JP2018056556A - 冷却性能を高めるためのdmd基板における集積マイクロチャネルヒートシンク - Google Patents

冷却性能を高めるためのdmd基板における集積マイクロチャネルヒートシンク Download PDF

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Abstract

【課題】DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)の過熱を防ぐ手法を提供する。
【解決手段】DMD冷却装置は、シリコン基板24上に構成されるDMD8および基板内に配置され一体化されるマイクロチャネル冷却アレイを含む。複数のマイクロチャネルは、基板の裏側に形成される。マイクロチャネルは、マイクロリソグラフィを介してDMDチップの製造と関連して製造され、それにより、シリコン基板内に一体化されるヒートシンクは直熱を基板から除去できる。
【選択図】図2

Description

実施形態は、一般的に、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)システムおよび用途に関する。さらに、実施形態は、冷却を高めるためのDMD基板と一体化されたマイクロチャネルヒートシンクコンポーネントに関する。
オフセットリソグラフィは、現代の印刷工程において利用される一般的な方法である。(これに関して、「印刷(printing)」および「マーキング(marking)」という用語は交換可能であることに、留意されたい)典型的なリソグラフィプロセスにおいて、印刷プレート(すなわち、平板、円筒表面、ベルトなどであってよい)は、例えば、疎水性および親油性の材料で形成される「画像領域」、および、親水性の材料で形成される「非画像領域」で構成され得る。そのような画像領域は、インクなどの印刷またはマーキング材料に満たされる最終印刷(すなわち、目的の基板)上のエリアに対応し、一方で非画像領域は、マーキング材料に満たされない最終印刷上のエリアに対応する。
可変データリソグラフィ(デジタルリソグラフィまたはデジタルオフセットとも称される)印刷プロセスは、シリコーン画像化プレートを画像化ドラム上において湿らせるために使用される湿し水から開始される。湿し水は、約1ミクロンの厚さであるシリコーンプレート上の薄膜を形成する。ドラムは、画像画素が形成される場所で湿し水を除去するために高出力レーザイメージャが使用される「露光」ステーションまで回転する。これにより、湿し水ベースの「潜像」が形成される。その後、ドラムは、さらに、リソグラフィのようなインクが湿し水ベースの「潜像」と接触する「現像」ステーションまで回転し、レーザが湿し水を除去した場所の上にインクが「発現」する。インクは疎水性である。紫外線(UV)が当てられてよく、それにより、インク中の光開始剤が部分的にインクを硬化させて、紙などの印刷媒体へ効率的に転写される準備が行われる。その後、ドラムは、インクが紙などの印刷媒体へ転写される転写ステーションまで回転する。シリコーンプレートが適合するため、転写を助けるためにオブセットブランケットは使用されない。紫外線がインクの付着した紙へ当てられてよく、紙の上のインクを完全に硬化させる。インクは紙の上において約1ミクロンのパイル高さである。
印刷プレート上の画像の形成は、各々が線形出力の高出力赤外線(IR)レーザを使用して「DMD」(「デジタルマイクロミラーデバイス」とも称される)デジタル光プロジェクタ(DLP)マルチミラーアレイを照らす、画像化モジュールにより行われる。ミラーアレイは、一般的にコンピュータプロジェクタおよび一部のテレビにおいて使用されるものと類似している。レーザは、一定の照射をマイクロミラーアレイに提供する。ミラーアレイは個々のミラーを偏向させて、画素を画像面に形成しシリコーンプレート上で湿し水を画素単位で蒸発させる。画素が作動されない場合、当該の画素に対するミラーが偏向され、それにより、画素に対するレーザ照射はシリコーン表面に当たらず、強化光ドロップヒートシンク内へ進む。
