專利名稱：熱電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路芯片的冷卻應用領域，特別涉及熱電裝置。
背景技術：
隨著集成電路芯片功能的越來越強大，其所包含的電路結(jié)構(gòu)也越來越龐大。相應地，集成電路芯片運行時所產(chǎn)生的熱量也持續(xù)增加。集成電路芯片過熱將導致其性能下降。 因此，如何對集成電路芯片進行冷卻就成為了現(xiàn)今所關注的一個重要課題。對集成電路芯片進行冷卻的一種常規(guī)方法是采用對流散熱的風扇和散熱片進行風冷冷卻。然而，風冷冷卻的工作方式會受到集成電路芯片實際應用的諸多限制。例如，在真空室或潔凈室等對空氣條件要求較嚴格的環(huán)境下，對集成電路芯片進行風冷冷卻就不太適合?，F(xiàn)有技術還經(jīng)常采用的另一種冷卻方法為液體冷卻。液體冷卻常被應用于大型或超大型計算機中的集成電路芯片冷卻。但液體冷卻由于其所需設備龐大且成本較高，也不適用于例如便攜式電腦中的集成電路芯片冷卻。為克服風冷和液體冷卻的缺陷，現(xiàn)有技術研制出了一種熱電致冷器(thermal electric cooling)。熱電致冷器所基于的工作原理為珀爾貼(Peltier)效應。珀爾貼效應中，在兩個不同的材料間施加直流電流會使得熱量在這兩種材料的結(jié)合處被吸收?，F(xiàn)有技術的一種熱電致冷器應用例如美國專利US7022553B2所揭示的，可以使用于疊層芯片(chip-on-chip)的封裝結(jié)構(gòu)中。參照圖1所示，熱電致冷器160包括第一金屬層127、第二金屬層1 及第一、第二金屬層間的半導體材料層128。半導體材料層1 為多個N型和/或P型半導體構(gòu)成的熱電偶。熱電致冷器160與芯片125A之間具有絕緣層 126。所述熱電致冷器160中的第一金屬層127通過連接線133連接于芯片125A上。若半導體材料層1 為P型半導體構(gòu)成的熱電偶，當熱電致冷器160經(jīng)由芯片125A獲得的電流沿箭頭170方向傳輸時，熱電致冷器160對芯片125A吸熱以進行冷卻。而當電流沿箭頭 172方向傳輸時，熱電致冷器160則可吸收熱量對芯片125A加熱。然而，上述熱電致冷器需通過額外的連接線連接芯片以獲得直流電流，如此就增加了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱電裝置，以克服現(xiàn)有技術熱電致冷器需通過額外連接線獲得電流而增加封裝結(jié)構(gòu)的布線難度的缺陷。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種熱電裝置，包括用于封裝集成電路芯片的硅基板中的第一導電層、第二導電層和第一、第二導電層間的熱電偶層，所述熱電裝置與需冷卻的集成電路芯片形成疊層結(jié)構(gòu)，所述第一導電層和第二導電層經(jīng)由所述硅基板中的硅通孔與需冷卻的集成電路芯片連通。可選地，所述熱電裝置中的所述第一導電層及第二導電層分別包括多個導電板； 所述熱電偶層包括多個間隔分布的N型及P型熱電結(jié)構(gòu)，所述N型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有N型熱電材料，所述P型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有P型熱電材料；相鄰N型及P型熱電結(jié)構(gòu)間由絕緣層隔離，且至少有一端共同連接至同一導電板。與現(xiàn)有技術相比，上述熱電裝置有以下優(yōu)點所述熱電裝置位于封裝集成電路芯片的硅基板中，其通過硅通孔與需冷卻的集成電路芯片連通，從而獲得直流電流。因而，無需再通過額外的連接線與集成電路芯片相連。從而，降低了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度。


