电子设备封装的适应调节系统的制作方法

1.本发明的实施方案总体上涉及电子设备冷却。更具体地，本发明的实施方案涉及用于电子设备封装的方法和自适应调节系统。


背景技术：

2.用于集成电路(ic)装置的主动冷却控制系统通常需要硬件和/或软件组件(包括传感器、缆线和软件)以调节系统温度。在某些情况下，冷却控制系统中的组件故障可能会对系统性能产生负面影响。另外，这种调节系统增加封装的复杂性。
3.对于电子设备封装，空间受限以实现用于电子设备封装的主动冷却系统。此外，专用的主动冷却系统可能需要特定的调整程序以在特定操作条件下操作。


技术实现要素：

4.在一方面，本发明提供了自适应电子设备封装，包括：
5.具有负温度系数的电阻率的电阻材料，所述电阻材料热耦合至电子芯片；和
6.热耦合至所述电子芯片的热电冷却器，并且所述热电冷却器与所述电阻材料和电源以串联方式电连接以冷却所述电子芯片，
7.其中如果所述电子芯片的温度升高，则所述电阻材料的电阻减小以导致供给至所述热电冷却器的电压/电流增大，并且如果所述电子芯片的温度降低，则所述电阻材料的电阻增大以导致供给至所述热电冷却器的所述电压/电流减小。
8.在另一方面，本发明提供了用于自适应电子设备封装的方法，包括：
9.测量在电子设备封装的一个或多个感测位置处的温度；
10.如果测量的温度大于目标温度，则减少具有负温度系数的电阻率的电阻材料的电阻；
11.如果测量的温度小于所述目标温度，则增大所述具有负温度系数的电阻率的电阻材料的所述电阻；和
12.将升高或降低的电压供给至热耦合至所述电子设备封装的电子芯片的热电冷却器，
13.其中所述供给基于所述电阻材料的所述电阻的变化，其中供给至所述热电冷却器的所述升高或降低的电压导致在所述一个或多个感测位置处测量的温度分别降低或升高，其中
14.所述热电冷却器与所述电阻材料和电源以串联方式电连接以冷却所述电子芯片，其中如果所述电子芯片的温度升高，则所述电阻材料的电阻减小以导致供给至所述热电冷却器的电压升高，并且如果所述电子芯片的温度降低，则所述电阻材料的电阻增加以导致供给至所述热电冷却器的电压降低。
附图说明
15.本发明的实施方案通过实施例示出，并且不受限于附图中的图，在附图中相同的附图标记表示相似的元件。
16.图1是示出根据一个实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
17.图2是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
18.图3是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
19.图4a是示出根据另一实施方案的具有风扇的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
20.图4b是示出根据另一实施方案的具有流体冷却的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
21.图5是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。
22.图6示出根据一个实施方案的调节电子设备封装的温度的流程图。
23.图7示出根据另一实施方案的调节电子设备封装的温度的流程图。
24.图8示出根据一个实施方案的流程图。
具体实施方式
25.将参照以下讨论的细节来描述本发明的各个实施方案和方面，并且附图将示出各个实施方案。以下的描述和附图是举例说明本发明的，而不应被解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施方案的透彻理解。但是，在某些情况下，为了提供对本发明实施方案的简要讨论，没有描述熟知的或常规的细节。
26.在说明书中对“一个实施方案(one embodiment)”或“一种实施方案(an embodiment)”的引用是指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施方案中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施方案中(in one embodiment)”不一定全部是指同一个实施方案。
