JP5990925B2 - 冷却装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、冷却装置及びその製造方法に係り、特に、液冷方式の冷却装置及びその製造方法に関する。
半導体ＩＣチップやパッケージ、車載用パワー半導体等の電子部品や電子機器等では、動作時に発生する熱を効率的に取り除き、高い信頼性のもとに継続的に動作する機能を搭載することが求められている。例えば、サーバやＰＣには非常に多くの熱を発生するＣＰＵ（Central Processing Unit）が使用されているため、そこから発生する熱を効率よく取り除くとともに、筐体内部や設置場所の温度環境を適正に維持することが求められている。また、装置の小型化・高速化の進展に伴い、電流密度が増加しひいては発熱量も多くなっており、熱を効率的に取り除くことがますます求められている。
発熱体を冷却する手法としては、例えば、ファンを備えたフィン付きヒートシンクを用いた空冷方式、機械式ポンプを用いて流体を流すことによる液冷方式等が挙げられる。現状では、技術の成熟度、ランニングコスト、信頼性等の面から、空冷方式が多く用いられている。一方、液冷方式は、液体の流量を調整することによって必要な冷却性能に制御することができ、また、取り除いた熱をまとめて所望の場所に集約できるため、設置場所の空調等を含めたシステム全体の省電力化に繋げることが可能となる。このため、今後、システムへの実装の容易性、信頼性、生産性等が向上できれば、能動的に必要な冷却性能を提供することが可能で、取り除いた熱を集約しやすい液冷方式が主流になる可能性が高い。
液冷方式の中では、マイクロオーダのディメンジョンをもつマイクロチャネルに液体を導入する冷却方式が注目されている。マイクロスケールの流れは層流であるとともに体積力よりも表面力（流体の粘性効果）の影響が大きくなる効果が現れるため、少ない流量の流体によって熱伝達率を向上することができる。これにより、熱源から発生した熱を効率よく移動させるとともに、必要な冷却性能を得ることができる。さらに、チャネルの幅及び高さはマイクロオーダであるため、冷却装置を小型化できるメリットもある。また、流体の使用量が少ないため、流体の移動エリアや保管エリアに対する設計の自由度が向上するメリットもある。
基板上にバンプ接合されたＣＰＵチップは、初期の状態で表面に反り（主に凸形状が多い）が発生している。チップサイズによって反りの大きさは異なるが、例えば１０ｍｍ□のチップにおいては、２０μｍ〜３０μｍ程度も反っていることがある。また、動作に伴う温度変化や実装方法の違いによっても反りの形状や変化量は異なってくる。
しかしながら、従来のマイクロチャネルチップは、ＣＰＵチップの反りによる影響に対して十分考慮されていなかった。また、マイクロチャネルチップはＴＩＭ（サーマルインターフェイスマテリアル）を介してＣＰＵチップ上に搭載されるが、熱サイクルが加わるとＣＰＵチップの反りやその温度変化に追従することができず、ＣＰＵチップとマイクロチャネルチップとの間で剥離が生じることがあった。またその結果、マイクロチャネルチップによる十分な放熱効果を発揮できなくなることがあった。
本発明の目的は、被着体の形状変化に追従して高効率且つ安定した放熱特性を得ることができる冷却装置及びその製造方法を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、一の表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブとを有する冷却装置が提供される。
実施形態の他の一観点によれば、対向する一対の表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブとを有する冷却装置が提供される。
実施形態の他の一観点によれば、対向する一対の表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブとを有する冷却装置が提供される。
また、実施形態の更に他の観点によれば、表面に平行な方向に延在する複数の貫通孔を有する基板を形成する工程と、前記基板に、前記貫通孔が形成されたブロックを互いに分離するように複数のスリットを形成する工程と、前記複数のスリット内にカーボンナノチューブを成長する工程とを有する冷却装置の製造方法が提供される。
開示の冷却装置及びその製造方法によれば、冷却装置を搭載する被着体の形状変化に追従して形状を変化することができる。また、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブをスリット内に形成することにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。これにより、高効率且つ安定した放熱特性を実現することができる。
［第１実施形態］
第１実施形態による冷却装置及びその製造方法についてについて図１乃至図１０を用いて説明する。
第１実施形態による冷却装置及びその製造方法についてについて図１乃至図１０を用いて説明する。
図１は、本実施形態による冷却装置の構造を示す斜視図である。図２は、本実施形態による冷却装置の構造を示す概略断面図である。図３は、本実施形態による冷却装置の効果を示す概略断面図である。図４は、本実施形態の比較例による冷却装置の構造及び課題を示す概略断面図である。図５乃至図９は、本実施形態による冷却装置の製造方法を示す工程断面図である。図１０は、カーボンナノチューブの変形に伴う熱抵抗への影響を測定した結果を示すグラフである。
