DE112005001094B4

DE112005001094B4 - Thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung und elektronisches System mit der Nano-Draht-Einrichtung

Info

Publication number: DE112005001094B4
Application number: DE200511001094
Authority: DE
Inventors: Shriram Ramanathan; Gregory Chrysler
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2025-04-30
Also published as: TW200608548A; CN100592541C; KR20070015582A; US20050257821A1; JP2007538406A; JP4307506B2; TWI266401B; KR100865595B1; WO2005119800A3; CN1957483A; DE112005001094T5; WO2005119800A2

Abstract

Thermoelektrisches Element mit:
– einem mikroelektronischen Chip mit zumindest einem Bereich mit einer größeren Wärmeableitungsrate als der Rest des mikroelektronischen Chips, wenn er in Betrieb ist;
– einer ersten Elektrode nahe dem mikroelektronischen Chip einschließlich dem Bereich größerer Wärme;
– einem dielektrischen Material nahe der ersten Elektrode;
– einer zweiten Elektrode gegenüberliegend der ersten Elektrode mit dem dielektrischen Material dazwischen angeordnet; und
– einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckenden Nano-Drähten,
wobei die Nano-Drähte nahe dem zumindest einen Bereich mit größerer Wärmeableitungsrate eine höhere Dichte aufweisen, eine niedrigere Dichte, welche die höhere Dichte umgibt, nahe einem Zwischenbereich zwischen dem Bereich großer Wärmeableitungsrate und dem Rest des mikroelektronischen Chips aufweisen, eine weitere niedrige Dichte, welche die niedrigere Dichte umgibt, aufweisen, und keine Nano-Drähte nahe dem Rest des mikroelektronischen Chips vorhanden sind, wobei die höhere Dichte, die niedrigere Dichte und die weitere niedrigere Dichte von Nano-Drähten konzentrische Ovale bilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung: Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung einer mikroelektronischen Einrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Einbringen einer thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung in eine mikroelektronische Vorrichtung zum Kühlen von heißen Punkten auf einem mikroelektronischen Plättchen bzw. Chip.
Stand der Technik: Höhere Leistung, niedrigere Kosten, erhöhte Miniaturisierung der integrierten Schaltungskomponenten und größere Packungsdichten integrierter Schaltungen sind anhaltende Ziele der Computerindustrie. Wenn diese Ziele erreicht werden, werden mikroelektronische Chips kleiner. Demgemäß hat die Dichte des Energieverbrauchs der integrierten Schaltungskomponenten in dem mikroelektronischen Chip zugenommen, die wiederum die mittlere Verbindungstemperatur des mikroelektronischen Chips erhöht. Wenn die Temperatur des mikroelektronischen Chips zu hoch wird, können die integrierten Schaltungen des mikroelektronischen Chips beschädigt oder zerstört werden.
Verschiedene Vorrichtungen und Techniken wurden verwendet und werden gegenwärtig verwendet, um Wärme von mikroelektronischen Chips zu entfernen. Eine derartige Wärmeableitungstechnik enthält das Anfügen einer Wärmesenke mit einem großen Oberflächenbereich an einen mikroelektronischen Chip. 21 veranschaulicht eine Anordnung 400 mit einem mikroelektronischen Chip 402 (als ein Flip-Chip veranschaulicht), der physikalisch und elektrisch auf einem Substrat 404 (wie einer Zwischenschaltung, einem Motherboard oder dergleichen) durch eine Mehrzahl von Lötkugeln 406 befestigt ist, die sich zwischen (nicht gezeigten) Anschlussstellen auf einer aktiven Oberfläche des mikroelektronischen Chips 402 und (nicht gezeigten) Stegen auf dem Substrat 404 erstrecken.
Eine Wärmesenke 408 mit einem großen Oberflächenbereich ist an einer hinteren Fläche 412 des mikroelektronischen Chips 402 mittels eines thermisch leitfähigen Befestigungsmittels 414 befestigt. Die Wärmesenke 408 mit einem großen Oberflächenbereich ist gewöhnlich aus einem thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Legierungen davon und dergleichen hergestellt. Durch den mikroelektronischen Chip 402 erzeugte Wärme wird durch leitfähige Wärmeübertragung in die Wärmesenke 408 (folgend dem Pfad des geringsten thermischen Widerstands) durch leitfähige Wärmeübertragung gezogen.
