一种热电散热装置

摘要

本发明公开了一种热电散热装置，包括：顶层芯片，其包括顶层基底以及贯穿顶层基底的P型硅通孔和第一金属硅通孔，P型硅通孔用于连接电源的零电位，第一金属硅通孔用于连接电源的正电位；中间层芯片，其叠置连接在顶层芯片下部，包括中间层基底和贯穿中间层基底的第二金属硅通孔和第三金属硅通孔，中间层芯片中形成有电子器件；底层芯片，其叠置连接在中间层芯片下部，包括底层基底和贯穿底层基底的N型硅通孔和第四金属硅通孔，并且两通孔在底层芯片的底部相互连通，其中，P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔顺次连接，且第一金属硅通孔、第三金属硅通孔和第四金属硅通孔顺次连接。该热电散热装置的散热效果得到提高。

权利要求

1.一种热电散热装置，其特征在于，包括：

顶层芯片，其包括顶层基底以及贯穿所述顶层基底的P型硅通孔和第一金属硅通孔，所述P型硅通孔用于连接电源的零电位，所述第一金属硅通孔用于连接所述电源的正电位；

中间层芯片，其叠置连接在所述顶层芯片下部，所述中间层芯片包括中间层基底和贯穿所述中间层基底的第二金属硅通孔和第三金属硅通孔，所述中间层芯片中形成有电子器件；

底层芯片，其叠置连接在所述中间层芯片下部，所述底层芯片包括底层基底和贯穿所述底层基底的N型硅通孔和第四金属硅通孔，并且所述N型硅通孔和第四金属硅通孔在所述底层芯片的底部相互连通，其中，所述P型硅通孔、所述第二金属硅通孔和所述N型硅通孔顺次连接，且所述第一金属硅通孔、所述第三金属硅通孔和所述第四金属硅通孔顺次连接。

2.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述顶层芯片还包括贯穿所述顶层基底的第五金属硅通孔，所述第五金属硅通孔用于连接所述电子器件。

3.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述热电散热装置包括多组顺次连接的所述P型硅通孔、所述第二金属硅通孔和所述N型硅通孔。

4.根据权利要求3所述的热电散热装置，其特征在于，所述多组顺次连接的P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔围绕所述电子器件布置。

5.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述底层芯片的底部设置有重分布层，所述N型硅通孔和第四金属硅通孔通过所述重分布层相互连通。

6.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述硅通孔的顶部设有焊盘。

7.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述P型硅通孔、所述第二金属硅通孔和所述N型硅通孔顺次通过焊球连接，且所述第一金属硅通孔、所述第三金属硅通孔和所述第四金属硅通孔顺次通过焊球连接。

8.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述第一金属硅通孔、所述第二金属硅通孔、所述第三金属硅通孔和所述第四金属硅通孔的填充材料均为铜。

9.根据权利要求1所述的热电散热装置，其特征在于，所述P型硅通孔和所述N型硅通孔的填充材料为碲化铋、Sb2Te3、Bi2Te3、PbTe、SiGe、晶体声子玻璃或纳米材料。

说明书

一种热电散热装置

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种热电散热装置。

背景技术

[0002] 在半导体制造技术领域中，集成电路的冷却一直是必须解决的重要问题。由于焦耳热而产生的高温常常会降低集成电路设备的性能和可靠性。

[0003] 对由N、P型材料组成的热电偶施加直流电压后，因直流电通入的方向不同，将在电偶节点处产生吸热和放热现象，一个节点变热，同时另一个节点变冷，这种现象称为帕尔帖效应。帕尔贴热电散热装置是一种利用帕尔贴效应以产生热泵效果的装置。帕尔贴热电散热装置具有冷端和热端两个端部，在冷端和热端之间连接有一个或数个热电偶。所有这些热电偶连接在一起，并在两端抽出两个电源连接端。当向两个电源连接端施加直流电压时，上述冷端温度降低而热端温度升高，也就是冷端的热量被传导至热端。该设备并不产生热量或吸收热量，而是将热量从一端传导至另一端，由此使一端被冷却。

[0004] 需要提供一种热电散热装置，以解决上述集成电路的冷却问题。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种热电散热装置，其包括：顶层芯片，其包括顶层基底以及贯穿顶层基底的P型硅通孔和第一金属硅通孔，P型硅通孔用于连接电源的零电位，第一金属硅通孔用于连接电源的正电位；中间层芯片，其叠置连接在顶层芯片下部，中间层芯片包括中间层基底和贯穿中间层基底的第二金属硅通孔和第三金属硅通孔，中间层芯片中形成有电子器件；底层芯片，其叠置连接在中间层芯片下部，底层芯片包括底层基底和贯穿底层基底的N型硅通孔和第四金属硅通孔，并且N型硅通孔和第四金属硅通孔在底层芯片的底部相互连通，其中，P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔顺次连接，且第一金属硅通孔、第三金属硅通孔和第四金属硅通孔顺次连接。

