JP6083516B2 - マイクロチャネル熱交換装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロチャネル熱交換装置及び電子機器に関する。

電子部品は、熱により特性が変動することがあるので、動作を保証するため、一定の温度以下に保つことが要求される。しかも、コンピュータの普及により小型で高性能なものが求められており、それに伴い、省スペースで大きな発熱量を処理する要求が高まっている。

一般的な冷却方法は、電子部品パッケージ直上にヒートシンクを取り付けた空冷方式であるが、特に高い信頼性が要求される場合には冷却水をポンプにより循環させ、十分な放熱スペースまで熱を輸送して冷却する水冷方式も採用されている。水冷方式では、水冷用の冷却流路が形成されたジャケットが電子部品パッケージ直上に固定されることが一般的だが、パッケージ自体、もしくは発熱源である半導体装置の近傍に冷却用マイクロ流路を形成することも検討されている。

マイクロ流路は、近年の電子部品がマルチコア化することに伴い、チップ上での複数の局所的な温度上昇箇所（ホットスポット）への冷却対策や、三次元積層されたＬＳＩやパッケージ間のごく狭いエリアを冷却する手段として、その活用が期待されている。

従来のマイクロ流路は、例えば、多数の細い溝のような狭い空間に冷媒を通すので流体抵抗が大きくなり、高揚程のポンプを必要としていた。しかし、冷却用に十分な冷媒の流量を確保するためには、ポンプサイズが大きくなるため、小型、薄型の電子機器装置への設置は難しく、また外部の冷却システムとして構築しても大型化するこので、小型化することが共通の課題となっていた。

これに対し、マイクロ流路となる複数の溝をその上のカバープレートとの間の上部空間に連通させる構造が知られ、これにより流体抵抗を低減することができる。この場合、０．５ｍｍ以下の幅を持つマイクロ流路において、流路総高さに対して連通流路の割合が０．３〜０．７の場合に低圧損構造が成立するとされることが知られている。しかし、連通流路部分は冷却性能に寄与しにくく、流速を低下させるため、下流になるにつれて熱交換性能が落ちることは避けられない。また、そのような上部空間では、流路を仕切る複数のフィンとその上のカバープレートの間に支えがない構造となるので、カバープレートの接合部分が少なくなるため、アセンブリ工程にてカバープレートの強度が低く、しかもマイクロ流路に冷媒を通した時の耐圧力性が低くなる。

一方、冷媒を流す複数のマイクロ流路を仕切る複数のフィンの幾つかがカバープレートの下面に接触する構造が知られ、これによりカバープレートの接合強度が高くなる。

特開２００９−２３９０４３号公報 特開平６−３２６２２６号公報

上記のように、複数のマイクロ流路を仕切る複数のフィンの幾つかをカバープレートの下面に接触させた構造であっても、フィンが伸びていない連通流路部分が冷却性能に寄与しにくいことには変わりはなく、上記のように下流になるにつれて熱交換性能が落ちることは改善されない。

本発明の目的は、構造の信頼性があり、冷却性能を維持できる低圧損の流路構造を有するマイクロチャネル熱交換装置及び電子機器を提供することにある。

本実施形態の１つの観点によれば、絶縁性の筐体と、前記筐体内で天井面から離間し、幅方向に間隔をおいて底面上に形成され、溝状のマイクロ流路を区画する絶縁性の複数のフィンと、前記複数のフィンの長手方向の途中を横切って前記複数のフィンの上端上に橋渡しされ、前記天井面から下に突出して形成される絶縁性の突起と、前記筐体内で前記複数のフィンの一端に繋がる流入側マニホールドと、前記筐体内で前記複数のフィンの他端に繋がる流出側マニホールドと、前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流入側マニホールドに繋がる熱交換流体流入口と、前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流出側マニホールドに繋がる熱交換流体流出口と、前記底面の裏面に配置される熱交換対象物の配置面と、前記フィンと前記突起の内部を貫通し、前記熱交換対象物に接続されるビアと、を有することを特徴とするマイクロチャネル熱交換装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。

