JPH0621280A

JPH0621280A - 耐食性隔膜

Info

Publication number: JPH0621280A
Application number: JP5077786A
Authority: JP
Inventors: Nanik Bakhru; ナニク・バクル; Alfred Grill; アルフレッド・グリル; Gregory S Hopper; グレゴリー・スコット・ホッパー; Egidio Marotta; エジディオ・マロッタ; Bernard Steele Meyerson; バーナード・スティール・マイヤーソン; Vishnubhai V Patel; ヴィシュヌバーイ・ヴィッタルバーイ・パテル
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JP2511629B2; US5241131A

Abstract

(57)【要約】【目的】集積回路チップの冷却用装置に使用できる耐
食性隔膜を提供する。【構成】金属フォイル４３の流体が当たる一方の側に
耐食性被覆４７を施すことができる。チップ１０を通常
どおり熱サイクルにかけたとき、未保護の金属フォイル
が損傷を受ける可能性がある場合は、金属フォイルの反
対の側にも同様な耐食性被覆６７を施すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、新規な耐
食性隔膜に関し、より詳細には、集積回路チップの冷却
装置に使用できる耐食性隔膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路チップの使用はこの数年で劇的
に増加してきた。従来よりチップの小型化が進み、電力
使用効率が向上しているが、モジュール内に密な間隔で
複数のチップを実装する際には、チップから放散される
比較的高密度の電力を除去するための冷却システムを重
視しなければならなくなっている。高密度の応用例でチ
ップを冷却するためには、一般に液体冷媒が使用されて
いる。

【０００３】基板上に実装された集積回路チップを冷却
する際の１つの問題は、傾いたチップや曲がったチップ
が含まれていたり、チップの高さが異なる場合があるこ
とである。冷却システムが、わずかに異なるチップ方向
に対応できると同時に、各チップ・サイトにほぼ等しい
冷却を提供することが好ましい。

【０００４】従来技術では、モジュール内に複数のチッ
プが配列されたシステムを含めて、高出力集積回路チッ
プを冷却するための様々なシステムが提案されている。
従来の伝熱モジュール（ＴＣＭ）は、チップと接触する
水冷ハウジングに入ったピストンを使用している。チッ
プを冷却するための水冷ベローを組み込んだシステムも
ある。このようなシステムの例は、ＩＢＭ Technical D
isclosure Bulletin,Vol. 28, No. 11, pp. 4759〜4761
（1986年4月）に出ている。ＩＢＭ TechnicalDisclosur
e Bulletin, Vol. 27, No. 1B, pp. 494〜495（1984年6
月）では別のチップ冷却構成が提案されている。この方
法では、合金の層を使用して、放射状水冷パターンを持
つ銅構造を単一の半導体チップと共形的に相互接続して
いる。

【０００５】冷却フォイルを使用して複数のチップを覆
う、高出力チップの冷却システムもある。米国第４３８
１０３２号に開示されたそのようなシステムの１つで
は、フォイルを各チップに押しつけて保持するピストン
と、ピストンの周りを流れ、フォイルを通じて伝導され
る熱を除去する冷却液とを使用している。米国特許第４
５３１１４６号には、集積回路チップ上で伝熱フォイル
を使用する別のシステムが開示されている。ＩＢＭ Tec
hnical Disclosure Bulletin, Vol. 29, No. 7,p.2887
（1986年12月）では、ばねでチップに対して下方に押し
つけられた各チップ用の柔軟なシール上に担持される金
属ヒート・シンクを使用する、さらに別のシステムを開
示している。ヒート・シンクの上面はフィンを備えてお
り、冷却液のジェットで冷却される。

【０００６】本出願人に授与された最近の特許である米
国特許第４９２８２０７号で開示されたシステムでは、
放射羽根を持つスペーサでチップから離間されたピスト
ンの中央穴を通じて各チップに冷却液が運ばれる。しか
し、このシステムは、チップと直接接触する誘電性冷却
液を使用しており、腐食の問題は発生しない。

【０００７】参照により本明細書にその開示が組み込ま
れる、米国特許第５０３１０２９号は、銅基板、剛性付
与層もしくは金属層またはその両方、および剛性付与層
上に付着された非グラファイト性硬質カーボン層を備え
たデバイスと、電子部品のヒート・シンクまたはピスト
ンとしてのその使用を開示している。

【０００８】これらのシステムは多数の点で適切である
が、その部品が高い機械公差を満たす必要があるため、
比較的高価なものが多い。伝熱経路の一部を形成する伝
熱モジュール中にピストンを使用するシステムでは特に
そうである。また、特にバイポーラ技術でシステムが超
大規模集積（ＶＬＳＩ）密度に近づくとき、多数のチッ
プ・モジュールの電力密度が急激に増大すると考えられ
る。このため、チップと冷却液の間の熱伝導率をきわめ
て高くする必要があるが、現在のシステムではこれに対
応できない。この点に関しては、水をベースとする冷却
液を使用することが好ましい。さらに、冷却システム
は、信頼性が高く、比較的安く製造でき、現場で容易に
交換できる必要がある。

