一体化工作芯片／热电制冷芯片散热温控结构和集成方法

一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构和集成方法
技术领域
1.本发明涉及芯片封装及热管理领域，具体涉及一种一体化工作芯片(运算芯片、光电芯片等)/热电制冷芯片散热温控结构和集成方法。


背景技术：

2.随着互联网、5g通讯、人工智能、自动驾驶的发展，芯片发热功率越来越大。芯片的有效散热愈发成为一个问题。传统的数据中心往往采用水循环及压缩机制冷的方式来控制温度。前者通过增大芯片与水之间的热交换系数来增加散热，后者通过降低环境温度来增加散热。这两种方式均会耗费大量的能源，而热电制冷由于其体积小、能够区域控温而受到人们的广泛关注。但是，由于传统的热电器件制作与半导体器件制备工艺不兼容，在封装热电制冷模块时存在多层不可避免的界面层，特别是在热电器件热电颗粒层厚度达到微米级时，这些界面层将会带来巨大的寄生热阻，极大得损害制冷效果。随着未来器件发热功率达到kw/cm2的级别，如何减小寄生热阻就成为一个巨大的挑战。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种一体化工作芯片(运算芯片、光电芯片等)/热电制冷芯片散热温控结构和集成方法，以克服现有热电器件装配方式散热效果不明显、散热性能不足等问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，该结构包括：工作芯片、第一电极层、热电颗粒层、第二电极层、微流控芯片层或散热器层，具体结构如下：第一电极层位于工作芯片顶部，第二电极层位于微流控芯片层或散热器层底部；热电颗粒层焊接在第一电极层和第二电极层之间，形成传统热电器件电串联、热并联结构。
6.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，微流控芯片层包括微流控芯片流道层、微流控芯片盖板层，微流控芯片盖板层安装于微流控芯片流道层顶部，微流控芯片流道层上设有微流道，微流道结构为往复式平行排布型结构，微流控芯片盖板层上有两个通孔：进水孔和出水孔，用于外接水路；使用时，在微流道水路中加入一可调功率的水泵用于水循环。
7.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，第一电极层、热电颗粒层、第二电极层相对排列方式和电连接方式为商用普通热电器件排列和连接方式。
8.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，当采用微流控芯片层时，则微流控芯片层投影面积小于工作芯片投影面积；当采用散热器层时，则散热器层投影面积大于工作芯片投影面积，以增大散热面积。
9.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，第一电极层材料和第二电极层材料选择高导电导热金属构成的单层或两层以上的膜结构；热电颗粒层为一组块体或薄膜n型和p型热电半导体材料。
10.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，高导电导热金属为：ti、cu、ni、au、cr、nb或ag；热电半导体材料为：bi2te3基合金材料、gete基合金材料、mg3bi2基合金材料、pbte基合金材料或sige基合金材料。
11.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，微流控芯片流道层采用si或aln陶瓷或al2o3陶瓷材料；相应的，微流控芯片盖板层采用si或pdms材料。
12.一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，包括：电极直接生长技术、热电颗粒切割及装配技术、热电制冷芯片焊接技术、微流控芯片层或散热器层加工技术，其中：
13.采用电镀、磁控溅射或电子束蒸发技术在工作芯片或微流控芯片层或散热器层上直接生长第一电极层或第二电极层；
14.利用飞秒激光切割技术、晶圆切割技术或线切割技术切割热电颗粒层；
15.利用图像识别技术、贴片转移技术或真空吸附技术装配第一电极层、热电颗粒层、第二电极层；
16.利用点胶技术、丝网印刷技术制备图案化合金焊膏，在保护气氛下，焊接热电颗粒层与第一电极层或第二电极层；
17.微流控芯片层采用飞秒激光刻蚀技术加工及紫外臭氧处理键合技术或深硅刻蚀技术及si晶圆键合技术，散热器层采用飞秒激光加工技术。
18.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，微流控芯片层中：当微流控芯片流道层为si材料时，微流控芯片流道层采用深硅刻蚀技术制备；当微流控芯片流道层为aln陶瓷或al2o3陶瓷材料时，微流控芯片流道层采用飞秒激光刻蚀技术制备。
19.所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，微流控芯片层中：当微流控芯片流道层为si材料时，采用si晶圆键合技术使si材料的微流控芯片盖板层与微流控芯片流道层键合密封；当微流控芯片流道层为aln陶瓷或al2o3陶瓷材料时，则在微流控芯片流道层上制备sio2层后，采用紫外臭氧处理技术使pdms材料的微流控芯片盖板层与微流控芯片流道层键合密封。
