專利名稱：微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，特別是一種嵌入式的熱電冷卻裝置結構，將N型及P型半導體材料放入具有凹槽結構的高導熱基板之中，可增加熱電冷卻裝置的接觸面積，進而增加熱電冷卻裝置的熱電效應及降低接觸電阻效應，以提升熱電冷卻裝置的性能。
背景技術：
熱電冷卻裝置為一種可提供冷卻及加熱效應的主動組件，其物理現(xiàn)象概述如下將兩種不同熱電材料制成的線，其端點焊接在一起而形成連續(xù)的回路，當線的端點置于不同的溫度時，回路會形成微小的電壓差，此熱生電現(xiàn)象稱的為席貝克效應(Seebeck effect)。相反，若上述的回路提供電源時，產生電制冷現(xiàn)象，則稱的為普立克效應(Peliter effect)會使得熱在一端點被吸收而在另一端點生成，此Seebeck及Peliter效應即為熱電冷卻裝置的基本原理。
熱電冷卻裝置所用的熱電材料具備三種特性，第一是在組件接點之間單位溫差的電動力(electromotive force per degree of temperature difference)高，稱為材料的熱電功率；第二是熱傳導性低，這是因為如果熱傳得太快，太大或太小的溫差都不容易感應出；第三種特性是高的電傳導性(electricalconductivity)。熱電材料分成N型及P型兩種，其定義如下依照Seebeck效應做成的熱電裝置，在冷端接點上當電流是由熱電材料流出到其它部分，此種熱電材料稱為N型熱電材料，而在冷端接點上的電流是流入的，則稱為P型材料。由P型及N型材料所組成的稱為對(couple)。
為了增加熱電轉換效率，對于熱電材料的選擇及制造非常重要，常見的熱電材料如硒化鉍合金(bismuth-selenide alloy)及碲化銻(antimony telluride)等，其熱電轉換效率高，已大量應用于熱電模塊。而效率更高、成分組成更復雜的熱電材料合金也正在開發(fā)中。另外一方面，制程中的材料接合強度及穩(wěn)定性等因素也會影響熱電模塊的效率及可靠度，因此需選擇穩(wěn)定的制程方式。
目前熱電冷卻裝置大多由手工制造，如美國專利US4907060、US4946511、US5006178中的揭示，先將N型及P型的熱電材料鑄塊切成約1mm立方的立方塊，接著利用手操作的制造夾具將立方體放置在兩個事先有焊料的陶瓷板之間，再將組合物加熱以黏著立方塊于陶瓷板之間。
再如美國專利US4493939所揭露為一種自動化組裝熱電冷卻裝置的方式，其主要是利用真空卡盤分別先將N型及P型的材料裝置于多孔的容器中，再放在基板上，之后移去多孔的容器，利用回焊將其黏著于基板上。
美國專利US4902648揭露一種提升良率的制造熱電冷卻裝置的方式，其主要是將電極部分先制成，再分別一次放上N型及P型半導體，再將兩個部分對接。
美國專利US6232542揭露另一種制造熱電冷卻裝置的方式，其是將兩塊熱電材料以曝光等方式形成溝槽，再加以組合而成。
美國專利US5837929再揭露另一種制造熱電冷卻裝置的技術，其是先將P型熱電材料置于半導體晶片上，再經由擴散的方式將N型熱電材料植入P型半導體中，形成交錯的熱電材料對，再經由蝕刻方式將P及N型半導體隔離，最后再利用金屬沉積的方式制造出電極。
美國專利US5064476又揭露另一種制造熱電冷卻裝置的方式，將傳導性凸塊以黏貼等方式做在基板上，再用框架等結構將熱電材料裝置于兩基板中。
美國專利US5856210又揭露另一種制造熱電冷卻裝置的方式，將N及P型的熱電材料放入預先準備好的間格物中再將金屬電極做于兩面，之后再移除間格物，該間格物為絕緣體，目的是防止短路及易于安裝熱電組件之用。
