(57)【要約】  被冷却集積回路は冷却集積回路と隣りあわせで接することが可能である。冷却集積回路は熱を発生させる集積回路を冷却するため、マイクロチャネルを介して冷却集積回路を通って冷却流体を送り込むための電気浸透流ポンプを有しても良い。電気浸透流ポンプは流体で外部ラジエータと結合しても良い。ラジエータは、集積回路を含むパッケージから上方へ離れるように伸びている。特に、外部ラジエータはパッケージから離れたラジエータを伸ばす管の上に設置して良い。
2007514299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャネルが形成されている集積回路を冷却すべき集積回路に固着する工程；
電気浸透流ポンプによって前記マイクロチャネルを通って冷却流体を送ることを可能にする工程；及び、
管を通って前記冷却流体を外部熱交換器に結合させる工程；
を有する方法。
【請求項２】
請求項1に記載の方法であって、
前記冷却集積回路及び前記熱発生集積回路をパッケージする工程を有する方法。
【請求項３】
請求項2に記載の方法であって、
前記熱交換器と前記パッケージとの間に空間ができるように、前記パッケージから前記外部熱交換器への管を拡張する工程を有する方法。
【請求項４】
請求項1に記載の方法であって、
前記冷却集積回路の積層構造及び前記熱発生集積回路を形成する工程を有する方法。
【請求項５】
請求項4に記載の方法であって、
前記マイクロチャネルと接する端子を除く前記積層構造の端部を密閉する工程を有する方法。
【請求項６】
請求項5に記載の方法であって、
前記マイクロチャネルと接続している流体吸入の容器及び流体排出の容器を提供する工程を有する方法。
【請求項７】
請求項6に記載の方法であって、
前記積層構造を有するパッケージ内の前記容器を形成する工程を有する方法。
【請求項８】
請求項7に記載の方法であって、
前記パッケージ中の前記吸入の容器及び排出の容器を孤立させる工程を有する方法。
【請求項９】
請求項8に記載の方法であって、
前記パッケージの外部に設けられている前期吸入の容器及び排出の容器を結合させる工程を有する方法。
【請求項１０】
パッケージ化された集積回路であって：
冷却すべき集積回路チップ及び冷却流体の循環のためのマイクロチャネルを有する冷却集積回路チップ；
前記積層構造を受け入れる、前記マイクロチャネルと接続する吸入流体の容器及び排出流体の容器を形成するパッケージ；及び、
一対の冷却流体循環管によって前記パッケージ上に設けられている外部熱交換器
を有する集積回路。
【請求項１１】
請求項10に記載の構造であって、
流体を含む第1の溝は前記冷却集積回路チップの外側と前記チャネルで接続する構造。
【請求項１２】
請求項11に記載の構造であって、
前記パッケージ内で、前記第1の溝から孤立している第2の溝；及び、
前記冷却集積回路と隣接している第2の溝
を有する構造。
【請求項１３】
請求項12に記載の構造であって、
前記第2の溝は流体を含む；
前記第2の溝は流体で前記マイクロチャネルと接続している
ことを特徴とする構造。
【請求項１４】
請求項10に記載の構造であって、
前記熱発生集積回路チップの端部は密閉されていることを特徴とする構造。
【請求項１５】
パッケージ化された集積回路の構造であって：
冷却すべき集積回路チップ及び冷却流体循環のためのマイクロチャネルを有する冷却集積回路チップ；
前記積層構造を受け入れるパッケージであり、前記マイクロチャネルと接続する吸入流体容器及び排出流体容器を形成するところのパッケージ；及び、
前記吸入流体容器及び前記排出流体容器と接続する外部熱交換器
を有する構造。
【請求項１６】
請求項15に記載の構造であって、
前記集積回路チップは密閉されていることを特徴とする構造。
【請求項１７】
請求項15に記載の構造であって、
前記積層構造は前記流体容器と接していることを特徴とする構造。
【請求項１８】
請求項17に記載の構造であって、
前記マイクロチャネルは前記冷却集積回路チップの端部と接続することを特徴とする構造。
【請求項１９】
請求項15に記載の構造であって、
前記外部熱交換器は一対の流体循環管を通って前記パッケージ上で設けられている；及び、
前記管は前記熱交換器を通った流体を循環させる
ことを特徴とする構造。
【請求項２０】
請求項19に記載の構造であって、
前記外部熱交換器は前記パッケージから空間的に離れていることを特徴とする構造。
【請求項２１】
請求項15に記載の構造であって、
前記冷却集積回路チップ内に電気浸透流ポンプを有する構造。
【請求項２２】
請求項21に記載の構造であって、
前記電気浸透流ポンプの各々と結合する再結合器を有する構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に集積回路の冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気浸透流ポンプは流体を送り込むために電場を利用する。ある応用では、電気浸透流ポンプは半導体製造技術の使用による製造が可能である。その結果、電気浸透流ポンプはマイクロプロセッサのような集積回路の冷却に適用可能である。
