JP2006270068A - Semiconductor chip cooling system, structure and manufacturing method of heat exchange device for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属材料及びダイヤモンド状構造の炭素よりなる熱伝導材料から形成されてなることを特徴とする、半導体チップ冷却システム及びその熱交換装置の構造と製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor chip cooling system and a structure and manufacturing method of the heat exchange device, characterized in that the semiconductor chip cooling system is formed from a metal material and a heat conductive material made of carbon having a diamond-like structure.
半導体プロセスによる大規模集積回路の応用は近年では既に一般社会において幅広く利用されてなり、例えば、パソコン、サーバー機、携帯メモリー、各形式の駆動用集積回路、及び知能型家電製品等、記載しきれない程であり、更に半導体産業の飛躍的な成長が促進され、政府は「二兆双星産業経済発展計画」を推進し、その内には半導体産業の育成と発展計画を含み、国家の国際科学技術競争での優勢を築こうと進められているものである。半導体産業の重要性は既に国民の高い共通意識となり、国家の競争力向上を補助するだけでなく、更に国民が半導体産業の応用がもたらす便利性を十分に享受することを可能としている。 The application of large-scale integrated circuits by semiconductor processes has already been widely used in general society in recent years. For example, personal computers, server machines, portable memories, various types of integrated circuits for driving, intelligent home appliances, etc. In addition, the rapid growth of the semiconductor industry has been promoted, and the government has promoted the “Two trillion star industrial economic development plan”, which includes the development and development plan of the semiconductor industry, They are trying to build a competitive edge in technology. The importance of the semiconductor industry has already become a high common consciousness of the people, not only to help improve the national competitiveness, but also to enable the people to fully enjoy the convenience brought about by the application of the semiconductor industry.
半導体産業の急速な発展に従い、大型集積回路は更に体積縮小化、高密度化の製造工程の発展が望まれ、各メーカーは大量の経費を投入して半導体製造工程である集積回路の研究と改良を実施している。各形式の集積回路の中で、特にCPU半導体チップは研究と改良の中心となり、パソコン及び各型サーバー機等の中核システムに応用され、パソコン及びサーバーの処理性能は主にCPU半導体チップの性能により決定している。CPU半導体チップ製造工程の改良に伴い、CPUクロック周波数が増加し性能が向上しているが、一方で発生する発熱量の増加は避けることができず、発生した熱を適時に除去できない場合は、CPU半導体チップの電子部材の性能は低下し、損傷が生じる恐れもあり、効率良く熱をシステム外部へ除去することは非常に重要な課題となっており、様々な冷却システム及び熱伝導材料の応用において、冷却効率の向上を達成することが期待されている。 With the rapid development of the semiconductor industry, it is desirable for large-scale integrated circuits to further reduce the volume and increase the density of the manufacturing process, and each manufacturer invests a large amount of money to research and improve integrated circuits that are semiconductor manufacturing processes. Has been implemented. Among each type of integrated circuit, CPU semiconductor chip is the center of research and improvement, and it is applied to the core system such as personal computer and each type of server machine. The processing performance of personal computer and server depends mainly on the performance of CPU semiconductor chip. Has been decided. With the improvement of the CPU semiconductor chip manufacturing process, the CPU clock frequency has increased and the performance has improved, but on the other hand, the increase in the amount of generated heat cannot be avoided, and when the generated heat cannot be removed in a timely manner, The performance of electronic components of CPU semiconductor chips is degraded and may be damaged. Efficiently removing heat from the system is a very important issue. Applications of various cooling systems and heat conduction materials In this case, it is expected to improve the cooling efficiency.
