CN101533847A - 具有热电致冷散热功能的整合型芯片 - Google Patents

具有热电致冷散热功能的整合型芯片 Download PDF

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CN101533847A CN200810085703A CN200810085703A CN101533847A CN 101533847 A CN101533847 A CN 101533847A CN 200810085703 A CN200810085703 A CN 200810085703A CN 200810085703 A CN200810085703 A CN 200810085703A CN 101533847 A CN101533847 A CN 101533847A
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王威
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Abstract

一种具有热电致冷散热功能的整合型芯片,包括衬底、多个微电子元件以及多个散热单元。衬底的表面设有功能运算区与至少一个散热区,其中散热区相邻于功能运算区。这些微电子元件设置于功能运算区中,而散热单元是沿着功能运算区的至少一个边缘被设置于散热区中。各散热单元包括相连接的P型热电元件与N型热电元件,并且散热单元的N型热电元件是连接至相邻的散热单元的P型热电元件。当电流依次通过这些散热单元时,散热单元于接近功能运算区的一侧形成多个吸热端,而于远离功能运算区的另一侧形成多个放热端,由此降低这些微电子元件的温度。

Description

具有热电致冷散热功能的整合型芯片
技术领域
本发明涉及一种整合型芯片,并且特别是涉及一种具有热电致冷散热(热电制冷)功能的整合型芯片。
背景技术
随着各种电子装置的效能提高,电子装置内部的产热量也相对增加,尤其是对于具有高速运算芯片的装置而言,散热机制更为重要。
以中央处理器(CPU)为例,当处理器的速度与效能提升时,较高的工作频率与工作电压将使得处理器的温度急速升高。目前,大多是在处理器上增加散热器(热沉,heat sink)的散热面积来提高传热效果,以维持处理器的正常运行。然而,散热器大多占有一定的体积,并且大多需以扣件或螺丝固定,此外,也必须在散热器与处理器之间涂布散热膏以使二者紧密接触。
对于如何有效地将芯片散热机制达到最佳化状态确实是值得探讨的问题。
发明内容
本发明涉及一种具有热电致冷散热功能的整合型芯片,该整合型芯片本身具有主动散热功能,因而可广泛地制作成各种不同功能的芯片。
本发明提供了一种热电致冷散热功能的整合型芯片,该整合型芯片包括衬底(基板)、多个微电子元件以及多个散热单元。衬底的表面设有功能运算区与至少一个散热区,其中散热区相邻于功能运算区。这些微电子元件设置于功能运算区中,并且将这些散热单元沿着功能运算区的至少一个边缘设置于散热区中。各散热单元包括相连接的P型热电元件(thermoelectric element)与N型热电元件,并且将散热单元的N型热电元件连接至相邻的散热单元的P型热电元件。当电流依次通过这些散热单元时,散热单元在接近功能运算区的一侧形成多个吸热端,而在远离功能运算区的另一侧形成多个放热端,由此降低这些微电子元件的温度。
根据本发明的整合型芯片,还包括:第一电力驱动线;第二电力驱动线;以及其中,该开关元件还用以将该P型热电元件连接至该第一电力驱动线,以及用以将该N型热电元件连接至该第二电力驱动线。
根据本发明的整合型芯片,还包括:多个第一导电元件,分别用以连接各该散热单元的P型热电元件与N型热电元件;以及多个第二导电元件,分别用以连接各该散热单元的N型热电元件与相邻散热单元的P型热电元件。
根据本发明的整合型芯片,其中,该第一导电元件位于该放热端,该第二导电元件位于该吸热端。
根据本发明的整合型芯片,其中,该第一导电元件各包括第一导电体与第二导电体,该第一导电体对应于所处放热端的该P型热电元件,该第二导电体对应于所处放热端的该N型热电元件,并且该第一导电体与该第二导电体具有间隙。
根据本发明的整合型芯片,其中,该散热单元以阵列的形式设置于该散热区中,该开关元件用以连接任意两个相邻列的散热单元,或是同一行中相邻的两个散热单元。
根据本发明的整合型芯片,还包括:至少一个感测单元,设置于该衬底上,用以感测该散热区的温度;以及控制单元,连接至该至少一个感测单元以及该开关元件,该控制单元用以当该感测单元检测到该散热区的温度变化时,选择性地致动该开关元件。
根据本发明的整合型芯片,其中,该开关元件各为半导体元件。
