TWI332270B - Apparatus and methods for microchannel cooling of semiconductor integrated circuit packages - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明通常關於冷卻電子裝置之裝置與方法。尤1 是’本發明侧於微流道冷聽置與方法，立提供改盖 流體分佈與流動機制(職hanlsm)，以有效冷卻半導體= 電路（IC)封裝件，以及局部增強半導體晶片之高功率密 度區域的冷卻能力。 【先前技術】 〜於半導體1C;·與模組之設計與製造巾，必須實 仃能有效移除由1C晶収置（例如微處理⑹所產生的執 的機制，以確保此類裝置能持續可靠操作。當然，對配置 =早一晶片模組（SCM)或多晶片模組（MCM)中之電腦 片’例如其會產生大量的熱，熱移除特別地重要。 m尺寸縮小賴作速度增加，會導致功率密度增 浐不二：文移ί熱變得更加困難，然1C晶片模組係持 ΐ性处二時鐘解(Μ Μ·#)操作，增加系 ' &限於此類IC晶片模組之有效移除熱的能力。 展魏電子裝置’已經發 如，在增力侧⑽單位二 -極_二/如〜8GGW/em2 )條件下的1c晶片、MCM、 一極體每射陣列與其他光電裝置。 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) 圖1A與1B是習知微流道冷卻果一立 國專利4,華7所描述，其中圖丨 === 體晶片（10)之正表面區域（ιη匕3形成於+涂 背表面區域係處理以形成凹化區域（ιϋ(1〇)的 化區域(12)凸起的平行精微的熱 “ : ;片=端接合，因而界定冷卻劑及) I腔ifh入:輪、出’rt) (16)與(17)間之流道⑼ t )，其中藉由則（14)與流過流道⑼ 之冷部诏&體間的熱接觸而達到熱移除。 關^繪於圖_1Β之冷純置有許多缺點。舉例 2 ’由於例如輪入與輸出口（16)與（17)之間使用一 二父，區、(具有長的流道長度），以及使輸人口（16)斑輸 出口⑼具有的戴面區比總體微流道截面區小，因此， 此類設計會導致轉的雜及獨自的流動分佈。此外， 直接形成則（14)與流道（⑴於忙晶片⑽）之非活 性表面的，理，會導致晶片⑽）的產率降低，尤其不希 望，生在昂貴的晶片’例如微處理器。當然，於高性能處 ΐϊ案!I中’如果微流道冷卻11壞掉漏，會使比冷卻 器貴非常多的晶片與微流道冷卻器―起損毁。 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) 1332270 圖2A〜2C圖式說明另一習知微流道冷卻裝置，例如美 國專利5,998,240所描述。圖2A描繪具有包含複數個微流 道（21)形成於其中之石夕晶片（2〇)，其包含複數個通常為 矩形截面的封閉槽或溝。如圖2B所描綠，晶片（2〇)位在 陶瓷框架（22)上，其通常包含三個矩形冷卻劑歧管（23)、 (24) 與（25)。中間歧管（24)包含形成在一端具有冷卻 劑入口.（27)的冷卻劑輸入歧管’而兩外側歧管（23)與 (25) 則包含輸出歧管，並在入口（27)的相對端具有冷 卻劑出口（26)與（28 )。晶粒（20)係相對於陶瓷基板（22 ) 配向設置，使得微流道（21)與歧管（23)、（24)與（25) 成垂直。如描繪於圖2C中，晶片（20)與陶瓷基板（22) 固定在的底板（29)上，其具有兩冷卻劑輸出輸送管（2%) 與單一冷卻劑輸入輸送管（29b)，其中由箭號顯示液態冷 卻劑流動的方向。 描繪於圖2A-2C之習知微流道冷卻裝置有許多缺點。 舉例而言，如果使用矽形成包含歧管流道（23，24，25) 之，板（22) ’於製作期間’由於經由基板形成的多流道具 ^大銳邊肖，基板會變得跪弱且很可能破^。再者，此類 設計會導致顯著的壓力降與不—致·動分佈，其係由於 (〇輸入與輸出口（26，27，28)具有的截面區域比總體 微流道截面區域小，⑻具有溝槽的歧管（23，24，25) 供給微流道（21)的截面是狀的，且（iii)當使用兩外側 歧^机（23 ’ 25)時’使微流道（21)繼續低於入口歧 4IBM/05059TW ； Y〇R9-20〇4-0125(JL) 1332270 管溝槽（24)。 圖3A與3B是說明其他習知微流道冷卻結構的示意 圖’例如’描述於美國專利5,218,515號。圖3A說明積體 電路模組（30)之切現透視圖，其包含1C晶片（31)，沿 著晶片（31)的正面（活性）表面（31a)具有銲料凸塊接 合點（32)。晶片（31)的背面（非活性）表面（3比）與 微流道結構（33)熱接合。複數個微流道（33a)形成於微 流道結構（33 )。蓋子歧管（34 )與微流道結構（33 )接合。 輸入與輸出冷卻劑輸送流道（34a)與（34b)被切割或形成 於蓋子歧管（34)，如圖所示。 圖3B說明冷卻劑供應歧管（35)，其用以提供冷卻劑 給多晶片模組（MCM)封裝，此多晶片模組包含一陣列面 朝下固定在共用基板或電路板上的微流道冷卻Ic模組 (30)。冷卻劑供應歧管（35)包含複數個冷卻劑供應流道 (例如 ’（36)、（37)、（38)與（39))，其中流道（36)與 (38)是較高壓力流道，而流道（37)與（39)是較低壓 力流道。歧管（35)適用於放置在印刷線路卡上，使得例 如，各自於冷卻劑供應流道（36)與（37)之開口（36a) 與（37a)與電路板上個別的積體電路模組（3〇)中的開口 (34a)與（34a)匹配。彈性體密封墊用以連接冷卻劑供應 歧管（35)與積體電路模組（3〇)。 〜 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) 1332270

描繪於圖3A與3B之微流道冷卻裳 而言，微流道冷卻器⑽形成具有一熱交換^ C 與輸出歧管流道（34a ’ 34b)之間），其將導致流體沿^微 流道（33a)流動的顯麵力降。此外，如果為了多個数交 換區’蓋子歧管⑼形成具有多冷卻劑傳遞流道（例如， 34a)以降碰力降，細蓋子歧f (34)於喊期間易損 壞且可能破裂，因而降低製造的產量。 、

此外，描緣於圖3B的冷卻劑供應歧管（35)會導致大 的壓降’及顯著的不均勻流動分佈，此由流道引起，因宜 供給特定行的四個微流道入口’具有一固定的截面區域;; 舉例而言，如描繪於圖3B，供應流道（36)經由四開口 (36a) ’將冷卻流體供給模組（30)(圖3A)的四冷卻劑傳 遞歧管（34a)。假設V、ΔΡ與Q是最後歧管段（即，底部 兩微流道入口之間）的速度、壓差(differentialpressure)與總 流動，則希望於此區段之上具有速度2V，以及總流動2Q。 如果流動是層流的(laminar) ’則較高的速度會導致區段壓降 等於〜2ΔΡ，而如果流動是亂流的，則將導致區段壓降等於 〜4ΔΡ (當流動是層流的，流動與壓降之間為線性相依，但 當流動是亂流的’則是二次方相依性）。因此，對於供給具 有固定截面之四微流道入口的歧管流道，如果流動是層流 的’可以預期總歧管流道壓降為〜10AP，而如果流動是亂 流的，可以預期總歧管流道壓降為〜30ΔΡ。大的壓降在不 同微鰭區段將引致流動變化，而不能用回歸線補償，或以 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0l25(JL) 固定截面互補而與相關入口線反向補償。由於歧管流道承 載比特定微流道大相當多的水流，速度與截面都比較大， 因而’可輕易預料（或難以避免）兩區域之間的Reynold 數將增加10X。關於低冷卻能力，例如低於5〇w/cm2，水 流的要求較低’而且可能使歧管流道與微流道皆具有層流 區域’但在高流動時是不可能的’因為微流道會要求流動 區域具有100-200範圍内的Reyn〇id數，而歧管流道内的流 動區域並非層流。 上面論述習知設計的另一缺點為，並未提供有效移除 忙晶片熱的機械裝置，Ic晶片如處理器，其具有“熱點” 區域’即晶片具有熱通量（功率/每單位）的區域，該熱 通I顯著大於晶片的平均熱通量，會導致溫度比平均晶片 溫度熱〜20°C。當然，熱解決方法是設計有效移除因平均晶 片功率密度所引起的熱，可能不適用於移除晶片“熱點” 區域的熱，而將導致晶片裝置於“熱點，，區域或接近“熱 點區域處故障。 【發明内容】 本發明之例示實施例通常包含用於冷卻電子裝置的裝 置與方法，尤其是用於具有非均勻功率密度分佈，且面向 下固疋在封裝基板之1C (積體電路）晶片的微流道冷卻的 裝置與方法。