綜觀以上所述，習用的熱電冷卻裝置的結構及制造方法，至少存在以下缺點一、所有的熱電材料與基材之間都只有單一面的面接觸，故其熱傳效果不佳。
二、其熱電材料與基材之間接觸電阻所產生的逆向熱傳過高，而影響熱傳效應。
三、無論是采用哪一種制造的方式，都需要輔助用的框架來固定熱電材料，進而增加制作的困難度，且增加制作的成本。
四、制作的過程中，熱電材料必須經過對位的制程，稍有出入，便容易影響組件的可靠度，進而降低組件制程的穩(wěn)定度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，該微型熱電冷卻裝置采嵌入式結構，可增加熱電材料與基材的接觸面積，以增加微型熱電冷卻裝置的熱傳效應。
本發(fā)明的次要目的是提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，使熱電材料與基材之間接觸電阻所產生的逆向熱傳降低，進而增加微型熱電冷卻裝置的熱傳效應。
本發(fā)明的另一目的是提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，可利用覆晶封裝制程技術來制作微型熱電冷卻裝置，以簡化制程步驟，并可做自動化組裝及生產，以減少制程時間，降低成本，并增加良率。
本發(fā)明的又一目的是提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，可方便對位，增加組件的可靠度，進而提高組件制程的穩(wěn)定度。
本發(fā)明的又一目的是提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，以制造可提供高發(fā)熱密度IC封裝及光電系統(tǒng)封裝所需的微型熱電冷卻裝置，例如芯片堆棧封裝、光收發(fā)器(transceiver)、數(shù)組平面光波導(AWG)以及生物芯片等等。
為達上述目的，本發(fā)明提供一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，其結構包括一第一基板，具有一第一表面，且該第一表面開設有數(shù)個第一凹槽；一第一金屬導線層，設于該第一表面上；一第二基板，具有與該第一表面相對應的一第二表面，且該第二表面開設有與各該第一凹槽相對應的數(shù)個第二凹槽；一第二金屬導線層，設于該第二表面上；復數(shù)個黏著層，設于該第一金屬導線層與該第二金屬導線層上；若干個熱電材，各該熱電材分別嵌入各該第一凹槽與各第二凹槽內。其中，所制作的各第一凹槽與各該第二凹槽可以是柱狀、球狀或任何形狀，且其分別嵌入凹槽的各該熱電材，是相對應凹槽的形狀。
為了便于進一步了解本發(fā)明的特征、目的及功能，下面結合附圖以具體實例對本發(fā)明進行詳細說明。


圖1A至圖1H是本發(fā)明第一較佳實施例的實施步驟示意圖；圖2是本發(fā)明第一較佳實施例的基板立體結構示意圖；圖3是本發(fā)明第一較佳實施例的柱狀熱電材嵌入的立體結構示意圖；圖4是本發(fā)明第一較佳實施例的立體結構示意圖；圖5A至圖5H是本發(fā)明第二較佳實施例的實施步驟示意圖；圖6是本發(fā)明第二較佳實施例的基板立體結構示意圖；圖7是本發(fā)明第二較佳實施例的球狀熱電材嵌入的立體結構示意圖。
附圖標記說明1、7-第一基板；10、70-第一表面；2、8-阻擋層；20、80-開孔；11、71-第一凹槽；111、711-轉角處；3、9-第一金屬導線層；4、15-黏著層；5、16-熱電材；6、17-第二基板；60、170-第二表面；30、90-第二金屬導線層；61、171-第二凹槽。
具體實施例方式
