本發(fā)明涉及一種集成電路冷卻陣列，優(yōu)選地用于微處理器或冷卻裝置，其由基板組成，所述基板具有摻雜和識(shí)別區(qū)域，用于實(shí)現(xiàn)由至少一個(gè)熱電組件形成冷卻陣列。此外，在基板上或在基板內(nèi)至少可以形成微電子組件，所述微電子組件通過(guò)集成電路冷卻陣列冷卻。

背景技術(shù)：

集成電路，優(yōu)選地用于實(shí)現(xiàn)微處理器，通常由金屬層、半導(dǎo)體層或電介質(zhì)層的復(fù)雜設(shè)置組成，其在由電介質(zhì)組成的基板上以特定布局和形成順序設(shè)置。由于半導(dǎo)體技術(shù)，在非常狹小的空間內(nèi)，存在實(shí)現(xiàn)電子電路的選擇，其包括用于層組成和摻雜的不同方法。隨著使用這些方法，明確定義厚度和明確定義形狀的層處于亞微米級(jí)，并且產(chǎn)生明確定義的摻雜。此處將提及濺射沉積、光束沉積、氣相涂層、離子鍍敷(物理氣相沉積)、化學(xué)氣相沉積、流電涂層、離子注入、中子嬗變摻雜以及擴(kuò)散摻雜的方法。

因此，在非常有限的空間內(nèi)制造非常復(fù)雜的電子電路變?yōu)榭赡?；但是，隨著電子電路的性能增加，功率損耗也會(huì)增加。增加的功耗反過(guò)來(lái)伴隨著集成電路的微電子元件的發(fā)熱的增加，并且因此增加了集成電路的微電子元件的整體發(fā)熱量。然而，從集成電路產(chǎn)生的熱有害于集成電路的微電子元件，并且當(dāng)偶爾地甚至永久地，達(dá)到臨界溫度時(shí)，甚至可能導(dǎo)致它們的功能能力的損耗。因此，或者必須降低集成電路的性能和復(fù)雜性，或者必須主動(dòng)冷卻集成電路。與主動(dòng)冷卻系統(tǒng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)特別緊湊且非常有效的集成電路。然而，由于在集成電路中產(chǎn)生的熱在到達(dá)它的表面之前，首先必須穿過(guò)它自己，所以即使使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，集成電路的功耗和復(fù)雜度依然受限制。

通過(guò)使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的所謂的帕爾帖(Peltier)元件，使得在集成電路中的內(nèi)部的主動(dòng)冷卻成為可能。帕爾帖元件為熱敏元件的串聯(lián)序列，其由兩種具有不同電導(dǎo)率的組件組成。這兩種組件通過(guò)所謂的橋連接，該橋是導(dǎo)電的。同樣兩種熱敏元件中的每個(gè)通過(guò)橋連接，以便每個(gè)橋提供在相同的或鄰接熱敏元件的第一組件與第二組件之間的電連接。兩種組件通常為n型摻雜半導(dǎo)體材料和p型摻雜半導(dǎo)體材料。這兩種組件通常通過(guò)大多數(shù)的金屬橋電連接。由于p型摻雜半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)帶的能級(jí)不同于相同的但是n型摻雜半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)帶的能級(jí)，當(dāng)電子從組件中的一個(gè)穿過(guò)到另一個(gè)時(shí)，熱量被吸收或熱量散發(fā)到中，這電子是否從第一組件穿過(guò)到第二組件，或反之亦然。因此，在電流流動(dòng)期間，從橋與組件之間的接觸區(qū)域散發(fā)熱量到周圍或從周圍吸收熱量，其中，熱傳輸?shù)姆较虻谝慌c第二組件的材料和電流的方向。周圍指集成電路的包埋材料和進(jìn)一步地微電子組件。

從帕爾帖元件的較熱側(cè)散發(fā)的熱在外部冷卻系統(tǒng)的輔助下，例如在冷卻裝置和在其上設(shè)置的風(fēng)扇的輔助下，已經(jīng)被耗散。如果帕爾帖元件設(shè)置在集成電路內(nèi)，熱可通過(guò)熱通道傳輸?shù)郊呻娐返谋砻妫S后被耗散。

盡管有這種冷卻系統(tǒng)，其可由帕爾帖元件在集成電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但是集成電路的功耗和復(fù)雜度受限。這可能是由于每個(gè)時(shí)間單位從集成電路內(nèi)部到外部的足夠熱的耗散的限制，或者由于出現(xiàn)局部熱峰，熱峰不能選擇性地，即局部地，通過(guò)增加冷卻級(jí)別而降低。

美國(guó)專利申請(qǐng)US 2009/0321909 A1公開(kāi)了一種具有層結(jié)構(gòu)和冷卻陣列的集成電路。該集成電路包括兩層，特征在于微電子組件組成集成電路。帕爾帖元件設(shè)置在層中的至少一層中，以便冷卻集成電路的特定區(qū)域。

又一美國(guó)專利申請(qǐng)US 2006/0102223 A1公開(kāi)了一種用于集成電路的冷卻陣列，其包括由絕緣材料制成的基板，其具有在所述基板表面的高度上設(shè)置的研磨表面(grated surface)和熱電元件，其中，熱電元件中的第一組件為n型摻雜的，并設(shè)置在所述高度的一個(gè)側(cè)面上，并且熱電元件的第二組件為p型摻雜的，并且設(shè)置在所述高度的相對(duì)側(cè)面上。這兩種組件通過(guò)金屬橋連接，所述金屬橋連接設(shè)置在每個(gè)所述高度的頂部。在兩個(gè)所述高度之間，設(shè)置另一金屬橋以電連接每個(gè)第一與第二組件。第一組件、第二組件以及橋形成帕爾帖元件。