尤其，本發明之例示實施例包含微流道冷卻 裝置與方法，其實行機械裝置以對具有高於平均功率密度 4IBM/05059TW ; Y〇R9_2004^0125(JL) •10- 1332270 间功率密度區（或“熱點’，）提供可變的 ίΓ的ipi /局部增強具有高鮮均功率密度之1c 日日片的熱點區的冷卻能力。 、，、例如於本發明之一示範實施例中，提供積體微流道 冷部裝置’以冷卻具有非均勾功率_ Ic(積體觸晶片。 此微流道冷卻裝置包含：複數個交替輸入與輸出歧管，以 相同方向延伸於频冷職置，錢傭健交換區。每 一熱交換區包含複數個散熱散熱微鰭片，其界定在相鄰輸 入與輸出歧管間延伸的多微流道之微流道圖案，以提供該 相鄰輸入與輸出歧管間的流體流動路徑。變化一或更多熱 交換區之微流道圖案，以提供對應該汇晶片之預期功率圖 的熱轉換性能。輸入與輸出歧管及熱交換區之微流道圖案 係結構化，以於一熱交換區符合該1C晶片之預期熱點區之 區域，提供一平均流速，其實質上等同或至少不超過大約 該熱父換區不對應該1C晶片之預期熱點區之其他區域之平 均流速的50%。 於本發明之另一示範實施例中，積體微流道冷卻裝置 之至少一輸入歧管係配置，以對準該1C晶片的預期熱點 區。於另一實施例中，局部變化一或更多該等熱交換區的 微流道圖案，以提供一熱轉換性能，其對應該1C晶片之預 期功率圖的局部變化。又於另一示範實施例中，至少一熱 交換區包含：一第一微流道圖案，對該IC晶片之預期平均 -11- 4ffiM/〇5〇59TW；YOR9.2〇mi25(JL) Ϊ率Γ度提供足夠的熱轉換性能，以及—第二微流道圖 ϊ圖晶片的預期_ 2案對_職大料均鱗毅，提供足細熱轉換 本t月之此些與其他示範實施例、觀點、特性與優點 二因下面較佳實施例的詳細描述配合相關附加圖式二起閱 5買’而變得更容易明白，。 【實施方式】 於，此私述本發明之示範實施例，通常包含用於電子裝 之冷聰置與方法，尤其是，用於_下0定在封裝基 板之1C (積體電路）晶片之微流道冷卻震 可具有非均句功率分佈。一般而言，根據本發明之 I耗Λ施姻於電子裝置之微流道冷卻裝置包含：積體微 ^道冷卻（或微流道散熱）裝置，其與面朝下固定在封裝 ς板之1C晶片之非難表面熱接合；以及流齡佈歧管裝 、，其經由機械順應墊片與微流道裝置刻可卸式地連接， 1遞冷^劑流體往/返積體微流道裝置。根據於此描述 之各種示範實施狀織道冷卻裝置與方法實行流體分佈 與流動機制’其促使冷卻劑流體之均勻流動，並防止/緩. ^冷部劑流體沿著冷卻献祕徑之壓力降低，因而提供 高冷卻速率能力與效率，以冷卻例如半導體積體電路（们 晶片封裝/模組之電子裝置。於其他實施例中，微流道冷 4IBM/05059TW ; Y〇R9-2004-0125(JL) •12- 部農置與綠實施之機制’對半導體W之高功率密度區 (“熱點”），提供可變的局部化冷卻能力，以在IC晶片 具有比平均功率密度高的區域局部增強冷卻能力。 、尤其，本發明之示範實施例包含各種用於積體微流道 冷部裳置之結構/架構’可以被熱接合在Ic晶片為了高 效率的熱鎌’被設計成最麵冷卻織齡佈盘流炉 例如’於本發明之實施财，積體徽道冷卻雜置包含. ，流道板’其具有複數個由形成於微流道板之散熱微鰭片 界定之微流道；以及歧管板（或鮮蓋），歧 微流道面接合，具有複數個冷卻舰應/回流歧管。ς本 =2:實施例中，積體微流道冷卻器裝置包含由微流 υ應/回流歧管結構所構成之單—板。於所有此 點區能夠局部變化冷卻財法建構、圖案化、 或配置 3二=微流道冷卻裝置包含供應/回流歧管與微流 ^政触則’其由能酸沿著冷卻雛鱗經之壓降 3二ΐ??流體流動及分佈均勻，和，或對於晶片的熱 規格化和/ 據本=之考圖4A_4D與圖⑽’詳細描述根 據本u之喊貫施例之積贿 積體；ί、；ιμ與相對應之微流道板（5G)點合’以形成 積體&私卻裝置，如贿糊5A_5B之示範示意圖成 4IBM/05059TW ; Y〇R9-2004-0125(JL) -13· 尤其，首先參考圖仏-仍之說明圖，示範之歧管板(40) 包含平面基板（41)，其具有減侧成於其巾之流體歧管 (Ml〜M7)(或通常標示為奶）。每一流體歧管（組〜爾) ，含形成於基板（41)之表面(S2)之相對應歧管流道 (C1〜C7)(或一般為Ci)，以及相對應的流體孔圖案/系 列（VI〜V7)(或-般為Vi)，其具有複數個流體孔⑺，形 成自表面（SU (相對於表面⑼）至沿著相對應歧管流 f (C1〜C7)的各位置延伸的開口。如下面說明，以能使歧 管板（4〇)提供均句流動分佈及減少整體系麟降，以及 於製造期_持歧管板結構完胁止損壞的方法建構、 圖案化、規格化和/或配置流體歧管（Mi)。 尤其’圖4A是歧管板（40)在一生產階段的平面示意 圖，其中複數個流體孔圖案/系列（V1〜V7)形成於平面 基板（41)之一表面（S1)，於說明圖中表面（S1)是平面 基板（41)的底表面。換言之，圖4A描繪孔（V1〜V7)的 圖案是由基板（41)上表面（S2)(相對於其中形成孔之底 表面（S1))觀看。圖4B是圖4A沿著線AA的基板（41) 部分的示意剖面圖，其說明基板（41)具有厚度（τ)，以 及在基板表面（S1)下面形成深度（dl)的孔（ν)(即， 形成的孔不是完全穿透基板（40))。於本發明之實施例中， 其中基板（41)是由石夕（Si)形成’可以使用深的Si钱刻 方法韻刻流體孔部分經由基板（41 )，以形成流體孔。尤其， 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) •14- :示=二，=典型具有0.75_厚度7_圓基 m心μ 域為深度dl=G.5Qmm。再者，流體孔 σ為直徑大約450微米的圓形洞。請注咅，雖麩干眘 ;Γ=Γ洞，但也可以形成鳩他形二= I最好具有_角（她於作為應力針部位具有尖角 的开/狀’於I造期間，尖肖會增力σ損壞組件的可能性）。 如描繪於圖4Α之示範實施例，孔圖案(VI)及(V7)包含 一糸列配置成線性圖案的圓形開口，而且孔圖案（ν2)〜 (V6)各自包含—系列配置成「之」字型圖案的圓形開口。 如下面描述’ g形成多歧管界定多熱交換區時，於歧管板 製造期間’於組|方法中，藉由形成—㈣「之」字型圖 案的圓形開σ建構歧管，崎低晶11 (絲板）損壞的可 能性。 各流體孔圖案/系列（Vi)包含複數個開口，其作為相 對應之輸人/輸出岐管流道（Ci)(形成在基板（41)相對 於形成流體孔圖案（Vi)的表面（S1)的表面（S2)上） 的流體入口/出口。例如，圖4€說明示範歧管板（40)在 另一生產階段的平面示意圖，其中於基板（41)的表面（S2) 上形成歧管流道（Cl〜C7)，各歧管流道（C1〜C7)包含一 連續的凹處，其係圖案化並凹化成足以連接相對應流體孔 圖案（V1-V7)之各流體孔（v)的深度。尤其，圖4D是 圖4C /α著線bb的基板（41)部份的示意剖面圖，其說明 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(^) -15· 流體'"IL道C2的流道區段形成在兩孔（v)之間是夢由將 基板（41)的孔(V)之間蝕刻出足夠深度4的凹處在基 板（41)之表面（S2)下面與流體孔（v)連接 '繼續描& 有關圖4B的示範實施例，其中歧管板（4〇)之基板（41) 疋由石夕形成，可以使用深的Si兹刻製程，將凹處钱刻至 d2=0.25mm的深度’而形成歧管流道（Ci)。 此外，於本發明之示範實施例中，歧管（Mi)包含所 形成具有可變截面區域之歧管流道（Ci)。例如，圖6是描 繪於圖4C之流體歧管（M2)部分位於區域（43)的歧管 結構之示意詳述圖。於圖6之示範圖中，在流體孔（v)之 間的流道區段（44 )離流體孔越遠越細形成錐形凹處(tapered recess) ’以縮小流道截面區域。示範歧管結構的詳述進一步 描繪於圖9A，其描繪形成於歧管板（90)，具有「之」字 型圖案之歧管流道（91)之三維圖。尤其，圖9入描繪複數 個流體孔（v)(形成至歧管流道（92)之開口），其中歧管 流道（92)係圖案化，因此在兩流體孔（v)之間的流道段 (93)形成錐形凹處 錐形歧管流道寬度的優勢是因使冷卻劑流體流動速度 保持相當固定，有助於使沿著流道之動態壓降減到最小。 