はじめに、本実施形態による冷却装置の構造について図１及び図２を用いて説明する。なお、図２（ａ）は図１のＸ−Ｙ面に平行なマイクロチャネル部の断面図であり、図２（ｂ）は図１のＸ−Ｚ面に平行なマイクロチャネル部の断面図であり、図２（ｃ）は図１のＹ−Ｚ面に平行なマイクロチャネル部の断面図である。
本実施形態による冷却装置４０は、図１及び図２に示すように、一方向（Ｘ方向）に長い長方体の外形を有する複数のマイクロチャネルチップ３０を有している。各マイクロチャネルチップ３０には、長辺に対して平行にマイクロチャネルチップ３０を貫通するように、貫通孔（以下、マイクロチャネルという）３２が設けられている。複数のマイクロチャネルチップ３０は間隔（スリット）を開けて平行に配置されており、マイクロチャネルチップ３０間はマイクロチャネル３２の延在する方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）に配向した複数のカーボンナノチューブ２４によって互いに接続されている。
このように、本実施形態による冷却装置４０では、複数のマイクロチャネルチップ３０がカーボンナノチューブ２４を介して接続されている。カーボンナノチューブ２４はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、カーボンナノチューブ２４を用いた接続部分は、冷却装置の被着体（例えば、発熱源であるＣＰＵチップ）の形状変化に追従して撓むことができる。
本実施形態による冷却装置４０は、例えば図３（ａ）に示すように、ＴＩＭ（サーマルインターフェイスマテリアル）４２を介してＣＰＵチップ４４上に搭載される。ＣＰＵチップ４４やＣＰＵチップ４４が搭載される回路基板（図示せず）に反りが生じたときには、例えば図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ＣＰＵチップ４４の表面の形状に追従してカーボンナノチューブ２４の接続部分が変形し、ＣＰＵチップ４４と各マクロチャネルチップ３０との間の接合を維持することができる。これにより、ＣＰＵチップ４４表面の形状変化に伴う冷却装置４０による放熱効率の低下を抑制することができる。
なお、一枚のチップに複数のマイクロチャネル３２が設けられた冷却装置４０では、ＣＰＵチップ４４の表面が平坦なときは、例えば図４（ａ）に示すように、ＣＰＵチップ４４と冷却装置４０との間の接合は十分である。しかしながら、ＣＰＵチップ４４や、バンプ４６を介してＣＰＵチップ４４が搭載される回路基板４８に反りが生じた場合には、反りに追従して冷却装置４０が変形することができず、最悪の場合、冷却装置４０とＣＰＵチップ４４との間で剥離が生じる（図４（ｂ））。またその結果、冷却装置４０によるＣＰＵチップ４４の放熱効果が低下する。
冷却装置４０を複数のマイクロチャネルチップ３０に分割することにより、冷却装置４０の全体に占めるマイクロチャネルチップ３０の体積割合は低下する。しかしながら、マイクロチャネルチップ３０間を接続するカーボンナノチューブ２４は極めて熱伝導性の高い材料であるため、マイクロチャネルチップ３０を分割することによる熱抵抗の増加を抑制することができる。
なお、図１及び図２の例では各マイクロチャネルチップ３０に１つずつのマイクロチャネル３２を設けているが、各マイクロチャネルチップ３０に複数のマイクロチャネル３２を設けるようにしてもよい。この場合のマイクロチャネル３２は、平面方向に並べて配置してもよいし、高さ方向に並べて配置してもよい。また、異なる個数のマイクロチャネル３２を有するマイクロチャネルチップ３０を用いて冷却装置４０を形成してもよい。また、マイクロチャネルチップ３０の数は特に限定されるものではなく、マイクロチャネル３２のサイズやＣＰＵチップ４４の大きさ等に応じて適宜設定することができる。マイクロチャネル３２の断面形状も、四角形形状に限定されるものではない。
次に、本実施形態による冷却装置の製造方法について図５乃至図９を用いて説明する。
まず、マイクロチャネルチップを形成するための基板として、２種類のシリコン基板を用意する。一方の基板はマイクロチャネルを彫り込むための基板であり、他方の基板はマイクロチャネルの蓋をするための基板である。
シリコン基板１０，２０の厚さは、ＣＰＵチップの大きさや反りの度合いに応じて、マイクロチャネルチップの数、カーボンナノチューブで繋ぐ長さ等をもとに、適宜選択することが望ましい。例えば、ＣＰＵチップのサイズが１０ｍｍ□であり反り３８μｍ程度が想定される場合、幅７０μｍのマイクロチャネルを形成した幅１００μｍ、高さ６２５μｍのマイクロチャネルチップ７７個を、長さ３０μｍのカーボンナノチューブで繋いで冷却装置を形成する。ここでは、このようなサイズの冷却装置を形成することを想定し、厚さ８５μｍのシリコン基板１０と、厚さ１５μｍのシリコン基板２０とを用意するものとする。
シリコン基板１０，２０は、パターン形成、エッチング処理、接合等を両面に施すため、両面ミラータイプのシリコン基板であることが望ましい。シリコン基板１０，２０は、不純物をドープすることにより導電性を付与したものでもよい。不純物としては、例えば、Ｂ（硼素）などのＰ型不純物や、Ｐ（燐）、Ａｓ（砒素）、Ｓｂ（アンチモン）等のＮ型不純物が該当する。
次いで、シリコン基板１０上に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜１２を形成する。フォトレジスト膜１２としては、例えば、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製の「ＡＺＰ４６２０」を用いることができる。このレジスト材料を、例えば回転数２０００ｒｐｍでシリコン基板１０上に塗布し、例えば１２０℃でプリベークすることにより、フォトレジスト膜１２を形成する。
次いで、フォトリソグラフィによりフォトレジスト膜１２をパターニングし、フォトレジスト膜に、形成しようとするマイクロチャネルの高さに相当する幅、例えば３００μｍ〜５００μｍ（ここでは４００μｍとする）のストライプ状の開口部１４を形成する（図５（ａ））。
次いで、フォトレジスト膜１２をマスクとしてシリコン基板１０をエッチングし、シリコン基板１０に、形成しようとするマイクロチャネルの幅に対応する深さ、例えば７０μｍの溝１６を形成する（図５（ｂ））。
シリコン基板１０のエッチングには、例えばＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching、深堀りＲＩＥ）法を用いることができる。ＤＲＩＥ法とは、エッチングとエッチング側壁保護とを繰り返しながら行うエッチング技術である。エッチングのステップにおいては、例えばＳＦ６ガスを用いてエッチングを行う。側壁保護のステップにおいては、例えばＣ４Ｆ８ガスを用いて側壁を保護する。保護膜により横方向のエッチングが抑制される異方性エッチングとなる。これにより、アスペクト比の高い溝を形成することができる。エッチングのステップとしては、例えば、コイルパワーを６００Ｗ、プロセスチャンバ内の圧力を１４．５ｍＴｏｒｒ、基板へのＲＦパワーを３８０ｋＨｚで２３Ｗとした状態下にて、ＳＦ６ガスを１３０ｓｃｃｍの流量で導入する７．５秒の処理を適用することができる。側壁保護のステップとしては、例えば、コイルパワーを６００Ｗ，プロセスチャンバ内の圧力を１４．５ｍＴｏｒｒとした状態下にて、Ｃ４Ｆ８ガスを例えば１３０ｓｃｃｍの流量で導入する６．３秒の処理を適用することができる。
次いで、例えばアッシングにより、フォトレジスト膜１２を除去する。
次いで、溝１６を形成したシリコン基板１０を、所定の大きさに切断する（図５（ｃ））。シリコン基板１０の切断方法は、特に限定されるものではないが、例えば上述のＤＲＩＥ法を適用することができる。切断したシリコン基板１０は、マイクロチャネルチップの部品となるものであり、その大きさは形成しようとするマイクロチャネルチップの大きさに応じて適宜選択される。ここでは、シリコン基板１０を、幅６２５μｍ、長さ１０ｍｍの形状に加工するものとする。切断したシリコン基板１０の表面には、長辺に沿って幅４００μｍ、深さ７０μｍ、長さ１０ｍｍの溝１６が形成される。
また、シリコン基板２０についても、所定の大きさに切断する（図６（ａ））。シリコン基板２０の切断方法は、特に限定されるものではないが、例えば上述のＤＲＩＥ法を適用することができる。切断したシリコン基板２０は、マイクロチャネルチップの部品となるものであり、その大きさは形成しようとするマイクロチャネルチップの大きさに応じて適宜選択される。ここでは、シリコン基板２０を、幅６２５μｍ、長さ１０ｍｍの形状に加工するものとする。
次いで、シリコン基板２０上に、例えば熱酸化法により、例えば膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（図示せず）を形成する。
次いで、シリコン酸化膜上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍ相当のＦｅ（鉄）を堆積する。これにより、シリコン基板２０上に、Ｆｅの触媒金属膜２２を形成する（図６（ｂ））。
触媒金属としては、Ｆｅのほか、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金を用いてもよい。また、触媒として、金属膜以外に、微分型静電分級器（ＤＭＡ：differential mobility analyzer）等を用い、予めサイズを制御して作製した金属微粒子を用いてもよい。この場合も、金属種については薄膜の場合と同様でよい。
また、これら触媒金属の下地膜として、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、ＴａＮ（窒化タンタル）、ＴｉＳｉｘ（チタンシリサイド）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯｘ（酸化チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）などの膜又はこれらのうち少なくとも一の材料を含む合金からなる膜を形成してもよい。例えば、Ｆｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１０ｎｍ）の積層構造、Ｃｏ（２．６ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）の積層構造等を適用することができる。金属微粒子を用いる場合は、例えば、Ｃｏ（平均直径：３．８ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）などの積層構造を適用することができる。
次いで、シリコン基板２０上に、触媒金属膜２２を触媒として、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、カーボンナノチューブ２４を成長する。
カーボンナノチューブ２４の成長条件は、特に限定されるものではないが、例えば、原料ガスとしてアセチレン・アルゴンの混合ガス（分圧比１：９）を用い、成膜室内の総ガス圧を１ｋＰａ、ホットフィラメント温度を１０００℃、成長時間を１５分とする。これにより、層数が３層〜６層（平均４層程度）、直径が４ｎｍ〜８ｎｍ（平均６ｎｍ）、長さが６０μｍ程度の多層カーボンナノチューブ２４を、１×１０１１本／ｃｍ２程度の面密度で成長することができる。
