KR102282296B1

KR102282296B1 - 집적 회로 칩 냉각 디바이스

Info

Publication number: KR102282296B1
Application number: KR1020140122991A
Authority: KR
Inventors: 스테판 몽프레이; 산드린 로스티스; 크리스토프 마이트리; 올가 콕샤기나; 필리프 코로넬
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈; 에스티마이크로일렉트로닉스 에스.에이.; 에스티마이크로일렉트로닉스 (크롤 2) 에스아에스
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2021-07-28
Also published as: FR3010830A1; JP2015061076A; EP2851949B1; US20150075749A1; JP6449601B2; US9615443B2; KR20150032216A; EP2851949A1; FR3010830B1

Abstract

집적 회로 칩 냉각 디바이스는 마이크로파이프들의 망을 포함하고, 파이프 부분들은 밸브들에 의해 연결되며, 각각의 밸브는 적어도 하나의 이중층 스트립을 포함한다.

Description

집적 회로 칩 냉각 디바이스{INTEGRATED CIRCUIT CHIP COOLING DEVICE}

[관련 출원의 상호참조]

본 출원은 발명의 명칭이 "Dispositif de refroidissement d'une puce de circuit int

r

"인 2013년 9월 17일자로 출원된 프랑스 특허 출원 번호 제13/58934호의 이득을 주장하며, 상기 출원의 내용은 법으로 허용가능한 최대 정도까지 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.

[기술분야]

본 발명은 집적 회로 칩 냉각 디바이스에 관한 것이다.

Navas Khan 등에 의해 저작된 논문 "3-D Packaging With Through-Silicon Via (TSV) for Electrical and Fluidic Interconnections"은 집적 회로 칩 냉각 디바이스를 이미 제공하였는 바, 상기 집적 회로 칩 냉각 디바이스는 마이크로파이프들의 망(network)을 구비하며, 펌프에 의해 순환되는 액체가 상기 마이크로파이프들의 망을 통해 흐르게 된다.

이러한 타입의 다른 디바이스는 Bing Shi 등에 의해 저작된 논문 "Hybrid 3D-IC Cooling System Using Micro-Fluidic Cooling and Thermal TSVs"에 기술된다.

그러나, 다양한 범위의 칩들, 특히 동작 시 상이한 양의 열파워를 소산시키는 영역들을 포함하는 칩들을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 간단하고, 컴팩트(compact)하며 그리고 형성하기 쉬운(easy-to-form) 디바이스가 필요로 된다.

따라서, 실시예가 마이크로파이프들의 망을 포함하는 집적 회로 칩 냉각 디바이스를 제공하는 바, 여기서 파이프 부분들은 밸브들에 의해 연결되고, 밸브들 각각은 적어도 하나의 이중층(bilayer) 스트립을 포함한다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 스트립은 자신의 온도의 변화의 영향 하에서 모양을 변경하도록 되어 있다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 스트립은 자신의 온도가 제1 임계보다 작을 때 상기 스트립이 밸브에서 제1 개구를 한정하는 제1 모양으로부터 자신의 온도가 제1 임계에 도달할 때 상기 스트립이 밸브에서 상기 제1 개구보다 큰 제2 개구를 한정하는 제2 모양으로 변하도록(pass) 되어 있다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 스트립은 또한, 자신의 온도가 상기 제1 임계보다 작은 제2 임계 미만으로 다시 떨어질 때 제2 모양으로부터 제1 모양으로 리턴하도록 되어 있다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 제1 모양으로부터 제2 모양으로의 스트립의 변화는 비가역적(irreversible)이다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 스트립은 상이한 열팽창 계수들을 가지는 상이한 물질들로 이루어진 두 개의 스택된 층들을 포함한다.

실시예에 따르면, 층들 각각의 물질은 티타늄 나이트라이드(titanium nitride), 티타늄(titanium), 알루미늄(aluminum), 구리(copper), 철(iron), 금(gold), 텅스텐(tungsten), 플래티늄(platinum), 철-니켈 합금(iron-nickel alloy), 산화 실리콘(silicon oxide) 또는 이 물질들 중 어느 것의 합금으로부터 선택된다.

실시예에 따르면, 각각의 밸브에서, 스트립은 디스크 부분의 모양을 가진다.

실시예에 따르면, 마이크로파이프 망은 제1 기판에 위치된 제1 상호연결된 트랜치들의 망 및, 상기 제1 기판에 스택되고 상이한 열팽창 계수를 가지는 상이한 물질들로 이루어진 두 개의 층들의 스택에 의해 상기 제1 기판으로부터 분리된 제2 기판에 위치된 제2 상호연결된 트랜치들의 망을 포함한다.

실시예에 따르면, 마이크로파이프 망은 또한, 제2 기판을 횡단(cross)하고 제1 트랜치 망에 제2 트랜치 망을 연결하는 제1 및 제2 홀(hole)들을 포함한다.

실시예에 따르면, 상기 제1 홀들은 제1 트랜치 망에 제2 트랜치 망을 직접적으로 연결한다.

실시예에 따르면, 각각의 제2 홀은 밸브들 중 하나를 통해 제1 트랜치 망에 제2 트랜치 망을 연결하고, 상기 스트립들은 상기 스택에 형성되어 있다.

실시예에 따르면, 홀들은 나팔모양(flared shape)을 가진다.

실시예에 따르면, 스트립들은 쌍안정적(bistable)이다.

실시예에 따르면, 스트립들은 점진적으로 변형가능하다.