尤其’變化歧管流道（Ci)的截面區域，提供降低沿著歧管 流道（Ci)的動態壓降的方法，並因而使歧管流道（Ci)能 夠均勻分配冷卻劑流體流動往/返微流道入口/出口（沿 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004^125(JL) -16- 著歧管流道（Ci)配置）。 圖5A與5B是說明根據本發明之示範實施例之微流道 板之示思圖。尤其，圖5A是微流道板（50 )之平面示意圖。 例如’其適合與圖4C之示範歧管板（4〇)配合使用。於圖 5A中，微流道板（50)包含基板（51)(例如，矽基板）。 基板（51)包含區域（52)，其被钮刻（使用深別蝕刻或熟 悉此項技藝者所熟知的其他適合的技術）形成複數個界定 微流道（54)的平行散熱微鰭片（53)(參考圖5B)，以相 同方向延伸過區域（52)。微流道（54)包含複數個開放式 槽，或通常是矩形截面的溝槽。 於圖5A之示範實施例中，當歧管板（40)與微流道板 (5〇)接合以形成積體微流道冷卻裝置時，區域（52)之 放熱被縛片（53)是不連績的，而是以此種中斷/不連續 的方式形成凹化區（R1-R7)，其對應且對準歧管流道C1-C7 (圖4C)。經由範例，圖5B是圖5A之微流道板（50)之 部分（55)的詳細說明，其中散熱微鰭片（53)是不連續 穿過凹化區（R2)，對應（對準）歧管板（40)的歧管流道 (M2)(例如描繪於圖6的部分（43))。凹化區（R1-R7) 作為與歧管板（40)的對應歧管流道（C1-C7)結合的歧管， 以增加可用於自流體孔（v)流向微流道（對於入口歧管）， 以及自微流道流向流體孔（對於出口歧管）的流體分佈區 域。例如，描繪於圖6之歧管板之部分（43)，說明部分歧 4BM/05059TW ί YOR9-2004-0125(JL) -17- 1332270 管流道能對應與對準描繪於圖5B的凹化區幻。在此觀點， f管流道與凹化區的組合區，提供桃流料辑分佈的 此外，例如描繪於圖6 ’為了降低壓降，在流體孔（v) 之間的歧管流道的流道區段（44)具有可變化的 尤其’如描繪於圖5B與6的示範實施例，歧管 之輪入流體孔（v)與對應凹化區域（R2)部份之的流道 區段（44)，是距離輸人流體孔（v)越遠變得越細，以縮 小沿著冷卻劑路徑的截面區域。如此會導致壓降減少，益 使流體流動速度保持固定，以將冷卻劑均勻投入沿 道 段配置之微流道。 化"n 再者，由於描繪於圖5Β之示範實施例，沿著凹化區域 (例如，顯示於圖5Β之R2)之散熱微鰭片（53)的末端 部分，能被形成具有圓形或錐形邊緣，以更減少整體系統 的壓降。當然，散微鰭片（53)的圓形或錐形導致 微流道（54)具有圓形入口/出口角，藉由順暢進/出的 流動而降低流動阻力。 於本發明的示範實施例中，假設形成具有寬度Wp9〇 微米的散熱微鰭片（53)，而且定義微流道（54)具有流道 寬度Wc=60微米，且流道深度為250微米深。再者，假設 兩相鄰流體孔（v)之間的垂直間隔（Vs)(如圖6所示） 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0l25(JL) -18- 疋0.6mm，而且各孑匕（v)對相鄰歧管流道區段（44)的左 右兩側提供冷卻劑往/返一系列微流道。因而，於此示範 貫施例中，提供冷卻劑往/返之微流道（單一流體孔（V)) 的總體截面區域是1 2mm X 0.25mm X 60% = 0.18mm2,其 中1.2_ = 2Vs ’而〇.25_是微流道的深度。再者，假設 (如前面所提到的）流體孔（v)的直徑是〇.450mm (對應 於0.16mm2的截面區域），各歧管流道區段（44)具有0.450 χ0·25=0·11ιηιη2的起始截面區域，並提供流體流動往/返具 有0.09mm2截面區域的微流道（54)。 請暸解’與凹化區域（R)對準之歧管流道（C)為了 流體流動’也提供額外的截面區域。此額外區域是提供以 減少因改變流體流動方向以及流道的幾何而引起的壓降。 微流道每單位面積會具有比投入孔（v)更溼的邊緣，因此， 會f曰加壓降。互連此兩結構的額外體積會使流體流動找到 離開内壁低阻力的路徑。由於體積較小，壓降的不利結果 會因内壁的摩擦力而增加。如上面描述，提供往或返流體 孔（v)的截面區域，各歧管流道區段之起始截面區域以及 微流道的總體截面區域，流體全部是在其平均值的25%内。 如上面所提及的，可使用示範歧管板（40)與微流道 板（50) ’藉由接合歧管板（4〇)的表面（S2)與微流道板 (50) ’而形成積體微流道冷卻裝置。因此歧管流道（α) 與相對應的凹化區域（Ri)的表面對準。尤其，可使用示範 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) •19- ^(中二干^/二建構形成在交替輸入與輸出歧管⑽圖 精m 之間，整體大小為2_麵的 裝置，其具有六個熱交換區，以及上面論 ^ /微流道(尺寸如。％ 梦晋魅^考圖與8進—步說明形成频微流道冷卻 裝置與封裝此具有Ic;裝£之稍綠。 姑根據本發明之7^範實_之積體微流道冷卻 祕率及低作鍵力的錢道冷卻器架構，其能 =效冷轉有非常高功率密度之電子裝置，而且能夠容 易衣造並與晶片封綠合。尤其，赠體歧管、散執微鰭 片與微流道設計根據本剌之频雌道冷卻裝置之各種 示範實施例’其被建構，圖案化，規格化和/或以一種方 法配置’例如’提供⑴冷卻劑流體之均句分佈與流動， 以^整體減少祕餅，⑻當組裝冷卻裝置時增加製造 產量，以及（m)容易與晶片封裝整合。 尤其，經由範例，關於容易與晶片封裝整合，係使用 歧管晶片背表面上之流體孔，以輸人/輪出冷卻劑流體往 /返積體微流道冷卻裝置，能使微流道冷卻裝置被規格 化，因此顯然不會被延伸超出被冷卻晶片區域。如此對 mcm特财利，其巾^獅定的彼此非常接近。此外， 如下面進-步的制，藉由於個別層形成散熱微韓片/微 流道結構（相對於被冷卻{非活性表面形成此結構），首 4IBM/〇5〇59TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) •20· 1332270 先能夠建構與測試個綱微流道冷卻裝置， 冷部益組鮮獨不會有任何產量損 ； 與整合冷料產量損㈣方法與晶片熱齡。導致組合曰曰片 此外，_增加製造產量，咖轉 ==構流體歧管’其中以使基板損壞二 取低的方式形成歧管。當然’如有關示範歧管板⑽） 之說明，為了提供冷卻劑流動，歧管（M)不是如習知外 計被形成連續的延伸槽，而是具有—系列_開口，或= 有圓形角的開口，被配置成「之」字圖案，以降低製造期 間晶圓的破裂，而且具有形成在面對微流道板表面上之圓 形開口之_歧管流道。此歧管結構藉由使關形開口固 而降低晶®損壞的可能性’賤破裂成核位置的應力集中 減到最小，藉域職流道瞧之凹倾域作為與歧管流 道結合之歧管，喊流管之_凹化輯減到最小， 且避免對準沿著（100) Si裂縫平面的凹處。 此外，根據本發明之示範實施例之積體微流道冷卻裝 置可以實施各種機制，以完成冷卻劑流體之分佈與流動之 均勻f生，並使糸統壓降整體降低。例如，實行以降低壓降 的方法是將冷卻劑流動細分為多個熱交換區，以致通過微 流道的流動路徑是短的。尤其，經由範例，上面論述之示 範歧官與微流道板實施例，提供多輸入與輸出流體歧管 (Μι) ’以界定多個熱交換區。當然，如示範之圖5A之微 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -21 - 1332270 流道板（50)與圖4C之歧管板（40)所描繪的，由交替的 輸入與輸出歧管界定六個熱交換區，其中各輸入歧管（M2、 M4與M6)供給兩微流道區域（在輸出歧管（、M3、 M5與M7)的末端）。再者，「之」字型歧管結構能夠形成 多歧管，而維持晶片結構完整。 另一降低壓降的方法是設計歧管，以使各歧管有一起 始或最終截面區至少等於所有微流道（接收來自歧管流道 的冷卻劑流體，或對歧管流道供應冷卻劑流體）之總體截 面區域。例如，圖4C與圖5Λ的示範實施例，輸入歧管流 道C2、C4與C6各供應兩微流道區。就其本身而論，輸入 歧管流道之每一的起始截面區域至少應該與微流道截面之 總和一樣大，其由此等流道供給。此外，輸出歧管流道C3 與C5各自從兩微流道區接收冷卻劑流體^就其本身而論， 輸出歧管流道C3與C5的最終截面區域至少應該與供應此 等歧管流道之微流道截面之總和一樣大（或者，於示範實 施例中，各歧管流道C2-C6之截面區域應該一樣）。另一方 面，輸出歧管流道C1與C7分別由一微流道區供應。