KR100543858B1 - Ｒｆ 및 마이크로파 통신 집적 회로를 위한 열전 스팟냉각기 - Google Patents

Ｒｆ 및 마이크로파 통신 집적 회로를 위한 열전 스팟냉각기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 고주파 집적 회로에 사용되는 능동 트랜지스터 또는 수동 트랜지스터 소자 등의 집적 회로 내의 선택된 소자를 냉각시키는 장치가 제공된다. 일 실시예에서, 냉각 장치는 집적 회로 소자에 근접한 영역에 열결합된 냉판과, 냉판에 열결합된 열전 냉각기와, 열전 냉각기에 열결합된 열판을 포함한다. 열이 냉판을 통해 집적 회로로부터 제거되어 열전 냉각기를 통해 열판으로 전달된다. 일 형태에서, 열판은 집적 회로로부터 주위로 전달된 열이 집적 회로를 둘러싼 분위기 내로 발산되도록 집적 회로의 외부 표면에 위치되거나 그에 열결합된다. 또 다른 형태에서, 열판은 기판 내로 열을 덤핑하는 동안에 집적 회로의 소자를 국부적으로 냉각시키기 위해 집적 회로 내에 매립된다.
집적 회로 소자, 냉각 장치, 냉판, 열전 냉각기, 열판

Description

ＲＦ 및 마이크로파 통신 집적 회로를 위한 열전 스팟 냉각기{THERMOELECTRIC SPOT COOLERS FOR RF AND MICROWAVE COMMUNICATION INTEGRATED CIRCUITS}
본 발명은 대체로 집적 회로 분야에 관한 것으로, 특히 집적 회로를 냉각시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
고주파(RF: radio frequency) 및 마이크로파의 사용은 통신을 제공하기 위해 20세기의 대부분 동안 이용되어 왔다. RF 및 마이크로파 기술의 초기 사용에는 무선 통신, 방송 및 양방향 통신, 그리고 접근 중인 항공기를 탐지하는 레이더가 포함된다. 이러한 초기 기술의 대부분은 세계 제2차 대전을 위해 1940년대에 개발되었다.
전쟁 후, RF 및 마이크로파 기술은 다른 통신 영역으로 확대되었다. 전화 회사들은 전송 선로를 구축할 수 없는 지역 예컨대 산악 지대에서 음성 통신을 반송하기 위해 마이크로파 기술을 사용하였다. RF 주파수는 TV 수상기가 방송 신호를 수신하는 가정으로 방송 신호를 반송하기 위해 신형 TV에 의해서도 사용되었다.
최근, RF 전송은 군사용 및 상용으로 위성 신호를 반송하는 데 그리고 인터넷으로의 접속뿐만 아니라 가입자의 가정으로 TV 콘텐츠를 전달하는 데 사용되고 있다. RF 및 마이크로파 주파수는 무선(휴대) 전화 서비스를 제공하는 데에도 사용되는데, 이들 서비스는 아날로그, 디지털 및 개인 휴대 통신(PCS: personal communication services)을 포함한다.
RF 전송을 통한 전자 통신의 전송 용량은 주파수 신호(대역폭)의 범위, 그리고 대역폭 내의 채널수에 의해 결정된다. 이는 초당 비트수, 초당 바이트수 또는 Hertz(초당 사이클수)로 표현된다. 다수의 정보가 RF 회로를 통해 전송됨에 따라, 더욱 큰 대역폭에 대한 필요성이 이러한 정보 전달의 증가를 처리하기 위해 발생하였다. 그러나, RF, 셀방식 및 마이크로파 시스템의 대역폭 및 채널 용량은 시스템 내의 증폭 및 여파 과정의 신호 대 잡음(S/N: signal-to-noise) 비에 의해 제한된다. S/N 비를 증가시키는 중요한 방법은 회로의 작동 온도를 낮춤으로써 열잡음을 감소시키는 것이다. 따라서, RF 회로의 대역폭 및 채널 용량이 증가될 수 있도록 RF 회로를 냉각시키는 장치, 시스템 및 방법을 갖는 것이 바람직하다.
미국 특허 제 5,895,964는 회로에서 생성되는 회로 소자, 및 2개의 비유사 금속을 포함하는 열전 냉각 소자가 회로 소자를 냉각하기 위해 회로 소자에 열결합되어 있는 것을 개시한다. 소스는 회로 소자에 구동 전류를 인가하기 위해 제공된다. 회로는 구동 전류가 회로의 동작 전류로서 열전 냉각 소자로 통과하도록 구성된다.
