JP2013541841A - An electrochemically powered integrated circuit package. - Google Patents
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Abstract
【課題】電気化学的に電力供給される集積回路パッケージを提供する。
【解決手段】本発明は特に集積回路パッケージ(10c)を対象とする。前記パッケージは、層構造体の層(16)と電気的に接続されて配置されたICおよび電極(17)を含む層構造体を有する。このパッケージはさらに、それぞれの電解質溶液(すなわち2つの異なる溶液、下記のデュアル・フロー・レドックス・モードを参照)を受け入れるように各々が意図された1つまたは複数の流体回路部(19)をさらに含む。関連する各溶液は、可溶性の電気活性種を有する。流体部は、電解質溶液を受け入れ、対応する電極に電解質溶液を接触させ、たとえば動作中のICに電力を供給するように設計される。パッケージに電極が組み込まれているため、電力(electrical power)をICの近くで供給し、それにより電力供給の効率を向上させることができる。最後に、in−situで液体を加え、好適な熱除去を意図することができるため、電力(electrical power)給電および熱除去の必要性が一致することが特筆される。
【選択図】図4An integrated circuit package that is electrochemically powered is provided.
The present invention is particularly directed to an integrated circuit package (10c). The package has a layer structure including an IC and an electrode (17) disposed in electrical connection with a layer (16) of the layer structure. The package further includes one or more fluid circuit sections (19) each intended to receive respective electrolyte solutions (ie, two different solutions, see Dual Flow Redox Mode below). Including. Each associated solution has a soluble electroactive species. The fluidic part is designed to receive the electrolyte solution, bring the electrolyte solution into contact with the corresponding electrode and supply power to the operating IC, for example. Since the electrode is incorporated in the package, electric power can be supplied near the IC, thereby improving the efficiency of power supply. Finally, it is noted that the need for electrical power feeding and heat removal is met, as liquid can be added in-situ and intended for suitable heat removal.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、たとえば、データ・センタなどのコンピュータ・システムに設けられる電気化学的に電力供給される集積回路パッケージに関する。特に、本発明は、パッケージの集積回路に電力を供給するように、可溶性の電気活性種を含む電解質溶液により電力供給される集積回路パッケージに関する。一貫して、本発明はさらに、こうした回路パッケージを備えたコンピュータ・システム、およびそれを動作させる方法に関する。 The present invention relates to an electrochemically powered integrated circuit package provided in a computer system such as, for example, a data center. In particular, the present invention relates to an integrated circuit package that is powered by an electrolyte solution containing soluble electroactive species so as to power the integrated circuit of the package. Consistently, the present invention further relates to a computer system comprising such a circuit package and a method of operating the same.
平面集積回路(IC:integrated circuit)の集積密度を高めると、フィーチャ・サイズの縮小、および各要素のより高密度な実装につながる。この進化はトランジスタのスイッチング速度に恩恵をもたらす一方、オン・チップ配線による遅延時間が、著しく増加し、ICの全体的な性能を損なっている。 Increasing the integration density of planar integrated circuits (ICs) leads to reduced feature sizes and higher density packaging of each element. While this evolution benefits transistor switching speed, the delay time due to on-chip wiring is significantly increased, compromising the overall performance of the IC.
周知のようにICを三次元(3D:three−dimensional)集積化すると、垂直の信号および電力伝送経路が与えられることにより配線長が大幅に短縮される。積層法は高度にモジュール化されており、単一の立方体に異なる技術の集積化を可能にし、プロセッサ・ユニット上にキャッシュを積層することによりバンド幅の大幅な向上をもたらす。一方、3D集積化には、より高い単位面積当たりの電力および接続ピンが必要とされる。もう1つの問題は、単位投影面積当たりの強い冷却要求である。シリコン貫通ビア(TSV:through−silicon−via)は、3D集積化の重要な態様であり、垂直の信号および電力伝送を与えるが、活性シリコンの表面積を減少させ、配線の混雑を引き起こす。垂直方向への集積化の程度は、3つ以上の積層された高性能論理層を簡単に冷却することができず、十分な電力を送ることもできないため、蓄積電力密度により強く限定される。多くの積層プロセッサを冷却するスケーラブルな解決策が明らかになっている。しかしながら、電力(electrical power)を供給する実行可能な方法という問題が依然として残る。より一般的には、電力供給および冷却がICチップに関連する2つの関心事である。 As is well known, when a three-dimensional (3D) integration of an IC is performed, the wiring length is greatly reduced by providing vertical signal and power transmission paths. The stacking method is highly modular, allowing the integration of different technologies into a single cube and providing a significant bandwidth improvement by stacking caches on processor units. On the other hand, 3D integration requires higher power per unit area and connection pins. Another problem is the strong cooling requirement per unit projected area. Through-silicon-via (TSV) is an important aspect of 3D integration and provides vertical signal and power transfer, but reduces the surface area of active silicon and causes wiring congestion. The degree of integration in the vertical direction is strongly limited by the stored power density because it is not possible to easily cool three or more stacked high performance logic layers and to deliver sufficient power. A scalable solution for cooling many stacked processors has become apparent. However, the problem of a viable method of supplying electrical power remains. More generally, power supply and cooling are two concerns associated with IC chips.
これらの問題に対する従来技術の解決策として、下記のものがある。
−一般に多孔性プロトン交換膜を用いたメタノール燃料電池に関する特許文献1(「集積内蔵センサ・アセンブリ(Integrated Self Contained Sensor Assembly)」)。特に、この特許には、ハイブリッド電力モジュール、送受信機、および1つまたは複数のセンサまたは検出器を含む内蔵センサ・アセンブリが開示されている。センサ・アセンブリのハイブリッド電力モジュールは、燃料電池および、燃料電池で充電することができる電子記憶装置を含む。電子デバイスに燃料電池膜およびマイクロ燃料電池を直接組み込んでもよい。
−非特許文献1。この刊行物には特に、集積マイクロ燃料電池を含むICの模式図、図2.9が開示されている。この設計は、燃料を余熱で蒸発させ、集積回路の冷却にも役立つプロセスを示す。
The following are conventional solutions for these problems.
-Patent Document 1 ("Integrated Self Contained Sensor Assembly") relating to a methanol fuel cell generally using a porous proton exchange membrane. In particular, this patent discloses a built-in sensor assembly that includes a hybrid power module, a transceiver, and one or more sensors or detectors. The hybrid power module of the sensor assembly includes a fuel cell and an electronic storage device that can be charged by the fuel cell. The fuel cell membrane and the micro fuel cell may be directly incorporated into the electronic device.
Non-patent
電力(electrical power)をICチップまたはチップ・スタック内に供給する既知の解決策を改善することが依然として求められている。 There remains a need to improve the known solutions of supplying electrical power into an IC chip or chip stack.
特許文献2、特許文献3および非特許文献2のような他の開示にも、関連する背景技術の態様が説明されている。 Other disclosures such as Patent Document 2, Patent Document 3, and Non-Patent Document 2 also describe related background art aspects.
電力(electrical power)をICチップまたはチップ・スタック内に供給する既知の解決策を改善することが依然として求められている。 There remains a need to improve the known solutions of supplying electrical power into an IC chip or chip stack.
本発明の第1の態様によれば、本発明は、集積回路パッケージであって、層構造体の層上に配置された電極、および電極と電気的に接続された集積回路を含む層構造体と、1つまたは複数の流体回路部であって、可溶性の電気活性種を含むそれぞれの電解質溶液を少なくとも1つ受け入れ、かつ前記溶液を電極の少なくともいくつかに接触させて、動作中の集積回路に電力を供給するように各々が構成された流体回路部とを含む集積回路パッケージを提供する。 According to a first aspect of the present invention, the present invention provides an integrated circuit package, a layer structure comprising an electrode disposed on a layer of the layer structure and an integrated circuit electrically connected to the electrode. One or more fluid circuit portions, each receiving at least one electrolyte solution containing a soluble electroactive species, and contacting the solution with at least some of the electrodes to operate an integrated circuit And an integrated circuit package, each of which is configured to supply power to a fluid circuit portion.
各実施形態では、前記集積回路パッケージングは、以下の特徴の1つまたは複数を含んでもよい。
−1つまたは複数の流体回路部の少なくとも1つは、それぞれの電解質溶液により、動作中の集積回路を実質的に冷却するように設計される。
−1つまたは複数の流体回路部の少なくとも1つは、それぞれの溶液が層構造体の層に沿って流れるように構成される。
−1つまたは複数の流体回路部の少なくとも1つは、それぞれの溶液が層構造体の2つの層の間を流れるように構成され、前記2つの層は、好ましくは集積回路の層の3Dの積層として構成された集積回路の2つの層である。
−電極の少なくともいくつかは、層構造体の層を拘束するスペーサとして設計される。
−電極の少なくともいくつかは、層構造体の層の一方の側に配置され、1つまたは複数の流体回路部の少なくとも1つにより一方の側に沿って溶液が流れる。
−電極の少なくともいくつかは、前記2つの層のそれぞれに配置され、その層の間を1つまたは複数の流体回路部のそれぞれの1つの電解質溶液が流れる。
−前記2つの層の1つの一方の側に配置された電極は、カソードおよびアノードの両方を含む。
−層構造体は、プリント配線基板、基板相互接続部、および集積回路の少なくともいくつかを含む集積回路チップを含み、かつ電極の少なくともいくつか、および1つまたは複数の流体回路部の少なくとも1つは、プリント配線基板、基板相互接続部または集積回路チップの1つの一方の側に配置される。
−1つまたは複数の流体回路部は単一の電解質溶液を受け入れるように構成され、かつ電極は選択的カソードおよびアノードを含み、前記1つまたは複数の流体回路部は、前記単一の電解質溶液が選択的カソードおよびアノードに接触して、それらとシングル・フロー・レドックス系を形成するように構成される。
−1つまたは複数の流体回路部は、2つの電解質溶液を受け入れ、好ましくは、1つまたは複数の流体回路部の2つの電解質溶液を隔てるように配置された膜を含み、かつ2つの電解質溶液が電極のそれぞれのサブセットに接触し、サブセットの1つはカソードを含み、サブセットの別の1つはアノードを含み、それによりデュアル・フロー・レドックス系を形成するように構成される。
−1つまたは複数の流体回路部は各々、それぞれの電解質溶液が充填され、前記それぞれの電解質溶液は、その酸化型および還元型の両方に可溶性であるレドックス対、好ましくは集積回路への電力供給に使用される電位範囲でレドックス過程を示さない支持電解質、およびレドックス電位もしくはレドックス対またはその両方の可逆性を調整するための添加剤を含む。
−前記それぞれの電解質溶液は、以下のレドックス対:Fe2+/Fe3+、V2+/V3+、VO2+/VO2 +、Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3+、Cr2+/Cr3+、Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2O7 2−、BH4 −/BO2、OH−/H2O2、Br−/Br3−、Mn2+/Mn3+、Ru2+/Ru3+のいずれか1つまたはその誘導体、およびアセテート、o−フェナントロリン、メチルフェナントロリン、ジメチルフェナントロリン、ビピリジン、エチレンジアミンなどの添加剤を含み、前記それぞれの電解質溶液は、好ましくは溶媒として以下の支持電解質:H2SO4、HCl、Na2SO4、NaCl、NaOH、K2SO4、KOHおよび水のいずれか1つを含む。
In each embodiment, the integrated circuit packaging may include one or more of the following features.