상기 및 다른 특징들 및 장점들이 첨부 도면들과 연계하여 특정한 실시예들의 다음의 비제한적인 설명에서 상세히 논의될 것이다.

도 1a 및 1b는 집적 회로 칩 냉각 디바이스의 예를 도시하는 단면도들이다.
도 2a 내지 2d는 집적 회로 칩 냉각 디바이스의 실시예를 도시하는 단면도들이다.
도 3a, 3b1 및 3b2는 도 2a 내지 2d와 관련하여 기술되는 타입의 냉각 디바이스의 밸브의 실시예를 더욱 상세히 도시한다.
도 4는 집적 회로 칩 냉각 디바이스의 대안적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 5a 내지 5g는 집적 회로 칩 냉각 디바이스를 제조하는 방법의 예를 도시하는 단면도들이다.

명확성을 위해, 동일한 요소들은 다양한 도면들에서 동일한 도면 부호들로 지정되었으며, 또한 다양한 도면들은 스케일링되지 않은 것이다. 또한, 다음의 설명에서, 달리 나타내지 않는 한, 용어 "대략", "실질적으로", "약" 및 "~의 정도"는 "10% 이내"를 의미하며, 상단, 위에, 아래에, 상부, 하부, 수직, 수평, 측 등과 같은 방향을 나타내는 용어들은 대응하는 도면들의 측단면도에서 도시되는 바와 같이 배치된 디바이스들에 적용되며, 동작 시 상기 디바이스들은 상이한 방향들을 가질 수 있음이 이해된다.

도 1a 및 1b는 집적 회로 칩 IC를 냉각하기 위한 디바이스(100)의 예를 도시하는 단면도들이다. 도 1a는 도 1b의 단면 1A-1A를 따르는 칩 IC 및 디바이스(100)의 측단면도이고, 도 1b는 도 1a의 단면 1B-1B를 따르는 디바이스(100)의 상단 단면도이다.

디바이스(100)는 예컨대, 실리콘, 산화 실리콘 또는 알루미늄 나이트라이드로 구성된 기판(101)을 포함한다. 예컨대, 기판(101)은 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 범위에 있는 두께를 가진다. 기판의 하부 표면측 상에, 기판(101)은 기판 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포된 상호연결된 트랜치들(103)의 망을 포함한다. 트랜치들(103)은 기판(101)에서, 기판 두께보다 작은 깊이까지 아래쪽으로 확장된다. 일례로, 트랜치들(103)은 1 내지 500㎛ 범위에 있는 깊이를 가지며, 1 내지 100mm의 범위에 있는 거리들에 걸쳐 길이방향으로(longitudinally) 확장된다. 기판(101)의 하부 표면 상에, 디바이스(100)는 또한, 캡(105), 예컨대 기판(101)의 하부 표면에 대해 위치되는 거의 평면적인 플레이트를 포함하며, 이 캡은 기판의 하부 표면측 상의 트랜치들(103) 각각을 단단히 폐쇄시킨다. 캡(105)은 예컨대, 실리콘, 금속(예컨대, 구리), 유리 또는 플라스틱(예컨대, PMMA - 폴리(메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate)))로 구성된다. 캡(105)의 두께는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 트랜치들(103)의 벽들 및 캡(105)은 상호연결된 마이크로파이프들의 망을 정의하는 바, 이 마이크로파이프들의 망을 통해 냉각액이 흐를 수 있다. 이 예에서, 디바이스(100)의 마이크로 파이프들의 망은 냉각액이 망으로 진입할 수 있는 유입개구(inlet opening)(IN) 및 냉각액이 망을 빠져나갈 수 있는 배출개구(outlet opening)(OUT)를 포함한다. 디바이스(100)는 마이크로파이프 망의 유입부 IN으로부터 배출부 OUT으로 냉각액을 순환시키기 위한 펌프(미도시)를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 냉각될 칩 IC(도 1a)는 캡(105)의 하부 표면에 대해 배치된다.

이 예에서, 디바이스(100)가 가져갈(carry off) 수 있는 열파워의 양은 냉각될 표면의 모든 포인트들에서 실질적으로 동일하다. 그러나, 실제로는, 동일한 집적 회로 칩의 두 개의 구별되는(distinct) 영역들은 동작 시 상이한 양의 열파워를 소산시킬 수 있다. 이 경우, 디바이스(100)에 의해 제공되는 냉각은 최적이 아니다. 사실상, 냉각 디바이스(100)가 칩의 가장 뜨거운 영역들을 효율적으로 냉각시키도록 크기조정될 때, 칩의 가장 차가운 영역은 필요한 것보다 많이 냉각된다. 특히, 이는 결과적으로, 디바이스에서 냉각액을 순환시키는 펌프의 불필요한 전력 소모를 야기한다.

냉각될 칩이 상이한 양의 열파워를 소산시키는 영역들을 포함할 때 냉각 효율을 향상시키기 위해, 냉각될 표면을 마주하는 마이크로파이프들의 분포는 수정될 수 있다. 예를 들어, 칩의 가장 차가운 영역들을 마주하는 마이크로파이프들의 밀도보다 칩의 가장 뜨거운 영역들을 마주하는 마이크로파이프들의 밀도가 더 높게 제공될 수 있다.