20.本发明的设计思想是：
21.为了给芯片散热，就必须加大芯片与散热材料之间的散热效率。首先，本发明采用主动制冷而非被动散热的方式，即采用热电制冷的方式，甚至能够使被散热芯片温度低于环境温度。同时，通过调节热电制冷的功率，可以实现芯片的精准控温。其次，为了实现高效制冷，热电器件的热端冷却也不可忽略(热端过热会导致器件无法达到最佳制冷状态)，本发明采用了微流道芯片散热的方式，即将传统的大面积水冷微型化，能大大增大散热效率。最重要的是，在热管理领域，由于发热芯片与散热的分开设计，导致了人们不得不使用热界面材料，这些材料与散热芯片之间不可避免存在孔隙，空气等热的不良导体，导致热量堆积在界面处，界面处发热严重，发热芯片的热量也就无法被导出。本发明通过将发热芯片与热电器件，热电器件与微流控芯片直接集成，从根本上消除了热界面材料，极大地降低了接触热阻。
22.正是基于以上三点的设计思想，本发明成功设计了一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构和集成方法，实现发热芯片的精准控温，保证芯片处在最佳工作温度下。
23.本发明的技术方案，具有如下优点及有益效果：
24.1、本发明提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，通过在工作芯片顶部制作电极，使得工作芯片成为微型热电制冷芯片的“基板”，消灭了传统热电制冷芯片装配时的界面处大量寄生热阻和电阻，能大大提升制冷散热效果。
25.2、本发明的提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，顶部基板可选择为si或aln或al2o3基板等高导热散热器以适应发热量不大的场景，也可选择微流控芯片以适应高发热量应用，通过调节微流道内水压大小，能够精准控制顶部基板温度，相较于空气对流冷却，其热交换系数更大，散热效果更好。
26.3、本发明的提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，通过调节制冷芯片的功率和外接水路水泵的功率，结合芯片内部的温度传感器，可以实现工作芯片的精准控温。
27.4、本发明的提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，采用的工艺简单，能与现代半导体加工集成工艺相兼容，无需大幅改动工作芯片制作工艺就能实现非常好的散热效果。
28.5、本发明提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其热电制冷芯片部分工艺非常成熟，便于进行一体化的封装集成。
29.6、本发明的提供的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，没有使用任何导热硅脂、散热铜箔、散热石墨烯、碳纳米管等热界面材料，大大降低了不同材料/器件接触时界面热阻和电阻，显著提升了制冷性能。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
31.图1是本发明的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的侧面透视图；
32.图2是本发明的一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的分体示意图；
33.图3是一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的一种典型应用分解图；
34.图4是一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的一种典型应用装配剖视图；
35.附图标记：1-工作芯片，2-第一电极层，3-热电颗粒层，4-第二电极层，5-微流控芯片流道层，51-微流道，6-微流控芯片盖板层，7-电路板，8-封装板。
具体实施方式
36.如图1-图2所示，本发明一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，该结构包括：工作芯片1、第一电极层2、热电颗粒层3、第二电极层4、微流控芯片层(微流控芯片流道层5、微流控芯片盖板层6)或散热器层，具体结构如下：
37.第一电极层2位于工作芯片1顶部，第二电极层4位于微流控芯片层或散热器层底部。热电颗粒层3焊接在第一电极层2和第二电极层4之间，形成传统热电器件电串联、热并
联结构。
38.微流控芯片层包括微流控芯片流道层5、微流控芯片盖板层6，微流控芯片盖板层6安装于微流控芯片流道层5顶部，微流控芯片流道层5上设有微流道51，微流道结构为往复式平行排布型结构，微流控芯片盖板层6上有两个通孔：进水孔和出水孔，用于外接水路。使用时，在微流道51水路中加入一可调功率的水泵用于水循环。
