CN108172681B - 一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统。主要由热电转换模块以及电压转换与储存电路模块组成，热电转换模块主要由多个热电组件组成；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；芯片产生热能通过热电转换模块将温差转化为电能，经过电压转换及储存模块进行电压放大和储存，电压转换及储存模块输出电压。本发明适用于芯片上特定小面积热点的热量采集和转换，能将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能。

Description

一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统
技术领域
本发明涉及一种三维集成电路中的热电转换系统,尤其是涉及以石墨烯二维材料作为热电材料的热电转换模块以及自启动的电压转换模块。本发明属于集成电路与系统电子设计领域。
背景技术
在集成电路与系统低功耗、高性能和超小型化封装发展趋势下，三维集成电路系统级封装已被广泛认可为具有很大的应用潜力。然而芯片模块垂直堆叠的封装内部芯片互联技术也加剧了散热问题。芯片中不同模块里的晶体管工作会产生不规则的热点分布，热点和冷却点之间悬殊的温度差可以通过热电发生器转化成电能，如此有望实现芯片中能量的循环使用。
热电转换基于Thomas Joham Seebeck在1821年发现的塞贝克效应。塞贝克效应描述了一种材料在一定温度差(ΔT)下产生电势差(ΔV)的能力，由该种材料的塞贝克系数S决定：S＝ΔV/ΔT。热电材料的热电转换效率与它的热优值ZT有关：ZT＝S2σT/k，其中S代表材料的塞贝克系数，σ是材料的电导系数，k是材料的热导系数，T是器件工作的绝对温度。ZT值越高，热电材料的热电转换效率越高，所以一种优秀的热电材料，其塞贝克系数和电导率需要大而热导率小。
传统的热电发生器(Thermoelectric Generator,TEG)由多个热电对串联构成，热电对由P型和N型热电材料构成两个脚，该两脚呈热并联电串联形态。以P型热电材料为例，热端空穴浓度较高，空穴从热端向冷端扩散，N型则相反。由此在两脚之间便会形成电势差。
前期对于TEG的工作大多以体材料为热电材料，而在三维集成中，往往能形成几十微米数量级的极小热点，所以低维热电材料相比体材料更适用于特定点的热能转换并且拥有更优良的热电性能。超晶格薄膜和硅纳米线材料的TEG都被研究过，但利用三维集成结构特点的完整且自启动的用于三维集成封装的热电转换系统几乎没有。
将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能，在未来的低耗芯片产业中拥有诱人前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的提出了一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统。
本发明采用的技术方案是：
所述的热电转换系统主要由热电转换模块以及电压转换与储存电路模块组成，所述的热电转换模块主要由多个热电组件组成，多个热电组件串联连接；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；每层隔离层均主要由导热绝缘材料制成，导热绝缘材料的端部替换为导电材料，并且上下相邻两层隔离层中的导电材料布置端部相反，每个热电层均采用四层封闭式石墨烯，上下相邻两层热电层形成一个P-N热电对；相邻两侧热电层之间通过两者之间的隔离层的导电材料导通，顶层隔离层中的导电材料和底层隔离层中的导电材料引出P-N热电对两脚之间由于塞贝克效应产生电压差，作为热电组件的电压输出。
热电组件顶层和底层的隔离层中的导电材料作为热电组件的两极，多个热电组件串联连接通过热电组件的两极相依次串接而成，如图3(b)所示。
本发明的热电转换系统主要针对三维集成封装中的芯片平面上热点与冷却点之间的温度差进行热电转换。热电转换模块置于三维集成封装中的芯片上，三维集成封装中的芯片产生热能通过热电转换模块将温差转化为电能，经过电压转换及储存模块进行电压放大和储存，电压转换及储存模块输出电压用于驱动芯片及三维集成封装中的电路，形成三维集成中能量的循环利用。
所述的热电组件中，上下相邻两层热电层中，一个为P型四层封闭式石墨烯，另一个为N型四层封闭式石墨烯；并且热电层的层数为双数，即每两个热电层形成一个P-N热电对，使得热电组件可具有多对P-N热电对。
本发明在热端P-N热电对通过金属铜导通，由于塞贝克效应，在冷端两脚之间会形成电压差。
本发明热电组件中的P-N热电对堆叠的层数N由底部热源能否在垂直方向上透过后仍保持足够的温差所限制决定。
