CN101764109B - 用于倒装芯片半导体器件的热电冷却器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于冷却一个集成电路(IC)芯片的热电结构，该热电结构包括了一个第一类型超晶格层和一个第二类型超晶格层，该第一类型超晶格层形成于IC芯片的顶部，并且被连接到一个第一电压，该第二类型超晶格层形成于IC芯片的底部，并且被连接到一个第二电压，第二电压不同于第一电压，其中一个电源电流流经第一类型和第二类型超晶格层，以冷却IC芯片。

Description

用于倒装芯片半导体器件的热电冷却器
技术领域
本发明一般涉及半导体器件的散热，并且特别涉及了采用热电结构和穿透硅通孔(TSV)的冷却装置。
背景技术
随着半导体生产工艺的发展，越来越多的器件可以被集成在一个给定的管芯尺寸上，与此同时，集成电路(IC)可以一个更快的时钟速度(更高的频率)运行。这导致了更高的功率耗散和管芯温度的升高。由于高温造成的迁移率衰减，升高的管芯温度将直接影响IC的性能。从长远角度来看，IC的质量和可靠性也将由于电子迁移和氧化物击穿而受到影响。IC器件的工作寿命将随着管芯温度的升高而按指数规律减少。
IC芯片通常通过风扇，散热片，循环液体或者热电效应进行冷却。风扇，散热片，循环液体通常体积庞大，而且不能有效的减少IC芯片中不均匀的温度分布。此外，循环液体随着时间的推移还存在泄露的问题。热电效应涉及了由于电位造成的温度差异。但是，电力运行本身产生的焦耳发热将破坏热电冷却作用，从而降低冷却效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种有效的采用热电冷却的散热封装系统，它不会产生额外的焦耳加热，易于组装，且占用空间较小。
本发明公开了一种用于冷却集成电路(IC)芯片的热电结构，该热电结构包括第一类型的超晶格层，形成于与第一电压相连的IC芯片的顶部，还包括第二类型超晶格层，形成于与第二电压相连的IC芯片的底部，第二电压和第一电压是不同的，其中一个电源电流流经第一和第二类型超晶格层，以冷却IC芯片。如果第一类型超晶格层是P型的，那么第二类型超晶格层就是N型的，并且有一个接地电源电压被连接到P型的超晶格层，一个高压电源电压被连接到N型超晶格层。
然而，从结合附图的详细实施例的以下说明中可以更好的理解本发明的结构和操作方法以及它的额外的目的和优点。
附图说明
附图及相关说明部分被用以说明本发明的某些方面。通过参考典型而非限制性的由附图所展示的实施例，本发明及其组成和操作系统的更为清晰的概念将得到进一步的明确，其中相同的参考数字(如果它们出现在多于一张剖面图中)代表相同的元件。参考上述结合附图所做的说明，本发明将得到更好的理解。
图1是依据本发明的一个实施例所提供的一种用于一个IC芯片的热电冷却器的横截面示意图。
图2是依据本发明的另一个实施例所提供的一种用于一个倒装芯片的热电冷却器的横截面示意图。
具体实施方式
本发明公开了一个热电冷却系统，它具有一个超晶格冷却结构，并使用芯片的主电源进行散热。依据本发明的热电冷却系统具有倒装芯片封装结构和穿透硅通孔(TSV)技术的优点。
图1是依据本发明的一个实施例所提供的一种用于一个IC芯片100的热电冷却器的横截面示意图。该IC芯片100是一个传统芯片，带有一个衬底102和一个处理层110，该处理层典型包括了多晶硅沉积层和夹在绝缘层之间的金属互连。一个第一超晶格层120位于处理层110的顶部，并通过一个接触116与接地(VSS)平面114相连，该接地平面位于处理层110之中。一个VSS金属层125位于第一超晶格层120之中，为芯片100提供电源。一个第二超晶格层130位于衬底102的底部，并通过多个穿透硅通孔(TSV)106与一个高压电源(VDD)平面112相连，该高压电源平面位于处理层110之中。一个VDD金属层135位于第二超晶格层130的底部，为芯片100提供电源。在芯片100工作期间，主电源电流从VDD金属层135经过第二超晶格层130和TSV106流到VDD平面112，再从VSS平面114经过接触116和第一超晶格层120流出到VSS金属层125。
超晶格层120或者130是一种由多种物质周期性交替而成的多层结构的材料。例如，一个超晶格层可以用分子束外延设备(MBE)生长的Si层和SiGe层实现。依据本发明，第一超晶格层120是P型的，它可以由Bi2Te3和Sb2Te3的交替层所典型构成，这样第一超晶格120的空穴就可以作为冷却剂使用。空穴与电流在同一个方向上移动，例如从第一超晶格层120的底部移动到顶部。因此芯片100所产生的热量将通过第一超晶格120向周围积极消散。另一方面，第二超晶格层130是N型的，可以由Bi2Te3和Bi2Te2.83Se0.17的交替层所典型构成，这样第二超晶格130里的电子可以作为冷却剂使用。电子与电流是反向移动的，例如从第二超晶格130的顶部移动到底部。因此芯片100所产生的热量将通过第二超晶格130向周围积极消散。
在构建芯片100时，本领域的技术人员可以应用在处理层110和第一超晶格层120之间的第一缓冲层(未有标识)，以及在衬底102和第二超晶格层130之间的第二缓冲层(亦未标识)。第一缓冲层的掺杂浓度可以和第一超晶格层120相同，以减少由于处理层110和第一超晶格层120之间的晶格不匹配而造成的应变。相似地，第二缓冲层可以具有和第二超晶格层130相同的掺杂浓度，以减少由于衬底102和第二超晶格层130之间的晶格不匹配而造成的应变。
本领域相关技术人员可以了解，当电流通过由异种材料构成的电路时，例如图1所示的第一和第二超晶格层120和130，热量将会依据珀尔帖(Piltier)效应在一个结被吸收，而在另一个结被释放。本发明的实施例中的芯片100被从顶部和底部进行冷却，这是由芯片的主电源完成的，而不会产生额外的焦耳发热。此外，第一和第二超晶格层120和130可以阻挡周围的热量被穿导到芯片100中，这是由超晶格结构里的热传导率减少和声子局部化等效应造成的。
冷却效率可以由以下的效益指数(Z)的表达式计算得到：
Z = ( Seebeck _ coefficient ) 2 ( elentrical _ conductivity ) ( thermal _ conductivity ) . - - - Eq . 1
在Eq.1中，通过大面积的超晶格层120和130来减少向芯片100供电的主电源的电阻，电传导率得到改进。与此同时，由于超晶格层120和130阻挡了反馈的热量，热传导率也降低了。因此Z和带有上述超晶格结构的芯片100的冷却效率非常高。
图2是依据本发明的另一个实施例所提供的一种用于一个倒装芯片200的热电冷却器的横截面示意图。在倒装芯片200中，超晶格层120和130也是分别位于芯片200的顶部和底部。如前所述，超晶格层120和130为芯片200提供了Z增强作用。因为倒装芯片200里的焊球都位于芯片的一侧，VDD金属层135需要被连接到芯片200的顶部。此处多个TSV 224被用于将VDD金属层135连接到VDD焊球228。多个TSV 224通过在TSV工艺过程中所形成的介质层226实现绝缘。一个VSS焊球208将VSS电压传导到超晶格层120。一个包含在处理层110里的典型的信号线212被连接到一个信号焊球218，这是通过由介质层202所绝缘的TSV 214来连接的。各个焊球被介质层202所绝缘。倒装芯片200展示了图1和图2中的热电冷却结构依据本发明在TSV过程中是非常易于制造的。
上述例图提供了许多不同的实施例或者用以实现本发明的不同特性的实施例。并且描述了组成元件和工艺的具体实施例以帮助阐明本发明。当然，上述实施例并不能限制本发明的权利要求的范畴。
虽然本发明在一个或多个具体实施例中已经被详细描述了，但是上述细节并不能限制本发明的范畴，因为在不脱离本发明的精神和权利要求的等同范畴的情况下，能够进行各种修改和结构变化。因此，应当理解，权利要求应当以与本发明的范畴一致的方式得到充分的解释。

