JP4218838B2 - 電力供給システム、電力供給装置および電子回路駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給および冷却技術に関し、特に半導体集積回路を対象とした電力供給技術に関する。

ＬＳＩ設計において製造プロセスの微細化と素子の高集積化が一段と進み、チップの性能限界として発熱量を考慮することがＬＳＩの設計上非常に重要になった。チップが高温になると、動作不良を起こしたり、長期信頼性が低下するため、様々な発熱対策がとられている。たとえば、チップの上部にヒートシンクを設けて、チップから発生する熱を逃がす方法がとられる。

昨今のＬＳＩ、特に高性能のマイクロプロセッサでは、ヒートシンクでもとりきれない発熱が生じうるため、放熱効率の改善は永続的な課題である。
また、ＬＳＩにおいて、基板などと接続される端子の電流容量には限界があり、端子に流れる電流密度がＬＳＩの信頼性に影響を及ぼすという問題が生じており、ＬＳＩに対する電力供給もまた、重要な技術的課題としてあげられる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体集積回路を効果的に冷却しつつ、同時に電力を供給することができる電力供給システムの提供にある。

本発明のある態様は電力供給システムに関する。この電力供給システムは、電子回路を冷却するための冷却媒体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーによって電子回路を駆動する。
冷却媒体として導電性流体を選択し、この導電性流体に磁界を印加することによって、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき導電性流体と磁界が相互作用して起電力が生じる。この起電力を利用することによって冷却対象となる電子回路を駆動することができる。

本発明によれば、半導体集積回路を効果的に冷却しつつ、同時に電力供給することができる。

実施の形態の詳細について説明する前に、その概要を述べる。

本発明のある態様は電力供給システムに関する。この電力供給システムは、流路が穿設された基体と、基体に穿設された流路に導電性流体を流通せしめるポンプと、導電性流体の流通方向に対して垂直に磁界を印加する磁石と、磁界の印加方向と平行な対向する２面に、流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備え、駆動対象の半導体集積回路を、陽極と陰極間に発生する起電力によって駆動する。

この態様によれば、基体内部の流路において、導電性流体と磁界が相互作用し、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき陰極と陽極間には起電力が発生し、この起電力によって半導体集積回路を駆動することができる。

基体は半導体集積回路と密着して固定され、流路は半導体集積回路の発熱箇所に近接する領域に穿設されており、導電性流体を冷却する冷却装置をさらに備えてもよい。
基体と半導体集積回路を密着させることによって、半導体集積回路に生じた熱を流路を流れる導電性流体によって除去することができ、導電性流体を冷却装置によって冷却することによって冷却と電力供給を同時に行うことができる。

流路は、マイクロチャネル構造を有し、磁界の印加方向に隣接して複数穿設されてもよい。
流路をマイクロチャネル構造とすることによって、導電性流体の熱輸送効率を高めることができ、半導体集積回路の冷却効率を高めることができる。

半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、温度検出部によって検出された半導体集積回路の温度にもとづいて、冷却装置の冷却能力を制御する冷却制御部と、をさらに備えてもよい。
半導体集積回路の温度に応じて冷却装置を制御し、導電性流体の温度を調節することにより、安定した冷却を行うことができる。

陽極および陰極はそれぞれ、半導体集積回路の電源電圧端子および固定電圧端子に接続されてもよい。

陽極および陰極はそれぞれ、半導体集積回路と平行に設けられており、陽極は、流路の半導体集積回路側に設けられており、陰極は、流路の半導体集積回路と反対側に設けられてもよい。
陽極および陰極をこのような位置関係とすることによって、導電性流体内を陰極から陽極に向かって流れる電子にも熱輸送させることができ、冷却効率をさらに高めることができる。

基体は、シリコンによって形成されてもよい。
熱伝導率が高く、加工や電極形成が容易なシリコンを基体の材料として選択することによって、一般的な半導体製造工程を利用して電力供給装置を製造することができる。

基体は、半導体集積回路が形成されるシリコン基板内に、半導体集積回路と一体に形成されてもよい。
基体を半導体集積回路と一体に形成することによって、半導体集積回路と基体との間の接着面におけるヒートロスが減少し、より効率的な冷却を行うことができる。

