具体实施方式

下面将结合实施例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。

目前超级计算机GPU的热流密度已经达到80W/cm²，传统的散热方式已经无法解决如此高的热流密度。因此从芯片级考虑散热，制作有助于散热的GPU成为亟待解决的问题。目前GPU的硅片是直接裸露在表面，且硅片表面是抛光的，散热面积小并且表面抛光不易产生气泡，采用相变制冷时冷媒相变效果很差，很容易达到GPU的极限温度，使得芯片散热不能发挥其潜在的优势。

基于此，本发明实施例提供的一种散热芯片及其制备方法，在不损害芯片功能的基础上，既增加了芯片表面的散热面积，又改变了芯片表面的粗糙程度，强化了散热效果，从而有效解决了芯片抛光表面散热性能不好的难题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种散热芯片进行详细介绍。

参见图1所示的一种散热芯片的剖视示意图，本发明实施例提供了一种散热芯片，该散热芯片包括芯片基体层200和微纳散热结构层100，微纳散热结构层100形成于芯片基体层200的表面。

可选地，如图1和图2所示，上述微纳散热结构层100包括微米散热结构101和微纳粗糙结构102，微纳粗糙结构102形成于微米散热结构101的四壁上。

可选地，上述微米散热结构101包括微米棱柱、微米圆柱、微米锥和微米翅片中的一种或多种。例如，图1和图2中，微米散热结构101为方柱状的微米棱柱。

可选地，上述微米散热结构101的尺寸可以如下：长度为30-3000μm，宽度为30-100μm，高度为50-200μm。

可选地，上述微纳粗糙结构的厚度可以为0.1-30μm。

激光作为一种材料的加工处理方式，已经得到广泛应用，如激光切割、激光焊接、激光刻蚀、3D打印等。激光原理是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀，从而实现将工件的切割、焊接、刻蚀。基于此，上述微纳散热结构层100通过激光刻蚀形成，激光走过被刻蚀部分生成微米散热结构101的同时，还生成微纳粗糙结构102，被刻蚀部分形成如图1和图2所示的刻蚀空缺103。

可选地，上述刻蚀空缺103可以包括微米井字槽、微米矩形槽、微米圆锥孔和微米圆柱孔中的一种或多种。例如，图2中的刻蚀空缺103为微米井字槽。

本发明实施例还提供了一些散热芯片的实物图，参见图3所示的一种散热芯片的实物俯视图，图3为图1和图2对应的实物图，也即该散热芯片的微米散热结构101为方柱状的微米棱柱。参见图4所示的另一种散热芯片的实物俯视图和图5所示的另一种散热芯片的实物剖视图，图4和图5中，散热芯片的刻蚀空缺103为微米圆柱孔。

经实验验证，与抛光表面的芯片相比，上述散热芯片的散热面积可以增加2-6倍，热流密度可以提高3倍以上。

由换热公式：Q=h*A*Δt可得：当换热系数h和温差Δt一定时，换热面积A越大，换热功率越大。其中，Q为换热功率（W），h为换热系数（W/(m²*K)），A为换热面积（m²），Δt为温差（K）。上述散热芯片通过微纳散热结构层增加了换热面积（即散热面积），并且微纳散热结构层还可以作为强化沸腾结构，能够强化汽化沸腾效果，从而提高了芯片的散热性能。并且微米散热结构101和微纳粗糙结构102构成两级强化散热结构，能够显著提高核态沸腾换热性能及临界热流密度。

本发明实施例中还提供了一种散热芯片的实现方式，所述微纳粗糙结构102还可包括设置在微米散热结构101层上的纳米级的颗粒层。可选地，颗粒材质可为金属或金属氧化物，只要能起到导热作用的材料即可，本申请实施例对此不作限定。颗粒层可以通过高速砂流的冲击作用喷射在微米散热结构101层的表面。

