用于RF和微波通信集成电路的热电定点冷却器制造技术

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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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过滤步骤的信噪比(S/N)。增加S/N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，希望能有一种用于冷却RF电路的设备、系统和方法，从而提高RF电路的带宽和信道容量。系统概述本专利技术提供了一种用于冷却集成电路组件，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的设备。一方面本专利技术提供了一种用于冷却集成电路元件的设备，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；其中热量从所选的集成电路元件通过冷极被移出、然后通过热电冷却器被传输到热极；随后热量被从热极驱散。一种实现方案中，冷却设备包括冷极，热耦合到集成电路部件；热电冷却器，热耦合到冷极；热极，热耦合到热电冷却器。热量从集成电路部件通过冷极传出，然后通过热电冷却器传送到热极。热极位于集成电路表面，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。另一种实现方案中，提供了一种用于冷却集成电路元件的设备，它包括冷极，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；其中热极被热耦合到植入集成电路的体衬底的散热片上；来自集成电路元件的热量被从冷极通过热电冷却器传输，并通过热极发散到体态衬底。附图概述现在只通过实例或参考附图来更详细地描述本专利技术的优选实施方案，在附图中附图说明图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描绘了根据本专利技术热电冷却(TEC)设备的高层次框图；图4描绘了根据本专利技术用于冷却IC RF电路的直接耦合冷却器的顶层平面视图；图5描绘了根据本专利技术的电流控制热电冷却器(TEC)。图6A-6B描绘了根据本专利技术用于冷却RFIC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专利技术带有集成电路的LNA/PA和体/衬底级的冷却器的直接热耦合；图8描绘根据本专利技术在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描绘根据本专利技术示范性的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；优选实施方案的详细描述现参考附图，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·(ω0Δω)2Psignal]]>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，根据本专利技术描绘了热电冷却(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，根据本专利技术描绘了用于冷却ICRF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来冷却螺旋线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于冷却集成电路元件的设备，包括：冷极，热耦合到所选的集成电路的元件；热电冷却器，热耦合到冷极；及热极，热耦合到热电冷却器；其中热量被从所选的集成电路元件通过冷极传出，并被通过热电冷却器传输到热极；　 　热量被从热极散发出去。

【技术特征摘要】
US 2000-12-11 09/734,5191.一种用于冷却集成电路元件的设备，包括冷极，热耦合到所选的集成电路的元件；热电冷却器，热耦合到冷极；及热极，热耦合到热电冷却器；其中热量被从所选的集成电路元件通过冷极传出，并被通过热电冷却器传输到热极；热量被从热极散发出去。2.根据权利要求1的设备，其中热极暴露在集成电路的表面以便把热量散发到周围的空气中。3.根据权利要求1的设备，其中热极被热耦合到无源元件用于散发热量。4.根据权利要求3的设备，其中热极被热耦合到集成电路的体衬底中的散热片，这样来自集成电路元件的热量就能够从冷极通过热电冷却器传出，然后再通过热极被散发到体衬底中。5.根据上述任一权利要求的设备，其中电流是从集成电路中的一个场效应晶体管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。6.根据上述任一权利要求中的设备，其中冷极通过一个热导体与所选集成电路元件热耦合，该热导体提供冷极与所选集成电路元件的至少部分电隔离。7.根据上述任一权利要求中的设备，其中所选的集成电路元件是一个晶体管，冷极与该晶体管的漏极和源极热耦合。8.根据权利要求7的设备，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：US戈萨尔，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]