JP-A-9 064 255는 냉각 소자가 반도체의 활성 소자를 직접 냉각시킴으로써, 활성 소자의 냉각 효율성을 증가시키는 구성을 개시한다.
DE-A-100 09 899는 반도체화 칩에 직접 부착되어, 전기적으로 또는 광학적으로 동작하는 장치를 개시한다. 냉각 소자와 반도체화 칩 사이의 연결 코팅은 하나 이상의 금속화층으로 이루어진다. 여러 활성 냉각 소자는 반도체화 칩에 직접 부착될 수 있다.
본 발명은 고주파 트랜지스터 또는 리시버에 사용되는 전계 효과 트랜지스터 회로 등의 집적 회로 요소를 냉각시키는 장치를 제공한다.
제1 양상에서, 집적 회로의 선택된 소자에 열결합된 냉판과; 냉판에 열결합된 열전 냉각기와; 열전 냉각기에 열결합된 열판을 포함하고, 열판은 집적 회로의 벌크 기판 내로 방열기에 열결합되며, 집적 회로 소자로부터의 열이 냉판으로부터 열전 냉각기를 통해 운반되어 열판을 통해 벌크 기판 내로 발산되는 집적 회로의 소자를 냉각시키는 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 본 발명은 집적 회로의 선택된 소자에 열결합된 냉판과; 냉판에 열결합된 열전 냉각기와; 열전 냉각기에 열결합된 열판을 포함하고, 열이 냉판을 통해 집적 회로의 선택된 소자로부터 제거되어 열전 냉각기를 통해 열판으로 전달되며, 열이 열판으로부터 발산되는 집적 회로의 소자를 냉각시키는 장치를 제공한다.
또 다른 실시예에서, 냉각 장치는 집적 회로 요소에 열결합된 냉판과; 냉판에 열결합된 열전 냉각기와; 열전 냉각기에 열결합된 열판을 포함한다. 열이 냉판을 통해 집적 회로 요소로부터 제거되어 열전 냉각기를 통해 열판으로 전달된다. 열판은 집적 회로 요소에 대해 전달된 열이 집적 회로 칩을 둘러싼 분위기 내로 발산되도록 집적 회로의 표면에 위치된다.
삭제
이제, 첨부 도면을 참조하여, 단지 예로서 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1A 내지 도 1E는 냉각 작동으로부터 이익을 갖는 전형적인 고주파(RF) 회로의 예의 회로도이다.
도 2는 온-칩 나선형 인덕터(on-chip spiral inductor)의 품질 인자의 전형적인 온도 의존성의 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 열전 냉각(TEC: Thermoelectric Cooling) 장치의 높은 위치에서의 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 따른 IC RF 회로를 냉각시키는 직접 결합 냉각기의 평면도 이다.
도 5는 본 발명에 따른 전류 제어식 열전 냉각기(TEC)를 도시하고 있다.
도 6A 및 도 6B는 본 발명에 따른 IC RF 회로를 냉각시키는 패턴 냉판의 상부가 절결된 평면도 및 단면도이다.
도 7A 및 도 7B는 본 발명에 따른 집적 회로(IC: integrated circuit)의 LNA/PA 및 본체/기판으로써 냉각기의 직접 열결합을 도시하는 상부가 절결된 평면도 및 단면도이다.
도 8은 RF CMOS IC 상에 걸쳐 조립된 본 발명에 따른 예시 열전 스팟 냉각기의 단면도이다.
도 9는 열전 냉각기가 수동 인덕터 내에 합체되고 열이 벌크 기판 내로 방출되는 본 발명에 따른 예시 RF 나선형 인덕터 회로의 단면도이다.
이제, 도면 특히 도 1A 내지 도 1E를 참조하면, 냉각 작동으로부터 이익을 갖는 전형적인 고주파(RF) 회로의 예의 회로도가 도시되어 있다. 도 1A는 수동 안테나 시스템의 예를 도시하고 있다. 도 1B는 입력 저잡음 증폭기(LNAs: low noise amplifiers)의 예를 도시하고 있다. 도 1C는 RF 회로 내의 혼합기 단계의 예를 도시하고 있다. 도 1D는 직교 위상 발진기의 예를 도시하고 있다. 도 1E는 출력에서의 전력 증폭기(PA: power amplifier)의 예를 도시하고 있다. 이들 채널과 신호 경로 내에 채용된 여파기의 채널 선택성은 수동 인덕터 및 커패시터의 품질 인자, 그리고 트랜지스터 내의 열잡음 전압에 의해 결정된다. 품질 인자 및 열잡음 전압 은 작동 온도에 강하게 의존한다.
