带有嵌入式有源热电冷却器的基板的制作方法

本申请要求于2017年10月26日提交的临时专利申请序列号62/577,490的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

本公开涉及具有改善的热性能的基板，并且更具体地，涉及具有嵌入式有源热电冷却器的基板。

背景技术：

高速和高性能晶体管以不断增加的速率更密集地集成在管芯上。由于管芯上晶体管密度的增加，管芯产生的热量显著增加。如果由管芯产生的热不能有效地消散，则管芯可能无法操作或具有降低的操作性能。因此，在密集集成的管芯中存在散热的问题，并且非常期望有效的散热。

管芯通常位于基板中或基板上，并且基板可以以许多方式影响管芯性能。例如，管芯产生的热可以通过基板传导远离管芯的邻近区域。基板中广泛使用层压材料，层压材料价格低廉并且在内业具有成熟的供应基础。然而，层压材料具有相反差的热性能。另一方面，陶瓷和复合材料通常具有更好的热特性，但它们更昂贵。

为了适应密集集成的管芯增加的产热，存在对改进的基板设计的需要。期望基板设计成本低和尺寸更小，同时提供优异的热性能。

技术实现要素：

本公开涉及一种具有改善的热性能的基板。所公开的基板包括基板主体和嵌入基板主体中的热电冷却器(tec)。基板主体具有顶表面和与基板主体的顶表面相反的底表面。tec包括底侧板和具有元件接触垫的顶侧板。顶侧板具有顶表面和与顶侧板的顶表面相反的底表面，并且底侧板具有顶表面和与底侧板的顶表面相反的底表面。此处，顶侧板的顶表面与基板主体的顶表面面向相同的方向，并且顶侧板的底表面面向底侧板的顶表面。元件接触垫位于顶侧板的顶表面上并暴露于基板主体的外部空间。元件接触垫被配置为适应发热电元件的附接。顶侧板与发热电元件热接触，并且底侧板与基板主体的底表面热接触。顶侧板被配置为改变发热电元件的温度，并且底侧板被配置为将热传递到基板主体的底表面或从基板主体的底表面吸收热。

在基板的一个实施方案中，顶侧板包括多个第一导体，所述第一导体形成在顶侧板的底表面上并且彼此分开。底侧板包括多个第二导体，所述第二导体形成在底侧板的顶表面上并且彼此分开。tec还包括多个半导体芯块，所述半导体芯块从顶侧板的底表面延伸到底侧板的顶表面，并且被配置为将热从顶侧板传输到底侧板。此处，半导体芯块经由第一导体和第二导体彼此串联电连接。

在基板的一个实施方案中，顶侧板还包括第一接触垫、第二接触垫、第一通孔和第二通孔。第一接触垫和第二接触垫位于顶侧板的顶表面上并且彼此分开。第一通孔从顶侧板的顶表面延伸到顶侧板的底表面，并且将第一接触垫电耦合到相应的第一导体。第二通孔从顶侧板的顶表面延伸到顶侧板的底表面，并且将第二接触垫电耦合到另一个相应的第一导体。

在基板的一个实施方案中，顶侧板还包括第一接触垫和第二接触垫，第一接触垫和第二接触垫位于顶侧板的底表面上并且彼此分开。第一接触垫电耦合到相应的第一导体，且第二接触垫电耦合到另一个相应的第一导体。

在基板的一个实施方案中，底侧板还包括第一接触垫和第二接触垫，第一接触垫和第二接触垫位于底侧板的顶表面上并且彼此分开。第一接触垫电耦合到相应的第二导体，且第二接触垫电耦合到另一个相应的第二导体。

在基板的一个实施方案中，底侧板还包括形成在底侧板的底表面上的底部接触层。

根据另一实施方案，基板还包括形成在基板主体的底表面上的接地平面。此处，接地平面耦合到底侧板的底表面上的底部接触层。

在基板的一个实施方案中，半导体芯块包括多个p型芯块和多个n型芯块。此处，p型芯块和n型芯块交替形成。

在基板的一个实施方案中，tec经由外围密封材料嵌入基板主体中。外围密封材料围绕tec并填充tec的外围与基板主体之间的间隙，使得外围密封材料被配置为将tec保持在基板主体内的适当位置并确保tec内没有水分或气体被截留。