図1に示すように、公知の強制空冷式半導体チップ冷却システムは、半導体チップ11、基板12、及びヒートシンク13から構成される。前記半導体チップ11は複数個のピン111を備えてなり、半導体チップ11は基板12に接続してなり、該基板12は公知の主基板及びグラフィックボードにてなる。前記ヒートシンク13はファン131を備えてなり、冷却グリス132を塗ることにより、半導体チップ11の上面に密着することができる。半導体チップ11が動作時に発生する熱は、冷却グリス132を経由してヒートシンク13に伝達され、ヒートシンク13はファン131が形成する気流により熱を外部へ放出することができる。
As shown in FIG. 1, a known forced air cooling type semiconductor chip cooling system includes a semiconductor chip 11, a
但し上述のシステムの冷却方式は、ファン131が形成する気流によって熱を外部に排出する構成である為、冷却能力はファン131の大きさ及び回転速度によって制限され、即時に熱をヒートシンク13から外部に放出することができず、半導体チップ11が熱をヒートシンク13に即時に伝導することができなくなり、半導体チップ11に過度の熱が累積し性能の低下を招くことになる。
However, since the cooling system of the system described above is configured to discharge heat to the outside by the air flow formed by the
図2に示すように、公知の水冷式半導体チップ冷却システムは、半導体チップ21、基板22、ヒートシンク23、熱交換装置24、及びポンプ装置25より構成される。前記半導体チップ21は複数個のピン211を備えてなり、半導体チップ21は主基板22に接続してなり、該基板22は公知の主基板及びグラフィックボードにてなることができる。前記ヒートシンク23は冷却グリス231を塗ることにより、半導体チップ21の上面に密着する。ポンプ装置25、ヒートシンク23、及び熱交換装置24は更に導管251により相互に接続することができ、ポンプ装置25は水流を送り出して導管251を経由してヒートシンク23と熱交換装置24と間に循環流動させることができる。
As shown in FIG. 2, the known water-cooled semiconductor chip cooling system includes a
半導体チップ21が動作時に発生する熱は、冷却グリス231を経由してヒートシンク23に伝導することができ、ヒートシンク23は水流の循環流動によって熱を熱交換装置に伝導し、該熱交換装置24は更にファン241を備えてなり、ファン241が形成する気流により熱交換装置24の熱を外部に放出することができる。
Heat generated during operation of the
上述のシステムの冷却方式は、水のような高比熱材料を循環流動させて熱を熱交換装置24に伝導するため、冷却能力はポンプ装置25を経由する水の循環流動速度を加速して能力を向上することができる。熱交換装置24を基板22上に設置するため、体積上の制限がなく、ファンの大きさを大きく且つ回転速度を上げて冷却能力を向上することができる。したがって、このシステムは、半導体チップ21の冷却効率を向上させる上で優れている。
The cooling system of the above system circulates and flows a high specific heat material such as water and conducts heat to the
水流の流速は、ポンプ装置の加圧により水流循環を加速できるが、熱交換装置の材質の熱伝導が良くない場合は、即時に水流が運んでくる熱を処理することができず、依然として冷却不良の問題を招くことになる。現在一般的に熱交換装置に適用されている熱伝導材質の多くはアルミニウム、銅、銀、或いは合金にてなり、高い熱伝導係数の特性を備えているが、半導体チップ性能の飛躍的な向上、及びそれに伴う発熱量も大幅に増加し、これらの熱伝導材質では既に要求される高い冷却効率を満足することができず、新たな熱伝導材料の研究は重要な課題になっている。 The water flow velocity can accelerate the water circulation by pressurizing the pump device, but if the heat exchange material is not good in heat conduction, the heat carried by the water flow cannot be processed immediately and still cooled. This will lead to a defect problem. Many of the heat conduction materials that are currently applied to heat exchange devices in general are made of aluminum, copper, silver, or alloys, and have high heat conduction coefficient characteristics, but dramatically improve the performance of semiconductor chips. In addition, the amount of heat generated by the heat conduction material is greatly increased, and the high cooling efficiency already required by these heat conduction materials cannot be satisfied, and research on new heat conduction materials has become an important issue.