【０００３】
たとえば、集積回路電気浸透流ポンプは集積回路を冷却する分離したユニットとして動作可能である。またはその代わりに、電気浸透流ポンプは冷却される集積回路と一緒にまとめられることも可能である。Si中で製造される電気浸透流ポンプは極端に小さなフォームファクタを有するため、半導体集積回路のような比較的小さな素子の冷却に有効だと考えられるからである。
【０００４】
従って、集積回路冷却のためのより良い手段が必要となる。
【発明の開示】
【０００５】
［実施例］
図1を参照すると、Si中に製造される電気浸透流ポンプ28はたとえば冷却流体のような流体をガラスフリット18を通って送り出すことが可能である。フリット18は電極29の反対の終点同士を結合させることが可能である。電極は電場を発生させる。電場が発生した結果、フリット18を通って液体が輸送される。この過程は電気浸透流効果として知られている。一実施例で、液体はたとえば、水で良いし、フリットはSiO2で良い。この場合、フリットの壁面に存在する水酸基群から水素が脱離し、その結果、過剰となった水素イオンが壁を横切るように移動又は、矢印Aで示されているような流体の移動する方向に垂直に移動する。水素イオンは矢印Aで示される方向に、電極29で印加される電場に応答して移動する。電気的に中性な水分子もまたイオンと水分子間に存在する引力のため印加される電場に応答して移動する。
【０００６】
結果として、ポンピング効果は移動部位がなくても実現可能となる。加えて、構造は、素子が集積回路を冷却するためのポンプとして利用可能なまでに極端に小さなサイズで、Si中に作製可能となる。
【０００７】
本発明の一実施例に従うと、フリット18は開放されたナノ細孔を有する開放及び接続されたセル誘電体薄膜で構成されて良い。”ナノ細孔”という単語は、10〜1000nmのオーダーの細孔を有する膜のことを意味する。一実施例について、開放セルの多孔性はゾルゲル法を用いることで導入可能である。この実施例では、開放セルの多孔性はポロゲン相の燃焼によって導入可能である。しかし、10〜1000nmのオーダーの相互接続又は開放された細孔を有する誘電体膜を形成するプロセスであれば如何なるものであっても、それが適切となる本発明の実施例はあるだろう。
【０００８】
たとえば、適切な材料は、数例言及すると有機シリケート樹脂で形成されたものでも良いし、化学的に誘起された相分離によって形成された材料及びゾルゲル法で形成された材料あっても良い。商業的に利用可能なそのような製品は、極低誘電率半導体膜の応用で膜を提供している多数の製造者から入手可能となっている。
【０００９】
一実施例では、開放セルのキセロゲルは、数桁最大ポンプ圧力が増加する20nmの開放された細孔の構造で製造可能である。キセロゲルが水の張力で攻撃される問題を回避するために、キセロゲルをエタノールのような極性の小さい溶液で形成することが可能である。また、表面張力を小さくするために、ポンプにヘキサメチルジシラザン(HMDS)、エタノール及び水を用意することが可能である。水でポンプが動作する時点では、表面張力により、ポンプの壁面には正味の力がかからないだろう。
【００１０】
図2〜9を参照すると、ナノ細孔開放セル誘電性フリット18を用いた集積電気浸透流ポンプ28の製造は電気浸透流の溝を画成するためのパターニング及びエッチングをすることから始まる。
【００１１】
図2を参照すると、一実施例において、薄い誘電層16は溝全面に成長可能である。あるいはその代わりに、Si3N4のような薄いエッチング又は研磨停止層16を化学気相堆積法によって形成することも可能である。他の技術もまた薄い誘電層16を形成するのに使用可能である。ナノ細孔誘電層18はたとえば、スピン塗布法で形成可能である。一実施例においては、誘電層18はゾルゲルの状態でも良い。堆積された誘電層18は処理可能である。
【００１２】
次に図3を参照すると、図2の構造は停止層16まで研磨又はエッチング可能である。その結果、ナノ細孔誘電フリット18が層16内部に画成可能となり、基板の溝は埋められる。
【００１３】
次に図4を参照すると、本発明の一実施例において、開放部24がレジスト層22内で画成可能である。開放部24はフリット18の終端部との電気的接続の形成に有効だろう。よって、開放部24は下にあるフリット18を封入することが可能な堆積された酸化層20まで下がって形成することが可能である。実施例の中には、酸化層20の堆積が不要なものもあるだろう。
【００１４】
