热电模块

摘要

一种热电模块具有集成在衬底层内的高导热材料区。对于一个实施例而言，铜焊盘被集成到该热电模块的热侧的衬底的外表面内。铜焊盘允许排热装置和热电模块的直接连接以降低热阻。可以贯穿衬底形成热通孔以进一步降低热阻。

权利要求

1.一种热电模块，包括：

具有内表面和外表面的上衬底；

具有内表面和外表面的下衬底；以及

被放置在所述下衬底的内表面和所述上衬底的内表面之间并被电气连接以有效冷却所述下衬底的外表面的多个n型二极管和p型二极管对，其中所述上衬底中集成了高导热材料区，形成一个或多个贯穿所述上衬底的热通孔，所述热通孔位于所述多个n型二极管和p型二极管对中的至少两个相邻的所述n型二极管和p型二极管对之间，并且与所述n型二极管和p型二极管对电绝缘。

2.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于，所述高导热材料是横跨多个n型二极管和p型二极管对的高导热金属。

3.如权利要求2所述的热电模块，其特征在于，所述高导热金属是从由铜、铝、银、铜铟合金、银锌合金组成的组中选出的金属。

4.如权利要求3所述的热电模块，其特征在于，所述高导热材料区具有多层结构。

5.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于，还包括：接合到集成在所述上衬底中的至少一个高导热区上的排热装置。

6.如权利要求5所述的热电模块，其特征在于，所述排热装置包括一个或多个板散热片。

7.如权利要求5所述的热电模块，其特征在于，所述排热装置包括多个管脚散热片。

8.如权利要求5所述的热电模块，其特征在于，所述排热装置是基于冷却剂的装置。

9.如权利要求1所述的热电模块，其特征在于，高导热材料区的至少其中之一形成横跨多个n型二极管和p型二极管对的金属的连续带，其中一金属排热装置被直接接合到高导热材料区的连续带上。

10.如权利要求1到9中任一项所述的热电模块，其特征在于，所述热通孔还被设置在至少一个所述n型二极管和p型二极管对中的n型二极管和p型二极管之间。

11.一种用于制作使用热电模块的系统的方法，所述方法包括：提供一微电子器件；

提供热电模块，该热电模块包括被放置在冷侧衬底的内表面和热侧衬底之间的多个n型二极管和p型二极管对，热侧衬底具有集成在热侧衬底的表面层中的高导热材料区，以形成一个或多个贯穿所述热侧衬底的热通孔，所述热通孔位于多个所述n型二极管和p型二极管对中的至少两个相邻的所述n型二极管和p型二极管对之间，并且与所述n型二极管和p型二极管对电绝缘；

将热电模块的冷侧附在所述微电子器件上以有效冷却所述微电子器件；以及将一排热装置直接接合到至少一个所述高导热材料区上。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述高导热材料是高导热金属。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述高导热金属是从由铜、铝、银、铜铟合金、银锌合金组成的组中选出的金属。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述高导热材料区具有多层结构。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述排热装置包括一个或多个板散热片。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述排热装置包括多个管脚散热片。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述排热装置是基于冷却剂的装置。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述微电子器件具有金属壳并且被直接接合到集成在所述冷侧的外表面内的高导热材料区上。

19.如权利要求11到18中任一项所述的方法，其特征在于，所述热通孔还被设置在至少一个所述n型二极管和p型二极管对中的n型二极管和p型二极管之间。

20.一种使用热电模块的系统，包括：

热电模块，具有被放置在热电模块的热侧衬底的内表面与热电模块的冷侧衬底的内表面之间的多个n型二极管和p型二极管对，以及集成在热侧衬底内的高导热材料区，该高导热材料区形成一个或多个贯穿所述热侧衬底的热通孔，所述一个或多个热通孔位于耦合至所述热侧衬底的内表面的所述多个n型二极管和p型二极管对中的至少两个相邻的所述n型二极管和p型二极管对之间，并且与所述n型二极管和p型二极管对电绝缘；

与热电模块的冷侧衬底的外表面机械耦合的处理器；以及

被直接接合到所述热侧衬底的至少一个所述高导热材料区上的排热装置。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述高导热材料是从由铜、铝、银、铜铟合金、银锌合金组成的组中选出的金属。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述高导热材料区具有多层结构。

