CN1930681A - 用微通道中的冷却剂流和微通道中的薄膜热电冷却器件冷却集成电路管芯 - Google Patents

用微通道中的冷却剂流和微通道中的薄膜热电冷却器件冷却集成电路管芯 Download PDF

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Abstract

一种装置包括具有前表面的集成电路(IC)管芯，集成电路形成于前表面上。该IC管芯还具有与前表面相对的后表面。该装置还包括微通道构件以在IC管芯的后表面上定义至少一个微通道。该微通道允许冷却剂流过该微通道。该装置在至少一个微通道内还包括至少一个薄膜热电冷却(TFTEC)器件。

Description

用微通道中的冷却剂流和微通道中的薄膜热电冷却器件冷却集成电路管芯
背景
由于微处理器在复杂性和工作速率方面持续提高，工作期间在微处理器中产生的热量增加，并且用于微处理器的冷却系统的需求也逐步增长。一个具体的问题由所谓的“热点”(hotspot)造成，在热点处，微处理器管芯的局部区域内的电路元件使该区域的温度高于管芯的平均温度。由此，将管芯的平均温度保持在目标水平以下可能并不满足需要，因为即使当满足总的冷却目标时热点处的过多发热仍可导致局部器件故障。
附图简述
图1是根据一些实施例所提供的的具有用于管芯的冷却系统和封装的一部分的集成电路(IC)管芯的部分侧横截面示意图。
图2是沿图1中的线II-II所取的从上方观察的部分横截面示意图。
图3是示出图1的管芯的框图，具有用于管芯的冷却系统的附加部件。
图4是类似于图1的视图，它示出了根据一些其它实施例所提供的IC管芯及冷却系统和管芯封装的一部分。
图5是类似于图1和4的视图，它示出了根据另外一些其它实施例所提供的IC管芯及冷却系统和芯片封装的一部分。
图6是计算机系统的框图，它包括与如图1-5中的一个或多个的冷却系统相关联的IC管芯例子。
详细描述
图1是根据一些实施例所提供的具有冷却系统12和管芯封装衬底14的一部分的集成电路(IC)管芯10的部分侧横截面示意图。为了简化附图，省略了管芯封装的各个方面。
图2是在俯视图中沿图1的线II-II所取的该IC管芯和冷却系统的部分横截面示意图。图1和2都示出了冷却系统部件的简化示例，而在实际中，冷却系统部件的布局可能比图中所示的复杂得多。通常此处的附图不是按比例的。
参考图1，在封装衬底14上以常规的“倒装芯片”排列安装IC管芯10。IC管芯10可由诸如硅等常规半导体材料形成。IC管芯10具有前表面16，其上形成有集成电路18(例如，微处理器)。集成电路18通过管芯凸块20直接耦合到封装衬底14。(未单独示出存在于衬底14中并通过管芯凸块20与集成电路18耦合的迹线等。封装衬底14上的“焊盘侧(landside)”凸块也在图中省略。管芯凸块20可比图1中描述的更多。)
IC管芯10还有与IC管芯10的前表面16相对的后表面22。微通道构件24通过键合材料26键合到IC芯片10的后表面22。在微通道构件24的前侧29形成凹槽28以允许微通道构件24限定微通道30。微通道构件24的前侧29面向IC管芯10的后表面22。注意，微通道构件24的凹槽28与IC管芯10的后表面22共同限定了微通道30，后表面22形成微通道30的底面。在一些实施例中，凹槽28可具有矩形的横截面(如图中所述的)，使得微通道30也具有矩形横截面，但其它形状的横截面也是可能的。在一些实施例中，微通道30可具有约300微米的高度(从IC管芯10的后表面22到凹槽28的顶壁32的距离)和约200微米的宽度(从凹槽28的一个侧壁34到凹槽28的另一个侧壁36的距离)，但微通道30的其它尺寸是可能的。在一个实际的实施例中，微通道的数量可以远大于图中描述的相对较少的微通道。
在一些实施例中，微通道构件24可以是诸如由铜或铝形成的集成散热器(HIS)等散热器，除凹槽28的存在以外，散热器可根据常规实践来提供。在其它实施例中，构件24可以不是散热器，而仍可由铜或铝，或者作为替代用硅形成。凹槽28可通过平版印刷工艺或微加工在构件24中形成。构件24到IC管芯10的后表面22的键合可用金或焊料或通过诸如热压键合等其它合适的技术来进行。再次注意，附图不是按比例的，构件24(无论它是否为散热器)基本上比微通道30的高度厚，并且微通道可比图中所建议的窄得多。
提供微通道30以允许冷却剂(未示出)流过微通道30。在一些实施例中，冷却剂可以是去离子水。冷却剂通过微管道30的流动由图2中的箭头38示意性地表示。(应该理解，即使在具体的微通道中未指示箭头38，冷却剂仍可流过微通道30。)
应该注意，图1中所述的限定微通道的方式和先前所提出的通过平版印刷等直接在IC管芯的后表面中形成微通道的实践形成对比。
微通道30不必全部是直的或互相平行。
现在参照图1和2，除微通道30之外，冷却系统12还包括薄膜热电冷却(TFTEC)器件40。该TFTEC器件40形成于IC管芯10的后表面22上，并且位于微通道30的至少某一些中。终端42设于TFTEC器件40的末端44处设置(见图2)。除图2中的46处示意性地指示的以外，未示出用于供电以驱动TFTEC器件40的引线以便简化附图。然而，这些引线是存在的，并且可在IC管芯10的后表面22上在终端42处形成。引线可通过用诸如氧化硅等绝缘层(未示出)覆盖引线而与冷却剂绝缘以防止电短路。除此之外，或作为替代，冷却剂可以是电介质或去离子水。
在一些实施例中，可以将两个或多个TFTEC器件40形成垂直的叠层。例如，如图1和2中的46处所示的，可提供一对层叠的TFTEC器件40。如可从图2中看到的，层叠对中的两个TFTEC器件40不必相连。
