一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，充分利用了芯片封装的内部垂直空间，实现整个系统的集成式生产、安装和维护；底部带微通道的热沉双极板，通过刻蚀工艺得到，最后再与芯片通过键合工艺为一体，不仅是燃料电池微反应器，还是芯片散热的热沉部件，可大幅节约生产成本；通过燃料电池的流动工质在微流道流动充分冷却芯片，保证了散热面积，有效解决了传统芯片热管理效能不足，同时，通过燃料电池工作产生的电能给芯片供能，解决了传统芯片及其供能模块耦合性低的问题。另一方面，利用芯片产生的热量提高了燃料电池运行温度，从而提高电池功率密度，充分完全反应后燃料电池运行后仅产生二氧化碳和水，可直接排放，对环境友好。对环境友好。对环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件


[0001]本专利技术属于集成电子芯片
，具体地说涉及一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件。

技术介绍

[0002]随着GaN等高性能半导体器件热流密度达到kW/cm2的水平，传统冷却方式已无法满足新型高功率电子芯片的散热需求。如果不能有效地解决电子器件与设备产生的废热及时排散和温度控制问题，会导致电子器件温度升高，引起器件工作性能下降，甚至超过其允许的极限工作温度而烧毁失效，严重影响电子器件与设备的工作性能与可靠性。在电化学供能装置中，燃料电池具有发电效率高、环境污染小比能量高、噪音低、燃料范围广、可靠性高等优点。可以广泛用于从微电子系统至大型应急电源系统多尺度的供能。
[0003]在芯片基板上加工数十微米级的微流道，将冷却工质直接进入与芯片集成的微通道内，大幅减小了散热路径中的传热环节和传热路径，传热距离很短，因此，芯片基板一体化散热是解决未来超大功率芯片散热瓶颈问题的重要发展技术路线。目前，尚未有将芯片元件与燃料电池模块集成的设计结构，能够同时实现芯片的供能与散热，因此，如何耦合不同部件的设计构建和协同运行，提高芯片的系统能效是本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术种存在的不足，本专利技术提出了一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，通过对作为供能单元和吸热单元的燃料电池的极板微流道结构优化，以及对作为用能单元与散热单元的芯片集成构造设计，能够保证微通道热沉内单相流动换热性能的同时又能够提高燃料电池功率密度，协同实现对芯片组件的供能与散热，同时提高了燃料电池的工作效率。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，包括热沉双极板单元、芯片单元和膜电极组件；
[0006]所述热沉双极板单元包括热沉阳极板、热沉阴极板，所述热沉阳极板上通过刻蚀工艺制得微通道结构，所述热沉阴极板刻蚀有微通道结构或者具有自呼吸通孔，具有自呼吸通孔的热沉阴极板上为方槽通孔；
[0007]所述膜电极组件包括阳极多孔电极层、离子交换膜和阴极多孔电极层；
[0008]所述芯片单元直接与热沉双极板单元接触散热。
[0009]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：通过燃料电池驱动的芯片集成热管理组件，充分利用了芯片封装的内部垂直空间，实现整个系统的集成式生产、安装和维护。本专利技术中所述的底部带微通道的热沉双极板，可通过刻蚀工艺得到，最后再与芯片通过键合工艺为一体，不仅是燃料电池微反应器，还是芯片散热的热沉部件，可大幅节约生产成本。通过燃料电池的流动工质在微流道流动充分冷却芯片，保证了散热面积，有效解决了传统
芯片热管理效能不足，同时，通过燃料电池工作产生的电能给芯片供能，解决了传统芯片及其供能模块耦合性低的问题。另一方面，利用芯片产生的热量提高了燃料电池运行温度，从而提高电池功率密度，部分回收利用了芯片余热，协同运行获得系统收益。预计该技术可将芯片组件体积压缩百万倍，电子器件能效提高数千倍。
附图说明
[0010]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0011]图1为本专利技术实施例1的基于单层热沉双极板氢氧燃料电池驱动的芯片集成热管理组件的结构示意图。
[0012]图2为本专利技术实施例2的基于单层热沉双极板自呼吸直接甲醇燃料电池驱动的芯片集成热管理组件的结构示意图。
[0013]附图标记说明：1.芯片单元、2.刻蚀有微通道结构的热沉阳极板、3.刻蚀有微通道结构的热沉阴极板、4.阳极多孔电极层、5.质子交换膜、6.阴极多孔电极层、7.电解质进口管、8.电解质出口管、9.硅通孔、10.飞线、11.具有自呼吸通孔的热沉阴极板。
具体实施方式
