BRPI0914631B1 - Controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados - Google Patents

Controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados Download PDF

Info

Publication number
BRPI0914631B1
BRPI0914631B1 BRPI0914631-8A BRPI0914631A BRPI0914631B1 BR PI0914631 B1 BRPI0914631 B1 BR PI0914631B1 BR PI0914631 A BRPI0914631 A BR PI0914631A BR PI0914631 B1 BRPI0914631 B1 BR PI0914631B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
stacked
level
hot spot
junction
energy
Prior art date
Application number
BRPI0914631-8A
Other languages
English (en)
Inventor
Shiqun Gu
Matthew Nowak
Thomas R. Toms
Original Assignee
Qualcomm Incorporated
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qualcomm Incorporated filed Critical Qualcomm Incorporated
Publication of BRPI0914631A2 publication Critical patent/BRPI0914631A2/pt
Publication of BRPI0914631B1 publication Critical patent/BRPI0914631B1/pt

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/38—Cooling arrangements using the Peltier effect
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/065—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L25/0657—Stacked arrangements of devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • H01L2224/0554—External layer
    • H01L2224/0556—Disposition
    • H01L2224/05571—Disposition the external layer being disposed in a recess of the surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • H01L2224/0554—External layer
    • H01L2224/05573—Single external layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/1302—Disposition
    • H01L2224/13025—Disposition the bump connector being disposed on a via connection of the semiconductor or solid-state body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16135—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/16145—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
    • H01L2225/065—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06513—Bump or bump-like direct electrical connections between devices, e.g. flip-chip connection, solder bumps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
    • H01L2225/065—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06589—Thermal management, e.g. cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/481—Internal lead connections, e.g. via connections, feedthrough structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details

Abstract

controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados condutividade térmica em um dispositivo ic empilhado (30) pode ser aperfeiçoada por construir um ou mais dispositivos de controle de temperatura no dispositivo ic empilhado. em uma modalidade, os dispositivos de controle são dispositivos elétricos térmicos (te), como dispositivos peltier. os dispositivos te (300) podem ser então seletivamente controlados para remover ou adicionar calor, conforme necessário, para manter o dispositivo ic empilhado em uma faixa de temperatura definida. os elementos de controle de temperatura definida. os elementos de controle de temperatura ativa podem ser junções p-n (301, 302) criadas no dispositivo ic empilhado e podem servir para mover o calor lateralmente e /ou verticalmente, como desejado.

