JP2008112749A - 半導体装置および半導体装置を備えた流体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小形で高排熱効率の半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置１は電極４が形成された第１主面を有する半導体素子２と、
配線導体が形成された第２主面を有する配線基板３と、第１主面と第２主面との間に設置され、電極４と配線導体とを電気的に接続する接続端子５と、第１主面と第２主面との間に接続端子５を取り囲むように設置され、第１主面と第２主面とを接合する接合材６とを備え、配線基板３は、半導体素子２を冷却する冷却用流体が流れる流路７を内部に備え流路７は、前記接合材６の内側において前記第２主面に開口する開口部を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を放熱する放熱機能を有する半導体装置およびそのような半導体装置を備えた流体装置に関する。

近年の情報処理用チップの高性能化に伴い、チップの発熱量が増大している。特に高機能計算機サーバーなどの情報処理用チップ（ＭＰＵ）などでは発熱量の増大は顕著である。よって、発熱量の抑制や排熱機構を行なう目的で、高機能な冷却設備をチップ近傍に形成した構成や、ＭＰＵを実装する基板内に流路を形成してその流路内に液体を流す、いわゆる水冷基板を用いた構成などが採用されている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
特開１９９４−６１６７０号公報 特開昭６２−０４５０５１号公報

しかし、冷却設備をＭＰＵ近傍に設置しようとした場合、通常の冷却用のファンなどを形成する場合に比べて冷却装置が大型となりシステムが大型化されることや冷却設備のコストが増大するという問題点があった。また、大型化を避けて簡易な冷却システムを導入しようとすると十分な冷却効率が得られず、ＭＰＵの誤作動、処理スピードの減少が起こるという問題があった。

また、基板に流路を形成し、液体を介しての冷却を行ういわゆる水冷基板を使用する場合、冷却用液体は、ＭＰＵの配線基板に対する実装部分および基板を介してＭＰＵを冷却することになるため、ＭＰＵの排熱効率を一定以上に上昇させることができないという問題があった。

特に、小型の面実装コンセプトであるフリップチップ実装を行う場合には、ＭＰＵの配線基板に対する実装部分の熱抵抗が大きくなるため、ＭＰＵの熱が配線基板に逃げず、ＭＰＵの誤作動、処理スピードの減少が起こるという問題があった。

本発明の目的は、半導体素子を有する小形の半導体装置であって、その半導体素子の放熱を高効率で行なうことができる半導体装置、並びにそのような半導体装置を有する流体装置を提供することである。

本発明は（１）として、電極が形成された第１主面を有する半導体素子と、配線導体が形成された第２主面を有する配線基板と、前記第１主面と第２主面との間に設置され、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続する電気接続部と、前記第１主面と第２主面との間に前記電気接続部を取り囲むように設置され、前記第１主面と第２主面とを接合する第１接合部とを備え、前記配線基板は、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、前記流路は、前記第１接合部の内側において前記第２主面に開口する開口部を有することを特徴とする。

上記（１）の構成を前提とする本発明は、（２）として、前記半導体素子は、前記電気接続部を介して前記配線基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする。

上記（１）又は（２）の構成を前提とする本発明は、（３）として、前記第１接合部は、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続することを特徴とする。

上記（１）又は（２）の構成を前提とする本発明は、（４）として、前記第１主面と第２主面との間に前記電気接続部を取り囲むように設置されるとともに、前記第１主面と第２主面とを接合する第２接合部を備え、前記第１接合部は、前記第２接合部を取り囲むように設置されていることを特徴とする。

上記（４）の構成を前提とする本発明は、（５）として、前記第１接合部および前記第２接合部は、それぞれ枠状であり、前記流路は、前記第１接合部と前記第２接合部との間において前記第２主面に開口する開口部を有することを特徴とする。

上記（４）又は（５）の構成を前提とする本発明は、（６）として、前記第１接合部および第２接合部の少なくとも一方は、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続することを特徴とする。

上記（４）の構成を前提とする本発明は、（７）として、前記半導体素子は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に備え、前記半導体素子の内部の流路は、前記第１接合部と前記第２接合部との間において前記第１主面に開口する開口部を有することを特徴とする。

