用于3d ic的冷卻系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了使用至少一個熱電冷卻器冷卻三維集成電路（3D IC）的系統和方法，其中，熱電冷卻器通過多個導電柱連接到3D IC。在一些實施例中，控制器控制向熱電冷卻器的電力供應，且溫度監(jiān)測器向控制器提供溫度輸入。在一些實施例中，控制器通過向熱電冷卻器循環(huán)提供電力來將3D IC的溫度維持在預定范圍內。本發(fā)明還公開了用于3D IC的冷卻系統。
【專利說明】用于3D IC的冷卻系統

【技術領域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及三維集成電路(3D 1C)，更具體地，涉及用于3DIC的冷卻系統。

【背景技術】
[0002]三維集成電路(3D IC)相較于傳統電路具有許多優(yōu)勢，這里僅舉幾個例子:能耗更低、邏輯密度更高、效率更高、緩解瓶頸、關鍵路徑時延更短以及面積成本更低。
[0003]3D IC有兩種一般形式。在第一種結構中，3D IC芯片封裝件包括垂直堆疊的兩個或更多個集成電路管芯(IC)從而使得它們占據更少的空間。使用半導體通孔(TSV)(也稱為硅通孔或襯底通孔)可建立垂直堆疊的IC之間的電源和信號通信連接，半導體通孔穿過管芯的整個厚度，從而實現位于管芯的前面和背面的導電圖案之間的連接。
[0004]在第二種結構中，堆疊單元式3D IC具有多個堆疊的單元(也稱為層疊)。這種結構有時被稱為單片式3D IC或3D IC垂直結構。在堆疊單元式3D IC中，堆疊的元件或單元垂直形成在單個半導體襯底之上(與制造單個芯片并將單個芯片連接起來相反)。傳統上水平布置的元件能夠以一個疊在另一個頂部上的方式堆疊以降低面積成本。堆疊單元式3DIC可通過平面間通孔(ILV)(也稱為層間通孔)提供垂直互連的密集系統，層間通孔在堆疊的單元之間輸送電力和通信。
[0005]3D IC封裝件給設計者提出了很多新的挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)是散熱。對于3D IC芯片封裝件，如果堆疊件中包括三個或更多管芯，那么內部管芯(除最頂部管芯和最底部管芯之外的所有管芯)將夾在其他管芯之間而無法自然冷卻。對于3D IC堆疊的單元同樣如此，除最頂部單元和最底部單元之外的所有單元都無法自然冷卻。內部管芯和內部單元的散熱至關重要，以防這些元件過早損壞。


【發(fā)明內容】

[0006]根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種系統，包括:三維集成電路(3DIC);第一熱電冷卻器，通過多個導電柱連接到3D IC ;控制器，控制第一熱電冷卻器；以及溫度監(jiān)測器，配置為感測3D IC的溫度，溫度監(jiān)測器連接到控制器。
[0007]優(yōu)選地，3D IC是包括多個管芯的堆疊芯片封裝件。
[0008]優(yōu)選地，3D IC是堆疊單元式3D 1C。
[0009]優(yōu)選地，多個導電柱圍繞堆疊單元式3D IC的周邊配置。
[0010]優(yōu)選地，多個導電柱包括圍繞3D IC的周邊配置的第一組導電柱和圍繞3D IC內部的熱點配置的第二組導電柱。
[0011]優(yōu)選地，該系統還包括:第二熱電冷卻器，通過多個導電柱連接到3DIC。
[0012]優(yōu)選地，第二熱電冷卻器配置在3D IC與第一熱電冷卻器相對的一側上。
[0013]優(yōu)選地，溫度監(jiān)測器配置在3D IC中，并且溫度監(jiān)測器配置為檢測3DIC的內部溫度。
[0014]優(yōu)選地，控制器向第一熱電冷卻器循環(huán)提供電力以將由溫度監(jiān)測器測量的3D IC的內部溫度維持在由第一預定設定點和第二預定設定點限定的預定范圍內。
[0015]優(yōu)選地，溫度監(jiān)測器以預定間隔監(jiān)測3D IC的內部溫度。
[0016]優(yōu)選地，第一熱電冷卻器包括配置在第一導熱片和第二導熱片之間且以串聯方式電連接的多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片，從而在向多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片施加電壓時，在第一導熱片和第二導熱片之間形成溫度梯度。
[0017]根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，包括:以預定間隔監(jiān)測三維集成電路的溫度；以及當三維集成電路的監(jiān)測溫度大于或等于第一預定設定點時，使熱電冷卻器通電，熱電冷卻器通過多個導電柱連接到三維集成電路。
[0018]優(yōu)選地，監(jiān)測包括使用配置在三維集成電路內的溫度監(jiān)測器。
[0019]優(yōu)選地，監(jiān)測溫度是三維集成電路的內部溫度。
[0020]優(yōu)選地，第一預定設定點被設置為防止三維集成電路的元件超過設計溫度閾值。
[0021]優(yōu)選地，通過在控制器控制下的電源使熱電冷卻器通電，控制器接收來自溫度監(jiān)測器的信號。
[0022]優(yōu)選地，該方法還包括:當溫度監(jiān)測器顯示三維集成電路的內部溫度大于第二預定設定點時，維持使熱電冷卻器通電，其中，第二預定設定點小于第一預定設定點；以及當溫度監(jiān)測器顯示三維集成電路的內部溫度小于或等于第二預定設定點時，停用熱電冷卻器。
