用于多晶粒电子组件的具有基板防流体的共形冷却组件的制作方法

背景技术：

1、用于无线通信装置、计算机系统和自动化工业制造中的处理单元每年都在变得更小、更快且更强大。这些进步已促使设计者和整合者依赖于电子组件以执行额外和更复杂的计算任务和功能。因此，在一些行业中，例如，诸如高效能计算，对于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)和其他类型的利用高效能、多功能和多任务电子组件的处理单元的需求继续以极快的速度增长。

2、在日益数字化的世界中，为了满足对于更强大、多功能和多任务电子组件的日益增长的需求，一种越来越流行的技术是在单个电子组件中使用多个晶粒(管芯)。传统上在处理单元中的每个电子组件均包括单个晶粒以执行所述处理单元的特定功能(例如，处理核心、内存、i/o、功率管理等)，而新兴的处理单元已经由多个晶粒形成在处理单元中的每一电子组件上。在电子组件中的每个晶粒可以被优化以执行所述处理单元的各个功能，使得当组合使用时，所有晶粒在一起提供了与传统的单晶粒电子组件相比改进的处理效能。

3、随着在电子组件的结构和性能能力中的这种范式转变(paradigm shift)，在实施中出现了新的挑战。其中一些挑战属于热管理类别。在无适当的热管理的情况下，单个电子组件上的多个晶粒容易过热，从而可能导致计算效能下降、寿命缩短或半导体晶粒完全失效。

4、用于管理由电子组件产生的热量的常用技术涉及使用液冷式冷板。液冷式冷板典型地包括由导热材料(通常为金属)制成的板，所述板包含用于供冷却流体流动通过导热材料的通道或通路。所述板的平坦表面借助于热界面材料(tim)与产热元件(例如，半导体晶粒)进行热接触。热量从元件流出，穿过tim，经由传导扩散通过所述板，并被流动通过冷板的内部通道或通路的液体冷却剂带走。

5、虽然传统的液冷式冷板在冷却当今的许多电子组件方面非常有效，但其在从单晶粒至多晶粒电子组件的范式转变中面临挑战，特别是在无盖多晶粒组件中。面临的挑战可能包括例如不均匀的晶粒高度、半导体晶粒的弯曲(bowing)和局部热点。在这些情况下，冷板可能不再有效地冷却多个半导体晶粒，因为其平坦表面可能会失去横跨产热表面的均匀接触，且进而限制其将热量(尤其是从局部化热点)散发至流动冷却剂中的能力。

6、随着行业转向多晶粒电子组件，需要一种更有效的热管理解决方案，其解决冷却多晶粒电子组件的关键挑战。更具体地，相当需要一种用于多晶粒电子组件的冷却装置，其提供在产热元件的不同高度和形状范围共形的冷却。

技术实现思路

1、总的来说，本发明的实施例提供了一种用于诸如印刷电路板、集成电路等的多晶粒电子组件的共形冷却组件，其处理且解决了与使用常规的液冷式冷板以管理由多个晶粒产生的热量相关联的上文所描述的挑战和问题。所述共形冷却组件包括共形冷却模块、紧固件和流体屏障。所述共形冷却模块包括入口通道和出口通道以及充填部。所述入口通道和出口通道被配置为准许冷却流体流经充填部，以准许在冷却流体与贴附至电子组件的基板的至少一个产热元件之间的直接接触。所述紧固件将共形冷却模块附接至基板。所述流体屏障放置在基板与充填部之间，且其被配置为最小化、抑制或防止冷却流体穿透在充填部内部的基板和被所述基板吸收。

2、更具体地，本发明的具体实施例提供了一种用于冷却电子组件的装置，所述电子组件包括基板和贴附至所述基板的表面的至少一个产热元件。所述装置包括共形冷却模块，其具有第一壁以及一个或多个侧壁，其中所述一个或多个侧壁连接至所述第一壁以界定流体充填部。所述流体充填部是部分地由第一壁以及一个或多个侧壁包围和围封的，并且在充填部的与第一壁相对的侧面上是开放的。所述装置也包括：紧固件，其放置在基板与共形冷却模块的所述一个或多个侧壁之间，所述紧固件将共形冷却模块的所述一个或多个侧壁固定地附接至基板的表面，使得一个或多个侧壁和充填部的开放的侧面实质上包围和围封所述产热元件、以及产热元件所贴附至的基板的表面的一部分。也可以存在贴附至基板且由侧壁、第一壁和充填部包围的多个产热元件。

3、流体屏障放置在一个或多个侧壁与实质上由充填部包围和围封的基板的表面的一部分之间。所述流体屏障限制、抑制或防止在经泵送通过充填部的冷却流体与实质上由侧壁和充填部的开放的侧面包围和围封的基板的表面的一部分之间的直接接触。

