CN112768418B - 一种半导体器件散热模块及电子装置 - Google Patents

一种半导体器件散热模块及电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体器件散热模块和电子装置。半导体器件散热模块包括：导热板，导热板包括相对的顶端面和底端面，顶端面和底端面分别为导热板各个面中面积最大的两个面中的一个；刚性基板，刚性基板设置有多个发热器件，刚性基板贴装于顶端面和底端面；柔性基板，柔性基板表面贴装有多个发热器件，柔性基板贴装于导热板的侧面；柔性基板部分延伸至顶端面一侧，柔性基板延伸至顶端面一侧的部分连接位于顶端面的刚性基板；柔性基板还部分延伸至底端面一侧，柔性基板延伸至底端面一侧的部分连接位于底端面的刚性基板。

Description

一种半导体器件散热模块及电子装置
技术领域
本发明涉及半导体器件散热技术，具体涉及一种半导体器件散热模块及电子装置。
背景技术
在半导体器件中，某些元件在工作过程中会释放大量热，因而会对其周围的元件及线路造成影响，同时，其放热也会影响自身及周围元件的寿命。因此，如何设计这些器件的散热，是本领域的重要课题。通常的方法是，将器件设置在导热性能好的陶瓷基板上，利用陶瓷基板进行辅助散热。更进一步的，还可以在陶瓷基板外增设散热器件，进一步提高散热能力。但是，这样的方法对于发热器件较多的模块，需要使用的基板面积较大，相应的需要使用的散热器件也相应较大，因此使得模块整体的体积较大，不利于模块的小型化。
发明内容
基于上述问题本发明提供一种半导体器件散热模块及电子装置，以解决多发热器件的模块散热问题。
本发明提供一种半导体器件散热模块，包括：导热板，导热板包括相对的顶端面和底端面，顶端面和底端面分别为导热板各个面中面积最大的两个面中的一个；刚性基板，刚性基板设置有多个发热器件，刚性基板贴装于顶端面和底端面；柔性基板，柔性基板表面贴装有多个发热器件，柔性基板贴装于导热板的侧面；柔性基板部分延伸至顶端面一侧，柔性基板延伸至顶端面一侧的部分连接位于顶端面的刚性基板；柔性基板还部分延伸至底端面一侧，柔性基板延伸至底端面一侧的部分连接位于底端面的刚性基板。
可选的，设置于刚性基板的多个发热器件贴装于刚性基板背向导热板一侧的表面。
可选的，刚性基板背向导热板一侧的表面具有多个凹槽，设置于刚性基板的多个发热器件分别贴装于凹槽的底面。
可选的，刚性基板具有贯穿刚性基板的空腔，设置于刚性基板的多个发热器件分别设置于刚性基板的空腔中。
可选的，设置于刚性基板的多个发热器件，热流密度高于1W/cm2，设置于柔性基板的多个发热器件，热流密度低于1W/cm2。
可选的，柔性基板至少具有两个，至少两个柔性基板分别位于导热板的两个相对的侧面，刚性基板和柔性基板连接，在至少一个截面上围成封闭图形。
可选的，导热板为液冷板，液冷板具有相对的第一侧端面和第二侧端面，第一侧端面和第二侧端面分别垂直于顶端面，且分别垂直于底端面，至少两个柔性基板分别贴装于第一侧端面和第二侧端面；液冷板内设置有腔体，腔体内设置有多个热交换结构，多个热交换结构和腔体的壁面围成热交换流道；液冷板还具有相对的第三侧端面和第四侧端面，第三侧端面和第四侧端面分别垂直于顶端面，且分别垂直于底端面；第三侧端面设置有进液口，第四侧端面设置有出液口，进液口和出液口分别连通热交换流道；进液口与底端面的距离小于或等于出液口与底端面的距离。
可选的，多个热交换结构中的每一个自腔体的壁面延伸向腔体内，多个热交换结构可以为柱状体、翅片、棱柱中的一种或多种，多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的腔体的壁面之间间距大于零；
可选的，多个热交换结构呈阵列式排布或交错式排布；
可选的，相邻的热交换结构之间的距离为0.1mm～10mm，多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的腔体的壁面之间间距为0.1mm～10mm。
可选的，设置于刚性基板的多个发热器件，各个发热器件的热流密度不同，其中热流密度较高的发热器件相对进液口的距离小于热流密度较低的发热器件相对进液口的距离；
