JP2014179599A - 微細バネを使用するマイクロプラズマ生成 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体回路組立品内の回路構造体を冷却することができる低コストのイオン風エンジンを実現する。
【解決手段】電極１４０は、平面１１１上に配置された導電（例えば、金、または他の金属）構造であり、支持構造によって面１１１の上方に維持され、先端部分１３３が、電極１４０から固定ギャップ距離Ｇ１で維持される。動作中、システム電圧源１５０は、正（または、負）電圧電位を微細バネ１３０のアンカー部分１３１に印加し、負（または、正）電圧電位を電極１４０に印加する。十分大きいプラズマ生成電圧ＶＰＬＡＳＭＡを生成することによって、微細バネ１３０の先端部分１３３での電流密集は、先端部分１３３を取り囲む空気を満たした領域１０５の一部において中性分子を十分イオン化して、マイクロプラズマ現象Ｐを生成する電界Ｅを作り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロプラズマを生成するための構造体に関し、特に、集積回路ダイ／基板組立品（例えば、半導体パッケージ）のためのイオン風ベースの冷却システムに適用可能である。

半導体パッケージは、典型的には集積回路（ＩＣ）ダイと称される１つ以上の半導体電子部品を備える、金属、プラスチック、ガラス、またはセラミックのケーシングである。個々のディスクリートＩＣ部品は、シリコンウェハ上に既知の半導体製造技術（例えば、ＣＭＯＳ）を使用して形成され、次いで、ウェハは、切断（ダイシング）されて個々のＩＣダイを形成し、さらに、ＩＣダイは、パッケージ内に組み立てられる（例えば、パッケージのベース基板上に実装される）。パッケージは、衝撃および腐食に対する保護をもたらし、外部回路からデバイスへの接続に使用される接続ピンまたはリード線を保持し、ＩＣダイ内で発生する熱を拡散する。

フリップチップパッケージは、２つの構造体（例えば、ＩＣダイ、およびパッケージベース基板）が、介在ギャップ内に配置された相互接続構造（例えば、ハンダバンプまたはピン）と向かい合わせに積層されて、２つの構造体上にそれぞれ形成された接触パッドの間に電気接続をもたらす、半導体パッケージの一種である。２つの構造体の間のギャップは、数ミクロン〜数ミリメートルの範囲である。

微細バネパッケージは、特定の型のフリップチップ半導体パッケージであり、ＩＣダイとパッケージベース基板との間の電気接続が、「微細バネ」として知られる微小湾曲バネ金属指によってもたらされる。微細バネは、例えば、残留内部応力勾配でスパッタ蒸着された応力処理された薄膜を使用して、ホスト基板（すなわち、ＩＣダイまたはパッケージベース基板のいずれか）上にバッチ製造され、次いで、関連するベース（アンカー）部分から伸びる狭い指状部分を有する個々の平らな微細バネ構造を形成するようパターン形成される。次いで、狭い指状部分は、ホスト基板から剥離され（アンカー部分は基板に取り付けられたままである）、それにより、残留内部応力により、指状部分は、設計された曲率半径で基板面が外向きに曲がり（湾曲し）、それにより、結果として湾曲した微細バネの先端部は、ホスト基板から離れて保持される。微細バネパッケージはこの構造を使用して、ＩＣダイを実装することによって、ホスト基板（例えば、ＩＣダイ）と対応するパッケージ構造（例えば、パッケージベース基板）との間の接触をもたらし、微細バネの先端部は、対応するパッケージ基板上に実装された対応する導体パッドと接触する。

マイクロプロセッサなどの高性能およびハイパワーＩＣのために、大型ファンと組み合わせた金属ブロックを、冷却目的で、フリップチップ構成内に配置されたチップの裏側（すなわち、非能動面）に直接取り付ける。熱の大部分（約８０〜９０％）は、チップの大部分に、次いで、金属ブロック全体に伝わり、最終的に、ファンによる強制対流で放散される。チップの裏側に大型ファンを取り付けない場合、熱放散経路を設計する必要がある。

携帯電話およびテレビなどの電子機器製品では、より薄く、より軽く、さらに、ますます多くの機能を求める動きにより、半導体パッケージデバイスにおける電力密度をより高めることは、避けられない流れとなっている。したがって、より効果的で制御可能な方法で、パッケージ内に生じた熱を処理することが必要である。大型ファンは、もはや熱を処理するための効果的な方法ではなく、特に、チップは、水平および垂直に積み重ねられる傾向がある（３Ｄ積層）。熱拡散、アンダーフィル、および熱伝導材料などの受動的方法は、それらすべて、チップ積層用途に適用することは難しい。マイクロ流体チャネルなどの能動冷却は、３Ｄ積層で使用することができるが、流体は、民生用電子機器では一般的でない。

イオン風は、ＩＣ冷却のために使用することができる乾燥処理である。イオン風は、高曲率（放射）および低曲率（集電）電極間に高電力を印加することによって作用する。放射電極の周りの高電界により、空気分子はイオン化される。イオンは電界によって加速され、次いで、運動量を、衝突を通じて中性空気分子に転移する。結果としてのマイクロスケールイオン風は、潜在的に、より有用で効果的に冷却するために、ホットスポットの位置で、強制対流による大部分の冷却を強化することができる。例えば、ワイヤベースのコロナ放電を使用してイオン風を生成することを示した、さまざまな手法が開発されてきた。しかしながら、これらの手法は、既存の大量ＩＣ製造および生産方法を使用して実現することは困難である。

半導体回路組立品（例えば、フリップチップパッケージ）内の回路構造体（例えば、ベース基板およびＩＣダイ）の間に実装されて、回路構造体を冷却することができる、実用的で低コストのイオン風エンジンが必要である。