이제, 도 2를 참조하면, 온-칩 나선형 인덕터의 품질 인자의 전형적인 온도 의존성의 그래프가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 그래프는 3개의 온도에 대하여 CMOS 시험 칩의 클럭 발생기 내에 실시된 150×150㎛2 3.1나노헨리(nH) 나선형 인덕터 코일의 품질 인자 대 기가헤르츠(㎓) 단위의 작동 주파수에 관한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 나선형 인덕터 코일에 대한 품질 인자는 인덕터의 온도가 모든 작동 주파수에 대해 감소됨에 따라 연속적으로 상승된다. 100℃의 인덕터 온도에 대해, 인덕터 코일의 품질 인자는 1.0 내지 10.0 ㎓의 주파수 범위에 걸쳐 대략 2 내지 3의 범위 내에 있다. 인덕터 코일의 온도가 25℃까지 감소됨에 따라, 품질 인자는 동일한 주파수 범위에 대해 대략 5.0까지 증가된다. 인덕터 코일의 온도가 -123℃까지 추가로 감소됨에 따라, 품질 인자는 동일한 주파수 범위에 걸쳐 대략 15.0 내지 18.0까지 추가로 증가된다. 이와 같이, 인덕터 코일의 작동 온도를 감소시킴으로써 상당한 이익이 성취된다. 온도 감소에서의 유사한 이익이 다른 RF 회로로써 성취된다. 발진기의 위상 잡음(L)은 또한 회로의 작동 온도에 의해 직접 영향을 받는다. 발진기의 위상 잡음의 온도 의존성은 다음의 식에 의해 주어진다:
Figure 112003020212431-pct00001
여기서,
R=(LC) 탱크의 유효 저항(온도 의존)
ω0=중심의 진동 주파수
Δω=주파수 옵셋
F=능동 소자로부터의 잡음과 관련된 항
P신호=진동의 전력 수준
T=절대 작동 온도(K)
이러한 식으로부터, 위상 잡음은 발진기의 온도가 증가됨에 따라 증가된다는 것이 분명하다. 따라서, 위상 잡음의 크기를 감소시키기 위해 낮은 온도에서 작동하는 발진기를 갖는 것이 유리하다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 냉각(TEC) 장치(300)의 상위 개념에서의 블럭도가 도시되어 있다. 이러한 장치(300)는 바람직하게는 온도 감지 소자 근처의 집적 회로 소자에 연결된다. 주지된 원리인 열전 냉각은 펠티어 효과(Peltier Effect)를 기초로 하며, 이에 의해 전원(302)으로부터의 DC 전류가 2개의 비유사 재료의 접합부에서 흡수되도록 열을 발생시키는 2개의 비유사 재료를 가로질러 인가된다. 전형적인 열전 냉각 장치는 양호한 열 전도성을 갖는 열악한 전기 전도체(308)들 사이에 개재된 p-형 반도체(304) 및 n-형 반도체(306)를 이용한다. 전자들이 전기 전도체(310)를 통해 p-형 반도체(304)로부터 n-형 반도체(306)로 이동됨에 따라, 전자들의 에너지 상태는 열원(312)으로부터 흡수된 열에너지로 인해 상승된다. 이러한 과정은 p-형 반도체(304) 및 전기 전도체(310)를 통한 방열기(heat sink, 316)로의 전자 유동을 통해 열원(heat source, 312)으 로부터 열에너지를 전달하는 효과를 갖는다. 전자들은 전기 전도체(310) 내에서 저에너지 상태로 떨어져 열에너지를 방출한다.
이제, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 IC RF 회로를 냉각시키는 직접 결합 냉각기의 평면도가 도시되어 있다. 집적 회로(400)는 수동 나선형 코일(402)에 열결합된 2개의 냉각기(404, 406)를 포함한다. 냉각기(404, 406)는 예컨대 도 3의 TEC 장치(300)로서 실시될 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각기(406)의 냉판은 비아(via) 구조(408, 410)를 사용하여 수동 나선형 코일(402)의 일단부에 직접 결합된다. 비아 구조(408, 410)와 낮은 높이의 상호 연결부(414)는 바람직하게는 열 및 전기 전도성 구리 조성이다. 냉각기(404)의 냉판은 바람직하게는 구리 조성의 나선형 코일(402)의 타단부(420)에 직접 열결합된다.
