JP2019038100A - モノリシック相変化熱放散デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】モノリシック相変化熱放散デバイスを提供する。
【解決手段】モノリシック蒸気チャンバ熱放散デバイスは、相変化液体１３および１つ以上のウィック１１を使用して、デバイス基板７からの熱を放散する。相変化液体１３および１つ以上のウィック１１は、デバイス基板７に直接連結されてもよく、または中間蒸発器基板に連結されてもよい。相変化液体１３は、それがデバイス基板７からの熱を吸収するにつれて蒸発する。蒸気が上昇し、凝縮器基板３に遭遇すると、蒸気は凝縮し、凝縮器基板３に熱を伝達する。凝縮した蒸気は、重力および１つ以上のウィック１１によって、デバイス基板７に連結された相変化液体１３に引き込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスのための熱放散デバイスに関する。

ヒートスプレッダやヒートシンクなどの熱放散デバイスは、電子デバイスから熱を放散するために使用される。典型的なヒートシンクは、対流を使用して、加熱された空気をデバイスから引き離す冷却ファンを有する。代替的に、ヒートスプレッダは、熱が電子デバイスからヒートスプレッダに伝わり、熱がデバイスから放散することを可能にするように、電子デバイスに物理的に連結される。ヒートスプレッダは、典型的には、デバイスからヒートスプレッダへの熱伝達率を最大にするために、高い熱伝導率を有する材料で作製される。

一実施形態では、凝縮器基板と、デバイス表面および後方表面を有するデバイス基板とを備える蒸気チャンバを含むモノリシック微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスが提供される。蒸気チャンバは、デバイス基板の表面のうちの１つと凝縮器基板との間に封入され、凝縮器基板は、デバイス基板と実質的に同じフットプリントを有し、１つ以上のウィックが蒸気チャンバ内に延在する。

いくつかの実施形態によれば、蒸気チャンバを含むモノリシック微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスであって、凝縮器基板と、デバイス表面および後方表面を有するデバイス基板とを備え、蒸気チャンバが、凝縮器基板とデバイス基板のデバイス表面または後方表面のうちの１つとの間に封入され、凝縮器基板が、デバイス基板とほぼ同じフットプリントを有する、モノリシック微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスが提供される。デバイスは前記蒸気チャンバ内に延在する１つ以上のウィックをさらに備える。

いくつかの実施形態によれば、微小スケール熱放散デバイスであって、電気デバイスを備えるデバイス基板であって、第１の表面積を有する、デバイス基板と、第１の表面積にほぼ等しい第２の表面積を有する凝縮器基板であって、デバイス基板および凝縮器基板が、それらの間に蒸気チャンバを画定するように共に連結される、凝縮器基板と、蒸気チャンバ内の相変化液体と、少なくとも部分的に相変化液体内に配置されるウィックと、を備える、微小スケール熱放散デバイスが提供される。

いくつかの実施形態によれば、微小スケール熱放散デバイスであって、デバイス表面、後方表面、およびデバイス表面上に形成された集積回路を有する、デバイス基板と、デバイス基板に連結されたキャップであって、キャップおよびデバイス基板が、それらの間に形成された蒸気チャンバを有する、キャップと、蒸気チャンバ内の相変化液体と、少なくとも部分的に相変化液体中に配置されたウィックと、外部凝縮器と、蒸気チャンバと外部凝縮器との間に連結された蒸気出口ラインと、を備える、微小スケール熱放散デバイスが提供される。

本出願の様々な態様および実施形態を、以下の図面を参照して説明する。これらの図は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。複数の図に出現する項目は、それらが現れる全ての図において同じ参照番号によって示されている。

図１は、第１の実施形態によるモノリシック相変化熱放散デバイスの概略断面図である。 図２は、図１に示したモノリシック相変化熱放散デバイスの外部の概略図である。 図３は、第２の実施形態による蒸発器表面を有するモノリシック相変化熱放散デバイスの概略断面図である。 図４は、第３の実施形態による外部凝縮器を有するモノリシック相変化熱放散デバイスの概略断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、第４の実施形態による輪郭形成凝縮器基板を有するモノリシック相変化熱放散デバイスの概略断面図および平面図である。 図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、第４の実施形態による輪郭形成凝縮器基板を有するモノリシック相変化熱放散デバイスの概略断面図および平面図である。 図６は、ウェーハ上に形成された複数のモノリシック相変化熱放散デバイスの概略図である。 図７は、第５の実施形態によるモノリシック相変化熱放散デバイスの概略図である。