単一のレーザおよびミラーアレイは、クロスプロセス方向において約1インチの画像化性能を提供する画像化モジュールを形成し得る。したがって、単一の画像化モジュールは、所与の走査線ごとに画像の1つの画素線当たり1インチを同時に画像化する。次の走査線で、画像化モジュールは、1つの画素線セグメント当たり次の1インチを画像化する。各々が数個のレーザおよび数個のミラーアレイから成り、相互に突き合わされる数個の画像化モジュールを利用することにより、非常に広いクロスプロセス幅に対する画像化機能性が達成され得る。
リソグラフィの適用の文脈において利用されるDMDシステムの1つの非制限の例は、2013年8月13日にPeter Paulらに発行された、米国特許第8,508,791号「マルチミラーベースの高出力イメージャに対する画像フィードフォワードレーザ出力制御(Image feedforward laser power control for a multi−mirror based high power imager)」に開示され、米国特許第8,508,791号コネチカット州ノーウォークのゼロックス社へ譲渡されている。
従来のDMDシステムの主な問題点は、光源がDMDへの入力であり、その後、信号プロセッサ制御のオン/オフデジタル出力を反映することである。入力光源は、特定の用途においてDMDチップ内へ過剰な熱を生成し、結果としてチップの不具合を生じさせる。したがって、DMDの過熱を防ぐ新しい手法が必要とされている。
以下の概要は、開示される実施形態に特有の革新的な特性の幾つかを理解し易くするよう提供されるものであり、完全な説明を意図してはいない。本明細書において開示される実施形態の様々な態様の完全な理解は、明細書全体、請求項、図、および、概要を全体として取り込むことにより達成され得る。
したがって、開示される実施形態の1つの態様は、改良されたDMD冷却装置、システム、および、方法を提供することである。
開示される実施形態の別の態様は、冷却性能を高めるためのDMD基板における集積マイクロチャネルヒートシンクを提供することである。
前述された態様および他の目的および利点が、本明細書に記載されるように達成され得る。DMD冷却装置および方法は、基板上に構成されるDMDチップ、および、その上にDMDが構成される基板内に配置され一体化されるヒートシンクを含む。複数のマイクロチャネルは、基板の裏側に形成され得る。マイクロチャネルは、例えば、マイクロリソグラフィを介してDMDチップの製造と関連して製造されることができ、これにより、シリコン基板内に一体化されるヒートシンクは、直熱を基板から除去できる。
したがって、開示される例示的な実施形態は、高出力の用途のためのDMDの冷却性能を、シリコンウェハの裏側に形成され標準的なマイクロリソグラフィ技術を使用してDMDチップの製造と連動して製造される一連のマイクロチャネルから成る、DMDチップ内部に配置される集積ヒートシンクを使用して高める手法を記載する。概念はコンピュータシミュレーションを使用して部分的に立証されたことに、留意されたい。水およびエチレングリコールの混合物からなる冷却剤を15℃でマイクロチャネル内において使用し、チップ表面の最大温度が最大出力における許容レベルに維持され得ることを示すために、計算が使用された。開示される実施形態の利点は、DMDが高出力の用途のための出力要件を満たせることを含む。
添付の図において、同様の参照番号は別個の図にわたって同等または機能的に類似の要素を指し、添付の図は本明細書の一部に統合されると共に一部を形成し、さらに、本発明の詳細な説明と共に本発明を図示し、本発明の原理を説明する役割を果たす。
図1は、1つの例示的な実施形態にしたがって、LIM(レーザ画像化モジュール)およびLIM光路の概略図を図示する。 図2は、1つの例示的な実施形態にしたがって、DMDの絵図を図示する。 図3は、1つの例示的な実施形態にしたがって、図1〜図2に描写されるDMDの裏側を図示する。 図4は、1つの例示的な実施形態にしたがって、DMD基板の温度を描写する熱図を図示する。 図5は、1つの例示的な実施形態にしたがって、マイクロチャネル冷却配列で構成されるDMDの切断図を図示する。 図6は、1つの例示的な実施形態にしたがって、マイクロチャネル冷却配列で構成される図5に示されるDMDの近接切断図を図示する。 図7は、1つの例示的な実施形態にしたがって、複数のマイクロチャネルおよびパラメータを描写する絵図を図示する。 図8は、1つの例示的な実施形態にしたがって、シリコン基板の表面温度のシミュレーションを示すデータを描写するグラフを図示する。
