JP5707884B2 - マイクロポンプ及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロポンプと、これを用いた半導体装置に関する。

マイクロポンプはダイアフラムの変形に追従して生じる流路の容積変化を利用して流路内の流体を搬送、送出するものである。メカニカルに駆動されるマイクロポンプでは、ダイアフラムに圧電材料が用いられるのが一般的である。マイクロポンプは、マイクロチャネルやインクジェットヘッドに適用されている他、ＣＰＵ等の発熱体の水冷システムにも適用が検討されている。

近年のＬＳＩの微細化・高集積による発熱量の増大に対しては、電源電圧の低減をはかる方向で発熱量を緩和する開発が進められてきた。しかし、低電圧で動作する回路ではトランジスタの閾値電圧を低く設定する必要があり、リーク電流を増大させてしまい、低電圧化による発熱量の低減は限界に達している。このような背景で、１cm2あたり100Wという原子炉に並ぶ極めて高密度な熱源であるＬＳＩを高効率に冷却できる低コストの冷却システムが望まれている。また、ＣＰＵなどの信号処理を行う半導体素子だけでなく、半導体レーザーや照明用発光ダイオードにおいても、同様に低コストの冷却システムが望まれている。

従来の空冷ファンに代わる高効率冷却の手段の一つに水冷システムがある。水冷システムではウォータジャケット（水枕）と呼ばれる密閉型ヒートシンクに冷媒（冷却水）を流して冷却を行う。冷媒の循環にはポンプが用いられる。しかし、ポンプの使用は、コスト面でもそれ自体の消費電力を要する点でも従来にない負担が付加されるため、導入が遅れている。また、水枕を微細化してウォータジャケットを作成すると、水路の圧力損が増えるためポンプが行う機械的仕事量の増加を招き、その結果消費電力を増大させるという欠点がある。ポンプの大型化はコスト増を招き、消費電力の増加は排出熱量の増加となる。

これらの理由から、有効な手段は補助ポンプの使用である。しかし、従来から用いられている圧電ダイアフラムによるポンプでは、ポンプに機械的な仕事を行わせるために電力の供給が必要である。しかし、圧電アクチュエータは動作電圧が高く、駆動回路における電気エネルギーを伴う。また、圧電体の変位量が小さいためポンプの流量を増やすのが困難である。

インク噴出装置の可撓性ダイアフラムにバイメタル積層体を用いる構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、弁の可撓部にバイメタルを用いて弁の開閉を行なうマイクロバルブも知られている（たとえば、特許文献２参照）。しかし、特許文献１では、バイメタル積層体を磁場の作用で湾曲させているため、バイメタル積層体上に複数の電極を直列に設けて電流を印加しなければならない。また、特許文献２では、ヒーターで加熱することによってバイメタルを熱変形させているので、電気エネルギーの供給が必要である。

特開昭５２−０５５５３４号公報 特開２０００-２６６２２３２号公報

上記課題に鑑みて、外部からの電気エネルギーの供給なしに自律的に動作するマイクロポンプと、これを利用した半導体装置を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、第１の側面では、マイクロポンプは、
熱源側に位置する高温側部材と、
放熱側に位置する低温側部材と、
前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
を備え、
前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段と、を含み、
前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせる。

第２の側面では、マイクロポンプを用いた半導体装置を提供する。半導体装置は、
上述した構成を有するマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
を含む。

上記の構成により、外部からの電気エネルギーの供給なしにマイクロポンプを自律的に動作させることが可能になる。冷却システムを内蔵する半導体装置にマイクロポンプを組み込む場合は、高い冷却効率を達成することができる。

実施例１のマイクロポンプの原理を説明するための概略構成図である。 図１のマイクロポンプの動作シーケンスを示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第１基板を用いた中間層の形成工程を示す図である。 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。 第２基板を用いた高温側部材の形成工程を示す図である。 第１基板と第２基板の積層加工の工程を示す図である。 第３基板を用いた低温側部材の形成工程を示す図である。 第３基板の第１基板への積層加工の工程を示す図である。 実施例で用いたバイメタルによるダイアフラムの変形シミュレーションの結果を示す図である。 図８Ａのデータに基づく変位分布図である。 バイメタルによるマイクロポンプの変形例１を示す図である。 バイメタルによるマイクロポンプの変形例２を示す図である。 バイメタルによるマイクロポンプの変形例３を示す図である。 バイメタルによるマイクロポンプを用いた半導体装置の概略構成図である。 実施例２のマイクロポンプの概略構成図である。 図１３のマイクロポンプの動作シーケンスを示す図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの中間層の形成工程図である。 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第２基板の積層工程図である。 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第３基板の積層工程図である。 実施例２のマイクロポンプの第１基板と第３基板の積層工程図である。

以下、図面を参照して、実施例によるマイクロポンプの構成、動作、及び製造方法を説明する。実施例を通して、マイクロポンプは、熱源側に設けられる高温側部材と放熱側に設けられる低温側部材の界面に位置する中間層に、流路内で変形・変位が可能なダイアフラムを有する。ダイアフラムの変形・変位は、バイメタルを利用し、高温側部材からの吸熱作用と低温側部材での放熱作用とにより自立的に行なわせる。バイメタルとは、熱膨張率の異なる二種以上の金属薄板を組み合わせたものであり、温度変化に応じて湾曲するようにしたものである。バイメタルを用いてダイアフラムを変形・変位させることにより、流路内の圧力が変化させて、マイクロポンプへの流体の流入、流出を実現する。