公知のダイヤモンド材料は、高硬度、高熱伝導係数、広い波長域範囲の光透過度、耐腐蝕性等の特性を備える為、以前よりずっとプロセス上での重要な材料の一つになっている。その熱伝導係数は常温下では銅の5倍であり、高温時はダイヤモンドの赤外線輻射は更に強まり、冷却され易く熱膨張係数は小さくなるため、高温時における冷却効率を向上することが期待される。ダイヤモンドの冷却効果が高い特性は、一般的にはそのダイヤモンドが本物であるかどうかの判断にまで広く利用されている。但し、天然ダイヤモンドのコストは非常に高く、産業上の応用に提供する為、人工ダイヤモンドの技術が発展し製造コストを低下させている。人工ダイヤモンドの技術は公知の技術において、既に様々な技術と製造方法が発展しているが、炭水化合物を利用して直接分解する方法が最も多く、例えばMPECVD(Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition)は多結晶ダイヤモンド膜にて皮膜を形成することができ、この多結晶ダイヤモンド膜の物理特性は天然ダイヤモンドと同等の特性を有することができる。このようにして、ダイヤモンドを各種産業において広範囲に応用することが試みられている。
本発明の提供する半導体チップ冷却システム及びその熱交換装置の構造と製造方法は、現在要求される半導体チップ冷却効率を満足することができ、半導体チップの動作上の品質を大幅に上昇し、半導体プロセスにより集積回路の産業競争率を高めるだけでなく、集積回路を応用した製品の利用者に最高の品質を享受させることができる。 The structure and manufacturing method of the semiconductor chip cooling system and the heat exchange device thereof provided by the present invention can satisfy the semiconductor chip cooling efficiency currently required, greatly improve the operational quality of the semiconductor chip, and the semiconductor The process not only increases the industrial competitive rate of integrated circuits, but also allows users of products that use integrated circuits to enjoy the highest quality.
本発明は、半導体チップ冷却システム及びその熱交換装置の構造と製造方法を提供する。該半導体チップ冷却システムは、ヒートシンク、熱交換装置、ポンプ装置、及び少なくとも二つの導管より構成される。該熱交換装置は複数個のフィン型ヒートシンク片を備えてなり、該フィン型ヒートシンク片は、射出成形方式、切削技術成形方式、プレス加工技術方式、及び粉末噴射技術成形方式により形成されてなる。該成形された複数のフィン型ヒートシンク片は折りたたみ方式及び溶接方式により熱交換装置を形成することができる。該熱交換装置はドリル方式を利用して該熱交換装置の複数のフィン型ヒートシンク片上に複数個の通孔を形成することができる。該熱交換装置は熱伝導材料より形成され、該熱伝導材料は金属材料及びダイヤモンド状構造の炭素より形成される。該熱伝導材料は銅、アルミニウム、銀、或いは合金、或いはその他熱伝導係数の高い金属材料にてなり、該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。この外、ダイヤモンド状構造の炭素は、該金属材料表面を覆うか、或いは直接該金属材料の中に混ぜ合わせられてなるか、或いは両者を同時に備えてなることができる。該熱交換装置に応用される熱伝導材料の製造方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)、PVD(Physical Vapor Deposition)、溶解、或いはその他材料の整備方法にてなることができる。上述のヒートシンクは熱伝導係数の高いダイヤモンド状構造の炭素に覆われてなる或いは直接混ぜ合わせることにより、該熱交換装置の冷却効率を大幅に上昇することができる。 The present invention provides a structure and manufacturing method of a semiconductor chip cooling system and its heat exchange device. The semiconductor chip cooling system includes a heat sink, a heat exchange device, a pump device, and at least two conduits. The heat exchanging device includes a plurality of fin-type heat sink pieces, and the fin-type heat sink pieces are formed by an injection molding method, a cutting technology molding method, a pressing technology method, and a powder injection technology molding method. The plurality of fin-type heat sink pieces thus formed can form a heat exchange device by a folding method and a welding method. The heat exchange device can form a plurality of through holes on a plurality of fin-type heat sink pieces of the heat exchange device using a drill method. The heat exchange device is formed of a heat conductive material, and the heat conductive material is formed of a metallic material and diamond-like carbon. The heat conductive material may be copper, aluminum, silver, an alloy, or other metal material having a high thermal conductivity, and the diamond-like carbon may be diamond. In addition to this, carbon having a diamond-like structure may cover the surface of the metal material, or may be directly mixed in the metal material, or may be provided with both at the same time. The manufacturing method of the heat conductive material applied to the heat exchange device can be CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition), melting, or other material maintenance methods. The above heat sink can be greatly increased in the cooling efficiency of the heat exchange device by being covered or directly mixed with diamond-like carbon having a high thermal conductivity coefficient.