Wärmesenken 408 mit großem Oberflächenbereich werden im Allgemeinen verwendet, da die Rate, mit der Wärme von einer Wärmesenke abgeführt wird, im Wesentlichen proportional zum Oberflächenbereich der Wärmesenke ist. Die Wärmesenke 408 mit großem Oberflächenbereich enthält gewöhnlich eine Mehrzahl von Projektionen 416, die sich im Wesentlichen senkrecht vom mikroelektronischen Chip 402 erstrecken. Es ist natürlich verständlich, dass die Projektionen 416 längliche planare Rippen-ähnliche Strukturen und kolumnare bzw. spaltenartige/pfeilerartige Strukturen enthalten können, aber nicht darauf beschränkt sind. Der große Oberflächenbereich der Projektionen 416 erlaubt eine konvektive Ableitung von Wärme von den Projektionen 416 in die die Wärmesenke 408 mit großem Oberflächenbereich umgebende Luft. Obwohl jedoch Wärmesenken mit großem Oberflächenbereich in einer Vielzahl von mikroelektronischen Anwendungen verwendet werden, waren sie nicht vollständig erfolgreich bei der Entfernung von Wärme von dem mikroelektronischen Chip, der wesentliche Mengen von Wärme erzeugt.
Eine Tatsache, die zu diesem Mangel an Erfolg beiträgt, besteht darin, dass Schaltungen mit hoher Leistung im Allgemeinen nahe beieinander innerhalb des mikroelektronischen Chips 402 angeordnet sind. Die Konzentration von Schaltungen mit hoher Leistung führt zu Bereichen mit viel Wärme oder „Hotspots”. Gegenwärtige Wärmesenkenlösungen extrahieren Wärme im Wesentlichen einheitlich von dem mikroelektronischen Chip 402 und kompensieren die Hotspots nicht. Somit kann die Schaltung an oder nahe diesen Hotspots thermisch beschädigt werden, was die Zuverlässigkeit und Langzeit-Leistung bedeutend beeinflussen kann.
US 2003/0047204 A1 offenbart eine thermoelektrischen Vorrichtung mit Nano-Drähten, die Drähte sind in einem Bündel miteinander verbunden, um die Leistungsdichte zu erhöhen.
US 2002/0158342 A1 offenbart die Herstellung von dreidimensionalen Nanostrukturen. Das Verfahren erlaubt die einfache Herstellung von geordneten Nanostrukturen in mehreren Schichten.
US 2002/0092307 A1 offenbart eine thermoelektrische Punktkühlung in integrierten Schaltungen für HF- und Mikrowellen-Verbindungen. Hieraus ist die Verwendung eines Peltier-Kühlers für die Kühlung eines Chips bekannt.
Daher wäre es vorteilhaft, eine Vorrichtung und Techniken zur effektiven Entfernung von Wärme vom mikroelektronischen Chip zu entwickeln, wähnend thermische Veränderungen, wie beispielsweise Hotspots innerhalb des mikroelektronischen Chips kompensiert werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein thermoelektrisches Element gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein elektronisches System nach Anspruch 6.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Während die Beschreibung mit den Ansprüchen übereinstimmt, die insbesondere das Herausstellen und vernehmlich das Beanspruchen, das als die vorliegende Erfindung angesehen wird, können die Vorteile dieser Erfindung aus der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung leichter festgestellt werden.
