具有温差发电结构的三维集成电路及其工作方法与流程

本发明涉及三维堆叠芯片的，具体地，是一种具有温差发电结构的三维集成电路以及这种三维集成电路的工作方法。

背景技术：

1、随着集成电路技术的发展，三维集成电路因具有高密度、高速度、多功能和低功耗等优点，广泛应用在大容量存储器和高速信号处理器中。三维集成电路也称为立体集成电路，其由多层半导体晶粒或者芯片堆叠形成，各层堆叠层之间采用绝缘层隔离，且各层堆叠层之间可以通过穿孔的方式相互连通。

2、随着三维集成电路技术的不断发展，需要在基材垂直方向上堆叠的芯片、晶粒或其他器件的数量也是不断增加，以此实现更高的集成度和更优的性能。尽管堆叠层数的增加能够显著提升三维集成电路的性能，但随着堆叠层数的增加，现有的三维集成电路存在新的技术问题：第一，三维集成电路的设计过于复杂，由于各层堆叠层上形成的晶粒或者芯片的尺寸参差不齐，这就增加垂直互联的设计复杂度；第二，三维集成电路的散热性能不佳，由于三维集成电路内布置的晶粒、芯片数量众多，有源器件的数量也随之增加，且三维集成电路密度高，这就导致三维集成电路内有源器件集成密度的大幅提升，进而导致三维集成电路的功耗急剧增加，从而产生大量的热量；此外，现有的三维集成电路所使用的电介质填充材料导热性能不佳，进一步加剧了三维集成电路的散热问题；第三，三维集成电路的能耗较大，由于三维集成电路具有高集成度和结构高复杂度的特点，大量的器件所需要的能耗较大，导致三维集成电路的功耗很大。

3、公开号为cn102347316a的中国发明专利申请公开了一种三维集成电路结构，这种三维集成电路结构包含有多层堆叠布置的晶粒，并且在晶粒的外侧布置有外围硅通孔结构(tsv结构)，这些外围硅通孔结构可以向各层晶粒提供电源或者信号。并且，这种三维集成电路结构内也是在有可以穿透晶粒的通孔。但是，上述方案并未充分考虑散热问题，各晶粒工作时所产生的热量无法快速的传导，存在热量堆积在晶粒周边而导致晶粒温度过高的问题。

4、而现有的一些三维封装结构的芯片在堆叠结构内设置通孔实现散热，并且设置冷却介质，通过冷却介质的流动、相变进行热量的传递。但通过通孔、冷却介质的散热方式存在散热成本高、三维封装结构内部线路设计复杂的问题，导致三维集成电路的生产成本高，且散热效率不理想。

技术实现思路

1、本发明的第一目的是提供一种降低线路布线复杂程度且散热效果好的具有温差发电结构的三维集成电路。

2、本发明的第二目的是提供上述的具有温差发电结构的三维集成电路的工作方法。

3、为实现本发明的第一目的，本发明提供的具有温差发电结构的三维集成电路包括基材，基材上方形成有堆叠结构，堆叠结构包含有二层以上的功能芯片，在至少一层功能芯片的外侧设置有至少一个外围硅通孔结构，堆叠结构的上方设置有散热结构；其中，基材与散热结构之间形成有至少一个沿堆叠结构的堆叠方向延伸的通孔，通孔穿过功能芯片和/或外围硅通孔结构；堆叠结构内设置有至少一个发电芯片，发电芯片与通孔连接；功能芯片工作所产生的热量通过通孔传导至发电芯片，发电芯片利用热端点与冷端点之间的温度差形成电流，发电芯片向功能芯片输出电流和/或向三维集成电路外部输出电流。

4、由上述方案可见，在三维集成电路内设置发电芯片，通过通孔接收功能芯片工作时所产生的热量，并且利用热端点与冷端点之间的温度差形成电流，可以充分的利用功能芯片产生的热量，将热能转换成电能，且转换后的电能又能向功能芯片供电。因此，功能芯片所产生的热量不会浪费，而是通过转换成电能的方式被重新利用。

