专利名称：电化学供电的集成电路封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学供电的集成电路封装，例如，在诸如数据中心这样的计算机系统中提供的电化学供电的集成电路封装。具体而言，本发明涉及经由具有可溶电活性物质的电解质溶液来供电的集成电路封装，该电解质溶液用于向该封装的集成电路供应电能。一致地，本发明还涉及一种配备有这样的电路封装的计算机系统和操作该计算机系统的方法。
背景技术：
增加平面集成电路(IC)中的集成密度导致特征尺寸的减少和更密集的部件包装。尽管晶体管切换速度从该发展中受益，但是由于片上布线引起的延迟时间明显增加并且限制IC的总性能。正如所已知的，IC的三维(3D)集成通过提供用于信号和电能传输的竖直途径而显著地减少了布线长度。该堆叠方式高度地模块化并且使得能够在单个立方体中集成相异技术，而且通过在处理器单元上堆叠高速缓存器来提供大量带宽改善。另一方面，3D集成需要每单位面积的更高电能和连接管脚。另一问题是每单位投射面积的高冷却需求。贯穿硅通孔(TSV)是3D集成的重要方面；它们提供竖直信号和电能传输，但是减少了有源硅表面面积并且引起布线拥塞。竖直集成的程度受累积能量密度的严重限制，从而既不能容易地冷却多于两个层的堆叠的高性能逻辑也不能递送足够的电能。已经论证用于冷却大量堆叠的处理器的可调节解决方案。然而，仍然存在用于供应电能的可行方式的问题。更一般而言，供电和冷却是与IC芯片相关联的两个关注点。对这些问题的现有技术解决方案包括以下文献的解决方案:-US20090092862 ( “Integrated Self Contained Sensor Assembly”)，该申请主要涉及具有多孔质子交换膜的甲醇燃料电池。具体而言，它公开一种包括混合功率模块、收发器和一个或者多个传感器或者检测器的自包含传感器组件。该传感器组件的混合功率模块包括燃料电池和可以被燃料电池充电的电子存储设备。燃料电池膜和微型燃料电池可以被直接集成到电子设备中；-“Microfabricated Fuel Cells to Power Integrated Circuits”，ChristopherW.Moore，博士论文，化学工程，2005，p.210，佐治亚理工学院。该公布文献特别地公开图
2.9，该图是具有集成微型燃料电池的IC的示意图。该设计示出燃料被废热汽化，这是也用于冷却集成电路的过程。仍然需要改进用于向IC芯片供应电能或者在芯片堆叠物(stack)内供应电能的已知解决方案。其它公开，诸如W02008133655、US20070148527 和 Bakir MS、Huang G、Sekar D、King C 的 “3D Integrated Circuits:Liquid Coolingand Power Delivery，，，IETE TechRev2009 ；26:407_16的公开内容例示背景技术的有关方面。
发明内容
根据本发明的第一方面，本发明提供一种集成电路封装，该集成电路封装包括:层结构，具有:在层结构的层上布置的电极；以及与电极电连接的集成电路，以及一个或者多个流体回路段，每个流体回路段被构造成接收其中具有可溶电活性物质的至少一种相应电解质溶液并且允许所述溶液接触电极中的至少一些电极，以便在操作中向集成电路供应电倉泛。在实施例中，所述集成电路封装可以包括以下特征中的一个或者多个特征:-一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段根据相应电解质溶液被设计用于在操作中基本上冷却集成电路；-一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段被构造成允许相应溶液沿着层结构的层流动；-一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段被构造成允许相应溶液在层结构的两个层之间流动，所述两个层优选地是被布置为集成电路层的3D堆叠物的集成电路的两个层；-电极中的至少一些电极被设计为用于约束层结构的层的间隔物；-电极中的至少一些电极被布置在层结构的一个层的一侧上，一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段允许溶液沿着该一侧流动；-电极中的至少一些电极被布置在所述两个层中的每一层上，一个或者多个流体回路段中的相应流体回路段的电解质溶液被允许在这两个层之间流动；-在所述两个层之一的一侧上布置的电极包括阴极和阳极二者；-层结构包括:印刷布线板；衬底互连；以及包括集成电路中的至少一些集成电路的集成电路芯片，并且其中电极中的至少一些电极和一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段被布置在以下各项之一的一侧上:印刷布线板；衬底互连；或者集成电路芯片;-一个或者多个流体回路段被构造成接收单种电解质溶液，并且其中电极包括选择性阴极和阳极，所述一个或者多个流体回路段被构造成允许所述单种电解质溶液接触选择性阴极和阳极，从而与选择性阴极和阳极一起形成单流氧化还原(redox)系统；-一个或者多个流体回路段被构造成:接收两种电解质溶液并且优选地包括被布置用于在一个或者多个流体回路段中分隔两种电解质溶液的膜，并且允许两种电解质溶液接触电极的相应子集，并且子集之一包括阴极，而子集中的另一子集包括阳极，由此形成双流氧化还原系统；-一个或者多个流体回路段各自由相应电解质溶液填充，其中:所述相应电解质溶液包括:氧化还原电对，该氧化还原电对在它的氧化形式和还原形式下均可溶；支持电解质，其优选地在用于向集成电路供应电能的电势范围中不表现氧化还原过程；以及添加物，用于调节氧化还原电对的氧化还原电势和/或可逆性；以及-所述相应电解质溶液包括:以下氧化还原电对中的任一项或者其衍生物:Fe2+/Fe3\ V2+/V3+> V02+/V02\ Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3\ Cr2+/Cr3\ Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2072\BH4VBO2, OHVH2O2, Br7Br' Mn2+/Mn3+、Ru2+/Ru3+ ;以及添加物，诸如醋酸盐、邻菲咯啉(o-phenanthroline)、甲基菲咯啉、二甲基菲咯啉、联卩比唳、乙二胺,并且所述相应电介质溶液优选地包括以下支持电解质中的任何一项:H2S04、HC1、Na2SO4, NaCl, NaOH, K2SO4, KOH和作为溶剂的水。根据另一方面，本发明被实现为一种计算机系统，该计算机系统包括:至少一个根据本发明的集成电路封装；以及电化学电能递送单元，其与所述至少一个集成电路封装的一个或者多个流体回路段流体连通，电化学电能递送单元还包括:转换单元，其被构造成在操作中根据所述至少一个集成电路封装的电能供应需要来调节所述至少一个集成电路封装的流体回路段中的一种或者多种电解质溶液的对流。根据最后一个方面，本发明被实现为一种操作计算机系统的方法，该方法包括以下步骤:提供包括根据本发明的集成电路封装的计算机系统；通过强制所述至少一个集成电路封装的相应流体回路段中的至少一种电解质溶液以接触所述至少一个集成电路封装的电极中的至少一些电极来向集成电路供应电能。现在将通过非限制示例并且参照附图来描述实现本发明的方法、设备和系统。
-图1示出常规单芯片封装(现有技术)；-图2-图15示意地举例说明根据本发明的各种实施例的集成电路；-图16是可以在其中实施本发明的实施例的IC芯片的3D堆叠物的透视图；-图17-图19描绘如在实施例中所涉及的、由接触电极的电解质溶液填充以向IC封装供应电能的流体回路段；-图20是描绘根据本发明的一个实施例的方法的步骤的流程图；一图21示出根据本发明的一个实施例的配备有电化学电能递送单元的计算机系统；-图22图示包括联机不间断电源(现有技术)的常规数据中心架构；以及-图23是用于反映本发明的实施例的、包括联机不间断电源的改进数据中心架构的图解。
具体实施例方式作为下文描述的引言，首先指向本发明的总的方面，该方面涉及一种集成电路封装。所述封装具有层结构，该层结构具有被布置成与层结构的层电连接的电极和1C。该封装还包括流体回路段，每个流体回路段用于接收相应电解质溶液(或者两种相异溶液，参见下文描述的双流氧化还原模式)。涉及到的每种溶液具有可溶电活性物质。流体段被设计用于接收和允许电解质溶液接触对应电极，以便在操作中向IC供应电能。由于电极被集成到封装，所以可以接近IC地供应电能，由此提高电能供应的效率。由于接触电极的电化学溶液的强制对流(convection)使得还可以实现高的能量密度。最后，由于液体被原位包含，所以可以设想适当的热去除，注意，电能递送和热去除需要是一致的。在这方面，可以优化地设计流体回路以基本上冷却1C。因此，可以实现一种同时解决供应电能和冷却问题的组合解决方案。这样的解决方案特别好地适合于其中层间冷却与电化学电能递送组合的3D 1C。例如，双功能的基于水的冷却剂可以被提供有电活性氧化还原电对，电活性氧化还原电对在电能递送过程的所有阶段保持可溶。已知可以在正与负端子之间提供例如IV电势差的水相氧化还原电对。例如在具有管脚的3D硅堆叠物中借助强制对流层间冷却还可以实现在200W/cm2以上的速率的热去除。在IC中，实质上所有电能被转换成热。因此，如上文所言，局部冷却和电能需求是一致的，这倾向于组合的冷却和电能递送。(例如，压力驱动的)电活性冷却剂流所提供的散热和电流密度二者从优化的对流质量传送和增加的温度中受益。由于本方式，可以释放关键资源。例如，在3D堆叠物中，可以显著减少向电能递送(电源通孔)分配的贯穿硅通孔(TSV)的数目，因此释放宝贵芯片面积、减少布线拥塞并且最小化宏观再设计。可以引入更多数目的信号通孔，由此提高通信带宽。由于仅需片上布线，因此还简化了与电源相关的总体布线，从而避免超出晶片级的互连。此外，上述解决方案有利地适用于在数据中心中使用的服务器操作，在该数据中心中集成用于电活性冷却剂的贮存池可以提供不间断电源(UPS)功能。通过改变贮存池的尺寸可以容易地调节自治性。通过修改数据中心中的现有UPS设计、电能递送和电压转换，显著的效率提高是可能的。电化学电能供应的又一益处是消除了对去耦合电容器的需要，这释放更多TSV以及在处理器堆叠物中的宝贵空间。将参照图2-图15的实施例来举例说明本发明的其它特征。为了理解，首先参照图1描述常规单芯片封装10’。正如所已知的，这样的芯片具有层结构。所描绘的各层可以例如分别代表:-印刷布线板(或者PWB)11-焊球层12;-衬底互连13;-焊块(solderbump) 14和下填料层15 ;以及-1C芯片本身I6。这样的组成本身已知。经过各层，即从PWBll经由焊球12、衬底互连13和焊块14向IC供应电能。注意，对于IC微处理器，通常向电能递送(电源/地)分配焊球和焊块的多数，而向信号传输分配较小部分。可以如以下实施例中所示实现改进的电能供应。首先参照图2，示出仍然具有层结构的改进集成电路封装10a，再现了图1的器件。该封装可以例如包括与图1中相同的各相继层，即PWB11、焊球、衬底互连13、焊块和下填料以及芯片16。然而，现在提供电极17，其与该结构的一个层电连接，例如在该层上直接布置电极
