JP5021912B2

JP5021912B2 - 一体型マイクロチャネル冷却装置

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Publication number: JP5021912B2
Application number: JP2005184662A
Authority: JP
Inventors: ラシード・ジョゼ・ベザマ; エヴァン・ジョージ・コルガン; ジョン・ハロルド・マーゲレイン; ロジャー・レイ・シュミット
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP2006019730A; CN1728365A; US7139172B2; TW200610162A; TWI332270B; US20060002088A1; CN100568491C

Description

本発明は、一般に、電子デバイスを冷却する機器および方法に関する。より詳細には、本発明は、半導体ＩＣ（集積回路）チップ・パッケージを効率よく冷却するために流体を分配し、流す機構を改善し、半導体チップの高電力密度領域に対する局所的な冷却能力を向上させるマイクロチャネル冷却による機器および方法に関する。

半導体ＩＣ（集積回路）チップのパッケージおよびモジュールの設計および製造では、（マイクロプロセッサなどの）ＩＣチップ・デバイスによって生じる熱を効果的に取り除いて、このようなデバイスが継続的に高い信頼性で動作するようにし得る機構を実施することが不可欠である。実際、例えば、かなりの量の熱を発生し得るＳＣＭ（シングル・チップ・モジュール）またはＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）内に配設されたコンピュータ・プロセッサ・チップでは、熱を除去することは特に重要である。チップの幾何形状が縮小され、動作スピードが速くなり、その結果、電力密度が高くなるにつれ、熱を効率よく取り除く能力がますます問題になる。ＩＣチップ・モジュールは継続的により高いクロック周波数で動作するように設計されるが、システム性能の向上は主に、このようなＩＣチップ・モジュールから熱を効果的に取り除く能力によって制限されつつある。

半導体ＩＣパッケージ／モジュールおよびその他の電子デバイスを冷却するために様々な熱除去技術が開発されている。例えば、高熱流束（単位面積当たりの電力）または高電力密度（例えば、〜８００Ｗ／ｃｍ^２）の条件下で、ＩＣチップ、ＭＣＭなどの電子デバイス、レーザ・ダイオード・アレイその他の光電子デバイスを冷却するために、マイクロチャネル冷却による機器および方法が提案されている。

図１および図２は、例えば米国特許第４５７３０６７号に記載の従来型マイクロチャネル冷却機器を示す概略図であり、図２には、線１Ｂに沿った図１の断面図を示す。図に示すように、半導体チップ（１０）は、半導体チップ（１０）の前面領域（１１）に形成された回路を含む。チップ（１０）の裏面は、陥凹領域（１２）と、陥凹領域（１２）から上に延びる複数の平行で微視的な熱伝導フィン（１４）とを形成するように加工される。陥凹領域（１２）および熱伝導フィン（１４）により、複数のチャネル（１３）が画定される。透明カバー（１５）は、チップ（１０）の表面およびフィン（１４）の上部と係合し、それによって、透明カバー（１５）内の入力ポート（１６）と出力ポート（１７）の間に、チャネル（１３）を通って冷却液が流れるチャンバが画定される。熱の除去は、フィン（１４）と、チャネル（１３）を貫通して流れる冷却流体との熱接触によって実現される。

図１および図２に示す冷却機器には、それに関連するいくつかの欠点がある。例えば、このような設計では、例えば入力ポート（１６）と出力ポート（１７）の間で（チャネル長が長い）１つの熱交換ゾーンを使用し、入力ポート（１６）および出力ポート（１７）の断面積がマイクロチャネルの総断面積よりも小さいために、かなりの圧力降下が生じ、流れの分布が不均一になる。さらに、ＩＣチップ（１０）の非活動表面に直接、フィン（１４）およびチャネル（１３）を形成するプロセスにより、チップ（１０）の歩留まりが低下し得る。これは、マイクロプロセッサなどの高価なチップでは特に望ましくない。実際、マイクロチャネル冷却装置が故障するか、漏れが生じると、高性能プロセッサの場合にはこの冷却装置よりもはるかに高価なチップは、マイクロチャネル冷却装置とともに失われる。

図３〜図５に、例えば米国特許第５９９８２４０号に記載の別の従来型マイクロチャネル冷却機器を概略的に示す。図３には、複数のマイクロチャネル（２１）が中に形成された領域を有するシリコン・チップ（２０）を示す。これらのマイクロチャネル（２１）は、断面がほぼ矩形の、端部が閉じた複数のスロットまたは溝である。図４に示すように、チップ（２０）は、３つのほぼ矩形の冷却液マニホールド（２３）、（２４）、および（２５）を含むセラミック・フレーム（２２）上に載る。中央のマニホールド（２４）は、一端に形成された冷却液注入ポート（２７）を有する冷却液入力マニホールドであり、外側の２つのマニホールド（２３）および（２５）は、出力マニホールドであり、注入ポート（２７）の反対側の端部に冷却液排出ポート（２６）および（２８）を含む。ダイ（２０）は、マイクロチャネル（２１）がマニホールド（２３）、（２４）、および（２５）に直交するように、セラミック基板（２２）に対して方向づけられる。図５に示すように、チップ（２０）およびセラミック基板（２２）は、２つの冷却液出力ダクト（２９ａ）および１つの冷却液入力ダクト（２９ｂ）を有する接地面（２９）上に装着される。矢印で冷却液が流れる方向を示す。

図３〜図５に示す従来型マイクロチャネル冷却機器はいくつかの欠点を有する。例えば、シリコンを用いてマニホールド・チャネル（２３、２４、２５）を備える基板（２２）を製作すると、この基板は、縁部が尖ったコーナを有する複数のチャネルを基板を貫通して形成するために脆弱になり、製作中に破損する恐れがある。さらに、このような設計では、かなりの圧力降下が生じ、流れの分布が不均一になる。これは、（ｉ）入力ポートおよび出力ポート（２６、２７、２８）の断面積がマイクロチャネルの総断面積よりも小さいことと、（ｉｉ）マイクロチャネル（２１）に供給を行うマニホールド（２３、２４、２５）の溝の断面が一定であることと、（ｉｉｉ）２つの排出マニホールド溝（２３、２５）を使用するときには、マイクロチャネル（２１）が継続して注入マニホールド溝（２４）の下流になることに起因する。

図６および図７は、例えば米国特許第５２１８５１５号に記載の他の従来型マイクロチャネル冷却構造を示す概略図である。図６には、ＩＣチップ（３１）を含む集積回路モジュール（３０）の斜視破断図を示す。ＩＣチップ（３１）は、チップ（３１）の前側（活動）表面（３１ａ）に沿ってハンダ・バンプ用ボンディング部位（３２）を有する。チップ（３１）の裏側（非活動）表面（３１ｂ）は、マイクロチャネル構造（３３）に熱結合する。マイクロチャネル構造（３３）内には、複数のマイクロチャネル（３３ａ）が形成される。マイクロチャネル構造（３３）にカバー・マニホールド（３４）を接合する。図に示すように、カバー・マニホールド（３４）内に、入力および出力用の冷却液送達チャネル（３４ａ）および（３４ｂ）を切削加工または成形する。

図７に、共通の基板または回路ボード上に伏せて装着され、マイクロチャネルにより冷却されるＩＣモジュール（３０）のアレイを含むＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）パッケージに冷却液を供給するのに使用する冷却液供給マニホールド（３５）を示す。冷却液供給マニホールド（３５）は、複数の冷却液供給チャネル（例えば、（３６）、（３７）、（３８）、および（３９））を含む。チャネル（３６）および（３８）は高圧力チャネルであり、チャネル（３７）および（３９）は低圧力チャネルである。マニホールド（３５）は、例えばそれぞれの冷却液供給チャネル（３６）および（３７）内の開口（３６ａ）および（３７ａ）が、回路ボード上の個々の集積回路モジュール（３０）内の開口（３４ａ）および（３４ｂ）と対合するようにプリント配線カードの上に配置されるように適合される。エラストマ・シールを使用して、冷却液供給マニホールド（３５）と集積回路モジュール（３０）を結合する。

図６および図７に示すマイクロチャネル冷却機器には、それに関連する欠点がある。例えば、マイクロチャネル冷却装置（３０）は、（入力マニホールド・チャネル（３４ａ）と出力マニホールド・チャネル（３４ｂ）の間に）１つの熱交換ゾーンとともに形成され、その結果、マイクロチャネル（３３ａ）に沿って、流体の流れにかなりの圧力降下が生じ得る。さらに、カバー・マニホールド（３４）が、圧力降下を小さくするために、複数の熱交換ゾーン用の複数の冷却液送達チャネル（例えば３４ａ）とともに形成される場合、カバー・マニホールド（３４）は、脆くなり、製作中に破損する恐れがあり、それによって製造歩留まりが低下する。

さらに、図７の冷却液供給マニホールド（３５）の設計では、４つのマイクロチャネル注入口からなる所与の列に供給を行うチャネルの断面積が一定であるために、大きな圧力降下が生じ、流れの分布がかなり不均一になり得る。例えば、図７に示すように、供給チャネル（３６）は、４つの開口（３６ａ）を介してモジュール（３０）（図６）の４つの冷却液送達マニホールド（３４ａ）に冷却流体を供給する。最後のマニホールド・セグメント、すなわち下部の２つのマイクロチャネル注入口間における速度、差圧、および総流量を、Ｖ、ΔＰ、およびＱとすると、その上のセグメントでは、速度が２Ｖであり、総流量が２Ｑであることが望ましい。このように速度が速くなると、（流れが層流であるときには、流量と圧力降下の間に１次の依存性があり、流れが乱流のときには、２次の依存性があると仮定すると）流れが層流の場合には、あるセグメントによる圧力降下は〜２ΔＰに等しく、流れが乱流の場合には、〜４ΔＰになる。そのため、４つのマイクロチャネル注入口に供給するマニホールド・チャネルの断面が一定である場合、流れが層流の場合には、マニホールド・チャネルの総圧力降下は〜１０ΔＰになり、流れが乱流の場合には、〜３０ΔＰになることが予想される。この大きな圧力降下により、異なるマイクロフィン区画内で流量変動が誘起されることになり、これは、やはり断面が一定であるが、注入ラインに対して相対的に向きが逆である戻りラインでは補償し得ない。マニホールド・チャネルは、所与のマイクロチャネルよりもかなり大流量の水を運ばなければならないので、速度および断面積はともにより大きくなり、したがって、これら２つの区間の間でレイノルズ数が１０倍に増加することは容易に予想される（または、これを防ぐことは難しい）。冷却能力が、例えば５０Ｗ／ｃｍ^２未満と低い場合には、水の流量の要件は低く、マニホールド・チャネルおよびマイクロチャネルをともに層流領域にすることが可能であるが、流量が多い場合には可能ではない。というのは、マイクロチャネルでは、レイノルズ数が１００〜２００の範囲の流れの型が必要とされ、この場合には、マニホールド・チャネル内の流れの型は層流にならないからである。

上記で論じた従来方式の設計に関連する別の欠点は、「ホット・スポット」領域を有するプロセッサなどのＩＣチップの熱を効率よく除去する機構が設けられていないことである。ホット・スポット領域とは、熱流束（電力／単位面積）がチップの平均熱流束よりもかなり大きくなり得るチップの領域であり、その結果、温度が平均チップ温度よりも〜２０℃高くなることがある。実際、平均チップ電力密度により生じた熱を効率よく除去するために設計される熱の解決策はどれも、チップの「ホット・スポット」領域における熱を除去するには不適切なことがあり、その結果、「ホット・スポット」領域における、またはその付近のチップ素子が故障することがある。
米国特許第４５７３０６７号米国特許第５９９８２４０号米国特許第５２１８５１５号