本発明は、既存の方法で製造され、半導体回路組立品内の回路構造体（例えば、ベース基板およびＩＣダイ）の間に実装されて、回路構造体を冷却することができる、湾曲微細バネと関連電極とによって形成されるイオン風エンジンユニットを備えるイオン風生成システムに関する。システム電圧源は、正（または、負）電圧を各微細バネに、負（または、正）電圧をその関連電極に印加する。関連電極は、バネの先端位置から固定ギャップ距離を維持する。十分に大きい電圧電位（すなわち、ピークの法則によって決定されるような、少なくとも１００Ｖ、典型的には２５０Ｖ超）を生成することによって、微細バネの先端での電流密集により、先端部分を取り囲む空気を満たした領域の一部において中性分子を十分イオン化して、マイクロプラズマ現象を生成する電界が作り出される。 所定のパターンで複数の相隔たるイオン風エンジンユニットを設けることによって、およびユニットを個別に制御して相隔たるマイクロプラズマ現象を生成させることによって、気流が生成され、イオン風エンジンユニットが取り付けられた回路構造体を冷却するために使用することができる。

本発明の一態様によれば、各微細バネは、ベース基板の平面に取り付けられた、ならびにベース基板の平面に平行に配置されたアンカー部分と、アンカー部分に一体式に接続され、ベース面から離れて湾曲した第１の端を有する湾曲本体部分と、湾曲本体部分の第２の端に一体式に接続された先端部分とを備え、アンカー部分、本体部分、および先端部分は、高導電性材料（例えば、ベースバネ金属を覆う金）を備え、先端部分は、電極に隣接する平面の上方に位置づけられた空気を満たした領域内に固定配置され、先端部分は、電極からの固定ギャップ距離を維持する。例示的な実施形態において、各微細バネは、ベース基板の製造中に（例えば、パッケージベース基板、またはＩＣダイ製造の最終段階で）いくつかの既知の技術のいずれかを使用して形成される、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン−クロム（ＭｏＣｒ）合金、タングステン（Ｗ）、チタン−タングステン合金（Ｔｉ：Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびニッケル−ジルコニウム合金（ＮｉＺｒ）のうち１つを含むベースバネ金属と、外側メッキ層（例えば、金（Ａｕ））とを備える。そのような微細バネは、既存の大量ＩＣ製造方法および生産方法によって製造されるため、およびそのような微細バネは、フリップチップパッケージ内の隣接する基板の間の狭いギャップ内に実装することができるため、本発明は、非常に低コストの手法を提供し、多種多様な半導体パッケージ組立品およびシステムレベル半導体回路組立品においてイオン風ベースの空冷をもたらす。

本発明の一実施形態によれば、各イオン風エンジンユニットは、２つの平行基板の間に配置された空気を満たした領域内（例えば、フリップチップ半導体パッケージ構成内）に実装され、微細バネは、２つの基板の一方に取り付けられ、電極は、他方の基板の接面上に配置される。特定の実施形態の１つにおいて、各ユニットは、２つ以上の電極を備え、関連システムは、スイッチを使用して、空気を満たしたギャップ領域内で気流を生成するために微細バネとそれぞれの電極との間にそれぞれの基準方向を有する連続的なマイクロプラズマ現象を生成させる。他の特定の実施形態において、第２の電極と第２の湾曲微細バネによって形成された第２のイオン風エンジンユニットは、第１のユニットに隣接して配置され、関連システムは、スイッチを使用して、空気を満たしたギャップ領域内に気流を生成するために、２つのユニットに、異なる位置でマイクロプラズマ現象を生成させる。

本発明の他の実施形態によれば、各イオン風エンジンユニットは、２つの隣接する微細バネによって実現され、すなわち、ユニットの電極は、第１の「アノード」微細バネと同じ平面上に配置された第２の「カソード」微細バネによって実現され、プラズマ生成電圧が、２つの微細バネの間の固定ギャップ距離の間に印加された場合、マイクロプラズマ現象が、ベース基板の平面に実質的に平行に、すなわち、わずかに下向きのバイアスで実質的に水平に向けて生成されるよう配置される。 特定の実施形態において、複数の微細バネが直列に配置され、気流を生成するために、微細バネの関連ペアの間に連続するマイクロプラズマ現象を生成するよう制御される。

本発明の他の実施形態によれば、本発明は、２つの基板（例えば、ＰＣＢもしくはパッケージベース基板などのサポート構造、およびパッケージＩＣデバイスもしくは「むき出しの」ＩＣダイ）が対向配置で配置されて、空気を満たしたギャップ領域によって隔てられる回路組立品（例えば、半導体パッケージ組立品、またはシステムレベル半導体回路組立品）内で実現され、１つ以上の「相互接続」微細バネを使用して、２つの基板上に配置された導体パッドの間に信号を送信する。すなわち、本発明は、相互接続のために使用する微細バネとイオン風エンジンの微細バネとは、同じ製造処理の間に製造されるため、相互接続のための微細バネをすでに実装する回路組立品において特に有益である。したがって、本明細書に記載する特定のユニット型のいずれかを使用する微細バネベースのイオン風エンジンは、本質的な追加コスト無しで、相互接続のための微細バネをすでに実装する回路組立品にもたらされる。

本発明のさらに他の実施形態によれば、マイクロプラズマ現象を生成するための方法は、正／負（第１の）電圧を微細バネのアンカー部分に印加し、一方で、負／正（第２の）電圧を微細バネの先端部分に隣接して配置される電極に印加することを備え、第１および第２の電圧は、先端部分で電流密集を引き起こすのに十分であり、それにより、先端部分周辺の空気を満たした領域の一部内の中性分子を十分にイオン化して、マイクロプラズマを生成する電界を作り出す。このマイクロプラズマ生成方法は、異なる位置で複数回実行され、半導体デバイスを冷却するために使用することができるイオン風気流を生成する。