本発明は（８）として、電極が形成された表面を有する半導体素子と、前記半導体素子を収容する凹部を備え、該凹部の内表面に配線導体が形成されている基体と、前記凹部において、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続する電気接続部とを備え、前記基体は、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、前記流路は、前記凹部の内表面に開口する開口部を有することを特徴とする。

上記（８）の構成を前提とする本発明は、（９）として、前記基体に前記凹部を覆うように接合された蓋部を備えることを特徴とする。

上記（８）又は（９）の構成を前提とする本発明は、（１０）として、前記蓋部は、前記基体と同じ材料から成ることを特徴とする。

上記（１）〜（７）いずれかの構成を前提とする本発明は、（１１）として前記半導体装置を搭載する搭載基板とを備え、前記搭載基板は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に有し、前記配線基板の内部の流路は、前記搭載基板に対向する第３主面に開口する開口部を有し、前記搭載基板の内部の流路は、前記配線基板に対向する第４主面において、前記第３主面の開口部に対向するように開口する開口部を有することを特徴とする。

上記（８）〜（１０）いずれかの構成を前提とする本発明は、（１２）として前記半導体装置を搭載する搭載基板とを備え、前記搭載基板は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に有し、前記基体の内部の流路は、前記搭載基板に対向する表面に開口する開口部を有し、前記搭載基板の内部の流路は、前記基体に対向する主面において、前記基体の表面の開口部に対向するように開口する開口部を有することを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、電極が形成された第１主面を有する半導体素子と、配線導体が形成された第２主面を有する配線基板と、第１主面と第２主面との間に設置され、電極と配線導体とを電気的に接続する電気接続部と、第１主面と第２主面との間に電気接続部を取り囲むように設置され、第１主面と第２主面とを接合する第１接合部とを備え、配線基板は、半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、流路は、第１接合部の内側において第２主面に開口する開口部を有することから、発熱量の大きな半導体素子を配線基板に実装した場合に、半導体素子の主面に接するように冷却用流体を流すことができる。これにより、冷却用流体が半導体素子に接して存在することから、半導体素子の冷却を効率良く行うことができる。

また本発明によれば、第１接合部は、電極と配線導体とを電気的に接続することから半導体素子への給電と電気信号の入力を行うことが可能となる。

また本発明によれば、第１接合部および第２接合部は、それぞれ枠状であり、流路は、第１接合部と第２接合部との間において第２主面に開口する開口部を有することから、半導体素子の主面に接するように流体を流すことができるとともに、外部と流体をより効果的に遮断することができる。これにより、流体が外気に晒されることを防ぎ、流体への異物の混入によるコンタミネーションを防ぐことができる。また流体が流れる系が小さくなるため、必要な流体の体積が小さくなり、扱う流体が少量ですむ。したがって流体を流すための動力も小さくてすみ、小量の流体を小流量で流すことが可能であり、冷却効率の高い半導体装置を実現することができる。

また本発明によれば、第１接合部および第２接合部の少なくとも一方は、電極と配線導体とを電気的に接続することから、特に第１接合部が接地されている場合に第２接合部を電気的に外部から遮蔽することができる。

また本発明によれば、電極が形成された表面を有する半導体素子と、半導体素子を収容する凹部を備え、該凹部の内表面に配線導体が形成されている基体と、半導体素子の第１主面と凹部の内表面との間に設置され、電極と配線導体とを電気的に接続する電気接続部とを備え、基体は、半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、流路は、凹部の内表面に開口する開口部を有することから、凹部内において、半導体素子の周囲全体を冷却用流体で満たすことができ、冷却効率を高めることができる。

また本発明によれば、基体に凹部を覆うように接合された蓋部を備えることから、流体が封止されて液体に高い圧力をかけることができ、冷却用の流体の流速を高めることができるのでより放熱効率を高めることができる。

