(57)【要約】【課題】  垂直チップ・スタックの温度管理のための熱除去装置及び方法を提供する。【解決手段】  複数の熱放散電子チップが垂直チップ・スタック内に配置される。電子チップは、その上に電子部品を有する。冷却板が、チップ・スタックの裏面に取り付けられる。冷却キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチが、チップ・スタックの前面に取り付けられる。入口マニホルドが、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの冷却キャビティに冷却流体を供給するように構成される。出口マニホルドが、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの冷却キャビティから冷却流体を受け取るように構成される。冷却板、シリコン・キャリア・サンドイッチ、入口マニホルド、及び出口マニホルドは、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる。電子装置を操作する方法、及び電子装置を製造する方法もまた開示される。両側電気入力・出力を伴う片面熱除去、及び両側電気入力・出力を伴う両面熱除去もまた開示される。【選択図】      図３
2013520835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直チップ・スタック内に配置された、上に電子部品を有する複数の熱放散電子チップと、
前記チップ・スタックの裏面に取り付けられた冷却板と、
前記チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチと、
前記冷却板、及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティに冷却流体を供給するように構成された入口マニホルドと、
前記冷却板、及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティから前記冷却流体を受け取るように構成された出口マニホルドと
を備え、
前記冷却板、前記シリコン・キャリア・サンドイッチ、前記入口マニホルド、及び前記出口マニホルドは、前記冷却流体を前記電子部品から電気的に絶縁するような構成及び、寸法にされる、
装置。
【請求項２】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチは互いに接合された上半分及び下半分を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチが、前記チップ・スタックからの熱を前記冷却流体内に伝導するように構成された複数のピン・フィンを前記流体キャビティ内にさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ピン・フィンが円形断面を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ピン・フィンが液滴形断面を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記ピン・フィンが均一な列状に配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記ピン・フィンが互い違いの列状に配置される、請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記ピン・フィンが、１００乃至２００ミクロンのピッチ及び１００乃至２００ミクロンの高さを有する、請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチが、前記チップ・スタックからの熱を前記冷却流体内に伝導するように構成された複数のプレート・フィンを前記流体キャビティ内にさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチが、前記垂直チップ・スタックに隣接する表面を有し、前記装置が、前記シリコン・キャリア・サンドイッチの、前記垂直チップ・スタックに隣接する前記表面の上に設けられた再分配配線をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記冷却流体を送り込むためのポンプと、
前記ポンプ、前記入口マニホルド、及び前記出口マニホルドに連結された、外部シンクへの熱移動により前記冷却流体を冷却するための外部熱交換器と
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチに取り付けられた少なくとも１つのラミネート構造体と、前記ラミネート構造体内に埋め込まれた少なくとも１つの光学部品とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチは、第１のシリコン・キャリア・サンドイッチを含み、前記冷却板は、第２のシリコン・キャリア・サンドイッチを含み、前記装置が、
前記第１のシリコン・キャリア・サンドイッチの、前記チップ・スタックとは反対側の面の上の第１の一連の電気的相互接続と、
前記第２のシリコン・キャリア・サンドイッチの、前記チップ・スタックとは反対側の面の上の第２の一連の電気的相互接続と
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
電子装置を操作する方法であって、
垂直チップ・スタック内に配置された、上に電子部品を有する複数の熱放散電子チップと、
前記チップ・スタックの裏面に取り付けられた冷却板と、