圖1是現(xiàn)有技術的一種熱電致冷器的示意圖；圖2是本發(fā)明熱電裝置應用于集成電路芯片致冷的一種實施方式示意圖；圖3是圖2中需冷卻的集成電路芯片中熱電裝置控制電路的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明熱電裝置的一種實施例的局部示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)明人通過對現(xiàn)有技術熱電致冷器應用的研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術在集成電路芯片封裝時，將已成型的熱電致冷器貼附于集成電路芯片上以實現(xiàn)對集成電路芯片的冷卻。此方式為避免熱電致冷器影響集成電路芯片工作，需要在集成電路芯片上額外形成絕緣層，以對熱電致冷器和集成電路芯片進行電隔離。并且，由于絕緣層的電隔離，熱電致冷器只能通過額外的連接線與集成電路芯片相連，來獲得實現(xiàn)冷卻所需的直流電流。如此，不僅在封裝時需要額外的絕緣層沉積步驟，還增加了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度?；诖耍景l(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，可以嘗試將熱電致冷器(熱電裝置) 與需冷卻的集成電路芯片進行內(nèi)部集成，即應用硅通孔技術將熱電裝置與需冷卻的集成電路芯片進行內(nèi)部連接。此種內(nèi)部連接方式要求在硅片中形成所需的熱電裝置，如此才可應用所述的硅通孔技術。而傳統(tǒng)的PCB板封裝技術顯然無法實現(xiàn)這個目標，因此，本發(fā)明的發(fā)明人提出以封裝技術中應用度越來越高的硅基板作為形成熱電裝置的載體。根據(jù)本發(fā)明熱電裝置的一種實施方式，其包括用于封裝集成電路芯片的硅基板中的第一導電層、第二導電層和第一、第二導電層間的熱電偶層，所述熱電裝置與需冷卻的集成電路芯片形成疊層結(jié)構(gòu)，所述第一導電層和第二導電層經(jīng)由所述硅基板中的硅通孔與需冷卻的集成電路芯片連通。從而，熱電裝置可直接經(jīng)由硅基板內(nèi)部的硅通孔獲得集成電路芯片上的直流電流。圖2示出了本發(fā)明熱電裝置應用于集成電路芯片致冷的一種實施方式。參照圖2 所示，在集成電路芯片封裝所用的硅基板10上具有多個集成電路芯片20a、20b、20c及20d。 而在集成電路芯片20b、20c下的硅基板10中則具有熱電裝置30a、31a。所述熱電裝置30a、 31a分別通過硅基板10中的硅通孔30b、31b與集成電路芯片20b、20c中相應電路連通，以獲得所述電路提供的直流電流。例如，假設所述多個集成電路芯片包括邏輯電路芯片、高壓電路芯片、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片及存儲器芯片，其中邏輯電路芯片、高壓電路芯片由于在運行時會產(chǎn)生大量熱量，因而需要通過熱電裝置進行冷卻。此時，就可在硅基板中對應邏輯電路芯片、高壓電路芯片的位置分別設置熱電裝置，并通過硅通孔將所述兩個熱電裝置分別與邏輯電路芯片、高壓電路芯片連通。當所述兩個熱電裝置獲得邏輯電路芯片、高壓電路芯片提供的直流電流時，就可實現(xiàn)對邏輯電路芯片、高壓電路芯片的冷卻。更具體地說，所述邏輯電路芯片、高壓電路芯片中分別包括與所述熱電裝置通過硅通孔相連的熱電裝置控制電路，所述熱電裝置控制電路基于芯片溫度對熱電裝置的開關進行控制。參照圖3所示，在一種實施例中，所述熱電裝置控制電路包括溫度傳感器201和熱電裝置開關電路202，所述熱電裝置開關電路202根據(jù)溫度傳感器201基于溫度變化提供的相應信號，實現(xiàn)對熱電裝置30a/31a的開關控制。所述開關控制的相應信號通過所述硅通孔傳輸?shù)綗犭娧b置30a/31a。通過上述熱電裝置應用于集成電路芯片封裝的說明可以看到，由于熱電裝置無需再通過額外的連接線與集成電路芯片相連，因此降低了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度。另外，通過以上說明還可以很容易推得，上述熱電裝置還可應用于單一芯片封裝時，對所述芯片局部區(qū)域的冷卻。