本実施形態によれば、構造の信頼性があり、冷却性能を維持できる低圧損の流路構造を実現できる。

図１（ａ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の第１例を示す上面図、図１（ｂ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の第１例を示す内部平面図、図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ図１（ａ）、（ｂ）のＩ−Ｉ線、II−II線、III-III線から見た断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の第２例、第３例を示す側断面図である。 図３（ａ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の第４例を示す内部平面図、図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）のIV−IV線、Ｖ−Ｖ線から見た断面図である。 図４は、比較例１、２及び３と実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の特性を示す表である。 図５は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の実装状態を示す断面図である。 図６（ａ）〜（ｆ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の基板を形成する工程の一例を示す断面図である。 図７は、（ａ）〜（ｇ）は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の蓋体を形成する工程の一例を示す断面図である。 図８は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の積層構造の第１例を示す断面図である。 図９は、実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の積層構造の第２例を示す断面図である。

以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の一例を示す上面図、内部平面図及び側断面図であり、図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ図１（ａ）、（ｂ）のＩ−Ｉ線、II−II線、III-III線から見た断面図である。
図１に示すマイクロチャネル熱交換装置１の筐体は、基板２とそれを上から覆う蓋体３から形成されている。

基板２は、周囲を壁２ａに囲まれ、上側が凹状に形成されている。基板２内部の一端寄りには上流側マニホールド２ｂが形成され、他端寄りには下流側マニホールド２ｃが形成され、それらの間の領域の底面には一端から他端に至るｘ方向に長い複数のフィン２ｆが形成されている。

複数のフィン２ｆは、基板２の幅方向（ｙ方向）、即ち１つの側部から他方の側部に向けて間隔をおいて形成され、フィン２ｆの側方に形成される溝２ｇは熱交換媒体である冷媒が流れるマイクロ流路となっている。また、複数のフィン２ｆの上部のうち冷媒の流れの途中、即ち下流側には、嵌め込み溝２ｄが基板２の幅方向に直線状に並んで形成されている。嵌め込み溝２ｄは、基板２の裏面に配置される電子部品のような冷却対象物５０の取り付け領域の一部の上方に位置している。

これにより、基板２では、上流側マニホールド２ｂに供給された冷媒が溝２ｇ内を通って下流側マニホールド２ｃに到達する構造を有している。

蓋体３は、下側が凹状に形成された下面開放形状を有し、その周囲の側壁３ａの下面は、基板２の周囲の壁部２ａの上面に重ね合わせることにより互いに密着できる形状を有している。側壁３ａは、蓋体３を基板２に被せた状態で側壁３ａに囲まれる天井面３ｅが基板２上のフィン２ｆとの間に間隙が生じる程度の高さを有している。蓋体３の内部の天井面３ｅのうち基板２の裏面、即ち冷却対象物配置面の一部の上方の位置には、下方に突出する流路狭窄用突起３ｆが形成されている。流路狭窄用突起３ｆは、複数のフィン２ｆの長手方向の上端の一部に接合されるとともに、複数のフィン２ｆとそれらの側方の溝２ｇを横切ってフィン２ｆの上端に橋渡しされる形状を有している。流路狭窄用突起３ｆの下面には、基板２のフィン２ｆの嵌め込み溝２ｄに嵌合される嵌め込み突起３ｄが形成されている。

蓋体３の一端寄りの領域には、上流側マニホールド２ｂの上に位置する流入口３ｂが形成され、流入口３ｂには導入管４が接続されている。また、蓋体３のうち、他端寄りの領域には、下流側マニホールド２ｃの上に位置する流出口３ｃが形成され、流出口３ｃには排出管５が接続されている。

蓋体３の下面の壁部３ａと基板２の上面の壁部２ａは互いに密閉するように接合されている。これにより、蓋体３の流路狭窄用突起３ｆとフィン２ｆの接合部分を除いて、蓋体３の天井面３ｅとフィン２ｆの間には、溝２ｇに連通する熱交換媒体流路が形成される。また、流路狭窄用突起３ｆは、基板２と蓋体３を接合した状態で、基板２の裏面の冷却対象物５０の取り付け領域の上方に位置する。

上述したマイクロチャネル熱交換装置１において、基板２の下面に冷却対象物５０として例えば半導体装置を取り付け、さらに流入管４を冷媒供給部（不図示）に接続し、さらに流出管５を冷媒回収部（不図示）に接続する。この状態において、図１（ｃ）の破線の矢印に示すように、流入管４から熱交換装置１の流入口３ｂを通してその内部の上流側マニホールド２ｂに冷媒を流すと、冷媒は蓋体３の内部空間とその下の溝２ｇを通って流れ、ついには下流側マニホールド２ｃに到達する。