本発明の実施形態の例は一般に、電子デバイスを冷却する機器および方法、具体的には、パッケージ基板に伏せて装着される電力密度分布が不均一なＩＣ（集積回路）チップをマイクロチャネルにより冷却する機器および方法を含む。

より具体的には、本発明の実施形態の例は、電力密度が平均よりも高い半導体チップの高電力密度領域（すなわち「ホット・スポット」）に対する局所的な冷却能力を変化させる機構を実施して、電力密度が平均よりも高いＩＣチップの「ホット・スポット」区域に対する冷却能力を局所的に高める、マイクロチャネル冷却による機器および方法を含む。

例えば、本発明の実施形態の一例では、電力マップが不均一なＩＣ（集積回路）チップを冷却する一体型マイクロチャネル冷却装置が提供される。このマイクロチャネル冷却装置は、一体型冷却装置内を同じ方向に延びる複数の交互に並んだ入力および出力用のマニホールドと、複数の熱交換ゾーンとを備える。各熱交換ゾーンは、隣接する入力マニホールドと出力マニホールドの間に流体流路が設けられるように、これら隣接する入力マニホールドと出力マニホールドの間を延びる複数のマイクロチャネルからなるマイクロチャネル・パターンを画定する複数の伝熱マイクロフィンを備える。これら熱交換ゾーンの１つまたは複数からなるマイクロチャネル・パターンを変化させて、ＩＣチップの予想電力マップに対応する熱伝達性能を実現する。入力および出力用のマニホールド、ならびに熱交換ゾーンのマイクロチャネル・パターンは、ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対応する熱交換ゾーンの領域内で、ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対応しない熱交換ゾーンの他の領域における平均流体速度と実質的に同じか、あるいは少なくともそれから約５０％以内である平均流体速度が得られるように構成される。

本発明の実施形態の別の例では、一体型マイクロチャネル冷却装置の少なくとも１つの入力マニホールドを、ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に位置合わせするように配置する。別の実施形態では、熱交換ゾーンの１つまたは複数からなるマイクロチャネル・パターンを局所的に変化させて、ＩＣチップの予想電力マップの局所的な変動に対応する熱伝達性能を実現する。別の実施形態では、少なくとも１つの熱交換ゾーンは、ＩＣチップの予想平均電力密度に対して十分な熱伝達性能を実現する第１パターンのマイクロチャネルと、ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対応するように配設された第２パターンのマイクロチャネルとを含む。この第２パターンのマイクロチャネルにより、ホット・スポットの平均よりも高い予想電力密度に対して十分な熱伝達性能が得られる。

本発明の上記その他の例示的実施形態、態様、特徴、および利点は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明らかになるであろう。

本明細書で説明する本発明の実施形態の例は一般に、電子デバイスを冷却する機器および方法、具体的には、パッケージ基板に伏せて装着される電力密度分布が不均一になり得るＩＣ（集積回路）チップをマイクロチャネルにより冷却する機器および方法を含む。本発明の実施形態の一例による、電子デバイスをマイクロチャネルにより冷却する機器は一般に、パッケージ基板に伏せて装着されるＩＣチップの非活動表面に熱結合される一体型マイクロチャネル冷却装置（またはマイクロチャネル型ヒート・シンク）と、この一体型マイクロチャネル装置と冷却流体のやり取りを行うための、機械的にコンプライアントなガスケットを介して一体型マイクロチャネル装置に脱着可能に結合される流体分配マニホールド装置とを含む。本明細書で説明する様々な実施形態の例によるマイクロチャネル冷却による機器および方法では、冷却流体の均一な流れを促進し、冷却液流路に沿った冷却流体の圧力の低下を防止／低減する、流体の分配および流れの機構を実施し、それによって、半導体ＩＣ（集積回路）チップのパッケージ／モジュールなどの電子デバイスの冷却速度能力および冷却効率が高められる。他の実施形態では、マイクロチャネル冷却による機器および方法は、半導体チップの高電力密度領域（すなわち「ホット・スポット」）に対する局所的な冷却能力を変化させて、ＩＣチップ上の電力密度が平均よりも高い区域における冷却能力を局所的に高める機構を実施する。

より具体的には、本発明の実施形態の例は、冷却流体の分配および流れを最適化して熱を効率よく除去するように設計され、ＩＣチップに熱結合し得る一体型マイクロチャネル冷却装置についての様々なフレームワーク／アーキテクチャを含む。例えば、本発明の実施形態の一例では、一体型マイクロチャネル冷却装置は、マイクロチャネル・プレートを備える。このマイクロチャネル・プレートは、その一方の表面に形成されたマイクロフィンによって画定された複数のマイクロチャネルを有する。この一体型マイクロチャネル冷却装置はさらに、マイクロチャネル・プレートに接合され、複数の冷却液供給／戻りマニホールドを有するマニホールド・プレート（またはマニホールド・カバー）を備える。本発明の実施形態の別の例では、一体型マイクロチャネル冷却装置は、マイクロチャネルおよび供給／戻りマニホールド構造とともに構築された単一のプレートを備える。すべてのこのような実施形態において、一体型マイクロチャネル冷却装置は、圧力降下が最小限に抑えられ、かつ、冷却液流路に沿った流体の流れおよび分布の均一性が向上するか、または、チップのホット・スポット領域に対する局所的な冷却が変化し得るか、あるいはその両方が行われるように、構築、パターン化、寸法設定、または配置を行うか、あるいはこれらを組み合わせて実行する供給／戻りマニホールドおよびマイクロチャネル／マイクロフィンを含む。

次に、例えば図８〜図１１ならびに図１２および図１３の実施形態の例を参照して、本発明の実施形態の一例による一体型マイクロチャネル冷却装置を詳細に論じる。具体的には、図８〜図１１は、本発明の実施形態の例によるマニホールド・プレート（４０）を示す概略図である。マニホールド・プレート（４０）は、図１２および図１３の例示的概略図に示す対応するマイクロチャネル・プレート（５０）に接合して、一体型マイクロチャネル冷却装置を形成し得る。

より具体的には、まず図８〜図１１の例示図を参照すると、マニホールド・プレートの例（４０）は、複数の流体マニホールド（Ｍ１〜Ｍ７）（または、一般にＭｉと示す）が中に形成された平面基板（４１）を含む。各流体マニホールド（Ｍ１〜Ｍ７）は、基板（４１）の一方の表面（Ｓ２）に形成された対応するマニホールド・チャネル（Ｃ１〜Ｃ７）（または、より一般にはＣｉ）と、（表面（Ｓ２）の反対側の）表面（Ｓ１）から、対応するマニホールド・チャネル（Ｃ１〜Ｃ７）に沿った様々な場所に延びる開口を形成する複数の流体ビア（ｖ）を有する、流体ビアからなる対応するパターン／配列（Ｖ１〜Ｖ７）（または、より一般にはＶｉ）とを備える。以下で説明するように、流体マニホールド（Ｍｉ）は、マニホールド・プレート（４０）により、流れの分布が均一になり、全体的なシステムの圧力降下が小さくなり、マニホールド・プレートの構造的な完全性が維持され、それによって製造中に破損しないように、構築、パターン化、寸法設定、または配置を行うか、あるいはこれらを組み合わせて実行する。

より具体的には、図８は、流体ビアの複数のパターン／配列（Ｖ１〜Ｖ７）が、平面基板（４１）の一方の表面（Ｓ１）（例示図では、基板（４１）の底部表面）に形成される一生産段階におけるマニホールド・プレート（４０）の概略平面図である。すなわち、図８には、ビア（ｖ）が形成される底面（Ｓ１）の反対側である基板（４１）の上面（Ｓ２）から見たビアのパターン（Ｖ１〜Ｖ７）を示す。図９は、図８の線ＡＡに沿った基板（４１）の一部の概略断面図である。図９には、厚さが（Ｔ）であり、基板表面（Ｓ１）の下に深さ（ｄ１）で形成されたビア（ｖ）を有する基板（４１）を示す（すなわち、これらのビアは、基板（４１）を完全に貫通して形成されない）。基板（４１）をＳｉ（シリコン）で形成する本発明の実施形態の一例では、これらの流体ビアは、基板（４１）を部分的に貫通して流体ビアをエッチングするディープＳｉエッチング法を利用して形成し得る。具体的には、実施形態の一例では、厚さＴが０．７５ｍｍの典型的なシリコン・ウエハ基板の場合、流体ビア（ｖ）は、深さｄ_１＝０．５０ｍｍで形成し得る。さらに、これらの流体ビアは、直径約４５０ミクロンの円形の穴とし得る。この実施形態の例では円形の穴が示されているが、これらの流体ビアは、好ましくはコーナが丸められた他の形状でも形成し得ることに留意されたい。（コーナが尖った形状と比較すると、尖ったコーナは、応力集中部位として作用し、そのため、製造中にこれらのコンポーネントが破損する可能性が増すことがある）。

図８の実施形態の例に示すように、ビア・パターン（Ｖ１）および（Ｖ７）は、直線パターンで配置された一連の円形開口を備え、ビア・パターン（Ｖ２）〜（Ｖ６）はそれぞれ、ジグザグ・パターンで配置された一連の円形開口を備える。以下で説明するように、ジグザグ・パターンで一連の円形開口を形成することによってマニホールドを構築する製作方法では、複数のマニホールドを形成して複数の熱交換ゾーンを画定するマニホールド・プレートの製造中に、ウエハ（または基板）が破損する恐れが小さくなる。

流体ビアのパターン／配列（Ｖｉ）はそれぞれ、流体ビアのパターン（Ｖｉ）が形成される基板（４１）の表面（Ｓ１）の反対側の表面（Ｓ２）に形成される、対応する入力／出力マニホールド・チャネル（Ｃｉ）への流体注入口／排出口として働く複数の開口を備える。例えば、図１０に、基板（４１）の表面（Ｓ２）にマニホールド・チャネル（Ｃ１〜Ｃ７）を形成する別の製造段階におけるマニホールド・プレートの例（４０）の概略平面図を示す。各マニホールド・チャネル（Ｃ１〜Ｃ７）は、パターン化され、かつ、流体ビアからなる対応するパターン（Ｖ１〜Ｖ７）の各流体ビア（ｖ）に連結するのに十分な深さで陥凹された連続キャビティを含む。より具体的には、図１１は、図１０の線ＢＢに沿った基板（４１）の一部の概略断面図であり、マニホールド・チャネルＣ２のチャネル・セグメントを示す。このチャネル・セグメントは、基板（４１）内の２つのビア（ｖ）間に陥凹部を、基板（４１）の表面（Ｓ２）の下に、これらの流体ビア（ｖ）に連結するのに十分な深さｄ_２までエッチングすることによって、これらのビア（ｖ）間に形成される。マニホールド・プレート（４０）の基板（４１）をシリコンで形成する図９に関して説明した実施形態の例を続けると、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）は、陥凹部を深さｄ_２＝０．２５ｍｍでエッチングするディープＳｉエッチング・プロセスを利用して形成し得る。

さらに、本発明の実施形態の例では、マニホールド（Ｍｉ）は、様々な断面積を有するように形成されたマニホールド・チャネル（Ｃｉ）を備える。例えば、図１４は、図１０に示す領域（４３）における流体マニホールド（Ｍ２）の一部のマニホールド構造の図式的な詳細図である。図１４の例示図では、流体ビア（ｖ）間のチャネル・セグメント（４４）は、流体ビア（ｖ）から離れる方向に細くなり、それによってチャネルの断面積が小さくなる、テーパが付けられた陥凹部を形成する。図１８にさらに、マニホールド構造の例の詳細を示す。図１８では、マニホールド・プレート（９０）内に形成された、ジグザグ・パターンを有するマニホールド・チャネル（９１）の３次元斜視図を示す。具体的には、図１８に、マニホールド・チャネル（９２）への開口を形成する複数の流体ビア（ｖ）を示す。マニホールド・チャネル（９２）は、２つの流体ビア（ｖ）間のチャネル・セグメント（９３）がテーパが付けられた陥凹部を形成するようにパターン化される。