17。在图2的示例中，在PWBll上布置电极17，该PWBll在器件IOa的其余层布置的一侧延伸。IC由此(这里是经过相继层11-15间接地)连接到电极。此外，提供可以由具有可溶电活性物质的电解质溶液填充的流体回路段19。该段19被配置成允许溶液接触PWB层11之上布置的电极17 (例如，电极阵列17)，由此可以在操作中向IC层16供应电能。在该示例中，流体段19仅为分配歧管(distributionmanifold)，该分配歧管具有面向电极的开口并且可连接到分发溶液的流体回路，如这里由入口 /出口箭头191、19o所表示的。可以按照例如微流控学的已知技术获得适当流体回路段和与流体回路的连接。后文将参照图17-图21来讨论电化学的细节。例如，可以将歧管设计为第一硅块中、在其一个或者多个面(例如，在底面上)上开放的空腔。可以将流体回路提供为这样的硅块中的槽，诸如在顶面上开放的槽。歧管可以另外通常由陶瓷、金属或者硬聚合物等构建。可以使第二硅块与第一硅块接触以闭合开放的槽。然后，在其中布置了电极的结构层之上放置第一个块。许多其它实施技术是可能的。例如，可以将用于流体分配的通道加工成具有高热传导率的金属散热器，其中可以在IC封装之上设置散热器并且绝缘层使电极与散热器材料隔离。另一实现方式可以包括微加工硅以提供微流控通道，后文在图9-图15中讨论电极的可能布置。为了概括图2的实施例，提供了一种常规单芯片封装，但该单芯片封装具有在PWB上设置的用于电能递送的邻近电化学(EC)电能转换单元和电极阵列。这样的解决方案允许原位电能供应。此外，它由于经过歧管19循环的溶液应当捕获从芯片向PWB传送的热而参与热去除。下面的图对应于改进集成电路封装IOb-1On的其它实施例，其仍然具有图1或者图2中的层结构。然而，为了简洁，不重复所有附图标记。例如，图3示出常规单芯片封装10b，其中，这次在共同衬底互连13上提供相邻电能转换单元19 (例如，与流体回路流体连通的电解质溶液歧管)和电极17用于电能递送，电极17被布置在焊球和PWB层之上，它们一起从封装的其余部分横向延伸。在该示例中，与最终消耗者16更近地供应电能。因而，与图2的示例比较可以预期更好的热去除。接下来，图4描绘了另一单芯片封装10c，该单芯片封装在IC芯片16上直接布置的电极阵列17之上具有用于电能递送和冷却的流体分配歧管19。这样的布置使得能够直接向IC层供应电能；它还允许电解质溶液基本上捕获在IC层产生的热，并且这比图2或者图3的实施例更高效。图6是相似的，即它示出器件10e，该器件在层结构之上具有流体分配歧管19，其被布置成与电极阵列17流体连通以用于电能递送和冷却。然而，所表示的器件现在是竖直集成的多芯片封装。例如，存在允许在这样的多芯片封装中制造多层的现有技术解决方案。这里的不同在于对在芯片16之上适当布置的电极17和电能转换单元(流体段19)的集成。本领域技术人员可以认识到在上述实施例(图2-图4和图6)中，流体回路段19被构造成使得允许电解质溶液沿着IC封装IOa-C的层结构的一个层(即，11、13或者16)流动。这样的配置之所以有利是因为它允许仅将电能转换单元设计为放置在结构IOa-C的层之上的附件。本领域技术人员还可以认识到这样的设计无需大量改变芯片的制造工艺。此外，在上述实施例(图2-图4和图6)中的每个实施例中，可以设想单流或者双流氧化还原系统。在单流氧化还原系统中，流体回路段19仅包含一种电解质溶液，该电解质溶液接触选择性电极阵列。如果设想双流氧化还原系统，则段19必须由两种流体填充，这两种流体例如由膜分隔并且接触为了该目的而适当布置的相应电极集合。接下来，可以设想其它实施例，其中流体回路段被构造成允许电解质溶液在层结构的两个层，例如IC的3D堆叠物中的两个IC层之间流动。将参照图5、图7-图15讨论这样的实施例。这样的实施例使得能够在不直接供应电能的情况下，与IC层接近地供应电能。此外，它们允许电解质溶液更高效地去除在IC层产生的热。例如，图5示出单芯片封装10d，该单芯片封装具有集成到衬底互连13’中以用于电能递送和冷却的流体分布。这里将衬底互连13’配置为如本身已知的那样，例如由间隔物23约束的两个适当分隔的层。因此，衬底互连13’的双层配置取代先前流体回路段并且提供在许多方面(高效电能供应和热去除)有利的流体路径19’。如果需要，则双层的尺寸可以适应电解质溶液的性质以便有利于其对流和/或防止不希望的毛细效应。可以设想对上述实施例的若干变化。例如，图7示出具有双重电能递送和冷却的竖直集成多芯片封装IOf，该多芯片封装实际上在多芯片封装内组合图4和图5的概念和优点。在图8的实施例中提供电能递送和冷却的又一不同概念，提出了具有用于层间流体分布19’的间隔物23的竖直集成多芯片封装10g。有别于用于单层段的标记19，下文针对层间流体回路段采用附图标记19’。这里，可以提供壳21 (例如，硅侧壁)，该壳限制流体分布与多层结构接近。因此，电解质溶液可以在层结构的各层，例如IC层之间流动。因而，可以针对竖直集成多芯片封装实现用于电能供应和冷却的高效、组合方案。在图16中示出对应透视图。在图16中，附图标记24、25分别对应于贯穿硅通孔(TSV)和焊球。该结构总体上限定保证高效电能供应和冷却的多个流体回路段19’。尽管在该实施例中描绘了单个总入口 19i和单个总出口 19ο，但是注意适当变体可以使用双流入口和单出口，或者双流入口和双流出口等。因而，概括图5、图7或者图8 (和图16)的实施例，可以认识到至少一个流体回路段19’可以被设计用于允许电解质溶液在器件的层，例如3D堆叠物的两个IC层之间流动。注意，为了易于理解，在这些图中未描绘涉及层间流体段的电极布置。