就其 本身而論，輸出歧管流道C1與C7各自之最終後截面區域 應該不小於輸入歧管流道（M2與M6)的起始截面區域的 一半。 同樣地，另一降低壓降的方法是設計歧管，因此每一 歧皆之流體孔具有的總截面區域至少等於所有微流道的總 4EBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0!25(JL) -22- 體戴面區域，其接收通過越孔供應的冷卻劑液體或供應 自流體孔輸出的冷卻劑液體。例如，孔圖案V4的流體ϋ 該具有的總截面區域至少等於微流道之截面區域總和，其 由對應之歧管流道C4供應。 ^ '、 a再者，如上面所提到，另一降低壓降之歧管設計特性 是變化歧管流道的截面區域’以均勻供應冷卻劑至微流 道。例如’描繪於圖5B與6之示範實施例，歧管流道 之輸入流體孔（v)與凹化區域（R2)之對應部分之間的流 體區段（44)是離開輸入流體孔（v)肖下成為錐形，因此 截面區域岭冷卻劑路雜小。減會導致減少壓降，並 使液，流動冷卻劑之速度鱗固定，以使冷卻劑均勾供應 至沿著流體區段配置的微流道。此外，能夠藉由圓形或錐 形的微流道人口角’使進人的流動緩和而降低流動阻力， 而使壓降更為減少。 ^大體說來，根據本發明之積體微流道冷卻裝置係由示 fc之歧官與微流道板（4G)與（5G)所形成，提供多熱交 換區=構，其巾所有的敵祕以平行方式連接，意謂著 均勻十熱交換區（例如，所有熱交換區的微流道圖案是 相同的（具有相同節距的連續流道），❿且交替之輸入鱼輸 出歧，有，_咖，因崎所杨交舰而言，微流道 長度4乎全相同），以在入口與出口歧管之間以相同壓降 作業而且歧管设計具有各種截面區域，以確保關於特定 4BM/05059TW ; Y〇R9-2004-0125(JL) •23· 1332270 熱=換區，冷卻舰均勻分佈通過熱交換區。於此方法 積體微流道冷卻n設計成具有足舰量的平行敎交換1 之翻平均功轉度的流動 提 動及每單位長度的壓降，足以有效冷 此平均功率密度的晶片。 、 =疋根據本發明之示範實酬，冷卻半導體晶 片之裝置之示賴。尤其，圖7制根據本發明之半導體 封裝件（_7〇)之剖面側視圖，其包含積體微流道冷卻裝置 (71) ’經由熱接合劑（B2)熱接合半導體晶片（π)(例 如，處理器晶片）之背（非活性）表面。晶片（η)之活 性表面包含複數個焊球（C4)，以覆晶接合在職基板。 、微流道冷卻裝置（71)包含由接合劑（B1)結合之微 流道板（74)與歧管板（乃），而且板（74)與（75)能具 有類似於上面論述有關圖4A-4D與5A-5B之歧管與微流道 結構。於此觀點，圖7之示範實施妍被視為沿著經線的 剖面圖：（1)以平行於形成於歧管板（75)的「之」字型流 體歧管結構，且垂直於微流道板（74)的複數個散熱微鰭 片（76)與微流道（77)的方向延伸；以及（幻通過複數 ，形成在「之」字型流體歧管結構之一侧的流體孔（v)之 每一的中心。如圖7描繪，流體孔（v)在沿著歧管流道（◦) 的位置形成開口，而且微流道板（74 )包含複數個區域（R)， 其中散熱微鰭片（76)是不連續的。複數個散熱微鰭片（76) 4IBM/05059TW ； Y〇R9-20〇4-0125(JL) -24- 與微流道（77)以垂直於圖紙面的方向平行延伸。 歧管板（75)與微流道板（74)之間的接合劑（B1) 足以提供防水的密封，但接合劑（B1)不必提供低的熱阻 力因此，接合方式例如直接晶圓接合、融溶接合、陽極 接合、玻璃介質接合、焊料接合、聚合物黏著接合或任何 其他適合的接合方式，皆可用於黏合微流道與歧管板（74) 與（75)。此外’使用低熱阻力的接合劑形成微流道板（％) 與晶片（72)之間的接合劑（B2)，因而使晶片（72)至微 流道板（74)有足_解。可朗低熱阻力接合劑例如 金屬點、焊點或填塞熱黏著劑，例如Ag環氧樹脂W qx>Xy)，或者其他接合構件，只要接合厚度夠薄，且符合冷 卻流體需要的水準。希望賴阻力接合_熱阻力低於 〇.2C-cm2/W ’或較佳小於或等於〇 1(：.2僧。再者，希望 接合劑（B2)可重複做(re贿kable)，因此當需要時，可自 b曰片（72)移除微流道冷卻II⑺）’以更換個別的冷卻裝 置（71)或更換晶片（72)〇因此，坪料接合劑可重複做， 而且即使焊料層與Ag環氧樹脂接觸也能重做。 歧皆板（75)的大小，例如厚度[，以及歧管結構的 大小，例如流體孔（v)魄度&與歧管流道（c)的深度 4可以與上面有關圖4D的描述—樣。此外，微流道（77) 的凹化深度4可以與上面有關圖5A〜B的描述一樣。然而， 於本發明之另—示範實_巾，可使用各種方法減少微流 4IBM/05059TW ； YOR9-20〇4^)125(JL) •25- 道板（74)的厚度(自0 75mm的典型石夕晶厚度，以使 A的距離袁小，而降低通過石夕厚度的溫度降，因而增加封 裝（7〇)的熱性能。例如，於實施例中，對於2〇〇或3〇〇_ 直後的石夕晶圓，厚度G可自0 75mm的典型厚度減少，因 此距離4大約是100微米。 . 可用各種方法建構圖7之封裝結構（70) 通常，於本 發明之實施例中，微流道板（74)與歧管晶月（75)可互 相接合與測试，且接著與具有微流道板（)(與晶片（) 的月表面接觸）的晶片（72)的背面接合。尤其，於本發 明之示範實施例中’在晶圓方面，第—晶圓包含複數個形 成於其中的微流道板，能夠與包含複數個對應歧管板的第 二，圓接合。接合的晶圓接著受到拋光、碾磨和/或研磨， 以薄化組裝微流道板的基板。選替地，包含複數個微流道 =的晶圓首綠接合或蝴之前可被薄化。由於兩晶圓接 合在一起，晶圓可被切割分成個別的微流道冷卻裝置。選 替地，包含微流道與歧管板的晶圓可被拋光，切割等等， 然後藉由接合個別的歧管與微流道板而形成烟的微流道 冷郃裝置。注意，於圖7中，微流道冷卻器（71)的外尺 寸可以稍Μ大於晶片（72)的外尺寸，因此流道冷卻器⑺） 的各邊稍微延伸超出晶片（72)。此一稍微延伸可因周圍區 域而改善性能，其巾歧管板（Μ)與微流道板（74)結合 在一起，與微流道冷卻器（71)的内部區域相比提供降低 的冷卻H的延伸使晶# (72)的整射表面與包含微 •26- 4IBM/05059TW ; Y〇R9-20〇4-〇125(JL) 流道的微流道冷卻器（71)的内部區域接觸。 於本發明之另一示範實施例中，能藉由薄化晶片（72) 的基板而更加改善圖7之封裝結構（70)的熱性能。此外 減少基板材料保留在微流道板（74)之微流道（71)下之 厚度。例如，如上面所提到，微流道板（74)與晶片（72) 接合的表面可被拋光’以具有大約只有1〇〇微米的si，存 在微流道板最深钱刻區域的下面。另外，晶片（72)(例如 處理器晶片）的厚度A可自最初大約〇 75_的si晶圓厚 度減少至大約〇.3mm。 如上面描述之示範微流道冷卻裝置實施例，例如於圖7 中，包含藉由結合個別歧管與微流道板所形成的積體微流 道冷卻裝置。於本發明之其他實施例中，積體微流道冷卻 裝置包含由微流道與供應/返回歧管結構建構之單一板。 例如，圖8A與8B是說明根據本發明之另一示範實施例， 冷卻半導體晶片之裝置（8〇)之示意圖，裝置（8〇)包含 熱接合半導體晶片（82)(能經由烊球（83)與封裝基板覆 晶接合）之非活性表面之積體微流道冷卻器（81)。 尤其’圖8A圖式說明沿著經線取得的忙封裝結構(8〇 ) 之剖面圖’該經線於冷卻II (81)之熱交換區内以垂直於 複數個熱歧管（84)與微流道（85)之方向延伸。另外， 圖8B圖式說明沿著經線之剖面圖，該經線（i)以平行於在 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -27- 積體冷卻器（81)之敝換區之末端部分賴的「之」字 型二體歧官結構之方向延伸，（ii)通過在「之」字型流體 歧管結構之一側形成的複數個流體孔（V)之每一之中心。 σ換言之’描繪於圖8A與8B之積體微流道冷卻裝置（8 i ) 架構’將微流道板與歧管板的功能與結構結合於一基板 層。可藉由如上面描述的蝕刻孔圖案以在冷卻器（81)之 基板表面上形成深度沁的流體孔（v)，而形成示範之微流 道，部裝置（81)。織’―或更多乾侧步雜用於形成 歧皆流道（C)與散熱微鰭片（84)及微流道（85)。如果 所形成的歧管流道（c)具有與微流道（85) 一樣的深度， 即則能夠使用相同的乾姓刻步驟形成歧管流道（c) 與微流道（85)。