図4で図示されているように、レジスト層22がパターニングされている。図5で図示されているように、露出された領域はエッチングされ、ナノ細孔誘電層18に平行に溝26を形成するマスクとして使用される。一度溝26が形成されると、金属29をウエハ上部に堆積することが可能となる。一実施例では、金属を堆積するのにスパッタリングを使用することが可能である。図6で図示されているように溝26底部にのみ金属29を残すような方法で、金属はエッチング又はリフトオフ法で除去可能である。露出されたフリット18の端の領域に接する液体を塞ぐことを回避するために、金属29は可能な限り薄くするのに有利に形成される。それは、究極的にはポンプ28への出入り口としての役割を果たすだろう。金属29はしかし、電極への損傷がないような適切な電流を保証するのに十分な厚さにすることも可能である。加えて、金属29がフリットの端部に沿って、細孔開放部を遮蔽しない厚さまで堆積する場合にも有利となる。このことはフリットのどの深さでも電場が均一であることを保証する。
【００１５】
図7を参照すると、図8で図示されているチャネル38の形成のため、フリット18上に形成され、化学気相堆積された材料34は、32で示されているように、フォトレジストとエッチングでパターニングすることが可能である。チャネル38は基板40を被覆する堆積材料34を通してエッチングされる。チャネル38はポンプの他の部分41と液体をやりとりする水路としての役割を果たす。また、電気的相互接続36は、電極29に電流の供給を可能にするように金属の堆積（たとえばスパッタリング）及び選択された領域での金属の除去（たとえばウエハ全域でのリソグラフィによるパターニング及びエッチングをする）で作製可能である。この電流はポンプ28を通って流体を引き込むのに使用される電場を発生させる。
【００１６】
図9を参照すると、流体はマイクロチャネル38を通過し、第1の電極29を通り過ぎてフリット18に入り込むことが可能である。流体は電場及び前述の分離過程によってフリット18を通って引き込まれる。結果として、流体（これは水でも良い）はポンプ28を通って送り出される。
【００１７】
ここで図10〜17を参照すると、集積再結合器製造技術の一実施例が図示されている。最初はSiウエハのような半導体基板60はたとえばパターニング及びエッチング技術により基板内部に溝62を有することが可能である。その後、Ptのような触媒物質64を図10に図示されているようにスパッタリングして堆積させる。触媒物質64はウエハ基板60の上部で除去され、図11に図示しているように一部分66のみが残される。レジストは図12,13に図示されているように、マイクロチャネル68a及び68bを形成するためにスピンオンされて、パターニングが可能である。
【００１８】
マイクロチャネル68a及び68bは触媒物質66上部を深くまでエッチング可能であり、エッチングに使用されるレジストは除去可能である。そこで、図14に図示しているように、レジスト70は、スピンオンされ、ウエハ基板60を清浄するためにアッシング可能である。TiN及びCuのようなバリア72はウエハ基板60上部でスパッタリング可能である。図17で図示されているように、触媒物質66及びマイクロチャネル68a,68bの上部からCuを除去するのに、レジストのリフトオフは使用可能である。
【００１９】
Cu72を露出したまま、テフロン（登録商標）は触媒物質66を被覆するように、多孔性のテフロン（登録商標）層（図示していない）はウエハ表面に堆積され、エッチング又は研磨されることが可能である。再結合ガスが水になるときに、テフロン（登録商標）層は触媒物質66が湿らない様に保護する。
【００２０】
前述のように処理された一対の同様な基板60は、図17Aに図示されているように再結合器30を形成するために面と面で向き合うように組み合わせることが可能である。基板60は、溝16及びチャネル68がなくなるように銅-銅のボンディングで接合可能である。共晶ボンディング又は直接ボンディングのような他のボンディング技術もまた2つのウエハを接合するのに用いることが可能である。溝16及びチャネル68は触媒物質66上に冷却流体が循環するための通り道を形成するために整合させることが可能である。
【００２１】
再結合器30はポンプ28で送り出された冷却流体中のガス発生の減少に使用可能である。ガスの触媒物質66への露出はガスの再結合を引き起こす。再結合器30は再結合ガスと冷却流体それ自身から生じる水による被覆を避けるのに十分な深さにすることが可能である。
【００２２】
電気浸透流ポンプ28は図18に図示されているように、流体の通り道で結合されたシステム100に提供可能である。通り道はラジエータ132、再結合器30及び流体のための回路又は通り道中での一組のマイクロチャネル116を結合する。よって、ポンプ28によって送り出される流体はチャネル116及び再結合器30を通過してラジエータ132に向かう。ここで熱は周辺環境に放熱される。よって、図18に図示していない集積回路一緒になっているマイクロチャネル116はその集積回路を冷却する。
【００２３】
図19を参照すると、表面架台又はフリップチップパッケージ129はパッケージ129に対して隆起物の接続を有する集積回路124を支持することが可能である。集積回路124の上側はパッケージ129の方を向いている。