溝２ｇ内を流れる冷媒は、基板２の底部を介してフィン２ｆに伝達された冷却対象物５０、例えば半導体装置の熱と熱交換し、フィン２ｆ、基板２を介して冷却対象物５０を冷却する。

天井面３ｅとフィン２ｆの間に形成される上部の流路は、フィン２ｆの一部に接合する流路狭窄用突起３ｆにより遮られるので、冷媒の流路はその下の溝２ｇに絞られるために局所的に狭くなり、その下を通る冷媒の流速が局所的に増加する。このため、溝２ｇ内を上流から下流に向けて進むことにより温度が上昇した冷媒は、下流側での流速の上昇により冷却能力の低下が防止され、必要箇所の冷却性能を向上することができる。そして、下流側マニホールド２ｃに到達した冷媒は、流出口３ｃを通して流出管５に流出する。

ところで、上記の流路狭窄用突起３ｆの形状は、図１に例示したように略直方体に形成し、その下面の一部に嵌め込み突起３ｄを形成しているが、その形状はこれに限られるものではない。例えば、図２（ａ）に例示するように、流路狭窄用突起３ｆの下面に嵌め込み突起を設けずに、流路狭窄用突起３ｆの底部をフィン２ｆの嵌め込み溝２ｄに嵌め込むような構造であってもよい。また、図２（ｂ）に例示するように、流路狭窄用突起３ｆの前後の面は、天井面３ｅからフィン２ｆに向かって間隔が狭くなるようなテーパー状であってもよい。このようなテーパー面を有する流路狭窄用突起３ｆによれば、その下の溝２ｇで局所的に集中する冷媒の流体抵抗を低減させることができ、流れを円滑にすることができる。

また、基板２内に形成されるフィン２ｆは、図３に示すようなフィン構造を採用してもよい。図３（ａ）は、本実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置の変形例を示す内部平面図であり、図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）のIV−IV線,Ｖ−Ｖ線に沿った断面図である。

図３において、流路狭窄用突起３ｆの下には、フィン２ｆの間の溝２ｇ内に短い第２のフィン２ｈが局所的に形成され、フィン２ｆ、２ｈの互いの間隔を狭くするとともにフィン総面積を増加させてもよい。これにより、流路狭窄用突起３ｆの下でフィン総表面積が増加するので、必要箇所の冷却能力を高めることができる。この構造において、流路狭窄用突起３ｆの下のフィン２ｆ、２ｈの間の溝２ｇの総幅をそれ以外の領域の溝２ｇの総幅より狭くすると、狭窄された流路の流速は図１の構造より速くなり、冷却能力が局所的にさらに向上する。

次に、マイクロチャネル熱交換装置の冷却効果について、本実施形態の構造と他の構造とを比較し、図４の表を参照して説明する。

図４に示す比較例１〜３と本実施形態の例のそれぞれのマイクロチャネル熱交換装置では、マイクロ流路配置領域を２５ｍｍ×２５ｍｍの四角形の大きさとし、基板２の底面と蓋体３の天井面３ｅの間の流路高さを１００μｍ、冷媒の流速を１ｍ／秒と同じに設定する。また、比較例１、２と本実施形態の例では、同数のフィン２ｆが形成され、フィン厚を３０μｍ、フィンピッチを１００μｍと同じにする。さらに、本実施形態の例では、流路狭窄用突起３ｆは、図２（ｂ）に示すようなテーパー形状を有し、その長さ、即ち冷媒の流れの方向の長さを１００μｍとする。

図４における比較例１では、本実施形態で採用される流路狭窄用突起が形成されず、フィンの高さを１００μｍとし、フィンは底面から天井面に達する構造を有している。比較例２は、流路狭窄用突起は形成されず、フィンの高さを３０μｍとしている。即ち、比較例２では、流路高さを“１”とした場合にフィンと天井面の間の高さ方向の距離、即ち連通流路の高さが“０．７”となる構造を有している。比較例３は、流路狭窄用突起とフィンが形成されない構造を有している。また、本実施形態の例では、流路狭窄用突起３ｆが形成され、流路高さを“１”とした場合にフィン２ｆと天井面３ｅの間の高さ方向の距離が“０．７”となる構造を有している。