Daher ist 1 eine Seiten-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen mikroelektronischen Chips mit einer darauf aufgebrachten Isolierschicht:
2 ist eine Seiten-Schnittansicht einer auf der Isolierschicht gemäß 1 gebildeten ersten Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Seiten-Schnittansicht einer über der ersten Elektrode und einem Teil der Isolierschicht gemäß 2 angeordneten dielektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Seiten-Schnittansicht eines Bildens von Nano-Drähten durch die dielektrische Schicht gemäß 3 gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 und 6 sind Seiten-Schnittansichten eines Bildens von Nano-Drähten durch die dielektrische Schicht durch Bilden von Öffnungen darin gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 und 8 sind Seiten-Schnittansichten eines Bildens von Nano-Drähten durch Hohlräume bzw. Leerstellen in der dielektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Schnittansicht eines Bildens einer zweiten Elektrode auf der dielektrischen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Schnittansicht einer thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Schnittansicht einer Wärmeableitungseinrichtung, die die thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung mit einer Schnittstelle in Kontakt bringt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Schnittansicht von Nano-Draht-Clustern in einer thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 ist eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen mikroelektrischen Chips und ein thermisches Profil davon;
14 ist ein Querschnitt der Dichte von Nano-Drähten, die verändert ist, um mit dem thermischen Profil des mikroelektrischen Chips entlang einer Linie 14-14 gemäß 13 zusammenzupassen, gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 und 16 sind die Leistungsverbesserung unter Verwendung von thermoelektrischen Drähten in Nano-Skalierung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichende Darstellungen;
17 ist eine die Grenzschichttemperaturverbesserung unter Verwendung einer thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichende Darstellung;
18 ist eine Seitenansicht eines mikroelektronischen Chips, der an einem Substrat befestigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
19 ist eine schräge Ansicht eines Handgeräts mit einer darin integrierten erfindungsgemäßen mikroelektronischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
20 ist eine Schrägansicht eines Computersystems mit einer darin integrierten erfindungsgemäßen mikroelektronischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
21 ist eine Seitenansicht eines mikroelektronischen Chips, der auf einem Substrat befestigt ist, wie im Stand der Technik bekannt.
GENAUE BESCHREIBUNG DES VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
In der folgenden genauen Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die veranschaulichend bestimmte Ausführungsbeispiele zeigt, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsbeispiele werden in ausreichenden Einzelheiten beschrieben, um dem Fachmann eine Ausführung der Erfindung zu ermöglichen. Es ist verständlich, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, obwohl sie unterschiedlich sind, sich nicht notwendigerweise gegenseitig ausschließen. Beispielsweise kann ein hier in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschriebenes bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder ein Kennzeichen innerhalb anderer Ausführungsbeispiele ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung verwirklicht werden. Zusätzlich ist verständlich, dass der Ort oder die Anordnung einzelner Elemente innerhalb jedes offenbarten Ausführungsbeispiels modifiziert werden kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die folgende genaue Beschreibung ist daher nicht in einschränkendem Sinne zu sehen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist nur durch die richtig interpretierten angefügten Ansprüche zusammen mit dem gesamten Bereich von Äquivalenten, auf die sich die Ansprüche beziehen, definiert. In der Zeichnung beziehen sich dieselben Bezugszahlen durch die verschiedenen Ansichten auf dieselbe oder ähnliche Funktionalität.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Wärmeableitungseinrichtung, die zumindest eine thermoelektrische Einrichtung enthält, die mit Nano-Drähten zum Ziehen von Wärme von zumindest einem Bereich mit hoher Wärme (d. h. „hot spot” bzw. Hotspot) auf einem mikroelektrischen Chip hergestellt ist. Derartige thermoelektrische Einrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und sind im Wesentlichen Festkörper-Einrichtungen, die als Wärmepumpen funktionieren. Eine beispielhafte Einrichtung ist ein durch zwei Elektroden gebildeter Sandwich mit einem Feld von kleinen Wismut-Tellurid-Würfeln dazwischen. Wenn eine Gleichstromenergiequelle mit niedriger Spannung zwischen den zwei Elektroden angelegt wird, wird Wärme in der Richtung des Stroms von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode bewegt.
Die 1 bis 21 veranschaulichen Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Einrichtungen und Ausführungsbeispiele davon gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt einen Teil eines mikroelektronischen Chips 102 mit einer Wärmeentfernungsfläche 104. Eine Isolierschicht 106 ist auf der Wärmeentfernungsfläche 104 des mikroelektronischen Chips gebildet, um elektrische Isolierung vom mikroelektronischen Chip 102 auszubilden. Die Isolierschicht 106 kann durch irgendeine im Stand der Technik bekannte Technik bis zu einer Dicke zwischen 0,1 und 1,0 μm aufgebracht oder aufgewachsen sein. Die Isolierschicht 106 kann irgendein geeignetes elektrisch isolierendes Material einschließlich Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen sein, aber nicht darauf beschränkt.
