微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置制造方法
微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置制造方法
【专利摘要】与热源热性连接的微通道冷却器件的散热构件(22)具备具有微小截面的液体冷媒流路(24)。热电元件(10)设置在散热构件(22)上。热电元件(10)在与液体冷媒流路(24)的延伸方向平行的方向上延伸。
【专利说明】微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置
【技术领域】
[0001]本实施方式涉及微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置。
【背景技术】
[0002]近年，随着LSI (Large Scale Integration:大规模集成电路)等电子装置的微细化、高集成化，在电子装置动作时产生大量的热量。因此，提出有用于有效冷却电子装置的方案。例如，由于仅通过在LSI等电子装置上安装散热构件进行风冷不能够散发大量的热量，所以提出利用水冷式的冷却装置的方案。
[0003]作为水冷式的冷却装置，通常指被称为水冷套(water jacket)的在密闭式散热构件中流过冷媒(冷却水)来进行冷却的水冷装置。在水冷式的冷却装置中，尤其微通道冷却器件具有高冷却性能，因此有希望用于对LSI进行冷却。
[0004]另一方面，为了在电子装置中也实现节能，提出回收LSI等电子装置产生的热能用作电力的方案。为了将热能作为电力回收，大多使用热电元件。在LSI和散热构件之间配置热电元件，来将LSI和散热构件之间的温度差付与热电元件，这样热电元件进行发电。或者，提出如下的方案，即从作为发热部的LSI引出导热构件，来与热电元件的高温侧连接，将热电元件的低温侧与散热构件连接，来对热电元件付与温度差，由此使热电元件发电。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开2001-282396号公报
[0008]专利文献2 JP特开2003-269817号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的问题
[0010]为了利用以往的被称为水冷套的在密闭式散热构件中流过冷媒(冷却水)来进行冷却的水冷装置和作为发热部的电子部件之间的温度差，需要将热电元件的低温侧与散热构件热性连接(thermal connection,在接触或非接触的状态下,能够相互传递热量)，将高温侧与电子部件热性连接。若在散热构件和电子部件之间插入热电元件，则由于热电元件的热阻高，从而不能够高效地将电子部件的热量传递给散热构件，由此不能够高效地冷却电子部件。因此，由于设置热电元件所以电子部件的冷却变得不充分，这样电子部件有可能变为高温状态。
[0011]另外，在从作为发热部的电子部件引出导热构件来连接热电元件的高温侧的情况下，导热构件变为已经被冷却的电子部件的温度，导热构件的温度不会变得很高，从而不能够得到大的温度差。由于热电元件的发电量与被付与的温度差成正比，所以热电元件产生的电力变得很小，能量回收效率变低。
[0012]因此，以下说明的实施方式的目的在于提供一种在利用水冷式冷却装置对电子部件进行冷却的结构中，能够利用热电元件高效低进行热电转换的结构。[0013]用于解决问题的手段
[0014]通过实施方式提供一种微通道冷却器件，其具有:液冷散热构件，其具备液体冷媒流路，所述液体冷媒流路具有微小截面，且与热源热性连接；热电元件，其设置在所述液冷散热构件上，与所述液体冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
[0015]发明效果
[0016]根据上述方式，能够一边冷却热源，一边利用热电元件高效对热源的热量进行热电转换。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是表示微通道散热构件的一个例子的立体分解图。
[0018]图2是表示第一实施方式的微通道冷却器件的图，图2中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图2中的⑶是图2中的⑷的B-B线剖视图，图2中的(C)是图2中的(A)的C-C线的剖视图，图2中的(D)是图2中的(C)的D-D线的剖视图。
[0019]图3是表示第二实施方式的微通道冷却器件的图，图3中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图3中的⑶是图3中的⑷的B-B线剖视图，图3中的(C)是图3中的(A)的C-C线剖视图，图3中的(D)是图3中的(C)的D-D线剖视图。
[0020]图4是表示第三实施方式的微通道冷却器件的图，图4中的㈧是微通道冷却器件的俯视图，图4中的⑶是图4中的⑷的B-B线剖视图，图4中的(C)是图4中的(A)的C-C线剖视图，图4中的(D)是图4中的(C)的D-D线剖视图。
[0021]图5是表示第四实施方式的微通道冷却器件的图，图5中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图5中的⑶是图5中的㈧的B-B线剖视图，图5中的(C)是图5中的(A)的C-C线剖视图，图5中的(D)是图5中的(C)的D-D线剖视图。
[0022]图6是表示第五实施方式的微通道冷却器件的图，图6中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图6中的⑶是图6中的⑷的B-B线剖视图，图6中的(C)是图6中的(A)的C-C线的剖视图，图6中的(D)是图6中的(C)的D-D线的剖视图。
[0023]图7是表示第六实施方式的微通道冷却器件的图，图7中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图7中的⑶是图7中的⑷的B-B线剖视图，图7中的(C)是图7中的(A)的C-C线的剖视图，图7中的(D)是图7中的(C)的D-D线剖视图。
[0024]图8是表示图4所示的微通道冷却器件的制造工序的图。
[0025]图9是表示在个人电脑(PC)的CPU中使用微通道冷却器件的例子的图。
[0026]图10是表示在计算机系统中使用微通道冷却器件的例子的图。
【具体实施方式】
[0027]接着，参照【专利附图】
【附图说明】实施方式。
[0028]首先，说明在本发明的实施方式中使用的微通道散热构件。微通道散热构件大多用于LSI等电子部件的冷却装置。通过利用微通道散热构件，能够实现小型且冷却能力高的冷却装置。
[0029]图1是微通道散热构件的立体分解图。微通道散热构件是内部形成具有微小截面的液体冷媒流路(微通道)的散热构件。作为液体冷媒大多使用冷却水，以下，将液体冷媒流路称为冷却水流路。通过在冷却水流路中流动低温的液体冷媒(冷却水)，来冷却散热构件本身，由此能够冷却与散热构件连接的电子部件。通常，微通道散热构件的冷却水流路具有使雷诺数小于2000的截面形状以及截面尺寸。通过使雷诺数小于2000，能够使在冷却水流路中流动的冷却水的液流为层流(laminar flow)。通过使冷却水以层流的状态流动，能够使热量高效地从冷却水流路的内壁面向冷却水移动，与在现有的散热构件中使冷却水以紊流的状态流动的情况相比，能够大幅度提高冷却效率。
[0030]图1是表示微通道散热构件的一个例子的立体分解图。微通道散热构件I具有微通道部2、以覆盖的方式与微通道部2接合的罩部3。形成微通道部2以及罩部3的材料优选导热性良好且易于进行微细加工的材料，例如，使用作为半导体材料的硅。除了硅之外，例如还能够使用铜、铝等金属材料。
[0031]在微通道部2平行排列形成有多个槽部(通道)2a。各个槽部2a相当于冷却水流路。各个槽部2a具有使由槽部2a形成的冷却水流路的雷诺数小于2000的截面形状以及截面尺寸。作为这样的截面形状，图1所示的槽部2a的截面形状为纵向长的长方形，短边被设定为70 μ m,长边被设定为350 μ m。槽部2a的形状不限于长方形，另外，截面尺寸也不限于70 μ mX 350 μ m。只要雷诺数小于2000，槽部2a的截面形状、截面尺寸可以为任意值。使图1所示的槽部2a形成长方形截面是因为长方形截面的槽易于加工。
[0032]此外，若使冷却水流路的截面形状形成为纵向长的长方形，且作为液体冷媒流过冷却水，则在长方形的对角线的长度为500 μ m以下的情况下，能够使冷却水流路的雷诺数小于2000。