導電性流体は、半導体集積回路またはその周辺装置の動作温度近傍に沸点を有する液体を含んでもよい。電力供給システムは、半導体集積回路またはその周辺装置から発せられる熱エネルギーを、液体を気化させるエネルギーとして利用することにより、導電性流体を流路に流通せしめるための運動エネルギーに変換する補助ポンプをさらに備えてもよい。
導電性流体を基体内の流路を通過する際に膨張させ、Ｒａｎｋｉｎｅサイクル（蒸気サイクル）などを利用した補助ポンプを用いることによって、半導体集積回路や、周辺の電源装置などを熱源とし、これらの熱源を導電性流体の動力として利用することができる。

陽極および陰極間に発生する起電力により、半導体集積回路以外の負荷回路を駆動してもよい。
冷却対象となる半導体集積回路に代えて、あるいは半導体集積回路とともに、他の負荷回路を陰極および陽極間に発生する起電力によって駆動することができる。

半導体集積回路を駆動するための駆動電圧を出力する電源をさらに備えてもよい。半導体集積回路を、電源から出力される駆動電圧または陽極および陰極間に発生する起電力のいずれかによって駆動してもよい。

陽極および陰極間に発生する起電力が所定のしきい値より低いとき、電源から出力される駆動電圧によって半導体集積回路を駆動してもよい。
陽極および陰極間に発生する起電力として半導体集積回路を駆動するために必要な電圧が得られない場合などに、電源に切り替えることによって安定して半導体集積回路を駆動することができる。

陽極および陰極間に発生する起電力を検出し、起電力が所定の電圧値に近づくように導電性流体の速度を制御する制御部をさらに備えてもよい。
陽極および陰極間に発生する起電力は、導電性流体の速度に依存するため、起電力にもとづいて速度を帰還制御することによって安定した起電力を得ることができる。

半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、温度検出部によって検出された半導体集積回路の温度にもとづいて、導電性流体の速度を制御する制御部と、をさらに備え、制御部は、半導体集積回路の温度が低い程、導電性流体の速度を低下させてもよい。
この場合、半導体集積回路の温度が低いときには、冷却能力を低下させることによりシステム全体の消費電力を低減することができる。

本発明の別の態様は、電力供給装置である。この電力供給装置は、導電性流体が流通する流路が穿設された基体と、流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備える。この電力供給装置は、導電性流体と当該導電性流体に印加される磁界との相互作用によって陽極と陰極間に発生する起電力によって駆動対象の半導体集積回路を駆動する。

この態様によれば、基体内部の流路において、導電性流体と磁界が相互作用し、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき陰極と陽極間には起電力が発生し、この起電力によって半導体集積回路を駆動することができる。

電力供給装置は、導電性流体に磁界を印加する磁石をさらに備えてもよい。
流路は、マイクロチャネル構造を有し、磁界の印加方向に隣接して複数穿設されてもよい。

本発明のさらに別の態様は、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、電子回路を冷却するための冷却媒体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーによって電子回路を駆動する。
この態様によれば、冷却媒体が持つ運動エネルギーの一部を電気エネルギーに変換することによって、電子回路の冷却と電力供給を同時に行うことができる。

本発明のさらに別の態様もまた、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、駆動対象である電子回路を冷却するための導電性流体と導電性流体に印加された磁界との相互作用によって生じる起電力によって冷却対象となる電子回路を駆動する。
この態様によれば、冷却媒体として導電性流体を選択し、この導電性流体に磁界を印加することによって、ファラデーの電磁誘導の法則にもとづき導電性流体の運動エネルギーが電気エネルギーに変換され、起電力が生じる。この起電力を利用することによって冷却対象となる電子回路を駆動することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、電子回路駆動方法である。この電子回路駆動方法は、駆動対象である電子回路を冷却するために循環される導電性流体と導電性流体に印加された磁界との相互作用によって生じる起電力を、電子回路を駆動する主電源から供給される電力を補う補助電源として利用する。
この態様によれば、主電源をあらかじめ用意しておき、上述の起電力を補助電源として利用することで、回路の安定性を向上することができる。

以下、これらの発明の態様について、実施の形態をもとに詳細に説明する。

本発明の実施の形態に係る電力供給システムは、半導体集積回路を冷却し、同時に半導体集積回路に対して駆動電力を供給するものである。
図１は、実施の形態に係る電力供給システム１００の全体構成を示す。電力供給システム１００は、起電冷却ヘッド１０、ポンプ１４、輸送管１６、冷却装置１８を含む。