At least one of the one or more fluid circuit sections is designed to substantially cool the operating integrated circuit with the respective electrolyte solution.
At least one of the one or more fluid circuit portions is configured such that the respective solution flows along the layers of the layer structure.
-At least one of the one or more fluid circuit parts is configured such that the respective solution flows between two layers of the layer structure, said two layers preferably being 3D of the layers of the integrated circuit Two layers of an integrated circuit configured as a stack.
At least some of the electrodes are designed as spacers that constrain the layers of the layer structure.
At least some of the electrodes are arranged on one side of the layer of the layer structure and the solution flows along one side by at least one of the one or more fluid circuit parts.
-At least some of the electrodes are arranged in each of the two layers, between each of which one electrolyte solution of each of the one or more fluid circuit sections flows.
The electrode disposed on one side of one of the two layers comprises both a cathode and an anode.
The layer structure comprises an integrated circuit chip comprising at least some of the printed wiring boards, substrate interconnects and integrated circuits, and at least some of the electrodes and at least one of the one or more fluid circuit parts; Is disposed on one side of one of a printed wiring board, board interconnect or integrated circuit chip.
The one or more fluid circuit portions are configured to receive a single electrolyte solution, and the electrode includes a selective cathode and an anode, the one or more fluid circuit portions comprising the single electrolyte solution; Are configured to contact the selective cathode and anode to form a single flow redox system therewith.
The one or more fluid circuit portions receive two electrolyte solutions, preferably comprise a membrane arranged to separate the two electrolyte solutions of the one or more fluid circuit portions, and the two electrolyte solutions; In contact with each subset of electrodes, one of the subsets including a cathode and another of the subsets including an anode, thereby configured to form a dual flow redox system.
One or more fluid circuit sections are each filled with a respective electrolyte solution, said respective electrolyte solution being a redox pair that is soluble in both its oxidized and reduced forms, preferably powering the integrated circuit A supporting electrolyte that does not exhibit a redox process in the potential range used, and an additive for adjusting the reversibility of the redox potential or redox couple or both.
- electrolyte solution of the respective, following redox couples: Fe 2+ / Fe 3+, V 2+ / V 3+, VO 2+ / VO 2 +, Ce 3+ /
別の態様によれば、本発明は、コンピュータ・システムであって、本発明による少なくとも1つの集積回路パッケージ、および前記少なくとも1つの集積回路パッケージの1つまたは複数の流体回路部と流体連通する電気化学的電力給電ユニットを含み、電気化学的電力給電ユニットは、動作中の前記少なくとも1つの集積回路パッケージの電力供給の必要性に従い、前記少なくとも1つの集積回路パッケージの流体回路部の1つまたは複数の電解質溶液の対流を制御するように構成された対流ユニットをさらに含む、コンピュータ・システムとして実施される。 According to another aspect, the present invention is a computer system comprising at least one integrated circuit package according to the present invention and electricity in fluid communication with one or more fluid circuit portions of said at least one integrated circuit package. One or more of the fluid circuit portions of the at least one integrated circuit package, depending on the power supply needs of the at least one integrated circuit package in operation. Implemented as a computer system further comprising a convection unit configured to control convection of the electrolyte solution.
最後の態様によれば、本発明は、コンピュータ・システムを動作させる方法であって、本発明による集積回路パッケージを含むコンピュータ・システムを用意し、前記少なくとも1つの集積回路パッケージのそれぞれの流体回路部の少なくとも1つの電解質溶液を前記少なくとも1つの集積回路パッケージの電極の少なくともいくつかに接触させることにより集積回路に電力を供給するステップを含む方法として実施される。 According to a last aspect, the present invention is a method for operating a computer system, comprising a computer system comprising an integrated circuit package according to the present invention, each fluid circuit portion of said at least one integrated circuit package. The method comprising: providing power to the integrated circuit by contacting at least one electrolyte solution of at least one of the electrodes of the at least one integrated circuit package.
ここで添付図面を参照して非限定的な例により本発明を実施する方法、装置およびシステムについて記載する。 A method, apparatus and system for implementing the present invention will now be described by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings.
以下の説明の導入として、最初に集積回路パッケージを対象とする本発明の一般的な態様を示す。前記パッケージは、層構造体の層と電気的に接続されて配置されたICおよび電極を含む層構造体を有する。このパッケージはさらに、各々がそれぞれの電解質溶液(すなわち2つの異なる溶液、下記のデュアル・フロー・レドックス・モードを参照)を受け入れるように意図された流体回路部をさらに含む。関連する各溶液は、可溶性の電気活性種を有する。流体部は、電解質溶液を受け入れ、対応する電極に電解質溶液を接触させ、たとえば動作中のICに電力を供給するように設計される。パッケージに電極が組み込まれているため、電力(electrical power)をICの近くで供給し、それにより電力供給の効率を向上させることができる。電極に接触する電気化学的溶液の強制対流により、さらに高い電力(electrical power)密度を達成することができる。最後に、in−situで液体を加え、好適な熱除去を意図することができるため、電力(electrical power)給電および熱除去の必要性が一致することが特筆される。これに関連して、流体回路は、ICを実質的に冷却するように最適に設計してもよい。このため、電力(electrical power)の供給および冷却という問題を同時に解決する、組み合わせた溶液を得てもよい。 As an introduction to the following description, the general aspects of the present invention directed to integrated circuit packages will first be presented. The package has a layer structure including an IC and an electrode disposed in electrical connection with the layers of the layer structure. The package further includes fluid circuit portions each intended to receive a respective electrolyte solution (ie, two different solutions, see dual flow redox mode below). Each associated solution has a soluble electroactive species. The fluidic part is designed to receive the electrolyte solution, bring the electrolyte solution into contact with the corresponding electrode and supply power to the operating IC, for example. Since the electrode is incorporated in the package, electric power can be supplied near the IC, thereby improving the efficiency of power supply. Higher electrical power density can be achieved by forced convection of the electrochemical solution in contact with the electrode. Finally, it is noted that the need for electrical power feeding and heat removal is met, as liquid can be added in-situ and intended for suitable heat removal. In this regard, the fluid circuit may be optimally designed to substantially cool the IC. For this reason, a combined solution may be obtained that simultaneously solves the problems of electrical power supply and cooling.
こうした溶液は特に、層間冷却が電気化学的電力給電と組み合わされた3DのICによく適している。たとえば、電力給電プロセスの全段階で可溶性の状態が持続する電気活性レドックス対を用いて、2機能性の水性クーラントを用意してもよい。たとえば、負極と正極との電位差1Vを与えることができる水性レドックス対が知られている。さらに、たとえば、ピンを含む3Dシリコン積層における強制的な対流による層間の冷却により、200W/cm2を超える速度で熱除去を達成することができる。 Such solutions are particularly well suited for 3D ICs where interlayer cooling is combined with electrochemical power delivery. For example, a bifunctional aqueous coolant may be prepared using an electroactive redox couple that remains soluble in all stages of the power supply process. For example, an aqueous redox pair capable of providing a potential difference of 1 V between a negative electrode and a positive electrode is known. In addition, heat removal can be achieved at rates in excess of 200 W / cm 2 by, for example, cooling between layers by forced convection in a 3D silicon stack including pins.
ICでは、実質的にすべての電力(electrical power)が熱に変換される。したがって、上述のように、局所冷却および電力の要求が一致し、これは冷却と電力給電との組み合わせに都合がよい。電気活性クーラントの流れ(たとえば、圧力駆動)により与えられる放熱および電流密度はどちらも、最適化された対流による物質輸送および温度の上昇から恩恵を受ける。本アプローチにより、重要な資源を解放することができる。たとえば、3Dの積層の場合、電力給電(電源ビア)に割り当てられるシリコン貫通ビア(TSV)の数を著しく減少させ、したがって貴重なチップ面積を解放し、配線の混雑を減らし、マクロ設計を最小化することができる。導入できる信号ビアの数が増加し、それにより通信バンド幅が向上する。全体として、オン・チップ配線のみを必要とするため電力関連配線がさらに簡素化され、ウェーハ・レベルを超えた相互接続部の必要がなくなる。 In an IC, virtually all electrical power is converted to heat. Thus, as described above, local cooling and power requirements are consistent, which is advantageous for a combination of cooling and power feeding. Both heat dissipation and current density provided by the flow of electroactive coolant (eg, pressure driven) benefit from mass transport and temperature increase due to optimized convection. This approach can free up important resources. For example, 3D stacks significantly reduce the number of through-silicon vias (TSVs) allocated to power feeds (power supply vias), thus freeing valuable chip area, reducing wiring congestion and minimizing macro design can do. The number of signal vias that can be introduced is increased, thereby improving the communication bandwidth. Overall, power-related wiring is further simplified by requiring only on-chip wiring, eliminating the need for interconnects beyond the wafer level.