[0033]在此，通过模拟实验求得利用图1所示的微通道散热构件冷却电子部件时的微通道散热构件的温度分布。在模拟实验中，利用具有两个由槽部2a形成的冷却水流路的微通道散热构件。以下，还将微通道散热构件仅称为散热构件。设定如下条件，即，从散热构件的底面(连接有电子部件的面)传递lOOW/cm2的热量，从冷却水流路的一端侧(入口侧)，将24°C的冷却水以成为层流的流量向冷却水流路供给。冷却水流路的截面形状为纵向长的长方形，将短边设定为70 μ m,长边设定为350 μ m。另外,冷却水流路的长度为10mm。
[0034]根据模拟实验结果可知，在冷却水流路的入口侧的温度为24°C时，朝向相反端侧(出口侧)温度上升，在冷却水流路的相反端侧(出口侧)温度变为45°C。即，在散热构件中，冷却水的入口侧和出口侧的温度差变为20°C以上。这样的温度分布是以往的冷却水流路中的冷却水为紊流的散热构件所不能够得到的，是微通道散热构件特有的温度分布。
[0035]因此，考虑着眼于从微通道散热构件的温度分布得到的温度差，通过该温度差驱动热电元件进行发电。由于利用该温度差，所以能够将热电元件的延伸方向(高温侧电极和低温侧电极之间的部分的热电材料的延伸方向)配置为与微通道散热构件的冷却水流路的延伸方向平行。即，由于在散热构件本身产生低温部(冷却水入口侧)和高温部(冷却水出口侧)，所以为了利用该温度差，将热电元件安装在散热构件上。由此，不在散热构件和热源之间不插入热阻高的热电元件，从而能够发挥热电元件的功能，能够更高效地进行热电转换。
[0036]接着，说明第一实施方式的微通道冷却器件。图2是表示第一实施方式的微通道冷却器件20的图。图2中的(A)是微通道冷却器件20的俯视图，图2中的(B)是图2中的⑷的B-B线剖视图，图2中的(C)是图2中的⑷的C-C线剖视图，图2中的⑶是图2中的(C)的D-D线剖视图。
[0037]微通道冷却器件20为内置有热电元件10的设备，能够一边冷却作为热源的LSI等电子部件5，一边对来自电子部件5的热量的一部分进行热电转换，变换为电能并进行回收。
[0038]微通道冷却器件20具有发挥散热构件功能的器件主体22和在器件主体22的表面上形成的热电元件10。器件主体22优选例如由单晶硅等半导体制造材料形成，但是可以例如由铝、铜等金属材料形成，只要是导热性良好且易于进行微细加工的材料即可。如图2中的⑶以及图2中的(C)所示，器件主体22的底面22a与电子部件5热性连接，在电子部件5内产生的热量传递至器件主体22。
[0039]在用于形成散热构件的器件主体22的内部形成有多个冷却水流路24。冷却水流路24相互平行地延伸。各个冷却水流路24具有能够使在内部流动的冷却水形成为层流的截面形状和/或截面尺寸。即，各个冷却水流路24例如具有其短边为70 μ m且长边为350 μ m的纵向长的长方形截面，且雷诺数小于2000 (成为层流的条件)。
[0040]若向冷却水流路24的一端侧(入口侧)供给低温的冷却水，则冷却水以层流的状态在冷却水流路24内流动然后从相反端侧(出口侧)喷出。在冷却水于冷却水流路24中流动的期间，冷却水吸收热量，器件主体22被冷却。作为冷却水优选低粘度、比重轻、比热大的液体，最优选纯水。但是，若在纯水中混入杂质离子，则电阻降低或者在流路内壁会被腐食或产生微生物，因此通常使用混合有乙二醇等有机物的水溶液。为了避免在IT(Information Technology:信息技术)装置等中由于漏水引起短路、部件被腐食，优选使用氢氟醚(hydro fluoro ether)等氟类液体或娃油等娃类液体那样的具有高绝缘性的液体。或者，可以使用以乙醇为主成分的冷媒。
[0041]在器件主体22的上表面22b形成有热电兀件10。热电兀件10包括多个第一热电构件12、多个第二热电构件14以及将将它们电连接的电极16。第一热电构件12例如使用η型半导体材料，第二热电构件例如使用P型半导体材料。作为第一热电构件12的η型半导体材料通常使用η型的硅或其化合物、碲化铋(Bi2Te3)、含有锌(Zn)或钴(Co)的氧化物。作为第二热电构件14的P型半导体材料通常使用P型的硅或其化合物、铋锑碲(bismuth - antimony-tellurium) (BiSbTe)、含有钠(Na)的氧化物。作为电极16的材料通常使用金或铝。此外，虽然未图示，但是优选在器件主体22的表面形成氧化膜等薄的绝缘膜，然后在其上形成第一热电构件12、第二热电构件14以及电极16。
[0042]热电元件10的第一热电构件12以及第二热电构件14设置在器件主体22的上表面22b上，沿着与器件主体22内形成的冷却水流路24的延伸方向相同的方向延伸。使第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向为冷却水流路24的延伸方向，是因为在该方向上温度分布，产生温度差。但是，不需要使第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向完全与冷却水流路24的延伸方向平行，只要第一热电构件12以及第二热电构件14的高温侧的连接点和低温侧的连接点适当地配置在冷却水流路24的高温侧和低温侧，能够对热电元件10付与温度差即可。因此，在本说明书中，第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向与冷却水流路24的延伸方向平行(或者一致)并不意味着完全平行(一致)，意味着第一热电构件12以及第二热电构件14以能够对第一热电构件12以及第二热电构件14付与足够的温度差的程度，相对于冷却水流路24平行地延伸。[0043]使以上结构的微通道冷却器件20的底面22a与作为热源的电子部件5热性连接，若使冷却水从冷却水流路24的入口侧(低温侧)流入，则来自电子部件5的热量被冷却水吸收，电子部件5被冷却。此时，对热电元件10付与因沿着冷却水流路24的温度分布而产生的温度差，热电兀件10产生对应于温度差的电压。因此,从电子部件5散发的热量的一部分被热电元件10转换为电能并回收，从而能够再利用。
[0044]热电元件10没有设置在电子部件5和器件主体22之间，而配置在器件主体22的上表面22b侧，因此热电元件10不成为电子部件5和器件主体22之间的热阻。因此，能够将来自电子部件5的热量高效地传递给微通道冷却器件20，从而能够一边高效地冷却电子部件5，一边通过热电元件10将其热量的一部分转换为电能并进行回收。
[0045]接着，说明第二实施方式的微通道冷却器件。图3是表示第二实施方式的微通道冷却器件30的图。图3中的㈧是微通道冷却器件30的俯视图，图3中的⑶是图3中的⑷的B-B线剖视图，图3中的(C)是图3中的⑷的C-C线剖视图，图3中的⑶是图3中的(C)的D-D线剖视图。在图3中，在与图2所示的构成部件相同的部件标注相同的附图标记，省略其说明。
[0046]如图3中的⑶所示，微通道冷却器件30具有冷却水供给流路26和冷却水排出流路28，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0047]在微通道冷却器件30中，多个冷却水流路24设置在冷却水供给流路26和冷却水排出流路28之间。冷却水被供给至冷却水供给流路26，然后分配给多个冷却水流路24，在冷却水流路24中流动，然后进入冷却水排出流路28，从冷却水排出流路28排出。
[0048]接着，说明第三实施方式的微通道冷却器件。图4是表示第三实施方式的微通道冷却器件40的图。图4中的(A)是微通道冷却器件40的俯视图，图4中的(B)是图4中的㈧的B-B线的剖视图，图4中的(C)是图4中的㈧的C-C线的剖视图，图4中的(D)是图4中的(C)的D-D线的剖视图。在图4中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0049]如图4中的⑶以及图4中的(C)所示，在微通道冷却器件40中，第一热电构件12以及第二热电构件14埋入在器件主体22中，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0050]第一热电构件12以及第二热电构件14是在器件主体22的上表面22a形成槽或凹部然后在其中填充热电材料而形成的。形成第一热电构件12以及第二热电构件14的热电材料填充在槽或凹部中，由此能够增大第一热电构件12以及第二热电构件14的厚度，能够增大截面积。因此，能够减小第一热电构件12以及第二热电构件14的电阻，能够形成发电量大的热电元件。
