一种冷却液分流板及芯片冷却结构

1.本发明涉及芯片冷却领域，特别是涉及一种冷却液分流板及芯片冷却结构。


背景技术：

2.chiplet集成芯片是一种由不同功能芯粒单元(chiplet)组合而成的集成大芯片，具有“小芯粒、大芯片”的特点。不同于其他芯片，chiplet集成芯片具有基板面积大、局部热流密度高、热区分布不均匀的特点。传统的片上冷却方式，是通过在进液口和出液口之间流动冷却液的方式进行冷却，冷却液在从进液口流向出液口的过程中逐渐吸热并且温度逐渐升高，因此冷却液越靠近进液口冷却效果越好，越靠近出液口冷却效果越差，由此导致了芯粒局部散热不佳，严重影响了芯片的正常工作。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对冷却液在冷却过程中温度逐渐升高导致芯片散热不均的问题，提供一种冷却液分流板及芯片冷却结构。
4.本发明提供的技术方案为：
5.一种冷却液分流板，包括板体和导流板；
6.所述板体正面中间内凹形成流动槽，所述板体边缘开设有总进液口和总出液口，所述流动槽的底壁上开设有冷却口；
7.所述导流板设置在所述流动槽的底壁上并阻隔在所述总进液口和所述总出液口之间，以在所述流动槽中分隔出进液通道和出液通道，所述进液通道连通至所述总进液口，所述出液通道连通至所述总出液口；
8.所述导流板包括若干蛇形板，所述蛇形板盖合在所述冷却口上，所述蛇形板的一侧凹口为第一进液凹口，所述蛇形板的另一侧凹口为第一出液凹口，所述第一进液凹口连通至所述进液通道，所述第一出液凹口连通至所述出液通道。
9.本发明所述第一进液凹口沿远离所述进液通道的方向逐渐收拢，所述第一出液凹口沿远离所述出液通道的方向逐渐收拢。
10.本发明所述第一进液凹口和第一出液凹口的边缘均呈梯形。
11.本发明所述导流板还包括贴合于所述流动槽底壁的挡板，单个所述导流板包含的所述蛇形板数量有多个，所述挡板位于相邻两个所述蛇形板之间并与所述蛇形板的端部固定。
12.本发明当所述蛇形板和所述挡板围拢形成的凹口和所述第一进液凹口位于所述蛇形板的同一侧时，所述凹口为第二进液凹口并连通至所述进液通道，当所述蛇形板和所述挡板围拢形成的凹口和所述第一出液凹口位于所述蛇形板的同一侧时，所述凹口为第二出液凹口并连通至所述出液通道。
13.本发明所述进液通道沿远离所述总进液口的方向逐渐收缩，且/或所述出液通道沿远离总出液口的方向逐渐收缩。
14.本发明所述蛇形板的两侧边缘支撑于所述流动槽的底壁上。
15.一种芯片冷却结构，包括底板、设置在所述底板正面的芯粒以及冷却液分流板，所述板体背面在所述底板正面相对设置，以使所述芯粒进入冷却口中。
16.本发明所述芯粒正面设置有微通道，所述微通道沿所述蛇形板中心线方向延伸。
17.本发明所述芯粒正面和所述蛇形板之间留有空隙。
18.本发明的有益效果为：
19.冷却液在从总进液口流向总出液口的过程中，势必会经过位于总进液口和总出液口之间的导流板，冷却液从总进液口进入进液通道，然后从蛇形板位置处的各个第一进液凹口分别流动至冷却口内，对芯粒进行冷却，大部分冷却液不会流遍整个芯粒，而是只经过芯粒位于相邻的第一进液凹口和第一出液凹口之间的部分，冷却液从总进液口经由进液通道到达第一进液凹口的过程中温度近乎没有变化，因此各个第一进液凹口入口处的冷却液温度可以认为大致相同，而每股冷却液在芯粒上进行吸热的长度也大致相同，因此可以认为芯粒各个部分受到的散热效果大致都是相同的，由此使得整个芯粒的散热都相对均匀。
附图说明
20.图1为本发明实施例1的芯片冷却结构的立体结构示意图；
21.图2为本发明实施例1的集成芯片的立体结构示意图；
22.图3为本发明实施例1的芯片冷却结构的局部放大结构示意图；
