JP2015170625A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路の放熱限界を解消することができ、冷却性能を向上させることができる半導体パッケージを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、トランジスタ回路を形成するチップ３の裏面に連通気孔が形成された多孔質状の多孔質層８を形成し、前記多孔質層８の部分に冷媒を流す冷媒流通手段９を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、半導体パッケージに関する。

近年、ＣＰＵ等の集積回路の発熱密度は増加しており、集積回路の性能が冷却性能で限定されてしまうような状況にもなりつつある。集積回路の冷却に多大な影響をもたらす半導体パッケージは、従来から低熱抵抗化が計られてきたが、最近の集積回路の発熱密度に対応できなくなりつつある。

図５の（Ａ），（Ｂ）は、半導体パッケージａの一例を示す。半導体パッケージａは、一般に薄い半導体基板ｂの表面に多数のトランジスタで回路を形成したチップｃを載せて樹脂ｄでモールドした構造になっている。ここで、チップｃは、フリップチップ半田突起ｅを介して半導体基板ｂの表面に連結されている。半導体基板ｂの裏面は半田ボールｆを介して実装する基板ｇに固定されている。また、パッケージａの外部には、フィン等の放熱板（ヒートシンク）ｈが固定されている。そして、チップｃの発熱部からの発熱はパッケージａの樹脂ｄの熱伝導を介してパッケージａの外部に輸送し、更にパッケージａの外部の放熱板ｈにより、空気などに放熱する冷却方法が採用されていた。

特開２００５−１２３４９６号公報

上記従来構成の半導体パッケージａは、集積回路の放熱性能向上にはパッケージａの内部からの熱伝導による熱抵抗の低減が重要となっていた。しかしながら、パッケージ材料（基板ｂ、モールド樹脂ｄ）の熱伝導率等の物理的制約から、パッケージａの熱抵抗の低減には限界があるので、これが集積回路の放熱限界（すなわち性能限界）となっていた。

本実施の形態は上記事情に着目してなされたもので、集積回路の放熱限界を解消することができ、冷却性能を向上させることができる半導体パッケージを提供することにある。

実施形態によれば、トランジスタ回路を形成するチップの裏面に連通気孔が形成された多孔質状の多孔質層を形成し、前記多孔質層の部分に冷媒を流す冷媒流通手段を設けた半導体パッケージである。

第１の実施の形態の半導体パッケージを示すもので、（Ａ）は半導体パッケージの平面図、（Ｂ）は半導体パッケージ内部の概略構成を示す縦断面図。 第１の実施の形態の半導体パッケージにおける多孔質層の冷媒流路を示す横断面図、（Ｂ）は半導体パッケージ内部の概略構成を示す縦断面図。 第２の実施の形態の半導体パッケージを示すもので、（Ａ）は半導体パッケージにおける多孔質層の冷媒流路を示す横断面図、（Ｂ）は半導体パッケージの表面側の概略構成を示す平面図。 第３の実施の形態の半導体パッケージを示すもので、（Ａ）は半導体パッケージに組み込んだヒートパイプを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線断面図。 従来の半導体パッケージの一例を示すもので、（Ａ）は半導体パッケージの平面図、（Ｂ）は半導体パッケージ内部の概略構成を示す縦断面図。

［第１の実施の形態］
（構成）
以下、本実施の形態にかかわる半導体パッケージに関して図面を参照して説明する。図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）は、第１の実施の形態の半導体パッケージ１の一例であるフリップ・チップボールグリッドアレイパッケージを示す。この半導体パッケージ１は、薄い基板（サブストレート）２の表面に多数のトランジスタで回路を形成したチップ３を載せて樹脂４でモールドした構造になっている。ここで、チップ３は、フリップチップ半田突起５を介して基板（サブストレート）２の表面に連結されている。基板２の裏面は半田ボール６を介して実装する基板７に固定されている。なお、チップ３の半導体形成面３ａは、図１中でチップ３の下面（表面）側に配置されている。

本実施の形態の半導体パッケージ１は、チップ３の上面（裏面）側に、多孔質状（ポーラス状）の多孔質層８を形成し、この多孔質層８の部分に冷媒を流す冷媒流通手段９が設けられている。多孔質層８は、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）の多孔質層によって形成されている。なお、多孔質層８は、必ずしもＳｉＣに限定されるものではなく、たとえばチップ材質と同じシリコン、またはアルミナなどの金属等でもよい。この多孔質層８には、微細な連通気孔が形成されている。そして、この多孔質層８は、チップ３の裏面にロウ付け、固相結合、溶射等により接合、形成することができる。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように多孔質層８には、チップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部の発熱量に応じた冷媒流路１０が形成されている。本実施の形態では、冷媒流路１０は、ほぼ櫛歯状の２つの溝部（第１の溝部１０ａと第２の溝部１０ｂ）によって形成されている。第１の溝部１０ａは、図２中で縦方向に配置された縦溝１０ａ１と、この縦溝１０ａ１と直交する方向に延設された複数の横溝１０ａ２とを有する。同様に、第２の溝部１０ｂは、図２中で縦方向に配置された縦溝１０ｂ１と、この縦溝１０ｂ１と直交する方向に延設された複数の横溝１０ｂ２とを有する。そして、第１の溝部１０ａと第２の溝部１０ｂは、第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ｂ２とが噛み合う状態に互いに平行に離間対向配置されている。