在一些实施例中，每个TFTEC器件40可有约5微米的厚度、范围在5到50微米中的宽度及范围在5到50微米中的长度。(再次注意，附图不是按比例的。)因此，假设对于微通道30的几百微米的高度，微通道30中TFTEC器件40的存在不会对冷却剂通过微通道的流动有显著的影响。在一些实施例中，TFTEC器件40可由诸如硅锗超晶格或碲化铍(Be2Te3)等材料形成。
如附图中所提出的，在一些实施例中，TFTEC器件40可存在于某些但并非全部微通道30中。具体地，可将TFTEC器件放置在可能是IC管芯10的热点的特定位置处。在其它实施例中，TFTEC器件40存在于所有的微通道30中。TFTEC器件40的层叠可出现在冷却需求特别强烈的地方。
图3是示出含有冷却系统12的附加部件的IC管芯10的框图。为了说明起见，微通道30和TFTEC器件40以虚线示为单独的块，尽管实际上TFTEC器件40位于微通道30中。
如图3所示，冷却系统12包括向微通道30供给冷却剂的冷却剂循环系统48。冷却剂循环系统48可通过一个或多个冷却剂供给通道50和一个或多个冷却剂返回通道52与微通道30液体相通。虽然没有单独示出，但在冷却剂循环系统48中可包括远离管芯10的泵和热交换器。
冷却剂系统12还包括耦合到TFTEC器件40的驱动电路54，以向TFTEC器件40供电。在一些实施例中，可将驱动电路54安装在IC管芯10的封装上。(附图中仅示出了封装衬底14。)在一些实施例中，驱动电路54也可向集成电路18(图1)供电。换言之，在一些实施例中，集成电路18和TFTEC器件40可共享电源。
现在参考图4，在一些实施例中，在冷却系统12a中，在微通道30的第一层58上设置微通道30的第二层56。在图4所示的实施例中，微通道构件24并不比第一层58的微通道30的高度厚很多，并且置于IC管芯10和散热器(或其它构件)60之间。在这些实施例中，第一层58的微通道由IC管芯10的后表面22和微通道构件24中的凹槽28限定；而第二层56的微通道由微通道构件24的后表面62和散热器60中的凹槽28限定。在这些实施例中，第二层56的微通道的底面由微通道构件24的后表面62形成。
如前所述，在一些实施例中，微通道构件24可由铜、铝或硅形成。散热器60可由例如铜或铝形成。散热器60可具有基本大于第二层56的微通道的高度的厚度。在一些实施例中，第二层56的微通道的高度可与第一层58的微通道的高度基本相同(例如，300微米)。
在提供两层微通道的其它实施例中，如图5所示，微通道构件24a具有面向下的凹槽28和面向上的凹槽64。在这些实施例中，冷却系统12b包括微通道的第一层58和微通道的第二层56a。微通道构件24a置于散热器60a和IC管芯10的后表面22之间。如图4的实施例中，第一层微通道由IC管芯10的后表面22和微通道构件24中面向下的凹槽28限定，而图5的第二层56a的微通道由散热器60a的前表面66和微通道构件24a中面向上的凹槽64限定。在这些实施例中，第二层56a的微通道的顶壁由散热器60a的前表面66形成。
冷却系统12a和12b可具有与图1-3的冷却系统12基本相同的冷却剂循环系统和驱动电路。
在冷却系统12、12a或12b的工作中，由冷却剂循环系统48(图3)供给的冷却剂(未示出)在IC管芯10的后表面处或其上流过微通道30以帮助冷却IC管芯10。在一些实施例中，冷却剂以两相—液相和气相工作。即，在一些实施例中，微通道中的冷却剂的至少一部分是气态。在其它的实施例中，冷却剂是单相的一即，全部是液体。在一些实施例中，两相工作与单层微通道一起使用。在其它实施例中，单相工作与两层或多层微通道一起使用。在任一情况下，冷却系统的热阻可以非常低。在另外一些其它实施例中，单相工作与单层微通道一起使用。
同样作为冷却系统12、12a、12b的工作的一部分，IC管芯通过形成于IC管芯后表面上的TFTEC器件40的工作来冷却。TFTEC器件的存在可减轻由于集成电路18的局部特性引起的IC管芯上的热点效应。同样，在TFTEC器件的顶部(“热侧”)流动的冷却剂可通过帮助从IC管芯中驱散由TFTEC器件传递的热量来增强TFTEC器件的效率。在微通道中流动的冷却剂和TFTEC器件的工作的结合可帮助获得比由常规的管芯冷却布置所获得的更低的IC管芯的平均温度。
包括位于和/或邻近IC管芯的后表面的微通道及在IC管芯的后表面上在至少一些微通道中形成的TFTEC器件的此处所述的冷却系统可同时适用于常规的倒装芯片法安装的管芯和所谓的“薄芯片薄TIM”IC封装两者，其中“TIM”指的是热接口材料。
如上所指出的，在一些实施例中，形成于IC管芯的10前表面上的集成电路18可以是微处理器。图6是其中结合了这样的管芯10的系统100的框图。虽然图6中没有单独地示出，但如上所公开的冷却系统12(或冷却系统12a或12b)可与管芯10相关联。
在图6中，管芯10包括多个子块，如算术逻辑单元(ALU)104和管芯上高速缓存106。管芯10上的微处理器也可与诸如管芯外高速缓存108等其它级别的高速缓存通信。诸如系统存储器110等更高的存储器层次级别通过主机总线112和芯片组114来访问。此外，其它的芯片外功能单元，仅举几个例子，如图形加速器116和网络接口控制器(NIC)118，可通过适当的总线或端口与管芯10上的微处理器通信。
这里所述的几个实施例只是为了说明的目的。这里所述的各种特征不必全部一起使用，并且那些特征中的任意一个或多个可合并于单个实施例中。因此，本领域的技术人员从本说明书中可以认识到，可用各种修改和变更来实现其它实施例。