さらに、上記の溶液は、有利にはデータ・センタで使用されるようなサーバの動作に応用して、電気活性クーラントの貯蔵所を組み込めば、無停電電源装置(UPS:uninterruptible power supply)機能を提供することができる。その自律性は、貯蔵所の大きさを変化させることにより容易に決定することができる。データ・センタの既存のUPS設計、電力給電および電圧変換を改造することにより、顕著な効率の向上が可能である。 In addition, the above solution is advantageously applied to server operations such as those used in data centers and incorporates an uninterruptible power supply (UPS) function when an electroactive coolant reservoir is incorporated. Can be provided. Its autonomy can be easily determined by changing the size of the repository. By modifying existing data center UPS designs, power feeds and voltage conversions, significant efficiency gains are possible.
電気化学的電力供給の別の利点は、デカップリング・コンデンサの必要がなくなることであり、これにより、より多くのTSVおよびプロセッサ・スタックの貴重なスペースが解放される。 Another advantage of electrochemical power supply is that the need for decoupling capacitors is eliminated, thereby freeing up more TSV and processor stack valuable space.
本発明の他の特徴について、図2〜15の実施形態を参照して説明することにする。理解のため最初に図1を参照しながら、従来のシングル・チップ・パッケージ10’を説明する。こうしたチップは周知の層構造を有する。図示した様々な層はそれぞれ、たとえば、
−プリント配線基板(すなわちPWB:printed wiring board)11
−はんだボール層12;
−基板相互接続部13;
−はんだバンプ14およびアンダーフィル層15;ならびに
−ICチップそのもの16
であってもよい。
Other features of the present invention will be described with reference to the embodiments of FIGS. For the sake of understanding, a conventional single chip package 10 'will first be described with reference to FIG. Such a chip has a well-known layer structure. Each of the various layers shown is, for example,
-Printed wiring board (that is, PWB: printed wiring board) 11
A
A
-
It may be.
こうした構成要素はそれ自体周知である。電力(electrical power)は、各層を介して、すなわちPWB11からはんだボール12、基板相互接続部13、およびはんだバンプ14を介してICに供給される。ICマイクロプロセッサの場合、典型的には、はんだボールおよびバンプの大部分が電力給電(電源/グランド)に割り当てられるのに対して、信号伝送に割り当てられるのはごく一部である点に留意されたい。
Such components are well known per se. Electric power is supplied to the IC through each layer, that is, from the
電力(electrical power)供給の改善は、以下の実施形態に説明するように達成することができる。 An improvement in the electrical power supply can be achieved as described in the following embodiments.
まず図2に、改造された集積回路パッケージ10aを示す。この装置は、なお図1の装置を想起させる層構造体を有する。このパッケージは、たとえば、図1と同じ連続的な層、すなわち、PWB11、はんだボール、基板相互接続部13、はんだバンプおよびアンダーフィル、ならびにチップ16を含んでいてもよい。
First, FIG. 2 shows a modified integrated circuit package 10a. This device still has a layer structure reminiscent of the device of FIG. This package may include, for example, the same continuous layers as in FIG. 1, namely
しかしながら今回は、この構造体の層と電気的に接続された、たとえば、こうした層上に直接配置された電極17が設けられている。図2の例では、装置10aの残りの層配置の一方の側に延在するPWB11上に電極17が配置されている。これによりICは電極に(この場合、連続的な層11〜15を介して間接的に)連結されている。
However, this time,
さらに、可溶性の電気活性種を含む電解質溶液を充填することができる流体回路部19が設けられている。この部19は、たとえばこの溶液をPWB層11の上面に配置された電極17(たとえば、電極アレイ17)に接触させることにより、動作時にIC層16に電力(electrical power)を供給できるように構成される。この例では、流体部19は単に、電極に面し、かつ、この場合、入口/出口の矢印19i、19oで表されるように溶液を供給する流体回路に連結可能な開口部を有する分配マニホールドである。流体回路に好適な流体回路部および連結部は、たとえば、マイクロ流体技術の公知の技法に従い得ることができる。電気化学の詳細については、図17〜21を参照しながら後で考察するものとする。
Furthermore, a
たとえば、マニホールドは、その1つまたは複数の表面に(たとえば、底面に)開口した第1のシリコン・ブロックの空洞として設計してもよい。流体回路は、たとえば、上面に開口したこうしたシリコン・ブロックの溝として提供してもよい。マニホールドは他に典型的には、セラミックス、金属またはハード・ポリマー等から作られてもよい。第2のシリコン・ブロックを第1のシリコン・ブロックと接触させて開口溝を塞いでもよい。その後第1のブロックを電極が配置された構造体の層の上面に載せる。他の多くの実装技術も可能である。たとえば、流体分配の流路を、高い熱伝導度を持つ金属ヒート・シンクに機械加工してもよい。そうすることでヒート・シンクをICパッケージの上面に置き、絶縁層により電極をヒート・シンク材料から隔離することができる。別の実装は、マイクロ流体流路を得るためシリコンのマイクロマシニングを含んでもよい。考えられる電極の配置については、図9〜15にて後で考察する。 For example, the manifold may be designed as a cavity in a first silicon block that is open to one or more surfaces (eg, to the bottom surface). The fluid circuit may be provided, for example, as a groove in such a silicon block open to the top surface. Other manifolds may typically be made from ceramics, metals, hard polymers, or the like. The second silicon block may be contacted with the first silicon block to close the opening groove. Thereafter, the first block is placed on the upper surface of the layer of the structure in which the electrodes are arranged. Many other mounting techniques are possible. For example, the fluid distribution flow path may be machined into a metal heat sink with high thermal conductivity. By doing so, the heat sink can be placed on the top surface of the IC package and the insulating layer can isolate the electrodes from the heat sink material. Another implementation may include silicon micromachining to obtain a microfluidic flow path. Possible electrode arrangements will be discussed later in FIGS.
図2の実施形態をまとめると、従来のシングル・チップ・パッケージが設けられているけれども、電力給電のため隣接して電気化学的(EC:electrochemical)電力変換ユニットおよび電極アレイがPWB上に設けられている。こうした解決策により、in situで電力供給が可能になる。さらに、これは、マニホールド19を通して循環する溶液がチップからPWBに移動した熱を取り込むことになるため、熱の除去にも関わる。 To summarize the embodiment of FIG. 2, although a conventional single chip package is provided, an electrochemical (EC) power conversion unit and an electrode array are provided on the PWB for power supply. ing. Such a solution enables power supply in situ. Furthermore, this involves the removal of heat because the solution circulating through the manifold 19 takes in the heat transferred from the chip to the PWB.
次の図は、なお図1または2と同様の層構造体を有する、改造された集積回路パッケージ10b〜10nの他の実施形態に相当する。なお、簡潔のため参照番号をすべて繰り返して記載しているとは限らない。
The following figure corresponds to another embodiment of a modified integrated
たとえば、図3は、従来のシングル・チップ・パッケージ10bを示すものであるが、今回は、電力給電のため、共通の基板相互接続部13の上に、隣接する電力変換ユニット19(たとえば、流体回路と流体連通する電解質溶液マニホールド)および電極17が設けられている。基板相互接続部13は、パッケージの残部から側方に共に延在するはんだボールおよびPWB層の上に配置される。この例では、電力(electrical power)が最終消費部16のより近くで供給される。したがって、図2の例と比較して熱除去の改善が期待される。
For example, FIG. 3 shows a conventional
次に、図4は、電力給電および冷却のため、ICチップ16の上に直接配置された電極アレイ17の上面に流体分配マニホールド19がある別のシングル・チップ・パッケージ10cを示す。こうした配置により、IC層への直接的な電力供給が可能になり、さらに電解質溶液がIC層で生成される熱を十分に取り込むことができ、これは、図2または3の実施形態より効率的に行われる。
Next, FIG. 4 shows another
図6も類似したものである、すなわち、電力給電および冷却のため、層構造体の上面の流体分配マニホールド19が電極アレイ17と流体連通して配置されている装置10eを示す。しかし、ここに示した装置は、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージである。たとえば、こうしたマルチチップ・パッケージにおいて多層の製造を可能にする従来技術の解決策は存在する。ここでの違いは、チップ16の上面に好適に配置された電極17および電力変換ユニット(流体部19)を組み込んだことにある。
FIG. 6 is similar, ie, shows a device 10e in which a
当業者であれば、上記の実施形態(図2〜4および6)において、流体回路部19は、電解質溶液がICパッケージ10a〜cの層構造体の1つの層(すなわち、11、13または16)に沿って流れるように構成されることを理解することができる。こうしたコンフィグレーションは、電力変換ユニットを構造体10a〜cの層の上面に単なる付属装置として置くように設計できるため有利である。さらに当業者であれば、こうした設計では、チップの製造プロセスを実質的に変更させる必要がないことも理解できる。さらに、上記の各実施形態(図2〜4および6)では、シングル・フロー・レドックス系を意図しても、またはデュアル・フロー・レドックス系を意図してもよい。シングル・フロー・レドックス系の場合、流体回路部19は、1種の電解質溶液のみを含み、これを選択的な電極のアレイに接触させる。デュアル・フロー・レドックス系を意図する場合、部19に、たとえば、膜で隔てられた2種の流体を充填し、その目的に好適に配置されたそれぞれの電極セットに接触させる必要がある。
A person skilled in the art, in the above-described embodiments (FIGS. 2 to 4 and 6), the
次に、電解質溶液が層構造体の2つの層、たとえば、ICの3Dの積層の2つのIC層の間を流れるように流体回路部を構成する他の実施形態を意図してもよい。図5、7〜15を参照しながら、こうした実施形態を考察するものとする。こうした配置により、直接ではないが、IC層に近い電力供給が可能になる。さらに、こうした配置により、電解質溶液(単数または複数)は、IC層で生成される熱をより効率的に除去することができる。 Next, other embodiments may be contemplated in which the fluid circuit portion is configured such that the electrolyte solution flows between two layers of the layer structure, for example, two IC layers of a 3D stack of ICs. Such an embodiment shall be considered with reference to FIGS. Such an arrangement enables power supply close to the IC layer, although not directly. Further, such an arrangement allows the electrolyte solution (s) to more efficiently remove the heat generated in the IC layer.
