CN102856278A - 转接板结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转接板结构，包括衬底、贯穿所述衬底的电学互连通孔和热电制冷单元。其中热电制冷单元包括交替串联连接的至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件。N型热电元件和P型热电元件分别为N型热电材料和P型热电材料构成的电学互连通孔，其由衬底的相对的第一表面和第二表面上的图形化的导电材料层串联。电学互连通孔也由N型热电材料构成或者由P型热电材料构成。相应地，还提供了一种该转接板结构的制造方法。这种同时实现通孔电互连和热电制冷的转接板结构和方法，互连线间距短，体积小，集成度高，工艺简单，散热效率可控，可解决三维多芯片堆叠结构互连和散热，特别是封装体局部热量集中的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造、微电子封装和三维集成技术领域，特别涉及一种包含热电制冷组件的转接板结构及其实现方法，具体为一种可同时实现通孔互连和可控散热的转接板结构及其实现方法。
背景技术
随着微电子芯片高速度、高密度、高性能的发展，热管理成了微系统封装中的一个非常重要的问题。在高性能计算机中，例如服务器、大型机和超级电脑，多芯片组件的散热将会直接影响计算机的设计性能和操作性能，而造成系统失效的往往又是局部热量集中而引起的热点（hotspot），因此，微电子封装中的散热问题一直是封装设计的关键技术之一。另外，垂直导通孔是一种嵌入在半导体衬底内部的导电通道，通过减薄半导体衬底将其背端露出，可以构成贯穿半导体芯片的电连接，将信号从半导体芯片的一面传导至半导体芯片的另一面，并通过结合芯片堆叠技术，实现多层半导体芯片的三维集成。与传统的引线键合技术相比，使用垂直导通孔可以有效缩短芯片间互连线的长度，从而提高电子系统的信号传输性能和工作频率，是未来半导体技术发展的重要方向。随着垂直通孔转接板技术的发展，多芯片堆叠技术已成为目前很多国际大公司和科研单位的研究热点，而芯片堆叠的层数越多，其热阻就越大，散热的问题就越突出，还往往会出现局部热点问题而影响器件的性能。
电子封装中所采用的散热方法一般包括空气自然对流、空气强迫对流、液体冷却、热管冷却、蒸发、喷射冷却和热电制冷等。空气强迫对流是散热成本最低最常用的散热方式，但是由于受制于风冷原理自身,散热效果的改善是较小的。液冷对制作工艺以及材料的要求比较苛刻，对散热通道的工艺性，可靠性要求很高，现有的一些技术还不成熟，成本比较高。一些液体对焊球腐蚀以及电连接的影响，一定程度上降低了芯片整体的可靠性。兼顾复杂程度、成本、散热效果三方面考虑,热电制冷技术是一种行之有效且简单易行的降温的方法。
热电制冷又称作半导体制冷，是利用热电效应（即帕米尔效应）工作的一种制冷方法，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。单个热电偶产生的制冷量很小，把多个热电偶对在电路上串起来形成制冷热电堆，可以得到较高的制冷系数。热电制冷的优点是无噪音、无磨损、可靠性高、灵活性强、无污染等。重掺杂的N型和P型的碲化铋是用作热电致冷器（ThermoElectric Cooler，TEC）的主要半导体材料。
目前微电子芯片散热方法的研究大多是采用散热片（heat spreader），导热孔或者传导性很好的热界面材料（TIM）等，对于热电制冷单元用于微系统封装散热的也多集中在表面粘附，很少有埋入的。Intersil corporation的Nirmal K.Sharma的专利“Package for integrated circuit with thermal vias andmethod thereof”（专利号：US006861283B2）中，基板中添加导热孔进行散热，将芯片或模块的散热问题转移到印刷电路板PCB，具有结构简单易实现的特点，但效率较低。IBM的Louis Lu-Chen Hsu等人在“Thermoelectric 3dcooling”（公开（公布）号：US 7893529B2）中，通过在一个芯片的一面采用薄膜技术制作TEC结构后粘到第二个芯片，从而形成三明治的结构实现多芯片堆叠，并通过电流方向来控制制冷和加热芯片。这种方法制作的TEC体积小，能分别实现升温和降温，对特殊场合的芯片有很大的意义，但这也是限制，限制两个芯片必须一个升温，一个降温。AMD的Charles R.Mathews等人在“Integrated circuit cooling device”（公开（公布）号：US6800933B 1）中提出了一种用TEC对晶体管进行散热的结构以及在半导体衬底上制作TEC单元的一种方法。英特尔公司的M.法拉哈尼等人在“Thermoelectric 3d cooling”（公开（公布）号：CN 101091246A）中，提出了一种在芯片表面通过薄膜工艺制作TEC结构散热的方法和制作TEC的工艺，该方法的缺点是还需要组装到PCB或者基板上，这样会增大整个封装体的空间。