可选的，发热器件可以为裸片、封装体或封装模块。
本发明还提供一种电子装置，其特征在于，包括如上所述的半导体器件散热模块。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明的半导体器件散热模块，通过将设置有发热器件的刚性基板和设置有发热器件的柔性基板贴装至导热板的顶端面、底端面和侧面，有效利用导热板的多个表面同时对多个发热器件进行导热，可实现同时对多个发热器件的高效散热。同时由于多个基板分别设置在导热板的多个表面，除了顶端面之外还利用了底端面和侧面，多个基板共用一个导热板，使得一个导热板可支持的发热器件数量增多，从而相比单个基板一侧设置散热装置的方案，模块的体积更小，节省了空间，有利于装置的小型化。此外顶端面的刚性基板和底端面的刚性基板通过侧面的柔性基板连接，单个位置的发热器件散发的热可以由多个基板共同承担并传导至导热板，使得导热板整体的散热相对均衡，有效利用了导热板的各个表面，单个导热板的散热效率高。
2.本发明的半导体器件散热模块，设置于刚性基板的发热器件，可以设置于刚性基板背向导热板一侧的表面；进一步的，刚性基板可以具有凹槽，发热器件设置于凹槽中；更进一步的刚性基板可以设置有贯穿刚性基板的腔体，发热器件设置于腔体中。发热器件设置于刚性基板的凹槽中，使得发热器件更加接近导热板，导热效率更高。发热器件设置于贯穿刚性基板的腔体中，使得发热器件更进一步接近导热板，导热效率更高。
3.本发明的半导体器件散热模块，将热流密度高于1W/cm2的发热器件设置于刚性基板，将热流密度低于1W/cm2设置于柔性基板，由于热流密度与器件的发热正相关，而刚性基板设置于导热板的顶端面和底端面，顶端面和底端面通常为导热板导热效率较高的表面，导热板的侧面的导热效率相对顶端面的导热效率和底端面的导热效率较低，因此将热流密度较高的发热器件设置于顶端面和底端面的刚性基板，将热流密度较低的发热器件设置于侧面的柔性基板，使得发热较高的器件对应更高效率的导热，有利于模块整体散热的均衡性。
4.本发明的半导体器件散热模块，导热板为液冷板，液冷板的进液口与底端面的距离小于出液口与底端面的距离，使得进液口的水平位置低于出液口的水平位置，从而使得单位时间内进入流道的热交换介质能够尽可能长时间的留存在流道内，并尽可能的填满流道，而不会快速从出液口排出，热交换的时间长，使得液冷板的导热能力更强。
5.本发明的半导体器件散热模块，通过液冷板内多个热交换结构的设置，以及阵列式或交错式的排布，可增大液冷板壁面与热交换介质的接触面积，提高换热效率。
6.本发明的半导体器件散热模块，由于热交换介质刚进入腔体时温度最低，热交换效能最强，因此液冷板上越靠近进液口的位置导热能力越强，散热效果越好，所以通过将热流密度更高的发热器件设置得更加靠近进液口，可以使得发热更大的发热器件对应更强的导热能力，使得模块整体的散热更加均衡。
7.本发明提供的电子装置，包括如上所述的半导体器件散热模块，通过将设置有发热器件的刚性基板和设置有发热器件的柔性基板贴装至导热板的多个表面，有效利用导热板的多个表面同时对多个发热器件进行导热，可实现多个发热器件的高效散热。同时由于多个基板分别设置在导热板的多个表面，除了顶端面之外还利用了底端面和侧面，使得一个导热板可支持的发热器件增多，从而相比单个基板设置散热装置的方案，模块的体积更小，节省了空间，有利于装置的小型化。此外顶端面的刚性基板和底端面的刚性基板通过侧面的柔性基板连接，单个位置的发热器件散发的热可以由多个基板共同承担并传导至导热板，使得导热板各个表面上各个位置的散热能力相对均衡，有效利用了导热板的各个表面，单个导热板的散热效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的半导体器件散热模块的结构示意图；
图2a为图1中AA’截面的截面图；
图2b为另一实施例中图2截面位置的截面图；
图2c为又一实施例中图2截面位置的截面图；
图3为图1中BB’截面的截面图。
具体实施方式
因此本发明提出一种半导体器件散热模块和电子装置，以解决多发热器件的散热问题。