たとえば、図5は、電力給電および冷却のため、流体分配体が基板相互接続部13’に組み込まれたシングル・チップ・パッケージ10dを示す。この場合、基板相互接続部13’は、好適に隔てられた、たとえば、それ自体周知であるスペーサ23により拘束された2つの層として構成される。このため、基板相互接続部13’の2層コンフィグレーションを前述の流体回路部の代わりに使用し、多くの点(効率的な電力供給および熱除去)で有利である流体路19’を設ける。対流に有利に働くよう、もしくは好ましくない毛管作用を防止するよう、またはその両方ため、必要に応じて2層の寸法を電解質溶液の性質に適合させてもよい。
For example, FIG. 5 shows a
上記の実施形態に対するいくつかの変形を意図してもよい。たとえば、図7は、実際にマルチチップ・パッケージ内の図4および5の考えおよび利点を組み合わせた、2重の電力給電および冷却を含む、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージ10fを示す。
Several variations to the above embodiment may be contemplated. For example, FIG. 7 shows a vertically integrated
電力給電および冷却のさらに別の考えを図8の実施形態に示し、層間流体分配体19’のスペーサ23を含む、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージ10gを提案する。以下、参照番号19’は層間流体回路部に使用するのに対し、参照番号19は単層部に使用する。ここで、流体分配体を多重層構造体の近くに限定するハウジング21(たとえば、シリコン側壁)を設けてもよい。このため電解質溶液を層構造体の層、たとえば、IC層の間に流すことができる。したがって、垂直方向に集積化されたマルチチップ・パッケージに対して、電力供給および冷却の効率的な統合スキームを達成することができる。対応する斜視図を図16に示す。図16では、参照番号24、25がそれぞれシリコン貫通ビア(TSV)、およびはんだボールに対応する。この構造は全体として、効率的な電力供給および冷却を確実なものにする多重流体回路部19’を規定する。この実施形態では単一の全体の入口19iおよび単一の全体の出口19oを図示しているが、好適な変形ではデュアル・フロー入口および単一の出口、またはデュアル・フローの入口およびデュアル・フローの出口等を使用してもよい点に留意されたい。
Yet another idea of power supply and cooling is shown in the embodiment of FIG. 8 and proposes a vertically integrated
したがって、図5、7または8(および16)の実施形態をまとめると、電解質溶液が装置の層、たとえば、3Dの積層の2つのIC層の間を流れるように少なくとも1つの流体回路部19’を設計してもよいことを理解することができる。理解しやすいように、これらの図には層間流体部に関連する電極配置を示していない点に留意されたい。実際には、次に考察されるように、図9〜15を参照して考察される電極コンフィグレーションのいずれか1つを使用してもよい。図5、7または8(および16)の実施形態は各々、シングル・レドックス・フロー溶液にも、またはデュアル・レドックス・フロー溶液にも対応できる。とはいえ、デュアル・レドックス・フロー溶液を実行するには、1つまたは複数の流体部19’内に電解質溶液が適切に分配されるようにするなど、若干の変更を必要とする。
Thus, to summarize the embodiment of FIGS. 5, 7 or 8 (and 16), at least one
ここで、図2〜8の実施形態をまとめると、流体回路部19、19’が各々、1種(または2種)の電解質溶液(単数または複数)を受け入れ、これを装置10a〜10gの層構造体の層に沿ってまたは層の間に流すことができるように、少なくとも1つの部19、19’を設計してもよいことを理解することができる。
Here, to summarize the embodiments of FIGS. 2-8, each of the
図9〜15は、チップ装置10h〜10nの部分図を示す。図9は、層間コンフィグレーション中に単一の電解質が流れるオン・チップ電極配置17を示す。対象の層13、16は、たとえば、スペーサ23により好適に拘束された2重の基板相互接続部(図5または7の13’など)でも、または図8のように2つの平行なICチップ16でもよい。考えられる電極配置として、関連する2つの層の各々の内側(すなわち、電解質の流れと接触する側)に装着した交互型電極アレイがある。電極17a1、17c1は、たとえば、それぞれ第1の層13、16上に配置されたアノードおよびカソードに対応してもよい。電極17a2および17c2は、第2の層13、16上のそれらに対応する電極である(添え字「a」は「アノード」(白)を、「c」は「カソード」(黒)を表し、「1」および「2」はそれぞれ第1および第2の層に対応する)。上記に指摘したように、この場合シングル・フローが関係するため、こうした電極と電解質とのコンフィグレーションには、電極に適した選択性が必要とされる。シングル・フローまたは混合反応物系の説明は、以前記載されている(たとえばPriestnall 2002,Sung 2007,Mano 2003、最後の文献リストを参照されたい)。このコンフィグレーションは、たとえば、図5、7および8の実施形態に使用してもよい。電極の選択性は、たとえば、より小さいイオンのみを通過させる多孔性材料、たとえばゼオライトで1つの電極を被覆することにより実施することができる。さらに、電気活性種の酸化または還元をそれぞれ促進する電極触媒材料を電極に導入してもよい。
9 to 15 show partial views of the
図10は、類似しているが、電極配置がやや異なる配置を示す。この場合、カソード17c1を第1の(上)層の内側に配列する一方、アノード17a2を第2の層に装着する。このコンフィグレーションもやはり電極の選択性が必要とされる。このコンフィグレーションは、図9のコンフィグレーションより製造しやすくなる(各層に1種類の電極しか設けない)とはいえ、得られる電気回路は、閉回路になりにくいため、電力効率がやや低下することが示唆され、高い電極の選択性が必要とされる。この層間コンフィグレーションも図5、7および8の実施形態に使用してもよい。 FIG. 10 shows an arrangement that is similar but with a slightly different electrode arrangement. In this case, the cathode 17c1 is arranged inside the first (upper) layer, while the anode 17a2 is attached to the second layer. This configuration also requires electrode selectivity. Although this configuration is easier to manufacture than the configuration of FIG. 9 (only one type of electrode is provided for each layer), the resulting electrical circuit is unlikely to be a closed circuit, so the power efficiency is slightly reduced. And high electrode selectivity is required. This interlayer configuration may also be used in the embodiments of FIGS.
次に図11は、電極の機能性をスペーサ23の機能性と組み合わせた別の電極配置を示す。たとえば、アノード17aおよびカソード17cの交互型配置を意図してもよい。これに合わせてスペーサの材料を適合させる。スペーサ表面に使用される材料を選択的に適合させるのに好適なプロセスが利用可能である。逆スパッタリングまたはイオン・エッチングによる異方性材料の除去と組み合わせた、蒸発、スパッタリング、蒸着またはメッキなどの公知の微細加工技術によって、電極材料をスペーサ表面に塗布してもよい。使用する電極材料は、溶液との相性、および電気化学反応に対する活性に従い選択してもよく、特に炭素および貴金属、たとえばAu、Pt、またはPdを含んでもよい。さらに電極材料は、金属合金、電子伝導性シリサイドまたは炭化物、たとえばSiCおよびB4Cを含んでもよい。電極材料への選択性および触媒活性は、前述したように付与してもよい。図11の変形などの変形は、有利にはスペーサの機能性を最適化し、関係する層の内側の貴重な領域の一部を解放するものである。このコンフィグレーションもやはり図5、7および8の実施形態と共に使用してもよい。
Next, FIG. 11 shows another electrode arrangement that combines the functionality of the electrodes with the functionality of the
図9、10または11の各実施形態では、全体として単一の電解質の流れを意図している(よって選択的電極が必要とされる)。一方、本明細書では「シングル」フローと呼ばれるものの、それに対応する流体回路は、1つ(図5)もしくは複数の層間流体回路部19’(たとえば、図8のように)に分解してもよいし、あるいは、層間部19’と組み合わせたオン・トップ回路部19をさらに含んでもよい(図7)。言い換えれば、単一の電解質溶液と組み合わせて、さらに1つまたは複数の流体回路部19、19’を含む。いずれの場合も、前記流体部は、単一の電解質溶液が選択的カソードおよびアノードに接触できるように好適に構成される(シングル・フロー・レドックス溶液)。
Each of the embodiments of FIGS. 9, 10 or 11 contemplates a single electrolyte flow as a whole (thus a selective electrode is required). On the other hand, although referred to herein as a “single” flow, the corresponding fluid circuit may be decomposed into one (FIG. 5) or a plurality of interlayer
図9、10または11の実施形態と異なり、図12〜15の実施形態は、異なる電解質溶液(図示せず)を受け入れることを意図した層間流体回路部19’を含む。溶液は、たとえば、膜20または別の種類の分離するものにより隔てられていてもよい。下記を参照されたい。マイクロフルイディクスの膜材料の組み込みについては、以前に記載されており(de Jong 2006)、特に、多孔性シリコンを含んでもよい(Moghaddam 2010,Tjerkstra 2000)。いずれの場合も、電極のそれぞれのサブセット(すなわち、カソードまたはアノード)に接触するように、電解質溶液をそれぞれの流体回路部191’、192’内にしかるべく拘束することにより、デュアル・フロー・レドックス系を形成する。
Unlike the embodiment of FIGS. 9, 10 or 11, the embodiment of FIGS. 12-15 includes an interlayer
たとえば、図12は、層間コンフィグレーションのそれぞれの流体回路部191’、192内に拘束された2つの電解質が流れるオン・チップ電極配置を示す。2つの流れは、膜20、拡散ゾーン20’もしくは中間層、または電気回路を閉回路にするため非活性イオンを通過させるさらに別の種類の分離するものを示す、チップ表面に平行な面(破線)により隔てられる。その他の点では、この電極配置は、図10と同様である。
For example, FIG. 12 shows an on-chip electrode arrangement in which two electrolytes constrained in respective
次に図13では、ここで各スペーサを、カソードおよびアノードの両方として働くよう(すなわち、分離線のそれぞれの側)に設計すること以外は、図11と同様に電極配置17a2、17c1をスペーサに適用する。 Next, in FIG. 13, the electrode arrangements 17a2 and 17c1 are used as spacers in the same manner as in FIG. 11, except that each spacer is designed to act as both a cathode and an anode (that is, each side of the separation line). Apply.
