电子元件封装体及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种电子元件封装体结构，包括位于封装体内部的耦合在一起的热电制冷单元和有源元件。所述热电制冷单元包括串联连接的至少一个N型制冷元件和至少一个P型制冷元件。相应地，还提供了两种该电子元件封装体结构的制作方法。通过将单个或者多个热电制冷单元串联埋入到多层封装基板中，为有源元件埋入技术提供了有效的散热。解决了三维系统封装，特别是有源器件埋入封装技术中热量无法带出的问题，增加了芯片的散热性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二维或三维多芯片系统级封装、封装基板制造、半导体制冷领域，尤其涉及一种埋置热电制冷组件的封装基板结构及加工方法。
技术介绍
随着微电子芯片高速度、高密度、高性能的发展，热管理成了微系统封装中一个非常重要的问题。在高性能计算机中，例如服务器、大型机和超级电脑，对多芯片组件的散热将会直接影响计算机的设计性能和操作性能，而造成系统失效的往往又是局部热量集中而引起的热点(hotspot)。因此，微电子封装中的散热问题一直是封装设计的关键之一。另夕卜，伴随轻薄短小、高性能便携电子设备的急速增加，将电子元器件埋入基板内部的所谓后表面贴装(POSt-SMT)技术已初见端倪。目前，虽然是以埋置电阻、电感、电容等无源元件为主，但近年来，将芯片等有源元件，连同无源元件全部埋置于基板内部的终极三维封装技术 也在迅速进展之中。集成电路中的散热一般是通过芯片向一个具有高导热系数的热扩散器来传递，最终通过大表面积的散热片消散于对流气体中封装内的，可见有源基板埋入热积累问题不容忽视。 电子封装中所采用的散热方法一般包括空气自然对流、空气强迫对流、液体冷却、热管冷却、蒸发、喷射冷却和热电制冷等。空气强迫对流是散热成本最低最常用的散热方式，但是由于受制于风冷原理自身，散热效果的改善是较小的。液冷对制作工艺以及材料的要求比较苛刻，对散热通道的工艺性，可靠性要求很高，现有的一些技术还不成熟，成本比较高。一些液体对焊球腐蚀以及电连接的影响，一定程度上降低了芯片整体的可靠性。在兼顾复杂程度、成本、散热效果三方面考虑，热电制冷技术是一种行之有效且简单易行的降温的方法。热电制冷又称作半导体制冷，是利用热电效应(即帕米尔效应)工作的一种制冷方法，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。单个热电偶产生的制冷量很小，把多个热电偶对在电路上串起来形成制冷热电堆，可以得到较高的制冷系数。热电制冷的优点是无噪音、无磨损、可靠性高、灵活性强、无污染等。重掺杂的N型和P型的締化秘是用作热电致冷器(ThermoElectric Cooler, TEC)的主要半导体材料。目前对有源芯片埋入技术的散热方法的研究还比较少，大多是采用散热片(heatspreader)，导热孔或者传导性很好的热界面材料(TIM)等，对于热电制冷单元用于微系统封装散热的也多集中在表面粘附，很少有埋入的。Intersil corporation的NirmalK. Sharma 的专利 “Package for integrated circuit with thermal vias and methodthereof”(专利号US006861283B2)中，基板中添加导热孔进行散热，将芯片或模块的散热问题转移到印刷电路板PCB，具有结构简单易实现的特点，但效率较低。IBM的LouisLu-Chen Hsu 等人在“Thermoelectric 3d cooling” (公开(公布)号US7893529B2)中，通过在一个芯片的一面采用薄膜技术制作TEC结构后粘到第二个芯片，从而形成三明治的结构实现多芯片堆叠，并通过电流方向来控制制冷和加热芯片。这种方法制作的TEC体积小，能分别实现升温和降温，对特殊场合的芯片有很大的意义，但这也是限制，限制两个芯片必须一个升温，一个降温。AMD的Charles R. Mathews等人在“ Integrated circuitcooling devicr”(公开(公布)号US6800933B1)中提出了一种用TEC对晶体管进行散热的结构以及在半导体衬底上制作TEC单元的一种方法。英特尔公司的M.法拉哈尼等人在“Thermoelectric 3d cooling”(公开(公布)号CN101091246A)中，提出了一种在芯片表面通过薄膜工艺制作TEC结构散热的方法和制作TEC的工艺，该方法的缺点是还需要组装到PCB或者基板上，这样会增大整个封装体的空间。