所述的P型四层封闭式石墨烯和N型四层封闭式石墨烯之间由导热绝缘材料SiO2隔离，在一端端部通过金属铜进行导电连接，形成封闭式结构。
P型四层封闭式石墨烯和N型四层封闭式石墨烯通过各自在所在层进行多层并联，以优化热电转换模块内阻。
芯片水平面上的温度差经过热电转换模块，收集的热量转化为较小的电压差，作为电压转换及储存模块的输入电压。
所述的电压转换及储存模块包括一个改进LC振荡器、二阶交叉耦合升压器升压器和充电电容，热电转换模块的输出电压分别连接到改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器，改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器相互连接，由改进LC振荡器产生控制信号控制二阶交叉耦合升压器对热电转换模块的输出电压进行升压处理，二阶交叉耦合升压器经充电电容连接负载。
改进LC振荡器用于进行对输出电压进行控制，二阶交叉耦合升压器用于电压转换变压，充电电容用于能量缓冲。
电路元件选择片上电容和电感，满足完全集成，面积小的要求。
所述的电压转换及储存模块中，热电转换模块的输出电压一部分供给改进LC振荡器，热电转换模块的输出电压一部分供给二阶交叉耦合升压器，改进LC振荡器产生时钟信号发送到二阶交叉耦合升压器，时钟信号控制二阶交叉耦合升压器工作将热电转换模块的输出电压进行升压，获得足够驱动三维集成封装中的芯片电路的电压，电压在充电电容进行充电储存或可以直接用于其他功能电路的驱动，对充电电容CL进行充电或者直接驱动负载。
所述的LC振荡器包括四个MOS管和四个片上电感构成，MOS管M1和片上电感L1串联组成一个单元，MOS管M2和片上电感L2串联组成一个单元，MOS管M3和片上电感L3串联组成一个单元，MOS管M4和片上电感L4串联组成一个单元，四个单元并联；每个MOS管的漏极与片上电感的一端连接，片上电感的另一端连接热电转换模块的输出电压，每个MOS管的源极连接在一区；MOS管M1的栅极分别MOS管M4的栅极和MOS管M2的漏极连接，MOS管M2的栅极分别MOS管M3的栅极和MOS管M1的漏极连接，MOS管M3的漏极和MOS管M4的漏极引出各自的时钟信号clc1和clc2并分别连接到二阶交叉耦合升压器的时钟输入接口。
L1、L2、M1、M2组成基本的振荡电路，L3、M3和L4、M4组成两个放大器对时钟信号进行放大，可以提高二阶交叉耦合升压器的放大效果。
所述的二阶交叉耦合升压器的输出端经充电电容CL接地。
所述的二阶交叉耦合升压器的输出端接负载电阻RL。
本发明电压转换及储存模块所用到的电容和电感元件均可片上集成，满足电路完全集成的要求。
本发明将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能，在未来的低耗芯片产业中拥有诱人前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用封闭式石墨烯作为热电材料，石墨烯作为首例二维材料，拥有超高的电导系数和较好的塞贝克系数，氧化层封闭式石墨烯又相对降低了石墨烯的热导，使其成为一种热电性能较好的热电材料，具有比较好的热电转换效率；
(2)石墨烯材料无毒且CMOS工艺兼容，有望实现批量生产，构成的TEG接触面积小，比一般体热电材料更加适用于三维封装的特定点热电转换；
(3)电压转换及储存模块所用的电感与电容皆可以在芯片上集成，满足了完全集成条件，并且整个电路是自启动的，不需要外部元件或电路辅助启动。
本发明的结构适用于芯片上特定小面积热点的热量采集和转换，将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能，在低耗芯片产业中具有良好广泛的应用。
附图说明
图1为本发明提出的热电转换系统结构概念图；
图2为单个热电组件的分层结构示意图；
图3(a)为单个热电组件构造图，(b)为多个热电组件串联示意图；
图4为电压转换及储存模块的电路图；
图5为不同温差下不同P-N热电对数目的单个热电组件输出电压图；
图6为内阻优化后单个热电组件在温差50K下的输出U-I曲线和功率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，具体实施的热电转换系统主要由热电转换模块和电压转换与储存电路模块组成，
如图3所示，热电转换模块主要由多个热电组件组成。如图2所示，多个热电组件串联连接；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；每层隔离层均主要由导热绝缘材料制成，导热绝缘材料的端部替换为导电材料，并且上下相邻两层隔离层中的导电材料布置端部相反，每个热电层均采用四层封闭式石墨烯，上下相邻两层热电层形成一个P-N热电对；相邻两侧热电层之间通过两者之间的隔离层的导电材料导通，顶层隔离层中的导电材料和底层隔离层中的导电材料引出P-N热电对两脚之间由于塞贝克效应产生电压差，作为热电组件的电压输出。
