JP2005229058A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばICチップやLSIチップ等の半導体チップと、その冷却装置を備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor chip such as an IC chip or an LSI chip and a cooling device therefor.
近年、半導体チップの集積回路の高集積化に伴い、その稼動中に熱が生じ、その熱による集積回路の破壊が問題になっており、様々な改善が施されている。 In recent years, along with the high integration of integrated circuits on semiconductor chips, heat is generated during operation, and destruction of the integrated circuit due to the heat has become a problem, and various improvements have been made.
例えば、特開平05−251601号には、半導体チップの裏面に冷却機構が設けられた半導体装置が提案されている。この提案では、予め半導体チップの裏面に予め冷却機構を加工して表面に集積回路を設けている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 05-251601 proposes a semiconductor device in which a cooling mechanism is provided on the back surface of a semiconductor chip. In this proposal, a cooling mechanism is previously processed on the back surface of the semiconductor chip, and an integrated circuit is provided on the front surface.
また、特開平08−139237号には、半導体パッケージ上に、冷却液を噴射して冷却する冷却機構を設けた半導体装置が提案されている。この提案では、半導体パッケージ上にコールドプレートを介して冷却液を噴射して、冷却能力を高めている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-139237 proposes a semiconductor device provided with a cooling mechanism that cools a semiconductor package by injecting a cooling liquid. In this proposal, a cooling liquid is sprayed onto a semiconductor package via a cold plate to increase the cooling capacity.
また、特開2002−10073には、半導体パッケージの熱を受ける受熱部と、半導体パッケージの熱を放出する放熱部と、これら受熱部及び放熱部との間で液状の冷媒を移動させる管路とを備えた冷却機構を設けた半導体装置が提案されている。この提案では、冷却機構において受熱部と放熱部との温度差に基づいて冷媒を移動させることにより、受熱部に伝えられた半導体パッケージの熱を放熱部に輸送して、放熱している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-10073 discloses a heat receiving portion that receives heat from a semiconductor package, a heat radiating portion that releases heat from the semiconductor package, and a conduit that moves a liquid refrigerant between the heat receiving portion and the heat radiating portion. There has been proposed a semiconductor device provided with a cooling mechanism including In this proposal, the cooling mechanism moves the refrigerant based on the temperature difference between the heat receiving portion and the heat radiating portion, thereby transporting the heat of the semiconductor package transmitted to the heat receiving portion to the heat radiating portion and radiating it.
しかしながら、上記特開平05−251601号では、半導体チップの裏面に冷却機構を設けているため、半導体チップの両面に複雑な加工が施されることとなり、歩留まりの低下が生じてしまう。また、半導体チップの集積回路と冷却機構との間には厚さ数100μの半導体チップ自体のSi基板が介在するので、直接的な冷却機構が望めないのが現状である。また、複数の半導体チップに渡って冷却液を循環させることは困難である。 However, in Japanese Patent Laid-Open No. 05-251601, since a cooling mechanism is provided on the back surface of the semiconductor chip, complicated processing is performed on both surfaces of the semiconductor chip, resulting in a decrease in yield. In addition, since the Si substrate of the semiconductor chip itself having a thickness of several hundred microns is interposed between the integrated circuit of the semiconductor chip and the cooling mechanism, a direct cooling mechanism cannot be expected at present. In addition, it is difficult to circulate the coolant over a plurality of semiconductor chips.
特開平08−139237号、特開2002−10073では、半導体パッケージ上に冷却機構が設けられているため、半導体チップと冷却機構との間に半導体チップを封止した封止体が介在するため、直接的な冷却機構が望めないのが現状である。また、小型化も困難である。 In Japanese Patent Laid-Open Nos. 08-139237 and 2002-10073, since a cooling mechanism is provided on the semiconductor package, a sealing body that seals the semiconductor chip is interposed between the semiconductor chip and the cooling mechanism. At present, a direct cooling mechanism cannot be expected. Also, miniaturization is difficult.
従って、本発明の目的は、冷却能が非常に高いと共に、簡易な構成で小型化可能な冷却機構を備えた半導体装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a cooling mechanism that has a very high cooling capability and that can be miniaturized with a simple configuration.