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] Essa revelação refere-se a circuitos integrados (ICs). Mais especificamente, a revelação refere- se a dispositivos IC multinivel e ainda mais especificamente a sistemas e métodos para controle térmico ativo nos dispositivos IC multinivel.
FUNDAMENTOS
[002] Na tecnologia IC há necessidade de empilhar chips juntos para formar dispositivos IC multinivel (3D) (também mencionados como dispositivos IC de multicamadas ou dispositivos IC empilhados). Um desafio que se origina quando chips são empilhados é que a condutividade térmica é reduzida. Desse modo, hot spots poderiam existir com pouca capacidade de mover o calor para longe da fonte de calor. Devido ao tamanho reduzido de ICs empilhados (espessura de substrato indo de 100 micron a aproximadamente 6-50 micron) a densidade de potência se eleva enquanto a condutividade térmica lateral é reduzida.
[003] Um método para aumentar condutividade térmica é aumentar a espessura de substrato. Isso, por sua vez, impacta negativamente o fator de forma desejada do dispositivo IC empilhado e degrada desempenho.
[004] Existe um desafio adicional quando mais de dois niveis são empilhados. Em tais situações, o dispositivo IC empilhado pode conter múltiplas camadas de óxido, uma entre cada par de niveis empilhados. Óxido, sendo um condutor térmico ruim, aumenta o problema de dissipação de calor.
[005] Há várias abordagens para tratar das questões de condutividade térmica. Uma abordagem posiciona uma camada condutora de calor entre os niveis. Tipicamente, camadas condutoras de calor são metálicas e desse modo poderiam interferir em conexões elétricas intercamadas. Outra abordagem utiliza Vias de silicio direto (TSVs) para mover o calor de um nivel interno para um nivel de superfície do dispositivo IC empilhado e então remover o calor do nivel de superfície utilizando métodos tradicionais, como posicionamento de um material de condutividade térmica elevada no nivel de superfície. Desafios se originam com tal solução. Por exemplo, nem sempre é possível posicionar um TSV no local necessário devido a exigências de layout de conjunto de circuito nos vários niveis.
[006] Outra abordagem é circular material de resfriamento através do dispositivo IC empilhado para resfriar os hot spots. Uma solução de circulação de resfriamento é cara para fabricar e, devido ao liquido em movimento, requer um mecanismo de bombeamento e tolerâncias justas para canais de liquido. Além disso, devido a exigências de layout de conjunto de circuitos, pode não ser possível "sondar" o dispositivo para canalizar o material de resfriamento para o local necessário. O problema de encanamento poderia ser superado, até certo ponto, por forçar liquido de resfriamento através do próprio substrato, porém esse método apresenta um conjunto adicional de problemas e custos.
SUMÁRIO
[007] Condutividade térmica em dispositivos IC empilhados pode ser aperfeiçoada por construir um ou mais dispositivos de controle de temperatura ativa no dispositivo IC empilhado. Em uma modalidade, os dispositivos de controle são dispositivos elétricos térmicos (TE), como dispositivos Peltier. Os dispositivos TE podem ser então seletivamente controlados para remover ou adicionar calor conforme necessário para manter o dispositivo IC empilhado em uma faixa de temperatura definida ou de outro modo colocar o dispositivo IC empilhado em uma temperatura desejada. Os elementos de controle de temperatura ativa podem ser junções P-N criadas no dispositivo IC empilhado e pode servir para mover o calor lateralmente e/ou verticalmente como desejado.
[008] O acima delineou, de forma bem ampla, as características e vantagens técnicas da presente invenção para que a descrição detalhada da invenção que segue possa ser entendida de forma melhor. Características e vantagens adicionais da invenção serão descritas a seguir que formam o tema das reivindicações da invenção. Deve ser reconhecido por aqueles versados na técnica que a concepção e modalidade especifica revelada podem ser facilmente utilizadas como base para modificar ou projetar outras estruturas para realizar as mesmas finalidades da presente invenção. Deve ser também percebido por aqueles versados na técnica que tais construções equivalentes não se afastam do espirito e escopo da invenção como exposto nas reivindicações apensas. Os aspectos novos que se acredita serem característicos da invenção, tanto com relação à organização como método de operação, juntamente com objetivos e vantagens adicionais, serão entendidos de forma melhor a partir da seguinte descrição quando considerada com relação às figuras em anexo. Deve ser expressamente entendido, entretanto, que cada uma das figuras é fornecida para fins de ilustração e descrição somente e não é destinada como definição dos limites da presente invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[009] Para compreensão mais completa da presente invenção, faz-se referência agora às seguintes descrições tomadas em combinação com os desenhos em anexo, nos quais:
