一种微型冷却单元及其集成方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种微型冷却单元及其集成方法和装置，该微型冷却单元包括硅基片和玻璃盖板，硅基片和玻璃盖板通过阳极键合形成内部流道；硅基片中间区域为冷却液流动换热区域，布置有由多个散热翅片组成的微通道阵列，冷却液流动换热区域两端分别为整流区，布置有导流翅片，散热翅片和导流翅片均采用干法刻蚀工艺实现；玻璃盖板的左右两端设置有对应于硅基片中的整流区正中位置的孔，用于冷却液的进出；微型冷却单元的上表面和下表面均为金属化表面。集成方法包括半导体功率芯片的低热阻键合、半导体功率芯片接地及微型冷却单元到盒体的水密性封装。本发明专利技术的微型冷却单元具有高深宽比的流道，在提高散热效率和降低流阻方面优势凸显。

【技术实现步骤摘要】
一种微型冷却单元及其集成方法和装置
本专利技术涉及电子设备散热
，尤其涉及一种微型冷却单元及其集成方法和装置。
技术介绍
针对大功率、气密性的功能单元，近几年出现的新的封装形式如系统级封装(SiP)、基于封装的系统(SoP)集成方式等，由于其尺寸小、密度高、功能复杂，传统的冷却技术和散热集成装置已经不适用，另外，整个功能单元及系统的封装形式从材料体系上必须更加注重热膨胀系数不匹配所带来的问题，导致传统的大尺寸金属基微通道问题会更加突出，材料体系和系统体积决定了传统的散热/冷却技术已明显受限，必须采用合适的散热方式，保证设备内部温度敏感性电子元器件的温度低于正常工作的极限温度。现有的硅基微通道加工工艺及散热技术的专利如：硅基微通道换热器，专利号：CN1558448A；具有电流体动力微泵的硅基微通道换热器及其制造方法，专利号：CN103839905A，重点集中在微通道冷却单元制造本身，旨在打通单元级的工艺实现路径。而比较典型的解决微通道散热集成的专利如：一种硅基微通道散热器集成冷却装置，专利号：CN104201158A，提出了将硅基微通道散热器集成到盒体中，但使用范围非常受限，并未解决芯片接地和贴装的水密性问题，这些典型的技术并未提出一套完整的高可靠性的、散热能力强的、流阻特性好的集成冷却系统解决方案。从前面描述可知，现有冷却单元制作及集成解决方案中，芯片的使用范围受限、散热系统的性能欠佳，在实际工程中存在以下问题：1)未考虑集成冷却中功率芯片的接地问题；2)功率芯片在使用中的热界面问题；3)冷却液在进出口处的水密性问题及长期使用中焊接界面的耐冲刷、腐蚀问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出一种微型冷却单元及其集成方法和装置，可以解决目前高功率、高热流密度半导体芯片的散热难题。本专利技术通过硅微加工和阳极键合的方法，实现高深宽比流道结构的硅-玻璃基微型冷却单元，通过优化半导体功率芯片集成的界面热阻、半导体功率芯片接地实现方式及微型冷却单元到盒体的水密性封装，有效保证半导体功率芯片及器件的正常工作。本专利技术提供的一种微型冷却单元，其特征在于，包括硅基片和玻璃盖板，硅基片和玻璃盖板通过阳极键合集成在一起；硅基片中间区域为冷却液流动换热区域，布置有由多个散热翅片组成的微通道阵列，冷却液流动换热区域两端分别为整流区，布置有导流翅片，散热翅片和导流翅片均采用干法刻蚀工艺实现；玻璃盖板的左右两端设置有对应于硅基片中的整流区正中位置的孔，用于冷却液的进出；微型冷却单元的上表面和下表面均为金属化表面。进一步，相邻散热翅片之间的微通道宽为20um-100um。进一步，微通道的形状为直通道、周期间断直通道、蛇形通道或者周期圆柱通道。本专利技术的另一方面提供的一种如上所述的微型冷却单元的集成方法，包括：将半导体功率芯片通过低热阻键合方式集成到微型冷却单元的金属化表面；将半导体功率芯片接地；将微型冷却单元水密性封装到盒体，盒体底板内设置有冷却液分配管路，盒体外侧面设置有冷却液入口和冷却液出口，盒体底板上设置有单个或阵列化的小方槽，微型冷却单元安装在小方槽内，小方槽底部设置有两个开口，用于实现微型冷却单元的冷却液入口和冷却液出口与盒体底板内的冷却液分配管路连通，盒体底板内的冷却液分配管路将冷却液分配到每个微型冷却单元的通道内。进一步，低热阻键合的具体方法为：通过纳米烧结银浆工艺实现界面材料，材料本身包括纳米银和粘结剂。进一步，将半导体功率芯片接地的具体方法为：将半导体功率芯片上的源极、漏极和栅极键合点以引线键合的方式与微型冷却单元上金属化表面连接；并在微型冷却单元的四个边角处裹上金带，实现微型冷却单元上金属化表面与微型冷却单元下金属化表面的连接。进一步，金带采用平行微隙焊的方式进行压带。进一步，在微型冷却单元玻璃盖板的孔部位加工台阶限位结构，在盒体小方槽的开口部位加工凹槽限位结构，所述台阶限位结构与凹槽限位结构完全匹配。本专利技术的另一方面提供的一种微型冷却单元的集成装置，包括如上所述的微型冷却单元、半导体功率芯片和盒体，半导体功率芯片通过低热阻键合方式集成到微型冷却单元的金属化表面，且半导体功率芯片接地；微型冷却单元水密性封装到盒体，盒体底板内设置有冷却液分配管路，盒体外侧面设置有冷却液入口和冷却液出口，盒体底板上设置有单个或阵列化的小方槽，微型冷却单元安装在小方槽内，小方槽底部设置有两个开口，用于实现微型冷却单元的冷却液入口和冷却液出口与盒体底板内的冷却液分配管路连通，盒体底板内的冷却液分配管路将冷却液分配到每个微型冷却单元的流道内。