JP2008536337A - 集積回路の微小流体冷却法 - Google Patents

Abstract

集積回路の冷却に使用される微小チャネル冷却システムは、多数の微小チャネルを有し、これらの微小チャネルは、気泡の閉塞を受ける。加熱により、気泡が形成された際、または核発生が生じた際に、気泡は、微小チャネル内で捕獲される。ある実施例では、微小チャネル内の弁の少なくとも一部が自動的に作動して、微小チャネルを閉塞し、これにより気泡が開放され、気泡がチャネルから排出される。

Description

本発明は、全般に集積回路を冷却する技術に関する。

マイクロプロセッサのような集積回路は、作動の間、相当の熱を発生する。この熱は、装置の特性に悪影響を及ぼす。そのため、集積回路を冷却する様々な冷却技術が知られるようになってきた。

微小チャネルは、半導体製造プロセスにおいて微細加工されたチャネルである。微小チャネルは、U字型であっても良く、シリコンにエッチング形成される。通常、これらの微小チャネルは、相互に平行であり、各々は、100ミクロン未満の幅であっても良い。微小チャネルの配列が、熱発生する集積回路上に直接設置された場合、これらの微小チャネルを通る流体の循環によって、集積回路は、効率的に冷却される。

そのような微小チャネルに関する一つの問題は、過熱の間、微小チャネル内に気泡が形成され得ることである。これらの気泡は、微小チャネルを通る流体の流れを事実上遮断する。その結果、微小チャネルが十分な気泡で遮断されてしまうと、集積回路がもはや有効に冷却されなくなってしまう。これは、もはや十分な冷却流が流れず、集積回路から熱を移行させることができなくなることによる。

従って、集積回路の微小流体冷却法を提供することに関して、要望がある。

本発明では、微小チャネル内で形成された微小気泡を、前記微小チャネルから除去するように作動することが可能な弁を提供するステップを有する方法が提供される。

また本発明では、
半導体集積回路チップと、
前記チップの上部に形成された複数の微小チャネルであって、微小チャネル内に形成された気泡を除去するように作動することが可能な弁を有する、複数の微小チャネルと、
を有する集積回路が提供される。

また本発明では、
複数の微小チャネルと、
前記微小チャネルの一つにある弁であって、微小チャネル内で形成された気泡を除去する弁と、
を有する冷却装置が提供される。

図1を参照すると、微小流体冷却組立体は、集積回路12を冷却するように適合されている。集積回路12は、例えば、マイクロプロセッサを含む、熱を発生するいかなる集積回路であっても良い。集積回路12に接するように、入口リザーバ14および出口リザーバ16が設けられている。流体フローチャネル24および18により、外部ポンプ22および外部熱交換器20から流体が供給される。ただし、ある実施例では、ポンプ22を集積回路12に組み込むことも可能である。熱交換器20は、従来のいかなる熱交換器であっても良く、これには、空気冷却式熱交換器が含まれる。

イオン化水のような冷却流体は、ポンプ22から通路24を通り、入口リザーバ14に流れる。冷却流体は、ここから、チップ12の上部表面を横断して、流体の流れ方向に延伸する複数の微小チャネル28を通り、出口リザーバ16に流れる。冷却流体は、出口リザーバから、通路18を通り、熱交換器20に向かって流れる。冷却流体は、この熱交換器で熱を放出する。その後、冷却流体は、再度システム内に流通される。

図2を参照すると、微小チャネル28は、集積回路チップ12の上部に延伸している。すなわち、微小チャネル28は、流体の流れ方向に延伸しており、いくつかの実施例では、U字型の内部構造を有する。微小チャネルの側壁には、フラップ弁32が取り付けられている。この弁32は、側壁から外方に変形し、微小チャネル28を閉止する。いくつかの実施例では、バルブ32は、バイメタルストリップで形成されても良く、この場合、バルブは、熱により活性化され、流体フロー通路の方に向かって動き、これを閉止する。上部微小チャネル18は、開口を覆う蓋26であっても良い。微小チャネル28の下側は、チップ12であっても良い。

図3を参照すると、本発明の一実施例では、複数の微小チャネル28は、チップ12（図2）の上部表面にわたって、矢印Aで示す流体の流れ方向に平行に延伸している。微小チャネル28の各々は、入口リザーバ14および出口リザーバ16と連通している。従って、チャネル24からの流体の流れは、入口リザーバ14を通り、微小チャネル28内で分散される。流体の流れは、微小チャネル28を通り、下側の集積回路12から熱を受容する。その後、流体は、出口リザーバ16内で回収され、熱交換のため、チャネル18によって熱交換器20に戻される。

