一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置及冷却方法与流程

本发明属于电子器件冷却，具体涉及一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置及冷却方法。

背景技术：

1、随着射频电子逐渐朝着高集成、高功率、多功能的方向不断发展，微波功放芯片通道数和的功率密度都在不断增大。一方面，芯片热流密度从之前的～10w/cm2增大到

2、～100w/cm2，到未来可能超过～1000w/cm2；另一方面，冷却资源并没有随着热流密度的数量级增大而增大，小型化、轻量化是射频系统的永恒追求，平台末端冷却系统能提供的冷却液流量和压头受限。因此，如何在受限冷却下解决超高热流密度阵列芯片的散热已经成为未来射频系统的关键瓶颈。

3、传统射频系统采用远程冷却架构，即功放芯片焊接或胶接在基板(氧化铝、氮化铝、钼铜、硅等)，再焊接到封装壳体(铝硅等)，最后压接在冷板上。芯片产生的热量经过多层体材料和多层热界面传导至冷板，存在较大的传导温升和界面温升，并且冷板中流道尺寸一般较大(～1mm))，对流温升也较大，导致散热能力差(＜100w/cm2)，并且封装体积大。

4、为了提高散热能力，研究者提出近结冷却架构，即将冷却液从传统冷板通入到更接近芯片的壳体或基板，从而减少传导层和热界面，并采用微通道等强化散热结构降低对流换热热阻，散热能力可达到500w/cm2。另外，由阵列芯片组成的射频系统为了保证输出的幅相一致性，对芯片的温度一致性要求高(比如＜10℃)。对于包含成千上万个功放芯片的天线阵面，一般采用一级集分液结构+单芯片微通道的散热结构，通过集分液结构保证每个芯片的均匀流量分配，从而保证不同芯片的小温差。但是，并联流道会导致单个芯片分配的流量减小，导致对流换热能力衰减。通过进一步减小微通道尺寸(比如从0.1mm将至0.01mm)，可以提升换热能力，但是流阻会急剧上升，甚至可能突破平台资源限制。因此，对于具有超过热流密度(～1000w/cm2)的阵列功放芯片散热，亟需发展一种低流阻、高均温、高效散热的冷却方案。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置及冷却方法，目的在于针对现有冷却结构无法同时满足阵列芯片kw/cm2超高热流密度散热、低流阻、高均温需求的问题，在芯片间一级集分液结构的基础上，在基板内对应每个芯片底部增加一级多岐管集分液结构，芯片散热层采用10μm级微流道；通过两级集分液结构，实现阵列芯片间并联流道以及单芯片内极短流程并联流道，在低流阻条件下大幅提升散热能力和芯片温度一致性。

2、本发明的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，从上到下包括封装基板1(1)、封装基板2(2)和封装基板3(3)，所述封装基板1(1)正面以阵列形式排布多个功放芯片(4)，背面设有与所述阵列功放芯片(4)对应的阵列微流道(5)；所述封装基板2(2)正面设有阵列多岐管集分液流道(6)，背面设有多个供液口(7)和回液口(8)，所述多岐管集分液流道(6)由多个并联交错布置的二级供液流道(13)和二级回液流道(14)组成，与所述封装基板1(1)的微流道(5)对应；所述封装基板3(3)正面设有一级集分液流道，所述一级集分液流道包括连接所述供液口(7)的一级供液流道(9)和连接所述回液口(8)的一级回液流道(10)，背面设有1个主进液口(11)和2个主出液口(12)，连通供液口(7)和回液口(8)；所述一级集分液流道将冷却液均匀分配到所述多岐管集分液流道(6)，在所述多岐管集分液流道(6)中，冷却液经过所述二级供液流道(13)向上进入所述微流道(5)，经过短流程射流后向下回到相邻的所述二级回液流道(14)。

3、进一步地，封装基板2(2)正面布置相同数量的所述封装基板1(1)，所述封装基板1(1)的所述微流道(5)与所述封装基板2(2)的所述多岐管集分液流道(6)一一对应。

4、进一步地，二级供液流道(13)和所述二级回液流道(14)为矩形或变截面通道，通道当量直径为100μm～300μm。

5、进一步地，微流道(5)采用特征尺度为10μm～30μm，形状为针肋、直肋、菱形肋或波纹肋强化散热微结构。

6、进一步地，封装基板1(1)和所述封装基板2(2)材料采用高热导率、低膨胀系数的硅、碳化硅或金刚石材料，所述封装基板3(3)材料采用高结构强度的氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或铝碳化硅材料。

7、进一步地，功放芯片(4)通过高导热焊料或低热阻导热胶与所述封装基板1(1)连接，所述封装基板1(1)与所述封装基板2(2)以及所述封装基板2(2)与所述封装基板3(3)通过键合、焊接或粘接方式实现密封连接。

8、进一步地，封装基板1(1)和所述封装基板2(2)的厚度为0.3～0.5mm，所述封装基板3(3)的厚度为1～3mm。

9、基于本发明装置的阵列芯片冷却方法包括：低温冷却液从所述主进液口(11)进入一级集分液流道，经过所述一级供液流道(9)进行均匀流量分配后通过所述封装基板2(2)的所述供液口(7)进入所述多岐管集分液流道(6)的所述二级供液流道(13)，随后进入所述微流道(5)进行对流换热，将所述功放芯片(4)的热量带走后变为高温冷却液，随后进入所述二级回液流道(14)，并经所述回液口(8)进入所述一级回液流道(10)汇总，最后从所述主出液口(12)流出；所述功放芯片(4)产生的热量经过所述封装基板1(1)传导至所述微流道(5)，经过对流换热将热量传递给冷却液带走；所述多岐管集分液流道(6)与所述微流道(5)的复合冷却结构，在所述功放芯片(4)底部形成局部射流效应。

