热扩散板复合装置、散热装置及其制备方法

本发明涉及微电子封装液冷散热，尤其涉及一种热扩散板复合装置、散热装置及其制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路向2.5d/3d异构集成、高功率密度和大尺寸封装方向发展，高性能计算芯片、人工智能芯片及功率器件在运行过程中产生的热量持续增加，芯片局部热点和整体热流密度显著提高。芯片结温过高或温度分布不均，会加速导热界面材料老化、焊点疲劳、界面脱层及封装翘曲，降低器件运行频率和计算性能，进而影响器件的运行稳定性和使用寿命。因此，缩小冷却介质至芯片热源传热路径、降低散热器热阻，已成为高功率电子器件热管理领域的重要发展方向。

2、目前，商业化液冷散热器主要为在铜、铝以及合金材料上制备平行槽道、铲齿fin等散热器。为了在散热器结构设计层面缩小冷却介质至芯片热源的传导热阻，直接缩小散热器底板厚度（冷却介质至接触芯片的散热器表面的厚度）是自然的选择。但是，纯铜、纯铝等材料的杨氏模量和结构刚度相对有限，在散热器装配预紧力、密封件压紧力、冷却介质压力等载荷作用下，容易发生弯曲变形、局部凹陷或整体翘曲，导致与芯片热源或封装盖板之间的接触压力分布不均，热界面层局部厚度增大或产生空隙，界面接触热阻恶化，严重时还可能造成焊接层开裂等问题。发明专利申请cn122206267a提出了进出导流分流通道与插齿上下交错微槽道的同一水平面内联通设计，配合多支撑区域设计，减少了散热器以及散热器底板的厚度。但是，受限于本体结构强度、以及与芯片热源的在尺寸、热膨胀系数、结构刚度等匹配问题，目前，不论是平行槽道设计、铲齿fin设计的微通道液冷板或封装盖板，散热器底板的厚度均难以缩小至1mm。

3、采用具有更高热导率的材料，如金刚石、金刚石-铜、金刚石-银等复合材料替代传统铜材料制备散热器是缩小冷却介质至芯片热源之间的传导热阻的一种潜在路径，是业界近年来关注重点方向，如cn121510960b。但是，由于金刚石材料的超高硬度特点，采用这些材料加工微细槽道、微孔、微柱等散热器典型结构，在加工尺寸、加工效率等方面与传统铜、铝等基材的散热器加工技术水平差距大，而且加工制造难度大、成本高。而且尽管金刚石及其复合材料导热性能突出，但是将散热器与芯片-封装基板在封装级集成装配时，也即散热器与封装盖板一体化设计制造时，散热器—芯片—封装基板三者之间面临尺寸、热膨胀系数、结构刚度等匹配问题。

技术实现思路

1、本发明提供了热扩散板复合装置、散热装置及其制备方法，其克服了背景技术中所存在的基于金刚石、金刚石等高导热材料散热器在加工制造以及封装集成时面临的热膨胀系数、机械结构强度等失配问题，以实现将散热器在冷却工质至芯片热源之间产生热阻缩小至1mm铜厚度等效传导热阻以下，而且具有更高的结构强度、抗弯刚度、以及与芯片-封装基板的匹配能力。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：热扩散板复合装置，包括复合连接在一起的导热金属层、金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片,在厚度方向上所述导热金属层、金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片从冷却介质侧至芯片热源侧按序布置；所述导热金属层的冷却介质侧设有换热结构区域和外凸的连接结构；所述金刚石衬底片朝向芯片热源且接收热量。

3、所述导热金属层、金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片的热膨胀系数逐层降低，所述导热金属层、金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片的导热系数、杨氏模量逐层提高。

4、所述金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片之间设有金属薄层。

5、所述金刚石衬底片和金属薄层之间设有焊接层；所述焊接层包括ausn焊料层、snag焊料层、in基焊料层或者ag烧结层中的一种。

6、所述金属薄层的芯片热源侧设有第一niau层；所述第一niau层包括镍层和金层，所述镍层作为扩散阻挡层，所述金层作为焊接润湿层。

7、所述金刚石衬底片的冷却介质侧设有第一金属化层；所述第一金属化层为ti/pt/au、ti/ni/au、cr/au或者cr/ni/au中的一种。

8、所述金刚石衬底片的芯片热源侧设有第二金属化层，所述第二金属化层为第二niau层；所述第二niau层包括镍层和金层，所述镍层作为扩散阻挡层，所述金层作为焊接润湿层。

9、所述连接结构呈柱状结构，所述柱状结构高度为1mm～10mm；所述导热金属层为铜材料层或铝材料层，所述导热金属层的厚度为0.1mm～3mm；所述金属-金刚石复合材料层为铜-金刚石复合材料层或铝-金刚石复合材料层或银-金刚石复合材料层，所述金属-金刚石复合材料层的厚度为0.1mm～2mm；所述金属薄层的厚度为0.01mm～0.2mm。

10、所述换热结构区域包括设在导热金属层冷却介质侧的第一凹槽和第一凸台。

11、所述第一凹槽为沿厚度方向贯穿的通槽，相邻第一凹槽间形成上述的第一凸台；所述金属-金刚石复合材料层的冷却介质侧设有第二凸台，所述金属-金刚石复合材料层复合在导热金属层的芯片热源侧且第二凸台插入第一凹槽内，所述第二凸台和第一凸台之间形成第二凹槽。