電子デバイスのサイズが縮小するにつれて、廃熱の熱密度が増加し、デバイスの性能を低下させる、またはデバイスの構成要素を永久的に損傷させる可能性がある。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを含む、電子デバイス、および関連付けられる回路を最適な動作温度で維持するために、ヒートシンクおよびヒートスプレッダなどの熱管理システムを使用して熱を放散することができる。しかしながら、本発明者らは、これらの熱管理システムに関連付けられる問題があることを認識した。例えば、ヒートシンクは、ファンなどの能動的な冷却システムを使用し、これは、電力消費を増加させ、回路に追加の熱を与えることがある。電子デバイスに連結して熱を受動的に伝達する熱伝導性基板を備えるヒートスプレッダは、熱を広げるために、典型的に、デバイス自体よりも大きなフットプリントを有し、これは、デバイスの小型化を妨げる。さらに、典型的な電子デバイスは、ヒートスプレッダの一部に局在し、不均一な熱放散およびホットスポットをもたらす。

上記に鑑み、本出願の態様は、有益な構成を有する様々な熱放散デバイスを提供する。一実施形態では、熱放散デバイスは、ＭＥＭＳデバイスまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの電子デバイスとモノリシック的に集積される。いくつかのそのような実施形態では、熱放散デバイスおよび電気デバイスの受動および能動的構成要素は、単一のチップ内に形成される。モノリシック熱放散デバイスは、いくつかの実施形態では、外部熱界面を取り除くという利点を有し、これは、熱伝達効率を改善する。さらに、モノリシック熱放散デバイス、および１つ以上の電気デバイスを含有する基板は、実質的に同じ長さおよび幅を有することによって同じフットプリントを共有することができ、したがって回路に使用される総スペースを低減または最小化することができる。フットプリントは、１つ以上の電気デバイスを有する基板に限定されるので、熱がより均一に引き出され、ホットスポットが低減される。

本出願の態様は、蒸気チャンバの形態の熱放散デバイスをさらに提供する。受動的構成要素として、蒸気チャンバは、回路に追加の熱を与えることなく熱を放散することができる。一実施形態では、蒸気チャンバは、下部基板に接合された凝縮器表面、下部基板に結合された１つ以上のウィック、および蒸気チャンバに含有される相変化液体を含む。１つ以上のウィックおよび相変化液体は、凝縮器表面と下部基板との間に含有される。

一実施形態では、下部基板は、デバイス表面および後方表面を備えるデバイス基板であり、１つ以上のウィックは、デバイス基板の１つの表面に結合される。一実施形態では、下部基板は、デバイス基板に接合された蒸発器基板であってもよく、凝縮器表面は、蒸発器基板に接合されてもよい。１つ以上のウィックは、蒸発器基板に結合されてもよい。

使用される下部基板の種類に関わらず、少なくともいくつかの実施形態では、蒸気チャンバは、下部基板と接触している相変化液体によりデバイスから生成された熱を吸収することによって機能する。熱によって、相変化液体は蒸発し、相変化によって熱エネルギーを吸収する。蒸気が凝縮器基板に当たると、蒸気は、冷却されて液体に戻り、これは、１つ以上のウィックからの重力または毛細管圧力によって下部基板に向かって引き出される。蒸発および凝縮プロセスにより、熱は、蒸気チャンバ全体に均一に広がる。

ここで図面を参照すると、図１は、回路に集積されたモノリシックＭＥＭＳ熱放散デバイスの第１の実施形態の断面図を示す。一実施形態では、熱放散デバイスは、金属または熱接着剤のような接合材料５でデバイス基板７の後方表面６に接合された凝縮器基板３を備える蒸気チャンバ１であり、これは、内部に埋め込まれた１つ以上のデバイス９を有する。蒸気チャンバ１内で、１つ以上のウィック１１がデバイス基板７に結合され、相変化液体１３で充填された蒸気チャンバ１内に延在している。

モノリシック蒸気チャンバ１は、本実施形態ではデバイス基板７と同じフットプリントを有することができ、図２の外部斜視図に示すように、これはそれらが長さＬおよび幅Ｗを共有することを意味する。その結果、モノリシック蒸気チャンバ１は、デバイス基板７とほぼまたは実質的に同じ面積を占めることができる。図示されているようないくつかの実施形態では、モノリシック蒸気チャンバ１は、デバイス基板７の面積以下の面積を占有する。モノリシック蒸気チャンバ１の高さＨ１（ＬとＷの両方に垂直な）は、任意の好適な値を採ることができる。一実施形態では、蒸気チャンバ１は、デバイス基板７の高さよりも実質的に高い高さを有する。一実施形態では、幅Ｗおよび長さＬは、１ｍｍ〜１０ｃｍの間であってもよいが、幅Ｗおよび長さＬは、等しい必要はない。別の実施形態では、蒸気チャンバ１の長さＬおよび幅Ｗは、高さよりも実質的に大きい。例えば、長さＬおよび幅Ｗは、高さ（その範囲内の任意の値を含む）の１〜１０，０００倍の間であってもよい。図１に示す蒸気チャンバ１は長方形であるが、他の好適な形状が可能である。