起電冷却ヘッド１０は、半導体集積回路１２と密着して固定されており、半導体集積回路１２から熱量Ｑを奪うとともに、起電力Ｅｓを供給する。この起電冷却ヘッド１０は、後述するように、内部に冷却媒体が流し込めるよう流路が穿設された基体を備えており、両端で輸送管１６と接続されている。冷却媒体としては、後述のように導電性流体を選択する。この起電冷却ヘッド１０は、半導体集積回路１２に電力を供給する電力供給装置として機能する。

ポンプ１４の駆動により、輸送管１６および起電冷却ヘッド１０の基体内部の流路に冷却媒体が循環される。起電冷却ヘッド１０において半導体集積回路１２から奪い取った熱量Ｑにより温度が上昇した冷却媒体は、冷却装置１８で冷却される。冷却装置１８は、たとえばヒートシンク、空冷ファン、ペルチェ素子、あるいはこれらの組み合わせなどによって構成され、輸送管１６中を循環する冷却媒体から熱量Ｑ’を奪う。このポンプ１４は、機械的に流体を循環させるポンプで構成すればよい。

このようにして、本実施の形態に係る電力供給システム１００は、半導体集積回路１２に固定された起電冷却ヘッド１０に冷却媒体を循環させることによって半導体集積回路１２を冷却する。

図２は、起電冷却ヘッド１０の断面構成および半導体集積回路１２との接続状態を示す。
半導体集積回路１２は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）構造のフリップチップとなっており、プリント基板２０にはんだボール２２を介して接続されている。
起電冷却ヘッド１０は、半導体集積回路１２の裏面を覆うようにして密着されている。半導体集積回路１２は、その裏面に電源電圧端子Ｖｄｄと接地端子ＧＮＤを備えており、起電冷却ヘッド１０において発生する起電力Ｅｓによって駆動される。

起電冷却ヘッド１０は、基体４０、Ｎ極磁石５０、Ｓ極磁石５２を含む。図３は、起電冷却ヘッド１０を上方からみた平面図である。
図２に示すように基体４０内部には流路４２が複数マイクロチャネルとして穿設されており、輸送管１６から供給される冷却媒体が紙面の手前から奥に向かって流れている。この流路４２は、半導体集積回路１２の発熱箇所を覆うようにして設けられている。この流路４２の内部には、図３に示す向きで冷却媒体が流通する。

Ｎ極磁石５０、Ｓ極磁石５２は、この冷却媒体の流通方向、すなわち流路の穿設方向に対して垂直に磁界を印加するために、起電冷却ヘッド１０を挟むようにして設けられている。このＮ極磁石５０およびＳ極磁石５２によって、紙面左から右方向に向かって磁界Ｂが発生する。これらの磁石は、永久磁石を用いてもよい。

図２に戻る。基体４０に複数設けられた流路４２の内壁には、それぞれ磁界Ｂの印加方向と平行な対向する２面に、流路を挟むようにして陽極４４および陰極４６がそれぞれ設けられている。流路４２の内壁上面に設けられた陽極４４同士、内壁下面に設けられた陰極４６同士はそれぞれ電気的に接続されて、半導体集積回路１２の電源電圧端子Ｖｄｄおよび接地端子ＧＮＤに接続されている。

基体４０は、熱伝導性の良い材料で構成することが望ましい。また、基体４０に穿設される流路４２の内壁に設けられる陽極および陰極の端子は、銅などの金属材料で構成することになる。したがって、基体４０の材料として、半導体、特にシリコンを用いた場合、シリコン半導体製造プロセスを用いて基体４０を製造することができる。このようなマイクロチャネルを製造し、電極を形成する工程については、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）などに関連する公知の技術を用いることができるため、ここでは詳述しない。

基体４０と半導体集積回路１２との接続はいくつかの形態が考えられる。基体４０と半導体集積回路１２を別々に製造した場合、図２に示すように、はんだバンプなどで物理的に接続する、あるいは、基体４０の電極と半導体集積回路１２の電極とを圧力を加えて接触させる、あるいはワイヤボンドなどによって接続してもよい。

図４は、図１の電力供給システムの変形例を示す図である。基体４０の材料としてシリコンを選択する場合には、図４に破線で示すように、半導体集積回路１２と基体４０とを同一のシリコンチップ２００上に一体に形成してもよい。この場合、半導体集積回路１２と基体４０との間の接着面が存在せず、図１の場合と比べてヒートロスが減少することになるため、より効率的な冷却を行うことができる。