上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の半導体装置は、
表面に集積回路が設けられた半導体チップと、
前記半導体チップの集積回路面上に直接設けられ、前記半導体チップの集積回路面を冷却液により冷却させると共に、当該冷却液を循環させる循環流路を有する循環型冷却機構と、
を備えることを特徴としている。
The above problem is solved by the following means. That is,
The semiconductor device of the present invention is
A semiconductor chip provided with an integrated circuit on its surface;
A circulation type cooling mechanism that is provided directly on the integrated circuit surface of the semiconductor chip, and has a circulation flow path for circulating the cooling liquid while cooling the integrated circuit surface of the semiconductor chip with the cooling liquid;
It is characterized by having.
上記構成では、循環型冷却機構が、半導体チップの集積回路面を直接冷却するので、従来と比べ非常に冷却能が高い。また、循環型冷却機構は、簡易に取り付け可能であると共に、小型化も可能である。 In the above configuration, since the circulating cooling mechanism directly cools the integrated circuit surface of the semiconductor chip, the cooling capability is very high as compared with the conventional case. Further, the circulation type cooling mechanism can be easily attached and can be miniaturized.
本発明の半導体装置においては、前記半導体チップを複数有し、前記循環型冷却機構が前記複数の半導体チップに設けられると共に、互いの前記循環流路が連通していることが好適である。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that a plurality of the semiconductor chips are provided, the circulation type cooling mechanism is provided in the plurality of semiconductor chips, and the circulation flow paths are communicated with each other.
上記構成では、複数を半導体チップを有する場合、循環流路が連通した循環型冷却機構を各々の半導体チップに設けることで、小型で効率の良い冷却能が得られる。 In the above configuration, when a plurality of semiconductor chips are provided, a small and efficient cooling capability can be obtained by providing each semiconductor chip with a circulation type cooling mechanism having a circulation channel communicating therewith.
本発明の半導体装置においては、前記半導体チップと熱膨張係数と前記循環型冷却機構における前記循環流路の構成部材の熱膨張係数とが、同一あることが好適である。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the semiconductor chip, the thermal expansion coefficient, and the thermal expansion coefficient of the constituent members of the circulation flow path in the circulation type cooling mechanism are the same.
上記構成では、半導体チップと同一の熱膨張係数を有する部材により循環型冷却機構のける循環流路を構成することで、熱膨張差に起因する半導体チップと循環型冷却機構との配置ズレが防止され、冷却液漏れなどを効果的に抑制される。 In the above configuration, the circulation flow path in the circulation type cooling mechanism is configured by the member having the same thermal expansion coefficient as that of the semiconductor chip, thereby preventing the misalignment between the semiconductor chip and the circulation type cooling mechanism due to the difference in thermal expansion. This effectively suppresses the leakage of coolant.
本発明の半導体装置においては、前記半導体チップと前記循環型冷却機構とは、樹脂層を介して静電接合されていることが好適である。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the semiconductor chip and the circulation type cooling mechanism are electrostatically bonded via a resin layer.
上記構成では、樹脂層を介して静電接合により半導体チップと循環型冷却機構とを接合することで、半導体チップにダメージを与えることなく強固に接合される。 In the above configuration, the semiconductor chip and the circulation type cooling mechanism are bonded by electrostatic bonding through the resin layer, so that the semiconductor chip is firmly bonded without being damaged.
本発明の半導体装置において、前記静電接合は、非電圧印加で行われることが好適である。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the electrostatic bonding is performed by applying no voltage.
上記構成では、半導体チップ及び循環型冷却機構(循環流路の構成部材)との間に電圧を印加することなく、静電接合を行うことで、半導体チップに電気的なダメージを与えることなく強固に接合可能である。 In the above configuration, the semiconductor chip and the circulation type cooling mechanism (the constituent member of the circulation flow path) are strongly bonded without causing electrical damage to the semiconductor chip by performing electrostatic bonding without applying a voltage. Can be joined.
本発明の半導体装置において、前記静電接合は、基板レベルで行われていることが好適である。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the electrostatic bonding is performed at a substrate level.
上記構成では、デバイス基板とカバー基板を基板レベル(即ちウエハレベル)で接合することで、複数のデバイスチップを同時にカバー基板を設けられる。その結果、デバイスの作製は容易になるので生産性が向上する。 In the above configuration, the device substrate and the cover substrate are bonded at the substrate level (that is, the wafer level), whereby a plurality of device chips can be provided simultaneously. As a result, the device can be easily manufactured, so that productivity is improved.