【０００９】コンピュータ・チップの性能が向上するに
つれて、チップ出力が増すと共に、除熱速度を高める必
要性も増大している。マルチチップ・モジュール用の拡
張可能でコストが低く高性能の冷却システムが必要なた
め、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第
０７／７４８００４号で開示された「間接衝撃式冷却」
などの冷却システムが設計されている。米国特許出願第
０７／７４８００４号の冷却システムは、水などの流体
を使用している。流体は、チップと直接接触する銅フォ
イルなどの薄い金属隔膜に強制的に衝突する。流れを強
制的かつ連続的に衝突させると、流路内、特に各チップ
に対向する流れのよどみ点でフォイルに腐食が生じる可
能性がある。また、脱イオン水を使用するにもかかわら
ず、保護されていない薄い金属隔膜が腐食したり、汚れ
が発生する可能性もある。

【００１０】同様に、米国特許出願第０７／７４８００
４号の薄い金属フォイルのチップ側では、保護されてい
ない薄い金属隔膜およびチップの熱循環による相対運動
によって、軟質の薄い金属フォイルが摩耗して、チップ
の隅がフォイルにひっかかる可能性がある。この場合、
Ｃ４などチップの他の部品や、リード・ジョイントなど
に高い応力がかかる可能性がある。

【００１１】本発明は、流体の衝突を受ける金属フォイ
ルの一方の側に耐食性被覆を施すことにより、未保護の
金属フォイルの腐食の問題を解決している。チップを通
常の熱サイクルにかけると未保護の金属フォイルが損傷
を受ける可能性がある場合は、金属フォイルの反対の側
にも同様な耐食性被覆を施す。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題および
欠陥と、新規の集積チップ技術の必要条件を考慮して、
本発明の一目的は、集積回路チップ用の高性能冷却シス
テムを提供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、比較的低い機械公差
を満たす部品を使った集積回路チップ冷却システムを提
供することである。

【００１４】本発明の他の目的は、耐食性隔膜を使用
し、未保護の金属フォイルを腐食やその他の問題から保
護する、集積回路チップ冷却システムを提供することで
ある。

【００１５】本発明の他の目的は、チップとチップ基板
の間の接続部に応力をかけずに、傾いたあるいは曲がっ
たあるいはチップ同士の高さが異なる集積回路チップ用
の冷却システムを提供することである。

【００１６】本発明の他の目的は、各チップ・サイトに
等しい冷却を提供できる、複数チップ冷却システムを提
供することである。

【００１７】本発明の他の目的は、チップと冷却液の間
に高伝導熱経路を実現する集積回路チップ冷却システム
を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、その一態様で
は、第１の表面および第２の表面を持つ金属フォイルを
備え、前記金属フォイルの前記第１表面の少なくとも腐
食にさらされる部分が、少なくとも１つの剛性付与（ri
gidizing）層および１つのダイヤモンド形カーボン層の
被覆、または少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和材
料およびダイヤモンド形カーボンの連続した被覆を有
し、それによって耐食性を与えることを特徴とする、耐
食性を提供するための製品を含む。

【００１９】本発明は、別の態様では、第１の表面およ
び第２の表面を持つ金属フォイルを備え、前記金属フォ
イルの前記第１表面と第２表面の少なくとも腐食にさら
される部分が、少なくとも１つの剛性付与層および１つ
のダイヤモンド形カーボン層の被覆、または少なくとも
１つの剛性付与層と応力緩和材料およびダイヤモンド形
カーボンの連続した被覆を有し、それによって耐食性を
与えることを特徴とする、耐食性を提供するための製品
を含む。

【００２０】本発明は、さらに別の態様では、冷却液が
通過する中央開口部を持つピストンを備え、チップと前
記ピストンの間に耐食性隔膜があり、前記耐食性隔膜
が、第１の表面および第２の表面を持つ金属フォイルを
備え、前記金属フォイルの前記表面の一方の少なくとも
腐食にさらされる部分に、少なくとも１つの剛性付与層
および１つのダイヤモンド形カーボン層の被覆、または
少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和材料およびダイ
ヤモンド形カーボンの連続した被覆を有し、それによっ
て耐食性を与えることを特徴とする、集積回路チップの
冷却システム用の耐食性隔膜を含む。

【００２１】

【実施例】本発明の新規であると思われる諸特徴および
本発明に特徴的な諸要素は、本発明の実施態様として最
後に記載されている。図面は例示のためのものにすぎ
ず、原寸に比例してはいない。しかし、本発明自体は、
その構成に関しても動作方法に関しても、以下の詳細な
説明を添付の図面と併せ参照すれば最もよく理解できよ
う。