次に図14では、層間コンフィグレーションに2つの電解質が流れる別のオン・チップ電極配置を示す。ここでの流れは、図の平面から流れてくる流れであり、やはり膜、拡散ゾーン、中間層、またはさらに別の種類の分離するものを示してもよい、チップ表面に垂直な面(破線)で隔てられている。見やすいように層間スペーサは示していない。2つの流れは、それぞれアノード部またはカソード部19a’、19c’内に拘束される。参照番号27は、図の平面からの流体出口を示す。
Next, FIG. 14 shows another on-chip electrode arrangement in which two electrolytes flow through the interlayer configuration. The flow here is the flow coming from the plane of the figure and is also perpendicular to the chip surface (dashed line), which may also indicate a membrane, diffusion zone, intermediate layer, or yet another type of separation Separated by Interlayer spacers are not shown for clarity. The two flows are constrained in the anode or
次に最後の図15は、図11または13のように電極配置をスペーサに適用したこと以外は、図14と同様である。この場合、分離するもの20、20’の一方の側のスペーサがカソード17cとして働き、他方の(もう一方の側)がアノード17aとして働く。この場合も流れは、それぞれアノード部またはカソード部19a’、19c’内に拘束される。
Next, the last FIG. 15 is the same as FIG. 14 except that the electrode arrangement is applied to the spacer as shown in FIG. 11 or 13. In this case, the spacer on one side of the
ここで図17〜21を参照しながら、電解質溶液(単数または複数)について詳述するものとする。 The electrolyte solution (s) will now be described in detail with reference to FIGS.
図17〜19は、電力供給および冷却を目的として電極に接触する電解質溶液31、32を充填した流体回路部の詳細を示す。図17および18は、すでに考察したデュアル・フロー・レドックス系に関し、図19は、シングル・フロー・レドックス系に対応する。すべての場合において、RedおよびOxは還元された電気活性種および酸化された電気活性種を表し、電極/溶液界面における電子移行を矢印で示す。電解質溶液の流れの方向は、上から下である。
17-19 show the details of the fluid circuit section filled with
図17では、2つの電解質溶液31、32が膜20により隔てられている。図17は、電解質溶液を分離するイオン選択的膜、および同一の電極材料を含む従来のレドックス・フロー電池コンフィグレーションを想起させる。これに対し、図18は、同一の電極材料を含む膜のない共層流コンフィグレーションに依存した膜のないレドックス電気化学溶液を想起させる。図19は、選択的電極(酸化および還元反応を選択的に高める様々な電極材料を意味する)を含むシングル・フロー・アーキテクチャに関する。いずれの場合も、EC電力供給だけでなく、電解質溶液の循環によりかなりの熱除去も得ることができる。
In FIG. 17, two
流体回路部の寸法および流速は、たとえば、電力密度および熱除去を最適化するため実際に使用する電解質溶液および電力の必要性に応じて変更してもよい。特に毛管現象に対処すべきである、すなわち、最小層間寸法を考慮する必要がある場合がある。一方、たとえば、キャピラリ・ポンプを用いて対流に有利になるように毛管作用を利用してもよい。液体の代わりにガスで処理する場合、こうした考慮すべき項目が存在しない点に留意されたい。しかしながら、液体により得られる熱除去能力は、ガスよりはるかに大きい。 The dimensions and flow rates of the fluid circuit section may vary depending on, for example, the electrolyte solution and power needs actually used to optimize power density and heat removal. In particular, capillarity should be addressed, i.e. minimum interlayer dimensions may need to be considered. On the other hand, for example, capillary action may be used so as to be advantageous for convection using a capillary pump. Note that there are no such considerations when treating with gas instead of liquid. However, the heat removal capability obtained with liquids is much greater than gas.
電解質溶液は一般に、電極と共に電子電荷移動に関与する活性なレドックス対と、溶液のイオン伝導度に寄与するが、電子電荷移動には寄与しないイオンを供給する支持電解質と、かなりの量の活性なレドックス対および支持電解質の両方を溶解する溶媒とからなる。 Electrolyte solutions generally have an active redox couple that participates in electron charge transfer with the electrode, a supporting electrolyte that supplies ions that contribute to the ionic conductivity of the solution, but do not contribute to electron charge transfer, and a significant amount of active solution. And a solvent that dissolves both the redox couple and the supporting electrolyte.
活性なレドックス対は、好ましくは還元状態および酸化状態の両方の溶解形態で存在すべきであり、したがってFe2+/Fe3+、V2+/V3+、VO2+/VO2 +、Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3+、Cr2+/Cr3+、Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2O7 2−、BH4 −/BO2、OH−/H2O2、Br−/Br3−、Mn2+/Mn3+、Ru2+/Ru3+を含む対から選択されてもよい。レドックス対を、塩または任意の好適な誘導体、たとえばスルフェート、クロリド、水酸化物、またはカーボネートの形態で溶液に導入してもよいことが理解されよう。塩の濃度は、高密度の電気活性種、好ましくは1mol/Lまたはそれ以上を供給するのに十分に高くすべきである。濃度は、微小電極アレイとして知られているように拡散速度を高めるため電極の寸法を小型化する場合、より低くてもよい。
Active redox couple, preferably should be present in dissolved form in both the reduced state and oxidation state, thus Fe 2+ / Fe 3+, V 2+ / V 3+, VO 2+ / VO 2 +, Ce 3+ /
支持電解質は、活性なレドックス対、たとえばH2SO4、HCl、Na2SO4、NaCl、NaOH、K2SO4、KOHを含む塩に一致するように選択すべきである。支持電解質の濃度は、溶液の抵抗を最小にするのに十分に高くする一方で、やはりイオン会合、または高粘度になりすぎることを回避するため、好ましくは0.5mol/Lまたはそれ以上にすべきである。変形の場合、2mol/Lまたはそれ以上の濃度が好ましく、かなりの性能が得られる。 The supporting electrolyte should be selected to match a salt containing an active redox couple , such as H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , NaCl, NaOH, K 2 SO 4 , KOH. The concentration of the supporting electrolyte is preferably 0.5 mol / L or higher in order to make it high enough to minimize the resistance of the solution while still avoiding ionic association or too high a viscosity. Should. In the case of deformation, a concentration of 2 mol / L or higher is preferred and considerable performance is obtained.
溶媒は、活性なレドックス対を含む塩、および支持電解質の高い溶解度を可能にすべきである。上記の種の場合、水が好適な溶媒である。 The solvent should allow for a high solubility of the salt containing the active redox couple and the supporting electrolyte. In the case of the above species, water is a suitable solvent.
この溶液には、系の性能を高めるため上記の成分だけでなく、さらに添加剤を導入してもよい。特に電気化学の科学で周知であるように、活性なレドックス対のレドックス電位を変更するため配位子種を加えてもよい(たとえばChen 1981,Chen 1982,Murthy 1989)。 In order to improve the performance of the system, not only the above components but also additives may be introduced into this solution. Ligand species may be added to alter the redox potential of the active redox couple, as is well known, particularly in electrochemistry (eg, Chen 1981, Chen 1982, Murthy 1989).
デュアル・フロー・コンフィグレーション(図17および18)では、2種の溶液はそれぞれ、好ましくは異なる活性なレドックス対を含む。レドックス対間の電位差は、ICに電力を供給するのに必要とされる電圧に近くなるように選択される。 In the dual flow configuration (FIGS. 17 and 18), the two solutions each preferably contain different active redox pairs. The potential difference between the redox pair is selected to be close to the voltage required to power the IC.
シングル・フロー・コンフィグレーションでは、単一の溶液は活性なレドックス対の両方を含み、電極は、前述のように高い選択性を示す。 In a single flow configuration, a single solution contains both active redox pairs and the electrode exhibits high selectivity as described above.
電極間の離隔距離は任意に選択してもよいが、好ましくは電極間の溶液のイオン抵抗を低減するため最小化すべきである。対向する層に配置された電極を含む層間コンフィグレーション(図8、10、12、16)では、電極間の間隔をスペーサの高さにより規定する。好ましくは、この高さは10μm〜300μmの範囲にある。 The separation between the electrodes may be selected arbitrarily, but preferably should be minimized to reduce the ionic resistance of the solution between the electrodes. In the inter-layer configuration including the electrodes arranged in the opposing layers (FIGS. 8, 10, 12, and 16), the distance between the electrodes is defined by the height of the spacer. Preferably, this height is in the range of 10 μm to 300 μm.