これらの非限定の例において議論される特定の値および構成は、変更が可能であり、単に1つ以上の実施形態を図示するよう引用され、実施形態の範囲を限定する意図はない。
ここで、本明細書の一部を形成し図を用いて特定の例示的な実施形態を示す添付の図を参照して、以降に主題がより完全に記載される。しかしながら、主題は、様々な異なる形態で具現化されてよく、したがって、網羅または主張される主題は、本明細書に明記される如何なる例示的な実施形態にも限定されないと解釈されると意図される。例示的な実施形態は、単に例示として提供される。同様に、主張または網羅される主題に対する合理的に広い範囲が意図される。とりわけ、例えば、主題は、方法、デバイス、コンポーネント、または、システムとして具現化されてよい。したがって、実施形態は、例えば、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または、それらの任意の組み合わせ(ソフトウェア自体を除く)の形式を取ってよい。したがって、以下の詳細な説明は、限定の趣旨において解釈されると意図されない。
明細書および請求項を通して、用語は明白に述べられる意味を超えて文脈において提案または暗示される特別な意味合いを有してよい。さらに、「1つの実施形態において(in one embodiment)」または「例示的な実施形態において(in an example embodiment)」などの語句、および、本明細書に利用される変形は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らず、「別の実施形態において(in another embodiment)」または「別の例示的な実施形態において(in another example embodiment)」という語句、および、本明細書において利用される変形は、異なる実施形態を指してよく、または、必ずしも異なる実施形態を指さなくてよい。例えば、主張される主題は、例示的な実施形態の組み合わせを全体的または部分的に含むことが意図される。
一般的に、専門用語は、少なくとも部分的に、文脈における用法から理解されてよい。例えば、本明細書において使用される「および(and)」「または(or)」または「および/または(and/or)」という用語は、少なくとも部分的に、それらの用語が使用される文脈に依存してよい様々な意味を含んでよい。典型的に、A、B、またはCなど、リストを結び付けるために使用される場合、「または(or)」は、排他的な趣旨において使用されるA,B,またはCと共に、包括的な趣旨において使用されるA,B,およびCを意味すると意図される。加えて、本明細書において使用される「1つ以上(one or more)」という用語は、少なくとも部分的に文脈に依存して、単数形における任意の特性、構造、または、特徴を記載するために使用されてよく、または、複数形における特性、構造、または、特徴の組み合わせを記載するために使用されてよい。同様に、「1つの(a)」「1つの(an)」または「その(the)」という用語は、少なくとも部分的に文脈に依存して、単数形の用法を伝えると理解されてよく、または、複数形の用法を伝えると理解されてよい。加えて、「基づく(based on)」という用語は、必ずしも排他的な因子のセットを伝えることを意図するとは限らないと理解されてよく、代わりに、少なくとも部分的に文脈に依存して、必ずしも明示的に描写されるとは限らない追加的な因子の存在を許容してよい。