2 veranschaulicht die Herstellung einer ersten Elektrode 112 auf der Isolierschicht 106. Die erste Elektrode 112 kann durch irgendein im Stand der Technik bekanntes Verfahren einschließlich Photolithographie, aber nicht darauf beschränkt, hergestellt sein. Die erste Elektrode 112 kann irgendein geeignetes leitfähiges Material, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Legierungen daraus und dergleichen sein.
Wie in 3 gezeigt, ist eine dielektrische Schicht 114 über der ersten Elektrode 112 und einem Teil der Isolierschicht 106 angeordnet. Die dielektrische Schicht 114 kann poröse Materialien, wie beispielsweise poröses Siliziumdioxid, poröses Aluminium und dergleichen enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt. Poröse Aluminiumschichten können unter Verwendung von Verfahren, wie beispielsweise Anodisierung bzw. elektrolytische Behandlung aufgewachsen werden, wie für den Fachmann verständlich.
4 veranschaulicht zumindest einen Nano-Draht 122, der sich von einer ersten Fläche 116 der dielektrischen Schicht 114 durch die dielektrische Schicht 114 erstreckt, um die erste Elektrode 112 zu kontaktieren. Der Begriff „Nano-Draht” ist als ein Draht definiert, der einen Durchmesser, gemessen auf der Nanometer-Skala von ungefähr 1000 Nanometer oder weniger besitzt. In einem Ausführungsbeispiel können Nano-Drähte 122 einen Durchmesser von zwischen ungefähr 1 und 100 nm besitzen. Bevorzugt sind die Nano-Drähte 122 im Wesentlichen senkrecht zur ersten Elektrode 112.
Wie in 5 veranschaulicht, können die Nano-Drähte 122 (siehe 4) durch Bilden von nano-skalierten Öffnungen 124 aus der ersten Fläche 116 der dielektrischen Schicht durch die dielektrische Schicht 114 zur ersten Elektrode 112, wie beispielsweise durch Elektronenstrahlätzen bzw. -fräsen (als ein Pfeil 128 veranschaulicht) oder dergleichen, hergestellt werden, wie für den Fachmann verständlich. Ein leitfähiges Material 126 ist über der dielektrischen Schicht 114 derart aufgebracht, dass das leitfähige Material 126 die nano-skalierten Öffnungen 124 füllt, um die erste Elektrode 112 zu kontaktieren, wie in 6 gezeigt. Das leitfähige Material 126 kann durch irgendeine im Stand der Technik bekannte Technik aufgebracht sein, einschließlich galvanischem Abscheiden bzw. Auftragen, Sputtern bzw. (Plasma)Zerstäubung, chemische Abscheidung aus der Gasphase und dergleichen, aber nicht darauf beschränkt. Die Nano-Drähte 122 können aus irgendeinem geeigneten Material einschließlich Wismut-enthaltenden Materialien (einschließlich im Wesentlichen reinem Wismut, Wismut-Tellurid und dergleichen) hergestellt sein, aber nicht darauf beschränkt. Überschüssiges leitfähiges Material 126 wird entfernt, wie beispielsweise durch Ätzen oder Polieren, wobei das leitfähige Material 126 innerhalb der nano-skalierten Öffnungen 124 (siehe 5) belassen wird, um die diskreten Nano-Drähte 122 zu bilden, wie beispielsweise in 4 gezeigt.
Wenn ein poröses Material für die dielektrische Schicht 114 verwendet wird, kann das für die Nano-Drähte 122 verwendete Material direkt auf der dielektrischen Schicht 114 aufgebracht werden, wobei sich das Material durch die Leerräume in der porösen dielektrischen Schicht 114 erstreckt. Wie in 7 gezeigt, kann beispielsweise eine Maske 132, wie beispielsweise ein Photoresist auf die dielektrische Schicht 114 mit einer Maskenöffnung 134 gegenüberliegend der ersten Elektrode 112 über der dielektrischen Schicht 114 gebildet werden. Das leitfähige Material 126 wird über der Maske 132 und in die Maskenöffnung 134 aufgebracht, um einen Teil der dielektrischen Schicht 114 zu kontaktieren und erstreckt sich durch die (nicht gezeigten) Leerräume in der porösen dielektrischen Schicht 114, um die erste Elektrode 112 zu kontaktieren, wie in 8 gezeigt. Überschüssiges Material 126 und die Maske 132 werden entfernt, wie beispielsweise durch Ätzen oder Polieren, wodurch das leitfähige Material 126 innerhalb der Leerräume belassen wird, um die diskreten Nano-Drähte 122 zu bilden, wie beispielsweise in 4 gezeigt.