[0014]如图1所示，本专利技术提出一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，包括热沉双极板单元、芯片单元1和膜电极组件；
[0015]所述热沉双极板单元用于提供电解质流动的路径，热沉双极板单元包括热沉阳极板2、热沉阴极板3，双极板上通过刻蚀工艺制得微通道结构；
[0016]所述膜电极组件提供电解质发生氧化还原反应及内部电子/离子输运通道，包括阳极多孔电极层4、离子交换膜5和阴极多孔电极层6，所述燃料电池的阳极多孔电极层4和阴极多孔电极层6通过电流传导单元与芯片单元1实现电气互连；
[0017]所述芯片单元1直接与热沉双极板单元接触散热。
[0018]所述热沉阳极板2微通道为蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道；所述热沉阴极板3微通道为蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道，或贯穿整个极板厚度形成开孔。
[0019]所述微流道的电解质进口管7与电解质出口管8设置于热沉双极板单元的任意实体面的对角上，利于电解质均匀流经全部流道区域，通过流动工质对芯片散热。
[0020]进一步地，所述微流道的深度取数值范围为100μm
‑
600μm；所述微通道外围轮廓尺寸与膜电极组件尺寸相同。
[0021]电解质9通过电解质进口管7流经热沉双极板单元上微通道，通过电解质出口管8流出；根据实际功率与散热需求，阳极流动工质为燃料电解质，选用氢、烷烃化合物、氢化物或含有以上组分的混合物；阴极流动工质为氧化剂电解质，选用氧气、具有氧化性的流体或含有以上组分的混合物。
[0022]进一步地，所述电解质流量为0.05L/min
‑
0.2L/min。流速大小会直接影响电解质
的流动，从而影响燃料电池的电化学工作性能和芯片的燃料散热性能。
[0023]所述热沉双极板单元可使用多层复合材料以制作基板层与流道层，或采用一体化集成材料。
[0024]所述热沉双极板单元两侧集成电流传导单元，实现燃料电池与芯片的电气互连。所述电流传导单元可选用集流板，集流导线或贯穿硅通孔(Through Silicon Vias,TSV)。
[0025]进一步地，热沉双极板单元作为芯片热沉，与芯片通过低界面热阻的热界面材料直接接触散热。其特殊之处在于，其双极板热沉极板外侧实体面，即非微流道面，可分别装配两组芯片或芯片阵列，形成三维堆叠芯片组件，芯片集成度进一步增强，满足轻便、紧凑、集成的芯片先进热管理要求。
[0026]热沉双极板单元作为燃料电池电解质流动路径，与膜电极直接装配形成燃料电池。其双极热沉极板内侧，即微流道面，与膜电极组件直接接触装配形成燃料电池。
[0027]更进一步地，根据需要集成n组(n≥1)热沉双极板单元。当n＝1时，同一块热沉极板外侧与芯片接触，内侧与膜电极接触，阴阳极热沉极板类此镜像装配。当n>1时，每两个相邻热沉极板依次堆叠本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，其特征在于，包括热沉双极板单元、芯片单元(1)和膜电极组件；所述热沉双极板单元包括热沉阳极板(2)、热沉阴极板，所述热沉阳极板(2)上通过刻蚀工艺制得微通道结构，所述热沉阴极板刻蚀有微通道结构或者具有自呼吸通孔，具有自呼吸通孔的热沉阴极板上为方槽通孔；所述膜电极组件包括阳极多孔电极层(4)、离子交换膜(5)和阴极多孔电极层(6)；所述芯片单元(1)直接与热沉双极板单元接触散热。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，其特征在于，所述热沉阳极板(2)上微通道为蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道；所述热沉阴极板上微通道为蛇形流道、叉指流道、平行流道、平行蛇流道或以上形式的复合型流道，或贯穿整个极板厚度形成开孔。3.根据权利要求2所述的基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，其特征在于，所述微流道的电解质进口管(7)与电解质出口管(8)设置于热沉双极板单元的任意实体面的对角上。4.根据权利要求3所述的基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，其特征在于，电解质通过电解质进口管(7)流经热沉双极板单元上微通道，通过电解质出口管(8)流出；阳极流动工质为燃料电解质，选用氢、烷烃化合物、氢化物或含有以上组分的混合物；阴极流动工质为氧化剂电解质，选用氧气、具有氧化性的流体或含有以上组分的混合物。5.根据权利要求3所述的基于燃料电池驱动的集成热管理芯片组件，其特征在于，所述微流道的深度取数值范围为100μm
‑
600μm；所述微通道外围轮廓...

【专利技术属性】
技术研发人员：张牧星，李强，胡定华，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：