JP2013534053A - 電子冷却用のｃｍｏｓ互換性マイクロチャネルヒートシンク及びその製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子冷却用のＣＭＯＳ互換性ポリマーマイクロチャネルヒートシンクである。ヒートシンクは、標準的なポリマー表面微細加工技術を用いて、絶縁層を有するチップ表面上に直接製造可能である。ヒートシンクデバイスは、チップ表面上にある絶縁薄層と、底部表面としての薄膜の金属層と、金属製の側壁と、マイクロチャネル及び流出入容器を覆うポリマー上壁とを備える。

Description

本発明は、電子冷却用のマイクロチャネルヒートシンクである。ヒートシンクは、ＣＭＯＳ互換性材料（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）及び表面微細加工技術を利用して製造される。

マイクロエレクトロニクス技術の発達により、現在では、種々の目的の高性能で高速のアナログ及びデジタル回路を、非常に小容量に適合することが可能である。近年の集積回路（ＩＣ）では、何百万ものトランジスタを１ｍｍ^２のエリア内に組み込むことができるので、より高速かつより機能的なチップが製造され得る。一方で、高密度の集積回路はより大きな電力が必要である。したがって、小さい容量（ｃｏｍｐａｃｔ ｖｏｌｕｍｅｓ）内においてかなりの熱量が発生し、システムからのそれの除去が設計上の大きな問題となっている。局所的な温度の上昇は、発生した熱を適時取り除かなければ、性能低下や回路の重大な損傷を引き起こす場合がある。

電子回路用途の現行の工業用冷却方法は、基本的な自然及び強制空気冷却や、液体冷却システム、及びその他の冷却に基づくシステムである。最も広く用いられている方法は強制対流空気冷却であるが、空気冷却の熱伝導能は約６０Ｗ／ｃｍ^２の熱流束値に限られ、近年のＣＰＵはすぐにこの限界に到達する［１］。さらに、チップ表面上の局所的な箇所において、ＣＰＵダイ上のホットスポットは、ダイの平均熱流束の約３〜８倍もの高い熱流束を引き起こす［２］。液体冷却システム及び冷却溶液は１００Ｗ／ｃｍ^２までの熱流束に対処することができるが、これらのシステムは空気冷却システムと比較すると、よりかさばり、より複雑であるため、総合的なコストが高くなり、信頼性の問題も生じる［３］。基流体（ｂａｓｅ ｆｌｕｉｄ）にナノ粒子を懸濁したナノ流体の、作動流体としての使用は、基流体のみの使用と比較して、５０％以上［４］の熱伝導増大を生じさせる。

電子チップ表面から、より高い熱流束を除去するために、様々な新しい技術が導入されてきている。それらの中でも、マイクロチャネルヒートシンクがここ３０年間で大きな注目を浴びてきている［５］。マイクロチャネルヒートシンクは基本的に非常に小型の熱交換器であり、面積体積比が非常に大きい。この比率により、チップ表面上に非常に大きな熱交換領域が提供されるので、これらの熱交換器の熱除去率は、これらの大型版のものよりも非常に高い。さらに、マイクロチャネルの小さな水力直径はより高い熱伝導率を提供するので、熱除去率はいっそうさらに高くなる。マイクロチャネルヒートシンクの製造に関して、マイクロフライス加工（ｍｉｃｒｏｍｉｌｌｉｎｇ）［６］、シリコンエッチング法［７］、又は電気めっき法［８］のような、様々な製造方法がある。

マイクロフライス加工法は厚い金属基板が必要であり、ヒートシンクはマイクロチップとは別に製造される。いずれの要因も、冷却システムの全般的な熱抵抗を増大させる。モノリシックデザインにおいては、シリコンエッチング法や電気めっき法のような微細加工技術を用いることにより、ヒートシンクは回路とともに製造される。これにより、より低い熱抵抗が提供される。なぜならば、接合部から流体までの距離（ｊｕｎｃｔｉｏｎ−ｔｏ ｆｌｕｉｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ）が、分離したヒートシンクにおけるそれと比較して、遥かに近いからである。しかしながら、シリコンエッチング法は、完成品のＣＭＯＳウエハーの裏側をエッチングすることの困難性が製造量の低下を引き起こす可能性があり［９］、または、冷却液の流出入用領域（ａｒｅａ ｆｏｒ ｃｏｏｌａｎｔ ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔｓ）を作るために回路の設計変更が必要となったりする［７］などのいくつかの欠点を有する。一方で、電気めっきされたチャネルは、電気回路の下部の設計変更を必要とすることなく、回路上に直接製造することができる。