有利には、このテーパが付けられたマニホールド・チャネルの幅は、冷却流体の流速を比較的一定に維持することによって、チャネルに沿った動的な圧力降下を最小限に抑える助けになる。より具体的には、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）の断面積を変化させることにより、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）に沿った動的な圧力降下を小さくし、それによって、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）が、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）に沿って配設されたマイクロチャネル注入口への、またマイクロチャネル排出口からの冷却流体の流れを均一に分配し得る手段が得られる。

図１２および図１３は、本発明の実施形態の例によるマイクロチャネル・プレートを示す概略図である。より具体的には、図１２は、例えば図１０のマニホールド・プレートの例（４０）とともに使用するのに適合したマイクロチャネル・プレート（５０）の概略平面図である。図１２では、マイクロチャネル・プレート（５０）は、基板（５１）（例えばＳｉ基板）を含む。基板（５１）は、複数の平行な伝熱マイクロフィン（５３）を形成するように、（ディープＳｉエッチングその他の当業者には周知の適切な技術を利用して）エッチングされた領域（５２）を含む。伝熱マイクロフィン（５３）により、領域（５２）全体にわたって同じ方向に延びるマイクロチャネル（５４）（図１３参照）が画定される。マイクロチャネル（５４）は、断面がほぼ矩形の、端部が開いた複数のスロットまたは溝を含む。

図１２の実施形態の例では、マイクロフィン（５３）は、領域（５２）全体にわたって連続しておらず、遮断され、不連続であり、それによって陥凹領域（Ｒ１〜Ｒ７）が形成される。陥凹領域（Ｒ１〜Ｒ７）は、マイクロチャネル・プレート（５０）にマニホールド・プレート（４０）を接合して一体型マイクロチャネル冷却装置を形成するときに、マニホールド・チャネルＣ１〜Ｃ７（図１０）に対応し、それに位置合わせされる。例として、図１３は、図１２のマイクロチャネル・プレート（５０）の一部（５５）の詳細図である。マイクロフィン（５３）は、マニホールド・プレート（４０）のマニホールド・チャネル（Ｍ２）（例えば、図１４に示す部分（４３））に対応する（位置合わせされる）陥凹領域（Ｒ２）全体にわたって不連続である。これらの陥凹領域（Ｒ１〜Ｒ７）は、マニホールド・プレート（４０）の対応するマニホールド・チャネル（Ｃ１〜Ｃ７）とともにマニホールドとして働き、それによって、流体ビア（ｖ）からマイクロチャネルに流れる流体の分配に（注入マニホールドに）、かつマイクロチャネルから流体ビアに流れる流体の分配に（排出口マニホールドに）利用可能な面積が大きくなる。例えば、図１４に示すマニホールド・プレートの部分（４３）は、図１３に示す陥凹領域Ｒ２の部分に対応し、それに位置合わせすることができるマニホールド・チャネルの一部を示すものである。この点に関して、マニホールド・チャネルと陥凹領域の面積を組み合わせると、流体を流し、かつ分配するための面積が増加する。

さらに、例えば図１４に示すように、圧力降下を小さくするために、流体ビア（ｖ）間のマニホールド・チャネルのチャネル・セグメント（４４）の断面積を変化させる。より具体的には、図１３および図１４の実施形態の例に示すように、マニホールド・チャネル（Ｃ２）の入力流体ビア（ｖ）間のチャネル・セグメント（４４）および陥凹領域（Ｒ２）の対応する部分を、入力流体ビア（ｖ）から離れる方向に細くして、冷却液経路に沿った断面積を小さくする。その結果、圧力降下が小さくなり、流体の流速が一定に維持され、それによって、チャネル・セグメントに沿って配設されたマイクロチャネルに冷却液が均一に供給される。

さらに、図１３に示す実施形態の例では、陥凹領域（例えば、図１３に示すＲ２）に沿ったマイクロフィン（５３）の端部の縁部を丸くして、または縁部にテーパを付けて形成し、それによって全体的なシステムの圧力降下をさらに小さくすることができる。実際、マイクロフィン（５３）の縁部を丸くするか、または縁部にテーパを付けると、マイクロチャネル（５４）の注入口／排出口コーナが丸くなり、そのため、流入／流出の流れが滑らかになることによって流れ抵抗が小さくなる。

本発明の実施形態の一例では、幅Ｗ_Ｆ＝９０ミクロンのマイクロフィン（５３）を形成すると仮定し、チャネル幅Ｗ_Ｃ＝６０ミクロン、チャネル深さ２５０ミクロンのマイクロチャネル（５４）を定義する。さらに、（図１４に示す）２つの隣接する流体ビア（ｖ）の垂直間隔（Ｖｓ）を０．６ｍｍとし、各ビア（ｖ）は、隣接するマニホールド・チャネル・セグメント（４４）の左右の一連のマイクロチャネルと冷却液をやり取りすると仮定する。したがって、この実施形態の例では、単一の流体ビア（ｖ）が冷却液をやり取りするマイクロチャネルの総断面積は、１．２ｍｍ×０．２５ｍｍ×６０％＝０．１８ｍｍ^２である（１．２ｍｍ＝２Ｖｓであり、０．２５ｍｍはマイクロチャネルの深さである）。さらに、（前に述べたように）流体ビア（ｖ）の直径を０．４５０ｍｍと仮定すると（これは、断面積０．１６ｍｍ^２に相当する）、各マニホールド・チャネル・セグメント（４４）は、０．４５０×０．２５＝０．１１ｍｍ^２の初期断面積を有し、０．０９ｍｍ^２の断面積を有するマイクロチャネル（５４）と流体の流れのやり取りを行う。

マニホールド・チャネル（Ｃ）を位置合わせする陥凹領域（Ｒ）も、流体を流すための追加の断面積を提供することを理解されたい。この追加の面積は、流体の流れの向きが変わることによって、かつ、チャネルの幾何形状が変化することによって生じる圧力降下を小さくするために設けられる。マイクロチャネルは、単位面積当たりの潤辺長が、供給ビア（ｖ）よりも長く、その結果、圧力降下が大きくなる。これら２つの構造を相互接続する追加の容積により、流体の流れは、壁から離れた抵抗が小さい経路を通ることができる。容積が小さいほど、壁の摩擦のために圧力降下が大きくなり不利である。上記で説明したように、流体ビア（ｖ）の断面積、各マニホールド・チャネル・セグメントの初期断面積、および流体をやり取りするマイクロチャネルの総断面積はすべて、それらの平均値から２５％以内である。

上記で述べたように、一体型マイクロチャネル冷却装置は、例示のマニホールド・プレート（４０）およびマイクロチャネル・プレート（５０）を用いて、マニホールド・チャネル（Ｃｉ）が、対応する陥凹領域（Ｒｉ）に位置合わせされ、かつ対向するように、マニホールド・プレート（４０）の表面（Ｓ２）をマイクロチャネル・プレート（５０）に接合することによって形成し得る。より具体的には、例示のプレート（４０）および（５０）を使用して、図１０に「Ｉ」および「Ｏ」で示す交互に並んだ入力マニホールドと出力マニホールドの間に形成された６つの熱交換ゾーンを備え、かつ、マニホールド／マイクロフィン／マイクロチャネルの寸法が上記で述べ論じたものである、全体的なサイズが２０ｍｍ×２０ｍｍの一体型マイクロチャネル冷却装置を構築することができる。以下で、一体型冷却装置を形成し、このような装置をＩＣチップとともにパッケージする方法の例を、例えば図１５、図１６、および図１７を参照してさらに説明する。

本発明の実施形態の例による一体型マイクロチャネル冷却装置は、電力密度が極めて高い電子デバイスを効果的に冷却することができ、製造が容易で、例えばチップ・パッケージと一体化し得る、効率がよく、動作圧力が低いマイクロチャネル冷却装置のフレームワークを提供することを理解されたい。より具体的には、本発明による一体型マイクロチャネル冷却装置の実施形態の様々な例は、例えば、（ｉ）冷却流体の分配および流れが均一になり、システムの圧力降下が全体的に小さくなり、（ｉｉ）冷却装置を製作する際の製造歩留まりが向上し、（ｉｉｉ）チップ・パッケージとの一体化が容易になるように、構築、パターン化、寸法設定、または配置を行うか、あるいはこれらを組み合わせて実行する流体マニホールド、マイクロフィン、マイクロチャネルによって設計される。

より具体的には、例として、チップ・パッケージとの一体化の容易さに関して、マニホールド・チップの裏面の流体ビアを使用して一体型マイクロチャネル冷却装置に対する冷却流体の入力／出力を行うと、このマイクロチャネル冷却装置を、冷却するチップ区域のかなり先まで延ばさずに寸法設定することができる。これは、チップが互いに極めて近接して装着されるＭＣＭでは特に有利である。それに加えて、以下でさらに説明するように、（冷却すべきチップの非活動表面にこのような構造を形成するのとは異なり）別の層にマイクロフィン／マイクロチャネル構造を形成することによって、まず、個々のマイクロチャネル冷却装置を構築し、テストし、次いで、チップに熱結合させることができ、それによって、冷却装置の製作中の歩留まりの低下が、組み立てられたチップおよび一体化された冷却装置の歩留まりの低下につながらないようし得る。

さらに、製造歩留まりを向上させることに関して、流体マニホールドを形成する基板の構造的な完全性が維持され、基板の破損の恐れが最小限に抑えられるように、これらのマニホールドを設計／構築する。実際、マニホールド・プレートの例（４０）を参照して説明したように、マニホールド（Ｍｉ）は、（従来方式の設計の場合と同様に）冷却液を流す細長い連続スロットによってではなく、製造中のウエハのひび割れを少なくするためにジグザグ・パターンで配置された一連の円形開口またはコーナを丸めた開口によって形成され、マニホールド・チャネルは、マイクロチャネルに対向するプレート表面上のこれらの円形開口間に形成される。このようなマニホールド構造では、ひび割れの核形成部位として作用し得る応力集中を最小限に抑えるために円形開口を使用し、マニホールド・チャネルとともにマニホールドとして働くマイクロチャネル・パターンの陥凹領域を利用することによってチャネル・マニホールドの総キャビティ面積を最小限に抑え、これらのキャビティが（１００）Ｓｉ劈開面に沿って整列しないようにすることによってウエハの破損の恐れを小さくする。

さらに、本発明の実施形態の例による一体型マイクロチャネル冷却装置では、冷却流体の分配および流れを均一にし、システムの圧力降下を全体的に小さくするための様々な機構を実施し得る。例えば、圧力降下を小さくするために実施する一方法は、冷却液の流れを複数の熱交換ゾーンに細分して、マイクロチャネルを貫通する流路を短くすることである。より具体的には、例として、上記で論じたマニホールド／マイクロチャネル・プレートの実施形態の例では、複数の熱交換ゾーンを画定する複数の入力および出力用の流体マニホールド（Ｍｉ）を設ける。実際、図１２のマイクロチャネル・プレートの例（５０）および図１０のマニホールド・プレートの例（４０）で示したように、入力および出力用のマニホールドを交互に並べることによって、６つの熱交換ゾーンが画定される。各入力マニホールド（Ｍ２、Ｍ４、およびＭ６）は、出力マニホールド（Ｍ１、Ｍ３、Ｍ５、およびＭ７）のところで終端する２つのゾーンのマイクロチャネルに供給する。さらに、ジグザグのマニホールド構造により、チップの構造的な完全性を維持しながら、複数のマニホールドを形成することができる。