[0010] A figura 1 é um desenho esquemático de um dispositivo IC de multinivel tendo um hot spot no mesmo;
[0011] A figura 2 mostra um exemplo de uma solução da técnica anterior para aliviar calor do hot spot;
[0012] A figura 3 mostra uma modalidade de um dispositivo IC empilhado tendo controle de temperatura ativa de acordo com os ensinamentos da invenção; e
[0013] As figuras 4A até 4G mostram um método de fabricar um dispositivo IV de multinivel tendo capacidade de resfriamento ativo de acordo com os ensinamentos da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0014] A figura 1 é um desenho esquemático de dispositivo IC de multinivel 10 tendo nivel superior 11 e nivel inferior 12. O nivel superior 11 tem um circuito ativo (face) 102 e substrato (parte traseira) 101. 0 nivel inferior 12 tem circuito ativo (face) 103 e substrato (parte traseira) 104. Faces 102/103 contêm conexões 108 que servem para conectar componentes (ou terminais) como o componente 109 nos niveis respectivos. Essas conexões são feitas utilizando percursos de conector, como percurso 107 e uma via, como via 106.
[0015] Para fins ilustrativos, o local 110 é termicamente perturbado nessa modalidade. Isto é, o local 110 é um "hot spot" que existe, ou poderia existir, de tempos em tempos no dispositivo IC empilhado 10. Um hot spot, nesse contexto, significa que quando o dispositivo IC empilhado 10 está em operação, a temperatura da área em e em torno do local 110 pode se tornar indesejavelmente mais elevada do que outras porções do nivel 12. Devido ao empilhamento de nivel 11 no nivel 12 e preferivelmente, espessura reduzida de cada nivel, o calor lateral espalhado no nivel 12 é reduzido. Além disso, entreferro 111 pode ser formado entre os niveis 11, 12 desse modo reduzindo fluxo térmico ascendente a partir do hot spot.
[0016] Como discutido acima, há diversos motivos para incluir funcionalidade de resfriamento ou estruturas em um dispositivo IC empilhado. Porém há também motivos para aquecer um dispositivo IC empilhado, ou porções do mesmo. Por exemplo, ao projetar um circuito de escalonamento de voltagem adaptável, é desejável que o dispositivo IC empilhado inteiro tenha uma temperatura uniforme. Desse modo, se houver algumas áreas localizadas de um nivel no dispositivo IC empilhado que "operam quentes" (isto é, não um hot spot por si, porém uma área localizada que opera em uma temperatura mais quente do que outras áreas em um nivel) poderia ser desejável ou necessário aquecer as áreas mais frias do nivel de modo que o dispositivo IC empilhado tenha uma temperatura relativamente constante ou uniforme. Em algumas situações, inicialização de um dispositivo IC empilhado a uma temperatura exigida é desejável ou importante. Por exemplo, sensores podem necessitar estar quentes para operar e um TE poderia ser utilizado para reduzir tempo de aquecimento inicial.
[0017] Adicionalmente, aquecimento e/ou resfriamento seletivo pode ser necessário ou desejável em um dispositivo IC empilhado. Por exemplo, aquecimento ou resfriamento seletivo ou uma combinação dos mesmos pode ser utilizado para igualar os gradientes de temperatura através de silicio para aliviar tensão causada por diferenciais de temperatura no substrato. Além disso, o controle de temperatura seletivo pode ser utilizado para permitir que o dispositivo IC empilhado opere, pelo menos temporariamente, em ambientes de temperatura nos quais de outro modo não seria projetado para operar.
[0018] A figura 2 mostra um exemplo de uma solução da técnica anterior para aliviar calor a partir do hot spot 110. Nessa solução, o conjunto TSV 200 é posicionado acima do hot spot 110 de modo que o calor que flui do hot spot 110 pode ser conduzido através da face 103, através da folga 111, através da face 102 e para fora através de vias 201. Além dos problemas de condutividade térmica, inerente ao movimento do calor através das várias camadas e folgas, em algumas situações o conjunto de circuitos ou outros elementos, como elemento 202 podem ser posicionados no percurso de fluxo de calor desse modo reduzindo (e às vezes eliminando) a eficácia do conjunto TSV 200.