[0006] 进一步地，顶层芯片还包括贯穿顶层基底的第五金属硅通孔，第五金属硅通孔用于连接电子器件。

[0007] 进一步地，热电散热装置包括多组顺次连接的P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔。

[0008] 进一步地，多组顺次连接的P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔围绕电子器件布置。

[0009] 进一步地，底层芯片的底部设置有重分布层，N型硅通孔和第四金属硅通孔通过重分布层相互连通。

[0010] 进一步地，硅通孔的顶部设有焊盘。

[0011] 进一步地，P型硅通孔、第二金属硅通孔和N型硅通孔顺次通过焊球连接，且第一金属硅通孔、第三金属硅通孔和第四金属硅通孔顺次通过焊球连接。

[0012] 进一步地，第一金属硅通孔、第二金属硅通孔、第三金属硅通孔和第四金属硅通孔的填充材料均为铜。

[0013] 进一步地，P型硅通孔和N型硅通孔的填充材料为碲化铋、Sb2Te3、Bi2Te3、PbTe、SiGe、晶体声子玻璃或纳米材料。

[0014] 本发明具有以下技术效果：

[0015] 本发明的热电散热装置中，顶层芯片中的P型硅通孔、中间层芯片中的第二金属硅通孔和底层芯片中的N型硅通孔顺次连接，形成帕尔贴形式的热电散热件。并且，N型硅通孔与底层芯片中的第四金属硅通孔相互连通，而第一金属硅通孔、第三金属硅通孔和第四金属硅通孔顺次连接，从而N形硅通孔与顶层芯片中的第一金属硅通孔连接，这样位于顶层芯片中的P型硅通孔和第一金属硅通孔分别形成热电散热装置的两个电源连接端。其中在P型硅通孔连接电源的零电位，第一金属硅通孔连接电源的正电位时，该热电散热装置的顶部和底部形成其热端，而中间成为冷端。

[0016] 由此，由于中间层芯片中形成有电子器件，就使得该电子器件与冷端接触，得到冷端的冷却，以在工作过程中保持温度不会大幅升高。该热电散热装置散热效果好，集成度高，且连接电路方便(电源的正负极都连接至顶层芯片的相应位置即可)。

[0017] 在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

[0018] 以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

[0019] 本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

[0020] 图1示出了根据本发明的实施例的热电散热装置的结构示意图。

具体实施方式

[0021] 在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

[0022] 为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

[0023] 如图1所示，根据本发明的实施例的热电散热装置包括顶层芯片1、中间层芯片2和底层芯片3。该顶层芯片1包括顶层基底101、贯穿顶层基底101的P型硅通孔102和第一金属硅通孔103，其中P型硅通孔102用于连接电源的零电位，第一金属硅通孔103用于连接电源的正电位。中间层芯片2叠置连接在顶层芯片1下部，包括中间层基底201和贯穿中间层基底201的第二金属硅通孔202和第三金属硅通孔203，中间层芯片2中形成有电子器件204。底层芯片3叠置连接在中间层芯片2下部，包括底层基底301和贯穿底层基底301的N型硅通孔302和第四金属硅通孔303。如图1中所示，N型硅通孔302和第四金属硅通孔303在底层芯片3的底部相互连通。并且，P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302从上至下顺次连接，第一金属硅通孔103、第三金属硅通孔203和第四金属硅通孔303从上至下顺次连接。

[0024] 可以理解，在本实施例的热电散热装置中，顶层芯片1中的P型硅通孔102、中间层芯片2中的第二金属硅通孔202和底层芯片3中的N型硅通孔302顺次连接，形成帕尔贴形式的热电散热件。第一金属硅通孔103、第三金属硅通孔203和第四金属硅通孔303顺次连接，形成导线的效果，而N形硅通孔302又与底层芯片3中的第四金属硅通孔303相互连通，从而与顶层芯片1中的第一金属硅通孔103连接，这样，位于顶层芯片1中的P型硅通孔102和第一金属硅通孔103分别形成热电散热装置的两个电源连接端。

