专利名称：具有微电子元件来冷却管芯的微电子组件及其制造方法
背景技术：
1)发明领域本发明一般涉及具有微电子管芯的微电子组件(assembly)，并且更具体地，涉及用来冷却这种组件的微电子管芯的系统。
2)相关技术的讨论当半导体器件(例如处理器和处理部件)在较高的数据率和较高的频率下持续地运行时，它们一般消耗较大的电流并且产生更多的热。除了别的以外，为了可靠性的原因，希望将这些器件的运行维持在某些温度范围内。常规的热传递机制已将这种器件的运行限制在到较低的功率水平、较低的数据率和/或较低的操作频率。由于尺寸和位置的制约以及热的限制，常规的热传递机制已经限制了热传递的能力。
本发明通过参照附图的实施例的方式来进行描述，其中图1是根据本发明的实施方案，部分地被处理来加工微电子组件的晶片衬底部分的剖面侧视图；图2是在已部分处理的晶片衬底的介电层中蚀刻开口并且在所述开口中形成一个热电元件之后，类似于图1的视图；图3是在另一个热电元件以及已部分处理的晶片的集成电路上的其他组件被形成之后，类似于图1的视图，其中，所述另一个热电元件具有与图2中形成的热电元件相反的掺杂传导类型；图4是根据本发明实施方案，在晶片被最终处理，分割成单个的管芯，并且一个管芯被倒置在承载衬底上并安装到所述承载衬底，以完成微电子组件的加工之后，类似于图3的视图；图5是表示根据本发明另一个实施方案的微电子组件的侧视图，所述微电子组件在与已分割管芯的有源侧相对的一侧上具有热电部件，并且被线接合到所述管芯的有源侧上的封装衬底；图6是表示根据本发明再一个实施方案的微电子组件的侧视图，所述实施方案与图5的实施方案的不同在于，短插栓将管芯一侧上的热电元件与传导互连元件电连接，所述传导互连元件形成在所述管芯相对的、有源的侧上；图7是用来加工根据本发明再一个实施方案的微电子组件的两个晶片衬底的侧视图，一个晶片衬底载有有源集成电路，而另一个载有热电元件；图8是在热电元件被相对于集成电路上的接触垫(contact pad)定位并且被附接到所述接触垫之后，类似于图7的视图；图9是在图8的组件被分隔成单个的件(piece)，并且集成电路和散热器被安装到这些所述件中的一个之后，类似于图8的视图；图10是示出根据本发明再一个实施方案的电子组件的部件的顶部平面视图，其中热电模块的多个部分被形成在管芯上和热散器(heat spreader)上，并且在所述热散器被放置在所述管芯上时所述热电模块被完成；图11是示出根据本发明再一个实施方案的微电子组件的剖面侧视图，所述微电子组件具有镀覆在管芯背侧上的金属层，以将热从热点散布(spread)到热电模块；以及图12是示出热点与冷却所述热点的热电模块的相对尺寸的顶部平面视图。
发明详细描述提供了一种微电子组件，所述微电子组件具有形成在管芯上的热电元件，从而在电流流过所述热电元件时将热从所述管芯泵送走。在一个实施方案中，热电元件被集成在管芯有源侧上的传导互连元件之间。在另一个实施方案中，热电元件在管芯的背侧上，并且被电连接到所述管芯前侧上的承载衬底。在再一个实施方案中，热电元件被形成在次衬底上并且被转移到所述管芯。
附图中的图1示出了根据本发明的实施方案，部分地被处理来加工微电子组件的晶片10的部分。晶片10包括晶片衬底12、集成电路14和介电材料16。
晶片衬底10典型地由硅或者另一种半导体材料制成。集成电路14包括形成在晶片衬底12中和在晶片衬底12上的集成电路元件18。集成电路元件18包括晶体管、电容器、二极管等。集成电路14还包括多个交替的介电层和金属层。所述金属层包括电源层(powerplane)20和接地层(ground plane)22。集成电路14还包括接触垫24，所述接触垫24包含电源接触体(contact)24P、接地接触体24G和信号接触体24I。
此外，集成电路14的介电层中的插栓、通路(via)和金属线形成电联接(electric link)26，只有几个电联接26被示出。
电联接26包括将电源接触垫24P与电源层20互连的电源电联接26P1，以及将电源层20与集成电路元件18互连的电源电联接26P2。这样，通过电源接触垫24P、电源电联接26P1、电源层20和电源电联接26P2，可以给集成电路元件18中的一个或多个提供功率。
电联接26包括将接地接触垫24G与接地层22互连的接地电联接26G1，以及将接地层22与集成电路元件18互连的接地电联接26G2。这样，通过接地接触垫24G、接地电联接26G1、接地层22和接地电联接26G2，可以给集成电路元件18中的一个或多个提供接地。