[0019] A figura 3 mostra uma modalidade de um dispositivo IC empilhado 30 tendo controle de temperatura ativa de acordo com os ensinamentos da invenção. Um dispositivo TE 300 inclui um par de junções P-N, cada junção P-N inclui um elemento tipo P 301 e elemento tipo N 302, bem como um condutor inferior 303. Dependendo de qual direção a corrente flui através da junção P-N, o condutor inferior 303 pode atrair calor ou fornecer calor. Em uma modalidade, o dispositivo TE 300 é um dispositivo Peltier. Embora um par de junções P-N seja mostrado, a invenção não é limitada a tal configuração. Em vez disso, um número maior ou menor de junções pode ser fornecido.
[0020] O circuito de controle 304 é utilizado para estabelecer a direção de fluxo de corrente através da junção P-N. o circuito de controle 304 também controla densidade de corrente. O circuito 304 provê controle de corrente seletivo para o dispositivo TE 300 através de uma entrada, como entrada 321. Em uma modalidade, um dispositivo TE 300 opera de tal modo que um lado superior (superior não designado com um número de referência) aquece enquanto o outro lado, por exemplo, inferior 303, resfria, com base na direção de corrente.
[0021] A energia térmica a partir do hot spot 110 passa para cima através de faces 103 e 102 para o dispositivo 300. Esse fluxo térmico pode ser facilitado por construir canais (vias) através das faces se desejado. Por selecionar a densidade adequada de corrente, e direção de fluxo de corrente, o dispositivo 300 serve para remover calor, desse modo resfriando o dispositivo IC empilhado 30. Dissipador de calor, ou outros dispositivos de transferência de calor, não mostrados, podem ser localizados na superfície do nivel 11 adjacente ao dispositivo TE 300 para auxiliar o dispositivo TE 300 na remoção de calor a partir do dispositivo IC empilhado 30. Observe que o dispositivo IC empilhado 30 pode ter dispositivos TE 300 fornecidos em tantas áreas diferentes quanto desejado com alguns dos dispositivos TE 300 injetando calor enquanto outros removem calor.
[0022] Observe que embora o material de junção P-N seja mostrado indo todo caminho através do substrato de nivel 11, em outra modalidade, o material P-N parcialmente enche o substrato, com a junção sendo formada próximo ao condutor inferior 303. Nessa modalidade, a porca superior de cada via é cheia por metalização, criando um contato nas vias.
[0023] Em algumas modalidades, o "hot spot" pode ser localizado em conjunto na mesma camada que o dispositivo de resfriamento desse modo resultando em deslocamento de calor lateral. Em tal situação, um sulco horizontal poderia ser construído no substrato para transferir lateralmente o calor no mesmo substrato. Uma primeira porção do sulco incluiria material do tipo P e outra porção do sulco incluiria material do tipo N.
[0024] As figuras 4A até 4G mostram um método exemplar de fabricar um dispositivo IC de multicamadas tendo controle de temperatura ativa.
[0025] A figura 4A mostra que o nivel 11 é empilhado com relação ao nivel 12 e que alguns locais, como locais 401-405 no substrato do nivel 11 são cheios do topo até a parte inferior com material de enchimento sacrifical. Como será visto, um elemento de controle de temperatura ativa será construído no local 400.
[0026] A figura 4B mostra o material de proteção 410 cobrindo locais 401-404 na preparação para a etapa seguinte no processo. Locais descobertos 405 se tornarão TSVs padrão à medida que o processo continua.
[0027] A figura 4C mostra a metalização dos locais descobertos 405A pela camada de metal 420 para criar TSVs padrão 405A. Cobre ou qualquer metal desejado pode ser utilizado para essa finalidade compatível com outros elementos do dispositivo IC empilhado. Desse modo, como mostrado na figura 4C os locais descobertos agora contêm metal como mostrado em 405A, ao passo que os elementos 401- 404 permanecem protegidos e cheios de material sacrifical.
[0028] A figura 4D mostra a remoção de porções 410-2 e 410-4 do material de proteção 410 deixando porções 410-1 e 410-3 no lugar. O material sacrifical nas vias 402 e 404 é também mostrado removido.
[0029] A figura 4E mostra material elétrico térmico do tipo P depositado nos locais 402 e 404. O material do tipo P não foi depositado nos locais 401 e 403 porque esses locais permanecem protegidos por porções 410-1 e 410-3 e desse modo ainda contêm o material sacrifical.
[0030] A figura 4F mostra a remoção de porções 410-1 e 410-3 de material de proteção 410 para expor vias 401 e 403. O material sacrifical é então removido das vias 401 e 403.
