CN105870083A - 采用微热电发电机的3d芯片及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用微热电发电机的3D芯片及其实现方法，包括一N层结构的3D芯片，所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。本发明利用其高的热功率密度和多维的空间结构，在现有的半导体工艺下，采用微热电发电机技术，提高芯片的整体能效，加快芯片散热。

Description

采用微热电发电机的3D芯片及其实现方法
技术领域
本发明涉及机械设备技术领域，特别是一种采用微热电发电机的3D芯片及其实现方法。
背景技术
随着器件特征尺寸物理极限的临近和晶体管尺寸缩小的成本不断增加，3D IC(三维方向集成电路)将可能引领以后的发展方向。但是3D IC技术仍存在诸多挑战。
因为3D芯片集成的系统比较庞大，电路功能比较复杂、工作频率升高，这必然增加系统的功耗，使系统的功率密度加大；另随着芯片尺寸的缩小和有源层堆叠数目的增加，必然导致其散热途径不顺畅、热功率密度急剧增大，这些都将给3D集成系统的稳定性造成了严重的挑战。因此研究提高3D IC电路能效的方法和加快系统散热的方法变的非常有意义。
目前提高能效的方法一般是通过硬件或软件使芯片尽量减少不必要的功耗，但是尽管采用了这些措施，在复杂的大型电路中能耗还是很大，亟需采用更高效或寻求更多途径的方法来继续降低功耗。
目前3D芯片解决散热问题，一般内部采用高热导率的材料并进行合理的布局,外部采用外设制冷或加快散热的方式。但是前者有很大的局限性，后者会增加额外的功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种采用微热电发电机的3D芯片及其实现方法，一方面可以提高电路的能效，特别是随着微热电发电机的效率进一步发展，其对芯片的能效提高将会更可观；另一方面采用微热电发电机相当于给芯片提供了一个额外的冷却源，可以加快芯片散热，却又不需要增加能耗。
本发明采用以下方案实现：一种采用微热电发电机的3D芯片，包括一N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；所述所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
进一步地，所述N为不小于2的自然数，若N为奇数，则所述3D芯片的中间层为第(N+1)/2层；若N为偶数，则所述3D芯片的中间层为N/2层。
进一步地，所述3D芯片的层与层间采用一最小单元的微热温差发电机进行连接。
本发明还采用以下方法实现：一种采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供所述N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；
步骤S2：将所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；
步骤S3：将所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
进一步地，所述N型半导体与P型半导体组成的热电偶在热源和冷源之间形成一个回路，由塞贝克效应作用产生一股电流，流经负载，则组成所述微热温差发电机；
若热源与冷源之间的温差为ΔΤ，有m组热电偶，所述N型半导体与P型半导体材料的塞贝克系数为α，则负载两端压差为：
Uo＝mαΔΤ
外接合理的负载大小，达到最大输出功率为：
P o = U I = U o 2 4 * R G = m 2 α 2 4 * R G ΔT 2
若冷源和热源的接触热电阻分别为KC和KG，则：
ΔT G = K G K C + K G + K H Δ T ,
其中KH为，RG为。
进一步地，所述N为不小于2的自然数，若N为奇数，则所述3D芯片的中间层为第(N+1)/2层；若N为偶数，则所述3D芯片的中间层为N/2层。
进一步地，还将所述3D芯片的层与层间均采用一最小单元的微热温差发电机进行连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、微热温差发电机的输出功率与热电偶的数量和冷热源之间的温差成正比，而3D芯片相对与传统的平面型结构具有更大的面积和自由度，可以形成更多的热电偶，且3D芯片的热功率密度更高，可得到更高的发电效率，即芯片能得到更高的能效。2、3D芯片中微热温差发电机的使用，即部分热量通过热温差发电机从热能转换为电能，为芯片散热提供了一个有效的散热途径，相比于传统的被动形式的散热方式更有优势。3、在实现工艺上，其相对与普通的3D芯片实现工艺，不需做更多的改动，有利于该方法的实际应用。
综上可知，在3D芯片中使用热温差发电机，可以使芯片得到更优良的性能，且随着温差发电机技术的进步，该技术具有很大的发展潜力，更重要的是实现该技术不需额外工艺上的要求，有利于该技术的推广实现。
附图说明
图1是本发明中热微电发电机的原理图。
图2是本发明的温差与电阻的关系示意图。
图3是本发明的3D芯片结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施提供一种采用微热电发电机的3D芯片，包括一N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；所述所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
