DE69323724T2 - Kühlkörper für Halbleiteranordnung - Google Patents

Kühlkörper für Halbleiteranordnung

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit hoher Integrationsdichte, welche ein Halbleiterelement mit niedriger Strahlungseffizienz effektiv kühlen kann.
  • Eine herkömmliche Halbleitervorrichtung, die hauptsächlich eine Vielzahl von Halbleiterelementen aufweist, die auf einer Leiterplatte, wie beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte oder einer keramischen Leiterplatte montiert sind, verbraucht viel Leistung und ist gemischt mit Halbleiterelementen, die eine hohe Leistung verbrauchen und stark exotherm sind (hierin nachfolgend "exothermisches Element" oder "exothermisches Halbleiterelement" genannt), und mit Halbleiterelementen mit geringerem Leistungsverbrauch als das exothermische Element und mit nicht so stark exothermischen Eigenschaften (hierin nachfolgend "IC-Element" genannt) ausgestattet. Normalerweise sind die Packungen aller exothermischer Elemente mit Wärmesenken, wie beispielsweise Kühlflossen, versehen. In letzter Zeit ist die exothermische Dichte aufgrund eines Erhöhens der Integration des Halbleiterelements selbst und eines Erhöhens der Dichte der Integration von Halbleiterelementen merklich angestiegen. Demgemäß ist das Kühlen der Halbleitervorrichtung ein ernsthaftes Problem.
  • Ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung mit der herkömmlichen Kühlstruktur wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 (Draufsicht) und Fig. 2 (Teil-Querschnittsansicht) beschrieben. Einige Halbleitervorrichtungen sind in ein einziges System kombiniert, das eine vorbestimmte Funktion hat. Das System ist mit einer Kühlvorrichtung zum zwangsweisen Erzeugen eines Luftstroms versehen. Die Kühlvorrichtung führt einen Luftwind in das System ein, um dadurch durch eine an einer vorbestimmten Position innerhalb des Systems angeordnete Halbleitervorrichtung erzeugte Wärme zu dissipieren, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
  • Ein Verdrahtungsmuster, wie beispielsweise eine Cu-Schicht, ist auf einer Hauptoberfläche einer Leiterplatte 15, wie beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte (PCB) ausgebildet. Auf der Leiterplatte 15 montierte Halbleiterelemente sind mit dem Verdrahtungsmuster verbunden. Auf der Leiterplatte 15 ist ein exothermisches Element 11 an einer Position angeordnet, wo der Luftstrom am effektivsten verwendet werden kann. Ein IC-Element 12 und periphere Schaltungen (nicht gezeigt) sind auf dem anderen Bereich ausgebildet. Eine Kühlflosse 13 mit hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften ist an der Oberfläche des Pakets des exothermischen Elements 11 angebracht, wie beispielsweise einer CPU, welche in bezug auf thermische Eigenschaften am überlegtesten entworfen sein muß. Die Kühlflosse 13 empfängt einen Luftstrom 16, der von einer Kühlvorrichtung 20 erzeugt wird, die an dem System angebracht ist, wodurch Wärme vom exothermischen Element 11 abgestrahlt wird. Das IC-Element 12, wie beispielsweise ein Speicher mit nicht so hohen exothermischen Eigenschaften ist nicht mit einer Kühlflosse ausgestattet. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Halbleiterchip 5 im IC-Element 12 durch eine Harzgußpackung 6 überzogen und geschützt. Die Harzgußpackung 6 kann durch eine Keramikpackung oder durch eine laminierte Keramikpackung ersetzt werden. Der Halbleiterchip 5 ist an einem Chipmontageteil 7 fixiert, der aus einem Leitungsrahmen ausgebildet ist, und der Chip 5 und die Leitungen 8 des Leitungsrahmens sind durch Bondierungsdrähte 9 verbunden. Der Halbleiterchip 5 sowie der Chipmontageteil 7, die Bondierungsdrähte 9 und Teile der Leitungen 8 sind im Paket 6 untergebracht. Bei diesem Stand der Technik ist ein laminiertes Keramikpaket für das exothermische Element 11 verwendet.