[0051]接着，说明第四实施方式的微通道冷却器件。图5是表示第四实施方式的微通道冷却器件50的图。图5中的(A)是微通道冷却器件50的俯视图，图5中的(B)是图5中的㈧的B-B线剖视图，图5中的(C)是图5中的(A)的C-C线剖视图，图5中的⑶是图5中的(C)的D-D线剖视图。在图5中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0052]如图5中的⑶以及图5中的(C)所示，在微通道冷却器件50中，第一热电构件12以及第二热电构件14埋入在器件主体22中的冷却水流路24之间，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0053]为了形成将第一热电构件12以及第二热电构件14埋入冷却水流路24之间的结构，例如，将器件主体22分割为上下两层，在他们的一方或两方的面上形成冷却水流路24和用于填充第一热电构件12以及第二热电构件14的槽或凹部。然后，在将第一热电构件12以及第二热电构件14填充在槽或凹部之后，将分割的器件主体接合形成一体，由此构成第一热电构件12以及第二热电构件14被埋入冷却水流路24之间的结构。
[0054]在本实施方式中，第一热电构件12以及第二热电构件14配置为与冷却水流路24非常接近的状态，从而能够将在冷却水流路24产生的温度差直接付与热电元件10。另外，仅电极16配置在器件主体22上，由此形成第一热电构件12以及第二热电构件14被器件主体22覆盖保护的状态。
[0055]接着，说明第五实施方式的微通道冷却器件。图6是表示第五实施方式的微通道冷却器件60的图。图6中的(A)是微通道冷却器件60的俯视图，图6中的(B)是图6中的⑷的B-B线剖视图，图6中的(C)是图6中的⑷的C-C线剖视图，图6中的⑶是图6中的(C)的D-D线剖视图。在图6中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0056]微通道冷却器件60的冷却水流路一分为二，对应于此，第一热电构件12以及第二热电构件14也一分为二，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0057]如图6中的(D)所示，在器件主体22的中央形成有一条冷却水供给流路26，在冷却水供给流路26的两侧形成有冷却水排出流路28。各个冷却水流路24从冷却水供给流路26分叉且朝向相反方向，然后延伸至冷却水排出流路28。冷却水从冷却水供给流路26的左右两侧供给，在各个冷却水流路24中以层流的状态流动并进入两侧的冷却水排出流路28，然后从两侧的冷却水排出流路28排出。
[0058]若形成以上的冷却水的液流，则关于器件主体22的温度分布，中央的冷却水供给流路26的部分成为低温部分，两侧的冷却水排出流路28的部分成为高温部分。因此，为了符合该温度分布，热电元件10也一分为二。或者形成2个热电元件10。
[0059]如本实施方式所示，即使在冷却水流路分支的情况下，冷却水的供给侧也成为低温侧，排出侧成为高温侧，因此，只要以能够付与该温度差的方式适当配置热电元件10即可。
[0060]接着，说明第六实施方式的微通道冷却器件。图7是表示第六实施方式的微通道冷却器件70的图。图7中的(A)是微通道冷却器件70的俯视图，图7中的(B)是图7中的㈧的B-B线剖视图，图7中的(C)是图7中的(A)的C-C线剖视图，图7中的⑶是图7中的(C)的D-D线的剖视图。在图7中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0061]本实施方式的微通道冷却器件不是上述第一至第五实施方式的微通道冷却器件那样的与作为热源的电子部件5相独立的设备，而是组装在电子部件5内部的设备。电子部件5例如是LSI等半导体集成电路装置，是在硅等半导体材料的基板上形成半导体集成电路而成的。利用该半导体材料的基板，在其中形成冷却水流路，而且还形成热电元件。
[0062]半导体集成电路装置通常在硅等半导体材料的基板5a—侧的面(电路形成面5b)上形成集成电路，相反面(背面5c)为基板5a露出的面。上述的微通道冷却器件20?60与该背面5c热性连接，从电子部件传递热量。在本实施方式中，在该背面5c上直接形成热电元件10。例如，将图2所示的微通道冷却器件20的器件主体22作为电子部件5的基板5a，在基板5a的内部形成冷却水流路24，在背面5c形成热电元件10。
[0063]根据本实施方式，由于在作为热源的电子部件5的主体形成有冷却设备，所以能够直接冷却电子部件5，能够提高冷却效率。另外，由于热电元件10也组装在电子部件5的主体中，所以向热电元件10的导热损失少，能够有效地将热电元件10用于发电。另外，能够使电子部件5和微通道冷却器件组成的整体的厚度变小。
[0064]接着，以图4所示的微通道冷却器件40为例子说明微通道冷却器件的制造方法。图8是表示微通道冷却器件40的制造工序的图。
[0065]微通道冷却器件40是将热电元件形成部22a与流路形成部22b接合而形成的。
[0066]首先，例如在厚度200 μ m的单晶硅基板上形成抗蚀图案(图8中的(a))，将抗蚀图案作为掩膜进行深蚀刻(反应离子蚀刻:de印RIE)，来在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蚀图案(图8中(b))。接着，在硅基板的上表面(形成有槽的面)形成厚度0.1 μπι左右的氧化膜(SiO2膜)。
[0067]接着，将仅使形成有第二热电构件14的部分的槽或凹部露出的金属掩膜粘贴在娃基板上。接着，以规定的比率混合(blend)作为p型热电转换材料的粉末(powder),然后通过借助载气进行吹拂的气溶胶成膜法(aerosol film formation method),向开口的槽或凹部中埋入P型热电材料(图8中的(C))。除了气溶胶成膜法以外，例如还能够利用由水、有机成分形成的粘合剂将粉末粘接，通过热压法或纳米印刷法(nano-print)埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的P型热电材料固化，然后除去金属掩膜。固化的P型热电材料形成第二热电构件14。
[0068]接着，将仅形成有第一热电构件12的部分的槽或凹部露出的金属掩膜粘贴在娃基板上。然后，以规定的比率混合作为η型热电转换材料的粉末，然后通过气溶胶成膜法，向开口的槽或凹部中埋入η型热电材料(图8中的(d))。除了气溶胶成膜法以外，例如还能够利用由水、有机成分形成的粘合剂将粉末粘接，通过热压法或纳米印刷法埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的η型热电材料固化，然后除去金属掩膜。固化的η型热电材料形成第一热电构件12。
[0069]在以上的工序中，热电元件形成部22a的准备结束。另一方面，在热电元件形成部22a的准备之外，准备流路形成部22b。首先，例如在厚度525 μ m的单晶硅基板上形成抗蚀图案(图8中的(e))。接着，将抗蚀图案作为掩膜实施深蚀刻(反应离子蚀刻)，在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蚀图案(图8中的(f))。该槽或凹部相当于冷却水流路24。以上流路形成部22b的准备完成。由于热电元件形成部22a的准备和流路形成部22b的准备通过不同的工序进行，所以没有必要同时准备两者。
[0070]若热电元件形成部22a的准备和流路形成部22b的准备完成，则在流路形成部22b的形成有冷却水流路24的面上载置热电元件形成部22a，然后进行100°C的接合退火，来牢固地使它们进行接合(图8中的(g))。通过使热电元件形成部22a和流路形成部22b接合，来形成内部具有冷却水流路24的器件主体22。
[0071]接着，在热电元件形成部22a上形成含有50nm的钛(Ti)膜以及500nm的金(Au)膜等的金属膜，在其上形成抗蚀图案(图8中的(h))。该抗蚀图案为覆盖与电极16相当的部分的图案。然后，将抗蚀图案作为掩膜实施蚀刻，仅剩下与电极16相当的部分，来除去金属膜。最后除去抗蚀图案，形成微通道冷却器件40(图8中的(i))。
[0072]微通道冷却器件20、30、60、70都能够通过与上述的微通道冷却器件40的制造方法相同的制造方法制造。
[0073]上述第一至第六实施方式不仅能够单独发挥功能，还能够将这些特征进行适当组合使用。例如，图5所示的第四实施方式的热电构件配置在冷却水流路之间的结构还能够适用于图6所示的一分为二的冷却水流路中。