23.图4为本发明实施例1的芯粒的立体结构示意图；
24.图5为本发明实施例1的板体的局部放大结构示意图；
25.图6为本发明实施例1的板体的主视结构示意图。
26.附图标记：
27.1、底板，2、芯粒，21、微通道，3、板体，31、流动槽，311、总进液口，312、总出液口，313、进液通道，314、出液通道，315、冷却口，4、导流板，41、蛇形板，411、第一进液凹口，412、第一出液凹口，414、第二出液凹口，42、挡板。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。但是本发明能够以很多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改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
34.实施例1：
35.参见图1，本实施例提供了一种芯片冷却结构，包括底板1、芯粒2以及冷却液分流板。
36.参见图2，本实施例中底板1为正方形平板，芯粒2共计九个，以3*3阵列的形式排布在底板1的正面，底板1和芯粒2组合形成了集成芯片。冷却液分流板的作用则是对冷却液进行流动导向，使冷却液对芯粒2进行冷却。底板1内包含电路，以使得不同芯粒2之间能够进行信号传输。
37.参见图1，具体的，本实施例冷却液分流板包括板体3和导流板4。
38.其中板体3的边缘轮廓和底板1的形状匹配一致，以使得板体3背面可以正对于底板1正面。板体3正面中间内凹形成流动槽31，在本实施例中流动槽31为矩形槽，流动槽31的底壁上开设有冷却口315，冷却口315贯通至板体3的背面，冷却口315的位置和数量与芯粒2相匹配，使得板体3背面正对贴合于底板1正面后每个芯粒2能够落入对应的冷却口315中，并且板体3的背面可以与底板1的正面进行键合，以防止芯粒2表面的冷却液流入到板体3和底板1之间，以使冷却液的流动被限制在流动槽31和冷却口315中。
39.可以理解的是，芯粒2和对应的冷却口315形状同样是相匹配的，以使得芯粒2边缘可以和冷却口315内壁贴合，以避免冷却液经由芯粒2边缘和冷却口315内壁之间的缝隙进入板体3和底板1之间。
40.其中冷却液分流板和底板1均可以采用硅、碳化硅、氮化镓、氧化镓等半导体材料进行制作。
41.板体3边缘开设有总进液口311和总出液口312，总进液口311和总出液口312均连通至流动槽31内，冷却液经总进液口311进入流动槽31，流动槽31内的冷却液经总出液口312流出。
42.导流板4设置在流动槽31的底壁上并阻隔在总进液口311和总出液口312之间，故
而冷却液在从总进液口311流向总出液口312的过程中势必需要经过导流板4。相应的，导流板4在填充了一部分流动槽31内的空间后，将流动槽31剩余的空间分隔出了进液通道313和出液通道314，其中进液通道313连通至总进液口311，出液通道314连通至总出液口312。
43.由此可以知晓，进液通道313和出液通道314至少一侧的边界在导流板4的边缘处。本实施例导流板4数量共有三块，且并排设置，此时形成了出液通道314、进液通道313、出液通道314、进液通道313并排设置的结构，对应的总进液口311和总出液口312的数量也各为两个，分别与两个进液通道313和两个出液通道314连通。
44.导流板4包括若干蛇形板41，与芯粒2排布方式相匹配的，本实施例每个导流板4包含的蛇形板41数量是三个且三个蛇形板41沿一直线依次设置，对应的每个导流板4还包括两个挡板42，挡板42位于相邻两个蛇形板41之间并与蛇形板41的端部接触固定。每个蛇形板41分别盖合在对应的冷却口315上。挡板42与流动槽31底壁贴合固定，挡板42对冷却液在进液通道313和出液通道314之间的流动进行阻挡，因此冷却液就只能通过蛇形板41从进液通道313流动至出液通道314。