发明内容
本发明目的在于为了同时实现转接板垂直通孔和可控散热的结构和制作方法，提供一种新的芯片或模块散热的结构，将热电制冷组件与电学互连通孔同时制作在转接板中，实现了系统级封装板，不但提高了系统的散热效率，还提高了系统功能的可靠性，同时使系统更高密度化和微小型化，改善信号传输的性能，降低了生产成本。
为达到上述目的，本发明提供了一种转接板结构，包括衬底、贯穿所述衬底的电学互连通孔和热电制冷单元。
其中热电制冷单元包括交替串联连接的至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件。N型热电元件和P型热电元件分别为N型热电材料和P型热电材料构成的电学互连通孔，其由衬底的相对的第一表面和第二表面上的图形化的导电材料层串联。电学互连通孔也由N型热电材料构成或者由P型热电材料构成。
N型热电元件和P型热电元件的材料可以为Bi2Te3、BiSb、PbTe或SiGe，N型热电元件掺杂元素为磷、砷、锑、铋、硒或碲，P型热电元件掺杂元素为硼、铝、镓或铟。
所述电学互连通孔的材料可以Bi2Te3、BiSb、PbTe或SiGe，具有N型或P型掺杂类型，N型掺杂元素为磷、砷、锑、铋、硒或碲，P型掺杂元素为硼、铝、镓或铟。
相应地，本发明还提供了一种转接板结构的制造方法：
a）提供衬底，所述衬底具有相对的第一表面和第二表面，从第一表面刻蚀衬底，形成多个盲孔；
b）形成填充盲孔和覆盖衬底第一表面的绝缘层；
c）在第一表面上与盲孔对应的位置去除部分绝缘层，形成通路孔；
d）在部分通路孔中填充N型热电材料形成N型热电元件，在剩余通路孔中填充P型热电材料形成P型热电元件；
e）在所述第一表面上形成电学连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层；
f）从所述第二表面对衬底进行减薄，暴露N型热电元件和P型热电元件的底部；
g）在所述第二表面上形成电学连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层，
其中，所述衬底的第一表面上和第二表面上的导电材料层使得N型热电元件和P型热电元件交替串联连接，形成热电制冷单元。
本发明的特点是具有可控的制冷效率、灵活的制冷位置、简单的工艺步骤以及高的生产率，整个工艺采用的都是成熟的半导体工艺，最终能同时实现垂直通孔互连和可控散热的转接板结构。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的转接板的制造方法的一个具体实施方式的流程图。
图2~15是根据本发明实施例的制造方法制造转接板的各个工艺步骤的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
下面首先对本发明提供的转接板结构进行概述，请参考图14。该结构包括衬底101、贯穿所述衬底的电学互连通孔118和热电制冷单元120。热电制冷单元120包括交替串联连接的至少一个N型热电元件104和至少一个P型热电元件106（图中示例示出各两个）。N型热电元件104和P型热电元件106分别为N型热电材料和P型热电材料构成的电学互连通孔，其由衬底的相对的第一表面101-1和第二表面101-2上的图形化的导电材料层108-1和111-1串联。
电学互连通孔118也由N型热电材料构成或者由P型热电材料构成。如图所示，衬底包括供电学互连通孔118穿过的贯穿孔，所述贯穿孔和电学互连通孔之间具有绝缘材料。衬底与第一表面101-1上的图形化的导电材料层108之间具有绝缘层102，电学互连通孔118贯穿所述绝缘层。在其他实施例中，衬底与第二表面101-2上的图形化的导电材料层111之间也可以具有绝缘层，电学互连通孔118贯穿该绝缘层。
下面结合图2~图15对图1所示的本发明实施例提供的转接板结构的制造方法的步骤进行介绍。
步骤S101，提供衬底101，所述衬底具有相对的第一表面101-1和第二表面101-2，如图2所示，从第一表面101-1刻蚀衬底，形成多个盲孔100，如图3所示。
所述衬底的材料是硅、锗、锗硅或砷化镓，其厚度为400~800μm范围。
形成盲孔的方法包括湿法腐蚀、干法RIE刻蚀或激光烧蚀。在衬底材料是硅的情况下，优选深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching,DRIE）的方式，这种方式可以获得深宽比较大的孔或槽结构，有助于获得陡直的垂直盲孔。
