一种应用于功率芯片的小型化散热装置及半导体器件

1.本发明涉及一种功率芯片的散热装置，具体涉及一种应用于功率芯片的小型化散热装置及半导体器件。


背景技术：

2.功率芯片的散热装置用于散去芯片工作时产生的热量，一般通过焊接的方式将芯片直接焊接在散热装置上，因此散热装置体积的大小直接影响功率器件总的安装体积。现有功率芯片的散热装置一般采用平面平行布局冷却液入口与冷却液出口的结构形式，冷却液入口和出口的轴心是相互平行的。如中国专利cn113300209a公开的一种应用于高功率半导体光源芯片的冷却热沉，从图1中可以看出，芯片01通过焊料02焊接在热沉03上，热沉03包括自下而上叠层设置的下密封叠片、下冷却叠片、导流叠片、上冷却叠片和上密封叠片。下密封叠片上设置相互隔离的第一入水口04和第一出水口05；其余叠片上开设导流换热等结构，冷却水从第一入水口04进入，通过导流换热后，从第一出水口05流出。此类散热装置因冷却液进口和出口分布在不同的位置，使得其体积较大，最终导致激光器总的安装体积增大，浪费了安装空间，不利于系统集成。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种应用于功率芯片的小型化散热装置，冷却液进口和出口位于同一位置，大大减小了散热装置的体积，同时通过合理布局流道，使芯片表面温度均匀。克服现有功率芯片散热装置体积大，不利于系统集成的技术问题。
4.本发明的技术方案是提供一种应用于功率芯片的小型化散热装置，其特殊之处在于：包括自下而上叠层设置的m5密封层、m4分流层、m3引流层、m2换热层及m1密封层；上述m5密封层、m4分流层、m3引流层、m2换热层及m1密封层上对应位置处均设有相互贯通的安装孔；上述m5密封层包括第一区域与第二区域，上述第一区域上开设用于进液的冷却液进液孔；上述m4分流层开设相互连通的第一镂空区域与第二镂空区域，第一镂空区域与m5密封层的冷却液进液孔位置对应且相互连通，第二镂空区域上设置多条分流筋板，各条分流筋板沿y方向延伸、多条分流筋板沿x方向排布，各条分流筋板与m5密封层的第二区域配合形成多个沿y方向延伸、沿x方向排布的冷却液流道；冷却液流道中靠近第一镂空区域的一端为冷却液入口，远离第一镂空区域的一端为冷却液出口；上述m3引流层上开设引流槽，引流槽沿x方向延伸，上述引流槽的底部与各个冷却液流道的冷却液出口位置相对应且相互连通；上述m2换热层开设相互连通的第三镂空区域与第四镂空区域，第三镂空区域与m4分流层的第一镂空区域位置对应；第四镂空区域上设置翅片，翅片根部与m3引流层上引流槽位置对应且相互连通；
上述m1密封层包括第三区域与第四区域，第三区域与m2换热层上第三镂空区域位置对应，第四区域与m2换热层上第四镂空区域位置对应；上述第三区域上设有与第三镂空区域连通的冷却液出液孔；冷却液出液孔与冷却液进液孔的中心轴线重合；第四区域的上表面为功率芯片安装区，用于安装功率芯片；冷却液从冷却液进液孔进入，经过第一镂空区域进入冷却液流道，实现分流；流出冷却液流道的冷却液经引流槽流入第四镂空区域，经翅片实现换热，热流体经第三镂空区域从冷却液出液孔流出，带走热量。
5.进一步地，m5密封层、m4分流层、m3引流层、m2换热层及m1密封层的形状尺寸均相同。
6.进一步地，为了实现更为均匀的分流，m4分流层的多条分流筋板，位于中间区域的分流筋板的长度大于位于两边区域分流筋板的长度，上述长度即为分流筋板沿y方向的延伸长度。
7.进一步地，m4分流层的多条分流筋板，两边区域分流筋板关于最中间区域的分流筋板对称设置。
8.进一步地，m5密封层中安装孔为两个，位于冷却液进液孔两侧。
9.进一步地，m5密封层、m4分流层、m3引流层、m2换热层及m1密封层均为矩形平板。
10.进一步地，冷却液出液孔与冷却液进液孔均为圆孔，且直径相等。
11.进一步地，多条分流筋板沿x方向尺寸相同；翅片中隔板沿x方向的尺寸相同。
12.进一步地，矩形平板的长度a4为13mm，冷却液进液孔的直径为6mm，各条分流筋板沿x方向的尺寸a1相等，为0.20mm，位于最中间区域的分流筋板沿y方向的尺寸a5为6mm，引流槽沿y方向的尺寸a2为0.50mm，翅片中隔板沿x方向的尺寸a3为0.30mm，安装孔的直径为2mm。
13.进一步地，上述分流筋板为9条，从左至右依次定义为第一分流筋板、第二分流筋板、第三分流筋板、第四分流筋板、第五分流筋板、第六分流筋板、第七分流筋板、第八分流筋板、第九分流筋板；其中第五分流筋板为位于最中间区域的分流筋板，第四分流筋板和第六分流筋板沿y方向的尺寸相等均为5mm；第三分流筋板和第七分流筋板沿y方向的尺寸相等均为3.5mm；第二分流筋板和第八分流筋板沿y方向的尺寸相等均为3mm；第一分流筋板和第九分流筋板沿y方向的尺寸相等均为1.9mm；相邻两条分流筋板之间的间距为0.8mm。