45.参见图3，蛇形板41的一侧凹口为第一进液凹口411，蛇形板41的另一侧凹口为第一出液凹口412，可以看到，第一进液凹口411和第一出液凹口412沿蛇形板41的中心线方向交错设置，单个蛇形板41所具有的第一进液凹口411和第一出液凹口412的数量是由蛇形板41的弯折次数决定的。第一进液凹口411连通至进液通道313，第一出液凹口412连通至出液通道314。
46.由于冷却口315位于蛇形板41的下方，对应的，冷却口315中的芯粒2正面也就会位于蛇形板41的下方，其中芯粒2正面和蛇形板41之间留有空隙，因此进液通道313内的冷却液会从第一进液凹口411到达芯粒2的表面，然后冷却液经由芯粒2正面和蛇形板41之间的空隙越过一部分蛇形板41，到达与第一进液凹口411相邻的第一出液凹口412中，然后流动至出液通道314内，最终从总出液口312内离开。
47.参见图4，其中，芯粒2的正面设置有微通道21，微通道21的作用是增大芯粒2的比表面积，从而增强芯粒2和冷却液之间的换热效率。微通道21可以采用激光刻蚀、等离子体干法刻蚀等工艺在芯粒2的正面制备得到。
48.由于蛇形板41位于冷却口315上方的部分并没有支撑，因此蛇形板41位于冷却口315上方的部分仅依靠蛇形板41的端部进行支撑，这也就导致蛇形板41位于冷却口315上方的部分因冷却液的作用产生形变进入冷却口315中，如果芯粒2正面和蛇形板41之间的空隙尺寸不足，就可能导致蛇形板41挤压芯粒2正面，导致冷却液从第一进液凹口411向第一出液凹口412中的流动受阻。故而本实施例额外地将蛇形板41的两侧边缘支撑于流动槽31的底壁上，以抑制蛇形板41的形变。
49.现有技术中，一股冷却液需要从芯粒2的前侧流动到芯粒2的后侧，从而对整个芯粒2进行冷却，该股冷却液在冷却过程中温度逐渐升高，由此导致了其冷却效果逐渐降低，由此可知，该股冷却液在芯粒2表面各处的冷却效果并不一致，因此芯粒2表面的散热不均。特别需要主要的是，由于冷却液的流动方向是沿着微通道21进行的，而微通道21严重增大了冷却液在芯粒2正面的流动阻力，由此冷却液在芯粒2前侧会有较长时间吸热，导致到达芯粒2后侧时温度较高，已经较难对芯粒2后侧进行有效降温。由此可见，芯粒2表面降温效果不均的一个重要原因就是微通道21对冷却液的流动阻碍。此外，现有技术中一股冷却液
在流经一个芯粒2的表面吸热升温之后，还需要流到下一个芯粒2的表面再进行吸热升温，由此也导致了冷却液对在后的芯粒2冷却效果降低。由此可见，现有技术中存在冷却液对一个芯粒2不同位置冷却效果不同，以及对不同芯粒2冷却效果不同两个问题。
50.与之相对的，本实施例中冷却液从总进液口311流入进液通道313后，在进液通道313的内部几乎不会进行热交换，因此不论是单个芯粒2内还是不同芯粒2之间，各个第一进液凹口411入口处的每股冷却液温度大体是相同的，因此芯粒2在每个第一进液凹口411内对应的部分都是受到和总进液口311处温度大体相同的冷却液冷却，即冷却液初始低温进行冷却。与现有技术相对的，本实施例中微通道21沿蛇形板41中心线方向延伸，每股冷却液在芯粒2表面沿着微通道21进行冷却的距离都大约只有相邻的第一进液凹口411和第一出液凹口412之间间距长度，而非整个微通道21的长度，冷却液在芯粒2表面进行吸热的距离大体可以认为冷却液沿着微通道21进行流动的长度，因此芯粒2在每个第一进液凹口411内对应的部分受到的冷却效果也都是大体一致的。由此可见，本实施例中不仅单个芯粒2表面各处受到的冷却效果更加均匀，同时不同芯粒2之间受到的冷却效果也更加均匀，整个集成芯片不论冷却效果还是冷却均匀性都得到了提升。