前記チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチと、
前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティと流体連通する入口マニホルドと、
前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティからの冷却流体と流体連通する出口マニホルドと、
を備え、
前記冷却板、前記シリコン・キャリア・サンドイッチ、前記入口マニホルド、及び前記出口マニホルドは、前記冷却流体を前記電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされた
装置を準備することと、
冷却された冷却流体を前記入口マニホルドに供給することと、
温められた冷却流体を前記出口マニホルドから排出することと
を含む方法。
【請求項１５】
電子装置を製造する方法であって、
垂直チップ・スタック内に配置された、上に電子部品を有する複数の熱放散電子チップを準備することと、
前記チップ・スタックの裏面に冷却板を取り付けることと、
前記チップ・スタックの前面に、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチを取り付けることと、
入口マニホルドを、前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチに、前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティと流体連通するように組み付けることと、
出口マニホルドを、前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチに、前記冷却板及び前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティと流体連通するように組み付けることと
を含む方法。
【請求項１６】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチの上半分と下半分とを互いに接合して前記シリコン・キャリア・サンドイッチを形成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記チップ・スタックからの熱を冷却流体内に伝導するように構成された複数のピン・フィンを前記流体キャビティ内に形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フィンを形成するステップにおいて、前記ピン・フィンは、円形断面及び液滴形断面のうちの少なくとも１つを有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記フィンを形成するステップにおいて、前記ピン・フィンは均一な列状に配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記フィンを形成するステップにおいて、前記ピン・フィンは互い違いの列状に配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記フィンを形成するステップにおいて、前記ピン・フィンは、１００乃至２００ミクロンのピッチ、及び１００乃至２００ミクロンの高さを有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記チップ・スタックからの熱を冷却流体内に伝導するように構成された複数のプレート・フィンを前記流体キャビティ内に形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つのラミネート構造体を前記シリコン・キャリア・サンドイッチに取り付けることと、
少なくとも１つの光学部品を前記ラミネート構造体の中に埋め込むことと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
垂直チップ・スタック内に配置された、上に電子部品を有する複数の熱放散電子チップと、
前記チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチと、
前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティに冷却流体を供給するように構成された入口マニホルドと、
前記シリコン・キャリア・サンドイッチの前記流体キャビティから前記冷却流体を受け取るように構成された出口マニホルドと、
前記シリコン・キャリア・サンドイッチの、前記チップ・スタックとは反対側の面の上の第１の一連の電気的相互接続と、
前記チップ・スタックの裏面の上の第２の一連の電気的相互接続と
を備え、
前記シリコン・キャリア・サンドイッチ、前記入口マニホルド、及び前記出口マニホルドは、前記冷却流体を前記電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる、
装置。
【請求項２５】