本发明提供的半导体器件散热模块包括：导热板，导热板包括相对的顶端面和底端面，顶端面和底端面分别为导热板各个面中面积最大的两个面；刚性基板，刚性基板设置有多个发热器件，刚性基板贴装于顶端面和底端面；柔性基板，柔性基板表面贴装有多个发热器件，柔性基板贴装于导热板的侧面；柔性基板部分延伸至顶端面一侧，柔性基板延伸至顶端面一侧的部分连接位于顶端面的刚性基板；柔性基板还部分延伸至底端面一侧，柔性基板延伸至底端面一侧的部分连接位于底端面的刚性基板。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
参考图1-图3，本发明提供一种半导体器件散热模块，包括：
导热板100，导热板100包括相对的顶端面和底端面，顶端面和底端面分别为导热板100各个面中面积最大的两个面中的一个。
刚性基板200，刚性基板设置有多个发热器件400，刚性基板200贴装于顶端面和底端面。
柔性基板300，柔性基板300表面贴装有多个发热器件400，柔性基板300 贴装于导热板100的侧面；柔性基板300部分延伸至顶端面一侧，柔性基板 300延伸至顶端面一侧的部分连接位于顶端面的刚性基板200；柔性基板300 还部分延伸至底端面一侧，柔性基板300延伸至底端面一侧的部分连接位于底端面的刚性基板200。
其中刚性基板可以为陶瓷基板、双马来酰亚胺三嗪(Bismaleimide Triazine，BT)树脂基板、玻璃纤维环氧树脂(FR4)基板或它们与铜的复合基板。柔性基板可以为聚酰亚胺基板。
本实施例的半导体器件散热模块，通过将设置有发热器件400的刚性基板200和设置有发热器件400的柔性基板300贴装至导热板100的顶端面、底端面和侧面，有效利用导热板100的多个表面同时对多个发热器件400进行导热，可实现同时对多个发热器件400的高效散热。同时由于多个基板分别设置在导热板100的多个表面，多个基板共用一个导热板100，除了顶端面之外还利用了底端面和侧面，使得一个导热板100可支持的发热器件400数量增多，从而相比单个基板一侧设置散热装置的方案，模块的体积更小，节省了空间，有利于装置的小型化。此外顶端面的刚性基板200和底端面的刚性基板200通过侧面的柔性基板300连接，单个位置的发热器件400散发的热可以由多个基板共同承担并传导至导热板100，使得导热板100整体的散热相对均衡，有效利用了导热板的各个表面，单个导热板100的散热效率高。
参考图1和图2a，在本实施例中，设置于刚性基板200的多个发热器件400贴装于刚性基板200背向导热板100一侧的表面。
参考图1和图2b，在其他一些实施例中，刚性基板200’背向导热板100 一侧的表面具有多个凹槽，设置于刚性基板200’的多个发热器件400分别贴装于凹槽的底面。
发热器件400设置于刚性基板200’的凹槽中，使得发热器件400更加接近导热板100，导热效率更高。
参考图1和图2c，在其他一些实施例中，刚性基板200”具有贯穿刚性基板200”的空腔，设置于刚性基板200”的多个发热器件分别设置于刚性基板 200”的空腔中。
需要特别说明的是，刚性基板中为实现各器件的互联设置有电路，各发热器件400均与刚性基板(包括上述刚性基板200、刚性基板200’和刚性基板200”)电性连接，为简略图示，上述附图中未显示发热器件与刚性基板之间的连接。本领域技术人员可选择合适的手段实现连接，本发明在此不予赘述。
在本实施例中，设置于刚性基板200的多个发热器件，热流密度高于 1W/cm2，设置于柔性基板300的多个发热器件，热流密度低于1W/cm2。由于热流密度与器件的发热正相关，而刚性基板200设置于导热板100的顶端面和底端面，顶端面和底端面通常为导热板导热效率较高的表面，导热板100的侧面的导热效率相对顶端面的导热效率和底端面的导热效率较低，因此将热流密度较高的发热器件400设置于顶端面和底端面的刚性基板200，将热流密度较低的发热器件400设置于侧面的柔性基板300，使得发热较高的器件对应更高效率的导热，有利于模块整体散热的均衡性。
柔性基板300至少具有两个，在本实施例中，柔性基板300为两个。两个柔性基板300分别位于导热板100的两个相对的侧面，刚性基板200和柔性基板100连接，在至少一个截面上围成封闭图形。
