專(zhuān)利名稱：熱電模塊的制作方法
領(lǐng)域本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及熱電冷卻領(lǐng)域，尤其涉及更高效的熱電冷卻模塊及其應(yīng)用。
背景熱電模塊(TEM)包括串聯(lián)連接并設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)熱但電絕緣的襯底之間的多個(gè)交替的p型和n型半導(dǎo)體熱電元件(例如，n型和p型二極管)。當(dāng)電流流過(guò)TEM時(shí)，熱量在一個(gè)表面(襯底的一個(gè)表面)吸收并在另一個(gè)表面排出。于是，該TEM就起到冷卻器或制冷器的作用。TEM可在要求小尺寸、高可靠性、低功耗和寬工作溫度范圍的應(yīng)用中用作熱電冷卻器。


圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)典型TEM。圖1所示的TEM 100包括通常由傳導(dǎo)連接帶115電氣串聯(lián)連接的多個(gè)n型和p型二極管對(duì)110。二極管對(duì)110之間的空隙111通常含有空氣。這些二極管被放置在兩個(gè)襯底120A和120B之間。一般通過(guò)將若干(例如三層)陶瓷層粘合在一起來(lái)形成這些襯底。當(dāng)連接電流通過(guò)負(fù)極端子125A和正極端子125B時(shí)，該TEM的一側(cè)(例如，襯底120A)吸收熱量，而另一側(cè)(例如，襯底120B)則排出熱量。TEM吸收熱量的一側(cè)被稱為“冷側(cè)”，而TEM排出熱量的一側(cè)則被稱為熱側(cè)。TEM的哪一側(cè)是冷側(cè)及哪一側(cè)是熱側(cè)由電流極性確定。即，反轉(zhuǎn)電流的方向改變熱傳遞的方向。
圖1A示出了TEM 100的側(cè)視圖。
TEM可用于通過(guò)將產(chǎn)熱元件附在其冷側(cè)之上并施加電流來(lái)冷卻該產(chǎn)熱元件。TEM同樣可用于通過(guò)物理地翻轉(zhuǎn)TEM或反轉(zhuǎn)電流方向來(lái)加熱。
當(dāng)用于冷卻產(chǎn)熱元件時(shí)，TEM只有在其熱側(cè)附有排熱裝置時(shí)才能有效工作。這是因?yàn)門(mén)EM被設(shè)計(jì)成在其冷側(cè)和熱側(cè)之間保持一指定的溫差ΔT。隨著冷側(cè)吸收來(lái)自產(chǎn)熱元件的熱量，熱側(cè)為保持溫差ΔT會(huì)逐漸變熱。TEM的熱側(cè)會(huì)熱到該TEM失效。
為解決這一情況，在熱側(cè)上附加排熱裝置(例如，散熱片)。通常使用熱界面材料(TIM)來(lái)降低在諸如帶散熱片的銅或鋁塊之類(lèi)的排熱裝置和TEM之間的接觸電阻。TIM填充由兩表面的不良表面加工所產(chǎn)生的空隙和凹槽。這些空隙和凹槽的熱阻可能很高。所使用的通常是聚合物或潤(rùn)滑油的TIM是導(dǎo)熱材料。但即便使用TIM，TEM/排熱裝置界面處的熱阻對(duì)某些應(yīng)用而言仍然是過(guò)高并有害的。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)參考以下用于示出了本發(fā)明實(shí)施例的描述和附圖能夠最好地理解本發(fā)明。在附圖中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)典型TEM；圖1A示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的TEM的側(cè)視圖；圖2示出了使用TEM冷卻微電子器件；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成到襯底層內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)的TEM；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成在襯底的表面層內(nèi)的金屬區(qū)以及直接與該金屬區(qū)集成的排熱裝置的TEM；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成在襯底的表面層內(nèi)的金屬區(qū)以及貫穿TEM襯底的后續(xù)各層而形成以作為熱通孔的金屬跡線的TEM；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于冷卻微電子器件的TEM；圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成到襯底層內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)的TEM；圖7B示出了具有集成在襯底的表面層內(nèi)的焊盤(pán)以及直接附在該TEM上的管腳散熱片的TEM。
詳細(xì)說(shuō)明在隨后的描述中，將闡明諸多具體細(xì)節(jié)。然而，可以理解，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其他實(shí)例中，未詳細(xì)示出公知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)以免淡化本發(fā)明的主旨。
在說(shuō)明書(shū)中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的參考指的是結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。由此，在本說(shuō)明書(shū)各處出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”不必都指代同一實(shí)施例。此外，這些特定特征、結(jié)構(gòu)或特性在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中可以用任何合適的方式來(lái)組合。