39.其中，热电颗粒层3为n型和p型热电半导体材料(薄膜热电半导体材料或块体热电半导体材料)，包括gesi基合金、gete基合金、bi2te3基合金或mg3bi2基合金等。第一电极层2材料和第二电极层4材料可选择为ti、cu、ni、au、cr、nb、ag等高导电导热金属构成的单层或两层以上的膜结构。第一电极层、热电颗粒层、第二电极层空间排列方式和电连接方式均与商用块体热电器件相同。微流控芯片流道层5为si或sin材料或al2o3材料，微流控芯片盖板层6为si或聚二甲基硅氧烷(pdms)材料。散热器层可以为si材料、aln陶瓷材料、al2o3陶瓷等高导热材料。
40.在具体实施过程中，本发明一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法包括：电极直接生长技术、热电颗粒切割及装配技术、热电制冷芯片焊接技术、深硅刻蚀技术、飞秒激光微流控加工技术，具体步骤如下：
41.(1)微流控芯片制备：采用飞秒激光刻蚀技术刻蚀al2o3陶瓷或aln陶瓷制备微流道，或采用深硅刻蚀技术刻蚀si微流道。在微流道层al2o3或aln上物理沉积约20～500nm sio2后，采用紫外臭氧处理技术处理pdms，将pdms与al2o3或aln对准加压，实现pdms与al2o3或aln的化学键合；或采用si晶圆键合技术直接键合si盖板与si微流道层。
42.(2)电极直接生长：在微流道层无微流道面和工作芯片某一面采用电镀或磁控溅射或电子束蒸发直接生长图案化电极。
43.(3)热电颗粒切割及装配：利用点胶或丝网印刷术在第一电极层及第二电极层制备合金焊膏(如：ausn、snsb或snbi等)，利用图像识别及贴片技术在第一电极层上装配热电颗粒层。
44.(4)热电制冷芯片焊接：利用图像识别及贴片技术将微流控层第二电极层与热电颗粒层顶部装配，在带有保护气氛(如：氮气、氩气或氦气等)的焊炉里焊接，其焊接参数与所使用的合金焊膏相对应。
45.下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或向近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
46.实施例中未注明具体实现步骤或条件者，按照本领域内文献所描述的常规试验步骤操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商这，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
47.实施例1
48.如图1-图4所示，本实施例为一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的一种典型应用，包括：工作芯片1、第一电极层2、热电颗粒层3、第二电极层4、微流控芯片流道层5、微流控芯片盖板层6、电路板7和封装板8，工作芯片1通过锡焊工艺与电路板7构成电连接，第一电极层2直接制作于工作芯片1顶部，第二电极层4直接制作于微流控芯片流道层5
底部。热电颗粒层3通过焊接工艺焊接在第一电极层2和第二电极层4之间，形成传统热电器件电串联、热并联结构。封装板8与电路板7上下相对设置，且封装板8通过密封胶与电路板7粘接密封，封装板8的中间开设窗口，封装板8的窗口通过密封胶与微流控芯片流道层5的侧面粘接，微流控芯片盖板层6安装于微流控芯片流道层5顶部形成微流控芯片层。其中，工作芯片1、第一电极层2、热电颗粒层3、第二电极层4、微流控芯片流道层5、微流控芯片盖板层6均位于封装板8的窗口内，封装板8与电路板7之间的密封区域可以是空气、氩气、氮气或氦气。微流控芯片流道层5上设有微流道51，用于通冷却水，增大散热效果。其中，微流道51为往复式平行排布型结构，其尺寸为：微流道截面宽度10μm～500μm，微流道截面高度20μm～1mm。微流控芯片盖板层6上有两个通孔：进水孔和出水孔，用于外接水路。实际使用时，需要在微流道水路中加入一可调功率的水泵用于水循环。
49.本实施例中，热电颗粒层3采用n型bi2te3块体材料和p型bi
1.5
sb
0.5
te3块体材料，其具体尺寸均为：长200μm，宽200μm，高200μm；第一电极层2为au材料，第二电极层4为au材料，微流控芯片流道层5为si材料，微流控芯片盖板层6为si材料。
50.本实施例的使用原理大致如下所述：
51.本实施例制冷结构工作时，工作芯片1发出大量热量，给第二电极层4的两端施加电压，由于热电材料的帕尔贴效应，热量被搬运到微流控芯片流道层5。而微流控芯片流道层5中的微流道液体由于温度较低，吸收热量并被水泵抽走，从而实现工作芯片1的高效制冷。并且，通过调节施加电压的大小、水泵的功率，可以调节芯片的实际温度，从而实现芯片的精准控温。
52.结果表明，本发明通过将热电制冷芯片直接集成在工作芯片上，大大降低了界面寄生热阻和电阻，极大地提高了散热效率。同时，结合微流道技术，保证热电制冷芯片的热端散热，进一步提升了散热性能。本发明所采用的封装技术均较容易实现并且与当下半导体器件制造工艺相兼容，有非常大的应用潜力。