選替地，可藉由兩個別獨立的乾姓刻步驟 或兩乾蝕刻步驟之組合，形成歧管流道與微流道。 於圖8A與8B的示範實施例中，描繪歧管流道（c) 比微流道（85)深（沁>4)。於此範實施例中，能夠使用兩 乾蝕刻步驟形成較深的歧管流道（C)(由於RIE lag寬的特 徵餘刻比狹窄的特徵快’所以會比微流道（85)深）。由於 此配置’可以簡化組裝程序，且由於冷卻流體直接接觸晶 片（82)可能會改善性能。此外，使用低熱阻力接合劑（B3) 使散熱轉片（84)與晶片（82)結合。請注意，由於此設 計’包含微流道之微流道冷卻裝置（81)之内部區比晶片 (82)小’因為需要周圍區域將兩者密封在一起。注意， 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -28- 於周圍區域形成密封需要密封接合（hermetic bonding)的 方法。 ^圖9A〜9B是根據本發明之另一示範實施例之微流道冷 部裂置之透視示意圖。尤其，如上面描述，圖9A描繪部分 具有流體歧管（91)之歧管板（9〇)的三維圖，其包含以 「 广p 之」字型圖案形成之歧管流道（92)，以及複數個流體孔 (V)(形成作為歧管流道（92)的開口）。歧管流道（92) 在流體孔之間形成錐形的流道區段（93)。 圖9B描繪部分微流道板（94)的三維透視圖，其能與 圖9八之歧管板（90)接合，以形成描繪於圖9C之積體微 流道冷卻裝置。為了清楚起見，圖9B是由上觀看微流道板 (94)的透視圖，將基板顯示為半透明立方體，說明複數 個散熱微韓片（95)以交錯排列的圖案形成在基板的底表 面。與上述的示範實施例相比較，其中於散熱微鰭片之間 微流道的各熱交換區是連續的。於圖9所描繪之交錯排列 的散熱微轉片圖案由於將每一鰭片段放入邊界層，所以能 用於增強熱轉換（與連續鰭片相比較），因此對每一鰭片區 &形成新的邊界層。此設計也允許橫向混合（在流道之 間），此結構有助於防止因流道阻塞而引起的悲惨失敗，並 提供額外機制以改善微鰭片區内流體的均勻流動。此外， 如<下面論述，交錯排列的散熱微鰭片圖案可用於對晶片 熱點”區提供增強的冷卻能力。 4IBMy〇5〇59TW ； YOR9-2004-0125(JL) -29- 圖9C描繪部分由圖9A之歧管板（90)與圖9B之微 流道板（94)接合形成的積體微流道冷卻模組的透視圖。 尤其、’圖9C是自微流道板基板（94)之上表面觀看的透視 圖，為了說明的目的將其顯示為半透明立方體，其中散熱 微鰭片（95)圖案於區域r是不連續的’沿著歧管流道 對準。 於本發明之其他示範實施例中，微流道冷卻裝置包含 SCM與MCM封裝之流體分佈歧管，其連接至個別的積體 微流道冷卻裝置，與覆晶接合於基板的晶片的背表面接 合，以傳遞冷卻流體往/返積體微流道冷卻裝置。使用微 焊球區域陣列（例如4C)，由陶瓷或有機材料製成且包含多 接線層的高性能晶片（例如，處理器），通常面向下固定在 封裝基板。於多晶片模組（MCM)中，許多晶片被固定在 共用基板上，而單一晶片模組（SCM)只有一晶片組裝在 基板上。陶瓷基板在細微節距（〜2〇〇微米）C4之間提供空 間變化，並在第一層封裝基板與印刷電路板或第二層封裴 之間提供較粗節距的電連接，大約是lmm的間隔。在第一 與第二層封裝之間提供電連接的共用構件是基板栅格陣列 (LGA)’需要應用於起動LGA的顯著壓縮力。 圖10與11是說明根據本發明之示範實施例之流體分 佈歧管的示意圖，可實行於SCM與MCM晶片封裝。以使 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -30- 用可變化戴面流體供應/返回流道，最小化整體壓降的方 式没计示範之流體分佈歧管，以傳遞冷卻流體往/返積體 微流道冷卻裝置。此外，本發明之示範實施例實行連接機 制，提供流體分佈歧管與積體微流道冷卻裝置之間的機械 去耦，以防止超出將晶片安裝於封裝基板的C4的應力。尤 其，當流體分佈歧管固定於微流道冷卻器時，為了提供機 械順應性，在流體分佈歧管與微流道冷卻器之間提供機械 順應襯墊/密封墊，以密封此組件之間的接合點。機械順 應襯塾包含任何適合的可壓縮材料，例如，彈性體，或者 牢固連接冷卻劑傳輸遞歧管與微流道結構時，於積體電路 晶片尚度之容許差中，可被壓縮之任何其他適合的材料， 而且不需要會毀壞晶片的大壓力。順應性襯塾材料也可黏 著或接合微流道冷卻器與流體分佈歧管，因此不需要維持 在壓縮狀態而形成流體密封。 經由示範’圖1〇是根據本發明之示範實施例之流體分 佈歧管裝置之平面示意圖，可與由上述示範歧管板（4〇) 开> 成之積體微流道冷卻裝置一起使用於單一晶片模組 (SCM)。尤其，圖10說明示範之流體分佈歧管（1〇〇)， 其包含殼體（101)，具有切割或形成於其中的流體返回歧 管（102)與流體供應歧管（1〇3)。流體返回歧管（1〇2) 包含複數個由橫線區表示的流道，而流體供應歧管（1〇3) 包含複數個由直線區表示的流道。另外’圓形區（1〇4)與 (105)表示輸出與輸入口，可被製造於蓋板（未顯示）固 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) -31 - 定於殼體（101)，以對流體分佈歧管（100)提供流體供應 /返回連接。 " 歧管（100)包含複數個瘦長的矩形開口（ 106)與（1〇7) 在喊體（101)的底表面，能連接圖4C中在歧管板（4〇) 上之對應的歧管（Mi)的流體孔（v)與機械適應性襯墊。 例如，於示範實施例中，矩形開口（1〇7)對準並連接輪入 歧管]VI2、M4與M6的流體孔，以將冷卻劑流體提供 流道冷卻裝置，而且矩形開口（1〇6)對準並連接輸出'歧管

Ml、M3、M5與M7的流體孔，以接收自微流道冷卻裝置 返回的熱流體。 此外，如描繪於圖10,歧管（102)與（103)由各種 截面流道所形成’以使越流動的速度維賴乎固定並減 少動態壓降。例如’對私σ⑽）之供應歧管（剛 的流道的截面區形成錐形，以對供給矩形開口（1〇7)的每 一流道提供均勻分佈的輸人冷卻劑流體。另外，供給矩形 開口（107)的流道也形成錐形，以縮小截面區域，而沿著 其連接的频微流道冷卻器的輸人歧管，將冷卻劑流體均 勻供應至輸人流體孔。同樣地，形成返瞒管⑽）的各 種流道被設計成具有各種截面區域，以降低自其所屬的 體微流道冷卻H的輸出歧管接收返醋體的_壓降。例 ^ 7對準輸ίίΐϋ (1〇5)的供應歧管（1Q3)的流道的截面 區形成錐形’以提供均勻分佈的輸出冷卻舰體（自具有 4IBM/05059TW ； Y〇R9-20〇4-〇i25(JL) -32- 矩形開口（ 106)之每一流道流動）。此外，接收自矩形開 口（106)返回之流體的流道也形成錐形以縮小截面區域， 以均勻分佈與流動的冷卻劑流體（接收自沿著其連接之積 體微流道冷卻器的輸出歧管之出口流體孔）。 、 請瞭解，也可藉由變化此等區段的凹化深度而變化供 應/返回歧管段的截面區域’除此之外，或者以變化顯示 於圖10的流道寬度來替代。於所有的例子中，由於將沿著 >’il體为配歧官裝置（1〇〇)之流道的冷卻劑的速度維持幾乎 或非常接近固定，流道區域被減少到足以降低動態I降。 此外’雖然未特別顯示，藉由使輸入與輸出歧管（1〇2)與 (103)的流道角變圓而降低流動阻力，以更減少壓降。 流體分佈歧管可由任何適合的抗蝕材料形成，例如， 銅、塑膠或其他材料’其中輸入與輸出歧管之流道可被壓 印、鑽孔、模鑄或其他方法形成於此材料塊。流體分佈歧 管（100)應具有足夠尺寸及更多變的截面，以適當地供給 其連接的積體微流道冷卻裝置輸入與輸出歧管。此特別更 多變的截面歧管無法機器化為歧管板，主要因幾何限制， 所以需要由較高垂直的尺寸所形成的額外截面區域，而使 用薄板例如矽晶圓無法達成。 圖π是根據本發明之另一示範實施例之流體分佈歧管 褒置之平面示意®。尤其’ SI 11描繪共關流體分佈歧管 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -33- (lio)，能由包含四個覆晶接合晶片陣列之多晶片模組 (MCM)實行’其中每一晶片具有個別黏著的積體微流道 冷卻裝置，其由描繪於圖4C的示範歧管板（4〇)所形成。 示範之流體分佈歧管（110)包含殼體（111)，其具有：兩 流體供應歧管（112)與（113)，分別由形成於蓋板（未顯 示）的入口（114)與（115)供應冷卻劑流體，以及兩流體 返回歧管（116)與（117)，分別輸出流體至形成於蓋板的 出口（118)與（119)。