【００２２】本発明を図１ないし３に示す。これらの図
において、同じ番号は同じ要素を表すが、各要素は必ず
しも原寸に比例してはいない。

【００２３】図１は、参照によってその開示が本明細書
に組み込まれる、米国特許出願第０７／７４８００４号
に開示された発明を利用した、本発明の実施例を示して
いる。図１には、単一または複数ユニット式伝熱モジュ
ール５が示されている。モジュール５は、支持基板１４
上に実装されたデバイスまたは集積回路チップ１０を含
んでいる。集積回路チップ１０は通常、平坦な上面と平
坦な下面を有する。集積回路チップ１０の下面は、たと
えばはんだ球など複数の接続部１２によって支持基板１
４の上面に接続されている。チップと基板とのこの種の
接続を一般に、「フリップ・チップ」パッケージングと
呼んでいる。支持基板１４の下面は、回路板（図示せ
ず）にはまる複数のピン・コネクタ１６を備えている。
支持基板１４は、単層基板でも多層基板でもよい。支持
基板１４内の配線により、集積回路チップ１０に電力が
供給され、チップ間およびチップとピンの間に信号接続
が確立される。

【００２４】集積回路チップ１０の電力使用量により通
常、かなり過剰な熱が発生する。この熱を除去し、所望
の動作温度範囲にチップを維持する必要がある。チップ
接続部１２は、断面積が制限されているため、集積回路
チップ１０からの除熱にはほとんど役立たない。

【００２５】集積回路チップ１０から熱を効果的に除去
するため、図１に示す伝熱モジュール５は、集積回路チ
ップ１０上面上を延びかつ該上面と接触する、本発明に
よる変形可能で液体不浸透性の伝熱性金属隔膜４０を備
えている。

【００２６】未保護の金属フォイルまたは隔膜４３が水
などの流体にさらされたときの腐食、および金属隔膜の
チップ側の腐食または摩耗を防止するため、未保護の金
属フォイルまたは隔膜４３を何らかの方法で保護する必
要がある。

【００２７】本発明は、そのような保護の１つの方法を
開示している。このためには、保護すべき側を、少なく
とも１つの剛性付与層および１つのダイヤモンド形カー
ボン層、または少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和
材料（アモルファス・シリコン）およびダイヤモンド形
カーボンの連続した被覆で被覆することにより、耐食性
を提供する。ダイヤモンド形カーボン（ＤＬＣ）層を、
最終外部層とすることが好ましい。

【００２８】図２は、本発明の１実施例を示している。
未保護の金属フォイルまたは隔膜４３の１表面上に、通
常の方法によって剛性付与層４９が形成してある。次
に、剛性付与層４９上に次々にアモルファス・シリコン
などの応力緩和材料５１、５３、５５、５７、５９とダ
イヤモンド形カーボン５２、５４、５６、５８、６０の
層を形成すると、本発明の金属隔膜４０の１実施例が実
施される。たとえば、剛性付与層は約２〜５μｍの厚さ
にすることができ、応力緩和材料およびダイヤモンド形
カーボンの連続被覆の合計厚さは、約０．５〜約１．５
μｍとすることができる。

【００２９】別の実施例では、連続層５１〜６０の代り
に、合計厚さが同じダイヤモンド形カーボンの層１つを
使用する。すなわち、ダイヤモンド形カーボンの１つの
層の計厚さを約０．５〜１．５μｍとすることができ
る。

【００３０】ダイヤモンド形カーボンは、きわめて硬質
で（硬度３０００〜９０００ｋｇ／ｍｍ2）であり、耐
摩耗性が高い、すなわち摩擦係数が低い。摩擦係数は通
常約０．０１〜０．２８である。硬度および耐摩耗性が
極端に高いため、ダイヤモンド形カーボンは金属用の耐
摩耗性保護被覆として非常に適している。ダイヤモンド
形カーボンの別の性質としては、熱伝導率が高いこと、
電気抵抗率がきわめて高い（通常約１０¹⁶ｏｈｍｓｃ
ｍ）ことなどが挙げられる。

【００３１】付着条件に応じて、ダイヤモンド形カーボ
ンの内部応力が高くなることがあるため、５０００Åを
超える厚さに付着すると、基板からの層剥離が発生する
場合がある。そのような場合、厚さが通常５００〜１２
００Åの、応力緩和材料層およびダイヤモンド形カーボ
ン層の連続した層から成る構造を付着する必要がある。

【００３２】直流プラズマ強化ＣＶＤなど他の付着条件
のもとでは、応力を減少させ接着力を高めることがで
き、多層構造の代りに、アモルフォス・シリコンなど少
なくとも１つのボンディング層もしくは剛性付与層、お
よびダイヤモンド形カーボンの１つの層を使用すること
ができ、ダイヤモンド形カーボン層は約０．５〜約１．
５μｍの厚さにすることができる。

【００３３】ダイヤモンド形カーボンまたは水素化アモ
ルフォス・カーボンは、A.グリル（Grill）らが"Diamon
dlike Carbon Films by rf Plasma-assisted Chemical
Vapor Deposition From Acetylene"（ＩＢＭ J. Res. D
evelop. Vol. 34, No. 6,pp.849〜857（1990年11月））
で論じている、非常に硬質で化学的に不活性な材料であ
る。グリルらの開示を、参照により本明細書に組み込
む。

【００３４】上述のように、ダイヤモンド形カーボンの
薄い連続層が望ましいが、このような連続層は、金属隔
膜４０と冷却システムのピストン２０の間に入り込む粒
子によって発生する可能性がある高圧にさらされると、
亀裂や穴が生じることがある。したがって、銅フォイル
など未保護の金属フォイルまたは隔膜４３と耐食性ダイ
ヤモンド形カーボン層の間に硬質の剛性付与層４９が必
要である。

