(57)【要約】【課題】電気化学的に電力供給される集積回路パッケージを提供する。【解決手段】本発明は特に集積回路パッケージ（１０ｃ）を対象とする。前記パッケージは、層構造体の層（１６）と電気的に接続されて配置されたＩＣおよび電極（１７）を含む層構造体を有する。このパッケージはさらに、それぞれの電解質溶液（すなわち２つの異なる溶液、下記のデュアル・フロー・レドックス・モードを参照）を受け入れるように各々が意図された１つまたは複数の流体回路部（１９）をさらに含む。関連する各溶液は、可溶性の電気活性種を有する。流体部は、電解質溶液を受け入れ、対応する電極に電解質溶液を接触させ、たとえば動作中のＩＣに電力を供給するように設計される。パッケージに電極が組み込まれているため、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）をＩＣの近くで供給し、それにより電力供給の効率を向上させることができる。最後に、ｉｎ−ｓｉｔｕで液体を加え、好適な熱除去を意図することができるため、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）給電および熱除去の必要性が一致することが特筆される。【選択図】図４
2013541841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路パッケージ（１０ａ〜１０ｎ）であって、
−下記を含む層構造体と、
−前記層構造体の層（１１、１６）上に配置された電極（１７）、および
−前記電極と電気的に接続された集積回路（１６）、
−１つまたは複数の流体回路部（１９、１９’、１９１’、１９２’）であって、可溶性の電気活性種を含むそれぞれの電解質溶液（３１、３２）を少なくとも１つ受け入れ、かつ前記溶液を前記電極（１７）の少なくともいくつかに接触させて、動作中の前記集積回路に電力を供給するように各々が構成された流体回路部と
を含む集積回路パッケージ。
【請求項２】
前記１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、それぞれの電解質溶液により、動作中の前記集積回路を実質的に冷却するように設計される、請求項１に記載の集積回路パッケージ。
【請求項３】
前記１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、それぞれの溶液が前記層構造体の層に沿って流れるように構成される、請求項１または２に記載の集積回路パッケージ。
【請求項４】
前記１つまたは複数の流体回路部（１９’）の少なくとも１つは、それぞれの溶液が前記層構造体の２つの層（１６）の間を流れるように構成され、前記２つの層は、好ましくは集積回路（１０ｇ）の層の３Ｄの積層として構成された集積回路の２つの層である、請求項３に記載の集積回路パッケージ。
【請求項５】
前記電極（１７ａ、１７ｃ、１７ａ２、１７ｃ１）の少なくともいくつかは、前記層構造体の層（１３、１６）を拘束するスペーサとして設計される、請求項４に記載の集積回路パッケージ（１０ｊ、１０ｌ、１０ｎ）。
【請求項６】
前記電極の少なくともいくつかは、前記層構造体の層の一方の側に配置され、前記１つまたは複数の流体回路部の前記少なくとも１つにより、その一方の側に沿って溶液が流れる、請求項３、４または５に記載の集積回路パッケージ。
【請求項７】
前記電極の少なくともいくつかは、前記２つの層のそれぞれに配置され、その層の間を前記１つまたは複数の流体回路部（１９’）のそれぞれの１つの電解質溶液が流れる、請求項４または５に記載の集積回路パッケージ。
【請求項８】
前記２つの層の１つの一方の側に配置された電極はカソードおよびアノードの両方を含む、請求項７に記載の集積回路パッケージ（１０ｈ、１０ｊ、１０ｍ、１０ｎ）。
【請求項９】
前記層構造体は、プリント配線基板（１１）、基板相互接続部（１３）および前記集積回路の少なくともいくつかを含む集積回路チップ（１６）を含み、かつ前記電極の少なくともいくつか、および前記１つまたは複数の流体回路部（１９）の少なくとも１つは、前記プリント配線基板（１１）、前記基板相互接続部（１３）または前記集積回路チップ（１６）の１つの一方の側に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の集積回路パッケージ（１０ａ〜１０ｃ、１０ｅ、１０ｆ）。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の流体回路部（１９、１９’）は単一の電解質溶液（３１）を受け入れるように構成され、かつ前記電極は選択的カソードおよびアノードを含み、前記１つまたは複数の流体回路部は、前記単一の電解質溶液が前記選択的カソードおよびアノードに接触して、それらとシングル・フロー・レドックス系を形成するように構成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の集積回路パッケージ。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の流体回路部（１９、１９’、１９１’、１９２’）は、
−２つの電解質溶液（３１、３２）を受け入れ、好ましくは、前記１つまたは複数の流体回路部の前記２つの電解質溶液を隔てるように配置された膜を含み、かつ
−前記２つの電解質溶液が前記電極のそれぞれのサブセットに接触し、前記サブセットの１つはカソードを含み、前記サブセットの別の１つはアノードを含み、それによりデュアル・フロー・レドックス系を形成する
ように構成される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の集積回路パッケージ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の流体回路部は各々、それぞれの電解質溶液が充填され、
−前記それぞれの電解質溶液は、その酸化型および還元型の両方に可溶性であるレドックス対、好ましくは前記集積回路への電力供給に使用される電位範囲でレドックス過程を示さない支持電解質、およびレドックス電位および／または前記レドックス対の可逆性を調整するための添加剤を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の集積回路パッケージ。
【請求項１３】
前記それぞれの電解質溶液は、
−以下のレドックス対：Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｖ２＋／Ｖ３＋、ＶＯ２＋／ＶＯ２＋、Ｃｅ３＋／Ｃｅ４＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、Ｃｒ２＋／Ｃｒ３＋、Ｔｉ３＋／ＴｉＯＨ３＋、Ｃｒ３＋／Ｃｒ２Ｏ７２−、ＢＨ４−／ＢＯ２、ＯＨ−／Ｈ２Ｏ２、Ｂｒ−／Ｂｒ３−、Ｍｎ２＋／Ｍｎ３＋、Ｒｕ２＋／Ｒｕ３＋のいずれか１つまたはその誘導体、および
−アセテート、ｏ−フェナントロリン、メチルフェナントロリン、ジメチルフェナントロリン、ビピリジン、エチレンジアミンなどの添加剤
を含み、
前記それぞれの電解質溶液は、好ましくは溶媒として以下の支持電解質：Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、Ｋ２ＳＯ４、ＫＯＨおよび水のいずれか１つを含む、
請求項１２に記載の集積回路パッケージ。
【請求項１４】
−請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの集積回路パッケージ（１０ａ〜１０ｎ）と、
−前記少なくとも１つの集積回路パッケージの１つまたは複数の流体回路部（１９、１９’、１９１’、１９２’）と流体連通（１１１、１１２、１９ｉ、１９ｏ）した電気化学的電力給電ユニット（１１０）であって、動作中の前記少なくとも１つの集積回路パッケージの電力供給の必要性に従い、前記少なくとも１つの集積回路パッケージの前記流体回路部の１つまたは複数の電解質溶液（３１、３２）の対流を制御するように構成された対流ユニット（１４１、１４２）をさらに含む、前記電気化学的電力給電ユニットと
を含むコンピュータ・システム。
【請求項１５】
コンピュータ・システムを動作させる方法であって、
−請求項１〜１３のいずれか１項に記載の集積回路パッケージを含むコンピュータ・システムを用意し（Ｓ１００）、
−前記少なくとも１つの集積回路パッケージのそれぞれの流体回路部の少なくとも１つの電解質溶液を、前記少なくとも１つの集積回路パッケージの前記電極の少なくともいくつかに接触させることにより前記集積回路に電力を供給する（Ｓ２００〜Ｓ３００）
ステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば、データ・センタなどのコンピュータ・システムに設けられる電気化学的に電力供給される集積回路パッケージに関する。特に、本発明は、パッケージの集積回路に電力を供給するように、可溶性の電気活性種を含む電解質溶液により電力供給される集積回路パッケージに関する。一貫して、本発明はさらに、こうした回路パッケージを備えたコンピュータ・システム、およびそれを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面集積回路（ＩＣ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の集積密度を高めると、フィーチャ・サイズの縮小、および各要素のより高密度な実装につながる。この進化はトランジスタのスイッチング速度に恩恵をもたらす一方、オン・チップ配線による遅延時間が、著しく増加し、ＩＣの全体的な性能を損なっている。
【０００３】
周知のようにＩＣを三次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）集積化すると、垂直の信号および電力伝送経路が与えられることにより配線長が大幅に短縮される。積層法は高度にモジュール化されており、単一の立方体に異なる技術の集積化を可能にし、プロセッサ・ユニット上にキャッシュを積層することによりバンド幅の大幅な向上をもたらす。一方、３Ｄ集積化には、より高い単位面積当たりの電力および接続ピンが必要とされる。もう１つの問題は、単位投影面積当たりの強い冷却要求である。シリコン貫通ビア（ＴＳＶ：ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｉｌｉｃｏｎ−ｖｉａ）は、３Ｄ集積化の重要な態様であり、垂直の信号および電力伝送を与えるが、活性シリコンの表面積を減少させ、配線の混雑を引き起こす。垂直方向への集積化の程度は、３つ以上の積層された高性能論理層を簡単に冷却することができず、十分な電力を送ることもできないため、蓄積電力密度により強く限定される。多くの積層プロセッサを冷却するスケーラブルな解決策が明らかになっている。しかしながら、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）を供給する実行可能な方法という問題が依然として残る。より一般的には、電力供給および冷却がＩＣチップに関連する２つの関心事である。
【０００４】
これらの問題に対する従来技術の解決策として、下記のものがある。
−一般に多孔性プロトン交換膜を用いたメタノール燃料電池に関する特許文献１（「集積内蔵センサ・アセンブリ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｅｌｆ  Ｃｏｎｔａｉｎｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」）。特に、この特許には、ハイブリッド電力モジュール、送受信機、および１つまたは複数のセンサまたは検出器を含む内蔵センサ・アセンブリが開示されている。センサ・アセンブリのハイブリッド電力モジュールは、燃料電池および、燃料電池で充電することができる電子記憶装置を含む。電子デバイスに燃料電池膜およびマイクロ燃料電池を直接組み込んでもよい。
−非特許文献１。この刊行物には特に、集積マイクロ燃料電池を含むＩＣの模式図、図２．９が開示されている。この設計は、燃料を余熱で蒸発させ、集積回路の冷却にも役立つプロセスを示す。
【０００５】
電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）をＩＣチップまたはチップ・スタック内に供給する既知の解決策を改善することが依然として求められている。
【０００６】
特許文献２、特許文献３および非特許文献２のような他の開示にも、関連する背景技術の態様が説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／００９２８６２号
【特許文献２】国際公開第２００８／１３３６５５号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０１４８５２７号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  ｔｏ  Ｐｏｗｅｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｗ．Ｍｏｏｒｅ，ＰｈＤ  Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，ｐ．２１０，Ｇｅｏｒｇｉａ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
【非特許文献２】Ｂａｋｉｒ  ＭＳ，Ｈｕａｎｇ  Ｇ，Ｓｅｋａｒ  Ｄ，Ｋｉｎｇ  Ｃ．「３Ｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ」．ＩＥＴＥ  Ｔｅｃｈ  Ｒｅｖ  ２００９；２６：４０７−１６
【非特許文献３】Ｂｒｕｎｓｃｈｗｉｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  １５，５７（２００９）。
【非特許文献４】Ｐｒａｔｔ  ａｎｄ  Ｋｕｍａｒ，Ｔｈｅ  Ｄａｔａｃｅｎｔｅｒ  Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｍａｒｃｈ  ２８（２００７）。
【非特許文献５】Ｂａｒｔｏｌｏｚｚｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ２７，２１９（１９８９）。
【非特許文献６】ｄｅ  Ｌｅｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １６０，７１６（２００６）。
【非特許文献７】Ｔｈａｌｌｅｒ，ＤＯＥ／ＮＡＳＡ／１００２−７９／３（１９７９）。
【非特許文献８】Ｓｋｙｌｌａｓ−Ｋａｚａｃｏｓ  ａｎｄ  Ｇｒｏｓｓｍｉｔｈ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １３４，２９５０（１９８７）。
【非特許文献９】Ｋｊｅａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １８６，３５３（２００９）。
【非特許文献１０】Ｍａｙｎａｒｄ  ａｎｄ  Ｍｅｙｅｒｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ  ２０，１２８７（２００２）。
【非特許文献１１】Ｂａｚｙｌａｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １４３，５７（２００５）．
【非特許文献１２】Ｋｊｅａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ５２，４９４２（２００７）。
【非特許文献１３】ｄｅ  Ｊｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｌａｂ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ  ６，１１２５（２００６）。
【非特許文献１４】Ｍａｎｏ  ａｎｄ  Ｈｅｌｌｅｒ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １５０，Ａ１１３６（２００３）。
【非特許文献１５】Ｓｕｎｇ  ａｎｄ  Ｃｈｏｉ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １７２，１９８（２００７）。
【非特許文献１６】Ｐｒｉｅｓｔｎａｌｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １０６，２１（２００２）。
【非特許文献１７】Ｍｏｇｈａｄｄａｍ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ５，２３０（２０１０）。
【非特許文献１８】Ｔｊｅｒｋｓｔｒａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ９，４９５（２０００）。
【非特許文献１９】Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １２８，１４６１（１９８１）。
【非特許文献２０】Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １２９，６３（１９８２）。
【非特許文献２１】Ｍｕｒｔｈｙ  ａｎｄ  Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ２７，１１９（１９８９）。
【非特許文献２２】ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，９０ｔｈ  ｅｄｉｔｉｏｎ，２００９−２０１０。