図１は、実施例１のバイメタルによるマイクロポンプ１０の基本的な原理を説明するための図である。実施例１では、ダイアフラム変位手段として、ダイアフラム３３自体をバイメタルで構成する。すなわち、ダイアフラムを構成するバイメタルがダイアフラム変位手段となる。

実施例１において、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、マイクロポンプ１０は、図示しない熱源側に位置する高温側部材２０と、放熱側に位置する低温側部材４０と、高温側部材２０と低温側部材の４０の間に位置する中間層３０とを有する。中間層３０は、バイメタルのダイアフラム３３と、インレット側のインバルブ３５及びアウトレット側のアウトバルブ３７を含む。中間層３０と低温側部材４０との間は、マイクロポンプ１０内の流路を構成するチャンバー４５及びバルブ室４２となっている。

高温側部材２０は、熱源と接するか又は熱源を含む。低温側部材４０は、冷却（放熱）部と接するか又は冷却（放熱）部を構成する。バイメタルによるダイアフラム３３は、変位前の第１位置と、熱変形により低温側部材４０と接触する第２位置との間を変位可能である。第１位置は、実施例１ではダイアフラム３３が高温側部材２０と接する初期位置に一致する。バイメタルのダイアフラム３３は、第１位置で高温側部材２０から熱を吸収することによって、チャンバー４５内を低温側部材４０に向かって張り出す方向に変形し、放熱部４１と接触する。低温側の放熱部４１と接触することによって熱を放出し、変形前の形状に復帰して第１位置に戻る。第１位置において、高温側部材２０と接して熱を吸収することによって、再び変形・変位する。ダイアフラム３３が熱変形による上記の動作を繰り返すことによって、インバルブ３５とアウトバルブ３７を駆動し、チャンバー４５内への流体の取り込みと、チャンバー４５からの流体の排出を行なう。

ダイアフラム３３は弾性体で構成され、線膨張率の異なる２種類以上の弾性体板で構成される。具体例として、ダイアフラム３３は、第１位置で高温側部材２０と直接接触する高い線膨張係数（高ＣＴＥ）を有する第１部材３１と、高温側部材２０と反対側の面に位置する低い線膨張係数（低ＣＴＥ）の第２部材３２を組み合わせたものである。第１部材（高ＣＴＥ部材）３１は、たとえば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｅ、又はこれらを含む合金である。第２部材（低ＣＴＥ部材）３２は、たとえば、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ、又はこれらを含む合金である。第１部材と第２部材のいずれか一方を半導体としてもよい。

ダイアフラム３３の周縁部は保持部材３８で保持されているので、受熱により変形する場合は、中央部分が低温側に向かって張り出すように変形する。ダイアフラム３３の位置変化に応じて、インバルブ３５とアウトバルブ３７は、ポンプ動作時に流体の取り込みと排出を行い、流体（冷媒）の逆流を阻止する。

高温側部材２０は、発熱体（図１では不図示）と接触して熱を受け取る受熱部２１と、受熱部２１で受けた熱をダイアフラムに伝える伝熱部２２を含む。伝熱部２２は、実施例１ではバイメタルのダイアフラム３３と高温側部材２０との接触、非接触を制御する接触調整手段として機能する。高温側部材２０と中間層３０は、断熱材５２を介して接続されている。同様に、中間層３０と低温側部材４０は断熱材５１を介して接続されている。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、図１のマイクロポンプ１０の動作シーケンスを示す図である。図１（Ｂ）の実線で描かれている状態、すなわち、ダイアフラム３３が変形することなく第１位置で高温側部材２０と接しており、インバルブ３５とアウトバルブ３７が閉じている状態を初期位置とする。

図２（Ａ）のように、高温側部材２０の受熱部２１上に、発熱体としてのＬＳＩ素子７０が置かれているとする。ＬＳＩ素子７０は、基板９０への接合面と反対側の面で高温側部材２０と接している。ＬＳＩ素子７０の動作により発生する熱は、受熱部２１及び伝熱部２２を介してバイメタルのダイアフラム３３に吸収される。これにより、中間層３０の温度が上昇し、ダイアフラム３３が低温側部材４０に向かって凹変形して、低温側部材４０と接触する第２位置へと変位する。ダイアフラム３３の変形により、チャンバー４５内の流路体積が減少して、アウトレット側での流体圧が上昇する。アウトバルブ３７が押し上げられて開放状態となり、流体が排出管５４へと排出される。このとき、インバルブ３５は閉じられている。

次に、図２（Ｂ）のように、バイメタルのダイアフラム３３が低温側部材４０の放熱部４１と接触することによって熱を放出し、高温側部材２０と接触する第１位置へと復帰する。これにより、チャンバー内の流路体積が増大し（回復し）、流体圧が低減する。インレット側のインバルブ３５が導入路３４内の流体圧により下方に開いて、チャンバー４５内に流体が流れ込む。このとき、アウトバルブ３７は閉じられた状態であり、チャンバー４５内を満たす流体によって低温側部材４０の放熱部４１が冷却される。初期位置に復帰したダイアフラム３３が高温側部材２０と接触して吸熱することで、マイクロポンプ１０は再び図２（Ａ）の状態へ移行し、以後、図２（Ａ）と図２（Ｂ）の動作を繰り返す。