进一步，低热阻键合方式的界面材料通过纳米烧结银浆工艺实现，材料本身包括纳米银和粘结剂。进一步，半导体功率芯片接地的方式为：半导体功率芯片上的源极、漏极和栅极键合点以引线键合的方式与微型冷却单元上金属化表面连接；微型冷却单元上金属化表面通过微型冷却单元四个边角处的金带与微型冷却单元下金属化表面连接。进一步，金带采用平行微隙焊的方式进行压带。进一步，微型冷却单元玻璃盖板的孔部位加工有台阶限位结构，盒体小方槽的开口部位加工有凹槽限位结构，所述台阶限位结构与凹槽限位结构完全匹配。与现有技术相比，本专利技术实现了完整可靠的散热解决方案，集成界面热阻低，能保证完好的芯片接地，克服了硅、玻璃基板金属化通孔互连接地深度受限制的约束，所采用的限位结构水密性好，能实现精准对位、防止焊料阻塞进出孔和避免冷却液腐蚀焊料等问题，工程实用化强。附图说明本专利技术将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：图1为微型冷却单元的结构示意图；图2(1)-2(4)分别为直通微通道结构、周期间断直通微通道结构、蛇形微通道结构和周期圆柱微通道结构的示意图；图3为半导体功率芯片集成到微型冷却单元并实现半导体功率芯片接地的整体结构正面示意图；图4为半导体功率芯片集成到微型冷却单元并实现半导体功率芯片接地的整体结构背面示意图；图5为盒体及微型冷却单元集成到盒体上的结构示意图；图6为微型冷却单元集成到盒体的整体示意图。图中标记：3-微型冷却单元；31—硅基片；311—微通道阵列；312—整流区；313—导流翅片；32—玻璃盖板；321—微型冷却单元冷却液入口；322—微型冷却单元冷却液出口；314—微型冷却单元上金属化表面；33—半导体功率芯片；34—金丝；35—低热阻键合界面材料；323—台阶限位结构；324—微型冷却单元下金属化表面；36—接地金带；1—盒体；11—盒体冷却液入口；12—盒体冷却液出口；13—盒体上小方槽冷却液入口；14—盒体上小方槽冷却液出口；15—小方槽；16—凹槽限位结构；17—盒体底板；18—冷却液分配管路；2—密封盖板。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。本专利技术所要解决的问题是目前高功率、高热流密度半导体功率芯片的散热难题，通过硅微加工和阳极键合的方法，实现高深宽比通道结构的硅-玻璃基微型冷却单元，并提出一整套面向工程化应用的微型冷却单元集成方法及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型冷却单元，其特征在于，包括硅基片和玻璃盖板，硅基片和玻璃盖板通过阳极键合集成在一起；硅基片中间区域为冷却液流动换热区域，布置有由多个散热翅片组成的微通道阵列，冷却液流动换热区域两端分别为整流区，布置有导流翅片，散热翅片和导流翅片均采用干法刻蚀工艺实现；玻璃盖板的左右两端设置有对应于硅基片中的整流区正中位置的孔，用于冷却液的进出；微型冷却单元的上表面和下表面均为金属化表面。

【技术特征摘要】
1.一种微型冷却单元，其特征在于，包括硅基片和玻璃盖板，硅基片和玻璃盖板通过阳极键合集成在一起；硅基片中间区域为冷却液流动换热区域，布置有由多个散热翅片组成的微通道阵列，冷却液流动换热区域两端分别为整流区，布置有导流翅片，散热翅片和导流翅片均采用干法刻蚀工艺实现；玻璃盖板的左右两端设置有对应于硅基片中的整流区正中位置的孔，用于冷却液的进出；微型冷却单元的上表面和下表面均为金属化表面。2.根据权利要求1所述的一种微型冷却单元，其特征在于，相邻散热翅片之间的微通道宽为20um-100um。3.根据权利要求1所述的一种微型冷却单元，其特征在于，微通道的形状为直通道、周期间断直通道、蛇形通道或者周期圆柱通道。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的微型冷却单元的集成方法，其特征在于，包括：将半导体功率芯片通过低热阻键合方式集成到微型冷却单元的金属化表面；将半导体功率芯片接地；将微型冷却单元水密性封装到盒体，盒体底板内设置有冷却液分配管路，盒体外侧面设置有冷却液入口和冷却液出口，盒体底板上设置有单个或阵列化的小方槽，微型冷却单元安装在小方槽内，小方槽底部设置有两个开口，用于实现微型冷却单元的冷却液入口和冷却液出口与盒体底板内的冷却液分配管路连通，盒体底板内的冷却液分配管路将冷却液分配到每个微型冷却单元的通道内。5.根据权利要求4所述的一种微型冷却单元的集成方法，其特征在于，低热阻键合的具体方法为：通过纳米烧结银浆工艺实现界面材料，材料本身包括纳米银和粘结剂。6.根据权利要求4所述的一种微型冷却单元的集成方法，其特征在于，将半导体功率芯片接地的具体方法为：将半导体功率芯片上的源极、漏极和栅极键合点以引线键合的方式与微型冷却单元上金属化表面连接；并在微型冷却单元的四个边角处裹上金带，实现微型冷却单元上金属化表面与微型冷却单元下金属化表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈显才，李阳阳，林佳，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51