次に、図20は、本発明の実施形態による方法のステップを図示したフローチャートである。基本的に、この方法は、上記で論じたように電解質溶液を対流させることにより、ICパッケージに電力を供給することを目的とする。実際に、コンピュータ・システムには複数のチップ・パッケージが設けられ(すなわち、上記の実施形態による)、さらに電気化学的(EC)電力ユニットが備えられている(ステップ100)。ECユニットは、電解質溶液(単数または複数)の対流が可能になるようにチップの流体部と流体連通している。好ましくは、実際の電力の必要性をモニタしてもよく(ステップS300)、好適に変更された電力(electrical power)を供給するように適宜流体の対流を制御する(S200)。この場合、単純なフィードバック・ループが必要とされると考えられる。 Next, FIG. 20 is a flowchart illustrating method steps according to an embodiment of the present invention. Basically, this method is aimed at supplying power to the IC package by convection of the electrolyte solution as discussed above. In practice, the computer system is provided with a plurality of chip packages (ie, according to the above embodiment) and further includes an electrochemical (EC) power unit (step 100). The EC unit is in fluid communication with the fluid portion of the chip to allow convection of the electrolyte solution (s). Preferably, the need for actual power may be monitored (step S300), and fluid convection is appropriately controlled to provide suitably modified electrical power (S200). In this case, a simple feedback loop may be required.
これに関連して、図21は、本発明の実施形態による電気化学的電力給電ユニット110を備えたコンピュータ・システムを示す。提唱したレドックス・フロー電力給電部は単に、従来のレドックス・フロー電池の電解質の流路にコンピュータ・システム100(たとえば、上記で論じたようなピンを含む3Dシリコン積層など数百のチップ・パッケージを含むデータ・センタ)を挿入してなる。こうした電池は、2つの流体回路111、112を含み、それぞれ電解質タンク121、122を有する。回路の流速は、ポンプ141、142により制御される。さらに、セル151、152は、それぞれの電極131、132(この場合、充電専用)に接触し、EC膜25により隔てられ、溶液の再充填に際して別の電力供給部120によりEC膜25に電圧が印加される。コンピュータ・システム100で放電が起こるため、図21のコンフィグレーションは、実際に連続的な動作を可能にする。実際の実装の詳細に応じて、こうした電池はさらに、高い流速、高い電力密度、高温度での動作、およびクーラント機能性を可能にする。電池の電解質の流路上におけるコンピュータ・システム100の相互接続には、それ自体が周知である、マイクロ流体科学からもたらされた技術(たとえば、チュービングもしくはPDMS機械加工またはその両方、マニホールド等)を使用してもよい。
In this regard, FIG. 21 illustrates a computer system with an electrochemical
液体クーラントとして水を使用すると、ピンを含む3D積層において層間の強制対流冷却を行うことにより、200W/cm2を超える速度で熱除去を達成することができる(Brunschwiler 2009)。電力給電は、上記で論じたように集積回路パッケージの電極で電気化学的に放電する電解質溶液に電気活性種を与えることにより達成される。 When water is used as the liquid coolant, heat removal can be achieved at a rate in excess of 200 W / cm 2 by performing forced convection cooling between layers in a 3D stack containing pins (Brunschwiller 2009). Power delivery is accomplished by providing an electroactive species to the electrolyte solution that is electrochemically discharged at the electrodes of the integrated circuit package as discussed above.
電極ペアにおいて1V程度の電位差を可能にする水性電気化学の分野には、多くのレドックス対のペアが存在する(CRC Handbook of Chemistry and Physics 2010)。こうした電圧は、現在のトランジスタに電力を供給するのに十分である。さらに、水溶液を用いた電気化学的電力給電は、供給電圧の最近の傾向、すなわち、より低い値、たとえば、0.6Vを対象とする最近の傾向に一層適していることを理解することができる。 There are many redox pair pairs in the field of aqueous electrochemistry that allow potential differences on the order of 1V in electrode pairs (CRC Handbook of Chemistry and Physics 2010). Such a voltage is sufficient to power the current transistor. Furthermore, it can be understood that electrochemical power feeding using aqueous solutions is more suitable for the recent trend of supply voltage, ie the recent trend targeting lower values, eg 0.6V. .
こうした科学技術の利益は大きなものであり、たとえば、パッケージングの基盤およびコンピュータ・システム(たとえば、データ・センタ)基盤の両レベルの改良が期待される。 The benefits of such science and technology are enormous. For example, improvements in both the packaging infrastructure and the computer system (eg, data center) infrastructure are expected.
第1には、パッケージングの利益に関するものである。高性能3D ICでは、送電TSV(電源ビア)が現在、TSVを使用する全面積の66%を占めると推定される。電力給電全体を2機能性のクーラントに移行することにより、この面積は、設計の自由度の向上、または追加の信号ビアの形成に利用される。電気化学的放電が局所的(たとえば、オン・チップ)に起こるため、チップ・レベル以外の要素とのインターフェースが必要ない。このため、電力関連の配線をすべて簡素化し、チップ・レベルに限定することができる。 The first concerns packaging benefits. In high performance 3D ICs, power transmission TSVs (power supply vias) are currently estimated to account for 66% of the total area using TSVs. By shifting the entire power supply to bifunctional coolant, this area is used to increase design flexibility or to form additional signal vias. Since the electrochemical discharge occurs locally (eg, on-chip), no interface to elements other than the chip level is required. For this reason, all the power-related wiring can be simplified and limited to the chip level.
第2は、基盤の利益に関するものである。電力給電は、クーラントの電気活性種により確保される。利用可能な電気活性種の絶対量を増やすことにより、系の自律性が向上する。これに関連して、図21に示したように、この自律性を得る簡便な方法は、溶液の貯蔵所121、122を冷却ループ111、112に導入することによる。ユーティリティ側の停電の場合でも、電気活性クーラントをその量が枯渇するまで供給することができる。さらに、チップに送られる電圧が、溶液の放電深度と共に下がることも測定することができる。電気化学的系に最適な動作範囲は、10%〜90%の放電深度にあり、この放電深度では、1電子レドックス対からなる電気化学的電力給電系の供給電圧は、ほぼ直線的に予想通り約0.1V変動する。供給電圧の著しい低下は、放電深度が100%に近づいたときにだけ起こる。したがって、系の自律的動作は本質的に、局所的なオン・チップ電極コンフィグレーションと無関係に容易に設計することができる貯蔵所の大きさによって決まる。
The second concerns the base profit. Power supply is ensured by the electroactive species of the coolant. Increasing the absolute amount of electroactive species available improves the autonomy of the system. In this connection, as shown in FIG. 21, a simple way to obtain this autonomy is by introducing
このため、無停電電源装置(UPS)を提供することができる。こうしたUPSをコンピュータ・システムに連結するには、効率の改善を目的として現在の電力給電基盤を再設計することが提案されてもよい。 For this reason, an uninterruptible power supply (UPS) can be provided. To link such a UPS to a computer system, it may be proposed to redesign the current power supply infrastructure for the purpose of improving efficiency.
オンラインUPSを含む改造型と従来型のデータ・センタ・アーキテクチャのスキームを図22〜23に示す。さらに詳しく言うと、データ・センタの従来の電力給電アーキテクチャ(図22)と、冷却/電気化学的電力給電を組み合わせたもの(図23)との間で比較を行っている。従来のアーキテクチャに含まれる要素のエネルギ効率は、報告された重負荷値に基づく(Pratt 2007)のに対し、電気化学的系のエネルギ効率は、最良の推定値である。細い線は電流の流れを表すのに対し、電気活性クーラントの流れは太い線で表す。使用する略語は標準的に、無停電電源装置(UPS)、交流(AC:Alternating Current)、直流(DC:Direct Current)、電力配分装置(PDU:Power Distribution Unit)、電源ユニット(PSU:Power Supply Unit)、電圧レギュレータ(VR:Voltage Regulator)、電気化学セル(EC:Electrochemical Cell)である。 The modified and conventional data center architecture schemes including online UPS are shown in FIGS. More specifically, a comparison is made between a conventional data center power supply architecture (FIG. 22) and a combined cooling / electrochemical power supply (FIG. 23). The energy efficiency of the elements included in the conventional architecture is based on the reported heavy load values (Pratt 2007), whereas the energy efficiency of the electrochemical system is the best estimate. The thin line represents the current flow, whereas the electroactive coolant flow is represented by the thick line. The abbreviations used are typically uninterruptible power supply (UPS), alternating current (AC), direct current (DC), power distribution unit (PDU), and power supply unit (PSU). Unit, voltage regulator (VR), and electrochemical cell (EC).
図22に示したパーセンテージは、データ・センタに入る電力(electrical power)の連続的な変換ステップ後に残っている電力(electrical power)の率に相当する。ここでは、一例としてプロセッサに直接供給するのに必要な電力(electrical power)のみを示す。従来のデータ・センタ・アーキテクチャでは、プロセッサへの電力給電は、主に変換損失に起因してデータ・センタ内の効率性が36%に過ぎないと推定される。 The percentage shown in FIG. 22 corresponds to the rate of electrical power remaining after successive conversion steps of electrical power entering the data center. Here, as an example, only the electric power necessary to supply the processor directly is shown. In conventional data center architectures, powering the processor is estimated to be only 36% efficient in the data center mainly due to conversion losses.