[0025] 其中，如图1中所示，在P型硅通孔102连接电源的零电位，第一金属硅通孔103连接电源的正电位时，在顺次连接的P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302形成的PN结中，电子从顶部向底部进而朝向电源的正极流动，而正电荷从底部向顶部朝向电源的负极流动(箭头A示出了电流的流向)，从而该热电散热装置的顶部和底部形成其热端，而中间成为冷端。中间的热量通过顶部向上并通过底部向下排出(图中箭头B示出了热量的流向)。

[0026] 由此，由于中间层芯片2中形成有电子器件204，就使得该电子器件204与该热电散热装置的冷端接触，得到冷端的冷却，以在工作过程中保持温度不会大幅升高。

[0027] 冷却的效果可以由Z值来评估，其中Z＝S2×E/T，其中S表示塞贝克系数(热电系数)，E表示电导率，T表示热导率。由于该热电散热装置的PN结型硅通孔尺寸较大，从而空穴、电子流动量较大，使得电导率E得到提高，从而提高了热电散热装置的散热效果；并且中间层芯片2中的金属硅通孔使得热导率T得到减小，进一步提高了热电散热装置的散热效果。此外，如上文所述，中间的热量同时通过顶部和底部两侧排出，从另一方面提高了冷却散热效果。

[0028] 另外，上下三层芯片叠置的形式使得整个装置集成度较高。此外，连接电源时，电源的正负极均连接至顶层芯片1，从而连接电路也很方便。具体地，电源的正负极都连接至顶层芯片1的相应位置(分别为P型硅通孔102和第一金属硅通孔103)即可。

[0029] 另外，如图1所示，本实施例中，在顶层基底101上覆盖有第一层间介电层105，同样地，在中间层基底201上覆盖有第二介电层205，在底层基底301上覆盖有第三介电层305。各个基底中的各个相应硅通孔在贯穿基底的同时也贯穿基底上方的介电层。并且，优选地，本实施例中，P型硅通孔102和第一金属硅通孔103的顶部各自形成有焊盘5，用以连接至电源的正极/负极；同样，优选地，中间层芯片2和底层芯片3中的各个硅通孔的顶部也都各自形成有焊盘5，此外，优选地，中间层芯片2和顶层芯片1中的所有上述硅通孔的下部均各自形成有焊球6，用于与下一层芯片的相应硅通孔顶部的相应焊盘5焊接。

[0030] 如图1所示，在本实施例中，优选地，顶层芯片1还包括贯穿顶层基底101的第五金属硅通孔104，该第五金属硅通孔104用于连接电子器件204。从而电子器件204可以通过第五金属硅通孔104而在顶层芯片1的表面连接至外界的其他元件等。同样地，优选地，该第五金属硅通孔104顶部也形成有焊盘5，用于与外界其他元件的焊接，并且该第五金属硅通孔104底部也形成有焊球6，用于与电子器件204的连接。本实施例中，电子器件204形成在中间层芯片2的中间层基底201中，并通过贯穿第二介电层205的接触孔连接至中间层基底201顶部相应设置的焊盘5，该焊盘5连接至第五金属硅通孔104底部的焊球6，从而使电子器件204连接至第五金属硅通孔104。

[0031] 另外，热电散热装置优选地包括多组顺次连接的P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302，以使得进一步增大PN结型硅通孔的尺寸，进而进一步增大空穴、电子的流动量，提高电导率E，从而进一步提高了冷却效果。如图1所示，本实施例中，热电散热装置包括两组顺次连接的P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302，可以理解，在实践中，根据热电散热装置、电子器件204的具体结构和尺寸，可以设置任何适合数量的顺次连接的P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302。

[0032] 更优选地，多组顺次连接的P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302可以围绕电子器件204布置，以增大散热效果。

[0033] 另外，如图1中所示，本实施例中，底层芯片3的底部优选地设置有重分布层304，N型硅通孔302和第四金属硅通孔303通过重分布层相互连通。

[0034] 并且，如上文所述，各个硅通孔的顶部优选地设有相应焊盘5，并且优选地，P型硅通孔102、第二金属硅通孔202和N型硅通孔302顺次通过焊球6连接，且第一金属硅通孔103、第三金属硅通孔203和第四金属硅通孔303顺次通过焊球6连接。

[0035] 此外，优选地，第一金属硅通孔103、第二金属硅通孔202、第三金属硅通孔203和第四金属硅通孔303的填充材料均为铜。并且优选地，P型硅通孔102和N型硅通孔302的填充材料为碲化铋、Sb2Te3、Bi2Te3、PbTe、SiGe、晶体声子玻璃或纳米材料。

[0036] 本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。