9 veranschaulicht eine zweite Elektrode 136, die auf der ersten Fläche 116 des dielektrischen Materials gebildet ist, die die Nano-Drähte 122 kontaktiert. Die zweite Elektrode 136 kann durch irgendein im Stand der Technik bekanntes Verfahren einschließlich Photolithographie, aber nicht darauf beschränkt, hergestellt sein. Die zweite Elektrode 136 kann aus irgendeinem leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Legierungen davon und dergleichen sein.
10 veranschaulicht eine vervollständigte thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung 140, wobei eine negativ geladene Trasse (als eine Linie 142 gezeigt), die sich von einer Gleichstromenergiequelle 144 erstreckt, mit der zweiten Elektrode 136 verbunden sein kann, und eine positiv geladene Trasse (als eine Linie 146 gezeigt), die sich von der Gleichstromenergiequelle 144 erstreckt, mit der ersten Elektrode 112 verbunden sein kann. Somit wird Wärme in der Richtung des Stromflusses von der ersten Elektrode 112 zur zweiten Elektrode 136 bewegt. Es ist natürlich verständlich, dass die positiv geladene Trasse 146 und die negativ geladene Trasse 142 während der Bildung der ersten Elektrode 112 bzw. der zweiten Elektrode 136 hergestellt werden kann.
Wie in 11 gezeigt, kann eine Schnittstelle 152 über der zweiten Elektrode 136 und Teilen des dielektrischen Materials 114 angeordnet sein, und eine Wärmeableitungseinrichtung 154, wie beispielsweise ein Wärmeverzögerer, ein Rippenkühlkörper oder dergleichen kann auf dem thermischen Schnittstellenmaterial 152 angeordnet sein, um zur zweiten Elektrode 136 angelieferte Wärme zu entfernen und die Wärme weg von dem mikroelektronischen Chip 102 zu verbreiten. Die Schnittstelle 152 kann ein thermisches Schnittstellenmaterial, eine in Kontakt mit der zweiten Elektrode 136 gebildete Wärmesenke (wie beispielsweise ein Aufbringungsmetall, z. B. Kupfer) oder dergleichen sein. Die Wärmeableitungseinrichtung 154 kann irgendein thermisch leitfähiges Material einschließlich Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und dergleichen sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Wenn in einer derartigen Konfiguration die Schnittstelle 152 und/oder die Wärmeableitungseinrichtung 154 elektrisch leitfähig ist, kann die negativ geladene Trasse 142 mit der Schnittstelle 152 und/oder der Wärmeableitungseinrichtung 154 verbunden sein, was dazu dienen wird, die Schaltung für die thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung 140 zu vervollständigen.
Es ist natürlich verständlich, dass eine Mehrzahl von thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtungen 140 wie erforderlich über den mikroelektronischen Chip 102 verteilt sein könnte. Wie in 12 gezeigt, könnte weiterhin eine Mehrzahl von Nano-Draht-Clustern bzw. -Anhäufungen, wie beispielsweise Anhäufungen 162 und 164 zwischen einer einzelnen ersten Elektrode 112 und einer einzelnen zweiten Elektrode 136 angeordnet sein. Weiterhin kann die thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung für ein bestimmtes thermisches Profil auf dem mikroelektronischen Chip abgestimmt sein. Wie in 13 (einer Draufsicht des mikroelektronischen Chips 102) gezeigt, kann der mikroelektronische Chip 102 ein thermisches Profil besitzen, wie gezeigt, mit einem Bereich mit großer Wärme 172, einem Bereich mit mittlerer Wärme 174, der den Bereich mit großer Wärme 172 umgibt, einem Bereich mit geringer Wärme 176, der den Bereich mit mittlerer Wärme 174 umgibt, und einem kälteren Bereich 178 über den Rest des mikroelektronischen Chips 102. Wie in 14 gezeigt, können die Nano-Drähte 122 in dem Bereich mit großer Wärme 172 dicht konfiguriert sein, in dem Bereich mit mittlerer Wärme 174 weniger dicht konfiguriert sein, in dem Bereich geringer Wärme 176 noch weniger dicht konfiguriert sein, und in dem kälteren Bereich 178 nicht verteilt sein. Die direkt konfigurierten Nano-Drähte entfernen eine größere Wärmemenge als die weniger dicht konfigurierten Bereiche. Somit können die thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtungen 170 für bestimmte Anwendungen abgestimmt werden.
