用于电子设备的两相浸没式冷却系统的热管理的图案化设计的制作方法

用于电子设备的两相浸没式冷却系统的热管理的图案化设计


背景技术：

1.高密度半导体芯片产生高温，需要热管理解决方案来保持芯片工作温度不变。浸没式冷却技术正被考虑用于新的数据中心，作为热管理解决方案的一部分。浸没式冷却技术涉及热传输过程中的相变，由此当其与加热的半导体器件接触时，降低了界面电阻。


技术实现要素：

2.介电流体诸如碳氟化合物正被用于浸没式两相冷却系统。然而，由于其低表面张力和润湿性质，流体深入渗透到空腔中，这促进了芯片表面上过热的累积。这种累积导致芯片表面上的局部热点，并且导致热应力，该热应力最终降低芯片性能并且增加芯片故障率。本发明的实施方案包括可减轻局部热点的累积并增强电子设备的两相冷却的膜。
3.具有用于两相冷却的特征的第一膜包括介电层，该介电层具有用于附接到冷板或电路的第一表面并且具有第二表面。金属层位于介电层的第二表面上，并且在与介电层相对的一侧上具有特征图案。
4.具有用于两相冷却的特征的第二膜包括金属层，该金属层具有用于附接到冷板或电路的第一表面并且具有第二表面。金属支架在金属层的第一表面上，在金属支架之间具有粘结材料。多个金属结核位于该金属层的该第二表面上。
附图说明
5.图1a是具有微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
6.图1b是具有成角度的侧壁的微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
7.图2是具有微图案和多个空腔的芯片冷却膜的侧面剖视图。
8.图3a是具有成角度的侧壁的微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
9.图3b是具有成角度的侧壁的微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
10.图4是具有微图案和蚀刻的介电质的芯片冷却膜的侧面剖视图。
11.图5a是具有结核的芯片冷却膜的侧面剖视图。
12.图5b和图5c是图5a的芯片冷却膜的俯视图图像。
13.图6是具有位于成角度的微图案上的结核的芯片冷却膜的侧面剖视图。
14.图7是具有均匀微结构图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
15.图8是具有带结核的均匀特征图案的芯片冷却膜的侧面剖视图。
16.图9是具有结核和多个空腔的芯片冷却膜的侧面剖视图。
17.图10a是两相浸没式冷却系统的图示。
18.图10b是使用内部散热器的两相浸没式冷却系统的图示。
19.图10c是使用用于冷却流体的管道的两相浸没式冷却系统的图示。
具体实施方式
20.实施方案包括具有诸如图案和结核等特征的柔性或刚性传热成核膜，以增强用于
电子设备的两相浸没式冷却系统。这些膜包括介电质和形成在该介电质顶部上的薄金属层，其中在该薄金属层上形成有均匀金属图案。该均匀金属图案包括三维微结构，并且形成有特定的迹线宽度和厚度。一个或多个空腔延伸穿过介电质的底侧，并且焊料或金属膏填充在介电质空腔内，这有助于膜利用厚冷板附接到电子设备以进行冷却或直接附接到电子设备而不需要厚冷板。
21.图1a是具有微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板18，并且具有如图所示布置的金属特征10、薄金属层12、介电质14和焊料16。图1b是具有微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该微图案具有成角度的侧壁，该芯片冷却膜附接到冷板28，并且具有如图所示布置的倾斜金属微特征20、薄金属层22、介电质24和焊料26。
22.金属特征10和金属特征20的微结构可通过使用光掩模的增材电镀工艺或通过使用应用光掩模的去除工艺来形成。在加热过程中，微图案的形成为气泡的形成创造了更多的表面积和成核位点。而且，金属微结构的均匀性对于在整个表面上提供均匀的散热是至关重要的。
23.这些微图案有助于使气泡成核，以传输来自电子设备的热负荷。微图案的空间和特征尺寸可根据所需的热性能来定制。
