CN100379045C - 微型热电冷却装置的结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，其制造步骤包括：提供一基板，并于该基板上沉积一阻挡层；蚀刻图案化该阻挡层，以形成数个开孔；以该阻挡层为掩膜(mask)，进行蚀刻以形成数个凹槽；使用等离子体蚀刻法(RIE)去除该阻挡层，同时将各该凹槽转角处圆弧化；再沉积一金属导线层；使用表面粘装技术(SMT)涂布一具电性导通功能的粘着层于各该凹槽内；将若干个热电材分别放入各该凹槽内；重复前述制作基板的步骤，以完成另一基板处理；将两基板对位接合。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，特别是一种嵌入式的热电冷却装置结构，将N型及P型半导体材料放入具有凹槽结构的高导热基板之中，可增加热电冷却装置的接触面积，进而增加热电冷却装置的热电效应及降低接触电阻效应，以提升热电冷却装置的性能。
背景技术
热电冷却装置为一种可提供冷却及加热效应的主动组件，其物理现象概述如下：将两种不同热电材料制成的线，其端点焊接在一起而形成连续的回路，当线的端点置于不同的温度时，回路会形成微小的电压差，此热生电现象称为塞贝克效应(Seebeck effect)。相反，若上述的回路提供电源时，产生电制冷现象，则称为珀耳帖效应(Peliter effect)会使得热在一端点被吸收而在另一端点生成，此Seebeck及Peliter效应即为热电冷却装置的基本原理。
热电冷却装置所用的热电材料具备三种特性，第一是在组件接点之间单位温差的电动力(electromotive force per degree of temperature difference)高，称为材料的热电功率；第二是热传导导性低，这是因为如果热传导得太快，太大或太小的温差都不容易感应出；第三种特性是高的电传导性(electricalconductivity)。热电材料分成N型及P型两种，其定义如下：依照Seebeck效应做成的热电装置，在冷端接点上当电流是由热电材料流出到其它部分，此种热电材料称为N型热电材料，而在冷端接点上的电流是流入的，则称为P型材料。由P型及N型材料所组成的称为对(couple)。
为了增加热电转换效率，对于热电材料的选择及制造非常重要，常见的热电材料如：硒化铋合金(bismuth-selenide alloy)及碲化锑(antimony telluride)等，其热电转换效率高，已大量应用于热电模块。而效率更高、成分组成更复杂的热电材料合金也正在开发中。另外一方面，制程中的材料接合强度及稳定性等因素也会影响热电模块的效率及可靠度，因此需选择稳定的制程方式。
目前热电冷却装置大多由手工制造，如美国专利US4907060、US4946511、US5006178中的揭示，先将N型及P型的热电材料铸块切成约1mm立方的立方块，接着利用手操作的制造夹具将立方体放置在两个事先有焊料的陶瓷板之间，再将组合物加热以粘着立方块于陶瓷板之间。
再如美国专利US4493939所揭露为一种自动化组装热电冷却装置的方式，其主要是利用真空卡盘分别先将N型及P型的材料装置于多孔的容器中，再放在基板上，之后移去多孔的容器，利用回焊将其粘着于基板上。
美国专利US4902648揭露一种提升良率的制造热电冷却装置的方式，其主要是将电极部分先制成，再分别一次放上N型及P型半导体，再将两个部分对接。
美国专利US6232542揭露另一种制造热电冷却装置的方式，其是将两块热电材料以曝光等方式形成沟槽，再加以组合而成。
美国专利US5837929再揭露另一种制造热电冷却装置的技术，其是先将P型热电材料置于半导体晶片上，再经由扩散的方式将N型热电材料植入P型半导体中，形成交错的热电材料对，再经由蚀刻方式将P及N型半导体隔离，最后再利用金属沉积的方式制造出电极。
美国专利US5064476又揭露另一种制造热电冷却装置的方式，将传导性凸块以粘贴等方式做在基板上，再用框架等结构将热电材料装置于两基板中。
美国专利US5856210又揭露另一种制造热电冷却装置的方式，将N及P型的热电材料放入预先准备好的间格物中再将金属电极做于两面，之后再移除间格物，该间格物为绝缘体，目的是防止短路及易于安装热电组件之用。
综观以上所述，习用的热电冷却装置的结构及制造方法，至少存在以下缺点：
一、所有的热电材料与基材之间都只有单一面的面接触，故其热传导效果不佳。
二、其热电材料与基材之间接触电阻所产生的逆向热传导过高，而影响热传导效应。
三、无论是采用哪一种制造的方式，都需要辅助用的框架来固定热电材料，进而增加制作的困难度，且增加制作的成本。