前記シリコン・キャリア・サンドイッチは、互いに接合された上半分及び下半分と、前記チップ・スタックからの熱を前記冷却流体内に伝導するように構成された、前記流体キャビティ内の複数のフィンとを含む、請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子技術及び熱技術の分野に関し、より具体的には電子機器の温度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直集積高性能チップ・スタック・パッケージの大きな課題は、それらの温度管理である。図１を参照すると、熱流束及び熱抵抗は、各々の追加の層又はチップ層１０２と共に蓄積する。従来の単一チップ・パッケージと同様の、装着された空冷ヒートシンク又は高性能マイクロチャネル冷却板１０４による裏面熱除去は、可能であるが非常に制限される。この理由は、それらの熱除去能力が積層ダイ１０２の数に対応しないので、スタック内の可能な熱流束及び層１０２の数が制限されるためである。ここで図２を参照すると、層間冷却は、もうひとつの冷却技術であり、これは層１０２の数には対応するが、実施は非常に難しい。さらに、層間冷却は、大きなチップについて、可能な相互接続密度を５０ミクロン・ピッチ又はそれ以上のピッチに制限する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２７４５８３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１２１７６８号明細書
【特許文献３】米国特許第７，４８８，６８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
垂直チップ・スタックの温度管理に関する従来技術の上記の問題を克服するための、熱除去の方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の原理は、対称型シリコン・キャリア流体キャビティ及びマイクロチャネル冷却板を組み合せて用いた垂直集積チップ・スタックの両面熱除去に関する技術を提供する。一態様において、例示的な装置は、垂直チップ・スタック内に配置された複数の熱放散電子チップを含む。電子チップは、その上に電子部品を有する。さらに、チップ・スタックの裏面に取り付けられた冷却板、チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチ、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティに冷却流体を供給するように構成された入口マニホルド、並びに、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティから冷却流体を受け取るように構成された出口マニホルドが含まれる。冷却板、シリコン・キャリア・サンドイッチ、入口マニホルド、及び出口マニホルドは、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる。
【０００６】
別の態様において、電子装置を操作する例示的な方法は、垂直チップ・スタック内に配置された複数の熱放散電子チップ（この電子チップはその上に電子部品を有する）、チップ・スタックの裏面に取り付けられた冷却板、チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチ、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティと流体連通する入口マニホルド、並びに、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティからの冷却流体と流体連通する出口マニホルドを含む装置を準備するステップを含む。冷却板、シリコン・キャリア・サンドイッチ、入口マニホルド、及び出口マニホルドは、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる。さらなるステップは、冷却した冷却流体を入口マニホルドに供給すること、及び温められた冷却流体を出口マニホルドから排出することを含む。
【０００７】
さらに別の態様において、電子装置を製造する例示的な方法は、垂直チップ・スタック内に配置された複数の熱放散電子チップ（この電子チップはその上に電子部品を有する）を準備するステップと、チップ・スタックの裏面に冷却板を取り付けるステップと、チップ・スタックの前面に、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチを取り付けるステップと、入口マニホルドを、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチに、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティと流体連通するように組み付けるステップと、出口マニホルドを、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチに、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティと流体連通するように組み付けるステップとを含む。
【０００８】
さらに別の態様において、例示的な装置は、垂直チップ・スタック内に配置された複数の熱放散電子チップを含む。電子チップはそのうえに電子部品を有する。さらに、チップ・スタックの前面に取り付けられた、流体キャビティを定めるシリコン・キャリア・サンドイッチが含まれる。入口マニホルドは、冷却流体をシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティに供給するように構成され、出口マニホルドは、シリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティから冷却流体を受け取るように構成される。第１の一連の電気的相互接続が、シリコン・キャリア・サンドイッチの、チップ・スタックとは反対側の面上に存在する。第２の一連の電気的相互接続が、チップ・スタックの裏面上に存在する。シリコン・キャリア・サンドイッチ、入口マニホルド、及び出口マニホルドは、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる。