根据本发明的整合型芯片,其中,该功能运算区具有至少一个弧形边缘,该散热单元沿着该弧形边缘设置于该散热区中。
根据本发明的整合型芯片,其中,该微电子元件包括至少一个半导体元件。
本发明还提供了另一种热电致冷散热功能的整合型芯片,其包括衬底、多个微电子元件以及多个热电元件。衬底的表面设有功能运算区与至少一个散热区,其中散热区相邻于功能运算区。这些微电子元件设置于功能运算区中。将热电元件沿着功能运算区的至少一个边缘设置于散热区中。当将电流供给至这些热电元件时,热电元件在接近功能运算区的一侧形成多个吸热端,并且在远离功能运算区的另一侧形成多个放热端,由此降低微电子元件的温度。
根据本发明的整合型芯片,其中,该热电元件为P型热电元件。
根据本发明的整合型芯片,其中,该热电元件为N型热电元件。
根据本发明的整合型芯片,其中,该热电元件以并联的方式电连接。
根据本发明的整合型芯片,其中,该热电元件以串联的方式电连接。
为了使本发明的上述内容能更明显易懂,下文特举优选实施例,并结合所附附图作详细说明如下:
附图说明
图1A示出了根据本发明实施例1的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图。
图1B示出了图1A的整合型芯片沿着B-B’切线的剖面图。
图1C示出了图1A的散热区局部的示意图。
图2示出了实施例1的散热单元以阵列形式设置于散热区的示意图。
图3A、图3B示出了一列散热单元的放热端延伸至相邻列散热单元的吸热端的示意图。
图4A示出了第一导电元件延伸至绝缘层外的剖面图。
图4B示出了第一导电元件具有鳍状结构的剖面图。
图5示出了根据本发明实施例2的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的散热区局部的示意图。
图6示出了图5部分的散热单元被导通的示意图。
图7示出了实施例2的散热单元以阵列形式设置于散热区的示意图。
图8示出了根据本发明实施例3的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图。
图9示出了根据本发明实施例4的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图。
图10示出了N型热电元件之间以串联的方式结合的示意图。
具体实施方式
实施例1
参照图1A至图1C,图1A示出了根据本发明实施例1的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图,图1B示出了图1A的整合型芯片沿着B-B’切线的剖面图,图1C示出了图1A的散热区局部的示意图。如图1A、图1B所示,本实施例的整合型芯片100包括衬底110、多个微电子元件120以及多个散热单元130。衬底110的表面设有功能运算区112与至少一个散热区,其中散热区相邻于功能运算区112。本实施例是以两个对称并且相邻于功能运算区112的散热区114、116作说明。微电子元件120设置于功能运算区112中。微电子元件120例如包括半导体元件,其可以是晶体管、电阻元件、电容元件、二极管等其中之一或任意组合。散热单元130沿着功能运算区112的边缘设置于散热区114、116中。如图1C所示,各散热单元130包括相连接的P型热电元件与N型热电元件,并且散热单元130的N型热电元件被连接至相邻的散热单元130的P型热电元件。散热单元130例如被成横列地设置于散热区114(或散热区116)中。
各散热单元130的P型热电元件与N型热电元件的材质例如是具有高热电优值的半导体材料、半金属元素或化合物。当在两种不同热电元件接合成的线路上通以电流时,如果其中一个接点放热,则另一个接点会产生吸热的情形。所以,当电流依次通过这些散热单元130时,散热单元130在接近功能运算区112的一侧会形成多个吸热端130A,而在远离功能运算区112的另一侧会形成多个放热端130B。这样,如图1B中的箭头所示,功能运算区112中的微电子元件120所产生的热量将会沿两个散热区114、116的方向被带走,由此降低功能运算区112中微电子元件120的温度。
如图1C所示,整合型芯片100包括多个第一导电元件141与多个第二导电元件142,其中,第一导电元件141用以连接各散热单元130的P型热电元件与N型热电元件,而第二导电元件142用以连接各散热单元130的N型热电元件与相邻散热单元130的P型热电元件。此外,第一导电元件141位于放热端130B,而第二导电元件142位于吸热端130A。由于第一导电元件141位于放热端130B,优选地,可使第一导电元件141具有较大的体积,以加快整合型芯片100的自行散热的速度。第一导电元件141与第二导电元件142的材质例如是金、铜等具有导电性的材料。