四、制作的过程中，热电材料必须经过对位的制程，稍有出入，便容易影响组件的可靠度，进而降低组件制程的稳定度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，该微型热电冷却装置采用嵌入式结构，可增加热电材料与基材的接触面积，以增加微型热电冷却装置的热传导效应。
本发明的次要目的是提供一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，使热电材料与基材之间接触电阻所产生的逆向热传导降低，进而增加微型热电冷却装置的热传导效应。
本发明的另一目的是提供一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，可利用覆晶封装制程技术来制作微型热电冷却装置，以简化制程步骤，并可做自动化组装及生产，以减少制程时间，降低成本，并增加良率。
本发明的又一目的是提供一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，可方便对位，增加组件的可靠度，进而提高组件制程的稳定度。
本发明的又一目的是提供一种微型热电冷却装置的结构及制造方法，以制造可提供高发热密度IC封装及光电系统封装所需的微型热电冷却装置，例如：芯片堆栈封装、光收发器(transceiver)、数组平面光波导(AWG)以及生物芯片等等。
为达上述目的，本发明提供一种微型热电冷却装置的结构，其结构包括：
一第一基板，具有一第一表面，且该第一表面开设有数个第一凹槽；一第一金属导线层，设于该第一表面上；一第二基板，具有与该第一表面相对应的一第二表面，且该第二表面开设有与各该第一凹槽相对应的数个第二凹槽；一第二金属导线层，设于该第二表面上；复数个具电性导通功能的粘着层，设于该第一金属导线层与该第二金属导线层上；若干个热电材，各该热电材分别嵌入各该第一凹槽与各第二凹槽内。其中，所制作的各第一凹槽与各该第二凹槽可以是柱状、球状或任何形状，且其分别嵌入凹槽的各该热电材，是相对应凹槽的形状。
同时提供一种微型热电冷却装置的制造方法，其步骤包括：
步骤A：处理第一块基板，其包括：
A1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
A2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
A3、以所述阻挡层为掩膜，进行非等向性蚀刻，以形成数个凹槽；
A4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
A5、再沉积一金属导线层；
A6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
A7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤B：处理另一块基板，其包括：
B1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
B2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
B3、以所述阻挡层为掩膜，进行非等向性蚀刻，以形成数个凹槽；
B4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
B5、再沉积一金属导线层；
B6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
B7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤C：将上述第一块基板与另一块基板对位接合。
再次提供一种微型热电冷却装置的制造方法，其步骤包括：
步骤A：处理第一块基板，其包括：
A1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
A2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
A3、以所述阻挡层为掩膜，进行等向性蚀刻，以形成复数个凹槽；
A4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
A5、再沉积一金属导线层；
A6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
A7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤B：处理另一块基板，其包括：