事实上，如现在将讨论的那样，可以应用参照图9-图15讨论的电极配置中的任何电极配置。图5、图7或者图8(和图16)的实施例可以各自适应单或者双氧化还原流解决方案。然而，为了实施双氧化还原流解决方案，需要少量改变，以便允许电解质溶液恰当分布于一个或者多个流体段19’内。现在概括图2至图8的实施例，可以认识到可以设计至少一个流体回路段19、19’，使得段19、19’中的每段可以接收和允许一种(或者两种)电解质溶液沿着器件IOa-1Og的层结构的层或者在这些层之间流动。图9-图15示出芯片器件IOh-1On的部分视图。图9描绘在层间配置中用于单电解质流的片上电极布置17。相关层13、16可以例如是双衬底互连(诸如图5或者图7中的13’)或者如图8中的由间隔物23适当约束的两个平行IC芯片16。可能的电极布置是在涉及到的两个层中的每层的内侧(即，与电解质流接触的一侧)上装配的交替电极阵列。电极17al、17cl可以例如分别对应于在第一层13、16上布置的阳极和阴极。电极17a2和17c2是它们在第二层13、16上的对应物(下标“a”用于“阳极”(白)，“c”用于“阴极”(黑)，“I”和“2”分别对应于第一层和第二层)。如上文再现的那样，这样的电极比对电解质配置需要对电极的适当选择，因为这里涉及到单流。以前已经给出单流或者混合反应物系统的描述(例如，Priestnall2002，Sung2007，Mano2003，参见最终参考文献列表)。可以例如在图5、图7和图8的实施例中使用该配置。可以例如通过用多孔材料、例如沸石来涂覆一个电极以实现电极选择性，该多孔材料仅允许较小离子通过。另外，可以在电极上引入分别促进电活性物质的氧化或者还原的电催化材料。图10示出相似布置，然而该布置具有有些不同的电极布置。这里在第一(顶)层的内侧上分布阴极17cl，而在第二层上装配阳极17a2。该配置同样需要电极选择性。尽管它允许比图9的配置更容易制造(在给定的层上提供仅一个类型的电极)，但是更不容易闭合所获得的电路，这意味着稍微更低的电能效率，并且该电路需要高的电极选择性。然而，可以在图5、图7和图8的实施例中使用该层间配置。图11示出另一电极布置，其中，现在组合了电极功能与间隔物23的功能。例如，可以设想阳极17a和阴极17c的交替布置。相应地，适配间隔物的材料。允许有选择地适配在间隔物表面上使用的材料的适当工艺是可获得的。可以借助与使用逆溅射或者离子蚀刻进行的各向异性材料去除组合的已知微制造技术(诸如蒸发、溅射、气相沉积或者镀制)来向间隔物表面涂敷电极材料。使用的电极材料可以根据它们与溶液的兼容性和朝向电化学反应的活性来选择并且可以特别地包括碳和惰性金属，诸如AiuPt或者Pd。其他电极材料可以包括金属合金、导电硅化物或者碳化物，诸如SiC和B4C。可以如先前提到的那样向电极材料赋予选择性和催化活性。诸如图11的变体这样的变体有利地允许优化间隔物功能并且释放在涉及到的层的内侧上的一些宝贵区域。该配置仍然可以与图5、图7和图8的实施例一起使用。在图9、图10或者图11的实施例中的每个实施例中，设想单个总体电解质流(然后需要选择性电极)。然而，虽然这里谈及“单个”流，但是对应流体回路可以分解成一个(图5)或者多个层间流体回路段19’(例如，如图8中那样)或者仍然包括与层间段19’组合的顶上回路段19(图7)。换而言之，涉及到一个或者多个流体回路段19、19’，而又与单种电解质溶液组合。在每种情况下，适当地配置所述流体段使得单种电解质溶液可以接触选择性阴极和阳极(单流氧化还原解决方案)。不同于图9、图10或者图11的实施例，图12-图15的实施例涉及用于接收相异电解质溶液(未示出)的层间流体回路段19’。溶液可以例如由膜20或者另一类型的分隔物分隔，见下文。用于微流控的膜材料的集成以前已经有所描述(de Jong2006)并且可以具体地包括多孔娃(Moghaddam2010, Tjerkstra2000)。在每种情况下，电解质溶液相应地被局限于相应流体回路段19/、192’内，以便接触电极(即，阴极或者阳极)的相应子集，由此形成双流氧化还原系统。例如，图12示出用于在层间配置中局限于相应流体回路段19/、192内的两个电解质流的片上电极布置。在与芯片表面平行的平面(虚线)中分隔两个流，该表面表示膜20、扩散区20’或者中间层或者另外另一类型的分隔物，该分隔物允许非活性离子通过，以便闭合电路。电极布置在别的方面与图10的电极布置相似。在图13中，现在如图11中那样将电极布置17a2、17cl应用于间隔物，与图11的不同在于每个间隔物现在被设计用作阴极和阳极二者(即，在分隔线的每侧)。接下来，在图14中示出在层间配置中用于两个电解质流的另一片上电极布置。流现在从附图的平面引出并且在与芯片表面垂直的平面(虚线)中分隔，该平面同样可以表示膜、扩散区和中间层或者另外另一类型的分隔物。为了清楚，未示出层间间隔物。两个流被限制于相应阳极或者阴极段19a’、19c’内。附图标记27表示从附图的平面向外的流体出口。最后，图15与图14相似，除了现在如图11或者图13中那样将电极布置应用于间隔物。这里，在分隔物20、20’的一侧的间隔物用作阴极17c，另一间隔物(在另一侧)用作阳极17a。同样，流被局限于相应阳极或者阴极段19a’、19c’内。现在将参照图17-图21更具体说明电解质溶液。图17-图19示出由接触电极的电解质溶液31、32填充以用于电能递送和冷却的流体回路段的细节。图17和图18如先前讨论的那样涉及双流氧化还原系统，而图19对应于单流氧化还原系统。在所有情况下，Red和Ox代表还原和氧化的电活性物质，并且箭头指示在电极/溶液界面上的电子迁移。电解质溶液的流向从上至下。