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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung
mit hoher Integrationsdichte, welche ein Halbleiterelement
mit niedriger Strahlungseffizienz effektiv kühlen kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kühleffekt
des Halbleiterelements effektiv zu erhalten, und die
Integrationsdichte der Halbleitervorrichtung zu verbessern.
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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.
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Insbesondere können gemäß der vorliegenden Erfindung folgende
Vorteile erhalten werden:
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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.
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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.
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Diese Erfindung kann vollständiger aus der folgenden
detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
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Fig. 1 eine Draufsicht ist, die die Anordnung von
Elementen auf einer Halbleiter-Leiterplatte zeigt,
die innerhalb eines herkömmlichen Kühlsystems
angeordnet ist;
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Fig. 2 eine Teil-Querschnittsansicht ist, die eine
herkömmliche Halbleitervorrichtung mit einer
Basisplatte zeigt, auf der Halbleiterelemente und
ein Kühlventilator montiert sind;
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Fig. 3 eine Draufsicht ist, die die Anordnung der Elemente
auf eine Halbleiter-Leiterplatte zeigt, die
innerhalb eines Kühlsystems angeordnet ist;
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Fig. 4 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 5 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
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Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
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Fig. 7 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 8 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 9 eine Teil-Seitenansicht ist, die eine
Halbleitervorrichtung gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel zeigt;
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Fig. 10 eine Ansicht ist, die eine Anordnung von zwei
Halbleitervorrichtungen innerhalb des Kühlsystems
zeigt;
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Fig. 11 eine Seitenansicht ist, die schematisch ein
Beispiel der Struktur einer Kühlflosse zeigt, die
an einem Halbleiterelemente oder einem
exothermischen Element angebracht ist;
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Fig. 12 eine Draufsicht ist, die die in Fig. 11 gezeigte
Kühlflosse zeigt;
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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;
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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
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Fig. 15 ein Beispiel zeigt, wobei eine in dem Paket
ausgebildete Verdrahtung und eine auf der
Leiterplatte ausgebildete Verdrahtung mittels
Leitungen verbunden sind.
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Nun werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
und nicht gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.