示範之流體分佈歧管（no)包含四 個歧管區段（A、B、C與D)，其結構類似於圖10之流體 分佈歧管結構（100)。 流體供應歧管（112)與（113)包含複數個由直線區域 所表示的流道，被切割或形成於殼體（111)。流體供應歧管 (113)供應冷卻劑流體至連接歧管區段A與B的2積體微 流道冷卻器，而流體供應歧管（112)供應冷卻劑流體至連 接歧管區段C與D的2積體微流道冷卻器。尤其，流體供 應歧管（113)包含：具有複數個矩形開口（12〇a)的流道 區，其對準連接歧管區段A的第一微流道冷卻裝置之對應 輸入歧管之流體孔，以及具有複數矩形開口（12〇b)的流 道區，其對準連接歧管區段B的第二微流道冷卻裝置之對 應輸入歧管之流體孔。同樣地，流體供應歧管（112)包含： 具有複數個矩形開口（ 12〇c)的流道區，其對準連接歧管區 段C的第三微流道冷卻裝置之對應輸入歧管之流體孔，以 及具有複數個矩形開口（120d)的流道區，其對準連接歧 -34- 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) 官區段D的第四微流道冷卻裝置之對應輪入歧管之流體 孔。 、卜流，返回歧管（116)與（1Π)包含由橫線區所表示的 複數個流道，被切割或形成於殼體（111)。流體返回歧管 、（116)接收自連接歧管區段A與C的2積體微流道冷卻器 ，回的冷卻劑流體，而流體返回歧管（117)接收自連接歧 管區段B與D的2積體微流道冷卻器返回的冷卻劑流體。 尤其’流體返回歧管（116)包含:具有複數個矩形開口〇21a) 的流道區，其對準連接歧管區段A的第一微流道冷卻裝置 之對應輸ih歧管ϋ孔，以及具有複數健刺口（ 12ic) 的流道區，其對準連接歧管區段C的第三微流道冷卻裝置 之對應輸出歧管之流體孔。同樣地，流體返回歧管（117) 包含丄具有複數個矩形開口（咖）的流道區，其對準連 接歧官區段B的第二微流道冷卻健之對應輸出歧管之流 體孔，以及具有複數健糊σ ( 121d)的流道區，其對 準連接歧管區段D的細微流道冷卻裝置之職輸 之流體孔。 因而，如上面所描述，根據本發明之示範實施例之流 體:佈系财驗實行微流道冷卻裝置，包含流體分佈歧 管區塊（例如’ 100或110)，以順應性襯墊連接一或更多 微流道冷卻裝置之歧管板（例如，歧管板㈤），其中至 少分佈歧管區塊與歧管板具有可變的截面（即，錐形）流 4IBM/05O59TW ； Y〇R9-20〇4-〇125(JL) -35- 道。順應性襯墊可或可不包含可變的截面流道。 於本發明之其他示範實施例，為了客製設計微流道冷 卻裴置，可實行各種方法以對晶片的一或更多“熱點，，區 (具有比平均功率密度高的區域）提供局部化的冷卻能 力。尤其’對於具有不均勻功率密度分佈（不均勻功率圖） 的晶片，可藉由提供歧管與微流道結構、圖案、配置等等， 客製設計根據本發明之積體微流道冷卻裝置，其能夠對晶 片熱點增強局部能卻能力。於此積體微流道冷卻裝置能被 客製設計的方法’會根據例如晶片的大小、重要性和/或 熱點區的量而變化。現在將參考圖12-16與17A〜17B論述 各種根據本發明之示範方法，其用於設計微流道冷卻裝 置，以對晶片熱點區提供增強的局部冷卻能力。 圖U是根據本發明之示範實施力，圖式說明用於設計 積體微流道冷卻裝置，崎晶>1之“熱點”區提供局部增 強冷卻能力的方法。通常，圖12說明示範設計方法，於其 中積體微流道冷卻裝置能設計成具有均句結構，以提供^ 夠用巧晶'丨彳时之平均神密度的均自冷卻，同時對晶 片—之熱占區提供局部增強的冷卻能力。尤其，圖12所 描綠之示範微流道板⑽）具有均勻、多熱交換區結構⑽ ^於圖5B顯示的）’其中區域（126)對應於晶片之“熱點” =如上面所論述’示範之均勻微流道架構（均勻微流道 圖案與等距相隔的I/O歧管）能使流體均勻流過所有熱交換 -36- 4IBM/〇5〇59T^*Y〇R9-2004-0125(JL) 區，並對晶片表面提供均勻冷卻。 假設微流道板（125 )設計成對晶片所希望的平均功率 後度k供均勻的冷卻能力，如描纟會於圖12，藉由設計微流 道板（125)具有對準晶片之熱點區（126)之輸入流體歧 管（127)，而獲得用於晶片之熱點區（126)的局部增強冷 卻。圖12之示範方法能用於對晶片之“熱點，，區（126) 提供局部增強的冷卻，例如，當“熱點”區（126)是相當 小的區域，且具有比晶片的平均功率密度稍微増加的功率 雄度，就需S又计此微流道冷卻器。此因典型的微流道冷卻 器β又计，沿著微流道長度根據冷卻流體與配置，在溫度方 面會顯著增加大約1〇。〇因而，由於圖12之示範方法，“熱 點”溫度能降低大約由流體沿著流道流動所增益的溫度 數。此外’圖12之示範方法所提供的配置，其中熱點區（126) 的中〜部分/軸對準微流道的入口，其局部熱轉移係數高 於流道長度的其餘部分，能有效對熱點（126)提供局部增 強的冷卻。 通吊，應注意，提供均勻冷卻能力的均勻微流道冷卻 結構’例如描繪於圖12與53,可用於冷卻具有“熱點，，區 的晶片，因而微流道冷卻器係設計，以對預期高於;平均功 率密度的“熱點”提供均勻的冷卻。然而，此“均句，’設 計方法無法有效冷卻具有“熱點”區的晶片，因為所需的 水流與壓降被增加超過理想設計。當然，可能需要“高性 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -37- 能微流道圖案（例如，精細節距的微流道，或藉由交錯 排列或中斷散熱微鰭片界定微流道（例如圖17A〜B)，具有 高速流體流動）以充分冷卻“熱點”，但此圖案會導致大 的壓降。 因而，更理想的微流道冷卻器設計應能為具有比平均 功率密度大的晶片“熱點”提供“高性能，，微流道圖案， 而對於具有減少的功率密度（例如，平均功率密度）的晶 片£可使用低性能微流道圖案（例如，使用.較不精細的微 流道節距與較低流速設計）。由於此方法，微流道冷卻器的 結構不是“均勻的”，但包含作業條件與周圍區域所提供 的一樣的區域（即，對每一熱交換區段而言是相同的總壓 ，）’能夠冷卻較高的功率密度並對準晶片上的熱點區。換 ，之，藉由變化相同和/或不同熱交換區的微流道性，以 j合晶片的（不一致）功率圖，根據晶片的功率圖（功率 密度分佈）為特定晶丨，客製設計積體微流道冷卻裝置。 見在將參相丨3·〗6與的示範實施例描述根據本發 =各?方法，其中變化微流道性綺具有大熱點和/或 ^ 員著車乂同功率岔度（與晶片的平均功率密度相比）的 ”、、點的晶片，提供增強的局部冷卻能力。 例如 片的埶_ ° 13說明根據本發明之另—示範實施力，對晶 的….^區提供局部增強冷卻能力的方法。尤J：，_ n描 繪具有多區熱咖_则12所^示^^ 4IBM/05059TW ; Y〇R9-2004-0125(几) •38- 板（130)，其中區域（131)(熱點區）對應於晶片之‘‘熱 點’’。然而’於圖13之示範實施例中，假設待冷卻晶片之 熱點（131)與晶片的平均功率密度相比，具有顯著較高的 功率密度’使得圖12的方法無法藉由對準輸入歧管與熱點 來冷卻熱點。因此，於圖13之示範實施例中，藉由使輸入 歧管（132)對準熱點區（131)而對熱點區（131)局部化 增強冷卻，以及藉由使用中斷或交錯排列的鰭片（如圖式 顯示於圖17A與17B之示範實施例），改變部分圍繞對應熱 點區（131)之輸入歧管（132)之區域的微流道圖案。 尤其，圖17A說明中斷的散熱微鰭片圖案（17〇)，其 包含複數列平行的散熱微鰭片（171，172, 173)，由節距P 相隔。散熱微縛片（171 ’ 172，173 )之每一列包含複數個 相當長的散熱微鰭片結構（174)，沿著該列的散熱微鰭片 (174)間由小的間隙（G1)(中斷物）隔開，其中相鄰列 的間隙（G1)是交錯排列的。中斷的散熱微鰭片圖案（17〇) 界定相當長的微流道，其能使微流道之間的流體交互混合。 另一方面’圖17B說明交錯排列的散熱微鰭片圖案 (Π5)，其包含複數列平行的散熱微鰭片（176，177，178， 179，180)，其中每隔一列（例如，列176與178)由同一 節距P間隔開（如圖17A中）。散熱微鰭片（176,177,178， 179，180)之每一列包含相當短的散熱微鰭片結構（181)， 以及沿著該列的散熱微鰭片（181)間的間隙（G2)(中斷 4IBM/05059TW ； Y〇RP-2004-0125(JL) •39- 1332270 物）’其中相鄰列的間隙 示範實施例t，散_"排列的。