図3に示すように、ある実施例では、微小チャネル28の各々は、一つの側壁に設置されたフラップ弁32を有しても良い。いくつかの実施例では、この弁32は、半導体微小製造技術を含む微小電気機械システム技術によって形成されても良い。弁32は、微小チャネル28の入口側に設けられても良い。

図3に示すように、微小チャネル28のうちの一つには、弁32の下流直下に気泡Bが形成される。そのような気泡は、流体の流れを妨害し、ある場合には、効率的な冷却を妨げる。気泡の上流側でのメニスカス力により、気泡の排出が抑制されるため、気泡は、そのまま停滞する場合がある。従って、気泡Bの下流で、流体の流れの低下が生じ、この結果、気泡の領域およびその下流では、過度の熱が生じる。

図4を参照すると、上流側で微小チャネル28の壁に設置されたバイメタル弁32は、熱発生に応答して、その自由端が下流側から外部方向に向かって方向を変え、微小チャネル28内の方を向き、これにより、気泡Ｂの上流側で、少なくとも流れの一部が遮断される。微小チャネルによるフロー断面の効果的な抑制の結果、気泡Ｂの上流側のメニスカスが壊れ、これにより、気泡が外方に流れ出るようになる。特に、気泡Ｂの上流側から流体を除去することにより、メニスカスが壊れ、表面張力がなくなり、気泡は、微小チャネル28の内部に固着できなくなる。その結果、気泡は、排出され、出口リザーバ16および／または部材内で消散する。

流体の流れが閉鎖されると、バイメタル弁32に温度上昇が生じることになるため、気泡の閉鎖により、その動作が必要となった際に、その作動を正確に行うことができる。一度気泡が排出されると、通路28は、もはや閉塞されなくなり、ポンプ22によって供給される流体の流れおよび圧力で、弁32が開の位置とは逆向きに押しつけられるとともに、バイメタル弁32がさらに冷却され、弁は、図3に示すような位置に戻る。

いくつかの実施例では、弁32は、各流体通路28に設けられても良く、また、弁32は、微小チャネル28の群にのみ設けられても良い。例えば、そのような群は、弁を含む共通の通路から広がっていっても良い。これにより、製作される弁の数が抑制される。

図5および6を参照して示すように、別の実施例では、単一のフロー通路を有する微小チャネル28を提供する代わりに、弁32および代替フロー通路34が設けられても良い。ただし、チャネル28および34の他の配置も可能である。

示された実施例では、微小チャネル28は、直線状であり、フロー通路34は、微小チャネル28と接続される。ただし、微小チャネル28および34の他の配置も可能である。この場合、チャネル34と微小チャネル28の間の連通は、バイメタル弁32によって制御される。図5の矢印の向きに流れる流体が、気泡Ｂにより閉塞された場合、弁32は、前述のように作動して、流体がチャネル34からチャネル28の方に流れるようになり、気泡28が排出される。いくつかの実施例では、チャネル34は、微小チャネル28に流体を供給する入口リザーバ14と同一のリザーバに連通される。この場合もまた、流れの閉塞がメニスカスを開放し、気泡の膨脹が可能となる。その後、流体圧力の増大により、通路34からの流れは、気泡Ｂを排出するように作動する。従って、図6に示すように、微小チャネル28が閉じた状態でも、代替通路34からの流れが生じ、気泡Ｂが排出される。

図7乃至9を参照すると、これらの図には、微小チャネル28内の弁32を微細加工製作する処理の一例が示されている。この実施例では、基板40は、孔38を有し、この孔は、熱分解により除去可能な材料で充填されている。基板40および孔38を覆うように、バイメタル弁材料36が設置される。最終的に弁32となるバイメタル弁材料36は、2つの金属層を連続的に成膜することにより形成され、バイメタル弁が作製される。2つの金属は、異なる熱膨張係数を有するように選定される。その結果、弁32は、加熱された際に、コイルのように丸くなる。

その後、層36がパターン化され、弁32が形成される。弁32は、基板40上部に付着端部32aを有し、孔38の上部の非付着端部32bを有するように配置される。

穴内の材料38が熱分解されると、弁32の下側にキャビティ42が形成されるとともに、付着端部32aが微小チャネル28に固定された状態のまま、弁の自由端部32bがフリーとなる。