英國(guó)專利申請(qǐng)GB 2 364 439 A公開(kāi)了一種半導(dǎo)體芯片，其包括基板、設(shè)置在基板上的集成電路以及用于冷卻設(shè)置在基板背面上的集成電路的熱電冷卻陣列。冷卻陣列為帕爾帖元件。

最后，美國(guó)專利申請(qǐng)US 201370255741 A1公開(kāi)了一種集成電路，其具有嵌入熱交換器和嵌入熱電冷卻陣列，其中，熱交換器特征為與熱電冷卻陣列耦合的散熱器部分。冷卻陣列同樣為帕爾帖元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明的目的在于提出一種集成電路冷卻陣列，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其明顯地更加緊湊，這是由于改善了熱耗散以及單組件或多組件，例如在相同基板上實(shí)現(xiàn)的微電子組件，可以選擇性地局部冷卻?；灞景l(fā)明進(jìn)一步的目的為實(shí)現(xiàn)改善集成電路的微電子組件的冷卻，其具有盡可能少的功耗。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本發(fā)明旨在：所述熱電組件包括至少第一接觸區(qū)域、至少第二接觸區(qū)域以及至少一個(gè)冷卻段(cooling section)，其中，所述冷卻段設(shè)置在所述第一與所述第二接觸區(qū)域之間，并且由至少一個(gè)熱敏元件組成，其由所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域通過(guò)控制單元使用電壓供電，并且其中，所述熱敏元件由至少一個(gè)第一摻雜層和至少一個(gè)第二摻雜層組成，其通過(guò)橋元件連接，所述橋元件僅部分設(shè)置在所述第一摻雜層和/或所述第二摻雜層上。

本發(fā)明進(jìn)一步有利的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中表征。

根據(jù)本發(fā)明，所述熱電組件包括至少一個(gè)第一接觸區(qū)域和至少一個(gè)第二接觸區(qū)域。至少一個(gè)冷卻段設(shè)置在這兩個(gè)接觸區(qū)域之間。所述冷卻段由至少一個(gè)熱敏元件組成。所述熱敏元件由第一摻雜層和第二摻雜層組成，其通過(guò)橋元件電連接。所述橋元件以這樣的方式設(shè)置，即僅部分地設(shè)置在所述第一摻雜層和/或所述第二摻雜層上。所述冷卻段可以由所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域通過(guò)控制單元使用電壓供電。如果冷卻段由若干熱敏元件組成，鄰接熱敏元件同樣通過(guò)橋元件彼此電連接。

所述第一摻雜層優(yōu)選地為n型摻雜半導(dǎo)體層，并且所述第二摻雜層優(yōu)選地為p型摻雜半導(dǎo)體層，其中，順序也可能相反。這樣的冷卻陣列特征在于，所述熱敏元件的所述橋元件僅部分地設(shè)置在所述第一摻雜層上或所述第二摻雜層上或兩層上。因此，它允許控制由一個(gè)或多個(gè)這樣的熱敏元件組成的熱電組件的熱傳輸特性，而不需要改變基本的“芯片設(shè)計(jì)”。從而，在橋元件與摻雜層之間的最小化接觸區(qū)域?qū)е略谒鼋佑|區(qū)域中的電流密度的增加，并且因此，導(dǎo)致在所述接觸區(qū)域處的熱吸收或散發(fā)的增加。這樣，冷卻能力不僅可以根據(jù)特定集成電路中的發(fā)熱的空間分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)熱發(fā)射的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得所述冷卻陣列具有較低的功率需求。

使用根據(jù)本發(fā)明所述的集成電路冷卻陣列，在所述第一或第二摻雜層上設(shè)置的所述橋元件的段53、58、59、73、83、84、92的長(zhǎng)度x、所述第一或第二摻雜層的長(zhǎng)度y、以及所述第一或第二摻雜層的寬度z，符合以下的條件：0.2≤x/y≤0.5和z≥x。例如，y和z可以在1μm與1cm之間的范圍內(nèi)。越小的尺寸越難于制造，因此越昂貴，但是也是可實(shí)現(xiàn)的。更大的尺寸同樣是可實(shí)現(xiàn)的。x、y以及z的尺寸可以根據(jù)所述集成電路冷卻陣列的目的而選擇，其中，主要方面為每單位面積的冷卻功率和所述冷卻功率的分布。因此，只要滿足所述條件，x、y以及z的值可以在熱電組件之間變化。

所述至少一個(gè)熱電組件可以設(shè)置在所述基板上或在所述基板內(nèi)。在所述基板上設(shè)置的熱電組件可以將集成電路產(chǎn)生的熱傳遞到周圍空氣或冷卻裝置。在所述基板內(nèi)設(shè)置的熱電組件用于所述集成電路內(nèi)部的熱到其表面的傳輸。