カーボンナノチューブ２４の長さは、カーボンナノチューブで繋ぐマイクロチャネルチップの間隔に応じて適宜選択される。ここでは、長さ６０μｍ程度のカーボンナノチューブ２４を成長するものとする。
なお、カーボンナノチューブ２４は、熱ＣＶＤ法やリモートプラズマＣＶＤ法などの他の成膜方法により形成してもよい。また、成長するカーボンナノチューブ２４は、単層カーボンナノチューブでもよい。また、炭素原料としては、アセチレンのほか、メタン、エチレン等の炭化水素類や、エタノール、メタノール等のアルコール類などを用いてもよい。
こうして、シリコン基板２０上に、シリコン基板２０の法線方向に配向（垂直配向）した複数のカーボンナノチューブ２４を形成する（図６（ｃ））。
次いで、溝１６を形成したシリコン基板１０と、カーボンナノチューブ２４を形成したシリコン基板２０とを接合する（図７（ａ））。シリコン基板１０とシリコン基板２０との接合には、シリコン同士の直接接合、金属膜を用いた共晶結合、接合材料を用いた接合等を用いることができる。
これにより、溝１６の内面とシリコン基板２０の表面により周囲が規定されたマイクロチャネル３２を有し、シリコン基板２０側の側面にカーボンナノチューブ２４が形成されたマイクロチャネルチップ３０を形成する（図７（ｂ））。
なお、カーボンナノチューブ２４は、シリコン基板１０とシリコン基板２０とを接合した後に形成するようにしてもよい。この場合、後述するカーボンナノチューブ１８を形成する場合にあっては、カーボンナノチューブ２４の成長と同時にカーボンナノチューブ１８を形成してもよい。
次いで、マイクロチャネルチップ３０のカーボンナノチューブ２４の端部と、反対側のシリコン基板１０の表面に、例えば蒸着法により、例えばＩｎ（インジウム）やＡｕ（金）等のメタル膜（図示せず）を形成する。
次いで、メタル膜を形成した複数のマイクロチャネルチップ３０を加熱しながら圧着していく。この際、加熱温度は、カーボンナノチューブ面とシリコン面に形成したメタルの種類に応じて適宜選択する。また、加圧量は、カーボンナノチューブ２４に必要なベンディング量やマイクロチャネルチップ３０の配置間隔等に応じて適宜選択される。ここでは、メタル膜としてＩｎを用いることを想定して１６５℃、０．５ＭＰａの条件で加圧し、長さ６０μｍのカーボンナノチューブ２４が３０μｍまでベンディングした状態でマイクロチャネルチップ３０間を接合する。カーボンナノチューブ２４をベンディングした状態で接合するのは、ＣＰＵチップ４４等の反りによってマイクロチャネルチップ３０間の間隔が広がったときにも、カーボンナノチューブ２４によってマイクロチャネルチップ３０間の接合を維持するためである。
このようにして、所望の数のマイクロチャネルチップ３０をカーボンナノチューブ２４を介して接続し、本実施形態による冷却装置４０を完成する（図７（ｃ））。
シリコン基板１０とカーボンナノチューブ２４との間の接合には、Ｉｎ等のメタル膜を用いなくてもよい。例えば、カーボンナノチューブ２４が接合されるシリコン基板１０の表面を、ＸｅＦ２やＢｒＦ３等を用いてポーラス状にエッチングしておき、カーボンナノチューブ２６とシリコン基板１０との間のアンカリング効果によって接合するようにしてもよい。
或いは、例えば図８（ａ）に示すように、シリコン基板１０の表面にもカーボンナノチューブ１８を形成しておき、カーボンナノチューブ１８とカーボンナノチューブ２４との噛み合わせによりマイクロチャネルチップ３０同士を接合してもよい（図８（ｂ））。
また、１つのマイクロチャネルチップ３０に複数のマイクロチャネル３２を有する冷却装置は、例えば図９に示す方法により製造することができる。
まず、図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示す方法と同様にして、シリコン基板１０の両面に溝１６を形成する（図９（ａ））。
次いで、溝１６を形成したシリコン基板１０の両面に、カーボンナノチューブ２４を形成したシリコン基板２０を接合し、２つのマイクロチャネル３２を有するマイクロチャネルチップ３０を形成する（図９（ｂ））。シリコン基板１０，２０を接合した後、カーボンナノチューブ２４を形成するようにしてもよい。
次いで、図７（ｃ）或いは図８（ｂ）に示す方法と同様にして、複数のマイクロチャネルチップ３０を接合し、冷却装置４０を完成する（図９（ｃ））。
或いは、図７（ａ）乃至図７（ｂ）に示す工程において、溝１６が形成されたシリコン基板１０を同じ方向に複数枚積層し、所望の数のマイクロチャネル３２を有するマイクロチャネルチップ３０を形成するようにしてもよい。
また、高さ方向に複数のマイクロチャネル３２を有するマイクロチャネルチップ３０は、一の面に複数の溝１６を形成したシリコン基板１０を用いることにより、実現することができる。
図１０は、カーボンナノチューブの変形に伴う熱抵抗への影響を測定した結果を示すグラフである。図１０の測定は、長さ５０μｍのカーボンナノチューブに圧力を印加して撓ませたときの、カーボンナノチューブの両端面の温度差を測定した結果をまとめたものである。
カーボンナノチューブに印加する圧力が０．１ＭＰａ程度では、カーボンナノチューブの長さはほとんど変化しない。このときのカーボンナノチューブの両端面の温度差は、０．３８℃程度である。カーボンナノチューブに印加する圧力が０．２５ＭＰａになると、カーボンナノチューブの変形量は１６μｍ程度となる。このときのカーボンナノチューブの両端面の温度差は、０．３６℃程度である。カーボンナノチューブに印加する圧力が０．５０ＭＰａになると、カーボンナノチューブの変形量は３０μｍ程度となる。このときのカーボンナノチューブの両端面の温度差は、０．３６℃程度である。
このように、カーボンナノチューブに印加する圧力が増加するとともにカーボンナノチューブの変形量は大きくなるが、カーボンナノチューブの両端面の温度差はほとんど変化しない。このことは、ＣＰＵチップ４４の表面に反りが生じてカーボンナノチューブ２４が撓んだときにも、カーボンナノチューブ２４の熱抵抗の変化はほとんどなく、均一な放熱特性が得られることを示している。
このように、本実施形態によれば、マイクロチャネルチップを複数のブロックに分割し、これらブロック間をカーボンナノチューブによって接続するので、ＣＰＵチップの反りに追従して冷却装置の形状を変化することができる。また、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブによってブロック間を接続することにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。これにより、高効率且つ安定した放熱特性を実現することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１１乃至図１４を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
第２実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１１乃至図１４を用いて説明する。図１乃至図１０に示す第１実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
図１１は、本実施形態による冷却装置の構造を示す斜視図である。図１２は、本実施形態による冷却装置の効果を示す概略断面図である。図１３及び図１４は、本実施形態による冷却装置の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による冷却装置の構造について図１１を用いて説明する。
本実施形態による冷却装置４０は、平板状のマイクロチャネルチップ３０を有している。マイクロチャネルチップ３０には、一方向（Ｘ方向）に延在しマイクロチャネルチップ３０を貫通する複数のマイクロチャネル３２が設けられている。マイクロチャネルチップ３０には、また、マイクロチャネル３２と同じ方向（Ｘ方向）に延在する複数のスリット３４が設けられている。スリット３４は、マイクロチャネルチップ３０の一表面からマイクロチャネル３２間の領域に達するように形成されている。スリット３４内には、マイクロチャネル３２の延在する方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）に配向した複数のカーボンナノチューブ２４が形成されている。
このように、本実施形態による冷却装置４０は、マイクロチャネル３２が形成された各ブロック間に間隙（スリット３４）が設けられている点で、第１実施形態による冷却装置と共通している。一方、本実施形態による冷却装置４０は、スリット３４がマイクロチャネルチップ３０を貫通しておらず、マイクロチャネルチップ３０が複数のブロックに分離していない点で、第１実施形態による冷却装置とは異なっている。
マイクロチャネルチップ３０は、第１実施形態による冷却装置の場合のように、必ずしもマイクロチャネル３２が形成された複数のブロックに分離している必要はない。マイクロチャネル３２が形成された個々のブロック間にスリット３４を設け、その部分のマイクロチャネルチップ３０を薄くすることにより、マイクロチャネルチップ３０を変形しやすくすることができる。
本実施形態による冷却装置４０は、例えば図１２（ａ）に示すように、ＴＩＭ４２を介してＣＰＵチップ４４上に搭載される。ＣＰＵチップ４４やＣＰＵチップ４４が搭載される回路基板（図示せず）に反りが生じたときには、スリット３４を設けたことの効果により、被着体の形状変化に追従してマイクロチャネルチップ３０自身が撓むことができる。これにより、ＣＰＵチップ４４表面の形状変化に伴う冷却装置４０による放熱効率の低下を抑制することができる。
スリット３４を設けることにより、冷却装置４０の全体に占めるマイクロチャネルチップ３０の体積割合は低下する。しかしながら、スリット３４内に形成されたカーボンナノチューブ２４は極めて熱伝導性の高い材料であるため、マイクロチャネルチップ３０を分割することによる放熱効率への影響は小さい。また、カーボンナノチューブ２４はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、スリット３４内にカーボンナノチューブ２４を形成することによってマイクロチャネルチップ３０の撓みが阻害されることもない。
次に、本実施形態による冷却装置の製造方法について図１３及び図１４を用いて説明する。
まず、マイクロチャネルチップを形成するための基板として、２種類のシリコン基板を用意する。一方の基板はマイクロチャネルを彫り込むためのシリコン基板１０であり、他方の基板はマイクロチャネルの蓋をするためのシリコン基板２０である。
次いで、シリコン基板１０に、例えば図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す第１実施形態による冷却装置の製造方法と同様にして、溝１６を形成する（図１３（ａ））。なお、溝１６の深さ、高さ、ピッチは、形成しようとするマイクロチャネル３２の高さ、幅、ピッチに、それぞれ該当する。
次いで、溝１６を形成したシリコン基板１０上に、シリコン基板２０を接合し、マイクロチャネルチップ３０を形成する。マイクロチャネルチップ３０内には、溝１６の内面とシリコン基板２０の表面により周囲が規定されたマイクロチャネル３２が形成される（図１３（ｂ））。
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、シリコン基板１０及び２０を異方性エッチングし、マイクロチャネルチップ３０の表面からマイクロチャネル３２間の領域に達するスリット３４を形成する（図１３（ｃ））。スリット３４の形成には、前述のＤＲＩＥ法を適用することができる。
次いで、例えば熱酸化法により、マイクロチャネルチップ３０の表面に、例えば膜厚３００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（図示せず）を形成する。
次いで、マイクロチャネルチップ３０のスリット３４が形成された側の表面上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚２．５ｎｍ相当のＦｅを堆積する。これにより、Ｆｅの触媒金属膜２２を形成する（図１４（ａ））。
次いで、ミリング法やＲＩＥ法により触媒金属膜２２をエッチバックし、触媒金属膜２２をスリット３４の側壁部分に選択的に残存させる（図１４（ｂ））。
次いで、スリット３４内に、触媒金属膜２２を触媒として、例えばホットフィラメントＣＶＤ法により、カーボンナノチューブ２４を成長する。カーボンナノチューブ２４は、触媒金属膜２２が形成された表面に対して垂直に成長されるため、マイクロチャネルチップ３０の表面に対して平行に、スリット３４内を埋め込むように成長される。
これにより、スリット３４内にカーボンナノチューブ２４が形成され、本実施形態による冷却装置４０が完成する（図１４（ｃ））。
このように、本実施形態によれば、マイクロチャネル間にスリットを設け、マイクロチャネルチップの形状変化をしやすくするので、ＣＰＵチップの反りに追従して冷却装置の形状を変化することができる。また、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブをスリット内に形成することにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。これにより、高効率且つ安定した放熱特性を実現することができる。
［第３実施形態］
第３実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１５及び図１６を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１及び第２実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
第３実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１５及び図１６を用いて説明する。図１乃至図１４に示す第１及び第２実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
図１５は、本実施形態による冷却装置の構造を示す斜視図である。図１６は、本実施形態による冷却装置の効果を示す概略断面図である。
はじめに、本実施形態による冷却装置の構造について図１５を用いて説明する。
本実施形態による冷却装置４０は、平板状のマイクロチャネルチップ３０を有している。マイクロチャネルチップ３０には、一方向（Ｘ方向）に延在しマイクロチャネルチップ３０を貫通する複数のマイクロチャネル３２が設けられている。マイクロチャネルチップ３０には、また、マイクロチャネル３２と同じ方向（Ｘ方向）に延在する複数のスリット３４が設けられている。スリット３４は、マイクロチャネルチップ３０の表面からマイクロチャネル３２間の領域に達するように、マイクロチャネルチップ３０の両面に形成されている。スリット３４内には、マイクロチャネル３２の延在する方向（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）に配向した複数のカーボンナノチューブ２４が形成されている。
このように、本実施形態による冷却装置４０は、マイクロチャネル３２間の領域に間隙（スリット３４）が設けられている点で、第１及び第２実施形態による冷却装置と共通している。一方、本実施形態による冷却装置４０は、マイクロチャネルチップ３０がマイクロチャネル３２毎に分離していない点で、第１実施形態による冷却装置とは異なっている。
マイクロチャネルチップ３０は、第１実施形態による冷却装置の場合のように、必ずしもマイクロチャネル３２毎に分離している必要はない。マイクロチャネル３２が形成された個々のブロック間にスリット３４を設け、その部分のマイクロチャネルチップ３０を薄くすることにより、マイクロチャネルチップ３０を変形しやすくすることができる。マイクロチャネル３２が形成された個々のブロックを接続する部分は、第２実施形態の冷却装置のようにマイクロチャネルチップ３０の表面部に設けてもよいし、本実施形態の冷却装置４０のようにマイクロチャネルチップ３０の中心部に設けてもよい。
本実施形態による冷却装置４０は、例えば図１６（ａ）に示すように、ＴＩＭ４２を介してＣＰＵチップ４４上に搭載される。ＣＰＵチップ４４やＣＰＵチップ４４が搭載される回路基板（図示せず）に反りが生じたときには、スリット３４を設けたことの効果により、被着体の形状変化に追従してマイクロチャネルチップ３０自身が撓むことができる。これにより、ＣＰＵチップ４４表面の形状変化に伴う冷却装置４０による放熱効率の低下を抑制することができる。
スリット３４を設けることにより、冷却装置４０の全体に占めるマイクロチャネルチップ３０の体積割合は低下する。しかしながら、スリット３４内に形成されたカーボンナノチューブ２４は極めて熱伝導性の高い材料であるため、マイクロチャネルチップ３０を分割することによる放熱効率への影響は小さい。また、カーボンナノチューブ２４はしなやかで柔軟性に富んだ材料であるため、スリット３４内にカーボンナノチューブ２４を形成することによってマイクロチャネルチップ３０の撓みが阻害されることもない。
なお、本実施形態による冷却装置４０は、第２実施形態による冷却装置の製造方法と同様の手法を用い、図１３（ｃ）の工程において、マイクロチャネルチップ３０の両面にスリット３４を形成することにより、製造することができる。
このように、本実施形態によれば、マイクロチャネル間にスリットを設け、マイクロチャネルチップの形状変化をしやすくするので、ＣＰＵチップの反りに追従して冷却装置の形状を変化することができる。また、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブをスリット内に形成することにより、熱抵抗の増加を抑制することができる。これにより、高効率且つ安定した放熱特性を実現することができる。
［第４実施形態］
第４実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１７及び図１８を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１乃至第３実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
第４実施形態による冷却装置及びその製造方法について図１７及び図１８を用いて説明する。図１乃至図１６に示す第１乃至第３実施形態による冷却装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
図１７は、本実施形態による冷却装置の構造を示す斜視図である。図１８は、本実施形態による冷却装置の構造を示す概略断面図である。なお、図１８は、図１７のＸ−Ｚ面に平行なマイクロチャネル部の断面図である。
本実施形態による冷却装置４０は、図１７に示すように、図１に示す第１実施形態の冷却装置のマイクロチャネルチップ３０の一表面に、Ｙ方向に延在する複数の溝３６を設けたものである。
第１実施形態による冷却装置では、マイクロチャネルチップ３０をＸ方向に延在するブロック毎に分割することにより、主にＸ−Ｙ面のＹ方向の反りに追従できるようにした。また、第２及び第３実施形態による冷却装置では、マイクロチャネル３２間にＸ方向に延在するスリット３４を設けることにより、主にＸ−Ｙ面のＹ方向の反りに追従できるようにした。
しかしながら、ＣＰＵチップ等の反りは、必ずしも一方向に生じるものではなく、Ｘ−Ｙ面のＸ方向に生じることもある。第１乃至第３実施形態による冷却装置は、Ｘ−Ｙ面のＸ方向に生じる反りに対しては、必ずしも十分であるとはいえない。
本実施形態による冷却装置４０のようにマイクロチャネルチップ３０の表面にＹ方向に延在する複数の溝３６を設けることにより、Ｘ−Ｙ面のＸ方向に生じる反りに追従してマイクロチャネルチップ３０が形状変化しやすくなる。これにより、ＣＰＵチップ表面の形状変化に伴う冷却装置４０の放熱効率の低下を更に抑制することができる。
溝３６の部分は、図１８（ａ）に示すようにマイクロチャネルチップ３０の表面を彫り込むだけでもよいし、図１８（ｂ）に示すようにカーボンナノチューブ３８で埋め込むようにしてもよい。カーボンナノチューブ３８は、図１４（ａ）乃至図１４（ｃ）に示したと同様の手法により、形成することができる。
このように、本実施形態によれば、マイクロチャネルチップの表面に、マイクロチャネルと交差する方向に延在する溝を形成するので、ＣＰＵチップの反りに追従して冷却装置の形状を変化させることができる。これにより、高効率且つ安定した放熱特性を実現することができる。
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記第４実施形態では、マイクロチャネルチップ３０の一方の表面だけに溝３６を設けたが、マイクロチャネルチップ３０の両方の表面に溝３６を設けてもよい。
また、上記第４実施形態では第１実施形態の冷却装置に溝３６を設けた場合を示したが、同様の溝３６を第２実施形態の冷却装置や第３実施形態の冷却装置に設けてもよい。
また、上記実施形態に記載した冷却装置の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、マイクロチャネルチップを形成する基板としてシリコン基板を用いたが、基板は、熱伝導性のよい材料であれば特に限定されるものではない。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、
前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする冷却装置。
前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする冷却装置。
（付記２） 付記１記載の冷却装置において、
前記複数のスリットは、前記基板の一の表面に形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
前記複数のスリットは、前記基板の一の表面に形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
（付記３） 付記１記載の冷却装置において、
前記複数のスリットは、前記基板の対向する一対の表面にそれぞれ形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
前記複数のスリットは、前記基板の対向する一対の表面にそれぞれ形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
（付記４） 付記１記載の冷却装置において、
前記基板は、前記基板を貫通する前記複数のスリットによって前記複数のブロックに分割されている