[0023]根據本發(fā)明的又一方面，提供了一種冷卻三維集成電路的系統，包括:堆疊單元式3D IC ;第一熱電冷卻器，第一熱電冷卻器包括配置在第一導熱片和第二導熱片之間且以串聯方式電連接的多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片，第一熱電冷卻器配置為當向多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片施加電壓時，在第一導熱片和第二導熱片之間形成溫度梯度，第一熱電冷卻器通過多個導電柱連接到堆疊單元式3D IC ;控制器，控制對熱電冷卻器的電力供應；以及溫度監(jiān)測器，配置在堆疊單元3D IC中，溫度監(jiān)測器配置為檢測堆疊單元3D IC的內部溫度并連接到控制器。
[0024]優(yōu)選地，該系統還包括:第二熱電冷卻器，通過多個導電柱連接到堆疊單元式3DICo
[0025]優(yōu)選地，控制器為第一熱電冷卻器提供電力以將由溫度監(jiān)測器測量的堆疊單元3DIC的內部溫度維持在預定范圍內。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]當結合附圖閱讀下面詳細的說明書時，可最佳地理解本發(fā)明。應該強調，根據普遍實踐，各個部件沒有必要按比例繪制。與此相反，為了清楚起見，各個部件的尺寸可任意擴大或減小。在整個說明書和附圖中，相同的數字表示相同的部件。
[0027]圖1是根據本發(fā)明的一些實施例的熱電冷卻器的簡化框圖。
[0028]圖2Α是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的等距視圖。
[0029]圖2Β是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的側截面圖。
[0030]圖2C是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的俯視圖。
[0031]圖3Α是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的等距視圖。
[0032]圖3B是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的側截面圖。
[0033]圖3C是根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC的俯視圖。
[0034]圖4A是根據本發(fā)明的一些實施例的導電柱的平面圖。
[0035]圖4B是根據本發(fā)明的一些實施例的導電柱配置的平面圖。
[0036]圖4C是根據本發(fā)明的一些實施例的導電柱配置的平面圖。
[0037]圖5A是根據本發(fā)明的一些實施例的具有溫度監(jiān)測器和控制器的冷卻式3D IC的簡化框圖。
[0038]圖5B是根據本發(fā)明的一些實施例的具有溫度監(jiān)測器和控制器的冷卻式3D IC的簡化框圖。
[0039]圖6是根據本發(fā)明的一些實施例說明控制器的功能的溫度隨時間變化的曲線圖。
[0040]圖7是根據本發(fā)明的一些實施例的熱探測器電路的示意圖。
[0041]圖8是根據本發(fā)明的一些實施例的控制電路的示意圖。
[0042]圖9是根據本發(fā)明的一些實施例的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0043]結合附圖閱讀對示例性實施例的說明，附圖被認為是整個書面說明書的一部分。在說明書中，諸如“下部”、“上部”、“水平”、“垂直”、“在...之上”、“在...之下”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”及其派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相對術語應該解釋為是指討論的附圖中所描述或所示出的方位。這些相對術語是為了方便說明，而不要求裝置以特定的方位進行構造或操作。除非明確作出相反描述，否則諸如“連接”和“互連”的關于連接、耦合等的術語，是指結構間直接或通過中間結構間接地彼此固定或連接的關系以及兩個都是可移動的或剛性的連接或關系。
[0044]在傳統的(非3D IC)半導體封裝件中，散熱器通常包括金屬結構，該金屬結構具有與需要冷卻的半導體元件熱接觸的第一表面。金屬結構的第二表面通常包括一系列鰭、突出物或梳狀結構以增加金屬結構的表面積，從而增加從金屬結構到周圍空氣的傳熱速率。在一些典型的實施例中，采用風扇增加越過金屬結構的氣流，這會進一步提高從金屬結構到周圍空氣的傳熱速率。
[0045]雖然這些冷卻半導體的傳統方法已經應用于3D 1C，但它們因為實際上無法為內部管芯或內部單元提供大型散熱器而存在弊端。一些3D IC依靠其頂部和底部的厚硅層散熱；這些厚層減少了 3D IC的節(jié)約面積。這種冷卻方法是被動的，熱量被動地從內部管芯流出至散熱器，這會導致3D IC的內部不可接受的高溫。
[0046]本領域當前采用的另一種冷卻3D IC封裝件的方法是在管芯或單元之間創(chuàng)建微通道并提供穿過微通道的液體流動以帶走熱量。然而，這種方法存在問題，因為它需要提供液體流動的泵、存在液體漏入3D IC的可能性以及會在半導體襯底上的產生熱應力。