本発明の提供する半導体チップ冷却システム及びその冷却交換装置の構造と製造方法は、大幅に冷却効率を向上させ集積回路半導体チップが大量に発生する発熱の問題を解決する。 The structure and the manufacturing method of the semiconductor chip cooling system and its cooling exchange apparatus provided by the present invention greatly improve the cooling efficiency and solve the problem of heat generation that occurs in large quantities in the integrated circuit semiconductor chip.
図3に示すように、本発明の半導体チップ冷却システムは、半導体チップ21、基板22、ヒートシンク23、熱交換装置31、及びポンプ装置25より構成される。該半導体チップ21は、CPUにてなることができ、複数個のピン211を備えて半導体チップ21を基板22に接続し、該基板22は公知の主基板及びグラフィックボードが好適である。該ヒートシンク23は冷却グリス231を塗ることにより半導体チップ21の上面に密着する。ポンプ装置25、ヒートシンク23、及び熱交換装置31は更に導管251により相互に接続され、ポンプ装置25は比熱係数の高い流体を送り出し、導管251を経由してヒートシンク23と熱交換装置31との間に循環流動させる。該熱交換装置31は熱伝導材料より形成されると共に、該熱伝導材料は金属材料及びダイヤモンド状構造の炭素より構成され、該金属材料は、銅、アルミニウム、銀、或いは合金、或いはその他熱伝導係数の高い金属材料にてなり、該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。この外、該ダイヤモンド状構造の炭素は金属材料表面を覆うことだけに利用されてなるか或いは直接金属材料の中に混入させるか或いは、上述の両者を同時に用いることができる。
As shown in FIG. 3, the semiconductor chip cooling system of the present invention includes a
半導体チップ21が動作時に発生する熱は、冷却グリス231を経由してヒートシンク23に伝導し、ヒートシンク23は水流の循環流動を経由して熱を熱交換装置31に伝導し、該熱交換装置31は更に気流発生装置241を備えてなり、気流発生装置241が形成する気流により熱交換装置31の熱を外部に放出する。
Heat generated during operation of the
図4に示すように、図3で示される熱交換装置31の一枚のフィン型ヒートシンク片32は、精密ドリルにて穴をあけ、少なくとも一つの通孔321を形成し、該通孔321は導管251をその間に通してなり、該熱交換装置31は溶接方式により組み合わされてなると共に、該熱交換装置は金属材料及びダイヤモンド状構造の炭素より形成され、該金属材料は銅、アルミニウム、銀、或いは合金、或いはその他の熱伝導係数の高い金属材料にてなり、該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。図5に示すように、熱交換装置31の構造は、溶接された熱交換装置31の内部に導管251を接続してなり、該組み立てが完了した熱交換装置上には通孔321が形成されてなると共に、該組み立てが完了した熱交換装置は金属材料及びダイヤモンド状構造の炭素より形成されてなり、該金属材料は銅、アルミニウム、銀、或いは合金、或いはその他の熱伝導係数の高い金属材料にてなり、該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。組み立てが完了した熱交換装置上に形成される通孔321は、該流体を進入させる開口となり、該流体はヒートシンク23内を流動して熱を熱交換装置31へ伝導し、気流発生装置241が形成する気流により熱を外部に放出する。
As shown in FIG. 4, one fin-type
上述の実施例に示すように、該熱交換装置31は本発明の熱伝導材料により形成されてなり、熱伝導係数が高い為、熱交換装置31が水流により運ばれる熱を迅速に受け入れることが可能であり、該流体はポンプ装置25によって加圧されてヒートシンク23及び熱交換装置31の間を迅速に循環流動することができ、ヒートシンク23の熱を迅速に熱交換装置31に運び、該熱交換装置31を更に、気流発生装置241により効率を高めることができ、該気流発生装置はファンであって、熱交換装置31の熱を外部に放出する効果を向上し、システム全体の冷却効率を向上させることができる。上述のシステムを経由して半導体チップ21の冷却効率は向上させることが可能となる。
As shown in the above-mentioned embodiments, the
図6に示すように、本発明の半導体チップ冷却システムの熱交換装置の制作方法は、公知の金属射出成形技術を採用してなり、鋳造原料供給器41、鋳造原料注入装置42、及びダイキャスト金型43より構成される。金属射出成形を実行するには、鋳造原料供給器41の鋳造原料を鋳造原料注入装置42に経由してダイキャスト金型43に圧入し、キャビティ44を満たす。該鋳造原料は、金属或いは金属及びダイヤモンド状構造の炭素微粉末を懸濁した材料にてなることができる。該金属材料は、銅、アルミニウム、銀、或いは合金、或いはその他熱伝導係数の高い金属材料であって、該ダイヤモンド状構造の炭素の融点は前述の任意の金属の融点よりも高いため、該金属及びダイヤモンド状構造の炭素は結合して鋳造成型品を形成することが可能である。