図３Ａ〜図３Ｇは、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、中間層３０に用いる第１基板の加工工程を示す図である。実施例１では、ダイアフラム３３を構成するバイメタルの少なくとも一層に、半導体材料、たとえば単結晶シリコンを用いる。シリコンは半導体プロセスを用いて加工が容易であるばかりでなく、163W・mKと金属と遜色ない熱伝導率を有し、2.9ppm/Kの線拡張係数を有するため、マイクロポンプの構成材料に適している。また金属と表面で共晶するので、強力な接合が可能である。

まず、図３Ａに示すように、第１基板としてシリコン単結晶ウェーハ（適宜、「シリコン基板」と称する）６１を準備し、レジスト６２を塗布し、マスク１を用いてパターニング（露光・現像）する。次に、図３Ｂに示すように、レジスト６２をマスクとしてシリコン基板６１を１００μｍの深さにエッチングし、その後レジストを剥離、洗浄する。これにより、シリコン基板６１にフレーム状の突起６８が形成される。

次に、図３Ｃに示すようにレジスト６４を塗布し、ダイアフラム部を開口したマスク２を用いてレジスト６４をパターニングし、全面に膜厚約５０ｎｍのクロム膜６５をスパッタリングする。次に、図３Ｄに示すように、リフトオフ法によりクロム膜６５のパターニングを行なう。

次に、図３Ｅに示すように、メッキ用の１００μｍの厚膜レジスト６６を塗布し、マスク２を用いてクロム膜６５が露出する開口６７を形成する。次に、図３Ｆに示すように、電解メッキにより銅又はニッケルの層３１を１００μｍにメッキ成長する。この金属層３１は、バイメタルの高ＣＴＥ部材（第１部材）３１となる。その後、図３Ｇに示すようにメッキレジスト６６を除去する。フレーム状の突起６８は、図１でダイアフラム３３を保持する保持部３８となる。これにより、シリコン基板６１上で保持部３８に取り囲まれた領域に高ＣＴＥのＣｕ膜３１が形成された第１基板６０が出来上がる。

上述した中間層３０の形成はあくまでもひとつの例であり、バイメタルの低膨張側の層３２にシリコンを用いた場合に、高膨張側の層３１としてシリコンよりも線膨張率が数倍以上大きい任意の材料を用いることができる。高膨張側の層３１として、金属等、選択肢は多様であるが、マンガン、クロム、ニッケル、銅やこれらの合金が一般的である。半導体プロセスを用いる場合は、上述したようにエッチングやメッキが容易な銅やニッケルがよい。銅の熱伝導率は300W/mK、線膨張係数は145ppm/Kであり、単結晶シリコンと組み合わせることによって良好なバイメタルを作製することができる。なお、現在市販されているバイメタルの種類は現行JISC2530「電気用バイメタル板」に分類記載されている。この分類によれば、記号ＴＭ１に分類される材料では湾曲係数が20×10^-6/K前後の材料を容易に入手することができる。

図４Ａ〜図４Ｅは、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、高温側部材２０に用いる第２基板の加工工程を示す図である。まず、図４Ａに示すように、第２基板として第２のシリコン単結晶ウェーハ（適宜、「シリコン基板」と称する）２５を準備する。全面にレジスト２６を塗布し、マスク３を用いてレジスト２６をパターニングし、所定の箇所に開口２７を形成する。次に、図４Ｂに示すように、レジスト２６をマスクとして、ＤＲＩＥ法により、シリコン基板２５にインレット・アウトレット穴部２８を形成する。その後、レジスト２６を除去する。

次に、図４Ｃに示すように、シリコン基板２５の裏面、すなわちインレット・アウトレット穴部２８を形成したのと反対側の面にレジスト２９を塗布し、マスク４を用いてレジスト２９をパターニングし、ＤＲＩＥ法によりシリコン基板２５をエッチングしてリセス２３を形成する。リセス２３の平面形状は、中間層３０のダイアフラム３３とインバルブ３５及びアウトバルブ３７に対応する形状となっている。その後、レジスト２９を除去する。

次に、図４Ｄに示すように、シリコン基板２５の裏面側にレジスト７１を塗布し、マスク５を用いてレジスト７１をパターニングする。そして、図４Ｅに示すように、レジスト７１をマスクとして、ＤＲＩＥ法により、インレット・アウトレット穴部２８と連通するまでシリコン基板２５をエッチングして、高温側部材２０の受熱部２１、伝熱部（接触調整手段）２２、流体の導入路３４、排出路３６、及びハウジング２４を形成する。これにより高温側の第２基板５０が出来上がる。

図５は、中間層３０を構成する第１基板６０と、高温側の第２基板５０との積層加工の工程を示す図である。図５（ａ）に示すように、第２基板５０の裏面（伝熱部２２側）にエポキシ接着剤５２をディスペンス塗布し、その下面に第１基板６０を接合する。この場合、第２基板５０の受熱部２１に伝熱部（接触調整手段）２２を取り囲むようにディスペンスされたエポキシ接着材５２は、第１基板６０のフレーム状の突起、すなわち保持部３８に接合される。

