一种液冷散热结构

1.本发明涉及光电合封技术领域，尤其涉及一种液冷散热结构。


背景技术：

2.数据中心的算力功能、数据传输功能主要由各种it设备组成，如服务器。在服务器中需要用到交换芯片以及光芯片等组件进行数据交换和数据传输。传统的数据中心光互连方式大多采用可插拔式的光芯片，通过服务器外部、内部的光纤和电学组件进行光和电信号的传输。随着数据交换的速率和带宽的需求逐年提升，面板可插拔的光芯片技术受到速率、尺寸的限制，已经逐渐达到瓶颈，因此光电共封装(co-packagedoptics，cpo)技术显示出了更好的应用于数据交换的潜力。
3.光电合封系统，就是不断的将光芯片和交换芯片的互连距离缩小，最终形成将光芯片与交换芯片集成到同一衬底上的结构。目前，已知最大的交换芯片的容量可达51.2t，且随着容量的不断提升，会采用多芯片组合的方式进行封装或堆叠结构进行异形封装，并且会添加一些增强机械强度的措施，如加强环等，如102.4t可用两个51.2t的芯片进行“拼接”。同时，单个光芯片的容量3.2t，整个光电合封系统需要一个交换芯片模块和16个光芯片，该交换芯片的功耗可达830w，根据oif标准组织提供的白皮书，单个3.2t光芯片的功耗为64w，因此整个组件功耗将会达到2000w，这还不包括电源系统以及其他电子器件系统。因此将如此大功耗的光、电器件集成到一起，势必要考虑到散热的问题，且光器件对于温度比较敏感，较大的温升会导致光信号质量的劣化。
4.因此，提供一种针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统的液冷散热结构。
5.

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种液冷散热结构，用于解决现有技术中针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统散热效果差、均温性差的问题。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.本发明提供一种液冷散热结构，液冷散热结构至少包括：
9.分液结构、第一微流道结构、接触冷板以及第二微流道结构；
10.所述接触冷板覆盖在所述第二微流道结构上方，所述第一微流道结构覆盖在所述接触冷板上方；所述第一微流道结构上方设置有分液结构；所述分液结构为螺旋桨式；所述第一微流道结构为针对光芯片设置的结构；所述第二微流道结构为针对交换芯片设置的结构。
11.可选的，所述分液结构包括进液结构以及出液结构；
12.所述进液结构包含1条进液流道；所述出液结构包括8条出液流道。
13.可选的，所述液冷散热结构应用于异形封装交换芯片的光电合封系统；所述光电合封系统的交换芯片功耗大于预设阈值。
14.可选的，所述第一微流道结构为对称式结构，用于对光芯片进行换热；
15.所述第二微流道结构为针对异形封装交换芯片设置的结构；所述第二微流道结构的尺寸小于所述第一微流道结构的尺寸。
16.可选的，对于所述光芯片，在所述液冷散热结构的四个边角分别设置出液口；
17.对于所述交换芯片，在进液口对称中心旁对称设置四个出液口；所述进液口的尺寸大于所述出液口的尺寸；所述进液口呈十字花型。
18.可选的，所述第一微流道结构以及所述接触冷板的中间镂空；镂空面积等于所述第二微流道结构的面积。
19.可选的，所述光电合封系统中光芯片基于所述交换芯片对称设置；所述光芯片的数量是根据光芯片自身带宽、光芯片自身速率、所述交换芯片的带宽以及所述交换芯片的速率来确定的。
20.可选的，所述光电合封系统的带宽大于预设带宽阈值；所述光电合封系统的速率大于预设速率阈值；所述光芯片的数量与所述带宽、速率成正比。
21.可选的，所述螺旋桨式的分液结构基于进液口呈中心对称，对四个方向的分液流量进行均匀化处理。
22.可选的，所述光电合封系统中包括交换芯片以及光芯片；所述光电合封系统的交换芯片的结温需控制在80℃以下。
23.与现有技术相比，本发明提供一种液冷散热结构，包括分液结构、第一微流道结构、接触冷板以及第二微流道结构；接触冷板覆盖在第二微流道结构上方，第一微流道结构覆盖在接触冷板上方；第一微流道结构上方设置有分液结构；分液结构为螺旋桨式；第一微流道结构为针对光芯片设置的结构；第二微流道结构为针对交换芯片设置的结构。螺旋桨式均匀分液结构，能够实现光芯片的均温性、低温性，同时保证光芯片与大功耗交换芯片不会造成彼此的热串扰，提升针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统的散热效果。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为本发明提供的液冷散热结构的整体结构示意图；