在图17中，两种电解质溶液31、32由膜20分隔。图17再现常规氧化还原流电池配置，该电池配置具有分隔电解质溶液的离子选择性膜和相同电极材料。相反，图18引用无膜氧化还原电化学解决方案，该解决方案依赖于具有相同电极材料的无膜共层流配置。图19涉及具有选择性电极(意味着有选择地增强氧化和还原反应的不同电极材料)的单流架构。注意，在每种情况下，除了 EC电能供应之外还可以经由电解质溶液的循环来获得大量热去除。可以根据所使用的实际电解质溶液和电能需要来适配流体回路段的尺寸和流速，以便例如优化能量密度和热去除。应当特别小心毛细现象，即可能需要考虑最小层间尺寸。反言之，可以利用毛细效应以例如使用毛细泵来有利于对流。注意，这样的考虑在应对气体而不是液体时不存在。然而，液体所提供的热去除能力比气体的热去除能力大得多。电解质溶液一般由以下各项构成:活性氧化还原电对，该活性氧化还原电对参与电极的电子电荷迁移；支持电解质，该电解质提供有助于溶液的离子传导性、但是无助于电子电荷迁移的离子；以及溶剂，该溶剂能够溶解显著数量的活性氧化还原电对和支持电解质二者。活性氧化还原电对应当优选地在还原和氧化状态二者中都以溶解的形式存在，并且因此可以选自于包括下述的电对:Fe2+/Fe3\ V2+/V3+、V02+/V02\ Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3+、Cr2+/Cr3+、Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2072\BH4VBO2, OHVH2O2,BrVBr3\Mn2+/Mn3\ Ru2+/Ru3+。应理解，可以用盐或者任何适当衍生物的形式，诸如以硫酸盐、氯化物、氢氧化物或者碳酸盐的形式向溶液中引入氧化还原电对。盐的浓度应当高到足以提供高密度的电活性物质，优选为lmol/L或者更高。如对于微电极阵列所已知的，浓度由于增强的扩散速率而对于小型化的电极尺寸来说可以更低。应当选择支持电解质以与包含活性氧化还原电对的盐，例如H2S04、HC1、Na2SO4,NaCUNaOH, K2SO4, KOH匹配。支持电解质的浓度应当高到足以最小化溶液的电阻而又仍然避免离子缔合或者太高粘度，优选为0.5mol/L或者更高。在变体中，优选2mol/L或者更高的浓度从而产生可观的性能。溶剂应当实现包含活性氧化还原电对的盐和支持电解质的高溶解度。对于上文列举的物质，水是适当溶剂。除了上文列举的成分之外，可以向溶剂中引入更多添加物以提高系统的性能。具体而言，可以添加配体物质以适配活性氧化还原电对的氧化还原电势，如在电化学科学中已知的那样(例如 Chenl981、Chenl982、Murthyl989)。在双流配置(图17和图18)中，两种溶液中的每种溶液优选地包含不同活性氧化还原电对。选择氧化还原电对之间的电势差以使其与为了向IC供电而需要的电压接近。在单流配置中，单种溶液包含两种活性氧化还原电对，而电极如先前描述的那样表现高选择性。电极之间的分隔距离可以被任意选择，但是应当优选地被最小化以便获得电极之间的溶液的低离子电阻。在电极定位于相对层上的层间配置(图8、图10、图12、图16)中，在电极之间的间距由间隔物的高度限定。优选地，该高度落在ΙΟμπι至300μπι的范围中。接下来，图20是描绘根据本发明的一个实施例的方法的步骤的流程图。基本上，该方法以通过强制电解质溶液的对流来向上文所讨论的IC封装供应电能为目标。在实践中，向计算机系统提供若干(例如，根据上述实施例的)芯片封装，并且还配备有电化学(EC)供电单元，步骤100。EC单元与芯片的流体段流体连通，以诸如实现电解质溶液的对流。优选地，可以监视实际电能需要(步骤S300)并且相应地调节流体对流(S200)，以便供应适当调节的电能。然后将需要简单反馈环路。就这方面而言，图21示出根据本发明的一个实施例的配备有电化学电能递送单元110的计算机系统。所提出的氧化还原流电能递送仅由下述构成:在常规氧化还原流电池的电解质流路径上插入计算机系统100(例如，包括数以百计的诸如上文讨论的芯片封装(诸如具有管脚的3D硅堆叠物)的数据中心)。这样的电池可能包括具有相应电解质箱121、122的两个流体回路111、112。回路中的流速由泵141、142调节。电池151、152还与相应电极131、132接触(这里仅用于充电)并且由EC膜25分隔，附加电源120向该EC膜上施加电压以用于重新加载溶液。在放电发生在计算机系统100时，图21的配置实际地实现连续操作。根据实际实施细节，这样的电池还可以允许高流速、高能量密度、温度提升的操作和冷却剂功能。计算机系统100在电池的电解质流路径上的互连可以使用从微流控学引入的、本身已知的技术(例如，管道系统和/或PDMS加工、歧管等)。使用水作为液体冷却剂，可以借助在具有管脚的3D堆叠物中的强制对流层间冷却来实现在200W/cm2以上的速率的热去除(Brunschwiler2009)。如上文讨论的那样,通过在电解质溶液中提供在集成电路封装的电极处电化学地放电的电活性物质来实现电能递送。大量氧化还原电对配对存在于水合电化学领域中，其实现跨电极对的IV级别的电势差(CRC Handbook of Chemistry and Physics2010)。这样的电压足以向当前晶体管供应电能。还可以认识到使用水合溶液的电化学电能递送甚至更适合于供应电压的当前趋势、即面向更低值、例如0.6V。这样的技术的益处很明显，例如预期在封装和计算机系统(例如数据中心)基础设施这两级的改进。首先，考虑封装益处:在高性能3D IC中，目前估计输送电能的TSV (电源通孔)占所有TSV占据的面积的66%。