그러나, 이러한 솔루션은 냉각 디바이스의 설계 시, 칩의 열 거동(thermal behavior) 및 특히 칩의 뜨거운 자리(hot spot)들의 위치를 사전에 알아야 함을 요한다. 상기 냉각 디바이스는 특별한 칩 타입에 특수한 바, 이는 경제적이지 않다. 또한, 이러한 냉각 디바이스는 칩의 뜨거운 자리들이 동작 동안 이동하는 경우, 자신의 효율을 손실하는 바, 이는 특정 타입의 칩들에서 발생할 수 있다.

도 2a 내지 2d는 집적 회로 칩 IC를 냉각시키기 위한 디바이스(200)의 실시예를 도시하는 단면도들이다. 도 2a는 도 2b, 2c 및 2d의 단면 2A-2A를 따르는 칩 IC 및 디바이스(200)의 측단면도이고, 도 2b는 도 2a 및 2d의 단면 2B-2B를 따르는 디바이스(200)의 상단 단면도이며, 도 2c는 도 2a 및 2d의 단면 2C-2C를 따르는 디바이스(200)의 상단 단면도이고, 도 2d는 도 2a, 2b 및 2c의 단면 2D-2D를 따르는 칩 IC 및 디바이스(200)의 측단면도이다.

디바이스(200)은 이 예에서, 상이한 물질들, 예컨대 상이한 열팽창 계수들을 가지는 금속들로 이루어진 두 개의 층들(205, 207)의 스택에 의해 분리되는 두 개의 스택된 기판들(201 및 203)을 포함한다. 층들(205, 207) 각각의 물질은 예컨대, 티타늄 나이트라이드, 티타늄, 알루미늄, 구리, 철, 금, 텅스텐, 플래티늄, 철-니켈 합금, 산화 실리콘 또는 이 물질들 중 어느 것의 합금으로부터 선택된다. 두 개의 층들(205, 207) 각각은 예컨대, 0.1 내지 10 ㎛의 범위에 있는 두께를 가진다. 기판들(201 및 203)은 예컨대, 실리콘 또는 산화 실리콘으로 구성되지만, 기술된 실시예들은 이 특정한 예들에 제한되지 않는다. 더욱 일반적으로는, 기판들(201 및 203)은 트랜치들이 형성될 수 있는 어떤 반도체, 도전성 또는 절연성 물질로 구성될 수 있다. 도시된 예에서, 기판(203)은 기판(201) 위에 위치된다.

층들(205, 207)을 마주하는 자신의 표면의 측 상에, 다시 말해 도 2a 및 2d의 지향(orientation)에서 자신의 상부 표면측 상에, 기판(201)은 예컨대 기판 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포된 상호연결된 트랜치들(209)의 망을 포함한다. 트랜치들(209)은 기판(201)에서, 자신의 상부 표면으로부터 기판(201)의 총두께 보다 작은 깊이까지 아래로 확장된다.

층들(205, 207)에 대향하는 자신의 표면의 측 상에, 다시 말해 도 2a 및 2d의 지향에서 자신의 상부 표면측 상에, 기판(203)은 예컨대, 기판 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포된 상호연결된 트랜치들(211)의 망을 포함한다. 트랜치들(211)은 기판(203)에서, 자신의 상부 표면으로부터 기판(203)의 총두께 보다 작은 깊이까지 아래로 확장된다.

트랜치들(209 및 211)은 예컨대, 트랜치 망(209)의 적어도 부분이 트랜치 망(211)의 부분을 마주하도록 다시 말해, 도 2a 및 2d의 지향에서 수직으로 돌출되어 트랜치 망(211)의 부분과 정렬되도록 배치된다. 도시된 예에서, 기판(201)에 형성된 트랜치들(209) 모두는 기판(203)에 그리고 역으로 형성된 트랜치들(211)과 마주본다. 그러나, 기술된 실시예들은 이 특정한 경우에 제한되지 않는다.

디바이스(200)에서, 홀들은 기판(203)에서, 트랜치들(211)의 하단으로부터 확장되어, 트랜치들(209)의 앞(front)에서, 기판(203)의 하부 부분을 완전히 횡단하고 층들(205, 207)을 마주하는 기판(203)의 측부 상에 드러난다. 도 2c 및 2d에서 도면 부호(213)로 나타내지는 이 홀들 중 일부는 층들(205, 207)의 스택을 횡단하고, 트랜치 망(209) 내로 드러난다. 도 2c 및 2d에서 도면 부호(215)로 나타내지는 다른 홀들은 층들(205, 207)의 스택 상으로 드러나지만, 층들(205 및 207)을 횡단하지 않는다. 예컨대, 홀들(213, 215)은 기판(203)에서 거의 수직으로 확장된다.

각각의 홀(215)의 하단에서, 홀의 앞면에 위치된 층들(205, 207)의 스택의 부분(217)은 상대적으로 좁은 슬롯(slot)의 모양의 적어도 하나의 스루 개구(219)를 포함하며, 상기 스루 개구는 예컨대, 20 nm 내지 1㎛ 범위의 폭을 가지며, 부분(217)에서 적어도 하나의 이중층 스트립(221), 예컨대 이중금속 스트립을 한정한다. 이 예에서, 도 3a 및 3b와 관련하여 이후에 더욱 상세하게 설명될 바와 같이, 각각의 스트립(221)은 주위 온도(ambient temperature)에서 초기에 실질적으로 평면적이며, 층(205)과 층(207) 사이에 존재하는 열팽창 계수차로 인해 자신의 온도가 주위 온도보다 높은 임계 T1을 초과할 때 구부러짐(curving)으로서 변형될 수 있다.