【０００９】
本明細書で用いる場合、動作を「推進すること」は、動作を実行すること、動作を容易にすること、動作を実行する助けとなること、又は動作が実行されるようにすることを含む。
【００１０】
本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、添付の図面と関連して読まれるべき、以下の本発明の例証的な実施形態の詳しい説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術による、裏面冷却３Ｄパッケージを示す。
【図２】従来技術による、対流層間熱除去を示す。
【図３】本発明の一態様による、例示的な両面冷却パッケージの断面図を示す。
【図４】本発明の別の態様による、シリコン・キャリア・ボンディング技術の詳細を示す。
【図５】本発明のさらに別の態様による、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）と適合する可能な流体キャビティ構造を示す。
【図６】本発明のさらに別の態様による、図３に類似するが、埋め込まれた光通信部を有する別の例示的な両面冷却パッケージの断面図を示す。
【図７】片側入力／出力を伴う両面熱除去の代替的実施形態の断面図を示す。
【図８】両側入力／出力を伴う両面熱除去の代替的実施形態の断面図を示す。
【図９】両側入力／出力を伴う片面熱除去の代替的実施形態の断面図を示す。
【図１０】両側入力／出力を伴う両面熱除去の代替的実施形態の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の１つ又は複数の実施形態は、上記の技術の長所を、あまり複雑にせずに有利に組み合せて、吸熱体としてシリコン・キャリア及び裏面冷却板を用いた両面スタック冷却を提供する。Ｃ４（制御された崩壊によるチップ接続、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を通じて送り込まれる誘電体流体を用いた前面冷却が既に提案されている。しかし、これらの冷媒は熱物性が不十分なので、特に高さが低いキャビティ内においては、限られた熱除去能力しか得られず、その結果、もたらされる熱流束容量は低い。水の優れた熱特性を使用することは、電食及びはんだボール間の短絡のため不可能である。本発明の１つ又は複数の実施形態により、対称型シリコン・キャリア流体キャビティを用いると、電気的入力部及び出力部（Ｉ／Ｏ）が冷媒から絶縁されるので、水を用いることができる。業界では、これらの電気的相互接続は「シリコン貫通ビア」（ＴＳＶ）と呼ばれる。
【００１３】
１つ又は複数の実施形態において、熱的に限定されたチップ・スタックの熱除去容量を２倍にするために、スタックの両面を、裏面のみの冷却と対比して、熱移動のために考慮に入れる。裏面に、マイクロチャネル冷却板が適用される。これは、対称型シリコン・キャリア流体キャビティに接続される。層間冷却に比べて、高い相互接続密度を有する活性層を通して流体を送り込む必要がないので、複雑さは劇的に減少する。１００乃至２００ミクロンの中程度のピッチ、及び２つのシリコン・キャリアの対称的な組み合わせが、許容できる質量流量を伴う十分に大きな流体キャビティをもたらす。同時に、非対称的構成の場合にはマイクロ・バンプ・ボンディング中に問題を引き起こすシリコン・キャリアの歪みが、解消される。その結果、チップ・スタック設計において、特に層数及び熱流束のレベルにおいて、最少の複雑さで高い自由度がもたらされ、シリコン・キャリアの歪みが減少し、パッケージング歩留まりが向上する。さらに、シリコン・キャリアへの流体接続は、ＰＣＢからではなく裏面冷却器から設けることができる。
【００１４】
１つ又は複数の実施形態において、複数の熱放散電子チップが垂直チップ・スタック内に配置され、画定された流体キャビティ及び電気的に絶縁されたシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）を含むシリコン・キャリア・サンドイッチの上に装着される。両面チップ・スタック冷却は、チップ・スタックの裏面に取り付けられた冷却板の使用により、並びに、チップ・スタックの前（底部又はパッケージ）面に取り付けられたシリコン・キャリア・サンドイッチにより達成される。入口マニホルドは、冷却板、及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティの両方に冷却流体を供給するように構成され、他方、出口マニホルドは、冷却板、及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティの両方から冷却流体を受け取るように構成される。ＴＳＶは、電気信号、電源及び接地の接続が、下層の基板又はパッケージから上のチップ・スタックまで効果的に形成されるように、しかし、全ての接続がシリコン・キャリア・サンドイッチ内の冷却流体流から電気的に絶縁されるように、構築される。本発明の別の態様により、シリコン・キャリア・サンドイッチは、歪み又は反りが無視できる応力が均衡化された対称型サンドイッチを形成するように互いに接合される、上半分及び下半分を含む。本発明のさらに別の態様により、複数のＴＳＶは、流体キャビティ内でピン・フィンを形成し、これらはチップ・スタックからの熱を冷却流体に伝導するように構成される。
【００１５】