図1は、1つの例示的な実施形態にしたがって、LIM(レーザ画像化モジュール)システム10およびLIM光路の概略図を図示する。LIMシステム10は、一般的に、予熱LDA(レーザダイオードアレイ)18および画像化LDA19を含む。画像化経路レイ16は、DMD8から左側へ延びて示される。加えて、画像化平面12が、予熱経路レイ14に対して図1に示される。さらに、DMD8の近接図11が図1に示される。2つの画像経路が基板表面で統合されないことに、留意されたい。予熱ビームは、画像化ビームが実際に基板上に書く前に基板を特定の温度まで予熱するために利用され得る。システム10は、320ワットの電力が、例えば、システムへ印加され得るよう設計され得る。しかしながら、そのような例示的なシナリオにおいて、DMD8は、38ワットを吸収してよく、その後、過熱する。システムは、計画された電力の80%のみでさえ、過熱する可能性がある。
レーザ出力は、調光インクで被覆された基板に当てられ得る。基板上の各画素は、印加されるエネルギー量まで勾配して反応する。印刷は、限定数のインク/基板の組み合わせにおいて、その時点で使用されている限定された電力で可能であるが、特定の画素で全てのインク/基板の組み合わせにおいて所望の範囲の応答を得るために、フル電力までの印加を可能にすることが必要とされる。
図2は、1つの例示的な実施形態にしたがって、DMD8の絵図を図示する。DMD8は、一部の実施形態において「DMDチップ」とも称され得ることに、留意されたい。DMDは、一般的に、筐体30(例えば、アルミナ筐体)および支持ベゼル26およびシリコン基板24の上部に配置されるエポキシシール28を含む。ミラーアレイ22は、ガラスカバー20の下に配置される。
図3は、1つの例示的な実施形態にしたがって、図1〜図2に描写されるDMD8の裏側を図示する。電流ヒートシンクインタフェースエリア25が、図3に示されるように、中心的にDMD8の裏側に示される。
図4は、1つの例示的な実施形態にしたがって、DMD基板の温度分布26を描写する熱図を図示する。図4は、DMDのシリコン基板上における温度分布を示す。基板におけるピーク温度は76℃近くであり、一方で最大許容温度は55℃である。冷却材の温度は、この時点で15℃であり、LIM内部で凝結を引き起こすため、これ以上は低下し得ない。
図5は、1つの例示的な実施形態にしたがって、マイクロチャネル冷却配列で構成されるDMD8の切断図を図示する。DMD8は、エポキシシール28および筐体30を伴って構成され得る。加えて、DMD8は、マイクロミラーアレイ32およびマイクロチャネル冷却アレイ34を含むよう構成され得る。
図6は、1つの例示的な実施形態にしたがって、マイクロチャネル冷却配列で構成される図5に示されるDMDの近接切断図を図示する。DMD8は基板上に構成されることができ、ヒートシンクは、その上にDMD8が構成される基板内部に配置され一体化され得る。マイクロチャネル冷却アレイ34は、基板の裏側に形成される複数のマイクロチャネルから成る。そのようなマイクロチャネルの例は、図7に示される。マイクロチャネルは、マイクロリソグラフィを介してDMD8の製造と関連して製造されることができ、それにより、シリコン基板内に一体化されるヒートシンクは、直熱を基板から除去できる。1つの例示的なDMDチップのレイアウトに基づいて、マイクロチャネルは、図5〜図6に示されるように、例えば、12mmの長さを伴ってチップに沿って置かれ得る。
図7は、1つの例示的な実施形態にしたがって、複数のマイクロチャネル40およびパラメータを描写する絵図を図示する。例示的なマイクロチャネル42、44、46が、図7に示される。マイクロチャネルの高さはBにより表され、一方でマイクロチャネルの間隔の幅はAにより表される。マイクロチャネル壁の幅はTで表され、さらに、マイクロチャネルアレイ構造の基部の幅Wおよび長さLが、図7に示される。
そのようなマイクロチャネル40の使用は、DMDチップの内部に配置される集積ヒートシンクを利用する高出力用途のためのDMD8の冷却性能を高め得る。このヒートシンクは、シリコンウェハの裏側に形成されDMDチップの製造と連動して標準的なマイクロリソグラフィ技術を使用して製造される、一連のマイクロチャネル(例えば、マイクロチャネル40など)から成る。
したがって、図7は、例示的なマイクロチャネルパラメータを示す:チャネル幅は、例えば、50ミクロンとすることができ、200ミクロンの奥行および30ミクロンのフィン幅とし得る。DMDチップ8のアルミナ筐体30は、流体路用に追加される入口ポートおよび出口ポートを伴って構成され得る。図6に示されるように、エポキシシール28は任意の冷却液をシリコン基板の下側に収容し続け得るため、DMD8の上部表面において何もミラーを妨げない。