층들(205, 207)에 대향하는 기판(203)의 표면의 측 상에, 다시 말해 도 2a 및 2d의 지향에서 기판(203)의 상부 표면측 상에, 디바이스(200)는 또한, 캡(223) 예컨대, 기판(103)의 상부 표면에 대해 배치된 거의 평면적인 플레이트를 포함하고, 상기 캡은 자신의 상부 표면측 상에서 트랜치들(211) 각각을 단단히 폐쇄시킨다. 캡(223)은 트랜치들을 단단히 폐쇄시킬 수 있는 실리콘, 유리, 금속, 플라스틱 또는 어떤 다른 절연성, 반도체 또는 도전성 물질로 구성된 기판일 수 있다. 일례로, 캡(223)의 물질은 폴리머, 예컨대 폴리에틸렌, PVC 등으로 구성된다.

트랜치들(209 및 211)의 벽들, 스루 홀들(213 및 215)의 벽들 및 캡(223)은 액체 또는 가스 형태, 예컨대 물, 이소프로필 알콜과 같은 알콜, 갈릴륨과 같은 액상 금속, 상품명 "Novec 7500 Engineered Fluid" 하에서 회사 3M에 의해 상업화된 액체와 같은 특정한 액체의 냉각 유체(fluid)를 실어 나를 수 있는 상호연결된 마이크로파이프들의 망을 정의한다. 더욱 일반적으로는, 다른 타입의 냉각 유체가 예상될 수 있는바, 예컨대, 혼합성(miscible)일 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 액체들의 혼합물, 액체, 가스 및/또는 고체(겔(gel)) 상태들 간의 평형(equilibrium)에서의 유체, 상태(phase) 변경(열 파이프 타입의 동작)에 의해 열을 디스차지(discharge)시킬 수 있는 것, 등이 예상될 수 있다. 일례로, 마이크로파이프는 횡단면에서 1 내지 1000㎛ 범위에 있는 치수(dimension)들을 가진다. 따라서, 디바이스(200)에서, 스루 홀들(213, 215)은 예컨대, 1 내지 1000㎛ 범위에 있는 직경을 갖는 거의 원형인 단면을 가지는 실린더형 홀들이며, 트랜치들(209, 211)은 예컨대, 1 내지 1000㎛ 사이의 측부 길이를 갖는 거의 정사각형 또는 직사각형 단면을 가진다.

이 예에서, 디바이스(200)의 마이크로파이프들의 망은 냉각 유체가 망으로 진입할 수 있는 유입개구(IN) 및 냉각 유체가 망을 빠져나갈 수 있는 배출개구(OUT)를 가진다. 디바이스(200)는 마이크로파이프 망의 유입부 IN으로부터 배출부 OUT으로 냉각 유체를 순환시키기 위한 펌프(미도시)를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 냉각될 칩 IC(도 2a 및 2d)은 기판(201)의 하부 표면에 대해 배치된다.

디바이스(200)에서, 홀(215)의 앞면에 위치된 층들(205, 207)의 스택의 각각의 부분(217)은 망의 두 개의 파이프 부분들을 연결하는 밸브(218)를 정의한다. 각각의 밸브(218)의 개구는 그 내부에 포함된 스트립(들)(221)의 모양에 좌우된다. 각각의 밸브(218)는 적어도 두 개의 상태들을 가지는 바, 상기 두 개의 상태들은: 본 명세서에서 폐쇄된 상태라 지칭될 제1 상태 - 상기 제1 상태에서 밸브의 스트립(들)(221)은 밸브에 의해 연결된 두 개의 파이프 부분들 사이의 개구를 거의 완전히 폐쇄시키고 따라서 무시할 수 있는 양(negligible amount)의 유체가 밸브를 통과하게 하거나 또는 어떤 유체도 밸브를 전혀 통과하지 못하게 하는 모양을 가진다 - , 및 본 명세서에서 개방된 상태라고 지칭될 제2 상태 - 상기 제2 상태에서 밸브의 스트립(들)(221)은 무시할 수 없는 양의 유체가 밸브를 통해 흐르게 할 수 있는 개구를 한정하는 모양들을 가진다 - 이다. 밸브들(218)은 디바이스의 마이크로파이프 망에 규칙적으로 분포될 수 있다.

도 3a, 3b1 및 3b2는 도 2a 내지 2d의 냉각 디바이스(200)의 밸브(218)의 실시예를 더욱 상세히 도시한다. 특히, 도 3a, 3b1 및 3b2는 도 2d에서 점선들로 도시되고 밸브(218)를 포함하는 디바이스(200)의 부분 F3의 확대된 도면들이다. 도 3a는 폐쇄된 상태의 밸브(218)의 상면도이며 도 3b1 및 3b2는 도 3a의 단면 3B-3B를 따르는 밸브(218)의 두 개의 단면도들을 포함하며, 이들은 폐쇄된 상태 및 개방된 상태로 각각 밸브(218)를 도시한다.

폐쇄된 상태(도 3b1)에서, 밸브(218)는 이 예에서 네 개의 거의 평면적인 스트립들(221)을 포함한다. 각각의 스트립(221)은 밸브를 포함하는 홀(215)의 하단에 위치된 스택(205, 207)의 부분(217)으로 형성된 디스크의 1/4에 대응한다. 네 개의 스트립들(221)은 자신의 중앙이 스택 부분(217)의 중앙과 실질적으로 일치(coinciding)하는 십자 모양의 슬롯의 형태의 스루 개구(219)에 의해 스택 부분(217)에서 한정된다.