  • Im laminierten Keramikpaket kann deshalb, weil eine Verdrahtung auf laminierten Keramiksubstraten ausgebildet werden kann, eine Mehrschichtenverdrahtung ausgebildet werden, und ein exothermisches Element mit hoher Integrationsdichte kann montiert werden. Die Kühlflosse 13 ist an der unteren Oberfläche (in Richtung nach oben) des laminierten Keramikpakets 2 angebracht, das beispielsweise aus Aluminium ausgebildet ist. Das Paket 2 ist aus einem laminierten Keramikmaterial hergestellt, und Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) sind zwischen Schichten des Keramikmaterials ausgebildet. Wenn die Halbleiterelemente mit höherer Dichte integriert sind, steigt die Anzahl laminierter Schichten an. Ein Halbleiterchip 1 ist an einem Mittenteil des Pakets 2 montiert. Die innerhalb des Halbleiterchips 1 ausgebildete integrierte Schaltung und das innerhalb des Pakets 2 ausgebildete laminierte Verdrahtungsmuster sind durch Bondierungsdrähte 3 verbunden. Pinleitungen (PGA: Pin Grid Array = Pin-Gitteranordnung) 4, die auf jener Oberfläche des Pakets 2 vertikal nach oben stehen, die der Leiterplatte 15 gegenüberliegt, werden als Einrichtung zur Verbindung zwischen den Verdrahtungsmustern und externen Schaltungen verwendet. Eine Vielzahl von Anordnungen von Pinleitungen 4 ist entlang jeder Seite des Pakets 2 angeordnet. Die Spitzenenden der Pinleitungen 4 sind mit einer Verdrahtung (nicht gezeigt) verbunden, die auf der Leiterplatte 15 ausgebildet ist.
  • Wenn die exothermische Dichte der Halbleiterelemente gemäß der Verbesserung der Integrationsdichte von Halbleiterelementen selbst und der Bestückungsdichte der Halbleitervorrichtungen merklich ansteigt, wie es oben angegeben ist, wird es nötig, mit der Wärme der IC-Elemente selbst dann fertig zu werden, wenn die Wärmemenge gering ist, und zwar insbesondere in dem Fall, wo die IC-Elemente auf jenem Bereich der Leiterplatte angeordnet sind, der eine geringe Wärmeabstrahlungseffizienz hat. Beispielsweise wird in den Fig. 1 und 2 ein Wind 16 von der Kühlvorrichtung 20 von links nach rechts geblasen. Der Wind, der das exothermische Element 11 auf der Leiterplatte 15 durchlaufen hat, hat die Wärme des exothermischen Elements absorbiert und seine Temperatur hat sich erhöht. Somit ist die Effizienz der Absorption von Wärme von den IC-Elementen 12, die rechts vom exothermischen Element angeordnet sind, gering. Obwohl die Wärme der IC-Elemente 12, die auf der linken Seite des exothermischen Elements 11 angeordnet sind, in ausreichendem Maß absorbiert wird, wird die Wärme der IC-Elemente 12, die auf der rechten Seite des exothermischen Elements 11 angeordnet sind, nicht in ausreichendem Maß absorbiert, und folglich verschlechtern sich die Kennlinien der Halbleitervorrichtung. Insbesondere bei der höheren Operationsgeschwindigkeit und der höheren Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung kann es einen Fall geben, bei welchem selbst IC-Elemente mit einem Leistungsverbrauch, der niedriger als ein vorbestimmter Leistungsverbrauch eines exothermischen Elements ist, effizient gekühlt werden müssen, um die Zuverlässigkeit des gesamten Systems zu erhöhen. Insbesondere gibt es zum Erhöhen der Bestückungsdichte mit Elementen die Neigung, einen Speicher, wie beispielsweise einen SRAM, nahe einer CPU anzuordnen, wo die Kühleffizienz sehr niedrig ist. Obwohl die erzeugte Wärme behandelt werden muß, ist die Wärme noch nicht in ausreichendem Maß behandelt worden.
  • Jedoch ist es nicht praktisch, eine Wärmesenke an jedes der Halbleiterelemente anzubringen oder eine Wärmesenke gemeinsam an alle Halbleiterelemente einer Halbleitervorrichtung anzubringen, da dies eine Kostenerhöhung, eine Verringerung der Bestückungsdichte und eine Komplexität bei der Struktur verursacht.
  • PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 9, Nr. 118 (E-316) 23/05/85; % JP-A-60 007154 offenbart, Halbleitervorrichtungen zu haben, die eine gemeinsame Wärmesenke und ein wärmeleitendes Hilfselement haben, wobei das niedrigere wärmeleitende Hilfselement zwischen der Vorrichtung und der Leiterplatte angeschlossen ist.
  • PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Bd. 11, Nr. 171 (E-512) 02/06/87; & JP-A-62 004349 offenbart ein Wärmerohr, von dem ein Ende in einer Vertiefung in einem Adapter angeordnet ist, und von dem das andere Ende an einem kollektiven Wärmedissipationskörper fixiert ist, der auf einem Substrat angebracht ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kühleffekt des Halbleiterelements effektiv zu erhalten, und die Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung gelöst, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist. Der Anspruch 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der Halbleitervorrichtung des Anspruchs 1.
  • Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile erhalten werden:
  • Die Ausstrahlungseigenschaften des an der Position angeordneten IC-Elements, wo der Kühleffekt sehr gering ist, werden sehr stark erhöht, und weiterhin kann die Integrationsdichte der gesamten Halbleitervorrichtung sehr stark erhöht werden.