如图4所示，电压转换及储存模块包括一个改进LC振荡器、二阶交叉耦合升压器和充电电容，热电转换模块的输出电压分别连接到改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器，改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器相互连接，由改进LC振荡器产生控制信号控制二阶交叉耦合升压器对热电转换模块的输出电压进行升压处理，二阶交叉耦合升压器经充电电容连接负载。在三维集成中，芯片热点与冷却点之间的温度差经过热电转换模块转换成电压差输出，该电压差再通过改进LC振荡器进行放大，接着通过充电电容进行储存，最后驱动负载。
如图1所示，本实施例的热电转换模块由三个热电组件串联而成，单个热电组件的分层结构如图2所示。每个热电组件主要由两层热电层和三层隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，热电层为4层封闭式石墨烯，其塞贝克系数为80mV/K，电导系数为4×107S/m，热导系数为300W/(m·K)。
顶部的隔离层由左侧占主要部分的导热绝缘层SiO2A和右侧占端部局部部分的导电金属铜B构成，中间的隔离层由右侧占主要部分的导热绝缘层SiO2E和左侧占端部局部部分的导电金属铜D构成，底部的隔离层由左侧占主要部分的导热绝缘层SiO2G和右侧占端部局部部分的导电金属铜H构成，上层的热电层为P型四层封闭式石墨烯C，下层的热电层为N型四层封闭式石墨烯F。
P型四层封闭式石墨烯C和N型四层封闭式石墨烯F之间通过中间的隔离层的导电金属铜D导通，顶部的隔离层中的导电金属铜B和底部的隔离层中的导电金属铜H作为热电组件电压输出，引出P-N热电对两脚之间的电压差。热电组件底部的隔离层两端分别连接三维集成封装中芯片的热端Th和冷端Tc。
图2中，C层为P型4层封闭式石墨烯，F为N型4层封闭式石墨烯。A，E，G为导热绝缘层SiO2，B，D，H为导电金属铜，导电金属铜D导通P-N热电对。
P型四层封闭式石墨烯C热端空穴浓度较大，空穴向冷端扩散，N型四层封闭式石墨烯F则相反，热端导通，使得在P型四层封闭式石墨烯C、N型四层封闭式石墨烯F冷端两脚间产生电压差。
将顶部的隔离层、中间的隔离层和两层热电层这几层结构在垂直方向重复堆叠N组便相当于将多个热电对串联，增加输出电压。图3(a)为图2中每层合并后的单个组件示意图，将这单个组件如图3(b)中所示再次进行串联，则可以进一步提高输出电压。
如图4所示，热电转换模块等效电路为一个电压源与内阻串联，图中RTEG表示热电转换模块的内阻，VTEG表示热电转换模块的电压源。
热电转换模块的输出电压作为电压转换及储存模块中的输入Vin。Vin首先驱动LC振荡器产生控制时钟信号，时钟信号控制二阶交叉耦合升压器将Vin进行放大，最后对充电电容CL进行充电或者直接驱动负载。
LC振荡器如图4所示，包括四个MOS管和四个片上电感构成，MOS管M1和片上电感L1串联组成一个单元，MOS管M2和片上电感L2串联组成一个单元，MOS管M3和片上电感L3串联组成一个单元，MOS管M4和片上电感L4串联组成一个单元，四个单元并联；每个MOS管的漏极与片上电感的一端连接，片上电感的另一端连接热电转换模块的输出电压，每个MOS管的源极连接在一区；MOS管M1的栅极分别MOS管M4的栅极和MOS管M2的漏极连接，MOS管M2的栅极分别MOS管M3的栅极和MOS管M1的漏极连接，MOS管M3的漏极和MOS管M4的漏极分别引出时钟信号clc1和clc2分别连接到二阶交叉耦合升压器的时钟输入接口。
具体实施的二阶交叉耦合升压器具体采用两个交叉耦合倍压器串联组成
LC振荡器中，L1＝L2＝L3＝L4＝15.5nH，MOS管W/L＝60u/60n。充电电容CL＝200pF，负载电阻RL＝100K。
图5显示了不同堆叠层数N和不同温度差下单个热电组件的输出电压，P-N热电对层数分别为1层，3层，5层和10层，输出电压随层数的增大而非线性增加，输出电压随温度几乎成线性增长，在层数为10层，温度差100K时，输出电压最大，达到133.34mV。
本发明实施经过仿真，在10层P-N热电对堆叠，100K温差下，单个热电组件能输出133.4mV的开路电压，将P型或N型石墨烯进行并联(100层)来对组件内阻优化，单个组件在50K温差下最大输出功率为93.44mW。如图6所示，在对10层P-N热电对结构的热电组件进行热阻优化(将P型和N型石墨烯分别在各自所在层并联100层)后，50K温差下单个热电组件的输出U-I曲线和输入功率曲线最大输出功率为93.44mW。
假设单个热电组件进行串联后组成的TEG输出电压为0.3V，经过电压转换和储存电路后输出电压为Vout，不同交叉耦合升压器阶数对电压的放大效果如下表所示：