本発明のこれら、ならびに他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、ならびに添付図面に関して、よりよく理解されよう。

図１は、本発明の第１の実施形態によるマイクロプラズマを生成するための一般的なシステムを示す透視図である。 図２は、本発明の特定の実施形態によるマイクロプラズマを生成するためのシステムを示す断面側面図である。 図３は、本発明の他の特定の実施形態によるマイクロプラズマを生成するためのシステムを示す断面側面図である。 図４Ａは、図３に示すシステムによって生成した多方向マイクロプラズマ生成を示す簡略部分図である。 図４Ｂは、図３に示すシステムによって生成した多方向マイクロプラズマ生成を示す簡略部分図である。 図５は、本発明の他の特定の実施形態による例示的な回路組立品を示す断面側面図である。 図６Ａは、本発明の一態様によるイオン風を生成するための動作中の図５のシステムを示す簡略断面側面図である。 図６Ｂは、本発明の一態様によるイオン風を生成するための動作中の図５のシステムを示す簡略断面側面図である。 図７は、本発明の他の特定の実施形態によるマイクロプラズマを生成するためのシステムを示す透視図である。 図８は、動作中の図７のシステムを示す断面側面図である。 図９Ａは、本発明の他の実施形態によるイオン風を生成するためのシステムを示す簡略断面側面図である。 図９Ｂは、本発明の他の実施形態によるイオン風を生成するためのシステムを示す簡略断面側面図である。 図９Ｃは、本発明の他の実施形態によるイオン風を生成するためのシステムを示す簡略断面側面図である。 図１０は、本発明の他の特定の実施形態による回路組立品および関連システムを示す断面側面図である。 図１１Ａは、本発明のさらなる代替特定実施形態による空冷エンジンを実現するマルチレベルチップ組立品を示す簡略図である。 図１１Ｂは、本発明のさらなる代替特定実施形態による空冷エンジンを実現するマルチレベルチップ組立品を示す簡略図である。

本発明は、半導体パッケージングおよび他の半導体回路組立品の改良に関する。以下の記述は、当業者が、特定の用途およびその要件の文脈において提供されるように本発明を作製および使用することができるよう提示される。本明細書で使用される場合、「上部」「上向き」「上方」「垂直」「下部」「下向き」「下方」「前方」「後方」および「横」などの指示語は、説明の目的のために相対的な位置を提供することを意図しており、絶対的な基準枠を示すことを意図しない。さらに、「一体式に接続」ならびに「一体式に成形」といったフレーズは、本発明では、単一の成形もしくは機械加工された構造の２つの部分の間の接続関係を説明するために使用され、「接続」ならびに「結合」（修飾語「一体式に」が無い）といった用語とは区別され、例えば、接着剤、締め具、クリップ、もしくは可動ジョイントにより接合される２つの別々の構造を示す。電気接続の意味において、「接続」という用語ならびに「電気的に接続」というフレーズは、例えば、通常の集積回路製造技術により形成された金属線による２つの回路要素の間の直接接続を記述するために使用され、「結合」という用語は、２つの回路要素の間の直接接続または間接接続のいずれかを記述するために使用される。例えば、２つの「結合される」要素は、金属線によって直接接続することができ、または、介在回路要素（例えば、コンデンサ、抵抗器、インダクタ、または、トランジスタのソース／ドレイン端子を介する）によって間接接続することができる。好適な実施形態に対するさまざまな変形例が当業者に明らかであり、本明細書で定義する一般的な原理は、他の実施例に適用することができる。したがって、本発明は、図示および記述する特定の実施形態に限定されることを意図せず、本明細書で開示する原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲をもたらすことを意図する。

図１は、本発明の一般的な実施形態によるイオン風生成システム１００を示し、イオン風生成システム１００は、イオン風エンジンユニット１０１、およびバッテリ１５１もしくはプラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}をユニット１０１にもたらすための他の機構を備える電圧源１５０を備える。

本発明の一態様によれば、湾曲微細バネ１３０は、ベース基板１１０の平上面１１１に取り付けられた、ならびに平上面１１１に平行に配置されたアンカー部分１３１と、アンカー部分１３１に一体式に接続され、平面１１１から離れて湾曲した第１の端を有する湾曲本体部分１３５と、湾曲本体部分１３５の自由（第２の）端に一体式に接続された先端部分１３３とを備える。アンカー部分１３１、本体部分１３５、および先端部分１３３のすべては、導電性材料（例えば、「コア」バネ金属層１３７全体にわたって配置された金層１３８）を含む。微細バネ１３０の特徴的な上方湾曲のため、先端部１３３は、平上面１１１の上方に位置した（すなわち、平上面１１１から間隔を空けて配置された）空気を満たした領域１０５内に固定配置され、維持されることに留意されたい。