凝縮器基板３は、任意の好適な材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、凝縮器基板３は、銅、アルミニウム、黄銅、鋼、青銅、前述の材料の合金、または別の好適な材料などの熱伝導性材料から形成される。少なくともいくつかの実施形態では、凝縮器基板３は、微細加工設備（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆａｃｉｌｉｔｙ）において加工することができるように、微細加工技術（例えば、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）加工）に適合する材料で形成される。一実施形態では、１つ以上のウィックに面する凝縮器基板３の内表面は、疎水性表面を有してもよい。疎水性表面は、テクスチャ加工されたコーティングを有してもよく、または相変化液体１３をはじく材料から形成されてもよい。一実施形態では、凝縮器基板３の内表面の一部のみが疎水性である。他の実施形態では、凝縮器基板３の内表面の異なる部分は、異なる疎水性材料および／または構造で形成することができる。凝縮器基板３は、蒸気チャンバ１およびデバイス基板７と同じ幅Ｗおよび長さＬを有してもよい。

デバイス基板７は、任意の好適な材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、デバイス基板７は、シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ガラスホウケイ酸塩、または別の好適な材料を含む。他の実施形態では、デバイス基板７は、スパッタリングされたおよび／または電気メッキ材料でコーティングされてもよい。例えば、デバイス基板７の後方表面６は、熱伝導率を改善する材料でコーティングされてもよく、またはデバイス基板７を、相変化液体１３から保護してもよい。デバイス基板７は、蒸気チャンバ１および凝縮器基板３とほぼまはた実質的に同じ幅Ｗおよび長さＬを有することができる。一実施形態では、デバイス基板７は、ウェーハに接合されてもよい。別の実施形態では、デバイス基板７は、プリント回路基板に接合されてもよい。

デバイス基板７内において、１つ以上のデバイス９は、１つ以上のデバイス９がデバイス基板７のデバイス表面８上に露出されるように埋め込まれてもよい。一実施形態では、デバイス９は、ＭＥＭＳ構成要素、ＩＣ構成要素、または他の熱生成構成要素を表すことができる。いくつかの実施形態では、デバイス９は、デバイス基板７にモノリシックに形成される。いくつかの実施形態では、１つ以上のデバイス９は、例えば、フリップチップ接合、またはウェルまたはトレンチ内への構成要素の載置、接着剤、締まり嵌め、圧入または別の好適な取り付け機構によってそれらを取り付けることによって、デバイス基板７に取り付けられる。１つ以上のデバイス９は、デバイス基板７のデバイス表面８からデバイス基板７の後方表面６まで延在していてもよく、またはデバイス基板７の厚さにわたって部分的にのみ延在していてもよい。さらに、１つ以上のデバイス９は、デバイス基板７の全長を占めてもよく、または離間していてもよい。一実施形態では、１つ以上のデバイス９は、均等に離間され、他では、１つ以上のデバイス９は、不均一に離間される。いくつかの非限定的な実施形態では、１つ以上のデバイス９は、マイクロプロセッサ、メモリ、増幅器、発振器、タイマ、カウンタ、スイッチ、コンパレータ、受信器、電圧調整器、論理ゲート、センサ、または任意の他の好適な集積回路構成要素を備えることができる。

デバイス基板９および凝縮器基板３は、蒸気チャンバ１の周囲に沿って一緒に接合することができる。一実施形態では、接合方法は、接着接合、陽極接合、共融接合、または別の好適な接合方法を含むことができる。接合材料５は、熱接着剤、ポリマー、エポキシ、紫外線硬化性化合物、シリコン、または他の好適な材料を含むことができる。使用される接合方法に依存して、デバイス基板７の後方表面６は、凝縮器基板３に直接接合されてもよい。代替的に、接合材料５は、デバイス基板７の後方表面６と凝縮器基板３とを接合してもよい。

図１に示すように、図示されるようないくつかの実施形態では、デバイス基板７自体が、介在する基板を伴わずに、蒸気チャンバの蒸発器として機能することができることは、図１の構成から理解されるべきである。一実施形態では、蒸気チャンバキャビティは、デバイス基板の表面に部分的にエッチングされる。

蒸気チャンバ１の１つ以上のウィック１１は、任意の好適な材料から形成され、任意の好適な寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のウィック１１は、ステンレス鋼、銅、シリコン、カーボンナノチューブ、酸化銅、または任意の他の好適な材料を含む。材料は、メッシュ、モノポーラスパウダー、２成分パウダー、焼結パウダー、官能化パウダー、マイクログルーブ、またはピラーとして形成することができる。さらに、１つ以上のウィック１１は、コーティングされ、官能化され、ナノ構造化され、テクスチャ加工され、酸化され、メッキされ、不均一に構造化され、パターン化され、および／または焼結され得る。１つ以上のウィック１１の気孔率は、０．３〜０．５であり、１つ以上のウィック１１の最大熱束は、１０〜２０００Ｗ／ｃｍ^２の間であり得る。厚さおよび高さは、変化し得るが、ウィックの厚さＴは、１〜１００μｍの範囲であり、高さＨ２は、１０μｍ〜１ｍｍの範囲であり得る。組み合わされる１つ以上のウィックの全ての長さは、１〜１０ｍｍの範囲であり得る。

