一种基于热电化学的集成供能与散热协同芯片组件

1.本发明属于电子芯片集成结构技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.热电化学(thermo-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。
4.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。


技术实现要素：

5.为解决现有技术种存在的不足，本发明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。
6.本发明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；
7.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；
8.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。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：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。本发明中所述的热沉高温
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
10.下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
11.图1为本发明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。
12.图2为本发明实施例的刻蚀有微通道结构的热沉高温电极板俯视图。
13.图3为本发明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。
14.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
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.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)。
24.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。
25.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。
26.更进一步地，所述流动池型高温电极板3和低温电极板4上在任意实体面的对角设置电解质进口管与电解质出口管，利于电解质均匀流经全部流道区域，通过流动工质对芯片散热。
27.更进一步地，流动池型中，电解质通过电解质进口管6流经电极板上微通道，通过电解质出口管7流出。
28.更进一步地，所述流动池型中电解质流量为0.05l/min-0.2l/min。流速大小会直接影响电解质的流动，从而影响热化学电池的电化学工作性能和芯片的散热性能。
29.进一步地，根据需要集成n组(n≥1)高温电极板和低温电极板单元。当n》1时，根据电解质类型为p型或n型，可使用z型连接或π型连接。所述热化学电池单元之间设置多个互相连通的电解质流动管路和电流导线通路。
30.所述芯片单元运行供电来自热化学电池的电化学反应产生，芯片运行产热由热沉高温电极板单元传导至其中流动的电解质。通过飞线与电流传导单元连接传输电流，通过直接与热沉高温电极板接触散热。
31.更进一步地，在无尘环境中，对基于热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件进行封装及键合。
32.更进一步地，在温度为-20℃-26℃的环境下，对集成有封闭型热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件进行测试。其特征是：电解质在高温电极板处初始温度为-20℃-26℃，热电化学反应中温度升高至26℃-80℃。同时，芯片产热通过热沉高温电极板传递至电解质，再通过低温电极板排至系统外部，得以有效冷却。
33.更进一步地，在温度为26℃的环境下，对集成有流动型热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件进行测试。其特征是：电解质进口温度为-20℃-26℃，流经微流道内温度升高至26℃-80℃。同时，芯片产热通过热沉高温电极板传递至流动电解质，最后间接通过低温电极板和直接通过电解质排至系统外部，得以有效冷却。
34.所述的集成有热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件，还可以在水平方向上，每层热沉高温电极板根据需要集成m(m≥1)个芯片单元；
35.可以在垂直方向，根据需要堆叠k(k≥1)个集成有热电化学电池的芯片集成供能与散热协同组件，其特征是：在芯片外部集成芯片壳罩，实现对k个组件的连接。
36.进一步地，根据芯片的数量和功率密度，匹配设置相应供能与散热能力的热沉高温电极板和低温电极板的规模，结构及其电解质性质。
37.本发明还提出一种基于热电化学电池的芯片集成供能与散热协同控制的运行策略，其特征在于：所述热沉高温电极板单元、低温电极板单元、芯片单元的运行方式，包括进液流量、进液流速、低温电极板外部冷源的形式与功率等参数根据实际供能与散热需求调整。
38.下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明。
39.实施例
40.本实施例中所设计的底部带微通道的热沉高温电极板3与低温电极板4是通过刻蚀工艺得到的，最后在无尘环境中再与芯片1通过键合工艺为一体，从而形成完整的芯片流体散热用微通道。根据不同的芯片散热应用场景，合理调节微流道刻蚀结构以调节对流换热，其中，本实施例中选用的高温电极板3与低温电极板单元4的平行流道如图2所示。根据不同的芯片散热应用场景，合理调节微流道刻蚀结构以调节对流换热，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；合理选用热沉极板和低温电极板材料和不同表面处理工艺。
41.热沉高温电极板3和低温电极板4尺寸相同，根据实际功率需求，长度和宽度范围为10mm-50mm，在极板外侧加工装配电解质进口管6、电解质出口管7以及相应的流动管路。同时，高温电极板和低温电极板也作为集流板，通过电流传导单元2对芯片供能。
42.在温度为26℃的环境下，如图1所示，依次逐层安装集成有芯片1的底部带微通道的热沉高温电极板3(如图2所示)和低温电极板4。可选地，可在两极板之间安装密封垫片以提高组件密封性。可选地，如有需要，根据选取的电解质在两电极板之间放置离子交换膜。同时为了防止电解质发生泄漏，使用紧固夹固定集成有芯片的热电化学电池极板。安装完成后进行测试。
43.本发明中芯片供能与散热协同装置工作时，含有氧化态组分和还原态组分的电解液5从低温储液罐8通过循环泵10经由电解质进口管6泵入热电化学池高温电极板3与低温电极板4内，在本实例中，电解质5通过恒温水浴箱9控制温度为10-20℃，电解液5流量为0.05l/min-0.1l/min，工质电解质的流量和储液罐出口温度及热电化学池进口温度分别通过流量计13，测温模块i12和测温模块ii14测量。在电池的回路中流动，电解质溶液5经过微通道平行流过高温电极3与低温电极4，流体吸收芯片1通过热沉高温电极板3传导的热量，低温电极4对大气环境散热，可以在热电化学电池的高温和低温两端形成温度梯度，继而产生稳定的离子浓度，发生氧化还原反应后产生电子，通过高温电极板3与低温电极板4收集并传输电流至电流传导单元2，电流传导单元2作为导线连接高温电极板3与芯片1，最后供电至芯片1。含有氧化态组分和还原态组分的电解液5发生电化学反应并将芯片1的热量带走。
44.根据实际运行情况，电解质经微流道内温度升高至26℃-80℃，在该温升条件下激活高温电极板处氧化还原反应活性，离子扩散速率提高，热电化学反应效率提升。充分完全反应后，电解质通过电解质出口管7输送至高温储液罐11。
45.对于高功率密度组件，可以通过组件集成板15将数个热电化学电池集成安装如图3所示，可将数个热沉高温电极板3平行并列放置于组件集成板15上，并各自与其对应低温
电极板4装配成单体热电化学池。对于同种电解质5，采用z型连接。芯片1通过组件集成板15作为热扩展板传热至热沉高温电极板3，进液方式均为并联，保证了冷却效果。充分利用芯片内部空间，可实现整个系统的集成式安装，运行和维护。
46.上述实施例仅是本发明的较佳实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。