[0047]本發(fā)明提供了用于主動冷卻3D IC的熱電冷卻器。第一實施例采用熱電冷卻器冷卻3D IC芯片封裝件。第二實施例采用熱電冷卻器冷卻堆疊單元式3D 1C。熱電冷卻器產生有助于主動從3D IC移除熱量的溫差。本發(fā)明提供了冷卻3D IC的方法，包括以預定間隔監(jiān)測3D IC的溫度并當3D IC的溫度大于或等于第一預定設定點時以第一預定間隔為熱電冷卻器(通過多個導電柱連接到3D IC)通電。
[0048]圖1是根據本發(fā)明的一些實施例的熱電冷卻器100的簡化框圖。熱電冷卻器100在本領域中也稱為珀爾帖冷卻器。熱電冷卻器100是固態(tài)有源熱泵。術語“熱電冷卻器”在本領域有時縮寫為“TEC”。
[0049]多個第一區(qū)域105和多個第二區(qū)域106布置在第一導熱片102和第二導熱片104之間。在一些實施例中，第一區(qū)域105是η型半導體芯片，而第二區(qū)域106是P型半導體芯片?？梢允褂闷渌牧虾驮O計外形來構造多個第一區(qū)域105和多個第二區(qū)域106。在一些實施例中，第一導熱片102和第二導熱片104由陶瓷制成，陶瓷是有效的熱導體和電絕緣體(例如，氧化鈹、BeO)?？梢允褂闷渌牧蟻順嬙斓谝粚崞?02和第二導熱片104。
[0050]使用跡線108以串聯方式電連接多個半導體芯片105、106。在一些實施例中，跡線108包括銅。在其他實施例中，跡線108包括另一種導電材料。
[0051]電源110為一對電氣連接件112提供電能。當向多個半導體芯片105、106施加電壓時，會形成溫度梯度，從而使得第一導熱片102被冷卻而第二導熱片104被加熱。
[0052]在一些實施例中，第二導熱片104包括一系列鰭、突出物或梳狀結構以增加第二導熱片104的表面積，從而增加從第二導熱片104到周圍空氣的傳熱速率。在一些實施例中，采用風扇來增加越過第二導熱片104的氣流，這會進一步提高從第二導熱片104到周圍空氣的對流傳熱速率。
[0053]圖2A、圖2B和圖2C示出了根據本發(fā)明的一些實施例的冷卻式3D IC200。圖2A是冷卻式3D IC的等距視圖；圖2B是冷卻式3D IC的側視圖；以及圖2C是冷卻式3D IC的俯視圖。
[0054]冷卻式3D IC200包括第一熱電冷卻器202、第二熱電冷卻器204和包含多個管芯206的3D IC芯片封裝件214。多個管芯206具有從管芯前面延伸到管芯背面的多個硅通孔(TSV)208。焊料微凸塊208在垂直相鄰的管芯206中的相應TSV之間形成垂直互連。在一些實施例中，只利用單個熱電冷卻器，從而省去第一熱電冷卻器202或第二熱電冷卻器204。
[0055]多個TSV208在冷卻式3D IC200中起到多種功能，包括為多個管芯206上的各個元件傳輸電力和通信信號以及充當用于將元件運行期間形成的熱量散去的導管。每個TSV208均由可集成到硅中的金屬或合金形成，諸如銅、鎢、銀、鋁或它們的合金。在一些實施例中，每個TSV208均形成為具有圓邊的圓柱。在其他實施例中，每個TSV208均形成為具有滿足直角的直邊的長方體或六面體。在一些實施例中，TSV208采用其它形狀和結構。
[0056]如圖2B中最佳示出的，多個TSV208中的每一個均穿過多個管芯206中相應的一個。每個管芯206中的TSV208均與同該管芯相鄰的(位于其上部或下部的)管芯206中的TSV208線性對齊。微凸塊224形成在襯底的背面上的每個TSV208的表面上。相鄰管芯206中的每對對齊的TSV208通過相應的微凸塊224電連接。在一些實施例中，底部填充材料(未示出)填充每對相鄰管芯206之間的剩余空間，包括TSV208之間的空間。底部填充物提供了水平的和垂直的傳熱路徑。
[0057]在一些實施例中，多個微凸塊224形成在TSV208的頂面上或第一熱電冷卻器202的底部以將3D IC芯片封裝件214連接到第一熱電冷卻器202。類似地，每個TSV208的背面之間的微凸塊224和TSV208的背面與第二熱電冷卻器204之間的微凸塊224提供傳導路徑以將熱量從3D IC芯片封裝件214傳導至第二熱電冷卻器204。可以提供底部填充材料(未示出)以填充微凸塊224之間的空間，從而提高熱傳導和機械完整性?？蛇x地，在頂部管芯206的頂面220和第一熱電冷卻器202之間應用導熱界面材料(例如，基于氧化鈹、氮化鋁、氧化鋁、氧化鋅或金屬的導熱膏)。類似地，底部TSV208的底面222和第二熱電冷卻器204之間的熱界面材料提供傳導路徑以將熱量從3D IC芯片封裝件214傳導至第二熱電冷卻器204。
[0058]第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204如上參照圖1進行構造。第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204均具有冷側216和熱側218，并布置成使得冷側216朝向3D IC芯片封裝件214。
[0059]在一些實施例中，冷側216配置為與多個管芯206中最頂部管芯的頂面220接觸，從而沿著整個頂面220提供冷卻。在其他實施例中，冷側216配置在頂面220之上但不與頂面220接觸，從而通過TSV208和連接冷側216與多個管芯206的微凸塊224提供冷卻。在一些實施例中，底部填充材料填充TSV208之間的空間并提供用于導熱的其它路徑。第二熱電冷卻器204的冷側216也可配置為與多個管芯206中最底部管芯的底面222接觸或位于其下部。微凸塊224、熱界面材料和/或底部填充物提供了向熱電冷卻器204傳熱的路徑。