另外，本發(fā)明的各方面所要求的特征要少于單個(gè)公開(kāi)實(shí)施例的全部特征。這樣，在此詳細(xì)說(shuō)明之后的權(quán)利要求書(shū)被明確地并入該詳細(xì)說(shuō)明中，其中每項(xiàng)權(quán)利要求獨(dú)立地作為本發(fā)明的一個(gè)單獨(dú)的實(shí)施例。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可在冷卻微電子器件的環(huán)境中使用。例如，由于微電子器件變得越來(lái)越小而功率要求增加，這些器件正在產(chǎn)生越來(lái)越多的熱量，而這些熱量必須從日益減小的表面積上排除。圖2示出了使用TEM來(lái)冷卻微電子器件。圖2所示的由TEM冷卻的器件200包括放置在PCB 202之上的器件封裝201。附在器件封裝201之上的是用于冷卻該器件封裝201的TEM 203。TEM 203具有熱側(cè)204和冷側(cè)205。第一TIM層206被放置在器件封裝201和TEM 203的冷側(cè)205之間。排熱裝置207被附著在TEM 203的熱側(cè)204之上。排熱裝置通常可以是其上形成有散熱片的傳導(dǎo)金屬塊。第二TIM層208被設(shè)置在TEM 203的熱側(cè)204和排熱裝置207之間。安裝硬件209用于確保施加了足夠的壓力。上述TIM層和安裝硬件在由TEM冷卻的器件200的總體冷卻方案中添加了額外的熱阻。
熱阻的測(cè)量值可被定義為ψ＝ΔT/pwr，其中ΔT是管芯結(jié)處溫度TJ和環(huán)境溫度TA之間的差值，而pwr是通過(guò)該器件耗散的以瓦為單位的功率量。通常ψJA的理想值為0.3℃/瓦。結(jié)溫由微電子器件的各元件固定，因此隨著對(duì)這些器件的功率要求增加，必須按比例降低ψJA的值。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成到襯底層內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)的TEM。出于討論的目的，高導(dǎo)熱材料是在20℃時(shí)熱導(dǎo)率大于約200W/mK的那些材料。圖3中示出的TEM 300包括被放置在兩個(gè)襯底320A和320B之間的多個(gè)n型和p型二極管對(duì)310。可以通過(guò)將若干陶瓷層粘合在一起來(lái)形成襯底320A和320B。至少一個(gè)襯底包括集成到該襯底表面內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)。例如，如圖3所示，襯底320A包括作為示例被示出為區(qū)域321的高導(dǎo)熱材料區(qū)。對(duì)一個(gè)實(shí)施例而言，高導(dǎo)熱材料可以是諸如銅、鋁、銀等金屬及其合金，諸如銅銦和銀鋅合金。例如，對(duì)一個(gè)實(shí)施例而言，區(qū)域321可以包括集成到多層襯底的頂面內(nèi)的銅焊盤(pán)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，TEM襯底的表面層內(nèi)集成的金屬區(qū)可用于將排熱裝置直接與該TEM集成。例如，金屬散熱片可以被直接焊接或硬焊到TEM襯底的表面層內(nèi)集成的金屬區(qū)。對(duì)于這一實(shí)施例而言，不需要排熱裝置和TEM之間的TIM層，由此就避免了與TIM層相關(guān)聯(lián)的熱阻。穿過(guò)TIM層的典型熱阻值約為0.1℃/瓦，因此消除了對(duì)該層能顯著降低熱阻ψJA(例如，從0.3℃/瓦到0.2℃/瓦)的需求。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成在襯底的表面層內(nèi)的金屬區(qū)以及與該金屬區(qū)直接集成的排熱裝置的TEM。圖4中示出的TEM 400包括如上參考圖3所述的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的TEM 300。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，多個(gè)板散熱片450被直接附在TEM 300之上。板散熱片450可以被焊接或硬焊到集成在TEM襯底320A的表面層內(nèi)的金屬區(qū)(未示出)。
具有與TEM襯底直接集成的排熱裝置的TEM 400通過(guò)使在排熱裝置和TEM之間的TIM材料變得多余來(lái)降低熱阻。通過(guò)提供貫穿TEM襯底的熱通孔能避免額外的熱阻。例如，對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例而言，TEM襯底的表面層上集成有高導(dǎo)熱區(qū)，并且還貫穿該TEM襯底的后續(xù)各層額外地形成作為熱通孔的高導(dǎo)熱跡線。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成在襯底的表面層內(nèi)的金屬區(qū)以及貫穿該TEM襯底的后續(xù)各層形成以作為熱通孔的金屬跡線的TEM。圖5所示的TEM 500具有由傳導(dǎo)連接帶515電氣連接的多個(gè)n型和p型二極管對(duì)510。這些二極管可以被放置在兩個(gè)襯底520A和520B之間。如圖5所示，襯底520A由三層陶瓷層組成，即522、524和526。襯底520A的表面層522中集成了諸如銅或鋁等高導(dǎo)熱材料區(qū)。陶瓷層524和526中分別集成了金屬跡線534和536。金屬跡線534與區(qū)域521相接觸，還與金屬跡線536相接觸。如此，形成了貫穿TEM襯底520A的熱通孔。熱通孔本質(zhì)上是貫穿襯底的導(dǎo)熱通路，它可以是任何合適的幾何形狀的金屬管。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例而言，金屬跡線536具有尺寸，并且被放置在不會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)連接帶515短路的位置上，而金屬跡線534的尺寸和/或位置可以變化。