【非特許文献２３】Ｆｅｒｒｉｇｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  １２４，１２９３０（２００２）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）をＩＣチップまたはチップ・スタック内に供給する既知の解決策を改善することが依然として求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、本発明は、集積回路パッケージであって、層構造体の層上に配置された電極、および電極と電気的に接続された集積回路を含む層構造体と、１つまたは複数の流体回路部であって、可溶性の電気活性種を含むそれぞれの電解質溶液を少なくとも１つ受け入れ、かつ前記溶液を電極の少なくともいくつかに接触させて、動作中の集積回路に電力を供給するように各々が構成された流体回路部とを含む集積回路パッケージを提供する。
【００１１】
各実施形態では、前記集積回路パッケージングは、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
−１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、それぞれの電解質溶液により、動作中の集積回路を実質的に冷却するように設計される。
−１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、それぞれの溶液が層構造体の層に沿って流れるように構成される。
−１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、それぞれの溶液が層構造体の２つの層の間を流れるように構成され、前記２つの層は、好ましくは集積回路の層の３Ｄの積層として構成された集積回路の２つの層である。
−電極の少なくともいくつかは、層構造体の層を拘束するスペーサとして設計される。
−電極の少なくともいくつかは、層構造体の層の一方の側に配置され、１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つにより一方の側に沿って溶液が流れる。
−電極の少なくともいくつかは、前記２つの層のそれぞれに配置され、その層の間を１つまたは複数の流体回路部のそれぞれの１つの電解質溶液が流れる。
−前記２つの層の１つの一方の側に配置された電極は、カソードおよびアノードの両方を含む。
−層構造体は、プリント配線基板、基板相互接続部、および集積回路の少なくともいくつかを含む集積回路チップを含み、かつ電極の少なくともいくつか、および１つまたは複数の流体回路部の少なくとも１つは、プリント配線基板、基板相互接続部または集積回路チップの１つの一方の側に配置される。
−１つまたは複数の流体回路部は単一の電解質溶液を受け入れるように構成され、かつ電極は選択的カソードおよびアノードを含み、前記１つまたは複数の流体回路部は、前記単一の電解質溶液が選択的カソードおよびアノードに接触して、それらとシングル・フロー・レドックス系を形成するように構成される。
−１つまたは複数の流体回路部は、２つの電解質溶液を受け入れ、好ましくは、１つまたは複数の流体回路部の２つの電解質溶液を隔てるように配置された膜を含み、かつ２つの電解質溶液が電極のそれぞれのサブセットに接触し、サブセットの１つはカソードを含み、サブセットの別の１つはアノードを含み、それによりデュアル・フロー・レドックス系を形成するように構成される。
−１つまたは複数の流体回路部は各々、それぞれの電解質溶液が充填され、前記それぞれの電解質溶液は、その酸化型および還元型の両方に可溶性であるレドックス対、好ましくは集積回路への電力供給に使用される電位範囲でレドックス過程を示さない支持電解質、およびレドックス電位もしくはレドックス対またはその両方の可逆性を調整するための添加剤を含む。
−前記それぞれの電解質溶液は、以下のレドックス対：Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｖ２＋／Ｖ３＋、ＶＯ２＋／ＶＯ２＋、Ｃｅ３＋／Ｃｅ４＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、Ｃｒ２＋／Ｃｒ３＋、Ｔｉ３＋／ＴｉＯＨ３＋、Ｃｒ３＋／Ｃｒ２Ｏ７２−、ＢＨ４−／ＢＯ２、ＯＨ−／Ｈ２Ｏ２、Ｂｒ−／Ｂｒ３−、Ｍｎ２＋／Ｍｎ３＋、Ｒｕ２＋／Ｒｕ３＋のいずれか１つまたはその誘導体、およびアセテート、ｏ−フェナントロリン、メチルフェナントロリン、ジメチルフェナントロリン、ビピリジン、エチレンジアミンなどの添加剤を含み、前記それぞれの電解質溶液は、好ましくは溶媒として以下の支持電解質：Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、Ｋ２ＳＯ４、ＫＯＨおよび水のいずれか１つを含む。
【００１２】
別の態様によれば、本発明は、コンピュータ・システムであって、本発明による少なくとも１つの集積回路パッケージ、および前記少なくとも１つの集積回路パッケージの１つまたは複数の流体回路部と流体連通する電気化学的電力給電ユニットを含み、電気化学的電力給電ユニットは、動作中の前記少なくとも１つの集積回路パッケージの電力供給の必要性に従い、前記少なくとも１つの集積回路パッケージの流体回路部の１つまたは複数の電解質溶液の対流を制御するように構成された対流ユニットをさらに含む、コンピュータ・システムとして実施される。
【００１３】
最後の態様によれば、本発明は、コンピュータ・システムを動作させる方法であって、本発明による集積回路パッケージを含むコンピュータ・システムを用意し、前記少なくとも１つの集積回路パッケージのそれぞれの流体回路部の少なくとも１つの電解質溶液を前記少なくとも１つの集積回路パッケージの電極の少なくともいくつかに接触させることにより集積回路に電力を供給するステップを含む方法として実施される。
【００１４】
ここで添付図面を参照して非限定的な例により本発明を実施する方法、装置およびシステムについて記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のシングル・チップ・パッケージ（従来技術）を示す。
【図２】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図３】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図４】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図５】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図６】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図７】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図８】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図９】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１０】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１１】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１２】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１３】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１４】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１５】本発明の実施形態による集積回路を模式的に例示する。
【図１６】本発明の実施形態を実装することができるＩＣチップの３Ｄの積層の斜視図である。
【図１７】各実施形態に関係する、電極に接触して電力をＩＣパッケージに供給する電解質溶液を充填した流体回路部を示す。
【図１８】各実施形態に関係する、電極に接触して電力をＩＣパッケージに供給する電解質溶液を充填した流体回路部を示す。
【図１９】各実施形態に関係する、電極に接触して電力をＩＣパッケージに供給する電解質溶液を充填した流体回路部を示す。
【図２０】本発明の実施形態による方法のステップを示したフローチャートである。
【図２１】本発明の実施形態による電気化学的電力給電ユニットを備えたコンピュータ・システムを示す。
【図２２】オンライン無停電電源装置（従来技術）を含む従来のデータ・センタ・アーキテクチャを図示する。
