一种三维集成电路微通道-PCB一体化散热系统

一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统
技术领域
1.本实用新型属于三维集成电路散热技术领域，具体涉及一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统。


背景技术：

2.随着集成电路产业的持续发展，进一步缩小半导体器件尺寸逐渐带来更严峻的挑战。三维集成电路利用摩尔定律通过堆叠的方式扩展了芯片的集成度，通过硅通孔实现层与层之间的信号联通，缩短了互连线长，降低了芯片功耗，并且可以集成各种功能模块，显著提高了芯片性能。然而，三维集成的同时也造成了电路功率密度的增加，带来了更加严峻的散热问题。散热不充分导致温度上升，芯片的运行性能下降，严重时可造成电路功能失效，所以有效散热是三维集成电路实现长足发展必须解决的问题。目前用于三维集成电路散热的主要方法有以下两种：第一种是通过插入热通孔将芯片内部的热量转移到热沉实现散热，但是热通孔的插入占用了大量的芯片面积，同时散热效率较低；另一种方法通过在芯片衬底蚀刻冷却微通道，并注入循环冷却的流体将热量转移，直接在芯片内部嵌入流体冷却是一种很好的散热方法，可实现更高效的热管理，然而，目前含有三维集成电路芯片的器件和冷却都是分开处理的，导致散热系统的占用空间和散热性能受到很大限制。