貫穿TEM襯底的熱通孔的實(shí)現(xiàn)還能進(jìn)一步降低熱阻。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于冷卻微電子器件的TEM。圖6所示的由TEM冷卻的器件600包括放置在PCB 602之上的器件封裝601。附在器件封裝601上的是用于冷卻該器件封裝601的TEM 603。TEM 603具有上襯底620A和下襯底620B，并且包括被放置在襯底620A和620B之間的多個(gè)n型和p型二極管對(duì)610。作為T(mén)EM 603的熱側(cè)的上襯底620A在其上表面630內(nèi)集成有高導(dǎo)熱材料(例如，銅)區(qū)621。區(qū)域621與貫穿n型和p型二極管對(duì)之間的襯底延伸的熱通孔635相接觸。排熱裝置通過(guò)區(qū)域621直接與TEM 603相連。例如，如圖所示，可以是銅或某些其他合適材料的板散熱片650被焊接或硬焊在同樣是銅的區(qū)域621上。對(duì)于通過(guò)TEM 600示出的實(shí)施例而言，TIM層606被放置在器件封裝601和作為T(mén)EM603冷側(cè)的TEM襯底620B之間，然而對(duì)于將在以下討論的替換實(shí)施例而言，TIM層606也可變?yōu)槎嘤嗟摹?br> 替換實(shí)施例本發(fā)明的實(shí)施例提供具有集成到位于TEM熱側(cè)上的襯底的表面層內(nèi)的高導(dǎo)熱區(qū)的TEM，從而允許將排熱裝置直接附于TEM上。這就使得在TEM和排熱裝置之間的TIM層變得多余。如上所述的實(shí)施例描述了被直接焊接或硬焊到集成在TEM襯底的表面內(nèi)的金屬區(qū)上的板散熱片。對(duì)于替換實(shí)施例而言，可使用可直接附于集成的高導(dǎo)熱金屬區(qū)上的任何排熱裝置。
例如，圖7A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有集成到襯底層內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)的TEM。圖7A所示的TEM 700包括放置在兩個(gè)襯底720A和720B之間的多個(gè)n型和p型二極管對(duì)710。如圖7A所示，襯底720A包括用于直接附在管腳散熱片之上的集成焊盤(pán)721。焊盤(pán)721可以是銅、鋁或其他高導(dǎo)熱金屬或材料。圖7B示出了具有集成在襯底的表面層內(nèi)的焊盤(pán)(未示出)以及直接附在TEM 700上的管腳散熱片750的TEM 700。管腳散熱片750可以被焊接或硬焊到集成在TEM襯底720A的表面層內(nèi)的焊盤(pán)上。
對(duì)于替換實(shí)施例，基于冷卻劑的排熱裝置(諸如，冷卻板)能直接附在TEM襯底上并可結(jié)合遠(yuǎn)程熱交換器結(jié)合使用。
雖然以上討論的本發(fā)明實(shí)施例描述了具有集成在其熱側(cè)的襯底表面內(nèi)的高導(dǎo)熱區(qū)的TEM，但是除此之外或作為替代，替換實(shí)施例可以包括集成到該TEM冷側(cè)的襯底表面內(nèi)的上述區(qū)域。例如，某些管芯封裝包括金屬外表面區(qū)。集成在該TEM冷側(cè)的襯底表面內(nèi)的金屬區(qū)可被直接接合到管芯外殼的金屬表面上。這就使通常在管芯和TEM之間使用的TIM層變得多余，因而能進(jìn)一步降低熱阻。
具有貫穿襯底的熱通孔的本發(fā)明實(shí)施例已經(jīng)討論了由TEM的電子性質(zhì)所限制的熱通孔的尺寸和位置(例如，n型和p型二極管對(duì)互連的位置)。對(duì)于本發(fā)明的替換實(shí)施例而言，只要熱通孔沒(méi)有完全延伸貫穿TEM的襯底，則熱通孔的大小和位置就更加不受約束。例如，對(duì)于具有由三層粘合層形成的襯底的TEM而言，與n型和p型二極管相鄰的層可以完全由電絕緣材料組成，而中心層則可具有貫穿其形成并按期望放置的擴(kuò)展熱通孔。
已經(jīng)在冷卻微電子器件的上下文中討論了本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是本發(fā)明的各實(shí)施例可以在需要TEM來(lái)提供高效冷卻的全部應(yīng)用中使用。
雖然根據(jù)各實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，而是可用所附權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)的修改和改變來(lái)實(shí)施。由此，本說(shuō)明書(shū)應(yīng)被看做是示意性而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種熱電模塊，包括具有內(nèi)表面和外表面的上襯底；具有內(nèi)表面和外表面的下襯底；以及被放置在所述下襯底的內(nèi)表面和所述上襯底的內(nèi)表面之間并被電氣連接以有效冷卻所述下襯底的外表面的多個(gè)n型二極管和p型二極管對(duì)，其中所述上襯底的外表面中集成了高導(dǎo)熱材料區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，所述高導(dǎo)熱材料是高導(dǎo)熱金屬。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電模塊，其特征在于，所述高導(dǎo)熱金屬是從由銅、鋁、銀、銅銦合金、銀鋅合金及其多層結(jié)構(gòu)組成的組中選出的金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，還包括接合到集成在所述上襯底的外表面中的至少一個(gè)高導(dǎo)熱區(qū)上的排熱裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的熱電模塊，其特征在于，所述排熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)板散熱片。
