JP6449601B2

JP6449601B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP6449601B2
Application number: JP2014188882A
Authority: JP
Inventors: ステファンモンフレイ; サンドリーヌロスティス; クリストフメートル; オルガコクシャギナ; フィリップコロネル
Original assignee: コミサリアアエナジーアトミックエオックスエナジーズオルタネティヴ; エステマイクロエレクトロニクスエスアー; エステマイクロエレクトロニクスクロル２エスアーエス
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: JP2015061076A; KR102282296B1; FR3010830B1; US20150075749A1; FR3010830A1; EP2851949B1; US9615443B2; EP2851949A1; KR20150032216A

Description

本発明は、集積回路チップを冷却する装置に関する。

非特許文献１には、ポンプによって液体が循環するマイクロパイプのネットワークを備える冷却装置が開示されている。

非特許文献２には、この種の他の装置が開示されている。

ナバスカーン（Navas Khan）等著、「電気及び流体の相互接続のためのＳｉ貫通電極（ＴＳＶ）を用いた３次元実装（3-D Packaging With Through-Silicon Via (TSV） for Electrical and Fluidic Interconnections)」、イーシーティーシー２００９（ECTC 2009）、２００９年、ｐ．１１５３−１１５８ビンシー（Bing Shi）等著、「マイクロ流体冷却及びサーマルＴＳＶを用いたハイブリッド３次元ＩＣ冷却システム（Hybrid 3-D IC Cooling System Using Micro-Fluidic Cooling and Thermal TSVs）」、アイトリプルイーコンピュータソサエティアニュアルシンポジウムオンブイエルエスアイ（IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI）、２０１２年、ｐ．３３−３８

また一方、様々な集積回路チップ、特には動作中に発した熱を放散する量が場所によって異なる集積回路チップを効率的に冷却可能であり、かつシンプルで小型で構成が容易な装置が必要とされている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、局所的に冷却能力を向上させることができる冷却装置を提供することにある。

本願にあっては、集積回路チップを冷却する冷却装置は、マイクロパイプネットワークと、２層構造の弁体を有するバルブとを備える。マイクロパイプネットワークの一部は、バルブを介して接続先に接続されている。

本願にあっては、弁体はバルブの温度変化により変形するように構成されている。

本願にあっては、バルブは、弁体の変形に応じて大きさを変える開口を有している。弁体は更に、バルブの温度が所定の閾値まで上昇した場合、第１形状から開口の大きさが第１形状のときよりも大きい第２形状へと変形するように構成されている。

本願にあっては、弁体は更に、バルブの温度が当該閾値よりも小さい第２閾値以下に降下した場合、第２形状から第１形状に変形するように構成されている。

本願にあっては、弁体における第１形状から第２形状への変形は不可逆である。

本願にあっては、弁体は熱膨張率の異なる物質からなる２層の積層体からなる。

本願にあっては、当該積層体における各層は、チタン窒化物、チタン、アルミニウム、銅、鉄、金、タングステン、白金、鉄−ニッケル系合金、シリコン酸化物、又は各物質の何れかからなる合金の群から選択される。

本願にあっては、弁体は部分円板形状をなしている。

本願にあっては、第１基板と、熱膨張率の異なる物質からなる２層の積層体を介して、当該第１基板に積層された第２基板とを備える。また、マイクロパイプネットワークは、第１基板に形成された複数の溝が互いに接続されてなる第１ネットワーク、及び前記第２基板に形成された複数の溝が互いに接続されてなる第２ネットワークを有する。

本願にあっては、第２基板を貫通し、第１ネットワーク及び第２ネットワークを接続する複数の孔を有している。

本願にあっては、複数の孔の一部は、第１ネットワーク及び第２ネットワークを直接接続している。

本願にあっては、複数の孔の一部は、バルブを介して第１ネットワーク及び第２ネットワークを接続している。

本願にあっては、複数の孔はフレア状をなしている。

本願にあっては、弁体は双安定性を有する。

本願にあっては、弁体は漸次的に変形するように構成されている。

上述の内容と、他の特徴及び効果とは、添付図面を参照して本発明を限定するものではない以下の特定の実施形態内にて詳細に説明する。

本発明によれば、局所的に冷却能力を向上させることができる。

冷却装置の一例を示す断面図である。冷却装置の一例を示す断面図である。本実施形態における冷却装置を示す断面図である。本実施形態における冷却装置を示す断面図である。本実施形態における冷却装置を示す断面図である。本実施形態における冷却装置を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の弁体の詳細を示す図である。本実施形態における冷却装置の弁体の詳細を示す図である。他の実施形態における冷却装置を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態における冷却装置の製造方法を示す断面図である。