圧力降下を小さくする別の方法は、各マニホールド・チャネルの初期または最終の断面積が、マニホールド・チャネルから冷却流体を受け取り、また、マニホールド・チャネルに冷却流体を供給するすべてのマイクロチャネルの総断面積に少なくとも等しくなるように、マニホールドを設計することである。例えば、図１０および図１２の実施形態の例では、入力マニホールド・チャネルＣ２、Ｃ４、およびＣ６はそれぞれ、２つのゾーンのマイクロチャネルに供給を行う。したがって、これらの入力マニホールド・チャネルのそれぞれの初期断面積は、このようなチャネルによって供給を受けるマイクロチャネルの総断面積と少なくとも同じ大きさにすべきである。さらに、出力マニホールド・チャネルＣ３およびＣ５はそれぞれ、２つのゾーンのマイクロチャネルから冷却流体を受け取る。したがって、出力マニホールド・チャネルＣ３およびＣ５の最終断面積は、このようなマニホールド・チャネルに供給を行うマイクロチャネルの総断面積と少なくとも同じ大きさにすべきである（あるいは、この実施形態の例では、マニホールド・チャネルＣ２〜Ｃ６のそれぞれの断面積を同じにすべきである）。一方、出力マニホールド・チャネルＣ１およびＣ７はそれぞれ、１つのゾーンのマイクロチャネルによって供給を受ける。したがって、出力マニホールド・チャネルＣ１およびＣ７のそれぞれの最終断面積は、入力マニホールド・チャネル（Ｍ２およびＭ６）の初期断面積の半分よりも小さくすべきではない。

同様に、圧力降下を小さくする別の方法は、各マニホールドごとの流体ビアの総断面積が、これらの流体ビアを介して供給された冷却流体を受け取り、また、これらの流体ビアから出力された冷却流体を供給するすべてのマイクロチャネルの総断面積に少なくとも等しくなるように、マニホールドを設計することである。例えば、パターンＶ４用の流体ビアの総断面積は、対応するマニホールド・チャネルＣ４によって供給を受けるマイクロチャネルの総断面積に少なくとも等しくすべきである。

さらに、上記で述べたように、圧力降下を小さくする別のマニホールド設計の特徴は、マニホールド・チャネルの断面積を変化させて、マイクロチャネルに冷却流体を均一に供給することである。例えば、図１３および図１４の実施形態の例で示すように、マニホールド・チャネル（Ｃ２）の入力流体ビア（ｖ）間のチャネル・セグメント（４４）および陥凹領域（Ｒ２）の対応する部分は、入力流体ビア（ｖ）から離れる方向に細くして、冷却液経路に沿った断面積を小さくする。こうすると、圧力降下が小さくなり、流体の流速が一定に維持され、それによって、チャネル・セグメントに沿って配設されたマイクロチャネルに冷却液が均一に供給される。さらに、マイクロチャネルの注入口コーナを丸くするか、あるいはテーパを付けて、流入する流れを滑らかにすることにより流れ抵抗を小さくすることによって、圧力降下をさらに小さくすることができる。

全体として、例示のマニホールド・プレート（４０）およびマイクロチャネル・プレート（５０）から形成される本発明による一体型マイクロチャネル冷却装置は、すべての熱交換ゾーンが平行に連結される多重熱交換ゾーン構造を提供する。すなわち、これらの熱交換ゾーンは、入力マニホールドと出力マニホールドの間の圧力降下が同じ状態で動作するように均一に設計され（例えば、すべての熱交換ゾーンにおいてマイクロチャネル・パターンが同じであり（連続チャネルが同じピッチで並び）、入力および出力用のマニホールドが、すべての熱交換ゾーンについてマイクロチャネル長がほぼ同じになるように等間隔で交互に並び）、これらのマニホールドは、所与の熱交換ゾーンについて、この熱交換ゾーン全体にわたって冷却液が確実に均一に分配されるように、断面積を変化させて設計される。このようにして、チップの予想平均電力密度に基づく十分な数の平行な熱交換ゾーンおよび流れの圧力によって一体型マイクロチャネル冷却装置を設計して、このような平均電力密度のチップを効果的に冷却するのに十分な単位幅当たりの流量および単位長さ当たりの圧力降下を実現することができる。

図１５は、本発明の実施形態の例による、半導体チップを冷却する機器の概略図である。より具体的には、図１５に、熱接合部（Ｂ２）を介して半導体チップ（７２）（例えばプロセッサ・チップ）の裏側（非活動）表面に熱結合した一体型マイクロチャネル冷却装置（７１）を備える、本発明の実施形態の例による半導体パッケージ（７０）の側断面図を概略的に示す。チップ（７２）の活動表面は、パッケージ基板にフリップ・フロップ式に結合するための複数のハンダ・ボール（Ｃ４）を備える。

マイクロチャネル冷却装置（７１）は、接合部（Ｂ１）を介して接合したマイクロチャネル・プレート（７４）およびマニホールド・プレート（７５）を備える。プレート（７４）および（７５）は、図８〜図１１ならびに図１２および図１３に関して上記で論じたものと類似のマニホールド構造およびマイクロチャネル構造を有し得る。この点に関して、図１５の実施形態の例は、（ｉ）マニホールド・プレート（７５）内に形成されたジグザグ形状の流体マニホールド構造に平行であり、かつマイクロチャネル・プレート（７４）の複数の伝熱マイクロフィン（７６）およびマイクロチャネル（７７）に直交する方向に延び、（ｉｉ）ジグザグ形状の流体マニホールド構造の一方の面に形成された複数の流体ビア（ｖ）のそれぞれの中心を通過する長手方向の線に沿った断面図とみなし得る。図１５に示すように、流体ビア（ｖ）は、マニホールド・チャネル（Ｃ）に沿った場所に開口を形成し、マイクロチャネル・プレート（７４）は、伝熱マイクロフィン（７６）を分断する複数の領域（Ｒ）を備える。これら複数の伝熱マイクロフィン（７６）およびチャネル（７７）は、図の紙面に直交する方向にそれぞれ平行に延びる。

マニホールド・プレート（７５）とマイクロチャネル・プレート（７４）の間の接合部（Ｂ１）は、水密シールを形成するのに十分なものとするが、熱抵抗が小さい必要はない。したがって、直接ウエハ接合、融着、陽極接合、ガラス・フリット接合、ハンダ接合、ポリマー接着接合などの接合方法、または他の適切な任意の接合方法を利用して、マイクロチャネル・プレート（７４）とマニホールド・プレート（７５）を接合し得る。さらに、マイクロチャネル・プレート（７４）とチップ（７２）の間の接合部（Ｂ２）は、低熱抵抗ボンドを使用して形成すべきであり、それによって、チップ（７２）からマイクロチャネル・プレート（７４）への十分な熱伝達が可能になる。接合厚さが、十分に薄く、必要とされる冷却フラックスのレベルに適合するものである限り、金属接合、ハンダ接合、またはＡｇエポキシなどの充填熱接着剤などの低熱抵抗ボンド、その他の接合手段を使用し得るはずである。低熱抵抗ボンドの熱抵抗が、０．２Ｃ−ｃｍ^２／Ｗ未満、好ましくは０．１Ｃ−ｃｍ^２／Ｗ以下であることが望ましい。さらに、接合部（Ｂ２）は、やり直し可能であることが望ましい。それによって、必要なときにはチップ（７２）からマイクロチャネル冷却装置（７１）を取り外して、個々の冷却装置（７１）またはチップ（７２）を交換することができる。したがって、ハンダ接合部はやり直すことができ、ハンダ層がＡｇエポキシ接合部に接触している場合には、それもやり直すことができる。

厚さＴ_１などのマニホールド・プレート（７５）の寸法、ならびに流体ビア（ｖ）の深さｄ_１およびマニホールド・チャネル（Ｃ）の深さｄ_２などのマニホールド構造の寸法は、図１１に関して上記で説明したものと同じにすることができる。さらに、マイクロチャネル（７７）の陥凹深さｄ_３は、図１２および図１３に関して上記で説明したのと同じにし得る。ただし、本発明の実施形態の別の例では、マイクロチャネル・プレート（７４）の厚さＴ_２は、シリコンの厚さによる温度降下を小さくするために距離ｄ_４を最小限に抑える様々な方法を用いて（典型的なシリコン・ウエハの厚さの０．７５ｍｍから）薄くし、それによって、パッケージ（７０）の熱性能を向上し得る。例えば、一実施形態では、厚さＴ_２は、直径２００または３００ｍｍのシリコン・ウエハの典型的な厚さ０．７５ｍｍから、距離ｄ_４が約１００ミクロンになるように薄くし得る。

図１５のパッケージ構造（７０）を構築するために様々な方法を用いることができる。一般に、本発明の一実施形態では、マイクロチャネル・プレート（７４）およびマニホールド・チップ（７５）を互いに結合し、テストし、次いで、チップ（７２）の裏面にマイクロチャネル・プレート（７４）を接触させた状態で、チップ（７２）の裏側に熱結合することができる。より具体的には、本発明の実施形態の一例では、ウエハ・レベルで、複数のマイクロチャネル・プレートが中に形成された第１ウエハを、複数の対応するマニホールド・プレートを含む第２ウエハに接合し得る。次いで、これら結合したウエハを、研磨、研削、またはラッピングにかけるか、あるいはこれらを組み合わせて実行して、マイクロチャネル・プレートが設けられた基板を薄くする。あるいは、複数のマイクロチャネル・プレートを含むウエハを、接合またはダイシングする前に、まず薄くする。これら２枚のウエハが互いに接合した状態で、これらのウエハをダイシングして、個々のマイクロチャネル冷却装置に分離する。あるいは、マイクロチャネル・プレートを含むウエハおよびマニホールド・プレートを含むウエハに、研磨、ダイシングなどを行い、次いで、個々のマニホールド・プレートとマイクロチャネル・プレートを接合することによって、個々のマイクロチャネル冷却装置を形成し得る。図１５のマイクロチャネル冷却装置の外側の寸法は、マイクロチャネル冷却装置（７１）が、チップ（７２）の両側でそのわずか先まで延びるように、チップ（７２）の外側の寸法よりもわずかに大きくし得ることに留意されたい。マニホールド・プレート（７５）とマイクロチャネル・プレート（７４）が互いに接合する周辺領域では、マイクロチャネル冷却装置（７１）の内部領域に比べて冷却作用が弱くなるので、このようなわずかな延長部により、性能を向上させることができる。このようにわずかに延長することにより、チップ（７２）の裏面全体が、マイクロチャネル冷却装置（７１）の、マイクロチャネルを含む内部領域に接触し得る。

本発明の実施形態の別の例では、マイクロチャネル・プレート（７４）内でマイクロチャネル（７７）の下に残った基板材料の厚さを薄くすることに加えて、チップ（７２）の基板を薄くすることによって、図１５のパッケージ構造（７０）の熱性能をさらに向上させることができる。例えば、上記で述べたように、マイクロチャネル・プレート上の最も深くエッチングした領域の下に約１００ミクロンのＳｉしか存在しないように、チップ（７２）に接合されるマイクロチャネル・プレート（７４）の表面を研磨し得る。さらに、プロセッサ・チップなどのチップ（７２）の厚さＴ_３を、Ｓｉウエハの初期厚さの約０．７５ｍｍから約０．３ｍｍに薄くし得る。