本発明の別の態様によれば、微細バネ１３０は、いくつかの可能な処理のいずれかを使用して、上面１１１上に形成される。一実施形態において、微細バネ１３０は、応力処理された膜として堆積した自己屈曲バネ金属１３７を使用して形成され、次いで、その最も下の部分（すなわち、表面１１１に隣接する堆積材）が、その上部（すなわち、表面１１１から最も離れて設置された水平層）よりも低い内部引っ張り応力を有するバネ材島（平構造）を形成するようパターン化され、それにより、バネ材島の狭い「指」部分が後続の剥離処理中に基板１１０から上方に離れて曲がる原因となる内部応力変動を、応力処理された金属膜に持たせる。応力処理された金属膜におけるそのような内部応力変動を生成するための方法は、例えば、米国特許第３，８４２，１８９号（異なる内部応力を有する２つの金属を堆積する）、および米国特許第５，６１３，８６１号（例えば、処理パラメータを変更しながらスパッタされる単一金属）で教示され、どちらも参照により本明細書に組み込まれる。一実施形態において、チタン（Ｔｉ）剥離物質層が表面１１１上に堆積し、次いで、応力処理された金属膜が、モリブデン（Ｍｏ）、「モリブデン−クロム」合金（ＭｏＣｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン−タングステン合金（Ｔｉ：Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびニッケル−ジルコニウム合金（ＮｉＺｒ）の１つまたは複数を含み、いずれも剥離物質全体にわたってスパッタ堆積またはメッキされる。任意の不活性化金属層（図示せず。例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはロジウム（Ｒｈ））は、応力処理された金属膜が良好なベース金属として働かない場合、応力処理された金属膜の上面に堆積され、後続のメッキ処理のためのシード材の役目を果たすことができる。不活性化金属層はまた、完成したバネ構造における接触抵抗を改善するために提供することができる。代替実施形態において、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル−ジルコニウム（ＮｉＺｒ）膜は、シード材無しに直接メッキすることを可能として形成することができる。無電解メッキを使用する場合、電極層の堆積は飛ばすことができる。さらに他の代替実施形態において、自己屈曲バネ材料は、既知の技術により製造されるバイモルフ／バイメタリック化合物（例えば、金属１／金属２、シリコン／金属、酸化シリコン／金属、シリコン／窒化シリコン）の１つまたは複数とすることができる。各例において、高導電性材料（例えば、金）の外層は、「ベース」バネ金属材料上に形成され、導電性を高め、マイクロプラズマ生成を促進する。図１に示すさらに他の実施形態において、微細バネ１３０は、アンカー部分１３１が、任意の支持構造１３６（例えば、剥離層の保持部分、または予め形成された導電性ベース構造）によって基板１１０に接続されるよう製造される。

再び図１を参照すると、電極１４０は、平面１１１上に配置された導電（例えば、金、または他の金属）構造であり、支持構造（図示せず）によって面１１１の上方に維持され、先端部分１３３が、電極１４０から固定ギャップ距離Ｇ１で維持される。動作中、システム電圧源１５０は、正（または、負）電圧電位を微細バネ１３０のアンカー部分１３１に印加し、負（または、正）電圧電位を電極１４０に印加する。十分大きいプラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}（すなわち、ピークの法則によって決定される、実際の用途では少なくとも１００Ｖ、典型的には２５０Ｖ超）を生成することによって、微細バネ１３０の先端部分１３３での電流密集は、先端部分１３３を取り囲む空気を満たした領域１０５の一部において中性分子を十分イオン化して、マイクロプラズマ現象Ｐを生成する電界Ｅを作り出す。このマイクロプラズマ現象は、上記のように、イオン風エンジンユニット１０１が取り付けられた回路構造を冷却するために有用である気流を生成するために使用される。

一般的なイオン風生成システム１００の構成に対するさまざまな例示的な代替（例えば、複数のイオン風エンジンユニットの作動を含む）、および電極１４０を実装するために使用される例示的な代替構造ならびに変形例は、本発明の代替特定実施形態を参照して以下に提示する。所定のパターンで複数の相隔たるイオン風エンジンユニットを設けることによって、およびユニットを制御して相隔たるマイクロプラズマ現象を生成させることによって、気流が生成され、イオン風エンジンユニットが取り付けられた回路構造を冷却するために使用することができる。さらに、本発明で使用される微細バネ１３０は、既存の大量ＩＣ製造方法および生産方法によって製造されるため、およびそのような微細バネは、フリップチップパッケージ内の隣接する基板の間の狭いギャップ内に実装することができるため、本発明は、非常に低コストの手法を提供し、多種多様な半導体パッケージ組立品およびシステムレベル半導体回路組立品においてイオン風ベースの空冷をもたらす。

図２は、イオン風エンジン要素１０１Ａが、２つの平行ベースの二次基板１１０Ａおよび１２０Ａの間に配置された空気を満たしたチャネル領域１０５Ａ内に配置された湾曲微細バネ１３０Ａと電極１４０Ａとによって実現される第１の特定の実施形態によるシステム１００Ａを示す断面側面図である。この実施形態において、微細バネ１３０Ａは、上面１１１Ａに取り付けられたアンカー部分１３１Ａ、上面１１１Ａから離れて伸びる１３５Ａ、および本体部分１３５Ａの自由端に配置された先端部分１３３Ａを有する。さらに、電極１４０Ａは、二次基板１２０Ａの下部（下向きの）面１２２Ａに配置された金属パッドまたはプレートによって形成される。適切なスタンドオフ構造１６０（例えば、ポリイミド台座または金属詰め金）が基板１１０Ａおよび１２０Ａの間に設けられ、表面１１１Ａおよび１２２Ａの間の固定空間Ｓを維持し、それにより、先端部分１３３Ａが、電極１４０Ａから固定ギャップ距離Ｇ１で維持される。システム１００Ａはまた、電極１４０Ａに結合された負端子と、ベース基板１１０Ａ内に配置された導体１１７Ａにより微細バネ１３０Ａのアンカー部分１３１Ａに結合された正端子とを有する電圧源１５０Ａを備え、それにより、微細バネ１３０Ａの先端部分１３３Ａと電極１４０Ａとの間の固定ギャップ距離Ｇ１の間にプラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}を生成する。