請參閱圖1A至圖1H所示的本發(fā)明第一較佳實施例的實施步驟示意圖(a)如圖1A所示，提供一第一基板1，該第一基板1可選用硅晶片、玻璃、塑料或是其它可蝕刻的材料，再使用低壓化學氣象沉積法(LPCVD)，于該第一基板1上沉積厚度約3000的氮化硅(Si3N4)作為阻擋層2，阻擋層2是作為非等向性蝕刻所需的蝕刻阻擋層。
(b)如圖1B所示，使用離子電漿蝕刻法(RIE)蝕刻圖案化該阻擋層2，以形成復數(shù)個開孔20。
(c)如圖1C所示，利用體型微加工(Bulk-micromachine)，以阻擋層2為掩膜(mask)，并使用氫氧化鉀(KOH)為蝕刻液，進行第一基板1的非等向性蝕刻，蝕刻出來的復數(shù)個柱狀第一凹槽11將用作放置熱電材料。
(d)如圖1D所示，使用離子電漿蝕刻法(RIE)去除阻擋層2，并且可以同時將柱狀第一凹槽11轉角處111圓弧化，以避免尖端效應。
(e)如圖1E所示，可選用兩種不同的方式來沉積一第一金屬導線層3，作為導通電源之用，方法一使用濺鍍方式(sputter)沉積上一鋁金屬導線，再利用無電鍍鍍一于鎳層該鋁金屬導線上，最后再鍍一金層(防止鎳層氧化的抗氧化層)于該鎳層上，以形成該第一金屬導線層3。方法二僅使用濺鍍方式(sputter)沉積一鋁金屬導線，以形成該第一金屬導線層3。
(f)如圖1F所示，使用表面黏裝技術(SMT)將錫或銀膠旋布于柱狀第一凹槽11內，形成一黏著層4，作為接合時固定接合物之用。
(g)如圖1G所示，將若干個柱狀熱電材5分別放入柱狀第一凹槽11內，其中柱狀熱電材5排列方式，可因應需求采用N型與P型交錯式、N型與P型對立式或是其它各種不同排列方式。
(h)如圖1H所示，重復圖1A至圖1G的步驟，以完成第二基板6，并利用覆晶方式(Flip-Chip bonder)將二塊基板1、6對位接合、過熱爐(reflow)，以完成微型熱電冷卻裝置，其結構包括一第一基板1，具有一第一表面10，且該第一表面10開設有復數(shù)個第一凹槽11；一第一金屬導線層3，設于該第一表面10上；一第二基板6，具有與該第一表面10相對應的一第二表面60，且該第二表面60開設有與各第一凹槽11相對應的復數(shù)個第二凹槽61；一第二金屬導線層30，設于該第二表面60上；復數(shù)個黏著層4，設于第一凹槽11及第二凹槽61內的第一金屬導線層3與該第二金屬導線層30上；若干個熱電材5，各熱電材5分別嵌入第一凹槽11與第二凹槽61內，且熱電材5與第一凹槽11、第二凹槽61皆為柱狀。
請參閱圖2、圖3及圖4所示，其中第一基板1具有柱狀第一凹槽11，第二基板6具有柱狀第二凹槽61，因柱狀第一凹槽11與柱狀第二凹槽61皆比平面結構多出了四個面，在結構的影響上由下式顯示，柱狀熱電材5接腳的接觸面積AC和柱狀熱電材5截面積A的比例對于熱量的傳輸有決定性的影響，比例越大，模塊的熱通量越高。嵌入式的熱電組件其熱傳的公式如下Qc=N[αIAcATc-I22(R+4rcAc)-kA(Th-Tc)L]]]>其中第一項為熱電效應產生的熱傳，主要發(fā)生在不同接口的接觸面，第二項為焦耳熱，是由于電流流過導體產生的熱，除了導體的電阻，另外還包括了接觸電阻所產生的熱，第三項為傳導熱，主要是由于溫差所造成的熱傳效應。所以本發(fā)明微型熱電冷卻裝置的結構設計，可增加接腳的接觸面積AC，使第一項熱電熱傳增加，以及減少第二項接觸電阻所造成的逆向熱傳，使整體的熱傳的效應增加。
請參閱圖5A至圖5H所示的本發(fā)明第二較佳實施例的實施步驟示意圖(a)如圖5A所示，提供一第一基板7，該第一基板7可選用硅晶片、玻璃、塑料或是其它可蝕刻的材料，再使用低壓化學氣象沉積法(LPCVD)，于該第一基板7上沉積厚度約3000的氮化硅(Si3N4)作為阻擋層8，阻擋層8是作為等向性蝕刻所需的蝕刻阻擋層。
(b)如圖5B所示，使用離子電漿蝕刻法(RIE)蝕刻圖案化該阻擋層8，以形成復數(shù)個開孔80。