步骤S102，如图4所示，形成填充盲孔100和覆盖衬底第一表面101-1的绝缘层102。所述绝缘层102的材料是氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、有机聚合物中的一种或多种组合。形成绝缘层102的方法是热氧化、化学汽相沉积（CVD）、旋涂烘烤中的一种或多种组合。
步骤S103，在第一表面101-1上与盲孔对应的位置去除部分绝缘层，形成通路孔。如图5所示，在与盲孔对应的位置，刻蚀盲孔100上方以及盲孔100内的绝缘层102，形成通路孔。同时保留盲孔100侧壁上的绝缘层。具体的刻蚀方法为湿法腐蚀、干法刻蚀。可选地，绝缘层102是光敏聚合物材料可以直接进行曝光显影获得刻蚀图形。
步骤S104，在部分通路孔中填充N型热电材料形成N型热电元件104，在剩余通路孔中填充P型热电材料形成P型热电元件106。如图6所示，通过掩模版103遮挡，在部分盲孔中填充N型热电材料，形成N型热电元件104。N型热电元件的材料为Bi、Te的合金或者其他热电材料，如Bi2Te3或BiSb，或者PbTe或SiGe，通过掺杂磷、砷、锑、铋、硒、碲等元素形成N型掺杂的热电元件104。填充N型热电材料的方法为化学气相淀积（CVD）或物理气相淀积（PVD）。
如图7所示，通过掩模版105遮挡，在未被填充的剩余盲孔中填充P型热电材料，形成P型热电元件106。P型热电元件的材料为Bi、Te的合金或者其他热电材料，如Bi2Te3或BiSb，或者PbTe或SiGe，通过掺杂硼、铝、镓、铟等元素形成P型掺杂的热电元件106。填充P型热电材料的方法为化学气相淀积（CVD）或物理气相淀积（PVD）。
图8所示是本发明实施例提供的转接板结构及其制造方法在通孔内绝缘层中刻蚀后分别填充N型热电材料和P型热电材料之后的俯视结构示意图。特别地，重掺杂的N型或P型热电元件都具有良好的导电性，图8中，一部分N型和P型热电元件用于制作热电制冷单元，另一部分则作为电学互连通孔。
步骤S105，在所述第一表面上形成电学连接N型热电元件104和P型热电元件106的图形化的导电材料层。如图9所示，首先在衬底101第一表面上沉积一层介质层107，所述介质层107的材料是氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、有机聚合物中的一种或多种组合，通过热氧化、化学汽相沉积（CVD）、旋涂烘烤中的一种或多种组合的方法形成在衬底上。然后，如图10所示，对所述介质层107进行图形化。所述介质层107的图形化刻蚀可以选择湿法腐蚀、干法刻蚀或者光敏材料直接曝光显影的方式。具体的，如果选用的介质层材料为氧化硅，采用反应离子刻蚀（Reactive IonEtching,RIE）的方式，以获得更好的线条定义。
串联连接的N型热电元件和P型热电元件加电后可以形成帕尔贴效应，具有一端制冷，一端吸热的效果，从而形成热电制冷单元。串联通过在第一表面和第二表面上的图形化的导电材料层共同实现。因此，所用掩模图形对应衬底第一表面上的电路结构的图形和串联连接N型热电元件和P型热电元件所需的第一表面上的导电材料层图形。如图11所示，在衬底第一表面上形成图形化的电路结构108-2和串联连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层108-1，所用的材料例如为金属铜，采用常规金属连线制作工艺进行。
步骤S106，从所述第二表面对衬底进行减薄，暴露N型热电元件104和P型热电元件106的底部。如图12所示，将衬底临时键合到承载板109上，临时键合用的材料是聚酰亚胺、苯并环丁烯、导热硅脂等有机材料。衬底的第一表面101-1与承载板109粘合。所述承载板的材料为硅、锗、锗硅、砷化镓或玻璃。随后，对衬底的第二表面101-2进行减薄，露出N型热电元件104和P型热电元件106的底部，减薄的方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、化学机械抛光及其组合。
步骤S107，在所述第二表面上形成电学连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层，其中，所述衬底的第一表面上和第二表面上的导电材料层使得N型热电元件和P型热电元件交替串联连接，形成热电制冷单元。具体地，首先在衬底第二表面上沉积一层背面介质层110，介质层110可以是氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、有机聚合物中的一种或多种组合，制作方法是热氧化、化学汽相沉积（CVD）、旋涂烘烤中的一种或多种组合。随后，对背面介质层110进行图形化，具体方法是湿法腐蚀、干法刻蚀或者光敏材料直接曝光显影的方式。如果选用的背面介质层110材料为氧化硅，采用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching,RIE）的方式，以获得更好的线条定义。所用掩模图形对应背面图形化电路结构的线条图形和串联连接N型热电元件和P型热电元件的所需的图形化的导电材料层的图形。然后，沉积金属层，形成N型热电元件和P型热电元件的电学连接111-1，以及图形化的电路结构111-2，如图13所示。图形化的导电材料层111-1和111-2的材料优选为金属铜，采用常规布线工艺制作。