表格1不同阶数下升压器输出电压
升压器阶数 1 2 3
输出电压(V) 0.85 1.45 1.95
可见，在多个组件串联后对后续电路的输入电压为0.3V情况下，则经过电压转换及储存模块，电压能被放大至1.45V，足以驱动芯片其他部分功能电路。
考虑到实际加工和运用中的损耗，两阶交叉耦合升压器即可满足要求。
本发明的热电转换模块单个热电组件长宽为3um和10um，适用于微米数量级的极小热点的热电转换，并可以通过大数量串联得到更大的输出电压。电压转换及储存模块电路完全片上集成，并且通过热电转换模块得到的输出电压自启动时钟信号。因此，本发明的热电系统有望达成三维封装中特定热点的能量采集与转换，实现能量的循环利用。

Claims (8)

1.一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的热电转换系统主要由热电转换模块以及电压转换及储存模块组成，所述的热电转换模块主要由多个热电组件组成，多个热电组件串联连接；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；每层隔离层均主要由导热绝缘材料制成，导热绝缘材料的端部替换为导电材料，并且上下相邻两层隔离层中的导电材料布置端部相反，每个热电层均采用四层封闭式石墨烯，上下相邻两层热电层形成一个P-N热电对；相邻两侧热电层之间通过两者之间的隔离层的导电材料导通，顶层隔离层中的导电材料和底层隔离层中的导电材料引出P-N热电对两脚之间由于塞贝克效应产生电压差，作为热电组件的电压输出。
2.根据权利要求1所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的热电组件中，上下相邻两层热电层中，一个为P型四层封闭式石墨烯，另一个为N型四层封闭式石墨烯；并且热电层的层数为双数，即每两个热电层形成一个P-N热电对，使得热电组件可具有多对P-N热电对。
3.根据权利要求2所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的P型四层封闭式石墨烯和N型四层封闭式石墨烯之间由导热绝缘材料SiO2隔离，在一端端部通过金属铜进行导电连接，形成封闭式结构。
4.根据权利要求2所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的电压转换及储存模块包括一个改进LC振荡器、二阶交叉耦合升压器和充电电容，热电转换模块的输出电压分别连接到改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器，改进LC振荡器和二阶交叉耦合升压器相互连接，由改进LC振荡器产生控制信号控制二阶交叉耦合升压器对热电转换模块的输出电压进行升压处理，二阶交叉耦合升压器经充电电容连接负载。
5.根据权利要求4所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的电压转换及储存模块中，热电转换模块的输出电压一部分供给改进LC振荡器，热电转换模块的输出电压一部分供给二阶交叉耦合升压器，改进LC振荡器产生时钟信号发送到二阶交叉耦合升压器，时钟信号控制二阶交叉耦合升压器工作将热电转换模块的输出电压进行升压，获得足够驱动三维集成封装中的芯片电路的电压，对充电电容CL进行充电或者直接驱动负载。
6.根据权利要求4所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的LC振荡器包括四个MOS管和四个片上电感构成，MOS管M1和片上电感L1串联组成一个单元，MOS管M2和片上电感L2串联组成一个单元，MOS管M3和片上电感L3串联组成一个单元，MOS管M4和片上电感L4串联组成一个单元，四个单元并联；每个MOS管的漏极与片上电感的一端连接，片上电感的另一端连接热电转换模块的输出电压，每个MOS管的源极连接在一区；MOS管M1的栅极分别MOS管M4的栅极和MOS管M2的漏极连接，MOS管M2的栅极分别MOS管M3的栅极和MOS管M1的漏极连接，MOS管M3的漏极和MOS管M4的漏极引出各自的时钟信号clc1和clc2并分别连接到二阶交叉耦合升压器的时钟输入接口。
7.根据权利要求4所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的二阶交叉耦合升压器的输出端经充电电容CL接地。
8.根据权利要求4所述的一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统，其特征在于：所述的二阶交叉耦合升压器的输出端接负载电阻RL。
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