Claims (13)

1.一种用于冷却集成电路(IC)芯片的热电结构，包括：
第一类型超晶格层，形成于与第一电压相连的IC芯片的顶部；和
第二类型超晶格层，形成于与第二电压相连的IC芯片的底部，该第二电压不同于第一电压，
其中一个动态传导电流流经第一类型和第二类型超晶格层，以冷却IC芯片。
2.根据权利要求1的热电结构，其中第一类型超晶格层是P型的，第二类型超晶格层是N型的，且第二电压高于第一电压。
3.根据权利要求1的热电结构，其中第一类型超晶格层是N型的，第二类型超晶格层是P型的，且第二电压低于第一电压。
4.根据权利要求1的热电结构，其中第一类型和第二类型超晶格层被分别连接到IC芯片的第一和第二主电源金属层，其中动态传导电流是IC芯片的电源电流。
5.根据权利要求4的热电结构，其中第一类型超晶格层通过一个或多个穿透硅通孔连接到第一主电源金属层。
6.根据权利要求1的热电结构，进一步包括了形成于第二超晶格层底部的底部金属层，其中第二电压被提供给底部金属层。
7.根据权利要求6的热电结构，进一步包括了一个或多个穿透硅通孔，其将底部金属层连接到一个或多个位于第一超晶格层顶部的焊球。
8.根据权利要求2的热电结构，其中P型超晶格层被连接到IC芯片的一个接地电源(VSS)金属层，N型超晶格层被连接到IC芯片的一个高压电源(VDD)金属层，其中动态传导电流是IC芯片的电源电流。
9.根据权利要求8的热电结构，其中P型超晶格层通过一个或多个穿透硅通孔连接到VSS金属层，其中N型超晶格层通过一个或多个穿透硅通孔连接到VDD金属层。
10.根据权利要求2的热电结构，进一步包括了形成于N型超晶格层底部的底部金属层，其中第二电压被提供给该底部金属层。
11.根据权利要求3的热电结构，其中N型超晶格层被连接到IC芯片的高压电源(VDD)金属层，P型超晶格层被连接到IC芯片的接地电源(VSS)金属层，其中动态传导电流是IC芯片的电源电流。
12.根据权利要求11的热电结构，其中N型超晶格层通过一个或多个穿透硅通孔连接到VDD金属层，其中P型超晶格层通过一个或多个穿透硅通孔连接到VSS金属层。
13.根据权利要求3的热电结构，进一步包括了形成于P型超晶格层底部的底部金属层，其中第二电压被提供给该底部金属层。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8492911B2 (en) * 2010-07-20 2013-07-23 Lsi Corporation Stacked interconnect heat sink
CN102064146A (zh) * 2010-12-03 2011-05-18 北京大学 一种芯片的散热结构
US8441092B2 (en) * 2010-12-06 2013-05-14 Stmicroelectronics Pte. Ltd. Thermoelectric cooler system, method and device
DE102012219661A1 (de) * 2012-10-26 2014-04-30 Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik Individualisierte Spannungsversorgung von Bauelementen integrierter Schaltungen alsSchutzmaßnahme gegen Seitenkanalangriffe
CN103794581B (zh) * 2012-10-29 2016-12-21 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种热电散热装置
CN105247673B (zh) * 2013-06-18 2019-04-12 英特尔公司 集成热电冷却