4、所述共形冷却模块还包括流体连接至充填部的至少一个入口通道和也流体连接至充填部的至少一个出口通道。所述入口通道和出口通道两者皆被配置为准许冷却流体经由入口通道进入共形冷却模块、流经且穿过充填部以直接接触至少一个产热元件、且接着经由出口通道离开所述共形冷却模块。当冷却流体穿过充填部时，在冷却流体与在充填部中的产热元件之间的直接接触允许所述冷却流体吸收由产热元件产生的待由冷却流体吸收并待经由出口通道从共形冷却模块排出的热量中的至少一些。

5、在一种使用案例情境中，多个半导体晶粒经放置在印刷电路板(pcb)上。根据本发明的一个具体实施例，所述共形冷却模块紧固至pcb，且被配置为促进在加压的冷却剂与多个半导体晶粒之间的直接的共形流体接触，这使得能够实现热交换以最小化热阻且降低pcb的操作温度。优选地，但不是必需的，所述冷却流体是可重入的(re-entrant)(即，其循环进出所述冷却模块)。

6、在共形冷却模块被附接至pcb之后将位于共形冷却模块的充填部内部的产热元件在名义上可与冷却流体安全接触。然而，对于在充填部外部的电子装置来说，这通常并非真的，其可能会因曝露于冷却流体而受到损坏。因此，除了将共形冷却模块附接至pcb基板之外，所述紧固件也用作在共形冷却模块的侧壁与pcb基板之间的密封件。所述密封件的主要功能在于，通过防止或至少最小化被注入至充填部中的冷却流体可流经共形冷却模块的侧壁下方并损坏在充填部外部的电子装置的可能性，来保护在充填部外部的电路电子装置以免曝露于流体。优选地，但不是必需的，用作在共形冷却模块与pcb基板之间的密封件的紧固件是完全地不透流体的(防漏的)。在一些具体实施例中(未必在所有具体实施例中)，紧固件的辅助功能可以是将在周围环境中的灰尘或其他颗粒保持在流体充填部之外。

7、在充填部内部，流体屏障可以放置在pcb基板的顶部上，包围半导体晶粒，以进一步抑制流体穿透至位于充填部内部的pcb基板中。这种流体屏障用于限制pcb在长时间曝露于加压的流体冷却剂时的流体吸收，从而最小化例如：电阻抗的改变；机械特性的折衷；和潜在的短路。

8、使用这种共形冷却组件，解决了新兴的多晶粒电子组件的许多上文所描述的热管理挑战。首先，与在多晶粒电子组件中常见的一样，晶粒表面典型地在高度上并非完全平坦的，这是由于在晶粒附接至基板的制程中固有的可变性。与将平坦的冷板表面连接至不同高度的多个不同晶粒的常规的热管理系统不同，本发明的组件和技术可以支持在晶粒表面的高度中的各种变化，而不会损害电子组件的总体效能。此外，由于例如在焊料回焊晶粒附接制程中的变化，每一个别晶粒可能会在晶粒表面上发生偏转。这种技术可以各自地支持每个晶粒的偏转，以及跨多个晶粒的累积偏转，而不会影响操作原理。通过解决非平坦晶粒高度和晶粒偏转的问题，共形技术避免了由制程引起的在热接触中的变化、机械疲劳/热界面材料的降低功效、以及器件的应力集中(例如，由于在产热器件上的不均匀的附接压力)。避免这些问题会使得电子组件具有更有效的热管理能力、更长的使用寿命和更高的产量。

9、在另一具体实施例中，所述共形冷却模块包括多个冲击喷嘴以促进更有效的冷却。当被加压的流体穿过冲击喷嘴时，所述喷嘴用于产生小冷却射流，以高速度垂直地冲击所述产热表面。这提供了高的对流热传递能力，因为在高温产热表面与低温冷却剂流体之间的热梯度被最小化以允许有效地移除热量。这些冲击喷嘴可以被配置为在产热表面上形成阵列，且具体地说，可以被不均匀地配置以瞄准在半导体晶粒上的局部高产热区域。这用于最小化在所述半导体晶粒中以及横跨所述半导体晶粒的热梯度，从而降低局部热点区域的峰值温度。

10、因此，这种配置为多晶粒电子组件热管理的另一挑战提供了有效的解决方案：热点管理。通常，半导体晶粒将包括局部产热区域，其会成为可能会限制或降低整体器件效能的热瓶颈。结合非平坦晶粒高度和多晶粒偏转的问题，当在平坦的冷板表面与半导体晶粒表面之间的附接不均匀时，局部热点可能会变得尤其严重。若不加以解决，这些局部热点往往会限制整体器件效能、可靠性和使用寿命。

11、因此，根据本发明的具体实施例构建且使用的共形冷却组件被设计为通过促进与产热元件表面的直接流体接触来提供对多晶粒电子组件的高效热管理和长使用寿命操作，且通过抑制流体吸收来保护基板，同时避免与非平坦晶粒高度、晶粒偏转或弯曲和局部化热点相关联的通常的多晶粒组件缺陷。本发明的具体实施例也非常适合用于在半导体或电路板制造行业中常见的许多自动化组件制程中。