나선형 코일(402)뿐만 아니라 냉각기(404, 406)의 일부가 집적 회로(400)의 동일층 내에 구성된다. 상호 연결부(414)는 나선형 코일(402)의 하부층으로부터 집적 회로(400)의 하부층 내에 구성된다. 나선형 코일(402)을 냉각시키기 위해 2개의 냉각기(404 내지 406)를 사용하여 도시되었지만, 단일 냉각기가 이용될 수 있다. 그러나, 일렬로 작동하는 2개의 냉각기는 단일 냉각기보다 큰 나선형 코일(402)의 냉각을 제공하고 나선형 코일(402)의 상이한 부분들 사이의 임의의 열구배를 감소시킨다.
냉각기(406)와 수동 나선형 코일(402) 사이의 전기 절연은 전류-모드 회로를 사용함으로써 또는 화학 기상 증착(CVD: chemical vapor deposition) 실리콘 이산화물 또는 양극 처리 알루미늄 등의 초박형 유전 부동태층을 사용함으로써 성취될 수 있다. 알루미늄의 양극 처리는 CVD 실리콘 이산화물이 바람직한데, 이는 1 내지 10 나노미터(㎚)의 유전층이 용이하게 형성되고, 알루미나(알루미늄 산화물)의 열 전도도가 실리콘 이산화물보다 양호하기 때문이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전류 제어식 열전 냉각기(TEC) 회로가 도시되어 있다. 전류 제어식 TEC 회로(500)는 수동 나선형 코일(402)로부터의 냉각기(404 내지 406)의 전기 절연을 유지하기 위해 직접 결합 냉각기(400)와 연계하여 사용될 수 있는 전류-모드 회로의 예이다. 전류 제어식 TEC 회로(500)는 p-채널 전계 효과 트랜지스터(502 내지 506), n-채널 트랜지스터(508), 인버터(510, 512 내지 514), 그리고 TEC(516)을 포함한다. TEC(516)는 열을 발산시키는 고온단(518) 그리고 냉각되도록 장치에 열결합된 저온단(520)을 갖는다.
트랜지스터(508)의 게이트는 인버터(510)의 입력뿐만 아니라 바이어스 제어 전압(Vbc)에 결합된다. 인버터(510)의 출력은 트랜지스터(506)의 게이트에 결합된다. 트랜지스터(506)의 드레인과 트랜지스터(508)의 드레인은 트랜지스터(512, 514)가 전류 미러 구조(current mirror configuration)이도록 트랜지스터(512)의 소스와 트랜지스터(512 내지 514)의 게이트에 결합된다. 트랜지스터(512 내지 514)의 드레인은 접지(Gnd)에 결합된다. 트랜지스터(514)의 소스는 TEC(516)의 제2 단부에 결합된다. 이와 같이, 전류 제어식 TEC 회로(500)는 바이어스 전압(Vbc)에 기초하여 TEC(516)를 통해 일정한 전류 유동(I0)을 유지시킨다. TEC(516)의 저온 단(520)이 이 장치에 전기 접속되더라도, 키르히호프의 법칙(Kirchoff's law)에 의 해, TEC(516)와 이 장치 사이에서 유동하는 전류가 없다. 이와 같이, 전류-모드 바이어스 회로(500)는 TEC(516)를 위한 전기 절연을 확보한다.
이제, 도 6A 및 도 6B를 참조하면, 도 6A는 RF IC 회로를 냉각시키는 집적 회로 칩 내의 패턴 냉판의 평면도이고, 도 6B는 본 발명에 따른 집적 회로 칩의 일부 단면도이다. 이러한 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같은 직접 결합된 냉각기를 사용하는 대안으로서, 냉판(602)이 예컨대 도 1 내지 도 5에 도시된 RF 회로들 중 하나 등의 RF 회로(650) 아래에 놓인다. RF 회로(650) 아래에 냉판(602)을 놓음으로써, RF 회로(650) 내의 인덕터 및 커패시터의 큰 영역이 냉각된다. 그러나, 냉판(602)은 RF 회로(650) 내의 회로들 중 임의의 회로와 물리적으로 접촉되지 않고 유전 재료(604)에 의해 분리된다. 냉판(602)은 비아 열 전도체(608)에 의해 열전 냉각기(606)에 열결합된다.