図１５など、上記で説明したマイクロチャネル冷却装置の実施形態の例は、別々のマニホールド・プレートとマイクロチャネル・プレートを接合することによって形成される一体型マイクロチャネル冷却装置である。本発明の他の実施形態では、一体型マイクロチャネル冷却装置は、マイクロチャネルおよび供給／戻りマニホールド構造とともに構築される単一のプレートを備える。例えば、図１６および図１７は、本発明の実施形態の別の例による、半導体チップを冷却する機器（８０）を示す概略図である。機器（８０）は、ハンダ・ボール（８３）を介してパッケージ基板にフリップ・フロップ式に結合し得る半導体チップ（８２）の非活動表面に熱結合した一体型マイクロチャネル冷却装置（８１）を含む。

より具体的には、図１６に、冷却装置（８１）の熱交換ゾーン内の複数の伝熱マイクロフィン（８４）およびマイクロチャネル（８５）に直交する方向に延びる長手方向の線に沿って切断したＩＣパッケージ構造（８０）の断面図を概略的に示す。さらに、図１７に、（ｉ）一体型冷却装置（８１）内の熱交換ゾーンの端部に形成されたジグザグ形状の流体マニホールド構造に平行な方向に延び、（ｉｉ）ジグザグ形状の流体マニホールド構造の一方の面に形成された複数の流体ビア（ｖ）のそれぞれの中心を通過する長手方向の線に沿った断面図を概略的に示す。

すなわち、図１６および図１７に示す一体型マイクロチャネル冷却装置（８１）のフレームワークでは、マイクロチャネル・プレートおよびマニホールド・プレートの機能と構造を１つの基板層内に組み合わせる。マイクロチャネル冷却装置の例（８１）は、上記で論じたようにビア・パターンをエッチングして、冷却装置基板（８１）の一方の表面に深さｄ_１で流体ビア（ｖ）を形成することによって形成し得る。次いで、１回または複数回のドライ・エッチング・ステップを用いて、マニホールド・チャネル（Ｃ）および伝熱マイクロフィン（８４）ならびにマイクロチャネル（８５）を形成し得るはずである。マイクロチャネル（８５）と同じ深さでマニホールド・チャネル（Ｃ）を形成する場合、すなわち、ｄ_２＝ｄ_３になる場合、同じドライ・エッチング・ステップによってマニホールド・チャネル（Ｃ）およびマイクロチャネル（８５）を形成することができる。あるいは、マニホールド・チャネルおよびマイクロチャネルは、２つの別々で独立なドライ・エッチング・ステップ、すなわち２つのドライ・エッチング・ステップの組合せによって形成し得るはずである。

図１６および図１７の実施形態の例では、マニホールド・チャネル（Ｃ）は、マイクロチャネル（８５）よりも深いように示されている（ｄ_２＞ｄ_３）。このような実施形態では、２つのドライ・エッチング・ステップを用いて、より深い（マイクロチャネル（８５）の深さとの差が、ＲＩＥの遅れ（幅の広い形状は狭い形状よりも速くエッチングされる）に起因するものよりも大きい）マニホールド・チャネル（Ｃ）を形成し得る。この構成では、製作プロセスをより簡単にすることができ、チップ（８２）に冷却流体が直接接触するために、性能を潜在的に高めることができる。さらに、低熱抵抗ボンド（Ｂ３）を使用して、チップ（８２）に伝熱マイクロフィン（８４）を接合させる。この設計では、マイクロチャネルを含むマイクロチャネル冷却装置（８１）の内部領域は、チップ（８２）よりも小さいことに留意されたい。というのはこれら２つを互いに密封するために周辺領域が必要とされるからである。周辺領域でシールを形成するには、気密性接合法が必要とされることに留意されたい。

図１８〜図２０は、本発明の実施形態の別の例による一体型マイクロチャネル冷却装置の概略斜視図である。より具体的には、上記で説明したように、図１８に、流体マニホールド（９１）を有するマニホールド・プレート（９０）の一部の３次元斜視図を示す。流体マニホールド（９１）は、ジグザグ・パターンで形成されたマニホールド・チャネル（９２）と、マニホールド・チャネル（９２）への開口を形成する複数の流体ビア（ｖ）とを備える。流体ビア（ｖ）間に形成された、マニホールド・チャネル（９２）のチャネル・セグメント（９３）にはテーパが付けられる。

図１９に、図１８のマニホールド・プレート（９０）に接合して、図２０に示す一体型マイクロチャネル冷却機器を形成し得るマイクロチャネル・プレート（９４）の一部の３次元斜視図を示す。図１９は、上から見たマイクロチャネル・プレート（９４）の斜視図であり、見易いように、半透明の中実体として基板を示す。図には、基板の底面に千鳥パターンで形成された複数の伝熱マイクロフィン（９５）を示す。マイクロチャネルが、マニホールド間の各熱交換ゾーン内で連続的である上記の実施形態の例に比べて、図１９に示す千鳥状マイクロフィン・パターンを用いて、各フィン・セグメントが境界層を取り除き、そのため、各フィン・セグメントごとに新しい境界層が形成されることによって、（連続フィンに比べて）熱伝達を高めることができる。この設計により、横方向の（チャネル間の）混合も可能になる。このような構造は、チャネルの閉塞による壊滅的な故障を防ぐ助けとなり、マイクロフィン領域内の流れの均一性を改善する追加の機構を提供する。さらに、以下で論じるように、千鳥状の伝熱マイクロフィン・パターンを用いて、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を高めることができる。

図２０に、図１８のマニホールド・プレート（９０）と図１９のマイクロチャネル・プレート（９４）を接合することによって形成された一体型マイクロチャネル冷却モジュールの一部の斜視図を示す。具体的には、図２０は、この説明では半透明中実体として示すマイクロチャネル・プレート基板（９４）の上面から見た斜視図である。伝熱マイクロフィン（９５）のパターンは、マニホールド・チャネル（９２）に沿って位置合わせした領域Ｒにおいて不連続である。

本発明の実施形態の他の例では、マイクロチャネル冷却機器は、ＳＣＭおよびＭＣＭのパッケージ用の流体分配マニホールドを含む。これらのマニホールドは、基板にフリップ・フロップ式に結合されたチップの裏面に接合された別の一体型マイクロチャネル冷却装置に連結され、それによって、複数の一体型マイクロチャネル冷却装置と冷却流体のやり取りを行う。プロセッサなどの高性能チップは一般に、Ｃ４などのマイクロハンダ・ボールの面アレイを使用して、セラミック材料または有機材料製の、複数の配線層を含むパッケージ基板に伏せて装着される。ＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）では、共通基板上に多数のチップが装着され、ＳＣＭ（シングル・チップ・モジュール）では、基板に取り付けられるのは１つのチップだけである。このセラミック基板は、約１ｍｍ離間している第１レベル・パッケージ基板とプリント回路ボードまたは第２レベル・パッケージとの間で、（〜２００ミクロンの）微細ピッチのＣ４とより粗いピッチの電気接続部のスペース変換を実現する。第１レベル・パッケージと第２レベル・パッケージの間で電気的な接続を実現する一般的な一手段は、ＬＧＡ（ランド・グリッド・アレイ）である。ＬＧＡを作動させるには、かなりの圧縮力を加えることが必要とされる。

図２１および図２２は、ＳＣＭおよびＭＣＭ用のチップ・パッケージに実施し得る、本発明の実施形態の例による流体分配マニホールドを示す概略図である。この流体分配マニホールドの例は、一体型マイクロチャネル冷却装置と冷却流体のやり取りを行う流体供給／戻りチャネルの断面積を変化させることによって、全体的なシステムの圧力降下を最小限に抑えるように設計される。さらに、本発明の実施形態の例では、流体分配マニホールドと一体型マイクロチャネル冷却装置を機械的に切り離す連結機構を実施して、パッケージ基板にチップを取り付けるＣ４に過剰な応力がかからないようにする。より具体的には、マイクロチャネル冷却装置に流体分配マニホールドを固定するときに、機械的にコンプライアントな状態にするために、流体分配マニホールドとマイクロチャネル冷却装置の間に機械的にコンプライアントなガスケット／シールを設けて、これらのコンポーネントの接合部を密封する。この機械的にコンプライアントなガスケットは、エラストマなどの任意の適切な圧縮性材料、または、集積回路チップの高さの差異を許容しながら、チップに損傷を与える恐れがある大きな圧力を必要とせずに、マイクロチャネル構造に冷却液送達マニホールドをしっかりと固定して結合するときに圧縮することができる任意の他の適切な材料を含む。このコンプライアントなガスケット材料は、マイクロチャネル冷却装置および流体分配マニホールドに接着または接合させることもでき、そのため、流体シールを形成するために、このガスケット材料を圧縮した状態で維持する必要はない。

例として、図２１は、ＳＣＭ（シングル・チップ・モジュール）用の上記で説明したマニホールド・プレートの例（４０）によって形成された一体型マイクロチャネル冷却装置とともに使用し得る、本発明の実施形態の例による流体分配マニホールド装置の概略平面図である。より具体的には、図２１に、流体戻りマニホールド（１０２）および流体供給マニホールド（１０３）が中に切削加工または成形されたハウジング（１０１）を備える流体分配マニホールドの例（１００）を示す。流体戻りマニホールド（１０２）は、水平クロス・ハッチング領域で示す複数の流れチャネルを備え、流体供給マニホールド（１０３）は、垂直クロス・ハッチング領域で示す複数の流れチャネルを備える。さらに、円形の領域（１０４）および（１０５）は、流体分配マニホールド（１００）への流体供給／戻り接続部を設けるために、ハウジング（１０１）に固定された（図示しない）カバー・プレートに出力ポートおよび入力ポートを作製する場所を示す。

マニホールド（１００）は、ハウジング（１０１）の底面上に、機械的にコンプライアントなガスケットによって図１０のマニホールド・プレート（４０）の対応するマニホールド（Ｍｉ）の流体ビア（ｖ）に結合される複数の細長い矩形の開口（１０６）および（１０７）を含む。例えば、この実施形態の例では、矩形開口（１０７）は、マイクロチャネル冷却装置に冷却流体を供給する入力マニホールドＭ２、Ｍ４、およびＭ６の流体ビアに位置合わせされ、結合され、矩形開口（１０６）は、マイクロチャネル冷却装置から戻された加熱流体を受け取る出力マニホールドＭ１、Ｍ３、Ｍ５、およびＭ７の流体ビアに位置合わせされ、結合される。

さらに、図２１に示すように、マニホールド（１０２）および（１０３）は、断面積が一定ではないチャネルによって形成され、それによって、流体の流速がほぼ一定に維持され、動的な圧力降下が小さくなる。例えば、注入ポート（１０５）に位置合わせされる供給マニホールド（１０３）の流れチャネルの断面積は、矩形開口（１０７）に供給を行う各流れチャネルに入力冷却流体を均一に分配するためにテーパが付けられる。さらに、矩形開口（１０７）に供給を行う流れチャネルもテーパが付けられて断面積を小さくなり、それによって、それらに連結された一体型マイクロチャネル冷却装置の入力マニホールドに沿った入力流体ビアに冷却流体が均一に供給される。同様に、戻りマニホールド（１０２）を形成する様々な流れチャネルは、それらに取り付けられた一体型マイクロチャネル冷却装置の出力マニホールドから受け取った戻り流体の動的な圧力降下が小さくなるように、断面積を変化させて設計される。例えば、出力ポート（１０５）に位置合わせされる供給マニホールド（１０２）の流れチャネルの断面積は、矩形開口（１０６）を有する各流れチャネルから流れる出力冷却流体を均一に再分布させるためにテーパが付けられる。さらに、矩形開口（１０６）から戻り流体を受け取る流れチャネルもテーパが付けられて断面積が小さくなり、それによって、それらに連結された一体型マイクロチャネル冷却装置の出力マニホールドに沿った出力流体ビアから受け取った冷却流体が均一に流れ、再分布される。