24.此外，如图2所示，可蚀刻介电质以产生一个或多个空腔，然后用焊料35填充这些空腔。图2是具有微图案和多个空腔的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板36，并且具有如图所示布置的金属特征30、薄金属层32、介电质34和包含焊料35的空腔。当冷板经受焊料回流时，空腔可帮助提供附接到冷板的电路的结构完整性。金属特征30的微结构可如上所述地形成。
25.图3a和图3b示出了具有不同角度的金属特征。图3a是具有微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该微图案具有成角度的侧壁，该芯片冷却膜附接到冷板46，并且具有如图所示布置的成角度的侧壁38、金属特征40、薄金属层42、介电质44和包含焊料45的空腔。图3b是具有微图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该微图案具有成角度的侧壁，该芯片冷却膜附接到冷板56，并且具有如图所示布置的锥形图案48、金属特征50、薄金属层52、介电质54和包含焊料55的空腔。倾斜的金属特征产生更大的表面积并且促进液体在金属特征之间的流动。金属特征40和金属特征50的微结构可如上所述地形成。此外，在侧壁的底部上减小了空间，以促进快速成核工艺。间隙和侧壁角度可根据热性能要求定制。图3b显示了均匀的锥形结构，该锥形结构有助于以更快的速率成核，并且由于狭窄的成核位点而有助于形成微小的气泡，从而加速了散热性能。
26.如图4所示，为了提供结构完整性并能够容易地处理薄的柔性芯片冷却膜，可通过通孔电镀技术进一步蚀刻介电质并填充金属。图4是芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜具有微图案和蚀刻的介电质，并且具有如图所示布置的微特征58、由金属填充的通孔60以及焊料或金属膏62。这种填充蚀刻提供了刚性，并且使得在焊料回流或其它粘结工艺期间易于处理。蚀刻还增强了系统的热性能。
27.图5a示出了均匀金属层上的结核状特征的形成。图5a是具有结核的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板72，并且具有如图所示布置的金属结核64、薄金属层66、支撑金属支架68和通孔70。可通过电镀技术形成均匀的结核特征。通孔70在金属支架68之间延伸，并且通孔可通过图案化然后化学蚀刻介电层来形成。这些通孔可通过丝网印刷
或分配来填充焊料或金属粘结膏，然后可将焊料或金属粘结膏附接到厚的刚性冷板上。这些微图案有助于使气泡成核，以传输来自电子设备的热负荷。结核特征尺寸可根据所需的热性能来定制。
28.图5b显示了金属结核颗粒和这些结核的尺寸的显微照片，并且结核之间的距离可根据热性能要求进行定制。图5c显示了金属表面上的均匀粗糙度。代替结核，可产生均匀的粗糙度以增强沸腾系统的热传递。由于大的表面积和成核位点，均匀的纳米至微米级粗糙度可有助于产生大量的气泡。
29.图6显示了倾斜的均匀金属图案上的结核。图6是具有位于成角度的微图案的结核的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板80，并且具有如图所示布置的结核74、薄金属层76、介电质78和填充有金属粘结材料的通孔80。该表面图案提供了表面积的进一步增加，并为气泡形成提供了多个成核位点。金属层76的微结构可如上所述地形成。
30.图8示出了图7所示的均匀金属图案顶部上的结核特征的另一实施方案。图7是具有微结构的均匀图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板92，并且具有如图所示布置的均匀特征图案84、薄金属层86、支撑金属支架88和填充有金属粘结材料的通孔90。图8是具有带结核的均匀特征图案的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板104，并且具有如图所示布置的金属结核94、均匀金属特征96、薄金属层98、支撑金属支架100和填充有金属粘结材料的通孔102。