図３は、両面冷却パッケージの例示的な実施形態の断面図である。図４は、シリコン・キャリア・ボンディング技術の詳細を示す。同様の要素は同じ番号を有する。矢印３２０は冷媒の流れを示し、矢印３２２は熱流束を表す。エッチングされたチャネル又はピン・フィン構造体３２５を有する２つのシリコン・キャリア３２４を、薄膜はんだ３２７で背中合わせに接合して、流体キャビティ３１６を有する対称型シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４を形成する。図５から判るように、ピン・フィン３２５又はマイクロチャネル５９９９は、この図面の平面図で最もよく判るように、冷却流体の通過を可能にする。
【００１６】
図４で最も良く判るように、薄膜はんだパターンが絶縁リング４０１（即ち、ある意味で、電気的絶縁でなく流体保全性絶縁であるが、リングは流体がパッドに達するのを防ぎ、従って流体密封をもたらして電気的短絡を防ぐことに留意されたい）を形成して、電気的相互接続（電気ボンディング・パッド４０３）を冷媒に触れないように密封する。これにより、熱輸送流体としての水の使用が可能になる。シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）（これがピン・フィン３２５を形成する）のピッチ範囲は、例えば１００乃至２００ミクロンであり、ＴＳＶの高さは、例えば、側面毎に７５乃至１５０ミクロンである。キャビティ全体の高さは、例えば１００乃至２００ミクロンとすることができる。１つ又は複数の実施形態において、ＴＳＶの高さは、流体圧力を支えることができるキャビティを形成するのに十分な余剰シリコン厚を有するよう、キャビティの高さを超えなければならない。シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４の対称的配置は、歪みを最少にして、ボール・グリッド・アレイのボンディング中の歩留まりの向上をもたらす。
【００１７】
シリコン又は金属の裏面冷却板３０２が、熱界面材料（ＴＩＭ）３０６を用いてチップ・スタック３０８（説明のために４層スタックを示す）に装着される。一体型マニホルド３０４が、前面及び裏面の熱除去キャビティに流体を送る。金属冷却板の場合には熱的不適合による機械的応力を減らすために、弾性ポリマー・ガスケット３１０が用いられる。前面の流体入口及び出口は、はんだボールのマイクロＣ４アレイ３８７から空間的に隔てられておりて、電食を引き起こすアンダーフィル・エポキシ３１２を通しての水分拡散を防ぐ。この両面冷却板の発想は、垂直集積チップ・スタックからの熱除去をほぼ２倍にする。アレイ３８７は、例えば、３０乃至１００ミクロンのピッチを有することができることに留意されたい。
【００１８】
Ｃ４アレイ３８９は、上記の構造体をラミネート３９１、３９９９に装着するのに用いられることに留意されたい（アレイ３８９は、例えば、１５０乃至２００ミクロン・ピッチを有することができる）。ラミネート３９１、３９９９は、例えば、有機ビルドアップ基板、又はセラミックのシングル若しくはマルチ・チップ・モジュールとすることができる。部分３９１及び部分３９９９は両方ともラミネートを表し、部分３９１は配線層であり、部分３９９９は付加的な配線層である。１つ又は複数の実施形態において、ラミネートは、コアを有する又は有しない多層有機ビルドアップ基板である。付加的なアンダーフィル層３１２が、ラミネート３９１、３９９９と対称型シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４との間のＣ４を保護するために施される。これは、対称型シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４とチップ・スタック３０８との間で用いたのと同じアンダーフィル材料３１２であってもよく、同じでなくてもよい。シリコン・キャリア・サンドイッチの底部（ラミネート側）の大ピッチの電気的接続を、シリコン・キャリア・サンドイッチの上部（垂直チップ・スタックの側）の小ピッチの電気的接続に変換するために、１つ又は複数の再分配配線層３９７が、シリコン・キャリア・サンドイッチの、垂直チップ・スタック３０８に隣接する面上に設けられることに留意されたい。
【００１９】
図５は、ＴＳＶと適合する例示的な流体キャビティ構造を示す。これらは、５０６，５０８に示すような円形ピン・フィンの２つの異なる配置、並びに、５１０に示すような液滴型ピン・フィンを含む。他の型式の構造は、５０４におけるような、マイクロチャネル５９９９を形成する従来のプレート・フィン５９９７、及び、５１２におけるような、粗面マイクロチャネルを形成する「接続された」ピン・フィンを含む。５０２におけるように、フィンを有さない開放チャンバを（少なくとも部分的に）用いることもでき、これは、熱移動及びＩＯ数を犠牲にして冷却流体の圧力低下を小さくする。さらに、この場合には、機械的補強ピンの数が減るので、機械的完全性を慎重に考慮する必要がある。
【００２０】
図６は、図３に類似するが、埋め込まれた光通信部を有する、別の例示的な両面冷却パッケージの断面図を示す。図３及び図４の要素と類似の要素には同じ参照符号を付し、再び説明することはしない。パッケージ上（ｏｎ−ｐａｃｋａｇｅ）シリコン・フォトニクス及び埋込み光学的パッケージ外（ｏｆｆ−ｐａｃｋａｇｅ）通信部などの埋込み光学技術は、温度上昇及びその変動に敏感である。両面冷却は、チップ・スタック内の絶対温度並びに温度変動及び勾配を著しく減少させる。さらに、シリコン・キャリアは、埋込み導波管６９１を備えた垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）６９３のための熱接地面として機能することができる。
【００２１】
