CN100409432C - 用于rf和微波通信集成电路的热电定点冷却器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于冷却集成电路中所选元件(例如射频集成电路中所用的有源晶体管或无源电路元件)的设备。在一种实施方案中，该冷却设备包括：冷极，热耦合到邻近集成电路元件的区域；热电冷却器，热耦合到冷极；热极，热耦合到热电冷却器。热量被从集成电路元件中通过冷极移出，并通过热电冷却器被传输到热极。一种形式下，热极位于集成电路的外表面或与其耦合，这样从集成电路元件中传输到周围的热量就能够被散发到集成电路周围的空气中。另一种形式中，热极被嵌入到集成电路衬底中以在把热量导入衬底的同时局部冷却集成电路元件。

Description

用于RF和微波通信集成电路的热电定点冷却器
技术领域
本发明通常涉及集成电路领域，尤其与为冷却集成电路的方法和设备有关。
背景技术
射频(RF)和微波频率已经在20世纪的大部分年代中用来提供通信。RF和微波技术的早期应用涉及到无线电通信、广播和双向通信、以及用于探测外来飞行器的雷达。这些早期技术中有很多都是在19世纪40年代开发用于二战的。
战后，RF和微波技术被扩展到了其它通信领域。电话公司用微波技术来传送跨区域的话音通信，在这些区域中无法建立起传输线路，例如山岭地区。RF频率还由新兴的电视工业用于传送电视广播到人们的家中，家里的电视机可以接受广播信号。
最近，RF传输已经被用来传送用于军事和商业目的的卫星信号，近来还用于向订户的家中传送电视内容以及Internet访问。RF和微波频率还用来提供无线(蜂窝)电话服务，这些服务包括模拟、数字和个人通信服务(PCS)。
通过RF传输的电子通信的传输容量取决于频率信号的范围(带宽)，以及带宽中信道的数量。它可以用位/秒、字节/秒或赫兹(每秒的周期数)来表示。因为越来越多的信息通过RF电路进行传输，因而就需要更大的带宽来应付信息传输量的增加。然而，RF、蜂窝以及微波系统的带宽或信道容量受限于系统中放大和滤波处理的信噪比(S/N)。增加S/N比的一种重要方法是通过降低电路的工作温度来减少热噪声。因此，希望能有一种为RF电路冷却的设备、系统和方法，从而增加RF电路的带宽和信道容量。
美国专利号5,895,964公开了在电路中制造的一种电路元件，包括两种不同金属的热电冷却元件与该电路元件热耦合以用于该电路元件冷却。提供电源以向该电路元件施加驱动电流。该电路被进行布线以使驱动电流像其中的工作电流流经热电冷却元件。
JP-A-9 064 255公开了一种装置，凭借该装置冷却元件能够直接为半导体中的有源元件冷却以提高冷却有源元件的效率。
DE-A-100 09 899公开了一种设备，该设备与半导体芯片直接相连并被执行执行电或光操作。冷却元件和半导体芯片之间的联结涂层由一层或多层敷金属组成。几种有源的冷却元件可以直接附着到一个半导体芯片上。
发明内容
本发明提供了一种为集成电路组件，例如无线电频率转换器或接收器中所用的场效应晶体管电路，冷却的设备。
一方面本发明提供了一种为集成电路元件冷却的设备，包括：冷极，热耦合到所选的集成电路元件；热电冷却器，热耦合到冷极；热极，热耦合到热电冷却器；其中热极与集成电路的体衬底中的散热片热耦合；并且来自集成电路元件的热量被从冷极通过热电冷却器传出，然后通过热极散发到体衬底。
一种实现方案中，提供了一种为集成电路元件冷却的设备，包括：冷极，热耦合到所选的集成电路元件；热电冷却器，热耦合到冷极；热极，热耦合到热电冷却器；其中热量通过冷极被从所选的集成电路元件中移出，然后通过热电冷却器传送到热极；然后热量被从热极散发出去。
另一种实现方案中，冷却设备包括：冷极，热耦合到集成电路元件；热电冷却器，热耦合到冷极；热极，热耦合到热电冷却器；热量通过冷极被从集成电路部件移出，并通过热电冷却器被传输到热极。热极位于集成电路的表面，这样从集成电路部件传输到热极的热量可以被散发到集成电路芯片周围的空气中。