また本発明によれば、蓋部は、基体と同じ材料から成ることから、蓋部と凹部の接続信頼性、半導体素子の気密信頼性をより強固なものとすることができる。

また本発明の流体装置によれば、上述の第２主面を有する配線基板を備えたいずれかの半導体装置と半導体装置を搭載する搭載基板とを備え、搭載基板は、冷却用流体が流れる流路を内部に有し、配線基板の内部の流路は、搭載基板に対向する第３主面に開口する開口部を有し、搭載基板の内部の流路は、配線基板に対向する第４主面において、第３主面の開口部に対向するように開口する開口部を有することから、１つの流体装置に流体が流れる系全体を設けられるので、流体装置の外部に、流体を供給する構成を設けなくてもよく、流体が流れる系全体の規模を小さくすることができる。また流体が外気に晒されることを防ぎ、流体への異物の混入によるコンタミネーションを防ぐことができる。また流体が流れる系を小さくし、必要な流体の体積を小さくできるため、小量の流体を扱うことができる。したがって流体を流すための動力も小さくてすみ、小量の流体を小流量で流すことが可能であり、発熱効率の高い流体装置を実現することができる。

また本発明の流体装置によれば、凹部を有する基体を備えた上述のいずれかの半導体装置と、半導体装置を搭載する搭載基板とを備え、搭載基板は、冷却用流体が流れる流路を内部に有し、基体の内部の流路は、搭載基板に対向する表面に開口する開口部を有し、搭載基板の内部の流路は、基体に対向する主面において、基体の表面の開口部に対向するように開口する開口部を有することを特徴とすることから、１つの流体装置に流体が流れる系全体を設けられるので、流体装置の外部に、流体を供給する構成を設けなくてもよく、流体が流れる系全体の規模を小さくすることができる。また流体が外気に晒されることを防ぎ、流体への異物の混入によるコンタミネーションを防ぐことができる。また流体が流れる系を小さくし、必要な流体の体積を小さくし、小量の流体を扱うことができる。したがって流体を流すための動力も小さくてすみ、小量の流体を小流量で流すことが可能であり、冷却効率の高い流体装置を実現することができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の構成例を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体装置の切断面線Ｉ−Ｉ線における断面図である。図１（ａ），（ｂ）に示されるように、本実施の形態による半導体装置１は、半導体素子２と配線基板３とを備える。それらは、半導体素子２の一方の主面（以下、「第１主面」という。）と、配線基板３の一方の主面（以下、「第２主面」という。）が対向するように配置されている。半導体素子２の第１主面には、複数の電極４が設けられており、この電極４と配線基板３の第２主面に設けられた配線導体（図示せず）とが接続端子５によってそれぞれ電気的に接続されている。ここで、半導体素子２が、例えば情報処理用のＩＣチップなどである場合、半導体素子２は、配線基板３にフリップチップ接合により搭載されているとみなすことができる。

さらに、上記第１主面と第２主面との間で、複数の接続端子５を取り囲むように、半導体素子２と配線基板３とを接合する枠状の接合材６が設けられている。また、配線基板３の内部には、流路７が設けられている。この流路７内に、半導体素子２を冷却するための冷却用流体を流すことができる。流路７は、接合材６の内側において、配線基板３における第２主面に開口する開口部を有する。

半導体装置１は、上述したように、例えば情報処理用のＩＣチップモジュールなどの、半導体プロセスを用いて作製された集積半導体ＩＣであってよい。このような半導体装置１に用いられる半導体素子２は、情報処理を行う場合などに発熱する。また、半導体装置１は情報処理用ＩＣチップモジュールのみではなく、例えば発熱量が大きなパワーモジュール、および光学装置などであってよい。すなわち、熱を発生する任意の半導体素装置に対して図１に示された構成を適用することができる。

半導体素子２は、主にシリコンで構成され表層および内部に電気配線が形成されている。しかし、半導体素子２を構成する材料は、シリコンに限定されるものではなく、例えば半導体内の電荷密度を減少させることによって、処理速度を向上させる場合など用いられるガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素、シリコンゲルマニウムなどであってよい。また、半導体装置１が光学装置である場合などは、半導体素子２は、窒化ガリウム、ＳｉＣ、ダイアモンド半導体などで構成されてもよい。なお、半導体素子２はこれらの物性に限定されるものではなく、発熱量の大きな任意の材料から成る素子に対して図１に示された構成を適用することができる。

半導体素子２は、電気配線によって給電と処理する電気信号の授受とを行い、半導体素子２内で情報処理を行う。この場合に半導体素子２内で配線の抵抗成分などによって半導体素子２が発熱する。半導体装置１がパワーモジュールの場合、一般的に半導体素子２内に大電流が印加される。このためジュール熱効果によって半導体素子２内が発熱する。同じく、半導体装置１が光学装置の場合は、光学的なセンシングを行う場合や駆動を行う場合に大きな消費電力が必要となり、半導体素子２の部分が発熱することとなる。