【００２４】
直方体の部位114内にある動作中の半導体124はバルクSi 122の直下にある。直方体の部位114は銅と銅の接続120によって別な直方体と結合可能である。つまり、それぞれの直方体112及び114上の銅120は直方体112と114とを接続させることが可能ということである。直方体112はガラス、高分子又は誘電体で直方体140に接続して良い。
【００２５】
直方体112は誘電層118及び複数のマイクロチャネル116を有することが可能である。これらは冷却流体を循環させる。直方体112の反対側には、前述した複数の電気浸透流ポンプ28が形成されている。誘電層136は直方体112と再結合器30を形成する直方体140とを結合させる。再結合器/コンデンサ30は羽を持つ熱交換器のような外部ラジエータ132と結合可能である。
【００２６】
外部ラジエータ132は管133上にある他のシステムから離れた場所にあっても良い。管133は流体がラジエータ本体を通って循環できるようにしている。外部ラジエータ132の使用はより多くの熱の除去を可能にするためである。
【００２７】
積層構造110における外側の端部は密閉可能である。ただし流体の流入及びマイクロチャネル116の出口を提供する必要のある端部領域を除く。
【００２８】
よって、流体は直方体の動作中の半導体124を冷却するためにマイクロチャネル116を通ってポンプ28によって循環することができる。その流体は直方体112内の適当な通り道を通って上に行き、電気浸透流ポンプ28へ向かう。ポンプの液体は適当な通り道で再結合器/コンデンサ30と接続することが可能である。
【００２９】
実施例の中には、3つの直方体の垂直な積層構造110を提供することで、従来のパッケージ129であっても、小さな設置面積が実現可能である。再結合器30は誘電層136によって下部の熱を発生させる部位から熱的影響を受けないようにすることが可能である。
【００３０】
図20を参照すると、ここで図示されている構造は図19で図示されている構造の多くの点で一致する。唯一の違いは銅と銅とのボンディングが排除されていることである。この場合、ガラス、高分子又は誘電体ボンドプロセスが112と140同様、直方体112と114とを接続するのに利用可能である。
【００３１】
図21を参照すると、隆起のないビルドアップ層(BBUL)パッケージ142が図示されている。パッケージ142はビルドアップ層を有する。なぜならパッケージは別々に作製されて接続されるよりも長方形のSiの周りで”成長”（ビルドアップ）するからである。隆起のないビルドアップ層のパッケージはフリップチップパッケージと似ている。ただし隆起物が利用できないことと素子又はコアがパッケージに埋め込まれていることを除くが。ビルドアップ層144は多重の金属相互接続を提供する。その相互接続はパッケージのピンと直方体112及び114上のコンタクトとの間の電気的接続を隆起物なしで可能にする。
【００３２】
直方体112及び114は別々に作製され、この場合、図示されているように銅/銅ボンドで接続されている。再結合器30はBBUL直方体112と114との積層構造から別れているパッケージ142内に挿入される。ビルドアップ層144はBBULパッケージ142とラジエータ132との間及び、パッケージ142の底部に提供可能である。ビルドアップ層144は再結合器30を直方体112及び114を有する積層構造に結合させる役割を果たす。チャネルはポンプ28からの流体を結合させる層144の方へ作ることが可能であり、再結合器30へのマイクロチャネル及び再結合器30からラジエータ132へのマイクロチャネルを作ることが可能である。
【００３３】
図22を参照すると、この構造は図21で図示されている構造と一致しているが、しかしここでも再び、直方体112と114との間の銅-銅ボンディングは高分子、誘電体又はガラスボンディング過程で置換可能である。
【００３４】
続いて図23を参照すると、BBULパッケージ142は図21で図示されている実施例と一致する。ただし、直方体112と114が積層構造でないことを除く。ビルドアップ層144は直方体112を直方体116及び再結合器30に結合させる。
【００３５】
ビア・チャネルは直方体112,114及び140を結合するのに使用可能である。またはその代わりに、チャネル又は管を利用することも可能である。チャネル又は管は同様の構造で形成可能又は、物理的に直方体112,114及び140を接合させる別離した構造でも良い。
【００３６】
別な例に従って図24を参照すると、パッケージ156は第1の溝154及び第2の溝を有することが可能である。これらはお互いから孤立している。溝154,160の内側の端部は直方体114によって画成される。114はパッケージ156に挿入されている。溝154及び160は端子158及び162と接続しても良い。端子は流体がパッケージ外部から流入及び排出されるようにするためである。直方体114の端部は溝154を満たす流体と接続している。溝154を満たす流体からの流れは積層構造110へ向かい、溝160を満たす流体になることが可能である。流体は管168によって再循環可能である。管は端子162と158とを接続している。ラジエータ132は管168と結合可能である。