Es wurde herausgefunden, dass die geringe Dimensionalität der Nano-Drähte (d. h. nahe eindimensional) thermoelektrische Eigenschaften der Einrichtung verstärkt und daher zu einer effizienteren Kühlung führen kann, als bekannte thermoelektrische Kühler.
Die vorliegende Erfindung besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Kühlsystemen, möglicherweise einschließlich, aber nicht beschränkt auf: 1) die direkte Integration der Kühllösung auf dem Chip, was die Anzahl von Schnittstellen zwischen dem mikroelektronischen Chip und der Wärmeableitungseinrichtung verringert, da irgendeine Schnittstelle einen Temperaturgradienten aufgrund von finiter thermischer Leitfähigkeit erzeugen wird, und 2) die verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften von Nano-Drähten aufgrund verringerter Dimensionalität kann die Effizienz der Kühllösung erhöhen, was, wiederum die erforderliche elektrische Energie zum Extrahieren ähnlicher Mengen an Wärme verglichen mit bekannten thermoelektrischen Kühlern verringern kann.
Die Leistung eines thermoelektrischen Materials sowohl beim Kühlen (dem Peltiereffekt) oder bei der Erzeugung (der Seebeck-Effekt) wird in Form der dimensionslosen Gütezahl „ZT” (T ist die absolute Temperatur und Z = α²/(ρλ) ausgewertet, wobei α der Seebeck-Koeffizient, ρ der spezifische elektrische Widerstand und λ die thermische Leitfähigkeit ist). Typische Werte von ZT für makroskopische Elemente sind um 1. Im Allgemeinen ist ZT verbessert, wenn die strukturellen Dimensionen geringer werden. Werte von 1,5 oder größer können erreicht werden, wenn der Durchmesser der Drähte der vorliegenden Erfindung den Nanometerbereich erreicht. Wie für den Fachmann verständlich, kann die Auswahl der Nano-Drahtlänge auf der effektiven elektrischen Leitfähigkeit der dielektrischen Schicht und der elektrischen Leistung der Nano-Drähte basieren. Dies kann ein Optimierungsvorgang sein und hängt von der Energie, Energiekarte und dem Gesamtgehäusewiderstand ab.
Die Leistung der nano-skalierten thermoelektrischen Drähte kann modellgebildet werden, um die Auswirkungen von verbesserter ZT zu bestimmen. Die 15 und 16 zeigen die mit Nano-Drähten, die ein ZT von 1,0 bzw. 1,5 zeigen, erreichbare Temperaturverringerung über einen Bereich einer Energieeingabe als eine Funktion der Drahtlänge. Wie in den 15 und 16 gezeigt, ergibt die Verwendung von Nano-Drähten sowohl größere Verringerungen in der Maximaltemperatur auf dem mikroelektronischen Chip als auch eine niedrigere erforderliche Energieeingabe, um diese niedrigeren Temperaturen zu erreichen. Die die größte Temperaturverringerung ergebende Drahtlänge hängt auch von den ZT-Werten der Nano-Drähte ab.