半導体素子２の第１主面に設けられた電極４は半導体上に薄膜形成されており、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属材料からなる。半導体素子２は、この電極４を通じて外部との電気的な授受を行い、外部との電気的なやり取りを行う。

配線基板３は、半導体素子２を表面に実装する構造となっており、半導体素子２は、その第１主面が配線基板３の第２主面に対向するように配置されている。配線基板３は、例えばセラミックス材料、有機樹脂材料およびそれらの複合材料などの絶縁材料から成り、具体的には、例えばプリント配線基板が挙げられる。また、配線基板３は単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。

上記セラミックス材料は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体などである。また、有機樹脂材料は、例えばポリイミド、ガラスエポキシ樹脂などである。また、上記複合材料は、例えばセラミックスおよびガラスなどの無機粉末をエポキシ樹脂などの有機樹脂で結合して成る材料であってもよいし、ガラスから成ってもよい。

例えば、配線基板３は、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウムとガラス粉末などの原料粉末をシート状に形成したグリーンシートを複数枚積層し、焼成することによって形成される。配線基板３は、酸化アルミニウム質焼結体で形成するものに限らず、半導体装置１の用途などに応じて適したものを選択することが好ましい。例えば半導体素子２が情報処理用ＩＣチップの場合、情報処理用ＩＣチップの特性に応じて適したものを選択することが好ましい。

また、後述するように、配線基板３に流れる流体の特性に応じて、耐食性などの点で適した材料を選択することが好ましい。また配線基板３と半導体素子２は、互いに機械的に接続され、さらに加えて電気的に接続されるので、半導体素子２と配線基板３の熱膨張係数の差異に起因して生じる熱応力が小さくなるように、材料を選択することが好ましく、互いに接続される基板同士の熱膨張係数の差が小さくなるように材料を選択することが好ましい。

また、配線基板３の配線により伝送される電気信号の遅延を防止するために、配線基板３は、例えば、ポリイミドおよびガラスエポキシ樹脂などの有機樹脂材料、セラミックスおよびガラスなどの無機粉末をエポキシ樹脂などの有機樹脂で結合して成る複合材、並びに酸化アルミニウム−ホウ珪酸ガラス系および酸化リチウム系などのガラスセラミックス焼結体などのような比誘電率の小さい材料で形成することが好ましい。また、半導体素子２の発熱源で発生する熱の外部への放散性を良好とするために、例えば窒化アルミニウム質焼結体などのような熱伝導率の大きな材料で形成することが好ましい。

配線基板３中には流路７が形成されている。流路７を通じて冷却用の流体が配線基板３に流入、流出される。流路７は配線基板３の第２主面に形成された開口部を通じて半導体基板２の第１主面と配線基板３の第２主面の間に流体を満たすこととなる。

流路７は、例えば、配線基板３がセラミックの場合にはセラミックの焼成前の工程でいわゆるグリーンシートに形成された形状を積層して焼成前の加工体として、焼成後に流路７となる方法などで形成される。流路７の加工方法に関しては、本方法に限らず、研磨、ダイシング、エンドミル加工、切削加工などの後加工や、ロウ付け、半田付けなどの接合技術を用いて作製されてもよい。

また、接続端子５は、主に金属材料で形成されていることが多く、ＳｎＰｂ系半田、ＳｎＡｇＣｕ系半田、ＳｎＡｇ系半田、ＳｎＢｉ系半田、Ｉｎ系半田などの共晶金属が接合に用いられてもよく、Ａｎ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属が用いられてもよい。ＩＣチップが電気接続される場合には実装信頼性、およびサンプルの作製性から接続端子５の高さが５０〜１５０μｍであることが望ましい。接続端子５は１つの半導体装置１内に複数子配列されている場合には、単一の材料系で作製されている必要は無く、半田材料と金属材料の組み合わせなどの異種材料同士が同一面内に分布していても良い。接続端子５の高さを高くしたい場合などには、例えば金属材料をスペーサーとして半田で電気接続を行っても良い。また金属材料と半田材料を接続しても良く、金属の種類、半田の種類も電気接続を満足する材料であれば特に上記の材料に限定されるものではない。