信号电联接26I将信号接触垫241与集成电路元件18中的一个或多个互连，并且与电源层20和接地层22都不连接。通过更多个的信号电联接，例如信号电联接26I，可以给集成电路元件18提供信号，以及提供来自集成电路元件18的信号。
在集成电路14上面的层中形成介电材料16。介电材料16最初覆盖了接触垫24。随后，在介电材料16中蚀刻第一开口28，所述第一开口28暴露了电源接触垫24P的区域。
如图2所示，热电元件30随后在图1的开口28中形成。热电元件30的层可以被无电镀(electrolessly plate)或者溅射，并且包括扩散阻挡层32、P掺杂半导体材料34(例如p掺杂的Bi2Te3、Bi2Te3和Sb2Te3的合金，或者Si和Ge的合金)和扩散阻挡层36，这些层在彼此顶部顺序形成。
如图3所示，在电源接触垫24P上，形成与热电元件30相邻的另一个热电元件40。热电元件30形成之后，热电元件40形成于在介电材料16中形成的开口中。为了形成用于热电元件40的开口，在介电材料16上面形成光致抗蚀剂层，并且在要形成热电元件40之处的上面的光致抗蚀剂层中掩模一开口。使用光致抗蚀剂层作为掩模，然后，在介电材料16中蚀刻要形成热电元件40之处的开口。热电元件40包括扩散阻挡层42、n掺杂半导体材料44(例如n掺杂的Sb2Te3、Bi2Te3和Sb2Te3的合金，或者Si和Ge的合金)和扩散阻挡层46，这些层在彼此顶部顺序形成。因此，除半导体材料34是p掺杂的，而半导体材料44是n掺杂的之外，热电元件40与热电元件30是相同的。
传导间隔(spacer)部件48和50随后分别在接地和信号接触垫24G和24I上形成。可以通过在介电材料16以及热电元件30和40上形成光致抗蚀剂层，掩模所述光致抗蚀剂层，并且然后使用被掩模的光致抗蚀剂层中的开口来在介电材料16中蚀刻要形成传导间隔部件48和50处的开口，来蚀刻要在其中形成传导间隔部件48和50的开口。传导间隔部件48和50典型地由金属制成。
传导互连元件54随后形成，每一个在热电元件30或40，或者传导间隔部件48或50中相应的一个上。传导互连元件54高出(stand proud of)介电材料16，从而具有处于介电材料16的上层之上的共同平面中的上表面56。
图1到3中只示出晶片10的部分。然而，应该理解，所述晶片包括多个集成电路14，这些集成电路14形成在以x和y方向延伸通过所述晶片的行和列中，每个集成电路14具有热电元件30和40、传导间隔部件48和50以及传导互连元件54的相同布图。
晶片10随后被切割或者分割成单个的管芯，每个管芯载有相应的集成电路和相关的连接。每个管芯将包括在图3中所示的所述晶片10部分所代表的部件。
图4示出了一个这样的管芯10A，所述管芯10A被倒装并且定位在以封装衬底60为形式的承载衬底上。在封装衬底60的上表面上形成封装引出端子62。传导互连元件54中的每一个与相应的封装引出端子62接触。
然后，将整个微电子组件70，包括管芯10A和封装衬底60，插在炉中，以回流传导互连元件54。传导互连元件54软化并熔化，随后使其冷却并再次凝固。然后，每一个传导互连元件54被附着到相应的封装引出端子62，由此将管芯10A安装到封装衬底60，并且将管芯10A和封装衬底60电互连。
使用中，通过封装衬底60经由封装引出端子62A中的一个，可以将功率提供给热电元件30。电流通过n掺杂半导体材料44流向管芯。正如在热电学领域中可以被理解的那样，流经n掺杂半导体材料的电流导致热在与所述电流流动方向相反的方向上被泵送。这样，在离开集成电路14的方向上，热通过热电元件30向封装衬底60泵送。流经热电元件30的电流被分成两支(bifurcated)。所述电流中的一部分提供功率给集成电路元件18中的一些，而所述电流中的一些流经电源接触垫24P，然后通过热电元件40到封装引出端子62B。流经p掺杂半导体材料34的电流导致热在所述电流流动的方向上被泵送。流经p掺杂半导体材料34的电流向远离集成电路14的方法流动，由此将热从集成电路14泵送走。
在另一个实施方案中，提供功率给热电元件的电源接触垫可以与提供功率给电路的电源接触垫分开。这一点将允许单独控制热电单元。当必须维持提供给电路的电压并且不让所述电压受到提供给热电模块的功率影响时，这样的构造可能是有用的。
