本发明涉及散热和封装技术领域，特别是涉及一种固液一体式芯片散热器及其制造工艺。
背景技术：
散热要求较高或者发热量较大的芯片一般都采用金属封装。金属封装为利用金属导热性能好、可集成生产的优点，在芯片外部镀一层金属，起到封装、保护与散热的功效。在实际应用时，为了提升对芯片进行散热冷却的效能，在对芯片进行金属封装后，还要在PCB电路板上外加风冷或者水冷散热，这将会造成实际电子产品过重、过大，非常不利于消费电子等对产品重量和体积敏感的应用。举例来说，一般工作时产生高温的芯片(如CPU)的散热结构采用将金属封装与风冷或水冷相结合的散热方式，当将CPU等芯片装配到电子产品中后，这种散热结构会大幅提升电子产品体积和重量，降低了电子产品的便携性。目前虽然存在一些使用液态金属对芯片进行散热的技术，但仍不能兼顾散热性能与电子产品的便携性。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种固液一体式芯片散热器及其制造工艺，其将封装与散热结构合二为一，利用固液一体式双层散热结构提高电子产品的散热性能并减少其体积和重量。
为实现以上目的，本发明提出一种固液一体式芯片散热器，所述散热器用于对芯片进行封装和散热，所述芯片设置于硅衬底上；所述散热器包括外壳，所述外壳包括上下两部分，分别为外壳上部和外壳下部，其中外壳上部形成多个散热片，在所述多个散热片内容纳有易挥发液体，外壳下部包括与芯片四周匹配的侧壁，所述侧壁内侧与芯片四周通过胶密封，外壳上部和外壳下部之间通过导热材料形成的隔断分隔，在所述隔断、芯片以及侧壁形成的密封空间中填充有金属镓。
根据本发明的一个方面，所述易挥发液体为甲醇或乙醇。
根据本发明的一个方面，所述散热片为弧形散热片。
根据本发明的一个方面，所述隔断上方铺设由吸水材料制成的吸水层，并且吸水层向每个散热片的顶部延伸由吸水材料制成的导液装置。
根据本发明的一个方面，所述多个散热片的内部连通在一起；或者所述多个散热片的每一个为独立结构且两两散热片内部并不连通。
本发明还提出了一种制造上述固液一体式芯片散热器的制造工艺，包括步骤一，根据所述芯片的尺寸制作所述外壳；步骤二，在所述隔断上镀上合适厚度的金属镓，并在外壳下部的侧壁内侧涂上一层胶；步骤三，将所述外壳以及金属镓盖在所述芯片上，并通过所述胶实现与所述芯片的封装。
根据本发明的一个方面，所述步骤二中在所述隔断上镀上合适厚度的金属镓具体为：加温金属镓为液态时填充至所述隔断，并冷却为固态。
本发明提出的固液一体式散热器及其制造工艺利用不同温度金属固态、液态的转换，将封装与散热结构合二为一，能够解决小型化应用尤其是低功耗芯片(如CPU)的散热问题，并且还将固体和液体两种散热方式集成在同一散热器内，使用上下双层结构使得该散热器具有较高的散热能力。本发明有效的解决了过去散热方法所带来产品整体体积激增的问题，并且可以进行集成化大规模批量生产。
附图说明
图1是根据一个实施例的固液一体式芯片散热器的剖视图；
图2示出了固液一体式芯片散热器的散热原理；
图3和4分别示出了弧形散热片和吸水材料在散热过程中所起的作用；
图5是所述散热器的制造工艺流程图。
具体实施方式
以下所述为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
图1示出了本发明提出的固液一体式芯片散热器的剖视图。如图1所示，芯片106设置于衬底107上，本发明提出的芯片散热器将芯片106进行封装，并对芯片106进行散热。所述芯片散热器包括外壳101，所述外壳101包括上下两部分，外壳上部形成多个散热片，在所述多个散热片内容纳有易挥发液体102，外壳下部包括与芯片四周匹配的侧壁105，所述侧壁105内侧与芯片四周通过胶密封，外壳上部和外壳下部之间通过导热材料形成的隔断108分隔，在所述隔断108、芯片106以及侧壁105形成的密封空间中填充有金属镓(Ga)104。根据本发明的一个实施例，所述衬底107为硅衬底或以其他材料制成的衬底。
所述散热器的工作原理如下：芯片106工作时产生的热量首先会传导至金属镓104局部，这样固态镓就会受热融化为液体。由于液体局部受热会因温差发生对流，因此在液态金属内部就会产生类似于洋流的液体循环,将热量迅速扩散至温度低的地方(即热量由贴近芯片的位置扩散至靠近散热片的位置，如图2位于镓104中的向上箭头所示)。
液体金属的对流包括左右对流和上下对流,左右对流能够使整个芯片106温度均匀,不会因局部温度过高而损坏芯片；上下对流能够使得热量迅速向上传导,并通过所述隔断传导至散热片内部的易挥发液体102,使上层液体102挥发并带走热量,挥发的气体到达散热片顶部冷凝并将热量散出,冷凝得到的液体自然下流至底部参加下一轮循环(如图2位于散热片内部的箭头所示)。