１つ以上のウィック１１は、任意の好適な方法で位置付けすることができる。一実施形態では、１つ以上のウィック１１は、デバイス基板７の後方表面６にわたって均等に離間される。別の実施形態では、１つ以上のウィック１１は、デバイス基板７の後方表面６にわたって不規則に載置されるかまたは不均一に分布される。１つ以上のウィック１１は、焼結、成長、接着、または任意の他の好適な取り付け方法によって、デバイス基板７の後方表面６に結合することができる。一実施形態では、１つ以上のウィック１１は、全体としてデバイス基板７の後方表面６に取り付けられたシート上に製作される。

相変化液体１３は、任意の好適な流体であってもよい。一実施形態では、相変化液体１３は、水、メチルアルコール、アンモニア、グリセリン、または別の好適な流体を含む。他の実施形態では、界面活性剤などの増強剤を添加することができる。相変化液体１３の量は、蒸発が生じていないときに、１つ以上のウィック１１が相変化液体１３に完全に浸漬されないようなものであってもよい。

図１の非限定的な例において、モノリシック蒸気チャンバ１は、１つ以上のデバイス９によって生成された熱を分散させる。デバイス基板７のデバイス表面８において、１つ以上のデバイス９は、動作中に熱を生成し得る。デバイス熱の無視できない部分、場合によっては大部分は、相変化液体１３と接触しているデバイス基板７の後方表面６を通って伝導されてもよい。相変化液体１３が熱を吸収して、蒸発すると、熱がデバイス基板７から伝達される。蒸気は、凝縮器基板３に向かって上昇し、蒸気は、液体へと凝縮し、凝縮プロセスは、デバイス熱を凝縮器基板３に伝達する。１つ以上のウィック１１からの重力および毛細管圧力によって、液体は、デバイス基板７の後方表面６に接触するように戻る。プロセスが受動的であるので、熱放散デバイスは、熱を分配するために外部入力を必要としない。

複数のデバイスを有する一実施形態では、デバイス９のうちの少なくとも１つが、異なる形状にされ、他のものとは異なる熱量を生成することができる。例えば、プロセッサは、大量の熱を発生するが、より大きいメモリチップは、著しく少ない熱を生成することがある。一実施形態では、複数のデバイスからの熱が後方表面６の部分に重ね合わされるように、複数のデバイスを位置付けすることができる。その結果、デバイス基板７の後方表面６にわたる熱束が、異なることがある。さらに、熱は、主にデバイス基板７の後方表面６を介して放散され得るが、熱の一部は、デバイス基板７のデバイス表面８から放散し得る。

一実施形態では、凝縮器基板３は、温度を調整するように変更されてもよい。例えば、凝縮器基板３を既定の温度以下に保つことにより、より低温の基板上で蒸気がより迅速に凝縮するので、凝縮プロセスを加速し、熱伝達効率を改善することができる、。蒸気が凝縮して、凝縮器基板３に熱を伝達するとき、凝縮器基板３は周囲の空気に熱を放散することができる。一実施形態では、空気への熱放散の速度は、凝縮による熱伝達の速度よりも速くすることができる。その結果、凝縮器基板の温度が上昇し、凝縮および熱伝達の速度が遅くなる可能性がある。一実施形態では、凝縮器基板３の外表面は、凝縮器基板３からの熱放散の速度を増加させるために、水または冷却空気などの冷却流体によって取り囲まれてもよい。他の実施形態では、冷却流体は、熱放散デバイスから放散された熱を吸い上げるために、凝縮器基板３の外表面の周りを循環してもよい。

図３は、第２の実施形態によるモノリシック蒸気チャンバの断面を示す。蒸気チャンバ１は、相変化液体１３を有する蒸発器基板１５の第１の表面１０と、凝縮器基板３および蒸発器基板１５によって形成される蒸気チャンバ１内に含有される１つ以上のウィック１１とに接合された凝縮器基板３を備える。１つ以上のウィック１１は、蒸発器基板１５の第１の表面１０に結合される。第１の表面１０とは反対の蒸発器基板１５の第２の表面１２は、図１に関連して先に説明したデバイス基板７のデバイス表面８に接合することができる。デバイス表面８からデバイス基板７の後方表面６まで、スルーシリコンビア（ＴＳＶ）１７を形成することができる。

凝縮器基板３は、蒸気チャンバ１の外部周囲に沿って蒸発器基板１５に接合することができる。一実施形態では、接合方法は、接着接合、陽極接合、共融接合、または別の好適な接合方法を含むことができる。凝縮器基板３と蒸発器基板１５との間の接合材料５は、断熱性であってもよいが、別個の熱伝導性部分を有する実施形態も可能である。

