热电冷却封装件及其热管理方法

摘要

本发明提供了一种热电冷却封装件及其热管理方法。所述方法可以包括：测量具有半导体芯片和热电冷却器的热电冷却封装件的温度；将热电冷却封装件的温度与目标温度进行比较；在热电冷却封装件的温度高于目标温度时对热电冷却器进行操作；以及在热电冷却封装件的温度变得低于目标温度时停止对热电冷却器的操作。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月1日提交的韩国专利申请 No.10-2011-0127818的优先权，其所有内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明思想涉及半导体，并且更具体地涉及包括热电冷却器的 热电冷却封装件及其热管理方法。

背景技术

随着半导体工业的发展以及由于用户的需求使得电子装置已不 断地变得更小和更轻，并且被用作电子装置组件的半导体封装件也已 不断地变得更小和更轻。为了满足上述需求，已经开发出将多个半导 体芯片或不同种类的半导体芯片堆叠起来以实现单个封装件的技术。 然而在包含堆叠的半导体芯片的半导体封装件操作期间从封装件散 发的热量会增加，从而导致热应力。

附图说明

根据附图及对其的详细描述，本发明思想将会更加清楚。

图1是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却器的平面 图；

图2A是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却器的热电 偶的透视图；

图2B是示出图2A的修改示例实施例的透视图；

图3A至图3D是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 器的冷却过程的截面图；

图4A至图4C是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 器的构造示例的平面图；

图5A是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封装件的 截面图；

图5B是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封装件中 的热电冷却器的冷却过程的截面图；

图5C和图5F是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的温度变化的曲线图；

图5D和图5G是示出对根据本发明思想的示例实施例的热电冷 却封装件的热电冷却器施加的时钟频率和电压的变化的曲线图；

图5E是示出根据本发明思想的示例实施例对热电冷却封装件进 行的反馈温度控制方法的流程图；

图5H至图5O是示出对根据本发明思想的示例实施例的热电冷 却封装件的热电冷却器施加的时钟频率和电压的变化的曲线图；

图5P和图5Q是示出根据本发明思想的示例实施例动态温度管 理示例的流程图；

图6A和图6B是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的应用示例的截面图；

图6C是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封装件的 示例应用的等效热力循环（thermal circuit）的截面图；

图7A至图7D是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的修改示例实施例的截面图；

图8A是示出包括了根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封 装件的存储卡示例的示意框图；

图8B是示出包括了根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封 装件的信息处理系统示例的示意框图。

具体实施方式

现在将参照示出了本发明思想的一些示例实施例的附图来更全 面地描述本发明思想。通过以下将要参考附图进行更详细描述的示例 实施例将呈现本发明思想的优点和特征以及实现这些优点和特征的 方式。然而，应当注意的是本发明思想不应被局限于以下所述的示例 实施例，而是可以以各种形式来实现。因此提供示例实施例仅仅为了 公开本发明思想并使本领域技术人员了解本发明思想的范畴。在附图 中，本发明思想的示例实施例不限于图中所提供的特定示例，并且为 清楚起见对图中的示例实施例进行了夸大。

文中所使用的术语仅仅是为了描述特定示例实施例的目的而并 不意在对本发明进行限制。如本文所使用的单数术语“一”、“一个” 和“该”意在还包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。如本文 所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何及所有组 合。将会理解，当称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时， 其可以直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。

类似地，将会理解当称一个元件（例如一个层、区域或衬底） 在另一个元件“之上”时，其可以直接位于其它元件之上，或者可以 存在中间元件。相反，术语“直接”意指不存在中间元件。将进一步 理解当本文使用了术语“包括”、“包括……的”、“包含”和/或 “包含……的”时，它们指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件 和/或组件的存在，但不排除还存在或添加有一个或多个其它特征、 整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

另外在详细描述中将使用作为本发明思想的理想示例示图的截 面图来对示例实施例进行描述。因此，示例示图的形状可能由于制造 技术和/或容差而有所改变。所以本发明思想的示例实施例不限于示 例示图所示的具体形状，而是根据制造工艺可能产生其它形状。图中 例示的区域各自具有一般特性并用于图示不同元件的具体形状。而这 不应构成为对本发明思想范围的限定。

还应当理解尽管在本文中使用了术语第一、第二、第三等来描 述各种元件，然而这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用 来将一个元件与另一元件进行区分。因此，在一些示例实施例中的第 一元件也可以在其它示例实施例中被称为第二元件而不脱离本发明 的指教。本文所图示和说明的本发明思想各个方面的示例实施例均包 含了它们的补充对应形式。在整个说明书中，相同的参考数字或相同 的参考标号表示相同的元件。

此外，本文参照作为理想化的示例实施例的截面图和/或平面图 描述了示例实施例。因此，可以预期，例如作为制造技术和/或容差 的结果与图示的形状有所不同。因此，示例实施例不应当被理解成受 限于本文所示出的区域形状，而是应当包括例如作为制造的结果而导 致的形状偏差。例如，被示为矩形的蚀刻区通常具有圆形的或弯曲的 特征。因此，图中所示出的区域本质上是示意性的，并且其形状不意 在示出器件区域的实际形状，并且不意在限制示例实施例的范围。

[热电冷却器的示例实施例]