由此可以看到，p掺杂半导体材料34和n掺杂半导体材料44都将热从集成电路14泵送走。可以因此向集成电路14提供局部化的冷却。更多的结构，例如包括热电元件30和40的结构，可以在贯穿(across)集成电路14的所希望的位置处形成，在那里可能需要额外的冷却。还应该注意的是，提供电流给热电元件30和40的同一封装引出端子62的阵列还提供功率、接地和信号给集成电路14。应该进一步注意的是，冷却是在需要它的地方被提供。当集成电路x-y方向上的某个区域需要功率时，所述功率通过在同一区域中的热电元件来提供。特定面积内功率需求的增加将与那个特定面积中生成的热的增多相对应。所述特定面积中功率的提高同样也将与流经那个特定面积中的热电元件的电流的增大相对应。这样，当在特定面积中存在生成的热的增加时，流经所述特定面积中的热电元件的电流将增大。
图5示出了另一个微电子组件70，包括以封装衬底72为形式的承载衬底，安装到封装衬底72的管芯74，管芯74上的热电元件76，集成热散器(heat spreader)78，以及散热器(heat sink)80。通过传导互连元件82，管芯74被安装并且电连接到封装衬底72。
热电元件76以与图3的热电元件30和40同样的方式来形成。热电元件76中的一些具有p掺杂半导体材料，而一些具有n掺杂半导体材料。热电元件76被这样排列，使得当电流流过热电元件76时，将热从管芯76的上表面向集成热散器78泵送。
集成热散器78与热电元件76直接接触，并且散热器80位于集成热散器78上。正如可以被一般地理解的那样，散热器80包括基座和从所述基座延伸的多个翅，热可以从所述翅对流到周围的环境中。
提供引线接合线(wirebonding wire)84，通过所述引线接合线84，电流可以被提供给热电元件76或者从热电元件76传导出去。每根引线接合线84具有被连接到管芯74上表面上的垫的一个端，所述垫被连接到热电元件76中的第一个。所述相应的引线接合线84的相对端被接合到封装衬底72上的封装引线端子。电流通过所述第一热电元件76从封装引线端子流经相应的引线接合线84和相应的接触体(contact)。然后，电流可以流过偶数个热电元件76，并且通过引线接合线84中的另一根返回到封装衬底72。
图6示出了根据本发明再一个实施方案的微电子组件86。微电子组件86与图5的微电子组件70相同，并且同样的附图标号表示同样的部件。主要的差别是，微电子组件86包括比图5的管芯74薄得多的管芯88。短插栓90被形成为通过管芯88。热电元件76中的一些与所述插栓90中对应的插栓以及所述传导互连元件82中对应的传导互连元件对齐。电流可以通过对应的传导互连元件82和对应的插栓90提供给对应的热电元件76。然后，所述电流可以流经偶数个热电元件76，并且通过彼此对齐的插栓90中的另一个和传导互连元件82中的另一个返回。
图7到图8示出了微电子组件的加工，其中热电元件被加工在单独的衬底上，然后被转移到晶片级的集成电路。然后，组合晶片被分割成单个的件。
具体地，参见图7，提供晶片94，所述晶片94具有晶片衬底96、形成在晶片衬底96上的集成电路98，以及形成在集成电路98上的接触垫100。图7还示出了具有热电元件104的转移衬底102，所述热电元件104以类似于图3的热电元件30和40的方式形成在转移衬底102上。图7还示出了间隔件106形式的互连结构。热电元件104和间隔件106具有形成在其上的传导互连元件108。
如图7所示，使每一个传导互连元件108与接触垫100中对应的那一个接触。然后，通过热回流过程，传导互连元件108被附着到接触垫100。提供包括晶片衬底96和102的组合晶片110。
现在参见图9。图8的组合晶片110被分割成单个的件112。晶片96因此被分割成件(piece)96A和96B，而晶片102被分割成件102A和102B。所述件112是相同的，并且每一个包括相应的集成电路98。在件102A和102B的上表面(upper level)提供金属化。所述件可以被安装在支撑衬底上并且被引线接合到所述支撑衬底。可替换地，件102A和102B可以变薄，并且件102A和102B中的贯穿通路(through-via)可以将金属化电连接到所述支撑衬底。
然后，集成热散器114可以被安装到件96A的晶片衬底部分的背侧上，即，与集成电路98相对，并且散热器116可以相对于(against)集成热散器114被定位并安装。