明瞭化のために、添付の図面においては、同様の要素には同様の参照番号を付す。また、添付の図面においては、縮尺は正確なものではない。また、以下の記載において、「略」の語は、「１０％以内に」を意味する。更に、頂部、上方、上部、下方、垂直、水平、横等の方向に関する語は、対応する図面中の横断面図に示されるように配された装置に対して適用される。即ち、使用されるときには、装置は異なる方向を有し得ることを理解されたい。

図１Ａ及び１Ｂは、集積回路チップＩＣを冷却するための冷却装置１００の一例を示す断面図である。図１Ａは、図１Ｂの１Ａ−１Ａ線から見た冷却装置１００及び集積回路チップＩＣの横断面図である。図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線から見た冷却装置１００の平面断面図である。

冷却装置１００は、例えばシリコン、シリコン酸化物、アルミニウム窒化物からなる基板１０１を備える。基板１０１は、例えば、数マイクロメートルから数ミリメートルの厚さを有する。基板１０１は、下面側において、複数の溝１０３が相互に接続されたネットワークを有する。複数の溝１０３は、基板１０１の表面において規則的に分布している。また、溝１０３は基板１０１の厚さよりも小寸の深さで、当該基板１０１中に延設されている。一例として、溝１０３は、１〜５００μｍの深さを有しており、１〜１００ｍｍ以上の延設長さを有している。また、冷却装置１００は、基板１０１の下面側において、蓋１０５を備える。蓋１０５は例えば、平板状をなして基板１０１の下面に設けられ、基板１０１の下面側の溝１０３を密閉する。蓋１０５は例えば、シリコン、金属（例えば銅）、ガラス、又はプラスチック（例えばＰＭＭＡ（poly methyl methacrylate））等からなる。蓋１０５の厚さは、数マイクロメートルから数ミリメートルの範囲内であってもよい。溝１０３及び蓋１０５夫々の壁は、冷却液が流れることができるマイクロパイプが相互に接続されたマイクロパイプネットワークを規定する。この例において、冷却装置１００のマイクロパイプネットワークは、冷却液が内部に流入することができる流入口ＩＮと、冷却液が外部に流出することができる流出口ＯＵＴとを備える。冷却装置１００は、マイクロパイプネットワークの流入口ＩＮから流出口ＯＵＴまでの冷却液の流れを循環するために図示しないポンプを備えてもよい。以上の例において、蓋１０５の下面に配された集積回路チップＩＣ（図１Ａ参照）は冷却される。

この例において、冷却装置１００によって取り除くことができる集積回路チップＩＣの発熱量は、冷却される面の全ての位置について略同じである。しかしながら、実際には、集積回路チップには、動作中における発した熱を放散する量が異なる２つの領域が存在し得る。この場合においては、冷却装置１００によって提供される冷却は適切でない。実際に、集積回路チップの最も高温となる領域を十分に冷却するように冷却装置１００が製造された場合、当該集積回路チップの最も低温となる領域が必要以上に冷却される。このことは特に、装置内で冷却液を循環するポンプの不必要な電力消費をもたらす。

発した熱を放散する量が異なる複数の領域を備える集積回路チップの冷却の効率を向上するために、冷却面に対向するマイクロパイプの分布を修正することもできる。集積回路チップの最も低温となる領域に対向するマイクロパイプの密度よりも、当該集積回路チップの最も高温となる領域に対向するマイクロパイプの密度を高くすることが例として挙げられる。

しかしながら、そのような解決策は冷却装置を設計する段階で、集積回路チップの熱挙動が判明している必要があり、特には高温となる位置が事前に判明している必要がある。その場合、冷却装置は特定のタイプの集積回路チップに特有のものとなり、経済的でない。また、いくつかのタイプの集積回路チップでは、動作中に高温となる位置が変わる場合がある。その場合、このような冷却装置は冷却の効率が低下する。