[0031] A figura 4G mostra material térmico do tipo N depositado em locais 401 e 403 desse modo completando a formação do dispositivo de controle de temperatura na camada 11. Materiais tipicos para um dispositivo Peltier são teluride de bismuto, Sb2Te3, PbTe e SiGe, porém outros materiais, como vidro fônon-cristal ou nano material, podem ser utilizados também. Além disso, é possivel utilizar dois metais em uma junção de metal com metal como cobre - niquel. Nessa modalidade, niquel enche os TSVs 401 - 404 e cobre é a metalização padrão. Por consequinte, todo TSV 401-404 seria um dispositivo Peltier em potencial. Há duas vantagens dessa estrutura Peltier. A primeira vantagem é que as etapas de mascarar para enchimento tipo P e N são removidas. A segunda vantagem é que a densidade dos dispositivos Peltier é aumentada visto que um lado do TSV 401- 404 atuaria como o ponto de resfriamento enquanto outro lado seria o lado de aquecimento. Evidentemente transporte de calor na direção Z é aperfeiçoado enquanto transferência de calor na direção X e Y se torna mais dificil.
[0032] Embora a descrição tenha mostrado o material do tipo P sendo depositado primeiramente e o material do tipo N subsequentemente sendo depositado, a ordem não é critica. Isto é, o material do tipo N poderia ser depositado primeiramente se for mais conveniente.
[0033] Deve ser observado que o diferencial de temperatura criado pelos elementos de circuito no substrato pode ser utilizado para acionar uma voltagem. A voltagem desse modo criada por ser expurgada, por exemplo, para acionar outros elementos de circuito como mostrado pela conexão 320, figura 3 a partir do circuito de controle 304. Isso inverteria efetivamente a operação do dispositivo TE 300. O dispositivo TE 300 resfriaria a área termicamente perturbada (na figura 3 que seria hot spot 110) porque energia de calor está sendo removida do hot spot por conversão em energia elétrica. O efeito liquido seria então que não haveria resfriamento liquido do dispositivo IC empilhado 30 como um topo (porque energia está sendo retornada ao dispositivo IC empilhado 30 em outro lugar), porém haveria resfriamento localizado no "hot spot". Consequentemente, resulta em economia de energia geral para o dispositivo IC empilhado 30.
[0034] Um dispositivo Peltier é uma bomba de calor que requer energia para mover calor de um ponto para outro. Como as modalidades reveladas têm os dois pontos no sistema, a energia de calor está sendo movida de um ponto onde é dificil remover (resistência térmica elevada) para um local onde é mais fácil remover de modo que o calor é mais uniformemente distribuído no sistema. Desse modo, a demanda de energia total do sistema é aumentada se o dispositivo Peltier for utilizado para mover o calor. Como o dispositivo TE pode remover ou adicionar calor dependendo da direção de fluxo de corrente, um dispositivo poderia ser utilizado para seletivamente aquecer ou resfriar o dispositivo IC empilhado (ou uma porção do mesmo).
[0035] Em uma modalidade, o dispositivo Peltier é um expurgador de energia: um pouco do calor gerado pela operação de dispositivo IC empilhado pode ser recuperado. O sistema de controle pode comutar o dispositivo Peltier para mover calor do ponto A para o ponto B (polarização para frente), ou ponto B para ponto A (polarização inversa) ou expurga calor de uma diferença de temperatura entre pontos A e B para acionar o sistema. O equilíbrio de energia desse sistema TE dependerá da eficiência do dispositivo Peltier e o ciclo de carga do sistema. Desse modo, o dispositivo Peltier pode recuperar um pouco de energia a partir do sistema geral, com base no gradiente de temperatura no sistema. Em uma modalidade na qual mais de dois niveis existem dispositivos Peltier empilhados podem ser fornecidos para aperfeiçoar a eficiência de scavenging de energia. Por exemplo, um dispositivo Peltier de resfriamento poderia resfriar um nivel, bombeando calor para um nivel adjacente. 0 nivel adjacente poderia utilizar o calor bombeado para recuperar energia adicional.
[0036] Embora a presente invenção e suas vantagens tenham sido descritas em detalhe, deve ser entendido que várias alterações, substituições e modificações podem ser feitas aqui sem se afastar do espirito e escopo da invenção como definido pelas reivindicações apensas. Além disso, o escopo do presente pedido não pretende ser limitado às modalidades especificas do processo, máquina, fabricação, composição de matéria, meio, métodos e etapas descritas no relatório descritivo. Como uma pessoa com conhecimentos comuns na técnica prontamente reconhecerá a partir da revelação da presente invenção, processos, máquinas, fabricação, composições de matéria, meios, métodos ou etapas, atualmente existentes ou posteriormente a serem desenvolvidos que executam substancialmente a mesma função ou obtêm substancialmente o mesmo resultado que as modalidades correspondentes descritas aqui podem ser utilizadas de acordo com a presente invenção. Por conseguinte, as reivindicações apensas pretendem incluir em seu escopo tais processos, máquinas, fabricação, composições de matéria, meio, método ou etapas.