接合材６は、接続端子５を取り囲むようにしてなり、好ましくは熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などの樹脂材料や、亜鉛系、ＢｉＯ系、シリカ系、シリカ‐ホウ素系、などのガラス材料から成る。耐水性を重要視する場合は、特に樹脂材料ではテフロン（登録商標）系などの材料が好ましく、またガラス材料のほうがより耐水性が良い。

また、接合材６は、単一の材質である必要は無く、例えば接合強度を保つための金属部材と耐食性を保つためのテフロン（登録商標）系部材とを組み合わせたものでも良い。さらに、２種類の組み合わせに限定されるものではなく、３種類以上の材料を組み合わせたものであってよい。なお、接合材６は、接合強度と耐食性を併せ持つものであれば特に材質を限定されるものではない。

流路７を流れる流体は、流体が液体の場合、冷却用の液体であると同時に、接続端子５に直接触れる構成となっているために絶縁性と金属材料に対する耐腐食性を確保しなければならない。このため、液体として、油脂系の液体、例えば一般的な鉱物油、ＰＡＯ（ポリアルファオレフィン）、およびエステル系油脂などを用いることが好ましい。また、その他にも誘電体系の液体、例えば、エポキシ系樹脂、キシレン系樹脂、フェノール系樹脂などを用いることによって絶縁性と耐腐食性の両方を同時に満たすことができる。なお、これらの液体の排熱性を向上させるために絶縁性の固体成分をフィラーとして混入させておいても良く、熱容量の大きな絶縁材料である例えばアルミナ、窒化アルミニウム、結晶性のガラスなどの粉末を流体中に混入させることも可能である。この場合、第１主面と第２主面の間の空間に液体が淀み無く流れることを想定すると、好ましくはフィラーのサイズは１〜１０μｍ程度であることが望まれる。特に、冷却用流体が樹脂の場合には、フィラーを混入すると粘度が低下し、第１主面と第２主面の間の空間に冷却用流体が流れ易くなる。

他にも、液体の種類としては、気体を液化させたもの例えば液体窒素、液体ヘリウム、液体フロンなどでも良好な冷却効率と絶縁性・耐食性を満足する。

なお、接合材６が樹脂材料で形成されている場合、冷却用液体は、樹脂材料への侵食の少ない油脂系の液体を用いることが好ましい。

上述の半導体装置１では、接合材６の内側で接続端子５の間が満たされるように冷却用流体を流すことができる。

本実施の形態による半導体装置では、発熱量の大きな半導体素子を配線基板に実装した場合に、半導体素子の主面に接するように冷却用流体を流すことができる。これにより、半導体素子が冷却用流体に直接接することから、半導体素子の冷却を効率良く行うことができる。すなわち、冷却設備を有することなく小型で、かつ半導体素子の放熱を高効率で行なうことができる半導体装置を実現することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図２は、本発明の第２の実施の形態による半導体装置の構成例を示す断面図である。なお、図２において、図１に示したものと同じ構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図２に示されるように、この半導体装置９では、半導体素子１０の内部に流路１１を設け、この内部の流路１１に冷却用流体を流している。

本実施の形態による半導体装置９の場合では、半導体素子２の第１主面と配線基板３の第２主面との間に、冷却用流体が流れる流路を形成し、その流路と半導体素子２の内部の流路１１とを接続する。第１主面と第２主面との間の流路は、図２に示されるように、第１主面と第２主面との間で各接続端子５の間を埋めるように配置された接合材６に流路を設けることにより形成されてよい。また、第１主面と第２主面との間の流路は、２つの枠状の接合材６から構成されてもよい。すなわち、一方の枠状の接合材６を取り囲むように、他方の枠状の接合材６を配置し、それらの２つの接合材６の間に冷却用流体を流してもよい。その場合、配線基板３に設けられた流路７は、２つの接合材６の間において配線基板３の第２主面に開口する開口部を有し、半導体素子２の内部の流路１１は、半導体素子２の第１主面に開口する開口部を有する。