냉판(602)이 금속으로부터 구성되어 RF 회로(650) 내의 인덕터 아래에 사용되면, 냉판(602)은 인덕터와의 자기 결합으로부터 발생되는 금속층 내의 와상 전류를 순환시키는 유도를 회피하도록 패터닝된다.
집적 회로(600)는 과도량의 열을 발생시키지 않아 냉각될 필요가 없는 RF 회로(650) 이외의 다른 영역을 포함할 수 있다. 이와 같이, 상당한 열을 발생시켜 냉각될 필요가 있는 집적 회로(600)의 부분[즉, RF 회로(650)]만을 스팟 냉각시킴으로써 본 발명에 의해 전력 절약의 효율이 성취된다.
이제, 도 7A 및 도 7B를 참조하면, 도 7A는 집적 회로(IC)의 본체/기판 높이부를 통한 TEC 냉각기의 직접 열결합을 도시하는 상부가 절결된 평면도이고, 도 7B 는 본 발명에 따른 집적 회로(IC)의 본체/기판 높이부를 통한 TEC 냉각기의 직접 열결합의 절단부(750)를 따른 단면도이다. 비아(702 내지 712)는 IC(700)의 본체/기판 높이부(752)에 IC(700)의 냉판(762)을 열결합시킨다. 본체/기판 높이부(752)는 저잡음 증폭기 회로를 포함할 수 있다. TEC 냉각기(714)의 냉판(762)은 금속화 및/또는 산화층(754)을 개재시킴으로써 IC(700)의 본체/기판 높이부(752)로부터 분리된다.
전기 전도체(760)는 n-형 불순물 열전소자(756)에 p-형 불순물 열전소자(758)를 결합시켜 전류가 열전소자(756, 758)를 통해 전기 전도체(768)로부터 유동되어 전기 전도체(766)를 통해 유출되게 한다. 전기 절연, 열 전도성 열판은 전기 전도체(766 내지 768)와 물리적으로 접촉되어 열이 열전소자(756 내지 758)로부터 열판(764) 내로 유동되게 하는데, 여기에서 열은 발산될 수 있다.
이제, 도 8을 참조하면, RF CMOS IC 상에 걸쳐 조립된 본 발명에 따른 예시 열전 스팟 냉각기의 단면도가 도시되어 있다. 이러한 예시 실시예에서, 집적 회로(IC) 칩(800)은 실리콘 기판(890) 위에 놓인 매립 산화물(894) 내에 SOI(silicon-on-insulator)로서 형성된 저잡음 증폭기(LNA) 트랜지스터(808)를 포함한다. 열전 냉각기(TEC)(832)는 LNA 트랜지스터(808)를 냉각시키는 LNA 트랜지스터(808) 위에 놓인다. TEC(832)를 위한 전류원을 제공하는 제2 트랜지스터(806)는 또한 매립 산화물(894) 내에 SOI 트랜지스터로서 형성된다. 산화층(816)을 통한 전도성 비아 구조(810)는 TEC(832)의 p-형(838) 및 n-형(840) 반도체 재료에 전류를 제공하기 위해 TEC(832)에 트랜지스터(806)의 드레인(826)을 결합시킨다. p- 형(838) 및 n-형(840) 반도체 영역은 도 3에서 p-형 반도체(304) 및 n-형 반도체(306)와 유사한 기능을 제공한다.
열을 발산시키는 예컨대 도 3의 방열기(316) 등의 방열기로서 작용하는 열확산기(830)는 층(834)을 통해 TEC(832)의 고온측 요소에 열결합되지만 전기 결합되지 않는다. 층(834)은 예컨대 초박형 산화물 또는 알루미나에 의해 구성될 수 있다. 열확산기(830)는 납땜에 의해 층(834)에 결합될 수 있다.
n-형 반도체(840)는 얇은 층(836)을 통해 냉판(828)에 열결합된다. 층(836)은 또한 예컨대 초박형 산화물 또는 알루미나로부터 구성될 수 있다.
