JP4120102B2 - Semiconductor chip cooling structure - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LSI等の半導体部品を構成する半導体チップにおいて、これを効果的に冷却するための冷却構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種電子機器に組み込まれるLSI等の半導体部品は、半導体基板上に複数の半導体素子による回路を形成してなる半導体チップによって構成されている。
【0003】
この半導体チップは回路の駆動に伴なって熱を発生する発熱性の部品であり、ここでは温度が上がり過ぎると回路の駆動に悪影響を及ぼすため、半導体チップを冷却して温度の上昇を抑えることが必要である。
【0004】
一般にこの半導体チップの冷却は、回路部で生じる熱を半導体基板の表面から空気中に放熱することで温度の上昇を抑えるようにしている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年では半導体チップは回路の高密度化に伴なって発熱量も大きくなっており、このため従来の一般的な半導体チップの構造では充分な冷却を行なうことができなくなってきている。
【0006】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、半導体チップのより効果的な冷却構造を提供し、発熱量の大きい半導体チップでも充分な冷却を可能とすることを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、半導体基板の表面に微細な凹凸を形成してなるものである。
この構造では、半導体基板の表面の凹凸がヒートシンクとして作用することにより半導体チップの熱を効率よく放熱できるので、充分な冷却が可能となる。
【0008】
さらに本発明は、半導体基板の表面に微細な凹凸を形成すると共に、この凹凸の形成面に沿って流体を流動させる流動手段を設けてなるものである。
この構造では、半導体基板の表面の凹凸がヒートシンクとして作用すると共に、流体の流動によって半導体チップの熱をさらに効率よく放熱できるので、より効果的な冷却が可能となる。
また、流動手段は、半導体基板の凹凸の形成面に沿って配される薄膜と、この薄膜の長手方向に沿って薄膜上に並設されて薄膜を波状に振動させる複数の圧電素子から構成される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態例について詳細に説明する。
【0010】
図1は電子機器の一例としてデスクトップ型のパソコン1を示しており、ここで2はパソコン本体、3はCRTによるディスプレイ装置、4はキーボード装置である。
【0011】
パソコン本体2は、図2のように、CPU6、ハードディスク装置7、メモリ(RAM)8、CRTコントローラ9、キーボードコントローラ10などが内部に組み込まれて構成されている。この他にもパソコン本体2には、フロッピーディスクドライブ装置やCD−ROMドライブ装置、及びそれらのコントローラーモデム装置などが組み込まれている。
【0012】
パソコン本体2の内部の基板11上にはLSI等の半導体部品12が数多く実装されて内部回路を構成している。
【0013】
このLSI等の半導体部品12は、図3に示すような半導体チップ13によって構成されている。
この半導体チップ13は、半導体基板14上に複数の半導体素子による回路15を形成してなるもので、この回路15はリード線16を介して外部回路と接続される。
【0014】
この半導体チップ13は回路の駆動に伴なって熱を発するものであり、この場合温度が上がり過ぎると回路の駆動に悪影響を及ぼすため、この半導体チップ13ではこれを効果的に冷却する構造として、半導体基板14の表面(回路15の形成面と反対側の面)に微細な凹凸を形成してある。
【0015】
即ち本例においては、図3〜図5に示す如く半導体基板14の表面に細い柱状突起17を無数に形成して凹凸形状を出している。
尚、ここで突起17の高さhは1nm〜10μm、突起17間のピッチpも1nm〜10μm程度とする。
【0016】
このような凹凸形状は結晶成長技術やフォトエッチング技術等によって容易に形成できるものであり、この場合回路15の生成工程において同時に凹凸を形成するようにしてもよい。
【0017】
そしてこのように半導体基板14の表面に微細な凹凸を形成したことにより、この凹凸がいわゆるヒートシンクとして作用し、即ち半導体基板14の表面が空気に触れる面積が大きくなるため、半導体チップ13の回路15から生じる熱を効率よく空気中に放熱できるので、半導体チップ13の充分な冷却が可能となって温度の上昇を抑えることができる。
【0018】
図6は半導体チップのさらに効果的な冷却構造を示す。
即ちこの例では、上記の如く半導体基板14の表面に無数の柱状突起17による微細な凹凸を形成した構造に加えて、凹凸の形成面に沿って空気を流動させる流動手段を設けてある。
【0019】
この流動手段は、半導体基板14の凹凸の形成面に沿って配される圧電膜18によって構成されている。
この圧電膜18は、半導体基板14との間に所定間隔(柱状突起17の高さhとほぼ同じか、それより稍小さい程度)のギャップgを確保した状態で何らかの支持手段によって半導体基板14の上方で支持されており、この圧電膜18を波状に振動させて進行波を作ることで空気を凹凸の形成面に沿って一方向に流動させるようになっている。
【0020】
この圧電膜18の構造は、図7に示す如く薄膜18a上に複数の圧電素子18bを長手方向に並設してなり、この各圧電素子18bに位相をずらせて電流を供給することで薄膜18aが波状に振動して進行波を起こすものである。
尚、この圧電膜18の振幅は、圧電膜18と半導体基板14との間のギャップgよりも小さく設定される。
【0021】
以上の如く構成される冷却構造では、半導体基板14の表面の凹凸がヒートシンクとして作用すると共に、この凹凸の形成面に沿って空気が流動することによって半導体チップ13の熱をさらに効率よく放熱できるので、半導体チップ13のより効果的な冷却が可能となって温度の上昇を確実に抑えることができる。
【0022】
また特にこの冷却構造では、流動手段として圧電膜18を用いたことにより、冷却ファン等の大がかりな装置を必要とすることなく空気を送ることができるので、簡単かつ低コストで実施が可能である。
【0023】
尚、上記の例では流体として空気を流動させることにより半導体チップ13の効果的な冷却を行なうようにしているが、ここで流体としては空気に限ることなく他にも例えば熱伝導効率のよいフロロカーボンや純水等の液体とすることも可能である(但しこの場合は、流体が外部に流出しないように半導体チップ13の周囲を密閉構造とする必要がある)。
【0024】
以上、本発明の実施の形態例について説明したが、本発明はこの例に限定されるものではないことは言うまでもない。
【0025】
【発明の効果】
以上に説明した如く本発明の冷却構造によれば、半導体チップの熱を効率よく放熱して効果的な冷却を行なうことができる。
従って、発熱量の大きい半導体チップであっても充分な冷却が可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】デスクトップ型のパソコンを示す斜視図である。
【図2】同、パソコンの内部構成の説明図である。
【図3】本発明による半導体チップの冷却構造の一例を示す側面図である。
【図4】同、要部の拡大図である。
【図5】同、斜視図である。
【図6】本発明による半導体チップの冷却構造の他例を示す斜視図である。
【図7】同、圧電膜の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
13‥‥半導体チップ、14‥‥半導体基板、15‥‥回路、17‥‥柱状突起、18‥‥圧電膜(流動手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling structure for effectively cooling a semiconductor chip constituting a semiconductor component such as an LSI.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor component such as an LSI incorporated in various electronic devices is constituted by a semiconductor chip formed by forming a circuit of a plurality of semiconductor elements on a semiconductor substrate.