このように半導体素子２の内部に冷却用流体を流す場合には、発熱する半導体素子２を直接冷却することができるので、半導体素子の冷却を効率良く行うことができる。

なお、枠状に形成された２つの接合材６の少なくとも一方を導電性とし、第１主面の電極と第２主面の配線導体とを電気的に接続する構成にしてもよい。このような枠状の接合材６は、例えば接地導体として用いることができる。さらに、外側の枠状接合材６を接地導体とすれば、内側の枠状接合材６を電気的に外部から遮断することができる。

半導体素子２の内部に流路を作製する場合は、いわゆるＭＰＵなどを形成する上でのＣＭＯＳ作製用のマスキング、エッチングなどを繰り返し、３次元の空洞を作製すればよい。半導体基板２に流路を形成する場合にはＤ−ＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチング、シリコン素材を酸、アルカリなどを用いてエッチングを行うウエットエッチング、レーザー加工、ハーフダイシング加工などの方法を用いて流路部分の形状に関してはフォトリソグラフィーでの形成が一般的である。若しくは、流路形成と半導体素子２の形成プロセスが異なる場合には、流路の形成されていない半導体素子２をウエハー上に作製する一方、流路が作製された基板を別途作製し、その後これらをウエハー上で貼り合わせることによって流路付の半導体素子２を得てもよい。この貼りあわせ方法としては、真空チャンバー内もしくは雰囲気チャンバー内で、半導体素子２と流路ウエハーとを熱圧着、陽極接合、直接接合、シラノール基を用いた半導体直接接合、共晶接合、若しくは金属接合する方法等が挙げられる。

接合部２４は、ＳｎＰｂ系、ＳｎＡｇＣｕ系などの半田材料や、ＢｉＯ系、Ｖ２Ｏ５系、ＳｉＯ２系、ＳｉＯ２ホウ素などのガラス材料やテフロン（登録商標）系、エポキシ系、ポリイミドなどの有機材料接着剤などで接合される。

なお、半導体素子１０の内部に流路を作成する方法は、上記のＣＭＯＳプロセスを使用した作製もしくはウエハー接合を行う場合に限定されるものではなく、半導体素子１０と流路の作製プロセスに応じて最適なプロセスで作製することが可能である。

なお、半導体素子１０の内部に冷却用流体を流すとともに、半導体素子の第１主面と配線基板３の第２主面との間に冷却用流体を満たしてもよい。すなわち、半導体装置１は、図１と図２の構成を組み合わせたような構成であってもよい。このように半導体素子２の内部および実装部分の両方に冷却用流体を流す構成では、半導体素子１０の冷却をより効率良く行なうことができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図３は、本発明の第３の実施の形態による半導体装置が基板に搭載された流体装置の構成例を示す断面図である。なお、図３において、図１に示したものと同一の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。図３に示されるように、流体装置２１は、本実施の形態による半導体装置２２とその半導体装置２２を搭載する搭載基板２３とを備えている。半導体装置２２は、接合部２４を介して搭載基板２３に搭載されている。そして、半導体装置２２は、半導体素子２と、その半導体素子２を収容する凹部を備えた基体２５と、その凹部を覆うように基体１に接合された蓋体２６とを備える。凹部の内表面には、配線導体（図示せず）が設けられており、半導体素子２の電極４と凹部の内表面の配線導体とが接続端子５によってそれぞれ電気的に接続されている。

また、基体２５の内部には、流路２７が形成されている。この流路２７内に、半導体素子２を冷却するための冷却用流体を流すことができる。流路２７は、凹部の内表面に開口する開口部を有する。

搭載基板２３は、ガラスエポキシ系の樹脂で作製されることが一般的である。耐水性・耐熱性を重視する場合にはテフロン（登録商標）系の材料・ポリイミドなどが用いられる。

搭載基板２３の内部には、流路２８が形成されている。この流路２８は、基体２５の内部の流路２７に接続され、流路２７，２８を介して基体２５の凹部に冷却用流体が供給される。図３に示された構成では、接合部２４は円筒状の形状を有し、内部の空洞を冷却用流体が流れる。接合部２４は、導電性材料および絶縁材料のいずれから成ってもよく、たとえば金属材料、非金属無機系材料、樹脂材料などから成る。接合部材が複数存在数する場合は、全て同一の材料から成ってもよいし、異なる材料から成ってもよい。また、接合部２４を、配線基板３および搭載基板２３にそれぞれ接合する方法としては、錫−銀系などの半田、金−錫ろうなどの低融点ろう材、銀−ゲルマニウム系などの高融点ろう材、導電性有機樹脂などの接合材を介して接合する方法、並びにシーム溶接、電子ビーム溶接などの溶接法を用いることができる。