Ｊｏｏらは、電子冷却用の電気めっきされた金属マイクロチャネルを研究した［８］。それらの、電気めっきされて放射状に分岐したマイクロチャネルヒートシンクは、空気を冷却剤として３５Ｗ／ｃｍ^２を引き出すことが可能であった。このヒートシンクでは、チャネルの上部は側壁から伸びている電気めっきされた突出部で覆われていたため、最大のチャネル幅は５０ミクロン未満に限られていた。一方、チャネル高さは犠牲層の厚さで定義され、最大で７０ミクロンであった。このような小さい寸法と水力直径のマイクロチャネルは、液体の冷却剤とともに使用すると大きな圧力損失を生じるため、作動流体は空気のような気体でなければならない。空気冷却における熱伝導率は、液体冷却と比較してかなり低いため、これらのマイクロチャネルヒートシンクの熱除去能の最大値は、５０Ｗ／ｃｍ^２未満に制限されると予想された。

ＣＭＯＳ互換性表面微細加工マイクロチャネルヒートシンクを製造するために、本発明は、電気めっきされた突出部の代わりにポリマー上壁を用いてマイクロチャネルを覆う。この設計は、数百ミクロン幅のマイクロチャネルの製造を可能にする。したがって、より大きな水力直径のマイクロチャネルを、小さいものと同じように製造することができる。さらに、ポリマーによる被覆は、簡単で、ＣＭＯＳ互換性の低温加工である。市販されているポンプ電源と電子チップの冷却必需品に基づいて、提案された金属−ポリマーマイクロチャネルヒートシンクは、空気のようなガス性の流体や冷媒、水やエチレングリコールのような液体冷却剤、又はナノ流体のような液体−固体懸濁液を含む、様々な冷却剤とともに利用することができる。

［本発明の目的］
本発明に係るＣＭＯＳ互換性表面微細加工金属−ポリマーマイクロチャネルヒートシンクを用いて、高い熱伝導能で、軽量で、標準的なＣＭＯＳ互換性表面微細加工技術で簡単に製造することができるモノリシックなヒートシンク構造であり、ガス性若しくは液体の冷却剤又はナノ流体とともに運転することができるものを得ることを目的とする。

現行の工業用冷却技術と比較して、本デバイスの利点は以下のように要約される：
・マイクロチャネルの、高い、面積体積比により、ヒートシンクの全体的な熱伝導能が増大する。
・マイクロチャネルを、チップ自体として、同一ウエハー上に製造することができる。
・同一ウエハー上における製造は、加熱されたチップ表面と冷却媒体との間の距離を短縮させるので、冷却システム内の熱抵抗が大いに低下する。
・ヒートシンク内で高性能マイクロチャネルを使用することにより、携帯端末機システムにも利用できる、非常に少量の冷却溶液とすることが可能である。
このような長所は、これまでの文献で研究されたマイクロチャネルヒートシンクデバイスの多くと共通している。これらに加えて、本発明は、同様のマイクロチャネルヒートシンクの設計に、さらに以下のような利点を加える；
・シリコンエッチング法の代わりにＣＭＯＳ互換性表面微細加工技術を利用することにより、加熱されたチップ表面上に直接マイクロチャネルを製造することができる。
・ヒートシンクをチップ表面上に直接製造することができるので、モノリシックな冷却システムが得られる。
・ＣＭＯＳ表面微細加工技術の後に（ｗｉｔｈ ｐｏｓｔ−ＣＭＯＳ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、マイクロチャネルがチップ表面上に製造されるので、チップの設計変更が不要である。
・異なる断面及び水力直径のマイクロチャネルを製造することができるので、気体同様に、液体やナノ流体も冷却剤として、容認可能なポンプ電源必需品とともに利用することができる。