12、所述金属-金刚石复合材料层的芯片热源侧凹设第三凹槽，所述金刚石衬底片的冷却介质侧凸设第三凸台，所述第三凸台适配插入第三凹槽内。

13、所述金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片之间还设有金属薄层，所述金属薄层设适配第三凸台的通孔，所述第三凸台穿过通孔。

14、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：热扩散板复合装置，包括复合连接在一起的导热金属层和金属-金刚石复合材料层,在厚度方向上所述导热金属层和金属-金刚石复合材料层从冷却介质侧至芯片热源侧按序布置；所述导热金属层的冷却介质侧设有换热结构区域和外凸的连接结构；所述金属-金刚石复合材料层朝向芯片热源且接收热量。

15、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：热扩散板复合装置，包括复合连接在一起的第一层、第二层和第三层,在厚度方向上所述第一层、第二层和第三层从冷却介质侧至芯片热源侧按序设置；所述第一层、第二层和第三层的热膨胀系数逐层降低，所述第一层、第二层和第三层的杨氏模量、导热系数逐层提高；所述第一层的冷却介质侧设有换热结构区域和外凸的连接结构；所述第三层朝向热源且接收热量。

16、所述第一层热膨胀系数为15ppm/k～25ppm/k,第二层热膨胀系数为4ppm/k～12ppm/k,第三层热膨胀系数为0.8ppm/k～3ppm/k；所述第一层杨氏模量为60gpa～130gpa，第二层杨氏模量为150gpa～600gpa，第三层杨氏模量为800gpa～1200gpa；所述第一层导热系数为150w/(m·k)～400w/(m·k)，第二层导热系数为400w/(m·k)～900w/(m·k)，第三层导热系数为1000w/(m·k)～2200w/(m·k)。

17、所述第一层为导热金属层或第一金属-金刚石复合材料层，第二层为第二金属-金刚石复合材料层，第三层为金刚石衬底片或第三金属-金刚石复合材料层。

18、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之四是：散热装置，包括散热器，还包括所述的热扩散板复合装置，所述散热器固装在导热金属层的冷却介质侧且散热器与导热金属层的换热结构区域配合。

19、所述连接结构呈柱状结构，所述散热器的朝向热扩散板复合装置的表面设连接槽；所述连接结构和连接槽适配连接。

20、所述散热器为喷射散热器，所述喷射散热器包括上盖板，所述上盖板内设储液腔，所述上盖板的冷却介质侧设出水口和进水口，所述上盖板的芯片热源侧设喷射孔和回流槽，所述进水口、喷射孔的内端都连通储液腔，所述回流槽连通出水口；所述喷射孔外端朝向换热结构区域；冷却介质经进水口进入储液腔，并经喷射孔朝向换热结构区域进行喷射换热，再经回流槽、出水口流出。

21、所述散热器为交齿散热器，所述交齿散热器包括多个交错设置的散热齿，相邻散热齿之间形成供冷却介质流通的流道。

22、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之五是：所述的散热装置的制备方法，包括：

23、制备导热金属层和散热器，导热金属层具有连接结构和换热结构区域；

24、将导热金属层和散热器装接在一起；

25、在导热金属层的芯片热源侧复合连接金属-金刚石复合材料层；

26、在金属-金刚石复合材料层的芯片热源侧复合连接金属薄层，在金属薄层的芯片热源侧制备第一niau层；

27、对金刚石衬底片冷却介质侧进行表面金属化处理，通过焊接层将金刚石衬底片连接至金属薄层的第一niau层。

28、本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

29、热扩散板复合装置包括在厚度方向上从冷却介质侧至芯片热源侧按序布置的导热金属层、金属-金刚石复合材料层，或，导热金属层、金属-金刚石复合材料层和金刚石衬底片，不仅缩小芯片热源侧（如芯片）至冷却介质的传导热阻，降低至1mm或以下的厚度铜等效传导热阻，而且散热器—芯片—封装基板三者之间尺寸、热膨胀系数、结构刚度都匹配，避免发生弯曲变形、局部凹陷或整体翘曲。热扩散板复合装置包括在厚度方向上从冷却介质侧至芯片热源侧按序布置的第一层、第二层和第三层，第一层、第二层和第三层的热膨胀系数逐层降低，杨氏模量、导热系数逐层提高，不仅缩小芯片热源侧（如芯片）至冷却介质的传导热阻，而且散热器—芯片—封装基板三者之间尺寸、热膨胀系数、结构刚度都匹配，避免发生弯曲变形、局部凹陷或整体翘曲。连接结构用于对散热器进行机械固定、连接和应力隔离，并通过连接结构的固支作用提高热扩散板复合装置的整体刚度和强度，由此在不显著增加导热金属层厚度的情况下，热扩散板复合装置能够承受散热器装配预紧力、密封件压紧力、冷却介质压力以及喷射流体冲击载荷，降低导热金属层及其下方复合层发生弯曲变形、局部凹陷或整体翘曲的风险。