图1是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却器的平面 图。

参照图1，在安装了半导体器件的衬底20上可以布置一个热电 冷却器（以下称为“TEC”）10。衬底20可以是印刷电路板、计算机 主板、移动装置板、或存储器模块基板，在该衬底20上可提供一个 将诸如半导体芯片或半导体封装件之类的半导体器件安装在其上的 安装部22。TEC10可包括至少一个热电偶12，其通过珀耳帖 （Peltier）效应来执行冷却过程。至少一个热电偶12可被布置在衬 底20的一个侧边缘或朝向该侧边缘。热电偶12可包括一对热电材料， 其中例如制成这对热电材料之一的金属或材料不同于制成这对热电 材料的另一个的金属或材料，或者热电偶12可包括P型和N型半导 体。根据本示例实施例的TEC10可包括比金属的冷却效率更优且操 作速度更快的热电半导体。例如，TEC10可包括具有P型半导体12p 和N型半导体12n的热电偶12。TEC10可包含多个热电偶12。热电 半导体可包括Bi-Te、Pb-Te、Fe-Si和/或Si-Ge。

[热电偶的示例实施例]

图2A是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却器的热电 偶的透视图。图2B是示出图2A的修改示例实施例的透视图。

参照图2A，可以沿X方向布置P型半导体12p和N型半导体12n 以构成一个热电偶12，并且多个热电偶12000可构成TEC10。多个 热电偶12000沿Y方向布置。由于TEC10包括多个热电偶12000， 所以TEC10可具有提高的热交换性能和热容量。可对多个热电偶 12000中在Y方向上相邻的热电偶的P型半导体和N型半导体颠倒定 位。因此可在Y方向上交替布置P型半导体和N型半导体。构成一个 热电偶12的P型半导体12p和N型半导体12n可通过第一金属层14 相互连接。包含在热电偶12中的P型半导体12p可通过第二金属层 16连接到多个热电偶12000中与该热电偶12相邻的另一个热电偶中 包含的N型半导体。可以通过与多个热电偶12000当中的第一个热电 偶的第一P型半导体连接的第二金属层16和与多个热电偶12000当 中的最后一个热电偶的最后N型半导体连接的第二金属层16来施加 电压。如参考图3A至图3D的描述，可以根据施加电压的极性来改变 通过TEC10传递的热量的移动方向。

参考图2B，在Y方向上彼此相邻的P型半导体12p和N型半导 体12n可构成一个热电偶12，并且可沿Y方向布置多个热电偶12000 来构成TEC10。可对多个热电偶12000中在X方向上相邻的热电偶 的P型半导体和N型半导体颠倒定位。因此可沿Y方向交替布置P 型半导体和N型半导体。在另一示例实施例中，可将X方向变为Y 方向，反之亦然。

如图3A和图3B所示，以使第二金属层16与衬底20相邻的状 态来将TEC10布置在衬底20上。可替换地，如图3C和图3D所示， 以使第一金属层14与衬底20相邻的状态来将TEC10布置在衬底20 上。如本示例实施例所示的TEC10可具有单层结构。可替换地，可 堆叠多个热电偶12并在其间插入热导绝缘体（例如，聚酰亚胺、氮 化硅硼、或氧化铝陶瓷），从而TEC10可具有多层结构。

[热电冷却器的操作示例实施例]

图3A至图3D是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 器的冷却过程的截面图。图3A至图3D是沿图1的X方向截取的截面 图。图中所示的箭头表示热量的主流。

如图3A和图3B所示，当把TEC10布置在衬底20上以使第二 金属层16与衬底20相邻时，按照所施加电压的极性可使热量沿TEC 10向上或向下移动。例如，如图3A所示，如果通过第二金属层16 来将正电压施加到P型半导体12p并将负电压施加到N型半导体12n， 则P型半导体12p中的空穴会朝向阴极（即，朝向第一金属层14） 移动，而N型半导体12n中的电子会朝向阳极（即，朝向第一金属层 14）移动。通过电子和空穴的流动可将热量从TEC10的底部传递到 顶部，从而在TEC10下方吸热并在TEC10上方散热。可替换地，如 图3B所示，如果通过第二金属层16来将负电压施加到P型半导体 12p并将正电压施加到N型半导体12n，则P型半导体12p中的电子 会朝向阴极（即，朝向与P型半导体12p接触的第二金属层16）移 动，而N型半导体12n中的空穴会朝向阳极（即，朝向与N型半导体 12n接触的第二金属层16）移动。通过电子和空穴的流动将热量从 TEC10的顶部传递到底部，从而在TEC10上方吸热并在TEC10下 方散热。还可提供连接到第二金属层16的金属通孔24。该金属通孔 24可穿透衬底20。可将金属通孔24用作热量传递路径，以改进吸热 /散热效果。还可将金属通孔24用作施加电压的路径。

如图3C和图3D所示，可把TEC10布置在衬底20上以使第一 金属层14与衬底20相邻时。如图3C所示，如果将负电压施加到P 型半导体12p并将正电压施加到N型半导体12n，则热量会顺着TEC10 向下传递，从而在TEC10上方吸热并在TEC10下方散热。相反地， 如图3D所示，如果将正电压施加到P型半导体12p并将负电压施加 到N型半导体12n，则热量会顺着TEC10向上传递，从而在TEC10 上方散热并在TEC10下方吸热。还可提供连接到第一金属层14的热 通孔25，并且该热通孔25穿透衬底20。因此可以改进吸热/散热效 果。在一些示例实施例中，热通孔25的尺寸可以等于或大于第一金 属层14的尺寸，从而使TEC10下传热的传热量最大化。

[热电冷却器的构造示例]

