CN100592541C - 热电纳米线器件 - Google Patents

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Abstract

一种制造散热装置的设备和方法，该散热装置包括由纳米线制造的用于从微电子管芯上的至少一个高热区吸取热的至少一个热电器件。纳米线可由含铋材料形成且可以是最优性能的束。

Description

热电纳米线器件
发明背景
发明领域：本发明涉及微电子器件制造。具体而言，本发明涉及将热电纳米线器件结合到微电子组件中用于冷却微电子管芯中的热点。
现有技术：集成电路组件的更高性能、更低成本、进一步的小型化以及集成电路的更高封装密度是计算机行业中的当前目标。随着这些目标的实现，微电子管芯变得更小。因此，微电子管芯中集成电路组件的功耗的密度增加，这进而增加了微电子管芯的平均结温。如果微电子管芯的温度变得太高，则微电子管芯的集成电路可能被损坏或破坏。
已使用了且当前正在使用各种装置和技术以从微电子管芯中排除热量。一种这样的散热技术涉及将大表面积的散热片附着到微电子管芯上。图21示出组件400，它包括通过在微电子管芯402的有源表面上的焊盘(未示出)和衬底404上的焊区(未示出)之间延伸的多个焊球406而物理和电地附着到衬底404(诸如内插板、母板等)的微电子管芯402(示为倒装芯片)。
将大表面积的散热片408通过导热粘合剂414附着到微电子管芯402的后表面上。大表面积散热片408通常由诸如铜、铝、其合金等导热材料构成。微电子管芯402产生的热通过导热传递吸入散热片408(沿最小热阻的路径)。
一般使用大表面积散热片408是因为热从散热片扩散的速率与散热片的表面积基本成正比。大表面积散热片408通常包括多个从微电子管芯402基本垂直地延伸的突起416。当然，应该理解，突起416可包括，但不限于，细长的平面翅形结构和圆筒/柱结构。突起416的大的表面积允许热从突起416对流扩散至大表面积散热片408周围的空气中。然而，虽然在各种微电子应用中采用大表面积散热片，但它们在从产生大量热的微电子管芯排除热的方面并不是十分成功。
导致这种不成功的一个问题是高功率电路一般在微电子管芯402中互相接近。高功率电路的集中导致高热区域或“热点”。目前的散热片解决方案仅从微电子管芯402中基本均匀地吸取热而不补偿热点。因此，在这些热点处或这些热点附近的电路可能被热损坏，这能严重地影响可靠性和长期性能。
因此，开发出有效地从微电子管芯中排除热，同时补偿微电子管芯内诸如热点等热变化的装置和技术是有利的。
附图简述
尽管说明书以具体指出并明确要求保护被视作本发明的内容的权利要求书结束，但当结合附图阅读时，从以下本发明的描述能够更容易地确定本发明的优点，附图中：
图1是根据本发明的其上设有绝缘层的微电子管芯的侧横截面图；
图2是根据本发明的形成于图1的绝缘层上的第一电极的侧横截面图；
图3是根据本发明的置于第一电极和一部分图2的绝缘层之上的介电层的侧横截面图；
图4是根据本发明的形成穿过图3的介电层的纳米线的侧横截面图；
图5和6是根据本发明的通过在介电层中形成开口来形成穿过介电层的纳米线的侧横截面图；
图7和8是根据本发明的形成穿过介电层中的空隙的纳米线的侧横截面图；
图9是根据本发明的在介电层上形成第二电极的横截面图；
图10是根据本发明的热电纳米线器件的横截面图；
图11是根据本发明的以界面与热电纳米线器件接触的散热装置的横截面图；
图12是根据本发明的热电纳米线器件中的纳米线束的横截面图；
图13是根据本发明的微电子管芯及其上的热剖面的俯视图；
图14是根据本发明的沿图13的线14-14所取的为匹配微电子管芯的热剖面而改变的纳米线的密度的横截面；
图15和16是根据本发明示出利用纳米尺度热电线增强性能的曲线图；
图17是根据本发明示出利用热电纳米线器件改进结温的曲线图；
图18是根据本发明的附着到衬底的微电子管芯的侧视图；
图19是根据本发明的其中集成了微电子组件的手持式装置的斜视图；
图20是根据本发明的其中集成了微电子组件的计算机系统的斜视图；以及
图21是现有技术中已知的附着到衬底的微电子管芯的侧视图。
所示实施例的详细描述
在以下详细描述中，对附图进行了参考，作为说明，附图示出了可实施本发明的具体实施例。十分详细地描述了这些实施例以使本领域的技术人员能够实施本发明。应该理解，虽然本发明的各种实施例是不同的，但它们未必是互斥的。例如，此处结合一个实施例描述的具体特征、结构或特性可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在其它实施例中实现。此外，应该理解，每一个公开的实施例中的个别元件的位置和排列可在不背离本发明的精神和范围的情况下改变。因此，以下详细描述不应从限制的意义理解，且本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求书连同授权的全范围等价技术方案来限定。在附图中，相同的标号在全部的图中指的是相同或相似的功能。