【図２３】本発明の実施形態を反映した、オンライン無停電電源装置を含む改造されたデータ・センタ・アーキテクチャのスキームである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の説明の導入として、最初に集積回路パッケージを対象とする本発明の一般的な態様を示す。前記パッケージは、層構造体の層と電気的に接続されて配置されたＩＣおよび電極を含む層構造体を有する。このパッケージはさらに、各々がそれぞれの電解質溶液（すなわち２つの異なる溶液、下記のデュアル・フロー・レドックス・モードを参照）を受け入れるように意図された流体回路部をさらに含む。関連する各溶液は、可溶性の電気活性種を有する。流体部は、電解質溶液を受け入れ、対応する電極に電解質溶液を接触させ、たとえば動作中のＩＣに電力を供給するように設計される。パッケージに電極が組み込まれているため、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）をＩＣの近くで供給し、それにより電力供給の効率を向上させることができる。電極に接触する電気化学的溶液の強制対流により、さらに高い電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）密度を達成することができる。最後に、ｉｎ−ｓｉｔｕで液体を加え、好適な熱除去を意図することができるため、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）給電および熱除去の必要性が一致することが特筆される。これに関連して、流体回路は、ＩＣを実質的に冷却するように最適に設計してもよい。このため、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）の供給および冷却という問題を同時に解決する、組み合わせた溶液を得てもよい。
【００１７】
こうした溶液は特に、層間冷却が電気化学的電力給電と組み合わされた３ＤのＩＣによく適している。たとえば、電力給電プロセスの全段階で可溶性の状態が持続する電気活性レドックス対を用いて、２機能性の水性クーラントを用意してもよい。たとえば、負極と正極との電位差１Ｖを与えることができる水性レドックス対が知られている。さらに、たとえば、ピンを含む３Ｄシリコン積層における強制的な対流による層間の冷却により、２００Ｗ／ｃｍ２を超える速度で熱除去を達成することができる。
【００１８】
ＩＣでは、実質的にすべての電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）が熱に変換される。したがって、上述のように、局所冷却および電力の要求が一致し、これは冷却と電力給電との組み合わせに都合がよい。電気活性クーラントの流れ（たとえば、圧力駆動）により与えられる放熱および電流密度はどちらも、最適化された対流による物質輸送および温度の上昇から恩恵を受ける。本アプローチにより、重要な資源を解放することができる。たとえば、３Ｄの積層の場合、電力給電（電源ビア）に割り当てられるシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）の数を著しく減少させ、したがって貴重なチップ面積を解放し、配線の混雑を減らし、マクロ設計を最小化することができる。導入できる信号ビアの数が増加し、それにより通信バンド幅が向上する。全体として、オン・チップ配線のみを必要とするため電力関連配線がさらに簡素化され、ウェーハ・レベルを超えた相互接続部の必要がなくなる。
【００１９】
さらに、上記の溶液は、有利にはデータ・センタで使用されるようなサーバの動作に応用して、電気活性クーラントの貯蔵所を組み込めば、無停電電源装置（ＵＰＳ：ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  ｐｏｗｅｒ  ｓｕｐｐｌｙ）機能を提供することができる。その自律性は、貯蔵所の大きさを変化させることにより容易に決定することができる。データ・センタの既存のＵＰＳ設計、電力給電および電圧変換を改造することにより、顕著な効率の向上が可能である。
【００２０】
電気化学的電力供給の別の利点は、デカップリング・コンデンサの必要がなくなることであり、これにより、より多くのＴＳＶおよびプロセッサ・スタックの貴重なスペースが解放される。
【００２１】
本発明の他の特徴について、図２〜１５の実施形態を参照して説明することにする。理解のため最初に図１を参照しながら、従来のシングル・チップ・パッケージ１０’を説明する。こうしたチップは周知の層構造を有する。図示した様々な層はそれぞれ、たとえば、
−プリント配線基板（すなわちＰＷＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ  ｗｉｒｉｎｇ  ｂｏａｒｄ）１１
−はんだボール層１２；
−基板相互接続部１３；
−はんだバンプ１４およびアンダーフィル層１５；ならびに
−ＩＣチップそのもの１６
であってもよい。
【００２２】
こうした構成要素はそれ自体周知である。電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）は、各層を介して、すなわちＰＷＢ１１からはんだボール１２、基板相互接続部１３、およびはんだバンプ１４を介してＩＣに供給される。ＩＣマイクロプロセッサの場合、典型的には、はんだボールおよびバンプの大部分が電力給電（電源／グランド）に割り当てられるのに対して、信号伝送に割り当てられるのはごく一部である点に留意されたい。
【００２３】
電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）供給の改善は、以下の実施形態に説明するように達成することができる。
【００２４】
まず図２に、改造された集積回路パッケージ１０ａを示す。この装置は、なお図１の装置を想起させる層構造体を有する。このパッケージは、たとえば、図１と同じ連続的な層、すなわち、ＰＷＢ１１、はんだボール、基板相互接続部１３、はんだバンプおよびアンダーフィル、ならびにチップ１６を含んでいてもよい。
【００２５】
しかしながら今回は、この構造体の層と電気的に接続された、たとえば、こうした層上に直接配置された電極１７が設けられている。図２の例では、装置１０ａの残りの層配置の一方の側に延在するＰＷＢ１１上に電極１７が配置されている。これによりＩＣは電極に（この場合、連続的な層１１〜１５を介して間接的に）連結されている。
【００２６】
さらに、可溶性の電気活性種を含む電解質溶液を充填することができる流体回路部１９が設けられている。この部１９は、たとえばこの溶液をＰＷＢ層１１の上面に配置された電極１７（たとえば、電極アレイ１７）に接触させることにより、動作時にＩＣ層１６に電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）を供給できるように構成される。この例では、流体部１９は単に、電極に面し、かつ、この場合、入口／出口の矢印１９ｉ、１９ｏで表されるように溶液を供給する流体回路に連結可能な開口部を有する分配マニホールドである。流体回路に好適な流体回路部および連結部は、たとえば、マイクロ流体技術の公知の技法に従い得ることができる。電気化学の詳細については、図１７〜２１を参照しながら後で考察するものとする。
【００２７】
たとえば、マニホールドは、その１つまたは複数の表面に（たとえば、底面に）開口した第１のシリコン・ブロックの空洞として設計してもよい。流体回路は、たとえば、上面に開口したこうしたシリコン・ブロックの溝として提供してもよい。マニホールドは他に典型的には、セラミックス、金属またはハード・ポリマー等から作られてもよい。第２のシリコン・ブロックを第１のシリコン・ブロックと接触させて開口溝を塞いでもよい。その後第１のブロックを電極が配置された構造体の層の上面に載せる。他の多くの実装技術も可能である。たとえば、流体分配の流路を、高い熱伝導度を持つ金属ヒート・シンクに機械加工してもよい。そうすることでヒート・シンクをＩＣパッケージの上面に置き、絶縁層により電極をヒート・シンク材料から隔離することができる。別の実装は、マイクロ流体流路を得るためシリコンのマイクロマシニングを含んでもよい。考えられる電極の配置については、図９〜１５にて後で考察する。
【００２８】
図２の実施形態をまとめると、従来のシングル・チップ・パッケージが設けられているけれども、電力給電のため隣接して電気化学的（ＥＣ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ）電力変換ユニットおよび電極アレイがＰＷＢ上に設けられている。こうした解決策により、ｉｎ  ｓｉｔｕで電力供給が可能になる。さらに、これは、マニホールド１９を通して循環する溶液がチップからＰＷＢに移動した熱を取り込むことになるため、熱の除去にも関わる。