[0003]
This semiconductor chip is a heat-generating component that generates heat when the circuit is driven. Here, if the temperature rises too much, the circuit will be adversely affected, so the semiconductor chip is cooled to prevent the temperature from rising. is required.
[0004]
Generally, the cooling of the semiconductor chip is designed to suppress the temperature rise by dissipating the heat generated in the circuit section from the surface of the semiconductor substrate to the air.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, the amount of heat generated in a semiconductor chip has increased with the increase in circuit density. For this reason, it has become impossible to perform sufficient cooling with a conventional general semiconductor chip structure.
[0006]
The present invention has been made in view of such points, and it is an object of the present invention to provide a more effective cooling structure for a semiconductor chip and to enable sufficient cooling even for a semiconductor chip having a large calorific value.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is formed by forming fine irregularities on the surface of a semiconductor substrate.
In this structure, since the unevenness on the surface of the semiconductor substrate acts as a heat sink, the heat of the semiconductor chip can be radiated efficiently, so that sufficient cooling is possible.
[0008]
Further, according to the present invention, fine irregularities are formed on the surface of the semiconductor substrate, and a flow means for flowing a fluid along the irregularity forming surface is provided.
In this structure, the unevenness on the surface of the semiconductor substrate acts as a heat sink, and the heat of the semiconductor chip can be dissipated more efficiently by the fluid flow, so that more effective cooling is possible.
The flow means is composed of a thin film disposed along the uneven surface of the semiconductor substrate and a plurality of piezoelectric elements arranged in parallel on the thin film along the longitudinal direction of the thin film to vibrate the thin film. The
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 shows a desktop personal computer 1 as an example of an electronic device, in which 2 is a personal computer body, 3 is a display device using a CRT, and 4 is a keyboard device.
[0011]
As shown in FIG. 2, the personal computer main body 2 includes a CPU 6, a hard disk device 7, a memory (RAM) 8, a CRT controller 9, a keyboard controller 10, and the like incorporated therein. In addition, the personal computer body 2 incorporates a floppy disk drive device, a CD-ROM drive device, and a controller modem device thereof.
[0012]
A large number of semiconductor components 12 such as LSI are mounted on a substrate 11 inside the personal computer main body 2 to constitute an internal circuit.
[0013]
The semiconductor component 12 such as an LSI is constituted by a semiconductor chip 13 as shown in FIG.
The semiconductor chip 13 is formed by forming a circuit 15 including a plurality of semiconductor elements on a semiconductor substrate 14, and the circuit 15 is connected to an external circuit through a lead wire 16.
[0014]
The semiconductor chip 13 generates heat as the circuit is driven. In this case, if the temperature rises too much, the circuit drive is adversely affected. Therefore, the semiconductor chip 13 has a structure that effectively cools the circuit. Fine irregularities are formed on the surface of the semiconductor substrate 14 (the surface opposite to the surface on which the circuit 15 is formed).