냉판(828)은 각각 비아(814, 812)를 사용함으로써 산화층(816)을 통해 트랜지스터(808)의 드레인(824) 및 소스(822) 모두에 열결합된다. 비아(810)뿐만 아니라 비아(812, 814)는 전형적으로 예컨대 구리(Cu) 또는 텅스텐(W) 등의 금속으로부터 구성되고 모두 양호한 전기 및 열 전도체이다. 비아(814)는 드레인 확산부(824)와 반대인 불순물의 확산 영역(818)을 통해 드레인(824)에 열결합되는데, 이는 드레인(824)으로부터의 비아(814) 및 냉판(828)의 전기 절연을 유지시키면서 열접속을 제공한다. 비아(812)는 소스(822)로부터 비아(812) 및 냉판(828)의 전기 절연을 유지시키면서 열접속을 제공하는 유사하게 확산된 영역(820)을 통해 소스(822)에 열결합된다.
이와 같이, 열이 RF 작동에 의해 트랜지스터(808) 내에 축적됨에 따라, 열은 비아(812, 814)를 통해 TEC(832)의 냉판(828)으로 운반된다. 다음에, 열은 냉판(828)으로부터 열확산기(830)로 전달되는데, 여기에서 열은 IC 칩(800)으로부 터 발산될 수 있다.
선택적으로, 단면(844)의 반응성 이온 식각(RIE: reactive ion etch)이 수행될 수 있다. RIE 식각은 열판(838)에 연결된 비아(810)로부터 냉판(828)의 추가 단열을 확보하도록 단면(844) 내에 트렌치를 형성한다.
도 8에 도시된 구조는 RF IC 장치에 직접 결합된 열전 스팟 냉각기의 예로서 주어지는 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 예컨대, 다소의 금속화층(M1 내지 M5, LM)이 예컨대 트랜지스터(808) 및 냉판(828) 등의 RF 장치 사이에 이용될 수 있다. 나아가, 트랜지스터(808)는 본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않는 임의의 단일 또는 복합 온도 민감성 장치일 수 있다. 또한, 본 발명은 SOI 트랜지스터로서 구성된 RF 트랜지스터에 제한되지 않고, 벌크 트랜지스터와 트랜지스터 이외의 RF 장치에 대한 이벤트에 적용될 수 있는 것을 주목하여야 한다. 나아가, IC 칩(802)의 소자들은 도시된 것 이외의 물질 및 화합물로부터 구성될 수 있다.
이제, 도 9를 참조하면, 열전 냉각기가 수동 인덕터 내에 합체되고 열이 벌크 기판 내로 방출되는 본 발명에 따른 예시 RF 나선형 인덕터 회로의 단면도가 도시되어 있다. IC 칩(900)은 도시된 도면에서 볼 수 있는 요소(908, 910)를 갖는 나선형 인덕터를 포함한다. 나선형 인덕터 요소(908, 910)는 예컨대 구리(Cu) 등의 전기 전도성 재료로부터 형성된다. 나선형 인덕터는 저온단(904) 내에 형성되고 인덕터 요소의 인덕터 리드(908, 910)는 포토리지스트(PR: photoresist) 지지부(912)에 의해 IC 칩(900)의 표면(930) 위에서 부분적으로 지지되는 저온단(904)에 열결합된다.
열전 냉각기(902)는 TEC의 p-형 소자(914) 및 n-형 소자(916)의 저온단에 저온단(904)을 결합시키도록 전기 전도성이지만 열 전도성이 아닌 얇은 층(906)을 포함한다. TEC를 구동시키는 전류는 전도체(932)를 통해 제공되는데, 이는 도시된 예에서 제2 금속화층(M2) 내에 놓인다. 열전 냉각기(902)는 또한 비아(920)에 열결합을 제공하는 열 전도성이지만 전기 전도성이 아닌 제2의 얇은 층(918)을 포함한다. 다음에, 비아(920)는 기판(926)에서 산화층(922)을 통해 고온단(924)에 열접속을 제공한다. 열이 나선형 인덕터 내에서 발생됨에 따라, 저온단(904)으로부터 고온단(924)으로 그리고 벌크 실리콘 기판(926) 내로 TEC(902)에 의해 운반되어, 나선형 인덕터를 냉각시킨다.