図２Ａ〜図２Ｄは、本実施形態における集積回路チップＩＣを冷却する冷却装置２００を示す断面図である。図２Ａは、図２Ｂ、２Ｃ、及び２Ｄの２Ａ−２Ａ線から見た冷却装置２００及び集積回路チップＩＣの横断面図である。図２Ｂは、図２Ａ及び２Ｄの２Ｂ−２Ｂ線から見た冷却装置２００の平面断面図である。図２Ｃは、図２Ａ及び２Ｄの２Ｃ−２Ｃ線から見た冷却装置２００の平面断面図である。図２Ｄは、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃの２Ｄ−２Ｄ線から見た冷却装置２００及び集積回路チップＩＣの横断面図である。

本実施形態において、冷却装置２００は、積層された２つの基板２０１及び２０３を備える。基板２０１及び２０３は、例えば熱膨張率の異なる金属等の異なる材料で形成された２つの層２０５及び２０７の積層体により隔てられている。層２０５及び２０７夫々の材料は例えば、チタン窒化物、チタン、アルミニウム、銅、鉄、金、タングステン、白金、鉄−ニッケル系合金、シリコン酸化物、又はこれらの金属の何れかの合金から選択される。２つの層２０５及び２０７夫々は、例えば０．１〜１０μｍの厚さを有している。基板２０１及び２０３は、特定の例に限定されないが、例えばシリコン又はシリコン酸化物からなる。更に一般的には、基板２０１及び２０３は、溝を形成可能な任意の半導体、導電体又は絶縁体からなる。本実施形態においては、基板２０３が基板２０１に載置されている例が示されている。

基板２０１は、複数の溝２０９が互いに接続されたネットワークを備える。複数の溝２０９は、基板２０１における層２０５及び２０７の対向面側、即ち図２Ａ及び２Ｄ中の上面側に形成されており、例えば基板表面において規則的に分布している。また、溝２０９は基板２０１の厚さよりも小寸の深さで、当該基板２０１中に延設されている。

基板２０３は、複数の溝２１１が互いに接続されたネットワークを備える。複数の溝２１１は、基板２０３における層２０５及び２０７の対向面とは反対側、即ち図２Ａ及び２Ｄ中の上面側に形成されており、例えば基板表面において規則的に分布している。また、溝２１１は基板２０３の厚さよりも小寸の深さで、当該基板２０３中に延設されている。

溝２０９及び２１１は、例えば溝２０９のネットワークの少なくとも一部が、溝２１１のネットワークの一部と対向するように配される。即ち、溝２０９のネットワークの一部は、溝２１１のネットワークの一部を図２Ａ及び２Ｄ中の方向において垂直投影するように配されている。本実施形態においては、基板２０１に形成された全ての溝２０９が、基板２０３に形成された溝２１１に対向するように設けられているが、この特定の例には限定されない。

冷却装置２００において、溝２１１の底から基板２０３の下部を貫通するように孔が設けられ、溝２０９の手前における基板２０３の層２０５及び２０７側が出現している。これらの孔の一部は、図２Ｃ及び２Ｄにおいて２１３の参照番号が付されている。孔２１３は、層２０５及び２０７の積層体を貫通し、溝２０９のネットワークに連通する。これらの孔の他部は、図２Ｃ及び２Ｄにおいて２１５の参照番号が付されている。孔２１５は、層２０５及び２０７の積層体が延設端に出現しているが、貫通していない。孔２１３及び２１５は、例えば基板２０３において略垂直に延びている。

各孔２１５の底では、層２０５及び２０７の積層体の一部が、当該孔２１５の先にあり、当該積層体における一部は参照番号２１７が付されている。積層体の一部２１７は、少なくとも一つの開口２１９を備える。開口２１９は、比較的幅が狭いスロットであり、例えば２０ｎｍ〜１μｍの幅であり、積層体の一部２１７において少なくとも一つのバイメタル等からなる２層構造の弁体２１１を定める。本実施形態において、各弁体２２１は、周囲温度において初期には略平らであり、その詳細は図３Ａ及び３Ｂを参照して後述する。また、各弁体２２１は、層２０５及び２０７間での熱膨張率が異なるため、周囲温度よりも高い閾値Ｔ１を超える場合には湾曲による変形が可能となる。