27.本公开的实施方案提供了热电冷却/珀耳帖(peltier)冷却的解决方案，以冷却集成电路(ic)封装中的ic芯片/装置。可以将该冷却解决方案添加到现有的ic封装中，或者可以将该解决方案部分实现作为ic封装中的ic的嵌入式组件。尽管公开了用于ic封装的实施方案，但是以下实施方案也可以被应用于其它工业过程，用于控制和优化热电转换等。
28.根据第一方面，自适应电子设备封装(self-acclimating electronics package自适应电子设备封装)包括电子芯片、具有负温度系数的电阻率的电阻材料(该电阻材料热耦合至该电子芯片)、和热耦合至该电子芯片的热电冷却器。该热电冷却器与电阻材料和电源以串联方式电连接以冷却该电子芯片，其中如果电子芯片的温度升高，则电阻材料的电阻减小以导致供给至在环路中串联连接的热电冷却器的电压增大，并且如果电子芯片的温度降低，则电阻材料的电阻增大以导致供给至热电冷却器的电压减小。这种有弹性的自适应冷却系统消除了可能不太可靠、昂贵、复杂且可能需要额外的封装空间和/或调整的任何控制硬件、固件和/或软件以及控制算法。
29.在一个实施方案中，该热电冷却器包括第一热传导层、热耦合至电子芯片的第二热传导层、热耦合至第一热传导层的第一多个电传导垫、热耦合至第二热传导层的第二多个电传导垫、和多个交替的p型和n型半导体柱，该交替的p型和n型半导体柱夹在第一热传
导层和第二热传导层之间(或热连接在第一热传导层和第二热传导层之间)。该p型和n型半导体柱通过第一多个电传导垫和第二多个电传导垫以串联方式电连接以接收电压供给。
30.在一个实施方案中，电阻材料位于电子芯片的部分与第二热传导层之间，其中电阻材料感测电子芯片的该部分处的温度。在一个实施方案中，将电阻材料嵌入第二多个电传导垫中的至少一个中，该第二多个电传导垫中的至少一个热耦合至第二热传导层，该第二热传导层热耦合至电子芯片的部分，其中电阻材料感测第二热传导层的温度。
31.在一个实施方案中，自适应电子设备封装还包括第二电阻材料，该第二电阻材料设置在第一多个电传导垫中的至少一个中，该第一多个电传导垫中的至少一个热耦合至第一热传导层，其中第二电阻材料感测第一热传导层的部分处的温度。在一个实施方案中，自适应电子设备封装还包括用于空气冷却的风扇，其中该电阻材料电连接至风扇以调节供给至风扇的电压。
32.在一个实施方案中，自适应电子设备封装还包括冷却板，该冷却板热耦合至第一热传导层的部分，其中电阻材料电连接至液体(或流体)泵/阀以调节用于冷却该冷却板的液体流。在一个实施方案中，具有负温度系数的电阻率的电阻材料包括硅材料。在一个实施方案中，电阻材料是电子芯片的嵌入式组件。
33.根据第二方面，公开了自适应电子设备封装。电阻材料感测/测量在电子设备封装的一个或多个感测位置处的温度。如果测量的温度大于目标温度，则减少具有负温度系数的电阻率的电阻材料的电阻。如果测量的温度小于目标温度，则增大具有负温度系数的电阻率的电阻材料的电阻。自适应电子设备封装将升高或降低的电压供给至热耦合至该电子设备封装的电子芯片的热电冷却器，其中供给至该热电冷却器的该升高或降低的电压导致在一个或多个感测位置处测量的温度分别降低或升高。该热电冷却器与电阻材料和电源以串联方式电连接以冷却电子芯片，其中如果电子芯片的温度升高，则电阻材料的电阻减小以导致供给至热电冷却器的电压升高，并且如果电子芯片的温度降低，则电阻材料的电阻增大以导致供给至热电冷却器的电压降低。
34.在一个实施方案中，该热电冷却器包括第一热导体、热耦合至电子芯片的第二热传导层、热耦合至第一热传导层的第一多个电传导垫、热耦合至第二热传导层的第二多个电传导垫、和多个交替的p型和n型半导体柱，该交替的p型和n型半导体柱被夹在第一热传导层和第二热传导层之间。该p型和n型半导体柱通过第一多个电传导垫和第二多个电传导垫以串联方式电连接以接收电压供给。
35.在一个实施方案中，电阻材料位于电子芯片的部分与第二热传导层之间，其中电阻材料感测电子芯片的该部分处的温度。在一个实施方案中，将电阻材料设置在第二多个电传导垫中的至少一个中，该第二多个电传导垫中的至少一个热耦合至第二热传导层，该第二热传导层热耦合至电子芯片的部分，其中电阻材料感测电子芯片的该部分处的温度。