Claims (8)

1. Dispositivo IC empilhado (30), compreendendo: um nivel tendo construído no mesmo circuitos ativos e um dispositivo termoelétrico (TE) (300), o dispositivo TE (300) facilitando fluxo térmico entre um hot spot do dispositivo IC empilhado (30) e do dispositivo TE (300) e compreendendo pelo menos uma junção P-N, a junção operável para transferência de energia para/a partir do hot spot no dispositivo IC empilhado (30) por aplicação seletiva de fluxo de corrente com relação à junção; pelo menos outro nivel possuindo circuitos ativos; o dispositivo IC empilhado (30) caracterizado pelo fato o hot spot está em um nivel diferente do nivel no qual o dispositivo TE é construído.
2. Dispositivo IC empilhado (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma entrada para receber sinais de controle seletivos para habilitar o dispositivo TE (300) .
3. Dispositivo IC empilhado (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos uma conexão elétrica do dispositivo TE (300) a um elemento ativo no dispositivo IC empilhado (30) de modo a permitir que o dispositivo TE (300) forneça potência para o elemento ativo, a potência gerada a partir do fluxo térmico do hot spot.
4. Dispositivo IC empilhado (30), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma entrada para receber sinais de controle seletivos para habilitar a junção P-N.
5. Dispositivo IC empilhado (30), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a junção P- N compreende um dispositivo Peltier.
6. Dispositivo IC empilhado (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: pelo menos uma conexão elétrica a partir da junção P-N a um elemento ativo no dispositivo IC empilhado (30) para permitir que a junção P-N forneça potência ao elemento ativo, a potência gerada a partir da energia fornecida do hot spot.
7. Método para controlar gradientes de temperatura indesejáveis em um dispositivo IC empilhado (30), o método compreendendo: permitir que energia flua entre um hot spot no IC e um dispositivo termoelétrico (TE) construído no dispositivo IC empilhado (30), o dispositivo IC empilhado compreendendo um nivel e pelo menos outro nivel possuindo circuitos ativos; e habilitar corrente a fluir com relação ao dispositivo TE (300) de modo a seletivamente controlar o fluxo de energia; o método caracterizado pelo fato de que habilitar compreende fornecer corrente em uma direção para o dispositivo TE (300) para habilitar o dispositivo TE (300) a remover calor do fluxo de energia ou fornecer corrente em uma direção para o dispositivo TE (300) para habilitar o dispositivo TE (300) a distribuir calor para o fluxo de energia; e em que o hot spot está em um nivel diferente do nivel no qual o dispositivo TE é construído.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que habilitar compreende: remover energia do dispositivo TE (300) para habilitar o dispositivo TE (300) a distribuir potência para outro elemento dentro do dispositivo IC empilhado.
BRPI0914631-8A 2008-06-27 2009-06-19 Controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados BRPI0914631B1 (pt)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/163,029 US8598700B2 (en) 2008-06-27 2008-06-27 Active thermal control for stacked IC devices
US12/163,029 2008-06-27
PCT/US2009/048031 WO2009158287A1 (en) 2008-06-27 2009-06-19 Active thermal control for stacked ic devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BRPI0914631A2 BRPI0914631A2 (pt) 2015-10-20
BRPI0914631B1 true BRPI0914631B1 (pt) 2020-09-29