通过向双功能冷却剂转移全部电能递送，释放该区域以用于增强设计自由度或者集成附加信号通路。由于电化学放电局部地(例如，片上)发生，所以无需与超出芯片级的部件对接。所有与电源有关的布线因此可以被简化并且限于芯片级。其次，考虑基础设施益处:冷却剂中的电活性物质保障电能递送。通过增加可用电活性物质的绝对数量来增强系统的自治性。就该点而言并且如图21中所示，一种用于提供该自治性的简单方式是通过向冷却环路111、112中引入用于溶液的贮存池121、122。在来自电力设施侧的电源故障的情况下，仍然可以提供电活性冷却剂直至容量已经耗尽。还可以测量到向芯片递送的电压随着溶液的放电深度而下降。电化学系统的最优操作范围是在10 %与90 %之间的放电深度，其中由一个电子的氧化还原电对构成的电化学电能递送系统的供应电压大致线性地和可预测地改变约0.1V。仅在放电深度逼近100%时实现供应电压的大量损失。系统的自治操作因此实质上受可以容易与局部片上电极配置独立地缩放的贮存池的尺寸支配。因此，可以提供不间断电源(UPS)。为了将这样的UPS耦合到计算机系统，可以提出以提高效率为目标的、对当前电能递送基础设施的重新设计。在图22-图23中示出包括改进数据中心架构比对联机UPS的常规数据中心架构的方案。更具体而言，在数据中心中的常规电能递送架构(图22)与组合冷却/电化学电能递送(图23)之间进行比较。在常规架构中包括的部件的能效基于用于重负荷的报告值(Pratt2007)，而电化学系统的能效是最佳估计。细线代表电流的流，而粗线代表电活性冷却剂流。使用的缩写词是标准的:不间断电源(UPS)、交变电流(AC)、直流(DC)、电能分配单元(rou)、电能供应单元(PSU)、电压调节器(VR)、电化学电池(EC)。在图22中给出的百分比对应于进入数据中心的电能在相继转换步骤之后剩余的电能的分数比。这里仅示出为了直接供应处理器而需要的电能作为示例。在常规数据中心架构中，估计向处理器的电能递送主要由于转换损失而在数据中心仅为36%效率。通过并入电化学电能递送(图23)，可以在转换链的开始集中地执行从电力级400V AC到服务器级IV DC的变换。对于基于铜的接线，该电压变换将需要多400倍的铜以承载具有可接受欧姆损失的对应电流。然而，通过在设施中的集中位置处将电能转换成化学能(图23中的DC/EC电化学电池)，无需这样的过量布线。可以在10L/min的流速下向机架级(rack-level)分配充电的电活性冷却剂,该流速对应于传送约16kA的电流,其中假设每个氧化还原电对配对交换一个电子并且两种电解质溶液中的每种电解质为lmol/L活性氧化还原电对浓度。在该阶段之后，以化学能的形式来供应电能，并且能量传送速率由电活性冷却剂的流速规定。由于在图23中未包括用于冷却的电能要求，所以在传送电活性冷却剂时涉及到的抽吸(pumping)电能被视为冷却基础设施的一部分并且不被包括在效率比较中。另外，对于若干kA级的大电流，通过经过适当直径的导管的离子强制对流来传送电荷比经过金属接线的电子传导更能量和成本有效。在机架级，以更低流速经过歧管向服务器级分配冷却剂流，以避免更窄通道中的显著压降，直至化学能向电能的最终转换在IC近邻处发生，例如在3D IC层间(图23中的处理器级)发生。向处理器的电能递送的估计效率在数据中心中使用电化学电能递送概念时为77%，这与常规架构相比提供了巨大改进。当前电化学电能递送概念的更佳性能的主要原因是去除了常规联机UPS系统并且有能力以化学能而不是电能的形式在低电压电平下分配电能，因此避免了电能递送链中的多个变换步骤。以可溶电活性物质的形式将电能存储为化学能并且使用强制对流将它转换回电能可以与氧化还原流电池(RFB)或者可逆燃料电池领域有关。蓄电池类的科学评论可用，其商业应用迄今已经主要面向分散式功率电网中的能量存储以及削峰和负荷调配目的(Bartolozzil989，de Leon2006)。在多数研究和建立好的系统之中有铁-铬(Thallerl979)和全I凡(Skyllas_Kazacosl987)RFB。如已经注意的那样，与所提出的图21和图23的电化学电能递送实施例对照，经典RFB系统在相同电化学电池中执行充电和放电操作(即，该电池对应于图21中的电池151、152)从而仅实现间歇电能递送。仅相对近来才研究RFB电化学向微流控应用的转移，这以基于在低雷诺兹数下的共层(colaminar)流的无膜配置和在集成微反应器中的具有膜的燃料电池概念为特征(Maynard2002, Ferrigno2002)。注意，最大燃料利用率是常规RFB技术、特别是微流控实现方式中的关键性能指标(例如，Kjeang2007)。在本文中，一般将燃料利用率定义为在电活性溶液的单循环时通过电化学过程转换成电学能量的化学能量的分数比。在当前情况下，可以认识到燃料利用率与能量密度比较不是主要关注点，因为需要投入抽吸电能以便在任何情况下驱动冷却回路。出于该原因，可以在比微流控RFB中考虑的程度显著更高的程度上强制对流质量传送。注意，溶液的电化学性能以及热去除性能从增强的质量传送中受益。另外，与常规微流控RFB比较，更大程度的IC小型化在集成蓄电池的离子电阻方面有利，这由于减少的欧姆损失而实现更高能量密度。概括而言，提出的组合冷却/电化学电能递送策略通过同时解决向IC的电能递送带来充分利用液体冷却基础设施的显著潜力。该概念的主要潜在益处包括由于在芯片和设施规模上简化电能递送基础设施而提高的带宽和效率。然而，在图2中提出的实施例的缺点是需要用于阳极和阴极反应的两种分离的电活性物质和需要两个存储箱。这不是大的障碍，但是这增加了设置的复杂性。氧化还原流电池的另一问题部分是需要半渗透膜(de Jong2006)。