簡単な理解を提供するために、ポリマーマイクロチャネルヒートシンク組立部品の種々の部品の複数の図面を別に添付する。図面の簡単な説明は以下のとおりである：

マイクロチャネルの壁を露出させた、電子チップ上のマイクロチャネルの斜視図である。 ポリマー上壁を取り除いた、マイクロチャネルヒートシンクの上面図である。 流れ方向に沿った、マイクロチャネルの横断面図である。 マイクロチャネルヒートシンクの製造フローである。

本発明は、主に４つの構成要素からなる。すなわち、
・電気絶縁層（２）を有する超小型電子回路上の金属シード層（８）
・金属製の側壁（３）を有する平行なマイクロチャネル
・ポリマー上壁（６）
・流入（４）−流出（７）容器（Ｉｎｌｅｔ（４）−ｏｕｔｌｅｔ（７）ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）

電気絶縁層は、電子チップと冷却剤との間の任意の電気的相互作用を防止するために、電気絶縁層（２）を有する超小型電子回路上に、標準的な蒸着技術により蒸着される。絶縁層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、又はポリマーフィルムのいずれかにより製造することができる。マイクロチャネルは、絶縁層上に蒸着された金属シード層（８）の上に設けられる。マイクロチャネルは、底壁での金属シード層（８）と、マイクロチャネルの側壁（３）上の電気めっきされた金属（例えば、銅、ニッケル又は金）と、ポリマー上壁（６）とによって形成される。冷却剤と金属の接触による腐食を防止するために、製造工程における最終段階として、マイクロチャネルの側壁（３）の金属製表面と金属シード層（８）とポリマー上壁（６）とを含む、マイクロチャネルの内表面を、ポリマー薄層でコーティングすることができる。

マイクロチャネルヒートシンクの製造方法を図４に概略的に示す。製造は２つのマスク工程（ｔｗｏ‐ｍａｓｋ ｐｒｏｃｅｓｓ）である。マイクロチャネルヒートシンクは、電気絶縁層（２）を有する超小型電子回路上に直接製造される。まず、電気めっき工程のために、絶縁層の上に薄い金属シード層を被覆する（図４ａ）。シード層は、電気回路の下部の導体パッドの上が電気めっきされるのを防ぐために、ＵＶリソグラフィーを伴うマスク−１及び湿式金属エッチングを用いてパターン形成される。マスク−２を用いて、厚い犠牲フォトレジスト層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｔｈｉｃｋ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｌａｙｅｒ）をパターン形成し、マイクロチャネルと流出入容器（ｉｎｌｅｔ−ｏｕｔｌｅｔ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）を形成する（図４ｂ）。マイクロチャネルの寸法は、マスク−２の配置及びフォトレジストの厚さにより定義される。次に、犠牲フォトレジスト線（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｌｉｎｅｓ）間に金属を電気めっきする（図４ｃ）。それから厚いポリマー層を覆い、ポリマー上壁（６）を形成する（図４ｄ）。この層は視認性と簡単な密封の両方を提供する。次に、流出入接続ポート（ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ）と導体パッドを、マイクロチャネル上のポリマー上壁を保護しながら再度マスク−１によりパターン形成させた厚いフォトレジスト層とともに、Ｏ_２プラズマ中に開放する。最後に、犠牲フォトレジストをアセトン‐イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）‐メタノール除去（ｒｅｌｅａｓｅ）により取り除く（図４ｅ）。

異なるフォトレジストを用いることにより、様々なマイクロチャネルの厚さを得ることができる。さらに、ポリマー上壁（６）を採用することにより、狭いマイクロチャネルだけでなく、数百ミリオンもの幅の、より大きなチャネルも製造することができる。寸法の適応性の結果として、異なる作動流体（気体、液体、ナノ流体）を冷却剤として、容認可能な圧力損失で使用することができる。

電子冷却システムは、概して、金属−ポリマーマイクロチャネルヒートシンク（図１）と、流出入マイクロ流体相互接続ポート（ｉｎｌｅｔ ａｎｄ ｏｕｔｌｅｔ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ）（不図示）と、配管（不図示）と、ポンプ／圧縮機（不図示）と、外部熱交換器（不図示）とから成る。マイクロチャネルヒートシンク以外の部品は、既に市販されている標準的な冷却システムの部品である。