さらに、第１の溝部１０ａには、縦溝１０ａ１の一端側に冷媒流入口１１が形成されている。第２の溝部１０ｂには、縦溝１０ｂ１の一端側に冷媒流出口１２が形成されている。冷媒流入口１１には冷媒供給管１３の一端部、冷媒流出口１２には冷媒排出管１４の一端部がそれぞれ連結されている。冷媒供給管１３の他端部は、例えばガスや、液体などの図示しない冷媒の供給源に連結されている。そして、多孔質層８の冷媒流路１０と、冷媒供給管１３と、冷媒排出管１４とによって多孔質層８の部分に冷媒を流す冷媒流通手段９が形成されている。本実施の形態では、多孔質層８の冷媒流路１０は、例えば、エッチング、レーザー加工、切削加工等により形成することができる。

（作用）
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態の半導体パッケージ１の動作時には、チップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部が発熱する。このとき、同時に冷媒流通手段９が駆動される。この冷媒流通手段９の駆動時には、冷媒供給管１３から供給される冷媒が冷媒流入口１１を通して第１の溝部１０ａに導入される。第１の溝部１０ａに導入された冷媒は、第１の溝部１０ａの縦溝１０ａ１を通して複数の横溝１０ａ２に流入される。その後、冷媒は、主に第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と、第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ａ２との間の多孔質層８の壁部の微細な連通気孔を透過して第２の溝部１０ｂ側に導入されたのち、第２の溝部１０ｂの冷媒流出口１２から冷媒排出管１４を通して外部に排出される。

これにより、半導体パッケージ１の動作時に発生するチップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部の熱は、チップ３の裏面の多孔質層８側に伝熱され、多孔質層８の内部を流れる冷媒との熱交換によって外部側に排出される。このとき、多孔質層８の内部を流れる冷媒は、主に上流側の第１の溝部１０ａから下流側の第２の溝部１０ｂに流れる際に、第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と、第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ａ２との間の多孔質層８の壁部の微細な連通気孔を透過する。そのため、冷媒と多孔質層８との接触面積が大きくなるため、半導体パッケージ１の動作時に発生するチップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部の熱を効率よく冷却することができる。

（効果）
そこで、上記構成の本実施の形態の半導体パッケージ１では、チップ３の上面（裏面）側に、多孔質状の多孔質層８を形成し、この多孔質層８の部分に冷媒を流す冷媒流通手段９を設けている。これにより、次の効果がある。
（１）発熱するチップ３の裏面の多孔質層８に直接冷媒を流すため、パッケージ１のモールド樹脂４の熱伝導による熱抵抗に左右されずに基板２の表面の集積回路の高性能な冷却が可能である。

（２）チップ３の裏面の多孔質層（ポーラス層）８の冷媒流路１０をチップ３の表面側の半導体形成面３ａに形成されたトランジスタ回路の発熱に合わせて設計することにより、最適な冷却や温度制御が実施できる。冷媒流路１０を最適化することにより、ヒートスポット等に対処が可能である。

（３）チップ３の裏面の多孔質層８をチップ３の集積回路と一体で製造することにより、トータルで低コスト化が図れる。

以上より高性能で信頼性の高い集積回路が提供可能である。そのため、集積回路の放熱限界を解消することができ、冷却性能を向上させることができる半導体パッケージ１を提供することができる。

［第２の実施の形態］
（構成）
図３（Ａ），（Ｂ）は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）参照）の半導体パッケージ１の構成を次の通り変更した変形例である。なお、図３（Ａ），（Ｂ）中で、図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態の半導体パッケージ２１は、チップ３の裏面の多孔質層（ポーラス層）８の冷媒流路１０をチップ３の表面側の半導体形成面３ａに形成されたトランジスタ回路の発熱に合わせて設計した例である。ここで、チップ３の表面側の半導体形成面３ａには、図３（Ｂ）に示すようにトランジスタ回路の回路パターンによって動作中に比較的高温状態に発熱する高発熱部２２と、この高発熱部２２よりも低温状態に発熱する低発熱部２３とが形成される。

