采用微熱電發電機的3D芯片制造技術

本實用新型專利技術涉及一種采用微熱電發電機的3D芯片，包括一N層結構的3D芯片，所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第二熱電偶，則所述3D芯片的底層、中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第二微熱溫差發電機。本實用新型專利技術利用其高的熱功率密度和多維的空間結構，在現有的半導體工藝下，采用微熱電發電機技術，提高芯片的整體能效，加快芯片散熱。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及3D芯片
，特別是一種采用微熱電發電機的3D芯片。
技術介紹
隨著器件特征尺寸物理極限的臨近和晶體管尺寸縮小的成本不斷增加，3D IC（三維方向集成電路）將可能引領以后的發展方向。但是3D IC技術仍存在諸多挑戰。因為3D芯片集成的系統比較龐大，電路功能比較復雜、工作頻率升高，這必然增加系統的功耗，使系統的功率密度加大；另隨著芯片尺寸的縮小和有源層堆疊數目的增加，必然導致其散熱途徑不順暢、熱功率密度急劇增大，這些都將給3D集成系統的穩定性造成了嚴重的挑戰。因此研究提高3D IC電路能效的方法和加快系統散熱的方法變的非常有意義。目前提高能效的方法一般是通過硬件或軟件使芯片盡量減少不必要的功耗，但是盡管采用了這些措施，在復雜的大型電路中能耗還是很大，亟需采用更高效或尋求更多途徑的方法來繼續降低功耗。目前3D芯片解決散熱問題，一般內部采用高熱導率的材料并進行合理的布局,外部采用外設制冷或加快散熱的方式。但是前者有很大的局限性，后者會增加額外的功耗。
技術實現思路
有鑒于此，本技術的目的是提供一種采用微熱電發電機的3D芯片及其實現方法，一方面可以提高電路的能效，特別是隨著微熱電發電機的效率進一步發展，其對芯片的能效提高將會更可觀；另一方面采用微熱電發電機相當于給芯片提供了一個額外的冷卻源，可以加快芯片散熱，卻又不需要增加能耗。本技術采用以下方案實現：一種采用微熱電發電機的3D芯片，其特征在于：包括一N層結構的3D芯片，所述3D芯片的底層與頂層的溫度最低，作為所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中間層溫度最高，作為所述3D芯片的熱源;所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；所述所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第二熱電偶，則所述3D芯片的底層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第二微熱溫差發電機。進一步地，所述N為不小于2的自然數，若N為奇數，則所述3D芯片的中間層為第（N+1）/2層；若N為偶數，則所述3D芯片的中間層為N/2層。進一步地，所述3D芯片的層與層間采用一最小單元的微熱溫差發電機進行連接。與現有技術相比，本技術具有以下有益效果：1、微熱溫差發電機的輸出功率與熱電偶的數量和冷熱源之間的溫差成正比，而3D芯片相對與傳統的平面型結構具有更大的面積和自由度，可以形成更多的熱電偶，且3D芯片的熱功率密度更高，可得到更高的發電效率，即芯片能得到更高的能效。2、3D芯片中微熱溫差發電機的使用，即部分熱量通過熱溫差發電機從熱能轉換為電能，為芯片散熱提供了一個有效的散熱途徑，相比于傳統的被動形式的散熱方式更有優勢。3、在實現工藝上，其相對與普通的3D芯片實現工藝，不需做更多的改動，有利于該方法的實際應用。綜上可知，在3D芯片中使用熱溫差發電機，可以使芯片得到更優良的性能，且隨著溫差發電機技術的進步，該技術具有很大的發展潛力，更重要的是實現該技術不需額外工藝上的要求，有利于該技術的推廣實現。附圖說明圖1是本技術中熱微電發電機的原理圖。圖2是本技術的溫差與電阻的關系示意圖。圖3是本技術的3D芯片結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本技術做進一步說明。本實施提供一種采用微熱電發電機的3D芯片，包括一N層結構的3D芯片，所述3D芯片的底層與頂層的溫度最低，作為所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中間層溫度最高，作為所述3D芯片的熱源;所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；所述所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第二熱電偶，則所述3D芯片的底層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第二微熱溫差發電機。在本實施例中，所述N為不小于2的自然數，若N為奇數，則所述3D芯片的中間層為第（N+1）/2層；若N為偶數，則所述3D芯片的中間層為N/2層。在本實施例中，所述3D芯片的層與層間采用一最小單元的微熱溫差發電機進行連接。在本實施例中，一種采用微熱電發電機的3D芯片的實現方法，包括以下步驟：步驟S1：提供所述N層結構的3D芯片，所述3D芯片的底層與頂層的溫度最低，作為所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中間層溫度最高，作為所述3D芯片的熱源;步驟S2：將所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；步驟S3：將所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第二熱電偶，則所述3D芯片的底層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第二微熱溫差發電機。在本實施例中，由于熱微電發電機的原理圖如圖1所示，則可知N所述N型半導體與P型半導體組成的熱電偶在熱源和冷源之間形成一個回路，由塞貝克效應作用產生一股電流，流經負載，則組成所述微熱溫差發電機；若熱源與冷源之間的溫差為，有組熱電偶，所述N型半導體與P型半導體材料的塞貝克系數為，則負載兩端壓差為：外接合理的負載大小，達到最大輸出功率為：如圖2所示，若冷源和熱源的接觸熱電阻分別為KC和KG，則：，其中KH為，RG為。在本實施例中，假設7層3D芯片的結構示意圖，其熱功率曲線如圖3左邊曲線，在該3D芯片中采用如下的方式進行實現：所述底層和頂層溫度最低，在中間層（第4層）溫度最高。由此可認為芯片的中心（第4層）是熱源，芯片頂層和底層可以認為是冷源。通過在芯片頂層和中間層之間的通孔以及底層和中間層之間的通孔中填充P/N摻雜半導體材料，然后用金屬相連，形成熱電偶，即組成一個最小單元的微熱溫差發電機。同理，也可以在層與層之間形成微熱溫差發電機單元。以上所述僅為本技術的較佳實施例，凡依本技術申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本技術的涵蓋范圍。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種采用微熱電發電機的3D芯片，其特征在于：包括一N層結構的3D芯片，所述3D芯片的底層與頂層的溫度最低，作為所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中間層溫度最高，作為所述3D芯片的熱源;所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第二熱電偶，則所述3D芯片的底層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第二微熱溫差發電機。

【技術特征摘要】
1.一種采用微熱電發電機的3D芯片，其特征在于：包括一N層結構的3D芯片，所述3D芯片的底層與頂層的溫度最低，作為所述3D芯片的冷源，所述3D芯片的中間層溫度最高，作為所述3D芯片的熱源;所述3D芯片的頂層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型半導體與P型半導體之間采用金屬相連形成一第一熱電偶，則所述3D芯片的頂層、所述3D芯片的中間層、N型半導體以及P型半導體組成一第一微熱溫差發電機；所述3D芯片的底層與中間層之間采用N型半導體與P型半導體相連，所述N型...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏榕山，于靜，李睿，鐘美慶，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：新型
國別省市：福建;35