附图说明
现在只通过实例或参考附图来更详细地描述本发明的优选实施方案，在附图中：
图1A-1E描绘了从冷却操作中获益的典型射频(RF)电路的实例的图示；
图2描绘了片上螺旋电感器的品质因子的典型的温度依赖关系图；
图3描绘了根据本发明热电冷却(TEC)设备的高层次框图；
图4描绘了根据本发明用于冷却IC RF电路的直接耦合冷却器的顶层平面视图；
图5描绘了根据本发明的电流控制热电冷却器(TEC)。
图6A-6B描绘了根据本发明用于冷却RF IC电路的制作了图案的冷极的顶部切割平面视图和剖面视图；
图7A-7B描绘了一个顶部切割平面视图和一个剖面视图，这两个视图说明了根据本发明带有集成电路的LNA/PA和体/衬底级的冷却器的直接热耦合；
图8描绘根据本发明在RF CMOS IC上制作的示范性的热电定点冷却器的剖面视图；
图9描绘根据本发明示范性的RF螺旋电感器电路的剖面视图，其中热电冷却器被插入到无源电感器中，而热量被拒入体衬底；
具体实施方式
现参考附图，特别是图1A-1E描绘了从冷却操作受益的典型射频(RF)电路的实例的电路图。图1A描绘了一个无源天线系统的实例。图1B描绘了输入低噪声放大器(LNAs)的一个实例。图1C描绘了RF电路中的混频级的实例。图1D描绘了正交振荡器的实例。图1E描绘了输出上的功率放大器(PA)的实例。信号通路中所采用的这些电路和滤波器的信道选择取决于无源电感器和电容器的品质因子和晶体管中的热噪声电压。品质因子和热噪声电压都在很大程度上依赖于工作温度。
现在参考图2，描绘了片上螺旋电感器的品质因子的典型的温度依赖关系图。图2中所描绘的图把实现在CMOS测试芯片的时钟发生器中的150×150μm23.1毫微亨(nH)的螺旋电感器线圈的品质因子相对操作频率(以GHZ表示)在三种温度下联系起来。如图2中所示，在所有操作频率下，螺旋电感器线圈的品质因子都随着电感器的温度下降而连续上升。在100摄氏度的电感器温度下，在1.0到10.0GHZ的频率范围内的电感器线圈的品质因子在2到3之间。随着电感器线圈的温度被降到25摄氏度，相同频率范围上的品质因子被提高到大约5.0。随着感应线圈的温度进一步降低到-123摄氏度，相同频率范围上的品质因子甚至进一步提高到大约15.0到18.0。因而，降低电感器线圈的工作温度以获得巨大的收益。其它RF电路也会实现类似的由温度降低获得的收益。振荡器的相位噪声L也直接受电路的工作温度的影响。振荡器的相位噪声的温度依赖关系由下列公式给出：
L { Δω } = kT · R · F · ( ω 0 Δω ) 2 P signal
其中：
R＝(LC)容器(温度依赖)的有效阻抗
ω0＝振荡的中心频率
Δω＝频率偏移
F＝与来自活动设备的噪声有关的项
Psignal＝振荡能级
T＝用开氏温标表示的绝对工作温度
从这个方程可以看出，相位噪声随着振荡器温度的升高而增加。因此，有必要使振荡器在较低的温度上工作以降低相位噪声的量。
参考图3，根据本发明描绘了热电冷却(TEC)设备300的高层次框图。TEC设备300优选地在温度敏感元件附近与集成电路相连。热电冷却是一个众所周知的原理，它是根据珀尔贴效应，采用热电冷却要将垂直电源302的直流电流施加到跨越两种不同的材料，使得热量在这两种不同材料的结合处被吸收。典型的热电冷却设备使用p-型半导体304和n-型半导体306，并把它们夹在拥有很好的热传导参数的不良电导体308之间。当电子通过电导体310从p-型半导体304移动到n-型半导体306时，由于从热源312吸收的热能而导致电子的能态升高。这个过程的结果是把热能从热源312通过p-型半导体304和电导体310中的电子流转移到散热片316。电子在电导体310中落到低能态并释放出热能。