電気化学的電力給電を加えることにより(図23)、変換チェーンの初めに中央でユーティリティ・レベル400V ACからサーバ・レベル1V DCへの変換を行うことができる。銅線の場合、この電圧変換では、許容可能な抵抗損で対応する電流を運ぶと、400倍多い銅が必要とされると考えられる。しかしながら、設備の中央位置で電気エネルギを化学エネルギ(図23のDC/EC電気化学セル)に変換することにより、こうした過剰な配線が必要とされない。充填される電気活性クーラントは、10L/分の流速でラック・レベルに分配することができる。これは、2つの電解質溶液各々について1レドックス対ペア当たり1つの電子の交換、および活性なレドックス対濃度1mol/Lと仮定すると、約16kAの電流を運ぶことに相当する。この段階後、電力は化学エネルギの形態で供給され、エネルギ輸送の速度は、電気活性クーラントの流速によって決まる。図23には冷却の所要電力が含まれていないため、電気活性クーラントの輸送に関係するポンプ動力は、冷却基盤の一部と見なされ、効率性の比較に含まれていない。さらに、数kA程度の大電流の場合、好適な直径の管を介したイオンの強制対流による電荷輸送の方が、金属線による電子伝導よりエネルギ効率的でコスト効率も高い。ラック・レベルでのクーラントの流れは、より狭い流路での著しい圧力降下を回避するため、化学エネルギの電気エネルギへの最終的な変換がIC、たとえば3D ICの層間(図23のプロセッサ・レベル)に近接して起こるまで、マニホールドを介してより低い流速でサーバ・レベルに分配される。 By applying electrochemical power feed (FIG. 23), a conversion from utility level 400V AC to server level 1V DC can be performed centrally at the beginning of the conversion chain. In the case of copper wire, this voltage conversion would require 400 times more copper if carrying the corresponding current with acceptable resistance loss. However, by converting electrical energy into chemical energy (DC / EC electrochemical cell in FIG. 23) at the central location of the facility, such excessive wiring is not required. The electroactive coolant to be filled can be distributed to the rack level at a flow rate of 10 L / min. This corresponds to carrying about 16 kA of current, assuming one electron exchange per redox pair for each of the two electrolyte solutions, and an active redox pair concentration of 1 mol / L. After this stage, power is supplied in the form of chemical energy, and the rate of energy transport is determined by the flow rate of the electroactive coolant. Since the power required for cooling is not included in FIG. 23, the pump power related to the transport of electroactive coolant is considered part of the cooling base and is not included in the efficiency comparison. Furthermore, in the case of a large current of about several kA, charge transport by forced convection of ions through a tube having a suitable diameter is more energy efficient and cost efficient than electron conduction by a metal wire. The coolant flow at the rack level avoids a significant pressure drop in the narrower flow path so that the final conversion of chemical energy to electrical energy is between the layers of the IC, eg 3D IC (processor level in FIG. 23). ) At a lower flow rate through the manifold to the server level until it occurs in the vicinity.
従来のアーキテクチャと比較して劇的に改善をもたらすデータ・センタの電気化学的電力給電の考えを用いると、プロセッサへの電力給電の効率は、77%と推定される。この電気化学的電力給電の考えを実行しやすくした主な理由は、従来のオンラインUPSシステムを除去したこと、および電気エネルギの代わりに化学エネルギの形態にて低電圧レベルで電力を分配する能力により、電力給電チェーンの多重変換ステップを回避したことにある。 Using the data center electrochemical powering concept that provides dramatic improvements compared to traditional architectures, the efficiency of powering the processor is estimated at 77%. The main reasons for making this electrochemical power supply idea easier to implement are the removal of traditional online UPS systems and the ability to distribute power at low voltage levels in the form of chemical energy instead of electrical energy. This is because the multiple conversion step of the power supply chain is avoided.
可溶性の電気活性種の形態の化学エネルギとして電気エネルギを貯蔵すること、および強制対流を用いたその電気エネルギへの変換は、レドックス・フロー電池(RFB:redox flow battery)、またはリバーシブル燃料電池の分野と関連付けてもよい。ガルバーニ電池のクラスに関する科学雑誌は入手可能であり、その商業用途はこれまで、主に分散型送電網のエネルギ貯蔵のほか、ピーク・シェービングおよび電力負荷平準化の目的を対象としていた(Bartolozzi 1989,de Leon 2006)。最もよく研究され、確立された系として、鉄−クロムRFB(Thaller 1979)および全バナジウム(Skyllas−Kazacos 1987)RFBがある。 The storage of electrical energy as chemical energy in the form of soluble electroactive species and the conversion to electrical energy using forced convection is the field of redox flow batteries (RFBs) or reversible fuel cells. May be associated. Scientific journals on the class of galvanic cells are available, and their commercial use has so far been primarily aimed at energy storage in distributed grids, as well as peak shaving and power load leveling (Bartolozzi 1989, de Leon 2006). The best studied and established systems include iron-chromium RFB (Thaller 1979) and total vanadium (Skylas-Kazacos 1987) RFB.
すでに言及したように、図21および23で提案した電気化学的電力給電の実施形態とは異なり、古典的なRFB系は、充電および放電動作を同じ電気化学セル(すなわち、図21のセル151、152に相当すると考えられる)で行うため、断続的な電力給電しか行うことができない。
As already mentioned, unlike the electrochemical power supply embodiments proposed in FIGS. 21 and 23, the classical RFB system uses the same electrochemical cell (ie,
低レイノルズ数での共層流に基づく膜のないコンフィグレーションおよび統合型マイクロリアクタの膜による燃料電池の考えを特徴とする、RFB電気化学のマイクロ流体分野への移行は、比較的最近研究が行われるようになったばかりである(Maynard 2002,Ferrigno 2002)。 The transition to the microfluidic field of RFB electrochemistry, characterized by a fuel cell concept with a membrane-less configuration based on co-laminar flow at low Reynolds number and an integrated microreactor membrane, is a relatively recent study (Maynard 2002, Ferrigno 2002).
従来のRFB科学技術、特にマイクロ流体の実装において、最大燃料利用率が重要な性能指標である点に注意されたい(たとえばKjeang 2007)。この文脈では、燃料利用率は一般に、電気活性溶液の1回の循環時に電気化学的プロセスにより電気エネルギに変換される化学エネルギの率と定義される。 Note that maximum fuel utilization is an important performance indicator in traditional RFB science and technology, especially in microfluidic implementations (eg Kjeang 2007). In this context, fuel utilization is generally defined as the rate of chemical energy that is converted to electrical energy by an electrochemical process during a single circulation of the electroactive solution.
本例の場合、いずにせよ冷却回路を駆動させることを目的としてポンプ動力を与える必要があるため、電力密度と比較して燃料利用率が主要な関心事ではないことが理解されよう。したがって、対流による物質輸送が、マイクロ流体RFBで通常考えられるよりかなり大きくならざるを得ない。溶液の電気化学的性能および熱除去性能のどちらにも、物質輸送の増強が寄与している点に留意されたい。さらに、従来のマイクロ流体RFBと比較してかなりの程度でICが小型化されたことも、組み込まれたガルバーニ電池のイオン抵抗の点から好ましく、これにより抵抗損が少なくなるため、電力密度を高めることができる。 It will be appreciated that in this example, fuel utilization is not a major concern compared to power density because pump power needs to be applied to drive the cooling circuit anyway. Therefore, mass transport by convection must be significantly greater than would normally be expected with microfluidic RFB. Note that the enhancement of mass transport contributes to both the electrochemical and heat removal performance of the solution. Furthermore, it is also preferable from the viewpoint of the ionic resistance of the built-in galvanic cell that the IC is miniaturized to a considerable extent as compared with the conventional microfluidic RFB, which increases the power density because resistance loss is reduced. be able to.
要約すると、提案した冷却/電気化学的電力給電を組み合わせた戦略は、ICへの電力給電に対応することにより同時に液体冷却基盤を利用する大きな可能性を有する。この考えで得られる主な利点として、チップおよび設備規模での電力給電基盤の簡素化によるバンド幅および効率の改善が挙げられる。 In summary, the proposed cooling / electrochemical power feed strategy has great potential to simultaneously utilize a liquid cooling platform by accommodating power feed to the IC. The main advantage gained from this idea is an improvement in bandwidth and efficiency by simplifying the power supply infrastructure on chip and facility scale.
一方、図21で提案した実施形態の欠点には、アノードおよびカソード反応のために2つの異なる電気活性種が必要とされること、および2つの貯蔵タンクが必要とされることがある。これは重大な障害ではないが、これにより構成の複雑さが増す。レドックス・フロー電池のもう1つの問題となる要素は、半透過性膜が必要とされることである(de Jong 2006)。 On the other hand, the disadvantage of the embodiment proposed in FIG. 21 is that two different electroactive species are required for the anode and cathode reactions and two storage tanks are required. This is not a significant obstacle, but this increases the complexity of the configuration. Another problematic element of redox flow batteries is that a semi-permeable membrane is required (de Jong 2006).
このため、他の実施形態では、膜をなくしており、その代わりに本発明の実装は、変換ゾーンの端で再び分かれる平行な層流に依存する(図18を参照)。しかしながら、このアプローチは、共層流に厳密に限定され(Kjeang 2009)、TSVを使用したアレイには若干実装しにくいことがある。 For this reason, in other embodiments, the membrane is eliminated, and instead the implementation of the present invention relies on parallel laminar flow that separates again at the end of the conversion zone (see FIG. 18). However, this approach is strictly limited to co-layered flow (Kjang 2009) and may be somewhat difficult to implement in arrays using TSV.
前に述べたように、他の実施形態では、電極は、特定のアノードおよびカソード反応が同じ溶液内の電極で選択的に起こるように機能する(図19を参照)。しかしながら、このアプローチは、触媒選択性に限界があるため1Vの反応には実装しにくいことがある(Mano 2003)。このアプローチは、より低い電圧には実装しやすくなる。 As previously mentioned, in other embodiments, the electrodes function such that certain anodic and cathodic reactions occur selectively with electrodes in the same solution (see FIG. 19). However, this approach can be difficult to implement for 1 V reactions due to limited catalyst selectivity (Mano 2003). This approach is easier to implement at lower voltages.
最後に重要なことは、電気化学的電力供給の有益な作用は、電力供給が直接的な熱の再利用に必要とされるため、システムを高温で動作させると増大することができることである。たとえば、加熱用途での熱エネルギの再利用は、コンピュータ・システムのエネルギ効率を一層向上させる。40K温度の上昇と効率的な物質輸送の増強とが組み合わさると、電気化学反応速度が3〜4桁増加する。こうした組み合わせは、チップ・スタックのチップに十分な電力を供給する非常に高い電力密度が必要とされる用途に特に都合がよいと考えられる。 Last but not least, the beneficial effect of electrochemical power supply is that it can be increased when the system is operated at high temperatures because the power supply is required for direct heat reuse. For example, the reuse of thermal energy in heating applications further increases the energy efficiency of computer systems. The combination of a 40K temperature increase and efficient mass transport enhancement increases the electrochemical reaction rate by 3-4 orders of magnitude. Such a combination may be particularly advantageous for applications where a very high power density is required to supply sufficient power to the chips in the chip stack.