  • Bei der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung mit dieser Struktur kann der Kühleffekt des Halbleiterelements, das einen geringen zulässigen Leistungsverbrauch hat und in einer derartigen Position angeordnet ist, daß das Halbleiterelement der Kühlluft kaum ausgesetzt wird, erhöht werden.
  • Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
  • Fig. 1 eine Draufsicht ist, die die Anordnung von Elementen auf einer Halbleiter-Leiterplatte zeigt, die innerhalb eines herkömmlichen Kühlsystems angeordnet ist;
  • Fig. 2 eine Teil-Querschnittsansicht ist, die eine herkömmliche Halbleitervorrichtung mit einer Basisplatte zeigt, auf der Halbleiterelemente und ein Kühlventilator montiert sind;
  • Fig. 3 eine Draufsicht ist, die die Anordnung der Elemente auf eine Halbleiter-Leiterplatte zeigt, die innerhalb eines Kühlsystems angeordnet ist;
  • Fig. 4 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • Fig. 5 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
  • Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
  • Fig. 7 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • Fig. 8 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • Fig. 9 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • Fig. 10 eine Ansicht ist, die eine Anordnung von zwei Halbleitervorrichtungen innerhalb des Kühlsystems zeigt;
  • Fig. 11 eine Seitenansicht ist, die schematisch ein Beispiel der Struktur einer Kühlflosse zeigt, die an einem Halbleiterelemente oder einem exothermischen Element angebracht ist;
  • Fig. 12 eine Draufsicht ist, die die in Fig. 11 gezeigte Kühlflosse zeigt;
  • Fig. 13 eine Vorderansicht ist, die schematisch die Struktur einer Halbleitervorrichtung mit einer sogenannten rechteckigen Kühlflosse zeigt, die am Halbleiterelement oder am exothermischen Element angebracht ist;
  • Fig. 14 eine Ansicht ist, die schematisch die Struktur der Halbleitervorrichtung zeigt, und zwar mit der in Fig. 13 gezeigten rechteckigen Kühlflosse von ihrer Seitenfläche aus gesehen; und
  • Fig. 15 ein Beispiel zeigt, wobei eine in dem Paket ausgebildete Verdrahtung und eine auf der Leiterplatte ausgebildete Verdrahtung mittels Leitungen verbunden sind.
  • Nun werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und nicht gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. Fig. 3 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung zeigt, die innerhalb eines Systems angeordnet ist, und Fig. 4 ist eine Teil-Seitenansicht, die diese Halbleitervorrichtung zeigt. Eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen ist kombiniert, um ein einzelnes System mit einer vorbestimmten Funktion zu bilden. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist dieses System mit einer Kühlvorrichtung 20 zum zwangsweisen Erzeugen eines Luftstroms 16 ausgerüstet. Der Luftstrom 16 wird innerhalb des Systems durch die Kühlvorrichtung 20 erzeugt, um dadurch von den Halbleitervorrichtungen erzeugte Wärme zu eliminieren. Ein Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) wie beispielsweise ein Cu- Muster, ist auf einer Hauptoberfläche einer Leiterplatte 15, wie beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte (PCB), ausgebildet. Halbleiterelemente, die darauf montiert sind, sind mittels diesem Verdrahtungsmuster verbunden. Ein exothermisches Element 11 ist auf der Leiterplatte 15 bei einer derartigen Position angeordnet, daß der Luftstrom 16 effektiv verwendet werden kann, und integrierte Schaltungs- (IC)-Elemente und periphere Schaltungen (nicht gezeigt) sind auf anderen Bereichen auf der Leiterplatte (15) ausgebildet. Die Packungsoberfläche des exothermischen Elements 11 (z. B. CPU), das in bezug auf thermische Eigenschaften besonders sorgfältig entworfen werden muß, ist mit einer Kühlflosse 13 ausgestattet, die beispielsweise aus Aluminium mit hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften hergestellt ist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Die Kühlflosse 13 empfängt den Luftstrom 16, der von der Kühlvorrichtung 20 erzeugt wird, die an das System angebracht ist, um dadurch die Wärme des exothermischen Elements 11 zu dissipieren.