23.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述排热装置包括一个或多个板散热片。

24.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述排热装置包括多个管脚散热片。

25.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述排热装置是基于冷却剂的装置。

26.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述处理器具有金属壳并且被直接接合到集成在包括所述热电模块的冷侧的衬底的外表面内的高导热材料区之上。

27.如权利要求20到26中任一项所述的系统，其特征在于，所述热通孔还被设置在至少一个所述n型二极管和p型二极管对中的n型二极管和p型二极管之间。

说明书

领域

本发明的实施例一般涉及热电冷却领域，尤其涉及更高效的热电冷却模块及其应用。

背景

热电模块(TEM)包括串联连接并设置在两个导热但电绝缘的衬底之间的多个交替的p型和n型半导体热电元件(例如，n型和p型二极管)。当电流流过TEM时，热量在一个表面(衬底的一个表面)吸收并在另一个表面排出。于是，该TEM就起到冷却器或制冷器的作用。TEM可在要求小尺寸、高可靠性、低功耗和宽工作温度范围的应用中用作热电冷却器。

图1示出了根据现有技术的一个典型TEM。图1所示的TEM 100包括通常由传导连接带115电气串联连接的多个n型和p型二极管对110。二极管对110之间的空隙111通常含有空气。这些二极管被放置在两个衬底120A和120B之间。一般通过将若干(例如三层)陶瓷层粘合在一起来形成这些衬底。当连接电流通过负极端子125A和正极端子125B时，该TEM的一侧(例如，衬底120A)吸收热量，而另一侧(例如，衬底120B)则排出热量。TEM吸收热量的一侧被称为“冷侧”，而TEM排出热量的一侧则被称为热侧。TEM的哪一侧是冷侧及哪一侧是热侧由电流极性确定。即，反转电流的方向改变热传递的方向。

图1A示出了TEM 100的侧视图。

TEM可用于通过将产热元件附在其冷侧之上并施加电流来冷却该产热元件。TEM同样可用于通过物理地翻转TEM或反转电流方向来加热。

当用于冷却产热元件时，TEM只有在其热侧附有排热装置时才能有效工作。这是因为TEM被设计成在其冷侧和热侧之间保持一指定的温差ΔT。随着冷侧吸收来自产热元件的热量，热侧为保持温差ΔT会逐渐变热。TEM的热侧会热到该TEM失效。

为解决这一情况，在热侧上附加排热装置(例如，散热片)。通常使用热界面材料(TIM)来降低在诸如带散热片的铜或铝块之类的排热装置和TEM之间的接触电阻。TIM填充由两表面的不良表面加工所产生的空隙和凹槽。这些空隙和凹槽的热阻可能很高。所使用的通常是聚合物或润滑油的TIM是导热材料。但即便使用TIM，TEM/排热装置界面处的热阻对某些应用而言仍然是过高并有害的。

附图简述

通过参考以下用于示出了本发明实施例的描述和附图能够最好地理解本发明。在附图中：

图1示出了根据现有技术的一个典型TEM；

图1A示出了根据现有技术的TEM的侧视图；

图2示出了使用TEM冷却微电子器件；

图3示出了根据本发明的一个实施例具有集成到衬底层内的高导热材料区的TEM；

图4示出了根据本发明的一个实施例具有集成在衬底的表面层内的金属区以及直接与该金属区集成的排热装置的TEM；

图5示出了根据本发明的一个实施例具有集成在衬底的表面层内的金属区以及贯穿TEM衬底的后续各层而形成以作为热通孔的金属迹线的TEM；

图6示出了根据本发明的一个实施例用于冷却微电子器件的TEM；

图7A示出了根据本发明的一个实施例具有集成到衬底层内的高导热材料区的TEM；

图7B示出了具有集成在衬底的表面层内的焊盘以及直接附在该TEM上的管脚散热片的TEM。

详细说明

在随后的描述中，将阐明诸多具体细节。然而，可以理解，可以在没有这些具体细节的情况下实现本发明。在其他实例中，未详细示出公知的电路、结构和技术以免淡化本发明的主旨。