具體地說，只需在硅基板中對應所述芯片需冷卻區(qū)域的位置設置熱電裝置，就可對所述需冷卻區(qū)域進行局部冷卻。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明熱電裝置及相應的工作過程進一步說明。參照圖3所示，本發(fā)明熱電裝置的一種實施例包括硅基板中的第一導電層、第二導電層和第一、第二導電層間的熱電偶層。其中，所述第一導電層包括多個導電板，例如包括導電板310a、310b。所述第二導電層也包括多個導電板，例如包括導電板320a、320b。所述各導電板通過前述的硅通孔與前述的熱電裝置控制電路相連。所述第一、第二導電層間的熱電偶層包括多個間隔分布的N型及P型熱電結(jié)構(gòu)，所述N型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有N 型熱電材料350，所述P型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有P型熱電材料360 ；相鄰N型及P型熱電結(jié)構(gòu)間由絕緣層330隔離，且相鄰N型及P型熱電結(jié)構(gòu)至少有一端共同連接至同一導電板。具體地說，在導電板310a和導電板320a之間具有N型熱電結(jié)構(gòu)。所述N型熱電結(jié)構(gòu)具有在硅基板材料層340中貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有N型熱電材料350。所述N型熱電材料350可以為N型鍺化硅(SiGe)，或者也可以為N型硅(Si)和N 型鍺化硅的超晶格。所述N型硅和N型鍺化硅的超晶格通過N型硅和N型鍺化硅交替地生長周期性結(jié)構(gòu)而獲得。其中，N型硅薄層的厚度和N型鍺化硅薄層的厚度均小于lOOnm，所述N型硅薄層和N型鍺化硅薄層的厚度比可以為1 1. 2。采用所述超晶格構(gòu)成熱電結(jié)構(gòu)更有利于提高熱電致冷的效率。在導電板310a和導電板320b之間具有P型熱電結(jié)構(gòu)。所述P型熱電結(jié)構(gòu)具有在硅基板材料層340中貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有P型熱電材料360。所述 P型熱電材料360可以為P型鍺化硅，或者也可以為P型硅和P型鍺化硅的超晶格，或者也可以為碳化硼(B4C/B9C)的超晶格。所述P型硅和P型鍺化硅的超晶格通過P型硅和P型鍺化硅交替地生長周期性結(jié)構(gòu)而獲得。其中，P型硅薄層的厚度和P型鍺化硅薄層的厚度均小于lOOnm，所述P型硅薄層和P型鍺化硅薄層的厚度比可以為1 1. 2。采用所述超晶格構(gòu)成熱電結(jié)構(gòu)更有利于提高熱電致冷的效率。
所述碳化硼(B4C/B9C)的超晶格通過B4C和B9C交替地生長周期性結(jié)構(gòu)而獲得。其中，B4C薄層的厚度和B9C薄層的厚度均小于lOOnm，所述B4C薄層和B9C薄層的厚度比可以為1 1. 2。采用所述超晶格構(gòu)成熱電結(jié)構(gòu)更有利于提高熱電致冷的效率。在導電板310b和導電板320b之間具有N型熱電結(jié)構(gòu)。所述N型熱電結(jié)構(gòu)具有在硅基板材料層340中貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有N型熱電材料350。所述 N型熱電材料350可以為N型鍺化硅，或者也可以為N型硅和N型鍺化硅的超晶格。上述多個熱電結(jié)構(gòu)中，導電板310a和導電板320a之間的N型熱電結(jié)構(gòu)和其相鄰的導電板310a和導電板320b之間的P型熱電結(jié)構(gòu)間具有絕緣層330，導電板310a和導電板320b之間的P型熱電結(jié)構(gòu)和導電板310b和導電板320b之間的N型熱電結(jié)構(gòu)間也具有絕緣層330。