(c)如圖5C所示，利用體型微加工(Bulk-micromachine)，以阻擋層8為掩膜(mask)，并使用氫氟酸加硝酸等向性濕蝕刻系統(tǒng)(HNA)，來進行第一基板7的等向性蝕刻，蝕刻出來的復數(shù)個球狀第一凹槽71將用來放置熱電材料。
(d)如圖5D所示，使用離子電漿蝕刻法(RIE)去除阻擋層8，并且可以同時將球狀第一凹槽71轉角處711圓弧化，以避免尖端效應。
(e)如圖5E所示，可選用兩種不同的方式來沉積一第一金屬導線層9，作為導通電源之用，方法一使用濺鍍方式(sputter)沉積上一鋁金屬導線，再利用無電鍍鍍一于鎳層該鋁金屬導線上，最后再鍍一金層(防止鎳層氧化的抗氧化層)于該鎳層上，以形成該第一金屬導線層9。方法二僅使用濺鍍方式(sputter)沉積一鋁金屬導線，以形成該第一金屬導線層9。
(f)如圖5F所示，使用表面黏裝技術(SMT)將錫或銀膠旋布于球狀第一凹槽71內，形成一黏著層15，作為接合時固定接合物之用。
(g)如圖5G所示，將若干個球狀熱電材16分別放入球狀第一凹槽71內，其中球狀熱電材16排列方式，可因應需求采用N型與P型交錯式、N型與P型對立式或是其它各種不同排列方式。
(h)如圖5H所示，重復圖5A至圖5G的步驟，以完成第二基板17，并利用覆晶方式(Flip-Chip bonder)將二塊基板7、17對位接合、過熱爐(reflow)，以以完成整體組件。
請參閱圖6及圖7所示，其是使用等向性蝕刻在第一基板7與第二基板17上分別形成球狀第一凹槽71與球狀第一凹槽171，使本發(fā)明的微型熱電冷卻裝置仍形成崁入式的結構，其球狀熱電材16接腳的接觸面積AC亦會比平面的接觸面積大，故其熱電效應亦大幅提升，其原理已于前面說明過，在此便不多加贅述。
綜上所述，本發(fā)明的微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，可增加熱電材料與基材的接觸面積，以增加微型熱電冷卻裝置的熱傳效應，并可利用現(xiàn)有的覆晶封裝制程技術來制作，以簡化制程步驟，進行自動化組裝及生產，以減少制程時間，降低成本，并增加良率，進而提高組件制程的穩(wěn)定度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，當不能以此限制本發(fā)明的范圍，容易聯(lián)想得到，諸如挖凹槽的方法，改成微機電加工、半導體加工、精密機械加工，或是其它可制作出來想要形狀的加工制作方法；或采用其它方法組裝；或用其它導電的金屬材料及其它接合材料等等，本領域熟練技術人員于領悟本發(fā)明的精神后，皆可想到變化實施的，即凡依本發(fā)明權利要求所做的均等變化及修飾，仍將不失本發(fā)明的要義所在，亦不脫離本發(fā)明的精神和范圍的，都應視為本發(fā)明的進一步實施。
權利要求
1.一種微型熱電冷卻裝置的結構，包括一第一基板，具有一第一表面，且所述第一表面開設有數(shù)個第一凹槽；一第一金屬導線層，設于所述第一表面及各所述第一凹槽上；一第二基板，具有與所述第一表面相對應的一第二表面，且所述第二表面開設有與各所述第一凹槽相對應的數(shù)個第二凹槽；一第二金屬導線層，設于所述第二表面及各所述第二凹槽上；數(shù)個黏著層，設于各所述第一凹槽及各所述第二凹槽內；若干個熱電材，各所述熱電材分別嵌入各所述第一凹槽與各所述第二凹槽內。
2.如權利要求1所述的一種微型熱電冷卻裝置的結構，其中各所述第一凹槽與各所述第二凹槽為柱狀。
3.如權利要求1所述的一種微型熱電冷卻裝置的結構，其中各所述第一凹槽與各所述第二凹槽為球狀。