在一种可能的实现方式中，微纳粗糙结构102包括喷射在微米散热结构101层表面的颗粒层；或者，微纳粗糙结构102包括沉积在微米散热结构101层表面的颗粒层。

本发明实施例还提供了一种散热芯片的制备方法，采用激光刻蚀在光滑芯片表面刻蚀出微纳散热结构层，从而得到上述的散热芯片。参见图6所示的一种散热芯片的制备方法的流程图，该方法主要包括如下步骤：

步骤S602，将待处理芯片固定在冷却装置上。

参见图7所示的一种散热芯片的激光刻蚀工艺图，待处理芯片固定在冷却装置300上，其目的为将激光刻蚀过程中产生的热量带走，防止芯片温度过高损坏。冷却装置300可以是液冷板、TEC（ThermoelectricCooler，半导体制冷器）或均温板等散热装置。待处理芯片与冷却装置300之间可以采用导热界面材料粘结，导热界面材料可以降低待处理芯片与冷却装置300之间的热阻。导热界面材料具体可以为导热膏、导热垫、导热凝胶和导热相变界面材料等中的一种或多种。

步骤S604，按照预先设置的刻蚀图案，采用激光器对待处理芯片进行循环刻蚀，以得到散热芯片。

可选地，可以通过PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制激光器对待处理芯片的刻蚀过程，因此可以通过在PLC中编程来设置刻蚀图案，也可以将预先编程好的刻蚀图案程序输入到PLC中。

上述激光器可以为光纤激光器，激光器的波长可以为1064nm，输出功率可以为10-50W，激光脉冲频率可以为20-100kHz，激光移动速度可以为100-5000mm/s。重复次数（循环刻蚀的循环次数）可以为2-10次，直至刻蚀深度达到要求的深度终止刻蚀。

如图7所示，激光束400在待处理芯片上刻蚀出微纳散热结构层100，该微纳散热结构层100可以包括微米散热结构和微纳粗糙结构，也即在刻蚀出微米散热结构的同时，还生成了作为强化沸腾结构的微纳粗糙结构。该散热芯片的制备方法在不损害芯片功能的基础上，既增加了芯片表面的散热面积，又改变了芯片表面的粗糙程度，强化了散热效果，从而有效解决了芯片抛光表面散热性能不好的难题。

激光刻蚀伴随的问题为工件的局部高温，从而造成工件的损坏。对于超算芯片来说，当芯片内部的逻辑电路温度超过150℃时，就会对芯片产生永久性的损坏。因此激光在对成品芯片进行加工处理过程中，控制芯片的温度尤为重要。基于此，上述方法还包括：在对待处理芯片进行循环刻蚀的过程中，检测待处理芯片的表面温度；根据待处理芯片的表面温度，控制冷却装置的制冷参数。

具体实现时，温度传感器埋设于待处理芯片的逻辑电路层中，采用PLC根据温度传感器检测的温度控制冷却装置的制冷参数，防止芯片温度过高，损坏芯片。

为了防止污染芯片，上述方法还包括：在对待处理芯片进行循环刻蚀的过程中，通过除尘装置除去激光刻蚀产生的废渣和烟气。如图7所示，，在激光束附近设置有除尘装置500，除尘装置500用于将激光刻蚀产生的废渣和烟气及时吸走，防止污染芯片。