本発明によれば、冷却能が非常に高いと共に、簡易な構成で小型化可能な冷却機構を備えた半導体装置を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device including a cooling mechanism that has a very high cooling capability and can be miniaturized with a simple configuration.
以下、本発明について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には、全図面通して同じ符合を付与して説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is provided and demonstrated to the member which has the substantially same function through all the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る半導体装置は、実装基板10上に、表面に集積回路(図示せず)が形成された2つの半導体チップ12(例えばICチップ、LSIチップなど)が実装されており、さらに複数の半導体チップ12上に、樹脂層14を介して、循環型冷却機構16が設けられている。
In the semiconductor device according to the present embodiment, two semiconductor chips 12 (for example, an IC chip, an LSI chip, etc.) having an integrated circuit (not shown) formed on the surface are mounted on a
なお、本実施形態では2つの半導体チップ12を実装した形態を説明するが、これに限定されず、1つでも3つ以上の半導体チップ12を実装した形態でもよい。
In the present embodiment, a configuration in which two
循環型冷却機構16は、冷却液を循環させるためのポンプ18と、半導体チップ12の集積回路面を冷却液により冷却させると共に循環流路20aが形成された循環流路プレート20(循環流路20aの構成部材)と、ポンプ18に連結された流路管18aから冷却液を循環流路20aに流入・排出させるための流入排出用プレート22と、から構成されている。
The circulation type cooling mechanism 16 has a
各半導体チップ12上の循環流路20aは、それぞれ、流入排出用プレート22に設けられた流入路22a、排出路22bと連通されている。そして、各半導体チップ12上の循環流路20aは、流入排出用プレート22に設けられた連通流路22cを介して連通している。
The
このように、循環型冷却機構16では、ポンプ18により、循環流路20aに冷却液を循環させることができる(図流矢印参照)。
As described above, in the circulation type cooling mechanism 16, the coolant can be circulated through the
循環流路プレート20は、シリコン単結晶基板をウエットエッチング或いはドライエッチングなどの公知の半導体プロセスのエッチング処理を施して、循環流路20aが形成された3次元構造となっている。この半導体プロセスのエッチング処理を施すことで、循環流路プレート20には複雑な形状でも簡易に循環流路20aを形成することができる。
The
循環流路プレート20は、シリコン単結晶材料から構成され、半導体チップの熱膨張係数と同一な材料で構成されている。このように半導体チップ12と循環流路プレート20との熱膨張係数を同一とすることで、半導体チップ12の集積回路からの熱や、冷却液による冷却によって、双方の部材が熱膨張或いは収縮たときでも、熱膨張差が同一なので半導体チップ12と循環流路プレート20(循環型冷却機構16)との配置ズレが防止され、冷却液漏れなどを効果的に抑制される。
The circulation
流入排出用プレート22は、循環流路プレート20と同様に、シリコン単結晶基板をウエットエッチング或いはドライエッチングなどの公知のエッチング処理を施して、流入路22a、排出路22b、及び連通流路22cが形成されている。また、流入排出用プレート22は、金属材料(例えばステンレス)、プラスチック、シリコンゴム、ガラスにより構成されていてもよい。
As with the circulation
樹脂層14は、半導体チップ12の集積回路面全面に設けられており、半導体チップ12の集積回路を冷却液から保護するための機能、及び半導体チップ12と循環型冷却機構16とを静電接合させるための機能を兼ねている。このため、途、保護膜を形成したりする必要がないため簡易な構成となる。
The
樹脂層14の厚さは、例えば、1〜200μm(好ましくは5〜30μm)である。但し、この樹脂層14が厚くなりすぎると循環型冷却機構16の冷却能が低下してしまうため好ましくない。
The thickness of the
樹脂層14の構成材料としては、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂(例えばSU−8:MicroChem社製)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)樹脂などの熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂などが挙げられるが、効果的に半導体チップ12と循環型冷却機構16とを強固に接合できる観点から、ポリイミド樹脂が好ましい。
Examples of the constituent material of the
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図2及び図3は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described. 2 and 3 illustrate a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
まず、図2(A)に示すように、例えば、Siウエハに設けられた2つの半導体チップ12の集積回路面に樹脂層14を形成する。
First, as shown in FIG. 2A, for example, the
次に、図2(B)に示すように、循環流路プレート20を半導体チップ12の集積回路面に樹脂層14を介して配置し、基板レベルで静電接合(陽極接合)を行う。この静電接合は、特開2001−129799に記載の基板の接合方法に従って順次行われる。この基板の接合方法に従えば、低温で半導体チップに熱的ダメージを与えることなく、半導体チップ12と循環流路プレート20とを樹脂層14により強固に接合させることができる。また、この静電接合は、非電圧印加で行われてもよく、例えば、圧力と熱だけを与えることによって接合が可能である。この非電圧印加の静電接合で接合を行うことで、半導体チップに電気的なダメージを与えることなく、半導体チップ12と循環流路プレート20とを樹脂層14により強固に接合させることができる。
Next, as shown in FIG. 2B, the circulation
次に、図2(C)に示すように2つの半導体チップの間をダイシングで切り離す。 Next, as shown in FIG. 2C, the two semiconductor chips are separated by dicing.