図8は、1つの例示的な実施形態にしたがって、シリコン基板の表面温度のシミュレーションを示すデータを描写するグラフ48を図示する。分析を目的として、各チャネルの流体路は12個のセグメントに分割され得るため、冷却液の温度は各チャネルに沿って移動する際に分析され得ることに、留意されたい。一部の例示的な実施形態において、そのような分析のために水が冷却液として利用され得る。例示的な実施形態において、適合し得るチャネルアレイの最大幅は17.694mmであり、220個のチャネルのアレイは17.63mmの幅で生産され得る。流れが層流であるか乱流であるかを判定するため、レイノルズ数が算出され得る。これにより、冷却チャネルの温度分布および熱流束の予測に使用するために正しい相関が判定され得る。
マトラボ(Matlab)におけるシミュレーションが、チャネルに沿った12個のセグメントの各々における流体の温度を算出するために設定でき、それらの温度は、12個のセグメントの各々におけるシリコン基板の温度を算出するために使用される。チャネル入口からの無次元距離のマトリックスが算出でき、関連するヌッセルト数がマイクロチャネルにおける層流の三壁H2境界状態チャートから参照される。マイクロチャネルに入る15℃の流体の初期状態は、最初のチャネル分離および次のセグメントへの入力温度として使用される各セグメントからの流体温度の算出値に使用され得る。これらの値は、チャネルの長さに沿う表面温度マトリックスおよびチャネルの端部における基板の最終的な表面温度を生成するために利用され得る。マトラボのシミュレーションの結果は、マイクロチャネルの出口における表面温度が21.17℃となることを示す。これは55℃の仕様において良好である(マイクロチャネルの長さに沿うシリコン表面温度のグラフに関して図8を参照のこと)。
したがって、開示される実施形態は、高出力の用途のためのDMDの冷却性能を、シリコンウェハの裏側に形成され標準のマイクロリソグラフィ技術を使用してDMDチップの製造と連動して製造される一連のマイクロチャネルから成る、DMDチップの内部に配置される集積ヒートシンクを使用して高める手法を記載する。概念は部分的にコンピュータシミュレーションを使用して立証されたことに、留意されたい。水およびエチレングリコールの混合物から成る冷却材を15℃でマイクロチャネルにおいて使用し、チップ表面の最大温度が最大出力の許容レベルに維持され得ることを示すために、計算が使用された。開示される実施形態の利点は、DMDが高出力の用途のための出力要件を満たせることを含む。
前述の事項に基づいて、多数の異なる実施形態が本明細書において開示されることが、理解され得る。例えば、1つの実施形態において、DMD冷却装置は以下を含んで構成され得る:基板上に構成されるDMD;その上にDMDが構成される基板内に配置され一体化されるヒートシンク;および、基板の裏側に構成される複数のマイクロチャネルであって、複数のマイクロチャネルはDMDの製造と関連して製造され、それにより、ヒートシンクはシリコン基板内へ一体化され直熱を基板から除去できる、マイクロチャネル。
一部の例示的な実施形態において、マイクロチャネルは、マイクロリソグラフィを介してDMDの製造と関連して製造され得る。1つの例示的な実施形態において、上述の基板はシリコンを備え得る。さらなる別の例示的な実施形態において、DMDは、筐体および筐体から形成される入口ポートおよび出口ポートを含み得る。そのような筐体は、一部の例示的な実施形態において、アルミナ筐体として構成され得る。
一部の例示的な実施形態において、流体路は、入口ポートと出口ポートとの間に形成されることができ、流体路はマイクロチャネルを備える。さらなる他の例示的な実施形態において、DMD冷却装置は、基板の下側に位置する冷却液を収容するエポキシシールを含むことができ、それにより、冷却液はDMDの上部表面においてミラーを妨げない。