36.在一个实施方案中，第二电阻材料设置在第一多个电传导垫中的至少一个中，该第一多个电传导垫中的至少一个热耦合至第一热传导层，其中第二电阻材料感测第一热传导层的部分处的温度。在一个实施方案中，基于电阻的增大或减小，自适应电子设备封装还将升高或降低的电压供给至风扇以对电子设备封装进行空气冷却，其中将升高或降低的电压供给至风扇导致在一个或多个感测位置处测量的温度分别降低或升高。
37.在一个实施方案中，基于电阻的增大或减小，自适应电子设备封装还将升高或降
低的电压供给至液体泵，该液体泵调节冷却用于电子设备封装的液体冷却的冷却板的液体流，其中冷却板附接至第一热传导层，其中供给至液体泵的升高或降低的电压导致在一个或多个感测位置处测量的温度分别降低或升高。
38.在一个实施方案中，具有负温度系数的电阻率的电阻材料包括硅材料。在一个实施方案中，电阻材料嵌入在电子芯片中。
39.图1是示出根据一个实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。在该示例中，图1示出了自适应电子设备封装100的侧视图。自适应电子设备封装可以是用于任何类型的电子芯片的电子设备封装，例如处理器、集成电路(ic)、专用集成电路(asic)、电子传感器、微机电系统(mems)电子设备等。参见图1，根据一个实施方案，电子设备封装100包括电子芯片111、一个或多个电阻材料110、热电冷却器(tec)装置120、和散热片101。在一个实施方案中，散热片101可以替代地是液体冷却板/冷板(未示出)，并且电阻与使液体循环以冷却冷却板/冷板的控制器，例如阀和/或泵(未显示)以串联方式连接。
40.在一个实施方案中，tec装置120包括半导体层105。半导体层105通过第一电传导垫组103和第二电传导垫组107以串联方式电耦合。第一电传导垫组103位于半导体层105的第一侧(例如，散热侧)，并且第二电传导垫组107位于半导体层105的第二侧(例如，吸热侧)。tec装置120还包括第一热传导层102和第二热传导层108。第一热传导层102和第二热传导层108将第一电传导垫组103、半导体层105和第二电传导垫组107夹在中间。在一个实施方案中，第一热传导层102和第二热传导层108可以包括陶瓷、基板(例如，二氧化硅)或任何类型的导热电绝缘材料。
41.参照图1，将电子芯片111放置在封装模具109(例如环氧树脂模具)上，其中需要通过tec 120将电子芯片111冷却至目标温度。电子芯片111热耦合至一个或多个具有负温度系数的电阻率的电阻材料110(或电阻器)。在此，一个或多个电阻材料(例如，电阻器)110通过互连体106与tec装置120和互连体104以串联方式电连接，其中互连体104向tec装置120供电。一个或多个电阻材料110可以根据引起电阻器中电阻变化的热条件动态地自我调节。电阻器的电阻的变化进而导致供给至tec装置120的电压或电流的变化。
42.例如，电阻器110的电阻的变化导致供给至电阻器/tec装置120的以恒定dc电压显示的负载基于等式p＝v^2/r而变化，其中p是功率，v是恒定dc电压，r是电阻器110的电阻。变化的负载导致供给至tec设备120的功率变化。在此，电阻器可以由公式r＝ro(1 a*dt)确定，其中r代表电阻器110在操作温度下电阻器的电阻，r0代表初始电阻，r0＝dt为零的r，a代表电阻器110的电阻率的温度系数(此处，所选材料具有负的a)，并且dt代表电阻器110的操作温度与为电阻器为a指定的参考温度之间的差。
43.对于一些实施方案，一个或多个电阻器设置在待冷却的ic的多个位置处。位置的示例可以是高热通量的区域(例如，直接在ic处)、具有高热阻的正常方向的区域、与散热侧(例如，去除热量的一侧，散热片101的侧)具有强性能相关性的区域。在一个实施方案中，一个或多个电阻器可以具有任何的形状、大小或形式。例如，电阻器可以是带状、矩形、圆形、片状或锥形或它们的组合，其可以基于对电阻器的电阻的设计要求来确定。例如，电子芯片111顶部的区域可以被电阻器110覆盖，该区域可以是最具有热敏感的区域。作为另一示例，电子芯片可以部分地被电阻器覆盖，或者电阻器可以具有比电子芯片更大的面积并且覆盖电子芯片。