次に、図2(D)に示すように、循環流路プレート20を接合した半導体チップ12を実装基板10に載置する。この際、半導体チップ12は、実装基板10に接着剤などにより固定する。また、図示しないが、半導体チップ12の集積回路と実装基板10の配線との電気的接続が行われる。
Next, as illustrated in FIG. 2D, the
次に、図3(E)に示すように、循環流路プレート20上に、流入排出用プレート22を配置し、循環流路プレート20と流入排出用プレート22とを接合する。この接合には、接着剤により接合してもよいし、接合部に樹脂層を設けて上記静電接合により接合してもよい。
Next, as shown in FIG. 3E, the inflow /
そして、図3(F)に示すように、流入排出用プレート22における流入路22a及び排出路22bに、ポンプ18に連結された流路管18aをそれぞれ連結する。
Then, as shown in FIG. 3 (F), the
このようにして、循環型冷却機構16が設けられた半導体装置が得られる。この循環型冷却機構16の組み立ては、半導体プロセスに準じて行われる。これにより、高精度なアライメントが可能であり、アライメント不良による冷却液の漏れを防止することができる。 In this way, a semiconductor device provided with the circulation type cooling mechanism 16 is obtained. The circulation type cooling mechanism 16 is assembled according to a semiconductor process. Thereby, highly accurate alignment is possible and the leakage of the cooling fluid by alignment failure can be prevented.
以上、説明したように、本実施形態では、循環型冷却機構16により、非常に膜厚が薄い樹脂層14を介して、半導体チップ12の集積回路面を直接冷却するので、非常に冷却能が高い構成となっている。
As described above, in this embodiment, the integrated circuit surface of the
また、、循環型冷却機構16として循環流路プレート20、流入排出用プレート22、ポンプ18を順次設けるので、簡易に取り付け可能であると共に、小型化も可能である。
In addition, since the circulation
また、循環型冷却機構16は、隣合う半導体チップ12上の各循環流路20aが連通しているため、効率よく半導体チップ12を冷却できると共に、冷却液を循環させるポンプ18を半導体チップ12毎に有する必要がなく小型化が可能となる。
In addition, since each
なお、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。 The embodiments of the present invention have been described with reference to the embodiments. However, these embodiments are merely examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say, the scope of rights of the present invention is not limited to the above embodiment.
10 実装基板
12 半導体チップ
14 樹脂層
16 循環型冷却機構
18 ポンプ
18a 流路管
20 循環流路プレート
20a 循環流路
22 流入排出用プレート
22a 流入路
22b 排出路
22c 連通流路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体チップの集積回路面上に直接設けられ、前記半導体チップの集積回路面を冷却液により冷却させると共に、当該冷却液を循環させる循環流路を有する循環型冷却機構と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor chip provided with an integrated circuit on its surface;
A circulation type cooling mechanism that is provided directly on the integrated circuit surface of the semiconductor chip, and has a circulation flow path for circulating the cooling liquid while cooling the integrated circuit surface of the semiconductor chip with the cooling liquid;
A semiconductor device comprising:
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