根据另一实施方案，基板还包括填充半导体芯块之间的间隙的底部填充材料。此处，底部填充材料和外围密封材料由相同的材料形成。

在基板的一个实施方案中，顶侧板的顶表面与基板主体的顶表面基本齐平。

在基板的一个实施方案中，顶侧板的顶表面低于基板主体的顶表面以提供凹部，发热电元件组装到该凹部中。

在基板的一个实施方案中，底侧板的底表面与基板主体的底表面基本齐平。

在基板的一个实施方案中，底侧板的底表面高于基板主体的底表面。

根据另一实施方案，基板还包括至少一个导热结构，该导热结构在底侧板的底表面与基板主体的底表面之间延伸。此处，所述至少一个导热结构热耦合到底侧板并且将热从底侧板朝向基板主体的底表面传递。所述至少一个导热结构包括多个热通孔或散热板。另外，基板还包括形成在基板主体的底表面上的接地平面，使得接地平面耦合到所述至少一个导热结构。

在基板的一个实施方案中，基板主体包括形成在基板主体的内部部分中的至少一个阶梯式袋状结构，tec被接收在所述至少一个阶梯式袋状结构内。此处，顶侧板的长度比底侧板长。

在基板的一个实施方案中，基板主体包括形成在基板主体的内部部分中的至少一个反向阶梯式袋状结构，tec被接收在所述至少一个反向阶梯式袋状结构内。此处，顶侧板的长度比底侧板短。

在基板的一个实施方案中，顶侧板具有与底侧板基本相同的长度。

在基板的一个实施方案中，发热电元件是管芯、声学滤波器、机械滤波器、谐振器、无源管芯和无源器件中的至少一种。

根据另一实施方案，所公开的基板包括基板主体和嵌入基板主体中的热电冷却器(tec)。基板主体具有顶表面和与基板主体的顶表面相反的底表面。tec包括顶侧板和底侧板。顶侧板具有顶表面和与顶侧板的顶表面相反的底表面，并且底侧板具有顶表面和与底侧板的顶表面相反的底表面。此处，顶侧板的顶表面与基板主体的顶表面面向相同的方向，并且顶侧板的底表面面向底侧板的顶表面。顶侧板包括元件接触垫、第一接触垫和第二接触垫，元件接触垫、第一接触垫和第二接触垫位于顶侧板的顶表面上并且彼此分开。元件接触垫被配置为适应发热电元件的附接。当第一接触垫接收正电压并且第二接触垫接收非正电压时，顶侧板被配置为吸收来自发热电元件的热，并且底侧板被配置为将热传递到基板主体的底表面。

在基板的一个实施方案中，当第一接触垫接收非正电压并且第二接触垫接收正电压时，顶侧板被配置为将热提供给发热电元件。

在结合附图阅读以下优选实施方案的详细描述之后，本领域技术人员将理解本公开的范围并实现其另外的方面。

附图说明

并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且附图与这些描述一起用于解释本公开的原理。

图1a至图1d示出了根据本公开的一个实施方案的示例性热电冷却器(tec)。

图2a至图2b示出了包括示例性基板的封装，图1d中所示的tec嵌入其内。

图3a至图3b示出了包括示例性基板的封装，替代性tec嵌入其内。

图4a至图4b示出了包括示例性基板的封装，替代性tec嵌入其内。

图5a至图5b示出了包括替代性基板的封装，图1d中所示的tec嵌入其内。

图6示出了包括替代性基板的封装，图1d中所示的tec嵌入其内。

将理解的是，为了清楚说明，图1a至图6可能未按比例绘制。

具体实施方式

下面阐述的实施方案表示使本领域技术人员能够实践所述实施方案的必要信息，并且示出实践所述实施方案的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的构思并且将认识到本文未特别提出的这些构思的应用。应该理解，这些构思和应用都落入本公开和所附权利要求的范围内。

将理解的是，尽管本文可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。

将理解的是，当诸如层、区域或基板的元件被称为“位于另一元件上”或延伸“到另一元件上”时，它可以直接位于所述另一元件上或直接延伸到所述另一元件上，或者也可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接位于另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样地，将理解的是，当诸如层、区域或基板的元件被称为位于另一元件“上方”或在另一元件“上方”延伸时，它可以直接位于所述另一元件上方或在所述另一元件上方直接延伸，或者也可能存在中间元件。相反，当元件被称为“直接位于另一元件上方”或“直接在另一元件上方”延伸时，不存在中间元件。还将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到所述另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。