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1428020A (zh) * 2000-03-06 2003-07-02 恩尼库股份有限公司 能量变换用的热二极管
US20030230332A1 (en) * 2002-04-15 2003-12-18 Research Triangle Institute Thermoelectric device utilizing double-sided peltier junctions and method of making the device
JP2005251917A (ja) * 2004-03-03 2005-09-15 Denso Corp 熱電変換素子
CN101091246A (zh) * 2004-12-27 2007-12-19 英特尔公司 具有内置热电冷却器的微电子组件及其制造方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5452206A (en) * 1991-09-19 1995-09-19 Pacific Bell Method for generating documentation for computer software
US6300150B1 (en) * 1997-03-31 2001-10-09 Research Triangle Institute Thin-film thermoelectric device and fabrication method of same
JP2000299504A (ja) * 1999-04-13 2000-10-24 Sharp Corp 半導体材料およびその製造方法
JP2001007409A (ja) * 1999-06-18 2001-01-12 Daikin Ind Ltd 熱電変換素子
US6614109B2 (en) * 2000-02-04 2003-09-02 International Business Machines Corporation Method and apparatus for thermal management of integrated circuits
US6365821B1 (en) * 2000-07-24 2002-04-02 Intel Corporation Thermoelectrically cooling electronic devices
JP2005506693A (ja) 2001-10-05 2005-03-03 リサーチ・トライアングル・インスティチュート フォノンブロッキング電子伝達低次元構造
US20040018729A1 (en) * 2002-02-11 2004-01-29 Ghoshal Uttam Shyamalindu Enhanced interface thermoelectric coolers with all-metal tips
US8120079B2 (en) * 2002-09-19 2012-02-21 Quantum Semiconductor Llc Light-sensing device for multi-spectral imaging
US6981380B2 (en) * 2002-12-20 2006-01-03 Intel Corporation Thermoelectric cooling for microelectronic packages and dice
SE526006C2 (sv) * 2003-04-29 2005-06-14 Senseair Ab Behandlat tunnfilmssubstrat
US7638705B2 (en) * 2003-12-11 2009-12-29 Nextreme Thermal Solutions, Inc. Thermoelectric generators for solar conversion and related systems and methods
US7196411B2 (en) 2004-09-17 2007-03-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Heat dissipation for chip-on-chip IC packages
JP4796868B2 (ja) * 2006-03-01 2011-10-19 エヌイーシーコンピュータテクノ株式会社 電子回路構造、該構造を備える電子機器、熱起電力発生方法、補助電力発生方法、及び半導体ベアチップ
WO2007103249A2 (en) * 2006-03-03 2007-09-13 Nextreme Thermal Solutions Methods of forming thermoelectric devices using islands of thermoelectric material and related structures
KR100729362B1 (ko) 2006-04-27 2007-06-15 삼성전자주식회사 내부 회로에 직접 연결된 방열 장치를 구비하는 반도체패키지 및 이를 제조하는 방법
US9209375B2 (en) * 2007-07-20 2015-12-08 California Institute Of Technology Methods and devices for controlling thermal conductivity and thermoelectric power of semiconductor nanowires
US8005326B2 (en) * 2008-07-10 2011-08-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Optical clock signal distribution using through-silicon vias

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1428020A (zh) * 2000-03-06 2003-07-02 恩尼库股份有限公司 能量变换用的热二极管
US20030230332A1 (en) * 2002-04-15 2003-12-18 Research Triangle Institute Thermoelectric device utilizing double-sided peltier junctions and method of making the device
JP2005251917A (ja) * 2004-03-03 2005-09-15 Denso Corp 熱電変換素子
CN101091246A (zh) * 2004-12-27 2007-12-19 英特尔公司 具有内置热电冷却器的微电子组件及其制造方法

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Publication number Publication date
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