また、搭載基板２３と配線基板３は電気的に接続されていてもよい。その場合、図３に示されるように、流体装置２１は、電気接続部２９を備えていてもよい。電気接続部２９は、基体２５の外表面に設けられた配線導体（図示せず）と、搭載基板２３の配線導体（図示せず）とを電気的に接続する。この場合、電気接続部材２８は、ＳｎＰｂ系半田、ＳｎＡｇＣｕ系半田、ＳｎＢｉ系半田、Ｉｎ系半田などの共晶金属等である。このほかにも搭載基板２３と配線基板３との電気的な接続方法として、ソケット固定、メタルピンによる接合などの半田接合を行わない接合方法でも良く、特に接続信頼性が重視される場合にはメタルピンによるソケット実装などが用いられる。

配線基板３の流路２７の開口部と搭載基板２３の流路２８の開口部は互いに対向している。特に、接合部分の信頼性を重視する場合には、円筒状の接合部２４の内側表面をステンレス・鉄−ニッケル合金などの非腐食性の金属などの部材で囲んでおくようにしても良く、同じく耐水性、実装信頼性を向上させる場合にはテフロン（登録商標）などの樹脂材料で接続部材の内側をコーティングしてもよい。

また、基体２５の凹部は、蓋部２６によって密閉されている。凹部と蓋部２６はＳｎＰｂ、ＡｕＳｎなどの共晶接合で接合する。このほかにもスポット溶接、ＹＡＧレーザーなどを用いたレーザー溶接、電子ビーム溶接、シーム溶接などの方法での溶接を行うことで接合されている。溶接方法としてはエポキシ樹脂などの樹脂材料を用いたシーラー接合表面活性化技術を用いた直接接合、ガラスフリット材料を用いたガラス接合そのほか陽極接合などの各種接合方法での接合が可能であり液体を流す目的を害しない限り特に接合方法に限定されるものではない。

凹部は、基体２５がセラミックスの場合はセラミックの焼成前の生工程でＮＣパンチングマシンや打ち抜き金型を用いて作製される工法で作製されてもよく、セラミックを焼成後にドリル加工、超音波ツール加工などの後加工技術を用いてもよい。

凹部は、基体２５が樹脂材料である場合にはドリル加工やエッチング加工、プレス整形などの方法で作製されていることが多い。

蓋部２６は金属材料としてはＦｅＮｉＣｏ、合金ＦｅＮｉ合金などが用いられることが多い。また絶縁材料としてはアルミナ、低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ ： Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）などのセラミックリッドであってもよく、ガラス材料で作製された蓋でも良い。

本実施の形態による半導体装置２２によれば、基体２５の凹部内において、半導体素子２の周囲全体を冷却用流体で満たすことができ、冷却効率を高めることができる。

また、上記流体装置１のように、半導体装置２２を搭載基板２３に搭載し、その搭載基板２３に冷却用流体を貯蔵する貯蔵部を設ける等して搭載基板２３から冷却用流体を供給する構成にすれば、１つの流体装置に、流体が流れる系全体を設けられるので、流体装置の外部に流体を供給する構成を設けなくてもよく、流体が流れる系全体の規模を小さくすることができる。また流体が外気に晒されることを防ぎ、流体への異物の混入によるコンタミネーションを防ぐことができる。また流体が流れる系を小さくし、必要な流体の体積を小さくし、小量の流体を扱うことができる。したがって流体を流すための動力も小さくてすみ、小量の流体を小流量で流すことが可能であり、効率の高い流体装置を実現することができる。

なお、基体２５と蓋部２６とを同一の材料で構成してもよい。図４は、そのような場合の流体装置の構成例を示す断面図である。図４に示された流体装置３２において、基体３２は、半導体素子２を収容する中空部を備える。基体３２の材料としては、モールド樹脂などの中空構造形成可能な材質であってよい。基体２５と蓋部２６とを必ずしも同時に形成する必要は無く、別の工程で作製されたものを熱圧着などの方法で接合されたものでも良い。