[0060]第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204均連接到電源210。在一些實施例中，電源210通過控制器212連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。
[0061]如圖2C中最佳示出的，在一些實施例中，多個TSV208圍繞3D IC芯片封裝件214、熱電冷卻器202和204的周邊布置。在所示實施例中，多個TSV208沿著周邊等間隔分布。然而，如下更為詳細討論的，多個TSV208可沿著周邊以多種配置方式間隔開和/或穿過3DIC芯片封裝件214的中心以解決特定的冷卻問題。
[0062]當電力從電源210施加到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204時，會在冷側216和熱側218之間形成溫度梯度。在冷側216和多個管芯206 (在運行時生熱)之間形成第二熱梯度。第二熱梯度具有從3D IC芯片封裝件214移除熱量的作用。多個管芯206中產生的熱量水平地流向多個TSV208，然后垂直通過多個TSV208到達第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的冷側216。然后，熱量從冷側216傳遞至熱側218，熱側218使熱量消散至周圍環(huán)境。
[0063]在一些實施例中，熱側218包括一系列鰭、突出物或梳狀結構以增加熱側218的表面積，從而增加從熱側218到周圍空氣的傳熱速率。在一些實施例中，采用風扇以增加越過熱側218的氣流，這會進一步提高從熱側218到周圍空氣的對流傳熱速率。
[0064]圖3A、圖3B和圖3C示出了根據本發(fā)明的一些實施例的另一個冷卻式3D IC300。圖3A是3D IC300的等距視圖；圖3B是3D IC300的側截面圖；以及圖3C是3D IC300的俯視圖。
[0065]冷卻式3D IC300包括第一熱電冷卻器202、第二熱電冷卻器204和堆疊單元式3DIC314。多個層間通孔(ILV) 308穿過堆疊單元3D IC314。每個ILV308均通過局部通孔326連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。在一些實施例中，將ILV308連接到熱電冷卻器的局部通孔326是微凸塊。在一些實施例中，ILV308僅連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的其中一個。在一些實施例中，只利用單個熱電冷卻器，從而省去第一熱電冷卻器202或第二熱電冷卻器204。
[0066]多個ILV308在冷卻式3D IC300中起到多種功能，包括為堆疊單元式3D IC314內的各個元件330和器件350傳輸電力和信號以及充當用于將各個元件330和器件350運行期間形成的熱量散去的導管。在一些實施例中，每個ILV308都形成為具有圓邊的圓柱。在其他實施例中，每個ILV308都形成為具有滿足直角的直邊的長方體或六面體。在一些實施例中，ILV308采用其它形狀和結構。
[0067]如圖3B中最佳示出的，多個ILV308中的每一個均穿過堆疊單元式3D IC314的至少一個水平面(層)。穿過堆疊單元式3D IC314的傳導路徑可包括ILV308、局部通孔326和/或導電線(未示出)的組合。如果堆疊單元式3D IC314多于兩層，那么傳導路徑可包括用于堆疊單元式3D IC314的每個相應層的相應順序的ILV308、局部通孔326和導電線。
[0068]在一些實施例中，多個局部通孔326形成在堆疊單元式3D IC314的頂層的ILV308的頂面320上。在一些實施例中，多層互連結構(包括多個局部通孔層和多個導電線層)在堆疊單元式3D IC314的頂層的ILV308的頂面上形成。局部通孔326將堆疊單元式3D IC314連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。在一些實施例中，堆疊單元式3D IC314通過微凸塊連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。
[0069]圖3B的堆疊單元式3D IC314包括第一層342、第二層344和第三層346。每層均包括襯底348。每層均可包括多個元件330和器件350。元件330和器件350可連接到ILV308、局部通孔326和/或導電線(未示出)。元件330可以是晶體管、二極管和電阻器等，但不局限于此。器件可以是傳感器、成像器、納米器件、存儲芯片和電路、處理器和轉換器等，但不局限于此。
[0070]第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204能夠如上參照圖1進行構造。第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204中的每一個均具有冷側216和熱側218,并布置成使得冷側216朝向堆疊單元式3D IC314。
[0071]在一些實施例中，第一熱電冷卻器202的冷側216配置為與堆疊單元式3D IC314的頂面320接觸，從而沿著整個頂面320提供冷卻。在其他實施例中，冷側216配置在頂面320之上但不與其接觸，從而通過連接冷側216與堆疊單元式3D IC314的局部通孔326提供冷卻。第二熱電冷卻器204的冷側216也可配置為與堆疊單元3D IC314的底面322接觸或位于其下部。