本実施形態の１つ以上のウィック１１および相変化流体１３は、図１に関連して先に説明したものと同じであってもよい。さらに、蒸気チャンバ１のフットプリントは、デバイス基板７のフットプリントと同じであってもよい。一実施形態では、凝縮器基板３、蒸発器基板１５、およびデバイス基板７は、実質的に同じ長さＬおよび幅（図示せず）を有する。

図１の実施形態とは対照的に、本実施形態は、凝縮器基板３とデバイス基板７との間に蒸発器基板１５を有する。蒸発器基板１５は、凝縮器基板３とデバイス基板７との間の追加の熱界面として働くので、本実施形態の熱伝達効率は、図１の実施形態のものよりも低くてもよい。蒸発器基板１５は、任意の好適な材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、蒸発器基板１５は、銅、アルミニウム、黄銅、鋼、青銅、前述の材料の合金、または別の好適な材料を含む。他の実施形態では、蒸発器基板１５の第１および／または第２の表面１０、１２は、スパッタリングされたおよび／または電気メッキ材料でテクスチャ加工またはコーティングされてもよい。例えば、蒸発器基板１５の第１および／または第２の表面１０、１２は、熱伝導率を改善する材料でコーティングされていてもよく、または蒸発器基板１５を、相変化液体１３から保護してもよい。

蒸発器基板１５の第２の表面１２は、デバイス基板７のデバイス表面８に接合されていてもよい。一実施形態において、接合方法は、上記のものを含むことができる。さらに、蒸発器基板１５とデバイス基板７との間の接合材料５は、蒸発器基板１５とデバイス基板７を熱的に連結して、それらの間で熱を効率的に伝達することができる。

図１の実施形態は、デバイス基板７の後方表面６を蒸気チャンバ１に連結するが、本実施形態は、デバイス基板７のデバイス表面８を蒸気チャンバ１の蒸発器基板１５に接合する。一実施形態では、１つ以上のデバイス９は、デバイス基板７のデバイス表面８と同一平面上にあり、蒸発器基板１５をデバイス基板７に接合するために使用される材料と接触する。図１のように、デバイス基板７は、上に列挙したものを含む任意の好適な材料を含むことができる。１つ以上のデバイス９は、デバイス基板７のデバイス表面８に埋め込まれてもよい。デバイス熱は、実質的に蒸発器基板１５に伝達されるが、デバイス熱の一部は、デバイス基板７の後方表面６を介して放散されてもよい。

１つ以上のデバイス９が蒸気チャンバ１に面している場合、デバイス９への電気的接続を可能にするために電気アクセス構造が提供され得る。図示された実施形態では、ＴＳＶ１７は、シリコンデバイス基板７のデバイス表面８の１つ以上のデバイス９を後方表面に導電的に連結する。ＴＳＶ１７は、シリコンを通る垂直方向の電気接続を含むことができる。１つのＴＳＶ１７または１つ以上のデバイス９のうちの各々、または１つ以上のデバイス９のいくつかを一緒に連結する単一のＴＳＶ１７が存在し得る。ＴＳＶの数は限定的ではない。各々のＴＳＶ１７は、正方形、円形、または２０〜５０のアスペクト比を有する別の好適な形状の１０〜２０μｍの開口部を含むことができる。開口部は、銅、銀、合金、または他の好適な材料のような導電性金属ペーストで充填される。一実施形態では、開口部は、導電性金属ペーストで充填する前に、二酸化ケイ素などの材料でライニングされてもよい。１つ以上のデバイス９は、デバイス基板７によって回路の残りの部分から絶縁され、１つ以上のデバイス９を導電的に接続することができる。

図４は、第３の実施形態による、外部凝縮器を有するモノリシック蒸気チャンバ熱放散器を示す。蒸気チャンバ１は、第１の表面１４および第２の表面１６を有する熱電発電器２１に接合された蒸発器基板１５に接合された凝縮器基板３を備える。蒸気チャンバ１は、相変化液体１３および１つ以上のウィック１１を含有する。蒸気チャンバ１の外部には、蒸気ライン２３および液体ライン２５によって蒸気チャンバ１に接続された凝縮器１９がある。

凝縮器基板３、蒸発器基板１５、相変化液体１３、および１つ以上のウィック１１を含む蒸気チャンバ１の構成要素は、先の実施形態に関連して上述したものと同じであってもよい。

熱電発電器２１は、熱電材料を有する回路を備えることができる。一実施形態では、熱電材料は、テルル化ビスマスおよびテルル化鉛、テルル化鉛、または任意の他の好適な材料を含むが、これらに限定されない、シリコンゲルマニウム、ビスマスまたは鉛の合金を含むことができる。熱電発電器２１は、第１の表面１４と第２の表面１６との間に含有される個々の熱電素子を備えることができる。熱電発電器２１の長さＬ／および幅（図示せず）は、蒸気チャンバ１とほぼ同じであってもよく、または実質的に同じであってもよい。熱電発電器２１は、図１で説明したように蒸発器基板１５に接合されてもよい。