該金属射出成形品の構造はキャビティ44の形状であって、実施例では、該キャビティ44の形状は、例えば図4に示すフィン型ヒートシンク片32とすることができ、精密ドリルにて穴をあけ少なくとも一つの通孔321を形成し、溶接方式により図5に示す組み立て溶接されたヒートシンク及び図3に示す熱交換装置31を形成してなる。
As shown in FIG. 6, the manufacturing method of the heat exchange device of the semiconductor chip cooling system of the present invention adopts a known metal injection molding technique, and includes a casting
The structure of the metal injection molded product is the shape of a
図7に示すように、本発明のもう一つの半導体チップ冷却システムの熱交換装置の制作方法は、公知のMPECVD(Microwave Enhanced Chemical Vapor Deposition)を採用してなり、微細構造の炭素を用いて金属表面を形成してなり、特別な例としては、図3に示すような熱交換装置31の表面に適用する。その反応プロセスは、まず反応させたい混合気体を気体送入口51から気体反応質52に送入し、同時にマイクロウェーブ発信機53はマイクロウェーブを発生し混合気体を活性化しイオン化反応を起こさせ、徐々に支持部54上の金属材料55の表面に堆積してダイヤモンド状構造の炭素膜が形成され、該ダイヤモンド状構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。該金属材料55は図6に示される装置による形成方法により熱交換装置を形成することができ、該熱交換装置は銅、アルミニウム、銀、或いはその合金、或いはその他の熱伝導係数の高い金属材料により形成されることができ、残りの気体は廃棄排出口56を経由して放出され、この反応プロセスにより表面をダイヤモンドで覆った熱伝導材料が形成できる。本実施例における該金属材料55の構造は、ダイヤモンド状構造の炭素膜が堆積した後、図3に示す熱交換装置31のように接合される。
As shown in FIG. 7, another semiconductor chip cooling system heat exchange apparatus manufacturing method according to the present invention employs a well-known MPECVD (Microwave Enhanced Chemical Vapor Deposition), and uses fine structure carbon to form a metal. A surface is formed, and as a special example, it is applied to the surface of a
図8に示すように、本発明の別の半導体チップ冷却システムのヒートシンクの制作方法は、公知のIBS(Ion Beam Sputtering)法を利用してなり、IBS(Ion Beam Sputtering)の一つであるPVD(Physical Vapor Deposition)は、微細構造の炭素を金属表面、特には図3に示す熱交換装置31の表面に形成することに利用されてなり、その製造プロセスは先ず微細構造の炭素材料によりターゲット61を形成し、その置かれた角度と第一イオンガン62のイオンビームの射出方向の挟み角は約45度であり、第一イオンガン62により打撃され飛散したダイヤモンド状構造の炭素微粒子は第二イオンガン63の前方に飛び、第二イオンガン63を経由して炭素微粒子に十分なエネルギーを与えて相対する金属材料64表面上に堆積させて皮膜形成することにより、金属材料64の表面上に均等なダイヤモンド状構造の炭素膜が形成される。
該金属材料は、図6に示される方法で成形されるヒートシンク片であり、該ヒートシンク片は銅、アルミニウム、銀、或いはその合金、或いはその他の熱伝導係数が高い金属材料により形成され、上記の反応後、残りのダイヤモンド状構造の炭素微粒子は廃棄排出口65を経由して排出される。この実施例における該金属材質の構造64はダイヤモンド状構造の炭素膜の堆積後、図3に示す熱交換装置31のように接合される。
As shown in FIG. 8, the heat sink production method of another semiconductor chip cooling system according to the present invention uses a known IBS (Ion Beam Sputtering) method, and is one of IBS (Ion Beam Sputtering) PVD. (Physical Vapor Deposition) is used to form fine structure carbon on a metal surface, in particular, on the surface of the
The metal material is a heat sink piece formed by the method shown in FIG. 6, and the heat sink piece is formed of copper, aluminum, silver, an alloy thereof, or other metal material having a high thermal conductivity, After the reaction, the remaining diamond-like carbon particles are discharged through the