供給／戻りマニホールド・セグメントの断面積は、図２１に示すようにチャネル幅を変化させることに加えて、あるいはその代わりに、このようなセグメントの陥凹深さを変化させることによっても変化させることができることを理解されたい。あらゆる場合において、流れチャネルの面積は、流体分配マニホールド装置（１００）内の流れチャネルに沿って冷却流体の速度が実質的に一定に、またはそれに極めて近く維持されることによって動的な圧力降下が小さくなるように十分に小さくする。さらに、具体的には図示しないが、入力および出力用のマニホールド（１０２）および（１０３）の流れチャネルのコーナを丸くして流れ抵抗を小さくすることによって、圧力降下をさらに小さくすることができる。

流体分配マニホールドは、銅またはプラスチックその他の材料など、任意の適切な耐食性材料で形成し得る。入力および出力用のマニホールドの流れチャネルは、このような材料のブロックに、切削、穿孔、成形、またはその他の方法で形成し得る。流体分配マニホールド（１００）は、それに連結された一体型マイクロチャネル冷却装置の入力および出力用のマニホールドに適切に供給を行うのに、断面積をより大きく変化させた十分な寸法のものとすべきである。この特に断面積を大きく変化させたマニホールドは、主に幾何学的な制約のために、マニホールド・プレート内に機械加工することはできない。すなわち、幾何学的に垂直寸法をより大きくして追加の断面積を形成することが必要とされ、これを、シリコン・ウエハなどの薄いプレートを使用して実現することはできない。

図２２は、本発明の実施形態の別の例による流体分配マニホールド装置の概略平面図である。具体的には、図２２に、４つのフリップ・フロップ式に結合されたチップのアレイを備えるＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）とともに実施し得る共通流体分配マニホールド（１１０）を示す。各チップは、それに取り付けられた別々の、図１０に示すマニホールド・プレートの例（４０）によって形成された一体型マイクロチャネル冷却装置を有する。流体分配マニホールドの例（１１０）は、（図示しない）カバー・プレートに形成されたそれぞれの注入口（１１４）および（１１５）から冷却流体が供給される２つの流体供給マニホールド（１１２）および（１１３）と、マニホールド・カバーに形成されたそれぞれの排出ポート（１１８）および（１１９）に流体を出力する２つの流体戻りマニホールド（１１６）および（１１７）とを有するハウジング（１１１）を備える。流体分配マニホールドの例（１１０）は、図２１の流体分配マニホールド構造（１００）に構造的に類似した４つのマニホールド部分（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ）を含む。

流体供給マニホールド（１１２）および（１１３）は、ハウジング（１１１）内に切削加工または成形された、垂直クロス・ハッチング区域で示す複数の流れチャネルを備える。流体供給マニホールド（１１３）は、マニホールド部分ＡおよびＢに連結された２つの一体型マイクロチャネル冷却装置に冷却流体を供給し、流体供給マニホールド（１１２）は、マニホールド部分ＣおよびＤに連結された２つの一体型マイクロチャネル冷却装置に冷却流体を供給する。より具体的には、流体供給マニホールド（１１３）は、マニホールド部分Ａに結合された第１マイクロチャネル冷却装置の対応する入力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２０ａ）を有する流れチャネル領域と、マニホールド部分Ｂに結合された第２マイクロチャネル冷却装置の対応する入力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２０ｂ）を有する流れチャネル領域とを備える。同様に、流体供給マニホールド（１１２）は、マニホールド部分Ｃに結合された第３マイクロチャネル冷却装置の対応する入力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２０ｃ）を有する流れチャネル領域と、マニホールド部分Ｄに結合された第４マイクロチャネル冷却装置の対応する入力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２０ｄ）を有する流れチャネル領域とを備える。

流体戻りマニホールド（１１６）および（１１７）は、ハウジング（１１１）内に切削加工または成形された、水平クロス・ハッチング区域で示す複数の流れチャネルを備える。流体戻りマニホールド（１１６）は、マニホールド部分ＡおよびＣに連結された２つの一体型マイクロチャネル冷却装置から戻された冷却流体を受け取り、流体戻りマニホールド（１１７）は、マニホールド部分ＢおよびＤに連結された２つの一体型マイクロチャネル冷却装置から戻された冷却流体を受け取る。より具体的には、流体戻りマニホールド（１１６）は、マニホールド部分Ａに結合された第１マイクロチャネル冷却装置の対応する出力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２１ａ）を有する流れチャネル領域と、マニホールド部分Ｃに結合された第３マイクロチャネル冷却装置の対応する出力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２１ｃ）を有する流れチャネル領域とを備える。同様に、流体戻りマニホールド（１１７）は、マニホールド部分Ｂに結合された第２マイクロチャネル冷却装置の対応する出力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２１ｂ）を有する流れチャネル領域と、マニホールド部分Ｄに結合された第４マイクロチャネル冷却装置の対応する出力マニホールドの流体ビアに位置合わせされた複数の矩形開口（１２１ｄ）を有する流れチャネル領域とを備える。

したがって、上記で説明したように、マイクロチャネル冷却機器を実施するのに使用し得る本発明の実施形態の例による流体分配システムは、１つまたは複数のマイクロチャネル冷却装置のマニホールド・プレート（例えば、マニホールド・プレート（４０））にコンプライアントなガスケットによって結合された流体分配マニホールド・ブロック（例えば、１００または１１０）を備える。少なくとも分配マニホールド・ブロックおよびマニホールド・プレートは、断面積が一定ではない（すなわち、テーパが付けられた）流れチャネルを有する。このコンプライアントなガスケットは、断面積が一定ではない流れチャネルを含むこともできるし、含まないこともある。

本発明の実施形態の他の例では、チップの１つまたは複数の「ホット・スポット」領域（電力密度が平均よりも高い領域）を局所的に冷却し得るように、マイクロチャネル冷却装置を特注設計する様々な方法を実施することができる。より具体的には、電力密度分布（電力マップ）が不均一なチップの場合、チップのホット・スポットに対する局所的な冷却能力を高めることができるマニホールドおよびマイクロチャネルの構造、パターン、配置などを実現することによって、本発明による一体型マイクロチャネル冷却装置を特注設計することができる。このような一体型マイクロチャネル冷却装置を特注設計し得る方法は、チップのホット・スポット領域のサイズ、大きさ、または数、あるいはこれらの組合せなどのファクタに応じて変化する。次に、図２３〜図２７ならびに図２８および図２９を参照して、チップのホット・スポット領域に対する局所的な冷却能力を高めるマイクロチャネル冷却装置を設計する、本発明による方法の様々な例を論じる。

図２３に、本発明の実施形態の一例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める一体型マイクロチャネル冷却装置を設計する方法を概略的に示す。一般に、図２３に、チップの予想平均電力密度に対して十分な均一冷却を実現し、同時に、チップの「ホット・スポット」領域に対する局所的な冷却能力を高める均一構造によって一体型マイクロチャネル冷却装置を設計し得る設計方法の例を示す。より具体的には、図２３に、（図１３に示すものに類似の）均一な複数ゾーン熱交換構造を有するマイクロチャネル・プレート（１２５）の例を示す。領域（１２６）は、チップの「ホット・スポット」領域に対応する。上記で論じたように、均一なマイクロチャネルのフレームワークの例（均一なマイクロチャネル・パターンおよび等間隔に配置されたＩ／Ｏマニホールド）により、すべての熱交換ゾーンにわたって流体を均一に流すことができ、チップの表面全体が均一に冷却される。

図２３に示すように、チップの予想平均電力密度に対する均一な冷却能力が得られるようにマイクロチャネル・プレート（１２５）が設計されると仮定すると、チップのホット・スポット領域（１２６）に対する局所的な冷却を高めるには、入力流体マニホールド（１２７）がチップのホット・スポット領域（１２６）に位置合わせされるようにマイクロチャネル・プレート（１２５）を設計する。例えば、「ホット・スポット」領域（１２６）の面積が比較的小さく、電力密度が、このマイクロチャネル冷却装置が設計の対象とするチップの平均電力密度に比べてわずかしか高くないときには、図２３の方法の例を用いて、チップの「ホット・スポット」領域（１２６）の局所的な冷却を高めることができる。これは、典型的なマイクロチャネル冷却装置の設計では、冷却流体および構成によっては、マイクロチャネルの長さに沿って流体温度が最大で約１０℃とかなり増加することがあるからである。したがって、図２３の方法の例では、チャネルに沿って流れる流体によってもたらされる温度にほぼ相当する分だけ、「ホット・スポット」の温度を下げることができる。さらに、図２３の方法の例では、ホット・スポット領域（１２６）の中央部分／中心軸が、マイクロチャネルの入口に位置合わせされるように配置される。マイクロチャネルの入口では、局所熱伝達係数がチャネル長の残りの部分よりも大きく、それによって、ホット・スポット（１２６）に対する局所的な冷却が効果的に高められる。

一般に、図２３および図１３に示すような均一な冷却能力を実現する均一なマイクロチャネル冷却装置構造を使用して、「ホット・スポット」領域を有するチップを冷却し得ることに留意されたい。このマイクロチャネル冷却装置は、「ホット・スポット」の平均よりも高い予想電力密度に対して、均一な冷却を実現するように設計される。ただし、この「均一」設計法は、「ホット・スポット」領域を伴うチップを冷却するには非効率なことがある。というのは、必要とされる水の流量および圧力降下が、最適な設計に比べて大きいからである。実際、「ホット・スポット」を適切に冷却するには、「高性能」マイクロチャネル・パターン（例えば、流体の流量が多く、微細なピッチのマイクロチャネル、あるいは千鳥状または分断型マイクロフィンによって画定されたマイクロチャネル（例えば図２８および図２９））が必要とされることがあるが、このようなパターンでは圧力降下が大きくなる。

したがって、より最適なマイクロチャネル冷却装置の設計は、電力密度が低い（例えば平均電力密度の）チップ領域には、性能がそれほど高くないマイクロチャネル・パターン（例えば、マイクロチャネルのピッチがそれほど微細ではなく、流量がそれほど多くない設計）を使用しながら、電力密度が平均よりも高いチップの「ホット・スポット」には「高性能」マイクロチャネル・パターンを提供することであろう。このような方法によれば、マイクロチャネル冷却装置の構造は、「均一」ではなくなるが、周囲の領域がもたらすのと同じ動作条件下（すなわち、各熱交換部分ごとの総圧力降下が同じ）で、比較的高い電力密度を冷却することができ、かつチップのホット・スポット領域に位置合わせされる領域を含む。すなわち、所与のチップの電力マップ（電力密度分布）に基づいて、同じ熱交換ゾーン内の、または異なる熱交換ゾーン内の、あるいはその両方の熱交換ゾーン内のマイクロチャネルの性能を変化させて、このチップの（不均一な）電力マップに合わせることによって、このチップに対する一体型マイクロチャネル冷却装置を特注設計することができる。次に、図２４〜図２７ならびに図２８および図２９の実施形態の例を参照して、マイクロチャネルの性能を変化させて、大きなホット・スポット、またはチップの平均電力密度に比べて電力密度がかなり高いホット・スポット、あるいはその両方を有するチップに対する局所的な冷却能力を高める、本発明による様々な方法を説明する。

例えば、図２４に、本発明の実施形態の別の例による、チップのホット・スポット領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す。具体的には、図２４に、図２３のものに類似の複数ゾーン熱交換構造を有するマイクロチャネル・プレートの例（１３０）を示す。領域（１３１）（ホット・スポット領域）は、チップの「ホット・スポット」に対応する。ただし、図２４の実施形態の例では、チップのホット・スポット（１３１）は、冷却すべきチップの平均電力密度に比べて電力密度がかなり高いと仮定する。そのため、図２３の方法は、このホット・スポットに入力マニホールドを単に位置合わせすることによってホット・スポットを冷却するには不十分なことがある。したがって、図２４の実施形態の例では、ホット・スポット領域（１３１）に入力マニホールド（１３２）を位置合わせするだけでなく、（図２８または図２９の実施形態の例に概略的に示す）分断型または千鳥状のフィンを使用することにより、ホット・スポット領域（１３１）に対応する入力マニホールド（１３２）の部分を取り囲む区域のマイクロチャネル・パターンを変化させることによって、ホット・スポット領域（１３１）に対する局所的な冷却を高めることができる。