44.可以基于电子芯片111的目标冷却温度(例如，近似于电阻器的操作温度)来确定电阻器的电阻。例如，对于硅电阻器(具有大约a＝-0.07/摄氏度)，基于30摄氏度的目标冷却温度和20摄氏度的参考温度，dt＝30-20＝10，r＝ro(1 -0.07*(10))＝0.3*ro。因此，电阻器110的电阻可以基于电子芯片111的目标温度来选择。
45.图2是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。电子设备封装200可以类似于具有改良配置的电子设备封装100。例如，电子设备封装200可以在封装200的两个相对侧具有电线104。在一个实施方案中，电阻器110可以设置在传导垫107的一个或多个垫处，以形成将tec 120连接到电线104的串联电连接，该电线104连接到电源(未示出)。在这种情况下，在这种改良配置中，如图1所示的互连体106不是需要的。
46.参照图2，半导体层105包括一个或多个p半导体材料201和一个或多个n半导体材料202。交替的p和n半导体材料201-202以串联方式电连接(通过传导垫103和107)，并且以并联方式热连接(通过热传导层102和108)。当dc电流流过p和n半导体材料201-202时，对于tec装置120，在热侧和冷侧，在吸热侧吸收热量，并且在散热侧释放热量。
47.图3是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。电子设备封装300可以类似于图2的电子设备封装200。参考图3，电阻器110可以设置在传导垫103和传导垫107两者处的一个或多个垫上。在另一实施方案中，一个或多个传导垫103和107可以被电阻器110代替。在此，自适应过程将由感测电子芯片111的操作温度的传导垫107处的电阻器110以及感测电子设备封装300的散热侧的温度的传导垫103处的电阻器110来驱动。
48.在另一实施方案中，电阻材料(或一个或多个电阻器)包括以并联和/或串联配置连接的多个子电阻器，并且如图1所示与电子芯片111热耦合地封装，或者如图2-3所示利用不同的电线集成到传导层103/107中。
49.图4a是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。电子设备封装400可以类似于图2的电子设备封装200。参考图4a，具有负温度系数的电阻率的电阻器110可以设置在传导垫107处的一个或多个垫处，并且可以设置为与电子芯片111靠近/邻近。在此，与电子芯片111邻近的电阻器110与电源(未示出)和电动机供电的风扇401形成串联连接。在一个实施方案中，对于与电子芯片111邻近的电阻器110，当感测的温度升高时，与电子芯片111邻近的电阻器110的电阻减小。电阻的减小/增大导致功率(p＝v^2/r)增大/减小，从而增大/减小功率和风扇401的速度。例如，风扇401的速度增大随后将热量从电子设备封装400的“散热侧”更快去除。
50.图4b是示出根据另一实施方案的具有流体冷却的自适应电子设备封装的侧视图的框图。该电子设备封装410可以类似于图4a的电子设备封装400。参照图4b，与电子芯片111邻近的电阻器110与电源(未示出)、泵412和/或阀413形成串联连接。在一个实施方案中，对于与电子芯片111邻近的电阻器110，当感测的温度升高时，与电子芯片111邻近的电阻器110的电阻减小。电阻的减小导致功率(p＝v^2/r)增大，从而增大至泵412和/或阀413的功率。在一个实施方案中，可以操作泵412和/或阀413以增加/减小流体流速以冷却冷板411。例如，使至泵412和/或阀413的功率增加操作以将热量从电子设备封装410的“散热侧”更快地去除。
51.图5是示出根据另一实施方案的自适应电子设备封装的侧视图的框图。该电子设备封装500可以类似于图2的电子设备封装200。参照图5，电子芯片501包括嵌入在电子芯片