图4A至图4C是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 器的构造示例的平面图。

参照图4A，可将TEC10布置在衬底20上位于安装部22的两侧。 例如，第一TEC10a可被布置在衬底20的一个侧边缘上或朝向该侧 边缘，而第二TEC10b可被布置在衬底20与所述一个侧边缘相反的 另一个侧边缘上或朝向所述另一个侧边缘。第一TEC10a和第二TEC 10b中的至少一个可以如图2A或图2B中所示。如图3A所示，第一 TEC10a和第二TEC10b中的至少一个的第二金属层16可与衬底20 相邻。可替换地，如图3C所示，第一TEC10a和第二TEC10b中的 至少一个的第一金属层14可与衬底20相邻。第一TEC10a可与第二 TEC10b协同工作。可替换地，第一TEC10a可独立于第二TEC10b 而工作。例如，可以选择性地使第一TEC10a和第二TEC10b之一工 作。

参照图4B，可以沿着衬底20的边缘延伸或绕着衬底20的边缘 布置多个TEC。TEC可包括在衬底20的边缘中或沿着衬底20的边缘 交替排布的P型半导体和N型半导体。TEC可具有围绕安装部22的 环形。可沿着衬底20的边缘排布P型半导体和N型半导体以构成一 行或多行（例如，两行）。

参照图4C，TEC10可包括沿着衬底20的边缘排布的多个TEC 10a、10b、10c和10d，从而使它们围绕安装部22。例如，第一TEC10a 可被布置在衬底20的左侧边缘，而第二、第三和第四TEC10b、10c 和10d可以以顺时针方向被布置在衬底20的其它侧边缘。第一至第 四TEC10a、10b、10c和10d可同时工作或单独工作。

参照上述附图描述的TEC10可与安装在安装部22上的半导体 芯片或半导体封装件结合以构成热电冷却封装件。可替换地，可将 TEC10嵌入到半导体芯片或半导体封装件中以构成热电冷却封装件。 随后将描述热电冷却封装件的各个示例实施例。

[热电冷却封装件的示例实施例]

图5A是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封装件的 截面图。图5B是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封装 件中的热电冷却器的冷却过程的截面图。

参照图5A，热电冷却封装件1可包括其上布置有TEC10的衬底 20（以下称为“第一封装件衬底”）、安装在该第一封装件衬底20 上的逻辑芯片32、以及安装在第二封装件衬底40上的多个存储器芯 片42。因此，热电冷却封装件1可包括结合了TEC10的封装件上封 装件80（以下称为“POP”）的结构。热电冷却封装件1还可包括散 热片70用以有效地散热。

逻辑芯片32可以以面朝下状态或面朝上状态安装在第一封装件 衬底20的顶面上。逻辑芯片32可通过凸块34电连接到第一封装件 衬底20。逻辑芯片32可被第一模塑层36模塑。通过绝缘粘合层43 将多个存储器芯片42彼此粘合并将其粘合到第二封装件衬底40的顶 面。可通过接合线44将存储器芯片42电连接到第二封装件衬底40。 存储器芯片42可被第二模塑层46模塑。第一封装件衬底20和第二 封装件衬底40可通过焊球38彼此电连接。将至少一个第一外部端子 39粘合到第一封装件衬底20的底面。至少一个第一外部端子39可 将热电冷却封装件1连接到外部装置（例如图5B的参考数字90）。 POP80结构可被其它类型的封装件或其它类型的半导体芯片代替， 例如封装件内封装件（PIP）、封装件内系统（SIP）、芯片上系统（SOC）、 板上芯片（COB）、多芯片封装件（MCP）或芯片上板（BOC）。例如 可将CPU或应用程序处理器（AP）耦接到TEC10以构成热电冷却封 装件1。

TEC10可包括通过第一金属层14彼此结合的P型半导体12p 和N型半导体12n。每个P型半导体12p和N型半导体12n都可连接 到第二金属层16。TEC10可占据第一封装件衬底20的侧边缘或沿着 第一封装件衬底20的侧边缘布置，使得第二金属层16与第一封装件 衬底20相邻，并使得第一金属层14连接到散热片70。为第一封装 件衬底20提供金属通孔24以连接到第二金属层16，并且第二外部 端子29可粘合在第一封装件衬底20的底面以与金属通孔24连接。

可将散热片70布置在TEC10上以进一步延伸到第二模塑层46 上。可在第二模塑层46与散热片70之间提供热间层（TIM）60。热 电冷却封装件1还可包括感测热电冷却封装件1的温度的温度传感器 50。该温度传感器50可嵌入在逻辑芯片32或第一封装件衬底20内。 在热电冷却封装件1中，由于热源主要是POP80，所以POP80的温 度可以反映热电冷却封装件1的温度。因此，下文中将POP80的温 度看作是热电冷却封装件1的温度，除非另有说明。

参照图5B，热电冷却封装件1可通过外部端子29和39电连接 到板90。板90可包括存储器模块板、移动装置板、和/或计算机主 板。可由通过板90施加的信号来操作热电冷却封装件1。根据热电 冷却封装件1的操作而主要从POP80产生热。从POP80产生的热量 可通过散热片70散出并且可对TEC10进行操作用来更有效地散热。

在一些示例实施例中，可通过将正电压施加到P型半导体12p 并将负电压施加到N型半导体12n来操作TEC10。可将电压直接施 加到第二金属层16或通过第二外部端子39和金属通孔24施加到第 二金属层16。在施加了电压的条件下会在TEC10上方产生散热并会 在TEC10下方产生吸热。因此从POP80产生的热量可顺着第一封装 件衬底20传递到TEC10，并随后热量可顺着TEC10向上传递以通 过散热片70散出。热量不仅可通过TEC10移动到散热片70，而且 还能直接移动到散热片70以被释放。在其它示例实施例中，可将负 电压施加到P型半导体12p并将正电压施加到N型半导体12n，从而 会在TEC10上方吸热并会在TEC10下方产生放热。在此情况下，热 量会顺着TEC10向下移动以通过金属通孔24和板90被散发。