以上のように構成された電力供給システム１００の動作について図５をもとに説明する。
流路４２および輸送管１６には、冷却媒体として導電性流体が充填されている。この導電性流体としては液体金属、たとえば水銀、インジウム合金、ゲルマニウム合金、ビスマス系合金、ＮａＫなどが挙げられる。この導電性流体は、半導体集積回路１２から発生した熱を輸送すると同時に、磁界との相互作用によって起電力を発生させる。
図５は、流路４２における導電性流体と磁界との相互作用の様子を示す図である。

流路４２には、導電性流体がｘ軸方向に向かって速度uで流れている。この流路４２には、Ｎ極磁石５０、Ｓ極磁石５２によってｚ軸と反対向きに磁束密度Ｂで磁界が印加されている。図５のように磁界中に導電性流体を流すと、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、流体の速度ｕおよび磁束密度Ｂに垂直方向に起電力Ｅｓ＝ｕ×Ｂが発生する。この起電力Ｅｓは陽極４４、陰極４６から取り出すことができ、半導体集積回路１２の駆動電圧として供給される。

この電力供給システム１００において、ポンプ１４によって導電性流体を駆動するために必要な電力などは、以下のように見積もることができる。
マイクロチャネルを構成する流路４２に流れる導電性流体によって輸送可能な熱量Ｑ［Ｗ］は、Ｑ＝Ｃｐ×ｇ’×ΔＴ＝ρ×Ｃｐ×Ｖ’×ΔＴで表される。ここで、各定数はそれぞれ、導電性流体の熱容量Ｃｐ［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］、質量流量ｇ［ｋｇ］、密度ρ［ｍ^３／ｋｇ］、体積流量Ｖ［ｍ^３／ｓ］、速度ｕ［ｍ／ｓ］、マイクロチャネル通過前後の温度差ΔＴ［Ｋ］を表している。また、「’」はある物理量を時間微分することを意味する。したがって、導電性流体によって半導体集積回路１２から発生する熱量Ｑｃｈｉｐを輸送するためには、体積流量Ｖの時間微分Ｖ’として、Ｖ’≧Ｑｃｈｉｐ／（ρ×Ｃｐ×ΔＴ）が必要とされる。

マイクロチャネルの本数をＮ、チャネルあたりの断面積Ａｃｈとすると、導電性流体の総断面積はＮ×Ａｃｈで与えられる。マイクロチャネル内を流れる導電性流体の速度ｕは、ｕ＝Ｖ’／（Ｎ×Ａｃｈ）で与えられるため、ｕ≧Ｑｃｈｉｐ／（Ｎ×Ａｃｈ×ρ×Ｃｐ×ΔＴ）とすることによって、半導体集積回路１２から発生する熱量を輸送することが可能となる。

また、マイクロチャネルの流動抵抗ΔＰは、ΔＰ＝ρ×ｕ^２／２、で与えられるため、マイクロチャネル内部に速度ｕで導電性流体を流す場合、導電性流体の駆動パワーＷｃｈ［Ｗ］は、Ｗｃｈ＝Ｎ×Ａｃｈ×ｕ×ΔＰだけ必要とされる。

一方、起電冷却ヘッド１０における起電力Ｅｓ［Ｖ］は、磁束Ｂ［Ｔ］と導電性流体の速度ｕに比例し、Ｅ＝ｕ×Ｂで与えられる。陽極４４および陰極４６間の導電性流体の内部電気抵抗Ｒｉｎｔ［Ω］は、流体の電気抵抗率σ［Ω・ｍ］、陽極４４−陰極４６間距離ｄ［ｍ］、電極面積Ｓ［ｍ^２］として、Ｒｉｎｔ＝σ×ｄ／Ｓとなる。よって電力供給対象となる半導体集積回路１２の内部抵抗をＲｅｘｔ［Ω］とおくならば、半導体集積回路１２に流れる電流Ｉは、Ｉ＝Ｅｓ／（Ｒｉｎ＋Ｒｅｘｔ）となる。その結果、半導体集積回路１２における消費電力は、Ｐｃｈｉｐ＝Ｅｓ^２／（Ｒｉｎｔ＋Ｒｅｘｔ）となる。
したがって、ポンプ１４によって導電性流体に供給すべき電力Ｗｉｎは、起電力として半導体集積回路１２に供給される電力と、マイクロチャネル内を流通させるために必要な電力の和となるため、半導体集積回路１２の効率ηを考慮して、Ｗｉｎ≧Ｗｃｈ＋η×Ｐｃｈｉｐ＝Ｎ×Ａｃｈ×ρ／２×ｕ^３＋η×Ｂ^２／（Ｒｉｎｔ＋Ｒｅｘｔ）×ｕ^２となる。