Family

ID=40947576

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BRPI0914631-8A BRPI0914631B1 (pt) 2008-06-27 2009-06-19 Controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados

Country Status (13)

Country Link
US (2) US8598700B2 (pt)
EP (1) EP2304792B1 (pt)
JP (2) JP2011526081A (pt)
KR (1) KR101318842B1 (pt)
CN (1) CN102067308B (pt)
BR (1) BRPI0914631B1 (pt)
CA (1) CA2726476C (pt)
ES (1) ES2796653T3 (pt)
HU (1) HUE049459T2 (pt)
MX (1) MX2010013880A (pt)
RU (1) RU2479067C2 (pt)
TW (1) TWI455278B (pt)
WO (1) WO2009158287A1 (pt)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8598700B2 (en) 2008-06-27 2013-12-03 Qualcomm Incorporated Active thermal control for stacked IC devices
DE102008049726B4 (de) * 2008-09-30 2012-02-09 Advanced Micro Devices, Inc. Gestapelte Chipkonfiguration mit stromgespeistem Wärmeübertragungssystem und Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Halbleiterbauelement
JP5347886B2 (ja) * 2009-10-05 2013-11-20 日本電気株式会社 ３次元半導体装置および３次元半導体装置の冷却方法
DE102010029526B4 (de) * 2010-05-31 2012-05-24 GLOBALFOUNDRIES Dresden Module One Ltd. Liability Company & Co. KG Halbleiterbauelement mit einer gestapelten Chipkonfiguration mit einem integrierten Peltier-Element
US8995134B2 (en) 2011-05-27 2015-03-31 Lear Corporation Electrically-cooled power module
US20130308274A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 Triquint Semiconductor, Inc. Thermal spreader having graduated thermal expansion parameters
US20130306293A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 Hamilton Sundstrand Space Systems International Extruded matching set radiators
US20130308273A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 Hamilton Sundstrand Space Systems International Laser sintered matching set radiators
US8879266B2 (en) * 2012-05-24 2014-11-04 Apple Inc. Thin multi-layered structures providing rigidity and conductivity
JP2014066527A (ja) * 2012-09-24 2014-04-17 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 積層ｌｓｉの接続状態の検査方法
US20140252531A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-11 Qualcomm Incorporated Systems and methods for harvesting dissipated heat from integrated circuits (ics) in electronic devices into electrical energy for providing power for the electronic devices
JP2015023235A (ja) 2013-07-23 2015-02-02 株式会社東芝 半導体装置及びその製造方法
US10468330B2 (en) 2013-12-12 2019-11-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor chip and electronic system including the same
MA40285A (fr) 2014-06-02 2017-04-05 Hat Teknoloji A S Configuration de cellule tridimensionnelle intégrée, réseau de refroidissement intégré et circuit intégré précaractérisé
KR102334301B1 (ko) * 2014-07-24 2021-12-02 삼성전자주식회사 열전 소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 반도체 장치
US9913405B2 (en) 2015-03-25 2018-03-06 Globalfoundries Inc. Glass interposer with embedded thermoelectric devices
US9941458B2 (en) 2015-03-30 2018-04-10 International Business Machines Corporation Integrated circuit cooling using embedded peltier micro-vias in substrate
US9559283B2 (en) 2015-03-30 2017-01-31 International Business Machines Corporation Integrated circuit cooling using embedded peltier micro-vias in substrate
US9746889B2 (en) * 2015-05-11 2017-08-29 Qualcomm Incorporated Package-on-package (PoP) device comprising bi-directional thermal electric cooler
RU2610302C2 (ru) * 2015-07-07 2017-02-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Марийский государственный университет" Способ формирования межслойных переходов в многослойной металлокерамической плате
CN105870083B (zh) * 2016-05-31 2019-01-18 福州大学 采用微热电发电机的3d芯片及其实现方法
US9773717B1 (en) 2016-08-22 2017-09-26 Globalfoundries Inc. Integrated circuits with peltier cooling provided by back-end wiring
US11435766B2 (en) * 2018-09-07 2022-09-06 Maxwell Labs Inc Fine-grain dynamic solid-state cooling system

