一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，通过集成有热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件，实现整个系统的集成式生产、安装和维护。本发明专利技术中的热沉高温电极板，一方面是芯片散热的热沉部件，通过液态电解质充分冷却芯片，保证了散热面积，有效解决了传统芯片热管理效能不足；另一方面，热沉高温电极板与低温电极板组成热电化学反应器，利用芯片产热产生温度差，激活所选用的电解质发生氧化还原反应，产生电能给芯片供能，解决了传统芯片及其供能模块耦合性低的问题。从组件物理规模上，充分利用了芯片封装的内部垂直空间，预计该技术可将芯片组件体积压缩百万倍。缩百万倍。缩百万倍。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件


[0001]本专利技术属于电子芯片集成结构
，具体地说涉及一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件。

技术介绍

[0002]随着芯片功率和集成度的提高，超高热流密度芯片组件的热设计和热控制成为芯片技术发展的瓶颈问题。如果不能有效地解决电子器件与设备产生的废热及时排散和温度控制问题，会导致电子器件温度升高，引起器件工作性能下降，甚至超过其允许的极限工作温度而烧毁失效，严重影响电子器件与设备的工作性能与可靠性。以三维集成电路性能与温度的关系为例，随着电子器件温度的增加，芯片电路组件的输出功率和功率增益效率都在不断下降，电子器件性能与其温度存在密切关联，器件工作温度水平也是影响其失效和寿命的关键因素之一。
[0003]热电化学(Thermo
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electrochemical，TEC)，是在电极之间施加的温差下产生稳定的电流。如果氧化还原反应熵的符号为负，则将较高温度(热)的电极指定为阳极；和冷电极作为阴极，反之亦然。在水性或非水性溶液或固态膜中填充氧化还原电解质的反应池中产生与电解质的氧化还原反应熵成比例的电压。热电池具有高比能量、高比功率、使用环境温度宽、储存时间长、结构紧凑等一些特点，使其成为现代电子设备非常理想的供能电源。
[0004]因此，芯片基板一体化散热是解决未来超大功率芯片散热瓶颈问题的重要发展技术路线。目前，尚未有将芯片元件与热电化学模块集成的设计结构，能够同时实现芯片的供能与散热，因此，如何耦合不同部件的设计构建和协同运行，提高芯片的系统能效是本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术种存在的不足，本专利技术提出了一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，通过对作为供能单元和吸热单元的热电化学电池的极板结构优化，以及对作为用能单元与散热单元的芯片集成构造设计，能够保证极板热沉内单相流动换热性能的同时又能够驱动热电化学反应进行，协同实现对芯片组件的供能与散热。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，包括热沉高温电极板单元、低温电极板单元、芯片单元和电流传导单元；
[0007]所述热沉高温电极板单元外侧实体面，用于装配芯片单元或芯片阵列，其内侧设有微通道；所述低温电极板单元外侧实体面，内侧设有微通道；热沉高温电极板单元和低温电极板单元组成的单电池槽设置为封闭型或流动池型；
[0008]所述热沉高温电极板单元和低温电极板单元通过电流传导单元与芯片单元实现电气互连。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：通过集成有热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件，实现整个系统的集成式生产、安装和维护。本专利技术中所述的热沉高温
电极板，一方面是芯片散热的热沉部件，通过液态电解质充分冷却芯片，保证了散热面积，有效解决了传统芯片热管理效能不足。另一方面，热沉高温电极板与低温电极板组成热电化学反应器，利用芯片产热产生温度差，激活所选用的电解质发生氧化还原反应，产生电能给芯片供能，解决了传统芯片及其供能模块耦合性低的问题。部分回收利用了芯片余热并削减了芯片散热负荷，协同运行获得系统收益。从组件物理规模上，充分利用了芯片封装的内部垂直空间，预计该技术可将芯片组件体积压缩百万倍。
附图说明
[0010]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0011]图1为本专利技术实施例的具有单层热沉高温电极板的流动型热电化学电池的芯片供能与散热协同组件的系统示意图。
[0012]图2为本专利技术实施例的刻蚀有微通道结构的热沉高温电极板俯视图。