另外,除了如图1C所示仅设置单列的P型热电元件与N型热电元件,也可使热电元件具有更大的分布范围以及其它的排列方式。参照图2,其示出了实施例1的散热单元以阵列形式设置于散热区的示意图。如图2所示,散热单元130是以阵列的形式排列于散热区中的,其中,一列散热单元130的放热端130B邻近于相邻列散热单元130的吸热端130A,也就是列与列之间的放热端130B上的第一导电元件141是对应于吸热端130A上的第二导电元件142设置的。如此,功能运算区112的热量除了被导引至散热区114、116,并且将由散热区114、116被导引到衬底110外,以有效地将芯片100的温度降低。
参照图3A、图3B,其示出了一列散热单元的放热端延伸至相邻列散热单元的吸热端的示意图。优选地,位于列与列之间的放热端的第一导电元件具有延伸至相邻的吸热端的延伸部。如图3A所示,位于两列散热单元130间的第一导电元件141’是T形结构,其具有延伸至相邻的第二导电元件142处的延伸部141A’,然而二者并不接触。另外,如图3B所示,第一导电元件141’的延伸部141A”也可为三角形。
参照图4A,其示出了第一导电元件延伸至绝缘层外的剖面图。优选地,衬底110在工艺中会被覆盖绝缘层150以保护衬底110上的微电子元件120以及散热单元130的P型热电元件与N型热电元件,所以,可将放热端130B(见图1C)的第一导电元件141延伸至绝缘层150外以形成凸出端141C,该凸出端141C用以与外界大气接触以将热逸散至芯片100外。
另外,参照图4B,其示出了具有鳍状结构的第一导电元件的剖面图。第一导电元件141在延伸至绝缘层150外的凸出端141C’优选为鳍状结构。鳍状结构的设计加大了凸出端141C’与外界接触的面积,如此可更加快速地将温度降低。
由于微电子元件120包括半导体元件,并且各散热单元130的P型热电元件与N型热电元件可通过半导体材料制作,此外,散热单元130与微电子元件120同样设置于衬底110的表面,所以,整合型芯片100上的各个散热单元130与导电元件141、142的工艺可整合于微电子元件120的工艺(半导体工艺)中。并且仅需要根据微电子元件120的种类,以及适当安排P/N型热电元件与导电元件141、142的制作次序,便可在微电子元件120的工艺中将散热单元130与导电元件141、142一起制作完成。这样,制作完成的整合型芯片即具有自身散热的效果,并且不会增加额外的工艺费用。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于:实施例2的整合型芯片可调整其本身散热区的大小,所以对于相同的元件部分将不再赘述。参照图5,其示出了根据本发明实施例2的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的散热区局部的示意图。本实施例2的整合型芯片在散热区214中还包括多个开关元件260(为了简化图示,仅示出出开关元件260(1)至260(15)),这些开关元件260连接任意两个相邻的P型热电元件与N型热电元件,用以选择性地导通或切断不同散热单元230(仅示出散热单元230(1)至230(4))之间的连接,由此调整散热区214的散热范围。在此,部分的开关元件260被连接于散热单元230的P型热电元件与N型热电元件,部分的开关元件260被连接于散热单元230的N型热电元件与相邻散热单元230的P型热电元件。开关元件260可为半导体元件,其例如是具有1/0开关特性的晶体管,在施加适当电压的条件下可产生导通的情形。
另外,将各个散热单元230的P型热电元件连接至第一电力驱动线271,而将N型热电元件连接至第二电力驱动线272。将部分的开关元件260连接于P型热电元件与第一电力驱动线271之间,而将部分的开关元件260连接于N型热电元件与第二电力驱动线272之间。在本实施例中,电流方向例如是由第一电力驱动线271流至各散热单元,并由第二电力驱动线272流出。
位于放热端的第一导电元件241(仅示出第一导电元件241(1)至241(4))各具有第一导电体2411与第二导电体2412,其中,第一导电体2411连接至P型热电元件,第二导电体2412连接至N型热电元件,并且第一导电体2411与第二导电体2412之间具有间隙。
参照图6,其示出了图5中部分的散热单元被导通的示意图。当开关元件260(5)、260(6)、260(8)、260(10)及260(11)导通时,第一电力驱动线271、散热单元230(2)、230(3)与第二电力驱动线272会形成一个回路。此时,回路各接点之间会产生吸热与放热的情形。由于仅有散热单元230(2)、230(3)被导通,热将由放热端的第一导电元件241(2)、241(3)排出,所以散热区214局部地具有散热功能。这样,通过开关元件260的设置可以根据需求来调整散热区214的范围。