当業者であれば、ウェハ貫通ビアの形成に詳しく、本明細書の教示が与えられれば、ウェハ貫通ビア技術を用いて本発明の１つ又は複数の実施形態を作成することができるであろうことに留意されたい。しかし、慎重を期して、２００８年１１月６日に公開されたＡｎｄｒｙ他による「Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｗａｆｅｒ  Ｖｉａｓ」と題する、同一出願人に譲渡された特許文献１の完全な開示が、全ての目的のためにその全体が引用により本明細書に明示的に組み入れられ、２００５年６月９日に公開されたＥｄｅｌｓｔｅｉｎ他による「Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃｈｉｐ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｗｉｔｈ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ−ｖｉａｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  ｓａｍｅ」と題する、同一出願人に譲渡された特許文献２の完全な開示が、全ての目的のために引用によりその全体が本明細書に明示的に組み入れられ、２００９年２月１０日に発行されたＡｎｄｒｙ他による「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｖｉａ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｃａｒｒｉｅｒｓ」と題する、同一出願人に譲渡された特許文献３の完全な開示が、全ての目的のためにその全体が引用により本明細書に明示的に組み入れられる。
【００２２】
本発明の１つ又は複数の実施形態は、冷却流体と電気的入力及び出力との間に接触がないので、有利なことに冷却流体としての水の使用を可能にするので、実施形態は誘電体冷却に限定されない。水は、ポンプ３００３によって供給することができ、シリコン流体キャビティ及びマイクロチャネル冷却板を通過したときに得た熱を捨てるために外部熱交換器３００１を経て送ることができる。
【００２３】
本発明の１つ又は複数の実施形態は、有利なことにチップ・スタックからの熱を伝導する固体ＴＳＶの使用を可能にする。これらＴＳＶは、流体キャビティ３１６内でピン・フィンとして機能し、それら自体は冷却流体の導管として機能する必要はない。
【００２４】
チップ・スタックは様々な既知の技術を用いて作成することができる。少なくとも幾つかの場合には、隣り合うチップの間に流体搬送構造体を挿入する必要はない。さらに、１つ又は複数の実施形態の別の利点は、シリコン・キャリア・サンドイッチによる、反りの低減である。
【００２５】
多様な代替案が可能である。図７−図１０は、種々の代替的実施形態の断面図を示す。同様の要素には同じ参照符号を付した。図７は、図３及び図６に類似の、片側入力／出力を伴う両面熱除去を示す。図８は、両側入力／出力を伴う両面熱除去を示す。ここでは、裏面冷却板自体が（例えば、シリコン）キャリア・サンドイッチである。
【００２６】
図９は、両側入力／出力を伴う片面熱除去を示す。これには、裏面冷却板がなく、例えば、別々の入口及び出口マニホルドを用いることができる。裏面には、要素３８９に類似の要素９８９、ビア９８８８、及び、例えば前述のラミネート３９１、３９９９に類似のものとすることができるラミネート９９１、９９９９があることに留意されたい。他の図面について説明したのと類似の方式で、他の要素を構築して配置することができる。
【００２７】
図１０は、両側入力／出力を伴う両面熱除去を示す。ここでもまた、裏面冷却板自体が（例えば、シリコン）キャリア・サンドイッチである。
【００２８】
これまでの考察を前提として、一般的に言えば、本発明の態様による例示的な装置は、垂直チップ・スタック３０８内に配置された複数の熱放散電子チップを含むことが理解されるであろう。電子チップは、その上に電子部品を有する。冷却板３０２が、チップ・スタック３０８の裏面に取り付けられる。冷却板３０２は、例えば、金属又はシリコン冷却板とすることができ、幾つかの場合には、それ自体を（シリコン）キャリア・サンドイッチとして実現することができる。シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４は、流体キャビティ３１６を定め、チップ・スタック３０８の前面に取り付けられる。入口マニホルド（例えば、マニホルド３０４の左側）は、冷却板３０２、及びシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４の流体キャビティ３１６に冷却流体を供給するように構成される。出口マニホルド（例えば、マニホルド３０４の右側）は、冷却板３０２、及びシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４の流体キャビティ３１６から冷却流体を受け取るように構成される。冷却板３０２、シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４、入口マニホルド、及び出口マニホルド（例えば、一体型マニホルド３０４）は、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる（例えば、図４に示すように）。
【００２９】