现在参考图4，根据本发明描绘了用于冷却IC RF电路的直接耦合的冷却器的顶层平面视图。集成电路400包括两个冷却器404和406，它们都热耦合到无源螺旋线圈402。冷却器404和406可以实现为图3中的TEC设备300。这种实施方案中，冷却器406的冷极被通过结构408和410直接耦合到无源螺旋线圈402的一端。通过结构408和410和较低级的互连414优选为导热导电的铜合成物冷却器404的冷极直接热耦合到螺旋线圈402的另一端420，也优选为铜合成物。
冷却器404和406以及螺旋线圈402的位置被构建在集成电路400的同一层中。互连414被构建在集成电路400比螺旋线圈402所在层较低的一层中。图中使用了两个冷却器404-406来冷却螺旋线圈402，但也可以使用单冷却器。然而，两个冷却器串联工作为螺旋线圈402提供了比单冷却器时更强的冷却能力，并且有助于减少螺旋线圈402的不同段之间的温度变化斜率。
冷却器406和无源螺旋线圈402之间的电子隔离可以用电流模式电路或超薄介质钝化层来实现，例如化学气相沉积二氧化硅或阳极氧化铝。铝的阳极氧化相对于CVD二氧化硅是优优选的，因为1-10纳米(nm)介质层可以轻松形成，而且铝(氧化铝)的热传导性好于二氧化硅。
现在参考图5，根据本发明描绘了电流控制的热电冷却器(TEC)电路。电流控制的TEC电路500是电流模式电路的一个实例，电流模式的电路可以结合直接耦合的冷却器400以便维持冷却器404-406和无源螺旋线圈402之间的电绝缘。电流控制的TEC电路500包括p-沟道场效应晶体管502-506，n-沟道晶体管508，反相器510和512-514，以及TEC516。TEC516有用于散发热量的热端518和与要冷却的设备相耦合的冷端520。
晶体管508的栅极与偏向控制电压Vbc和反相器510的输入相耦合。反相器510的输出与晶体管506的栅极相耦合。晶体管506的漏极和晶体管508的漏极与晶体管512的源极和晶体管512-514的栅极相耦合，因此晶体管512和514为电流镜配置。晶体管512-514的漏极与地Gnd相耦合。晶体管514的源极与TEC516的第二末端相耦合。因而，电流控制的TEC电路500根据偏向电压Vbc维持通过TEC516的恒定电流I0。即使TEC516的冷端520与该设备电相连，由基尔霍夫法则，在TEC516和该设备之间也没有电流通过。因而电流-模式偏向电路500确保与TEC516的电绝缘。
现在参考图6A和6B，图6A为根据本发明用于冷却RF IC电路的集成电路芯片中所制作了图案的冷极的顶部平面图，图6B根据本发明描绘了该集成电路芯片的部分剖面视图。在这个实施方案中，作为使用图4中所描绘的直接耦合冷却器的代替者，冷极602被放在了RF电路650(例如，图1-5中所描绘的RF电路之一)下面。通过把冷极602放置在RF电路650下面，可以冷却RF电路650中大面积的电感器和电容器。然而，冷极602与RF电路650中的任一电路都没有物理接触，但由绝缘材料604隔开。冷极602通过热导体608与热电冷却器606热耦合。
如果用金属制作冷极602并把它用在RF电路中的电感器下，冷极602就被制作成图案用来避免由磁耦合电感器导致在金属层中感生出循环涡流电流。
集成芯片600可以包含除RF电路650以外不产生多余热量并且不需要冷却的其它区域。因而，可以根据本发明通过定点冷却集成电路600中产生大量热量并需要冷却的部分(即，RF电路650)来实现节能效率。
现在参考图7A到7B，图7A描绘了一个顶层切割平面视图，该视图根据本发明通过集成电路(IC)的体/衬底级说明TEC冷却器的直接热耦合，图7B根据本发明通过集成电路(IC)的体/衬底级描绘了TEC冷却器的直接热耦合沿750的剖面图。通道702-712热耦合IC700的冷极762到IC700的体/衬底级752，体/衬底级752可以包括低噪声放大器电路。TEC冷却器714的冷极762是通过介入金属化和/或氧化层754而从IC700的体/衬底级752分离的。
