[发明专利]转接板结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造、微电子封装和三维集成技术领域，特别涉及一种包含热电制冷组件的转接板结构及其实现方法，具体为一种可同时实现通孔互连和可控散热的转接板结构及其实现方法。

背景技术

随着微电子芯片高速度、高密度、高性能的发展，热管理成了微系统封装中的一个非常重要的问题。在高性能计算机中，例如服务器、大型机和超级电脑，多芯片组件的散热将会直接影响计算机的设计性能和操作性能，而造成系统失效的往往又是局部热量集中而引起的热点（hotspot），因此，微电子封装中的散热问题一直是封装设计的关键技术之一。另外，垂直导通孔是一种嵌入在半导体衬底内部的导电通道，通过减薄半导体衬底将其背端露出，可以构成贯穿半导体芯片的电连接，将信号从半导体芯片的一面传导至半导体芯片的另一面，并通过结合芯片堆叠技术，实现多层半导体芯片的三维集成。与传统的引线键合技术相比，使用垂直导通孔可以有效缩短芯片间互连线的长度，从而提高电子系统的信号传输性能和工作频率，是未来半导体技术发展的重要方向。随着垂直通孔转接板技术的发展，多芯片堆叠技术已成为目前很多国际大公司和科研单位的研究热点，而芯片堆叠的层数越多，其热阻就越大，散热的问题就越突出，还往往会出现局部热点问题而影响器件的性能。

电子封装中所采用的散热方法一般包括空气自然对流、空气强迫对流、液体冷却、热管冷却、蒸发、喷射冷却和热电制冷等。空气强迫对流是散热成本最低最常用的散热方式，但是由于受制于风冷原理自身,散热效果的改善是较小的。液冷对制作工艺以及材料的要求比较苛刻，对散热通道的工艺性，可靠性要求很高，现有的一些技术还不成熟，成本比较高。一些液体对焊球腐蚀以及电连接的影响，一定程度上降低了芯片整体的可靠性。兼顾复杂程度、成本、散热效果三方面考虑,热电制冷技术是一种行之有效且简单易行的降温的方法。

热电制冷又称作半导体制冷，是利用热电效应（即帕米尔效应）工作的一种制冷方法，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。单个热电偶产生的制冷量很小，把多个热电偶对在电路上串起来形成制冷热电堆，可以得到较高的制冷系数。热电制冷的优点是无噪音、无磨损、可靠性高、灵活性强、无污染等。重掺杂的N型和P型的碲化铋是用作热电致冷器（ThermoElectric Cooler，TEC）的主要半导体材料。

目前微电子芯片散热方法的研究大多是采用散热片（heat spreader），导热孔或者传导性很好的热界面材料（TIM）等，对于热电制冷单元用于微系统封装散热的也多集中在表面粘附，很少有埋入的。Intersil corporation的Nirmal K.Sharma的专利“Package for integrated circuit with thermal vias and method thereof”（专利号：US006861283B2）中，基板中添加导热孔进行散热，将芯片或模块的散热问题转移到印刷电路板PCB，具有结构简单易实现的特点，但效率较低。IBM的Louis Lu-Chen Hsu等人在“Thermoelectric 3d cooling”（公开（公布）号：US 7893529B2）中，通过在一个芯片的一面采用薄膜技术制作TEC结构后粘到第二个芯片，从而形成三明治的结构实现多芯片堆叠，并通过电流方向来控制制冷和加热芯片。这种方法制作的TEC体积小，能分别实现升温和降温，对特殊场合的芯片有很大的意义，但这也是限制，限制两个芯片必须一个升温，一个降温。AMD的Charles R.Mathews等人在“Integrated circuit cooling device”（公开（公布）号：US6800933B 1）中提出了一种用TEC对晶体管进行散热的结构以及在半导体衬底上制作TEC单元的一种方法。英特尔公司的M.法拉哈尼等人在“Thermoelectric 3d cooling”（公开（公布）号：CN 101091246A）中，提出了一种在芯片表面通过薄膜工艺制作TEC结构散热的方法和制作TEC的工艺，该方法的缺点是还需要组装到PCB或者基板上，这样会增大整个封装体的空间。

发明内容

本发明目的在于为了同时实现转接板垂直通孔和可控散热的结构和制作方法，提供一种新的芯片或模块散热的结构，将热电制冷组件与电学互连通孔同时制作在转接板中，实现了系统级封装板，不但提高了系统的散热效率，还提高了系统功能的可靠性，同时使系统更高密度化和微小型化，改善信号传输的性能，降低了生产成本。