導電性流体として水銀を用いた場合の設計例を以下に示す。半導体集積回路１２から発生する熱量をＱとし、ΔＴ＝２８°Ｃで輸送する場合を考えると、必要な質量流量は２．１３ｇ／ｓ、体積流量で２．６３ｃｃ／ｓとなる。マイクロチャネルを構成する流路の本数を７０本、各流路の断面を７０μｍ×７０μｍ、長さを０．８ｃｍとすると、各流路の平均速度としてｕ＝０．９４ｍ／ｓが必要とされる。
このときのマイクロチャネル内部の流動抵抗は約２ＭＰａとなる。これより、導電性流体の駆動電力は、Ｗｃｈ＝４．９Ｗとなる。

磁束としてＢ＝１．１Ｔの磁束を速度ｕ＝０．９４ｍ／ｓの導電性流体に印加した場合に得られる起電力Ｅｓは、Ｅｓ＝１．１Ｖとなる。電気抵抗値Ｒｉｎｔを０．１ｍΩ、チップ側の内部抵抗Ｒｅｘｔ＝１Ωとすると、半導体集積回路１２に対して合計７０Ｗの電力供給を行うことができる。

導電性流体の速度ｕは、起電によるエネルギーが失われ減速力Ｆ＝ＪＢを受けて減速する。したがって導電性流体を駆動するポンプ１４は、この減速力を打ち消すように導電性流体を輸送管１６に導電性流体を流し込む必要がある。すなわち、ポンプ１４によってＷｉｎ＝Ｗｃｈｉｐ＋Ｗｃｈ＝７４．９Ｗの電力を導電性流体に対して供給すればよい。実際には、上記電力Ｗｉｎに加えて、輸送管１６内に導電性流体を流通させるための電力が必要となる。

以上のように、本実施の形態に係る電力供給システム１００によれば、起電冷却ヘッド１０によって半導体集積回路１２から熱を奪うと同時に、冷却媒体として導電性流体を用いることによって起電冷却ヘッド１０において起電力Ｅｓを発生させて半導体集積回路１２に電力供給を行うことができる。

また、電力供給を起電冷却ヘッド１０の半導体集積回路１２側に設けられた電極Ｖｄｄ、ＧＮＤを介して行うが、これらの電極は、他の電極からの制約を受けないため、その面積を従来のＢＧＡパッケージ構造に比べて広くすることが可能となり、従来のＢＧＡパッケージ構造での課題であった１端子あたりの電流容量の問題などを解決することが可能となる。

この電力供給システム１００では、半導体集積回路１２に対する電力供給に従来のような配線を用いる必要がないため、断線、短絡などの危険を低減することができる。また、配線による電力供給での課題であったマイグレーションの問題なども解消することができる。

以下、この電力供給システム１００を基本として、回路をより安定に動作させ、あるいは効率的な冷却を行う技術を付加した変形例について説明する。

図６は、本実施の形態に係る電力供給システム１００の第１の変形例を示す。
半導体集積回路１２の発熱量Ｑは、回路の動作状態によって大きく変化する。したがって、冷却装置１８における導電性流体の冷却能力を、半導体集積回路１２の温度Ｔをモニタしながら、冷却装置１８における冷却能力を制御してもよい。
図６は、半導体集積回路１２の温度に応じて冷却装置１８の冷却能力を制御する電力供給システム１００ａの構成例を示す。この電力供給システム１００ａは、起電冷却ヘッド１０、ポンプ１４、輸送管１６、冷却装置１８、温度検出部６０、冷却制御部６２を含む。以下、電力供給システム１００の変形例について、図１から図３と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