如图14所示，最后去掉承载板109，形成包含电学互连通孔和热电制冷单元120的转接板结构。图15是电学互连通孔和热电制冷单元120的转接板结构的俯视结构示意图。其中金属布线层只显示了热电制冷单元组件部分的串联金属互连线，图形化的导电材料层108-1和111-1分别是热电制冷单元在衬底第一、第二表面上的金属连线，通孔互连部分的布线层未在图中示出。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
Claims (18)
1.一种转接板结构，包括衬底、贯穿所述衬底的电学互连通孔和热电制冷单元。
2.根据权利要求1所述的转接板结构，其中热电制冷单元包括交替串联连接的至少一个N型热电元件和至少一个P型热电元件。
3.根据权利要求2所述的转接板结构，其中N型热电元件和P型热电元件分别为N型热电材料和P型热电材料构成的电学互连通孔，其由衬底的相对的第一表面和第二表面上的图形化的导电材料层串联。
4.根据权利要求1-3任一项所述的转接板结构，其中电学互连通孔由N型热电材料构成或者由P型热电材料构成。
5.根据权利要求1所述的转接板结构，其中衬底包括供电学互连通孔穿过的贯穿孔，所述贯穿孔和电学互连通孔之间具有绝缘材料。
6.根据权利要求3所述的转接板结构，其中衬底和第一表面和/或第二表面上的图形化的导电材料层之间具有绝缘层，电学互连通孔贯穿所述绝缘层。
7.根据权利要求5或6所述的转接板结构，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、有机聚合物中的一种或多种组合。
8.根据权利要求2所述的转接板结构，所述N型热电元件和P型热电元件的材料为Bi2Te3、BiSb、PbTe或SiGe，N型热电元件掺杂元素为磷、砷、锑、铋、硒或碲，P型热电元件掺杂元素为硼、铝、镓或铟。
9.根据权利要求1所述的转接板结构，所述电学互连通孔的材料是Bi2Te3、BiSb、PbTe或SiGe，具有N型或P型掺杂类型，N型掺杂元素为磷、砷、锑、铋、硒或碲，P型掺杂元素为硼、铝、镓或铟。
10.根据权利要求1所述的转接板结构，所述衬底的材料为硅、锗、锗硅或砷化镓。
11.一种转接板的制造方法，包括：
a）提供衬底，所述衬底具有相对的第一表面和第二表面，从第一表面刻蚀衬底，形成多个盲孔；
b）形成填充盲孔和覆盖衬底第一表面的绝缘层；
c）在第一表面上与盲孔对应的位置去除部分绝缘层，形成通路孔；
d）在部分通路孔中填充N型热电材料形成N型热电元件，在剩余通路孔中填充P型热电材料形成P型热电元件；
e）在所述第一表面上形成电学连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层；
f）从所述第二表面对衬底进行减薄，暴露N型热电元件和P型热电元件的底部；
g）在所述第二表面上形成电学连接N型热电元件和P型热电元件的图形化的导电材料层，
其中，所述衬底的第一表面上和第二表面上的导电材料层使得N型热电元件和P型热电元件交替串联连接，形成热电制冷单元。
12.根据权利要求11所述的方法，所述填充N型和P型热电材料的方法为化学气相淀积或物理气相淀积。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括，填充所述N型或P型热电材料时，在衬底第一表面上方进行掩模遮挡。
14.根据权利要求11所述的方法，所述N型热电元件和P型热电元件的材料为Bi2Te3、BiSb、PbTe或SiGe，N型热电元件掺杂元素为磷、砷、锑、铋、硒或碲，P型热电元件掺杂元素为硼、铝、镓或铟。
15.根据权利要求11所述的方法，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、有机聚合物中的一种或多种组合。
16.根据权利要求11所述的方法，所述形成盲孔的方法为湿法腐蚀、干法刻蚀或激光烧蚀。
17.根据权利要求11所述的方法，在对衬底减薄之后，还包括，在衬底第二表面上形成绝缘层并图形化。
18.根据权利要求11所述的方法，在步骤g）中，部分N型和P型热电元件串联形成热电制冷单元，剩余的N型或P型热电元件用作电学互连通孔。
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