凝縮器１９は、空冷凝縮器、水冷凝縮器、蒸発凝縮器、フィン付き凝縮器、シェルアンドチューブ凝縮器、二重管凝縮器、または別の好適な凝縮器を備えることができる。凝縮器材料は、熱伝達能力を最大にすることができる。したがって、凝縮器１９は、銅、黄銅、銅ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼、または別の好適な材料で形成することができる。一実施形態では、凝縮器１９は、蒸気チャンバ１よりも大きい。別の実施形態では、凝縮器１９は、コイル、ウィック、フィン、または別の好適な構造を含むことができるが、これらに限定されない１つ以上の構造を備える。

蒸気ライン２３および液体ライン２５は、凝縮器１９を蒸気チャンバ１に接続する。蒸気ライン２３および液体ライン２５は、１〜１００μｍの直径および１〜１００ｃｍの長さを有する微小毛細管を備えることができる。一実施形態では、蒸気ライン２３および液体ライン２５は、銅、ガラス、または別の好適な材料で形成される。

第１の表面１４で熱電発電器２１に熱が加えられると、熱電発電器２１は、その熱を導電性リード線（図示せず）を通って導出される電気に変換することができる。いずれの残留熱も、熱電発電器２１の第２の表面１６から蒸発器基板１５内に放散され得る。蒸発器基板１５が熱を受けると、熱は、蒸発プロセスを通して蒸発し、さらに熱を吸収する相変化媒体によって吸収される。蒸気の一部は、蒸気が、凝縮して液体に戻るときに凝縮器基板３に熱を伝達する、凝縮器基板３まで上昇する。液体は、重力または１つ以上のウィック１１によって蒸発器基板１５に向かって引き出される。

残りの蒸気は、蒸気ライン２３を通って凝縮器１９に入る。いくつかの実施形態では、蒸気ライン２３を通過する蒸気の速度は、蒸気ライン直径２３によって制限される。蒸気は、凝縮器１９の内表面に凝縮し、その後、凝縮器１９に熱を伝達することができる。一実施形態では、凝縮器１９内の１つ以上の構造が、凝縮および熱伝達率を増加させる。別の実施形態では、凝縮器１９は、凝縮器１９よりも大きな熱伝達率を有する。

蒸気が凝縮して液体の状態に戻った後、液体ライン２５は、液体を蒸気チャンバ１に戻す。一実施形態では、液体ライン２５の直径は、液体を蒸気チャンバ１に戻す速度を制限する。他の実施形態では、液体ラインを介して蒸気チャンバ１に戻る液体は、蒸気チャンバ１内で蒸発し、凝縮した液体よりも低温である。

図５Ａおよび図５Ｂは、第４の実施形態によるモノリシック蒸気チャンバ熱放散器を示す。蒸気チャンバは、熱電発電器２１と、１つ以上のウィック１１を各々含有する個々の蒸気チャンバ１を形成する輪郭形成凝縮器基板３と、相変化液体１３とを備える。

図１および図４に関連して説明した凝縮器基板と同様に、図５Ａおよび図５Ｂの輪郭形成凝縮器基板３は、任意の好適な材料を含むことができ、熱伝導率を維持する任意の好適な方法を使用して熱電発電器２１に接合することができる。一実施形態では、輪郭形成凝縮器基板３は、複数のチャンバ１を画定する等間隔の凹み部２７を有し、２つの隣接する凹み部２７の間に１つのチャンバ１を有する。凹み部２７は、相変化液体１３まで延在し、凝縮器基板３の凹み部２７が相変化液体１３と接触し、蒸気が各々のチャンバ１の間に形成されないようにすることができる。一実施形態では、各々のチャンバ１は、各々のチャンバ１内に含有される１つ以上のウィック１１よりも広い。

輪郭形成凝縮器基板３は、任意の好適な形状を有することができる。図示される実施形態では、輪郭は長方形のピラーを形成する。しかしながら、他の形状が可能である。例えば、円筒形輪郭を使用することができる。また、いくつかの実施形態では、図５Ａおよび５Ｂの蒸気チャンバ１は、傾斜した側壁を有してもよい。したがって、図示した輪郭形状の変形が可能である。

ウィックおよび相変化材料は、図１に関連して説明した特性を有することができる。代替的に、形状および／またはサイズが均一または異なる複数のウィック１１を、各々のチャンバ１内に含むことができる。別の実施形態では、チャンバ１は、均一なサイズであり、輪郭形成凝縮器基板３にわたって離間されてもよく、または異なるサイズおよび間隔を有してもよい。輪郭形成凝縮器基板３を備えるチャンバ１および凹み部２７の全長は、熱電発電器２１との長さＬおよび幅Ｗを共有することができる。