[0074]另外，上述的微通道冷却器件，借助利用塞贝克效应(Seebeck effect)的热电元件10将热量转换为电然后输出，但是相反通过向热电元件10中流入电流，热电元件10能够发挥帕尔贴元件的功能。因此，还能够向热电元件10供给适当的电流，利用帕尔贴效应，对冷却水流路的温度分布进行控制。
[0075]接着，说明微通道冷却器件的使用方式。图9是表示在个人电脑(PC)的CPU上使用上述微通道冷却器件40的例子的图。动作时发热的CPUllO安装在PC100的主电路板120上。在CPUllO的背面接合有微通道冷却器件40，进行热性连接。
[0076]在PC100中设置有向微通道冷却器件40供给冷却水的冷却水回路。冷却水回路具有用于将从微通道冷却器件40排出的温热的冷却水冷却的热交换器(散热器)130。热交换器130为风冷式热交换器，在热交换器130附近配置有电动风扇160。
[0077]通过泵150将储备箱(reserve tank) 140内的低温的冷却水供给给微通道冷却器件40的冷却水流路24。来自CPUllO的热量被在冷却水流路24流动的冷却水吸收，变温的冷却水从微通道冷却器件40排出，然后供给至热交换器130。因此，CPUllO被微通道冷却器件40冷却，能够维持在适当的温度。变温的冷却水被热交换器130冷却，再次成为低温的冷却水，返回储备箱140。
[0078]在以上的冷却工序中，在微通道冷却器件40中，在冷却水流动的方向(冷却水流路24的延伸方向)上产生温度差，该温度差被付与组装在微通道冷却器件40上的热电元件10。热电元件10借助该温度差发电。设置有将热电元件10的低温侧电极和高温侧电极与上述泵150电连接的电路170，热电元件10所产生的电力用于驱动泵150(或辅助驱动泵150)。
[0079]如上所述,通过热电元件10将CPUllO散发的热量转变为电能,通过该电力驱动泵150，因此能够按照CPUllO的运行效率(即，按照CPUllO的动作负载)驱动泵150。若CPUllO的运行效率变高,发热量增大,则热电元件10的发电量也增大,从而能够自动增大泵150供给冷却水的水量。
[0080]接着，说明微通道冷却器件的其他使用方式。图10是表示在以机架式服务器(rack server)为代表的大规模计算机系统中使用微通道冷却器件的例子的图。
[0081]图10中虚线包围的部分为服务器室200，在服务器室中配置有多个服务器210。服务器为形成为架状的装置，在各服务器210中容置有多个电路基板220。在各电路基板220上安装有CPU230，为了冷却CPU230，设置有微通道冷却器件240。微通道冷却器件240为上述微通道冷却器件20?70之一。
[0082]储存在储备箱(未图示)中的冷却水通过泵250供给至微通道冷却器件240。在微通道冷却器件240的冷却水流路中流动的冷却水供给至热交换器260，然后被冷却，返回储备箱进行循环。
[0083]热交换器260与在服务器室200内循环的冷媒之间进行热交换，来冷却向微通道冷却器件240供给的冷却水。即，在服务器室200内循环的冷媒被供给至各服务器210，在服务器210内从热交换器260吸收热量，然后供给至设置在服务器室200中的第二热交换器 300。
[0084]在此，热交换器260的结构与微通道冷却器件240相同。即，将微通道冷却器件240用作热交换器260。向热交换器260的冷却水流路中供给温热的冷却水，通过冷媒进行冷却，来变为低温的冷却水，然后从热交换器260排出。此时，冷却水流路的入口侧为高温部，出口侧为低温部，因此产生温度差。热交换器260的热电元件能够利用该温度差发电。
[0085]第二热交换器300在服务器210内从热交换器260吸收热量而温度变高的冷媒和从设置在服务器室200外部的冷却器400供给的低温的冷媒之间进行热交换，冷却从热交换器260排出的冷媒。变为低温的冷媒被泵310送出，供给至各服务器210。
[0086]在以上的冷却系统中，能够经由微通道冷却器件240以及第二热交换器300将CPU230产生的热量转移至服务器室200的外部(冷却器400)，能够抑制服务器室200内的温度上升。
[0087]另外，微通道冷却器件240的热电元件10产生的热电动势(thermoelectromotiveforce)以及热交换器260产生的热电动势能够表示CPU230的散热量(即冷却状态)。因此，只要利用微通道冷却器件240产生的电力以及热交换器260产生的电力驱动泵250以及泵310，就能够节约向这些泵供给的电力。
[0088]产业上的可利用性
[0089]本发明能够用于微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置。
[0090]附图标记说明
[0091]I微通道散热构件
[0092]2微通道部
[0093]2a槽部(通道)
[0094]3 罩部
[0095]5电子部件
[0096]10热电元件
[0097]12第一热电构件
[0098]14第二热电构件
[0099]16 电极
[0100]20、30、40、50、60、70 微通道冷却器件
[0101]22器件主体
[0102]22a 底面
[0103]22b上表面
[0104]24冷却水流路
[0105]26冷却水供给流路
[0106]28冷却水排出流路[0107]100个人电脑(PC)
[0108]110CPU
[0109]120主电路板
[0110]130热交换器
[0111]140储备箱
[0112]150泵
[0113]160电动风扇
[0114]170电路
[0115]200服务器室
[0116]210服务器
[0117]230CPU
[0118]240微通道冷却器件
[0119]250泵
[0120]260热交换器
[0121] 300第二热交换器
[0122]310泵
[0123]400冷却器
【权利要求】
1.一种微通道冷却器件，其特征在于， 具有: 散热构件，其具备液体冷媒流路，所述液体冷媒流路具有微小截面，且所述散热构件与热源热性连接； 热电元件，其设置在所述散热构件上，与所述液体冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
2.根据权利要求1所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件设置在相对于所述液体冷媒流路与热性连接所述热源的面相反的面上。
3.根据权利要求1所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件埋入所述散热构件的内部。
4.根据权利要求3所述的微通道冷却器件，其特征在于， 所述散热构件具有相互平行地延伸的多个所述液体冷媒通路， 所述热电元件配置在相邻的所述液体冷媒通路之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件为利用因不同种金属接合产生的塞贝克电动势进行发电的元件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述液体冷媒流路的雷诺数小于2000。
7.根据权利要求6所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述液体冷媒流路的截面为长方形，对角线的长度为500 μ m以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述散热构件由半导体材料形成。
9.根据权利要求8所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述散热构件由形成有半导体集成电路的半导体基板形成。
10.一种微通道冷却系统，其特征在于， 具有: 成为热源的电子部件； 与该电子部件热性连接的权利要求1至9中任一项所述的微通道冷却器件； 将通过所述微通道冷却器件产生的电力向冷却系统的电动驱动部供给的电路。
11.根据权利要求10所述的微通道冷却系统，其特征在于，所述电动驱动部包括将液体冷媒供给至所述微通道冷却器件的泵以及冷却扇，该冷却扇冷却用于对液体冷媒进行冷却的热交换器。
12.一种电子装置，其特征在于， 具有: 成为热源的电子部件， 与该电子部件热性连接的权利要求1至9中任一项所述的微通道冷却器件， 将液体冷媒向所述微通道冷却器件供给的泵； 将所述微通道冷却器件产生的电力供给至所述泵，来驱动所述泵。