由此可见，本发明所采用的固液一体式芯片散热器下层使用具有较低熔点的金属，该金属的固液状态可根据芯片所散发的热量而转换，并且在上层的多个散热片内都容纳着易挥发性液体，当下层金属传递的热量通过导热材料形成的隔断到达上层时，会使得易挥发性液体气化至温度较低的散热片顶部，并由散热片向外散发热量，从而达到良好的散热效果。
此外，该结构还可以一并将芯片进行方便的封装，这是因为如上文所述，本发明提出的散热器中实现固液转换的金属选用了金属镓Ga，而镓具有下面的基本特征:
①熔点为29.8℃，常温下为固体，便于集成化生产；工作时产生高温的芯片(如CPU)工作时温度一般为50-80℃，足以使固体Ga熔化为液体，利于散热；高沸点2204℃，不会气化；这样可以在镓呈固态时实施封装，在呈液态时实现散热；
②蒸汽压力低；
③熔点和沸点之间温度差别很大；
④有很好的流动性；
⑤各种物理化学性质接近于固态，而远离气态；
⑥具有良好的导热性能。
由此可见，由于本发明要实现将封装和散热一体化，可利用镓的易于封装和具有良好散热性能的上述特征，将其封装于芯片之上并通过固液转换散发芯片产生的热量至上层散热片。因此，本发明既能同时实现封装与散热，在不使用风冷的情况下能够提供非常好的散热性能，从而减少了电子器件的重量和体积。
此外，根据一个具体实施例，本发明在散热片中选用的易挥发液体及其原因为：
工作时产生高温的芯片(如CPU)工作时的温度一般为50到80度,最高不会高于90度。这就限制了所选液体的沸点需要在60度到70度左右。再考虑到易制备且排除毒性较大的液体,乙醇与甲醇为比较合适的选择。乙醇沸点为78.3℃,甲醇沸点为64.5℃。
作为本发明更为优选的实施方式，如图1、3、4所示，所述散热片为弧形散热片，即每个散热片的剖面形状为抛物线。虽然未示出立体结构，但本领域技术人员可以得出，从外部看来，所述多个散热片呈多个山包状立于散热器的上部。采用弧形结构一方面可以增大散热面积，另一方面可以保证当芯片侧放时，冷凝液体依旧可以顺着散热片内壁流回底部(如图3中的箭头所示)。
根据本发明再一优选的实施方式，如图1、3、4所示，所述隔断108上方铺设由吸水材料制成的吸水层103，并且吸水层103向每个散热片的顶部伸出由吸水材料制成的导液装置109。所述导液装置109的形状可以为导液板或导液柱等。设置所述吸水层的原因为使得易挥发液体在隔断上方的分布更为均匀，这是因为当芯片倾斜时易挥发液体会向低处流动，而吸水层可吸收部分液体从而不会使得位于高处的散热部分缺失易挥发液体；设置导液装置的原因在于当芯片倒置时，易挥发液体可被由吸水材料制成的导液装置传至靠近金属镓Ga的受热部位(如图4的上箭头所示)。
此外，虽然本发明图中所示多个散热片的内部是连通在一起的，但根据另一实施例，每个散热片可以是独立的，即两两散热片之间并不连通(未在图中示出)。这样每个散热片内部容纳的易挥发液体不会流动到别的散热片内从而造成液体不均的情况，当芯片倾斜放置时不会出现部分区域内因没有易挥发液体从而散热效果打折扣的现象。当然，这时吸水层对于每个散热片来说也是独立存在的。
图5示出了将本发明的固液一体式散热器的制造工艺，该制造工艺包括了制造与封装一体化。
首先，根据芯片尺寸制作外壳，如图5中位于上部的图可知，在制作所述外壳的同时，要将易挥发液体、吸水层、导液装置等集成在内；
其次，如图5位于中部的图所示，在隔断上镀上合适厚度的金属镓Ga，并在外壳下部的侧壁内侧涂上一层胶；所述金属镓可加温以在液态时填充，并冷却为固态；
最后，将外壳以及金属镓盖在芯片上，并通过所述胶实现与芯片的封装。
通过上述说明可知，本发明用于半导体制造封装领域，可应用于大规模集成生产的芯片散热设计。本发明提出的散热器具有以下优点：
1.本散热器结构将封装与散热结构合二为一(利用金属固液转换)，能够解决小型化应用尤其是低功耗CPU或其他芯片的散热问题。
2.利用双层固液一体式散热结构，在便于封装的同时具有良好的散热性能。
3.有效的解决了过去散热方法所带来产品整体体积激增的问题，并且可以进行集成化大规模批量生产。
当然，若以体积为主要考量，可只使用本申请所提出的散热设计，如用于手机中；若想进一步提高散热能力，当然仍可在外部结合风冷、水冷进一步散热，如用于电脑中。
应注意，本发明所提出的具体实施方式及应用领域仅为说明的目的，并不作为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员可对本发明的多种具体实施方式进行随意组合、修改并应用于不同的实际应用中。