[0072]第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器20均連接到電源210。在一些實施例中，電源210通過控制器212連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。
[0073]如圖3C中最佳示出的，在一些實施例中，多個ILV308圍繞堆疊單元式3D IC314、熱電冷卻器202和熱電冷卻器204的周邊布置。在所示實施例中，多個ILV308或局部通孔326沿著周邊等間隔分布。然而，如下更為詳細討論的，多個ILV308或局部通孔326可沿著周邊以多種配置方式間隔和/或穿過堆疊單元式3D IC314的中心以解決特定的冷卻問題。
[0074]當電力從電源210施加到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204時，在冷側216和熱側218之間形成溫度梯度。在冷側216和多個管芯206 (在運行時生熱)之間形成第二熱梯度。第二熱梯度具有將熱量從堆疊單元式3D IC314移除的作用。堆疊單元式3DIC314中產生的熱量水平地流向多個ILV308，然后垂直通過多個ILV308到達第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204 二者的冷側216。然后熱量從冷側216傳遞至熱側218，熱側218使熱量消散至周圍環(huán)境。
[0075]在一些實施例中，熱側218包括一系列鰭、突出物或梳狀結構以增加熱側218的表面積，從而增加從熱側218到周圍空氣的傳熱速率。在一些實施例中，采用風扇來增加越過熱側218的氣流，這會進一步提高從熱側218到周圍空氣的對流傳熱速率。
[0076]圖4A、圖4B和圖4C是根據本發(fā)明的一些方面的熱電冷卻器402的冷側216的各個實施例的平面圖。這些附圖示出了連接到熱電冷卻器402的多個導電柱408的一些可能配置。在一些實施例中，導電柱408包括TSV208和微凸塊224。在一些實施例中，導電柱408包括ILV308或ILV308與局部通孔326的組合。
[0077]圖4A示出了第一導電柱配置400，其中，導電柱408沿著熱電冷卻器402的相對兩側配置。圖4B示出了第二導電柱配置410，其中，導電柱408沿著熱電冷卻器402的整個周邊配置。因此，第二導電柱配置410相較于第一導電柱配置400具有較大排熱能力，因為第二導電柱配置410包括較多數目的導電柱408且那些導電柱408配置在更大的表面積上。
[0078]圖4C示出了第三導電柱配置420，其中，導電柱408既圍繞熱電冷卻器402的整個周邊配置又配置在其中心內。特別地，第三導電柱配置420顯示出從3D IC內的特定關注區(qū)域移除熱量。關注區(qū)域示出為熱點430。
[0079]熱點430是3D IC具有局部高溫的區(qū)域。局部高溫通常由高功耗元件引起。局部高溫也可在高功率密度的區(qū)域中形成，諸如具有高密度的導電柱408的區(qū)域。
[0080]熱點430是特別關注的問題，因為局部高溫影響電路和元件的可靠性和性能。在3D IC設計期間未能解決局部高溫可引起元件超過它們的設計溫度閾值。第三導電柱配置420通過將過熱區(qū)430附近的熱量移除而解決了這個問題，從而提供足夠的冷卻并防止元件失效或劣化。
[0081]在一些冷卻式3D IC中，不希望熱電冷卻器202、204 —直處于運轉狀態(tài)。具體而言，一些3D IC在運轉期間不能產生足夠的熱量來平衡熱電冷卻器302、204在連續(xù)運轉期間消耗的功率。因此，一些實施例提供了溫度監(jiān)測器510和控制器212以控制熱電冷卻器202、204的運轉。
[0082]圖5A是根據本發(fā)明的一些實施例的具有溫度監(jiān)測器510和控制器212的堆疊單元式3D IC314的簡化框圖。在所示實施例中，溫度監(jiān)測器510鄰近熱點430布置。熱點430和溫度監(jiān)測器510配置在第一 ILV502和第二 ILV504之間。第一 ILV502和第二 ILV504通過局部通孔326或微凸塊連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。在一些實施例中，第一 ILV502僅連接到熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的其中一個。在一些實施例中，第二 ILV504僅連接到熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的其中一個。
[0083]溫度監(jiān)測器510可配置在堆疊單元式3D IC314內的任何位置中。將溫度監(jiān)測器510配置為鄰近熱點430或在熱點430附近允許監(jiān)測堆疊單元式3D IC314中最有可能超過設計溫度閾值的區(qū)域。在一些實施例中，溫度監(jiān)測器510實現為下文參照圖7所述的熱探測器700。
[0084]溫度監(jiān)測器510連接到控制器212?？刂破?12接收來自電源210的電力輸入?？刂破?12控制電力向第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的流動。在一些實施例中，控制器212實現為下文參照圖8所述的控制電路800。