さらなる別の例示的な実施形態において、DMD冷却装置は、基板上に構成されるDMDを含んで実装されることができ、DMDは以下を備える:筐体および筐体から形成される入口ポートおよび出口ポート;その上にDMDが構成される基板内に配置され一体化されるヒートシンク;および、基板の裏側に構成される複数のマイクロチャネルであって、複数のマイクロチャネルはマイクロリソグラフィを介してDMDの製造と関連して製造され、それにより、ヒートシンクはシリコン基板内に統合され直熱を基板から除去できる、マイクロチャネル。
さらなる別の例示的な実施形態において、DMD冷却装置を製造する方法は、以下のようなステップまたは工程を含み得る:DMDを基板上に構成すること;その上にDMDが構成される基板内に一体化されるヒートシンクを配置すること;および、複数のマイクロチャネルを基板の裏側に構成することであって、複数のマイクロチャネルはDMDの製造と関連して製造され、それにより、ヒートシンクはシリコン基板内に一体化され直熱を基板から除去できる、構成すること。
追加的なステップまたは工程は、以下を含み得る:複数のマイクロチャネルを、マイクロリソグラフィを介してDMDの製造と関連して構成すること;DMDを、筐体を含むよう構成すること;入口ポートおよび出口ポートを筐体から形成すること;および/または、流体路を入口ポートと出口ポートとの間に形成することであって、流体路は複数のマイクロチャネルを備える、形成すること。さらなる別の例示的な実施形態において、ステップまたは工程は、基板の下側に位置する冷却液を収容するエポキシシールを提供するために実装されることができ、これにより、冷却液はDMDの上部表面においてミラーを妨げない。

Claims (10)

  1. 基板上に構成されるDMDと、
    その上に前記DMDが構成される前記基板内に配置され一体化されるヒートシンクと、
    前記基板の裏側に構成される複数のマイクロチャネルであって、前記複数のマイクロチャネルは前記DMDの製造と関連して製造され、それにより、前記ヒートシンクは前記シリコン基板内に一体化され直熱を前記基板から除去できる、マイクロチャネルと、
    を備える、DMD冷却装置。
  2. 前記複数のマイクロチャネルは、マイクロリソグラフィを介して前記DMDの前記製造と関連して製造される、請求項1に記載の装置。
  3. 前記基板はシリコンを備える、請求項1に記載の装置。
  4. 前記DMDは、筐体および前記筐体から形成される入口ポートおよび出口ポートを備える、請求項1に記載の装置。
  5. 基板上に構成されるDMDであって、前記DMDは筐体および前記筐体から形成される入口ポートおよび出口ポートを備える、DMDと、
    その上に前記DMDが構成される前記基板内に配置され一体化されるヒートシンクと、
    前記基板の裏側に構成される複数のマイクロチャネルであって、前記複数のマイクロチャネルはマイクロリソグラフィを介して前記DMDの製造と関連して製造され、それにより、前記ヒートシンクは、前記シリコン基板内に一体化され直熱を前記基板から除去できる、マイクロチャネルと、
    を備える、DMD冷却装置。
  6. 前記基板はシリコンを備える、請求項5に記載の装置。
  7. 前記筐体はアルミナ筐体を備える、請求項5に記載の装置。
  8. DMDを基板上に構成することと、
    その上に前記DMDが構成される前記基板内に一体化されるヒートシンクを配置することと、
    前記基板の裏側に複数のマイクロチャネルを構成することであって、前記複数のマイクロチャネルは前記DMDの製造と関連して製造され、それにより、前記ヒートシンクは前記シリコン基板内に一体化され直熱を前記基板から除去できる、構成することと、
    を備える、DMD冷却装置を製造する方法。
  9. 前記複数のマイクロチャネルを、マイクロリソグラフィを介して前記DMDの前記製造と関連して構成することを、さらに備える、請求項8に記載の方法。
  10. 前記DMDを、筐体を含むよう構成することと、
    入口ポートおよび出口ポートを前記筐体から形成することと、
    をさらに備える、請求項8に記載の方法。

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