JP4040695B2 - 半導体ダイを冷却する装置 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、一般的に集積回路技術に関し、より詳しくは、本発明は集積回路の温度を制御する方法に関するものである。
背景情報
集積回路業界では、集積回路速度ならびにデバイス密度の向上に継続的に努力している。こうした努力の結果、複雑な高速集積回路をパッケージ化する際にフリップ・チップ技術を利用するのが趨勢となっている。フリップ・チップ技術はＣ４パッケージングとも呼ばれている。Ｃ４パッケージング技術においては、集積回路ダイは、ワイヤ・ボンディング技術を使用してパッケージされた集積回路ダイに対して上下逆にされる。
集積回路のテストまたはデバッグ時には、集積回路を本来のパッケージング環境で、その所期の最高動作速度で動作させるのが多くの場合望ましい。現代の集積回路の出力密度は通常、非常に高いので、集積回路に過剰な熱が発生する危険性を減らすためこれらの集積回路で発生した熱を除去するのが望ましい。集積回路の温度を正しく制御しないと、回路の性能が影響を受ける場合がある。集積回路の温度を適切に調節しないと部品が劣化することもある。そのため、集積回路の温度を調節した状態でデバッグ情報を収集しなければならない。そうしないと、得られたデバッグ情報が役立たないこともありえる。
第１Ａ図に示すように、ワイヤ・ボンディングされた半導体デバイス１０１から熱を除去するには、一般に、フィン付き放熱器１０３をパッケージ１１１の底面１０７に取り付けて、放熱器１０３に空気流１０９を通す必要がある。熱流路を半導体デバイス１０１の裏面１０５からパッケージ１１１を通してさらに放熱器１０３まで形成させる。パッケージ１１１内に埋め込むまれたヒート・スラグ（図示せず）で半導体デバイス１０１を放熱器１０３に熱結合する。すると、熱は放熱器１０３上を流れる空気流１０９によって運び去られる。
第１Ｂ図は、シリコン・デバッグ時にワイヤ・ボンディングした半導体ダイ１３１から熱を除去する場面の図である。第１Ｂ図からわかるように、半導体ダイ１３１は回路基板１４５に取り付けられたワイヤ・ボンド・パッケージ１４１内にパッケージされている。プローブ・ツール１４３は、真空室内で動作している半導体ダイ１３１をデバッグするために使用する電子ビーム・システムの一部である。妨げられずに直接半導体ダイ１３１を取り扱える場合、プローブ・ツール１４３を使って、動作中の半導体ダイ１３１から情報を取り出すことができる。
半導体ダイ１３１は真空中で動作させられているので、空気の循環に頼る通常の冷却機構は利用できない。現在の電子ビーム・プロービング・システムで一般的に使用される冷却手法では、パッケージ１４１の底面１４７に熱結合される冷却ブロック１４９を採用している。半導体ダイ１３１で発生した熱は、パッケージ１４１を通って冷却ブロック１４９まで運ばれる。冷媒１５１は、冷却ブロック１４９を通って循環し、冷却ブロック１４９の温度を調節し、半導体ダイ１３１の温度を調節する。
第２図は、Ｃ４パッケージ半導体ダイ２０１から放出されている熱を示している。熱は、裏面２０５に熱結合されたフィン付き放熱器２０３に空気流２０９を通すことにより半導体ダイ２０１の裏面２０５から除去される。高出力の適用例では、熱伝導性ヒート・スラグ（図示せず）を裏面２０５に取り付けて、ヒート・スラグを放熱器（図示せず）に熱結合することで、熱を半導体ダイ２０１から放出させる。他の例では、ヒート・スラグを熱質量が大きく、熱移動面積が広い金属板に熱結合する。他の例では、ヒート・スラグをヒート・パイプまたは他の何らかの低抵抗熱経路で熱拡散板に熱結合する。一般にはんだバンプ２１１はよい熱導体とは考えられず、熱はパッケージ２０７を通じて放出しないことに注意されたい。さらに、パッケージ２０７は有機パッケージでもよく、したがって断熱材の特性を持つことがある。