優(yōu)選地，熱電組件的冷卻段由若干熱敏元件組成，熱敏元件串聯(lián)連接在每個(gè)所述第一與所述第二接觸區(qū)域之間，和/或每個(gè)串聯(lián)連接在所述第一與所述第二接觸區(qū)域之間，并且附加的熱敏元件與各熱敏元件至少部分地并聯(lián)連接。使用這樣的熱敏元件的串聯(lián)連接，熱敏元件的所述第一摻雜層和所述第二摻雜層通過(guò)橋元件連接。進(jìn)一步地，熱敏元件的所述第一摻雜層通過(guò)另一橋元件連接到鄰接的熱敏元件的所述第二摻雜層，并且所述第二摻雜層通過(guò)另一橋元件與另一鄰接的熱敏元件連接。在這種情況下，本發(fā)明可能旨在，這樣串聯(lián)連接的熱敏元件中的的各熱敏元件與單個(gè)附加的熱敏元件并聯(lián)地連接。后者用于冷卻能力的局部增加。

本發(fā)明可能旨在，在所述橋元件與所述第一和第二摻雜層之間的接觸區(qū)域的尺寸彼此互不相同。在該實(shí)施例中，所述橋元件不僅部分地設(shè)置在所述第一摻雜層和所述第二摻雜層上，而且所述第一摻雜層的所述接觸區(qū)域的尺寸不同于所述第二摻雜層的所述接觸區(qū)域的尺寸。從熱敏元件到熱敏元件，所述接觸區(qū)域的尺寸可以改變，即，在一個(gè)冷卻段內(nèi)，所有接觸區(qū)域可具有不同的尺寸，其中，沿冷卻段的接觸區(qū)域的尺寸可以連續(xù)增加，或可以周期性設(shè)置。

優(yōu)選地，具有若干熱電組件，其設(shè)置在所述基板內(nèi)，熱電組件彼此鄰近和/或在彼此上方，和/或若干鄰接熱電組件設(shè)置在所述基板上。彼此鄰近設(shè)置的熱電組件用于在所述區(qū)域之上的冷卻能力的分布。在彼此上方設(shè)置的熱電組件用于改善所述集成電路內(nèi)部的產(chǎn)生的熱到它的表面的傳輸。所述集成電路的表面的冷卻可以通過(guò)彼此鄰近設(shè)置在所述基板上的熱電組件而附加地實(shí)現(xiàn)，其中，如果需要，所述熱電組件可以與冷卻裝置連接。如上文詳細(xì)描述，每個(gè)熱電組件包括：第一接觸區(qū)域、第二接觸區(qū)域和至少一個(gè)冷卻段，冷卻段設(shè)置在所述兩個(gè)接觸區(qū)域之間，其中，所述冷卻段由串聯(lián)連接的至少一個(gè)，優(yōu)選地若干熱敏元件組成。所述若干熱電組件可以彼此鄰近地設(shè)置在所述基板的不同高度中或設(shè)置在相同高度上，以便局部地選擇冷卻。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，本發(fā)明旨在：在所述基板內(nèi)的較低位置中的至少一個(gè)熱敏元件和在所述基板內(nèi)的較高位置中的一個(gè)熱敏元件通過(guò)熱通道(heat channel)連接。這樣的熱通道允許熱敏元件產(chǎn)生的熱的耗散，并且通常由電介質(zhì)組成以阻止非預(yù)期的電流，或由金屬組成以實(shí)現(xiàn)快速熱傳輸，由于金屬是尤為導(dǎo)熱的。在后面的情況中，所述熱通道必須以這樣的方式設(shè)計(jì)以阻止非預(yù)期的短路。

而且，本發(fā)明旨在，若干熱電組件設(shè)置在彼此上方，其第一和第二接觸區(qū)域通過(guò)至少一個(gè)永久或可切換的VIA連接(VIA-connection)而連接，其中，通過(guò)控制單元控制VIA連接的切換。VIA連接(VIA＝垂直互連訪問(wèn)Vertial Interconnect Access)為在集成電路中的兩個(gè)高度之間的電連接。這樣的VIA連接可能是永久的，即，其設(shè)計(jì)為貫穿所述集成電路的垂直延伸的電路路徑，或VIA連接可能是可切換的，即，通過(guò)包括晶體管或另一可切換的組件(實(shí)現(xiàn))。從而，通過(guò)所述集成電路的熱傳輸可以通過(guò)所述控制單元而調(diào)節(jié)，并且同時(shí)，所述冷卻陣列的所需功率可以被優(yōu)化，因?yàn)檫x擇熱電組件可以按需求接通或斷開(kāi)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，若干冷卻段設(shè)置在所述第一與所述第二接觸區(qū)域之間，平行延伸。從而，每個(gè)冷卻段相對(duì)于其他冷卻段獨(dú)立地電壓供電。此外，至少兩個(gè)所述冷卻段彼此以水平角α延伸或者至少兩個(gè)冷卻段彼此以周期性交替距離設(shè)置。彼此鄰近設(shè)置的冷卻段用于在特定區(qū)域之上的冷卻能力的分布。由于所述橋部分地設(shè)置在熱敏元件的所述第一與第二摻雜層上的特征，具有較高冷卻能力的區(qū)域和具有較低冷卻能力的區(qū)域可沿一個(gè)冷卻段實(shí)現(xiàn)。由于在所述冷卻段之間具有較小距離的區(qū)域的冷卻能力比在所述冷卻段之間具有較長(zhǎng)距離的區(qū)域的冷卻能力高，在彼此成角度延伸的冷卻段的輔助下，附加地可以達(dá)到局部更高的冷卻能力。同樣，通過(guò)彼此以周期性變化距離設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)冷卻段，可實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)的冷卻能力。在不同冷卻段的熱敏元件之間的最小距離的區(qū)域常常為具有最高冷卻能力的區(qū)域。