[0085]圖5B是根據本發(fā)明的一些實施例的具有一對溫度監(jiān)測器554、558和一對控制器560、564的堆疊單元式3D IC314的簡化框圖。
[0086]在所示實施例中，第一溫度監(jiān)測器554配置為鄰近第一熱點552。第一溫度監(jiān)測器554連接到第一控制器560。第一控制器560接收來自第一電源562的電力并基于第一溫度監(jiān)測器554的輸入控制電力向第一熱電冷卻器202的流動。
[0087]第二溫度監(jiān)測器558配置為鄰近第二熱點556。第二溫度監(jiān)測器558連接到第二控制器564。第二控制器564接收來自第二電源566的電力并基于第二溫度監(jiān)測器558的輸入控制電力向第二熱電冷卻器204的流動。
[0088]第一溫度監(jiān)測器554、第一熱點552、第二溫度監(jiān)測器558和第二熱點556配置在多個ILV308之間。每個ILV308均通過局部通孔326或微凸塊連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。在一些實施例中，一些ILV308僅連接到熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的其中一個。
[0089]在一些實施例中，第一電源562和第二電源566是同一電源。在一些實施例中，單個控制器212從配置在堆疊單元式3D IC314內的多個溫度監(jiān)測器接收輸入并控制電力向多個熱電冷卻器的流動。
[0090]參照圖5A和圖5B描述的溫度檢測器和控制器也可被圖2中示出的3DIC芯片封裝件214使用。
[0091]圖6是根據本發(fā)明的一些實施例說明控制器的功能的溫度隨時間變化的曲線圖。圖6示出了基于來自溫度監(jiān)測器(諸如圖5A中示出的控制器和溫度監(jiān)測器配置)的輸入的到達熱電冷卻器的電力的循環(huán)。
[0092]控制器212控制電力向第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204的流動。控制器212接收來自電源210的電力輸入和來自溫度監(jiān)測器510的溫度輸入。
[0093]在一些實施例中，如圖6所示，控制器212具有第一預定設定點602和第二預定設定點604，使得第二預定設定點604小于第一預定設定點602。第一預定設定點602和第二預定設定點604都小于設計溫度閾值606。第一預定設定點602和第二預定設定點604確定了期望3D IC運行的預定溫度范圍。
[0094]如圖6所示，從時間O到時間A，熱電冷卻器202、204并未通過控制器212從電源210接收電力，并因此不運轉。如通過溫度監(jiān)測器510監(jiān)測到的，堆疊單元式3D IC314的內部溫度隨著堆疊單元式3D IC314運轉期間產生熱量而緩慢升高。
[0095]在時間A處，如通過溫度監(jiān)測器510監(jiān)測到的，堆疊單元式3D IC314的內部溫度達到了第一預定設定點602。這使得控制器212向熱電冷卻器202、204提供電力。
[0096]在時間A和時間B之間，熱電冷卻器202、204運轉，從堆疊單元式3D IC314移除熱量，并且由溫度監(jiān)測器510監(jiān)測到的內部溫度降低。
[0097]在時間B處，如通過溫度監(jiān)測器510監(jiān)測到的，堆疊單元式3D IC314的內部溫度達到第二預定設定點604。這使得控制器212停止向熱電冷卻器202、204提供電力。
[0098]從時間B到時間C，熱電冷卻器202、204并未運行。如通過溫度監(jiān)測器510監(jiān)測到的，堆疊單元式3D IC314的內部溫度隨著堆疊單元式3D IC314運轉期間產生熱量而緩慢升高。
[0099]向熱電冷卻器循環(huán)輸送電力以將堆疊單元式3D IC314的內部溫度維持在第一預定設定點602和第二預定設定點604之間的過程在堆疊單元式3D IC314使用期限內可重復多次。
[0100]在一些實施例中，溫度監(jiān)測器510實現為熱探測器電路700。圖7是根據本發(fā)明的一些實施例的熱探測器電路700的示意圖。
[0101]熱探測器包括第一 N型金屬氧化物半導體(NMOS )場效應晶體管(FET ) 704、第二NMOS FET706、二極管708和緩沖器712。第一 NM0SFET704的漏極接地且源極與柵極連接以接收參考電流(1^02)，其中參考電流為溫度補償電流源。第二 NMOS FET706的源極接地、柵極連接成接收參考電流I,ef702且漏極連接到二極管708與緩沖器712。雖然將晶體管704和晶體管706描述為金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)，但是本領域普通技術人員應當理解，可以使用其他類型的晶體管。
[0102]二極管708的陽極連接到第二 NMOS FET706的漏極且陰極連接到正電源節(jié)點(表示為VDD)。緩沖器712從第二 NMOS FET706的漏極接收輸入并輸出到使能線710。使能線710將熱探測器700的輸出發(fā)送到控制電路800。