たとえば電子ビーム・システムなどのプロービング・システムで半導体ダイ２０１をデバッグするときには、裏面２０５を露出させて、電子ビーム・プローブ・ツールで妨害なしに直接取り扱えるようになっているのが望ましい。ただし、第２図に示されているように、通常、半導体ダイ２０１から熱を除去するために放熱器２０３をＣ４パッケージで使用している。デバッグのため放熱器２０３を半導体ダイ２０１から取り外すと、分析中の集積回路が連続動作しているため、半導体ダイ２０１の回路が損傷することがある。さらに、Ｃ４パッケージされた半導体ダイ２０１を電子ビーム・プロービング・システムの真空室内で動作させる場合、伝導など通常の冷却機構は利用できない。半導体ダイ２０１の温度を調整することができなければ、最高動作速度で半導体ダイ２０１の動作を持続させると、回路の劣化や損傷が発生するおそれがある。
発明の概要
半導体ダイを冷却するための方法と装置を開示する。実施形態では、開口部を備える冷却板を半導体ダイの第１の表面の上に配置して、冷却板を半導体ダイに熱結合する。熱は半導体ダイから冷却板に移動する。冷却板の開口部を半導体ダイの露出部上に配置し、半導体ダイの露出部を妨害なしに接近できるようにする。下記の詳細な説明、図、および請求の範囲から、本発明には他にも特徴と利点のあることは明白である。
【図面の簡単な説明】
本発明を、添付の図に限定としてではなく例として示す。
第１Ａ図は、パッケージの裏面に取り付けられたフィン付き放熱器を備えるワイヤ・ボンド・パッケージ半導体デバイスの図である。
第１Ｂ図は、デバッグ中にプローブが行われ、パッケージの裏面に取り付けられた冷却ブロックで冷却されるワイヤ・ボンド・パッケージ半導体デバイスの図である。
第２図は、フィン付き放熱器が半導体基板の裏面に取り付けられたＣ４パッケージ半導体デバイスの図である。
第３図は、本発明の教示に従ってプローブ・ツールでプローブする間の冷却板を半導体ダイに熱結合するＣ４パッケージ半導体デバイスの図である。
第４Ａ図は、本発明の教示に従って開口部を半導体ダイ上に配置した冷却板の上面図である。
第４Ｂ図は、本発明の教示に従って開口部を半導体ダイ上に配置した冷却板の他の実施形態の上面図である。
第４Ｃ図は、本発明の教示に従って複数の開口部をマルチチップ・モジュールの半導体ダイ上に配置した冷却板の他の実施形態の図である。
第５図は、本発明の教示に従って伝熱導管を通じて冷却ブロックに熱結合されている冷却板に熱結合されているＣ４パッケージ半導体デバイスの図である。
詳細な説明
半導体ダイを冷却するための方法と装置を開示する。以下の説明では、本発明を完全に理解できるように、多数の具体的な詳細について述べる。ただし、本発明を実施するために特定の詳細を利用する必要がないことは、当分野の技術者にとっては明白である。他の実施形態では、本発明を曖昧なものにすることを避けるためよく知られている材料または方法については詳しく説明していない。
本発明の一実施形態は、露出している回路基板を著しく隠すことなく真空システム内のフリップチップまたはＣ４パッケージ集積回路の温度を制御する方法と装置を提供する。したがって、この実施形態を用いると、シリコン・デバッグおよび故障分離を実施している間にＣ４パッケージ集積回路をプローブすることができる。パッケージを通じた熱伝導に依存することなく、また露出している回路基板を著しく隠すことなく、本発明の一実施形態により、Ｃ４パッケージ集積回路の半導体ダイの温度制御が実現される。一実施形態では、パッケージの熱伝導によって温度制御システムの効率が影響を受けないようにＣ４パッケージされた集積回路の露出している基板を冷却板に直接熱接触させることにより、温度制御を実現している。本発明の一実施形態は、現在の電子ビーム・プロービング・システムの真空室内で使用することができ、またワイヤ・ボンディング・パッケージ集積回路とともに使用される既存の冷却手法と整合性がある。
第３図は、Ｃ４パッケージ３０３でパッケージングされた半導体ダイ３０１の側面図である。Ｃ４パッケージ３０３は、回路基板３０７で動作するようにソケット３０５に取り付けられている。一実施形態では、第３図に示されているように、プローブ・ツール３０９を使用して半導体ダイ３０１の露出している裏面３１１から情報を抽出する。本発明の一実施形態では、半導体ダイ３０１は電子ビーム・プロービング・システムの真空室内で所期の最高動作速度で作動するように設定されている。ただし、本発明は電子ビーム・プロービング・システムでの使用に限られているわけではなく、したがって、たとえばレーザを利用する試験システム、機械式プロービング・システムなど、他のデバッギング・システムでも有用なことがあることに注意されたい。