本文可以使用诸如“在……下方”或“在……上方”或“上方”或“下方”或“水平”或“竖直”的相反术语来描述如图所示一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。将理解的是，除了图中所示的方位之外，这些术语和上面讨论的那些术语旨在包括装置的不同方位。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”(comprises/comprising/includes/including)在本文中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的背景中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确定义，否则将不以理想化或过于正式的含义解释。

本公开涉及具有嵌入式有源热电冷却器(tec)的基板。图1a至图1d示出了根据本公开的一个实施方案的示例性tec10。图1a示出了tec10的3d视图，图1b示出了tec10的俯视图，图1c示出了tec10的仰视图，且图1d示出了tec10的截面视图。

详细地，tec10包括具有顶表面和底表面的顶侧板12、具有顶表面和底表面的底侧板14以及多个半导体芯块16。此处，顶侧板12的顶表面与顶侧板12的底表面相反，顶侧板12的底表面面向底侧板14的顶表面，且底侧板14的顶表面与底侧板14的底表面相反。半导体芯块16从顶侧板12的底表面朝向底侧板14的顶表面延伸。此外，顶侧板12沿x轴具有长度l1，沿与x轴正交的y轴具有宽度w1。底侧板14具有沿x轴的长度l2和沿y轴的宽度w2。在一个实施方案中，顶侧板12的长度l1与底侧板14的长度l2基本相同，并且顶侧板12的宽度w1与底侧板14的宽度w2基本相同。

为了说明的目的，顶侧板12包括元件接触垫18、第一接触垫20、第二接触垫22、第一通孔24、第二通孔26和多个分立的第一导体28(为清楚起见，仅用标号标记一个第一导体)。元件接触垫18、第一接触垫垫20和第二接触垫22位于顶侧板12的顶表面上并且彼此分开。第一导体28位于顶侧板12的底表面上并且彼此分开。第一通孔24从顶侧板12的顶表面延伸到顶侧板12的底表面，并且将第一接触垫20电耦合到相应的第一导体28。第二通孔26从顶侧板12的顶表面延伸到顶侧板12的底表面，并且将第二接触垫22电耦合到另一相应的第一导体28。此处，元件接触垫18被配置为适应发热电元件(如下图和描述所示)的附接。顶侧板12与所附接的发热电元件热接触。在不同的应用中，tec10可以包括更多的元件接触垫18，以适应更多电元件的附接。

底侧板14包括多个分立的第二导体30(为清楚起见，仅用标号标记一个第二导体)和底部接触层32。第二导体30形成在底侧板14的顶表面上并彼此分开，并且底部接触层32形成在底侧板14的底表面上。半导体芯块16可包括多个p型芯块16-p和多个n型芯块16-n，其中p型芯块16-p和n型芯块16-n交替放置(为清楚起见，仅用标号标记两个p型芯块和三个n型芯块)。半导体芯块16从顶侧板12的底表面延伸到底侧板14的顶表面，并且通过分立的第一导体28和分立的第二导体30串联电连接。

在该实施方案中，p型芯块16-p通过第一通孔24和一个第一导体28连接到第一接触垫20，而n型芯块16-n通过第二通孔26和另一第一导体28连接到第二接触垫22。当第一接触垫20从外部部件(可以是在下图中引入的基板主体40)接收正电压并且第二接触垫22从外部部件接收负电压或零(接地)电压时，顶侧板12被配置为吸收来自附接到元件接触垫18的发热电元件的热，并且底侧板14被配置为将热传递到外部部件。

图2a至图2b示出了包括示例性基板36的封装34，图1d中所示的tec10嵌入其内。除了基板36之外，封装34还包括发热电元件38。在不同的应用中，封装34可以包括多个发热电元件38，并且基板36可以包括多个tec10以适应多个发热电元件38，或tec10可包括多个元件接触垫18以适应多个发热电元件38。