次に、図５（ｂ）に示すように、接合した第１基板６０の裏面、すなわち高ＣＴＥ層としてのＣｕ層３１を形成した面と反対側の面を、シリコン基板６１が所望の厚さになるまで研削・研磨する。この例では、シリコン基板６１の厚さが１００μｍになるまで研削・研磨する。その後、研磨した裏面に図示しないレジストを塗布し、マスク６を用いてダイアフラム３３と、インバルブ３５及びアウトバルブ３７を形成する。レジストを除去して、マイクロポンプ１０の高温側部材２０と中間層３０が完成する。保持部３８の内側にあるシリコン基板は、ダイアフラム３３の低ＣＴＥ層（第２部材）３２となる。また、流体導入路３４に対応する部分のシリコン基板がインバルブ３５となり、流体排出路３６に対応する部分のシリコン基板がアウトバルブ３７となる。この段階で、ダイアフラム３３とインバルブ３５、アウトバルブ３７の裏面（研磨面）に、高分子保護膜を形成しておいてもよい。高温側部材２０と中間層３０とを接合するエポキシ接着材５２は、断熱材として機能する。インバルブ３５は、マイクロポンプ１０の動作時に導入路３４側に開かないように、ハウジング２４で係止されている。他方、アウトバルブ３７は、排出路３６側に開くように構成されている。

図６は、マイクロポンプ１０の製造プロセスの一部として、低温側部材４０に用いる第３基板の加工工程を示す図である。図６（ａ）に示すように、第３基板として第３のシリコン単結晶ウェーハ４１を準備する。全面に永久レジスト５１を塗布し、マスク７を用いて永久レジスト５１をパターニングして、所定の形状の空間５５を形成する。空間５５は、組み立て後のマイクロポンプ１０のチャンバー４５とバルブ室４２に相当する。空間５５を区画する永久レジスト５１は、マイクロポンプ１０のハウジング５１として機能するとともに、中間層４０と低温側部材４０との間の断熱材として機能する。永久レジスト５１は、たとえばエポキシ系樹脂、ポリイミド等である。次に、図６（ｂ）に示すように、パターニングした永久レジスト５１上の所定の箇所にエポキシ接着剤５６をディスペンス形成する。

図７は、図５で形成した第１基板６０と第２基板５０との積層体に、第３基板４１を接合する工程を示す図である。図７（ａ）に示すように、第３基板４１のエポキシ形接着剤５６上に第１基板６０の裏面を接合する。このとき、エポキシ接着剤５６は、アウトレット側のアウトバルブ３７に抵触しないように塗布されていなければならない。次に、図７（ｂ）に示すように、接合体をダイサーでチップ分離する。ダイシングの際には、流体導入路３４となる開口３４及び流体排出路３６となる開口３６を保護してチップ分離するのが望ましい。ことにより、マイクロポンプ１０の主要部が完成する。ダイアフラム３３と低温側部材４０の間に流路の一部となるチャンバー４５が形成され、インバルブ３５とアウトバルブ３７の下方に、流路の一部となるバルブ室４２が形成される。アウトバルブ３７は下方のバルブ室４２に向けて開かないように、ハウジング５１により係止されている。この状態での概略上面図が図７（ｃ）である。

マイクロポンプ１０の内面を、高分子保護膜（不図示）で保護してもよい。たとえば、マイクロポンプ１０の機密性を高め、リークを低減するために、ポリバラキシレン膜を気相蒸着重合法による成膜する。最後に、流体導入路３３と流体排出路３６に図示しない流入管５３と排出管５４（図１参照）を結合し、流体を封入することによってマイクロポンプが完成する。

図８Ａは、バイメタルによるダイアフラムの変形シミュレーションデータ、図８Ｂは図８Ａのデータに基づく変位分布図である。シミュレーションでは、上面側に高ＣＴＥ部材（第１部材）として膜厚１００μｍのＣｕを、下面側に低ＣＴＥ部材（第２部材）として膜厚１００μｍの単結晶シリコンを用い、２０ｍｍ×２０ｍｍのバイメタルダイアフラムとした。また、図１のように、ダイアフラム３３がフレーム（保持部）３８と一体形成されているものとした。５０℃の温度上昇を与えた場合、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、ダイアフラムの中央部が凹状に変形することがわかる。もっともこの場合、変位量はＺ軸方向に−４μｍと小さいので、マイクロポンプとして機能させる場合は、流路となるチャンバー４５の空間高さを４μｍとしなければならない。マイクロポンプにおけるバイメタルのより有効な適用例は、後述する実施例２で述べることとする。

図９は実施例１のマイクロポンプの変形例１、図１０はマイクロポンプの変形例２、図１１はマイクロポンプの変形例３を示す。図１のマイクロポンプ１と同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。図９のマイクロポンプ１１０Ａでは、インレット側の流入管５３と、アウトレット側の排出管５４を、低温側に設けている。この構成では、高温側部材２０の受熱部２１が流路に面しているので、高温側部材２０を直接冷却することができる。したがって、冷却効率を向上することができる。マイクロポンプ１１０Ａを作製する場合は、低温側部材４０となる基板４１に、マスク３（図４Ａ参照）を用いて開口を形成して流体導入路及び流体排出路を形成する。高温側部材２０からの熱によるダイアフラム３３の変位と、インバルブ３５及びアウトバルブ３７の開閉動作は、実施例１と同様である。