真空室内で所期の最高動作速度で作動させながら半導体ダイ３０１の温度を調節し、さらに半導体ダイ３０１の裏面３１１を妨害なしに接近できるようにするため、第３図に示されているように、開口部３１５を備える冷却板３１３を半導体ダイ３０１の露出している基板に直接接触させる。冷却板３１３を半導体ダイ３０１の露出している基板に直接接触させると、半導体ダイ３０１の熱は半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の重なり部における熱結合を通じて冷却板３１３に移動する。開口部３１５があるため、プローブ・ツール３０９で半導体ダイ３０１の裏面３１１に妨害なしに直接触れることができ、シリコン・デバッグと故障分離を行える。
いくつかの例では、半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の重なり接触面は平面でなくてよい。したがって、冷却板３１３と半導体ダイ３０１との熱結合は、点接触のみで行われることもありうる。このような状況では、半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の熱伝導が下がり、そのため半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の熱抵抗が増える。この場合、現在説明している温度制御システムの効率は低下する。
一実施形態では、形状追従性のあるまたは柔軟な熱導体を半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の重なり部に配置し、半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の熱伝導性を高める。一実施形態では、形状に従順な熱境界を実現し、熱伝導性を高め、冷却板３１３と半導体ダイ３０１の間の熱抵抗を下げるためにインジウムやインジウム合金を形状追従性熱導体として利用する。インジウムは、熱伝導性が高く、形状追従特性を持ち、溶融温度が低いという特徴があるため、本発明のこの態様に特に有用である。さらに、インジウムは真空中で使用可能であり、電子ビーム・プロービング・システムの真空室での使用に適している。
一実施形態では、インジウムの薄層３１７を、冷却板３１３が最終的に半導体ダイ３０１と接触することになる場所の半導体ダイ３０１の裏面３１１の縁の周囲に配置する。一実施形態では、インジウム３１７はインジウム箔である。インジウム３１７を半導体ダイ３０１の縁に配置した後、溶融し、冷却板３１３を半導体ダイ３０１に押しつけて、半導体ダイ３０１と冷却板３１３との間にインジウム３１７の非常に形状従順なコーティングを形成する。他の実施形態では、冷却板３１３を半導体ダイ３０１に押しつける前に、インジウム３１７を溶融しない。そのため、半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間に熱伝導性の高い形状従順熱重なり部が形成される。
半導体ダイ３０１と冷却板３１３との間に形状従順な熱接触部を形成する限り、本発明の教示に従って、インジウムの代わりに他の形状追従熱導体を使用することができる。たとえば、半導体ダイ３０１と冷却板３１３の間の熱結合を高めるためにインジウム３１７の代わりにサーマル・ペーストを使用することもできる。ただし、サーマル・ペーストは、そのガス放出特性のため真空中での使用に特に適さないものもあることに注意されたい。
本発明の一実施形態では、半導体ダイ３０１の上に配置された冷却板３１３の部分を約１ｍｍの薄さにする。その際に、デバッグ試験または故障分離中に半導体ダイ３０１の裏面３１１から情報を抽出できるように、プローブ・ツール３０９を接近させやすく、また操作しやすくする。
本発明の一実施形態では、冷媒３１９を冷却板３１３内に循環させ、冷却板３１３の温度を調節する。そこで、本発明の教示に従って、半導体ダイ３０１で発生した熱を冷却板３１３に移動し、次に冷却板３１３から冷媒３１９を通じて外部の冷却装置（図示せず）に移動させることができる。