冷却装置２００は更に、基板２０３における層２０５及び２０７の対向面と反対側、即ち図２Ａ及び２Ｄ中の上面側に蓋２２３を備える。蓋２２３は例えば、平板状をなして基板２０３の上面に設けられ、基板２０３の上面側の溝２１１を密閉する。蓋２２３は例えば、シリコン、ガラス、金属、プラスチック、又は溝２１１を密閉可能な他の任意の絶縁体、半導体、若しくは導電体等からなる基板であってもよい。一例として、蓋２２３の材料は、ポリエチレン、ＰＶＣ（polyvinyl chloride）等のポリマーからなる。

溝２０９及び２１１の壁、孔２１３及び２１５の壁、並びに蓋２２３の壁は、液体又は気体の状態の冷却流体を搬送することが可能なマイクロパイプが互いに接続されたマイクロパイプネットワークを規定する。冷却流体は例えば、水、イソプロピルアルコール等のアルコール、ガリウム等の液体金属、スリーエムカンパニー（3M company）から「Ｎｏｖｅｃ７５００ＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＦｌｕｉｄ」の商品名で市販されているような特定の液体である。更に、冷却流体は想定される他のものであってもよい。例えば、冷却流体は、混和性を有する又は有さない複数の液体の混合物であってもよく、液体、気体、及び／又は固体（ゲルであってもよい）の相間で平衡な流体であってもよい。また、冷却流体は、相が変化することによって熱を放出することができるもの（例えばヒートパイプ型）であってもよい。一例として、マイクロパイプネットワークの構成物は、横断面において１〜１０００μｍの寸法を有している。従って、冷却装置２００において、孔２１３及び２１５は例えば、直径が１〜１０００μｍの略円形の断面を有する円筒形状の孔である。また、溝２０９及び２１１は例えば、辺長が１〜１０００μｍの略正方形又は矩形の断面を有する。

本実施形態において、冷却装置２００のマイクロパイプネットワークは、冷却流体が内部に流入することができる流入口ＩＮと、冷却流体が外部に流出することができる流出口ＯＵＴとを備える。冷却装置２００は、マイクロパイプネットワークの流入口ＩＮから流出口ＯＵＴまでの冷却流体の流れを循環するために図示しないポンプを備えてもよい。以上の例において、基板２０１の下面に配された集積回路チップＩＣ（図２Ａ及び２Ｄ参照）は冷却される。

冷却装置２００において、孔２１５の延設端に位置する層２０５及び２０７の積層体の一部２１７夫々は、マイクロパイプネットワークにおける２つのマイクロパイプを接続するバルブ２１８を各規定する。各バルブ２１８の開口２１９は、自身が備える一又は複数の弁体２２１の形状に依存する。各バルブ２１８は、少なくとも２つの状態を有し得る。第１の状態は、バルブ２１８の一又は複数の弁体２２１が開口２１９を略完全に閉じている形状をなし、２つのマイクロパイプ間において当該バルブ２１８を介して流れる冷却流体が存在しないか、無視できる量だけ流れる状態である。本明細書では、第１の状態を閉状態とも称する。第２の状態は、バルブ２１８の一又は複数の弁体２２１が、当該バルブ２１８を通って無視できない量の冷却流体を流れさせることができる開口２１９の大きさを有するような形状となっている状態であり、本明細書では第２の状態を開状態とも称する。バルブ２１８は、冷却装置２００のマイクロパイプネットワークにおいて規則的に分布していてもよい。

図３Ａ及び３Ｂは、本実施形態における図２Ａ〜２Ｄにおける冷却装置２００のバルブ２１８の詳細を示す図である。特には、図３Ａ及び３Ｂは、図２Ｄにおいて破線で示される冷却装置２００におけるＦ３部分の拡大図であり、バルブ２１８が含まれる。図３Ａは、閉状態のバルブ２１８の平面図である。図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線から見た断面図であり、横断面図である。図３Ｂ上部には閉状態のバルブ２１８が示され、図３Ｂ下部には開状態のバルブ２１８が示されている。