26.图2为本发明提供的1进8出进出液结构示意图；
27.图3为本发明提供的1进8出进出液结构正面示意图；
28.图4为本发明提供的1进8出进出液结构反面示意图；
29.图5为本发明提供的对称式光芯片第一微流道结构示意图；
30.图6为本发明提供的接触冷板结构示意图；
31.图7为本发明提供的第二微流道结构示意图。
32.附图标记：
33.101-分液结构、102-第一微流道结构、103-接触冷板、104-第二微流道结构、202-第一出液口、203-第二出液口。
具体实施方式
34.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
35.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
36.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
37.目前，个别公司对于光电合封的液冷散热的交换系统展示了成果，针对540w的交换芯片、32w的光芯片，进行了液冷结构的设计，交换芯片结温在100℃左右，光芯片内部的电芯片结温在90℃左右。但是仅设计了一根进水管和一根出水管，因此先经过大功耗交换芯片的水会被加热，再流经光芯片部分，造成热串扰，且光芯片温度不均匀。基于cowos封装的交换芯片设计了拼接式的冷板方案，具体结构未给出，仿真结果表明，光芯片的均一化温差达到7℃，因此同样未实现光芯片的均温性要求。
38.对此，本发明提供一种液冷散热结构。
39.接下来，结合附图对本说明书实施例提供的方案进行说明：
40.图1为本发明提供的液冷散热结构的整体结构示意图，如图1所示，液冷散热结构至少可以包括：
41.分液结构101、第一微流道结构102、接触冷板103以及第二微流道结构104；
42.所述接触冷板103覆盖在所述第二微流道结构104上方，所述第一微流道结构102覆盖在所述接触冷板103上方；所述第一微流道结构102上方设置有分液结构101；所述分液结构101为螺旋桨式；所述第一微流道结构102为针对光芯片设置的结构；所述第二微流道结构104为针对交换芯片设置的结构。
43.如图1所示，图1中的结构按照从上至下的顺序，第一层为均匀分布的螺旋桨式分液结构101，包括1进8出的进出液结构，第二层为对称式光芯片的第一微流道结构102，第三层为接触冷板103，第四层为接触式大功耗芯片的第二微流道结构104。
44.分液结构101用于进行分液，可增强散热能力，保证均温性。
45.设置微流道时，交换芯片以及光芯片上都设置有微流道结构，微流道结构能够增加对流换热的接触面积，降低整体热阻，实现电芯片和光芯片更低的工作温度，保证对温度敏感的光芯片的工作可靠性。分液结构101、微流道和接触冷板103的材料可根据实际应用
场景进行选择，例如：选择银、铜、铝或金等，尺寸依据可以根据对应的芯片的尺寸而定。
46.在具体实现过程中，可以在芯片的半导体衬底晶圆背面刻蚀制作微流道结构，并采用带有进出液口的盖板与其键合，实现微流道结构的封闭，接着制作带有进出液口和分液结构的盖板，再对其进行划片，在封装管壳上预留进出液口结构，该进出液口分别与微流道的进出液口对应。
47.采用中心对称的“螺旋桨式”结构，对四个方向的分液流量进行均匀化处理。
48.图1中的方案，包括分液结构101、第一微流道结构102、接触冷板103以及第二微流道结构104；接触冷板103覆盖在第二微流道结构104上方，第一微流道结构102覆盖在接触冷板103上方；第一微流道结构102上方设置有分液结构101；分液结构101为螺旋桨式；第一微流道结构102为针对光芯片设置的结构；第二微流道结构104为针对交换芯片设置的结构。螺旋桨式均匀分液结构101，能够实现光芯片的均温性、低温性，同时保证光芯片与大功耗交换芯片不会造成彼此的热串扰，提升针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统的散热效果。
49.基于图1的方案，本说明书实施例还提供了该方案的一些具体实施方式，下面进行说明。
50.可选的，所述分液结构101可以包括进液结构以及出液结构；
51.所述进液结构包含1条进液流道；所述出液结构包括8条出液流道。
52.如图2-4所示，图2为本发明提供的1进8出进出液结构示意图，图3为本发明提供的1进8出进出液结构正面示意图，图4为本发明提供的1进8出进出液结构反面示意图。图2-4中，中间大圆形为进液口，进液口的尺寸大于出液口的尺寸，进液口呈十字花型；对于所述光芯片，在所述液冷散热结构的四个边角分别设置第一出液口202，即图2-4中四个边角出的四个圆形。对于所述交换芯片，在进液口对称中心旁对称设置四个第二出液口203，如图2-4中中间大圆形周围的四个小圆形所示。