在说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的参考指的是结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明至少一个实施例中。由此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不必都指代同一实施例。此外，这些特定特征、结构或特性在一个或多个实施例中可以用任何合适的方式来组合。

另外，本发明的各方面所要求的特征要少于单个公开实施例的全部特征。这样，在此详细说明之后的权利要求书被明确地并入该详细说明中，其中每项权利要求独立地作为本发明的一个单独的实施例。

本发明的一个实施例可在冷却微电子器件的环境中使用。例如，由于微电子器件变得越来越小而功率要求增加，这些器件正在产生越来越多的热量，而这些热量必须从日益减小的表面积上排除。图2示出了使用TEM来冷却微电子器件。图2所示的由TEM冷却的器件200包括放置在PCB 202之上的器件封装201。附在器件封装201之上的是用于冷却该器件封装201的TEM 203。TEM 203具有热侧204和冷侧205。第一TIM层206被放置在器件封装201和TEM 203的冷侧205之间。排热装置207被附着在TEM 203的热侧204之上。排热装置通常可以是其上形成有散热片的传导金属块。第二TIM层208被设置在TEM 203的热侧204和排热装置207之间。安装硬件209用于确保施加了足够的压力。上述TIM层和安装硬件在由TEM冷却的器件200的总体冷却方案中添加了额外的热阻。

热阻的测量值可被定义为ψ＝ΔT/pwr，其中ΔT是管芯结处温度TJ和环境温度TA之间的差值，而pwr是通过该器件耗散的以瓦为单位的功率量。通常ψJA的理想值为0.3℃/瓦。结温由微电子器件的各元件固定，因此随着对这些器件的功率要求增加，必须按比例降低ψJA的值。

图3示出了根据本发明的一个实施例具有集成到衬底层内的高导热材料区的TEM。出于讨论的目的，高导热材料是在20℃时热导率大于约200W/m K的那些材料。图3中示出的TEM 300包括被放置在两个衬底320A和320B之间的多个n型和p型二极管对310。可以通过将若干陶瓷层粘合在一起来形成衬底320A和320B。至少一个衬底包括集成到该衬底表面内的高导热材料区。例如，如图3所示，衬底320A包括作为示例被示出为区域321的高导热材料区。对一个实施例而言，高导热材料可以是诸如铜、铝、银等金属及其合金，诸如铜铟和银锌合金。例如，对一个实施例而言，区域321可以包括集成到多层衬底的顶面内的铜焊盘。

根据本发明的一个实施例，TEM衬底的表面层内集成的金属区可用于将排热装置直接与该TEM集成。例如，金属散热片可以被直接焊接或硬焊到TEM衬底的表面层内集成的金属区。对于这一实施例而言，不需要排热装置和TEM之间的TIM层，由此就避免了与TIM层相关联的热阻。穿过TIM层的典型热阻值约为0.1℃/瓦，因此消除了对该层能显著降低热阻ψJA(例如，从0.3℃/瓦到0.2℃/瓦)的需求。

图4示出了根据本发明的一个实施例具有集成在衬底的表面层内的金属区以及与该金属区直接集成的排热装置的TEM。图4中示出的TEM 400包括如上参考图3所述的根据本发明的一个实施例的TEM 300。根据本发明的一个实施例，多个板散热片450被直接附在TEM 300之上。板散热片450可以被焊接或硬焊到集成在TEM衬底320A的表面层内的金属区(未示出)。

具有与TEM衬底直接集成的排热装置的TEM 400通过使在排热装置和TEM之间的TIM材料变得多余来降低热阻。通过提供贯穿TEM衬底的热通孔能避免额外的热阻。例如，对于本发明的一个实施例而言，TEM衬底的表面层上集成有高导热区，并且还贯穿该TEM衬底的后续各层额外地形成作为热通孔的高导热迹线。