53.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，该结构包括：工作芯片、第一电极层、热电颗粒层、第二电极层、微流控芯片层或散热器层，具体结构如下：第一电极层位于工作芯片顶部，第二电极层位于微流控芯片层或散热器层底部；热电颗粒层焊接在第一电极层和第二电极层之间，形成传统热电器件电串联、热并联结构。2.根据权利要求1所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，微流控芯片层包括微流控芯片流道层、微流控芯片盖板层，微流控芯片盖板层安装于微流控芯片流道层顶部，微流控芯片流道层上设有微流道，微流道结构为往复式平行排布型结构，微流控芯片盖板层上有两个通孔：进水孔和出水孔，用于外接水路；使用时，在微流道水路中加入一可调功率的水泵用于水循环。3.根据权利要求书1所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，第一电极层、热电颗粒层、第二电极层相对排列方式和电连接方式为商用普通热电器件排列和连接方式。4.根据权利要求书1所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，当采用微流控芯片层时，则微流控芯片层投影面积小于工作芯片投影面积；当采用散热器层时，则散热器层投影面积大于工作芯片投影面积，以增大散热面积。5.根据权利要求书1所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，第一电极层材料和第二电极层材料选择高导电导热金属构成的单层或两层以上的膜结构；热电颗粒层为一组块体或薄膜n型和p型热电半导体材料。6.根据权利要求书5所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，高导电导热金属为：ti、cu、ni、au、cr、nb或ag；热电半导体材料为：bi2te3基合金材料、gete基合金材料、mg3bi2基合金材料、pbte基合金材料或sige基合金材料。7.根据权利要求书2所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构，其特征在于，微流控芯片流道层采用si或aln陶瓷或al2o3陶瓷材料；相应的，微流控芯片盖板层采用si或pdms材料。8.一种使用权利要求1至7之一所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，其特征在于，包括：电极直接生长技术、热电颗粒切割及装配技术、热电制冷芯片焊接技术、微流控芯片层或散热器层加工技术，其中：采用电镀、磁控溅射或电子束蒸发技术在工作芯片或微流控芯片层或散热器层上直接生长第一电极层或第二电极层；利用飞秒激光切割技术、晶圆切割技术或线切割技术切割热电颗粒层；利用图像识别技术、贴片转移技术或真空吸附技术装配第一电极层、热电颗粒层、第二电极层；利用点胶技术、丝网印刷技术制备图案化合金焊膏，在保护气氛下，焊接热电颗粒层与第一电极层或第二电极层；微流控芯片层采用飞秒激光刻蚀技术加工及紫外臭氧处理键合技术或深硅刻蚀技术及si晶圆键合技术，散热器层采用飞秒激光加工技术。9.根据权利要求书8所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，其特征在于，微流控芯片层中：当微流控芯片流道层为si材料时，微流控芯片流道层采用深硅刻蚀技术制备；当微流控芯片流道层为aln陶瓷或al2o3陶瓷材料时，微流控芯片流道层采
用飞秒激光刻蚀技术制备。10.根据权利要求书9所述的一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构的集成方法，其特征在于，微流控芯片层中：当微流控芯片流道层为si材料时，采用si晶圆键合技术使si材料的微流控芯片盖板层与微流控芯片流道层键合密封；当微流控芯片流道层为aln陶瓷或al2o3陶瓷材料时，则在微流控芯片流道层上制备sio2层后，采用紫外臭氧处理技术使pdms材料的微流控芯片盖板层与微流控芯片流道层键合密封。

技术总结
本发明涉及芯片封装及热管理领域，具体涉及一种一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构和集成方法。该结构包括：工作芯片、第一电极层、热电颗粒层、第二电极层、微流控芯片层或散热器层。集成方法包括：电极直接生长技术、热电颗粒切割及装配技术、热电制冷芯片焊接技术、深硅刻蚀技术、飞秒激光微流控加工技术。本发明通过将热电制冷芯片直接集成在工作芯片上，大大降低了界面寄生热阻和电阻，极大地提高了散热效率。同时，结合微流道技术，保证热电制冷芯片的热端散热，进一步提升了散热性能。本发明所采用的封装技术均较容易实现并且与当下半导体器件制造工艺相兼容，有非常大的应用潜力。用潜力。


技术研发人员：邰凯平 孙东明 喻海龙 赵洋
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2022.01.30
技术公布日：2023/8/9