【文档编号】H01L23/38GK103975431SQ201180074472
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2011年11月4日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】壶井修, 高马悟觉, 水野义博 申请人:富士通株式会社
【专利摘要】与热源热性连接的微通道冷却器件的散热构件(22)具备具有微小截面的液体冷媒流路(24)。热电元件(10)设置在散热构件(22)上。热电元件(10)在与液体冷媒流路(24)的延伸方向平行的方向上延伸。
【专利说明】微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置
【技术领域】
[0001]本实施方式涉及微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置。
【背景技术】
[0002]近年，随着LSI (Large Scale Integration:大规模集成电路)等电子装置的微细化、高集成化，在电子装置动作时产生大量的热量。因此，提出有用于有效冷却电子装置的方案。例如，由于仅通过在LSI等电子装置上安装散热构件进行风冷不能够散发大量的热量，所以提出利用水冷式的冷却装置的方案。
[0003]作为水冷式的冷却装置，通常指被称为水冷套(water jacket)的在密闭式散热构件中流过冷媒(冷却水)来进行冷却的水冷装置。在水冷式的冷却装置中，尤其微通道冷却器件具有高冷却性能，因此有希望用于对LSI进行冷却。
[0004]另一方面，为了在电子装置中也实现节能，提出回收LSI等电子装置产生的热能用作电力的方案。为了将热能作为电力回收，大多使用热电元件。在LSI和散热构件之间配置热电元件，来将LSI和散热构件之间的温度差付与热电元件，这样热电元件进行发电。或者，提出如下的方案，即从作为发热部的LSI引出导热构件，来与热电元件的高温侧连接，将热电元件的低温侧与散热构件连接，来对热电元件付与温度差，由此使热电元件发电。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献I JP特开2001-282396号公报
[0008]专利文献2 JP特开2003-269817号公报
【发明内容】
[0009]发明要解决的问题
[0010]为了利用以往的被称为水冷套的在密闭式散热构件中流过冷媒(冷却水)来进行冷却的水冷装置和作为发热部的电子部件之间的温度差，需要将热电元件的低温侧与散热构件热性连接(thermal connection,在接触或非接触的状态下,能够相互传递热量)，将高温侧与电子部件热性连接。若在散热构件和电子部件之间插入热电元件，则由于热电元件的热阻高，从而不能够高效地将电子部件的热量传递给散热构件，由此不能够高效地冷却电子部件。因此，由于设置热电元件所以电子部件的冷却变得不充分，这样电子部件有可能变为高温状态。
[0011]另外，在从作为发热部的电子部件引出导热构件来连接热电元件的高温侧的情况下，导热构件变为已经被冷却的电子部件的温度，导热构件的温度不会变得很高，从而不能够得到大的温度差。由于热电元件的发电量与被付与的温度差成正比，所以热电元件产生的电力变得很小，能量回收效率变低。
[0012]因此，以下说明的实施方式的目的在于提供一种在利用水冷式冷却装置对电子部件进行冷却的结构中，能够利用热电元件高效低进行热电转换的结构。[0013]用于解决问题的手段
[0014]通过实施方式提供一种微通道冷却器件，其具有:液冷散热构件，其具备液体冷媒流路，所述液体冷媒流路具有微小截面，且与热源热性连接；热电元件，其设置在所述液冷散热构件上，与所述液体冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
[0015]发明效果
[0016]根据上述方式，能够一边冷却热源，一边利用热电元件高效对热源的热量进行热电转换。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是表示微通道散热构件的一个例子的立体分解图。
[0018]图2是表示第一实施方式的微通道冷却器件的图，图2中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图2中的⑶是图2中的⑷的B-B线剖视图，图2中的(C)是图2中的(A)的C-C线的剖视图，图2中的(D)是图2中的(C)的D-D线的剖视图。
[0019]图3是表示第二实施方式的微通道冷却器件的图，图3中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图3中的⑶是图3中的⑷的B-B线剖视图，图3中的(C)是图3中的(A)的C-C线剖视图，图3中的(D)是图3中的(C)的D-D线剖视图。
[0020]图4是表示第三实施方式的微通道冷却器件的图，图4中的㈧是微通道冷却器件的俯视图，图4中的⑶是图4中的⑷的B-B线剖视图，图4中的(C)是图4中的(A)的C-C线剖视图，图4中的(D)是图4中的(C)的D-D线剖视图。
[0021]图5是表示第四实施方式的微通道冷却器件的图，图5中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图5中的⑶是图5中的㈧的B-B线剖视图，图5中的(C)是图5中的(A)的C-C线剖视图，图5中的(D)是图5中的(C)的D-D线剖视图。
[0022]图6是表示第五实施方式的微通道冷却器件的图，图6中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图6中的⑶是图6中的⑷的B-B线剖视图，图6中的(C)是图6中的(A)的C-C线的剖视图，图6中的(D)是图6中的(C)的D-D线的剖视图。
[0023]图7是表示第六实施方式的微通道冷却器件的图，图7中的(A)是微通道冷却器件的俯视图，图7中的⑶是图7中的⑷的B-B线剖视图，图7中的(C)是图7中的(A)的C-C线的剖视图，图7中的(D)是图7中的(C)的D-D线剖视图。
[0024]图8是表示图4所示的微通道冷却器件的制造工序的图。
[0025]图9是表示在个人电脑(PC)的CPU中使用微通道冷却器件的例子的图。
[0026]图10是表示在计算机系统中使用微通道冷却器件的例子的图。
【具体实施方式】
[0027]接着，参照【专利附图】
【附图说明】实施方式。
[0028]首先，说明在本发明的实施方式中使用的微通道散热构件。微通道散热构件大多用于LSI等电子部件的冷却装置。通过利用微通道散热构件，能够实现小型且冷却能力高的冷却装置。
[0029]图1是微通道散热构件的立体分解图。微通道散热构件是内部形成具有微小截面的液体冷媒流路(微通道)的散热构件。作为液体冷媒大多使用冷却水，以下，将液体冷媒流路称为冷却水流路。通过在冷却水流路中流动低温的液体冷媒(冷却水)，来冷却散热构件本身，由此能够冷却与散热构件连接的电子部件。通常，微通道散热构件的冷却水流路具有使雷诺数小于2000的截面形状以及截面尺寸。通过使雷诺数小于2000，能够使在冷却水流路中流动的冷却水的液流为层流(laminar flow)。通过使冷却水以层流的状态流动，能够使热量高效地从冷却水流路的内壁面向冷却水移动，与在现有的散热构件中使冷却水以紊流的状态流动的情况相比，能够大幅度提高冷却效率。
[0030]图1是表示微通道散热构件的一个例子的立体分解图。微通道散热构件I具有微通道部2、以覆盖的方式与微通道部2接合的罩部3。形成微通道部2以及罩部3的材料优选导热性良好且易于进行微细加工的材料，例如，使用作为半导体材料的硅。除了硅之外，例如还能够使用铜、铝等金属材料。
[0031]在微通道部2平行排列形成有多个槽部(通道)2a。各个槽部2a相当于冷却水流路。各个槽部2a具有使由槽部2a形成的冷却水流路的雷诺数小于2000的截面形状以及截面尺寸。作为这样的截面形状，图1所示的槽部2a的截面形状为纵向长的长方形，短边被设定为70 μ m,长边被设定为350 μ m。槽部2a的形状不限于长方形，另外，截面尺寸也不限于70 μ mX 350 μ m。只要雷诺数小于2000，槽部2a的截面形状、截面尺寸可以为任意值。使图1所示的槽部2a形成长方形截面是因为长方形截面的槽易于加工。
[0032]此外，若使冷却水流路的截面形状形成为纵向长的长方形，且作为液体冷媒流过冷却水，则在长方形的对角线的长度为500 μ m以下的情况下，能够使冷却水流路的雷诺数小于2000。