因此，在其它实施例中，消除了膜，本发明的实施方式替代地依赖于在转换区的结束再次分离的并行分层流(见图18)。然而，该方式限于严格共层流(Kjeang2009)并且可能有些难以在TSV兼容阵列中实施。如更早注意的那样，在其它实施例中，电极被功能化以允许特定阳极和阴极反应有选择地发生在相同溶液内的电极处(见图19)。然而，该方式可能由于有限的催化选择性而对于IV反应难以实施(Mano2003)。对于更低电压，它变得更易于实施。最后但是并非不重要的是，当在提升的温度下操作系统时可以增加电化学电能供应的有益效果，提升的温度是直接热重用所需要的。在例如加热应用中重用热能量进一步提高计算机系统的能效。40K升温在与高效质量传送改进组合时将电化学反应能增加三至四个数量级。这样的组合对于如下那些应用而言表现得特别有利:在这些应用中需要很高能量密度以向芯片堆叠物中的芯片供应足够电能。可以用高级(例如，面向过程或者对象的)编程语言或者如果希望则用汇编或者机器语言来实现为了实施上述发明的至少一些部分(例如，流体对流调节)所需要的计算机程序代码；并且在任何情况下，该语言可以是编译或者解译语言。适当处理器包括通用和专用微处理器。注意，可以在机器可读存储设备中有形地实现的计算机程序产品上存储设备、终端、服务器或者接收者执行的操作以用于由可编程处理器执行；并且本发明的方法步骤可以由执行指令的一个或者多个可编程处理器执行以执行本发明的功能。更一般而言，可以至少部分地在数字电子电路中或者在计算机硬件、固件、软件中或者在它们的组合中实施上述发明。一般而言，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。适合于有形地实现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，这些形式例如包括半导体存储器设备，诸如EPR0M、EEPR0M、闪速存储器或者其它形式。尽管已经参照某些实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解可以进行各种改变并且可以替换为等效实施例而不脱离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定情形或者材料适应本发明的教导而不脱离它的范围。因此，旨在于本发明不限于公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。例如，可以使用常规微构造技术来构造与电解质溶液接触的电极，以便实现表面积扩大以及通过扩散增强质量传送。可以构造附加特征，诸如所谓湍流增进器以与电极接近，从而通过对流增进向电极的质量传送，这对于高能量密度有利。参考文献:Brunschwiler et al., Microsystem Technologiesl5，57(2009).
Pratt and Kumar, The Datacenter Journal, Ma·rch28(2007).
Bartolozzi, Journal of Power Sources27,219 (1989).
de Leon et al.，Journal ofPower Sourcesl60, 716(2006).
Thaller, D0E/NASA/1002-79/3(1979).
Sky11as-Kazacos and Grossmith，Journal of the ElectrochemicalSocietyl34，2950(1987).
Kjeang et al.，Journal ofPower Sourcesl86，353(2009).
Maynard and Meyers, Journal of Vacuum Science and Technology B20，1287(2002).
Bazylak et al.，Journal of Power Sourcesl43,57(2005).
Kjeang et al.，Electrochimica Acta52，4942(2007).
de Jong et al.，Lab on a Chip6，1125 (2006).
Mano and Heller,Journal of the Electrochemical Societyl50,A1136 (2003).
Sung and Choi, Journal of Power Sourcesl72,198(2007).
Priestnall et al.，Journal ofPower Sourcesl06,21 (2002).
Moghaddam et al.，Nature Nanotechnology5，230(2010).
Tj erkstra et al.， Journal of Microelectromechanical Systems9，495(2000).
Chen et al.，Journal of the Electrochemical Society128,1461(1981).
Chen et al.，Journal of the Electrochemical Society129,63(1982).
Murthy and Srivastava, Journal of Power Sources27,119 (1989).
CRC Handbook of Chemistry and Physics,90th edition，2009-2010.
Ferrigno et al.，Journal of the American Chemical Society 124,12930(2002).