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。 In the present invention, preferred embodiments have been disclosed as described above. However, the present invention is not limited to the present invention, and any person who is familiar with the technology can use various methods within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention is based on the content specified in the claims.
11 半導体チップ
111 ピン
12 基板
13 ヒートシンク
131 ファン
132 冷却グリス
21 半導体チップ
211 ピン
22 基板
23 ヒートシンク
231 冷却グリス
24 熱交換装置
241 気流発生装置
25 ポンプ装置
251 導管
31 熱交換装置
32 フィン型ヒートシンク片
321 通孔
41 鋳造原料供給器
42 鋳造原料注入装置
43 ダイキャスト金型
44 キャビティ
51 気体送入口
52 気体反応室
53 マイクロウェーブ発信器
54 支持体
55 金属材質構造
56 廃気排出口
61 ターゲット
62 第一イオンガン
63 第二イオンガン
64 金属材質構造
65 廃気排出口
11 Semiconductor chip 111
Claims (38)
該ヒートシンクは、該半導体チップの発熱を伝導するため該半導体チップに接して配置され、ヒートシンクからの冷却流体はポンプ装置の駆動により熱交換装置との間で循環する構成とし、
該熱交換装置は、複数個のフィン型ヒートシンク片を備えてなり、該フィン型ヒートシンク片は、金属材料とダイヤモンド構造の炭素を混合した熱伝導材料を成型した成型体、又はこれらの成型体若しくは金属材料などからなる成型体表面にダイヤモンド構造の炭素皮膜を形成した成型体からなる、
ことを特徴とした半導体チップ冷却システム。 It consists of a liquid cooling heat sink, a heat exchange device, a conduit that constitutes the circulation path of the cooling fluid, a pump device,
The heat sink is disposed in contact with the semiconductor chip to conduct heat generation of the semiconductor chip, and the cooling fluid from the heat sink is configured to circulate between the heat exchange device by driving the pump device,
The heat exchange device includes a plurality of fin-type heat sink pieces, and the fin-type heat sink pieces are formed by molding a heat conductive material in which a metal material and diamond-structured carbon are mixed, or these molded bodies or It consists of a molded body in which a diamond-structured carbon film is formed on the surface of the molded body made of a metal material, etc.
A semiconductor chip cooling system characterized by that.
該フィン型ヒートシンク片に複数の通孔をドリリングにより形成し、及び複数のフィン型ヒートシンク片を接合して該熱交換装置を形成する、各工程より構成される熱交換装置の製造方法。 A plurality of fins formed of a molded body in which a heat conductive material in which a metal material and diamond-structured carbon are mixed is molded, or a molded body in which a diamond-structured carbon film is formed on the surface of the molded body made of these molded body or metal material. Mold heat sink pieces,
A method of manufacturing a heat exchange device comprising each step of forming a plurality of through holes in the fin type heat sink piece by drilling and joining the plurality of fin type heat sink pieces to form the heat exchange device.
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