  • Jedes IC-Element 12, wie beispielsweise ein Speicher, mit nicht so hohen exothermischen Eigenschaften, ist nicht mit einer Kühlflosse ausgestattet. Wie es in der Draufsicht der Fig. 3 gezeigt ist, empfangen die IC-Elemente 12, die auf der linken Seite der exothermischen Elemente 11 angeordnet sind, den Luftstrom 16 mit guten Kühleigenschaften. Jedoch werden die Wärmeabstrahlungseigenschaften der IC-Elemente 12, die auf der rechten Seite der exothermischen Elemente 11 angeordnet sind, aufgrund des Vorhandenseins der Luft 16 verschlechtert, deren Temperatur aufgrund der Wärme des exothermischen Elements 11 angestiegen ist. Zum Lösen dieses Problems sind bei diesem Ausführungsbeispiel wärmeleitende Hilfselemente 14, wie beispielsweise Aluminiumbänder, an den IC-Elementen 12 angebracht, die auf jenem Bereich der Leiterplatte 15 angeordnet sind, deren Wärmeabstrahlungseigenschaften nicht gut sind. Distale Endabschnitte der Hilfselemente 14 sind mit der Kühlflosse 13 des exothermischen Elements 11 verbunden, das neben den IC- Elementen angeordnet ist. Somit werden die Wärmeabstrahlungseigenschaften der IC-Elemente 12 in diesem Bereich erhöht. Fig. 4 ist eine Teil-Seitenansicht jenes Bereichs der Leiterplatte 15, der das exothermische Element 11 enthält. Die Kühlflosse 13 ist an der Bodenfläche (die nach oben schaut) des laminierten Keramikpakets 2 angebracht, das beispielsweise aus Aluminium hergestellt ist. Das Paket 2 weist laminierte Keramikschichten auf, und Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) sind zwischen den Schichten ausgebildet. Demgemäß erhöht sich dann, wenn die Integrationsdichte der Halbleiterelemente erhöht wird, die Anzahl von Laminierungsschichten. Ein Halbleiterchip 1 ist in der Mitte des Pakets 2 angebracht.
  • Ein im Halbleiterchip 1 ausgebildeter IC ist mit den im Paket 2 ausgebildeten laminierten Verdrahtungsmustern mittels Bondierungsdrähten 3 verbunden. Pinleitungen (PGA) 4, die auf jener Oberfläche des Pakets 2 vertikal nach oben stehen, die der Leiterplatte 15 gegenüberliegt, werden als Einrichtung zur Verbindung zwischen den Verdrahtungsmustern und externen Schaltungen verwendet. Eine Vielzahl von Anordnungen von Pinleitungen 4 ist entlang jeder Seite des Pakets 2 angeordnet. Diese Anordnungen können entlang einem einzelnen Paar von gegenüberliegenden Seiten allein angeordnet sein. Die Spitzenenden der Pinleitungen 4 sind mit einer Verdrahtung (nicht gezeigt) verbunden, die auf der Leiterplatte 15 ausgebildet ist. Das Paket 2 für das exothermische Element 11 kann ein Keramikpaket sein, das beispielsweise aus Aluminium hergestellt ist, oder ein Harzgußpaket. IC-Elemente 12, wie beispielsweise Speicher eines SRAM, von welchem der Leistungsverbrauch gering ist, sind auf der Leiterplatte 15 in der Nähe des exothermischen Elements 11 angebracht. In jedem IC-Element 12 ist der Halbleiterchip 5 durch ein Harzgußpaket 6 überzogen und geschützt. Der Chip 5 ist beispielsweise auf einem Leitungsrahmen montiert. Der Halbleiterchip 5 ist an einen Chipmontageabschnitt 7 des Leitungsrahmens angebracht, und der Chip 5 und ein Ende jeder Leitung 8 des Leitungsrahmens sind mittels eines Bondierungsdrahtes 9 verbunden.
  • Der Bondierungsdraht 9, ein Ende jeder Leitung 8 und der Chipmontageabschnitt sind auch durch einen Harzguß überzogen und geschützt. Das andere Ende der Leitung 8 ist mit dem Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 15 verbunden. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist das IC-Element 12 durch Verwenden des Harzgußpakets 6 ausgebildet, wobei der an dem Leitungsrahmen angebrachte Halbleiterchip 5 harzgegossen ist, aber das Harzgußpaket 6 kann durch ein Keramikpaket oder ein laminiertes Keramikpaket ersetzt werden. Die wärmeleitenden Hilfselemente 14 sind an die IC- Elemente 12 angebracht, die auf der stromabwärtigen Seite des exothermischen Elements 11 in der Richtung des Luftstroms 16 angeordnet sind, wo die Wärmeabstrahlungseffizienz verschlechtert ist.
  • Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit für die wärmeleitenden Hilfselemente enthalten ein Metall, wie beispielsweise Cu oder Al als anorganisches Material, und ein Nitrid, wie beispielsweise AIN. Es ist auch möglich, ein organisches isolierendes Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu verwenden, wie beispielsweise ein Silberpartikel-dispergiertes Epoxyharz oder ein einkapselndes Harz. Zusätzlich ist die Form des wärmeleitenden Hilfselements nicht auf ein lineares Band beschränkt, wie es beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, sondern kann ein U-förmiges Band oder ein V-förmiges Band sein, oder eine Blattfeder. Die Bänder der wärmeleitenden Hilfselemente, die in den Figuren gezeigt sind, haben unterschiedliche Längen. Jedoch können die Längen der Bänder auf einer einzigen Leiterplatte einheitlich ausgeführt werden. Wenn das Band zu lang ist, wird eine Verdrahtung beim Herstellungsprozeß schwierig, und die Halbleitervorrichtungen müssen vorsichtig behandelt werden.