図１０のマイクロポンプ１１０Ｂは、図９の構成をさらに変形したものであり、低温側部材４０に冷却水路１２０が設けられている。冷却水路１２０はウォータジャケットとし機能する。半導体プロセスを用いてマイクロポンプとウォータジャケットを一体的に形成することができる。

図１１のマイクロポンプ１１０Ｃは、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７をバイメタルで形成したものである。アウトバルブ１３７において、高ＣＴＥ材（第１部材）と低ＣＴＥ材（第２部材）の積層を、ダイアフラム３３の積層と逆にする。図１１の構成によると、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７の動作を、チャンバー４５内の圧力変動のみに依存させるのではなく、より自律的なものにすることができるので、ダイアフラム３３は、その機械的な運動（変位）を、流体の輸送だけに割り振ることができる。このような効果は、インバルブ１３５とアウトバルブ１３７のいずれか一方だけをバイメタルで構成してもある程度達成することができる。

図１２は、マイクロポンプの使用形態の一例として、マイクロポンプを組み込んだ半導体装置１００を示す概略図である。半導体装置１００は、マイクロポンプ１１０Ａと、マイクロポンプ１１０Ａの高温側部材２０に接するＬＳＩ素子７０と、マイクロポンプ１１０Ａに接続されて流体を循環させる循環系８５とを含む。循環系８５は、配管８１と、熱交換器又はラジエター８２とを含む。循環系８５に主ポンプ８３を接続してもよい。この場合、マイクロポンプ１１０Ａは自律的に動作する補助ポンプとして機能する。また、循環系８５の一部として、低温側部材４０に接するウォータジャケット８０を配置するのが望ましい。

主ポンプ８３から排出された冷媒流体はウォータジャケット８０に入り、マイクロポンプ１１０Ａを通してＬＳＩ素子７０から伝達された熱量を受け取り、マイクロポンプ１１０Ａのインレットに入る。熱源とウォータジャケット８０の温度差を利用してマイクロポンプ１１０Ａが動作すると、アウトレットから流体が排出され、熱交換器８２をとおり主ポンプ８３に循環する。熱交換器８２は熱源から受け取った熱量を２次側冷媒に移動する装置であり、２次側冷媒が空気の場合はラジエターである。

近年のＬＳＩはエネルギー密度が100W/cm2を越え原子炉レベルに近づいている。さらに厄介なのは、省電力機能の発達により使用状況により発熱量が大きく変動することである。マイクロポンプ１１０Ａが無い場合、主ポンプ８３は、ウォータジャケット８０と往復の配管８１と熱交換器８２の間のすべての圧力損を加味して流体を加圧・循環しなければならず、高い圧力を生成する必要がある。また、主ポンプ８３からウォータジャケット８０への配管８１は高い陽圧となり、接続部に高度の信頼性を必要とする。流体の流量を制御して主ポンプ８３の消費電力を低減したり、排出する流体の温度を上げて熱交換器８２での交換率を稼ぐことは理論的には可能であるが、ウォータジャケット８０から熱源へ熱の逆流を伴うリスクが高く、高度なポンプ制御を必要とするため実現が困難である。

これに対し、図１２の構成では、マイクロポンプ１１０Ａのダイアフラムの自律的な動作により、ウォータジャケット８０から流体を吸い出す機能を果たすことができる。マイクロポンプ１１０Ａが動作しているときは、主ポンプ８３は主ポンプ８３からウォータジャケット８０までの流路と、ウォータジャケット８０の圧力損の一部をカバーする圧力だけを生成すればよい。このようにマイクロポンプ１１０Ａを補助ポンプとして機能させることによって、圧力の上昇点を全体に分散することができるため、流体の循環システムにとっても信頼性を向上する手段となる。

マイクロポンプ１１０Ａが動作していないときは、全流路の圧力損を主ポンプ８３がカバーする必要があり、概算では流量が１／２〜１／３程度に低下する。しかし、マイクロポンプ１１０Ａが動作していないというのは、熱源からの発熱が少なくことを意味するので、冷却の必要性が高くないことを意味する。したがって、冷却能力の低下は影響せず、むしろ望ましいともいえる。しかもマイクロポンプ１１０Ａでは熱源（ＬＳＩ素子７０）からウォータジャケット８０に向かって一方通行に熱が移動し逆流することはない。したがって、従来に比べてポンプの消費電力を低減することが可能である。

このように、半導体装置１００にマイクロポンプ１１０Ａを組み込むことにより、熱源のＬＳＩ素子７０において強い冷却が必要になると、マイクロポンプ１１０Ａの自律的な動作により自動的に冷却効率を上げることができる。マイクロポンプ１１０Ａを補助ポンプとして機能させることにより、主ポンプ８３の電力削減や低グレード化によるコストダウンが可能となる。また、冷却循環路内で最も大きな圧力損失を生ずるウォータジャケット８０の近傍にマイクロポンプ１１０Ａを置くことによって、水路配管の水圧を低下させて漏水事故に対してのリスクを軽減することができる。

