第 3 章 生産対応機の製作と評価
3.4 構造体作製結果
3.4.3 電鋳構造体
F-1 機の目的の一つであるデバイスサイズの拡大を検証するために，10 mm 角のマイク ロクーラをデバイスとして選択し，これを電鋳パターンを積層して作製した．マイクロク ーラとは熱交換器の一種で，CPU や LED チップなど消費電力の高い半導体素子から発生 する熱を冷却水に効率的に移動させ，半導体素子を冷却するデバイスである．
作製したマイクロクーラの構成をFig. 3-27に示す．デバイスのサイズは10 mm角で，
これを14.8 mm角のターゲット基板（メサ領域は10.2 mm角）上に積層した．マイクロ
クーラの構造は，両端に形成された入出力用の垂直流路（8×1 mm2）とこの間を繋ぐ水平 流路からなり，2種類のパターンAとBを交互に積層することにより作製される．水平流 路は幅25～75 µm，長さ600 µm，1層あたり80本のマイクロチャネルがあり，細いリブ で仕切られている．このような電鋳膜パターンを有するドナー基板を第2章2.7.5節で示し たプロセスで用意し，ターゲット基板上に積層した．電鋳パターンは，NiとCuの2種類 が可能である．
作製したCu製デバイスの写真をFig. 3-28に示す[3, 4]．（a）は積層後のターゲット基板 であり，100 円玉の上に置いてある．（b）は積層後のドナー基板であり，青い点線領域の Cu電鋳パターンが転写されてなくなっている様子が分かる．圧接荷重は 960 kgfであり，
F-1機のほぼ最大荷重とした．このデバイスのSEM写真をFig. 3-29に示す．（a）は垂直流 路部分であり，斜めから観察すると水平流路部分が見える．（b）は水平流路の拡大図であ
り，幅25 µmのリブで仕切られた幅75 µmのマイクロチャネルが5段積層されている様子
が確認できる．なお，リブが細く見えるのは，先端を半円状に細くしてあるためである．（c） および（d）は垂直流路と水平流路が交わる様子を斜めから観察したもので，3次元マイク ロ流路構造が形成されていることがよくわかる．
このデバイスの冷却能力を，Fig. 3-30に示す評価ベンチにて測定したところ，Fig. 3-31 に示すように150 ml/minの冷却水流量において，設計通りの150 Wの冷却能力が0.1 MPa
Fig. 3-27 Configuration of microcooler
10 mm
14.8 mm 0.6
mm 10 mm
10.2 mm
Pattern-A
Pattern-B
1 mm-wide frame Microchannel region
Partition wall Inlet manifold
Outlet manifold 8 mm
6 mm
1 mm
Si chip (Target Sub.)
Multiple-stacked Microcooler
Electroplated Ni or Cu
Rib
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以下という低圧力損失で実現できることが確認できた．この発熱量は次世代マイクロプロ セッサで想定されている熱量であり，このような高発熱デバイスに適用可能と思われる．
上記のように，電鋳パターンを積層して実動作可能な10 mm角のデバイスが作製可能で あることを実証した．
(a) Target substrate on ¥100 coin (b) Donor substrate Fig. 3-28 Substrates for fabricating microcooler
(a) Vertical channel (b) 5-layered horizontal channels
(c) Vertical and horizontal channel (d) Close-up view Fig. 3-29 SEM photographs of the fabricated microcooler
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Fig. 3-30 Schematic of the evaluation setup
Fig. 3-31 Results of the cooling performance PC
Header
Data Logger
Heater Controller Water
Line
Filter
Needle Valve Flow Meter
Drain
Tin Tout
Microcooler Heater Block
Theat
Pin Pout
Power Supply
F
Stop Valve
0 0.05 0.1 0.15 0.2
0 50 100 150 200
0 50 100 150 200 250
圧力損失MPa
冷却容量W
流量 ml/min 冷却容量
圧力損失
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