6.如權(quán)利要求4所述的熱電模塊，其特征在于，所述排熱裝置包括多個(gè)管腳散熱片。
7.如權(quán)利要求4所述的熱電模塊，其特征在于，所述排熱裝置是基于冷卻劑的裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，還包括貫穿所述上襯底形成的一個(gè)或多個(gè)熱通孔。
9.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，還包括從所述上襯底的外表面延伸至所述上襯底的內(nèi)表面的一個(gè)或多個(gè)熱通孔。
10.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其特征在于，所述上襯底的外表面中集成了高導(dǎo)熱材料區(qū)。
11.一種方法，包括提供一微電子器件；將一熱電模塊的冷側(cè)附在所述微電子器件上以有效冷卻所述微電子器件，所述熱電模塊具有集成在熱側(cè)的外表面內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)；以及將一排熱裝置直接接合到至少一個(gè)所述高導(dǎo)熱材料區(qū)上。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述高導(dǎo)熱材料是高導(dǎo)熱金屬。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述高導(dǎo)熱金屬是從由銅、鋁、銀、銅銦合金、銀鋅合金及其多層結(jié)構(gòu)組成的組中選出的金屬。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述排熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)板散熱片。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述排熱裝置包括多個(gè)管腳散熱片。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述排熱裝置是基于冷卻劑的裝置。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述熱電模塊具有貫穿一包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底而形成的一個(gè)或多個(gè)熱通孔。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，一個(gè)或多個(gè)熱通孔從包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底的外表面延伸至包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底的內(nèi)表面。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述微電子器件具有金屬殼并且被直接接合到集成在所述冷側(cè)的外表面內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)上。
20.一種系統(tǒng)，包括熱電模塊，它具有接合在包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)；與包含所述熱電模塊的冷側(cè)的襯底機(jī)械耦合的處理器；以及被直接接合到集成在包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底內(nèi)的至少一個(gè)所述高導(dǎo)熱材料區(qū)上的排熱裝置。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高導(dǎo)熱金屬是從由銅、鋁、銀、銅銦合金、銀鋅合金及其多層結(jié)構(gòu)組成的組中選出的金屬。
22.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排熱裝置包括一個(gè)或多個(gè)板散熱片。
23.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排熱裝置包括多個(gè)管腳散熱片。
24.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述排熱裝置是基于冷卻劑的裝置。
25.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱電模塊具有貫穿一包含所述熱電模塊的熱側(cè)的襯底而形成的一個(gè)或多個(gè)熱通孔。
26.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器具有金屬殼并且被直接接合到集成在包括所述熱電模塊的冷側(cè)的襯底的外表面內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)之上。
27.如權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱電模塊包括貫穿包含所述熱電模塊的冷側(cè)的所述襯底而形成的一個(gè)或多個(gè)熱通孔。
全文摘要
一種熱電模塊具有集成在襯底層內(nèi)的高導(dǎo)熱材料區(qū)。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例而言，銅焊盤(pán)被集成到該熱電模塊的熱側(cè)的襯底的外表面內(nèi)。銅焊盤(pán)允許排熱裝置和熱電模塊的直接連接以降低熱阻。可以貫穿襯底形成熱通孔以進(jìn)一步降低熱阻。
文檔編號(hào)H01L23/38GK1969397SQ200580020210
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月22日
發(fā)明者J·雷加, C·盧希奧 申請(qǐng)人:英特爾公司