층들(205 및 207)의 물질들 간의 열팽창 계수차로 인한 열의 영향 하에서, 스트립들(221)은 도 3b2에 도시된 바와 같이 구부러진 모양을 취할 수 있고, 폐쇄된 상태에서 스트립들(221)을 분리하는 개구(219)보다 큰 개구를 밸브(218)를 통해 정의한다. 그 다음, 밸브(218)는 개방된 상태에 있다. 도시된 예에서, 밸브(218)가 개방된 상태에 있을 때, 각각의 스트립(221)은 자신의 자유 단부(free end), 다시 말해 밸브 중앙을 향해 지향된 스트립의 팁(tip)이 스트립의 고정된 부분, 다시 말해 스트립의 4등분된(quarter) 디스크의 라운딩된 에지 - 이 에지에 의해 스트립은 스택(205, 207)의 나머지에 연결된다 - 위로 위치되도록 구부러진 모양을 가진다. 그 다음, 각각의 스트립(221)의 자유 단부는 폐쇄 상태에서 보다, 밸브(218)의 중앙으로부터 더 멀리 있게 된다. 다시 말해, 이 예에서, 밸브(218)가 폐쇄된 상태로부터 개방된 상태로 변화되면, 스트립들(221)은 꽃잎들 처럼 위로 개방된다.

냉각 디바이스(200)는 다음과 같이 동작한다.

냉각될 칩 IC가 파워를 공급받지 않고 전혀 또는 거의 열파워를 방출하지 않는 초기 상태에서, 디바이스의 모든 밸브들(218)은 예컨대, 폐쇄된 상태에 있다. 냉각 유체는 트랜치들(209 및 211) 그리고 스루 홀들(213)에 의해 정의되는 파이프들을 통해 마이크로파이프 망의 유입부 IN과 배출부 OUT 사이로 흐를 수 있다. 그러나, 유체는 밸브들(218) 횡단하지 않거나 또는 약간만 횡단하며 따라서, 홀들(215)에 의해 정의되는 파이프들을 통해 흐르지 않거나 또는 약간만 흐른다.

칩 IC가 동작할 때, 칩 IC는 냉각 유체에 의해 부분적으로 디스차지되는 열파워를 방출한다. 칩에 의해 방출되는 열파워는 디바이스(200)의 밸브들(218)을 가열한다. 칩에 의해 방출되는 열파워의 양은 다른 영역들보다 특정 칩 영역들에서 클 수 있다. 따라서, 디바이스의 서로 다른 밸브들(218)은 서로 다른 온도들을 가질 수 있다.

밸브(218)의 온도가 임계 T1에 도달할 때, 이 밸브는 개방된 상태로 스위칭된다. 그 다음, 냉각 유체가 밸브 위에 위치된 홀(215)에 의해 정의된 파이프 부분을 통해 흐를 수 있다. 그 결과, 칩에 의해 가열된 많은 양의 냉각 유체가 대응하는 영역에서 마이크로파이프 망에 의해 디스차지될 수 있다. 다시 말해, 밸브(218)의 개구는 밸브들(218)이 폐쇄된 상태에 있는 디바이스의 영역들에 대하여 디바이스(200)의 냉각 능력을 지역적으로 증가시킨다.

밸브(218)의 스트립들(221)은 예컨대, 밸브 개방 임계 T1이 정상 동작 조건들의 스태디 상태(steady state)에서, (상이한 양의 열파워를 소산시키는 영역들을 포함하는 칩의 경우) 칩의 뜨거운 영역들 위에 위치된 밸브들(218)이 개방된 상태에 있고, 칩의 차가운 영역들 위에 위치된 밸브들(218)이 폐쇄된 상태에 있도록 하는 값이 되도록 형성된다. 일례로, 임계 T1은 70 내지 90℃ 사이에 있을 수 있다.

제1 실시예에서, 스트립들(221)의 변형은 가역적(reversible)인 바, 다시 말해 개방된 상태에 있는 밸브(218)의 온도가 임계 T1보다 작은 임계 T2 미만으로 떨어질 때, 이 밸브는 폐쇄된 상태로 리턴한다. 이 제1 실시예는 특히, 칩의 뜨거운 자리들이 칩 동작 동안 이동할 가능성이 있을 때 장점적이다. 사실상, 이 경우, 디바이스(200)의 상이한 영역들의 지역적인 냉각 능력은 뜨거운 칩 영역들의 모션(motion)들에 따라 자동으로 조정될 수 있다. 임계 T2는 예컨대, 30 내지 70℃ 범위에 있다. 이 제1 실시예에서, 층들(205 및 207)은 예컨대, 티타늄 및 금으로, 알루미늄 및 산화 실리콘으로, 티타늄 및 알루미늄으로, 텅스텐 및 알루미늄으로 또는 텅스텐 및 금으로 각각 구성된다.

제2 실시예에서, 스트립들(221)의 변형은 비가역적인 바, 다시 말해 일단 밸브(218)가 개방되었으면, 밸브는 자신의 온도가 감소할 때 폐쇄되지 않는다. 이 실시예는 특히, 뜨거운 자리들이 칩 동작 동안 이동하지 않는 경우의 칩들의 냉각에 적응된다. 이 제2 실시예에서, 냉각 디바이스 마이크로파이프 망은 칩의 첫번째 사용 시 자동으로 구성될 수 있지만, 칩이 멈추거나/재시작할 때마다 재구성되지는 않는다. 장점은 디바이스의 각각의 스트립(221)이 기껏해야 한번 작동(actuate)되는 바, 이는 기계적 마모의 위험을 제한한다는 점이다. 이 제2 실시예에서, 층들(205 및 207)은 예컨대, 티타늄 및 구리로, 텅스텐 및 구리로, 또는 산화 실리콘 및 구리로 구성된다.