使用TEC10冷却POP80的操作可在POP80的操作期间持续执 行或按需求短时地执行，也就是根据需要短时执行。换句话说，可依 照需要对POP80进行选择性操作。持续操作TEC10会使其自身成为 热源从而降低冷却能力，并且/或者会由于TEC10的顶端与底端之间 的温度差而引起TEC10的变形或在TEC10中引起热应力。根据示例 实施例，TEC10可被短时地执行以解决上述问题。可替换地，可减 小逻辑芯片32的时钟速度以冷却POP80。因此，对热电冷却封装件 1的动态热管理（DTM）可采用使用TEC10的硬件方法和使用时钟速 度控制的软件方法。

使用在POP80的温度增加时减小逻辑芯片32的时钟速度并在 POP80的温度减小时增大逻辑芯片32的时钟速度的软件方法来执行 对热电冷却封装件1的DTM。在此情况下，可改变逻辑芯片32的时 钟速度（时钟频率）以降低热电冷却封装件1的性能。因此，根据本 示例实施例的DTM可采用硬件方法，或采用软件方法和硬件方法的混 合方法。

[DTM示例]

图5C和图5F是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的温度变化的曲线图。图5D和图5G是示出对根据本发明思想 的示例实施例的热电冷却封装件的热电冷却器施加的时钟频率和电 压的变化的曲线图。图5E是示出根据本发明思想的示例实施例对热 电冷却封装件进行的反馈温度控制方法的流程图。

参考图5B至图5D，当通过热电冷却封装件1的使用而增加了 POP80的温度时，可通过硬件方法来实现动态热管理，该硬件方法 包括通过施加电压来操作TEC10以减小POP80的温度（图5C）。 在此情况下，可以不改变逻辑芯片32的时钟速度以保持热电冷却封 装件1的性能（图5D）。如上所述，当采用硬件方法时，TEC10可 接收用于短时操作的瞬态电压供应。

在一些示例实施例中，如图5E所示，由温度传感器50测量到 的POP80的温度可与目标温度（或目标温度范围）进行比较（S10）。 如果测量到的温度高于目标温度（或目标温度范围），则TEC10接 收电压供应（S20）以操作该TEC10。如果测量到的温度低于目标温 度（或测量到的温度在目标温度范围之内或以下），则通过停止电压 供应来停止TEC10的操作（S30）。因此，POP80的温度可在可允 许的范围之内变化（S40）。上述TEC10的短时操作可被执行一次或 如图5C所示被执行多次。结果，POP80的温度可在等于或低于目标 温度的温度下进行变化。目标温度是指热电冷却封装件1不会过热的 最大允许温度。目标温度范围是指可正常操作热电冷却封装件1的温 度范围。在其它示例实施例中，TEC10可被持续操作以抑制POP80 的温度增大。如上所述，DTM可采用硬件方法，并且TEC10可被短 时地或持续地操作。

参考图5F和图5G，可混合软件方法和硬件方法来执行DTM。例 如，当不需要POP80的高性能时，减小逻辑芯片32的时钟速度从而 在不操作TEC10的情况下降低POP80的温度（A）。当需要POP80 的高性能时，TEC10可接收用于短时操作的瞬态电压供应，从而在 不减小时钟速度的情况下降低POP80的温度（B）。

[DTM的其它示例]

图5H至图5O是示出对根据本发明思想的示例实施例的热电冷 却封装件的热电冷却器施加的时钟频率和电压的变化的曲线图。

参考图5H，可同时执行软件方法和硬件方法。例如可减小逻辑 芯片32的时钟速度并在同时对TEC10进行操作，从而迅速降低POP 80的温度。可短时地执行时钟速度的减小和对TEC10的操作。

参考图5I，可将逻辑芯片32的时钟速度从最大减小到最小或中 间值以降低POP80的温度。当把逻辑芯片32的时钟速度减小到中间 值时，POP80的温度可能处于可允许范围内。因此，TEC10可在逻 辑芯片32的时钟速度可能被减小到最小的情况下接收用于短时操作 的瞬态电压以降低POP80的温度。

参考图5J，在POP80的操作期间可将逻辑芯片32的时钟速度 从最大短时减小到最小或中间值，而不会很大程度降低POP80的性 能。如果POP80的温度不在可允许范围内，则另外向TEC10提供电 压以用于短时操作TEC10。向TEC10的这一提供电压的操作可降低 POP80的温度而不会额外减小POP80的时钟速度。可替换地，即使 在将逻辑芯片32的时钟速度减小到中间值的情况下TEC10也还是可 以接收用于短时操作的瞬态电压供应。

参考图5K，逻辑芯片32的时钟速度的减小可以与TEC10的短 时操作同时发生，这能够降低POP80的温度。在此情况下，向TEC10 提供电压的时间可以比逻辑芯片32的低时钟速度持续时间更长。根 据该示例实施例，可以以逻辑芯片32的时钟速度的最小波动来保持 热电冷却封装件1的性能。