熱電発電器２１は、図４に示すように、任意の好適な形態および材料を含むことができる。図示される実施形態では、熱電発電器２１は、周囲に沿って凝縮器基板３に直接接合され、相変化液体１３および１つ以上のウィック１１は、熱電発電器２１の表面に接触している。図１の実施形態と同様に、蒸発器基板がないことは、熱電発電器２１と蒸気チャンバ１との間の熱界面の数を低減させ、結果として熱伝達効率を増加させる。

モノリシック熱放散デバイスは、本出願の実施形態によるウェーハレベルで形成することができる。このようなウェーハレベルの加工は、複数の熱放散デバイスを同時に形成することができ、これは、次にダイシングして個々のデバイスを形成することができる。図６は、複数のモノリシック蒸気チャンバ放散デバイス３１を含むウェーハレベル構造を示す。図示された構造は、デバイスウェーハ２９および凝縮器ウェーハ３０を含むことができる。デバイスウェーハ２９は、デバイス基板７の集合のような、本明細書で前述した種類のデバイスを含むことができる。凝縮器ウェーハ３０は、本明細書で前述した種類の凝縮器基板を形成するようにパターン化することができる。したがって、本明細書に記載のモノリシック蒸気チャンバ熱放散デバイスのいずれかを表す複数のモノリシック蒸気チャンバ放散デバイス３１を形成することができる。一実施形態では、物理蒸着、化学蒸着、ウェットエッチング、ドライエッチング、微小機械、接合、フォトリソグラフィ、およびスパッタリングを含むが、これらに限定されない技術を使用して、蒸気チャンバを全て同時に製作することができる。蒸気チャンバは同一であってもよいが、上記のような異なる特徴を有する蒸気チャンバを製作することが可能である。上述した実施形態のいずれかまたは実施形態の組み合わせは、ウェーハ上に製作することができる。例えば、輪郭形成凝縮器表面を有するモノリシック熱放散器は、蒸発器表面を使用する熱放散デバイスの横に製作することができる。

本出願のいくつかの態様によれば、デバイス基板および熱放散デバイスは、様々な理由により、異なるフットプリントを有し得る。例えば、デバイス基板へ電気的に接触させることは、熱放散デバイスと重ならないデバイス基板の一部分を有することによって容易にされ得る。図７は、異なるフットプリントを有する熱放散デバイスおよびデバイス基板の実施形態を示す。熱放散デバイスは、例えばワイヤ接合または他の方法で外部構造との接続を容易にするために表面上に露出された１つ以上のパッド３３を有するデバイス基板７に装着された凝縮器基板３を備えることができる。

先の実施形態と同様に、デバイス基板７および凝縮器基板３は、任意の好適な材料で形成され、任意の好適な方法で接合され、任意の好適な寸法を有する。図示される実施形態では、デバイス基板７は、凝縮器基板の面積Ａ１が、デバイス基板７の面積Ａ２より小さいように、凝縮器基板３よりも大きいフットプリントを有する。いくつかの実施形態では、凝縮器基板３の面積Ａ１は、デバイス基板７の面積Ａ２の±２０％の範囲内にある（その範囲内に任意の値を含む）。デバイス基板７の長さＬ１および幅Ｗ１の一方または両方は、凝縮器基板３の長さＬ２および幅Ｗ２とは異なり、デバイス基板７の一方または複数の辺が凝縮器基板３の縁部を越えて延在するか、またはその逆になる。

デバイス基板７と凝縮器基板３との間には、好適な寸法の中間基板があってもよい。中間基板は、デバイス基板７または凝縮器基板３のいずれかのフットプリントと同じフットプリントを有してもよく、またはこれらの２つのサイズの間にあってもよい。

複数のダイシングステップを使用して、凝縮器基板３と異なるフットプリントを有するデバイス基板７を有するモノリシックデバイスを製作することができる。一実施形態では、デバイス基板７および凝縮器基板３の一方を第１の領域にダイシングし、次にデバイス基板７および凝縮器基板の他方を第２の領域にダイシングする。代替的なダイシングプロセスが可能である。

凝縮器基板３よりも大きいデバイス基板７を有する実施形態では、１つ以上のパッド３３が、デバイス基板７の表面上に露出されてもよい。１つ以上のパッド３３は、デバイス基板７内の１つ以上のデバイスへの電気的接続を提供することができる。一実施形態では、１つ以上のパッド３３は、デバイス基板７内に延在するＴＳＶを被覆し、電気的に連結されてもよい。１つ以上のパッド３３は、他の好適な接続方法が可能であるが、１つ以上のデバイスを、外部回路に接続するためにワイヤにはんだ付けまたはろう付けすることができる。

ある基板の別の基板に対する張り出しはまた、流体接続を可能にし得る。例えば、蒸気ライン２３および液体ライン２５は、基板の露出表面に接続することができ、したがって、対向する基板によって被覆されていない基板の一部分を有することによって接続が容易になり得る。したがって、例えば、図４の実施形態は、蒸気ラインおよび／または液体ラインの接続のために露出領域を基板のうちの１つに設けるように変更することができる。

