用于高功率ASIC热管理的部件封装的制作方法

用于高功率asic热管理的部件封装
技术领域
1.本发明的实施方式一般地涉及高级微芯片的增强且可靠的冷却，例如在数据中心内的服务器中使用的诸如asic和其他微芯片。


背景技术：

2.冷却是计算机系统和数据中心设计中的重要因素。高性能电子部件(诸如封装在服务器内部的高性能处理器)的数量已在稳定地增长，从而增加了服务器正常运行期间产生和去除的热量。这些处理器的适当运行高度依赖于可靠地去除其所产生的热量。因此，处理器的适当冷却可以提供较高的整体系统可靠性。
3.电子件冷却对于计算硬件和其他电子设备极为重要，诸如cpu服务器、gpu服务器、存储服务器、网络设备、边缘和移动系统、车载计算盒等等。所有这些设备和计算机都用于关键业务，并且是企业日常业务运营的基础。硬件部件和电子件封装的设计需要改进以持续支持性能要求。这些电子设备的冷却变得越来越具有挑战性，通过不断提供恰当设计且可靠的热环境来确保其正常运行。
4.许多先进的芯片，尤其是高功率密度芯片需要液体冷却。这些芯片极其昂贵，因此需要致力于确保适当地从这些芯片中去除热量。另外，液体冷却设备必须高度可靠，因为任何不规则的热量去除可能导致芯片损失，从而导致在替换运行期间可用计算能力的损失，甚至可能对由损失芯片处理的服务级协议产生潜在影响。重要地，现有的用于处理器的电子件冷却和热管理解决方案不提供模块级的冗余，这意味着它们是系统中的单个故障点。具体地，冷却流体不能在冷却板内适当地循环会导致对应的处理器出现故障。因此，可以通过为芯片开发完整的端到端冗余冷却解决方案来实现增强的可靠性，从而可以通过冗余设计来备份单个故障。
5.虽然液体冷却解决方案必须提供所需的热性能和可靠性，但是由于数据中心可能有成千个需要液体冷却的芯片，因此液体冷却系统的成本必须保持可接受度。液体冷却系统的成本可以包括引入冗余以增强可靠性的成本。另外，由于不同芯片具有不同的冷却要求，因此将需要提供一种可适应且可扩展的冷却设计，以适应不同服务器架构并与不同芯片封装相兼容。
附图说明
6.在附图的图中以示例而非限制的方式示出了本发明的实施方式，在附图中，类似的附图标记表示类似的元件。
7.图1是示出根据一个实施方式的冷板配置的示例的框图。
8.图2是示出根据实施方式的冷却板的截面的示意图。
9.图3示出了在最终组装到封装设计前制造冷板的实施方式。
10.图4示出了在最终组装到封装设计前制造冷板的另一实施方式。
11.图5示出了在最终组装到封装设计前制造冷板的又一实施方式。
12.图6示出了根据实施方式的冷却板的俯视图。
13.图7是示出根据实施方式的冷却板中的冷却流体流的示意图。
14.图8是示出根据实施方式的冷板的冷却功能的概念示意图。
15.图9是示出根据实施方式的冷板的制造的概念示意图。
具体实施方式
16.将参考以下所讨论的细节来描述本发明的各种实施方式和各方面，且附图将说明各种实施方式。下面的描述和附图是对本发明的说明，而不应当解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明各种实施方式的充分理解。然而，在某些情况下，为了提供对本发明的实施方式的简洁讨论，并未描述公知的或常规的细节。
17.本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的提及意味着结合本实施方式所描述的具体特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施方式中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”并不一定都指相同的实施方式。
18.顺便提及，在下面的实施方式中，类似的元件以x##形式的类似附图标记来标识，其中，在各实施方式中，第一个数字x被替换为与图号相同的数字，而接下来的两个数字##保持一致。因此，在随后的实施方式中可以不对先前公开元件重复进行解释。