【００２９】
次の図は、なお図１または２と同様の層構造体を有する、改造された集積回路パッケージ１０ｂ〜１０ｎの他の実施形態に相当する。なお、簡潔のため参照番号をすべて繰り返して記載しているとは限らない。
【００３０】
たとえば、図３は、従来のシングル・チップ・パッケージ１０ｂを示すものであるが、今回は、電力給電のため、共通の基板相互接続部１３の上に、隣接する電力変換ユニット１９（たとえば、流体回路と流体連通する電解質溶液マニホールド）および電極１７が設けられている。基板相互接続部１３は、パッケージの残部から側方に共に延在するはんだボールおよびＰＷＢ層の上に配置される。この例では、電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）が最終消費部１６のより近くで供給される。したがって、図２の例と比較して熱除去の改善が期待される。
【００３１】
次に、図４は、電力給電および冷却のため、ＩＣチップ１６の上に直接配置された電極アレイ１７の上面に流体分配マニホールド１９がある別のシングル・チップ・パッケージ１０ｃを示す。こうした配置により、ＩＣ層への直接的な電力供給が可能になり、さらに電解質溶液がＩＣ層で生成される熱を十分に取り込むことができ、これは、図２または３の実施形態より効率的に行われる。
【００３２】
図６も類似したものである、すなわち、電力給電および冷却のため、層構造体の上面の流体分配マニホールド１９が電極アレイ１７と流体連通して配置されている装置１０ｅを示す。しかし、ここに示した装置は、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージである。たとえば、こうしたマルチチップ・パッケージにおいて多層の製造を可能にする従来技術の解決策は存在する。ここでの違いは、チップ１６の上面に好適に配置された電極１７および電力変換ユニット（流体部１９）を組み込んだことにある。
【００３３】
当業者であれば、上記の実施形態（図２〜４および６）において、流体回路部１９は、電解質溶液がＩＣパッケージ１０ａ〜ｃの層構造体の１つの層（すなわち、１１、１３または１６）に沿って流れるように構成されることを理解することができる。こうしたコンフィグレーションは、電力変換ユニットを構造体１０ａ〜ｃの層の上面に単なる付属装置として置くように設計できるため有利である。さらに当業者であれば、こうした設計では、チップの製造プロセスを実質的に変更させる必要がないことも理解できる。さらに、上記の各実施形態（図２〜４および６）では、シングル・フロー・レドックス系を意図しても、またはデュアル・フロー・レドックス系を意図してもよい。シングル・フロー・レドックス系の場合、流体回路部１９は、１種の電解質溶液のみを含み、これを選択的な電極のアレイに接触させる。デュアル・フロー・レドックス系を意図する場合、部１９に、たとえば、膜で隔てられた２種の流体を充填し、その目的に好適に配置されたそれぞれの電極セットに接触させる必要がある。
【００３４】
次に、電解質溶液が層構造体の２つの層、たとえば、ＩＣの３Ｄの積層の２つのＩＣ層の間を流れるように流体回路部を構成する他の実施形態を意図してもよい。図５、７〜１５を参照しながら、こうした実施形態を考察するものとする。こうした配置により、直接ではないが、ＩＣ層に近い電力供給が可能になる。さらに、こうした配置により、電解質溶液（単数または複数）は、ＩＣ層で生成される熱をより効率的に除去することができる。
【００３５】
たとえば、図５は、電力給電および冷却のため、流体分配体が基板相互接続部１３’に組み込まれたシングル・チップ・パッケージ１０ｄを示す。この場合、基板相互接続部１３’は、好適に隔てられた、たとえば、それ自体周知であるスペーサ２３により拘束された２つの層として構成される。このため、基板相互接続部１３’の２層コンフィグレーションを前述の流体回路部の代わりに使用し、多くの点（効率的な電力供給および熱除去）で有利である流体路１９’を設ける。対流に有利に働くよう、もしくは好ましくない毛管作用を防止するよう、またはその両方ため、必要に応じて２層の寸法を電解質溶液の性質に適合させてもよい。
【００３６】
上記の実施形態に対するいくつかの変形を意図してもよい。たとえば、図７は、実際にマルチチップ・パッケージ内の図４および５の考えおよび利点を組み合わせた、２重の電力給電および冷却を含む、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージ１０ｆを示す。
【００３７】
電力給電および冷却のさらに別の考えを図８の実施形態に示し、層間流体分配体１９’のスペーサ２３を含む、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージ１０ｇを提案する。以下、参照番号１９’は層間流体回路部に使用するのに対し、参照番号１９は単層部に使用する。ここで、流体分配体を多重層構造体の近くに限定するハウジング２１（たとえば、シリコン側壁）を設けてもよい。このため電解質溶液を層構造体の層、たとえば、ＩＣ層の間に流すことができる。したがって、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージに対して、電力供給および冷却の効率的な統合スキームを達成することができる。対応する斜視図を図１６に示す。図１６では、参照番号２４、２５がそれぞれシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）、およびはんだボールに対応する。この構造は全体として、効率的な電力供給および冷却を確実なものにする多重流体回路部１９’を規定する。この実施形態では単一の全体の入口１９ｉおよび単一の全体の出口１９ｏを図示しているが、好適な変形ではデュアル・フロー入口および単一の出口、またはデュアル・フローの入口およびデュアル・フローの出口等を使用してもよい点に留意されたい。
【００３８】
したがって、図５、７または８（および１６）の実施形態をまとめると、電解質溶液が装置の層、たとえば、３Ｄの積層の２つのＩＣ層の間を流れるように少なくとも１つの流体回路部１９’を設計してもよいことを理解することができる。理解しやすいように、これらの図には層間流体部に関連する電極配置を示していない点に留意されたい。実際には、次に考察されるように、図９〜１５を参照して考察される電極コンフィグレーションのいずれか１つを使用してもよい。図５、７または８（および１６）の実施形態は各々、シングル・レドックス・フロー溶液にも、またはデュアル・レドックス・フロー溶液にも対応できる。とはいえ、デュアル・レドックス・フロー溶液を実行するには、１つまたは複数の流体部１９’内に電解質溶液が適切に分配されるようにするなど、若干の変更を必要とする。
【００３９】
ここで、図２〜８の実施形態をまとめると、流体回路部１９、１９’が各々、１種（または２種）の電解質溶液（単数または複数）を受け入れ、これを装置１０ａ〜１０ｇの層構造体の層に沿ってまたは層の間に流すことができるように、少なくとも１つの部１９、１９’を設計してもよいことを理解することができる。
【００４０】
図９〜１５は、チップ装置１０ｈ〜１０ｎの部分図を示す。図９は、層間コンフィグレーション中に単一の電解質が流れるオン・チップ電極配置１７を示す。対象の層１３、１６は、たとえば、スペーサ２３により好適に拘束された２重の基板相互接続部（図５または７の１３’など）でも、または図８のように２つの平行なＩＣチップ１６でもよい。考えられる電極配置として、関連する２つの層の各々の内側（すなわち、電解質の流れと接触する側）に装着した交互型電極アレイがある。電極１７ａ１、１７ｃ１は、たとえば、それぞれ第１の層１３、１６上に配置されたアノードおよびカソードに対応してもよい。電極１７ａ２および１７ｃ２は、第２の層１３、１６上のそれらに対応する電極である（添え字「ａ」は「アノード」（白）を、「ｃ」は「カソード」（黒）を表し、「１」および「２」はそれぞれ第１および第２の層に対応する）。上記に指摘したように、この場合シングル・フローが関係するため、こうした電極と電解質とのコンフィグレーションには、電極に適した選択性が必要とされる。シングル・フローまたは混合反応物系の説明は、以前記載されている（たとえばＰｒｉｅｓｔｎａｌｌ  ２００２，Ｓｕｎｇ  ２００７，Ｍａｎｏ  ２００３、最後の文献リストを参照されたい）。このコンフィグレーションは、たとえば、図５、７および８の実施形態に使用してもよい。電極の選択性は、たとえば、より小さいイオンのみを通過させる多孔性材料、たとえばゼオライトで１つの電極を被覆することにより実施することができる。さらに、電気活性種の酸化または還元をそれぞれ促進する電極触媒材料を電極に導入してもよい。
【００４１】