[0103]參考電流(1^702)是來自3D IC內的溫度補償電流源。當在第二 NM0SFET706的柵極處感測的I,ef702大于第二 NMOS FET706的閾值電壓時，第二 NMOS FET706隨后向緩沖器712提供邏輯高輸出信號。當在第二NMOS FET706的柵極處感測的I,ef702小于第二NMOSFET706的閾值電壓時，第二 NMOS FET706隨后向緩沖器712提供邏輯低輸出信號。緩沖器712緩沖信號并向使能線710提供邏輯高輸出信號或邏輯低輸出信號。第一 NMOS FET704和二極管708提供電力瞬態(tài)保護。
[0104]第一 NMOS FET704、第二 NMOS FET706的閾值電壓和用于參考電流(U02)的溫度補償被選擇為與3D IC中預期監(jiān)測到的溫度一致。
[0105]在一些實施例中，控制器212實現為控制電路800。圖8是根據本發(fā)明的一些實施例的控制電路800的示意圖。
[0106]控制電路800包括反相器802和P型金屬氧化物半導體(PMOS) FET804。反相器802將在其輸入端從使能線710接收的電壓電平反轉，并輸出電壓至PMOS FET804的柵極。PMOS FET804的漏極連接至電源210且源極連接到第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204。
[0107]當使能線710上接收的邏輯高信號傳至反相器802時，邏輯高信號反轉為發(fā)送至PMOS FET804的柵極的低輸出。當低輸出低于PMOS FET804的閾值電壓與漏極電壓的差值時，則PMOS FET804的源極向第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204輸送電力。因此，當熱探測器在3D IC中感測到高溫(或大于第一預定設定點的溫度)時，第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204通電(S卩，運轉)。
[0108]當使能線710上接收的邏輯低信號傳至反相器802時，邏輯低信號反轉為發(fā)送至PMOS FET804的柵極的高輸出。當高輸出高于PMOS FET804的閾值電壓與漏極電壓的差值時，則PMOS FET804的源極并不向第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204輸送電力。因此，當熱探測器在3D IC中感測到低溫(或小于第二預定設定點的溫度)時，第一熱電冷卻器202和第二熱電冷卻器204不通電(B卩，鎖定)。
[0109]本發(fā)明還提供了冷卻3D IC的方法900。圖9是根據本發(fā)明的一些實施例的方法900的流程圖。工藝從方框902處開始。在方框904中，監(jiān)測3DIC的溫度。在一些實施例中，使用配置在3D IC內的溫度監(jiān)測器監(jiān)測3D IC的內部位置處的溫度。在一些實施例中，溫度監(jiān)測器實現為熱探測器電路。在一些實施例中，以預定的時間間隔監(jiān)測溫度。
[0110]在方框906中，當溫度監(jiān)測器顯示溫度大于或等于第一設定點時，使熱電冷卻器通電。在一些實施例中，熱電冷卻器通過多個導電柱連接到3DIC。在一些實施例中，當溫度監(jiān)測器顯示3D IC的內部溫度大于或等于第一設定點時，以第一預定間隔使熱電冷卻器通電。在一些實施例中，第一設定點設置為低于3D IC的限制元件的設計溫度閾值。在一些實施例中，第一設定點是預定的；在其他實施例中，第一設定點是動態(tài)確定的。
[0111]在方框908中，當溫度大于第二設定點時，保持使熱電冷卻器通電。在一些實施例中，第二設定點小于第一設定點。在一些實施例中，第二設定點是預定的；在其他實施例中，第二設定點是動態(tài)確定的。
[0112]在方框910中，當溫度小于或等于第二設定點時，鎖定(S卩，斷開)熱電冷卻器。在一些實施例中，當溫度監(jiān)測器顯示3D IC的內部溫度小于或等于第二設定點，以第一預定間隔鎖定熱電冷卻器。該工藝終止于方框912處。
[0113]本發(fā)明將3D IC與熱電冷卻器組合具有若干優(yōu)勢。熱電冷卻器允許在較小的程度內控制溫度。熱電冷卻器也具有相對長的使用期限，這在3D IC的使用壽命內提供了有效冷卻。
[0114]在一些實施例中，一種系統包括:三維集成電路(3D IC);第一熱電冷卻器,其通過多個導電柱連接到3D IC ;控制器，其控制第一熱電冷卻器；以及溫度監(jiān)測器，其配置為感測3D IC的溫度，溫度監(jiān)測器連接到控制器。在一些實施例中，3D IC是包括多個管芯的堆疊芯片式封裝件。在一些實施例中，3D IC是堆疊單元式3D 1C。在一些實施例中，多個導電柱圍繞著堆疊單元式3D IC的周邊配置。在一些實施例中，多個導電柱包括圍繞3D IC的周邊配置的第一組導電柱和圍繞3D IC內部的熱點配置的第二組導電柱。在一些實施例中，系統還包括通過多個導電柱連接到3D IC的第二熱電冷卻器。在一些實施例中，第二熱電冷卻器配置在3D IC與第一熱電冷卻器相對的一側上。在一些實施例中，溫度監(jiān)測器配置在3D IC中，且溫度監(jiān)測器配置為檢測3D IC的內部溫度。在一些實施例中，控制器向第一熱電冷卻器循環(huán)提供電力以將由溫度監(jiān)測器測量的3D IC的內部溫度維持在由第一預定設定點和第二預定設定點確定的預定范圍內。在一些實施例中，溫度監(jiān)測器以預定間隔監(jiān)測3D IC的內部溫度。在一些實施例中，第一熱電冷卻器包括配置在第一導熱片和第二導熱片之間且以串聯方式電連接的多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片，使得當向多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片施加電壓時，在第一導熱片和第二導熱片之間形成溫度梯度。