19.所公开的实施方式设置用于电子设备的冷却板，该冷却板利用多个循环回路来增强冷却系统的可靠性。冷却板可以被实现用于冷却各种电子设备，诸如单芯片模块(scm)、芯片上系统(soc)、多芯片模块(mcm)、系统级封装(sip)等。为简洁起见，在本文中这些电子设备被称为微芯片或简称为芯片，而任何这种提及应被理解为包括这些电子设备以及管芯和封装的类似变型中的任何一个。
20.在所公开的各种实施方式中，冷却板包括联接到单独的冷却回路的多个流体端口。另外，实施方式可以包括与冷却回路并联的多相冷却单元。这种实施方式增强了冷却板的冷却能力并增强了冷却系统的可靠性。在使用两相冷却单元的实施方式中，一个流体冷却回路可以用于直接从微芯片中提取热量，而另一流体冷却回路可以用于在单元中的蒸汽冷凝成液体时从中提取热量，从而间接从微芯片中提取热量。以下将更详细地描述这些和其他特征的结构和功能。
21.图1是示出可以根据本文公开的实施方式实施或修改的芯片冷板配置的示意图。芯片/冷板组件100可以表示包括流体冷却的服务器或其他计算平台的任何处理器/冷板结构。参考图1，芯片101(例如，asic)插入到安装在印刷电路板(pcb)或母板102上的插座上，该印刷电路板(pcb)或母板联接到数据处理系统或服务器的其他电子部件或电路。对于流体冷却，芯片101还包括与其附接的冷板103，该冷板联接到机架歧管，该机架歧管例如经由盲配合连接器联接到液体供应管线132和/或液体返回管线131。由芯片101产生的部分热量被冷板103去除。剩余的部分热量进入下方或上方的空气空间，这些热量可以通过由冷却风扇104产生的气流去除。
22.图2是冷却组件200的侧截面，其包括多回路冷却板203。冷却板203包括下板或芯板205以及上板或次级板215。下板205和上板215可以由例如铜、铝等的导热材料制成。下板205的底面与芯片封装201物理接触，并且下板205的顶面与上板215物理接触，例如粘合、钎焊、焊接等。要注意，下板205与芯片201之间以及下板205与上板215之间的界面应制作成高
导热的。
23.下板205包括一个或多个流体通道212，来自冷却系统中的冷却流体循环通过该流体通道。多个两相冷却单元214浸入流体通道212之间。在一个实施方式中，通道212可以通过两相冷却单元214的布置和取向来简单地限定或形成，如以下将进一步示出的。两相冷却单元214是独立且密封的，使得没有流体流入或流出两相冷却单元214。相反地，每个单元底部的流体被芯片201加热并产生蒸发。蒸气上升到下板205的顶面，冷凝然后向下流回。在本示例中，通过在两相冷却单元214内部设置芯吸材料或结构216来增强该过程。因此，下板部分地通过流体通道212内循环的流体以及部分地通过两相单元214内的蒸发作用来从芯片201中去除热量。
24.在本实施方式中，下板205将从芯片201中去除的一些热量传递到上板215。本实施方式的上板包括容纳循环冷却流体的冷却通道213，与下板205的流体循环分开。在此，上板215的流体通道213包括翅片217以增强热量去除。当冷却流体在上板215内循环时，通过上板底部提取热量来保持上板冷却，从而增强下板205的两相冷却单元214中的冷凝作用。通过该作用，由两相冷却单元214从芯片201去除的热量至少部分地传递到上板，使得冷却通道213中的流体间接从芯片中去除热量。
25.如图2所示，设置了两个单独的出入端口，以将冗余冷却流体传递到冷却板203。具体地，入口端口208将冷却流体传递到下板205，而入口端口218将冷却流体传递到上板215。类似地，出口端口209从下板205返回流体，而出口端口219从上板215返回冷却流体。通过具有这种冗余度，即使一个流体循环系统出现故障，剩余的循环系统仍然可以从芯片中去除热量。例如，如果冷却通道212中的流体循环停止，则冷却通道212中保持静止的流体将被来自芯片201的热量加热。由于上板中的流体继续循环并使上板保持低温，来自通道212中流体的热量将传递到在冷却通道213中循环的流体。