基板36包括tec10、基板主体40、接地平面42、外围密封材料44和底部填充材料46。基板主体40具有顶表面和与基板主体40的顶表面相反的底表面。tec10嵌入基板主体40中，使得顶侧板12的顶表面与基板主体40的顶表面面向相同的方向并暴露于基板主体40的外部空间，且底侧板14的底表面与基板主体40的底表面面向相同的方向。底侧板14与基板主体40的底表面热接触。此处，顶侧板12的顶表面可以与基板主体40的顶表面基本齐平(如图2a所示)，或者顶侧板12的顶表面可以低于基板主体40的顶表面以在基板36的顶部提供凹部48(如图2b所示)。另外，底侧板14的底表面可以与基板主体40的底表面基本齐平(如图2a和图2b所示)，或者底侧板14的底表面可以高于基板主体40的底表面(如图5b和图6所示)。

接地平面42形成在基板主体40的底表面上，并且可以耦合到底侧板14的底表面上的底部接触层32。外围密封材料44围绕tec10并填充tec10的外围与基板主体40之间的间隙，使得外围密封材料44被配置为将tec10保持在基板主体40内的适当位置，并确保tec10内没有水分或气体被截留。外围密封材料44可以导热但不导电。外围密封材料44可以由合适的环氧树脂材料或等同物形成。底部填充材料46填充半导体芯块16之间的间隙，以对tec10提供机械支撑。底部填充材料46热绝缘并且电绝缘。底部填充材料46可以由环氧树脂材料形成。在一些应用中，基板36中可以省略底部填充材料46(未示出)。如果底部填充材料46包括在基板36中，则底部填充材料46和外围密封材料44可以由相同或不同的材料形成。

发热电元件38附接到元件接触垫18，元件接触垫18暴露在基板36的顶部。如果顶侧板12的顶表面低于基板主体40的顶表面，则发热电元件装配在凹部48中。发热电元件38可以是管芯、声学滤波器、机械滤波器、谐振器、无源管芯或无源器件。此处，tec10被配置为冷却发热电元件38，并且优选地将其冷冻到显著低于接地平面42的温度的温度。当第一接触垫20接收正电压且第二接触垫22接收负电压或零(接地)电压时，顶侧板12被配置为吸收来自发热电元件38的热，半导体芯块16被配置为将热从顶侧板12传输到底侧板14，且底侧板14被配置为将热传递到基板主体40的底表面。

在一个实施方案中，为了防止发热电元件38变得太冷，第一接触垫20可以接收负电压或零(接地)电压，并且第二接触垫22可以接收正电压。这样，通过半导体芯块16的电流极性反转。此处，顶侧板12被配置为向发热电元件38提供热，并且底侧板14被配置为从基板主体(其与外部环境热接触)的底表面吸收热。此外，通过改变流过半导体芯块16的电流值，发热电元件38可以保持几乎恒定的温度或保持在期望的温度范围内。

注意，取决于tec10的操作电流和配置，tec10产生的热可以是由发热电元件38产生的热的若干倍。净效果是，为了冷冻发热电元件38，必须将大得多总量的热传递到基板的底部。

在一个实施方案中，为了向tec10提供优越的支撑，可以在基板主体40的内部部分中形成至少一个阶梯式袋状结构50，tec10被接收在其内，如图3a所示。此处，顶侧板12的长度l1比底侧板14的长度l2长。在一些应用中，顶侧板12可以沿x轴延伸超过底侧板14的两侧。在一些应用中，顶侧板12可以仅沿x轴延伸超过底侧板14的一侧(未示出)。期望的是，基板主体40的至少一个阶梯式袋状结构50位于顶侧板12的延伸部分的下方。在另一实施方案中，可以在基板主体40的内部部分中形成至少一个反向阶梯式袋状结构52，tec10被接收在其内，如图3b所示。此处，顶侧板12的长度l1可以短于底侧板14的长度l2。在一些应用中，底侧板14可以沿x轴延伸超过顶侧板12的两侧。在一些应用中，底侧板14可以仅沿着x轴延伸超过顶侧板12的一侧(未示出)。基板主体40的至少一个反向阶梯式袋状结构52位于底侧板14的延伸部分的上方。注意，无论长度变化如何，顶侧板的宽度w1与底侧板的宽度w2基本相同。