本发明包括散热装置，它包括以纳米线制造的用于从微电子管芯上的至少一个高热区(即，“热点”)中吸收热的至少一个热电器件。这种热电器件在本领域中是已知的，且本质上是起热泵作用的固态器件。一个示例性器件是由两个电极形成的夹层结构，在这两个电极之间有小碲化铋立方体阵列。当低压直流电源施加到两电极之间时，热沿电流方向从正电极向负电极移动。
图1到21示出了根据本发明的制造热电器件的方法及其实施例。图1示出具有排热面104的微电子管芯102的一部分。绝缘层106形成于微电子管芯排热面104上以提供与微电子管芯102的电绝缘。绝缘层106可通过本领域中已知的任何技术来沉积或生长成约0.1至1.0微米之间的厚度。绝缘层106可以是任何合适的电绝缘材料，包括但不限于二氧化硅、氮化硅等。
图2示出绝缘层106上的第一电极112的制造。第一电极112可由本领域中已知的任何方法形成，包括但不限于光刻。第一电极112可以是诸如铜、铝、金、银、其合金等任何适当的导电材料。
如图3所示，介电层114置于第一电极112和一部分绝缘层106之上。介电层]14可包括但不限于诸如多孔二氧化硅、多孔氧化铝等多孔材料。如本领域技术人员所理解的，多孔氧化铝膜可利用诸如阳极处理之类的方法来生长。
图4示出从介电层114的第一表面116延伸穿过介电层114以接触第一电极112的至少一条纳米线122。术语“纳米线”被定义为具有以纳米尺度测量的约1000纳米或更小的直径的线。在一个实施例中，纳米线122可具有约1到100nm之间的直径。较佳的是，纳米线122与第一电极112基本垂直。
如图5所示，纳米线122(见图4)可通过形成从介电层第一表面116穿过介电层114到第一电极112的纳米尺度开口，通过诸如电子束研磨(示为箭头128)等来制造，如本领域技术人员所理解的。如图6所示，将导电材料126沉积到介电层114之上，使得导电材料126填充纳米尺度开口124以接触第一电极112。导电材料126可通过本领域中已知的任何技术来沉积，包括但不限于电沉积、溅射、化学气相沉积等。纳米线122可由任何适当的材料来制造，包括但不限于含铋材料(包括基本纯铋、碲化铋等)。诸如通过蚀刻或抛光等去除多余的导电材料126，留下纳米尺度开口124(见图5)中的导电材料以形成如图4所示的分立的纳米线122。
如果多孔材料用于介电层114，则用于纳米线122的材料可直接沉积在介电层114上，其中该材料穿过多孔介电层114中的空隙延伸。例如，如图7所示，诸如光刻胶之类的掩模132可在介电层114上形成图案，且掩模开口134跨越介电层114与第一电极112相对。将导电材料126沉积到掩模132上以及掩模开口134中以接触一部分介电层114，并且导电材料126穿过多孔介电层114中的空隙(未示出)延伸以接触第一电极112，如图8所示。诸如通过蚀刻或抛光等将多余的导电材料126和掩模132去除，留下空隙中的导电材料126以形成如图4所示的分立的纳米线122。
图9示出了形成于接触纳米线122的介电材料第一表面116上的第二电极136。第二电极136可通过本领域中已知的任何方法形成，包括但不限于光刻。第二电极136可以是诸如铜、铝、金、银、其合金等任何导电材料。
图10示出完成的热电纳米线器件140，其中从直流电源144延伸的负电荷迹线(示为线142)可连接到第二电极136，而从直流电源144延伸的正电荷迹线(示为线146)可连接到第一电极112。因此，热沿电流方向从第一电极112移至第二电极136。当然，应该理解，正电荷迹线146和负电荷迹线142可分别在第一电极112和第二电极136的形成期间制造。
如图11所示，界面152可置于第二电极136和部分介电材料114上，而诸如散热棒、翅式散热片等散热装置154可置于热界面材料152上以排除传递到第二电极136的热并从微电子管芯102扩散热。界面152可以是热界面材料、与第二电极136相接触地形成(诸如沉积金属，例如，铜)的散热片等等。散热装置154可以是任何导热材料，包括但不限于铜、铜合金、铝、铝合金等。在这种构造中，如果界面152和/或散热散装置154是导电的，则负电荷迹线142可连接到界面152和/或散热装置154，它用于完成热电纳米线器件140的电路。
当然，应该理解，多个热电纳米线器件140可按需分布在微电子管芯102上。此外，如图12所示，例如束162和164等多个纳米线束可置于单个第一电极112和单个第二电极136之间。此外，热电纳米线器件可关于微电子管芯上具体的热剖面来调整。如图13所示(微电子管芯102的俯视图)，微电子管芯102可具有所示的热剖面，它具有高热区172、围绕高热区172的中热区174、围绕中热区174的低热区176以及跨越微电子管芯102的剩余部分的冷却区178。如图14所示，可将纳米线122密集地构造在高热区172中、次密集地构造在中热区174、更次密集地构造在低热区176中，而不分布在冷却区178中。密集构造的纳米线比次密集构造区排除更大的热量。因此，热电纳米线器件170可关于具体的应用来调整。