【００３５】剛性付与層４９を設けるもう１つの理由
は、未保護の金属フォイルまたは隔膜４３が、きわめて
薄いあるいは柔らかいため、金属隔膜４０と冷却システ
ムのピストン２０の間に入り込む硬いちり粒子によって
亀裂や穴が生じる可能性があることである。

【００３６】上述のように、非常に大きな応力を受ける
ダイヤモンド形カーボン層の応力を緩和するために、ア
モルフォス・シリコンなどの応力緩和層または材料が必
要である。このような層または材料を使用しないと、ダ
イヤモンド形カーボン層の層剥離が起こる。アモルフォ
ス・シリコンは厚さ約４０〜８０Åとすることが好まし
く、厚さ約５０Åとすることがより好ましい。

【００３７】この剛性付与層４９は、単層材料から構成
しても多層材料から構成してもよい。剛性付与層は、窒
化アルミニウム、アモルフォス・シリコン、窒化シリコ
ン、窒化チタン、タングステン炭化物、およびそれらの
混合物から成る群から選択できる。この層は通常、厚さ
２〜５μｍである。

【００３８】未保護の金属フォイルまたは隔膜４３は、
アルミニウム、銅、金、インジウム、鉛、モリブデン、
銀、すず、チタン、タングステンなど、およびそれらの
合金のような良好な熱伝導体である金属から成る柔軟な
フォイルとすることが好ましい。未保護の金属フォイル
または隔膜４３は、単層構造でも多層構造でもよい。未
保護の金属フォイルまたは隔膜４３の厚さは、約０．０
５〜０．２５ｍｍ（０．００２〜０．０１０／インチ）
の範囲とすることが好ましい。未保護の金属フォイルま
たは隔膜４３は、片側または両側を耐食性被覆層４７ま
たは６７あるいはその両方で被覆またはめっきすると、
汚れまたはその他腐食に関連する影響を防止することが
できる。

【００３９】また、非常に薄いダイヤモンド形カーボン
層を使用すると、システムの伝熱性を劣化させずに、未
保護の金属フォイルまたは隔膜４３の腐食を防止できる
ことが分かっている。最良の結果を得るためには、未保
護の金属フォイルまたは隔膜４３を、単一のダイヤモン
ド形カーボン層またはダイヤモンド形カーボン層および
応力緩和層の連続した層と、適切な剛性付与層４９とか
ら成る、厚さが少なくとも０．５ｍｍのダイヤモンド形
カーボン構造とする必要がある。

【００４０】たとえば、高周波または直流プラズマ付着
装置で直流バイアス基板を使用して、米国特許第５０３
１０２９号に開示されているように、好ましくは厚さが
８０Å未満であるアモルフォス・シリコン層と交互に重
ねた、好ましくは厚さが５００〜１２００Åのダイヤモ
ンド形カーボン層から成る耐食性被覆層４７を、好まし
くは１４０〜２５０℃の温度で付着する。ダイヤモンド
形カーボンは、スパッタリング、マグネトロン・スパッ
タリング、イオン・ビーム・スパッタリング、イオン・
ビーム付着、レーザ・アブレーションなど、他のさまざ
な方法で付着することも可能である。

【００４１】図３に示す、本発明の別の実施例では、未
保護の金属フォイルまたは隔膜４３の両側に耐食性被覆
層４７および６７が形成してある。前述のように、金属
隔膜４０のチップ側では、熱サイクルによる隔膜４０と
集積回路チップ１０の相対運動によって、未保護の金属
隔膜にひっかき傷ができたり、隔膜が摩耗して、金属隔
膜にチップの隅がひっかかることがある。この場合、Ｃ
４リード接合部に強い応力がかかり、該接合部が破局的
故障に至ることがある。

【００４２】これらの耐食性被覆層４７および６７の厚
さを約０．６〜１ｍｍ程度にすると、流体流またはチッ
プと接触する未保護の金属フォイルまたは隔膜４３の腐
食および摩耗が防止できる。

【００４３】この好ましい実施例では、金属フォイルは
銅またはその合金であり、応力緩和材料はアモルフォス
・シリコンであり、剛性付与層の材料はアモルフォス・
シリコンまたは窒化チタンである。

【００４４】通常、シリコン、アモルフォス・シリコ
ン、窒化シリコン、または窒化チタンから成る、厚さ約
２〜５μｍ（好ましくは厚さ２．５μｍ）の層が、剛性
付与層４９として機能できる。剛性付与層は、銅隔膜な
ど隔膜として使用する金属上に容易に付着できる。アモ
ルフォス・シリコンを剛性付与層として使用する場合、
たとえば少なくとも２．５μｍ程度に厚くしなければな
らない。

【００４５】モジュール・キャップまたはハウジング３
０の下側に、金属隔膜４０をファスナ１８などの固定手
段で固定すると、装置の内部構造を通過する冷却液用の
水密性囲壁が提供できる。これについては、以下で詳述
する。