이중층 스트립들(221)은 쌍안정적일 수 있는 바, 다시 말해 이들은 임계 T1으로 가열될 때 폐쇄된 상태로부터 개방된 상태로 빠르게 스위칭하며, 가능하게는 (제1 실시예에서) 이들이 임계 T2으로 냉각될 때 개방된 상태로부터 폐쇄된 상태로 빠르게 스위칭한다.

변형예로서, 스트립들(221)의 변형들은 점진적일 수 있다. 이 경우, 각각의 밸브(218)는 스트립들(221)의 온도에 따라 폐쇄된 상태와 개방된 상태 사이에 복수의 중간 상태들을 취할 수 있다.

도 4는 집적 회로 칩 냉각 디바이스의 대안적인 실시예를 도시하는, 도 2d의 단면과 유사한 단면에서의 측단면도이다.

도 4의 디바이스(400)는 도 2a 내지 2d의 디바이스(200)와 공통된 많은 요소들을 포함한다. 이하에서, 두 개의 디바이스들 간의 차이점들만이 강조될 것이다.

디바이스(400)와 디바이스(200) 간의 주요한 차이는, 디바이스(200)는 자신의 전체 높이에 걸쳐 거의 일정한 단면을 가지는 직선 실린더(rectilinear cylinder)들의 형태의 스루 홀들(213 및 215)을 포함하고, 디바이스(400)는 다른 모양들의 스루 홀들(413 및 415)을 포함한다는 것이다. 도시된 예에서, 트랜치들(209)의 부분들에 트랜치들(211)의 부분들을 직접적으로 연결하는, 층들(205, 207)의 스택에 걸친 홀들(413) 및, 홀들(415)은 층들(205, 207)의 스택을 횡단함이 없이 상기 층들의 스택 상으로 드러난다. 홀들(415)의 하단에 위치된 밸브들(218)은 트랜치들(209)의 부분들에 트랜치들(211)의 부분들을 연결한다.

도 4의 대안적인 실시예에서, 홀들(413, 415)은 다른 방향이 아니라 일 방향으로 냉각 유체의 흐름을 촉진할 수 있는 모양을 가진다. 도시된 예에서, 홀들(413, 415)은 나팔모양을 가지는 바, 예컨대 원형 단면을 갖는 테이퍼진 모양을 가진다. 이 예에서, 디바이스(400)의 유입부 IN 및 배출부 OUT는 마이크로파이프 망의 하부 부분에 위치되는 바, 다시 말해 트랜치들(209)의 레벨에 위치된다. 자신의 유입부 IN 인근에서, 디바이스(400)는 이 예에서, 트랜치들(209)의 측부 상에 자신의 가장 큰 단면을 가지고 트랜치들(211)의 측부 상에 자신의 가장 작은 단면을 가지는 하나 또는 복수의 나팔형 홀들(413)을 포함한다. 이 홀들은 디바이스 유입부 인근에서 트랜치 망(209)으로부터 트랜치 망(211)으로 냉각 유체의 흐름을 촉진시킨다. 자신의 배출부 OUT 인근에서, 디바이스(400)는 이 예에서, 트랜치들(211)의 측부 상에 자신의 가장 큰 단면을 가지고 트랜치들(209)의 측부 상에 자신의 가장 작은 단면을 가지는 하나 또는 여러개의 나팔형 홀들(413)을 포함한다. 이러한 홀들은 디바이스 배출구 근처에서 트랜치 망(211)으로부터 트랜치 망(209)으로 냉각 유체의 흐름을 촉진시킨다. 상기 언급된 나팔형 홀들(413)의 제공은 전체 마이크로파이프 망 전반에 걸친 냉각 유체의 분산 및 디바이스의 유입부 IN로부터 배출부 OUT로의 냉각 유체의 흐름을 수월하게 한다. 또한, 이 예에서, 홀들(415)은 트랜치들(209)의 측부 상에 자신의 가장 큰 단면을 가지고 트랜치들(211)의 측부 상에 자신의 가장 작은 단면을 가지는 나팔형 홀들이다. 홀들(415)은 대응하는 밸브들(218)이 개방된 상태에 있을 때 트랜치 망(209)으로부터 트랜치 망(211)으로 냉각 유체의 흐름을 촉진시킨다. 변형예로서, 홀들(415) 중 일부 또는 모든 홀들(415)은 냉각 유체가 흐르기에 바람직한 경로를 따라 트랜치들(211)의 측부 상에 자신의 가장 큰 단면을 가지고 트랜치들(209)의 측부 상에 자신의 가장 작은 단면을 가질 수 있다. 주목할 점으로서, 바람직한 실시예들은 홀들(413, 415)의 상기 언급된 모양들에 제한되지 않는다. 더욱 일반적으로는, 바람직한 효과를 제공하는 다른 모양들을 제공하는 것이 이 기술 분야의 숙련자들의 능력들 내에 있을 것이다. 또한, 냉각 유체의 흐름을 수월하게 할 수 있는 코팅(미도시)이 마이크로파이프 망의 트랜치들 또는 홀들의 벽들을 옵션(option)에 따라 코팅할 수 있다.