図３Ａ及び図３Ｂ上部に示されるように、本実施形態におけるバルブ２１８は４つの弁体２２１を備え、閉状態の場合には各弁体２２１が略平坦である。各弁体２２１は、断面が略四半円となるような部分円板形状をなし、孔２１５の底に配された層２０５及び２０７の積層体の一部２１７に形成されている。即ち、当該積層体の一部２１７はバルブ２１８を含んでいる。４つの弁体２２１は、積層体の一部２１７の中心と略同じ中心を有する十字状のスロットとして開口２１９が形成されることにより、当該積層体の一部２１７内に設けられている。

層２０５及び２０７の材料間では熱膨張率が異なることに起因して、加熱の影響下での弁体２２１は、図３Ｂ下部に示されるように湾曲形状となることができる。そのため、弁体２２１は、閉状態のときの開口２１９よりも大きい開口２１９を規定する。その結果、バルブ２１８は開状態となる。本実施形態においては、バルブ２１８が開状態のとき、自由端を有する湾曲形状をなしている。即ち、バルブ２１８の中央に向かって延びる弁体２２１の先端は、弁体２２１が固定されている位置よりも上方にあり、弁体２２１において断面の弧に相当する部分は、層２０５及び２０７に連なっている。その結果、各弁体２２１の自由端は、閉状態のときよりもバルブ２１８の中央から離れる。換言すると、本実施形態において、バルブ２１８が閉状態から開状態に変化した場合、弁体２２１は花弁が開いたようになる。

冷却装置２００は、以下のように動作する。

冷却対象の集積回路チップＩＣに電源が投入されておらず、発熱がない又はごく少量の初期状態において、冷却装置２００の全てのバルブ２１８は例えば、全て閉状態である。冷却流体は、マイクロパイプネットワークの流入口ＩＮ及び流出口ＯＵＴ間を、溝２０９及び２１１と孔２１３を通って流れてもよい。一方、冷却流体はバルブ２１８を通らないか、通るとしてもごく少量だけである。従って、冷却流体は、孔２１５によって規定されるマイクロパイプを流れないか、流れるとしてもごく少量だけである。

集積回路チップＩＣが動作するとき、当該集積回路チップＩＣは熱を発し、発した熱は冷却流体によって部分的に排出される。集積回路チップＩＣが発した熱は、冷却装置２００のバルブ２１８を加熱する。集積回路チップＩＣの特定の領域が他の領域に比べて発熱量が多い場合もある。従って、各バルブ２１８は異なる温度となり得る。

バルブ２１８の温度が閾値Ｔ１に到達した場合、当該バルブ２１８は、開状態に切り替わる。冷却流体は、当該バルブ２１８の上側に位置する孔２１５によって規定されるマイクロパイプ内を流れることができる。その結果、集積回路チップＩＣによって熱せられた冷却流体を、対応する領域にあるマイクロパイプネットワークによって、より多く排出することができる。換言すると、バルブ２１８の開口２１９は、開状態のバルブ２１８の領域に関して局所的に冷却装置２００の冷却能力を向上させる。

集積回路チップＩＣは、発した熱を放散する量が場所によって異なる場合、通常の動作で定常状態のときに高温となる領域と低温となる領域とがある。このとき、バルブ２１８を開くための閾値Ｔ１は例えば、集積回路チップＩＣが高温となる領域の上方に配されたバルブ２１８が開状態であり、当該領域よりも低温となる領域の上方に配されたバルブ２１８が閉状態であるような温度である。一例として、閾値Ｔ１は、７０〜９０℃の範囲内の温度となり得る。

本実施形態における第１の実施例としては、弁体２２１の変形は可逆である。即ち、開状態のバルブ２１８の温度が閾値Ｔ１よりも小さい閾値Ｔ２まで降下した場合、当該バルブ２１８が閉状態となる。この第１の実施例は、動作中の集積回路チップＩＣにおいて高温となる位置が移動するような場合に好適である。実際に、このような場合には、冷却装置２００は、集積回路チップＩＣが高温となる領域の移動に従い、異なる領域における局所的な冷却能力を自動的に調節することができる。閾値Ｔ２は例えば、３０〜７０℃の範囲内の温度である。この第１の実施例では、層２０５及び２０７の組は、例えば、チタン及び金、アルミニウム及びシリコン酸化物、チタン及びアルミニウム、タングステン及びアルミニウム、又はタングステン及び金の各組における何れかからなる。