【００４６】金属隔膜４０を集積回路チップ１０の上の
適所にしっかり保持し、熱伝導率が最大になるようにそ
れをチップ上面に適合させるために、ピストン２０を設
け、モジュール・キャップまたはハウジング３０のチャ
ンバ４６内に摺動可能に配設する。ピストン２０は、チ
ャンバ４６内に独立して吊り下げ、ピストン２０の下端
が、開いた下部から突き出るようになっている。圧縮ば
ね２８などの偏倚手段２８で内部ピストン・ショルダ２
６に力をかけて、ピストン２０を金属隔膜４０の上面に
下方に押しつけて、金属隔膜４０と集積回路チップ１０
の上面が密に接触するようにする。ピストン２０の壁面
とピストン・チャンバ４６の間に間隔を設けると、ピス
トン２０がわずかに傾いて、平坦なピストン下面２４
が、傾いたあるいは曲がった集積回路チップ１０上にう
まく載り、該チップを収容できるようになる。

【００４７】ピストン２０は所望の任意の構成にするこ
とができるが、全体的形状を直円柱にすることがもっと
も好ましい。しかし、ピストン２０の（縦軸に対して垂
直な平面から見た）断面を、たとえば正方形や長方形な
ど、円以外にすることも可能である。ピストン２０の幅
は、集積回路チップ１０とほぼ同じにすることが好まし
いが、集積回路チップ１０より大きくても小さくてもか
まわない。

【００４８】金属隔膜４０の実際の冷却は、金属隔膜４
０より上のモジュール・キャップまたはハウジング３０
を通って循環する、水または水をベースとする他の冷却
液などの流体の対流によって行われる。冷却液は、冷却
液入口３４から入って、入口流路３２を矢印３１で示す
方向に通過し、ピストン・チャンバ４６に向かって下っ
ていく。ピストン２０には、平坦なピストン下面２４
と、狭くなって中央開口部または穴２２に下りていく開
口部がある。穴２２は、ピストンの縦軸と同軸的にピス
トン本体を貫通している。冷却液は、穴２２を下って、
集積回路チップ１０の真上の金属隔膜４０上の領域２５
およびその周囲に当たる。米国特許出願第０７／７４８
００４号により明確に記載され開示されているように、
穴２２の下端は、ピストン２０の平坦なピストン下面２
４にある複数の浅い半径方向流路２３に通じている。浅
い半径方向流路２３は、ピストン２０の下面または表面
に一体式に形成または成形してある。これらの浅い半径
方向流路２３は、ピストン２０の下端に開いており、冷
却液の流れを穴２２から対称形で半径方向外側に向け、
金属隔膜４０の上面に沿って流すための通路となる。当
業者なら、これらの浅い半径方向流路２３の高さおよび
幅を、特定の冷却要件を満たすように最適化することは
容易であろう。

【００４９】ピストン２０の下面は、ピストン２０が金
属隔膜４０を集積回路チップ１０の上面にしっかりと押
しつけて保持し固定するのに十分な表面積を有すること
が重要である。この点に関して、ピストンの外縁に沿っ
た下部ピストン面の各セグメントの幅を、隣接する流路
の幅とほぼ同じまたはそれを上回る寸法とすることが好
ましい。ピストン面のセグメントは、米国特許第４９２
８２０７号のスペーサ２２中に示されている幅の狭い羽
根よりも（隣接する流路に対して）かなり広くすること
が好ましい。

【００５０】ピストン２０の下面に使用する浅い半径方
向流路２３の数は、金属隔膜４０を通じて集積回路チッ
プ１０から除去する熱の量に応じて変えることができ
る。しかし、最適の熱伝達を得るには、半径方向のパタ
ーンで並べた複数の流路２３を使用することが好まし
い。冷却液は、ピストン２０と金属隔膜４０の上面の間
の浅い半径方向流路２３を通過するとき、集積回路チッ
プ１０から金属隔膜４０を通じて伝導された熱を対流伝
熱によって除去する。冷却液が腐食性をもつ可能性があ
り、集積回路チップ１０が短絡するという明白な問題が
あるため、金属隔膜４０と、モジュール・キャップまた
はハウジング３０を備えた金属隔膜４０の外被を水密に
して、集積回路チップ１０と直接接触する領域および支
持基板１４への冷却液の漏出を防止することが重要であ
る。

【００５１】金属隔膜４０の下方で、支持基板１４およ
び集積回路チップ１０は、ヘリウムや窒素などの不活性
大気中に密閉するか、あるいは鉱油などの誘電性流体で
覆うことができる。油を使用する場合、アネロイドまた
は圧力補正器が必要になる場合がある。

【００５２】冷却液は、浅い半径方向流路２３を通過し
た後、矢印３９で示すように、ピストン２０の基部の周
囲から外方に向かってチャンバ３６に入り、次に出口流
路３７を上方に向かい、ピストン囲壁とモジュール・キ
ャップまたはハウジング３０の間を通過した後、冷却液
出口３８を介してモジュール・キャップまたはハウジン
グ３０から排出される。