图10根据本发明再一个实施方案，示出了部分地被加工的微电子组件120的部件(component)。微电子组件120的部件包括管芯122、热传导金属热散器124、第一多个传导铜部件126、第二多个传导铜部件128和多个热电元件130。
管芯122是如上文中，例如参考图5描述的那样，并且首先如参考图5所描述的那样被安装到封装衬底。因此，微电子电路被形成在管芯122的支撑衬底的前侧上。随后，第一铜部件126，例如通过镀覆，形成在所述支撑衬底的背侧上。
在热散器124的表面上形成电绝缘材料薄层。第二多个部件128，例如通过镀覆，形成在所述电绝缘材料薄层上。热电元件130随后形成在第二多个部件128上。一个p掺杂的热电元件130A和一个n掺杂的热电元件130B被形成在第二多个部件128中每个相应的部件上。
热散器124被倒置，从而热电元件130在相对侧，而不是图10中所示的那侧。热电元件130被放置在第一多个部件126之上。然后，使得管芯122和热散器124相对地靠近彼此，直到热电元件130接触第一多个部件126。第一多个部件126在热电元件130之间提供缺少的连接(missing connection)，使得热电元件130与部件126和128一起被串联连接。
因此，可以看到，热电电路被直接形成在管芯122上并且在管芯122和热散器124之间。热电元件130在高温下和在可能对管芯122的微电子电路造成损害的处理条件下被加工。然而，通过首先在分开的热散器124上加工热电元件130，并且随后将热电元件130放置在管芯122上，可以避免对管芯122的损害。
图11示出了根据本发明再一个实施方案的微电子组件140，所述微电子组件140包括封装衬底142、管芯144、热传导金属热散器145、铜金属层146、热电模块148和热界面材料150。
管芯144具有形成在它的支撑衬底的前侧上的微电子电路。典型地使管芯144减薄到小于100微米的厚度。互连元件151被形成在管芯144的前侧上，并且被用来将管芯144在电气上并且在结构上被连接到封装衬底142。因此，管芯144和封装衬底142类似于参考图5所述的管芯74和封装衬底72。
金属层146被镀覆在管芯144的支撑衬底的背侧上。在金属层146中制成开口，并且在所述开口内加工热电模块148。
使用中，在热电模块148和管芯144之间的金属层146用来散布来自由管芯144的微电子电路产生的热点的热。图12示出可以在管芯144的区域上面形成多于一个的热点152A和152B。在热点152A和152B中相应的一个上面加工相应的热电模块148A和148B。当与热点152A和152B相比时，热电模块148A和148B相对较大，从而它们能够去除相对较大量的热。尽管热电模块148A和148B具有与热点152A和152B相比时的尺寸，但是热电模块148A和148B的外部区域仍然能够从热点152A和152B去除热，因为来自所述热点的热在它流经硅和相应的热电模块148A或148B与相应的热点152A和152B之间的金属层部分(图11中的146)时会横向地散布。
再参见图11，界面材料150随后在热电模块148和金属层146上面形成，并且热散器145被相对于热界面材料150定位。传导通过金属层146并被热电模块148泵送的热可以传导通过界面材料150和热散器145并且被对流到空气中。
电源线缆154被连接到热电模块148，以提供功率给所述热电模块148。在本实施方案中，开口156被形成为通过热散器145，而线缆154延伸通过开口156。
尽管已经描述并且在附图中示出了某些示例性的实施方案，但应该可以理解，这样的实施方案对于本发明仅仅是说明性而不是限制性的，并且本发明不受限于示出和描述的具体构造和排列，因为本领域普通技术人员可以进行修改。
权利要求
1.一种制造微电子组件的方法，包括在支撑衬底上形成微电子电路；在热传导构件上形成多个热电元件；以及在与所述微电子电路相对的所述支撑衬底的侧上并且在所述热电元件被热耦合到所述支撑衬底的位置定位所述热电元件。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在与所述支撑衬底相对的所述微电子电路的侧上形成多个接触垫。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述热电元件被热耦合到所述支撑衬底之前，在所述支撑衬底上形成所述微电子电路。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在所述支撑衬底上形成第一多个传导部件，多对所述热传导构件通过所述第一多个传导部件彼此电连接。