図１２の例では、メイン回路基板９０にはんだバンプ７２を介して実装された単一のＬＳＩ素子７０のみを描いているが、半導体装置１００において、メイン回路基板９０上に複数のＬＳＩ素子７０を配置する構成とすることもできる。この場合は、各ＬＳＩ素子７０にマイクロポンプ１１０Ａを配置しつつ、熱交換器（又はラジエター）８２と主ポンプ８３を共用にすることができる。また、図１２の例ではマイクロポンプ１１０Ａを用いているが、半導体装置１００において、図１のマイクロポンプ１０や変形例２又は３のマイクロポンプ１１０Ｂ、１１０Ｃを同様の形態で使用できることは言うまでもない。

図１３は、実施例２のバイメタルによるマイクロポンプ２００の概略構成図、図１４はマイクロポンプ２００の動作を説明するための図である。実施例２では、ダイアフラム２３３と高温側部材２０との間に、バイメタルによる変位手段２５３を挿入する。図１３に示すように、変位手段２５３は、線膨張率の異なる２種類以上の弾性部材を含むバイメタルであり、高温側部材２０の伝熱部２２と直接接触する高ＣＴＥ材の第１部材２３１と、高温側部材と反対側に位置する低ＣＴＥ材の第２部材２３２を含む。変位手段２５３は、初期位置で高温側部材２０の伝熱部２２と接しているものとする。

マイクロポンプ２００は、図示しない熱源側に位置する高温側部材２０と、放熱側に位置する低温側部材４０と、高温側部材２０と低温側部材の４０の間に位置する中間層２３０とを有する。中間層２３０は、ダイアフラム２３３、ダイアフラムを変形させる変位手段２５３、インレット側のインバルブ２３５、及びアウトレット側のアウトバルブ２３７を含む。中間層２３０と低温側部材４０との間に、マイクロポンプ１０内の流路を構成するチャンバー４５及びバルブ室４２が設けられている。熱源は、たとえば高温側部材２０の受熱部２１上に搭載される電子部品等の発熱体（不図示）である。

ダイアフラム２３３は、変位手段２５３の動きに応じて、変位前の第１位置と、変位手段２５３に押圧されて低温側部材４０と接触する第２位置との間を変位する。すなわち、図１４（Ａ）に示すように、変位手段２５３が高温側部材２０の受熱部２１及び伝熱部２２を介して熱を吸収することにより、伝熱部２２から離れる方向（図面の下方）に湾曲する。これによりダイアフラム２３３は低温側部材４０に向かって押圧され、低温側部材４０と接触する第２位置へと変位する。ダイアフラム２３３の変位によりチャンバー４５内の体積が変化し、圧力上昇に伴ってアウトバルブ２３７が上方に開き、チャンバー４５内の流体が排出される。

変位手段２５３に吸収された熱は、ダイアフラム２３３を介して、低温側部材４０の放熱部４１から放出される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように変位手段２５３の湾曲が解消され、高温側部材２０と接触する初期位置へ復帰する。変位手段２５３の初期位置への復帰に伴って、押圧されていたダイアフラム２３３も第１位置へと復帰する。チャンバー内の体積も元の状態に回復し、内圧が減少する。インバルブ２３５が下側に開いて流体がチャンバー４５内に流入する。熱源、たとえば高温側部材２０の受熱部２１に搭載される発熱体（不図示）の存在により、図１４（Ａ）と図１４（Ｂ）の動作が自律的に繰り返され、マイクロポンプ２００の動作が継続する。

実施例２の構成では、バイメタルによる変位手段２５３は、片持ち梁構造に形成され、ダイアフラム２３３を第１位置から第２位置へ駆動するアクチュエータとして機能する。たとえば、ＴＭ１（KOSC2530による分類）相当のバイメタル材で、厚さ２００μｍ、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍのバイメタルを片持ち梁状に保持した場合、温度が５０℃上昇したときに、自由端の最大変位量は３００〜５００μｍとなる。実施例２では、後述するように平面形状が三角型の変位手段を複数組み合わせて配置する。

図１５Ａ〜図１５Ｆは、実施例２のマイクロポンプ２００の中間層２３０の形成工程を示す図である。まず、図１５Ａに示すように、中間層２３０を構成する第１基板として、ＳＯＩ基板２１０を用いる。ＳＯＩ基板は、シリコン基板２１１と表面シリコン（Ｓｉ）膜２１３との間に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）２１２を挿入した基板である。実施例では、シリコン酸化膜２１２は犠牲膜として用いられる。ＳＯＩ基板２１０上にレジスト２１４を塗布し、マスク１１を用いてレジスト２１４をパターニングする。次に、図１５Ｂに示すように、レジスト２１４をマスクとして、Ｓｉ膜２１３とＳｉＯ2膜２１２をエッチングし、エッチング終了後にレジスト２１４を除去する。