温度検出部６０は、熱電対や赤外線センサ、あるいはその他の温度検出手段によって、半導体集積回路１２の温度Ｔを検知する。この温度検出部６０は、冷却装置１８に対して半導体集積回路１２の温度Ｔに対応した検出信号Ｖｔを出力する。
冷却制御部６２は、検出信号Ｖｔにもとづいて冷却装置１８の冷却能力を制御するための制御信号Ｖｃｎｔを生成して出力する。冷却制御部６２における冷却能力の制御方法としては、検出信号Ｖｔが所定のしきい値以上のとき、すなわち半導体集積回路１２の温度Ｔが所定のしきい値以上のときに、その冷却能力を高めてもよいし、半導体集積回路１２の温度Ｔが一定となるように冷却能力を帰還制御してもよい。冷却装置１８が空冷ファンによって構成される場合には、制御信号Ｖｃｎｔによって空冷ファンの回転数を変化させればよいし、ペルチェ素子により構成される場合には、素子に印加する電圧を変化させることによって冷却能力を制御することができる。

このように半導体集積回路１２の温度Ｔに応じて冷却装置１８の冷却能力を制御することによって、安定した冷却を行い、半導体集積回路１２を安定に動作させることができる。また、半導体集積回路１２の発熱量が小さい場合には、冷却装置１８の駆動能力を低下させることによって、冷却装置１８における消費電力を低減することができる。

図７は、電力供給システムの第２の変形例を示す。図７の電力供給システム１００ｂは、起電力検出部６４、切り替えスイッチＳＷ、電源６６を含む。電力供給システム１００ｂにおいて、ポンプ１４によって輸送管１６内の導電性流体を駆動開始した直後など、導電性流体の速度ｕが必要な値に達するまでの間、起電冷却ヘッド１０から得られる起電力Ｅｓとして、半導体集積回路１２を安定に動作させるために必要な電圧が得られない場合も想定される。そこで図７の電力供給システム１００ｂは、起電冷却ヘッド１０から得られる起電力Ｅｓがしきい値電圧よりも低いときに、半導体集積回路１２への電力供給源を電源６６へと切り替える。

起電力検出部６４は、起電冷却ヘッド１０から得られる起電力Ｅｓを検出し、所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較する。このしきい値電圧Ｖｔｈは、半導体集積回路１２を安定に動作させるために必要な電圧より高く設定しておく。起電力検出部６４からはスイッチＳＷに対して切り替え信号Ｖｓｗが出力されている。
起電力検出部６４は、Ｅｓ＞Ｖｔｈのとき、スイッチＳＷを起電冷却ヘッド１０側にオンし、Ｅｓ＜Ｖｔｈのとき、スイッチＳＷを電源６６側にオンする。電源６６から出力される電圧Ｖｄｄ’は、しきい値電圧Ｖｔｈよりも高く設定しておく。

このように構成された電力供給システム１００ｂでは、半導体集積回路１２に印加される駆動電圧が所定のしきい値電圧Ｖｔｈよりも低くなることがないため、回路をより安定に動作させることができる。

図８は、電力供給システムの第３の変形例を示す。この電力供給システム１００ｃは、ポンプ１４による導電性流体の速度ｕを調節することによって、起電冷却ヘッド１０における起電力Ｅｓを安定化させる。
この電力供給システム１００ｃは、図１の電力供給システム１００に加えて、ポンプ制御部７０を備えている。ポンプ制御部７０は、演算増幅器７２と、駆動電圧生成部７４を含む。

演算増幅器７２の非反転入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが入力されており、反転入力端子には半導体集積回路１２に供給される起電力Ｅｓが入力されている。演算増幅器７２から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒは、ポンプ１４に入力されている。

駆動電圧生成部７４は、演算増幅器７２から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒにもとづいてポンプ１４の駆動能力を制御する。ポンプ１４の駆動能力によって、導電性流体の速度ｕが制御されることになる。演算増幅器７２においては、反転入力端子および非反転入力端子に入力される２つの電圧が等しくなるように誤差電圧Ｖｅｒｒが帰還制御され、導電性流体の速度ｕが調節される。起電力Ｅｓは、導電性流体の速度ｕに比例するため、Ｅｓ＝Ｖｒｅｆとなるように起電力Ｅｓを安定化することができる。

一般的に半導体集積回路１２に供給される電圧を安定化する場合には、リニアレギュレータなどを用いることになるが、この電力供給システム１００においては、リニアレギュレータを用いなくても、起電力Ｅｓを検出し、導電性流体の速度ｕを帰還制御することによって、起電力Ｅｓを所望の基準電圧Ｖｒｅｆに安定化することができ、半導体集積回路１２に対して安定した電圧を供給することができる。