好ましくは、シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４は、互いに接合された（例えば、はんだ３２７で）上半分及び下半分３２４を有し、幾つかの場合には、シリコン・キャリア・サンドイッチは、流体キャビティ３１６内に複数のピン・フィンをさらに含み、これらのピン・フィン３２５は、随意にシリコン貫通ビアを含むことができる。ピン・フィンは、チップ・スタック３０８からの熱を冷却流体内に伝導する（矢印３２２参照）ように構成される。図５から判るように、ピン・フィンは、５０６、５０８におけるように円形断面を有することができ、又は、ピン・フィンは、５１０におけるように液滴形断面を有することができる。５０８から判るように、ピン・フィンは均一な列状に配置することができ、他の場合には、５０６から判るように、ピン・フィンは互い違いの列状に配置することができる。一例として、非限定的に、ピン・フィンは約１００乃至２００ミクロンのピッチ、及び約１００乃至２００ミクロンの高さを有することができる。
【００３０】
他の場合において、シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４は、５０４及び５１２から判るように、チップ・スタックからの熱を冷却流体内に伝導するように構成された、複数のプレート・フィンを流体キャビティ内にさらに含む。
【００３１】
上述のように、ポンプ３００３を設けて冷却流体を送り込むことができ、外部熱交換器３００１をポンプ、入口マニホルド、及び出口マニホルドに連結して、外部シンク（例えば、周囲空気、別の液体など）への熱移動によって冷却流体を冷却することができる。
【００３２】
幾つかの場合において、少なくとも１つのラミネート構造体３９１、３９９９がシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４に取り付けられる。ラミネート構造体３９１はさらに、その後でＢＧＡ又はＬＧＡアレイを用いてより大きな回路基板に取り付けられる、第１レベルのパッケージ基板とすることができる。これは、以下で論じるように、要素３９１をＣ４アレイ３８９でサンドイッチ３１４に取り付け、次にこのサンドイッチ３１４をマイクロＣ４はんだボール３８７でスタック３０８の前面に取り付けることによって行うことができる。幾つかの場合には、少なくとも１つの光学部品がラミネート構造体内に埋め込まれる（例えば、埋込み導波管６９１を備えた垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）６９３の考察を参照されたい）。
【００３３】
さらに、これまでの考察を前提として、一般的に言えば、本発明の別の態様による、電子装置を製造する例示的な方法は、垂直チップ・スタック３０８内に配置される複数の熱放散電子チップを準備することを含むことが理解されるであろう。電子チップは、その上に電子部品を有する。付加的なステップは、冷却板３０２をチップ・スタック３０８の裏面に取り付けることを含む。さらなるステップは、流体キャビティ３１６を定めるシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４をチップ・スタック３０８の前面に取り付けることを含む。
【００３４】
付加的なステップは、入口マニホルド（例えば、３０４の左側）を、冷却板３０２及びシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４に、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティ３１６と流体連通するように組み付けること、並びに、出口マニホルド（例えば、３０４の右側）を、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチに、冷却板及びシリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティと流体連通するように組み付けることを含む。単一のマニホルド３０４を用いる場合、これら２つの組み付けステップは通常同時に行われる。
【００３５】
さらなるステップは、シリコン・キャリア・サンドイッチの上半分と下半分３２４とを互いに接合してシリコン・キャリア・サンドイッチを形成する（例えば、はんだ又は他の導電性接着材料３２７を用いて）ことを含むことができる。さらなるステップは、複数のシリコン貫通ビアを、チップ・スタック３０８からの熱を矢印３２２のように冷却流体内に伝導するように構成されたピン・フィン３２５として、流体キャビティ３１６内に形成することを含むことができる。例えば、説明したピン・フィンの構成及び寸法のいずれをも用いることができる。他の場合には、付加的なステップは、チップ・スタックからの熱を冷却流体内に伝導するように構成された複数のプレート・フィン（例えば、５０４、５１２参照）を流体キャビティ３１６内に形成することを含む。
【００３６】
幾つかの場合において、付加的なステップは、少なくとも１つのラミネート構造体３９１、３９９９をシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４に取り付けることを含む。図面における非限定的な例に示すように、これは、要素３９１を、Ｃ４アレイ３８９でサンドイッチ３１４に取り付け、次にこのサンドイッチ３１４をマイクロＣ４はんだボール３８７でスタック３０８の前面に取り付けることによって行うことができる。図６で最も良く判るように、付加的なステップは、少なくとも１つの光学部品をシリコン・キャリア・サンドイッチ内に埋め込むことを含むことができる。
【００３７】
さらにまた、これまでの考察を前提として、一般的に言えば、本発明の別の態様による、電子装置を操作する例示的な方法は、説明した種類の装置を準備すること、冷却された冷却流体を入口マニホルドに供給すること、及び、温められた冷却流体を出口マニホルドから排出することを含むことが理解されるであろう。
【００３８】