於圖17B之 幾乎-樣。描絡於圖=片籌（181)的長度與間隙（G2) 遺所描織嶋由類似圖 新-f ΪΪ圖13 ’包含交錯排列散熱微轉片圖案（如圖17B 不/的向性能微流道隨可用於熱點區（⑶），以使熱 ，換係數增加達到2Χ。兩原因希望增加熱轉換率。首先， 母-散熱微H片區段太短而不致於產生激進的流動 (developedjlow)，因此’每一散熱微韓片區段的作用類似具 有預期較高局部熱轉換係數的短流道，而且壓降會增加若 干。此外，交錯排列的陣列傳遞能量至流體束中線，而保 護周圍區域中連續散熱微籍片圖案之鰭片至鰭片節距，因 此作用類似較窄的熱流道。於熱點區〇31：)使用交錯排列 或中斷的縛片，將有助於提供局部增加的熱轉換係數。但 是由於修改的鰭片圖案與連續鰭片區平行，因此流動可因 交錯排列或中斷的鰭片而降低，當與連續鰭片區相比較， 係導致沿著微流道的壓降增加。對更顯著增加的功率密度 而言’當受限於晶片僅代表頗小部分的總功率的小區域， 此流動的減少是可接受的，因而設計微流道冷卻器。希望 限制每單位面積（垂直於包含修改鰭片圖案之區域之流道） 的流動，減少至小於約包含標準鰭片圖案之區域的二分之 一。選替地，希望限制包含修改鰭片圖案之區域的速度， 少至小於約包含標準鰭片圖案之區域的二分之一。 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) •40· 然而，如上面所提到的，較佳以“平行，，方式連接所 有的熱交換區，意謂應該全部設計以輸入與輪出歧管間相 同的壓降作業，而且歧管應該設計具有可變的截面區域， 以使流體均句流過熱交換區。 圖Μ說明根據還是本發明之另一示範實施例對晶片之 熱點區提供局部增強的冷卻能力的方法。尤其，圖14描繪 具有6個區之熱交換結構之示範微流道板（14〇)，其中^ 域（141) (+熱點區）對應於晶片之“熱點，，。類似於圖13 之方法，藉由對準輸入歧管（142；)與熱點區（141)以獲 得局部化的冷卻，並對熱祕（141)形成高性能微流道圖 案（例如，中斷或交錯排列的散熱微鰭片圖案）。然而，圖 14進一步描繪藉由分別移動/重安排(1打〇1^)輸出歧管 (143)與（144)的部份至熱點區（141)並對準輸入歧管 (142)，以局部化增強冷卻的方法。此方法有效降低部分 對準熱點區（141)的輪入歧管（142)與輸出歧管（143) 及（144)之重安排部份（143a)及（144a)之間的熱交換 區區域的微流道的流道長度，因此具有變短流道長度的熱 交換區區域的壓降’與此熱交換區的其他區域(其中微流道 較長且連續（不是中斷就是交錯排列））的壓降實質相同。 由圖14之示範局部化冷卻方法，假設熱交換區的數量 是固定的，歧管部份（144a)與輸入歧管（145)間及歧管 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -41 - 部份（143a)與輸入歧管（丨46)間的熱交換區區域的微流 道長度會增加’因而降低流動並因此冷卻此等區域。然而， 根據晶片的功率圖上述可被接受。 圖15圖式說明根據本發明之示範實施例，對晶片熱點 區提供局部增強冷卻能力的方法。尤其，圖15描繪通常具 有6個區之熱交換結構的示範微流道板（15〇)，其中區域 (151)(熱點區）對應晶片的“熱點”。圖15描繪示範微 流道板（150)，其係設計以對晶片之相當大的熱點提供增 強的冷卻能力’其中更多散熱微鰭片形成於區域（151)中， 因此局部減少流道的長度。於圖15之示範實施例中，界定 六熱交換區以冷卻晶片具有平均功率密度的區域。然而， 於熱點區（151)中形成額外岐管，以對單獨的熱點界定六 熱交換區。 圖16圖式說明根據還是本發明之另一示範實施例，對 晶片熱點區提供局部增強冷卻能力的方法。尤其，圖16描 繪示範的微流道板（160)，其具有對應晶片兩相當大“熱 點的區域（161)與（162)。於圖16之示範實施例中， 假設晶片的熱點的功率密度非常高，而晶片的其他區域的 功率密度是相當小。微流道板（160)包含兩熱交換區（163) 與（164)，其中熱交換區（163)設計以冷卻晶片對應熱點 區域（161)與（162)的較高功率密度區域，且其中熱交 換區（164)設計以冷卻晶片的較低功率密度區域。當通過 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -42- 熱交換區（163)與（164)的壓降保持實質相同時，為了 對晶片熱點區提供增強的冷卻能力’以相對較短且精細節 距的微流道設計熱交換區（163)，反之以相對較長且粗輪 節距的微流道設計熱交換區（164)。 於另一示範實施例中’於較短的熱交換區（163)中， 能夠形成兩不同的微流道圖案。尤其，經由範例，高性能 微流道設計能用於由虛線界定的區域（165)，會導致每單 位長度較高的壓降，反之，較低性能微流道設計能用於圍 繞區域（165)的熱交換區（163) ’此外，於圖μ之示範 實施例中，對較短熱交換區（163)中所有的個別微流道而 言’高性能區域（165)中微流道的總長度與周圍較低性能 微流道區域的總長度是一樣的。高性能微流道區域（165) 可包含以各種方式之一圖案化、結構化或配置的微流道。 例如’區域（165)可包含更精細節距的微流道，或以交錯 排列或中斷的圖案形成的散熱微鰭片（如圖17八與178)。 選替地，區域（165)中微流道可具有相同的節距，但縮小 流道寬度。 於本發明之另一示範實施例中’藉由設計散熱微鰭片 延伸入歧管區（即’延伸入凹化區域（R))，而獲得增強局 部冷卻的能力，儘管此方法會依散熱微鰭片延伸入凹化區 域多遠，而導致壓降增加。於另一示範例中，可設計散熱 微韓片’以使每隔一鰭片比其相鄰鰭片較長的長度，其中 4IBMy〇5059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) •43· 鰭片結尾的額外長度直接在歧管板的入口/出口流體孔 下。由於此實施例，一半的散熱微鰭片用於增加在入口流 體孔下的傳導路徑，並增加在出口流體孔下具有流體停滯 點區域的傳導冷卻’ HI此局部增強歧域的整體冷卻能 力，但壓降增加不多。 /雖舰此已參考相咖式描述示範實施例，應瞭解本 系統與方法並不受限於此判麵實麵，而且熟悉此項 技藝者不需違背本發明的制與精神，可提ώ各種其他的 改變與修改。打算將所有此等改變鄕改包含於本發明由 附加申請專利範圍所定義的範圍内。 【圖式簡單說明】 立圖lAmB是說明微流道冷卻Ic晶片之習知裝置之示 思、圖。 圖2A 2C疋說明微流道冷卻1C晶片之另-習知裝置 之示意圖。 ，首六圖^與犯是說明用於MCM (多晶片模組）之微流 道〜1之習知裝置之示意圖。 妙禮據本發明之示範實施例，說明歧管板與 組裝歧官板之方法之示範示意圖。 之干說明根據本發日月之示範實施例之微流道板 道板能夠與圖4A，之示範歧管板結合， 以構成本發批·實關之贿㈣道 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) •44· ，圖6疋根據本發明之示範實施例之部分歧管結構之圖 式洋細說明。 圖7是說明根據本發明之示範實施例之微流道冷卻半 導體晶片裝置的剖面圖。 圖疋說明根據本發明之另一示範實施例之微流 I、卻半導體晶片裝置的剖面圖。 ϋ 9A_9C是根縣發明之另—雜實施例之微流 〇卻半導體晶片裝置之示意透視圖。 圖10是根據本發明之示範實施例之流體分佈歧管裝 置之平面示意圖。 μ壯圖11是根據本發明之另一示範實施例之流體分佈歧 Β裝置之平面示意圖。 圖I2是說明根據本發明之示範實施例 ‘数 點區提供局部增強冷卻能力之方法之示意圖。 ' 圖,13是說明根據本發明之另一示範實施例，為晶片之 …點區提供局部增強冷卻能力之方法之示意圖。 圖,14是說明根據本發明之又一示範實施例，為晶片之 …點區提供局部增強冷卻能力之方法之示意圖。 15疋說明根據本發明之另一示範實施例，為晶片之 ，、、、”、區提供局部增強冷卻能力之方法之示意圖。 16是說明根據本發明之再一示範實施例，為晶片之 '、、、點區提供局部增強冷卻能力之方法之示意圖。 — M/Γ、*、A 17Β疋根據本發明之示範實施例，說明可實 们▲道冷卻裝置之獨散熱微則_之示意圖。 4®M/〇5〇59TW ； YOR9-2004-0125(JL) -45- 1332270