参考图5L，可以通过对TEC10的短时操作来冷却POP80而无 需有意地减小逻辑芯片32的时钟速度。在一个示例实施例中，可能 存在单个TEC10或多个TEC。例如，逻辑芯片32的时钟速度可被保 持在高位状态（C）并在随后上下变化（D）。在时钟速度的波动状态 D中，TEC10可接收用于短时操作的瞬态电压供应，从而在时钟速度 保持高位时降低POP80的温度。在时钟速度的高位状态C中，可对 TEC10进行短时操作（I）或不操作（II）。例如，如果POP80的 温度增加到超过可允许范围，则对TEC10进行短时操作。可替换地， 如果POP80的温度处于可允许范围内，则不操作TEC10。

参考图5M，逻辑芯片32的高时钟速度可与对TEC10的电压供 应同步，从而在不有意地降低POP80的时钟速度的情况下来冷却POP 80。作为一个示例实施例，当逻辑芯片32的时钟速度高时可将瞬态 电压提供给TEC10，而在逻辑芯片32的时钟速度低时可以去除对TEC 10的电压供应或不将电压提供给TEC10。可替换地，如果POP80 的温度在可允许范围内，则即使逻辑芯片32的时钟速度高，也可以 去除对TEC10的电压供应或不将电压提供给TEC10。

根据图5N，可以通过逻辑芯片32的时钟速度下降和对TEC10 的短时操作来冷却POP80。可向TEC10提供不同的电压幅度。例如， 在时钟速度被减小到中间值时所提供的电压幅度小于在时钟速度下 降到最小时所提供的电压幅度。当逻辑芯片32的时钟速度被减小到 第一中间值（mid1）时，可向TEC10提供第一电压值（on1）。当逻 辑芯片32的时钟速度下降到小于第一中间值（mid1）的第二中间值 （mid2）时，可向TEC10提供大于第一电压值（on1）的第二电压值 （on2）。第一电压值（on1）和第二电压值（on2）可都小于在逻辑 芯片32的时钟速度被减小到最小时提供到TEC10的电压值（on）。 这样，电压的幅度可与时钟速度呈反比。

根据图5O，可通过对TEC10进行短时操作而不有意地降低逻辑 芯片32的时钟速度来冷却POP80。可向TEC10提供不同的电压幅 度。例如，在时钟速度被减小到中间值时所提供的电压幅度可以小于 在时钟速度被增大到最大时所提供的电压幅度。当逻辑芯片32的时 钟速度被减小到第一中间值（mid1）时，可向TEC10提供第一电压 值（on1）。当逻辑芯片32的时钟速度下降到小于第一中间值（mid1） 的第二中间值（mid2）时，可向TEC10提供小于第一电压值（on1） 的第二电压值（on2）。第一电压值（on1）和第二电压值（on2）可 都小于在逻辑芯片32的时钟速度被增大到最大时提供到TEC10的电 压值（on）。这样，电压的幅度可与时钟速度呈正比。

可在热电冷却封装件1中实现DTM的示例实施例。可替换地， 可将DTM的示例实施例应用于与热电冷却封装件1耦接的诸如移动电 话和显示设备（例如，LCD、PDP、OLED、AMOLED等）之类的电子装 置。在其它示例实施例中，DTM可被用来控制包括温度控制器在内的 各种控制器的温度。

[DTM运算的示例]

图5P是示出根据本发明思想的示例实施例的DTM示例的流程 图。

参考图5P，使用如下的多级温度控制来对热电冷却封装件1进 行热管理。根据本发明思想的示例实施例，最小温度Tmin可以是对 应于逻辑芯片32的最小时钟速度的热电冷却封装件1的温度。类似 地，最大温度Tmax和中间温度Tmid可以是分别对应于逻辑芯片32 的最大时钟速度和中间时钟速度的热电冷却封装件1的温度。

在操作S110中，在逻辑芯片32的最大性能水平期间来操作热 电冷却封装件1。例如以逻辑芯片32的最大时钟速度来操作热电冷 却封装件1。

在操作S120中，在第一次温度感测中首次测量热电冷却封装件 1的温度。可通过温度传感器50来测量热电冷却封装件1的温度。 在操作S120之后，可执行操作S130或操作S125，并且还可在操作 S130之前执行图5E所示的反馈温度控制。

在操作S130，当热电冷却封装件1的温度T小于Tmin时，保持 热电冷却封装件1的操作条件。可替换地，当T大于Tmin时，可通 过短时操作TEC10和减小逻辑芯片32的时钟速度两种方式来冷却热 电冷却封装件1。操作S130可被分成下述操作S131至S134。

在操作S131，当T小于Tmin时，不操作TEC10并且不改变逻 辑芯片32的时钟速度。在此情况下，如操作S110中那样在逻辑芯片 32的最大性能水平期间操作热电冷却封装件1。

在操作S132，当T处于Tmin到Tmid的范围内时，通过短时操 作TEC10来冷却热电冷却封装件1。根据一些示例实施例，可在操 作S132中保持逻辑芯片32的时钟速度以使得在逻辑芯片32的最大 性能水平期间操作热电冷却封装件1。

在操作S133，当T处于Tmid到Tmax的范围内时，可短时操作 TEC10并减小逻辑芯片32的时钟速度。

在操作S134，当T大于Tmax时，可短时操作TEC10并减小逻 辑芯片32的时钟速度。

在操作S140中，可在第二次温度感测中测量热电冷却封装件1 在经过了操作S132、S133和S134后的温度。在操作S140之后，可 执行操作S150或操作S145，并且还可在操作S150之前执行图5E所 示的反馈温度控制。

在操作S150，当T小于Tmin时可将热电冷却封装件1返回到操 作S110。可替换地，当T大于Tmin时，可通过短时操作TEC10和 降低逻辑芯片32的时钟速度两种方式来冷却热电冷却封装件1。操 作S150可被分成下述操作S151至S154。