可选地，上述除尘装置500可以为喇叭口抽风装置，风速可以为5-20m/s，喇叭口直径可以为30-200mm。

为了便于理解，以在PLC中编程设置刻蚀图案为例，本发明实施例还提供了一种散热芯片的具体制备工艺，如下：

步骤一：将封装好的芯片表面清洗并擦拭干净，清洗液可以为酒精或电子氟化液。

步骤二：将清洁后的芯片固定在冷却装置上。

步骤三：在PLC中编程得到刻蚀图案。具体刻蚀图案可以为刻蚀掉部分的图案。

步骤四：按照刻蚀图案设定的参数对冷却装置上的芯片进行激光刻蚀，直至刻蚀深度达到要求的深度终止刻蚀。

步骤五：对刻蚀完成后的芯片进行清洗，完成制备过程。

需要说明的是，上述步骤三与步骤一、步骤二之间无先后执行顺序，例如步骤三也可以位于步骤一之前，或者位于步骤一与步骤二之间。

此工艺操作简单，可以在芯片完成封装后再进行，不影响芯片的其他性能。

为了便于理解，以覆盖有4个GPU裸芯片（每个GPU裸芯片的尺寸均为10mm*20mm）的显卡芯片为例，本发明实施例还提供了上述制备方法的三个具体实施工艺，如下：

实施工艺1：

步骤一：将显卡芯片的GPU芯片硅表面用酒精清洗并擦拭干净，烘箱60℃烘干。

步骤二：将显卡芯片固定在TEC上。其中，温度传感器埋设于显卡芯片的逻辑电路层中，控制温度传感器的温度不超过100℃。显卡芯片与TEC采用导热膏粘结，导热膏的厚度为0.1mm。TEC制冷最大功率为100W。TEC的制冷功率由PLC进行控制调节。

TEC制冷功率的具体控制流程为：温度传感器检测的温度值传递给PLC，当温度值低于50℃时，PLC控制TEC为关闭状态，即TEC不工作；当温度值高于50℃时，启动TEC，PLC通过PWM（Pulse width modulation，脉冲宽度调制）方式调节TEC的制冷功率，温度值高出50℃越多，TEC的制冷功率越大，直至温度传感器检测的温度值回到50℃；当温度值持续升高，超出100℃时，PLC控制激光刻蚀机刻蚀中断，并进行高温报警。

具体的PWM方式（TEC的制冷功率与温度值的关系）可以如下：

当温度值位于50-60℃之间时，TEC的制冷功率为20W；

当温度值位于60-70℃之间时，TEC的制冷功率为40W；

当温度值位于70-80℃之间时，TEC的制冷功率为60W；

当温度值位于80-90℃之间时，TEC的制冷功率为80W；

当温度值位于90-100℃之间时，TEC的制冷功率为100W。

步骤三：在PLC中对刻蚀图案进行编程。本实例中，微米散热结构设计为微米棱柱，棱柱的长度为30μm，棱柱的宽度为30μm，棱柱与棱柱的间距为30μm。

步骤四：采用波长为1064nm的光纤激光器，输出功率为25W，频率为50kHz，激光移动速度为1000m/s，根据编程好的刻蚀图案对上述显卡芯片循环刻蚀6次，得到棱柱的长度为30μm，棱柱的宽度为30μm，棱柱的高度为120μm的微纳散热结构层。

采用喇叭口抽风装置，设置风速为10m/s，喇叭口直径为100mm。

步骤五：对刻蚀完成后的显卡芯片进行清洗。采用超声波乙醇溶液清洗，之后烘干，完成制备过程。

实施工艺2：

步骤一：将显卡芯片的GPU芯片硅表面用酒精清洗并擦拭干净，烘箱60℃烘干。

步骤二：将20个显卡芯片固定在液冷板上。其中，温度传感器埋设于显卡芯片的逻辑电路层中。将液冷板的进液口的冷媒始终控制在15℃，其中冷媒为乙二醇水溶液。液冷板与显卡芯片采用导热垫粘结，导热垫厚度为1mm。冷媒流量大小通过PLC控制电动阀进行调节。

冷媒流量大小的具体控制流程为：温度传感器检测的温度值传递给PLC，当温度值低于50℃时，PLC控制电动阀为关闭状态，即液冷板不工作；当温度值高于50℃时，启动液冷板，PLC通过控制电动阀开关大小从而控制冷媒流量大小，温度值高出50℃越多，冷媒流量越大，直至温度传感器检测的温度值回到50℃；当温度值持续升高，超出100℃时，PLC控制激光刻蚀机刻蚀中断，并进行高温报警。