B1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
B2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
B3、以所述阻挡层为掩膜，进行等向性蚀刻，以形成复数个凹槽；
B4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
B5、再沉积一金属导线层；
B6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
B7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤C将上述第一块基板与另一块基板对位接合。
为了便于进一步了解本发明的特征、目的及功能，下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1A至图1H是本发明第一较佳实施例的实施步骤示意图；
图2是本发明第一较佳实施例的基板立体结构示意图；
图3是本发明第一较佳实施例的柱状热电材嵌入的立体结构示意图；
图4是本发明第一较佳实施例的立体结构示意图；
图5A至图5H是本发明第二较佳实施例的实施步骤示意图；
图6是本发明第二较佳实施例的基板立体结构示意图；
图7是本发明第二较佳实施例的球状热电材嵌入的立体结构示意图。
附图标记说明：1、7-第一基板；10、70-第一表面；2、8-阻挡层；20、80-开孔；11、71-第一凹槽；111、711-转角处；3、9-第一金属导线层；4、15-具电性导通功能的粘着层；5、16-热电材；6、17-第二基板；60、170-第二表面；30、90-第二金属导线层；61、171-第二凹槽。
具体实施方式
请参阅图1A至图1H所示的本发明第一较佳实施例的实施步骤示意图：
(a)如图1A所示，提供一第一基板1，该第一基板1可选用硅晶片、玻璃、塑料或是其它可蚀刻的材料，再使用低压化学气相沉积法(LPCVD)，于该第一基板1上沉积厚度约3000的氮化硅(Si3N4)作为阻挡层2，阻挡层2是作为非等向性蚀刻所需的蚀刻阻挡层。
(b)如图1B所示，使用等离子体蚀刻法(RIE)蚀刻图案化该阻挡层2，以形成复数个开孔20。
(c)如图1C所示，利用体型微加工(Bulk-micromachine)，以阻挡层2为掩膜(mask)，并使用氢氧化钾(KOH)为蚀刻液，进行第一基板1的非等向性蚀刻，蚀刻出来的复数个柱状第一凹槽11将用作放置热电材料。
(d)如图1D所示，使用等离子体蚀刻法(RIE)去除阻挡层2，并且可以同时将柱状第一凹槽11转角处111圆弧化，以避免尖端效应。
(e)如图1E所示，可选用两种不同的方式来沉积一第一金属导线层3，作为导通电源之用，方法一：使用溅镀方式(sputter)沉积上一铝金属导线，再利用无电镀镀一于镍层该铝金属导线上，最后再镀一金层(防止镍层氧化的抗氧化层)于该镍层上，以形成该第一金属导线层3。方法二：仅使用溅镀方式(sputter)沉积一铝金属导线，以形成该第一金属导线层3。
(f)如图1F所示，使用表面粘装技术(SMT)将锡或银胶旋布于柱状第一凹槽11内，形成一具电性导通功能的粘着层4，作为接合时固定接合物之用。
(g)如图1G所示，将若干个柱状热电材5分别放入柱状第一凹槽11内，其中柱状热电材5排列方式，可因应需求采用N型与P型交错式、N型与P型对立式或是其它各种不同排列方式。
(h)如图1H所示，重复图1A至图1G的步骤，以完成第二基板6，并利用覆晶方式(Flip-Chip bonder)将二块基板1、6对位接合、过热炉(reflow)，以完成微型热电冷却装置，其结构包括：一第一基板1，具有一第一表面10，且该第一表面10开设有复数个第一凹槽11；一第一金属导线层3，设于该第一表面10上；一第二基板6，具有与该第一表面10相对应的一第二表面60，且该第二表面60开设有与各第一凹槽11相对应的复数个第二凹槽61；一第二金属导线层30，设于该第二表面60上；复数个具电性导通功能的粘着层4，设于第一凹槽11及第二凹槽61内的第一金属导线层3与该第二金属导线层30上；若干个热电材5，各热电材5分别嵌入第一凹槽11与第二凹槽61内，且热电材5与第一凹槽11、第二凹槽61皆为柱状。
请参阅图2、图3及图4所示，其中第一基板1具有柱状第一凹槽11，第二基板6具有柱状第二凹槽61，因柱状第一凹槽11与柱状第二凹槽61皆比平面结构多出了四个面，在结构的影响上由下式显示，柱状热电材5接脚的接触面积AC和柱状热电材5截面积A的比例对于热量的传输有决定性的影响，比例越大，模块的热通量越高。嵌入式的热电组件其热传导的公式如下：