在本实施例中，所述N为不小于2的自然数，若N为奇数，则所述3D芯片的中间层为第(N+1)/2层；若N为偶数，则所述3D芯片的中间层为N/2层。
在本实施例中，所述3D芯片的层与层间采用一最小单元的微热温差发电机进行连接。
在本实施例中，一种采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供所述N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；
步骤S2：将所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；
步骤S3：将所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
在本实施例中，由于热微电发电机的原理图如图1所示，则可知N所述N型半导体与P型半导体组成的热电偶在热源和冷源之间形成一个回路，由塞贝克效应作用产生一股电流，流经负载，则组成所述微热温差发电机；
若热源与冷源之间的温差为ΔΤ，有m组热电偶，所述N型半导体与P型半导体材料的塞贝克系数为α，则负载两端压差为：
Uo＝mαΔΤ
外接合理的负载大小，达到最大输出功率为：
P o = U I = U o 2 4 * R G = m 2 α 2 4 * R G ΔT 2
如图2所示，若冷源和热源的接触热电阻分别为KC和KG，则：
ΔT G = K G K C + K G + K H Δ T ,
其中KH为，RG为。
在本实施例中，假设7层3D芯片的结构示意图，其热功率曲线如图3左边曲线，在该3D芯片中采用如下的方式进行实现：所述底层和顶层温度最低，在中间层(第4层)温度最高。由此可认为芯片的中心(第4层)是热源，芯片顶层和底层可以认为是冷源。通过在芯片顶层和中间层之间的通孔以及底层和中间层之间的通孔中填充P/N掺杂半导体材料，然后用金属相连，形成热电偶，即组成一个最小单元的微热温差发电机。同理，也可以在层与层之间形成微热温差发电机单元。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种采用微热电发电机的3D芯片，其特征在于：包括一N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；所述所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
2.根据权利要求1所述的一种采用微热电发电机的3D芯片，其特征在于：所述N为不小于2的自然数，若N为奇数，则所述3D芯片的中间层为第(N+1)/2层；若N为偶数，则所述3D芯片的中间层为N/2层。
3.根据权利要求1所述的一种采用微热电发电机的3D芯片，其特征在于：所述3D芯片的层与层间采用一最小单元的微热温差发电机进行连接。
4.一种如权利要求1所述的采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：提供所述N层结构的3D芯片，所述3D芯片的底层与顶层的温度最低，作为所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中间层温度最高，作为所述3D芯片的热源；
步骤S2：将所述3D芯片的顶层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第一热电偶，则所述3D芯片的顶层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第一微热温差发电机；
步骤S3：将所述3D芯片的底层与中间层之间采用N型半导体与P型半导体相连，所述N型半导体与P型半导体之间采用金属相连形成一第二热电偶，则所述3D芯片的底层、所述3D芯片的中间层、N型半导体以及P型半导体组成一第二微热温差发电机。
5.根据权利要求1所述的一种采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，其特征在于：所述N型半导体与P型半导体组成的热电偶在热源和冷源之间形成一个回路，由塞贝克效应作用产生一股电流，流经负载，则组成所述微热温差发电机；
若热源与冷源之间的温差为ΔT，有m组热电偶，所述N型半导体与P型半导体材料的塞贝克系数为α，则负载两端压差为：
Uo＝mαΔT
外接合理的负载大小，达到最大输出功率为：
P o = U I = U o 2 4 * R G = m 2 α 2 4 * R G ΔT 2
若冷源和热源的接触热电阻分别为KC和KG，则：
ΔT G = K G K C + K G + K H Δ T ,
其中KH为，RG为。
6.根据权利要求1所述的一种采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，其特征在于：所述N为不小于2的自然数，若N为奇数，则所述3D芯片的中间层为第(N+1)/2层；若N为偶数，则所述3D芯片的中间层为N/2层。
7.根据权利要求1所述的一种采用微热电发电机的3D芯片的实现方法，其特征在于：将所述3D芯片的层与层间均采用一最小单元的微热温差发电机进行连接。
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