본 발명은 우선 집적 회로의 표면에 위치된 열판을 통해 벌크 기판 또는 집적 회로를 둘러싼 분위기 내로 열을 발산시키는 것을 참조하여 설명되었지만, 열은 다른 수단에 의해 발산될 수 있다. 예컨대, 열은 공기 중에 직접이 아니라 열파이프를 통해 방출될 수 있다. 나아가, 열전 냉각기는 단일 형태의 열전 냉각기로 제한되는 것이 아니라, 예컨대 양자 점 냉각기(quantum point cooler) 등의 여러 개의 다른 형태의 열전 냉각기 중 임의의 것으로서 실시될 수 있다.
본 발명은 냉각 과정에서 용이하게 합체될 수 있도록 포토리지스트 또는 유전성 지지부를 구비한 금속을 허용한다는 것을 주목하여야 한다. 나아가, 본 발명은 도시된 예시 구조에 의해 제한되지 않고 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 이용될 수 있는 다수의 대체 구조가 있다는 것도 주목하여야 한다.
본 발명의 설명은 도시 및 설명을 위해 제공되었고, 개시된 형태로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 다수의 변형예 및 수정예가 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 원리, 실제 적용을 가장 잘 설명하기 위해, 그리고 다른 당업자들이 고려된 특정 용도에 적합하도록 된 바와 같은 다양한 변형예를 구비한 다양한 실시예를 위해 본 발명을 이해할 수 있게 하기 위해 실시예들이 선택되어 설명되었다.

Claims (22)

  1. 집적 회로(900)의 소자를 냉각시키는 장치에 있어서,
    상기 집적 회로의 선택된 소자에 열결합된 냉판(904)과;
    상기 냉판에 열결합된 열전 냉각기(902)와;
    상기 열전 냉각기에 열결합된 열판(924)을 포함하고,
    열이 상기 냉판을 통해 상기 집적 회로의 선택된 소자로부터 제거되어 상기 열전 냉각기를 통해 상기 열판으로 전달되며,
    열이 상기 열판으로부터 발산되고,
    상기 열판이 상기 집적 회로의 벌크 기판(926) 내로 방열기에 열결합되어, 상기 집적 회로 소자로부터의 열이 상기 열전 냉각기를 통해 상기 냉판으로부터 전달되어 상기 열판을 통해 상기 벌크 기판 내로 발산되는 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열판이 주위 분위기 내로 열을 발산시키기 위해 상기 집적 회로의 표면에 노출되는 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열판이 열을 발산시키는 수동 소자에 열결합된 냉각 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전류가 상기 집적 회로 내에서 전계 효과 트랜지스터(506)로부터 상기 열전 냉각기로 제공되고, 상기 전계 효과 트랜지스터의 드레인이 비아(via) 구조에 의해 상기 열전 냉각기에 전기 결합된 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉판이 열 컨덕터(812, 814)에 의해 상기 집적 회로의 선택된 소자에 열결합되고, 상기 열 컨덕터가 상기 집적 회로의 선택된 소자로부터 상기 냉판의 적어도 부분적인 전기 절연을 제공하는 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 회로의 선택된 소자가 트랜지스터(808)이고, 냉판(828)이 트랜지스터의 드레인(824) 및 소스(822) 모두에 열결합된 냉각 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 트랜지스터가 저잡음 증폭기 트랜지스터(808)인 냉각 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 트랜지스터가 실리콘-온-옥사이드(silicon-on-oxide) 트랜지스터인 냉각 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 회로의 선택된 소자가 커패시터인 냉각 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 회로의 선택된 소자가 인덕터인 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 인덕터는 나선형 인덕터인 냉각 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 회로의 선택된 소자가 고주파 회로에 이용되는 냉각 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 고주파 회로가 안테나를 포함하는 냉각 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고주파 회로가 수동 안테나를 포함하는 냉각 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 고주파 회로가 저잡음 증폭기를 포함하는 냉각 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 고주파 회로가 혼합기를 포함하는 냉각 장치.
  17. 제12항에 있어서, 상기 고주파 회로가 직교 위상 발진기를 포함하는 냉각 장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 고주파 회로가 전력 증폭기를 포함하는 냉각 장치.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉판이 지지부에 의해 집적 회로 소자의 표면으로부터 떨어져 부분적으로 지지되는 냉각 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 지지부가 포토리지스트를 포함하는 냉각 장치.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉판이, 적어도 하나의 패턴화된 집적 회로층에 의해 정의되는 경로를 통해 상기 집적 회로의 선택된 소자에 열결합되는 냉각 장치.
  22. 삭제
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