図３は、イオン風エンジンユニット１０１Ｂが、ベース基板１１０Ｂに取り付けられた単一の湾曲微細バネ１３０Ｂと、二次基板１２０Ｂの下面１２２Ｂに配置された（第１の）電極１４０Ｂ−１とを備え、図２を参照して上記したように、湾曲微細バネ１３０Ｂの先端部分１３３Ｂからの第１の固定ギャップ距離Ｇ１１を維持する、代替実施形態によるシステム１００Ｂを示す。システム１００Ｂは、ユニット１０１Ｂもまた二次基板１２０Ｂの下面１２２Ｂ上に配置された１つ以上の追加電極（例えば、電極１４０Ｂ−２）を備える点でシステム１００Ａとは異なり、（第２の）電極１４０Ｂ−２は、（第１の）電極１４０Ｂ−１に隣接するが、間隔を空けて配置され、湾曲微細バネ１３０Ｂの先端部分１３３Ｂからの第２の固定ギャップ距離Ｇ１２を維持する。さらに、システム１００Ｂは、電圧源１５０Ｂが、微細バネ１３０Ｂの先端部分１３３Ｂと第１の電極１４０Ｂ−１との間の（第１の）固定ギャップ距離Ｇ１１の間、または先端部分１３３Ｂと第２の電極１４０Ｂ−２との間の（第２の）固定ギャップ距離Ｇ１２の間のいずれかで、プラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}を印加するために適切な機構（例えば、スイッチ１５５Ｂ）を備える点で、システム１００Ａとは異なる。図４Ａに示すように、プラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}が（第１の固定ギャップ距離Ｇ１１の間に印加される第１の時間周期ｔ１の間、第１のマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｂ１は、第１の基準「グローイング」方向角度θ１を有するマイクロバネ１３０Ｂと第１電極１４０Ｂ−１との間に生成され、角度θ１は、一般的に、先端部分１３３Ａと電極１４０Ｂ−１との間の直線距離によって定義される。あるいは、図４Ｂに示すように、プラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}が（第２の）固定ギャップ距離Ｇ１２の間に印加される第２の時間周期ｔ２の間、第２のマイクロプラズマＰ−Ｂ２が、第２の時間周期ｔ２の間、第２のグローイング方向角度θ２を有する前記微細バネ１３０Ｂと前記第２の電極１４０Ｂ−２との間に生成される。所定のパターンで２つの電極１４０Ｂ−１および１４０Ｂ−２を位置づけることによって、マイクロプラズマ現象Ｐ−Ｂ１およびＰ−Ｂ２は、２つの異なる時間で２つの異なる方向に生成され、それにより、これらのマイクロプラズマ現象を利用して、基板１１０Ｂまたは１２０Ｂ上に配置された電子デバイスを冷却するために使用することが可能な空気を満たしたチャネル領域１０５Ｂ内に気流Ｃを生成することができる。

図５は、２つのイオン風エンジンユニット１０１Ｃ−１および１０１Ｃ−２が、ベース基板１１０Ｃと二次基板１２０Ｃとの間の空気を満たしたチャネル領域１０５Ｃ内に設けられた他の代替特定実施形態によるシステム１００Ｃを示す。ユニット１０１Ｃ−１は、ベースユニット１１０Ｃの上面１１１Ｃに取り付けられたアンカー部分１３１Ｃ−１と、二次基板１２０Ｃの下面１２２Ｃに配置された（第１の）電極１４０Ｃ−１とを有し、図２を参照して上記した方法で、微細バネ１３０Ｃ−１の先端部分１３３Ｃ−１からの固定ギャップ距離Ｇ１１で維持される（第１の）湾曲微細バネ１３０Ｃ−１を備える。同様に、ユニット１０１Ｃ−２は、上面１１１Ｃに取り付けられたアンカー部分１３１Ｃ−２と、下面１２２Ｃに配置された（第２の）電極１４０Ｃ−２とを有し、図２を参照して上記した方法で、先端部分１３３Ｃ−２からの固定ギャップ距離Ｇ２１で維持される（第２の）湾曲微細バネ１３０Ｃ−２を備える。図５の上部に示したように、システム１００Ｃの電圧源１５０Ｃもまた、バッテリ１５１の負電極を電極１４０Ｃ−１および１４０Ｃ−２に交互に結合するスイッチ１５５Ｃを備える。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の他の実施形態によるシステム１００Ｃを使用するイオン風気流を生成するための簡易化した方法を示す。図６Ａに示すように、第１の時間周期ｔ１の間、ユニット１０１Ｃ−１は、スイッチ１５５Ｃが、正電圧Ｖ＋を（第１の）微細バネ１３０Ｃ−１のアンカー部分に印加し、負電圧Ｖ−を（第１の）電極１４０Ｃ−１に印加するよう動作した場合に作動し、それにより、プラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}が、上記した方法で微細バネ１３０Ｃ−１と電極１４０Ｃ−１との間のギャップ間に印加され（ユニット１０１Ｃ−２が、この時点で停止する）、空気を満たしたチャネル領域１０５Ｃの右側中央領域内に第１のマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｃ１を生成する。図６Ｂに示すように、第２の時間周期ｔ２の間、ユニット１０１Ｃ−２は、スイッチが、正電圧Ｖ＋を（第２の）微細バネ１３０Ｃ−２のアンカー部分に印加し、負電圧Ｖ−を（第２の）電極１４０Ｃ−２に印加すると作動し、それにより、プラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}が、上記した方法で先端部分１３３Ｃ−２と電極１４０Ｃ−２との間のギャップ間に生成され（ユニット１０１Ｃ−１が、時間周期ｔ２の間に停止する）、第２のマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｃ２が、空気を満たしたチャネル領域１０５Ｃの左側部分内に生成される。ユニット１０１Ｃ−１をユニット１０１Ｃ−２に隣接して位置づけることによって、さらに、ユニット１０１Ｃ−１とユニット１０１Ｃ−２との作動を近いタイミングで交互に行うことによって、マイクロプラズマ現象Ｐ−Ｃ１およびＰ−Ｃ２は、微細バネ１３０Ｃ−１から微細バネ１３０Ｃ−２の方向に空気の動きを作り出す圧力差を生成し、それにより、空気を満たしたギャップ領域１０５Ｃ内に気流Ｃを生成する。回路組立品上（例えば、フリップチップパッケージ構成における基板とＩＣとの間）にユニット１０１Ｃ−１および１０１Ｃ−２を実装することにより、イオン風気流Ｃを使用して、高効率で回路組立品を冷却することができる。