本実施形態における第２の実施例としては、弁体２２１の変形は不可逆である。即ち、バルブ２１８は、一度でも開状態となった場合には、当該バルブ２１８の温度が降下したときであっても閉状態とはならない。この第２の実施例は、動作中の集積回路チップＩＣにおいて高温となる位置が移動しない場合に好適である。この第２の実施例では、冷却装置２００のマイクロパイプネットワークは、集積回路チップＩＣが最初に動作するときに自動的に設定されるが、その後の当該集積回路チップＩＣにおける動作の停止／再開の各時点で再設定されない。冷却装置２００の各弁体２２１が高々１回作動するだけであり、機械的摩耗のリスクを抑制することができるという利点がある。この第２の実施例では、層２０５及び２０７の組は、例えば、チタン及び銅、タングステン及び銅、又はシリコン酸化物及び銅の各組における何れかからなる。

２層構造の弁体２２１は双安定性を有していてもよい。即ち、弁体２２１は、閾値Ｔ１まで加熱された場合に閉状態から開状態へと迅速に切り替わるものであってもよい。また、上記第１の実施例においては、弁体２２１は、閾値Ｔ２まで冷却された場合に開状態から閉状態に迅速に切り替わるものであってもよい。

変形例としては、弁体２２１の変形は漸次的であってもよい。この場合には、各バルブ２１８は、弁体２２１の温度によって、閉状態と開状態との間に複数の中間状態が設けられていてもよい。

図４は、他の実施形態における冷却装置４００の横断面図であり、図２Ｄに対応している。

図４に示される冷却装置４００は、図２Ａ〜２Ｄに示される冷却装置２００と多くの部分で共通している。以下では、冷却装置４００と冷却装置２００との間で異なる部分についてのみを主として説明する。

冷却装置２００は、全長に亘り、軸長方向に沿って略直線に延びる孔２１３及び２１５を備えていたが、冷却装置４００は、これらと形状が異なる孔４１３及び４１５を備えていることが、当該冷却装置２００及び４００間の主な違いである。図４に示されるように、孔４１３は層２０５及び２０７の積層体を貫通することで、当該積層体が介されずに溝２１１を溝２０９に直接接続している。バルブ２１８は、溝２１１を溝２０９に接続する孔４１５の底に配されている。

他の実施形態において孔４１３及び４１５は、軸長方向の一側に向かって、冷却流体の流れを促進することができる形状を有している。他の実施形態においては図４に示されるように、孔４１３及び４１５は、フレア状をなしており、例えば円形断面を有するテーパ状をなしている。他の実施形態において、冷却装置４００の流入口ＩＮ及び流出口ＯＵＴは、マイクロパイプネットワークの下部に配されている。即ち、溝２０９と同程度の位置に配されている。冷却装置４００は、流入口ＩＮ近傍に、一又は複数のフレア状の孔４１３を備える。当該孔４１３は、溝２０９側から溝２１１側に向かって先細になっている。当該孔４１３は、流入口ＩＮ近傍の溝２０９から溝２１１へ冷却流体が流れることを促進する。また、他の実施形態における冷却装置４００は、流出口ＯＵＴ近傍にも一又は複数の孔４１３を備え、当該孔４１３は、溝２１１側から溝２０９側に向かって先細になっている。当該孔４１３は、溝２１１から流出口ＯＵＴ近傍の溝２０９へ冷却流体が流れることを促進する。このようなフレア状の孔４１３が設けられることにより、マイクロパイプネットワーク全体に冷却流体を流通させ易くし、流入口ＩＮから流出口ＯＵＴまで冷却流体を流れ易くする。更に他の実施形態において、孔４１５は、溝２０９側から溝２１１側に向かって先細になっているフレア状をなしている。孔４１５は、対応するバルブ２１８が開状態である場合に、溝２０９から溝２１１への冷却流体の流れを促進する。変形例としては、冷却流体の望ましい流路次第で、孔４１５の一部または全部が溝２１１側から溝２０９側に向かって先細になっていてもよい。但し、孔４１３及び４１５の形状は、上述の形状に限定されないことを理解されたい。より一般的には、孔４１３及び４１５は、冷却流体の流れを促進することができる形状であれば、公知の形状であってもよい。更には、冷却流体が流れ易くなるような図示しない被膜がマイクロパイプネットワークの溝２０９若しくは２１１の壁面又は孔４１３若しくは４１５の周面に適宜被覆されてもよい。