當上述實施例的熱電裝置應用于芯片致冷時，結(jié)合圖2和圖3所示，假設所述集成電路芯片20b、20c分別為邏輯電路芯片和高壓芯片，其中的熱電裝置控制電路中的溫度傳感器為PN結(jié)溫度傳感器，例如將三極管的集電極和基極短接成二極管做成的PN結(jié)溫度傳感器。所述PN結(jié)溫度傳感器利用了 PN結(jié)的結(jié)電壓會隨溫度升高而下降的特性，從而在溫度變化時，所述PN結(jié)溫度傳感器會提供不同的電壓信號。所述的熱電裝置開關電路基于不同的電壓信號來實現(xiàn)對熱電裝置的開關控制。例如當芯片溫度較高時，所述熱電裝置通過所述熱電裝置控制電路的控制對芯片吸熱，以實現(xiàn)芯片冷卻。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種熱電裝置，其特征在于，包括用于封裝集成電路芯片的硅基板中的第一導電層、 第二導電層和第一、第二導電層間的熱電偶層，所述熱電裝置與需冷卻的集成電路芯片形成疊層結(jié)構(gòu)，所述第一導電層和第二導電層經(jīng)由所述硅基板中的硅通孔與需冷卻的集成電路芯片連通。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其特征在于，所述第一導電層及第二導電層分別包括多個導電板；所述熱電偶層包括多個間隔分布的N型及P型熱電結(jié)構(gòu)，所述N型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有N型熱電材料，所述P型熱電結(jié)構(gòu)具有在第一、第二導電層間貫通的硅基板通孔，所述硅基板通孔中填充有P型熱電材料；相鄰N型及P型熱電結(jié)構(gòu)間由絕緣層隔離，且至少有一端共同連接至同一導電板。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電裝置，其特征在于，所述N型熱電材料為N型SiGe，所述P 型熱電材料為P型SiGe。
4.如權(quán)利要求2所述的熱電裝置，其特征在于，所述N型熱電材料包括兩種N型熱電材料的超晶格，所述P型熱電材料包括兩種P型熱電材料的超晶格。
5.如權(quán)利要求4所述的熱電裝置，其特征在于，所述兩種N型熱電材料包括N型Si和 N 型 SiGe。
6.如權(quán)利要求5所述的熱電裝置，其特征在于，N型Si和N型SiGe的厚度均小于 IOOnm, N型Si禾Π N型SiGe的厚度比為1 1. 2。
7.如權(quán)利要求4所述的熱電裝置，其特征在于，所述兩種P型熱電材料包括P型Si和 P 型 SiGe。
8.如權(quán)利要求7所述的熱電裝置，其特征在于，P型Si和P型SiGe的厚度均小于 IOOnm, P型Si和P型SiGe的厚度比為1 1. 2。
9.如權(quán)利要求4所述的熱電裝置，其特征在于，所述兩種P型熱電材料包括B4C和B9C。
10.如權(quán)利要求9所述的熱電裝置，其特征在于，B4C和B9C的厚度均小于100nm，B4C和 B9C的厚度比為1 1.2。
11.如權(quán)利要求2所述的熱電裝置，其特征在于，所述絕緣層為A1203、SiO、SiN中的任意一種。
12.如權(quán)利要求1所述的熱電裝置，其特征在于，所述硅基板的材料為Si或SiC。
全文摘要
一種熱電裝置。所述熱電裝置包括用于封裝集成電路芯片的硅基板中的第一導電層、第二導電層和第一、第二導電層間的熱電偶層，所述熱電裝置與需冷卻的集成電路芯片形成疊層結(jié)構(gòu)，所述第一導電層和第二導電層經(jīng)由所述硅基板中的硅通孔與需冷卻的集成電路芯片連通。所述熱電裝置無需再通過額外的連接線與集成電路芯片相連。從而，降低了封裝結(jié)構(gòu)的布線難度。
文檔編號H01L23/52GK102194811SQ201010118828
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者三重野文健, 郭景宗 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司