10、本发明的有益效果在于

11、本发明在现有阵列芯片间一级集分液冷却结构的基础上，在散热基板内对应单芯片底部增加一级多岐管集分液结构，实现了芯片间和芯片内的两级并联流道，保证了阵列芯片极高的温度一致性；芯片底部多岐管结合10μm级微流道复合冷却结构，在极短流程的并联流道中形成局部射流效应，在低流阻的条件下将单点散热能力提升至kw/cm2。本发明为超高热流密度阵列功放芯片的近结冷却技术提供了一种解决方案，且设计合理、结构精巧，相比现有冷却结构散热能力提升1倍，流阻降低30％，芯片温度一致性提升40％。

技术特征：

1.一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：从上到下包括封装基板1(1)、封装基板2(2)和封装基板3(3)，所述封装基板1(1)正面以阵列形式排布多个功放芯片(4)，背面设有与所述阵列功放芯片(4)对应的阵列微流道(5)；所述封装基板2(2)正面设有阵列多岐管集分液流道(6)，背面设有多个供液口(7)和回液口(8)，所述多岐管集分液流道(6)由多个并联交错布置的二级供液流道(13)和二级回液流道(14)组成，与所述封装基板1(1)的微流道(5)对应；所述封装基板3(3)正面设有一级集分液流道，所述一级集分液流道包括连接所述供液口(7)的一级供液流道(9)和连接所述回液口(8)的一级回液流道(10)，背面设有1个主进液口(11)和2个主出液口(12)，连通供液口(7)和回液口(8)；所述一级集分液流道将冷却液均匀分配到所述多岐管集分液流道(6)，在所述多岐管集分液流道(6)中，冷却液经过所述二级供液流道(13)向上进入所述微流道(5)，经过短流程射流后向下回到相邻的所述二级回液流道(14)。

2.根据权利要求1所述的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述封装基板2(2)正面布置相同数量的所述封装基板1(1)，所述封装基板1(1)的所述微流道(5)与所述封装基板2(2)的所述多岐管集分液流道(6)一一对应。

3.根据权利要求4所述的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述二级供液流道(13)和所述二级回液流道(14)为矩形或变截面通道，通道当量直径为100μm～300μm。

4.根据权利要求1所述的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述微流道(5)采用特征尺度为10μm～30μm，形状为针肋、直肋、菱形肋或波纹肋强化散热微结构。

5.根据权利要求1所述的集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述封装基板1(1)和所述封装基板2(2)材料采用高热导率、低膨胀系数的硅、碳化硅或金刚石材料，所述封装基板3(3)材料采用高结构强度的氮化铝陶瓷、氧化铝陶瓷或铝碳化硅材料。

6.根据权利要求1所述的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述功放芯片(4)通过高导热焊料或低热阻导热胶与所述封装基板1(1)连接，所述封装基板1(1)与所述封装基板2(2)以及所述封装基板2(2)与所述封装基板3(3)通过键合、焊接或粘接方式实现密封连接。

7.根据权利要求1所述的集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置，其特征在于：所述封装基板1(1)和所述封装基板2(2)的厚度为0.3～0.5mm，所述封装基板3(3)的厚度为1～3mm。

8.一种基于权利要求1所述的一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置的阵列芯片冷却方法，其特征在于：低温冷却液从所述主进液口(11)进入一级集分液流道，经过所述一级供液流道(9)进行均匀流量分配后通过所述封装基板2(2)的所述供液口(7)进入所述多岐管集分液流道(6)的所述二级供液流道(13)，随后进入所述微流道(5)进行对流换热，将所述功放芯片(4)的热量带走后变为高温冷却液，随后进入所述二级回液流道(14)，并经所述回液口(8)进入所述一级回液流道(10)汇总，最后从所述主出液口(12)流出；所述功放芯片(4)产生的热量经过所述封装基板1(1)传导至所述微流道(5)，经过对流换热将热量传递给冷却液带走；所述多岐管集分液流道(6)与所述微流道(5)的复合冷却结构，在所述功放芯片(4)底部形成局部射流效应。

技术总结
本发明提出了一种集成多岐管微流道的阵列芯片冷却装置及冷却方法，在现有阵列芯片间一级集分液冷却结构的基础上，在散热基板内对应单芯片底部增加一级多岐管集分液结构，实现了芯片间和芯片内的两级并联流道，保证了阵列芯片极高的温度一致性；芯片底部多岐管结合10μm级微流道复合冷却结构，在极短流程的并联流道中形成局部射流效应，在低流阻的条件下将单点散热能力提升至kW/cm2。本发明为超高热流密度阵列功放芯片的近结冷却技术提供了一种解决方案，且设计合理、结构精巧，相比现有冷却结构散热能力提升1倍，流阻降低30％，芯片温度一致性提升40％。

技术研发人员：马预谱,黄豪杰,魏涛,钱吉裕,张伟强,崔凯
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15