5.如权利要求4所述的方法，还包括在所述支撑衬底上形成第二多个传导部件，多对所述热传导构件通过所述第二多个传导部件彼此电连接，所述热传导构件和所述支撑衬底彼此相向的相对移动将所述热传导构件移向所述第二多个传导部件。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一和第二传导部件共同地将所述热电元件串联连接。
7.一种制造微电子组件的方法，包括在支撑衬底上形成微电子电路；在热传导构件上形成第一多个传导部件；在与所述微电子电路相对的所述支撑衬底的侧上形成第二多个传导部件；在所述传导部件中的至少一些上形成多个热电元件；以及将所述热传导构件和所述支撑衬底移到一起，然后，所述第一和第二传导部件共同地将所述热电元件串联连接。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述热电元件被形成在所述第一多个传导部件上。
9.如权利要求7所述的方法，还包括在与所述支撑衬底相对的所述微电子电路的侧上形成多个接触垫。
10.一种微电子组件，包括管芯，所述管芯包括支撑衬底和在所述支撑衬底上形成的微电子电路；热传导构件；以及热电电路，所述热电电路包括所述热传导构件上的第一多个传导部件，在与所述微电子电路相对的所述支撑衬底的侧上的第二多个传导部件，以及在所述传导部件的多个相应的对之间串联连接的多个热电元件。
11.如权利要求10所述的组件，其中所述第二多个传导部件直接在所述支撑衬底的半导体材料上。
12.如权利要求10所述的组件，其中所述第一多个传导部件直接在所述热传导构件的金属上。
13.一种制造微电子组件的方法，包括在管芯的支撑衬底的第一侧上形成金属层，所述管芯具有在所述支撑衬底的相对的第二侧上形成的微电子电路；以及在所述金属层上形成所述热电模块。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述金属层是镀覆的。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述金属层包括铜。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述热电模块只被形成在所述支撑衬底的第一区域上面，以允许与所述支撑衬底的第二区域相对的所述第一区域的选择性冷却。
17.如权利要求16所述的方法，其中当所述微电子电路运行时，所述微电子电路在所述第一区域中产生热点。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述金属层将热从所述热点散布到所述热电模块。
19.如权利要求13所述的方法，还包括定位散热器的基座，从而使所述基座被热耦合到所述热电模块，所述散热器具有从所述基座延伸的翅。
20.一种微电子组件，包括支撑衬底；在所述支撑衬底上形成的微电子电路；在所述支撑衬底上形成的金属层；在与所述微电子电路相对的所述支撑衬底的侧上形成的金属层；以及所述金属层上的热电模块。
21.如权利要求20所述的微电子组件，其中所述金属层包括铜。
22.如权利要求20所述的微电子组件，其中所述热电模块只被形成在所述支撑衬底的第一区域上面，以允许与所述支撑衬底的第二区域相对的所述第一区域的选择性冷却。
23.如权利要求22所述的微电子组件，其中当所述微电子电路运行时，所述微电子电路在所述第一区域中产生热点。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述金属层将热从所述热点散布到所述热电模块。
全文摘要
提供一种微电子组件，所述微电子组件具有形成在管芯上的热电元件，从而在电流流经所述热电元件时将热从所述管芯泵送走。在一个实施方案中，热电元件被集成在管芯有源侧上的传导互连元件之间。在另一个实施方案中，热电元件在管芯的背侧上并且被电连接到所述管芯前侧上的承载衬底。在再一个实施方案中，热电元件被形成在次衬底上并被转移到所述管芯。
文档编号H01L23/38GK1914725SQ200580003910
公开日2007年2月14日 申请日期2005年2月2日 优先权日2004年2月12日
发明者施里拉姆·拉马纳森, 格雷戈里·克莱斯勒, 史蒂文·托尔 申请人:英特尔公司