図９は、電力供給システムの第４の変形例を示す。図９の電力供給システム１００ｄは、図８の電力供給システム１００ｃと同様に、ポンプ１４の駆動能力を制御するポンプ制御部７０を備えているが、半導体集積回路１２の温度Ｔにもとづいてポンプ１４の駆動能力を制御する点で図８とは異なっている。

電力供給システム１００ｄにおいて、ポンプ制御部７０は、温度検出部６０から出力される電圧Ｖｔが所定の電圧以上のとき、すなわち、半導体集積回路１２が所定のしきい値温度を超えたときにポンプ１４の駆動能力を高めて起電冷却ヘッド１０内の導電性流体の速度ｕを上げてもよい。あるいは、温度検出部６０から出力される電圧Ｖｔが所定の電圧に近づくように、すなわち、半導体集積回路１２の温度Ｔが所定の温度に近づくようにポンプ１４を帰還制御してもよい。
このように電力供給システムを構成することによって、半導体集積回路１２の温度Ｔが所定の温度よりも高くなるのを防止することができるため、半導体集積回路１２の熱暴走などを抑え、回路を安定に動作させることができる。さらに、半導体集積回路１２における発熱量が少なく、半導体集積回路１２の温度Ｔが低いときには、ポンプ１４の駆動能力を落とすことによってポンプ１４での消費電力を低減することが可能となるため装置全体の消費電力が低減されることになる。

電力供給システム１００およびその変形例において、ポンプ１４は、ＭＨＤ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｈｙｄｒｏ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ポンプとして知られるポンプを用いても良い。本実施の形態に係る電力供給システム１００では、冷却媒体として導電性流体を用いているため、この導電性流体の流れる方向と垂直に磁界を印加しておき、磁界と流れ方向に垂直に電界を印加することで、導電性流体がローレンツ力を受けて加速される。このＭＨＤポンプの原理は、図５に示す発電機と背反する特性を利用したものである。このＭＨＤポンプによれば、導電性流体に印加した電界によって加速度、すなわち速度を変化させることができ、機械的なポンプに比べてコンパクトに設計することが可能となる。

冷却媒体としては、導電性流体に水やＦＣなどの常温よりやや高い程度で気化する液体を混入しても良い。さらに、起電冷却ヘッド１０の付近に補助ポンプを設置する。冷却媒体は、起電冷却ヘッド１０内の流路４２を通過する際に、半導体集積回路１２から熱を奪う。この奪った熱によって冷却媒体に混入された液体は気化する。この液体の気化によって冷却媒体は膨張するため、補助ポンプによって熱エネルギーを運動エネルギーに変換して導電性流体を流路４２に流通させることができる。こうした補助ポンプとしては、Ｒａｎｋｉｎｅサイクルを利用した熱エンジンなどを利用することもできる。また、この補助ポンプの動力源となる熱源は、半導体集積回路１２に限る必要はなく、半導体集積回路１２が搭載されるセットの電源による発熱などを利用しても良い。

上記実施の形態およびその変形例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、第１の変形例から第４の変形例に用いた技術は任意に組み合わせることが可能である。
第１の変形例および第４の変形例に用いられる技術を組み合わせる場合には、温度検出部を共通としてより安定な冷却動作を行うことができる。同様に、第２の変形例と第３の変形例に用いられる技術を組み合わせる場合には、起電力検出部６４を共通とすることができ、半導体集積回路１２に対する電力供給をさらに安定化することができる。
さらに、第１の変形例と第３の変形例を組み合わせた場合には、冷却装置１８による冷却能力を調節して半導体集積回路１２の温度Ｔを制御しつつ、ポンプ１４により導電性流体の速度ｕを調節して起電冷却ヘッド１０における起電力Ｅｓを安定に発生させることができる。

実施の形態に係る電力供給システムの全体構成を示す図である。 起電冷却ヘッドの断面構成および半導体集積回路との接続状態を示す図である。 図２の起電冷却ヘッドを上方からみた平面図である。 図１の電力供給システムの変形例を示す図である。 流路における導電性流体と磁界との相互作用の様子を示す図である。 電力供給システムの第１の変形例を示す図である。 電力供給システムの第２の変形例を示す図である。 電力供給システムの第３の変形例を示す図である。 電力供給システムの第４の変形例を示す図である。