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8501773A (nl) 1985-06-20 1987-01-16 Philips Nv Werkwijze voor het vervaardigen van halfgeleiderinrichtingen.
JPH01245549A (ja) * 1988-03-26 1989-09-29 Matsushita Electric Works Ltd 半導体装置およびその製法
JPH05226579A (ja) 1992-02-13 1993-09-03 Nec Corp 伝熱基板とその伝熱基板を用いた半導体装置および伝熱基板の製造方法
US5956569A (en) 1997-10-24 1999-09-21 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Integrated thermoelectric cooler formed on the backside of a substrate
US6586835B1 (en) * 1998-08-31 2003-07-01 Micron Technology, Inc. Compact system module with built-in thermoelectric cooling
US20020084382A1 (en) 2000-11-27 2002-07-04 Crist James H. Aircraft deicer
NO20014399L (no) 2000-11-29 2002-05-30 Hewlett Packard Co En datastruktur og lagrings- og hentemetode som stötter ordinal-tallbasert datasöking og henting
JP3688582B2 (ja) * 2000-12-20 2005-08-31 株式会社フジクラ 電子機器の冷却装置
JP4817543B2 (ja) 2001-07-02 2011-11-16 富士通セミコンダクター株式会社 積層型マルチチップ半導体装置
US6800930B2 (en) 2002-07-31 2004-10-05 Micron Technology, Inc. Semiconductor dice having back side redistribution layer accessed using through-silicon vias, and assemblies
US6711904B1 (en) 2003-03-06 2004-03-30 Texas Instruments Incorporated Active thermal management of semiconductor devices
US7224059B2 (en) * 2003-10-21 2007-05-29 Intel Corporation Method and apparatus for thermo-electric cooling
US7250327B2 (en) * 2004-06-30 2007-07-31 Intel Corporation Silicon die substrate manufacturing process and silicon die substrate with integrated cooling mechanism
KR100629679B1 (ko) 2004-07-01 2006-09-29 삼성전자주식회사 열전 냉각 소자를 갖는 반도체 칩 패키지
JP4485865B2 (ja) * 2004-07-13 2010-06-23 Ｏｋｉセミコンダクタ株式会社 半導体装置、及びその製造方法
JP4482667B2 (ja) 2004-09-13 2010-06-16 独立行政法人産業技術総合研究所 冷却効果を持つ配線構造
US7544883B2 (en) * 2004-11-12 2009-06-09 International Business Machines Corporation Integrated thermoelectric cooling devices and methods for fabricating same
US8686277B2 (en) 2004-12-27 2014-04-01 Intel Corporation Microelectronic assembly including built-in thermoelectric cooler and method of fabricating same
US20060145356A1 (en) 2005-01-06 2006-07-06 International Business Machines Corporation On-chip cooling
RU2299497C2 (ru) 2005-05-06 2007-05-20 Геннадий Андреевич Блинов Способ изготовления трехмерного многокристального микромодуля
US8598700B2 (en) 2008-06-27 2013-12-03 Qualcomm Incorporated Active thermal control for stacked IC devices

Also Published As

Publication number Publication date
BRPI0914631A2 (pt) 2015-10-20
MX2010013880A (es) 2011-01-20
CA2726476A1 (en) 2009-12-30
US20090321909A1 (en) 2009-12-31
ES2796653T3 (es) 2020-11-27
CN102067308B (zh) 2015-04-01
WO2009158287A1 (en) 2009-12-30
TWI455278B (zh) 2014-10-01
RU2011102933A (ru) 2012-08-10
US8598700B2 (en) 2013-12-03
JP2011526081A (ja) 2011-09-29
US8987062B2 (en) 2015-03-24
TW201017862A (en) 2010-05-01
CN102067308A (zh) 2011-05-18
EP2304792B1 (en) 2020-03-11
HUE049459T2 (hu) 2020-09-28
KR20110039293A (ko) 2011-04-15
JP2013140992A (ja) 2013-07-18
CA2726476C (en) 2016-05-24
RU2479067C2 (ru) 2013-04-10
KR101318842B1 (ko) 2013-10-17
EP2304792A1 (en) 2011-04-06
JP5868879B2 (ja) 2016-02-24
US20140043756A1 (en) 2014-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
BRPI0914631B1 (pt) Controle térmico ativo para dispositivos ic empilhados
US10727159B2 (en) Counter-flow expanding channels for enhanced two-phase heat removal
RU2459315C1 (ru) Поперечное рассеивание тепла 3-d интегральной схемы
KR101026618B1 (ko) 마이크로전자 패키지 및 그것의 상호접속 피쳐 냉각 방법
KR100970031B1 (ko) 마이크로채널 및 마이크로채널의 박막 열전 냉각 장치 내의냉각제 흐름을 이용한 집적회로 다이 냉각
TWI423403B (zh) 積體電路疊層
US9922962B2 (en) Cooling system for 3D IC
US8441092B2 (en) Thermoelectric cooler system, method and device
US8847382B2 (en) Thermoelectric cooler system, method and device
KR20110011717A (ko) 증기 챔버―열전 모듈 조립체
CN106662374A (zh) 包括电阻加热器的热电加热/冷却装置
Sahu et al. Energy efficient liquid-thermoelectric hybrid cooling for hot-spot removal
US20240128150A1 (en) Semiconductor package structure for enhanced cooling

Legal Events

Date Code Title Description
B07A Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette]
B06A Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette]
B09A Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette]
B16A Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette]

Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 10 (DEZ) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 29/09/2020, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS.