JP6883704B2 - 複数の接地面のサーマルシンク - Google Patents

Description

本発明は、概して、集積回路に関し、より詳細には、複数の接地面のサーマルシンクに関する。

極低温で動作するモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）チップは、超伝導回路を有し、超伝導回路は、超伝導回路から基板に向かって下方に熱を除去することにより熱的に管理される必要がある。上面からの熱除去は、超伝導はんだバンプがあるために非効率的である。これは、許容できないほどの高い温度勾配をもたらす。しかしながら、ＭＭＩＣの下位層にある金属メッシュ材料製の接地面により、全体の層が熱平衡となる。このため、ＭＭＩＣ上のデバイスのうちより低い温度に維持する必要のある部分は、より高温部品にさらされることになる。極低温条件では、熱負荷、冷却資源、温度、および回路複雑性は互いに強く結びついている。極低温から室温に上げると、１つのユニットの消費電力の節約は数桁に拡大する。極低温チップがますます複雑になるにつれて、より多くの数のデバイスのおよびより多くのバリエーションのデバイスがＭＭＩＣを占有する。これらの各デバイスには、異なる動作温度要件がある。

典型的な極低温ＭＭＩＣは、導電性材料と誘電体の交互層で覆われたシリコン基板で構成されている。ＭＭＩＣには複数のデバイスのタイプが存在することができる。例として、ＭＭＩＣには、３つの異なる動作温度で動作する必要がある３つの異なるデバイスのタイプがある。例えば、第１のデバイスは５００ｍＫ未満で動作する必要があり、第２のデバイスは１Ｋ未満で動作する必要があり、第３のデバイスは４Ｋ未満で動作する必要がある。単一の接地面では、メッシュ層全体がほぼ均一な温度となる。これは、ＸおよびＹ方向に横方向に熱を輸送（拡散）する導電性材料の特性によるものである。従って、すべてのデバイスをこの接地面に接続する場合、すべてのデバイスを最も厳しい動作要件、例えば、５００ｍＫに維持する必要がある。これは、第３のデバイスのみが４Ｋに維持される必要があるが、その代わりに０．５Ｋに維持されるため、ＭＭＩＣのこのセクタを管理するために８倍の冷却資源が必要となる。

一例では、サーマルシンク層と、第１の動作温度要件を有する第１の組の回路に関連する第１の接地面と、第１の接地面をサーマルシンク層に結合する第１の熱伝導性ビアとを含む集積回路が提供される。回路は、第１の動作温度要件よりも高い第２の動作温度要件を有する第２の組の回路に関連する第２の接地面と、第２の接地面をサーマルシンク層に結合する第２の熱伝導性ビアとをさらに含む。第１の熱伝導性ビアは、第２の熱伝導性ビアよりも大きな体積の熱伝導性材料を有する。大きな体積の熱伝導性材料によって、熱を小さい温度勾配で除去することが可能である。

さらに別の例では、基板の下にあるサーマルシンク層と、第１の動作温度要件を有する第１の組の導電回路に関連する第１の導電性接地面と、第１の導電性接地面を基板を介してサーマルシンク層に結合する第１の組の熱伝導性ビアとを含むモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）が提供される。回路は、第１の動作温度要件よりも高い第２の動作温度要件を有する第２の組の導電回路に関連する第２の導電性接地面と、第２の導電性接地面を基板を介してサーマルシンク層に結合する第２の組の熱伝導性ビアとをさらに含み、第１の組の熱伝導性ビアは、第２の組の超伝導回路よりも小さい勾配で熱を第１の組の超伝導回路から除去するために、第２の組の熱伝導性ビアよりも大きな体積の熱伝導性材料を有する。

例示的な集積回路の一部の断面図を示す図である。 別の例示的な集積回路の一部の断面図を示す図である。 図２の線Ａ−Ａに沿った集積回路の一部の断面図を示す図である。 図２の線Ａ−Ａに沿った集積回路の一部の断面図の別の可能な例を示す図である。 さらに別の例示的な集積回路の一部の断面図を示す図である。

本開示は、異なる動作温度要件で動作する複数組の回路用の個別の専用接地面を含む集積回路（例えば、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ））について説明する。各個別の接地面は、個々のサーマルビア（コンタクト）によって基板の底部側のサーマルシンク層に結合される。個々の組の回路を必要な動作温度要件に維持するために、個別の接地面の各々から適切なヒートシンクを可能にするようにサーマルシンク層が適切に冷却される。サーマルビアは、各接地面の適切な冷却を提供するために、接地面および接地面と関連する回路の異なる動作温度要件に基づいて、異なるサイズにしたり、または同じサイズのサーマルビアを異なる数にしたりすることができる。即ち、所定の接地面をサーマルシンク層に結合するサーマルビアの熱伝導性材料の体積は、より高い動作温度要件を有する回路に関連する接地面を結合するサーマルビアの熱伝導性材料の体積よりも大きく、かつより低い動作温度要件を有する回路に関連する接地面を結合するサーマルビアの熱伝導性材料の体積よりも小さい。これにより、異なる動作温度要件を有する回路に基づいて、比例するサーマルシンク容量が提供される。

本事例は、異なる動作温度要件を有する導電性接地面および関連する超伝導回路に関して説明される。しかしながら、他の例には、導電性接地面および関連する超伝導回路と非超伝導接地面および関連する回路との混合、または異なる動作温度要件を有する非超伝導回路および関連する回路の混合が含まれる。

図１は、例示的な集積回路１０の一部の断面図を示している。集積回路１０の一部は、基板１４の上にある第１の誘電体層１６と、第１の誘電体層１６の上にある第２の誘電体層１８と、第２の誘電体層１８の上にある第３の誘電体層２０とを含む。基板１４は、シリコン、ガラス、または他の基板材料製とすることができる。サーマルシンク層１２は、基板１４の底部に存在する。第１の誘電体層１６は、基板と集積回路１０の能動回路との間のバッファ層を提供する。第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４は第２の誘電体層１８内に配置され、第２の導電性接地面２８および第２の組の回路３０は第３の誘電体層２０内に存在する。第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４は第１の動作温度要件を有し、第２の導電性接地面２８および第２の組の超伝導回路３０は第２の動作温度要件を有する。

第１の動作温度要件は、第２の動作温度要件とは異なり、かつ第２の動作温度要件よりも低く、これにより、第２の動作温度は、第１の動作温度要件よりも高くなる。動作温度要件という用語は、接地面の回路材料および１組の回路が、それらの特性を維持するように動作するのに必要な動作温度であって、その動作温度またはその動作温度未満の動作温度を指す。例えば、第１の導電性接地面および第１の組の超伝導回路は、超伝導にするために動作温度を５００ミリケルビン以下に維持する必要があるニオブの利用を含み得、第２の導電性接地面及び第２の組の超伝導回路は、超伝導にするために動作温度を４ケルビン以下に維持する必要があるアルミニウムの利用を含み得る。つまり、動作温度要件が低い１組の回路は、動作温度要件が高い１組の回路よりも多くの冷却資源を必要とし、かつより多くの熱を吸収する必要がある。

第１のサーマルビア２６は、第１の導電性接地面２２をサーマルシンク層１２に接続し、第２のサーマルビア３２は、第２の導電性接地面２８を基板１２を介してサーマルシンク層１２に接続する。サーマルシンク層１２は、熱伝導性材料で形成されている。熱伝導性材料は、熱を容易に伝達するように、比較的優れた熱伝導体である材料である。超伝導材料は、優れた導電性材料であるが、（超伝導ではない常伝導金属と比較して）熱伝導性の低い材料である。従って、サーマルシンク層１２は超伝導材料で形成されていない。さらに、第１のサーマルビア２６および第２のサーマルビア３２は、熱伝導性材料で形成することができる。その熱伝導性材料は、導電性接地層からサーマルシンク層１２に熱を伝導するのに比較的優れた材料である。サーマルシンク層１２は、外部ソースによって冷却される。一例では、サーマルシンク層１２、第１のサーマルビア２６、および第２のサーマルビア３２は全て銅で形成されている。熱伝導性材料の代替例には、金、銀、タングステン、モリブデン、イリジウム、およびロジウムが含まれる。

図１に示すように、第１のサーマルビア２６に関連する熱伝導性材料の厚さおよび結果としての体積は、第２のサーマルビア３２に関連する熱伝導性材料の厚さおよび結果としての体積よりも大きい。従って、熱は、第２の導電性接地面２８および第２の組の超伝導回路３０内に存在する勾配よりも小さい勾配で、第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４から除去される。これにより、異なる動作温度要件を有する接地面を冷却するための単一の冷却層を提供することが可能となる。

従って、同じサーマルシンク層１２を使用することにより、第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４の温度を、第２の導電性接地面２８および第２の組の超伝導回路３０よりも低い温度に維持することができる。サーマルシンク層１２は、第１の動作温度要件よりも高い温度に冷却することができるが、第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４を第１の動作温度要件で維持し、第２の導電性接地面２８および第２の組の超伝導回路３０を第２の動作温度要件で維持する。

図１は、単一の第１のサーマルビア２６および単一の第２のサーマルビア３２を示しているが、第１の導電性接地面２２および第１の組の超伝導回路２４の温度を第１の動作温度要件以下に、かつ第２の導電性接地面２８および第２の組の超伝導回路３０の温度を第２の動作温度要件以下に維持するために、第２のサーマルビアに対する第１のサーマルビアの熱伝導性材料の比例体積（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖｏｌｕｍｅ）が維持される限り、より多くの第１のサーマルビアおよび第２のサーマルビアが存在することができる。

図２は、別の例示的な集積回路４０の一部の断面図を示している。集積回路４０の一部は、基板４４の上にある第１の誘電体層４６と、第１の誘電体層４６の上にある第２の誘電体層４８と、第２の誘電体層４８の上にある第３の誘電体層５０とを含む。基板４４は、シリコン、ガラス、または他の基板材料製とすることができる。サーマルシンク層４２は、基板４４の底部に存在する。第１の誘電体層４６は、基板４４と集積回路４０の能動回路との間のバッファ層を提供する。第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４は、第２の誘電体層４８内に配置され、第２の導電性接地面５６および第２の組の回路５８は、第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４に隣接した関係で第２の誘電体層４８内に配置される。第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４は第１の動作温度要件を有し、第２の導電性接地面５６および第２の組の超伝導回路５８は第２の動作温度要件を有する。

この例では、第１の動作温度要件は第２の動作温度要件とは異なり、かつ第２の動作温度要件よりも低いので、図１の例と同様に、第２の動作温度要件は、第１の動作温度要件よりも高くなっている。第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４は、超伝導にするために動作温度を５００ミリケルビン以下に維持する必要があるニオブの利用を含み得、第２の超伝導接地面５６および第２の組の超伝導回路５８は、超伝導にするために動作温度を４ケルビン以下に維持する必要があるアルミニウムの利用を含み得る。

第１の組のサーマルビア６２は、第１の導電性接地面５２をサーマルシンク層４２に接続し、第２の組のサーマルビア６０は、第２の導電性接地面６０を基板４４を介してサーマルシンク層４２に接続する。サーマルシンク層４２は、熱伝導性材料で形成されている。さらに、第１の組のサーマルビア６２および第２の組のサーマルビア６０は、熱伝導性材料から形成することができる。一例では、サーマルシンク層４４、第１の組のサーマルビア６２、および第２の組のサーマルビア６０はすべて銅で形成される。

図３は、線Ａ−Ａに沿った集積回路４０の一部の断面図を示している。図２〜３に示すように、第１の組のサーマルビア６２に関連する熱伝導性材料の厚さおよび結果としての体積は、第２の組のサーマルビア６０に関連する熱伝導性材料の厚さおよび結果としての体積よりも大きい。従って、第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４から伝達および除去される熱は、第２の導電性接地面５６および第２の組の超伝導回路５８から伝達および除去される熱よりも小さい勾配で行われる。

同じサーマルシンク層４２を使用することにより、第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４の温度を、第２の導電性接地面５６および第２の組の超伝導回路５８よりも低い温度に維持することができる。サーマルシンク層４２は、第１の動作温度要件よりも高い温度に冷却されることができるが、第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４を第１の動作温度要件で維持し、第２の導電性接地面５６および第２の組の超伝導回路５８を第２の動作温度要件で維持する。

図３の例では、第１の組のサーマルビア６２と第２の組のサーマルビア６０との間に１対１の対応があることを理解されたい。図４は、別の例示的な集積回路の一部の断面図を示している。この例では、第１の組のサーマルビア６８および第２の組のサーマルビア６６の各サーマルビアは、実質的に同じ深さおよび幅を有し、その結果、実質的に同じ体積を有する。しかしながら、第１の組のサーマルビア６８におけるサーマルビアの数は、第２の組のサーマルビア６６におけるサーマルビアの数よりも多い。結果として、第１の組のサーマルビア６８における熱伝導性材料の体積は、第２の組のサーマルビア６６における熱伝導性材料の体積よりも大きい。従って、第２の導電性接地面５６および第２の組の超伝導回路５６に比べて、第１の導電性接地面５２および第１の組の超伝導回路５４に対してより大きな冷却が提供される。第１の組のビア６８における追加の熱伝導性材料のために、回路の複雑性がこの体積内で増大する。

図５は、さらに別の例示的な集積回路７０の一部の断面図を示している。集積回路７０の一部は、基板７４の上にある第１の誘電体層７６と、第１の誘電体層７６の上にある第２の誘電体層７８と、第２の誘電体層７８の上にある第３の誘電体層８０とを含む。基板７４は、シリコン、ガラス、または他の基板材料製とすることができる。サーマルシンク層７２は、基板７４の底部に存在する。第１の誘電体層７６は、基板と集積回路７０の能動回路との間のバッファ層を提供する。第１の導電性接地面８２および第１の組の超伝導回路８４は第２の誘電体層７８内に配置され、第２の導電性接地面８８および第２の組の回路９０は第３の誘電体層８０内に存在する。第１の導電性接地面８２および第１の組の超伝導回路８４は第１の動作温度要件を有し、第２の導電性接地面８８および第２の組の超伝導回路９０は第２の動作温度要件を有する。

第１の組のサーマルビア８６は、第１の導電性接地面８２をサーマルシンク層７２に接続し、第２の組のサーマルビア９２は、第２の導電性接地面８８を基板７４を介してサーマルシンク層７２に接続する。第１の組のサーマルビア８６におけるビアの数は、第２の組のサーマルビア９２におけるビアの数よりも多い。サーマルシンク層９１は、熱伝導性材料で形成されている。第１の組のサーマルビア８６および第２の組のサーマルビア９２は、熱伝導性材料で形成することができる。その熱伝導性材料は、導電性接地層からサーマルシンク層７２に熱を伝導するのに比較的優れた材料である。サーマルシンク層７２は、外部ソースによって冷却される。一例では、サーマルシンク層７２、第１の組のサーマルビア８６、および第２の組のサーマルビア９２は、すべて銅で形成されている。この例では、より高い動作温度要件を維持するために、接地面８８は、より大きい勾配を有し、かつ接地面８２よりもより少ない同じようなサイズのビアを必要とする。その低い動作温度要件を維持するために、接地面８２は、より小さい勾配を有し、かつ接地面８８よりもより多くの同じようなサイズのビアを必要とする。

上述したものは、本発明の事例である。当然ながら、本発明を説明する目的で、構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内にあるすべてのそのような変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板の下にあるサーマルシンク層と、
第１の動作温度要件を有する第１の組の超伝導回路に関連する第１の導電性接地面と、
前記第１の導電性接地面を前記基板を介して前記サーマルシンク層に結合する第１の組の熱伝導性ビアと、
前記第１の動作温度要件よりも高い第２の動作温度要件を有する第２の組の超伝導回路に関連する第２の導電性接地面と、
前記第２の導電性接地面を前記基板を介して前記サーマルシンク層に結合する第２の組の熱伝導性ビアとを備え、前記第１の組の熱伝導性ビアは、前記第２の組の超伝導回路よりもより多くの熱を前記第１の組の超伝導回路から除去するために、前記第２の組の熱伝導性ビアよりも大きな体積の熱伝導性材料を有する、モノリシックマイクロ波集積回路。
［付記２］
前記サーマルシンク層、前記第１の組の熱伝導性ビア、および前記第２の組の熱伝導性ビアは、銅で形成される、付記１に記載の回路。
［付記３］
前記第１の導電性接地面はニオブから形成され、前記第２の導電性接地面はアルミニウムから形成される、付記１に記載の回路。
［付記４］
前記第１の導電性接地面および前記第１の組の超伝導回路は、前記基板の上にある第１の誘電体層内に存在し、前記第２の導電性接地面および前記第２の組の超伝導回路は、前記基板の上および前記第１の誘電体層の上および下のいずれか一方にある第２の誘電体層内に存在する、付記１に記載の回路。
［付記５］
前記第１の導電性接地面および前記第１の組の超伝導回路は、前記基板の上にある第１の誘電体層内に存在し、前記第２の導電性接地面および前記第２の組の超伝導回路は、前記第１の誘電体層内において前記第１の導電性接地面および前記第１の組の超伝導回路と隣接し、かつ物理的に分離されている、付記１に記載の回路。
［付記６］
前記第１の組の熱伝導性ビアの各熱伝導性ビアは第１のサイズを有し、前記第２の組の熱伝導性ビアの各熱伝導性ビアは同数の熱伝導性ビアの第２のサイズを有し、前記第１のサイズは、前記第２の組の超伝導回路よりも小さい勾配で熱を前記第１の組の超伝導回路から除去するために、前記第２のサイズよりも大きいサイズである、付記１に記載の回路。
［付記７］
前記第１の組の熱伝導性ビアの各熱伝導性ビアと前記第２の組の熱伝導性ビアの各熱伝導性ビアは、実質的に同じサイズであり、前記第１の組の熱伝導性ビアの数熱伝導性ビアの数は、前記第２の組の超伝導回路よりも小さい勾配で熱を前記第１の組の超伝導回路から除去するために、前記第２の組の熱伝導性ビアの熱伝導性ビアの数よりも多い、付記１に記載の回路。

Claims (11)

1. 集積回路であって、
   サーマルシンク層と、
   第１の動作温度要件を有する第１の組の回路に関連する第１の接地面と、
   前記第１の接地面を前記サーマルシンク層に結合する第１の熱伝導性ビアと、
   前記第１の動作温度要件よりも高い第２の動作温度要件を有する第２の組の回路に関連する第２の接地面と、
   前記第２の接地面を前記サーマルシンク層に結合する第２の熱伝導性ビアとを備え、前記第１の熱伝導性ビアは、前記第２の組の回路よりも小さい勾配で熱を前記第１の組の回路から除去する、集積回路。
2. 前記サーマルシンク層、前記第１の熱伝導性ビア、および前記第２の熱伝導性ビアは、銅で形成される、請求項１に記載の回路。
3. 前記第１の接地面および前記第１の組の回路は、第１の導電性材料で形成され、前記第２の接地面および前記第２の組の回路は、前記第１の導電性材料とは異なる動作温度要件を有する第２の導電性材料で形成される、請求項１に記載の回路。
4. 前記第１の接地面はニオブから形成され、前記第２の接地面はアルミニウムから形成される、請求項３に記載の回路。
5. 前記第１の接地面および前記第１の組の回路は、基板の上にある第１の誘電体層内に存在し、前記第２の接地面および前記第２の組の回路は、前記基板の上および前記第１の誘電体層の上および下の一方にある第２の誘電体層内に存在する、請求項３に記載の回路。
6. 前記第１の接地面および前記第１の組の回路は、基板の上にある第１の誘電体層内に存在し、前記第２の接地面および前記第２の組の回路は、前記第１の誘電体層内において前記第１の接地面および前記第１の組の回路に隣接し、かつ物理的に分離して存在する、請求項３に記載の回路。
7. 前記第１の熱伝導性ビアは、基板を介して前記第１の接地面を前記サーマルシンク層に結合する複数の第１の熱伝導性ビアのうちの１つであり、前記第２の熱伝導性ビアは、前記基板を介して前記第２の接地面を前記サーマルシンク層に結合する複数の第２の熱伝導性ビアのうちの１つである、請求項１に記載の回路。
8. 前記複数の第１の熱伝導性ビアの各々は第１のサイズを有し、前記複数の第２の熱伝導性ビアの各々は同数の熱伝導性ビアの第２のサイズを有し、前記第１のサイズは、前記第２の組の回路よりもより多くの熱を前記第１の組の回路から除去するために、前記第２のサイズよりも大きいサイズである、請求項７に記載の回路。
9. 前記複数の第１の熱伝導性ビアの各々と前記複数の第２の熱伝導性ビアの各々は同じサイズであり、前記複数の第１の熱伝導性ビアの数は、前記第２の組の回路よりも小さい勾配で前記第１の組の回路から熱を除去するために、前記複数の第２の熱伝導性ビアの数よりも多い、請求項７に記載の回路。
10. 前記第１の熱伝導性ビアは、前記第２の熱伝導性ビアよりも大きな体積の熱伝導性材料を有する、請求項１に記載の回路。
11. 前記集積回路は、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）である、請求項１に記載の回路。

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