次に、図１５Ｃに示すように、全面にレジスト２１６を形成し、マスク１２を用いてレジスト２１６をパターニングする。パターニングにより、レジスト２１６に平面形状で４つの三角形を組み合わせた開口２１９が形成され、開口２１９内にＳｉ膜２１３が露出する。次に、図１５Ｄに示すように、全面に膜厚５０ｎｍのＣｒ膜２１７をスパッタし、リフトオフ法でＣｒ膜２１７をパターニングする。これにより、ＳＯＩ基板２１０の表面Ｓｉ膜２１３は、バイメタルの一方の側の層を構成する低ＣＴＥ部材（Ｓｉ膜）２３２となる。

次に、図１５Ｅに示すように、全面にめっきレジスト２２１を形成し、図１５Ｃで用いたマスク１２を用いてパターニングし、露出したＣｒ膜をシードとして、電解メッキによりＳｉ膜２３２上にＣｕ又はＮｉ膜２３１を形成する。次に、図１５Ｆに示すように、等方性エッチングによりＳｉＯ2犠牲膜２１２を除去して、片持ち梁構造のバイメタル変位手段２５３を形成する。この例では、四角形のダイアフラム２３３に合わせて、４つの三角形を組み合わせた片持ち梁状の変位手段２５３を構成しているが、ダイアフラム２３３やチャンバー４５を６角形、８角形、円形等にすることによって、６個、８個又はそれ以上の変位手段２５３を設ける構成としてもよい。いずれの場合も三角形の頂点部分でダイアフラムを押圧して低温側に変位させる。

図１６Ａは、変位手段２５３を形成した第１基板２６０と、高温側部材２０となる第２基板５０との積層加工の工程を示す図である。第２基板５０の作製方法は実施例１と同様であり、説明を省略する。第２基板５０の接合側の面にエポキシ接着層５２をディスペンス形成して、第１基板２６０上に接合する。

図１６Ｂ及び図１６Ｃは、第２基板を積層した第１基板に、低温側部材４０となる第３基板４１を積層する工程を示す図である。図１６Ｂに示すように、接合に先立ち、第２基板を積層したシリコン基板２１１の裏面を、ダイアフラム２３３と、インバルブ２３５及びアウトバルブ２３７に適した所望の厚さ、たとえば１００μｍの膜厚になるまで研削・研磨する。これにより、高温側部材２０、中間層２３０、及びハウジング２４を含む積層体が出来上がる。他方で、実施例１と同様にして第３基板４１上の所定の箇所で永久レジスト５１を加工した低温側部材４０を準備しておく。永久レジスト５１にエポキシ接着材５６を塗布しておく。

図１６Ｃに示すように、エポキシ接着材を介して、第３基板を第１基板と第２基板の積層体に接合することによって、高温側部材２０、中間層２３０、及び低温側部材４０を有するマイクロポンプ２００が完成する。中間層２３０は、ダイアフラム２３３、インバルブ２３５、アウトバルブ２３７、バイメタルの変位手段２５３を含み、中間層２３０と低温側部材４０の間にチャンバー４５が形成される。インレット側の開口３４とアウトレット側の開口３６に循環系を構成する配管（不図示）を接続し、流体を封入することでマイクロポンプ２００が完成する。

実施例２の構造では、ダイアフラム２３３の面積は２０ｍｍ×２０ｍｍであり、変位手段２５３を構成するバイメタルの熱容量は0.1uJ/K程度である。接触熱抵抗を含めた総熱抵抗が1K・Wであるとすると、温度変化の時定数はその積より、0.1us（マイクロ秒）となり、瞬時に吸熱あるいは放熱を完了することが可能である。実際の動作は流体の粘性抵抗によって制約を受けるが、仮に１００Ｈｚの動作を行うと、10ｍｌ/ｓの流量が得られることになり、数百Wの熱量を輸送できることが期待される。実際の使用形態では中間層２３０にある程度の熱容量を持たせるか、図示しないバイパス流路を形成して高温側の冷却を行うと、さらに効率的な冷却が可能となる。

以上説明したように、本発明のマイクロポンプは、バイメタ構造からなる変位手段の熱変形を動力とする。バイメタル構造の変位手段は、実施例１ではダイアフラム自体を構成するバイメタル、実施例２ではダイアフラムを押圧変形する変位手段である。中間層のバイメタルが高温側と接触することにより吸熱変形してダイアフラムを低温側に変位させる。低温側との接触により放熱することによって、ダイアフラム（及び変位手段）は、もとの位置に復帰する。このような構成により、外部からの電気エネルギーの供給や電圧印加なしに、マイクロポンプを自律的に動作させることが可能になる。マイクロポンプを冷却システム内蔵型の半導体装置の補助ポンプとして用いる場合は、強い冷却が必要になると自動的に冷却効率が上がる効率的な冷却構造を提供することができる。

なお、上述したようにダイアフラムやチャンバーの形状は矩形に限定されず、多角形、円形でもよい。また、変位手段となるバイメタルの作製は、シリコン基板上への金属膜の形成に限定されず、線膨張係数の異なる２種類の金属を張り合わせたものを用いてもよい。また、マイクロポンプの高温側部材、中間層、及び低温側部材を半導体プロセスで形成するかわりに、鋳型成形など任意の方法で作製してもよい。また、図１２に示す半導体装置に組み込まれるマイクロポンプとして、実施例２のマイクロポンプ２００を用いてもよい。