技术实现要素：

3.针对上述情况，本实用新型设计了一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，通过将含有三维集成电路芯片的电子设备集成为微流体冷却一体化系统，使得嵌入式冷却的节能潜力得到进一步开发，解决现有三维集成电路芯片散热系统与电子器件分离导致的系统体积大，散热效率低的问题。
4.为了实现以上目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，包括三维集成电路芯片以及配合对其进行循环冷却降温的散热系统，所述散热系统包括pcb板和冷却泵送装置，所述pcb板由底部基板层、流体分配层和器件安装层自下而上印刷制成，所述三维集成电路芯片和冷却泵送装置安装在器件安装层上方，三维集成电路芯片内设置有用于循环流通冷却剂的若干流体微通道，三维集成电路芯片两侧设置有流体出口和流体入口，各流体微通道的两端分别与流体出口和流体入口相连通，所述器件安装层上设置有与流体出口和流体入口对应连通的流体流出通道一和流体流入通道一，所述流体分配层上设置有与流体流出通道一和流体流入通道一对应连通的流体流出通道二和流体流入通道二，器件安装层上还设置有与流体流出通道二和流体流入通道二对应连通的流体回流接口和流体输入接口，所述冷却泵送装置上设置有流体回收接口和流体输出接口，所述流体回收接口和流体输出接口分别与流体回流接口和流体输入接口对应连通。
6.进一步地，所述冷却泵送装置内部设置有用于对冷却剂进行冷却降温的冷却器和用于对冷却剂进行循环输送的循环泵，以及用于暂存冷却剂的暂存池，冷却器的流入口与
流体回收接口连接，冷却器的流出口连接至暂存池，循环泵的输入口与暂存池连接，循环泵的输出口与流体输出接口连接。冷却剂可以采用液体冷却剂也可以采用气体冷却剂，冷却剂采用液体冷却剂时，循环泵对应为电动水泵，冷却剂采用气体冷却剂时，循环泵对应为电动气泵，冷却泵送装置固定在pcb板的器件安装层上，冷却剂及冷却泵送装置均为芯片散热技术领域中的现有技术，具体设置在此不再赘述。
7.进一步地，所述流体流出通道一、流体流入通道一、流体流出通道二和流体流入通道二的内侧壁与冷却剂之间绝缘。
8.进一步地，所述三维集成电路芯片通过多个水平排列的焊接球连接安装在pcb板的器件安装层上。
9.进一步地，所述流体微通道采用歧管式微通道结构，歧管式微通道结构为芯片散热技术领域中的现有技术，具体设置在此不再赘述。
10.本实用新型还包括能够使其正常使用的其它组件，均为本领域的常规手段，另外，本实用新型中未加限定的装置或组件，如三维集成电路芯片、pcb板、冷却剂及冷却泵送装置等，均采用本领域的现有技术。
11.本实用新型的有益效果如下：
12.本实用新型提供的三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，通过在三维集成电路芯片中设置一体化冷却剂循环流通散热系统，实现芯片运行在正常工作温度范围，避免高温对芯片造成影响，微通道采用歧管微通道结构，有效解决散热效率低的问题，大幅提升散热性能，有利于保证芯片的正常使用寿命。整体采用芯片散热一体化结构，缩小了散热系统需要的占用空间，解决了三维集成电路尺寸不断减小，散热空间不足的问题。
附图说明
13.图1为实施例中三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统的结构示意图。
14.图2为图1中三维集成电路芯片及其内部流体微通道的结构示意图。
具体实施方式
15.下面将结合具体的实施例，对本实用新型的技术方案进行清晰完整地描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的部分实施例，而非全部实施例。
16.实施例
17.如图1所示，一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，包括三维集成电路芯片4以及配合对其进行循环冷却降温的散热系统，所述散热系统包括pcb板和冷却泵送装置，所述pcb板由底部基板层1、流体分配层2和器件安装层3自下而上印刷制成。
18.如图2所示，所述三维集成电路芯片和冷却泵送装置安装在器件安装层上方，三维集成电路芯片内设置有用于循环流通冷却剂的若干流体微通道10，三维集成电路芯片两侧设置有流体出口16和流体入口15，各流体微通道的两端分别与流体出口和流体入口相连通。
19.所述器件安装层上设置有与流体出口和流体入口对应连通的流体流出通道一18和流体流入通道一17，所述流体分配层上设置有与流体流出通道一和流体流入通道一对应连通的流体流出通道二12和流体流入通道二11，器件安装层上还设置有与流体流出通道二
和流体流入通道二对应连通的流体回流接口5和流体输入接口6，所述冷却泵送装置上设置有流体回收接口13和流体输出接口14，所述流体回收接口和流体输出接口分别与流体回流接口和流体输入接口对应连通。
20.所述冷却泵送装置内部设置有用于对冷却剂进行冷却降温的冷却器和用于对冷却剂进行循环输送的循环泵，以及用于暂存冷却剂的暂存池，冷却器的流入口与流体回收接口连接，冷却器的流出口连接至暂存池，循环泵的输入口与暂存池连接，循环泵的输出口与流体输出接口连接。
21.所述pcb板采用多层印刷电路板结构，其内部蚀刻嵌设有用于流通冷却剂的沟槽式流体循环流动通道，pcb板上安装具有冷却和泵送冷却剂的装置，以及连接冷却泵送装置与流体循环流动通道的冷却剂输出管道8和回流管道7，三维集成电路芯片的内部流体微通道两端分别通过其内嵌式的流体出口和流体入口与流体循环流动通道相连通，形成一体化的三维集成电路芯片的冷却剂循环散热系统。
22.所述三维集成电路芯片通过多个水平排列的焊接球连接安装在pcb板的器件安装层上。所述流体流出通道一、流体流入通道一、流体流出通道二和流体流入通道二的内侧壁与冷却剂之间绝缘。所述流体微通道采用歧管式微通道结构，其热通量相较于直型微通道能够提升数倍。
23.本实用新型的技术方案并不限于上述具体实施例的限制，在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，包括三维集成电路芯片以及配合对其进行循环冷却降温的散热系统，其特征在于：所述散热系统包括pcb板和冷却泵送装置，所述pcb板由底部基板层、流体分配层和器件安装层自下而上印刷制成，所述三维集成电路芯片和冷却泵送装置安装在所述器件安装层上方，三维集成电路芯片内设置有用于循环流通冷却剂的若干流体微通道，三维集成电路芯片两侧设置有流体出口和流体入口，各流体微通道的两端分别与流体出口和流体入口相连通，所述器件安装层上设置有与流体出口和流体入口对应连通的流体流出通道一和流体流入通道一，所述流体分配层上设置有与流体流出通道一和流体流入通道一对应连通的流体流出通道二和流体流入通道二，所述器件安装层上还设置有与流体流出通道二和流体流入通道二对应连通的流体回流接口和流体输入接口，所述冷却泵送装置上设置有流体回收接口和流体输出接口，所述流体回收接口和流体输出接口分别与流体回流接口和流体输入接口对应连通。2.根据权利要求1所述的一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，其特征在于：所述冷却泵送装置内部设置有用于对冷却剂进行冷却降温的冷却器和用于对冷却剂进行循环输送的循环泵，以及用于暂存冷却剂的暂存池，冷却器的流入口与流体回收接口连接，冷却器的流出口连接至暂存池，循环泵的输入口与暂存池连接，循环泵的输出口与流体输出接口连接。3.根据权利要求1所述的一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，其特征在于：所述流体流出通道一、流体流入通道一、流体流出通道二和流体流入通道二的内侧壁与冷却剂之间绝缘。4.根据权利要求1所述的一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，其特征在于：所述三维集成电路芯片通过多个焊接球与器件安装层连接。5.根据权利要求1所述的一种三维集成电路微通道-pcb一体化散热系统，其特征在于：所述流体微通道采用歧管式微通道结构。

技术总结
本实用新型属于三维集成电路散热技术领域，具体涉及一种三维集成电路微通道-PCB一体化散热系统，包括三维集成电路芯片及散热系统，散热系统包括PCB板和冷却泵送装置，PCB板由底部基板层、流体分配层和器件安装层自下而上印刷制成，三维集成电路芯片和冷却泵送装置安装在器件安装层上，三维集成电路芯片内设有流体微通道，各流体微通道的两端分别通过流体出口和流体入口与器件安装层流体流出、流入通道一和流体分配层流体流出、流入通道二与冷却泵送装置的流体回收接口和流体输出接口连接。通过芯片一体化冷却剂循环散热系统提升了芯片散热性能，缩小散热系统占用空间，解决了三维集成电路尺寸不断减小，散热空间不足的问题。题。题。


技术研发人员：王康佳 许兆培
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/28