在冷卻段的兩個(gè)熱敏元件之間或在兩個(gè)冷卻段之間或在兩個(gè)冷卻段的兩個(gè)部分之間的水平角測(cè)量為在5°與85°之間，優(yōu)選地在30°與40°之間，并且特別優(yōu)選地在10°與20°之間。

而且，本發(fā)明旨在，熱電組件的若干熱敏元件或冷卻段設(shè)置在基板中，設(shè)置在彼此上方。從而，熱電組件沒(méi)有必要降低到基板高度，而是可能延伸到或跨越若干基板高度。

所述冷卻陣列可以進(jìn)一步以這樣的方式設(shè)計(jì)，熱電組件包括第一接觸區(qū)域和若干第二接觸區(qū)域，其中，至少一個(gè)冷卻段中的每個(gè)設(shè)置在所述第一接觸區(qū)域與所述第二接觸區(qū)域之間。從而，所述第一接觸區(qū)域被若干第二接觸區(qū)域圍繞，其中至少一個(gè)冷卻段設(shè)置在所述第一接觸區(qū)域與每個(gè)所述第二接觸區(qū)域中之間。根據(jù)實(shí)施例，若干冷卻段從所述第一接觸區(qū)域以星形結(jié)構(gòu)延伸到圍繞所述第一接觸區(qū)域的第二接觸區(qū)域或若干第二接觸區(qū)域。

為了監(jiān)視并控制冷卻能力，溫度傳感器可設(shè)置在至少兩個(gè)冷卻段之間的不同位置，其與所述控制單元相互作用以調(diào)節(jié)(局部)冷卻能力。明顯地，使用溫度傳感器也可以僅僅監(jiān)視冷卻能力。在提及的冷卻陣列和溫度傳感器的實(shí)施例的輔助下，冷卻能力的有效調(diào)節(jié)可以通過(guò)優(yōu)化位置和冷卻能力實(shí)現(xiàn)，其同時(shí)優(yōu)化所需功率。

本發(fā)明進(jìn)一步旨在，所述控制單元包括電路元件，其用于若干熱電組件中的一個(gè)或若干冷卻段中的一個(gè)的選擇性電壓供電。通過(guò)接通或斷開(kāi)各熱電組件或各冷卻段，這樣的切換元件還用于局部選擇冷卻能力。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述控制單元包括一個(gè)晶體管，其通過(guò)阻塞二極管供給電壓到熱電組件，或所述控制單元包括若干晶體管，其并聯(lián)連接，且每個(gè)同時(shí)通過(guò)阻塞二極管供給電壓到熱電組件，或關(guān)于其它熱電組件處于交錯(cuò)的間隔。這樣的控制單元可有效地調(diào)節(jié)局部和臨時(shí)冷卻能力。而且，所述控制單元同樣可以接通或斷開(kāi)彼此獨(dú)立的現(xiàn)有的可切換VIA連接。

所述控制單元包括可編程器件，其具有高頻脈沖生成器和計(jì)數(shù)單元，其可以由所述脈沖生成器觸發(fā)，其中，所述控制單元結(jié)合所述計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)器的值切換在至少兩個(gè)熱電組件之間的VIA連接。因此，例如，冷卻能力的時(shí)間控制調(diào)節(jié)是可能的，使用其可進(jìn)行周期性激活，周期性激活即一個(gè)或多個(gè)熱電組件或冷卻段的電壓供電。

在基于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例中，熱敏元件的第一摻雜層為n型摻雜層，特別地由n型摻雜半導(dǎo)體材料制成，并且第二摻雜層為p型摻雜層，特別地由p型摻雜半導(dǎo)體材料制成。所述半導(dǎo)體材料可以是砷化鎵或碳化硅。所述橋元件由高摻雜多晶硅、金屬或金屬合金組成。

在根據(jù)本發(fā)明所述的集成電路的進(jìn)一步實(shí)施例中，可具有至少一個(gè)屏蔽層，其設(shè)置為鄰接熱電組件的較熱側(cè)，其中，所述屏蔽層阻止介電基板與熱電組件的較熱側(cè)之間的電連接。所述屏蔽層由電絕緣材料構(gòu)成，其中所述絕緣材料由高k和/或低k電介質(zhì)，特別地，二氧化硅、AgO、TiO₂、HfO₂或Al₂O₃組成。

而且，根據(jù)本發(fā)明所述的電路特征在于具有至少一個(gè)冷卻層，其與熱電組件的較冷側(cè)上的至少一個(gè)橋元件相接觸，并且由導(dǎo)熱材料組成。借助于這樣的冷卻層，熱電元件的冷卻能力可更好地分布。

在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，可能旨在，所述集成電路包括至少一個(gè)功能單元，其設(shè)置在所述熱電組件之間和/或在一個(gè)或多個(gè)熱電組件的冷卻段之間和/或其設(shè)置在冷卻段的較熱或較冷側(cè)。

所述功能單元可包括

-傳感器，特別地，熱傳感器或光學(xué)傳感器，

-整流器，特別地，二極管，

-開(kāi)關(guān)元件，特別地，晶體管，優(yōu)選MOSFET，諸如IGFET、NMOS、PMOS、VMOS，

-控制元件，

-可編程器件，特別地微處理器、微控制器或可編程邏輯，諸如FPGA或PLD，

-存儲(chǔ)器元件，諸如DRAM、ROM、SRAM，

-太陽(yáng)能板，

-激光二極管，

-發(fā)光二極管，

-微帶。

這樣的功能單元由形成集成電路的上述微電子組件組成，但是特征在于在所述集成電路內(nèi)的特定功能。

根據(jù)本發(fā)明所述的集成電路用于總電流在0.5pA與500mA之間，特別地在1mA與200mA之間，優(yōu)選地在20μΑ與120μΑ之間，并且特別優(yōu)選地在10pA與1μΑ之間。