17 veranschaulicht ein Modell des Vorteils einer Verwendung von Nano-Drähten in thermoelektrischen Einrichtungen in Verbindung mit einem Kupferwärmeausbreiter verglichen mit einem Kupferwärmeausbreiter alleine bei einer Verbindungsstellentemperatur (Tj) von ungefähr 102,5°C. Bei der Verwendung der thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung wurde eine Verringerung der Verbindungsstellentemperatur von ungefähr 11,73°C verwirklicht, was ungefähr eine 11% Temperaturverringerung ist. Das in 17 gezeigte Modell wurde mit den Parametern eines mikroelektronischen Chips von 1 cm² erzeugt, der einheitlich mit 100 W/cm² versorgt wird, einschließlich eines 0,5 mm × 0,5 mm „Hotspot” in der Mitte, der mit 800 W/cm² versorgt wird. Ein thermisches Schnittstellenmaterial und eine Wärmesenke wurden modelliert, um die Rückseite des mikroelektronischen Chips zu kontaktieren, und eine thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung wurde auch modelliert, um die Rückseite des mikroelektronischen Chips zu kontaktieren. Die thermoelektrische Nano-Draht-Einrichtung wurde modelliert, um 3 mm × 3 mm zu messen, und besitzt Elemente, die 10 μm dick sind. Der Querschnittbereich der Elemente besetzte 80% des Basisflächenbereichs des thermoelektrischen Kühlers (d. h. 80% der 3 mm × 3 mm Basisfläche). Die Gütezahl „ZT” des thermoelektrischen Kühlers wurde modelliert, dass sie 3 beträgt, und die den mikroelektronischen Chip umgebende Umgebungstemperatur wurde auf 25°C modelliert.
18 veranschaulicht eine mikroelektronische Anordnung 180 der vorliegenden Erfindung mit einer thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtungsschicht 182 (einschließlich der (nicht gezeigten) thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung 140, wie vorstehend beschrieben) auf einem mikroelektronischen Chip 102 (als ein Flip-Chip veranschaulicht). Eine Wärmeableitungseinrichtung 154 kann in Kontakt mit der thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtungsschicht 182 angeordnet werden. Der mikroelektronische Chip 102 kann physikalisch und elektrisch an einem Substrat 184 durch eine Mehrzahl von Lotkugeln 186 befestigt sein. Die Wärmeableitungseinrichtung 154 kann eine Mehrzahl von Projektionen 188 enthalten, die sich davon erstrecken. Die Projektionen 188 sind im Allgemeinen während der Bildung der Wärmeableitungseinrichtung 102 geschmolzen oder nach der Bildung darin hergestellt. Es ist natürlich verständlich, dass die Projektionen 188 längliche planare rippenähnliche Strukturen (die sich senkrecht zur Figur erstrecken) und Spalten/Pfeiler-Strukturen enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind.
Die durch die vorliegende Erfindung gebildeten Bauelemente können in einer tragbaren Einrichtung 210, wie beispielsweise einem Mobiltelephon oder einem PDA (persönlichen Datenassistenten) verwendet werden, wie in 19 gezeigt. Das tragbare Einrichtung 210 kann ein Einrichtungssubstrat 220 mit zumindest einer mikroelektronischen Einrichtungsanordnung 230 umfassen, einschließlich einer Zentral(verarbeitungs)einheit(en) (CPUs), Chipsätzen, Speichereinrichtungen, ASICSs und dergleichen, aber nicht darauf beschränkt, mit zumindest einer (nicht gezeigten) thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung 140 und oder einer (nicht gezeigten) thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung 170, wie vorstehend beschrieben, innerhalb eines Gehäuses 240. Das Einrichtungssubstrat 220 kann mit verschiedenen Peripherieeinrichtungen einschließlich einer Eingabeeinrichtung, wie beispielsweise einem Tastenwahlblock 250 und einer Anzeigeeinrichtung, wie beispielsweise einer LCD-Anzeige 260 verbunden sein.
Die durch die vorliegende Erfindung gebildeten mikroelektronischen Einrichtungsanordnungen können in einem Computersystem 310 verwendet werden, wie in 20 gezeigt. Das Computersystem 310 kann ein Einrichtungssubstrat oder ein Motherboard bzw. eine Hauptplatine 320 mit zumindest einer mikroelektronischen Einrichtungsanordnung 330 umfassen, einschließlich einer Zentral(verarbeitungs)einheit(en) (CPUs), Chipsätzen, Speichereinrichtungen, ASICs und dergleichen, aber nicht darauf beschränkt, mit zumindest einer (nicht gezeigten) thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung 140 und/oder einer (nicht gezeigten) thermoelektrischen Nano-Draht-Einrichtung 170, wie vorstehend beschrieben, innerhalb eines Gehäuses oder einer Aufbauplatte 340. Das Einrichtungssubstrat oder die Hauptplatine 320 können mit verschiedenen peripheren Einrichtungen einschließlich Eingabeeinrichtungen, wie beispielsweise einer Tastatur 350 und/oder einer Maus 360, und einer Anzeigeeinrichtung, wie beispielsweise einem CRT- bzw. Kathodenstrahlröhrenmonitor 370 verbunden sein.