在操作S151，当T小于Tmin时不再向TEC10施加电压。在此 情况下，可保持逻辑芯片32的最大时钟速度，以使得如操作S110 中那样在逻辑芯片32的最大性能水平期间操作热电冷却封装件1。 同时，在逻辑芯片32的时钟速度低于最大值时，可以将逻辑芯片32 的时钟速度增大到最大并随即使热电冷却封装件1全速操作。

在操作S152，当T处于Tmin到Tmid的范围内时，可通过短时 操作TEC10来冷却热电冷却封装件1。根据一些示例实施例，可保 持逻辑芯片32的时钟速度。

在操作S153，当T处于Tmid到Tmax的范围内时，可短时操作 TEC10并可降低逻辑芯片32的时钟速度。

在操作S154，当T大于Tmax时，可切断施加到热电冷却封装件 1的电压。

根据一些示例实施例，可以不定义Tmid。在此情况下，可以排 除操作S132和S133中的一个，并且可以排除操作S152和S153中的 一个。例如，操作S130可以包括除操作S132之外的操作S131、S133 和S134，并且操作S150可以包括操作S151、S153和S154而不包括 操作S152。作为另一示例，操作S130可以包括除操作S133之外的 操作S131、S132和S134，并且操作S150可以包括操作S151、S152 和S154而不包括操作S153。

[DTM运算的另一示例]

图5Q是示出根据本发明思想的示例实施例的动态温度管理示例 的流程图。

参考图5Q，如果在逻辑芯片32以最大速度全速操作期间热电冷 却封装件1的温度增大到处于Tmin到Tmid的范围，则减小逻辑芯片 32的时钟速度（S132a）。如果在操作S130中进行了热管理的热电 冷却封装件1的温度T处于Tmin和Tmid之间，则减小逻辑芯片32 的时钟速度（S152a）。根据一些实施例，可在操作S132a和S152a 中通过减小逻辑芯片32的时钟速度而不操作TEC10来使热电冷却封 装件1冷却。与图5P相同或类似的特征描述可适用于图5Q的示例实 施例。

[热电冷却封装件的应用]

图6A和图6B是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的应用示例的截面图。图6C是示出根据本发明思想的示例实 施例的热电冷却封装件的示例应用的等效热力循环的截面图。

参考图6A，热电冷却封装件1可被用于诸如移动电话、便携式 多媒体播放器（PMP）和/或便携式平板电脑之类的手持移动电子装置 中。例如可将热电冷却封装件1安装在移动装置板90上，以将它们 置于上壳102和下壳104之间。当操作POP80来执行移动电话的各 种功能时，POP80运转。逻辑芯片32可包含能够运行以对热电冷却 封装件1进行驱动的应用程序处理器（AP），并且至少一个存储器 142包含作为逻辑芯片32的工作存储器的DRAM。当热电冷却封装件 1运转时，由POP80产生的热量主要被传输到上壳102，使得上壳 102变得比基准温度或目标温度更热。由于用户抓握移动电话，因此 基准温度可指用户在抓握移动电话时能够舒适地忍受的最大温度（例 如，大约45℃）。可通过温度传感器50来测量基准温度。例如，当 由温度传感器50测量到的温度等于或高于预定值时，可预测上壳102 的温度将要等于或高于基准温度。可替换地，可由粘附到上壳102 的温度传感器106来测量上壳102的温度，并且/或者由粘附到下壳 104的温度传感器108来测量下壳104的温度。可由传感器50、106 和108中的至少一个来直接测量基准温度。可替换地，可根据稍后参 考图6C描述的一些标准来设定基准温度。

如果上壳102的温度等于或高于基准温度，则将负电压施加到P 型半导体12p并将正电压施加到N型半导体12n。在提供电压时可短 时或持续操作TEC10。因此热量可顺着TEC10向下流动，从而上壳 102的温度会变得低于基准温度。通过散热片70可以更有效地将热 量从上壳102传输到TEC10。

如其它示例所示，基准温度可以是POP80和上壳102的混合温 度。根据该应用所包含的示例实施例，基准温度或温度测量区域不限 于特定方面。

第一封装件衬底20可包括在其上安装逻辑芯片32的第一部分 和在其上安装TEC10的第二部分。第一封装件衬底20的第一部分和 第二部分之间的边界可被切开以形成缝隙26并可使得将第一封装件 衬底20分割成两部分。缝隙26可阻隔热量通过第一封装件衬底20 流向POP80。可替换地，可以不将第一封装件衬底20分割成两部分。 在此情况下，顺着TEC10向下流动的热量会主要通过金属通孔24 传输到移动装置板90，从而使流向POP80的热量最小化。

参考图6B，热电冷却封装件1可与液晶显示器110结合。液晶 显示器110可包括液晶显示部分112和背光单元114，并且可将热电 冷却封装件1安装在液晶显示器110的背面。当热电冷却封装件1 从液晶显示器110吸热时，将负电压施加到P型半导体12p并将正电 压施加到N型半导体12n，从而短时地或持续地操作TEC10。因此由 液晶显示器110产生的热量可主要通过TEC10传送到板90。可由热 电冷却封装件1中所包含的温度传感器50或由布置在液晶显示器 110中的温度传感器107来测量液晶显示器110的温度。温度传感器 107可被嵌入或附接到液晶显示器110。第一封装件衬底20可包括或 不包括缝隙26。本示例实施例并不限于液晶显示器110。本实施例还 可被应用于诸如等离子显示面板（PDP）、有源矩阵有机发光二极管 （AMOLED）、和/或无源矩阵有机发光二极管（PMOLED）之类的其它 平板显示器。