[0115]在一些實施例中，一種系統包括:堆疊單兀式3D IC ;第一熱電冷卻器,第一熱電冷卻器包括配置在第一導熱片和第二導熱片之間且以串聯方式電連接的多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片，第一熱電冷卻器配置為當向多個η型半導體芯片和多個P型半導體芯片施加電壓時，在第一導熱片和第二導熱片之間形成溫度梯度，第一熱電冷卻器通過多個導電柱連接到堆疊單元式3D IC ;控制器，其控制向熱電冷卻器的電力供應；以及溫度監(jiān)測器，其配置在堆疊單元式3D IC中，其中，溫度監(jiān)測器配置為檢測堆疊單元式3D IC的內部溫度并連接到控制器。在一些實施例中，該系統還包括通過多個導電柱連接到堆疊單元式3D IC的第二熱電冷卻器。在一些實施例中，控制器為熱電冷卻器提供電力以將由溫度監(jiān)測器測量的堆疊單元式3D IC的內部溫度維持在預定范圍內。
[0116]在一些實施例中，一種方法包括:以預定間隔監(jiān)測三維集成電路的溫度；以及當三維集成電路的監(jiān)測溫度大于或等于第一預定設定點時，使熱電冷卻器通電，熱電冷卻器通過多個導電柱連接到三維集成電路。在一些實施例中，監(jiān)測包括使用配置在三維集成電路內的溫度監(jiān)測器。在一些實施例中，監(jiān)測溫度是三維集成電路的內部溫度。在一些實施例中，第一預定設定點設置為防止三維集成電路的元件超過設計溫度閾值。在一些實施例中，通過受控于控制器的電源使熱電冷卻器通電，控制器接收來自溫度監(jiān)測器的信號。在一些實施例中，該方法還包括當溫度監(jiān)測器顯示三維集成電路的內部溫度大于第二預定設定點時，維持使熱電冷卻器通電，其中，第二預定設定點小于第一預定設定點；以及當溫度監(jiān)測器顯示三維集成電路的內部溫度小于或等于第二預定設定點時，使熱電冷卻器停止。
[0117]雖然在此描述和示出了實例，但是實施例不限于示出的細節(jié)，因為本領域普通技術人員在權利要求的等效物范圍內可作出各種改變和結構變化。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 三維集成電路(3D 1C)； 第一熱電冷卻器，通過多個導電柱連接到所述3D 1C； 控制器，控制所述第一熱電冷卻器；以及 溫度監(jiān)測器，配置為感測所述3D 1C的溫度，所述溫度監(jiān)測器連接到所述控制器。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述3D1C是包括多個管芯的堆疊芯片封裝件。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述3D1C是堆疊單元式3D 1C。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述多個導電柱圍繞所述堆疊單元式3D1C的周邊配置。
5.根據權利要求3所述的系統，其中，所述多個導電柱包括圍繞所述3D1C的周邊配置的第一組導電柱和圍繞所述3D 1C內部的熱點配置的第二組導電柱。
6.根據權利要求1所述的系統，還包括: 第二熱電冷卻器，通過多個導電柱連接到所述3D 1C。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述第二熱電冷卻器配置在所述3D1C與所述第一熱電冷卻器相對的一側上。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述溫度監(jiān)測器配置在所述3D1C中，并且所述溫度監(jiān)測器配置為檢測所述3D 1C的內部溫度。
9.一種方法，包括: 以預定間隔監(jiān)測三維集成電路的溫度；以及 當所述三維集成電路的監(jiān)測溫度大于或等于第一預定設定點時，使熱電冷卻器通電，所述熱電冷卻器通過多個導電柱連接到所述三維集成電路。
10.一種冷卻三維集成電路的系統，包括: 堆疊單元式3D 1C ； 第一熱電冷卻器，所述第一熱電冷卻器包括配置在第一導熱片和第二導熱片之間且以串聯方式電連接的多個η型半導體芯片和多個p型半導體芯片，所述第一熱電冷卻器配置為當向所述多個η型半導體芯片和所述多個ρ型半導體芯片施加電壓時，在所述第一導熱片和所述第二導熱片之間形成溫度梯度，所述第一熱電冷卻器通過多個導電柱連接到所述堆疊單元式3D 1C; 控制器，控制對所述熱電冷卻器的電力供應；以及 溫度監(jiān)測器，配置在所述堆疊單元3D 1C中，所述溫度監(jiān)測器配置為檢測所述堆疊單元3D 1C的內部溫度并連接到所述控制器。
【文檔編號】H01L23/38GK104425408SQ201310593734
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2013年8月29日
【發(fā)明者】鄒宗成, 李伯浩, 陳德瀚 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司