4.一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其步驟包括(a)提供一基板，并于所述基板上沉積一阻擋層；(b)蝕刻圖案化所述阻擋層，以形成復數(shù)個開孔；(c)以所述阻擋層為掩膜(mask)，進行非等向性蝕刻，以形成數(shù)個凹槽；(d)使用離子電漿蝕刻法(RIE)去除所述阻擋層，同時將各所述凹槽轉角處圓弧化；(e)再沉積一金屬導線層；(f)使用表面黏裝技術(SMT)涂布一黏著層于各所述凹槽內；(g)將若干個熱電材分別放入各所述凹槽內；(h)重復步驟(a)至步驟(f)，以完成另一基板處理；(i)將兩基板對位接合。
5.如權利要求4所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中步驟(e)所述形成所述金屬導線層的方法包括(e1)用濺鍍方式沉積一鋁金屬導線；(e2)再以無電鍍鍍一鎳層于所述鋁金屬導線；(e3)最后再鍍一金層于所述鎳層上，以形成所述金屬導線層。
6.如權利要求4所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中步驟(e)所述形成所述金屬導線層的方法，可用濺鍍方式沉積一鋁金屬導線，以形成所述金屬導線層。
7.如權利要求4所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中各所述熱電材為柱狀。
8.一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其步驟包括(a)提供一基板，并于所述基板上沉積一阻擋層；(b)蝕刻圖案化所述阻擋層，以形成復數(shù)個開孔；(c)以所述阻擋層為掩膜(mask)，進行等向性蝕刻，以形成復數(shù)個凹槽；(d)使用離子電漿蝕刻法(RIE)去除所述阻擋層，同時將各所述凹槽轉角處圓弧化；(e)再沉積一金屬導線層；(f)使用表面黏裝技術(SMT)涂布一黏著層于各所述凹槽內；(g)將若干個熱電材分別放入各所述凹槽內；(h)重復步驟(a)至步驟(f)，以完成另一基板處理；(i)將兩基板對位接合。
9.如權利要求8所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中步驟(e)所述形成所述金屬導線層的方法包括有(e1)用濺鍍方式沉積一鋁金屬導線；(e2)再以無電鍍鍍一鎳層于所述鋁金屬導線；(e3)最后再鍍一金層于所述鎳層上，以形成所述金屬導線層。
10.如權利要求8所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中步驟(e)所述形成所述金屬導線層的方法，可用濺鍍方式沉積一鋁金屬導線，以形成所述金屬導線層。
11.如權利要求8所述的一種微型熱電冷卻裝置的制造方法，其中各所述熱電材為球狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型熱電冷卻裝置的結構及制造方法，其制造步驟包括提供一基板，并于該基板上沉積一阻擋層；蝕刻圖案化該阻擋層，以形成數(shù)個開孔；以該阻擋層為掩膜(mask)，進行蝕刻以形成數(shù)個凹槽；使用離子電漿蝕刻法(RIE)去除該阻擋層，同時將各該凹槽轉角處圓弧化；再沉積一金屬導線層；使用表面黏裝技術(SMT)涂布一黏著層于各該凹槽內；將若干個熱電材分別放入各該凹槽內；重復前述制作基板的步驟，以完成另一基板處理；將兩基板對位接合。
文檔編號H01L35/00GK1641901SQ20041000105
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月18日 優(yōu)先權日2004年1月18日
發(fā)明者劉君愷, 鄭仁豪 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院