参考图6C，假设安装在移动装置板90上的热电冷却封装件1 被置于上壳102和下壳104之间。在一些示例实施例中，逻辑芯片 32可包括温度传感器50，并且外壳102和104可不包括温度传感器。

温度传感器50可测量逻辑芯片32的内部温度T_J。可由热力循 环建模来计算上壳102的表面温度T_B和/或下壳104的表面温度T_C。 例如，上壳102的表面温度T_B与逻辑芯片32的内部温度T_J之间的关 系可由以下等式1给出。

[等式1]T_J=T_B+R_JB×P_JB

其中R_JB（瓦特）是温度传感器50与上壳102的表面之间的热阻， P_JB（℃/瓦特）是向上壳102的表面消散的热量。

下壳104的表面温度T_C与逻辑芯片32的内部温度T_J之间的关系 可由以下等式2给出。

[等式2]T_J=T_C+R_JC×P_JC

其中R_JC是温度传感器50与下壳104的表面之间的热阻，P_JC是 向下壳104的表面消散的热。

考虑等式1和2，可通过热传递建模来测量各个部分以及逻辑芯 片32的温度。换句话说，可以容易地设置电子器件中各部分的基准 温度。例如，如果用移动电话的显示器来代替上壳102，则可以测量 显示器的表面温度。

可根据各种基准温度来使热电冷却封装件1工作在多性能模式 下。在一个示例中，可在逻辑芯片32的时钟速度被设为最大值的最 大性能模式下操作热电冷却封装件1，或在逻辑芯片32的时钟速度 被设为最小值的最小性能模式下操作热电冷却封装件1，或在逻辑芯 片32的时钟速度被设为中间值的中间性能模式下操作热电冷却封装 件1。

在一些示例实施例中，假设在最大性能模式下操作热电冷却封 装件1。如果热电冷却封装件1的温度低于第一基准温度T1，则将逻 辑芯片32的时钟速度保持在最大状态。反之，如果热电冷却封装件 1发热并且其温度增加到大于T1，则热电冷却封装件1的操作模式可 以从最大性能模式变为中间性能模式。

当在中间性能模式下操作热电冷却封装件1并且其温度低于稳 定温度Ts（＜T1）时，热电冷却封装件1的操作模式可以从中间性 能模式变为最大性能模式。可替换地，当热电冷却封装件1的温度处 于Ts到第二基准温度T2（＞T1）的范围时，可保持热电冷却封装件 1的操作状态以便可以继续中间性能模式。如果热电冷却封装件1发 热并且其温度增加到大于T2，则热电冷却封装件1的操作模式可以 从中间性能模式变为最小性能模式。

在热电冷却封装件1操作在最小性能模式下并且其温度低于Ts 的情况下，热电冷却封装件1的操作模式可以从最小性能模式变为最 大性能模式。可替换地，如果热电冷却封装件1的温度处于Ts到T2 的范围，则热电冷却封装件1的操作模式可以从最小性能模式变为中 间性能模式。如果热电冷却封装件1的温度处于T2到对应于逻辑芯 片32的最大可允许温度T_JMAX的第三基准温度T3（＞T2）的范围时， 则可保持热电冷却封装件1的操作状态以便可以继续最小性能模式。 如果热电冷却封装件1发热并且其温度增加到大于T3，则停止对热 电冷却封装件1的施加电源。

由以下等式3至等式6来给出各个基准温度Ts、T1、T2和T3。

[等式3]Ts≤T_B+R_JB×P_JB或T_C＋R_JC×P_JC

[等式4]T1≥T_B+R_JB×P_JB或T_C＋R_JC×P_JC

[等式5]T2≤T_JMAX

[等式6]T3≥T_JMAX

可替换地，如果热电冷却封装件1操作在最大性能模式下并且 随后其温度增加到高于T1，则可通过短时地操作TEC10来使热电冷 却封装件1冷却到T1以下。在此情况下，可保持热电冷却封装件1 的最大性能模式。类似地，如果操作在中间性能模式下的热电冷却封 装件1发热并且随后其温度增加到处于Ts和T2之间或者增加到高于 T2，则可通过短时地操作TEC10来使热电冷却封装件1冷却。因此 可将热电冷却封装件1保持在中间性能模式或最大性能模式。根据示 例实施例，即使热电冷却封装件1可能升温到T3以上，也无需停止 向该热电冷却封装件1供电，这是因为可通过短时操作TEC10来使 热电冷却封装件1冷却到T3以下。

与图6C相同或类似的特征描述也适用于本申请中所描述的示例 实施例。例如，图5E的目标温度可通过等式1至6之一（例如，等 式1或等式2）来给出。

“热电冷却封装件”可以狭义上指包含了TEC10和POP80的 热电冷却封装件1并且广义上指包括该热电冷却封装件1的任何电子 或电气设备（例如，图6A所示的移动电话或图6B所示的显示器）。 因此本申请中所描述的热管理可以指对热电冷却封装件1本身的热 管理或者对电子设备的热管理。

[热电冷却封装件的修改示例实施例]

图7A至图7D是示出根据本发明思想的示例实施例的热电冷却 封装件的修改示例实施例的截面图。

参考图7A，热电冷却封装件2可包括与POP80结合的多个TEC。 例如，可以在第一封装件衬底20的两侧边缘附近分别布置第一TEC 10a和第二TEC10b。可将正电压施加到第一TEC10a的P型半导体 12pa并可将负电压施加到第一TEC10a的N型半导体12na，从而释 放由POP80产生的热量。类似地，可将正电压施加到第二TEC10b 的P型半导体12pb并可将负电压施加到第二TEC10b的N型半导体 12nb，从而释放由POP80产生的热量。因此可将POP80的温度保持 在目标温度以下或者保持在目标温度范围以内。第一TEC10a可与第 二TEC10b同时操作或独立于第二TEC10b操作。