其中第一项为热电效应产生的热传导，主要发生在不同接口的接触面，第二项为焦耳热，是由于电流流过导体产生的热，除了导体的电阻，另外还包括了接触电阻所产生的热，第三项为传导热，主要是由于温差所造成的热传导效应。所以本发明微型热电冷却装置的结构设计，可增加接脚的接触面积AC，使第一项热电热传导增加，以及减少第二项接触电阻所造成的逆向热传导，使整体的热传导的效应增加。
请参阅图5A至图5H所示的本发明第二较佳实施例的实施步骤示意图：
(a)如图5A所示，提供一第一基板7，该第一基板7可选用硅晶片、玻璃、塑料或是其它可蚀刻的材料，再使用低压化学气相沉积法(LPCVD)，于该第一基板7上沉积厚度约3000的氮化硅(Si3N4)作为阻挡层8，阻挡层8是作为等向性蚀刻所需的蚀刻阻挡层。
(b)如图5B所示，使用等离子体蚀刻法(RIE)蚀刻图案化该阻挡层8，以形成复数个开孔80。
(c)如图5C所示，利用体型微加工(Bulk-micromachine)，以阻挡层8为掩膜(mask)，并使用氢氟酸加硝酸等向性湿蚀刻系统(HNA)，来进行第一基板7的等向性蚀刻，蚀刻出来的复数个球状第一凹槽71将用来放置热电材料。
(d)如图5D所示，使用等离子体蚀刻法(RIE)去除阻挡层8，并且可以同时将球状第一凹槽71转角处711圆弧化，以避免尖端效应。
(e)如图5E所示，可选用两种不同的方式来沉积一第一金属导线层9，作为导通电源之用，方法一：使用溅镀方式(sputter)沉积上一铝金属导线，再利用无电镀镀一于镍层该铝金属导线上，最后再镀一金层(防止镍层氧化的抗氧化层)于该镍层上，以形成该第一金属导线层9。方法二：仅使用溅镀方式(sputter)沉积一铝金属导线，以形成该第一金属导线层9。
(f)如图5F所示，使用表面粘装技术(SMT)将锡或银胶旋布于球状第一凹槽71内，形成一具电性导通功能的粘着层15，作为接合时固定接合物之用。
(g)如图5G所示，将若干个球状热电材16分别放入球状第一凹槽71内，其中球状热电材16排列方式，可因应需求采用N型与P型交错式、N型与P型对立式或是其它各种不同排列方式。
(h)如图5H所示，重复图5A至图5G的步骤，以完成第二基板17，并利用覆晶方式(Flip-Chip bonder)将二块基板7、17对位接合、过热炉(reflow)，以完成整体组件。
请参阅图6及图7所示，其是使用等向性蚀刻在第一基板7与第二基板17上分别形成球状第一凹槽71与球状第一凹槽171，使本发明的微型热电冷却装置仍形成嵌入式的结构，其球状热电材16接脚的接触面积AC亦会比平面的接触面积大，故其热电效应亦大幅提升，其原理已于前面说明过，在此便不多加赘述。
综上所述，本发明的微型热电冷却装置的结构及制造方法，可增加热电材料与基材的接触面积，以增加微型热电冷却装置的热传导效应，并可利用现有的覆晶封装制程技术来制作，以简化制程步骤，进行自动化组装及生产，以减少制程时间，降低成本，并增加良率，进而提高组件制程的稳定度。以上所述仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限制本发明的范围，容易联想得到，诸如：挖凹槽的方法，改成微机电加工、半导体加工、精密机械加工，或是其它可制作出来想要形状的加工制作方法；或采用其它方法组装；或用其它导电的金属材料及其它接合材料等等，本领域熟练技术人员于领悟本发明的精神后，皆可想到变化实施的，即凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围的，都应视为本发明的进一步实施。
Claims (11)
1.一种微型热电冷却装置的结构，其特征在于：包括：
一第一基板，具有一第一表面，且所述第一表面开设有数个第一凹槽；
一第一金属导线层，设于所述第一表面上及各所述第一凹槽内的表面和侧面上；
一第二基板，具有与所述第一表面相对应的一第二表面，且所述第二表面开设有与各所述第一凹槽相对应的数个第二凹槽；
一第二金属导线层，设于所述第二表面上及各所述第二凹槽内的表面和侧面上；
数个具电性导通功能的粘着层，设于各所述第一凹槽及各所述第二凹槽内；
若干个热电材，所述的每个热电材一部分嵌入所述第一凹槽与另一部分嵌入所述第二凹槽内。
2.如权利要求1所述的一种微型热电冷却装置的结构，其特征在于：各所述第一凹槽与各所述第二凹槽为柱状。
3.如权利要求1所述的一种微型热电冷却装置的结构，其特征在于：各所述第一凹槽与各所述第二凹槽为球状。
4.一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：其步骤包括：
步骤A：处理第一块基板，其包括：
A1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