図５Ａ〜５Ｇは、図２Ａ〜２Ｄと図３Ａ及び３Ｂとに関連して示された冷却装置２００の製造工程の例を概略的に示す横断面図である。図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、及び５Ｄには、図２Ａと同様の側から見たときの横断面が示されている。図５Ｅ、５Ｆ、及び５Ｇには、図２Ｄと同様の側から見たときの横断面が示されている。

図５Ａは、溝２０９のネットワークを基板２０１の表面に形成する工程を示している。溝２０９は、例えばエッチング又は他の適した方法の何れかによって形成される。図示しないマスクは、エッチングされる基板２０１の領域を定めるために用いられる。

図５Ｂは、基板２０３の表面上に層２０５及び２０７を積層する工程を示している。図５Ｂに示されるように、層２０７は基板２０３の表面を被覆する。層２０５は、層２０７における基板２０３と対向する面と反対側の面を被覆する。層２０７及び２０５は例えば、蒸着又は他の適した方法の何れかによって連続して形成される。

図５Ｃは、基板２０１における溝２０９が形成されている側の面が、層２０５の外面と対向するように、基板２０３が基板２０１に載置される工程が示されている。

図５Ｄは、基板２０３における層２０５及び２０７が積層された面と反対側の面に溝２１１のネットワークを形成する工程を示している。溝２１１は、例えばエッチング又は他の適した方法の何れかによって形成される。図示しないマスクは、エッチングされる基板２０３の領域を定めるために用いられる。

図５Ｅは、複数の孔５０１を形成する工程を示している。複数の孔５０１は例えば、基板２０３の全面に規則的に分布し、溝２１１の底から延びて基板２０３の下部を貫通し層２０７を貫通することなく露出させる。孔５０１は、例えばエッチング又は他の適した方法の何れかによって形成される。図示しないマスクは、エッチングされる基板２０３の領域を定めるために用いられる。なお、図５Ｅは、図５Ｄの５Ｅ−５Ｅ線から見た横断面図である。

図５Ｆは、孔５０１の一部の底に配された層２０５及び２０７の積層体を略完全に取り除いて貫通することにより、冷却装置２００の孔２１３（図２Ｃ及び２Ｄ参照）を形成する工程を示している。また、図５Ｆは、孔５０１の他部の底に配された層２０５及び２０７に開口２１９を形成することで、バルブ２１８の２層構造の弁体２２１を形成する工程を示している。即ち、孔５０１の他部は、冷却装置２００の孔２１５に対応している。孔２１３のために孔５０１の底を全開する工程と、孔２１５のために孔５０１の底に開口２１９を形成する工程とは、同時に又は連続して行われる。層２０５及び２０７の積層体の開口２１９は、例えばエッチングによって形成されてもよい。図示しないコンフォーマルマスク又は他のマスクは、エッチングによって取り除かれる層２０５及び２０７の領域を設定する。変形例として、層２０５及び２０７の開口２１９はマスクを用いずに形成されてもよく、例えばレーザエッチングにより形成されてもよい。

図５Ｇは、基板２０３の上面に蓋２２３を載置する工程を示している。蓋２２３は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を含有する接着剤等のポリマー接着剤によって、基板２０３の上面に貼り付けられる。

なお、図５Ｆ及び５Ｇは、図５Ｄの５Ｅ−５Ｅ線から見た断面図である。

上述のように本実施形態及び他の実施形態の冷却装置２００及び４００は、マイクロパイプネットワークが集積回路チップの熱挙動に従い自動的に設定される。そのため、本実施形態及び他の実施形態の冷却装置２００及び４００は、従来の冷却装置と比べ、各種の様々な集積回路チップに好適である。

特定の実施形態について記載してきたが、種々の変更、修正、改良が当業者に容易に想起される。

特には、記載された実施形態は、図３Ａ及び３Ｂに関連して記載されたバルブ２１８の２層構造の弁体２２１における形状及び配置について、特定の例に限定されない。より一般的には、上述の弁体２２１の形状及び／又は配置が異なる弁体を用いることによって、本願の所望の動作を得ることは、当業者の能力の範囲内である。例えば、２層構造の弁体２１１は、矩形状であってもよいし、三角形状であってもよいし、中心角が４５度よりも小さい又は大きい角度の部分円板形状であってもよい。更には、各バルブ２１８は、４つ以外の数の弁体２１１を備えていてもよい。