第４Ａ図は、本発明の教示に従って、開口部４１５が半導体ダイ４０１に配置され、それと熱結合されている冷却板４１３の上面図である。一実施形態では、開口部４１５の寸法は半導体ダイ４０１の縁の外寸よりも小さく、半導体ダイ４０１は半導体ダイ４０１の裏面に配置されている重なり接触領域４１７で冷却板４１３に熱結合される。一実施形態では、インジウムなどの形状追従熱導体を冷却板４１３と半導体ダイ４０１の間の重なり接触領域４１７に配置して、半導体ダイ４０１と冷却板４１３の熱結合を高める。そこで、電子ビーム・プローブ・システムやレーザを使用する試験システムなどのプローブ・ツールを使い、開口部４１５を通じて半導体ダイ４０１の裏面の露出している回路基板を妨害なしに直接取り扱うことができる。
第４Ｂ図は、開口部４３５を備える冷却板４３３が半導体ダイ４３１に配置され、熱結合されている本発明の他の実施形態の上面図である。第４Ｂ図に示されているように、開口部４３５は半導体ダイ４３１のコーナ全体を露出する形状になっている。図の実施形態では、半導体ダイ４３１は重なり接触領域４３７で冷却板４３３に熱結合している。第４Ｂ図に示されている実施形態では、プローブするため、半導体ダイ４３１の露出しているコーナの縁を含む、半導体ダイ４３１の露出しているコーナ全体を妨害なしに直接取り扱うことができることが充分理解されるであろう。この実施形態では、半導体ダイ４３１の裏面の所望の部分を開口部４３５を通して露出させるように、冷却板４３３に対して半導体ダイ４３１を回転させることで、半導体ダイ４３１の裏面の任意の部分へ妨害なしに直接接近することを実現できることが充分理解されよう。
前記の実施形態と同様に、形状追従熱導体を重なり接触領域４３７の冷却板４３３と半導体ダイ４３１の間に配置することができる。その際に、半導体ダイ４３１と冷却板４３３の間の熱伝導度が増加し、半導体ダイ４３１と冷却板４３３の間の熱結合が高まる。熱結合を高めることで、半導体ダイ４３１の温度勾配を下げることができる。
第４Ｃ図は、冷却板４７３に開口部４７５Ａ−Ｄを備える本発明の他の実施形態の上面図である。図の実施形態において、それぞれの開口部４７５Ａ−Ｄは対応する半導体ダイ４７１Ａ−Ｄの裏面に配置できる形状である。この実施形態では、半導体ダイ４７１Ａ−Ｄはマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）ユニットに含まれる。それぞれの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄは冷却板４７３に熱結合され、それぞれの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄの熱は冷却板４７３に移動するようになっている。それぞれの開口部４７５Ａ−Ｄは対応する半導体ダイ４７１Ａ−Ｄ上に配置され、それぞれの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄの裏面の露出している部分に妨害なしに直接接近できる。したがって、故障分離を行うために、シリコン・デバッグの際にそれぞれの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄの露出している部分でプロービングが実行できる。
第４Ｃ図に示されているように、熱は、重なり接触領域４７７Ａを通じてシリコン・ダイ４７１Ａから冷却板４７３に移動する。熱は、重なり接触領域４７７Ｂを通じて半導体ダイ４７１Ｂから冷却板４７３に移動する。熱は、重なり接触領域４７７Ｃを通じて半導体ダイ４７１Ｃから冷却板４７３に移動する。熱は、重なり接触領域４７７Ｄを通じて半導体ダイ４７１Ｄから冷却板４７３に移動する。前記の実施形態と同様に、インジウムなどの形状追従熱導体を重なり接触領域４７７Ａ−Ｄの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄと冷却板４７３の間に配置し、冷却板４７３とそれぞれの半導体ダイ４７１Ａ−Ｄの間の熱結合を高める。