【００５３】従来技術の多くの設計とは異なり、ピスト
ン２０は、直接に伝熱経路の一部を形成してはいない。
すなわち、集積回路チップ１０から除去される熱はピス
トン２０を通じてはそれほど伝導されない。その代わ
り、ピストン２０には、（ａ）金属隔膜４０をチップ上
面により近い距離に保持して、集積回路チップ１０から
金属隔膜４０への熱伝導を最大にする機能と、（ｂ）金
属隔膜４０上を冷却液が通過し、各チップに間接的に当
たって、金属隔膜４０から冷却液への対流伝熱が最大限
になるようにするための所定の経路を提供する機能があ
る。したがって、ピストンが伝熱用経路の一部となる従
来技術のシステムとは異なり、ピストン２０を熱伝導材
料でつくる必要も、高い機械公差を満たす必要もない。
そのため、こうした応用例で典型的な比較的低い公差に
合わせて射出成形またはその他の方法で形成できるプラ
スチックなどの非導電性材料でピストン２０全体をつく
ることが可能になる。

【００５４】複数のチップを収容する伝熱モジュールで
は、様々なチップ間でサイズおよび電力消費量が異なる
可能性がある。そのような場合、同一モジュール内で冷
却をカスタマイズさせて、各ピストンの冷却特性を個々
のチップ位置に適合させることができる。このために、
たとえば、ピストン材料の選択、ピストンおよびその中
央穴開口部の直径、ピストン下面上の流路のサイズおよ
び構成、ならびにその他のパラメータを適切に変えて、
個々のチップにおいて必要な冷却度に合致させる。

【００５５】したがって、伝熱モジュール５は、容易に
製造可能であるが、独特な耐食性隔膜を備えたシステム
中で熱容量の高い水をベースとする冷却液を使用する、
集積回路の冷却装置を提供する。隔膜は、未保護の金属
フォイルの腐食を防止するために流体接触側に新規な被
覆を施してあり、チップを熱サイクルにかけることによ
って発生する応力による、未保護の金属フォイルの腐食
を防止するためにチップ側に第２の新規な被覆が施して
ある。

【００５６】以下の例は、本発明をさらに例示すること
を目的としており、本発明の範囲を限定するものではな
い。

【００５７】実例：アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）の高周波プラ
ズマ分解によってダイヤモンド形カーボン膜を形成す
る。プラズマは、１１０ｍＷ／ｃｍ²の表面電力密度
で、１３．５６ＭＨｚで、静電放電により平行板形状に
維持する。分解は、アセチレン流量６ｓｃｃｍ、圧力３
０ミクロントルで、１４０〜２５０℃の範囲の付着温度
Ｔdに維持された、カソードに取り付けた基板上で行
う。カソード・バイアスは、高周波チョーク分離直流電
源を使用して−１００Ｖ_DCに固定する。付着温度は上記
の範囲に制限する。付着温度が３２５℃を超えると、ダ
イヤモンド形カーボンが黒鉛の性質を帯び、大幅に軟化
するからである。１４０〜２５０℃の温度で、厚さ１０
００ÅのＤＣＬ層を、厚さ約５０Åの界面アモルフォス
・シリコン層と交互に付着した。

【００５８】耐食性被覆層４７は、水流と接触する金属
隔膜４０の腐食を防止する。上述の界面アモルフォス・
シリコン層は、同様な条件のもとで、アルゴン中に１％
のシランを含むガス混合物によって付着する。

【００５９】このようにして、耐食性被覆層４７または
６７を、厚さ約５０ÅのアルモルフォスＳｉ層と関係づ
けられた、厚さ約１０００Åのダイヤモンド形カーボン
層から成る多層構造として付着する。また、ダイヤモン
ド形カーボンの厚い低応力層を１つ付着することもでき
る。

【００６０】金属隔膜は非常に軟質であるため、ダイヤ
モンド形カーボンと金属隔膜間に、厚さ数μｍの剛性付
与層を付着して、大きな曲げひずみが発生する際の硬質
層の亀裂を抑制している。このような亀裂が発生するの
は、隔膜と冷却システムのピストンの間に硬いちり粒子
が入り込んだ場合である。別のシステム中で、アモルフ
ォス・シリコンまたは窒化ケイ素（ＳｉＮ）または窒化
チタン（ＴｉＮ）から成る厚さ約２〜３μｍの剛性付与
層を付着した。剛性付与層は、隔膜として使用する銅ま
たはその他の金属上に容易に付着できる。上述のプロセ
スを使用して、金属フォイルの片側または両側にダイヤ
モンド形カーボン、アモルフォス・シリコン、および剛
性付与層を備えた耐食性被覆を付着した。

