[发明专利]电子元件封装体及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及二维或三维多芯片系统级封装、封装基板制造、半导体制冷领域，尤其涉及一种埋置热电制冷组件的封装基板结构及加工方法。

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，对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之一。另外，伴随轻薄短小、高性能便携电子设备的急速增加，将电子元器件埋入基板内部的所谓后表面贴装（post-SMT）技术已初见端倪。目前，虽然是以埋置电阻、电感、电容等无源元件为主，但近年来，将芯片等有源元件，连同无源元件全部埋置于基板内部的终极三维封装技术也在迅速进展之中。集成电路中的散热一般是通过芯片向一个具有高导热系数的热扩散器来传递，最终通过大表面积的散热片消散于对流气体中封装内的，可见有源基板埋入热积累问题不容忽视。

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。在兼顾复杂程度、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。

目前对有源芯片埋入技术的散热方法的研究还比较少，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：US7893529B2）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 devicr”（公开（公布）号：US6800933B1）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：CN101091246A）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解决有源芯片或模块埋入多层基板技术带来的散热问题，提供一种新的芯片或模块散热的结构，将热电制冷组件与有源元件埋置于多层基板中，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。

为达上述目的，本发明提供了一种电子元件封装体结构，该结构包括位于封装体内部的耦合在一起的热电制冷单元和有源元件。