[0015]
That is, in this example, as shown in FIG. 3 to FIG. 5, an infinite number of thin columnar protrusions 17 are formed on the surface of the semiconductor substrate 14 to give an uneven shape.
Here, the height h of the projections 17 is 1 nm to 10 μm, and the pitch p between the projections 17 is also about 1 nm to 10 μm.
[0016]
Such a concavo-convex shape can be easily formed by a crystal growth technique, a photo-etching technique, or the like.
[0017]
Since the fine irregularities are formed on the surface of the semiconductor substrate 14 in this way, the irregularities act as a so-called heat sink, that is, the area where the surface of the semiconductor substrate 14 is exposed to air is increased, so that the circuit 15 of the semiconductor chip 13 is increased. Therefore, the semiconductor chip 13 can be sufficiently cooled and the temperature rise can be suppressed.
[0018]
FIG. 6 shows a more effective cooling structure for the semiconductor chip.
That is, in this example, in addition to the structure in which fine irregularities are formed on the surface of the semiconductor substrate 14 by innumerable columnar protrusions 17 as described above, a flow means for causing air to flow along the irregularity forming surface is provided.
[0019]
This flow means is constituted by a piezoelectric film 18 disposed along the uneven surface of the semiconductor substrate 14.
The piezoelectric film 18 has a gap g between the semiconductor substrate 14 and a predetermined distance (approximately the same as or less than the height h of the columnar protrusions 17). The piezoelectric film 18 is vibrated in a wave shape to generate a traveling wave so that air can flow in one direction along the uneven surface.
[0020]
The piezoelectric film 18 has a structure in which a plurality of piezoelectric elements 18b are juxtaposed in the longitudinal direction on a thin film 18a as shown in FIG. 7, and a current is supplied to each of the piezoelectric elements 18b by shifting the phase. Oscillates in a wave shape to cause traveling waves.
The amplitude of the piezoelectric film 18 is set to be smaller than the gap g between the piezoelectric film 18 and the semiconductor substrate 14.
[0021]
In the cooling structure configured as described above, the unevenness on the surface of the semiconductor substrate 14 acts as a heat sink, and the air flows along the unevenness forming surface, so that the heat of the semiconductor chip 13 can be radiated more efficiently. The semiconductor chip 13 can be cooled more effectively, and the temperature rise can be reliably suppressed.
[0022]
Particularly in this cooling structure, since the piezoelectric film 18 is used as the flow means, air can be sent without requiring a large-scale device such as a cooling fan, so that it can be implemented easily and at low cost. .
[0023]
In the above example, the semiconductor chip 13 is effectively cooled by allowing air to flow as a fluid. However, the fluid is not limited to air but may be other fluorocarbons having good heat conduction efficiency. It is also possible to use liquid such as pure water (in this case, the periphery of the semiconductor chip 13 needs to be sealed so that the fluid does not flow out).
[0024]
The embodiment of the present invention has been described above. Needless to say, the present invention is not limited to this example.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the cooling structure of the present invention, it is possible to effectively dissipate the heat of the semiconductor chip and perform effective cooling.
Therefore, even a semiconductor chip with a large amount of heat generation can be sufficiently cooled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a desktop personal computer.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the internal configuration of the personal computer.
FIG. 3 is a side view showing an example of a semiconductor chip cooling structure according to the present invention.
FIG. 4 is an enlarged view of a main part of the same.
FIG. 5 is a perspective view of the same.
FIG. 6 is a perspective view showing another example of a cooling structure for a semiconductor chip according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing the structure of the piezoelectric film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Semiconductor chip, 14 ... Semiconductor substrate, 15 ... Circuit, 17 ... Columnar protrusion, 18 ... Piezoelectric film (flow means)

Claims (2)

表面に微細な凹凸が形成された半導体基板と
上記半導体基板の凹凸の形成面に沿って流体を流動させる流動手段と、
を備え、
上記流動手段は、上記半導体基板の上記凹凸の形成面に沿って配される薄膜と、上記薄膜の長手方向に沿って上記薄膜上に並設されて上記薄膜を波状に振動させる複数の圧電素子とから構成される
半導体チップの冷却構造。
A semiconductor substrate having fine irregularities formed on the surface ;
A fluidizing means for causing fluid to flow along the uneven surface of the semiconductor substrate;
With
The flow means includes a thin film disposed along the uneven surface of the semiconductor substrate and a plurality of piezoelectric elements arranged in parallel on the thin film along the longitudinal direction of the thin film to vibrate the thin film cooling structure of a semiconductor chip composed of a.
上記薄膜は、上記半導体基板との間に所定間隔のギャップを確保した状態で上記半導体基板の上方に支持され、
上記ギャップは、上記薄膜の振幅よりも大きく設定されている
請求項1に記載の半導体チップの冷却構造。
The thin film is supported above the semiconductor substrate in a state where a gap of a predetermined interval is secured between the thin film and the semiconductor substrate,
2. The semiconductor chip cooling structure according to claim 1, wherein the gap is set to be larger than the amplitude of the thin film .
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