また、マイクロパイプネットワークは、各実施形態において上述した配置に限定されない。記載された各実施形態は、他のマイクロパイプネットワークの配置にも好適である。マイクロパイプネットワークは２層構造の弁体２１１を有するバルブ２１８を備え、当該弁体２１１は、自身が開いたときに冷却装置２００及び４００の冷却能力を局所的に調節することができるため、例えば、当該マイクロパイプネットワークに含まれる溝の段数は問わない。当該溝の段数は、２段よりも多くてもよいし、少なくてもよい。また一例として、マイクロパイプネットワークは、複数の冷却流体の流入口を有していてもよいし、複数の冷却流体の流出口を有していてもよい。更には、上述した集積回路チップを冷却する原理に基づいて、集積回路チップの両側に冷却流体を搬送することができるマイクロパイプネットワークを備える冷却装置が提供されてもよい。

また、変形例として、冷却する電子部品は、冷却装置２００及び４００と別体の集積回路チップに配されている必要はなく、冷却装置２００及び４００の基板２０１又は蓋２２３に形成されていてもよい。

また、記載された各実施形態は、上述の寸法及び材料の例に限定されない。

以上のような変更、修正、および改良も本願の開示の一部であり、本発明の技術思想の範囲内に属するものである。実施形態は１つの例に過ぎず、本発明を、実施形態の内容に限定する意図はない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等の意味により示される。

２００，４００冷却装置
２０１，２０３基板
２０５，２０７層
２０９，２１１溝
２１３，２１５，４１３，４１５孔
２１８バルブ
２１９開口
２２１弁体
ＩＣ集積回路チップ

Claims

集積回路チップを冷却する冷却装置において、
第１基板と、
熱膨張率の異なる物質からなる２層の積層体を介して、前記第１基板に積層された第２基板と、
前記第１基板に形成された複数の溝が互いに接続されてなる第１ネットワーク、及び前記第２基板に形成された複数の溝が互いに接続されてなる第２ネットワークを有するマイクロパイプネットワークと、
２層構造の弁体を有し、前記第１ネットワーク及び前記第２ネットワークの間に配置されたバルブと
を備え、
前記マイクロパイプネットワークの一部は、前記バルブを介して接続先に接続されていること
を特徴とする冷却装置。
前記弁体は、前記バルブの温度変化により変形するように構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記バルブは、弁体の変形に応じて大きさを変える開口を有しており、
前記弁体は更に、前記バルブの温度が所定の閾値まで上昇した場合、第１形状から、前記開口の大きさが前記第１形状のときよりも大きい第２形状へと変形するように構成されていること
を特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
前記弁体は更に、前記バルブの温度が前記閾値よりも小さい第２閾値以下に降下した場合、前記第２形状から前記第１形状に変形するように構成されていること
を特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
前記弁体における前記第１形状から前記第２形状への変形は不可逆であること
を特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
前記弁体は、前記積層体からなること
を特徴とする請求項１から５までの何れか一つに記載の冷却装置。
前記積層体における各層は、チタン窒化物、チタン、アルミニウム、銅、鉄、金、タングステン、白金、鉄−ニッケル系合金、シリコン酸化物、又は各物質の何れかからなる合金の群から選択されること
を特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
前記弁体は、部分円板形状をなすこと
を特徴とする請求項１から７までの何れか一つに記載の冷却装置。
前記マイクロパイプネットワークは、前記第２基板を貫通し、前記第１ネットワーク及び第２ネットワークを接続する複数の孔を有していること
を特徴とする請求項１から８までの何れか一つに記載の冷却装置。
前記複数の孔の一部は、前記第１ネットワーク及び第２ネットワークを直接接続するようにしてあること
を特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
前記複数の孔の一部は、前記バルブを介して前記第１ネットワーク及び第２ネットワークを接続していること
を特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
前記複数の孔は、フレア状をなしていること
を特徴とする請求項９から１１までの何れか一つに記載の冷却装置。
前記弁体は、双安定性を有すること
を特徴とする請求項１から１２までの何れか一つに記載の冷却装置。
前記弁体は、漸次的に変形するように構成されていること
を特徴とする請求項１から１２までの何れか一つに記載の冷却装置。