図１０は、類似しているが、電極配置がやや異なる配置を示す。この場合、カソード１７ｃ１を第１の（上）層の内側に配列する一方、アノード１７ａ２を第２の層に装着する。このコンフィグレーションもやはり電極の選択性が必要とされる。このコンフィグレーションは、図９のコンフィグレーションより製造しやすくなる（各層に１種類の電極しか設けない）とはいえ、得られる電気回路は、閉回路になりにくいため、電力効率がやや低下することが示唆され、高い電極の選択性が必要とされる。この層間コンフィグレーションも図５、７および８の実施形態に使用してもよい。
【００４２】
次に図１１は、電極の機能性をスペーサ２３の機能性と組み合わせた別の電極配置を示す。たとえば、アノード１７ａおよびカソード１７ｃの交互型配置を意図してもよい。これに合わせてスペーサの材料を適合させる。スペーサ表面に使用される材料を選択的に適合させるのに好適なプロセスが利用可能である。逆スパッタリングまたはイオン・エッチングによる異方性材料の除去と組み合わせた、蒸発、スパッタリング、蒸着またはメッキなどの公知の微細加工技術によって、電極材料をスペーサ表面に塗布してもよい。使用する電極材料は、溶液との相性、および電気化学反応に対する活性に従い選択してもよく、特に炭素および貴金属、たとえばＡｕ、Ｐｔ、またはＰｄを含んでもよい。さらに電極材料は、金属合金、電子伝導性シリサイドまたは炭化物、たとえばＳｉＣおよびＢ４Ｃを含んでもよい。電極材料への選択性および触媒活性は、前述したように付与してもよい。図１１の変形などの変形は、有利にはスペーサの機能性を最適化し、関係する層の内側の貴重な領域の一部を解放するものである。このコンフィグレーションもやはり図５、７および８の実施形態と共に使用してもよい。
【００４３】
図９、１０または１１の各実施形態では、全体として単一の電解質の流れを意図している（よって選択的電極が必要とされる）。一方、本明細書では「シングル」フローと呼ばれるものの、それに対応する流体回路は、１つ（図５）もしくは複数の層間流体回路部１９’（たとえば、図８のように）に分解してもよいし、あるいは、層間部１９’と組み合わせたオン・トップ回路部１９をさらに含んでもよい（図７）。言い換えれば、単一の電解質溶液と組み合わせて、さらに１つまたは複数の流体回路部１９、１９’を含む。いずれの場合も、前記流体部は、単一の電解質溶液が選択的カソードおよびアノードに接触できるように好適に構成される（シングル・フロー・レドックス溶液）。
【００４４】
図９、１０または１１の実施形態と異なり、図１２〜１５の実施形態は、異なる電解質溶液（図示せず）を受け入れることを意図した層間流体回路部１９’を含む。溶液は、たとえば、膜２０または別の種類の分離するものにより隔てられていてもよい。下記を参照されたい。マイクロフルイディクスの膜材料の組み込みについては、以前に記載されており（ｄｅ  Ｊｏｎｇ  ２００６）、特に、多孔性シリコンを含んでもよい（Ｍｏｇｈａｄｄａｍ  ２０１０，Ｔｊｅｒｋｓｔｒａ  ２０００）。いずれの場合も、電極のそれぞれのサブセット（すなわち、カソードまたはアノード）に接触するように、電解質溶液をそれぞれの流体回路部１９１’、１９２’内にしかるべく拘束することにより、デュアル・フロー・レドックス系を形成する。
【００４５】
たとえば、図１２は、層間コンフィグレーションのそれぞれの流体回路部１９１’、１９２内に拘束された２つの電解質が流れるオン・チップ電極配置を示す。２つの流れは、膜２０、拡散ゾーン２０’もしくは中間層、または電気回路を閉回路にするため非活性イオンを通過させるさらに別の種類の分離するものを示す、チップ表面に平行な面（破線）により隔てられる。その他の点では、この電極配置は、図１０と同様である。
【００４６】
次に図１３では、ここで各スペーサを、カソードおよびアノードの両方として働くよう（すなわち、分離線のそれぞれの側）に設計すること以外は、図１１と同様に電極配置１７ａ２、１７ｃ１をスペーサに適用する。
【００４７】
次に図１４では、層間コンフィグレーションに２つの電解質が流れる別のオン・チップ電極配置を示す。ここでの流れは、図の平面から流れてくる流れであり、やはり膜、拡散ゾーン、中間層、またはさらに別の種類の分離するものを示してもよい、チップ表面に垂直な面（破線）で隔てられている。見やすいように層間スペーサは示していない。２つの流れは、それぞれアノード部またはカソード部１９ａ’、１９ｃ’内に拘束される。参照番号２７は、図の平面からの流体出口を示す。
【００４８】
次に最後の図１５は、図１１または１３のように電極配置をスペーサに適用したこと以外は、図１４と同様である。この場合、分離するもの２０、２０’の一方の側のスペーサがカソード１７ｃとして働き、他方の（もう一方の側）がアノード１７ａとして働く。この場合も流れは、それぞれアノード部またはカソード部１９ａ’、１９ｃ’内に拘束される。
【００４９】
ここで図１７〜２１を参照しながら、電解質溶液（単数または複数）について詳述するものとする。
【００５０】
図１７〜１９は、電力供給および冷却を目的として電極に接触する電解質溶液３１、３２を充填した流体回路部の詳細を示す。図１７および１８は、すでに考察したデュアル・フロー・レドックス系に関し、図１９は、シングル・フロー・レドックス系に対応する。すべての場合において、ＲｅｄおよびＯｘは還元された電気活性種および酸化された電気活性種を表し、電極／溶液界面における電子移行を矢印で示す。電解質溶液の流れの方向は、上から下である。
【００５１】
図１７では、２つの電解質溶液３１、３２が膜２０により隔てられている。図１７は、電解質溶液を分離するイオン選択的膜、および同一の電極材料を含む従来のレドックス・フロー電池コンフィグレーションを想起させる。これに対し、図１８は、同一の電極材料を含む膜のない共層流コンフィグレーションに依存した膜のないレドックス電気化学溶液を想起させる。図１９は、選択的電極（酸化および還元反応を選択的に高める様々な電極材料を意味する）を含むシングル・フロー・アーキテクチャに関する。いずれの場合も、ＥＣ電力供給だけでなく、電解質溶液の循環によりかなりの熱除去も得ることができる。
【００５２】
流体回路部の寸法および流速は、たとえば、電力密度および熱除去を最適化するため実際に使用する電解質溶液および電力の必要性に応じて変更してもよい。特に毛管現象に対処すべきである、すなわち、最小層間寸法を考慮する必要がある場合がある。一方、たとえば、キャピラリ・ポンプを用いて対流に有利になるように毛管作用を利用してもよい。液体の代わりにガスで処理する場合、こうした考慮すべき項目が存在しない点に留意されたい。しかしながら、液体により得られる熱除去能力は、ガスよりはるかに大きい。
【００５３】
電解質溶液は一般に、電極と共に電子電荷移動に関与する活性なレドックス対と、溶液のイオン伝導度に寄与するが、電子電荷移動には寄与しないイオンを供給する支持電解質と、かなりの量の活性なレドックス対および支持電解質の両方を溶解する溶媒とからなる。
【００５４】
活性なレドックス対は、好ましくは還元状態および酸化状態の両方の溶解形態で存在すべきであり、したがってＦｅ２＋／Ｆｅ３＋、Ｖ２＋／Ｖ３＋、ＶＯ２＋／ＶＯ２＋、Ｃｅ３＋／Ｃｅ４＋、Ｃｏ２＋／Ｃｏ３＋、Ｃｒ２＋／Ｃｒ３＋、Ｔｉ３＋／ＴｉＯＨ３＋、Ｃｒ３＋／Ｃｒ２Ｏ７２−、ＢＨ４−／ＢＯ２、ＯＨ−／Ｈ２Ｏ２、Ｂｒ−／Ｂｒ３−、Ｍｎ２＋／Ｍｎ３＋、Ｒｕ２＋／Ｒｕ３＋を含む対から選択されてもよい。レドックス対を、塩または任意の好適な誘導体、たとえばスルフェート、クロリド、水酸化物、またはカーボネートの形態で溶液に導入してもよいことが理解されよう。塩の濃度は、高密度の電気活性種、好ましくは１ｍｏｌ／Ｌまたはそれ以上を供給するのに十分に高くすべきである。濃度は、微小電極アレイとして知られているように拡散速度を高めるため電極の寸法を小型化する場合、より低くてもよい。
【００５５】
支持電解質は、活性なレドックス対、たとえばＨ２ＳＯ４、ＨＣｌ、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、Ｋ２ＳＯ４、ＫＯＨを含む塩に一致するように選択すべきである。支持電解質の濃度は、溶液の抵抗を最小にするのに十分に高くする一方で、やはりイオン会合、または高粘度になりすぎることを回避するため、好ましくは０．５ｍｏｌ／Ｌまたはそれ以上にすべきである。変形の場合、２ｍｏｌ／Ｌまたはそれ以上の濃度が好ましく、かなりの性能が得られる。
【００５６】
溶媒は、活性なレドックス対を含む塩、および支持電解質の高い溶解度を可能にすべきである。上記の種の場合、水が好適な溶媒である。
【００５７】
この溶液には、系の性能を高めるため上記の成分だけでなく、さらに添加剤を導入してもよい。特に電気化学の科学で周知であるように、活性なレドックス対のレドックス電位を変更するため配位子種を加えてもよい（たとえばＣｈｅｎ  １９８１，Ｃｈｅｎ  １９８２，Ｍｕｒｔｈｙ  １９８９）。
【００５８】