  • Nun wird ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 5 ist eine Teil-Seitenansicht der Halbleitervorrichtung. Gleich der in Fig. 3 gezeigten Halbleitervorrichtung (Draufsicht), sind das exothermische Element 11 und die IC-Elemente 12 auf der Leiterplatte 15 montiert. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, daß MCM-(Mehrchipmodul)-Typ- Halbleiterelemente verwendet werden, wobei IC-Elemente auf dem Paket des exothermischen Elements 11 angebracht sind. Es muß nicht gesagt werden, daß einige IC-Elemente 12 direkt auf der Leiterplatte 15 angebracht sind. Die Leiterplatte 15 ist beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte (PCB) und beispielsweise ist eine Cu-Schicht als Verdrahtungsmuster auf eine Hauptoberfläche der Leiterplatte ausgebildet. Die Halbleiterelemente sind mit dem Verdrahtungsmuster verbunden.
  • Die Paketoberfläche des exothermischen Elements 11 (z. B. der CPU), die in bezug auf thermische Eigenschaften äußerst sorgfältig entworfen werden muß, ist mit einer Kühlflosse 13 mit hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften ausgestattet. IC- Elemente 12, wie beispielsweise Speicher, mit nicht so hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften, die in der Nähe des exothermischen Elements 11 angeordnet sind, sind auf einem Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) angebracht, das auf der Oberfläche des Paketes des exothermischen Elements 11 ausgebildet ist. Zusätzlich können solche IC-Elemente 12 direkt auf der Leiterplatte 15 ausgebildet sein. Wärmeleitende Hilfselemente 14, die beispielsweise aus Aluminiumbändern mit guter thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind, sind auf den Paketen der IC-Elemente 12 angebracht. Die wärmeleitenden Hilfselemente 14 sind mit gewünschten Abschnitten der Kühlflosse 13 verbunden.
  • Mit dieser Struktur kann das Integrationsmaß der Halbleitervorrichtung merklich erhöht werden, um die Kühleffizienz der IC-Elemente 12, die auf dem Bereich mit einer sehr niedrigen Kühleffizienz angeordnet sind, kann stark erhöht werden. Die wärmeleitenden Hilfselemente 14 sind jedoch nicht an IC-Elementen 12 angebracht, die auf der Leiterplatte 15 bei Bereichen angeordnet sind, die sehr weit vom exothermischen Element 11 entfernt sind (siehe Fig. 3), da diese IC-Elemente 12 einem Luftstrom 16 ausgesetzt sind. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Kühlflosse 13 beispielsweise aus Aluminium hergestellt. In dem Fall, in dem die Kühlflosse 13 und die wärmeleitenden Hilfselemente 14 aus demselben Material hergestellt sind, wie es oben angegeben ist, können die wärmeleitenden Hilfselemente 14 entlang der Kühlflosse 13 als eine Einheit ausgebildet sein. Das IC- Element 12 ist zwischen dem wärmeleitenden Hilfselement 14, das am Boden der Kühlflosse 13 angebracht ist, und dem Paket 2 des exothermischen Elements angeordnet, und das IC-Element 12 ist mit sowohl dem Paket 2 als auch dem wärmeleitenden Hilfselement 14 verbunden. Das wärmeleitende Hilfselement 14 ist nicht auf das Band beschränkt, sondern kann eine U- förmige Feder oder eine V-förmige Feder sein, die aus einer Aluminiumplatte ausgebildet ist. Das IC-Element 12 ist in einem Harzgußpaket eingemantelt, und zwar mit derselben Struktur wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Somit ist das Paket allein gezeigt und die Beschreibung der inneren Teile ist weggelassen. Das exothermische Element 11 hat dieselbe Struktur wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel ist geeignet auf eine Halbleitervorrichtung mit geringer Größe und hoher Dichte anwendbar, da die IC-Elemente 12 auf dem exothermischen Element 11 montiert sind.
  • Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Fig. 6 ist eine Teil-Seitenansicht der Halbleitervorrichtung. Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die MCM-Typ- Halbleiterelemente verwendet, wobei IC-Elemente 12 auf dem laminierten Keramikpaket 2 des exothermischen Elements 11 harzgegossen sind. Es muß nicht gesagt werden, daß einige IC- Elemente direkt an der Leiterplatte 15 angebracht sind. Die Leiterplatte 15 ist beispielsweise eine PCB, und eine Cu- Schicht ist als ein Verdrahtungsmuster auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte 15 ausgebildet. Die IC- Elemente 12 sind mit dem Verdrahtungsmuster verbunden. Die Paketoberfläche des exothermischen Elements 11 (z. B. CPU) ist mit einer Kühlflosse 13 mit hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften ausgestattet. IC-Elemente 12, wie beispielsweise Speicher, mit nicht so hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften, die in der Nähe des exothermischen Elements 11 angeordnet sind, sind auf einem Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) angebracht, das auf der Oberfläche des Pakets 2 des exothermischen Elements 11 ausgebildet ist. Zusätzlich können solche IC-Elemente 12 direkt auf der Leiterplatte 15 ausgebildet sein. Beim dritten Ausführungsbeispiel sind die wärmeleitenden Hilfselemente 14 dadurch charakterisiert, daß sie aus einem organischen Material ausgebildet sind. Nachdem das IC-Element 12 auf dem exothermischen Element 11 angebracht ist, wird ein isolierendes Epoxydharz, in welches beispielsweise Silberpartikel gemischt sind, injiziert, und das injizierte Material wird als wärmeleitendes Hilfselement 14 verwendet. Das Epoxydharz kann durch ein einkapselndes Harz ersetzt werden. In diesem Fall kann das Harz auf einen kleineren Raum angewendet werden, als in dem Fall eines festen wärmeleitenden Hilfselements 14. Weiterhin ist das Anbringen einfacher als in dem Fall des festen Elements.
  • Mit dieser Struktur kann die Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung merklich erhöht werden, und die Kühleffizienz der IC-Elemente 12, die auf dem Bereich mit einer sehr geringen Kühleffizienz angeordnet sind, kann sehr stark erhöht werden.
  • Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Fig. 7 ist eine Teil-Seitenansicht der Halbleitervorrichtung. Eine Cu-Schicht ist als ein Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte 15 ausgebildet. Ein exothermisches Element 11 und ein IC-Element 12 sind mit dem Verdrahtungsmuster verbunden. Die Oberfläche des laminierten Keramikpakets des exothermischen Elements 11, wie beispielsweise einer CPU, ist mit einer Kühlflosse 13 ausgestattet. Ein Wind (ein Luftstrom 16) wird vom System zur Leiterplatte 15 geführt. In Fig. 7 strömt der Wind von links nach rechts. Der Wind, der Wärme vom exothermischen Element absorbiert hat und somit eine erhöhte Temperatur hat, strömt auf der stromabwärtigen Seite des exothermischen Elements 11. Folglich ist die stromabwärtige Seite des exothermischen Elements 11 ein Bereich mit einer niedrigen Wärmeabstrahlungseffizienz.
  • Wärmeleitende Hilfselemente 14 sind an die IC-Elemente 12 angebracht, die auf diesem Bereich mit niedriger Wärmeabstrahlungseffizienz angeordnet sind. Wärme wird durch die Hilfselemente dissipiert. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 15 eine PCB mit guten wärmeleitenden Eigenschaften, und die wärmeleitenden Hilfselemente 14 sind mit der Leiterplatte 15 verbunden. Da die wärmeleitenden Hilfselemente 14 mit der Leiterplatte verbunden sind, ist es nicht nötig, die wärmeleitenden Hilfselemente 14 zu lang zu machen. Zusätzlich wird deshalb, weil jedes wärmeleitende Hilfselement 14 genau unter dem IC- Element 12 angeordnet ist, kein großer Raum besetzt.
  • Nun wird ein drittes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. Fig. 8 ist eine Teil-Seitenansicht der Halbleitervorrichtung. Die Leiterplatte 15 ist beispielsweise eine PCB, und eine Cu-Schicht ist als Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte 15 ausgebildet. Ein exothermisches Element 11 und ein IC-Element 12 sind mit dem Verdrahtungsmuster verbunden. Kartenstützelemente 17, die beispielsweise aus einem Metall hergestellt sind, können an den vier Ecken der Leiterplatte 15 angebracht sein. Normalerweise wird Wind (ein Luftstrom) 16 vom System über die Leiterplatte 15 in einer festen Richtung geführt. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist (eine Draufsicht des Systems einschließlich der Halbleitervorrichtung), wird der Luftstrom in der Mitte der Leiterplatte 15 konzentriert. Demgemäß ist die Menge an Luftstrom an den vier Ecken der Leiterplatte 15, wo die Plattenstützelemente 17 ausgebildet sind, gering, und daher ist die Wärmeabstrahlungseffizienz bei den Bereichen nahe den vier Ecken der Leiterplatte 15 niedrig. Weiterhin ist das exothermische Element 11, wenn die Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung größer wird, an einer unerwünschten Position angeordnet. Wenn die IC-Elemente 12, die nahe den Plattenstützelementen 17 angeordnet sind, die an den Ecken der Leiterplatte 15 angebracht sind, auf der stromabwärtigen Seite des exothermischen Elements 11 angeordnet sind, ist die Wärmeabstrahlungseffizienz der Bereiche dieser IC-Elemente 12 sehr niedrig. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel sind wärmeleitende Hilfselemente 14, wie beispielsweise Aluminiumbänder, die an einem Ende an die IC-Elemente 12 nahe den Plattenstützelementen 17 angebracht sind, an den anderen Enden mit den Plattenstützelementen 17 verbunden. Dadurch wird das Problem in diesen Bereichen gelöst. Selbst dann, wenn die wärmeleitenden Hilfselemente 14 nicht zwangsweise an die Kühlflosse 13 des exothermischen Elements 11 angebracht werden, können sie an näherliegende Elemente angebracht werden, und dadurch wird die Größe der Halbleitervorrichtung reduziert.