［システムの操作］
金属−ポリマーマイクロチャネルヒートシンクは、マイクロチャネル内の作動流体の定常流動により冷却を提供する。作動流体は、操作状況及びチップの冷却必需品に基づいて、水、又はその他の冷却剤のいずれかであってよい。作動流体はポンプにより閉ループの冷却システム内に送り込まれる。そして、流体は配管の中を流れてポリマーマイクロチャネルヒートシンクの流入容器（ｉｎｌｅｔ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）（４）に到達する。作動流体は流入容器内でマイクロチャネルへ分配され、マイクロチャネル内を流れる。流れている間に、作動流体は、金属シード層（８）の下の電気絶縁層（２）を有する超小型電子回路から発せられる熱流束により加熱される。作動流体の温度は、マイクロチャネルを流れる間に上昇する。熱い作動流体はヒートシンクの流出容器（ｏｕｔｌｅｔ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）（７）内に集められ、マイクロ流体相互接続ポートを通ってマイクロチャネルヒートシンクから離れる。

熱い作動流体はその後、配管とラジエーター（不図示）の中を流れ、そこで、自然又は強制対流による外気により冷却される。冷却された作動流体は配管の中を流れ、ポンプ（不図示）に到達し、１つの冷却サイクルが終わる。

ポリマーマイクロチャネルヒートシンクの構成部品は番号で図面中に示されており、各名称が以下に提供される。

１ 超小型電子回路の下のシリコンウエハー
２ 電気絶縁層を有する超小型電子回路
３ マイクロチャネルの側壁
４ 流入容器
５ マイクロチャネルヒートシンクの外壁
６ ポリマー上壁
７ 流出容器
８ 金属シード層
９ フォトレジスト層
１０ ポリマー薄層
［参考文献］

Claims (5)

1. 液体、ナノ流体又は気体を用いた電子冷却に利用するためのマイクロチャネルヒートシンクの製造方法であって、
   薄膜の金属シード層（８）上の犠牲フォトレジスト層（９）の間にマイクロチャネルの側壁（３）を電気めっきする工程と、
   犠牲フォトレジスト層（９）をアセトン‐イソプロピルアルコール‐メタノール除去により取り除く工程とを含み、
   犠牲フォトレジスト層（９）をアセトン‐イソプロピルアルコール‐メタノール除去により取り除く前に、犠牲フォトレジスト層（９）及びマイクロチャネルの側壁（３）を、ポリマー上壁（６）により覆うことを特徴とする、マイクロチャネルヒートシンクの製造方法。
2. 請求項１に記載の液体、ナノ流体又は気体を用いた電子冷却に利用するためのマイクロチャネルヒートシンクの製造方法であって、
   犠牲フォトレジスト層（９）をアセトン‐イソプロピルアルコール‐メタノール除去により取り除いた後に、マイクロチャネルの側壁（３）の金属製表面と金属シード層（８）とポリマー上壁（６）とを含む、マイクロチャネルの内表面を、ポリマー薄層（１０）によりコーティングすることを特徴とする、マイクロチャネルヒートシンクの製造方法。
3. 液体、ナノ流体又は気体を用いた電子冷却に利用するためのマイクロチャネルヒートシンクであって、
   薄膜の金属シード層（８）上の犠牲フォトレジスト層（９）の間に金属製の側壁（３）が電気めっきされており、
   犠牲フォトレジスト層（９）と金属製の側壁（３）とが、ポリマー上壁（６）により覆われていることを特徴とする、マイクロチャネルヒートシンク。
4. 請求項３に記載の液体、ナノ流体又は気体を用いた電子冷却に利用するためのマイクロチャネルヒートシンクであって、
   マイクロチャネルの側壁（３）の金属製表面と金属シード層（８）とポリマー上壁（６）とを含む、マイクロチャネルの内表面が、ポリマー薄層（１０）によりコーティングされていることを特徴とする、マイクロチャネルヒートシンク。
5. 請求項３に記載の液体、ナノ流体又は気体を用いた電子冷却に利用するためのマイクロチャネルヒートシンクであって、
   流体がマイクロチャネル内を循環することにより冷却が提供されることを特徴とする、マイクロチャネルヒートシンク。

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