[0013]图3为本专利技术实施例的具有集成有多个热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件的阵列板。
[0014]附图标记说明：1.芯片单元、2.电流传导单元、3.热沉高温电极板单元、4.低温电极板单元、5.含有氧化态组分和还原态组分的电解液、6.电解质进口管、7.电解质出口管、8.低温储液罐、9.恒温水浴箱、10.循环泵、11.高温储液罐、12、测温模块I、13.流量计、14.测温模块II、15.组件集成板。
具体实施方式
[0015]如图1所示，一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，包括热沉高温电极板单元3、芯片单元1、低温电极板单元4、电流传导单元2及流动管路。
[0016]所述热沉高温电极板单元3提供电解质流动的路径，高温电极作为芯片热沉，吸热后高温电极处电解质温度升高，相对低温电极板单元4产生温度梯度，驱动氧化还原反应，通过外部电流传导单元2传输电子产生电流。
[0017]进一步地，热沉高温电极板单元3作为芯片热沉，与芯片通过低界面热阻的热界面材料直接接触散热。其外侧实体面，即非流动电解质接触面，可装配芯片或芯片阵列，形成三维堆叠芯片组件，芯片集成度进一步增强，满足轻便、紧凑、集成的芯片先进热管理要求。
[0018]进一步地，根据实际功率与散热需求，流动电解液工质含有氧化态组分和还原态组分，支撑液选用水系或非水系流体。
[0019]所述低温电极板单元4，与热沉高温电极板单元3及其中电解质工质，构成完整热电化学电池反应池。低温电极板单元4外侧实体面，即非流动电解质接触面，可与大气环境或其他低温冷源接触放热。放热后低温电极处电解质温度降低，相对高温电极板产生温度梯度，驱动氧化还原反应，通过外部电流传导单元2传输电子产生电流。
[0020]进一步地，所述高温电极板单元3与低温电极板单元4可使用多层复合材料以制作芯片热沉接触层与氧化还原反应接触电极表面，或采用一体化集成材料。
[0021]进一步地，所述高温电极板单元3与低温电极板单元4可选用平板电极、翅片电极和针状电极等提高与电解质溶液接触比表面积。
[0022]进一步地，所述高温电极板单元3与低温电极板单元4组成的单电池槽可容纳的电解质体积为0.1mL
‑
50mL，相应设计选取热沉高温电极板和低温电极板外围轮廓尺寸。
[0023]进一步地，所述高温电极板单元3与低温电极板单元4两侧集成电流传导单元2，实现热化学电池与芯片的电气互连。所述电流传导单元可选用集流板，集流导线或贯穿硅通孔(Through Silicon Vias,TSV)。
[0024]更进一步地，由高温电极板单元3与低温电极板单元4组成的热电化学反应单电池槽可设置为封闭型或流动池型。
[0025]更进一步地，所述流动池型高温电极板单元3与低温电极板单元4上通过刻蚀工艺制得微通道结构，可选用蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道。
[0026]更进一步地，所述流动池型高温电极板3和低温电极板4上在任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，其特征在于，包括热沉高温电极板单元(3)、低温电极板单元(4)、芯片单元(1)和电流传导单元(2)；所述热沉高温电极板单元(3)外侧实体面，用于装配芯片单元(1)或芯片阵列，其内侧设有微通道；所述低温电极板单元(4)外侧实体面，内侧设有微通道；热沉高温电极板单元(3)和低温电极板单元(4)组成的单电池槽设置为封闭型或流动池型；所述热沉高温电极板单元(3)和低温电极板单元(4)通过电流传导单元(2)与芯片单元(1)实现电气互连。2.根据权利要求1所述的基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，其特征在于，在任意实体面的对角设置电解质进口管(6)与电解质出口管(7)，电解质通过电解质进口管(6)流经热沉高温电极板单元(3)、低温电极板单元(4)上微通道，通过电解质出口管(7)流出，用于对芯片单元(1)散热。3.根据权利要求2所述的基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，其特征在于，电解液从低温储液罐(8)通过循环泵(10)经由电解质进口管(6)泵入热沉高温电极板单元(3)、低温电极板单元(4)内，低温储液罐(8)与循环泵(10)之间设置恒温水浴箱(9)，控制电解液温度为10
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20℃。4.根据权利要求3所述的基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件，其特征在于，流动池型中...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡定华，李强，张牧星，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：