Η 【主要元件符號說明】 10半導體晶片 11 正表面區域 12 凹化區域 13 流道 14鰭片 15 透明蓋子 16輸入口 17 輸出口 20矽晶片 21 微流道 22陶瓷框架 23、 24、25冷卻劑歧管 26冷卻劑出π 27 冷卻劑入口 28冷卻劑出口 29 底板 29a冷卻劑輸出輸送管 29b 冷卻劑輸入輸送管 30積體電路模組 31 1C晶片 31a正面表面 31b背面表面 32銲料凸塊接合點 33 微流道結構 33a微流道 34 蓋子歧管 34a輸入冷卻劑輸送流道 34b 輪出冷卻劑輸送流道 35 冷卻劑供應歧管 36'37 ' 38、39冷卻劑供應流道 36a、37a 開口 40 歧管板 41基板 43 區域 44流道區段 50 微流道板 51基板 52 區域 53散熱微鰭片 54 微流道 55部分 70 半導體封裝件 71積體微流道冷卻裝置 72 半導體晶片 4IBMy〇5059TW ; Y〇R9-20〇4-〇125(JL) -46- 1332270 74微流道板 76散熱微鰭片 80裝置 82半導體晶片 84熱歧管 90歧管板 92歧管流道 94微流道板 100流體分佈歧管 102流體返回歧管 104、105圓形區 110流體分佈歧管 112、113流體供應歧管 116、117流體返回歧管 120a、120b、120c、120d 121a、121b、121c、121d 125微流道板 127輸入流體歧管 131熱點 140微流道板 142輸入歧管 143a、144a 部份 146輸入歧管 151區域 75歧管板 77微流道 81積體微流道冷卻器 83 焊球 85微流道 91流體歧管 93流道區段 95散熱微鰭片 101殼體 103流體供應歧管 106、107矩形開口 111殼體 114、115 入口 118、119 出口 矩形開口 矩形開口 126熱點區 130微流道板 132輸入歧管 141熱點區 143、144輸出歧管 145輸入歧管 150微流道板 160微流道板 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) -47- 1332270

16卜162區域 163、164熱交換區 165區域 170散熱微鰭片圖案 171、172、173、174散熱微鰭片 174散熱微鰭片結構 175散熱微鰭片圖案 176、177、178、179、180 散熱微鰭片 181散熱微鰭片結構 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) -48-

Claims (1)

1. 、申請專利範圍： 一種積體微流道冷卻努w μ裝置，用以冷卻具有不均勻功率圖的 積體=路(IC)W ’該微絲冷躲置包含： 冷卻個2輸人與輪出歧管’以相同方向延伸於積體 散熱_銳含複數個散熱 1疋在相鄰輪人與輸出歧管間延伸的多微 :二圖案’以提供該相鄰輸入與輸出歧管間的流 碰ίΐ變化一或多個該等熱交換區之該微流道圖案，以 =該;0 W之—職辨_熱讎性能；以及 二、中鱗輸人態ίΗ歧管及料触龍之微流道 ^案係結構化，⑽-敝換崎合該IC晶狀一細 j區之-區域’提供-平均流速，其實f上等同或至少 =過大賴敵觀獨_ Ic;之—麵熱點區 之其他區域之一平均流速的50%。 =求項1所述之積雜流道冷卻打，其中該積體微流 q膽置之至少-輸入歧管係配置，以對準該IC晶片 之一預期熱點區。 如請求項1所述之積體微流道冷卻裝置，其中一或更多該 等熱父換區的該微流道圖案係局部變化，以提供—熱轉換 性能，其對應該1C晶片之該預期功率圖的局部變化、。、 4IBM/05059TW ; YOR9-2004-0l25(JL) -49- =求項3所述之雜微流道冷抑置’至少一熱交換區 包各二一第一微流道圖案，其對該1C晶片之-預期平均 ^率岔度提供㈣的熱轉換性能，以及—第二微流道圖 案’係配置以對應該IC晶片之—預期熱點區，其中該第 ^微流道_對該熱點麵大於平均的神密度，提供足 夠的熱轉換性能。 如請求項4所述之積舰流道冷卻 道圖案包含連續的微流道，且其4第二微=案:; 一交錯排列或中斷的散熱微鳍片圖案。 道冷卻襄置，其中該第-微流 2 一微道_包含以_第二節距相隔的連續平行微 約-半的該第夂^第—即距’而且最好大於或等於 如請求項4所述之積體微流 道圖案包含一以一裳一⑼ I衣直共甲4弟微流 埶微B卩距械較錯制財斷的散 片=，且其中該第二微流道圖案包含—以 即距相隔的父錯制或中_散熱健片圖案。 如明求項4所述之積體微流道冷卻裝置，其中將該熱交換 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2〇〇4-0125(JL) -50· 1332270 串聯方式配置在—相 區的該等第一與第二微流道圖案以 鄰之輸入與輪出歧管之間。 9. 如請求項8所述之碰誠道冷卻裝置，其巾 道圖案包含每單位寬度流動（垂直於該等串聯^ = 第二微流道圖案）只與該第—微流道圖案相 超過二分之一的區域。 减/不會 10.如請求項1所述之韻微流道冷卻裝置，其帽由使 -或-更多熱交換區而言為—相同的第—微流道圖案，以 改變-或更多該等熱交換區的該微流道圖案其對該1C 晶片之-義平均功率密度提供足_鋪紐能^且 於對應該1C晶片之-翻熱點區之—熱交換區中，使用 至少-第二微流道圖案，其對該晶片之—預期大於平均的 功率密度提供足夠增強的熱轉換性能。 • I1.如請求項10所述之積體微流道冷卻裝置，其中該第一微 流道圖案包含具有一第一長度之連續微流道，在一輸入與 輸出歧管之間延伸，並以一第一節距相隔，且其中該至少 一第二微流道圖案包含具有一第二長度之連續微流道，在 一輸入與輸出歧管之間延伸，並以一第二節距相隔，其中 該第一長度與節距大於該第二長度與節距。 12.如請求項1所述之積體微流道冷卻裝置，其中藉由使用對 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -51- 一或更多熱交換區而言為一相同的第一微流道圖案，以變 化一或更多該等熱交換區的該微流道圖案，其對該IC晶 片，一預期平均功率密度提供足夠的熱轉換性能，"而且二 應該1C晶片之一預期熱點區之一熱交換區中，使用至少 -第二與-第三微流道圖案，其對該晶狀—預期大於平 均的功率密度，提供足夠增強的熱轉換性能。 、 13. 如請求項12所述之積體微流道冷卻裝置，其中該第一微 流道圖S包含具有—第一長度之連、續微流道，在一輸入與 輸出歧管之間延伸，並以—第—節距相隔，而且其中將該 至=-第二與第三微流道圖案以串聯方式，配置在對應該 1C晶片之該預期熱點區之該熱交換區上，且1中對該熱交 換區上的任何特定流道而言，該至少第二與第三微ϋ圖 案之總比例實質上是相同的。 14. 如請求項13所述之積體微流道冷卻裝置，其中該至少第 二微流道®案係配置，以實f對準該Ic晶片之該預期熱 點區’並對該1C晶片熱點區之—職功率密度，提供足 夠的一第二熱轉換性能，而且該第三微流道圖案配置於圍 繞該第一极流道圖案之該熱交換區之區域中，並供一 三熱轉換性能’其小於該第二熱轉換性能，但大於由該第 一微流道_所提供之―第―熱轉換性能。 15. —種冷卻一電子裝置的裝置，包含： 4IBM/05059TW ； YOR9-2004-0125(JL) -52- 1332270 歧，包含紐财錄入與輸出 :° ’伸’其#至少—熱交換區係界定每― 相籍入與輪出歧管之間’其中每—熱交換區包含複數個 政熱微韓片，係界定微流道，其在相鄰歧管間提供一流體 流動路徑；以及 八/；，L - ic (積體電路）晶片，具有—非活性表面，係 合在該積體微流道冷卻裝置， … 其中戎1C晶片與積體微流道冷卻裝置係接合，使得 該積體微流道冷卻袈置之一輸入歧管對準該IC B 熱點區。 日日 16·如請求項15所述之褒置，其中該輸人歧管對準該熱點區 之一中心點。 η.=請求項^所述之裝置，其中減少對準該熱點區之區域 相鄰歧官間之-距離，而且垂直於該等織道每單位寬 度的流動變化不會超過該熱交換區之不同區域的二分之 ——0 18. j求項15所述之裂置，射變化該IC曰曰日片之該積體微 i冷部1置的熱交換區數量，使得該積||微流道冷卻裝 置對準該1C晶；=|之5彡熱點區之該部分的該熱交換區數量 增加，以對該熱點區提供增強的冷卻。 4IBM/05059TW ； Y〇R9-2004-0125(JL) -53·