図４の圧力損失の項において、全てのフィンが底面と天井面に接続される比較例１の圧力損失は、１４０ｋＰａとなる。全てのフィンが天井面に達しない比較例２の圧力損失は、比較例１の約５０％である７０ｋＰａとなる。フィンが存在しない比較例３の圧力損失は、４４ｋＰａと小さくなる。これに対し、本実施形態の圧力損失は、９８ｋＰａとなり、比較例１に比べて３０％減少したが、比較例２よりも高くなった。

また、図４において、比較例２の熱抵抗は、０．１８℃／Ｗとなり、比較例１の熱抵抗に比べて約１１％上昇し、熱性能が悪くなる。また、比較例３の熱抵抗は、フィンが存在しないので熱交換を行う面積が小さく、熱抵抗は０．２０℃／Ｗと大きくなり、熱交換性能が悪くなる。これに対し、本実施形態の例では、熱抵抗は０．１６℃／Ｗとなり、比較例１と同様に熱交換性能が良好である。

また、図４において、比較例２、３ではフィンが天井面を支えていないので機械的強度が比較例１に比べて弱く、天井面が撓み易くなる。これらに対し、比較例１と本実施形態の例では、フィンが直接的又は間接的に天井面を支えているので機械的な強度が増し、撓み難くなる。従って、比較例１と本実施形態の例の筐体を複数段に積層しても機械的な強度が確保できることになる。なお、本実施形態の例だけに形成されている流路狭窄用突起３ｆは天井面３ｅの梁としても機能し、筐体の強度を強化する

さらに、本実施形態の例によれば、図１に例示したように流路狭窄用突起３ｆとフィン２ｆが互いに嵌め込まれる嵌め込み構造となっているので、基板２と蓋体４の位置合わせ（アライメント）が容易になり、製造工程におけるスループットが向上する。

ところで、マイクロチャネル熱交換装置１は、電子機器に取り付けられ、電子機器内では例えば図５に示すような回路基板８に実装される例えば半導体装置９を冷却し、さらにヘッダープレート１１を使用して熱交換流体が流入、流出される。

ヘッダープレート１１は、半導体装置９の上面に接続されたマイクロチャネル熱交換装置１を覆う蓋（リッド：ＬＩＤ）１２の上に載置され、マイクロチャネル熱交換装置１に冷媒を流入、排出させる構造を有している。ヘッダープレート１１とＬＩＤ１２は、熱伝導性の良い材料、例えば銅、アルシック、炭化シリコンなどから形成されている。

ＬＩＤ１２は、マイクロチャネル熱交換装置１の流入口３ｂ、流出口３ｃのそれぞれに接続される流入孔１２ｂと流出孔１２ｃを有している。また、ヘッダープレート１１は、ＬＩＤ１２の流入孔１２ｂに接続される流入管１１ｂと、流出孔１２ｃに接続される流出管１１ｃを有している。流入管１１ｂ、流出管１１ｃの上部はともに上方に突出している。ヘッダープレート１１とＬＩＤ１２の間には、流入管１１ｂと流入孔１２ｂの周囲を囲む環状パッキン１４と、流入管１１ｃと流入孔１２ｃの周囲を囲む環状パッキン１５が挟まれている。

ＬＩＤ１２は、はんだバンプ９ａを介して回路基板８に実装した半導体装置９の上に密着された状態のマイクロチャネル熱交換装置１の上にシート状のパッキン１６を介して取り付けられる。シート状のパッキン１６には、マイクロチャネル熱交換装置１の流入口３ｂと流出口３ｃに繋がる流入側開口部１６ｂと流出側開口部１６ｃが形成されている。さらに、ＬＩＤ１２とマイクロチャネル熱交換装置１において、流入孔１２ｂの下端の幅広のフランジには流入口３ｂに差し込まれる漏斗状パッキン１７ｂが嵌め込まれ、流出孔１２ｃの下端の幅広のフランジには流出口３ｃに差し込まれる漏斗状パッキン１７ｃが嵌め込まれている。また、マイクロチャネル熱交換装置１の周囲では、回路基板８とＬＩＤ１２の間に枠状の封止プレート１８が挟まれ、封止プレート１８の上下には接着剤１９が介在している。

なお、図５において、回路基板８の下には電子部品１０、例えばコンデンサーが取り付けられ、さらに回路基板８ははんだバンプ８ａを介して別の回路基板２０に実装されている。

ヘッダープレート１１及びＬＩＤ１２は、マイクロチャネル熱交換装置１に冷媒を供給、回収する機能を有するとともに、マイクロチャネル熱交換装置１の熱拡散機能も有している。これにより、冷却対象物である半導体装置９の冷却効率をさらに高めることができる。