【００３７】
図25を参照すると、溝154を満たす流体は1つ以上のマイクロチャネル122と流体的に接続することが可能である。マイクロチャネルは交互に1つ以上の電気浸透流ポンプ28及び再結合器30と接続する。このようにして、流体は直方体114の熱を持つ領域を選択的に冷却するために電気浸透流ポンプによる送り出しが可能となる。上部及び下部のカバー164及び166は本発明の一実施例においてパッケージに含まれても良い。
【００３８】
本発明が限られた数の実施例によって説明されているとはいえ、当業者はこの説明から数多くの修正及び変化があることを理解するだろう。添付された請求項はそのような修正及び変化のすべてをそれらが本発明の真の技術的思想及び範囲にある限り、網羅している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に従った実施例の動作を概念的に図示している。
【図２】製造初期の段階における本発明の一実施例の拡大側面図である。
【図３】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図４】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図５】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図６】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図７】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での図8の線7-7に沿った拡大側面図である。
【図８】本発明の一実施例の上面図である。
【図９】本発明の一実施例に従った完成した構造の拡大側面図である。
【図１０】製造初期の段階における再結合器を図示している。
【図１１】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図１２】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大上面図である。
【図１３】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での図12の線13-13に沿った拡大側面図である。
【図１４】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での拡大側面図である。
【図１５】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での図14に図示された実施例の上面図である。
【図１６】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での図15の線16-16に沿った拡大側面図である。
【図１７】本発明の一実施例に従った製造の後に続く工程での図16に対応する側面図である。
【図１７Ａ】本発明の一実施例に従った再結合器の正面図である。
【図１８】本発明の一実施例に従ってパッケージされたシステムの概念図である。
【図１９】本発明の別な実施例に従ってパッケージされたシステムの側面図である。
【図２０】本発明のさらに別な実施例に従ってパッケージされたシステムの側面図である。
【図２１】本発明のさらに別な実施例に従った冷却システムの概念図である。
【図２２】本発明に従ったまたさらに別な実施例の概念図である。
【図２３】本発明に従ったよりさらに別な実施例の概念図である。
【図２４】図25の線24-24に沿って一般的に取得された本発明の一実施例の拡大、側面図である。
【図２５】図24の線25-25に沿って一般的に取得された本発明の一実施例の側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007514299.tif 000018
【図１７】
2007514299.tif 000019
【図１７Ａ】
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【図１８】
2007514299.tif 000021
【図１９】
2007514299.tif 000022
【図２０】
2007514299.tif 000023
【図２１】
2007514299.tif 000024
【図２２】
2007514299.tif 000025
【図２３】
2007514299.tif 000026
【図２４】
2007514299.tif 000027
【図２５】
2007514299.tif 000028
【国際調査報告】
2007514299.tif 000029
2007514299.tif 000030