发现低维纳米线(即，接近一维)可增强器件的热电性质，且因此可得到比已知的热电冷却器更有效的冷却。
本发明对于已知的冷却系统具有几个优点，大致包括但不限于：1)管芯上冷却解决方案的直接集成，这减少了微电子管芯和散热装置之间的界面的数量，因为任一界面将形成由于有限的热导率而引起的温度梯度；以及2)由于减少的维数引起的纳米线的增强的热电性质可提高冷却解决方案的效率，它进而减少与已知的热电冷却器相比吸取相似热量所需的电能。
热电材料在冷却(珀尔帖(Peltie)效应)和生成(塞贝克(Seebeck)效应)两方面的性能根据无量纲品质因数“ZT”来评价(T是绝对温度，而Z＝α2/(ρλ)，其中α是塞贝克系数，ρ是电阻率，而λ是热导率)。用于宏观元件的ZT的典型值约为1。一般而言，ZT随结构维数的变低而提高。随本发明的线的直径接近纳米尺度可获得1.5或更大的值。如本领域技术人员所理解的，纳米线长度的选择可基于介电层的有效热导率和纳米线的热电性能。这可以是最优化操作且取决于功率、功率图和整个封装电阻。
可对纳米尺度热电线的性能建模以确定提高的ZT的影响。图15和16示出在由线长决定的功率输入的范围内用分别展示出1.0和1.5的ZT的纳米线可实现的温度降低。如图15和16所示，纳米线的使用既导致微电子管芯上最高温度的较大的降低，又导致实现这些较低的温度所需的较少的功率输入。导致最大温度降低的线长也取决于纳米线的ZT值。
图17示出在约102.5℃的结温处，在热电器件中结合铜散热器使用纳米线与单独的铜散热器相比的优点的模型。使用热电纳米线器件，实现了约11.73℃的结温降低，它是约11％的温度降低。图17中示出的模型以1平方厘米微电子管芯的参数生成，该微电子管芯均匀地供电到100W/cm2并包括中心处供电到800W/cm2的0.5mm×0.5mm的热点。热界面材料和散热片被建模为接触微电子管芯的背面，并且热电纳米线器件也被建模为接触微电子管芯的背面。热电纳米线器件被建模为测度为3mm×3mm并具有10微米厚的元件。元件的横截面占热电冷却器的覆盖区的80％(即，3mm×3mm覆盖区的80％)。热电冷却器的品质因数“ZT”被建模为3，且围绕微电子管芯的周围的温度被建模为25℃。
图18示出本发明的微电子组件188，它包括微电子管芯102(示为倒装芯片)上的热电纳米线器件层182(包括先前描述的热电纳米线器件140(未示出))。散热装置154可被放置成与热电纳米线器件层182接触。微电子管芯102可通过多个焊球186物理和电附着到衬底184。散热装置154可包括从其延伸的多个突起188。突起188一般在散热装置102的形成期间铸模，或者形成后在其中机械加工。当然，应该理解，突起188可包括但不限于细长的平面翅形结构(垂直于附图延伸)和圆筒/柱结构。
通过本发明形成的封装可用于诸如蜂窝电话或个人数据助理(PDA)等手持式装置210，如图19所示。手持式装置210可在外壳240内包括具有至少一个微电子装置组件230的装置衬底220，微电子装置组件230包括但不限于中央处理单元(CPU)、芯片组、存储装置、ASIC等，并具有如上所述的至少一个热电纳米线器件140(未示出)和/或热电纳米线器件170(未示出)。装置衬底220可附连到各种外围装置，包括诸如键盘250之类的输入装置和诸如LCD显示器260之类的显示装置。
通过本发明形成的微电子装置组件还可用于计算机系统310，如图20所示。计算机系统310可在外壳或机箱340内包括具有至少一个微电子装置组件330的装置衬底或主板320，微电子装置组件330包括但不限于中央处理单元(CPU)、芯片组、存储装置、ASIC等，并具有如上所述的至少一个热电纳米线器件140(未示出)和/或热电纳米线器件170(未示出)。装置衬底或主板320可附连到各种外围设备，包括诸如键盘350之类的输入装置和/或诸如CRT监视器370之类的显示装置。
在如此详细描述了本发明的实施例之后，应该理解，由所附权利要求书定义的本发明不受以上描述中阐述的具体细节限制，因为在不背离本发明的精神和范围的情况下其许多显而易见的变化是可能的。

Claims (24)

1.一种热电装置，包括：
第一电极；
紧临所述第一电极的介电材料；
与所述第一电极相对的第二电极，所述介电材料置于所述第一和第二电极之间；以及
在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的至少一条纳米线，
其中所述至少一条纳米线具有密集区、次密集区和更次密集区。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一条纳米线包括含铋材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介电材料包括多孔介电材料。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多孔介电材料包括多孔氧化铝。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电连接到所述第一电极的负电荷迹线和电连接到所述第二电极的正电荷迹线。