14.本发明还提供一种半导体器件，其特殊之处在于，包括激光芯片与上述散热结构，上述激光芯片固定在散热结构m1密封层第四区域的上表面。
15.本发明的有益效果是：1、与传统热沉相比，本发明散热装置中冷却液进液孔和冷却液出液孔中轴线重合，位于散热装置平面的同一位置，减小了散热装置尺寸，便于系统集成，同时通过合理布局流道，使芯片表面温度更为均匀。
16.2、本发明冷却液由冷却液进液孔进入，经第一镂空区域进入冷却液流道，均匀分流，通过m3引流层的引流，流入m2换热层，与翅片进行热交换，热流体经第三镂空区域从冷却液出液孔流出，带走热量。m4分流层中对称分流筋板起到均匀分散流体作用；m2换热层翅片起到增强流体与固体换热的作用；同时m4分流层中对称分流筋板与m2换热层中的翅片均
有力学支撑作用，使各层之间不会因内部流体压力过大分离，或外部施压，内部空洞过大而凹陷。
附图说明
17.图1为现有半导体器件封装整体示意图；图2为本发明半导体器件封装整体示意图；图3为本发明散热装置爆炸结构示意图；图4为本发明散热装置中m5密封层的结构示意图；图5为本发明散热装置中m4分流层的结构示意图；图6为本发明散热装置中m3引流层的结构示意图；图7为本发明散热装置中m2换热层的结构示意图；图8为本发明散热装置中m1密封层的结构示意图；图中附图标记为：01-芯片，02-焊料，03-热沉，04-第一入水口，05-第一出水口；1-功率芯片，2-散热装置,3-安装孔；25-m5密封层，24-m4分流层，23-m3引流层，22-m2换热层，21-m1密封层；11-第三区域，12-第四区域，111-冷却液出液孔；210-第三镂空区域，220-第四镂空区域，221-翅片，2210-翅片根部；31-引流槽；41-第一镂空区域，42-第二镂空区域，421-分流筋板，422-冷却液流道；51-第一区域，52-第二区域，53-冷却液进液孔。
具体实施方式
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
19.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
20.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在其他实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
21.再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
22.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、左、右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不
能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二、第三或第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.如图2所示，本实施例半导体器件包括功率芯片1与散热装置2，功率芯片1焊接在散热装置2的表面，利用散热装置2中流动的冷却液对功率芯片1产生的热量实现散热。从图2所示的方位可以看出，本实施例散热装置冷却液进液孔53和冷却液出液孔111位于同一位置，二者的中心轴线是重合的。在冷却液出液孔111的两侧开设两个安装孔3。相对于传统采用平面平行布局冷却液入口与冷却液出口的结构形式（如图1），本发明大大减小了散热装置体积，相应减小半导体器件体积，有利于集成化设计。
24.从图3可以看出，本实施例散热装置2包括形状尺寸相等的m5密封层25、m4分流层24、m3引流层23、m2换热层22及m1密封层21，m5密封层25、m4分流层24、m3引流层23、m2换热层22及m1密封层21依次从下至上叠层设置，且均为矩形平板，在其他实施例中还可以为其他形状的平板，如圆形、梯形等。冷却液进液孔53开设在m5密封层25上，冷却液出液孔111开设在m1密封层21上。