参照图7,其示出了实施例2的散热单元以阵列形式设置于散热区的示意图。散热单元230以阵列形式排列成第1列散热单元230R1至第N列散热单元230RN。开关元件260设置于任意两个相邻的P型热电元件与N型热电元件之间、P型热电元件与第一电力驱动线271之间、N型热电元件与第二电力驱动线272之间等位置。通过适当地导通所选定位置的开关元件260,便可决定散热区214的散热范围。
在列与列之间的第一导电元件,例如第1列散热单元230R1的放热端的第一导电元件241’可设计为具有延伸至第2列散热单元230R2的吸热端的延伸部241A’。对于第N列散热单元230RN(位于最外列)的第一导电元件241,其可具有较大的体积以增加与外界接触的面积。
优选地,本实施例的整合型芯片可搭配有控制单元(或称为驱动电路)与感测单元以更加弹性地调控散热区214的散热机制。控制单元与感测单元可制作于整合型芯片的衬底上,其中,感测单元用以感测散热区214的温度,控制单元则连接至感测单元以及前述所有的开关元件260。所以,当感测单元检测到散热区214的温度变化时,控制单元可以选择性地致动开关元件260,以调控散热区214的散热范围。举例来说,当感测单元检测到功能运算区局部产生高温时,控制单元可通过控制开关元件来开启对应该高温区域的散热单元以执行散热功能。
值得一提的是,由于热电材料自身即具有温差与电信号的互相可逆反应,所以可在散热区214中最靠近功能运算区的至少一个散热单元中多设置两组开断路开关,再将这两组开断路开关与感测电路连接。当该散热单元与原先的控制单元、外围的散热单元互为断路时,并且与感测电路形成通路时,则该散热单元即转变为感测单元而可提供温度感测的功能。
实施例3
实施例3的整合型芯片与实施例1的不同的处在于功能运算区的轮廓与散热区的设置,所以相同的部分将不再赘述。参照图8,其示出了根据本发明实施例3的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图。整合型芯片300的衬底310上的功能运算区312具有弧形边缘,所以位于散热区314中的散热单元330沿着该弧形边缘配置。散热单元330在接近功能运算区312的一端为吸热端(冷端),而在远离功能运算区312的另一端则为放热端(热端),由此热从衬底310内向衬底310外的方向逸散。
在其它实施例中,可根据芯片性能或结构条件等限制而具有其它不同的边缘形状来设计功能运算区,只要将散热单元设置于功能运算区的外围,均属于本发明的范畴。
实施例4
参照图9,其示出了根据本发明实施例4的具有热电致冷散热功能的整合型芯片的示意图。整合型芯片400包括衬底410、多个微电子元件420以及多个热电元件。衬底410的表面设有功能运算区412与至少一个散热区414,其中散热区414相邻于功能运算区412。热电元件沿着功能运算区412的至少一个边缘设置于散热区414中。当将电流供给至这些热电元件时,热电元件在接近功能运算区412的一侧形成多个吸热端,并且在远离功能运算区412的另一侧形成多个放热端,由此降低微电子元件420的温度。
如图9所示,这些热电元件为N型热电元件。此外,将N型热电元件之间以并联的方式电连接起来。当电流通入时,在N型热电元件的下方会产生吸热效果而形成冷端,并且在N型热电元件的上方会产生散热效果而形成热端,使热由功能运算区412向散热区414(或向外)的方向逸散,所以整合型芯片400本身即具有热电致冷的散热功能。
这些N型热电元件之间也可以通过串联的方式结合起来,参照图10。此外,虽然本实施例是以N型热电元件为例作说明,然而在其它实施例中,也可以使用P型热电元件。P型热电元件之间同样可通过并联或串联的方式电连接。
本发明的上述实施例所披露的具有热电致冷散热功能的整合型芯片,可为各种不同功能的芯片,特别是可提供高速运算或是高功率运行的芯片,如计算器的中央处理器(CPU)或液晶显示器的源极驱动芯片(Source Driver IC)等,并可搭配例如引线接合(wirebonding)、球栅阵列(BGA)或覆晶(薄膜覆晶封装,COF)等封装技术。本发明的整合型芯片是将散热单元直接整合于芯片的衬底上,使芯片本身即具有主动散热的功能。将散热单元是沿着芯片的功能运算区外围设置,以将芯片上产生的热导引至芯片外。由于散热单元的P/N型热电元件可在芯片上微电子元件的工艺中制作出来,并不会额外增加工艺成本。另外,还可将散热单元以阵列的形式排列,以便提供一维或二维的芯片散热效果,也可更加弹性地调控散热区的散热范围。此外,本发明所披露的具有电致散热功能的整合型芯片,其内部散热单元的设计除了前述的P/N组合实施之外,还可选用单一N或P型的热电材料以提供芯片散热目的。这种方式主要是将多个同为P型或N型的热电材料并联或串联起来,并施加电流,同样可使热电材料一端为热端而另一端为冷端,由此产生吸热放热的现象。
