集成器件使用TEC进行散热
集成器件使用TEC进行散热
CN 116780332 集成器件使用TEC进行散热1. 技术领域与背景
[*]该专利涉及半导体封装技术，特别针对高性能计算系统中光学I/O模块的散热问题。由于光信号到电信号转换效率低（约50%的能量以热量形式耗散），光学引擎（光子引擎）的温度管理成为关键挑战。传统散热手段（如金属盖）效率不足，因此提出结合热电冷却器（TEC）的封装方案，以提升光子引擎的散热效率。
2. 关键装置设置与结构
[*]光子引擎（Photonics Engine）
[*]核心组件：
– 光子管芯（Photonics Die）：包含硅波导（44）、锗调制器（46）及互连结构（48），用于光信号处理（图7-12）。– 电子管芯（E-Die）：控制光子管芯的集成电路（如SerDes），通过互连结构（48）与光子管芯连接（图8）。– 光子组件（Photonics Component）：如激光二极管或光电二极管，通过微透镜（62）与光纤（80）耦合（图5, 17）。– 支撑衬底（Support Substrate）：高导热材料（如硅），内置贯通孔（92）以连接TEC（图10, 16）。
[*]关键附图：图5（光子引擎结构）、图10（支撑衬底与贯通孔）、图12（重构晶圆）。
[*]中介层（Interposer）
[*]结构类型：– 硅基中介层：含硅衬底和穿透硅衬底的贯通孔（TSV）（图26, 27, 31）。– 有机中介层：含再分布线（RDL）的介电层。– 局部硅互连（LSI）中介层：集成LSI管芯和互连结构（图32）。
[*]功能：实现光子引擎、封装组件与封装衬底的电连接（图1, 13）。
[*]关键附图：图31（硅基中介层）、图32（LSI中介层）。
[*]封装组件（Package Component）
[*]器件类型：– 逻辑管芯：如CPU、GPU（16A）。– 存储器堆叠件：如HBM（16B），包含存储器管芯和密封剂（28）。
[*]接合方式：通过焊料区域（22）或混合接合与中介层连接。
[*]关键附图：图1（封装组件接合）、图16（存储器堆叠结构）。
[*]热电冷却器（TEC）
[*]类型与结构：– BiTe基TEC：交替排列的p型/n型BiTe合金块，通过金属板串联（图28A-B）。– Si/SiGe基TEC：垂直或水平超晶格结构（图29-30）。
[*]工作模式：电流输入（节点72）触发帕尔帖效应，冷侧（70C）吸热，热侧（70H）散热（图2, 24）。
[*]连接方式：– 线接合（图4）、贯通孔（图16, 24）或模塑通孔（图22）。
[*]关键附图：图28A-B（BiTe结构）、图29-30（Si/SiGe结构）、图24（TEC与贯通孔连接）。
[*]密封剂与金属盖
[*]密封剂（Molding Compound）：模塑料封装光子引擎和封装组件（图1, 21）。
[*]金属盖（Metal Lid）：通过热界面材料（TIM）连接至封装组件，辅助散热（图6, 25）。
[*]关键附图：图6（金属盖结构）、图21（密封剂封装）。
3. 关键步骤与工艺流程
[*]光子引擎制备（图7-12）
[*]步骤：1) 光子管芯制备（图7）：集成硅波导、锗调制器及互连结构。2) 电子管芯与光子组件接合（图8）：通过混合接合固定在光子管芯上。3) 形成贯通孔与支撑衬底（图9-10）：在间隙填充区域（36）中形成贯通孔（88），接合支撑衬底（60）并集成微透镜（62）。4) 减薄与焊料连接（图11-12）：减薄光子管芯衬底，露出贯通孔并形成焊料区域（128）。
[*]关键附图：图9（贯通孔形成）、图12（重构晶圆）。
[*]中介层与封装组件接合（图1, 13-14）
[*]步骤：1) 中介层制备（图26-27, 31）：硅衬底减薄，形成TSV（138）和焊料区域（144）。2) 封装组件（16A/B）和光子引擎（26）接合至中介层（图1, 13）。3) 底部填充与密封剂封装（图14, 21）：分配底部填充物（24）和密封剂（28）。
[*]关键附图：图1（初始接合）、图14（密封剂应用）。
[*]TEC连接与电流传导（图2-4, 16-18, 24）
[*]步骤：1) TEC安装（图2, 16）：通过热界面材料（TIM 68）将TEC（66）冷侧（70C）连接至光子引擎。2) 电流通路构建：– 线接合：金属线（78）连接TEC与封装组件（图4）。– 贯通孔：支撑衬底（60）或密封剂（28）中的贯通孔（92, 136）直接传导电流（图16, 24）。3) 光纤连接（图5, 17）：通过光学胶（82）将光纤（80）对准微透镜（62）。
[*]关键附图：图4（线接合）、图24（贯通孔连接）。
[*]金属盖与封装完成（图6, 25）
[*]步骤：1) 金属盖（84）通过粘合剂（86）固定至封装衬底（76）。2) TIM（87）连接金属盖与封装组件（16），形成散热路径。
[*]关键附图：图6（金属盖安装）、图25（最终封装结构）。
[*]多实施例差异对比
[*]电流传导方式：– 实施例1（图1-6）：线接合（78）连接TEC与封装组件。– 实施例2（图7-18）：支撑衬底贯通孔（92）传导电流。– 实施例3（图19-25）：模塑通孔（136）穿透密封剂传导电流。
[*]关键附图：图16（贯通孔实施例）、图22（模塑通孔实施例）。
4. 关键附图索引5. 技术优势与创新点
[*]高效散热设计：通过TEC主动冷却光子引擎，冷侧直接接触热源，热侧结合金属盖被动散热，显著提升散热效率（图2, 24）。
[*]模块化封装：中介层支持多种封装组件（逻辑/存储器）与光子引擎的集成，适应不同应用场景（图1, 13）。
[*]灵活电流传导：线接合、贯通孔或模塑通孔提供多种电流通路设计选择，优化制造工艺（图4, 16, 24）。
[*]光学集成：微透镜与光纤直接耦合，降低光信号损耗（图5, 17）。
6. 总结
[*]该专利通过创新的封装结构和工艺设计，解决了光子引擎的高效散热难题。其核心在于结合TEC的主动冷却与金属盖的被动散热，同时利用中介层实现多组件集成。不同实施例展示了电流传导的灵活方案（线接合、贯通孔、模塑通孔），适应多样化的制造需求。附图详细呈现了各组件结构（光子引擎、TEC、中介层）及工艺流程，为高性能光学封装提供了可靠的技术路径。
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