図７は、本発明の他の実施形態による電圧源１５０Ｄと基本イオン風エンジンユニット１０１Ｄとを備えるシステム１００Ｄを示す透視図である。上記したバネ／パッドによる実施形態と同様に、ユニット１０１Ｄは、上記した詳細のとおり、ベース基板１１０Ｄの平らな（上部）表面１１１Ｄ上に形成された「アノード」微細バネ１３０Ｄ−１を備える。しかしながら、この場合、ユニット１０１Ｄの電極１４０Ｄは、「アノード」湾曲微細バネ１３０Ｄ−１に隣接する平面１１１Ｄ上に配置された第２の湾曲「カソード」微細バネ１３０Ｄ−２によって実現され、固定ギャップ距離Ｇ３が、（第１の）先端部分１３３Ｄ−１と、「カソード」微細バネ１３０Ｄ−２の（第２の）本体部分１３５Ｄ−１との間に画定される。図７および図８にも示すように、電圧源１５０Ｄは、微細バネ１３０Ｄ−１と１３０Ｄ−２との間の固定ギャップ距離Ｇ３の間にプラズマ生成電圧Ｖ_{ＰＬＡＳＭＡ}を印加し、図８に示すように、マイクロプラズマＰ−Ｄは、ベース基板１１０Ｄの平面１１１Ｄに実質的に平行（すなわち、ベース基板１１０Ｄに対してわずかな下向きバイアスを有して実質的に水平）である基準方向角度θ３で生成される。すなわち、先端１３３Ｄ−１と本体１３５Ｄ−２との間に生成されたイオン化領域がわずかに下向きになるので、ユニット１０１Ｄは、上記した第１の特定の実施形態の場合よりもより水平方向となるマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｄを生成する。

図９Ａ〜図９Ｃは、本発明の他の特定の実施形態による平行基板１１０Ｅおよび１２０Ｅとの間に画定される空気ギャップチャネル領域１０５Ｅ内に配置される微細バネ１３０Ｅ−１〜１３０Ｅ−４によって形成される複数のユニット１０１Ｅ−１１〜１０１Ｅ−３４によって作られるイオン風エンジンを備えるシステム１００Ｅを示す概略透視図である。各ユニット１０１Ｅ−１２〜１０１Ｅ−３４は、図７および図８を参照して上記した場合と同様の方法で直列に配置される２つの隣接微細バネによって形成される。具体的には、ユニット１０１Ｅ−１２は、微細バネ１３０Ｅ−１および微細バネ１３０Ｅ−２によって形成され、ユニット１０１Ｅ−２３は、微細バネ１３０Ｅ−２および微細バネ１３０Ｅ−３によって形成され、ユニット１０１Ｅ−３４は、微細バネ１３０Ｅ−３および微細バネ１３０Ｅ−４によって形成される。微細バネ１３０Ｅ−２および１３０Ｅ−３は、この特定の実施形態において、アノードおよびカソードの両方として働き、微細バネ１３０Ｅ−２は、ユニット１０１Ｅ−１２ではカソードとして、ユニット１０１Ｅ−２３ではアノードとして働き、微細バネ１３０Ｅ−３は、ユニット１０１Ｅ−２３ではアノードとして、ユニット１０１Ｅ−３４ではカソードとして働くことに留意されたい。

図９Ａ〜図９Ｃはまた、本発明の他の実施形態によるシステム１００Ｅを使用するイオン風気流を生成するための簡易化した方法を示す。図９Ａに示すように、システム電圧源（図示せず）は、第１の時間周期ｔ１の間、微細バネ１３０Ｅ−１および１３０Ｅ−２の間にプラズマ生成電圧を（例えば、正電圧Ｖ＋を（第１の）微細バネ１３０Ｅ−１に、負電圧Ｖ−を微細バネ１３０Ｅ−２／第１の電極１４０Ｅ−１に）印加することによってユニット１０１Ｅ−１２および１０１Ｅ−３４を作動する適切なスイッチネットワークを使用し、（第１の）マイクロプラズマ現象Ｐ−Ｅ１１が、第１の時間周期ｔ１の間に微細バネ１３０Ｅ−１と１３０Ｅ−２との間に生成される。同時に、システム電圧源は、正電圧Ｖ＋を微細バネ１３０Ｅ−３に、負電圧Ｖ−を微細バネ１３０Ｅ−４（電極１４０Ｅ−２）に印加し、さらなるマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｅ１２を、第１の時間周期ｔ１の間に微細バネ１３０Ｅ−３と１３０Ｅ−４との間に生成する。続いて、図９Ｂに示すように、時間周期ｔ２の間、システム１００Ｅの電圧源は、正電圧Ｖ＋を（第２の）微細バネ１３０Ｅ−２に、負電圧Ｖ−を微細バネ１３０Ｅ−３（第２の電極１４０Ｅ−３）に印加し、（第２の）マイクロプラズマＰ−Ｅ２を、第２の時間周期ｔ２の間に微細バネ１３０Ｅ−２と１３０Ｅ−３との間に生成する。図９Ｃに示すように、後続の時間周期ｔ３の間、正電圧Ｖ＋が微細バネ１３０Ｅ−１および１３０Ｅ−３に印加され、負電圧Ｖ−が微細バネ１３０Ｅ−２および１３０Ｅ−４に印加され、それにより、さらなるマイクロプラズマ現象Ｐ−Ｅ３１およびＰ−Ｅ３２を生成する。示した手順で微細バネ／電極１３０Ｅ−１〜１３０Ｅ−４を作動し、このマイクロプラズマ現象生成パターンを生成することによって、システム１００Ｅのイオン風エンジンは、微細バネ１３０Ｅ−１と微細バネ１３０Ｅ−４との間に空気の動きを作り出す圧力差を生成し、それにより、基板１１０Ｅおよび１２０Ｅの間の空気ギャップチャネル領域１０５Ｅ内に気流Ｃを生成する。さらに、回路組立品上（例えば、フリップチップパッケージ構成における基板とＩＣとの間）に微細バネ１３０Ｅ−１〜１３０Ｅ−４を実装することにより、気流Ｃを使用して、高効率で回路組立品を冷却することができる。