デュアル・フロー・コンフィグレーション（図１７および１８）では、２種の溶液はそれぞれ、好ましくは異なる活性なレドックス対を含む。レドックス対間の電位差は、ＩＣに電力を供給するのに必要とされる電圧に近くなるように選択される。
【００５９】
シングル・フロー・コンフィグレーションでは、単一の溶液は活性なレドックス対の両方を含み、電極は、前述のように高い選択性を示す。
【００６０】
電極間の離隔距離は任意に選択してもよいが、好ましくは電極間の溶液のイオン抵抗を低減するため最小化すべきである。対向する層に配置された電極を含む層間コンフィグレーション（図８、１０、１２、１６）では、電極間の間隔をスペーサの高さにより規定する。好ましくは、この高さは１０μｍ〜３００μｍの範囲にある。
【００６１】
次に、図２０は、本発明の実施形態による方法のステップを図示したフローチャートである。基本的に、この方法は、上記で論じたように電解質溶液を対流させることにより、ＩＣパッケージに電力を供給することを目的とする。実際に、コンピュータ・システムには複数のチップ・パッケージが設けられ（すなわち、上記の実施形態による）、さらに電気化学的（ＥＣ）電力ユニットが備えられている（ステップ１００）。ＥＣユニットは、電解質溶液（単数または複数）の対流が可能になるようにチップの流体部と流体連通している。好ましくは、実際の電力の必要性をモニタしてもよく（ステップＳ３００）、好適に変更された電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）を供給するように適宜流体の対流を制御する（Ｓ２００）。この場合、単純なフィードバック・ループが必要とされると考えられる。
【００６２】
これに関連して、図２１は、本発明の実施形態による電気化学的電力給電ユニット１１０を備えたコンピュータ・システムを示す。提唱したレドックス・フロー電力給電部は単に、従来のレドックス・フロー電池の電解質の流路にコンピュータ・システム１００（たとえば、上記で論じたようなピンを含む３Ｄシリコン積層など数百のチップ・パッケージを含むデータ・センタ）を挿入してなる。こうした電池は、２つの流体回路１１１、１１２を含み、それぞれ電解質タンク１２１、１２２を有する。回路の流速は、ポンプ１４１、１４２により制御される。さらに、セル１５１、１５２は、それぞれの電極１３１、１３２（この場合、充電専用）に接触し、ＥＣ膜２５により隔てられ、溶液の再充填に際して別の電力供給部１２０によりＥＣ膜２５に電圧が印加される。コンピュータ・システム１００で放電が起こるため、図２１のコンフィグレーションは、実際に連続的な動作を可能にする。実際の実装の詳細に応じて、こうした電池はさらに、高い流速、高い電力密度、高温度での動作、およびクーラント機能性を可能にする。電池の電解質の流路上におけるコンピュータ・システム１００の相互接続には、それ自体が周知である、マイクロ流体科学からもたらされた技術（たとえば、チュービングもしくはＰＤＭＳ機械加工またはその両方、マニホールド等）を使用してもよい。
【００６３】
液体クーラントとして水を使用すると、ピンを含む３Ｄ積層において層間の強制対流冷却を行うことにより、２００Ｗ／ｃｍ２を超える速度で熱除去を達成することができる（Ｂｒｕｎｓｃｈｗｉｌｅｒ  ２００９）。電力給電は、上記で論じたように集積回路パッケージの電極で電気化学的に放電する電解質溶液に電気活性種を与えることにより達成される。
【００６４】
電極ペアにおいて１Ｖ程度の電位差を可能にする水性電気化学の分野には、多くのレドックス対のペアが存在する（ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ２０１０）。こうした電圧は、現在のトランジスタに電力を供給するのに十分である。さらに、水溶液を用いた電気化学的電力給電は、供給電圧の最近の傾向、すなわち、より低い値、たとえば、０．６Ｖを対象とする最近の傾向に一層適していることを理解することができる。
【００６５】
こうした科学技術の利益は大きなものであり、たとえば、パッケージングの基盤およびコンピュータ・システム（たとえば、データ・センタ）基盤の両レベルの改良が期待される。
【００６６】
第１には、パッケージングの利益に関するものである。高性能３Ｄ  ＩＣでは、送電ＴＳＶ（電源ビア）が現在、ＴＳＶを使用する全面積の６６％を占めると推定される。電力給電全体を２機能性のクーラントに移行することにより、この面積は、設計の自由度の向上、または追加の信号ビアの形成に利用される。電気化学的放電が局所的（たとえば、オン・チップ）に起こるため、チップ・レベル以外の要素とのインターフェースが必要ない。このため、電力関連の配線をすべて簡素化し、チップ・レベルに限定することができる。
【００６７】
第２は、基盤の利益に関するものである。電力給電は、クーラントの電気活性種により確保される。利用可能な電気活性種の絶対量を増やすことにより、系の自律性が向上する。これに関連して、図２１に示したように、この自律性を得る簡便な方法は、溶液の貯蔵所１２１、１２２を冷却ループ１１１、１１２に導入することによる。ユーティリティ側の停電の場合でも、電気活性クーラントをその量が枯渇するまで供給することができる。さらに、チップに送られる電圧が、溶液の放電深度と共に下がることも測定することができる。電気化学的系に最適な動作範囲は、１０％〜９０％の放電深度にあり、この放電深度では、１電子レドックス対からなる電気化学的電力給電系の供給電圧は、ほぼ直線的に予想通り約０．１Ｖ変動する。供給電圧の著しい低下は、放電深度が１００％に近づいたときにだけ起こる。したがって、系の自律的動作は本質的に、局所的なオン・チップ電極コンフィグレーションと無関係に容易に設計することができる貯蔵所の大きさによって決まる。
【００６８】
このため、無停電電源装置（ＵＰＳ）を提供することができる。こうしたＵＰＳをコンピュータ・システムに連結するには、効率の改善を目的として現在の電力給電基盤を再設計することが提案されてもよい。
【００６９】
オンラインＵＰＳを含む改造型と従来型のデータ・センタ・アーキテクチャのスキームを図２２〜２３に示す。さらに詳しく言うと、データ・センタの従来の電力給電アーキテクチャ（図２２）と、冷却／電気化学的電力給電を組み合わせたもの（図２３）との間で比較を行っている。従来のアーキテクチャに含まれる要素のエネルギ効率は、報告された重負荷値に基づく（Ｐｒａｔｔ  ２００７）のに対し、電気化学的系のエネルギ効率は、最良の推定値である。細い線は電流の流れを表すのに対し、電気活性クーラントの流れは太い線で表す。使用する略語は標準的に、無停電電源装置（ＵＰＳ）、交流（ＡＣ：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）、直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）、電力配分装置（ＰＤＵ：Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  Ｕｎｉｔ）、電源ユニット（ＰＳＵ：Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ  Ｕｎｉｔ）、電圧レギュレータ（ＶＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）、電気化学セル（ＥＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｅｌｌ）である。
【００７０】
図２２に示したパーセンテージは、データ・センタに入る電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）の連続的な変換ステップ後に残っている電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）の率に相当する。ここでは、一例としてプロセッサに直接供給するのに必要な電力（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ）のみを示す。従来のデータ・センタ・アーキテクチャでは、プロセッサへの電力給電は、主に変換損失に起因してデータ・センタ内の効率性が３６％に過ぎないと推定される。
【００７１】