6.一种热电封装件，包括：
微电子管芯，它的至少一个区域具有在工作时散热率比所述微电子管芯的剩余部分的散热率高；
紧临包括所述区域的所述微电子管芯的第一电极；
紧临所述第一电极的介电材料；
与所述第一电极相对的第二电极，所述介电材料置于所述第一和第二电极之间；以及
在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的多条纳米线，其中所述多条纳米线密集构造在高热区、次密集地构造在中热区、更次密集地构造在低热区中，其中中热区围绕高热区、低热区围绕中热区。
7.如权利要求6所述的封装件，其特征在于，所述多条纳米线包括含铋材料。
8.如权利要求6所述的封装件，其特征在于，所述介电材料包括多孔介电材料。
9.如权利要求8所述的封装件，其特征在于，所述多孔介电材料包括多孔氧化铝。
10.如权利要求6所述的封装件，其特征在于，还包括电连接到所述第一电极的负电荷迹线和电连接到所述第二电极的正电荷迹线。
11.一种用于制造热电装置的方法，包括：
设置第一电极；
紧临所述第一电极设置介电材料；
穿过所述介电材料形成至少一个纳米尺度开口；
在所述至少一个纳米尺度开口中设置导电材料以形成接触所述第一电极的至少一条纳米线；以及
形成与所述第一电极相对的第二电极，所述介电材料置于所述第一和第二电极之间，其中所述第二电极与所述至少一条纳米线接触，
其中所述至少一条纳米线具有密集区、次密集区和更次密集区。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，设置所述导电材料包括设置含铋材料。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，设置所述介电材料包括设置多孔介电材料。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，设置所述多孔介电材料包括设置多孔氧化铝。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括形成电连接到所述第一电极的负电荷迹线以及形成电连接到所述第二电极的正电荷迹线。
16.一种用于制造热电装置的方法，包括：
设置第一电极；
紧临所述第一电极设置多孔介电材料；
在所述多孔介电材料上设置导电材料，其中所述导电材料穿过所述多孔材料中的至少一个开口延伸以形成与所述第一电极接触的至少一条纳米线；以及
形成与所述第一电极相对的第二电极，所述介电材料置于所述第一和第二电极之间，其中所述第二电极与所述至少一条纳米线接触，
其中所述至少一条纳米线具有密集区、次密集区和更次密集区。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述多孔介电材料上设置所述导电材料包括在所述多孔介电材料上设置含铋材料。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，设置所述多孔介电材料包括设置多孔氧化铝。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括形成电连接到所述第一电极的负电荷迹线以及形成电连接到所述第二电极的正电荷迹线。
20.一种电子系统，包括：
外壳内的外部衬底；以及
附连到所述外部衬底的至少一个微电子器件封装件，所述微电子器件封装件至少具有微热电器件，它包括：
第一电极；
紧临所述第一电极的介电材料；
与所述第一电极相对的第二电极，所述介电材料置于所述第一和第二电极之间；以及
在所述第一电极和所述第二电极之间延伸的至少一条纳米线；
与所述外部衬底接口的输入装置；以及
与所述外部衬底接口的显示装置，
其中所述至少一条纳米线具有密集区、次密集区和更次密集区。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述至少一条纳米线包括含铋材料。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述介电材料包括多孔介电材料。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述多孔介电材料包括多孔氧化铝。
24.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述热电器件还包括电连接到所述第一电极的负电荷迹线和电连接到所述第二电极的正电荷迹线。
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