26.两个冷却流体回路的冗余可以以各种方式实施。例如，可以将不同类型的冷却流体供应到下板和上板。不同的流体可以在采用独立泵和导管的两个独立冷却系统中循环。相反地，流体的类型可以是相同的，但可以由两个独立冷却循环系统处理，即在不同的独立回路中流动。以这种方式，如果一个冷却流体循环系统出现故障(例如，泵故障或由于泄漏而需要关闭泵)，该循环仍将在另一系统/回路中起作用以对微芯片提供冷却。
27.因此，提供了一种微芯片和冷却板的布置，其中由微芯片产生的热量通过第一或主冷却流体回路部分地直接从微芯片中去除，并且微芯片产生的热量还通过独立于主冷却回路循环冷却流体的次级冷却流体回路部分地间接从微芯片中去除。通过增强浸入主冷却回路中的两相单元中的冷凝，次级冷却流体回路间接从微芯片中去除热量。
28.图3示出了组装前的多个流体端口冷却板的实施方式。图3还示出了可以设计和构造然后组装在一起作为冷却封装的部件。在一个示例中，下板305是通过在诸如铝或铜的金属板中形成(例如，铣削)槽(tub)或腔306来制造的。槽制造成具有多组翅片307。上板315是通过在板310中形成流体通道313并且可选地包括通道313内部的翅片317来制造。第一组流体出入端口318和319设置成与流体通道313流体地连通。第二组端口308和309形成有开口以在组装下板和上板时与槽306流体地连通。第二组端口308和309不与流体通道313流体地连通。
29.另外，两相单元314附接(例如，焊接)到上板315的底面，从而确保两相单元314与
上板315之间的高导热界面。另外，流体通道312形成在上板315中，与形成在下板中的翅片307对齐。因此，在组装下板和上板时，翅片307定位于流体通道312内部。在组装下板和上板时，两相单元314对齐形成以浸入主冷却流体中并且定位在翅片307之间。两相单元314的形状、定位和取向可以用于限定流体通道312。也就是说，在下板中流动的流体将遵循由翅片307和两相单元314限定的路径，因此翅片307和两相单元314一起限定通道312。两相单元314中的每一个可以包括芯吸结构316。一旦下板和上板组装在一起，则其即可以附接到芯片301。
30.因此，设置了一种用于制造微芯片的冷却板的方法，包括：设置第一金属板并在第一金属板中形成主冷却通道从而制造下板；设置第二金属板并形成次级冷却通道从而制造上板；在上板中制造第一组出入端口，第一组出入端口具有通向次级冷却通道的流体通道；在上板中制造第二组出入端口，第二组出入端口在上板的底面处具有开口以在上板附接到下板后形成通向主冷却通道的流体通道；以及将上板附接到下板。
31.图4示出了制造冷却板的另一示例并示出最终组装前的整个封装设计。图4的设计与图3的设计有些类似，不同之处在于图4中的上板包括外部框架431。外部框架可以包括不同的密封机构，诸如o形环433和/或诸如液体传感器437的泄漏检测器。
32.因此，根据所公开的实施方式，设置了一种用于冷却微芯片的冷却板，包括：下板，包括主流体冷却布置；上板，附接到下板并具有与主流体冷却布置流体地分离的次级流体冷却布置，其中，次级流体冷却布置包括形成在上板中的流体冷却通道、流体地联接到流体通道的流体入口端口、以及流体地联接到流体通道的流体出口端口。
33.图5示出了用于制造和组装冷却板的又一实施方式。在图5的实施方式中，流体通道512、翅片507和包括芯吸结构516的两相单元514全部制造在下板上。顺便提及，虚线弯曲箭头指示流体在两相单元514内的独立循环。在本实施方式中，两组出入端口508和509以及518和519设置在上板515上，但是在其他实施方式中，出入端口508和509通向流体通道512，而出入端口509和519通向流体通道516，并且形成两个分开且独立的冷却回路。
34.图6是根据实施方式的冷却板的俯视“透”视图。在该视图中，省略了一些结构元件以突出冷却板的热量去除功能。例如，经由入口端口608传递的冷却流体被限制在由612指示的流动区域内流动，然后经由出口端口609流出。同时，在流动区域612内设置翅片607以增加流体的热量传递。翅片的数量、尺寸和取向可以设计成提供适当热传递所需的适当流阻，而不使冷却回路中的泵过载。