このように、基体と蓋部とを同一の材料で形成した場合には、基体と蓋部との接続信頼性をより高めることができ、さらに半導体素子２の気密信頼性もより強固なものとすることができる。

なお、図３および図４は、半導体素子２の電極４と基体１の凹部の内表面に設けられた配線導体とがフリップチップ接合されている構成を示しているが、上記電極４と配線導体とがボンディングワイヤで接続されている場合でも、基体２５の凹部内を冷却用流体で満たすことにより、半導体素子２を効率よく冷却することができる。

また、第１の実施の形態および第２の実施の形態による半導体装置も搭載基板に搭載して、流体装置を構成することができる。図５は、第１の実施の形態による半導体装置１を登載した流体装置の構成例を示す断面図である。図５に示されるように、この流体装置４１は、半導体装置１が登載基板２３に搭載されている。なお、図５において、図１〜図４に示したものと同一の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明は前述の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば、種々の変形は可能である。例えば、本発明の構成は半導体素子と配線基板と搭載基板と３枚の基板と素子によって構成されているが、構成によっては４枚以上の基板を有する構成であってもよく、複数の半導体素子が配線基板内に配置されている構成であってもよい。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の構成例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の半導体装置の切断面線Ｉ−Ｉ線における断面図である。 本発明の第２の実施の形態による半導体装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態による半導体装置が搭載された流体装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態による半導体装置が搭載された別の流体装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態による半導体装置が搭載された別の流体装置の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 半導体素子
３ 配線基板
４ 電極
５ 接続端子
６ 接合部材
７ 流路

Claims (12)

1. 電極が形成された第１主面を有する半導体素子と、
   配線導体が形成された第２主面を有する配線基板と、
   前記第１主面と第２主面との間に設置され、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続する電気接続部と、
   前記第１主面と第２主面との間に前記電気接続部を取り囲むように設置され、前記第１主面と第２主面とを接合する第１接合部と
   を備え、
   前記配線基板は、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、
   前記流路は、前記第１接合部の内側において前記第２主面に開口する開口部を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体素子は、前記電気接続部を介して前記配線基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１接合部は、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記第１主面と第２主面との間に前記電気接続部を取り囲むように設置されるとともに、前記第１主面と第２主面とを接合する第２接合部を備え、
   前記第１接合部は、前記第２接合部を取り囲むように設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
5. 前記第１接合部および前記第２接合部は、それぞれ枠状であり、
   前記流路は、前記第１接合部と前記第２接合部との間において前記第２主面に開口する開口部を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記第１接合部および第２接合部の少なくとも一方は、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続することを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に備え、
   前記半導体素子の内部の流路は、前記第１接合部と前記第２接合部との間において前記第１主面に開口する開口部を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
8. 電極が形成された表面を有する半導体素子と、
   前記半導体素子を収容する凹部を備え、該凹部の内表面に配線導体が形成されている基体と、
   前記凹部において、前記電極と前記配線導体とを電気的に接続する電気接続部とを備え、
   前記基体は、前記半導体素子を冷却する冷却用流体が流れる流路を内部に備え、
   前記流路は、前記凹部の内表面に開口する開口部を有することを特徴とする半導体装置。
9. 前記基体に前記凹部を覆うように接合された蓋部を備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記蓋部は、前記基体と同じ材料から成ることを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体装置。
11. 請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置と、
    前記半導体装置を搭載する搭載基板と
    を備え、
    前記搭載基板は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に有し、
    前記配線基板の内部の流路は、前記搭載基板に対向する第３主面に開口する開口部を有し、
    前記搭載基板の内部の流路は、前記配線基板に対向する第４主面において、前記第３主面の開口部に対向するように開口する開口部を有することを特徴とする流体装置。
12. 請求項８から１０のいずれかに記載の半導体装置と、
    前記半導体装置を搭載する搭載基板と
    を備え、
    前記搭載基板は、前記冷却用流体が流れる流路を内部に有し、
    前記基体の内部の流路は、前記搭載基板に対向する表面に開口する開口部を有し、
    前記搭載基板の内部の流路は、前記基体に対向する主面において、前記基体の表面の開口部に対向するように開口する開口部を有することを特徴とする流体装置。

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