技术实现思路
本专利技术目的在于为了解决有源芯片或模块埋入多层基板技术带来的散热问题，提供一种新的芯片或模块散热的结构，将热电制冷组件与有源元件埋置于多层基板中，实现了系统级封装板，不但提高了系统的散热效率，还提高了系统功能的可靠性，同时使系统更高密度化和微小型化，改善信号传输的性能，降低了生产成本。 为达上述目的，本专利技术提供了一种电子元件封装体结构，该结构包括位于封装体内部的耦合在一起的热电制冷单元和有源元件。可选地，所述热电制冷单元通过高导热界面散热层与有源元件耦合，所述电子元件封装体结构还包括第一承载板和第二承载板，其中所述有源元件和热电制冷单元夹在第一承载板和第二承载板之间，所述有源元件和热电制冷单元的四周包裹着中间介质层。可选地，所述热电制冷单元包括串联连接的至少一个N型制冷元件和至少一个P型制冷元件。可选地，所述第一承载板和/或第二承载板的内表面具有电路结构，热电制冷单元和/或有源元件通过倒装焊技术连接到第一承载板和/或第二承载板的内表面上的电路结构。相应地，本专利技术还提供了两种电子元件封装体的制造方法，第一种方法包括a)提供第一承载板，第一承载板的内表面上形成有图形化的电路结构；b)将有源元件安装到第一承载板的内表面上；c )将热电制冷单元贴装到有源元件上；d)提供中间介质层和第二承载板，在中间介质层上形成有中间空腔，第二承载板的内表面上形成有图形化的电路结构；e)将安装有有源元件的第一承载板、中间介质层、第二承载板热压积层；f)制作并填充通孔；g)在第一承载板和第二承载板的外表面上形成图形化的电路结构。本专利技术提供的该电子元件封装体的第二种制造方法包括a)提供有源元件，所述有源元件贴装在封装薄膜上；b)将热电制冷单元贴装到有源元件上；c)提供带有中间空腔的中间介质层，将中间介质层贴到封装薄膜上，所述有源元件和热电制冷单元嵌入中间介质层的中间空腔中；d)形成覆盖中间介质层和热电制冷单元的顶部绝缘层；e)在顶部绝缘层中形成顶部通孔，与热电制冷单元电学连接，并在顶部绝缘层的外表面上形成图形化的电路结构；f)去掉封装薄膜，形成底部绝缘层；g)在底部绝缘层中形成底部通孔，与有源元件电学连接，并在底部绝缘层的外表面上形成图形化的电路结构。本专利技术的特点是在封装基板结构中，热电制冷单元具有可控的制冷效率、灵活的埋入位置、简单的工艺步骤、高的生产率以及优异的可返修性，整个工艺采用的方法可与平面半导体工艺兼容，最终能实现一体化制作。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中 图I是根据本专利技术实施例的电子元件封装体的第一种制造方法的一个具体实施方式的流程图。图2是根据本专利技术实施例的电子元件封装体的第二种制造方法的一个具体实施方式的流程图。图3a 图3h是根据本专利技术第一实施例的制造根据本专利技术实施例的电子元件封装体的各个工艺步骤的示意图。图4a 图4i是根据本专利技术第二实施例的制造根据本专利技术实施例的电子元件封装体的各个工艺步骤的示意图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子元件封装体，包括位于封装体内部的耦合在一起的热电制冷单元和有源元件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张静，宋崇申，张霞，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：