在本实施例中，导热板100为液冷板，液冷板具有相对的第一侧端面和第二侧端面，第一侧端面和第二侧端面分别垂直于顶端面，且分别垂直于底端面，两个柔性基板300分别贴装于第一侧端面和第二侧端面；液冷板内设置有腔体，腔体内设置有多个热交换结构，多个热交换结构和腔体的壁面围成热交换流道；液冷板还具有相对的第三侧端面和第四侧端面，第三侧端面和第四侧端面分别垂直于顶端面，且分别垂直于底端面；第三侧端面设置有进液口110，第四侧端面设置有出液口120，进液口110和出液口120 分别连通热交换流道；进液口110与底端面的距离小于或等于出液口120与底端面的距离。
液冷板的进液口110与底端面的距离小于出液口120与底端面的距离，使得进液口110的水平位置低于出液口120的水平位置，从而使得单位时间内进入流道的热交换介质能够尽可能长时间的留存在流道内，并尽可能的填满流道，而不会快速从出液口排出，热交换的时间长，使得液冷板的导热能力更强。
具体的，多个热交换结构中的每一个自腔体的壁面延伸向腔体内，多个热交换结构可以为柱状体、翅片、棱柱中的一种或多种，多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的腔体的壁面之间间距大于零。
具体的，多个热交换结构呈阵列式排布或交错式排布。通过液冷板内多个热交换结构的设置，以及阵列式或交错式的排布，可增大液冷板壁面与热交换介质的接触面积，提高换热效率。
具体的，相邻的热交换结构之间的距离为0.1mm～10mm，多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的腔体的壁面之间间距为0.1mm～10mm。
在本实施例中，设置于刚性基板200的多个发热器件400，各个发热器件400的热流密度不同，其中热流密度较高的发热器件400相对进液口110的距离小于热流密度较低的发热器件400相对进液口110的距离。
由于热交换介质刚进入腔体时温度最低，热交换效能最强，因此液冷板上越靠近进液口110的位置导热能力越强，散热效果越好，所以通过将热流密度更高的发热器件400设置得更加靠近进液口110，可以使得发热更大的发热器件400对应更强的导热能力，使得模块整体的散热更加均衡。
在本实施例中，液冷板的壁面可以选择为铝、铜、钨铜、钼铜、陶瓷、硅或它们的复合材料。热交换介质可以为水、乙二醇或1,1,1,2-四氟乙烷 (R134a)，2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)等相变冷却剂。在其他一些实施例中，热交换介质可以为空气。
在其他一些实施例中，液冷板可以连接压缩机/微泵、冷凝器、节流阀等装置，组成散热***，***内填充水/冷却剂，通过单相或相变冷却的方式制冷。
在本实施例中，发热器件可以为裸片、封装体或封装模块。发热器件的贴装通过焊料焊接或烧结金属键合实现。刚性基板200和柔性基板300与导热板100的贴装，通过热界面材料实现。在本实施列中，热界面材料可以包括导热膏、焊料等。
实施例2
本发明还提供一种电子装置，其特征在于，包括如上述实施例1中的半导体器件散热模块。通过将设置有发热器件的刚性基板和设置有发热器件的柔性基板贴装至导热板的顶端面、底端面和侧面，有效利用导热板的多个表面同时对多个发热器件进行导热，可实现同时对多个发热器件的高效散热。同时由于多个基板分别设置在导热板的多个表面，除了顶端面之外还利用了底端面和侧面，多个基板共用一个导热板，使得一个导热板可支持的发热器件数量增多，从而相比单个基板一侧设置散热装置的方案，模块的体积更小，节省了空间，有利于装置的小型化。此外顶端面的刚性基板和底端面的刚性基板通过侧面的柔性基板连接，单个位置的发热器件散发的热可以由多个基板共同承担并传导至导热板，使得导热板整体的散热相对均衡，有效利用了导热板的各个表面，单个导热板的散热效率高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种半导体器件散热模块，其特征在于，包括：