次に、マイクロチャネル熱交換装置１の形成方法の一例について図６、図７を参照して説明する。

最初に、図１に示すような凹部を有する基板２の形成方法について説明する。
基板２を形成するために、図６（ａ）に示すように、熱伝達の良好な絶縁材からなる基材、例えば３００μｍ〜５００μｍの厚さを有する第１のシリコンウエハ２１を用意する。そして、第１のシリコンウエハ２１の第１面の上に第１のフォトレジスト２２を塗布する。さらに、第１のフォトレジスト２２に例えば約８０℃でプリベークを施す。プリベークは後述するフォトレジストの塗布後にも同様に行われる。第１のフォトレジスト２２として、例えばノボラック系でポジ型を使用し、塗布時のコーターの回転数を例えば約２０００ｒｐｍとし、これらの条件は以下に説明するフォトレジストについても同様に適用されるがこれに限定されるものではない。また、第１のシリコンウエハ２１には上記の基板２を面上を縦横に複数形成する基板形成領域が区画されるが、以下の説明では、１つの基板形成領域について説明する。

その後、露光マスク２３を使用して第１のフォトレジスト２２を露光し、上記の嵌め込み溝２ｄの形状を含む潜像を第１のフォトレジスト２２に形成する。続いて、第１のフォトレジスト２２を現像、ベーク等を施すことにより、図６（ｂ）に示すように、潜像を顕像化して嵌め込み溝２ｄの形成部分に開口部２２ａを形成する。

次に、図６（ｃ）に示すように、第１のフォトレジスト２２をマスクに使用し、開口部２２ａを通して第１のシリコンウエハ２１をエッチングすることにより上記の嵌め込み溝２ｄとそれらを結ぶ直線状の溝２１ｄを幅方向に長く形成する。その後に、第１のフォトレジスト２２を除去し、さらに洗浄する。

その後に、図６（ｄ）に示すように、第１のシリコンウエハ２１の上面に第２のフォトレジスト２３を塗布し、ついで、第２の露光マスク２４を使用して第２のフォトレジスト２３を露光し、図１に示した基板２の壁部２ａとフィン２ｆの平面形状を含む潜像を第２のフォトレジスト２３に形成する。続いて、第２のフォトレジスト２３を現像、ベーク等を施すことにより、図６（ｅ）に示すように、潜像を顕像化して基板２の壁部２ａとフィン２ｆの平面形状を覆う形状のレジストパターンを形成する。その後に、第２のフォトレジスト２３をマスクに使用し、第１のシリコンウエハ２１をエッチングする。その後に第２のフォトレジスト２３を除去し、さらに洗浄する。

これにより、図６（ｆ）に示すように、第１のシリコンウエハ２１には図１に示した壁部２ａに囲まれる凹部を形成するとともに、凹部の底面の上に複数のフィン２ｆを形成する。フィン２ｆの一部には、既に形成された溝２１ｄが上記の嵌め込み溝２ｄとして適用される。なお、第１のシリコンウエハ２１は後述するダイシングにより基板形成領域毎に分離されて上記の基板２として使用される。

図１に示す蓋体３の形成は次のような方法により形成される。
蓋体３を形成するため、熱伝達の良好な絶縁材からなる基材、例えば３００μｍ〜５００μｍの厚さを有する第２のシリコンウエハ３１を用意する。第２のシリコンウエハ３１には、上記の蓋体３が面上に縦横に形成される蓋体形成領域が複数区画されるが、以下の説明では、１つの蓋体形成領域を挙げて説明する。

まず、図７（ａ）に示すように、第２のシリコンウエハ３１の第１面の上に第３のフォトレジスト３２を塗布する。続いて、第３の露光マスク３３を使用して第３のフォトレジスト３２を露光し、上記の嵌め込み突起３ｄの形状を含む潜像を第３のフォトレジスト３２に形成する。続いて、第１のフォトレジスト３２を現像、ベーク等を施すことにより、図７（ｂ）に示すように、潜像を顕像化して図１に示した嵌め込み突起３ｄの形成部分に直線状のパターンを形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、第２のシリコンウエハ３１のうち第３のフォトレジスト３２から露出した領域をエッチングし、これにより図１に示した嵌め込み突起３ｄを幅方向に延びる直線状に形成する。その後に、第３のフォトレジスト３２を除去し、さらに洗浄する。