本発明は、第４Ａ図ないし第４Ｃ図に関して説明した形状および開口部のみを備える冷却板に限られないこと、したがって他の形状の冷却板および開口部であっても本発明の教示による露出している半導体ダイを著しく曖昧にして半導体ダイが冷却する限り使用できる。
第５図は、本発明の教示に従って半導体ダイを冷却する方法と装置の他の実施形態の図である。第５図に示されている実施形態では、半導体ダイ５０１を、回路基板５０７に取り付けたソケット５０５に取り付けられているＣ４パッケージ５０３にパッケージ化している。第１Ｂ図に関して説明したシステムと同様に、半導体ダイ５０１はシリコン・デバッグと故障分離のため電子ビーム・プロービング・システムの真空室で動作させることができる。
本発明の教示に従って、開口部５１５を備える冷却板５１３を半導体ダイ５０１上に配置し、熱結合する。開口部５１５を半導体ダイ５０１の裏面に配置し、妨げられることなくプローブ・ツール５０９で半導体ダイ５０１の裏面５１１の露出部分に直接接近できるようにする。本発明の一実施形態では、インジウム５１７などの形状追従熱導体を重なり接触領域内の半導体ダイ５０１と冷却板５１３の間に配置して、半導体ダイ５０１と冷却板５１３の間に形状従順な熱接触を実現し、半導体ダイ５０１と冷却板５１３の間の熱結合を高める。したがって、半導体ダイ５０１で発生する熱は、所期の最高動作速度で動作している間に、インジウム５１７を通じて冷却板５１３に移動する。
一実施形態において、本発明は、冷却ブロック５１９が回路基板５０７の反対側に配置されている現在の電子ビーム・プロービング・システムの温度制御システムと整合性があると考えられる。第５図は、プローブ・ツール５０９で、回路基板５０７に取り付けた半導体ダイ５０１をプローブしている図である。ただし、冷却ブロック５１９は、ワイヤ・ボンディング・パッケージ集積回路をプローブするように構成された多くの既存の電子ビーム・プロービング・システムの場合と同様に、回路基板５０７の反対側に配置されている。本発明の教示に従って、伝熱導管５２３Ａおよび５２３Ｂを通じて冷却板５１３が冷却ブロック５１９に熱結合されている。
一実施形態において、伝熱導管５２３Ａ−Ｂは、冷却板５１３から回路基板５０７内の開口部５２５Ａと５２５Ｂをそれぞれ通り、冷却ブロック５１９に達するサーマル・スクリュを備えている。一実施形態において、冷却ブロック５１９は、それぞれ伝熱導管５２３Ａおよび５２３Ｂのねじ山５２７Ａおよび５２７Ｂを受け入れる形状のねじ穴５２９Ａおよび５２９Ｂを備えている。そのため、伝熱導管５２３Ａおよび５２３Ｂにより、冷却板５１３は冷却ブロック５１９に熱結合され、熱は半導体ダイ５０１から冷却板５１３を通り、伝熱導管５２３Ａ−Ｂを通り、冷却ブロック５１９に移動する。
一実施形態において、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂのサーマル・スクリュは、それぞれ特大のヘッド５３１Ａおよび５３１Ｂとともに、特大のねじ山５２７Ａと５２７Ｂをそれぞれ備えている。特大のヘッド５３１Ａおよび５３１Ｂを使用することで、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂが冷却板５１３と熱接触する表面積が増加し、熱抵抗が減少するとともに熱伝導が増加する。同様に、特大のねじ山５２７Ａおよび５２７Ｂを使用することで、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂが冷却ブロック５１９と熱接触する表面積が増加し、したがって熱抵抗が減少し、熱伝導が増加する。
本発明の他の実施形態において、冷却板５１３は、冷却板５１３の回路基板５０７側に配置されている突出部５３３Ａおよび５３３Ｂを備えており、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂのサーマル・スクリュを締め付けると突出部５３３Ａと５３３ＢがＣ４パッケージ５０３を回路基板５０７のソケット５０５に押し込まれる形となる。そのため、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂのサーマル・スクリュを締め付けた後、Ｃ４パッケージ５０３がソケット５０５内に適切に収まる。さらに、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂのサーマル・スクリュにより冷却板５１３の平面を半導体ダイ５０１の裏面５１１の平面に合わせて調整し、インジウム５１７による熱接触をさらに高められることは充分に理解できる。