而且，本發(fā)明旨在，中間層設(shè)置在熱電組件之間，熱電組件設(shè)置在基板中，設(shè)置在彼此上方，其限定了所述熱電組件之間的距離。該距離優(yōu)選地測(cè)量為在5nm與12nm之間。

此外，所述第一與第二摻雜層和所述橋元件通過(guò)粘合層與所述基板連接是可能的。相應(yīng)地，所述第一摻雜層、所述第二摻雜層以及所述橋元件，和包括若干熱敏元件的冷卻段，各自通過(guò)粘合層與所述基板連接。這樣的粘合層阻止所述各層的溶解。它是由固體材料制成的中間層。

在特定實(shí)施例中，熱電組件可以設(shè)置在所述基板上或在所述基板的上層之一中，其中，集成電路的微電子組件產(chǎn)生的熱用于生成電壓。在該實(shí)施例中，熱電組件設(shè)置在所述基板上或在所述基板的上層中，沒(méi)有將其用作帕爾帖元件并因此用于所述集成電路的激活冷卻，而是將其用作熱電生成器，即，其將所述集成電路的廢熱引起的溫度差轉(zhuǎn)換為電壓(塞貝克效應(yīng)，Seebeck effect)。從而，產(chǎn)生的電壓用于所述熱電組件的運(yùn)行或所述控制單元的運(yùn)行。

除了上文提供的說(shuō)明，參考科學(xué)出版物“Performance of Novel Thermoelectric Cooling Module Depending on Geometrical Factors”，電子材料雜志第6期第44卷，和“Influence of Geometrical Factors on Performance of Thermoelectric Material Using Numerical Methods”，電子材料雜志第6期第44卷，其公開(kāi)內(nèi)容被全面并入到此處。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明借助于附圖進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖示出：

圖1具有兩個(gè)冷卻元件的集成電路的熱電組件的電路圖，

圖2熱電組件的可能安裝位置的透視示意圖，

圖3冷卻流的溫度-時(shí)間圖；

圖4熱電組件和冷卻元件的各組件示意圖，

圖5具有兩個(gè)冷卻元件的第一實(shí)施例的層組成，

圖6具有三個(gè)冷卻元件的層組成，

圖7具有兩個(gè)冷卻元件作為熱電生成器的層組成，以及

圖8總共具有四個(gè)冷卻元件的第四實(shí)施例的層組成。

具體實(shí)施方式

圖1示出了具有用于熱電組件1的組裝的各組件的電路圖。觸發(fā)器單元2通過(guò)觸發(fā)器線路3與兩個(gè)晶體管4連接，其中，觸發(fā)器單元2和晶體管4使用正電勢(shì)5電壓供電。觸發(fā)器單元2和晶體管4是控制單元的一部分。在晶體管4的輸出側(cè)上，線路6分開(kāi)，各自通過(guò)兩個(gè)保護(hù)二極管7、8到冷卻元件15。冷卻元件15為熱電組件的熱敏元件或冷卻段。保護(hù)二極管7、8可以例如，由肖特基(Schottky)保護(hù)二極管組成，并且引導(dǎo)電流到冷卻元件15的方向中。兩個(gè)冷卻元件15在一側(cè)上均與零電勢(shì)9連接，并且通過(guò)晶體管4經(jīng)過(guò)在另一側(cè)上的兩個(gè)保護(hù)二極管7、8供給電壓。

由于電壓供電，可以實(shí)現(xiàn)冷卻元件15產(chǎn)生冷卻效果以冷卻微電子組件，例如，微處理器等。由于這個(gè)原因，本發(fā)明旨在，電路圖的所有組件附加地集成到集成電路內(nèi)。根據(jù)圖4到8的實(shí)施例，該集成可以發(fā)生至少一次，優(yōu)選地若干次。帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的冷卻的發(fā)生在本質(zhì)上是已知的。帕爾帖效應(yīng)的基礎(chǔ)為兩種材料的接觸，這兩種材料具有不同的傳導(dǎo)帶能級(jí)，特別地，在一側(cè)上為p型摻雜半導(dǎo)體材料而在另一側(cè)上為n型摻雜半導(dǎo)體材料，通過(guò)橋元件電連接。一旦電流穿過(guò)相繼設(shè)置的這些半導(dǎo)體材料的兩個(gè)接觸點(diǎn)，熱量會(huì)被其中的一個(gè)接觸點(diǎn)處吸收，以便將電子傳輸?shù)洁徑影雽?dǎo)體材料的高能傳導(dǎo)帶中，以便發(fā)生冷卻效應(yīng)。在另一接觸點(diǎn)，電子從較高能級(jí)下降到較低能級(jí)，以便在這種情況下，在電子從n型摻雜半導(dǎo)體傳輸?shù)絧型摻雜半導(dǎo)體的位置發(fā)生冷卻。