A2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
A3、以所述阻挡层为掩膜，进行非等向性蚀刻，以形成数个凹槽；
A4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
A5、再沉积一金属导线层；
A6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
A7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤B：处理另一块基板，其包括：
B1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
B2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
B3、以所述阻挡层为掩膜，进行非等向性蚀刻，以形成数个凹槽；
B4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将符所述凹槽转角处圆弧化；
B5、再沉积一金属导线层；
B6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
B7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤C：将上述第一块基板与另一块基板对位接合。
5.如权利要求4所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：步骤A5以及步骤B5形成所述金属导线层的方法包括：
首先用溅镀方式沉积一铝金属导线；
其次再以无电镀镀一镍层于所述铝金属导线；
最后再镀一金层于所述镍层上，以形成所述金属导线层。
6.如权利要求4所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：步骤A5以及步骤B5形成所述金属导线层的方法，可用溅镀方式沉积一铝金属导线，以形成所述金属导线层。
7.如权利要求4所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：各所述热电材为柱状。
8.一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：其步骤包括：
步骤A：处理第一块基板，其包括：
A1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
A2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
A3、以所述阻挡层为掩膜，进行等向性蚀刻，以形成复数个凹槽；
A4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
A5、再沉积一金属导线层；
A6、使用表面粘装技术除布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
A7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤B：处理另一块基板，其包括：
B1、提供一基板，并于所述基板上沉积一阻挡层；
B2、蚀刻图案化所述阻挡层，以形成复数个开孔；
B3、以所述阻挡层为掩膜，进行等向性蚀刻，以形成复数个凹槽；
B4、使用等离子体蚀刻法去除所述阻挡层，同时将各所述凹槽转角处圆弧化；
B5、再沉积一金属导线层；
B6、使用表面粘装技术涂布一具电性导通功能的粘着层于各所述凹槽内；
B7、将若干个热电材分别放入各所述凹槽内；
步骤C将上述第一块基板与另一块基板对位接合。
9.如权利要求8所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：步骤A5以及步骤B5形成所述金属导线层的方法包括有：
首先用溅镀方式沉积一铝金属导线；
其次再以无电镀镀一镍层于所述铝金属导线；
最后再镀一金层于所述镍层上，以形成所述金属导线层。
10.如权利要求8所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：步骤A5以及步骤B5形成所述金属导线层的方法，可用溅镀方式沉积一铝金属导线，以形成所述金属导线层。
11.如权利要求8所述的一种微型热电冷却装置的制造方法，其特征在于：各所述热电材为球状。
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