图5示出根据本发明的一个实施例具有集成在衬底的表面层内的金属区以及贯穿该TEM衬底的后续各层形成以作为热通孔的金属迹线的TEM。图5所示的TEM 500具有由传导连接带515电气连接的多个n型和p型二极管对510。这些二极管可以被放置在两个衬底520A和520B之间。如图5所示，衬底520A由三层陶瓷层组成，即522、524和526。衬底520A的表面层522中集成了诸如铜或铝等高导热材料区。陶瓷层524和526中分别集成了金属迹线534和536。金属迹线534与区域521相接触，还与金属迹线536相接触。如此，形成了贯穿TEM衬底520A的热通孔。热通孔本质上是贯穿衬底的导热通路，它可以是任何合适的几何形状的金属管。对于一个实施例而言，金属迹线536具有尺寸，并且被放置在不会导致传导连接带515短路的位置上，而金属迹线534的尺寸和/或位置可以变化。贯穿TEM衬底的热通孔的实现还能进一步降低热阻。

图6示出根据本发明的一个实施例用于冷却微电子器件的TEM。图6所示的由TEM冷却的器件600包括放置在PCB 602之上的器件封装601。附在器件封装601上的是用于冷却该器件封装601的TEM 603。TEM 603具有上衬底620A和下衬底620B，并且包括被放置在衬底620A和620B之间的多个n型和p型二极管对610。作为TEM 603的热侧的上衬底620A在其上表面630内集成有高导热材料(例如，铜)区621。区域621与贯穿n型和p型二极管对之间的衬底延伸的热通孔635相接触。排热装置通过区域621直接与TEM 603相连。例如，如图所示，可以是铜或某些其他合适材料的板散热片650被焊接或硬焊在同样是铜的区域621上。对于通过TEM 600示出的实施例而言，TIM层606被放置在器件封装601和作为TEM603冷侧的TEM衬底620B之间，然而对于将在以下讨论的替换实施例而言，TIM层606也可变为多余的。

替换实施例

本发明的实施例提供具有集成到位于TEM热侧上的衬底的表面层内的高导热区的TEM，从而允许将排热装置直接附于TEM上。这就使得在TEM和排热装置之间的TIM层变得多余。如上所述的实施例描述了被直接焊接或硬焊到集成在TEM衬底的表面内的金属区上的板散热片。对于替换实施例而言，可使用可直接附于集成的高导热金属区上的任何排热装置。

例如，图7A示出根据本发明的一个实施例具有集成到衬底层内的高导热材料区的TEM。图7A所示的TEM 700包括放置在两个衬底720A和720B之间的多个n型和p型二极管对710。如图7A所示，衬底720A包括用于直接附在管脚散热片之上的集成焊盘721。焊盘721可以是铜、铝或其他高导热金属或材料。图7B示出了具有集成在衬底的表面层内的焊盘(未示出)以及直接附在TEM 700上的管脚散热片750的TEM 700。管脚散热片750可以被焊接或硬焊到集成在TEM衬底720A的表面层内的焊盘上。

对于替换实施例，基于冷却剂的排热装置(诸如，冷却板)能直接附在TEM衬底上并可结合远程热交换器结合使用。

虽然以上讨论的本发明实施例描述了具有集成在其热侧的衬底表面内的高导热区的TEM，但是除此之外或作为替代，替换实施例可以包括集成到该TEM冷侧的衬底表面内的上述区域。例如，某些管芯封装包括金属外表面区。集成在该TEM冷侧的衬底表面内的金属区可被直接接合到管芯外壳的金属表面上。这就使通常在管芯和TEM之间使用的TIM层变得多余，因而能进一步降低热阻。

具有贯穿衬底的热通孔的本发明实施例已经讨论了由TEM的电子性质所限制的热通孔的尺寸和位置(例如，n型和p型二极管对互连的位置)。对于本发明的替换实施例而言，只要热通孔没有完全延伸贯穿TEM的衬底，则热通孔的大小和位置就更加不受约束。例如，对于具有由三层粘合层形成的衬底的TEM而言，与n型和p型二极管相邻的层可以完全由电绝缘材料组成，而中心层则可具有贯穿其形成并按期望放置的扩展热通孔。

已经在冷却微电子器件的上下文中讨论了本发明的实施例。本领域普通技术人员显而易见的是本发明的各实施例可以在需要TEM来提供高效冷却的全部应用中使用。

虽然根据各实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该认识到，本发明不限于所描述的实施例，而是可用所附权利要求书的精神和范围内的修改和改变来实施。由此，本说明书应被看做是示意性而非限制性的。