【００６１】本発明を、特定の好ましい実施例に関して
説明したが、前述の説明に照らせば、当業者なら多数の
修正および変更を思いつくことは明白であろう。したが
って、そのような修正および変更は、本発明の真の範囲
および趣旨から逸脱しないものとして本発明の範囲に包
含されるものである。以下に、本発明の実施態様を示
す。（１）第１の表面および第２の表面を持つ金属フォイル
を備え、前記金属フォイルの前記第１の表面の少なくと
も腐食にさらされる部分が、少なくとも１つの剛性付与
層および１つのダイヤモンド形カーボン層の被覆、また
は少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和材料およびダ
イヤモンド形カーボンの連続した被覆を有し、それによ
って耐食性を与えることを特徴とする、耐食性を提供す
るための製品。（２）前記金属フォイルを、アルミニウム、銅、金、イ
ンジウム、鉛、モリブデン、銀、すず、チタン、タング
ステン、およびそれらの合金から成る群から選ぶことを
特徴とする、（１）に記載の製品。（３）前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンであ
ることを特徴とする、（１）に記載の製品。（４）前記剛性付与層を、窒化アルミニウム、アモルフ
ォス・シリコン、窒化ケイ素、窒化チタン、タングステ
ン炭化物、およびそれらの混合物から成る群から選ぶこ
とを特徴とする、（１）に記載の製品。（５）前記ダイヤモンド形カーボン層の合計厚さが約
０．５〜１．５μｍであることを特徴とする、（１）に
記載の製品。（６）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、応
力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの前記連続層
の合計厚さが約０．５〜１．５μｍであることを特徴と
する、（１）に記載の製品。（７）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、前
記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好ましく
は約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン被覆の
厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８００〜１
０００Å、さらに好ましくは約１０００Åであることを
特徴とする、（１）に記載の製品。（８）前記金属フォイルが銅またはその合金であり、前
記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンであり、前記
剛性付与層の材料がアモルフォス・シリコンまたは窒化
チタンであることを特徴とする、（１）に記載の製品。（９）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、前
記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好ましく
は約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン被覆の
厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８００〜１
０００Å、さらに好ましくは約１０００Åであることを
特徴とする、（８）に記載の製品。（１０）第１の表面および第２の表面を持つ金属フォイ
ルを備え、前記金属フォイルの前記第１の表面と前記第
２の表面の少なくとも腐食にさらされる部分が、少なく
とも１つの剛性付与層および１つのダイヤモンド形カー
ボン層の被覆、または少なくとも１つの剛性付与層と応
力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの連続した被
覆を有し、それによって耐食性を与えることを特徴とす
る、耐食性を提供するための製品。（１１）前記金属フォイルを、アルミニウム、銅、金、
インジウム、鉛、モリブデン、銀、すず、チタン、タン
グステン、およびそれらの合金から成る群から選ぶこと
を特徴とする、（１０）に記載の製品。（１２）前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンで
あることを特徴とする、（１０）に記載の製品。（１３）前記剛性付与層を、窒化アルミニウム、アモル
フォス・シリコン、窒化ケイ素、窒化チタン、タングス
テン炭化物、およびそれらの混合物から成る群から選ぶ
ことを特徴とする、（１０）に記載の製品。（１４）前記ダイヤモンド形カーボン層の合計厚さが約
０．５〜１．５μｍであることを特徴とする、（１０）
に記載の製品。（１５）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
応力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの前記連続
層の合計厚さが約０．５〜１．５μｍであることを特徴
とする、（１０）に記載の製品。（１６）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
前記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好まし
くは約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン被覆
の厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８００〜
１０００Å、さらに好ましくは約１０００Åであること
を特徴とする、（１０）に記載の製品。（１７）前記金属フォイルが銅またはその合金であり、
前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンであり、前
記剛性付与層の材料がアモルフォス・シリコンまたは窒
化チタンであることを特徴とする、（１０）に記載の製
品。（１８）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
前記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好まし
くは約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン被覆
の厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８００〜
１０００Å、さらに好ましくは約１０００Åであること
を特徴とする、（１７）に記載の製品。（１９）チップとピストンの間にあり、第１の表面およ
び第２の表面を持つ金属フォイルを備え、前記金属フォ
イルの前記表面のうちの一方の表面の少なくとも腐食に
さらされる部分に、少なくとも１つの剛性付与層および
１つのダイヤモンド形カーボン層の被覆、または少なく
とも１つの剛性付与層と応力緩和材料およびダイヤモン
ド形カーボンの連続した被覆を有し、それによって耐食
性を与えることを特徴とする、冷却液が通過するための
中央開口部を持つピストンを備える、集積回路チップの
冷却システム用の耐食性隔膜。（２０）前記金属フォイルを、アルミニウム、銅、金、
インジウム、鉛、モリブデン、銀、すず、チタン、タン
グステン、およびそれらの合金から成る群から選ぶこと
を特徴とする、（１９）に記載の耐食性隔膜。（２１）前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンで
あることを特徴とする、（１９）に記載の耐食性隔膜。（２２）前記剛性付与層を、窒化アルミニウム、アモル
フォス・シリコン、窒化ケイ素、窒化チタン、タングス
テン炭化物、およびそれらの混合物から成る群から選ぶ
ことを特徴とする、（１９）に記載の耐食性隔膜。（２３）前記ダイヤモンド形カーボン層の合計厚さが約
０．５〜約１．５μｍであることを特徴とする、（１
９）に記載の耐食性隔膜。（２４）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
応力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの前記連続
層の合計厚さが約０．５〜１．５μｍであることを特徴
とする、（１９）に記載の耐食性隔膜。（２５）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
前記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好まし
くは厚さ約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン
被覆の厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８０
０〜１０００Å、さらに好ましくは約１０００Åである
ことを特徴とする、（１９）に記載の耐食性隔膜。（２６）前記金属フォイルが銅またはその合金であり、
前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンであり、前
記剛性付与層の材料がアモルフォス・シリコンまたは窒
化チタンであることを特徴とする、（１９）に記載の耐
食性隔膜。（２７）前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであり、
前記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好まし
くは約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン被覆
の厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８００〜
１０００Å、さらに好ましくは約１０００Åであること
を特徴とする、（２６）に記載の耐食性隔膜。