圖2示出了集成電路10透視示意圖，其中，集成了微處理器或類似組件的結(jié)構(gòu)。由于微處理器的高功耗，例如，產(chǎn)生相當(dāng)大量的熱，以便完整的集成電路10不僅通過(guò)冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇發(fā)生附加冷卻，而且在集成電路10內(nèi)發(fā)生附加冷卻是附加必要的。因此，本發(fā)明建議，將具有至少一個(gè)冷卻元件15的至少一個(gè)附加熱電組件1集成到集成電路10，附加熱電組件設(shè)置在集成電路的各層之間，或設(shè)置在集成電路10的最低或最高位置。然而，設(shè)置若干熱電組件1緊接在集成電路中的各組件下面同樣存在可能，例如，當(dāng)該集成電路由若干平行延伸的微處理器組成時(shí)，其通過(guò)相應(yīng)的控制邏輯臨時(shí)地接通和斷開(kāi)，諸如，當(dāng)溫度發(fā)生顯著上升和局部關(guān)閉，或如果需要，需要冷卻時(shí)。因此，如果將微處理器以多重設(shè)置集成到集成電路10中，每個(gè)單個(gè)微處理器可以分配給這樣的熱電組件1，其中，其特征為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，但是同樣可能為根據(jù)圖4到8的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。圖2通過(guò)在示意圖中的虛線僅示出了熱電組件1的一個(gè)位置，但是其可隨意選擇并且其在集成電路10中可隨意改變。

圖3示出了用于冷卻元件15的典型的冷卻流的溫度-時(shí)間圖。冷卻元件15的溫度從0°以上的溫度降低到-30°，直到溫度在大約-15°時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定。為了利用極端冷卻溫度，在激活階段，冷卻元件15僅由電壓供電直到溫度達(dá)到-30°的時(shí)間點(diǎn)x。然后，冷卻元件15轉(zhuǎn)換為靜置階段，然而，相繼設(shè)置第二或另一冷卻元件15使用電源供電，以重復(fù)地利用冷卻效果。通過(guò)使用若干單獨(dú)的冷卻元件15，在激活階段16期間最大溫度下降可以用于冷卻集成電路，而在靜置階段17期間冷卻元件15調(diào)整周圍溫度。目前為止，以這種方式使用若干冷卻元件15可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的冷卻，而不考慮調(diào)節(jié)冷卻元件15的溫度，以便實(shí)現(xiàn)低于-15°的冷卻。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明所述的具有至少一個(gè)冷卻元件15的熱電組件1的組裝示意圖，其在集成電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)，諸如微處理器。圖4的熱敏元件29對(duì)應(yīng)于圖1的冷卻元件15。為了施加電壓，形成第一接觸區(qū)域20，正常情況下，其由正電壓供電。另一方面，第二接觸區(qū)域21連接到零電勢(shì)，其中確定接觸區(qū)域21的尺寸使得與冷卻元件15的接觸變?yōu)榭赡?。在集成電路?nèi)的熱電組件1由第一接觸區(qū)域22組成，其旨在用于零電勢(shì)的接觸，并且特征在于冷卻段27、28、30、31、32。穿過(guò)第一接觸區(qū)域20通過(guò)兩個(gè)晶體管24、25并行切換發(fā)生電壓供電，其為電源供應(yīng)同時(shí)地或隨后地切換，以便降低啟動(dòng)電流。電流可能通過(guò)附加電路元件26中斷。當(dāng)集成電路的部分是永久的非激活狀態(tài)時(shí)，或在集成電路內(nèi)的溫度上升時(shí)，接通目標(biāo)熱電組件1以冷卻溫度，可能發(fā)生電流的中斷。在該熱電組件1內(nèi)的電流通過(guò)第一接觸區(qū)域22、冷卻段27、28、30、31、32以及第二接觸區(qū)域23。第一接觸區(qū)域22通過(guò)冷卻段電連接到第二接觸區(qū)域23，其中，在圖4中示出三種不同的連接。

在第一實(shí)施例中，第一接觸區(qū)域22可以通過(guò)以等距距離設(shè)置的若干平行延伸的冷卻段連接到第二接觸區(qū)域23，其中，各冷卻段27、28由熱敏元件29組成。當(dāng)冷卻段27、28以等距距離平行延伸時(shí)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域溫度的恒定冷卻。附加傳感器元件33設(shè)置在各冷卻段27、28之間，其根據(jù)現(xiàn)有溫度梯度觸發(fā)切換處理，諸如中斷或使電流供應(yīng)到第一接觸區(qū)域22。第一接觸區(qū)域22、第二接觸區(qū)域23、冷卻段27、28以及熱敏元件29的布置可以以層的方式設(shè)置，設(shè)置在彼此上方。

可選地，存在可能，設(shè)置冷卻段為角度α，以便設(shè)置第一冷卻段28和第二冷卻段30，其中由于給定角度和在冷卻段28、30之間的變化距離，在第一接觸區(qū)域22的附近可實(shí)現(xiàn)較快冷卻，而隨著距離的增加，冷卻顯著變慢，特別地在第二接觸區(qū)域23的附近。該布置示出了第二實(shí)施例，其也可以以多重設(shè)置、以層的方式設(shè)置，設(shè)置在彼此上方。

可選地，存在可能，通過(guò)兩個(gè)熱電冷卻段31、32將第一接觸區(qū)域22與第二接觸區(qū)域23電連接。在這種情況下，由于兩個(gè)冷卻段31、32的周期性變化的距離，實(shí)現(xiàn)了變化溫度的下降。在該實(shí)施例中，示出了圖4的第三實(shí)例。與第一實(shí)例相同，溫度傳感器33用于第二和第三實(shí)例中，其中，所述溫度傳感器33通過(guò)控制單元允許冷卻段31、32的選擇電壓供電。