도 5a 내지 5g는 도 2a 내지 2d 및 3a, 3b와 관련하여 기술된 타입의 냉각 디바이스를 제조하는 방법의 예의 단계들을 개략적으로 도시하는 측단면도들이다. 도 5a, 5b, 5c 및 5d는 도 2a의 단면과 유사하거나 또는 동일한 단면에서의 도면들이고, 도 5e, 5f 및 5g는 도 2d의 단면과 유사하거나 또는 동일한 단면에서의 도면들이다.

도 5a는 기판(201)의 표면 상에 트랜치 망(209)을 형성하는 단계를 도시한다. 트랜치들(209)은 예컨대, 에칭 또는 어떤 다른 적응된 방법에 의해 형성된다. 마스크(미도시)가 에칭될 기판(201)의 영역들을 한정하기 위해 사용될 수 있다.

도 5b는 제2 기판(203)의 표면 상에 스택된 층들(205 및 207)을 형성하는 단계를 도시한다. 도시된 예에서, 층(207)은 기판(203)의 표면을 커버하고, 층(205)은 기판(203)에 대향하는 층(207)의 표면을 커버한다. 층들(207 및 205)은 예컨대, 기상 증착 또는 어떤 다른 적응된 방법에 의해 연속적으로(successively) 형성된다.

도 5c는 트랜치들(209)의 측부 상의 기판(201)의 표면이 층(205)의 외부 표면에 대하여 배치되도록 기판(203)이 기판(201) 상에 위치되는 단계를 도시한다.

도 5d는 층들(205, 207)에 대향하는 기판(203)의 표면의 측부 상에 트랜치 망(211)을 형성하는 단계를 도시한다. 트랜치들(211)은 예컨대, 에칭 또는 어떤 다른 적응된 방법에 의해 형성된다. 마스크(미도시)가 에칭될 기판(203)의 영역들을 한정하기 위해 사용될 수 있다.

도 5e는 예컨대, 기판(203)의 전체 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포된 복수의 홀들(501)을 형성하는 단계를 도시하며, 이 홀들은 트랜치들(211)의 하단으로부터 확장되고, 기판(203)의 하부 부분을 횡단하며, 층(207)을 횡단함이 없이 층(207) 상으로 드러난다. 홀들(501)은 예컨대, 에칭 또는 어떤 다른 적응된 방법에 의해 형성된다. 마스크들(미도시)이 에칭될 기판(203)의 영역들을 한정하기 위해 사용될 수 있다. 주목할 점으로서, 도 5e는 도 5d의 선들 5E-5E을 따라서 취해지는 단면이다.

도 5f는 홀들(501) 중 일부가 이 홀들의 하단에 위치된 스택(205, 207)의 부분을 완전히 제거하고 디바이스(200)(도 2c 및 2d)의 홀들(213)을 형성하도록 층들(205, 207)의 스택을 통해 이어지는(continued) 단계를 도시한다. 도 5f는 또한, 디바이스(200)의 홀들(215)에 대응하는 다른 홀들(501)의 하단에서 스루 개구들(219)이 밸브들(218)의 이중금속 스트립들(221)을 한정하도록 층들(205, 207)의 스택에 형성되는 단계를 도시한다. 홀들(213)의 완전한 개방 및 홀들(215)의 하단에서의 스루 개구들(219)의 형성의 단계들은 동시에 또는 연속적으로 수행될 수 있다. 스택(205, 207)에서의 개구들은 예컨대, 에칭에 의해 형성될 수 있다. 균일한(conformal) 또는 비-균일한 마스크(미도시)가 에칭 시 제거될 스택(205, 207)의 영역들을 한정하기 위해 디바이스의 표면에 형성될 수 있다. 변형 예로서, 스택(205, 207)에서의 개구들은 예컨대, 레이져 에칭에 의해 마스크를 이용함이 없이 형성될 수 있다.

도 5g는 기판(203)의 상부 표면측 상에 캡(223)을 위치시키는 단계를 도시한다. 예를 들어, 캡(223)은 예컨대, 벤조시클로부텐(benzocyclobutene)(BCB)을 포함하는 접착제(glue)와 같은 폴리머 접착제의 수단에 의해 기판(223)의 상부 표면에 접착된다.

도 5f 및 5g는 또한, 도 5d의 선 5E-5E을 따라서 취해진 단면들이다.

기술된 실시예들의 장점은 이들이 기존 냉각 디바이스들에 비해, 냉각 효율을 향상시키면서도 칩들의 변화되는 범위에도 호환가능(compatible)하게 유지된다는 것인 바, 그 이유는 기술된 실시예들에서 냉각 디바이스의 마이크로파이프 망이 칩의 열 거동에 따라 자동으로 구성되기 때문이다.

특정한 실시예들이 기술되었다. 다양한 변경들, 수정들 및 개선들이 이 기술 분야의 숙련자들에게 쉽게 발생될 것이다.

특히, 기술된 실시예들은 도 3a 및 3b와 관련하여 기술된 밸브들(218)의 이중층 스트립들(221)의 모양 및 배치의 특정한 예에 제한되지 않는다. 더욱 일반적으로는, 상기에 기술된 그리고/또는 다르게 배치된 모양들외의 다른 모양들을 가진 이중층 스트립들을 이용함으로써 바람직한 거동(begavior)을 획득하는 것이 이 기술 분야의 숙련자들의 능력들 내에 있을 것이다. 일례로, 이중층 스트립들은 직사각형, 삼각형, 45도(degree) 보다 작거나 또는 큰 각으로 이루어진 디스크 부분들의 모양, 기타등등의 모양일 수 있다. 또한, 각각의 밸브(218)는 4와 다른 수의 스트립들을 포함할 수 있다.