その後に、第２のシリコンウエハ３１の第１面の上に第４のフォトレジスト３４を塗布する。ついで第４の露光マスク（不図示）を使用して第４のフォトレジスト３４を露光し、その後に現像等を施す。これにより、図７（ｄ）に示すように、上記の流路狭窄用突起３ｆを形成する領域と蓋体３の周囲の壁部３ａを形成する領域を被覆するパターンを形成する。

次に、図７（ｅ）に示すように、パターニングされた第４のフォトレジスト３４をマスクに使用し、第２のシリコンウエハ３１をエッチングすると、図１に示すような流路狭窄用突起３ｆとその周囲の凹部とその周囲の壁部３ａが形成される。壁部３ａに囲まれた凹部の底が蓋体３の天井面３ｅとなる。その後に、第４のフォトレジスト３４を除去し、さらに洗浄する。

続いて、第２のシリコンウエハ３１の第２面の上に第５のフォトレジスト３５を塗布した後に、第５の露光マスク（不図示）を使用して第５のフォトレジスト３５を露光する。その後に、現像、ベーク等を施すことにより、図７（ｆ）に示すように、上記した蓋体３の流入口３ｂと流出口３ｃを形成するための開口部を第５のフォトレジスト３５に形成する。

次に、図７（ｇ）に示すように、第５のフォトレジスト３５をマスクに使用し、第２のシリコンウエハ３１に形成された凹部の天井面３ｅに流入口３ｂと流出口３ｃを形成する。

次に、第１のシリコンウエハ２１に形成した壁部２ａと第２のシリコンウエハ３１に形成した壁部３ａを位置合わせして、互いを接合する。接合する方法として、例えば、第１、第２のシリコンウエハ２１、３１のそれぞれの接合面に酸素プラズマ又は窒素プラズマを照射し、或いはそれらの接合面にイオンガンによるアルゴンレーザの照射により、それらの接合面に表面活性化処理を施した後にそれらを貼り合わせると、それらの接合面は強固に接合される。酸素プラズマ又は窒素プラズマを照射する場合には、加圧、アニール処理をして直接接合を行う。その他の接合方法として、例えば、エポキシやポリイミド等の樹脂を介して接着材により接合を行ってもよい。なお、上記のフォトレジストの露光は、電子線露光法などを使用してもよい。

その後に、貼り合わせた第１、第２のシリコンウエハ２１、３１をダイシングすることにより基板２、蓋体３からなる筐体を有する図１に示すマイクロチャネル熱交換装置１を形成し、その後に、蓋体３の流入口３ｂに流入管４を接続し、流出口３ｃに流出管５を接続する。

以上のように、半導体装置の製造工程に適用される方法を用いてマイクロチャネル熱交換装置１を形成しているので、冷却対象物、例えば半導体装置の大きさに合わせて微細化することが可能になる。

ところで、本実施形態に係るマイクロチャネル熱交換装置１を複数段に積層した構造の一例を図８に示す。図８において、マイクロチャネル熱交換装置１の基板を３種類、蓋体を２種類、それぞれ用意する。

第１の基板２Ａは、図１の基板２と同じ構造を有するとともに、フィン２ｆのうち流路狭窄用突起３ｆに接合する部分には上下に貫通する複数の導電性の第１のシリコン貫通ビア（ＴＳＶ）２ｘが形成されている。第２の基板２Ｂは、上流側マニホールド２ｂと下流側マニホールド２ｃのそれぞれの底部に流路口２ｊ、２ｋが形成されている他は、第１の基板２Ａと同じ構造を有している。第３の基板２Ｃは、図１と同じ構造を有し、さらに上流側マニホールド２ｂと下流側マニホールド２ｃのそれぞれの底部に流路口２ｊ、２ｋが形成されている。

第１の蓋体３Ａは、図１の蓋体３と同じ構造を有している。第２の蓋体３Ｂは、第１の蓋体３Ａと同じ構造を有し、さらに流路狭窄用突起３ｆには、フィン２ｆ内の第１のＴＳＶ２ｘに接合される第２のＴＳＶ３ｘが厚さ方向に貫通して形成されている。なお、第２の蓋体３Ｂの上面には配線（不図示）や電極パッド（不図示）が形成されていてもよい。また、第１のＴＳＶ２ｘの下端はそれぞれ半導体装置９Ａ、９Ｂの上面の電極パッド（不図示）に接続される。第２のＴＳＶ３ｘの上端は半導体装置９Ｂ、９Ｃのバンプ９ｂ、９ｃに接続される。最下の半導体装置９Ａは、上記と同様に回路基板８に実装されている。