导热板，所述导热板包括相对的顶端面和底端面，所述顶端面和所述底端面分别为所述导热板各个面中面积最大的两个面中的一个；
刚性基板，所述刚性基板设置有多个发热器件，所述刚性基板贴装于所述顶端面和所述底端面；
柔性基板，所述柔性基板表面贴装有多个发热器件，所述柔性基板贴装于所述导热板的侧面；所述柔性基板部分延伸至所述顶端面一侧，所述柔性基板延伸至所述顶端面一侧的部分连接位于所述顶端面的所述刚性基板；所述柔性基板还部分延伸至所述底端面一侧，所述柔性基板延伸至所述底端面一侧的部分连接位于所述底端面的所述刚性基板；
所述柔性基板至少具有两个，所述至少两个柔性基板分别位于所述导热板的两个相对的侧面，所述刚性基板和所述柔性基板连接，在至少一个截面上围成封闭图形；
所述导热板为液冷板，所述液冷板具有相对的第一侧端面和第二侧端面，所述第一侧端面和所述第二侧端面分别垂直于所述顶端面，且分别垂直于所述底端面，所述至少两个柔性基板分别贴装于所述第一侧端面和所述第二侧端面；
所述液冷板内设置有腔体，所述腔体内设置有多个热交换结构，所述多个热交换结构和所述腔体的壁面围成热交换流道；所述液冷板还具有相对的第三侧端面和第四侧端面，所述第三侧端面和所述第四侧端面分别垂直于所述顶端面，且分别垂直于所述底端面；所述第三侧端面设置有进液口，所述第四侧端面设置有出液口，所述进液口和所述出液口分别连通所述热交换流道；所述进液口与所述底端面的距离小于或等于所述出液口与所述底端面的距离；
设置于所述刚性基板的多个发热器件，各个发热器件的热流密度不同，其中热流密度较高的发热器件与所述进液口的距离小于热流密度较低的发热器件与所述进液口的距离。
2.根据权利要求1所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
设置于所述刚性基板的所述多个发热器件贴装于所述刚性基板背向所述导热板一侧的表面。
3.根据权利要求1所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
所述刚性基板背向所述导热板一侧的表面具有多个凹槽，设置于所述刚性基板的所述多个发热器件分别贴装于所述凹槽的底面。
4.根据权利要求1所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
所述刚性基板具有贯穿所述刚性基板的空腔，设置于所述刚性基板的所述多个发热器件分别设置于所述刚性基板的空腔中。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
设置于所述刚性基板的所述多个发热器件，热流密度高于1W/cm2，设置于所述柔性基板的多个发热器件，热流密度低于1W/cm2。
6.根据权利要求1所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
所述多个热交换结构中的每一个自所述腔体的壁面延伸向所述腔体内，所述多个热交换结构可以为柱状体、翅片、棱柱中的一种或多种，所述多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的所述腔体的壁面之间间距大于零。
7.根据权利要求6所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
所述多个热交换结构呈阵列式排布或交错式排布。
8.根据权利要求6所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
相邻的所述热交换结构之间的距离为0.1mm～10mm，所述多个热交换结构在延伸方向上的顶点距离相对的所述腔体的壁面之间间距为0.1mm～10mm。
9.根据权利要求1所述的半导体器件散热模块，其特征在于，
所述发热器件为裸片、封装体或封装模块。
10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的半导体器件散热模块。
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