具体的には、図２８に、平行マイクロフィンからなる、ピッチＰで離間した複数の列（１７１、１７２、１７３）を含む分断型マイクロフィン・パターン（１７０）を概略的に示す。マイクロフィンの各列（１７１、１７２、１７３）はそれぞれ、複数の比較的長いマイクロフィン構造（１７４）を含む。これらのマイクロフィン構造は、その列に沿うマイクロフィン（１７４）間の小さな間隙（Ｇ１）（分断部）で分離しており、隣接する列の間隙（Ｇ１）は、互い違いに配置される。分断型マイクロフィン・パターン（１７０）により、マイクロチャネル間で流体を相互に混合し得る比較的長いマイクロチャネルが画定される。

一方、図２９に、平行なマイクロフィンからなる複数の列（１７６、１７７、１７８、１７９、１８０）を含む千鳥状のマイクロフィン・パターン（１７５）を概略的に示す。１つおきの列（例えば、列１７６と１７８）は、（図２８の場合と同様に）同じピッチＰで分離される。マイクロフィンの各列（１７６、１７７、１７８、１７９、１８０）はそれぞれ、比較的短いマイクロフィン構造（１８１）を含む。これらのマイクロフィン構造は、その列に沿うマイクロフィン（１８１）間に間隙（Ｇ２）（分断部）を有し、隣接する列の間隙（Ｇ２）は、互い違いに配置される。図２９の実施形態の例では、マイクロフィン構造（１８１）と間隙（Ｇ２）の長さは、相対的に同じである。図１９に示すマイクロフィン・パターンの例は、図２９に示すものに類似の千鳥状パターンによって形成される。

図２４に戻ると、（図２９に示すような）千鳥状のマイクロフィン・パターンを含む高性能マイクロチャネル・パターンをホット・スポット領域（１３１）に用いて、熱伝達係数を２倍に大きくすることができる。２つの理由から、熱伝達率がこのように大きくなることが予想される。まず、各マイクロフィン・セグメントは、発達した流れが得られるには短すぎ、そのため、各マイクロフィン・セグメントは短いチャネルのように振る舞い、予想される局所熱伝達係数はより大きくなり、圧力降下はわずかに増加する。さらに、千鳥状のアレイでは、周囲の領域では連続マイクロフィン・パターンのフィン間ピッチを保ちながら、流体の流れの中心線にエネルギーが伝えられ、そのため、熱的にはより狭いチャネルのように振る舞う。有利には、ホット・スポット領域（１３１）で千鳥状または分断型のフィンを使用すると、熱伝達係数が局所的に大きくなる。ただし、この改変されたフィン・パターンは、連続フィン領域に平行なので、流量が減少することがある。というのは、千鳥状または分断型のフィンでは、連続フィン領域に比べて、マイクロチャネルに沿う圧力降下が大きくなるからである。流量のこのような減少は、マイクロチャネル冷却装置が設計の対象とする総電力のほんのわずかしか示さないチップの小さな部分に限定されるときには、電力密度のより大きな増加に対して許容し得ることがある。改変されたフィン・パターンを含む領域内のチャネルに直交する単位面積当たりの流量の減少を、通常のフィン・パターンを含む領域内のものの約１／２未満に制限することが望ましい。あるいは、改変されたフィン・パターンを含む領域内の流体速度の低下を、通常のフィン・パターンを含む領域内のものの約１／２未満に制限することが望ましい。

ただし、上記で述べたように、すべての熱交換ゾーンが「平行に」連結されることが好ましい。すなわち、これらの熱交換ゾーンはすべて、注入マニホールドと排出マニホールドの間の圧力降下が同じ状態で動作するように設計すべきであり、これらのマニホールドは、熱交換部分全体にわたって流体の流れが均一になるように断面積を変化させて設計すべきである。

図２５に、本発明の実施形態の別の例による、チップのホット・スポット領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す。具体的には、図２５に、６ゾーン熱交換構造を有するマイクロチャネル・プレートの例（１４０）を示す。領域（１４１）（ホット・スポット領域）は、チップの「ホット・スポット」に対応する。図２４の方法と同様に、ホット・スポット領域（１４１）に入力マニホールド（１４２）を位置合わせし、ホット・スポット領域（１４１）に対して高性能マイクロチャネル・パターン（例えば、分断型または千鳥状のマイクロフィン・パターン）を形成することによって、局所的な冷却が行われる。ただし、図２５にはさらに、入力マニホールド（１４２）に位置合わせされたホット・スポット領域（１４１）に向かって、それぞれの出力マニホールド（１４３）および（１４４）の一部（１４３ａ）および（１４４ａ）を移動／再経路設定することによって、局所的な冷却を高める方法を示す。この方法では、入力マニホールド（１４２）のホット・スポット領域（１４１）に位置合わせされた部分と、出力マニホールド（１４３）および（１４４）の再経路設定された部分（１４３ａ）および（１４４ａ）の間の熱交換ゾーンの領域内のマイクロチャネルのチャネル長を効果的に短くして、チャネル長を短くした熱交換ゾーンの領域の圧力降下を、マイクロチャネルがより長く、連続した（分断されておらず、千鳥状にもなっていない）熱交換ゾーンの他の領域の圧力降下とほぼ同じにする。

図２５の局所冷却方法の例では、熱交換ゾーンの数を一定と仮定して、マニホールド部分（１４４ａ）と入力マニホールド（１４５）の間、およびマニホールド部分（１４３ａ）と入力マニホールド（１４６）の間の熱交換ゾーンの領域内のマイクロチャネル長を長くし、それによって、これらの領域内での流量、したがって冷却が低下する。ただし、これは、チップの電力マップによっては許容し得ることがある。

図２６に、本発明の実施形態の別の例による、チップのホット・スポット領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す。具体的には、図２６に、全体的に６ゾーン熱交換構造を有するマイクロチャネル・プレートの例（１５０）を示す。領域（１５１）（ホット・スポット領域）は、チップの「ホット・スポット」に対応する。図２６には、チップの比較的大きなホット・スポットに対する冷却能力を高めるように設計されたマイクロチャネル・プレートの例（１５０）を示す。チャネル長が局所的に短くなり得るように、領域（１５１）内に追加のマニホールドを形成する。図２６の実施形態の例では、平均電力密度のチップ領域を冷却するために、６つの熱交換ゾーンを画定する。ただし、ホット・スポット領域（１５１）では、このホット・スポットだけに対して６つの熱交換ゾーンが画定されるように、追加のマニホールドを形成する。

図２７に、本発明の実施形態の別の例による、チップのホット・スポット領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す。より具体的には、図２７に、チップの２つの比較的大きな「ホット・スポット」に対応する領域（１６１）および（１６２）を有するマイクロチャネル・プレートの例（１６０）を示す。図２７の実施形態の例では、電力密度は、チップのホット・スポットでは極めて高く、チップの残りの領域では比較的小さいと仮定する。マイクロチャネル・プレート（１６０）は、２つの熱交換ゾーン（１６３）および（１６４）を備える。熱交換ゾーン（１６３）は、ホット・スポット領域（１６１）および（１６２）に対応するチップの高電力密度領域を冷却するように設計され、熱交換ゾーン（１６４）は、チップの低電力密度領域を冷却するように設計される。熱交換ゾーン（１６３）および（１６４）全体にわたる圧力降下をほぼ同じに維持しながら、チップのホット・スポット領域に対する冷却能力を高めるために、熱交換ゾーン（１６３）は、マイクロチャネルを比較的短くかつ微細なピッチで設計し、熱交換ゾーン（１６４）は、マイクロチャネルを比較的長くかつ粗いピッチで設計する。

実施形態の別の例では、より短い熱交換ゾーン（１６３）のところで、２つの異なるマイクロチャネル・パターンを形成し得る。より具体的には、例として、一点鎖線で境界づけられた領域（１６５）内で、高性能マイクロチャネル設計を用いることができ、その結果、単位長さ当たりの圧力降下が大きくなる。それに対して、熱交換ゾーン（１６３）のうち、領域（１６５）を取り囲む区域内では、それほど性能が高くないマイクロチャネル設計を用いることができる。さらに、図２７の実施形態の例では、高性能領域（１６５）におけるマイクロチャネルの長さの合計と、周囲のそれほど性能が高くないマイクロチャネル領域における長さの合計は、より短い熱交換ゾーン（１６３）内のすべての個々のマイクロチャネルについて同じである。高性能マイクロチャネル領域（１６５）は、様々な方法の１つでパターン化され、構築され、また配置されたマイクロチャネルを含み得る。例えば、領域（１６５）は、微細ピッチのマイクロチャネル、あるいは、（図２８および図２９の場合と同様に）千鳥状または分断型のパターンで形成されたマイクロフィンを含み得る。あるいは、領域（１６５）内のマイクロチャネルは、ピッチを同じにして、チャネル幅を狭くすることができる。

本発明の実施形態の他の例では、マニホールド領域内に延びる（すなわち、陥凹領域（Ｒ）内に延びる）マイクロフィンを設計することによって、局所的な冷却能力を高めることができるが、このような方法では、これらのマイクロフィンが陥凹領域内をどのくらい長く延びるかによっては、圧力降下が大きくなることがある。別の実施形態では、１つおきのフィンの長さが、その隣接するフィンに対して相対的に長くなるように、伝熱マイクロフィンを設計し得る。このように長さを追加することにより、マニホールド・プレートの注入／排出用の流体ビアの直下でフィンが終端する。この実施形態によれば、これらのマイクロフィンの半分を使用して、注入流体ビアの下の伝導経路を長くし、排出流体ビアの下の流体よどみ点を伴う区域における伝導冷却を増加させ、それによって、マニホールド領域における全体的な冷却能力を局所的に高めることができ、圧力降下の増加はわずかである。

本明細書で、添付の図面を参照して実施形態の例を説明してきたが、このシステムおよび方法は、これらそのものの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、当業者なら、これらの実施形態において他の様々な変更および改変を実施し得ることを理解されたい。このようなすべての変更および改変は、添付の特許請求の範囲によって定義する本発明の範囲に含まれるものとする。

ＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する従来型機器を示す概略図である。ＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する従来型機器を示す概略図である。ＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する別の従来型機器を示す概略図である。ＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する別の従来型機器を示す概略図である。ＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する別の従来型機器を示す概略図である。ＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）用のＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する従来型機器を示す概略図である。ＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）用のＩＣチップをマイクロチャネルにより冷却する従来型機器を示す概略図である。本発明の実施形態の例によるマニホールド・プレートおよびこのマニホールド・プレートを製作する方法を示す例示的概略図である。本発明の実施形態の例によるマニホールド・プレートおよびこのマニホールド・プレートを製作する方法を示す例示的概略図である。本発明の実施形態の例によるマニホールド・プレートおよびこのマニホールド・プレートを製作する方法を示す例示的概略図である。本発明の実施形態の例によるマニホールド・プレートおよびこのマニホールド・プレートを製作する方法を示す例示的概略図である。本発明の実施形態の一例による一体型マイクロチャネル冷却装置を構築するために、図８〜図１１のマニホールド・プレートの例に接合し得る、本発明の実施形態の例によるマイクロチャネル・プレートを示す概略図である。本発明の実施形態の一例による一体型マイクロチャネル冷却装置を構築するために、図８〜図１１のマニホールド・プレートの例に接合し得る、本発明の実施形態の例によるマイクロチャネル・プレートを示す概略図である。本発明の実施形態の例によるマニホールド構造の一部の図式的な詳細図である。本発明の実施形態の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略断面図である。本発明の実施形態の別の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略断面図である。本発明の実施形態の別の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略断面図である。本発明の実施形態の別の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略斜視図である。本発明の実施形態の別の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略斜視図である。本発明の実施形態の別の例による、半導体チップをマイクロチャネルにより冷却する機器を示す概略斜視図である。本発明の実施形態の例による流体分配マニホールド装置の概略平面図である。本発明の実施形態の別の例による流体分配マニホールド装置の概略平面図である。本発明の実施形態の例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す図である。本発明の実施形態の別の例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す図である。本発明の実施形態の別の例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す図である。本発明の実施形態の別の例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す図である。本発明の実施形態の別の例による、チップの「ホット・スポット」領域に対する冷却能力を局所的に高める方法を概略的に示す図である。本発明の実施形態の例によるマイクロチャネル冷却装置で実施し得るマイクロフィン・パターンを示す概略図である。本発明の実施形態の例によるマイクロチャネル冷却装置で実施し得るマイクロフィン・パターンを示す概略図である。

符号の説明

１０半導体チップ
１１前面領域
１２陥凹領域
１３チャネル
１４熱伝導フィン
１５透明カバー
１６入力ポート
１７出力ポート
２０シリコン・チップ、ダイ
２１マイクロチャネル
２２セラミック・フレーム、セラミック基板
２３冷却液出力マニホールド、マニホールド・チャネル
２４冷却液入力マニホールド、マニホールド・チャネル
２５冷却液出力マニホールド、マニホールド・チャネル
２６冷却液排出ポート
２７冷却液注入ポート
２８冷却液排出ポート
２９接地面
２９ａ冷却液出力ダクト
２９ｂ冷却液入力ダクト
３０集積回路モジュール、マイクロチャネル冷却装置
３１ＩＣチップ
３１ａ前側（活動）表面
３１ｂ裏側（非活動）表面
３２ハンダ・バンプ用ボンディング部位
３３マイクロチャネル構造
３３ａマイクロチャネル
３４カバー・マニホールド
３４ａ入力冷却液送達チャネル、入力マニホールド・チャネル、開口
３４ｂ出力冷却液送達チャネル、出力マニホールド・チャネル、開口
３５冷却液供給マニホールド
３６冷却液供給チャネル
３６ａ開口
３７冷却液供給チャネル
３７ａ開口
３８冷却液供給チャネル
３９冷却液供給チャネル
４０マニホールド・プレート
４１平面基板
４３流体マニホールドの一部の領域
４４チャネル・セグメント
５０マイクロチャネル・プレート
５１基板
５２エッチング領域
５３伝熱マイクロフィン
５４マイクロチャネル
５５マイクロチャネル・プレートの一部
７０半導体パッケージ
７１一体型マイクロチャネル冷却装置
７２半導体チップ
７４マイクロチャネル・プレート
７５マニホールド・プレート
７６伝熱マイクロフィン
７７マイクロチャネル
８０半導体チップ冷却装置、ＩＣパッケージ構造
８１一体型マイクロチャネル冷却装置
８２半導体チップ
８３ハンダ・ボール
８４伝熱マイクロフィン
８５マイクロチャネル
９０マニホールド・プレート
９１マニホールド・チャネル、流体マニホールド
９２マニホールド・チャネル
９３チャネル・セグメント
９４マイクロチャネル・プレート
９５伝熱マイクロフィン
１００流体分配マニホールド
１０１ハウジング
１０２流体戻りマニホールド
１０３流体供給マニホールド
１０４出力ポート用の円形領域
１０５入力ポート用の円形領域
１０６矩形開口
１０７矩形開口
１１０共通流体分配マニホールド
１１１ハウジング
１１２流体供給マニホールド
１１３流体供給マニホールド
１１４注入口
１１５注入口
１１６流体戻りマニホールド
１１７流体戻りマニホールド
１１８排出ポート
１１９排出ポート
１２０ａ矩形開口
１２０ｂ矩形開口
１２０ｃ矩形開口
１２０ｄ矩形開口
１２１ａ矩形開口
１２１ｂ矩形開口
１２１ｃ矩形開口
１２１ｄ矩形開口
１２５マイクロチャネル・プレート
１２６ホット・スポット領域
１２７入力流体マニホールド
１３０マイクロチャネル・プレート
１３１ホット・スポット領域
１３２入力マニホールド
１４０マイクロチャネル・プレート
１４１ホット・スポット領域
１４２入力マニホールド
１４３出力マニホールド
１４３ａ出力マニホールドの一部
１４４出力マニホールド
１４４ａ出力マニホールドの一部
１４５入力マニホールド
１４６入力マニホールド
１５０マイクロチャネル・プレート
１５１ホット・スポット領域
１６０マイクロチャネル・プレート
１６１ホット・スポット領域
１６２ホット・スポット領域
１６３熱交換ゾーン
１６４熱交換ゾーン
１６５高性能マイクロチャネル領域
１７０分断型マイクロフィン・パターン
１７１平行マイクロフィンの列
１７２平行マイクロフィンの列
１７３平行マイクロフィンの列
１７４マイクロフィン構造
１７５千鳥状のマイクロフィン・パターン
１７６平行マイクロフィンの列
１７７平行マイクロフィンの列
１７８平行マイクロフィンの列
１７９平行マイクロフィンの列
１８０平行マイクロフィンの列
１８１マイクロフィン構造
Ａマニホールド部分
Ｂマニホールド部分
Ｂ１接合部
Ｂ２熱接合部
Ｂ３低熱抵抗ボンド
Ｃマニホールド・チャネル、マニホールド部分
Ｃ１マニホールド・チャネル
Ｃ２マニホールド・チャネル
Ｃ３マニホールド・チャネル
Ｃ４マニホールド・チャネル、ハンダ・ボール
Ｃ５マニホールド・チャネル
Ｃ６マニホールド・チャネル
Ｃ７マニホールド・チャネル
Ｄマニホールド部分
Ｇ１間隙
Ｇ２間隙
Ｍ１流体マニホールド
Ｍ２流体マニホールド
Ｍ３流体マニホールド
Ｍ４流体マニホールド
Ｍ５流体マニホールド
Ｍ６流体マニホールド
Ｍ７流体マニホールド
Ｒ陥凹領域
Ｒ１陥凹領域
Ｒ２陥凹領域
Ｒ３陥凹領域
Ｒ４陥凹領域
Ｒ５陥凹領域
Ｒ６陥凹領域
Ｒ７陥凹領域
Ｓ１底面
Ｓ２上面
ｖ流体ビア
Ｖ１流体ビアのパターン／配列
Ｖ２流体ビアのパターン／配列
Ｖ３流体ビアのパターン／配列
Ｖ４流体ビアのパターン／配列
Ｖ５流体ビアのパターン／配列
Ｖ６流体ビアのパターン／配列
Ｖ７流体ビアのパターン／配列

Claims

電力マップが不均一なＩＣ（集積回路）チップを冷却する一体型マイクロチャネル冷却装置であって、
前記一体型冷却装置内を同じ方向に延びる複数の交互に並んだ入力および出力用のマニホールドと、
複数の熱交換ゾーンとを備え、
各熱交換ゾーンは、隣接する入力マニホールドと出力マニホールドの間に流体流路が設けられるように、前記隣接する入力マニホールドと出力マニホールドの間を延びる複数のマイクロチャネルからなるマイクロチャネル・パターンを画定する複数の伝熱マイクロフィンを備え、
前記マイクロチャネル・パターンは、前記ＩＣチップの予想平均電力密度の領域に対する熱伝達性能を有する第１パターンのマイクロチャネルと、前記ＩＣチップの前記予想平均電力密度よりも高い予想平均電力密度の領域である前記ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対する熱伝達性能を有する第２パターンのマイクロチャネルとを備え、
前記第１パターンのマイクロチャネルは、連続したマイクロチャネルを含み、前記第２パターンのマイクロチャネルは、千鳥状または分断型のパターンのマイクロフィンを含み、
前記入力マニホールドおよび出力マニホールド、ならびに前記熱交換ゾーンのマイクロチャネル・パターンにおいて、前記第２パターンのマイクロチャネルが設けられている熱交換ゾーンの領域内の流体速度の低下が、前記第１パターンのマイクロチャネルが設けられている熱交換ゾーンの他の領域内の流体速度の１／２未満である、一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記第１パターンのマイクロチャネルは、第１ピッチで離間した平行な連続マイクロチャネルを含み、前記第２パターンのマイクロチャネルは、前記第１ピッチよりも狭い第２ピッチで離間した平行な連続マイクロチャネルを含む、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記第１パターンのマイクロチャネルは、千鳥状または分断型のパターンの、第１ピッチで離間したマイクロフィンを含み、前記第２パターンのマイクロチャネルは、千鳥状または分断型のパターンの、前記第１ピッチよりも狭い第２ピッチで離間したマイクロフィンを含む、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記熱交換ゾーンの前記第１および第２のパターンのマイクロチャネルは、隣接する入力マニホールドと出力マニホールドの間で前記流体経路を形成するように配置される、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記第２パターンのマイクロチャネルが設けられている領域の単位面積当たりの流量の減少が、前記第１パターンのマイクロチャネルが設けられている領域の流量の１／２である、請求項４に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対する熱交換ゾーンに前記入力マニホールドが位置合わせされている、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記千鳥状のパターンは、平行な伝熱マイクロフィンからなる複数の列を含み、１つおきの列は同じピッチで分離され、各列の伝熱マイクロフィンは該伝熱マイクロフィンの長さよりも長い分離部で分離され、隣接する列の分離部は互い違いに配列されている、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記分断型のパターンは、平行な伝熱マイクロフィンからなり、同じピッチで離間した複数の列を含み、各列の伝熱マイクロフィンは該伝熱マイクロフィンの長さよりも短い分離部で分離され、隣接する列の分離部は互い違いに配列されている、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記ＩＣチップの予想ホット・スポット領域に対する熱交換ゾーンに位置合わせされている前記入力マニホールドに向かって、該入力マニホールドに対向する前記出力マニホールドの一部が近づけられている請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記第１パターンのマイクロチャネルに代えて、前記入力マニホールドと前記出力マニホールドの間を延びる第１の長さの、第１ピッチで離間した連続マイクロチャネルを含む第１パターンのマイクロチャネルを使用し、そして、前記第２パターンのマイクロチャネルに代えて、前記入力マニホールドと前記出力マニホールドの間を延びる第２の長さの、第２ピッチで離間した連続マイクロチャネルを含む第２のパターンのマイクロチャネルを使用し、前記第１の長さおよびピッチは、前記第２の長さおよびピッチよりも大きい、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記一体型冷却装置は、両端部のマニホールドと該両端部のマニホールド相互間に設けられた複数の前記入力マニホールド及び複数の前記出力マニホールドを有し、前記両端部のマニホールドは直線状であり、前記両端部のマニホールドの間に設けられた前記入力マニホールド及び前記出力マニホールドは交互に配置され且つジグザグ状である、請求項１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記ジグザグ状の前記入力マニホールド及び前記出力マニホールドのそれぞれは、ジグザグ状に配置された複数の流体ビアと、隣接する流体ビア相互間を接続するチャネル・セグメントを有する、請求項１１に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。
前記チャネル・セグメントは、前記流体ビアの中心相互間の距離の半分の距離まで、前記流体ビアから離れる方向に細くなっている、請求項１２に記載の一体型マイクロチャネル冷却装置。