5、由于接收热量的发电芯片设置在堆叠结构内，因此，并不是所有的通孔都需要连接到散热结构，因此，堆叠结构内的通孔长度较短，三维集成电路内布线时收到通孔的限制较少，能够降低三维集成电路的布线设置难度。并且，由于位于堆叠结构内的发电芯片能够直接向功能芯片供电，也可以减少从外部获取电源，供电线路的布置更加简单。

6、另外，由于作为接收热能的发电芯片直接设置在堆叠结构内，用于传导热量的通孔的长度较短，功能芯片所产生的热量能够在短时间内传导至发电芯片，有效避免热量堆积，散热效果更好。

7、一个优选的方案是，堆叠结构内设置有中介层，中介层位于基材与散热结构之间；通孔与中介层之间设置有导热件。

8、由此可见，通过设置中介层进行热传导，可以利用中介层实现热量的横向传导，提升散热效率。

9、进一步的方案是，基材与中介层之间形成有至少一层功能芯片，中介层与散热结构之间形成至少一层功能芯片；发电芯片位于基材与中介层之间和/或位于中介层与散热结构之间。

10、由此可见，发电芯片可以设置在中介层的上方或者下方，堆叠芯片内的各层堆叠层上的功能芯片均可以通过通孔、中介层传导热量，并将热量传导至发电芯片，通过将热量垂直传导的方式能够让热量快速的传导至发电芯片，提高散热效率。

11、进一步的方案是，中介层使用硅基或者玻璃基材料制成。

12、进一步的方案是，发电芯片的数量为二个以上，多个发电芯片设置在堆叠结构的多层堆叠层内。

13、可见，根据三维集成电路的需求，在堆叠结构内设置多个发电芯片，通过多个发电芯片接收多个功能芯片所产生的热量，一方面能够提高散热效率，另一方面可以通过多个发电芯片产生电流向多个功能芯片供电，提升供电效率。

14、进一步的方案是，位于第一堆叠层的功能芯片所产生的热量通过通孔沿堆叠方向传导至位于第二堆叠层的发电芯片；和/或位于第二堆叠层的发电芯片通过通孔沿堆叠方向向位于第一堆叠层的功能芯片供电。

15、由此可见，发电芯片通过沿堆叠方向延伸的通孔接收位于另一堆叠层上的功能芯片所产生的热量，使得热量能够沿堆叠方向快速的传导，提升散热效率。

16、进一步的方案是，发电芯片设置在功能芯片的外侧，且发电芯片与功能芯片之间设置有电绝缘介质。

17、更进一步的方案是，通孔包括导热通孔，导热通孔通过导热金属薄膜或者导热连接板连接至发电芯片的热端点；导热通孔内填充有石墨烯材料或者导热金属材料。

18、由此可见，导热通孔内的填充材料可以让热量快速的传导，避免热量堆积在功能芯片的周边，避免功能芯片因温度过高而影响使用寿命。

19、更进一步的方案是，通孔包括导电通孔，导电通孔连接至堆叠结构的导电金属上；导电通孔内填充有导电金属材料。

20、可见，设置导电通孔可以使得发电芯片所产生的电流传导至各功能芯片，从而实现向功能芯片供电。

21、为实现上述的第二目的，本发明提供的具有温差发电结构的三维集成电路的工作方法，应用于上述的具有温差发电结构的三维集成电路，该方法包括：功能芯片工作所产生的热量通过通孔，沿堆叠结构的堆叠方向传导至发电芯片，发电芯片利用热端点与冷端点之间的温度差形成电流，并向功能芯片输出电流和/或向三维集成电路外部输出电流。

22、由上述方案可见，三维集成电路内的发电芯片可以通过通孔接收功能芯片所产生的热量，并利用热端点与冷端点之间的温度差形成电流，实现对热量的利用。由于发电芯片设置在堆叠结构内，功能芯片所产生的热量能够快速的传导至发电芯片并被发电芯片所利用，热量传导路径很短，能够实现热量的快速传导，提升散热效率。另外，由于发电芯片所产生的电流可以向功能芯片供电，可以减少从外部供电的需求，进而减少供电线路布局的复杂性，降低三维集成电路的设计难度，从而降低三维集成电路的设计、生产成本。