「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、いくつかの実施形態では、目標値の±２％以内を意味するように使用され得る。「ほぼ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、目標値を含むことができる。

以下が特許請求される。

１ 蒸気チャンバ
３ 凝縮器基板
５ 接合材料
６ 後方表面
７ デバイス基板
８ デバイス表面
９ デバイス基板
９ デバイス
１０ 第１の表面
１２ 第２の表面
１３ 相変化液体
１４ 第１の表面
１５ 蒸発器基板
１６ 第２の表面
１７ スルーシリコンビア（ＴＳＶ）
１９ 凝縮器
２１ 熱電発電器
２３ 蒸気ライン
２５ 液体ライン
２７ 凹み部
２９ デバイスウェーハ
３０ 凝縮器ウェーハ
３１ モノリシック蒸気チャンバ放散デバイス

Claims (20)

1. 蒸気チャンバを含むモノリシック微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
   凝縮器基板と、
   デバイス表面および後方表面を有するデバイス基板であって、
   前記蒸気チャンバが、前記凝縮器基板と前記デバイス基板の前記デバイス表面または後方表面のうちの１つとの間に封入され、前記凝縮器基板が、前記デバイス基板とほぼ同じフットプリントを有する、デバイス基板と、
   前記蒸気チャンバ内に延在する１つ以上のウィックと、
   を備える、モノリシック微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイス。
2. 前記凝縮器基板が、前記デバイス基板の前記後方表面に接合されている、請求項１に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
3. 前記蒸気チャンバが、前記デバイス基板の前記後方表面と前記凝縮器基板との間に封入されている、請求項２に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
4. 前記蒸気チャンバ内に相変化材料をさらに含む、請求項１に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
5. 蒸発器基板が、前記デバイス基板に接合されている、請求項１に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
6. 前記デバイス基板の前記デバイス表面と前記後方表面との間に１つ以上の貫通シリコンビアをさらに備える、請求項５に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
7. 前記凝縮器基板が、前記蒸発器基板に接合されている、請求項６に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
8. 前記１つ以上のウィックが、前記蒸発器基板に結合されている、請求項５に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
9. 前記凝縮器基板が輪郭を形成し、複数のチャンバを画定するように前記デバイス基板に接合される、請求項１に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
10. 前記複数のチャンバのうちの第１および第２のチャンバが、前記１つ以上のウィックのうちの少なくとも１つを各々含む、請求項９に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
11. 前記１つ以上のウィックが、前記デバイス基板に結合されている、請求項１に記載のモノリシックＭＥＭＳデバイス。
12. 微小スケール熱放散デバイスであって、
    電気デバイスを備えるデバイス基板であって、第１の表面積を有するデバイス基板と、
    前記第１の表面積とほぼ等しい第２の表面積を有する凝縮器基板であって、前記デバイス基板および凝縮器基板が、それらの間に蒸気チャンバを画定するように共に連結される、凝縮器基板と、
    前記蒸気チャンバ内の相変化液体と、
    少なくとも部分的に前記相変化液体中に配置されたウィックと、
    を備える、微小スケール熱放散デバイス。
13. 前記デバイス基板が、デバイス表面と、前記デバイス表面とは反対の後方表面とを有し、前記デバイス表面が、前記後方表面と前記凝縮器基板との間にある、請求項１２に記載の微小スケール熱放散デバイス。
14. 前記デバイス基板が、前記電気デバイスへの電気的接続を提供する貫通シリコンビア（ＴＳＶ）を備える、請求項１３に記載の微小スケール熱放散デバイス。
15. 前記デバイス基板が、デバイス表面と、前記デバイス表面とは反対の後方表面とを有し、前記後方表面が、前記デバイス表面と前記凝縮器基板との間にある、請求項１２に記載の微小スケール熱放散デバイス。
16. 前記デバイス基板が、前記蒸気チャンバの蒸発器基板を形成する、請求項１５に記載の微小スケール熱放散デバイス。
17. 前記ウィックが、前記蒸気チャンバのそれぞれの区画に配置されている、請求項１２に記載の微小スケール熱放散デバイス。
18. 微小スケール熱放散デバイスであって、
    デバイス表面、後方表面、および前記デバイス表面上に形成された集積回路を有する、デバイス基板と、
    前記デバイス基板に連結されたキャップであって、前記キャップおよび前記デバイス基板が、それらの間に形成された蒸気チャンバを有する、キャップと、
    前記蒸気チャンバ内の相変化液体と、
    少なくとも部分的に前記相変化液体中に配置されたウィックと、
    外部凝縮器と、
    前記蒸気チャンバと前記外部凝縮器との間に連結された蒸気出口ラインと、
    を備える、微小スケール熱放散デバイス。
19. 前記デバイス表面が、前記キャップに面している、請求項１８に記載の微小スケール熱放散デバイス。
20. 前記デバイス表面が、前記キャップから離れて面する、請求項１８に記載の微小スケール熱放散デバイス。