さらに別の態様において、図９を再び参照すると、例示的な装置は、垂直チップ・スタック３０８内に配置された複数の熱放散電子チップを含む。電子チップは、その上に電子部品を有する。さらに、チップ・スタック３０８の前面に取り付けられた、流体キャビティ３１６を定めるシリコン・キャリア・サンドイッチ３１４が含まれる。入口マニホルド（３０４の左側）は、シリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティに冷却流体を供給するように構成され、出口マニホルド（３０４の右側）は、シリコン・キャリア・サンドイッチの流体キャビティから冷却流体を受け取るように構成される。第１の一連の電気的相互接続３８９が、シリコン・キャリア・サンドイッチの、チップ・スタック３０８とは反対側の面上に存在する。第２の一連の電気的接続９８９が、チップ・スタック３０８の裏面上に存在する。シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４、入口マニホルド（３０４の左側）、及び出口マニホルド（３０４の右側）は、冷却流体を電子部品から電気的に絶縁するような構成及び寸法にされる。幾つかの実施形態において、シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４は、図４におけるように、互いに接合された上半分及び下半分、並びに、チップ・スタックからの熱を冷却流体内に伝導するように構成された、流体キャビティ内の複数のフィンを含む。本明細書で説明した異なる種類のフィンのいずれをも用いることができる。
【００３９】
さらに別の態様において、図１０を再び参照すると、両側電気入力−出力を伴う両面熱除去もまた可能である。ここでは、シリコン・キャリア・サンドイッチ３１４が第１のシリコン・キャリア・サンドイッチであり、冷却板３０２が第２のシリコン・キャリア・サンドイッチである。第１の一連の電気的相互接続３８９が、第１のシリコン・キャリア・サンドイッチの、チップ・スタックとは反対側の面上に存在する。第２の一連の電気的相互接続１０８９が、第２のシリコン・キャリア・サンドイッチの、チップ・スタックとは反対側の面上に存在する。
【００４０】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本発明の限定を意図したものではない。本明細書で用いる場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明白にそうでないことを示さないかぎり、複数形を同様に含むことを意図したものである。さらに、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で用いる場合、記述された特徴、整数、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことが理解されよう。
【００４１】
添付の特許請求の範囲における全ての「手段又はステップと機能との組合せ（ミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション）」要素の対応する構造、材料、動作、及び等価物は、その機能を、明確に特許請求される他の特許請求された要素との組合せで実行するためのあらゆる構造、材料、又は動作を含むことが意図されている。本発明の説明は、例証及び説明を目的として提示したものであり、網羅的であること、又は本発明を開示した形態に限定することを意図したものではない。本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない多くの修正及び改変が当業者には明らかとなるであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際的用途を最も良く説明するために、そして、当業者が、企図した特定の用途に適した種々の修正を伴う種々の実施形態に関して本発明を理解できるように選択され、説明された。
【符号の説明】
【００４２】
１０２：チップ層
１０４、３０２：冷却板
３００１：外部熱交換器
３００３：ポンプ
３０４：マニホルド
３０６：熱界面材料（ＴＩＭ）
３０８：チップ・スタック
３１０：弾性ポリマー・ガスケット
３１２：アンダーフィル層
３１４：シリコン・キャリア・サンドイッチ
３１６：流体キャビティ
３２０：冷媒の流れ
３２２：熱流束
３２４：シリコン・キャリア（上半分及び下半分）
３２５：ピン・フィン
３２７：薄膜はんだ又は導電性接着剤
３８７、３８９、９８９、１０８９：電気的相互接続（はんだボールのＣ４アレイ）
３９１、９９１、３９９９、９９９９：ラミネート
３９７：再分配配線層
４０１：絶縁リング
４０３：電気的相互接続（電気的ボンディング・パッド）
５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２：流体キャビティ構造
５９９７：プレート・フィン
５９９９：マイクロチャネル
６９１：導波管
６９３：垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
９８８８：ビア
【図１】
2013520835.tif 000003
【図２】
2013520835.tif 000004
【図３】
2013520835.tif 000005
【図４】
2013520835.tif 000006
【図５】
2013520835.tif 000007
【図６】
2013520835.tif 000008
【図７】
2013520835.tif 000009
【図８】
2013520835.tif 000010
【図９】
2013520835.tif 000011
【図１０】
2013520835.tif 000012
【国際調査報告】
2013520835.tif 000013