参考图7B，热电冷却封装件3可包括布置在第一封装件衬底20 上的第一TEC10a和布置在第二封装件衬底40上的第二TEC10b。 可将第一TEC10a布置在第一封装件衬底20的左侧边缘，以主要释 放由逻辑芯片32产生的热量。可将第二TEC10ba布置在第二封装件 衬底40的右侧边缘附近，以主要释放由存储器芯片42产生的热量。 第二封装件衬底40还可包括连接到第二TEC10b的金属通孔47。还 可在第一封装件衬底20和第二封装件衬底40之间提供电连接到金属 通孔47的焊球49。金属通孔47和焊球49可被用作施加到第二TEC 10b的电压的传输路径。

参考图7C，热电冷却封装件4可包括不与POP80接近的TEC10。 例如，POP80可被布置在板90上，并且TEC10可被布置在板90上 并位于POP80外部。因此，可使通过TEC10向上或向下流动的热量 或TEC10自身产生的热量被传送到POP80的现象消除或最小化。热 电冷却封装件4可包括共同连接到TEC10和POP80的散热片70。 从POP80产生的热量可通过散热片70消散或被传送到板90。传送 到板90的热量可通过TEC10移动到散热片70而被释放。板90还可 包括连接到第二金属层16的金属通孔94。金属通孔94可作为电压 施加端子和/或热通路。

参考图7D，热电冷却封装件5可包括嵌入在POP80中的TEC10。 第一TEC10a可与布置在其下方的存储器芯片42电绝缘。当把热电 冷却封装件5连接到外壳120时，可将第一TEC10a连接到外壳120。 第一TEC10a可被连接到将被施加电压的第二封装衬底40。如果将 正电压施加到第一TEC10a的P型半导体12pa并将负电压施加到第 一TEC10a的N型半导体12na，则第一TEC10a可从存储器芯片42 吸热以将热量传导到外壳120。热电冷却封装件5还可包括嵌入在第 一封装件衬底20中的第二TEC10b。可通过第一封装件衬底20向第 二TEC10b施加电压。如果将负电压施加到第二TEC10b的P型半导 体12pb并将正电压施加到第二TEC10b的N型半导体12nb，则第二 TEC10b可从逻辑芯片32吸热以通过板90来散热。

[电子系统的示例]

图8A是示出包括了根据本发明思想的示例实施例的热电冷却封 装件的存储卡示例的示意框图。图8B是示出包括了根据本发明思想 的示例实施例的热电冷却封装件的信息处理系统示例的示意框图。

参考图8A，可将包括了根据上述示例实施例的半导体封装件1 至5中的至少一个的半导体存储器模块1210应用于存储卡1200。在 一个实施例中，存储卡1200可包括存储控制器1220，其对主机1230 与半导体存储器模块1210之间的数据通信进行控制。将SRAM装置 1221用作中央处理单元（CPU）1222的操作存储器。可将主机接口单 元1223构成为包括将主机1230连接到存储卡1200的数据通信协议。 误差检验与校正（ECC）块1224可检验并校正从半导体存储器模块 1210中读取的数据的误差。存储器接口单元1225可与半导体存储器 模块1210接口。中央处理单元（CPU）1222可控制存储控制器1220 的整体操作。在SRAM装置1221、ECC块1224和/或CPU1222中可包 括根据示例实施例的半导体封装件1至5的至少一个。主控制器1240 可控制上述操作。主控制器1240可包括根据示例实施例的半导体封 装件1至5的至少一个。可替换地，主控制器1240可使用如图5C 至图5O所示的DTM方法来对SRAM装置1221、ECC块1224和/或CPU 1222进行控制。

参考图8B，信息处理系统1300可包括具有根据上述本发明思想 实施例的半导体封装件1至5中的至少一个的存储器系统1310。信 息处理系统1300可包括移动系统、计算机等。在一个实施例中，信 息处理系统1300可包括存储器系统1310、调制解调器（MODEM）1320、 中央处理单元（CPU）1330、随机访问存储器（RAM）装置1340和用 户接口单元1350，它们通过数据总线1360彼此通信。存储器系统1310 可包括存储器模块1311和存储控制器1312。存储器系统1310可具 有与图8A所示的存储卡1200基本相同的构造。存储器系统1310可 存储由CPU1330处理的数据或从外部系统发来的数据。信息处理系 统1300可被用于存储卡、固态盘、相机图像传感器或应用芯片集。 在一些实施例中，存储器系统1310可被实现为固态驱动器（SSD）。 在此情况下，信息处理系统1300可稳定可靠地将大量数据存储在存 储器系统1310中。

根据本发明思想，由于使用的热电冷却器，所以能够快速冷却 半导体芯片或半导体封装件。另外，由于可以无需改变半导体芯片的 时钟速度，因此能够将半导体芯片保持在其高性能。

尽管参照示例实施例描述了本发明思想，然而本领域技术人员 将会理解，可以在不脱离本发明思想精神和范围的情况下作出各种改 变和修改。因此，应当理解上述实施例并非限制性的而仅仅是说明性 的。因而，本发明思想的范围由所附权利要求及其等同形式的可允许 的最宽泛解释来确定，而不应被限定或局限为前述具体实施例的描 述。