  • Nun wird ein viertes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Fig. 9 ist eine Teil-Seitenansicht der Halbleitervorrichtung. Gleich der in Fig. 3 (als Draufsicht) gezeigten Halbleitervorrichtung sind das exothermische Element 11 und das IC-Element 12 auf der Leiterplatte 15 montiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das verwendete exothermische Element dadurch charakterisiert, daß der Oberflächenbereich der Kühlflosse 13 auf dem Paket des exothermischen Elements größer als jener des Pakets ist. Die Leiterplatte 15 ist eine keramische Leiterplatte, die beispielsweise aus Aluminium hergestellt ist, und eine Cu- Schicht ist als ein Verdrahtungsmuster auf einer Hauptoberfläche der Leiterplatte 15 ausgebildet. Das exothermische Element 11 und die IC-Elemente 12 sind mit dem Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) verbunden. IC-Elemente 12, wie beispielsweise Speicher, mit nicht so hohen Wärmeabstrahlungseigenschaften, die in der Nähe des exothermischen Elements, wie beispielsweise einer CPU angeordnet sind, sind am Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) angebracht, das auf der Leiterplatte 15 ausgebildet ist. Wenn der Leistungsverbrauch ansteigt, wird der Oberflächenbereich der Kühlflosse 13 größer und kann größer als jener des exothermischen Elements 11 werden, wie es oben angegeben ist. In diesem Fall wird der Bereich unter der Kühlflosse 13 dem Luftstrom nicht ausgesetzt, und die Wärmeabstrahlungseffizienz dieses Bereichs ist niedrig. Zum Lösen dieses Problems ist ein wärmeleitendes Hilfselement 14, das aus einem Aluminiumband oder einer Blattfeder ausgebildet ist, an der Oberfläche des IC-Elements 12 angebracht, die unter der Flosse angeordnet ist, und ein distaler Endabschnitt des Hilfselements 14 ist mit der oben angeordneten Flosse verbunden. Selbst dann, wenn die Größe der Kühlflosse 13 größer wird, kann die Leiterplatte 15 effektiv verwendet werden.
  • Fig. 10 zeigt ein Kühlsystem, das die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung aufweisen kann, aber eine Struktur hat, die von den Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele unterschiedlich ist. Die Unterschiede betreffen das Kühlsystem selbst und die verwendeten Kühlflossen. Dieses Kühlsystem ist durch eine Mittentrennung in zwei Bereiche aufgeteilt, und eine Halbleitervorrichtung, die die Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt, ist in jedem Bereich montiert. Luftströme 16 werden durch Kühlvorrichtungen 20 in die jeweiligen Bereiche erzeugt. Der Luftstrom 16 in jedem Bereich wird von der Kühlvorrichtung 20 erzeugt, die auf einer Seite des Systems vorgesehen ist, und von einer benachbarten Seite des Systems ausgestoßen. Leiterplatten 15, die Halbleitervorrichtungen bilden, sind an gewünschten Positionen des Systems gemäß den Luftströmungen 16 angeordnet. Die exothermischen Elemente sind an gewünschten Positionen auf den Leiterplatten 15 derart montiert, daß sie den Luftströmungen 16 mit hoher Effizienz ausgesetzt sind.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 bis 14 werden nun andere Beispiele der Kühlflosse beschrieben, die an das exothermische Element angebracht ist, das bei der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Fig. 11 ist eine Vorderansicht einer Pinflosse, und Fig. 12 ist eine Draufsicht auf die Pinflosse. Die Kühlflosse 13 ist derart aufgebaut, daß Pinelemente auf dem Paket des exothermischen Elements 11 in einer Matrix angebracht sind. Da die Abstrahlelemente die Pinelemente sind, kann das exothermische Element selbst dann in ausreichendem Maß Wärme dissipieren, wenn der Wind von irgendeiner Richtung kommt. Fig. 13 ist eine Vorderansicht einer rechteckigen Flosse, und Fig. 14 ist eine Seitenansicht der rechteckigen Flosse. Diese Kühlflosse 13 ist derart aufgebaut, daß rechteckige Platten an dem Paket des exothermischen Elements 11 regelmäßig angebracht sind. Da eine Vielzahl rechteckiger Abstrahlplatten vorgesehen ist, kann die Wärme des exothermischen Elements in ausreichendem Maß durch den Wind in einer Richtung dissipiert werden. Kühlflossen anderer Formen können verwendet werden.