电导体760把p-型杂质热电偶758耦合到n-型杂质热电偶756，因而允许电流从电导体768通过热电偶756和758流出并通过电导体766。电绝缘的热导体热极764与电导体766-768有物理接触，允许热量从热电偶756-758流入热极764，热量在那里被散发出去。
现在参考图8，根据本发明描绘了RF CMOS IC上的示范性热电定点冷却器的剖面图。在这个示范性实施方案中，集成电路(IC)芯片800包括低噪声放大器(LNA)晶体管808，它被形成为位于硅衬底890之上的隐埋氧化物894中的绝缘体上的硅(SOI)晶体管。热电冷却器(TEC)832位于LNA晶体管808之上，用于冷却LNA晶体管808。用来为TEC832提供电流源的第二晶体管806也被形成为隐埋氧化物894中的SOI晶体管。穿过氧化层816的传导通道结构810将晶体管806的漏极826耦合到TEC832以提供电流给TEC832的p-型838和n-型840半导体材料。P-型838和n-型840半导体区域提供与图3中的p-型半导体304和n-型半导体306相似的功能。
散热器830充当散热片，例如图3中的散热片316，用于通过834层发散与TEC832的热端元件热耦合但来电耦合的热量。834层可以用超薄氧化物或氧化铝来构造。散热器830可以通过焊料被耦合到834层。
N-型半导体840被通过薄层836热耦合到冷极828。836层也可以用超薄氧化物或氧化铝来构造。
冷极828分别通过使用通道814和812经氧化层816热耦合到晶体管808的漏极824和源极822。通道812、814和810通常是用金属构造的，例如铜(Cu)或钨(W)，而且都是良好的电导体和热导体。通道814通过扩散区818与漏极824热耦合，杂质类型和漏扩散区824相反，它在维持通道814和冷极828与漏极824的电隔离的同时提供热连接。通道812通过类似扩散区域820与源极822热耦合，820在维持通道812和冷极828与源级822的电隔离的同时提供热连接。
因而，随着热量由RF工作堆积在晶体管808中，热量通过通道812和814被带到TEC832的冷极828。随后热量被从冷极828传输到散热器830，在那里被从IC芯片800散发出去。
可选地，可以进行844区的反应离子蚀刻(RIE)。RIE蚀刻在844区中形成一个沟，它有助于确保冷极828和通道810的进一步的热绝缘，通道810连接到作为热极的p型半导体区域838。
图8中所描绘的结构被作为与RF IC设备直接耦合的热电定点冷却器的一个实例，但并非为了限制本发明。例如，在RF设备例如晶体管808和冷极828之间可以使用更多或更少的金属化层M1-M5以及LM。此外，晶体管808可以是不偏离本发明的范围和精神的任意单一或复合温度敏感设备。另外，还应该注意本发明并不仅限于构造成SOI晶体管的RF晶体管，还可以应用于体晶体管，甚至是除晶体管以外的RF设备。此外，可以用所述以外的其它物质和化合物来构造IC芯片802的元件。
现在参考图9，根据本发明描绘了一个示范性RF螺旋电感器电路的剖面视图，其中热电冷却器被植入无源电感器中，热量被拒入体衬底。IC芯片900包括拥有在所描绘的视图中可见的部件908和910的螺旋电感器。螺旋电感器部件908和910是用导电材料制成的，例如铜(Cu)。螺旋电感器被形成在冷端904中，并且电感器部件的电感器引线908和910热耦合合到冷端904，904依次由光刻胶材料(PR)支撑912部分支撑在IC芯片900的表面930之上。