本発明の一実施形態において、冷却板５１３には、ニッケル・コーティングした銅が含まれる。本発明の他の実施形態では、伝熱導管５２３Ａと５２３Ｂのサーマル・スクリュも銅製である。銅は熱の良導体なので本発明の応用に特に適していることが理解される。ただし、本発明は、銅製の冷却板５１３と伝熱導管５２３Ａおよび５２３Ｂに限られるわけではなく、したがって冷却板５１３と伝熱導管５２３Ａおよび５２３Ｂには本発明の教示により半導体ダイ５０１を冷却する充分な熱伝導性がある限り他の材料も使用できることに注意されたい。本発明の他の実施形態では、冷媒５２１を冷却ブロック５１９内に循環させ、半導体ダイ５０１から熱をさらに除去しやすくしている。
以上、半導体ダイを冷却する方法と装置について述べた。ここで説明した冷却方法と装置を使用すると、Ｃ４パッケージされた集積回路またはＭＣＭユニットをシリコン・デバッグおよび故障分離のため電子ビーム・プロービング・システムの真空室内で動作させることができる。ここで説明した冷却方法および装置ではさらに、レーザを利用する試験または機械式プローブの実行時に真空室の外で動作するＣ４パッケージされた集積回路またはＭＣＭユニットの冷却も行える。本装置および方法により、パッケージを通じた熱伝導に頼ることなく、またＣ４またはＭＣＭユニットの露出している回路基板を著しく曖昧にすることなく、半導体ダイが冷却される。さらに、本発明は、それぞれのパッケージを通じて半導体ダイを冷却するように通常構成された現在の電子ビーム・プロービング・システム内の既存の温度制御システムと整合性がある。
以上の詳細な説明では、特定の例示的実施形態に関して本発明の方法と装置を説明した。しかし、本発明の広範な精神と適用範囲から逸脱することなくさまざまな修正および変更を加えられることは自明である。したがって、本明細書と図は限定的なものとしてではなく例示的なものとみなすべきである。

Claims (4)

1. 半導体を冷却するための装置であって、
   開口部を持つ冷却板を備え、前記冷却板が半導体ダイの第１の表面に配置され、熱が半導体ダイから冷却板に移動するように前記冷却板が前記の第１の表面の重なり部において半導体ダイに直接熱結合され、前記冷却板の開口部が、第１の表面の露出部分に妨害なしに接近できるように第１の表面の露出部分の上に配置されることを特徴とする装置。
2. 半導体ダイを冷却する装置であって、
   開口部を有すると共に、半導体ダイの第１の表面の上に配置され、熱が半導体ダイから冷却板に移動するように第１の表面の重なり部で半導体ダイに熱結合されている冷却板と、
   半導体ダイと冷却板の間の前記重なり部に配置される、前記冷却板と半導体ダイとの間の熱抵抗を低減する熱伝導性層と
   を備え、
   前記冷却板の開口部は上記第１の表面の露出した部分の上部に位置し、これによって第１の表面の露出した部分の領域に妨害なしに接近できるようにしたことを特徴とする装置。
3. 請求項２記載の装置において、前記熱伝導性層がインジウムを含む装置。
4. 回路基板上で動作する半導体ダイを冷却するための装置であって、
   前記半導体ダイの第１の表面またはその上に配置され、熱が該半導体ダイから冷却板に移動するように前記第１の表面の重なり部で半導体ダイに直接または熱伝導層を介して熱結合されている冷却板と、
   前記半導体ダイに関して回路基板の反対側に配置されている冷却ブロックと、
   熱が冷却板から伝熱導管を通じて冷却ブロックに移動するように冷却板と冷却ブロックの間に熱結合されている伝熱導管と
   を備えることを特徴とする装置。

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