そのような、第１、第２、第３の基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃと、第１、第２の蓋体３Ａ、３Ｂを使用し、マイクロチャネル熱交換装置１を作成する。即ち、第１の基板３Ａ上に第２の蓋体３Ｂを接合することにより第１の筐体１Ａを形成し、その下面に第１の半導体装置９Ａの上面を接合する。さらに、第２の基板２Ｂ上に第２の蓋体３Ｂを接合することにより第２の筐体１Ｂを形成し、その下面に第２の半導体装置９Ｂの上面を接合する。さらに、第３の基板２Ｃ上に第１の蓋体３Ａを接合することにより第３の筐体１Ｃを形成し、その下面に第３の半導体装置９Ｃの上面を接合する。

さらに、第１の筐体１Ａと第２の筐体１Ｂと第３の筐体１Ｃを下から順に重ね合わせ、それらの間で外周に沿って枠状の第１の封止用スペーサ２６を介在させて接合する。また、第１、第２及び第３の半導体装置９ａ、９ｂ、９ｃの周囲にも枠状の第２の封止用スペーサ２７を介在させる。第１、第２の封止用スペーサ２６、２７は、例えば樹脂から形成されてもよいし、シリコンから形成されてもよい。シリコンから第１、第２の封止用スペーサ２６、２７を形成する場合には、第１、第２及び第３の筐体１Ａ、１Ｂ、１Ｃに対して上記の表面活性化処理を施して貼り合わせてもよい。これにより、第１、第２の封止用スペーサ２６、２７の間の間隙は冷媒の流路となり、それらの上下には流路口２ｊ、２ｋが存在する。さらに、図１と同様に、第３の筐体１Ｃの流入口３ｂに流入管４を接続し、流出口３ｃに流出管５を接続する。

図８において、冷媒は、流入管４を通して第３の筐体１Ｃ内に供給され、その内部のフィン２ｆの間のマイクロ流路を通して流れ、さらに流出管５を通して排出される。また、第３の筐体１Ｃ内に供給された冷媒は、第３の筐体１Ｃの底部の流路口２ｊと、第２、第１の筐体１Ａ、１Ｂの流入口３ｂ、流路口２ｊを通してそれらの内部に供給され、それぞれのフィン２ｆの間のマイクロ流路を流れる。マイクロ流路を通過した冷媒は、第１、第２の筐体１Ａ、１Ｃの流出口３ｃ、流路口２ｋを通して流出管５に向けて流れ、流出される。

マイクロ流路の途中では、上記のように流路狭窄用突起３ｆの下で流れが速くなり、局所的な冷却効果が向上する。しかも、流路狭窄用突起３ｆとフィン２ｆの支えにより上蓋３Ａ、３Ｂの天井面３ｅが撓みにくくなって機械的な強度が高くなるので、第１、第２及び第３の筐体１Ａ、１Ｂ、１Ｃを積層しても機械的構造が劣化することが防止される。なお、流路狭窄用突起３ｆは天井面３ｅの梁としても機能し、筐体の強度を強化する。

ところで、マイクロチャネル熱交換装置１を形成するための筐体の積層は図８に示す構造に限られるものではない。例えば、図９に示すように、第１の筐体１Ａと第２の筐体１Ｂについて、天井面３ｅ側の表面を対向させ、半導体装置９ａ、９ｂ同士を互いに逆向きにして重ねる構造であってもよい。この場合、流入管４は、第２の基板２Ｂの流入側マニホールド２ｂの流路口２ｊに接続され、流出管５は、第２の基板２Ｂの流出側マニホールド２ｃの流路口２ｋに接続される。図９に示すようなマイクロチャネル熱交換装置１によれば、ＴＳＶを使用しなくても外部から半導体装置９Ａ、９Ｂに電気的接続することが可能になる。なお、図８、図９に示すフィン２ｆ、流路狭窄用突起３ｆについては、図１、図２（ａ）、図３に記載のいずれかの構造を採用してもよい。なお、上記の上下方向は位置関係を説明するために便宜的に使用したものであって、実際の取り付け方向を限定するものではない。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すされ、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。