综上所述,虽然已经以优选的实施例披露如上,然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,应当可作出各种更改与变化。因此,本发明的保护范围应当以随后所附的权利要求所界定的范围为准。
主要元件符号说明
100、300、400                整合型芯片
110、310、410                衬底
112、312、412                功能运算区
114、116、214、314、414      散热区
120、420                     微电子元件
130、230、330                散热单元
130A                         吸热端
130B                         放热端
141、141’、241、241’       第一导电元件
141A’、141A”、241A’       延伸部
141C、141C’                 凸出端
142                    第二导电元件
150                    绝缘层
230R1、230R2、230RN    第1、2、N列散热单元
260开关元件            271第一电力驱动线
272第二电力驱动线      2411第一导电体
2412第二导电体         PP型热电元件
N N型热电元件。

Claims (10)

1.一种具有热电致冷散热功能的整合型芯片,包括:
衬底,所述衬底的表面设有功能运算区与至少一个散热区,所述散热区相邻于所述功能运算区;
多个微电子元件,设置于所述功能运算区中;以及
多个散热单元,沿着所述功能运算区的至少一个边缘设置于所述散热区中,各所述散热单元包括相连接的P型热电元件与N型热电元件,并且各所述散热单元的N型热电元件连接至相邻的散热单元的P型热电元件;
其中,当电流依次通过所述散热单元时,所述散热单元在接近所述功能运算区的一侧形成多个吸热端,并且在远离所述功能运算区的另一侧形成多个放热端,由此降低所述微电子元件的温度。
2.根据权利要求1所述的整合型芯片,还包括:
多个第一导电元件,分别用以连接各所述散热单元的P型热电元件与N型热电元件;以及
多个第二导电元件,分别用以连接各所述散热单元的N型热电元件与相邻的散热单元的P型热电元件。
3.根据权利要求2所述的整合型芯片,其中,所述第一导电元件位于所述放热端,而所述第二导电元件位于所述吸热端。
4.根据权利要求3所述的整合型芯片,其中,所述散热单元以阵列的形式设置于所述散热区中,并且一列的散热单元的所述放热端的所述第一导电元件邻近于相邻列的散热单元的所述吸热端的所述第二导电元件。
5.根据权利要求4所述的整合型芯片,其中,位于列与列之间的所述放热端的所述第一导电元件各具有延伸至相邻的吸热端的延伸部。
6.根据权利要求5所述的整合型芯片,其中,所述第一导电元件各为T形结构。
7.根据权利要求3所述的整合型芯片,其中,所述第一导电元件在未连接所述P型热电元件与所述N型热电元件的一侧各具有鳍状结构。
8.根据权利要求3所述的整合型芯片,还包括:
绝缘层,覆盖于所述P型热电元件与所述N型热电元件上,并使所述P型热电元件与所述N型热电元件隔离开来,并且所述第一导电元件暴露于所述绝缘层外。
9.根据权利要求1所述的整合型芯片,还包括:
多个开关元件,分别连接任意两个相邻的P型热电元件与N型热电元件,所述开关元件用以选择性地导通或切断所述散热单元,由此以调整所述散热区的散热范围。
10.一种具有热电致冷散热功能的整合型芯片,包括:
衬底,所述衬底的表面设有功能运算区与至少一个散热区,所述散热区相邻于所述功能运算区;
多个微电子元件,设置于所述功能运算区中;以及
多个热电元件,沿着所述功能运算区的至少一个边缘设置于所述散热区中;
其中,当将电流供给至所述热电元件时,所述热电元件在接近所述功能运算区的一侧形成多个吸热端,并且在远离所述功能运算区的另一侧形成多个放热端,由此降低所述微电子元件的温度。
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