权利要求
1.一种集成电路封装(IOa-1On)，包括: -层结构，具有: -在所述层结构的层(11，16)上布置的电极(17);以及 -与所述电极电连接的集成电路(16)，以及 -一个或者多个流体回路 段(19，19’，191’，192’)，每个流体回路段被构造成接收其中具有可溶电活性物质的至少一种相应电解质溶液(29，29’，29”)，并且允许所述溶液接触所述电极(17)中的至少一些电极，以便在操作中向所述集成电路供应电能。
2.根据权利要求1所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段根据相应电解质溶液被设计，以便在操作中基本上冷却所述集成电路。
3.根据权利要求1或者2所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段被构造成允许相应溶液沿着所述层结构的层流动。
4.根据权利要求3所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段(19’)被构造成允许相应溶液在所述层结构的两个层(16)之间流动，所述两个层优选地是被布置为集成电路层的3D堆叠物(IOg)的集成电路中的两个层。
5.根据权利要求4所述的集成电路封装(10j，101，10n)，其中所述电极(17a，17c，17a2，17cl)中的至少一些电极被设计为用于约束所述层结构的层(13，16)的间隔物。
6.根据权利要求3、4或者5所述的集成电路封装，其中所述电极中的至少一些电极被布置于所述层结构的一个层的一侧上，所述一个或者多个流体回路段中的所述至少一个流体回路段允许溶液沿着所述一侧流动。
7.根据权利要求4或者5所述的集成电路封装，其中所述电极中的至少一些电极被布置于所述两个层中的每层上，所述一个或者多个流体回路段中的相应流体回路段(19’ )中的电解质溶液被允许在所述两个层之间流动。
8.根据权利要求7所述的集成电路封装(10h，10j，10m，10n)，其中在所述两个层之一的一侧上布置的电极包括阴极和阳极二者。
9.根据权利要求1至3中的任一项权利要求所述的集成电路封装(10a-10c，10e，IOf)，其中所述层结构包括:印刷布线板(11);衬底互连(13);以及包括所述集成电路中的至少一些集成电路的集成电路芯片(16)，并且其中所述电极中的至少一些电极和所述一个或者多个流体回路段中的至少一个流体回路段(19)被布置在以下各项之一的一侧上:所述印刷布线板(11);所述衬底互连(13);或者所述集成电路芯片(16)。
10.根据权利要求1至9中的任一项权利要求所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段(19，19’ )被构造成接收单种电解质溶液(31)，并且其中所述电极包括选择性阴极和阳极，所述一个或者多个流体回路段被构造成允许所述单种电解质溶液接触所述选择性阴极和阳极，从而与所述选择性阴极和阳极一起形成单流氧化还原系统。
11.根据权利要求1至9中的任一项权利要求所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段(19，19’，191’，192’ )被构造成: -接收两种电解质溶液(31，32)并且优选地包括被布置用于在所述一个或者多个流体回路段中分隔所述两种电解质溶液的膜，以及 -允许所述两种电解质溶液接触所述电极的相应子集，并且其中所述子集之一包括阴极，而所述子集中的另一子集包括阳极，由此形成双流氧化还原系统。
12.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的集成电路封装，其中所述一个或者多个流体回路段各自由相应电解质溶液填充，其中: -所述相应电解质溶液包括:氧化还原电对，所述氧化还原电对在它的氧化形式和还原形式二者中均可溶；支持电解质，所述支持电解质优选地在用于向所述集成电路供应电能的电势范围中不表现氧化还原过程；以及添加物，用于调节所述氧化还原电对的氧化还原电势和/或可逆性。
13.根据权利要求12所述的集成电路封装，其中所述相应电解质溶液包括: -以下氧化还原电对中的任何氧化还原电对或者其衍生物:Fe27Fe3+、V2+/V3+、VO2+/V02\ Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3+、Cr2+/Cr3\ Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2072\ BH4VBO2, OHVH2O2, Br7Br3\Mn2+/Mn3+、Ru2+/Ru3+ ；以及 -添加物，诸如醋酸盐、邻菲咯啉、甲基菲咯啉、二甲基菲咯啉、联吡啶、乙二胺， 并且其中所述相应电介质溶液优选地包括以下支持电解质中的任一支持电解质:H2SO4' HCl、Na2SO4' NaCUNaOH, K2SO4' KOH 和作为溶剂的水。
14.一种计算机系统，包括: -至少一个根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的集成电路封装(IOa-1On)；以及 -电化学电能递送单元(110)，其与所述至少一个集成电路封装的一个或者多个流体回路段(19，19’，19/，192’ )流体连通(111，112，19i，190)，所述电化学电能递送单元还包括:转换单元(141，142)，其被构造成在操作中根据所述至少一个集成电路封装的电能供应需求来调节所述至少一个集成电路封装的所述流体回路段中的一种或者多种电解质溶液(31，32)的对流。
15.一种操作计算机系统的方法，包括以下步骤: -提供(S100)包括根据权利要求1-13中的任一项权利要求所述的集成电路封装的计算机系统； -通过强制所述至少一个集成电路封装的相应流体回路段中的至少一种电解质溶液接触所述至少一个集成电路封装的电极中的至少一些电极来向所述集成电路供应电能(S200-S300)。
全文摘要
本发明特别地涉及一种集成电路封装(10c)。所述封装具有层结构，该层结构具有布置成与层结构的层(16)电连接的电极和IC(17)。该封装还包括一个或者多个流体回路段(19)，每个流体回路段用于接收相应电解质溶液(或者两种相异溶液，见下文描述的双流氧化还原模式)。涉及到的每种溶液具有可溶电活性物质。流体段被设计用于接收和允许电解质溶液接触对应电极以便在操作中向IC供应电能。由于电极被集成到封装，所以可以接近IC地供应电能，由此提高电能供应的效率。最后，由于液体被原位包含，所以可以设想适当的热去除，注意电能递送和热去除的需求是一致的。
文档编号H01L23/58GK103119713SQ201180045439
公开日2013年5月22日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年9月22日
发明者T·J·布伦施维勒, B·米歇尔, P·鲁赫 申请人:国际商业机器公司