図１０は、対向配置で配置されて、空気を満たしたギャップ領域１１０Ｆを画定する距離Ｓによって隔てられたパッケージベース基板（第１の基板）１１０ＦとＩＣダイ（第２の基板）とを備える、本発明の他の実施形態によるフリップチップパッケージ（回路組立品）２００Ｆを示す概略断面図である。ベース基板１１０Ｆは、いくつかの上部（第１の）導体パッド１１７Ｆ−１〜１１７Ｆ−５を備える上面１１１Ｆ、およびいくつかの関連導体パッド１１８Ｆと介在導電構造とを有する底面１１２Ｆを有し、適切なベース基板材料（例えば、サファイア、セラミック、ガラス、または有機プリント回路板材料）で構成される。ＩＣダイ１２０Ｆは、任意の既知の半導体製造技術（例えば、ＣＭＯＳ）を使用して半導体（例えば、シリコン）「チップ」１２３の一方の面上に形成された集積回路１２４、集積回路１２４全体にわたって形成される不活性化層１２５、および不活性化層１２５を貫通してＩＣダイ１２０Ｆの下部（すなわち、「能動」）面上に配置される導体パッド１２７Ｆに伸びる金属相互接続構造（例えば、金属ビア１２６）を備える半導体デバイスである。ＩＣダイ１２０Ｆの相対する上部「非能動」面１２１は、処理されない。

本実施形態の一態様によれば、フリップチップパッケージ２００Ｆは、相互接続およびイオン風冷却（すなわち、気流生成）の両方に対して利用される微細バネを備える。すなわち、フリップチップパッケージ２００Ｆは、ベース基板１１０Ｆを集積回路１２４に電気的に結合する、相対する端で電気的に接続された、空気を満たしたチャネル領域１０５Ｆ内に配置される少なくとも１つの湾曲相互接続微細バネと、空気を満たしたチャネル領域１０５Ｆ内に配置され、上記したイオン風エンジンユニットの１つを形成する方法で可動に接続された少なくとも１つの微細バネとを備える。

図１０の中央部を参照すると、フリップチップパッケージ２００Ｆの相互接続機能は、上面１１１Ｆに取り付けられて導体パッド１１７Ｆ−３に電気的に接続されたアンカー（第１の）端部１３１Ｆ−３と、導体パッド１２７Ｆと非付着接触する先端（第２の）部分１３３Ｆ−３と、空気を満たしたギャップ領域１０５Ｆを通って２つの端の間に伸びる湾曲本体部分とを備える微細バネ１３０Ｆ−３によって示される。微細バネ１３０Ｆ−３によって示された方法で接続された多数の相互接続微細バネは、典型的に、導体パッド１１８Ｆにより、ホスト制御器と集積回路１２４との間の通信を実現するよう利用される。

さらに、フリップチップパッケージ２００Ｆは、上記した方法で形成したイオン風エンジンユニット１０１Ｆ−１および１０１Ｆ−２の一方または両方を備える。具体的には、ユニット１０１Ｆ−１は、上面１１１Ｆに取り付けられたアノード微細バネ１３０Ｆ−１と、前記アノード微細バネ１３０Ｆ−１に隣接する上面１１１Ｆに取り付けられた「カソード」（第２の）湾曲微細バネ１３０Ｆ−２によって形成された電極構造体１４０Ｆ−１とを備え、固定ギャップ距離Ｇ１が、アノード微細バネ１３０Ｆ−１の先端部分１３３Ｆ−１と「カソード」微細バネ１３０Ｆ−２の本体部分１３５Ｆ−２の間に画定され、それにより、ギャップＧ１の間に印加される適切な電圧が、上記の方法でマイクロプラズマ現象を生成する。あるいは、ユニット１０１Ｆ−２は、上面１１１Ｆに取り付けられたアノード微細バネ１３０Ｆ−５と、ＩＣダイ１２０Ｆの下面１２２Ｆに配置された金属導体パッドによって形成された電極構造体１４０Ｆ−２とを備え、それにより、微細バネ１３０Ｆ−５と電極構造体１４０Ｆ−２との間に印加される適切な電圧が、上記の方法で、微細バネ１３０Ｆ−５の先端部分と電極構造体１４０Ｆ−２との間に他のマイクロプラズマ現象を生成する。代替実施形態において、フリップチップパッケージ２００Ｆは、ユニット１０１Ｆ−１によって示される型の複数の風エンジンユニットのみからなるか、ユニット１０１Ｆ−２によって示される型の複数の風エンジンユニットのみからなるか、または、ユニット１０１Ｆ−１および１０１Ｆ−２によって示される異なる型の組合せを含む複数の風エンジンユニットからなるイオン風エンジンを備えることができる。

図１０に示す実施形態は、相互接続のために使用する微細バネと本発明のイオン風エンジンを実現するために使用される微細バネとは、同じ製造処理の間に経済的に製造されるため、相互接続のための微細バネ（例えば、相互接続微細バネ１３０Ｆ−３）をすでに実装する回路組立品において特に有益である。すなわち、相互接続微細バネ１３０Ｆ−３の生成に利用される同じ応力金属膜堆積、パターン形成、および剥離処理は、イオン風エンジン微細バネ１３０Ｆ−１、１３０Ｆ−２、および１３０Ｆ−５を同時に生成するために利用される。したがって、フリップチップパッケージ２００Ｆ上のイオン風エンジンユニット１０１Ｆ−１および１０１Ｆ−２は、実質的に追加の生産コスト無しで実現される。