この理論に限られるものではないが、微小チャネル内で形成される気泡は、膨脹しようとするため、これらは、上流側に真空を形成すると考えられる。弁の加熱により弁が閉止されている場合、真空状態およびメニスカスが壊れる。弁が冷却されると、これは、再度開状態となり、気泡を排出する。上流側端部で、一度気泡が吸引されると、多くの場合、この気泡が膨脹して、自身を押し出すことになる。

本発明をある限定された数の実施例に則して説明したが、これらの多くの変更および修正は、当業者には明らかである。特許請求の範囲の記載は、そのような全ての修正および変更を網羅し、そのような全ての修正および変更は、本発明の思想および範囲に属する。

本発明の一実施例の概略図である。 図1のほぼ2-2線に沿った、概略的な拡大断面図である。 第1のバルブ構造における、図2のほぼ3-3線に沿った、水平断面図である。 本発明の一実施例による図3に対応する断面図であって、バルブが作動した状態の断面図である。 第1の構成における、本発明の別の実施例の拡大断面図である。 第2の構成における図5に示した実施例の拡大断面図である。 本発明の一実施例による、初期製造段階での図5および6に示した実施例の拡大断面図である。 後続の製造段階での図7に示す実施例の拡大断面図である。 本発明の一実施例による、終期製造段階での図8に示す実施例の拡大断面図である。

Claims (25)

1. 微小チャネル内で形成された微小気泡を、前記微小チャネルから除去するように作動することが可能な弁を提供するステップを有する方法。
2. 気泡が形成された際に、前記微小チャネルを流れる流体の流れを自動的に閉止する弁を提供するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 熱で活性化される弁を提供するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
4. バイメタル弁を提供するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. 前記弁を、半導体製作技術によって製作するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
6. 弁の材料を成膜するステップと、
   前記弁の材料をパターン処理するステップと、
   前記弁の材料の下側の材料を分解して、前記弁を離すステップと、
   によって、前記弁を形成するステップを有することを特徴とする請求項5に記載の方法。
7. 気泡が生じた際に、前記微小チャネルと連通する通路を提供するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
8. 気泡が生じた際に、前記弁によって、前記通路と前記微小チャネルの間に、選択的な連通路が提供されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
9. 気泡が形成された際に、前記微小チャネルを通る流体の流れを自動的に閉止する弁であって、前記気泡が除去された後に、制限されない流体の流れを提供するため、自動的に開になる弁を提供するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
10. 底部と側壁を有するU字型の微小チャネル内に、前記弁を形成するステップであって、前記側壁の一つに、前記弁を形成するステップを有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
11. 半導体集積回路チップと、
    前記チップの上部に形成された複数の微小チャネルであって、微小チャネル内に形成された気泡を除去するように作動することが可能な弁を有する、複数の微小チャネルと、
    を有する集積回路。
12. 前記弁は、気泡が形成された際に、前記微小チャネルを通る流体の流れを自動的に閉止することを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
13. 前記弁は、熱で活性化されることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
14. 前記弁は、バイメタル弁であることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
15. 前記弁は、微細加工された弁であることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
16. 気泡が形成された際に、前記微小チャネルと連通する通路を含むことを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
17. 前記弁は、気泡が形成された際に、前記通路と前記微小チャネルの間に選択的な連通路を提供することを特徴とする請求項16に記載の集積回路。
18. 前記弁によって、気泡が形成された際に、前記微小チャネルを通る流体の流れが自動的に閉止され、前記気泡が除去された後、制限されない流体の流れが自動的に提供されることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
19. 前記微小チャネルは、底部と側壁を有するU字型であり、前記弁は、前記側壁の一つに形成されることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
20. 前記弁は、加熱された際に曲がることを特徴とする請求項11に記載の集積回路。
21. 複数の微小チャネルと、
    前記微小チャネルの一つにある弁であって、微小チャネル内で形成された気泡を除去する弁と、
    を有する冷却装置。
22. 前記弁は、気泡が形成された際、前記微小チャネルを通る流体の流れを自動的に閉止することを特徴とする請求項21に記載の冷却装置。
23. 前記弁は、熱で活性化されることを特徴とする請求項21に記載の冷却装置。
24. 前記弁は、バイメタル弁であることを特徴とする請求項21に記載の冷却装置。
25. 前記弁は、微細加工された弁であることを特徴とする請求項21に記載の冷却装置。
    

Images