上記の発明の少なくとも一部(たとえば、流体の対流制御)の実装に必要なコンピュータ・プログラム・コードは、高度な(たとえば、手続き型またはオブジェクト指向)プログラミング言語で実装しても、あるいは必要に応じてアセンブリ言語または機械語で実装してもよい。どのような場合も、言語は、コンパイラ型言語でも、またはインタープリタ型言語でもよい。好適なプロセッサとして汎用および専用マイクロプロセッサが挙げられる。装置、端末機、サーバまたは受信端末が行う動作は、プログラム可能なプロセッサにより実行される機械読み取り可能な記憶装置に実体的に具体化されたコンピュータ・プログラム製品に記憶してもよく、本発明の方法ステップは、本発明の機能を実施する命令を実行する1つまたは複数のプログラム可能なプロセッサにより行ってもよいことに留意されたい。 The computer program code required to implement at least a portion of the above invention (eg, fluid convection control) may be implemented in a sophisticated (eg, procedural or object oriented) programming language, or as required It may be implemented in assembly language or machine language. In any case, the language may be a compiled language or an interpreted language. Suitable processors include general purpose and special purpose microprocessors. The operations performed by the device, terminal, server, or receiving terminal may be stored in a computer program product tangibly embodied in a machine-readable storage device executed by a programmable processor. Note that method steps may be performed by one or more programmable processors executing instructions that implement the functionality of the present invention.
より一般的には、上記の発明は、少なくとも一部をデジタル電子回路に実装しても、またはコンピュータ・ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせに実装してもよい。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリもしくはランダム・アクセス・メモリまたはその両方からの命令およびデータを取得する。コンピュータ・プログラムの命令およびデータを実体的に具体化するのに好適な記憶装置として、不揮発性メモリのあらゆる形態、例としてEPROM、EEPROM、フラッシュ・メモリ装置または他のものなどの半導体記憶装置が挙げられる。 More generally, the above invention may be implemented at least in part in digital electronic circuitry, or may be implemented in computer hardware, firmware, software, or a combination thereof. Generally, a processor will get instructions and data from a read-only memory or a random access memory or both. Suitable storage devices for tangibly embodying computer program instructions and data include any form of non-volatile memory, such as semiconductor storage devices such as EPROM, EEPROM, flash memory devices or others. It is done.
本発明について、ある種の実施形態を参照しながら記載してきたが、当業者であれば、様々な変更を行うことができ、本発明の範囲から逸脱しない範囲で等価物を代わりに用いてもよいことが理解されるであろう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の本教示内容に適合させるため、多くの修正を行ってもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではないが、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むことを意図している。たとえば、電解質溶液に接触する電極は、表面積の拡大、および拡散による物質輸送の増強を達成するため従来の微細構造技術を用いて構成してもよい。いわゆる乱流プロモータなどの別の特徴は、対流による電極への物質輸送を促進するため電極の近くに設けてもよい。これは、高電力密度に都合がよい。 Although the invention has been described with reference to certain embodiments, those skilled in the art can make various modifications and equivalents instead without departing from the scope of the invention. It will be appreciated. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the present teachings of the invention without departing from the scope of the invention. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments disclosed, but the invention is intended to include all embodiments within the scope of the appended claims. For example, the electrode in contact with the electrolyte solution may be constructed using conventional microstructure techniques to achieve increased surface area and enhanced mass transport by diffusion. Other features, such as so-called turbulence promoters, may be provided near the electrode to facilitate mass transport to the electrode by convection. This is advantageous for high power density.
Claims (15)
−下記を含む層構造体と、
−前記層構造体の層(11、16)上に配置された電極(17)、および
−前記電極と電気的に接続された集積回路(16)、
−1つまたは複数の流体回路部(19、19’、191’、192’)であって、可溶性の電気活性種を含むそれぞれの電解質溶液(31、32)を少なくとも1つ受け入れ、かつ前記溶液を前記電極(17)の少なくともいくつかに接触させて、動作中の前記集積回路に電力を供給するように各々が構成された流体回路部と
を含む集積回路パッケージ。 An integrated circuit package (10a-10n),
A layer structure comprising:
An electrode (17) disposed on the layer (11, 16) of the layer structure, and an integrated circuit (16) electrically connected to the electrode,
One or more fluid circuit parts (19, 19 ′, 19 1 ′, 19 2 ′), each receiving at least one electrolyte solution (31, 32) comprising soluble electroactive species, and An integrated circuit package comprising a fluid circuit portion each configured to bring the solution into contact with at least some of the electrodes (17) to provide power to the integrated circuit in operation.
−2つの電解質溶液(31、32)を受け入れ、好ましくは、前記1つまたは複数の流体回路部の前記2つの電解質溶液を隔てるように配置された膜を含み、かつ
−前記2つの電解質溶液が前記電極のそれぞれのサブセットに接触し、前記サブセットの1つはカソードを含み、前記サブセットの別の1つはアノードを含み、それによりデュアル・フロー・レドックス系を形成する
ように構成される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の集積回路パッケージ。 The one or more fluid circuit portions (19, 19 ′, 19 1 ′, 19 2 ′)
-Receiving two electrolyte solutions (31, 32), preferably comprising a membrane arranged to separate the two electrolyte solutions of the one or more fluid circuit sections; and-the two electrolyte solutions Contacting each respective subset of the electrodes, wherein one of the subsets includes a cathode and another one of the subsets includes an anode, thereby configured to form a dual flow redox system. Item 10. The integrated circuit package according to any one of Items 1 to 9.
−前記それぞれの電解質溶液は、その酸化型および還元型の両方に可溶性であるレドックス対、好ましくは前記集積回路への電力供給に使用される電位範囲でレドックス過程を示さない支持電解質、およびレドックス電位および/または前記レドックス対の可逆性を調整するための添加剤を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の集積回路パッケージ。 Each of the one or more fluid circuit portions is filled with a respective electrolyte solution;
The respective electrolyte solution is a redox couple that is soluble in both its oxidized and reduced forms, preferably a supporting electrolyte that does not exhibit a redox process in the potential range used to power the integrated circuit, and a redox potential; The integrated circuit package according to claim 1, comprising an additive for adjusting reversibility of the redox couple.
−以下のレドックス対:Fe2+/Fe3+、V2+/V3+、VO2+/VO2 +、Ce3+/Ce4+、Co2+/Co3+、Cr2+/Cr3+、Ti3+/TiOH3+、Cr3+/Cr2O7 2−、BH4 −/BO2、OH−/H2O2、Br−/Br3−、Mn2+/Mn3+、Ru2+/Ru3+のいずれか1つまたはその誘導体、および
−アセテート、o−フェナントロリン、メチルフェナントロリン、ジメチルフェナントロリン、ビピリジン、エチレンジアミンなどの添加剤
を含み、
前記それぞれの電解質溶液は、好ましくは溶媒として以下の支持電解質:H2SO4、HCl、Na2SO4、NaCl、NaOH、K2SO4、KOHおよび水のいずれか1つを含む、
請求項12に記載の集積回路パッケージ。 Each of the electrolyte solutions is
- following redox couples: Fe 2+ / Fe 3+, V 2+ / V 3+, VO 2+ / VO 2 +, Ce 3+ / Ce 4+, Co 2+ / Co 3+, Cr 2+ / Cr 3+, Ti 3+ / TiOH 3+, Cr 3+ / Cr 2 O 7 2-, BH 4 - / BO 2, OH - / H 2 O 2, Br - / Br 3-, Mn 2+ / Mn 3+, any one or a derivative of Ru 2+ / Ru 3+ And-containing additives such as acetate, o-phenanthroline, methylphenanthroline, dimethylphenanthroline, bipyridine, ethylenediamine,
Each of the electrolyte solutions preferably includes any one of the following supporting electrolytes as a solvent: H 2 SO 4 , HCl, Na 2 SO 4 , NaCl, NaOH, K 2 SO 4 , KOH and water.
The integrated circuit package according to claim 12.
−前記少なくとも1つの集積回路パッケージの1つまたは複数の流体回路部(19、19’、191’、192’)と流体連通(111、112、19i、19o)した電気化学的電力給電ユニット(110)であって、動作中の前記少なくとも1つの集積回路パッケージの電力供給の必要性に従い、前記少なくとも1つの集積回路パッケージの前記流体回路部の1つまたは複数の電解質溶液(31、32)の対流を制御するように構成された対流ユニット(141、142)をさらに含む、前記電気化学的電力給電ユニットと
を含むコンピュータ・システム。 At least one integrated circuit package (10a to 10n) according to any one of claims 1 to 13;
An electrochemical power supply unit in fluid communication (111, 112, 19i, 19o) with one or more fluid circuit parts (19, 19 ′, 19 1 ′, 19 2 ′) of the at least one integrated circuit package; (110) one or more electrolyte solutions (31, 32) of the fluid circuit portion of the at least one integrated circuit package according to the need for power supply of the at least one integrated circuit package in operation A computer system comprising the electrochemical power supply unit further comprising a convection unit (141, 142) configured to control convection of the convection.
−請求項1〜13のいずれか1項に記載の集積回路パッケージを含むコンピュータ・システムを用意し(S100)、
−前記少なくとも1つの集積回路パッケージのそれぞれの流体回路部の少なくとも1つの電解質溶液を、前記少なくとも1つの集積回路パッケージの前記電極の少なくともいくつかに接触させることにより前記集積回路に電力を供給する(S200〜S300)
ステップを含む方法。 A method of operating a computer system, comprising:
-A computer system including the integrated circuit package according to any one of claims 1 to 13 is prepared (S100),
Supplying power to the integrated circuit by bringing at least one electrolyte solution of a respective fluid circuit portion of the at least one integrated circuit package into contact with at least some of the electrodes of the at least one integrated circuit package ( (S200-S300)
A method comprising steps.
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