53.通过上述设置，螺旋桨式均匀分液结构和1进8出的进出液结构，能够实现光芯片的均温性、低温性，同时保证光芯片与大功耗交换芯片不会造成彼此的热串扰。
54.可选的，所述液冷散热结构应用于异形封装交换芯片的光电合封系统；所述光电合封系统的交换芯片功耗大于预设阈值。
55.光电合封技术就是缩短交换芯片与光引擎结构之间距离，将二者集成到同一衬底上，从而达到减小互连距离，实现高速信号传输、低系统功耗的目的。光引擎结构内部集成收端和发端，包括驱动芯片(drv)、数字信号处理芯片(dsp)、跨阻放大器(tia)和光芯片(pic)。但在cpo的技术中，将功耗较大的asic交换芯片与光模块间的互连距离不断缩小，或集成到同一衬底上，势必会带来热串扰的问题，特别是光芯片对于温度有着很高的敏感性。同时，由于集成了众多电芯片，光电合封系统的整体功耗也可达千瓦级，因此热管理问题急需解决。交换芯片的功耗会随着带宽增加而增长，而未来单独交换芯片的功耗就可达到千瓦级。
56.液冷散热方式一直以来都被广泛应用于工业途径，如汽车，飞机引擎的散热。由于液体的散热速度远远大于空气，因此液冷散热器具备不错的散热效果。液冷散热可以通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，冷散热系统利用泵使散热管中的冷却液循环并进行散热。在散热器上的吸热部分(在液冷系统中称之为吸热盒)用于从电脑cpu、北
桥、显卡上吸收热量。吸热部分吸收的热量通过在机身背面设计的散热器排到主机外面。
57.本发明中提供的散热结构能够较好的实现光芯片的温度均匀性与低温性，该散热结构能够适用于大部分呈中心对称的组件的液冷散热，且效果优异，可用于未来数据中心服务器群的热管理技术。
58.可选的，所述第一微流道结构102为对称式结构，用于对光芯片进行换热；
59.所述第二微流道结构104为针对异形封装交换芯片设置的结构；所述第二微流道结构104的尺寸小于所述第一微流道结构102的尺寸。如图5所示，第一微流道呈中心对称设置，对称式光芯片微流道结构对光芯片部分进行换热。
60.图6为本发明提供的接触冷板结构示意图，如图6所示，图6中的结构为接触冷板。图7为本发明提供的第二微流道结构示意图，如图7所示，第二微流道设置在交换芯片上。
61.进一步地，所述第一微流道结构102以及所述接触冷板103的中间镂空；镂空面积等于所述第二微流道结构104的面积。
62.进一步地，所述光电合封系统中光芯片基于所述交换芯片对称设置；所述光芯片的数量是根据光芯片自身带宽、光芯片自身速率、所述交换芯片的带宽以及所述交换芯片的速率来确定的。例如：随着带宽和速率的增大，光引擎的数量会增多，假设带宽为12.8t，则可以设置有8个光芯片，假设带宽有51.2t，可以设置有16个光芯片。
63.散热结构中可以包括交换芯片以及多个光芯片，光芯片基于交换芯片对称设置在交换芯片四周，光芯片与交换芯片共同组装到高密度集成电路印刷板(hdi-pcb)上。
64.可选的，所述光电合封系统的带宽大于预设带宽阈值；所述光电合封系统的速率大于预设速率阈值；所述光芯片的数量与所述带宽、速率成正比。
65.本发明的技术方案应用于基于大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统。光电合封系统，就是不断的将光芯片和交换芯片的互连距离缩小，最终形成将光芯片与交换芯片集成到同一衬底上的结构。目前，已知最大的交换芯片的容量可达51.2t，且随着容量的不断提升，会采用多芯片组合的方式进行封装或堆叠结构进行异形封装，并且会添加一些增强机械强度的措施，如加强环等，如102.4t可用两个51.2t的芯片进行“拼接”。同时，单个光芯片的容量3.2t，整个光电合封系统需要一个交换芯片模块和16个光芯片，该交换芯片的功耗可达830w，根据oif标准组织提供的白皮书，单个3.2t光芯片的功耗为64w，因此整个组件功耗将会达到2000w，这还不包括电源系统以及其他电子器件系统。因此将如此大功耗的光、电器件集成到一起，势必要考虑到散热的问题，且光器件对于温度比较敏感，较大的温升会导致光信号质量的劣化，本发明提供的散热结构可以保证光芯片的均温性、低温性，且大功耗交换芯片的结温控制在80℃以下，保证光芯片与大功耗交换芯片不会造成彼此的热串扰。
