一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构制造技术

本实用新型专利技术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。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。本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。的应用潜力。的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一体化工作芯片/热电制冷芯片散热温控结构


[0001]本技术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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本技术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，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。
[0004]为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本技术的设计思想是：
[0021]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，本技术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)，本技术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。本技术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。
[0022]正是基于以上三点的设计思想，本技术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，实现发热芯片的精准控温，保证芯片处在最佳工作温度下。
[0023]本技术的技术方案，具有如下优点及有益效果：
[0024]1、本技术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。
[0025]2、本技术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。
[0026]3、本技术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。
[0027]4、本技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰凯平，孙东明，喻海龙，赵洋，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：新型
国别省市：