35.两相单元614可以分布在流动区域612内，使得一些热量可以从两相单元614传递到区域612中的流体。然而，来自两相单元614的大部分热量旨在传递到由613指示的通道中流动的流体。流体经由入口端口618传递到通道613并经由出口端口619返回到回路，从而通过出口端口619将热量从两相单元614输送出去。这增强了独立的两相单元614内的流体冷凝作用。通过参考图7可以进一步理解这种热传递和输送。
36.图7示意性地示出了使用根据所公开的实施方式的冷却板的热传递和输送。在本示例中，处理器701产生可以量化为q1的热量。一些可以量化为q2的热量传递到在通道712内流动的表示为冷却剂#1的冷却流体。然后热量q2经由出口端口709输送出冷却板。由处理器产生的量化为q3的剩余热量输送到两相单元714内的表示为冷却剂#3的流体。冷却剂#3通过蒸发上升到每个单元714的顶部来将热量q3从处理器带走。在单元714的顶部，蒸气通
过将热量q3传递到通道713内流动的表示为冷却剂#2的冷却流体而冷凝。冷却剂#2然后经由出口端口719输送热量q3。
37.图8是进一步示出了使用本文公开的冷却板去除热量的框图。点划线表示两个独立的热量去除过程，两者独立且同时作用以提供冗余的热量去除回路。点划线的右侧是冷却剂#1的循环，其在下板的流体通道内循环并直接从热源(即处理器)中去除热量。点划线的左侧是进一步从热源中去除热量的两步过程。第一步是通过两相单元内的冷却剂#3的蒸发来去除热量。然后通过冷却剂#3的蒸气冷凝将热量从冷却剂#3传递到冷却剂#2。然后，热量通过冷却剂#2输送出去，而冷凝的冷却剂#3可选地经由芯吸结构流回每个两相单元的底部。从这个意义上说，流体#2间接从微芯片中去除热量。
38.图9是示出根据实施方式的制造冷却板的总体流程图。在步骤990中，上板(也被称为上芯)形成有两组出入端口。另外，冷却剂#2的冷却通道形成在上芯内。在992处，两相单元形成并附接到上芯或下芯(也被称为基芯)。另外，用于冷却剂#1的流体通道形成在基芯中。可选地，在994处，翅片还形成在基芯的流体通道内。如996所示，用于基芯翅片与两相单元交错、交替或交织，使得两相单元安装在翅片之间。在998中，两个芯对齐并诸如经由焊接、钎焊、粘合等附接在一起。例如，可以将铟浆放置在匹配面上，并且可以将两个芯压制在一起以进行冷焊或者在热焊炉中进行退火。
39.因此，通过所公开的实施方式，设置了包括两个独立冷却通道的冷却装置。冷却装置包括下板，下板具有用于直接从微芯片中去除热量的主流体通道。上板附接到下板并包括次级冷却通道，用于间接从微芯片中去除热量并用于提供冗余冷却回路。因此，设置了两组流体出入端口，一组用于在主通道中循环冷却流体，而另一组用于在次级通道中循环流体。多个两相单元设置在下板中，通过其中包含的流体的蒸发和冷凝作用，将热量从微芯片传递到次级流体通道中循环的流体。冷却装置附接到微芯片或包括在微芯片封装中。
40.根据进一步公开的方面，设置了一种用于制造微芯片的冷却板的方法，包括：设置第一金属板并在第一金属板中形成主冷却通道从而制造下板；设置第二金属板并形成次级冷却通道从而制造上板；在上板中制造第一组出入端口，第一组出入端口具有通向次级冷却通道的流体通道；在上板中制造第二组出入端口，第二组出入端口在上板的底面处具有开口以在上板附接到下板后形成通向主冷却通道的流体通道；以及将上板附接到下板。
41.在前述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施方式对本发明的实施方式进行描述。将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更宽泛的精神和范围的情况下，可以对这些实施方式进行各种修改。因此，本说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。