[0033]在此，通过模拟实验求得利用图1所示的微通道散热构件冷却电子部件时的微通道散热构件的温度分布。在模拟实验中，利用具有两个由槽部2a形成的冷却水流路的微通道散热构件。以下，还将微通道散热构件仅称为散热构件。设定如下条件，即，从散热构件的底面(连接有电子部件的面)传递lOOW/cm2的热量，从冷却水流路的一端侧(入口侧)，将24°C的冷却水以成为层流的流量向冷却水流路供给。冷却水流路的截面形状为纵向长的长方形，将短边设定为70 μ m,长边设定为350 μ m。另外,冷却水流路的长度为10mm。
[0034]根据模拟实验结果可知，在冷却水流路的入口侧的温度为24°C时，朝向相反端侧(出口侧)温度上升，在冷却水流路的相反端侧(出口侧)温度变为45°C。即，在散热构件中，冷却水的入口侧和出口侧的温度差变为20°C以上。这样的温度分布是以往的冷却水流路中的冷却水为紊流的散热构件所不能够得到的，是微通道散热构件特有的温度分布。
[0035]因此，考虑着眼于从微通道散热构件的温度分布得到的温度差，通过该温度差驱动热电元件进行发电。由于利用该温度差，所以能够将热电元件的延伸方向(高温侧电极和低温侧电极之间的部分的热电材料的延伸方向)配置为与微通道散热构件的冷却水流路的延伸方向平行。即，由于在散热构件本身产生低温部(冷却水入口侧)和高温部(冷却水出口侧)，所以为了利用该温度差，将热电元件安装在散热构件上。由此，不在散热构件和热源之间不插入热阻高的热电元件，从而能够发挥热电元件的功能，能够更高效地进行热电转换。
[0036]接着，说明第一实施方式的微通道冷却器件。图2是表示第一实施方式的微通道冷却器件20的图。图2中的(A)是微通道冷却器件20的俯视图，图2中的(B)是图2中的⑷的B-B线剖视图，图2中的(C)是图2中的⑷的C-C线剖视图，图2中的⑶是图2中的(C)的D-D线剖视图。
[0037]微通道冷却器件20为内置有热电元件10的设备，能够一边冷却作为热源的LSI等电子部件5，一边对来自电子部件5的热量的一部分进行热电转换，变换为电能并进行回收。
[0038]微通道冷却器件20具有发挥散热构件功能的器件主体22和在器件主体22的表面上形成的热电元件10。器件主体22优选例如由单晶硅等半导体制造材料形成，但是可以例如由铝、铜等金属材料形成，只要是导热性良好且易于进行微细加工的材料即可。如图2中的⑶以及图2中的(C)所示，器件主体22的底面22a与电子部件5热性连接，在电子部件5内产生的热量传递至器件主体22。
[0039]在用于形成散热构件的器件主体22的内部形成有多个冷却水流路24。冷却水流路24相互平行地延伸。各个冷却水流路24具有能够使在内部流动的冷却水形成为层流的截面形状和/或截面尺寸。即，各个冷却水流路24例如具有其短边为70 μ m且长边为350 μ m的纵向长的长方形截面，且雷诺数小于2000 (成为层流的条件)。
[0040]若向冷却水流路24的一端侧(入口侧)供给低温的冷却水，则冷却水以层流的状态在冷却水流路24内流动然后从相反端侧(出口侧)喷出。在冷却水于冷却水流路24中流动的期间，冷却水吸收热量，器件主体22被冷却。作为冷却水优选低粘度、比重轻、比热大的液体，最优选纯水。但是，若在纯水中混入杂质离子，则电阻降低或者在流路内壁会被腐食或产生微生物，因此通常使用混合有乙二醇等有机物的水溶液。为了避免在IT(Information Technology:信息技术)装置等中由于漏水引起短路、部件被腐食，优选使用氢氟醚(hydro fluoro ether)等氟类液体或娃油等娃类液体那样的具有高绝缘性的液体。或者，可以使用以乙醇为主成分的冷媒。
[0041]在器件主体22的上表面22b形成有热电兀件10。热电兀件10包括多个第一热电构件12、多个第二热电构件14以及将将它们电连接的电极16。第一热电构件12例如使用η型半导体材料，第二热电构件例如使用P型半导体材料。作为第一热电构件12的η型半导体材料通常使用η型的硅或其化合物、碲化铋(Bi2Te3)、含有锌(Zn)或钴(Co)的氧化物。作为第二热电构件14的P型半导体材料通常使用P型的硅或其化合物、铋锑碲(bismuth - antimony-tellurium) (BiSbTe)、含有钠(Na)的氧化物。作为电极16的材料通常使用金或铝。此外，虽然未图示，但是优选在器件主体22的表面形成氧化膜等薄的绝缘膜，然后在其上形成第一热电构件12、第二热电构件14以及电极16。
[0042]热电元件10的第一热电构件12以及第二热电构件14设置在器件主体22的上表面22b上，沿着与器件主体22内形成的冷却水流路24的延伸方向相同的方向延伸。使第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向为冷却水流路24的延伸方向，是因为在该方向上温度分布，产生温度差。但是，不需要使第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向完全与冷却水流路24的延伸方向平行，只要第一热电构件12以及第二热电构件14的高温侧的连接点和低温侧的连接点适当地配置在冷却水流路24的高温侧和低温侧，能够对热电元件10付与温度差即可。因此，在本说明书中，第一热电构件12以及第二热电构件14的延伸方向与冷却水流路24的延伸方向平行(或者一致)并不意味着完全平行(一致)，意味着第一热电构件12以及第二热电构件14以能够对第一热电构件12以及第二热电构件14付与足够的温度差的程度，相对于冷却水流路24平行地延伸。[0043]使以上结构的微通道冷却器件20的底面22a与作为热源的电子部件5热性连接，若使冷却水从冷却水流路24的入口侧(低温侧)流入，则来自电子部件5的热量被冷却水吸收，电子部件5被冷却。此时，对热电元件10付与因沿着冷却水流路24的温度分布而产生的温度差，热电兀件10产生对应于温度差的电压。因此,从电子部件5散发的热量的一部分被热电元件10转换为电能并回收，从而能够再利用。
[0044]热电元件10没有设置在电子部件5和器件主体22之间，而配置在器件主体22的上表面22b侧，因此热电元件10不成为电子部件5和器件主体22之间的热阻。因此，能够将来自电子部件5的热量高效地传递给微通道冷却器件20，从而能够一边高效地冷却电子部件5，一边通过热电元件10将其热量的一部分转换为电能并进行回收。
[0045]接着，说明第二实施方式的微通道冷却器件。图3是表示第二实施方式的微通道冷却器件30的图。图3中的㈧是微通道冷却器件30的俯视图，图3中的⑶是图3中的⑷的B-B线剖视图，图3中的(C)是图3中的⑷的C-C线剖视图，图3中的⑶是图3中的(C)的D-D线剖视图。在图3中，在与图2所示的构成部件相同的部件标注相同的附图标记，省略其说明。
[0046]如图3中的⑶所示，微通道冷却器件30具有冷却水供给流路26和冷却水排出流路28，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0047]在微通道冷却器件30中，多个冷却水流路24设置在冷却水供给流路26和冷却水排出流路28之间。冷却水被供给至冷却水供给流路26，然后分配给多个冷却水流路24，在冷却水流路24中流动，然后进入冷却水排出流路28，从冷却水排出流路28排出。
[0048]接着，说明第三实施方式的微通道冷却器件。图4是表示第三实施方式的微通道冷却器件40的图。图4中的(A)是微通道冷却器件40的俯视图，图4中的(B)是图4中的㈧的B-B线的剖视图，图4中的(C)是图4中的㈧的C-C线的剖视图，图4中的(D)是图4中的(C)的D-D线的剖视图。在图4中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0049]如图4中的⑶以及图4中的(C)所示，在微通道冷却器件40中，第一热电构件12以及第二热电构件14埋入在器件主体22中，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0050]第一热电构件12以及第二热电构件14是在器件主体22的上表面22a形成槽或凹部然后在其中填充热电材料而形成的。形成第一热电构件12以及第二热电构件14的热电材料填充在槽或凹部中，由此能够增大第一热电构件12以及第二热电构件14的厚度，能够增大截面积。因此，能够减小第一热电构件12以及第二热电构件14的电阻，能够形成发电量大的热电元件。