51.可以理解的是，由于微通道21和蛇形板41之间存在一定间隙，因此不会限制冷却液从第一出液凹口412流入出液通道314。
52.参见图5，冷却液流入第一进液凹口411内后，随着逐渐流入第一出液凹口412，第一进液凹口411内越远离进液通道313的部分所具有的冷却液也就越少，为了与该特性相匹配，本实施例第一进液凹口411沿远离进液通道313的方向逐渐收拢，以使得进第一进液凹口411内侧边缘各处的液体压强大体是相同或者相近的，以减少蛇形板41的局部受损。如图5中虚线所示，最初共有三股冷却液进入第一进液凹口411，三股冷却液分先后与蛇形板41接触，从而分先后进入相邻的第一出液凹口412内，相应的，第一出液凹口412越靠近液通道314的部分对应的冷却液流量也就越多，因此第一出液凹口412沿远离出液通道314的方向逐渐收拢。
53.作为第一进液凹口411和第一出液凹口412的其中一种具体结构，本实施例中第一进液凹口411和第一出液凹口412的边缘均呈梯形，而非三角结构，从而减少冷却液在第一进液凹口411和第一出液凹口412内侧边缘弯折处的冲刷腐蚀。当然，进一步优选的，在其他实施例中第一进液凹口411和第一出液凹口412在弯折处可以进行圆角设计，以进一步降低冷却液冲刷腐蚀的作用。
54.当然，由于本实施例中蛇形板41是通过在板体3正面刻蚀得到的，因此将第一进液凹口411和第一出液凹口412的形状设置成梯形更为便于刻蚀过程的进行。参见图6，在本实施例中单个导流板4具有相互平行的两条包络直线，以便于在板体3正面刻蚀出导流板4。
55.可以理解的，进液通道313越靠近其端部总进液口311的部分，该部分对应位置的冷却液越多，原因在于总进液口311处流入的冷却液经过较少数量的第一进液凹口411到达进液通道313的该部分位置，因此到达该位置时冷却液总量损失较少。为了平衡各个第一进液凹口411处冷却液压力，使得冷却液能够以近乎相等的流量进入各个第一进液凹口411，使得各个芯粒2之间以及单个芯粒2表面不同位置的冷却效果相近，在其他一部分实施例中，进液通道313沿远离其端部总进液口311的方向逐渐收缩。出液通道314越靠近其端部总出液口312的部分所对应的冷却液流量越大，其原因在于有较多第一出液凹口412流出的冷
却液汇流至该部分，相应的该处冷却液压力也较大，因此出液通道314沿远离其端部总出液口312的方向逐渐收缩，以使得出液通道314各处液压大体相同，以避免不同第一出液凹口412中液体流出压力差距过大，影响芯粒2冷却的均匀性。其中出液通道314和进液通道313的边界可以由导流板4的包络线和/或流动槽31的内壁进行界定。
56.蛇形板41的两个端部分别与相邻的两块挡板42的边缘固定，因此蛇形板41和两块挡板42会分别围拢形成凹口，如本实施例中该凹口和第一出液凹口412位于蛇形板41的同一侧，因此该凹口可以作为第二出液凹口414，同时第二出液凹口414与出液通道314连通，对靠近总出液口312的第二出液凹口414而言，其相邻的第一进液凹口411中冷却液沿靠近总出液口312的方向流入第二出液凹口414，而后能以较短路径流向总出液口312。
57.但是针对远离总出液口312的第二出液凹口414而言，其相邻的第一进液凹口411中冷却液需要沿远离总出液口312的方向流入，致使该第二出液凹口414中冷却液不足，芯粒2在其对应位置的部分冷却效果不足。
58.针对上述问题，在其他实施例中，蛇形板41远离总出液口312的端部和挡板42围拢形成的凹口和第一进液凹口411位于蛇形板41的同一侧，那么该凹口可以作为第二进液凹口，第二进液凹口连通至进液通道313。第二进液凹口内的冷却液可以直接沿靠近总出液口312的方向流入相邻的第一出液凹口412中，再流向总出液口312。