또한, 기술된 실시예들은 마이크로파이프 망의 배치의 상기 언급된 예에 제한되지 않는다. 기술된 실시예들은 마이크로파이프 망의 다른 배치들과도 호환가능하며, 예컨대 두 개보다 많은 또는 적은 수의 트랜치 레벨들을 포함하는 배치와도 호환가능한 바, 그 이유는 상기 망이 밸브들이 개방될 때 디바이스의 냉각 능력을 지역적으로 수정할 수 있는 이중층 스트립들을 가진 밸브들을 포함하기 때문이다. 일례로, 마이크로파이프 망은 하나보다 많은 유입부 및 하나보다 많은 배출부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 논의된 동작 원리들에 근거하여, 냉각 유체를 실어나르는 마이크로파이프들이 냉각될 칩의 측부들 둘 모두 상에 제공되는 냉각 디바이스가 제공될 수 있다.

또한, 변형예로서, 냉각될 전자 컴포넌트들은 냉각 디바이스로부터 개별적인 칩에 반드시 위치되어야 하지 않고, 냉각 디바이스의 기판(201) 또는 캡(223)에 형성될 수 있다.

또한, 기술된 실시예들은 치수들 및 물질들의 상기 언급된 예들에 제한되지 않는다.

이러한 변경들, 수정들 및 개선들은 본 발명의 부분으로 의도된 것이며, 본 발명의 사상 및 범위 내에 있도록 의도된 것이다. 따라서, 상기 설명은 단지 예의 방식일 뿐이며, 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다. 본 발명은 다음의 특허 청구 범위 및 이의 균등물에 정의되는 것으로만 제한된다.

Claims

집적 회로 칩(IC)을 냉각하기 위한 디바이스(200; 400)로서,
마이크로파이프(micropipe)들(209, 211, 213, 215; 209, 211, 413, 415)의 망(network)을 포함하여 구성되고, 파이프 부분들은 밸브(218)에 의해 연결되며, 각각의 밸브는 적어도 하나의 이중층 스트립(221)을 포함하고,
상기 마이크로파이프 망은 제1 기판(201)에 위치된 제1 상호연결된 트랜치들의 망(209) 및, 상기 제1 기판(201)에 스택되고 상이한 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)들을 가지는 상이한 물질들로 이루어진 두 개의 층들(205, 207)의 스택에 의해 상기 제1 기판(201)으로부터 분리된 제2 기판(203)에 위치된 제2 상호연결된 트랜치들의 망(211)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)은 자신의 온도의 변화의 영향 하에서 모양을 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)은 밸브 온도가 제1 임계(T1)보다 작을 때 상기 이중층 스트립(221)이 밸브(218)에서 제1 개구(219)를 한정하는 제1 모양으로부터, 밸브 온도가 상기 제1 임계(T1)에 도달할 때 상기 이중층 스트립(221)이 밸브(218)에서 상기 제1 개구보다 큰 제2 개구를 한정하는 제2 모양으로 변하도록(pass) 구성된 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제3항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)은 또한, 밸브 온도가 상기 제1 임계(T1)보다 작은 제2 임계(T2) 미만으로 다시 떨어질 때 상기 제2 모양으로부터 상기 제1 모양으로 리턴되도록 구성된 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제3항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 제1 모양으로부터 상기 제2 모양으로의 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)의 변화는 비가역적(irreversible)인 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)은 상이한 열팽창 계수들을 가지는 상이한 물질들로 이루어진 두 개의 스택된 층들(205, 207)을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제6항에 있어서,
상기 스택된 층들(205, 207) 각각의 물질은 티타늄 나이트라이드(titanium nitride), 티타늄(titanium), 알루미늄(aluminum), 구리(copper), 철(iron), 금(gold), 텅스텐(tungsten), 플래티늄(platinum), 철-니켈 합금(iron-nickel alloy), 산화 실리콘(silicon oxide) 또는 이 물질들 중 어느 것의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
각각의 밸브(218)에서, 상기 적어도 하나의 이중층 스트립(221)은 디스크(disk) 부분의 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 마이크로파이프 망은 또한, 상기 제2 기판(203)을 횡단(cross)하고 상기 제1 상호연결된 트랜치들의 망(209)에 상기 제2 상호연결된 트랜치들의 망(211)을 연결하는 제1 홀들 및 제2 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 제1 홀들은 상기 제1 상호연결된 트랜치들의 망(209)에 상기 제2 상호연결된 트랜치들의 망(211)을 직접적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제9항 또는 제10항에 있어서,
각각의 제2 홀은 상기 밸브들(218) 중 하나를 통해 상기 제1 상호연결된 트랜치들의 망(209)에 상기 제2 상호연결된 트랜치들의 망(211)을 연결하고, 상기 이중층 스트립들(221)은 두 개의 층들(205, 207)의 상기 스택에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제9항에 있어서,
상기 제1 홀들 및 상기 제2 홀들은 나팔 모양(flared shape)을 가지는 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 이중층 스트립들(221)은 쌍안정적(bistable)인 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 이중층 스트립들(221)은 점진적으로 변형가능(progressively deformable)한 것을 특징으로 하는 집적 회로 칩을 냉각하기 위한 디바이스.