[0051]接着，说明第四实施方式的微通道冷却器件。图5是表示第四实施方式的微通道冷却器件50的图。图5中的(A)是微通道冷却器件50的俯视图，图5中的(B)是图5中的㈧的B-B线剖视图，图5中的(C)是图5中的(A)的C-C线剖视图，图5中的⑶是图5中的(C)的D-D线剖视图。在图5中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0052]如图5中的⑶以及图5中的(C)所示，在微通道冷却器件50中，第一热电构件12以及第二热电构件14埋入在器件主体22中的冷却水流路24之间，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0053]为了形成将第一热电构件12以及第二热电构件14埋入冷却水流路24之间的结构，例如，将器件主体22分割为上下两层，在他们的一方或两方的面上形成冷却水流路24和用于填充第一热电构件12以及第二热电构件14的槽或凹部。然后，在将第一热电构件12以及第二热电构件14填充在槽或凹部之后，将分割的器件主体接合形成一体，由此构成第一热电构件12以及第二热电构件14被埋入冷却水流路24之间的结构。
[0054]在本实施方式中，第一热电构件12以及第二热电构件14配置为与冷却水流路24非常接近的状态，从而能够将在冷却水流路24产生的温度差直接付与热电元件10。另外，仅电极16配置在器件主体22上，由此形成第一热电构件12以及第二热电构件14被器件主体22覆盖保护的状态。
[0055]接着，说明第五实施方式的微通道冷却器件。图6是表示第五实施方式的微通道冷却器件60的图。图6中的(A)是微通道冷却器件60的俯视图，图6中的(B)是图6中的⑷的B-B线剖视图，图6中的(C)是图6中的⑷的C-C线剖视图，图6中的⑶是图6中的(C)的D-D线剖视图。在图6中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0056]微通道冷却器件60的冷却水流路一分为二，对应于此，第一热电构件12以及第二热电构件14也一分为二，这一点与微通道冷却器件20不同，其它部分的结构与微通道冷却器件20相同。
[0057]如图6中的(D)所示，在器件主体22的中央形成有一条冷却水供给流路26，在冷却水供给流路26的两侧形成有冷却水排出流路28。各个冷却水流路24从冷却水供给流路26分叉且朝向相反方向，然后延伸至冷却水排出流路28。冷却水从冷却水供给流路26的左右两侧供给，在各个冷却水流路24中以层流的状态流动并进入两侧的冷却水排出流路28，然后从两侧的冷却水排出流路28排出。
[0058]若形成以上的冷却水的液流，则关于器件主体22的温度分布，中央的冷却水供给流路26的部分成为低温部分，两侧的冷却水排出流路28的部分成为高温部分。因此，为了符合该温度分布，热电元件10也一分为二。或者形成2个热电元件10。
[0059]如本实施方式所示，即使在冷却水流路分支的情况下，冷却水的供给侧也成为低温侧，排出侧成为高温侧，因此，只要以能够付与该温度差的方式适当配置热电元件10即可。
[0060]接着，说明第六实施方式的微通道冷却器件。图7是表示第六实施方式的微通道冷却器件70的图。图7中的(A)是微通道冷却器件70的俯视图，图7中的(B)是图7中的㈧的B-B线剖视图，图7中的(C)是图7中的(A)的C-C线剖视图，图7中的⑶是图7中的(C)的D-D线的剖视图。在图7中，在与图2所示的构成部件相同的部件上标注相同的附图标记，省略其说明。
[0061]本实施方式的微通道冷却器件不是上述第一至第五实施方式的微通道冷却器件那样的与作为热源的电子部件5相独立的设备，而是组装在电子部件5内部的设备。电子部件5例如是LSI等半导体集成电路装置，是在硅等半导体材料的基板上形成半导体集成电路而成的。利用该半导体材料的基板，在其中形成冷却水流路，而且还形成热电元件。
[0062]半导体集成电路装置通常在硅等半导体材料的基板5a—侧的面(电路形成面5b)上形成集成电路，相反面(背面5c)为基板5a露出的面。上述的微通道冷却器件20?60与该背面5c热性连接，从电子部件传递热量。在本实施方式中，在该背面5c上直接形成热电元件10。例如，将图2所示的微通道冷却器件20的器件主体22作为电子部件5的基板5a，在基板5a的内部形成冷却水流路24，在背面5c形成热电元件10。
[0063]根据本实施方式，由于在作为热源的电子部件5的主体形成有冷却设备，所以能够直接冷却电子部件5，能够提高冷却效率。另外，由于热电元件10也组装在电子部件5的主体中，所以向热电元件10的导热损失少，能够有效地将热电元件10用于发电。另外，能够使电子部件5和微通道冷却器件组成的整体的厚度变小。
[0064]接着，以图4所示的微通道冷却器件40为例子说明微通道冷却器件的制造方法。图8是表示微通道冷却器件40的制造工序的图。
[0065]微通道冷却器件40是将热电元件形成部22a与流路形成部22b接合而形成的。
[0066]首先，例如在厚度200 μ m的单晶硅基板上形成抗蚀图案(图8中的(a))，将抗蚀图案作为掩膜进行深蚀刻(反应离子蚀刻:de印RIE)，来在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蚀图案(图8中(b))。接着，在硅基板的上表面(形成有槽的面)形成厚度0.1 μπι左右的氧化膜(SiO2膜)。
[0067]接着，将仅使形成有第二热电构件14的部分的槽或凹部露出的金属掩膜粘贴在娃基板上。接着，以规定的比率混合(blend)作为p型热电转换材料的粉末(powder),然后通过借助载气进行吹拂的气溶胶成膜法(aerosol film formation method),向开口的槽或凹部中埋入P型热电材料(图8中的(C))。除了气溶胶成膜法以外，例如还能够利用由水、有机成分形成的粘合剂将粉末粘接，通过热压法或纳米印刷法(nano-print)埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的P型热电材料固化，然后除去金属掩膜。固化的P型热电材料形成第二热电构件14。
[0068]接着，将仅形成有第一热电构件12的部分的槽或凹部露出的金属掩膜粘贴在娃基板上。然后，以规定的比率混合作为η型热电转换材料的粉末，然后通过气溶胶成膜法，向开口的槽或凹部中埋入η型热电材料(图8中的(d))。除了气溶胶成膜法以外，例如还能够利用由水、有机成分形成的粘合剂将粉末粘接，通过热压法或纳米印刷法埋入槽或凹部中。使埋入槽或凹部中的η型热电材料固化，然后除去金属掩膜。固化的η型热电材料形成第一热电构件12。
[0069]在以上的工序中，热电元件形成部22a的准备结束。另一方面，在热电元件形成部22a的准备之外，准备流路形成部22b。首先，例如在厚度525 μ m的单晶硅基板上形成抗蚀图案(图8中的(e))。接着，将抗蚀图案作为掩膜实施深蚀刻(反应离子蚀刻)，在硅基板上形成槽或凹部，然后除去抗蚀图案(图8中的(f))。该槽或凹部相当于冷却水流路24。以上流路形成部22b的准备完成。由于热电元件形成部22a的准备和流路形成部22b的准备通过不同的工序进行，所以没有必要同时准备两者。
[0070]若热电元件形成部22a的准备和流路形成部22b的准备完成，则在流路形成部22b的形成有冷却水流路24的面上载置热电元件形成部22a，然后进行100°C的接合退火，来牢固地使它们进行接合(图8中的(g))。通过使热电元件形成部22a和流路形成部22b接合，来形成内部具有冷却水流路24的器件主体22。
[0071]接着，在热电元件形成部22a上形成含有50nm的钛(Ti)膜以及500nm的金(Au)膜等的金属膜，在其上形成抗蚀图案(图8中的(h))。该抗蚀图案为覆盖与电极16相当的部分的图案。然后，将抗蚀图案作为掩膜实施蚀刻，仅剩下与电极16相当的部分，来除去金属膜。最后除去抗蚀图案，形成微通道冷却器件40(图8中的(i))。
[0072]微通道冷却器件20、30、60、70都能够通过与上述的微通道冷却器件40的制造方法相同的制造方法制造。
[0073]上述第一至第六实施方式不仅能够单独发挥功能，还能够将这些特征进行适当组合使用。例如，图5所示的第四实施方式的热电构件配置在冷却水流路之间的结构还能够适用于图6所示的一分为二的冷却水流路中。
[0074]另外，上述的微通道冷却器件，借助利用塞贝克效应(Seebeck effect)的热电元件10将热量转换为电然后输出，但是相反通过向热电元件10中流入电流，热电元件10能够发挥帕尔贴元件的功能。因此，还能够向热电元件10供给适当的电流，利用帕尔贴效应，对冷却水流路的温度分布进行控制。