25.从图4可以看出，本实施例m5密封层25包括第一区域51和第二区域52，需要注意的是，此处将m5密封层25划分为第一区域51和第二区域52，仅仅是为了便与描述冷却液进液孔53的具体位置，第一区域51和第二区域52之间并没有明显的分界线。从图4所示的方位可以看出，第一区域51位于下方，第二区域52位于上方。冷却液进液孔53开设在第一区域51上，同时安装孔3开设在冷却液进液孔53的左右两侧，并靠近m5密封层25的左下和右下两个直角处。本实施例中，可以定义矩形平板的长度方向为y方向，宽度方向为x方向。各个矩形平板的长度a4为13mm，冷却液进液孔53的直径为6mm，安装孔3的直径φ为2mm。
26.从图5可以看出，本实施例m4分流层24开设相互连通的第一镂空区域41与第二镂空区域42，同样需要注意的是，此处将m4分流层24划分为第一镂空区域41与第二镂空区域42，仅仅是为了便与描述m4分流层24的具体结构。从图5所示的方位可以看出，第一镂空区域41位于下方，第二镂空区域42位于上方，第一镂空区域41与m5密封层25的冷却液进液孔53的形状相适配，二者的中心轴线重合，且与m5密封层25的冷却液进液孔53相互连通。第二镂空区域42上设置多条分流筋板421，各条分流筋板421沿y方向延伸、多条分流筋板421沿x方向排布，各条分流筋板421与m5密封层25的第二区域52配合形成多个沿y方向延伸、沿x方向排布的多个冷却液流道422；冷却液流道422中靠近第一镂空区域41的一端为冷却液入口，远离第一镂空区域41的一端为冷却液出口；为了更为均匀的分流，本实施例位于中间区域的分流筋板421的长度大于位于两边区域分流筋板421的长度，此处的长度即为分流筋板沿y方向的延伸长度。两边区域分流筋板关于最中间区域的分流筋板对称设置。从图5可以看出，本实施例设有9条分流筋板，从左至右依次定义为第一分流筋板、第二分流筋板、第三分流筋板、第四分流筋板、第五分流筋板、第六分流筋板、第七分流筋板、第八分流筋板、第九分流筋板；其中第五分流筋板为位于最中间区域的分流筋板，沿y方向的尺寸a5等于6mm，第四分流筋板和第六分流筋板沿y方向的尺寸相等均为5mm；第三分流筋板和第七分流筋板沿y方向的尺寸相等均为3.5mm；第二分流筋板和第八分流筋板沿y方向的尺寸相等均为3mm；第一分流筋板和第九分流筋板沿y方向的尺寸相等均为1.9mm。每条分流筋板421的宽度及沿x方向的尺寸a1为0.20mm，相邻两条分流筋板之间的间距为0.8mm。
27.从图6可以看出，本实施例m3引流层23上开设引流槽31，引流槽31沿x方向延伸，引
流槽31的底部与各个冷却液流道422的冷却液出口相对应且相互连通；从图6所示的方位，也可以将该引流槽31描述为开设在m3引流层23上边缘的长条形通孔，该长条形通孔沿x方向延伸。引流槽31的宽度即沿y方向的尺寸a2为0.50mm。
28.从图7可以看出，本实施例m2换热层22开设相互连通的第三镂空区域210与第四镂空区域220，同样需要注意的是，此处将m2换热层22划分为第三镂空区域210与第四镂空区域220，仅仅是为了便与描述m2换热层22的具体结构。从图7所示的方位可以看出，第三镂空区域210位于下方，第四镂空区域220位于上方。第三镂空区域210与m4分流层24第一镂空区域41的形状相适配、位置对应且二者中心轴线重合；第四镂空区域220的形状与m4分流层24中第二镂空区域42的形状相适配、位置对应，在第四镂空区域220上设置翅片221，翅片根部2210与m3引流层23上引流槽31位置对应且相互连通；翅片221中隔板沿x方向的尺寸a3为0.30mm。
29.从图8可以看出，本实施例m1密封层21包括第三区域11与第四区域12，同样需要注意的是，此处将m1密封层21划分为第三区域11与第四区域12，仅仅是为了便与描述m1密封层21的具体结构以及冷却液出液孔111的具体开设位置，第三区域11与第四区域12之间并没有明显的分界线。第三区域11与m2换热层上第三镂空区域210位置对应，第四区域12与m2换热层上第四镂空区域220位置对应，冷却液出液孔111开设在第三区域11上且与第三镂空区域210连通；冷却液出液孔111与冷却液进液孔53的中心轴线重合；第四区域12的上表面为功率芯片安装区，用于安装功率芯片。
30.本实施例冷却液从冷却液进液孔53进入，经过第一镂空区域41进入冷却液流道422，实现分流；流出冷却液流道422的冷却液经引流槽31流入第四镂空区域220，经翅片221实现换热，热流体经第三镂空区域210从冷却液出液孔111流出，带走热量。因冷却液进液孔53与冷却液出液孔111直径相同且中心轴线重合，因此，可大大减小散热装置的体积，同时本发明通过优化冷却液流道422的分布以及翅片221的形状，使功率芯片表面温度更为均匀。