以上の説明に対して以下の付記を提示する。
（付記１）
熱源側に位置する高温側部材と、
放熱側に位置する低温側部材と、
前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
を備え、
前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段(31,32,253)と、を含み、
前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせることを特徴とするマイクロポンプ。
（付記２）
前記変位手段は、第１の線膨張係数を有して前記高温側部材側に位置する第１部材と、前記第１の線膨張係数よりも小さい第２の線膨張係数を有して前記高温側部材と反対側に位置する第２部材とを含むバイメタルであることを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
（付記３）
前記ダイアフラムは、前記第１位置において前記高温側部材と接していることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
（付記４）
前記変位手段は、前記ダイアフラムと前記高温側部材の間に配置される片持ち梁構造のバイメタルであることを特徴とする付記２に記載のマイクロポンプ。
（付記５）
前記片持ち梁構造のバイメタルは、前記高温側部材からの熱により湾曲して、前記ダイアフラムを前記低温側部材と接する前記第２の位置へ変位させることを特徴とする付記４に記載のマイクロポンプ
（付記６）
前記中間層は、前記チャンバーに前記流体を導入する流体導入路に位置する第１バルブと、前記チャンバーから前記流体を排出する流体排出路に位置する第２バルブをさらに含み、前記ダイアフラム、前記第１バルブ、及び前記第２バルブは一体形成されていること
いることを特徴とする付記１〜５のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記７）
前記ダイアフラムの前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は半導体であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記８）
前記ダイアフラムの前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方は金属であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記９）
前記ダイアフラムの第１部材は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｅ、Ｎｉ又はこれらを含む合金であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１０）
前記ダイアフラムの第２部材は、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｎｉ又はこれらを含む合金であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１１）
前記バイメタルの表面は高分子膜で保護されていることを特徴とする付記１〜１０のいずれか１に記載のマイクロポンプ。
（付記１２）
前記高温側部材は、前記熱源と接して熱を受け取る受熱部(21)と、前記受熱部で受け取った熱を前記変位手段へ伝えて前記変位手段との接触、非接触を制御する接触調整手段とを含むことを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
（付記１３）
前記低温側部材は、内部に流体が通るチャネルを有し、前記チャネル壁面から前記流体へ熱交換を行うことを特徴とする付記１に記載のマイクロポンプ。
（付記１４）
付記１〜６のいずれか１に記載のマイクロポンプと、
前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
を含む半導体装置。
（付記１５）
前記循環系に接続される主ポンプをさらに含むことを特徴とする付記１４に記載の半導体装置。
（付記１６）
前記循環系に接続され、前記マイクロポンプの低温側部材と接触するウォータジャケットをさらに含むことを特徴とする付記１４又は１５に記載の半導体装置。

任意の熱源を有する微細構造の循環チャネルに適用することができる。たとえば、微細な電子部品のための冷却システムに適用可能である。また、冷却システムを組み込んだ半導体装置に用いることができる。

１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、２００ マイクロポンプ
２０ 高温側部材
２１ 受熱部
２２ 伝熱部（接触調整手段）
２５、６１ シリコン基板
３０、２３０ 中間層
３１、２３１ バイメタルの第１部材（高ＣＴＥ部材）
３２、２３２ バイメタルの第２部材（低ＣＴＥ部材）
３３、２３３ ダイアフラム
３４ 流体導入路
３５、２３５ インバルブ
３６ 流体排出路
３７、２３７ アウトバルブ
３８ 保持部
４０ 低温側部材
４１ シリコン基板（第３基板）
５０ 第２基板
５１ 断熱材（永久レジスト）
５２ 断熱材（エポキシ接着剤）
６０ 第１基板
２５３ 変位手段

Claims (7)

1. 熱源である半導体素子との接触面を有する高温側部材と、
   放熱側に位置する低温側部材と、
   前記高温側部材と前記低温側部材の間に位置する中間層と、
   前記中間層と前記低温側部材の間で流路の一部を形成するチャンバーと、
   を備え、
   前記中間層は、ダイアフラムと、前記高温側部材からの吸熱及び前記低温側部材からの放熱により前記ダイアフラムを変位させる変位手段と、を含み、
   前記ダイアフラムは、変位前の第１位置と、前記変位により前記低温側部材と接する第２位置との間を変位することにより、前記チャンバー内への流体の取り込みと排出を行なわせることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 前記変位手段は、第１の線膨張係数を有して前記高温側部材側に位置する第１部材と、前記第１の線膨張係数よりも小さい第２の線膨張係数を有して前記高温側部材と反対側に位置する第２部材とを含むバイメタルであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記ダイアフラムは、前記第１位置において前記高温側部材と接していることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。
4. 前記変位手段は、前記ダイアフラムと前記高温側部材の間に配置される片持ち梁構造のバイメタルであることを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。
5. 前記中間層は、前記チャンバーに前記流体を導入する流体導入路に位置する第１バルブと、前記チャンバーから前記流体を排出する流体排出路に位置する第２バルブをさらに含み、前記ダイアフラム、前記第１バルブ、及び前記第２バルブは一体形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロポンプと、
   前記マイクロポンプの高温側部材に接触する半導体素子と、
   前記マイクロポンプに接続されて前記流体を循環させる循環系と
   を含む半導体装置。
7. 前記循環系に接続される主ポンプをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。