Claims (28)

1.一种装置包括：
具有前表面及与所述前表面相对的后表面的集成电路(IC)管芯，所述前表面上形成有集成电路；
用于在所述IC管芯的后表面上限定至少一个微通道的构件，所述微通道允许冷却剂流经其中；以及
所述至少一个微通道中的至少一个薄膜热电冷却(TFTEC)器件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个TFTEC器件形成于所述IC管芯的后表面上。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述构件具有面向所述IC管芯的后表面的前侧，所述构件的前侧中具有至少一个凹槽以限定所述至少一个微通道。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件是集成散热器。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述构件由铜形成。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件由硅形成。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件由铜形成。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却剂包括水。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冷却剂是去离子水。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述TFTEC器件包括硅锗超晶格和碲化铍中的一种。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件键合到所述IC管芯的后表面。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括散热器；
所述构件置于所述散热器和所述IC管芯的后表面之间；
所述至少一个微通道包括：
由所述IC管芯的后表面和所述构件中的凹槽限定的第一层微通道；以及
由所述构件的后表面和所述散热器中的凹槽限定的第二层微通道，所述第二层微通道在所述第一层微通道之上。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述至少一个TFTEC器件形成于所述IC管芯的后表面上。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括散热器；
所述构件置于所述散热器和所述IC管芯的后表面之间；
所述至少一个微通道包括：
由所述IC管芯的后表面和所述构件中的凹槽限定的第一层微通道；以及
由所述散热器的前表面和所述构件中的凹槽限定的第二层微通道，所述第二层微通道在所述第一层微通道之上。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，形成于所述IC管芯的前表面上的所述集成电路是微处理器。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个TFTEC器件包括至少一对层叠的TFTEC器件。
17.一种方法，包括：
使冷却剂流过集成电路(IC)管芯的后表面上的微通道；以及
用形成于所述IC管芯的后表面上且位于所述微通道中的薄膜热电冷却(TFTEC)器件冷却所述IC管芯。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述流动包括使所述冷却剂流过邻近所述IC管芯的后表面的两层微通道。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述冷却剂包括水。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述冷却剂是去离子水。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述TFTEC器件包括硅锗超晶格和碲化铍中的一种。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述微通道由一构件的前侧中形成的凹槽限定，所述构件的前侧面向所述IC管芯的后表面。
23.一种系统，包括：
具有前表面及与所述前表面相对的后表面的集成电路(IC)管芯，一微处理器形成于所述前表面上；
用于在所述IC管芯的后表面上限定至少一个微通道的构件，所述微通道允许冷却剂流经其中；
所述至少一个微通道中的至少一个薄膜热电冷却(TFTEC)器件；以及
与微处理器通信的芯片组。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述至少一个TFTEC器件形成于所述IC管芯的后表面上。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述构件具有面向所述IC管芯的后表面的前侧，所述构件的前侧中具有至少一个凹槽以限定所述至少一个微通道。
26.如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述TFTEC器件包括硅锗超晶格和碲化铍中的一种。
27.如权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括：
用于向所述至少一个微通道供给所述冷却剂的冷却剂循环系统。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，还包括：
用于向所述至少一个TFTEC器件供电的驱动电路。
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