具体电动阀的开关大小与温度值的关系可以如下：

当温度值位于50-60℃之间时，电动阀的开关大小为全开50%，冷媒流量为5L/min；

当温度值位于60-70℃之间时，电动阀的开关大小为全开60%，冷媒流量为6L/min；

当温度值位于70-80℃之间时，电动阀的开关大小为全开70%，冷媒流量为7L/min；

当温度值位于80-90℃之间时，电动阀的开关大小为全开80%，冷媒流量为8L/min；

当温度值位于90-100℃之间时，电动阀的开关大小为全开100%，冷媒流量为10L/min。

步骤三：将预先编程好的刻蚀图案程序输入到PLC中。本实例中，微米散热结构设计为微米棱柱，棱柱的长度为50μm，棱柱的宽度为50μm，棱柱与棱柱的间距为50μm。

步骤四：采用波长为1064nm的光纤激光器，输出功率为35W，频率为80kHz，激光移动速度为1000m/s，按照上述刻蚀图案对上述20个显卡芯片循环刻蚀6次，得到棱柱的长度为50μm，棱柱的宽度为50μm，棱柱的高度为120μm的微纳散热结构层。

采用喇叭口抽风装置，设置风速为10m/s，喇叭口直径为50mm。

步骤五：对刻蚀完成后的显卡芯片进行清洗。采用超声波乙醇溶液清洗，之后烘干，完成制备过程。

实施工艺3：

步骤一：将预先编程好的刻蚀图案程序输入到PLC中。本实例中，刻蚀空缺设计为圆柱孔，圆柱孔的直径为50μm，圆柱孔与圆柱孔的最近距离为30μm。

步骤二：将显卡芯片的GPU芯片硅表面用酒精清洗并擦拭干净，烘箱60℃烘干。

步骤三：将20个显卡芯片固定在液冷板上。其中，温度传感器埋设于显卡芯片的逻辑电路层中。将液冷板的进液口的冷媒始终控制在15℃，其中冷媒为乙二醇水溶液。液冷板与显卡芯片采用导热膏粘结。

冷媒流量大小的具体控制流程为：温度传感器检测的温度值传递给PLC，当温度值低于50℃时，PLC控制电动阀为关闭状态，即液冷板不工作；当温度值高于50℃时，启动液冷板，PLC通过控制电动阀开关大小从而控制冷媒流量大小，温度值高出50℃越多，冷媒流量越大，直至温度传感器检测的温度值回到50℃；当温度值持续升高，超出100℃时，PLC控制激光刻蚀机刻蚀中断，并进行高温报警。

具体电动阀的开关大小与温度值的关系可以如下：

当温度值位于50-60℃之间时，电动阀的开关大小为全开50%，冷媒流量为5L/min；

当温度值位于60-70℃之间时，电动阀的开关大小为全开60%，冷媒流量为6L/min；

当温度值位于70-80℃之间时，电动阀的开关大小为全开70%，冷媒流量为7L/min；

当温度值位于80-90℃之间时，电动阀的开关大小为全开80%，冷媒流量为8L/min；

当温度值位于90-100℃之间时，电动阀的开关大小为全开100%，冷媒流量为10L/min。

步骤四：采用波长为1064nm的光纤激光器，输出功率为35W，频率为80kHz，激光移动速度为1000m/s，按照上述刻蚀图案对上述20个显卡芯片循环刻蚀6次，得到圆柱孔的直径为50μm，圆柱孔与圆柱孔的最近距离为30μm，高度为120μm的微纳散热结构层。

采用喇叭口抽风装置，设置风速为10m/s，喇叭口直径为80mm。

步骤五：对刻蚀完成后的显卡芯片进行清洗。采用超声波乙醇溶液清洗，之后烘干，完成制备过程。

通过光纤激光器调节不同的功率，不同的刻蚀次数和不同的刻蚀图案，可以得到不同的刻蚀尺寸。为了考察不同的微纳散热结构层的尺寸对沸腾换热性能的影响，本实施例中，还对上述三个实施工艺制备得到的散热芯片与未刻蚀的光滑芯片进行了对比测试，测试结果如下表1所示，其中，所测试的各个芯片的尺寸均为10*20mm，测试时冷媒采用沸点为47℃的不导电液体，芯片的温度不超过85℃，考察达到稳态时，芯片加载的热功率。

表1

从表1可以看出，通过合理设计刻蚀尺寸，提高了芯片表面的散热面积，热流密度可以提高3倍以上。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，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，可以是两个元件内部的连通。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。

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。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。