上記のように、各微細バネは、キャリアデバイス（例えば、図１０におけるパッケージベース構造１１０Ｆ）に一端を取り付けたエッチングされた構造であり、（例えば、図１０のバネ１３０Ｆ−３の場合のように）電圧もしくは信号をメイティングデバイスに通すための相互接続構造として働くか、または、（例えば、図１０のバネ１３０Ｆ−１、１３０Ｆ−２、および１３０Ｆ−５の場合のように）空気ギャップ領域内に配置された先端を有し、関連電極と共にマイクロプラズマを生成するよう働く。代替実施形態において、微細バネに対するホスト基板の役割は、例えば、フリップチップ構成におけるＩＣダイによって行われる。例えば、代替実施形態において、少なくとも１つの微細バネが、ＩＣデバイス１２０Ｆの能動面１２２Ｆに（すなわち、パッケージベース基板１１０Ｆの代わりに）製造され、そこから伸びる。したがって、添付の特許請求の範囲においてそうでないと明記しない限り、微細バネは、フリップチップ構成における２つの基板のいずれかに形成されることが理解される。

本発明は、ある特定の実施形態に対して説明してきたが、本発明の特徴は、他の実施形態にも適用可能であり、そのすべてが本発明の範囲に入ることが意図されていることは、当業者に明らかである。例えば、図１０の発明は、特に基本フリップチップ半導体パッケージ型構造に関して説明されるが、本明細書に記載されるイオン風エンジンは、（例えば、図１１Ａにおけるマルチレベルパッケージング構成２００Ｇで示すように）マルチレベルパッケージング構成における複数のＩＣダイ（基板）を隔てる各ギャップ内に複数の「水平」イオン風気流Ｃ１を生成するために提供することができ、または、他の型の回路基板の間（例えば、システムレベル設定におけるパッケージングされたＩＣデバイスと大規模ＰＣＢとの間）に冷却気流を生成するために提供することができる。さらに、図１１Ｂにおけるマルチレベルパッケージング構成２００Ｈによって示すように、本発明のマイクロプラズマ生成ユニットは、積層ＩＣダイ内に構成された開口を通る方向で「垂直」イオン風気流Ｃ２を生成するよう位置づけることができる。さらに、本発明のイオン風エンジンの動作は、直流電流電圧電位について主に説明したが、いくつかの実施形態において（例えば、図９Ａ〜図９Ｃを参照して説明した構成において）、交流電流を使用して電荷蓄積を避けることは有利であるだろう。

Claims (2)

1. マイクロプラズマを生成するためのシステムであって、前記システムは、
   平面を有するベース基板と、
   前記ベース基板の前記平面に平行に配置されるアンカー部分、前記アンカー部分に一体式に接続されて前記平らなベース面から離れて湾曲する第１の端を有する湾曲本体部分、および前記湾曲本体部分の第２の端に一体式に接続される先端部分を備える湾曲微細バネであって、前記アンカー、前記本体、および前記先端部分は、導電性材料を備え、前記先端部分は、前記平面の上方に位置する空気を満たした領域内に固定配置される、湾曲微細バネと、
   前記先端部分が前記電極から固定ギャップ距離で維持されるように前記微細バネの前記先端部分に隣接する前記平面上に、または前記平面の上方に配置される電極と、
   前記第１の電極に結合される、および前記湾曲微細バネの前記アンカー部分に結合される電圧源であって、前記電圧源は、前記微細バネの前記先端部分と前記電極との間の固定ギャップ距離間にプラズマ生成電圧を生成して、前記先端部分での電流密集により前記先端部分を取り囲む前記空気を満たした領域の一部において中性分子を十分にイオン化する電界を作り出し、マイクロプラズマを生成するための手段を備える、電圧源とを備える、システム。
2. 回路組立品であって、
   上面を有して前記上面に配置される第１の導体パッドを備える第１の基板と、
   前記第１の基板に実装される第２の基板であって、前記第２の基板の下面が前記第１の基板の前記上面と相対し、それにより、空気を満たしたチャネル領域が前記上面と前記下面との間に画定され、前記第２の基板が、前記下面に配置されて前記第２の基板に配置される集積回路に結合される第２の導体パッドを備える、第２の基板と、
   前記第１の基板の前記上面と前記第２の基板の前記下面との間に画定される空気を満たしたチャネル領域内に配置され、前記第２の導体パッドに電気的に接続される第１の端部、前記第１の導体パッドに電気的に接続される第２の端部、および前記第１の端部と前記第２の端部との間に伸びる湾曲本体部分を備える少なくとも１つの湾曲相互接続微細バネと、
   イオン風エンジンであって、
   前記第１の基板の前記上面ならびに前記第２の基板の下面の一方に取り付けられるアンカー部分、前記アンカー部分に一体式に接続されて前記平らなベース面から離れて湾曲する第１の端を有する湾曲本体部分、および前記湾曲本体部分の第２の端に一体式に接続される先端部分を備える湾曲アノード微細バネであって、前記アンカー、前記本体、および前記先端部分は導電性材料を備え、前記先端部分は、前記空気を満たしたチャネル領域内に固定配置される、湾曲アノード微細バネと、
   前記第１の基板の前記上面ならびに前記第２の基板の前記下面の一方に配置され、前記アノード微細バネの前記先端部分から固定ギャップ距離で維持される電極構造体と、を含む、イオン風エンジンと、を備える、
   回路組立品。