圖5示出了層設(shè)置的熱敏元件29的示意圖，其中，通常地，若干熱敏元件29在半導(dǎo)體芯片中彼此鄰近設(shè)置或設(shè)置在彼此上方。此處，存在各熱敏元件20串聯(lián)或并聯(lián)電氣運(yùn)行的進(jìn)一步的可能，以便一方面使用帕爾帖效應(yīng)并且有意地通過(guò)若干熱敏元件29冷卻集成電路的區(qū)域。

由于兩個(gè)電氣接觸區(qū)域50、51，使得有可能將單個(gè)熱敏元件29與另一熱敏元件29并聯(lián)或串聯(lián)連接，以使用所述接觸區(qū)域50、51來(lái)電壓供電。此處，整個(gè)布置嵌入在基板52中，其可以容納多個(gè)類似的熱敏元件29，并且附加地容納各微電子組件，例如微處理器，其中，本發(fā)明旨在，熱敏元件29直接安置到微處理器的結(jié)構(gòu)上，以便在產(chǎn)生大量熱的那些區(qū)域中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)冷卻。

熱敏元件29由附加的第一上橋元件53的兩個(gè)接觸區(qū)域50、51組成，其通過(guò)接觸區(qū)域54、55連接到p型摻雜或n型摻雜半導(dǎo)體材料。p型摻雜半導(dǎo)體材料56通過(guò)下橋元件58與第一接觸區(qū)域50電連接，而n型摻雜半導(dǎo)體材料57通過(guò)第二下橋元件59連接到第二電接觸區(qū)域51。根據(jù)電流的方向，半導(dǎo)體材料56、57可以是相反的摻雜。每個(gè)熱敏元件29的單個(gè)組件通過(guò)粘合層60、61、62、63、64連接到基板52。

而且，該熱敏元件29的基本設(shè)置示出了獨(dú)特的特征，也就是說(shuō)，摻雜的半導(dǎo)體材料56、57均通過(guò)具有不同尺寸的接觸區(qū)域54、55與上橋元件53連接，不需要適應(yīng)摻雜的半導(dǎo)體材料56、57的形狀。通過(guò)將半導(dǎo)體材料56、57設(shè)置為非對(duì)準(zhǔn)上橋53，接觸區(qū)域54、55可改變。這里規(guī)則適用，接觸區(qū)域54、55越大，熱傳輸越小。通過(guò)第一摻雜半導(dǎo)體材料56的暴露區(qū)域65、66或第二摻雜半導(dǎo)體材料57的各自區(qū)域67、68發(fā)生熱耗散。熱敏元件29的該簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)也是進(jìn)一步更復(fù)雜的實(shí)施例的基礎(chǔ)。

圖6示出了由若干熱敏元件29組成的熱電冷卻陣列70的組裝的示意圖。冷卻陣列70特征也在于第一接觸區(qū)域71和第二接觸區(qū)域72，其或用于彼此連接不同的冷卻陣列70或用于電壓供電。第一n型摻雜半導(dǎo)體材料74和第二p型摻雜半導(dǎo)體材料75通過(guò)上橋元件73連接，其中通過(guò)不同尺寸的接觸區(qū)域76、77連接。背景是，當(dāng)考慮通過(guò)較小的接觸區(qū)域76的電流時(shí)，向上散發(fā)更多的熱，即從基板78散發(fā)，而較大的接觸區(qū)域77向下散發(fā)較少的熱量到基板78中。第一n型摻雜半導(dǎo)體材料進(jìn)一步通過(guò)接觸區(qū)域79連接到第二n型摻雜半導(dǎo)體材料80，而p型摻雜半導(dǎo)體材料75通過(guò)接觸區(qū)域81連接到另一p型摻雜半導(dǎo)體材料82。由于兩級(jí)臺(tái)階形內(nèi)襯的n型或p型摻雜半導(dǎo)體材料74、75、80、82，實(shí)現(xiàn)了更高的冷卻能力。

第一p型摻雜半導(dǎo)體材料74、75，例如Bi₂Te₃、BN、TiN、SiGeN、PbTeN，用作基礎(chǔ)材料，并且相同的材料可以用作第二n型摻雜半導(dǎo)體材料80、82的基礎(chǔ)材料。通常，用于p型摻雜和n型摻雜半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)材料依賴于集成電路冷卻陣列的工作溫度。第二n型摻雜半導(dǎo)體材料80、82再次通過(guò)下橋元件83、84分別與第一接觸區(qū)域71或與第二接觸區(qū)域72連接，以便可以實(shí)現(xiàn)電流穿過(guò)導(dǎo)電層。下橋83、84通過(guò)粘合層87、88與基板78連接，而第一摻雜半導(dǎo)體材料74、75通過(guò)粘合層89、90連接，并且上橋元件73通過(guò)粘合層91與基板79連接。此處可選的示出的附加的特征為另一橋元件92，其連接第一p型摻雜半導(dǎo)體材料93和第二n型摻雜半導(dǎo)體材料94，進(jìn)而其通過(guò)粘合層95、96、97與基板78連接。與其它設(shè)置對(duì)比，這些第三摻雜半導(dǎo)體材料93、94的直接電氣接觸是不可用的。第三半導(dǎo)體材料93、94嵌入在介電的基板78中。在第一摻雜半導(dǎo)體材料80與第三摻雜半導(dǎo)體材料93之間的距離A和在第二摻雜半導(dǎo)體材料82與第三摻雜半導(dǎo)體材料94之間的距離B可選為不相等的，但是應(yīng)保持很小，以便在-30°左右的溫度下用于該短距離，基板78變?yōu)閷?dǎo)電的，并且因此為附加的熱敏元件98的電壓供電。這樣，可以實(shí)現(xiàn)，使用-30°的冷卻而不考慮溫度隨后上升產(chǎn)生的效果，且由于附加的冷卻，大約-30°的溫度可以維持較長(zhǎng)的時(shí)間。