66.针对本发明提供的技术方案，首先设置整体散热模块结构：从上至下共4层结构，第一层采用中心对称的“螺旋桨歧管”结构，对四个方向的分液流量进行均匀化处理；第二层采用对称式微流道对光芯片部分进行换热；第三层为接触冷板；第四层为针对异形封装的大功耗交换芯片设计的小尺寸微流道冷板。
67.其次，流道的进出液口设计：为保证均温性和低温性，采用1进8出的进出液系统。对于光引擎，设计了在四个边角的出液口；对于大功耗交换芯片，设计了在对称中心的4个出液口；且进液口的尺寸大于出液口的尺寸。
68.本发明中，均匀分布的螺旋桨式分液结构、1进8出的进出液结构、对称式光芯片微流道结构以及接触式大功耗芯片微流道冷板的设置，使得到的散热结构能够对大带宽、高速率的光电合封系统进行散热，实现均温性与低温性。适用于大部分呈中心对称的组件的液冷散热，且效果优异，可用于未来数据中心服务器群的热管理技术。
69.在具体的实验过程中，本发明的散热结构在20℃进液温度，10l/min的流速下，室温25℃时，通过使用水作为冷却液的大功耗芯片和光芯片部分得到的温度分布云图，可以确定本发明提供的散热结构具有较好的散热效果、能够实现均温性，且交换芯片的热量对于光引擎的串扰大大减小。
70.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
71.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
72.在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种液冷散热结构，其特征在于，液冷散热结构至少包括：分液结构、第一微流道结构、接触冷板以及第二微流道结构；所述接触冷板覆盖在所述第二微流道结构上方，所述第一微流道结构覆盖在所述接触冷板上方；所述第一微流道结构上方设置有分液结构；所述分液结构为螺旋桨式；所述第一微流道结构为针对光芯片设置的结构；所述第二微流道结构为针对交换芯片设置的结构。2.根据权利要求1所述的液冷散热结构，其特征在于，所述分液结构包括进液结构以及出液结构；所述进液结构包含1条进液流道；所述出液结构包括8条出液流道。3.根据权利要求1所述的液冷散热结构，其特征在于，所述液冷散热结构应用于异形封装交换芯片的光电合封系统；所述光电合封系统的交换芯片功耗大于预设阈值。4.根据权利要求3所述的液冷散热结构，其特征在于，所述第一微流道结构为对称式结构，用于对光芯片进行换热；所述第二微流道结构为针对异形封装交换芯片设置的结构；所述第二微流道结构的尺寸小于所述第一微流道结构的尺寸。5.根据权利要求2所述的液冷散热结构，其特征在于，对于所述光芯片，在所述液冷散热结构的四个边角分别设置第一出液口；对于所述交换芯片，在进液口对称中心旁对称设置四个第二出液口；所述进液口的尺寸大于出液口的尺寸；所述进液口呈十字花型。6.根据权利要求1所述的液冷散热结构，其特征在于，所述第一微流道结构以及所述接触冷板的中间镂空；镂空面积等于所述第二微流道结构的面积。7.根据权利要求3所述的液冷散热结构，其特征在于，所述光电合封系统中光芯片基于所述交换芯片对称设置；所述光芯片的数量是根据光芯片自身带宽、光芯片自身速率、所述交换芯片的带宽以及所述交换芯片的速率来确定的。8.根据权利要求3所述的液冷散热结构，其特征在于，所述光电合封系统的带宽大于预设带宽阈值；所述光电合封系统的速率大于预设速率阈值；所述光芯片的数量与带宽、速率成正比。9.根据权利要求5所述的液冷散热结构，其特征在于，螺旋桨式的分液结构基于进液口呈中心对称，对四个方向的分液流量进行均匀化处理。10.根据权利要求3所述的液冷散热结构，其特征在于，所述光电合封系统中包括交换芯片以及光芯片；所述光电合封系统的交换芯片的结温需控制在80℃以下。

技术总结
本发明公开一种液冷散热结构，本发明涉及光电合封技术领域，用于解决现有技术中针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统散热效果差、均温性差的问题。包括：分液结构、第一微流道结构、接触冷板以及第二微流道结构；接触冷板覆盖在第二微流道结构上方，第一微流道结构覆盖在接触冷板上方；第一微流道结构上方设置有分液结构；分液结构为螺旋桨式；第一微流道结构为针对光芯片设置的结构；第二微流道结构为针对交换芯片设置的结构。螺旋桨式均匀分液结构，能够实现光芯片的均温性、低温性，同时保证光芯片与大功耗交换芯片不会造成彼此的热串扰，提升针对大功耗交换芯片异形封装的光电合封系统的散热效果。电合封系统的散热效果。电合封系统的散热效果。


技术研发人员：温淞 薛海韵 陈钏 何慧敏 刘丰满 王启东
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/8/5