次に、実施形態について付記する。
（付記１）筐体と、前記筐体内で天井面から離間し、幅方向に間隔をおいて底面上に形成され、溝状のマイクロ流路を区画する複数のフィンと、前記複数のフィンの長手方向の途中を横切って前記複数のフィンの上端上に橋渡しされ、前記天井面から下に突出して形成される突起と、前記筐体内で前記複数のフィンの一端に繋がる流入側マニホールドと、前記筐体内で前記複数のフィンの他端に繋がる流出側マニホールドと、前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流入側マニホールドに繋がる熱交換流体流入口と、前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流出側マニホールドに繋がる熱交換流体流出口と、前記底面の裏面に配置される熱交換対象物配置領域と、を有することを特徴とするマイクロチャネル熱交換装置。
（付記２）前記突起の前面と後面は、前記天井面から前記フィンに向かって間隔が狭くなるテーパー面であることを特徴とする付記１に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記３）前記複数のフィンには、前記突起の下方で局所的に数が多く形成される短いフィンが含まれることを特徴とする付記１又は付記２に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記４）前記フィンと前記突起は嵌合により接続されることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記５）前記フィンと前記突起の内部には、上下に貫通するビアが形成されていることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記６）前記複数のフィン及び前記突起を有する前記筐体は、重ねて複数段で配置されることを特徴と売る付記１乃至付記５のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記７）上下に重ねられる前記筐体は、前記天井面側の表面を対向させ、前記熱交換対象物配置領域同士が互いに逆向きにして重ねられることを特徴とする付記６に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記８）複数の前記筐体は、前記天井面と前記底面が同じ向きに配置され、外周表面でスペーサを介して接合されることを特徴とする付記６に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記９）熱交換流体流入口には流入管が直接又は間接的に接続され、前記熱交換流体流出口には流出管が直接又は間接的に接続されていることを特徴とする付記１乃至付記８のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記１０）前記筐体の前記底面は基板の凹部内に形成され、前記筐体の前記天井面は、前記基板上に重ねて接合される蓋体内に形成されることを特徴とする付記１乃至付記９のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置。
（付記１１）付記１乃至付記１０のいずれか１つに記載のマイクロチャネル熱交換装置と、前記マイクロチャネル熱交換装置の前記熱交換対象物配置面に接合される電子部品と、を有する電子機器。

１ マイクロチャネル熱交換装置
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 筐体
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 基板
２ａ 壁部
２ｂ 流入側マニホールド
２ｃ 流出側マニホールド
２ｄ 嵌め込み溝
２ｆ、２ｈ フィン
３、３Ａ、３Ｂ 蓋体
３ａ 壁部
３ｂ 流入口
３ｃ 流出口
３ｄ 嵌め込み突起
３ｅ 天井面
３ｆ 流路狭窄用突起
３ｇ 溝
４ 流入管
５ 流出管

Claims (7)

1. 絶縁性の筐体と、
   前記筐体内で天井面から離間し、幅方向に間隔をおいて底面上に形成され、溝状のマイクロ流路を区画する絶縁性の複数のフィンと、
   前記複数のフィンの長手方向の途中を横切って前記複数のフィンの上端上に橋渡しされ、前記天井面から下に突出して形成される絶縁性の突起と、
   前記筐体内で前記複数のフィンの一端に繋がる流入側マニホールドと、
   前記筐体内で前記複数のフィンの他端に繋がる流出側マニホールドと、
   前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流入側マニホールドに繋がる熱交換流体流入口と、
   前記筐体の前記底面か前記天井面の少なくとも一方に形成されて前記流出側マニホールドに繋がる熱交換流体流出口と、
   前記底面の裏面に配置される熱交換対象物の配置面と、
   前記フィンと前記突起の内部を貫通し、前記熱交換対象物に接続されるビアと、
   を有することを特徴とするマイクロチャネル熱交換装置。
2. 前記突起の前面と後面は、前記天井面から前記フィンに向かって間隔が狭くなるテーパー面であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
3. 前記複数のフィンには、前記突起の下方で局所的に数が多く形成される短いフィンが含まれることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
4. 前記フィンと前記突起は嵌合により接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
5. 前記複数のフィン及び前記突起を有する前記筐体は、重ねて複数段で配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
6. 前記筐体の表面には配線が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のマイクロチャネル熱交換装置と、
   前記マイクロチャネル熱交換装置の前記熱交換対象物の前記配置面に接合される電子部品と、
   を有する電子機器。

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