  • Ein weiteres Beispiel des bei der Halbleitervorrichtung verwendeten exothermischen Elements wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 15 beschrieben. Ein exothermisches Element 11 und ein IC-Element (nicht gezeigt) sind auf einer Leiterplatte 15 montiert, die in Fig. 15 gezeigt ist. Das exothermische Element 11 ist mit einer Kühlflosse 13 ausgestattet, die an der unteren Oberfläche (in Richtung nach oben) des laminierten Keramikpakets 2 angebracht ist. Das Paket 2 weist laminierte Keramikschichten auf, und Verdrahtungsmuster (nicht gezeigt) sind zwischen den Schichten ausgebildet. Ein Halbleiterchip 1 ist im Zentrum des Pakets 2 montiert. Der Halbleiterchip 1 und die innerhalb des Pakets 2 ausgebildeten Verdrahtungsmuster sind durch Bondierungsdrähte 3 verbunden. Leitungen 41, die sich parallel zum Paket 2 erstrecken, werden als Einrichtung zum Verbinden der Verdrahtungsmuster und externer Schaltungen verwendet. Distale Endabschnitte der Leitungen 41 sind mit der Verdrahtung (nicht gezeigt) auf der Leiterplatte 15 parallel geschaltet. Die Leitungen 41 sind derart angeordnet, daß sie sich entlang jeder Kante der Seiten des Pakets 2 erstrecken. Da der Bereich auf der Leiterplatte 15, der durch die Leitungen 41 besetzt wird, größer als jener ist, der durch die Pinleitungen 4 besetzt wird, die bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel verwendet werden, ist es nötig, Überschußabschnitte der Leiterplatte 15 effektiv auszunutzen, um die Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung zu erhöhen, wie beispielsweise durch Anordnen von IC-Elementen mit niedrigem Leistungsverbrauch in dem Raum unterhalb des exothermischen Elements 11. Wie es oben beschrieben worden ist, müssen dann, wenn sich die Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung entwickelt, Halbleiterelemente in einem Bereich mit einer niedrigen Wärmeabstrahlungseffizienz auf der Leiterplatte angeordnet werden. In einem solchen Fall werden bei der vorliegenden Erfindung wärmeleitende Hilfselemente an Halbleiterelemente mit niedrigem Leistungsverbrauch angebracht, die in dem Bereich mit niedriger Wärmeabstrahlungseffizienz angeordnet sind und die wärmeleitenden Hilfselemente sind mit einer Wärmesenke verbunden, die an einem Halbleiterelement mit hohem Leistungsverbrauch angebracht, wie beispielsweise einem exothermischen Element, um dadurch die Wärmeabstrahlungseffizienz der Halbleiterelemente zu erhöhen. Insbesondere ist beim Stand der Technik in einem IC, bei welchem ein Co-Prozessor benachbart zu einem exothermischen Element, wie beispielsweise einer CPU, angeordnet ist, keine Wärmesenke am Co-Prozessor angebracht. Jedoch können die thermischen Eigenschaften des Prozessors durch Verbinden des Co-Prozessors mit der benachbarten Kühlflosse der CPU auf einfache Weise verbessert werden.

Claims (2)

1. Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist:
eine Leiterplatte (15);
ein exothermisches Halbleiterelement (11), das auf der Leiterplatte (15) montiert ist;
wobei das exothermische Halbleiterelement (11) ein Paket (2) aufweist;
eine Wärmesenke (13), die an dem Paket (2) angebracht ist, um das exothermische Halbleiterelement (11) durch einen Kühlmittelstrom zu kühlen, wobei die Wärmesenke eine Vielzahl von Kühlflossen (13) enthält, um den Kühlmittelstrom aufzunehmen;
eine Vielzahl zweiter Halbleiterelemente (12), die auf dem Paket (2) montiert sind; und
eine Vielzahl von leitenden Hilfselementen (14), wobei jedes von ihnen an einem Ende mit einer der Vielzahl von Kühlflossen (13) und am anderen Ende mit einem der Vielzahl von zweiten Halbleiterelementen (12) verbunden ist.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Hilfselement (14) aus organischem Material ausgebildet ist.
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