在一些应用中，发热电元件38相对较大，使得用于元件附接的元件接触垫18占据顶侧板12的顶表面的大部分区域，如图4a和图4b所示。在一个实施方案中，基板主体14包括两个阶梯式袋状结构50，并且顶侧板12可沿x轴延伸超过底侧板14的两侧。第一接触垫20a和第二接触垫22a可以分别形成在顶侧板12的相反延伸部分的底表面上(如图4a所示)。第一接触垫20a电连接到p型芯块16-p，且第二接触垫22a电连接到n型芯块16-n。当第一接触垫20a接收正电压并且第二接触垫22a接收负电压或零(接地)电压时，顶侧板12被配置为吸收来自发热电元件38的热，半导体芯块16被配置为将热从顶侧板12传递到底侧板14，并且底侧板14被配置为将热传递到基板主体40的底表面。

此处，第一接触垫20a和第二接触垫22a彼此分开。由于第一接触垫20a、第二接触垫22a和第一导体28都形成在顶侧板12的底表面处，因此不需要第一通孔24/第二通孔26以将电压从顶侧板12的顶表面传输到顶侧板12的底表面。第一接触垫20a、第二接触垫22a和第一导体28可以由共同的金属层形成。

此外，基板36还可包括形成在第一接触垫20a/第二接触垫22a与基板主体40的相应的阶梯式袋状结构50之间的导电材料54。因此，第一接触垫20a或第二接触垫22a可以通过导电材料54从适当的金属层(未示出)接收电压信号，该金属层位于相应的阶梯式袋状结构50的边缘处并且在基板主体40内。此处，外围密封材料44仍然围绕tec10的剩余部分并填充tec10的剩余部分的外围与基板主体40之间的间隙。

在另一实施方案中，第一接触垫20b和第二接触垫22b可以形成在底侧板14的顶表面上(如图4b所示)。此处，基板主体14包括反向阶梯式袋状结构52，并且底侧板14可以沿x轴延伸超过顶侧板12的两侧。第一接触垫20b和第二接触垫22b分别位于底侧板14的相反延伸部分的顶表面处。第一接触垫20b电连接到n型芯块16-n，且第二接触垫22b电连接到p型芯块16-p。当第一接触垫20b接收正电压并且第二接触垫22b接收负电压或零(接地)电压时，顶侧板12被配置为吸收来自发热电元件38的热，半导体芯块16被配置为将热从顶侧板12传递到底侧板14，并且底侧板14被配置为将热传递到基板主体40的底表面。此处，第一接触垫20b和第二接触垫22b彼此分开。第一接触垫20b、第二接触垫22b和第二导体28可以由共同的金属层形成。

此外，导电材料54形成在第一接触垫20b/第二接触垫22b与基板主体40的相应的反向阶梯式袋状结构52之间。因此，第一接触垫20b或者第二接触垫22b可以通过导电材料54从适当的金属层(未示出)接收电压信号，该金属层位于相应的反向阶梯式袋状结构52的边缘和基板主体40内。在这种构造中，导电材料54未电连接到接地平面42。此处，外围密封材料44仍然围绕tec10的剩余部分并填充tec10的剩余部分的外围与基板主体40之间的间隙。

如图2a至图4b所示，嵌入基板主体40中的tec10总是包括底侧板14的底表面上的底部接触层32，其直接耦合到形成在基板主体40的底表面上的接地平面42。在一些应用中，tec10可以不包括底部接触层32(如图5a所示)，并且不直接耦合到接地平面42。如图5b所示，基板主体40比tec10厚，并且底侧板14的底表面高于基板主体40的底表面。此处，基板36还包括热通孔群56和导热粘合剂58。热通孔群56包括多个热通孔60和通孔连接件62，并且在tec10的底侧板14的底表面与基板主体40的底表面处的接地平面42之间延伸。热通孔群56通过导热粘合剂58热耦合到tec10。具体地，导热粘合剂58形成在底侧板14的底表面与通孔连接件62之间。每个热通孔60连接到通孔连接件62，并从通孔连接件62朝向接地平面42延伸。在一些应用中，在基板36中包括散热板64而不是通孔群56。散热板64形成在tec10下方，并且在底侧板14的底表面与接地平面42之间延伸。散热板64通过导热粘合剂58热耦合到tec10。此处，通孔群56和散热板64都是导热结构，它们热耦合到tec10的底侧板14，并将从底侧板14传递的热朝向基板主体40的底表面处的接地平面42传导。

本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为是在本文公开的构思和随后的权利要求的范围内。