热电冷却器902包括导电(但非导热)薄层906来耦合冷端904到TEC的P-型元件914和N-型元件916的冷端。通过导体932提供驱动TEC的电流，导体932在所描绘的实例中位于第二个金属化层M2中。热电冷却器902还包括第二个导热(但非导电)薄层918来提供到通道920的热耦合。通道920随后通过氧化层922提供到衬底926上的热端924的热连接。随着热量在螺旋电感器中产生，它被TEC902从冷端904传输到热端924，并传入体硅衬底926中，这样就实现了为螺旋电感器冷却。
虽然已经主要参考通过位于集成电路表面的热极把热量散发到体衬底或集成电路周围的空气描述了本发明，但还可以用其它方法来散发热量。例如，可以通过热管道而不是直接在空气中排除热量。此外，热电冷却器并不仅限于单一类型的热电冷却器，它还可以实现为不同类型的热电冷却器，例如量子点冷却器。
还应该注意的是本发明可以把带有光阻或绝缘支持的金属结构轻松地插入到冷却装置中。此外，还应该注意本发明并不局限于所描绘的示范性结构，在不偏离本发明的范围和精神的前提下还可以有大量的替代结构。
为说明和描述起见已经给出了本发明的描述，但这些描述并不是详尽无遗的，本发明也不限于所公开的形式。对本领域的技术人员来说很多修改和变化都是显而易见的。选择这个实施方案来描述是为了更好地说明本发明的原理和实际应用，并使本领域的技术人员能够理解带有不同更改的不同实施方案适用于所关注的具体应用。

Claims (20)

1. 一种用于冷却集成电路(900)的元件的设备，包括：
冷端(904)，热耦合到所选的集成电路的元件；
热电冷却器(902)，热耦合到冷极；
热端(924)，热耦合到热电冷却器；
其中热量被从所选的集成电路元件中通过冷端传出，并被通过热电冷却器传输到热端；
热量被从热端散发出去，其特征在于：
热端与集成电路的体衬底(926)中的散热片热耦合，这样来自集成电路元件的热量可以通过热电冷却器从冷端传出并且通过热端并散发进体衬底。
2. 根据权利要求1的设备，其中：
热端被热耦合到无源元件用于散发热量。
3. 根据权利要求1或2的设备，其中电流是从集成电路中的一个场效应晶体管(506)提供给热电冷却器的，上述场效应晶体管的漏极通过一个通道结构与上述热电冷却器电耦合。
4. 根据权利要求1或2的设备，其中冷端通过一个热导体(812、814)与所选集成电路元件热耦合，该热导体提供冷端与所选集成电路元件的至少部分电隔离。
5. 根据权利要求1或2的设备，其中所选的集成电路元件是一个晶体管(808)，并且冷极(828)与该晶体管的漏极(824)和源极(822)热耦合。
6. 根据权利要求5的设备，其中晶体管是一个低噪声放大器晶体管(808)。
7. 根据权利要求5或6中的设备，其中的晶体管是一个氧化物上硅的晶体管。
8. 根据权利要求1或2的设备，其中所选的集成电路元件是一个电容器。
9. 根据权利要求1或2的设备，其中所选的集成电路元件是一个电感器。
10. 根据权利要求9中的设备，其中的电感器是一个螺旋电感器。
11. 根据权利要求1或2的设备，其中所选集成电路元件被用在射频电路中。
12. 根据权利要求11的设备，其中射频电路包含天线。
13. 根据权利要求12的设备，其中的射频电路包含无源天线。
14. 根据权利要求11的设备，其中的射频电路包含低噪声放大器。
15. 根据权利要求11的设备，其中的射频电路包括混频器。
16. 根据权利要求11的设备，其中的射频电路包括正交振荡器。
17. 根据权利要求11的设备，其中的射频电路包括功率放大器。
18. 根据权利要求1或2的设备，其中冷端是由一个支撑部分地支撑而远离集成电路元件的表面的。
19. 根据权利要求18的设备，其中所述支撑包含光刻胶。
20. 根据权利要求1或2的设备，其中冷端是通过由至少一个制作了图案的集成电路层定义的通路与集成电路中所选中的元件相热耦合。
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