501中的电阻器110。在此，电阻器110可以包括在制造电子芯片501的过程中沉积在电子芯片501的部分上的硅材料110。电子芯片501可以包括附加的引脚502，作为连接至硅材料110的正极端子，其中该附加的引脚502作为特定的引脚定义被包括并且被包括在电子芯片501的引脚输出图中。
52.图6示出了根据一个实施方案的调节电子设备封装的温度的流程图。过程600可以由具有温度依赖性电阻材料(例如，图1-5的电子设备封装100-500的电阻器110)的自适应电路执行。参照图6，过程在操作601处开始。在操作602处，一个或多个电阻器110感测/测量在待冷却的电子芯片的部分附近的一个或多个位置处的温度。在操作603，如果确定测量的温度等于目标温度(例如，平衡状态)，则过程进行到操作602。在此，目标温度近似于自适应电子设备封装的电子芯片的期望操作温度。否则，过程进行到操作604。在操作604，如果确定测量的温度大于目标温度，则过程进行到操作605。否则，过程进行到操作608。在操作605，电阻材料的较高的测量温度导致电阻材料的电阻减小。在操作606，电阻器110的电阻减小则增大至tec的电压或电流，这导致tec的吸热侧的温度降低，例如，tec的δt(dt)增大。继而，电阻材料的测量温度降低。在操作607，如果确定测量的温度等于目标温度(例如，处于平衡状态)，则过程进行到操作602。否则，过程进行到操作604。
53.在操作608，较低的测量温度导致电阻材料的电阻增大。在操作609，电阻材料的电阻增大则减小至tec装置的功率，这导致在tec装置的吸热侧的温度升高，例如，tec装置的δt(dt)减小。继而，电阻材料的测量温度升高。需注意，所公开的自适应电子设备封装的实施方案在没有专用温度控制器下基于目标温度的选择通过设计来调节与电子芯片的部分靠近的温度。
54.图7示出了根据另一实施方案的调节电子设备封装的温度的流程图。过程700可以通过具有温度依赖性电阻材料(例如，图4的电子设备封装400的电阻器110)的自适应电路来执行。过程700可以使用风扇(例如，图4的风扇401)使电子设备封装的电子芯片自适应，以将热量从电子设备封装的散热侧更快或更慢地去除。除了操作606被操作706代替并且操作609被操作709代替，过程700类似于图6的过程600。在此，当电阻材料110(与风扇401串联连接)的电阻由于测量的温度较高而减小，在操作706，电阻材料110与风扇的串联连接导致至风扇的功率增大，因此，风扇的速度增大。增大的风扇速度更快地降低电子设备封装的散热侧的温度。当电阻材料的电阻由于测量的温度较低而增大，在操作709，电阻材料与风扇的串联连接导致至风扇的功率减小，因此，风扇的速度减小。减小的风扇速度以较慢速度降低电子设备封装的散热侧的温度。
55.图8示出了根据一个实施方案的流程图。过程800可以由具有耦合至自适应电子设备封装(例如，图1-5的任何电子设备封装100-500)的风扇和/或tec装置的温度依赖性电阻材料(例如，图4的电阻器110)的自适应电路来执行。在操作801，过程测量电子设备封装的一个或多个感测位置处的温度。在操作802，如果测量的温度大于目标温度，则过程减小具有负温度系数的电阻率的电阻材料的电阻。在操作803，如果测量的温度小于目标温度，则过程增大具有负温度系数的电阻率的电阻材料的电阻。在操作804，过程将升高或降低的电压供给至与电子设备封装的电子芯片热耦合的热电冷却器，其中供给基于电阻材料的电阻的变化，其中供给至热电冷却器的升高或降低的电压导致在一个或多个感测位置处测量的温度分别降低或升高。热电冷却器与电阻材料和电源以串联方式电连接以冷却电子芯片，
其中如果电子芯片的温度升高，则电阻材料的电阻减小以导致供给至热电冷却器的电压升高，并且如果电子芯片的温度降低，则电阻材料的电阻增加以导致供给至热电冷却器的电压降低。供给至热电冷却器的电压的变化导致tec的热传递和泵送能力变化，这导致tec的吸收侧和散发侧之间的温差调整。
56.在前述说明书中，已经参照本发明的特定示例性实施方案描述了本发明的实施方案。将明显的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的更广泛的精神和范围下，可以对实施方案进行各种修改。因此，说明书和附图应被认为是说明性而不是限制性的。