(qū)域內(nèi)，垂直于微通道的每單位寬度的流動(dòng)不會(huì)變化超過(guò)1/2。
18.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于在IC芯片上的集成微通道冷卻裝置的熱交換器分區(qū)數(shù)目變化，而使在與IC芯片的熱點(diǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)的集成微通道冷卻裝置的部分內(nèi)熱交換器分區(qū)的數(shù)目增加，增強(qiáng)所述熱點(diǎn)區(qū)域的冷卻。
全文摘要
用于比如IC芯片的電子器件微通道冷卻的設(shè)備和方法，它們能實(shí)現(xiàn)具有非均勻功率密度分布的高功率密度電子器件有效且低操作電壓的微通道冷卻，所述電子器件面向下安裝在封裝襯底上。例如，用于冷卻IC芯片的集成微通道冷卻裝置(或微通道散熱器裝置)用于提供均勻的冷卻劑流體流動(dòng)和分配，并使冷卻劑流動(dòng)路徑上的壓降最小，以及為具有更高平均功率密度的IC芯片的高功率密度區(qū)域(或“熱點(diǎn)”)提供可變的局部冷卻能力。
文檔編號(hào)H01L23/473GK1728365SQ200510078689
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月1日
發(fā)明者R·J·貝扎馬, E·G·科爾根, J·H·梅格萊因, R·R·施密特 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司