[0075]接着，说明微通道冷却器件的使用方式。图9是表示在个人电脑(PC)的CPU上使用上述微通道冷却器件40的例子的图。动作时发热的CPUllO安装在PC100的主电路板120上。在CPUllO的背面接合有微通道冷却器件40，进行热性连接。
[0076]在PC100中设置有向微通道冷却器件40供给冷却水的冷却水回路。冷却水回路具有用于将从微通道冷却器件40排出的温热的冷却水冷却的热交换器(散热器)130。热交换器130为风冷式热交换器，在热交换器130附近配置有电动风扇160。
[0077]通过泵150将储备箱(reserve tank) 140内的低温的冷却水供给给微通道冷却器件40的冷却水流路24。来自CPUllO的热量被在冷却水流路24流动的冷却水吸收，变温的冷却水从微通道冷却器件40排出，然后供给至热交换器130。因此，CPUllO被微通道冷却器件40冷却，能够维持在适当的温度。变温的冷却水被热交换器130冷却，再次成为低温的冷却水，返回储备箱140。
[0078]在以上的冷却工序中，在微通道冷却器件40中，在冷却水流动的方向(冷却水流路24的延伸方向)上产生温度差，该温度差被付与组装在微通道冷却器件40上的热电元件10。热电元件10借助该温度差发电。设置有将热电元件10的低温侧电极和高温侧电极与上述泵150电连接的电路170，热电元件10所产生的电力用于驱动泵150(或辅助驱动泵150)。
[0079]如上所述,通过热电元件10将CPUllO散发的热量转变为电能,通过该电力驱动泵150，因此能够按照CPUllO的运行效率(即，按照CPUllO的动作负载)驱动泵150。若CPUllO的运行效率变高,发热量增大,则热电元件10的发电量也增大,从而能够自动增大泵150供给冷却水的水量。
[0080]接着，说明微通道冷却器件的其他使用方式。图10是表示在以机架式服务器(rack server)为代表的大规模计算机系统中使用微通道冷却器件的例子的图。
[0081]图10中虚线包围的部分为服务器室200，在服务器室中配置有多个服务器210。服务器为形成为架状的装置，在各服务器210中容置有多个电路基板220。在各电路基板220上安装有CPU230，为了冷却CPU230，设置有微通道冷却器件240。微通道冷却器件240为上述微通道冷却器件20?70之一。
[0082]储存在储备箱(未图示)中的冷却水通过泵250供给至微通道冷却器件240。在微通道冷却器件240的冷却水流路中流动的冷却水供给至热交换器260，然后被冷却，返回储备箱进行循环。
[0083]热交换器260与在服务器室200内循环的冷媒之间进行热交换，来冷却向微通道冷却器件240供给的冷却水。即，在服务器室200内循环的冷媒被供给至各服务器210，在服务器210内从热交换器260吸收热量，然后供给至设置在服务器室200中的第二热交换器 300。
[0084]在此，热交换器260的结构与微通道冷却器件240相同。即，将微通道冷却器件240用作热交换器260。向热交换器260的冷却水流路中供给温热的冷却水，通过冷媒进行冷却，来变为低温的冷却水，然后从热交换器260排出。此时，冷却水流路的入口侧为高温部，出口侧为低温部，因此产生温度差。热交换器260的热电元件能够利用该温度差发电。
[0085]第二热交换器300在服务器210内从热交换器260吸收热量而温度变高的冷媒和从设置在服务器室200外部的冷却器400供给的低温的冷媒之间进行热交换，冷却从热交换器260排出的冷媒。变为低温的冷媒被泵310送出，供给至各服务器210。
[0086]在以上的冷却系统中，能够经由微通道冷却器件240以及第二热交换器300将CPU230产生的热量转移至服务器室200的外部(冷却器400)，能够抑制服务器室200内的温度上升。
[0087]另外，微通道冷却器件240的热电元件10产生的热电动势(thermoelectromotiveforce)以及热交换器260产生的热电动势能够表示CPU230的散热量(即冷却状态)。因此，只要利用微通道冷却器件240产生的电力以及热交换器260产生的电力驱动泵250以及泵310，就能够节约向这些泵供给的电力。
[0088]产业上的可利用性
[0089]本发明能够用于微通道冷却器件、微通道冷却系统以及电子装置。
[0090]附图标记说明
[0091]I微通道散热构件
[0092]2微通道部
[0093]2a槽部(通道)
[0094]3 罩部
[0095]5电子部件
[0096]10热电元件
[0097]12第一热电构件
[0098]14第二热电构件
[0099]16 电极
[0100]20、30、40、50、60、70 微通道冷却器件
[0101]22器件主体
[0102]22a 底面
[0103]22b上表面
[0104]24冷却水流路
[0105]26冷却水供给流路
[0106]28冷却水排出流路[0107]100个人电脑(PC)
[0108]110CPU
[0109]120主电路板
[0110]130热交换器
[0111]140储备箱
[0112]150泵
[0113]160电动风扇
[0114]170电路
[0115]200服务器室
[0116]210服务器
[0117]230CPU
[0118]240微通道冷却器件
[0119]250泵
[0120]260热交换器
[0121] 300第二热交换器
[0122]310泵
[0123]400冷却器
【权利要求】
1.一种微通道冷却器件，其特征在于， 具有: 散热构件，其具备液体冷媒流路，所述液体冷媒流路具有微小截面，且所述散热构件与热源热性连接； 热电元件，其设置在所述散热构件上，与所述液体冷媒流路的延伸方向平行地延伸。
2.根据权利要求1所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件设置在相对于所述液体冷媒流路与热性连接所述热源的面相反的面上。
3.根据权利要求1所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件埋入所述散热构件的内部。
4.根据权利要求3所述的微通道冷却器件，其特征在于， 所述散热构件具有相互平行地延伸的多个所述液体冷媒通路， 所述热电元件配置在相邻的所述液体冷媒通路之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述热电元件为利用因不同种金属接合产生的塞贝克电动势进行发电的元件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述液体冷媒流路的雷诺数小于2000。
7.根据权利要求6所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述液体冷媒流路的截面为长方形，对角线的长度为500 μ m以下。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述散热构件由半导体材料形成。
9.根据权利要求8所述的微通道冷却器件，其特征在于，所述散热构件由形成有半导体集成电路的半导体基板形成。
10.一种微通道冷却系统，其特征在于， 具有: 成为热源的电子部件； 与该电子部件热性连接的权利要求1至9中任一项所述的微通道冷却器件； 将通过所述微通道冷却器件产生的电力向冷却系统的电动驱动部供给的电路。
11.根据权利要求10所述的微通道冷却系统，其特征在于，所述电动驱动部包括将液体冷媒供给至所述微通道冷却器件的泵以及冷却扇，该冷却扇冷却用于对液体冷媒进行冷却的热交换器。
12.一种电子装置，其特征在于， 具有: 成为热源的电子部件， 与该电子部件热性连接的权利要求1至9中任一项所述的微通道冷却器件， 将液体冷媒向所述微通道冷却器件供给的泵； 将所述微通道冷却器件产生的电力供给至所述泵，来驱动所述泵。
【文档编号】H01L23/38GK103975431SQ201180074472
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2011年11月4日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】壶井修, 高马悟觉, 水野义博 申请人:富士通株式会社
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