Da somit Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung genau beschrieben wurden, ist es verständlich, dass die durch die anhängenden Ansprüche definierte Erfindung nicht durch bestimmte in der vorstehenden Beschreibung dargelegte Einzelheiten beschränkt ist, da viele offensichtliche Veränderungen davon ohne Anweichung vom Schutzumfang davon möglich sind.

Claims

Thermoelektrisches Element mit: – einem mikroelektronischen Chip mit zumindest einem Bereich mit einer größeren Wärmeableitungsrate als der Rest des mikroelektronischen Chips, wenn er in Betrieb ist; – einer ersten Elektrode nahe dem mikroelektronischen Chip einschließlich dem Bereich größerer Wärme; – einem dielektrischen Material nahe der ersten Elektrode; – einer zweiten Elektrode gegenüberliegend der ersten Elektrode mit dem dielektrischen Material dazwischen angeordnet; und – einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckenden Nano-Drähten, wobei die Nano-Drähte nahe dem zumindest einen Bereich mit größerer Wärmeableitungsrate eine höhere Dichte aufweisen, eine niedrigere Dichte, welche die höhere Dichte umgibt, nahe einem Zwischenbereich zwischen dem Bereich großer Wärmeableitungsrate und dem Rest des mikroelektronischen Chips aufweisen, eine weitere niedrige Dichte, welche die niedrigere Dichte umgibt, aufweisen, und keine Nano-Drähte nahe dem Rest des mikroelektronischen Chips vorhanden sind, wobei die höhere Dichte, die niedrigere Dichte und die weitere niedrigere Dichte von Nano-Drähten konzentrische Ovale bilden.
Element nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Nano-Draht ein Wismut enthaltendes Material umfasst.
Element nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material ein poröses dielektrisches Material umfasst.
Element nach Anspruch 1, wobei das poröse dielektrische Material poröses Aluminium umfasst.
Element nach Anspruch 6, weiterhin mit einer negativ geladenen Leitung, die elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und einer positiv geladenen Leitung zu der zweiten Elektrode.
Elektronisches System mit: – einem externen Substrat innerhalb eines Gehäuses; und – zumindest einem mikroelektronischen Einrichtungselement, das mit dem externen Substrat verbunden ist, mit zumindest einer thermoelektrischen Einrichtung mit: – einer ersten Elektrode; – einem dielektrischen Material nahe der ersten Elektrode; – einer zweiten Elektrode gegenüberliegend der ersten Elektrode mit dem dielektrischen Material dazwischen angeordnet; und – einer Mehrzahl von sich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erstreckenden Nano-Drähten, wobei die Nano-Drähte nahe einem Bereich mit größerer Wärmeableitungsrate des mikroelektronischen Chips, wenn er in Betrieb ist, eine höhere Dichte aufweisen, eine niedrigere Dichte, welche die höhere Dichte umgibt, nahe einem Zwischenbereich nahe dem Bereich mit größerer Wärmeableitungsrate aufweisen und, eine weitere niedrigere Dichte, die die niedrigere Dichte umgibt, nahe dem Bereich mit größerer Wärmeableitungsrate aufweisen, und wobei keine Nano-Drähte nahe dem Rest des mikroelektronischen Chips vorhanden sind, und wobei die höhere Dichte, die niedrigere Dichte und die weitere niedrigere Dichte von Nano-Drähten konzentrische Ovale bilden; – einer mit dem externen Substrat verbundenen Eingabeeinrichtung; und – einer mit dem externen Substrat verbundenen Anzeigeeinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zumindest eine Nano-Draht ein Wismut enthaltendes Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das dielektrische Material ein poröses dielektrisches Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das poröse dielektrische Material poröses Aluminium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die thermoelektrische Einrichtung weiterhin eine negativ geladene Leitung, die elektrisch mit der ersten Elektrode verbunden ist, und eine positiv geladene Leitung zur zweiten Elektrode umfasst.