ことを特徴とする冷却装置。
前記基板は、前記基板を貫通する前記複数のスリットによって前記複数のブロックに分割されている
ことを特徴とする冷却装置。
（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記基板の表面に、前記貫通孔の延在する方向と交差する方向に延在する複数の溝が更に形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
前記基板の表面に、前記貫通孔の延在する方向と交差する方向に延在する複数の溝が更に形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
（付記６） 表面に平行な方向に延在する貫通孔を有する複数の基板を形成する工程と、
前記複数の基板上にカーボンナノチューブを成長する工程と、
前記カーボンナノチューブが形成された前記複数の基板を、前記カーボンナノチューブを介して互いに接続する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。
前記複数の基板上にカーボンナノチューブを成長する工程と、
前記カーボンナノチューブが形成された前記複数の基板を、前記カーボンナノチューブを介して互いに接続する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。
（付記７） 表面に平行な方向に延在する複数の貫通孔を有する基板を形成する工程と、
前記基板に、前記貫通孔が形成されたブロックを互いに分離するように複数のスリットを形成する工程と、
前記複数のスリット内にカーボンナノチューブを成長する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。
前記基板に、前記貫通孔が形成されたブロックを互いに分離するように複数のスリットを形成する工程と、
前記複数のスリット内にカーボンナノチューブを成長する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。
（付記８） 付記７記載の冷却装置の製造方法において、
前記カーボンナノチューブを成長する工程では、前記スリットの側壁部分から選択的に前記カーボンナノチューブを成長する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
前記カーボンナノチューブを成長する工程では、前記スリットの側壁部分から選択的に前記カーボンナノチューブを成長する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
（付記９） 付記６乃至８のいずれか１項に記載の冷却装置の製造方法において、
前記基板の表面に、前記貫通孔と交差する方向に延在する複数の溝を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
前記基板の表面に、前記貫通孔と交差する方向に延在する複数の溝を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
１０，２０…シリコン基板
１２…フォトレジスト膜
１４…開口部
１６…溝
１８，２４，３８…カーボンナノチューブ
２２…触媒金属膜
３０…マイクロチャネルチップ
３２…マイクロチャネル
３４…スリット
３４…溝
４０…冷却装置
４２…ＴＩＭ
４４…ＣＰＵチップ
４６…バンプ
４８…回路基板
１２…フォトレジスト膜
１４…開口部
１６…溝
１８，２４，３８…カーボンナノチューブ
２２…触媒金属膜
３０…マイクロチャネルチップ
３２…マイクロチャネル
３４…スリット
３４…溝
４０…冷却装置
４２…ＴＩＭ
４４…ＣＰＵチップ
４６…バンプ
４８…回路基板
Claims (6)
- 一の表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、
前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする冷却装置。 - 対向する一対の表面に形成された複数のスリットによって画定された複数のブロックを有し、前記複数のブロックのそれぞれに、前記ブロックの延在方向に貫通孔が形成された基板と、
前記複数のスリット内に形成されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする冷却装置。 - 請求項１又は２記載の冷却装置において、
前記基板の表面に、前記貫通孔の延在する方向と交差する方向に延在する複数の溝が更に形成されている
ことを特徴とする冷却装置。 - 表面に平行な方向に延在する複数の貫通孔を有する基板を形成する工程と、
前記基板に、前記貫通孔が形成されたブロックを互いに分離するように複数のスリットを形成する工程と、
前記複数のスリット内にカーボンナノチューブを成長する工程と
を有することを特徴とする冷却装置の製造方法。 - 請求項４記載の冷却装置の製造方法において、
前記カーボンナノチューブを成長する工程では、前記スリットの側壁部分から選択的に前記カーボンナノチューブを成長する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。 - 請求項４又は５記載の冷却装置の製造方法において、
前記基板の表面に、前記貫通孔と交差する方向に延在する複数の溝を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
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