圖7示出了根據(jù)塞貝克效應(yīng)的熱電生成器100的示意性設(shè)置。熱電生成器100由上橋元件101組成，其通過(guò)接觸區(qū)域104、105連接到第一n型摻雜半導(dǎo)體材料102和第一p型摻雜半導(dǎo)體材料103。第一摻雜半導(dǎo)體材料102、103連接到第二n型摻雜半導(dǎo)體材料106和第二p型摻雜半導(dǎo)體材料107。在這種情況下，第一半導(dǎo)體材料102與103和各自第二半導(dǎo)體材料106、107完全接觸。第二半導(dǎo)體材料106、107通過(guò)下橋元件108與第一接觸區(qū)域110和第二接觸區(qū)域111連接。接觸區(qū)域110、111再次用于連接各熱電生成器元件100或分接(tap)電壓。下橋元件108和109通過(guò)粘合層112、113與基板116連接，并且第二摻雜半導(dǎo)體材料106、107通過(guò)粘合層114、115與基板116連接，同時(shí)上橋元件101通過(guò)粘合層117與基板116連接。

圖8示出了熱敏元件的多重設(shè)置，示意性概圖中示出了熱敏元件構(gòu)建在一起以形成冷卻陣列120。第一熱敏元件121通過(guò)橋元件122與第二熱敏元件123連接。每個(gè)單個(gè)熱敏元件121、123的組裝對(duì)應(yīng)于根據(jù)圖4的熱敏元件的組裝。通過(guò)第一接觸區(qū)域124與第二接觸區(qū)域125可電壓供電。。接觸區(qū)域124、125均通過(guò)介電復(fù)合層126、127與另兩個(gè)熱敏元件128、129連接，以便得到熱敏元件的四重設(shè)置。在這種情況下，兩個(gè)上熱敏元件121、123串聯(lián)切換，兩個(gè)下熱敏元件128、129也是如此。上熱敏元件121、123也可通過(guò)介電復(fù)合層126、127與下熱敏元件128、129并聯(lián)切換，以便任何熱敏元件121、123、128、129為可激活的。該設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)為，下方設(shè)置的熱敏元件128、129僅在相應(yīng)的冷卻時(shí)接通，以便由于延遲連接僅產(chǎn)生較低的啟動(dòng)電流。

所有四個(gè)熱敏元件121、123、128、129被集成到基板130中，并且每個(gè)通過(guò)粘合層與基板130連接。

在這種情況下，由于集成電路產(chǎn)生的廢熱，熱電生成器100用于附加生成電壓。由于塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)致在熱電生成器100中生成電壓，并且可以用于集成電路中為熱敏元件供電。因此，這樣的熱電生成器100優(yōu)選地可以用在集成電路的上層中，以便利用產(chǎn)生的廢熱。

附圖標(biāo)記列表

1 熱電組件

2 觸發(fā)單元

3 觸發(fā)線路

4 晶體管

5 正電勢(shì)

6 線路

7 保護(hù)二極管

8 保護(hù)二極管

9 零電勢(shì)

10 集成電路

15 冷卻元件

16 激活階段

17 靜置階段

20 第一接觸區(qū)域

21 第二接觸區(qū)域

22 第一接觸區(qū)域

23 第二接觸區(qū)域

24 晶體管

25 晶體管

26 電路元件

27 冷卻段

28 冷卻段

29 熱敏元件

30 冷卻段

31 冷卻段

32 冷卻段

33 傳感器

50 接觸區(qū)域

51 接觸區(qū)域

52 基板

53 橋元件

54 接觸區(qū)域

55 接觸區(qū)域

56 半導(dǎo)體材料

57 半導(dǎo)體材料

58 橋元件

59 橋元件

60 粘合層

61 粘合層

62 粘合層

63 粘合層

64 粘合層

65 區(qū)域

66 區(qū)域

67 區(qū)域

68 區(qū)域

70 冷卻陣列

71 接觸區(qū)域

72 接觸區(qū)域

73 橋元件

74 半導(dǎo)體材料

75 半導(dǎo)體材料

76 接觸區(qū)域

77 接觸區(qū)域

78 基板

79 接觸區(qū)域

80 半導(dǎo)體材料

81 接觸區(qū)域

82 半導(dǎo)體材料

83 橋元件

84 橋元件

85 粘合層

86 粘合層

87 粘合層

88 粘合層

89 粘合層

90 粘合層

91 粘合層

92 橋元件

93 半導(dǎo)體材料

94 半導(dǎo)體材料

95 粘合層

96 粘合層

97 粘合層

98 熱敏元件

100 熱電生成器

101 橋元件

102 半導(dǎo)體材料

103 半導(dǎo)體材料

104 接觸區(qū)域

105 接觸區(qū)域

106 半導(dǎo)體材料

107 半導(dǎo)體材料

108 橋元件

109 橋元件

110 接觸區(qū)域

111 接觸區(qū)域

112 粘合層

113 粘合層

114 粘合層

115 粘合層

116 基板

117 粘合層

120 冷卻段

121 熱敏元件

122 橋元件

123 熱敏元件

124 接觸區(qū)域

125 接觸區(qū)域

126 復(fù)合層

127 復(fù)合層

128 熱敏元件

129 熱敏元件

130 基板

A 距離

B 距離