符号の説明

１００ 電力供給システム、 １０ 起電冷却ヘッド、 １２ 半導体集積回路、 １４ ポンプ、 １６ 輸送管、 １８ 冷却装置、 ４２ 流路、 ４４ 陽極、 ４６ 陰極、 ４０ 基体、 ５０ Ｎ極磁石、 ５２ Ｓ極磁石、 ６０ 温度検出部、 ６２ 冷却制御部、 ６４ 起電力検出部、 ７０ ポンプ制御部、 ７２ 演算増幅器、 ７４ 駆動電圧生成部。

Claims (16)

1. 流路が穿設された基体と、
   前記基体に穿設された流路に導電性流体を流通せしめるポンプと、
   前記導電性流体の流通方向に対して垂直に磁界を印加する磁石と、
   前記磁界の印加方向と平行な対向する２面に、前記流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、
   を備え、
   駆動対象の半導体集積回路を、前記陽極と前記陰極間に発生する起電力によって駆動するとともに、前記導電性流体を冷却媒体として前記半導体集積回路を冷却し、
   前記陽極および前記陰極はそれぞれ、前記半導体集積回路と平行に設けられており、前記陽極は、前記流路の前記半導体集積回路側に設けられており、前記陰極は、前記流路の前記半導体集積回路と反対側に設けられたことを特徴とする電力供給システム。
2. 前記基体は前記半導体集積回路と密着して固定され、
   前記流路は前記半導体集積回路の発熱箇所に近接する領域に穿設されており、
   前記導電性流体を冷却する冷却装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記流路は、マイクロチャネル構造を有し、前記磁界の印加方向に隣接して複数穿設されることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
4. 前記半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部によって検出された前記半導体集積回路の温度にもとづいて、前記冷却装置の冷却能力を制御する冷却制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電力供給システム。
5. 前記陽極および前記陰極はそれぞれ、前記半導体集積回路の電源電圧端子および固定電圧端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
6. 前記基体は、シリコンによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
7. 前記基体は、前記半導体集積回路が形成されるシリコン基板内に、前記半導体集積回路と一体に形成されることを特徴とする請求項６に記載の電力供給システム。
8. 前記導電性流体は、前記半導体集積回路またはその周辺装置の動作温度近傍に沸点を有する液体を含み、
   前記半導体集積回路またはその周辺装置から発せられる熱エネルギーを、前記液体を気化させるエネルギーとして利用することにより、前記導電性流体を前記流路に流通せしめるための運動エネルギーに変換する補助ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
9. 前記陽極および前記陰極間に発生する起電力により、前記半導体集積回路以外の負荷回路を駆動することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
10. 前記半導体集積回路を駆動するための駆動電圧を出力する電源をさらに備え、
    前記半導体集積回路を、前記電源から出力される駆動電圧または前記陽極および前記陰極間に発生する起電力のいずれかによって駆動することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
11. 前記陽極および前記陰極間に発生する起電力が所定のしきい値より低いとき、前記電源から出力される駆動電圧によって前記半導体集積回路を駆動することを特徴とする請求項１０に記載の電力供給システム。
12. 前記陽極および前記陰極間に発生する起電力を検出し、前記起電力が所定の電圧値に近づくように前記導電性流体の速度を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
13. 前記半導体集積回路の温度を検出する温度検出部と、
    前記温度検出部によって検出された前記半導体集積回路の温度にもとづいて、前記導電性流体の速度を制御する制御部と、
    をさらに備え、前記制御部は、前記半導体集積回路の温度が低い程、前記導電性流体の速度を低下させることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
14. 導電性流体が流通する流路が穿設された基体と、
    前記流路を挟むように設けられた陽極と陰極と、を備え、
    前記導電性流体と当該導電性流体に印加される磁界との相互作用によって前記陽極と前記陰極間に発生する起電力によって駆動対象の半導体集積回路を駆動するとともに、前記導電性流体を冷却媒体として前記半導体集積回路を冷却し、
    前記陽極および前記陰極はそれぞれ、前記半導体集積回路と平行に設けられており、前記陽極は、前記流路の前記半導体集積回路側に設けられており、前記陰極は、前記流路の前記半導体集積回路と反対側に設けられたことを特徴とする電力供給装置。
15. 前記導電性流体に磁界を印加する磁石をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の電力供給装置。
16. 前記流路は、マイクロチャネル構造を有し、前記磁界の印加方向に隣接して複数穿設されることを特徴とする請求項１４に記載の電力供給装置。

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