電気化学的電力給電を加えることにより（図２３）、変換チェーンの初めに中央でユーティリティ・レベル４００Ｖ  ＡＣからサーバ・レベル１Ｖ  ＤＣへの変換を行うことができる。銅線の場合、この電圧変換では、許容可能な抵抗損で対応する電流を運ぶと、４００倍多い銅が必要とされると考えられる。しかしながら、設備の中央位置で電気エネルギを化学エネルギ（図２３のＤＣ／ＥＣ電気化学セル）に変換することにより、こうした過剰な配線が必要とされない。充填される電気活性クーラントは、１０Ｌ／分の流速でラック・レベルに分配することができる。これは、２つの電解質溶液各々について１レドックス対ペア当たり１つの電子の交換、および活性なレドックス対濃度１ｍｏｌ／Ｌと仮定すると、約１６ｋＡの電流を運ぶことに相当する。この段階後、電力は化学エネルギの形態で供給され、エネルギ輸送の速度は、電気活性クーラントの流速によって決まる。図２３には冷却の所要電力が含まれていないため、電気活性クーラントの輸送に関係するポンプ動力は、冷却基盤の一部と見なされ、効率性の比較に含まれていない。さらに、数ｋＡ程度の大電流の場合、好適な直径の管を介したイオンの強制対流による電荷輸送の方が、金属線による電子伝導よりエネルギ効率的でコスト効率も高い。ラック・レベルでのクーラントの流れは、より狭い流路での著しい圧力降下を回避するため、化学エネルギの電気エネルギへの最終的な変換がＩＣ、たとえば３Ｄ  ＩＣの層間（図２３のプロセッサ・レベル）に近接して起こるまで、マニホールドを介してより低い流速でサーバ・レベルに分配される。
【００７２】
従来のアーキテクチャと比較して劇的に改善をもたらすデータ・センタの電気化学的電力給電の考えを用いると、プロセッサへの電力給電の効率は、７７％と推定される。この電気化学的電力給電の考えを実行しやすくした主な理由は、従来のオンラインＵＰＳシステムを除去したこと、および電気エネルギの代わりに化学エネルギの形態にて低電圧レベルで電力を分配する能力により、電力給電チェーンの多重変換ステップを回避したことにある。
【００７３】
可溶性の電気活性種の形態の化学エネルギとして電気エネルギを貯蔵すること、および強制対流を用いたその電気エネルギへの変換は、レドックス・フロー電池（ＲＦＢ：ｒｅｄｏｘ  ｆｌｏｗ  ｂａｔｔｅｒｙ）、またはリバーシブル燃料電池の分野と関連付けてもよい。ガルバーニ電池のクラスに関する科学雑誌は入手可能であり、その商業用途はこれまで、主に分散型送電網のエネルギ貯蔵のほか、ピーク・シェービングおよび電力負荷平準化の目的を対象としていた（Ｂａｒｔｏｌｏｚｚｉ  １９８９，ｄｅ  Ｌｅｏｎ  ２００６）。最もよく研究され、確立された系として、鉄−クロムＲＦＢ（Ｔｈａｌｌｅｒ  １９７９）および全バナジウム（Ｓｋｙｌｌａｓ−Ｋａｚａｃｏｓ  １９８７）ＲＦＢがある。
【００７４】
すでに言及したように、図２１および２３で提案した電気化学的電力給電の実施形態とは異なり、古典的なＲＦＢ系は、充電および放電動作を同じ電気化学セル（すなわち、図２１のセル１５１、１５２に相当すると考えられる）で行うため、断続的な電力給電しか行うことができない。
【００７５】
低レイノルズ数での共層流に基づく膜のないコンフィグレーションおよび統合型マイクロリアクタの膜による燃料電池の考えを特徴とする、ＲＦＢ電気化学のマイクロ流体分野への移行は、比較的最近研究が行われるようになったばかりである（Ｍａｙｎａｒｄ  ２００２，Ｆｅｒｒｉｇｎｏ  ２００２）。
【００７６】
従来のＲＦＢ科学技術、特にマイクロ流体の実装において、最大燃料利用率が重要な性能指標である点に注意されたい（たとえばＫｊｅａｎｇ  ２００７）。この文脈では、燃料利用率は一般に、電気活性溶液の１回の循環時に電気化学的プロセスにより電気エネルギに変換される化学エネルギの率と定義される。
【００７７】
本例の場合、いずにせよ冷却回路を駆動させることを目的としてポンプ動力を与える必要があるため、電力密度と比較して燃料利用率が主要な関心事ではないことが理解されよう。したがって、対流による物質輸送が、マイクロ流体ＲＦＢで通常考えられるよりかなり大きくならざるを得ない。溶液の電気化学的性能および熱除去性能のどちらにも、物質輸送の増強が寄与している点に留意されたい。さらに、従来のマイクロ流体ＲＦＢと比較してかなりの程度でＩＣが小型化されたことも、組み込まれたガルバーニ電池のイオン抵抗の点から好ましく、これにより抵抗損が少なくなるため、電力密度を高めることができる。
【００７８】
要約すると、提案した冷却／電気化学的電力給電を組み合わせた戦略は、ＩＣへの電力給電に対応することにより同時に液体冷却基盤を利用する大きな可能性を有する。この考えで得られる主な利点として、チップおよび設備規模での電力給電基盤の簡素化によるバンド幅および効率の改善が挙げられる。
【００７９】
一方、図２１で提案した実施形態の欠点には、アノードおよびカソード反応のために２つの異なる電気活性種が必要とされること、および２つの貯蔵タンクが必要とされることがある。これは重大な障害ではないが、これにより構成の複雑さが増す。レドックス・フロー電池のもう１つの問題となる要素は、半透過性膜が必要とされることである（ｄｅ  Ｊｏｎｇ  ２００６）。
【００８０】
このため、他の実施形態では、膜をなくしており、その代わりに本発明の実装は、変換ゾーンの端で再び分かれる平行な層流に依存する（図１８を参照）。しかしながら、このアプローチは、共層流に厳密に限定され（Ｋｊｅａｎｇ  ２００９）、ＴＳＶを使用したアレイには若干実装しにくいことがある。
【００８１】
前に述べたように、他の実施形態では、電極は、特定のアノードおよびカソード反応が同じ溶液内の電極で選択的に起こるように機能する（図１９を参照）。しかしながら、このアプローチは、触媒選択性に限界があるため１Ｖの反応には実装しにくいことがある（Ｍａｎｏ  ２００３）。このアプローチは、より低い電圧には実装しやすくなる。
【００８２】
最後に重要なことは、電気化学的電力供給の有益な作用は、電力供給が直接的な熱の再利用に必要とされるため、システムを高温で動作させると増大することができることである。たとえば、加熱用途での熱エネルギの再利用は、コンピュータ・システムのエネルギ効率を一層向上させる。４０Ｋ温度の上昇と効率的な物質輸送の増強とが組み合わさると、電気化学反応速度が３〜４桁増加する。こうした組み合わせは、チップ・スタックのチップに十分な電力を供給する非常に高い電力密度が必要とされる用途に特に都合がよいと考えられる。
【００８３】
上記の発明の少なくとも一部（たとえば、流体の対流制御）の実装に必要なコンピュータ・プログラム・コードは、高度な（たとえば、手続き型またはオブジェクト指向）プログラミング言語で実装しても、あるいは必要に応じてアセンブリ言語または機械語で実装してもよい。どのような場合も、言語は、コンパイラ型言語でも、またはインタープリタ型言語でもよい。好適なプロセッサとして汎用および専用マイクロプロセッサが挙げられる。装置、端末機、サーバまたは受信端末が行う動作は、プログラム可能なプロセッサにより実行される機械読み取り可能な記憶装置に実体的に具体化されたコンピュータ・プログラム製品に記憶してもよく、本発明の方法ステップは、本発明の機能を実施する命令を実行する１つまたは複数のプログラム可能なプロセッサにより行ってもよいことに留意されたい。
【００８４】
より一般的には、上記の発明は、少なくとも一部をデジタル電子回路に実装しても、またはコンピュータ・ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせに実装してもよい。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリもしくはランダム・アクセス・メモリまたはその両方からの命令およびデータを取得する。コンピュータ・プログラムの命令およびデータを実体的に具体化するのに好適な記憶装置として、不揮発性メモリのあらゆる形態、例としてＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリ装置または他のものなどの半導体記憶装置が挙げられる。
【００８５】
本発明について、ある種の実施形態を参照しながら記載してきたが、当業者であれば、様々な変更を行うことができ、本発明の範囲から逸脱しない範囲で等価物を代わりに用いてもよいことが理解されるであろう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の本教示内容に適合させるため、多くの修正を行ってもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではないが、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むことを意図している。たとえば、電解質溶液に接触する電極は、表面積の拡大、および拡散による物質輸送の増強を達成するため従来の微細構造技術を用いて構成してもよい。いわゆる乱流プロモータなどの別の特徴は、対流による電極への物質輸送を促進するため電極の近くに設けてもよい。これは、高電力密度に都合がよい。
【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】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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