59.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
60.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种冷却液分流板，其特征在于，包括板体和导流板；所述板体正面中间内凹形成流动槽，所述板体边缘开设有总进液口和总出液口，所述流动槽的底壁上开设有冷却口；所述导流板设置在所述流动槽的底壁上并阻隔在所述总进液口和所述总出液口之间，以在所述流动槽中分隔出进液通道和出液通道，所述进液通道连通至所述总进液口，所述出液通道连通至所述总出液口；所述导流板包括若干蛇形板，所述蛇形板盖合在所述冷却口上，所述蛇形板的一侧凹口为第一进液凹口，所述蛇形板的另一侧凹口为第一出液凹口，所述第一进液凹口连通至所述进液通道，所述第一出液凹口连通至所述出液通道。2.根据权利要求1所述的冷却液分流板，其特征在于，所述第一进液凹口沿远离所述进液通道的方向逐渐收拢，所述第一出液凹口沿远离所述出液通道的方向逐渐收拢。3.根据权利要求2所述的冷却液分流板，其特征在于，所述第一进液凹口和第一出液凹口的边缘均呈梯形。4.根据权利要求1所述的冷却液分流板，其特征在于，所述导流板还包括贴合于所述流动槽底壁的挡板，单个所述导流板包含的所述蛇形板数量有多个，所述挡板位于相邻两个所述蛇形板之间并与所述蛇形板的端部固定。5.根据权利要求4所述的冷却液分流板，其特征在于，当所述蛇形板和所述挡板围拢形成的凹口和所述第一进液凹口位于所述蛇形板的同一侧时，所述凹口为第二进液凹口并连通至所述进液通道，当所述蛇形板和所述挡板围拢形成的凹口和所述第一出液凹口位于所述蛇形板的同一侧时，所述凹口为第二出液凹口并连通至所述出液通道。6.根据权利要求4所述的冷却液分流板，其特征在于，所述进液通道沿远离所述总进液口的方向逐渐收缩，且/或所述出液通道沿远离总出液口的方向逐渐收缩。7.根据权利要求1所述的冷却液分流板，其特征在于，所述蛇形板的两侧边缘支撑于所述流动槽的底壁上。8.一种芯片冷却结构，其特征在于，包括底板、设置在所述底板正面的芯粒以及如权利要求1-7任一权利要求所述的冷却液分流板，所述板体背面在所述底板正面相对设置，以使所述芯粒进入冷却口中。9.根据权利要求8所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述芯粒正面设置有微通道，所述微通道沿所述蛇形板中心线方向延伸。10.根据权利要求9所述的芯片冷却结构，其特征在于，所述芯粒正面和所述蛇形板之间留有空隙。

技术总结
本发明涉及一种冷却液分流板及芯片冷却结构，包括板体和导流板；所述板体正面中间内凹形成流动槽，所述板体边缘开设有总进液口和总出液口，所述流动槽的底壁上开设有冷却口；所述导流板设置在所述流动槽的底壁上并阻隔在所述总进液口和所述总出液口之间，以在所述流动槽中分隔出进液通道和出液通道，所述进液通道连通至所述总进液口，所述出液通道连通至所述总出液口；所述导流板包括若干蛇形板，所述蛇形板盖合在所述冷却口上，所述蛇形板的一侧凹口为第一进液凹口，所述蛇形板的另一侧凹口为第一出液凹口，所述第一进液凹口连通至所述进液通道，所述第一出液凹口连通至所述出液通道。本发明整个芯粒的散热相对均匀。本发明整个芯粒的散热相对均匀。本发明整个芯粒的散热相对均匀。


技术研发人员：徐璐 韩银和 尹龙祥 谭海宁
受保护的技术使用者：中国科学院计算技术研究所
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/7/13