チップ３の裏面の多孔質層（ポーラス層）８には、図３（Ａ）に示すように表面側の高発熱部２２と対応する部分に、第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ｂ２との間の間隔を小さくした高冷却部２４が形成されている。さらに、チップ３の表面側の低発熱部２３と対応する部分には、第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ｂ２との間の間隔を大きくした低冷却部２５が形成されている。

（作用・効果）
本実施の形態の半導体パッケージ２１の動作時には、第１の実施の形態の半導体パッケージ１と同様に、同時に冷媒流通手段９が駆動される。この冷媒流通手段９の駆動時には、冷媒供給管１３から供給される冷媒が冷媒流入口１１を通して第１の溝部１０ａに導入される。第１の溝部１０ａに導入された冷媒は、第１の溝部１０ａの縦溝１０ａ１を通して複数の横溝１０ａ２に流入される。その後、冷媒は、主に第１の溝部１０ａの複数の横溝１０ａ２と、第２の溝部１０ｂの複数の横溝１０ａ２との間の多孔質層８の壁部の微細な連通気孔を透過して第２の溝部１０ｂ側に導入される。このとき、高冷却部２４を通る冷媒は、多孔質層８の壁部の厚さが小さいので、流れやすく、低冷却部２５を通る冷媒は、多孔質層８の壁部の厚さが大きいので、流れにくい。そのため、多孔質層８の高冷却部２４では、低冷却部２５よりも多量の冷媒が流れるので、チップ３の表面側の高発熱部２２は、低発熱部２３よりも効率よく冷却することができる。

したがって、本実施の形態の半導体パッケージ２１では、多孔質層８の冷媒流路１０に、チップ３の表面側の半導体形成面３ａに形成されたトランジスタ回路の発熱量に応じた適切な形状の高冷却部２４と低冷却部２５とを形成し、その流路１０、並びに多孔質部８に冷媒を流して冷却する構造とすることができる。そのため、冷媒流路１０を最適化することにより、半導体パッケージ２１の最適な冷却や、温度制御が実施できる。これにより、ヒートスポット等に対処が可能である。

［第３の実施の形態］
（構成）
図４（Ａ），（Ｂ）は、第３の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）参照）の半導体パッケージ１の構成を次の通り変更した変形例である。なお、図４（Ａ），（Ｂ）中で、図１（Ａ），（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図４（Ａ），（Ｂ）は本実施の形態のフリップ・チップボールグリッドアレイパッケージの半導体パッケージ３１を示す。本実施の形態の半導体パッケージ３１は、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）の多孔質層８をヒートパイプ３２の蒸発部３３として使用した冷媒流通手段３４を設けたものである。ここで、ヒートパイプ３２は、密閉容器３５内に少量の液体（作動液）を真空封入し、内壁に毛細管構造（ウィック）を備えたもので、密閉容器３５の両端に前記蒸発部３３と、凝縮部３６とが配置されている。

（作用・効果）
本実施の形態の半導体パッケージ３１の動作時には、第１の実施の形態の半導体パッケージ１と同様に、同時に冷媒流通手段３４が駆動される。この冷媒流通手段３４の駆動時には、ヒートパイプ３２は、（１）多孔質層８の蒸発部３３で熱を吸収することで作動液が蒸発する（蒸発潜熱の吸収）。（２）この蒸気は、凝縮部３６に移動する。（３）その後、凝縮部３６で、蒸気が凝縮する（蒸発潜熱の放出）。このとき、（４）凝縮した液が毛細管現象で蒸発部３３に環流される。そして、上記（１）〜（４）の一連の相変化が連続的に生じ、熱が素早く移動する。

これにより、半導体パッケージ３１の動作時に発生するチップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部の熱は、チップ３の裏面の多孔質層８の蒸発部３３側に伝熱され、ヒートパイプ３２の凝縮部３６から外部側に排出される。そのため、半導体パッケージ３１の動作時に発生するチップ３の表面側の半導体形成面３ａの発熱部の熱を効率よく冷却することができる。

これらの実施形態によれば、集積回路の放熱限界を解消することができ、冷却性能を向上させることができる半導体パッケージを提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…半導体パッケージ、３…チップ、８…多孔質層、９…冷媒流通手段。

Claims (4)

1. トランジスタ回路を形成するチップの裏面に連通気孔が形成された多孔質状の多孔質層を形成し、前記多孔質層の部分に冷媒を流す冷媒流通手段を設けた半導体パッケージ。
2. 前記冷媒流通手段は、前記多孔質層に、前記チップの表面側の発熱部の発熱量に応じた冷媒流路を形成し、その流路並びに前記多孔質層の部分に冷媒を流して冷却する構造とした請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記多孔質層は、ＳｉＣの多孔質層によって形成されている請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記冷媒流通手段は、前記ＳｉＣの多孔質層をヒートパイプの蒸発部として使用した請求項３に記載の半導体パッケージ。