31.如图7和图8所示，可在单个图案化的冷板下方形成多个空腔，当冷板经受焊料回流时，这有助于提供电路的结构完整性。图7和图8中所示的芯片冷却膜的均匀金属微结构特征可通过使用光掩模的增材电镀工艺或通过使用应用光掩模的去除工艺来形成。此外，可使用电镀来进行结核电镀，以在芯片冷却膜上形成均匀的结核。在加热过程中，在图案化的金属上形成微图案和结核为气泡的形成创造了更多的表面积和成核位点。金属微特征的均匀性对于在整个表面上提供均匀的散热是至关重要的。
32.图9示出了薄金属特征下方的金属柱。由于更大的表面积和热容量，这些柱可增强热性能，并且当电路与厚金属冷板附接时，这些柱可提供结构完整性。图9是具有结核和多个空腔的芯片冷却膜的侧面剖视图，该芯片冷却膜附接到冷板114，并且具有如图所示布置的金属结核106、薄金属层108、支撑金属支架110和焊料或金属粘结材料112。一旦如上所述形成金属结核，就使用光掩模对膜的介电质侧进行图案化，并对介电质进行化学蚀刻以形成空腔。在化学蚀刻工艺之后，去除光致抗蚀剂。使用来自空腔内部的电镀，用金属填充蚀刻部分，以形成金属柱。最后，通过化学蚀刻工艺去除剩余的暴露的介电质，以形成与金属柱相邻的空腔。这些空腔可用金属粘结材料填充，以粘结到厚金属冷板或直接粘结到电子设备。
33.上述特征也可使用厚金属压印技术形成。可在厚金属箔或板的底部压印不同的尺寸和特征，然后使用电镀技术产生均匀的结核。最后，用粘结材料填充压印的金属腔。
34.以下是用于本文所述的芯片冷却膜的示例性材料、尺寸和构造。
35.合适的介电材料包括聚酰亚胺、液晶聚合物、peek聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、柔性fr4片材和聚烯烃。用于创建特征和层的合适金属是铜、钢和银。合适的覆盖电镀材料包括金、银和锡。合适的粘结材料包括焊料、金属膏、银膏和各向异性导电膜(acf)粘结溶液。
36.合适的粘结材料包括无铅焊料、铜膏、银膏、acf膜或膏以及导热粘合剂。
37.介电层的合适厚度在25μm至125μm的范围内。由金属填充的通孔的厚度可在25μm到125μm的范围内。微图案化特征可具有从下面的金属层开始的5μm到100μm的高度。结核可具有在0.1μm至5μm的范围内的直径。
38.在顶部金属表面上形成的非倾斜金属特征相对于下面的金属层具有在特定容差内的90度的角度。
39.在顶部金属表面上形成的倾斜或成角度的金属特征可相对于下面的金属层具有大约30到90度的角度。
40.蚀刻的介电空腔可相对于下面的冷板或电路具有大约25到90度的倾角。该梯形倾角有助于将诸如焊料或银等金属粘结膏保持在空腔内。
41.图10a到图10c是示出在两相冷却系统中使用芯片冷却膜的图示。
42.图10a是具有印刷电路板(pcb)116、集成电路(ic)118和芯片冷却膜120的两相浸没式冷却系统的图示。ic 118可使用焊料或金属粘结材料(诸如空腔或通孔内的材料)附接到芯片冷却膜120，而无需单独的厚金属冷板。
43.图10b是使用内部散热器并且具有pcb 122、ic 124、内部散热器(ihs)126和芯片冷却膜128的两相浸没式冷却系统的图示。芯片冷却膜128可使用焊料或金属粘结材料(诸如空腔或通孔内的材料)附接到ihs126，而无需单独的厚金属冷板。
44.图10c是使用用于冷却流体的管道的两相浸没式冷却系统的图示，并且该系统具有ic 130、用于冷却流体的管道132和具有芯片冷却膜的内部挡板，诸如具有芯片冷却膜136的挡板134。芯片冷却膜136可使用焊料或金属粘结材料(诸如空腔或通孔内的材料)附接到挡板134，而无需单独的厚金属冷板。每个挡板可包括以类似方式附接的芯片冷却膜。
45.芯片冷却膜120、128和136可与本文所述的任何芯片冷却膜一起实施，并且可能与相关联的金属冷板一起实施。芯片冷却膜可用于具有柔性或刚性电路的两相冷却系统中。芯片冷却膜可不使用单独的金属冷板而直接物理接触地附接到电路，或者另选地，与电路和芯片冷却膜之间的金属冷板一起使用并与电路和芯片冷却膜物理接触。