【００６２】

【発明の効果】本発明により、集積回路チップ用の高性
能冷却システムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐食性隔膜を示す、集積回路チップ用
伝熱モジュールの断面図である。

【図２】本発明の耐食性隔膜を示す拡大断面図である。

【図３】本発明の耐食性隔膜の別の実施例を示す拡大断
面図である。

【符号の説明】

５伝熱モジュール１０集積回路チップ１４支持基板２０ピストン２２穴２４偏倚手段３０モジュール・キャップまたはハウジング４０金属隔膜４３未保護の金属フォイルまたは隔膜４６チャンバ４７耐食性被覆層４９剛性付与層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アルフレッド・グリルアメリカ合衆国10605、ニューヨーク州ホワイト・プレーンズ、オーバールック・ロード85 (72)発明者グレゴリー・スコット・ホッパーアメリカ合衆国12524、ニューヨーク州フィッシュキル、ナンタケット・ドライブ52 (72)発明者エジディオ・マロッタアメリカ合衆国77840、テキサス州カレッジ・ステーション、ウェルボーン・ロード 402 ２ディー号 (72)発明者バーナード・スティール・マイヤーソンアメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツ、カリフォルニア・ロード235 (72)発明者ヴィシュヌバーイ・ヴィッタルバーイ・パテルアメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツ、ウィロウェイ・ストリート2289

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の表面および第２の表面を持つ金属フ
ォイルを備え、前記金属フォイルの前記第１の表面の少
なくとも腐食にさらされる部分が、少なくとも１つの剛
性付与層および１つのダイヤモンド形カーボン層の被
覆、または少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和材料
およびダイヤモンド形カーボンの連続した被覆を有し、
それによって耐食性を与えることを特徴とする、耐食性
を提供するための製品。
【請求項２】前記金属フォイルを、アルミニウム、銅、
金、インジウム、鉛、モリブデン、銀、すず、チタン、
タングステン、およびそれらの合金から成る群から選ぶ
ことを特徴とする、請求項１に記載の製品。
【請求項３】前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコ
ンであることを特徴とする、請求項１に記載の製品。
【請求項４】前記剛性付与層を、窒化アルミニウム、ア
モルフォス・シリコン、窒化ケイ素、窒化チタン、タン
グステン炭化物、およびそれらの混合物から成る群から
選ぶことを特徴とする、請求項１に記載の製品。
【請求項５】前記ダイヤモンド形カーボン層の合計厚さ
が約０．５〜１．５μｍであることを特徴とする、請求
項１に記載の製品。
【請求項６】前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであ
り、応力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの前記
連続層の合計厚さが約０．５〜１．５μｍであることを
特徴とする、請求項１に記載の製品。
【請求項７】前記剛性付与層の厚さが約２〜５μｍであ
り、前記応力緩和材料被覆の厚さが約４０〜８０Å、好
ましくは約５０Åであり、前記ダイヤモンド形カーボン
被覆の厚さが約５００〜１２００Å、好ましくは約８０
０〜１０００Å、さらに好ましくは約１０００Åである
ことを特徴とする、請求項１に記載の製品。
【請求項８】前記金属フォイルが銅またはその合金であ
り、前記応力緩和材料がアモルフォス・シリコンであ
り、前記剛性付与層の材料がアモルフォス・シリコンま
たは窒化チタンであることを特徴とする、請求項１に記
載の製品。
【請求項９】第１の表面および第２の表面を持つ金属フ
ォイルを備え、前記金属フォイルの前記第１の表面と前
記第２の表面の少なくとも腐食にさらされる部分が、少
なくとも１つの剛性付与層および１つのダイヤモンド形
カーボン層の被覆、または少なくとも１つの剛性付与層
と応力緩和材料およびダイヤモンド形カーボンの連続し
た被覆を有し、それによって耐食性を与えることを特徴
とする、耐食性を提供するための製品。
【請求項１０】チップとピストンの間にあり、第１の表
面および第２の表面を持つ金属フォイルを備え、前記金
属フォイルの前記表面のうちの一方の表面の少なくとも
腐食にさらされる部分に、少なくとも１つの剛性付与層
および１つのダイヤモンド形カーボン層の被覆、または
少なくとも１つの剛性付与層と応力緩和材料およびダイ
ヤモンド形カーボンの連続した被覆を有し、それによっ
て耐食性を与えることを特徴とする、冷却液が通過する
ための中央開口部を持つピストンを備える、集積回路チ
ップの冷却システム用の耐食性隔膜。