JP4433819B2

JP4433819B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4433819B2
Application number: JP2004038702A
Authority: JP
Inventors: ナイベレーガン; 道昭村田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP2005229058A

Description

本発明は、例えばＩＣチップやＬＳＩチップ等の半導体チップと、その冷却装置を備えた半導体装置に関する。

近年、半導体チップの集積回路の高集積化に伴い、その稼動中に熱が生じ、その熱による集積回路の破壊が問題になっており、様々な改善が施されている。

例えば、特開平０５−２５１６０１号には、半導体チップの裏面に冷却機構が設けられた半導体装置が提案されている。この提案では、予め半導体チップの裏面に予め冷却機構を加工して表面に集積回路を設けている。

また、特開平０８−１３９２３７号には、半導体パッケージ上に、冷却液を噴射して冷却する冷却機構を設けた半導体装置が提案されている。この提案では、半導体パッケージ上にコールドプレートを介して冷却液を噴射して、冷却能力を高めている。

また、特開２００２−１００７３には、半導体パッケージの熱を受ける受熱部と、半導体パッケージの熱を放出する放熱部と、これら受熱部及び放熱部との間で液状の冷媒を移動させる管路とを備えた冷却機構を設けた半導体装置が提案されている。この提案では、冷却機構において受熱部と放熱部との温度差に基づいて冷媒を移動させることにより、受熱部に伝えられた半導体パッケージの熱を放熱部に輸送して、放熱している。

しかしながら、上記特開平０５−２５１６０１号では、半導体チップの裏面に冷却機構を設けているため、半導体チップの両面に複雑な加工が施されることとなり、歩留まりの低下が生じてしまう。また、半導体チップの集積回路と冷却機構との間には厚さ数１００μの半導体チップ自体のＳｉ基板が介在するので、直接的な冷却機構が望めないのが現状である。また、複数の半導体チップに渡って冷却液を循環させることは困難である。

特開平０８−１３９２３７号、特開２００２−１００７３では、半導体パッケージ上に冷却機構が設けられているため、半導体チップと冷却機構との間に半導体チップを封止した封止体が介在するため、直接的な冷却機構が望めないのが現状である。また、小型化も困難である。

従って、本発明の目的は、冷却能が非常に高いと共に、簡易な構成で小型化可能な冷却機構を備えた半導体装置を提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明の半導体装置は、
表面に集積回路が設けられた半導体チップと、
前記半導体チップの集積回路面上に設けられ、前記半導体チップの集積回路面を冷却液により冷却させると共に、前記冷却液を循環させる循環流路を有する循環流路プレートと、前記循環流路プレート上に設けられ、前記冷却液を前記循環流路に流入・排出させる流入路及び排出路を有する流入排出用プレートと、で構成された循環型冷却機構と、
前記半導体チップと前記循環流路プレートとの間に介在すると共に、前記半導体チップの集積回路面の全面に設けられる樹脂層と、
を備え、前記樹脂層は前記冷却液と接触することを特徴としている。

上記構成では、循環型冷却機構が、半導体チップの集積回路面を直接冷却するので、従来と比べ非常に冷却能が高い。また、循環型冷却機構は、簡易に取り付け可能であると共に、小型化も可能である。

本発明の半導体装置においては、前記半導体チップを複数有し、前記循環流露プレートの循環流路が前記複数の半導体チップ毎に設けられると共に、互いの前記循環流路が前記流入排出用プレートに設けられた連通流路を介して連通していることが好適である。

上記構成では、複数を半導体チップを有する場合、循環流路が連通した循環型冷却機構を各々の半導体チップに設けることで、小型で効率の良い冷却能が得られる。

本発明の半導体装置においては、前記半導体チップの熱膨張係数と前記循環型冷却機構における前記循環流路プレートの熱膨張係数とが、同一あることが好適である。

上記構成では、半導体チップと同一の熱膨張係数を有する部材により循環型冷却機構のける循環流路を構成することで、熱膨張差に起因する半導体チップと循環型冷却機構との配置ズレが防止され、冷却液漏れなどを効果的に抑制される。

本発明の半導体装置においては、前記半導体チップ及び前記循環流路プレートがシリコン単結晶材料で構成され、前記樹脂層がポリイミド樹脂で構成され、前記半導体チップと前記循環流路プレートとは、樹脂層を介して静電接合されていることが好適である。

上記構成では、樹脂層を介して静電接合により半導体チップと循環型冷却機構とを接合することで、半導体チップにダメージを与えることなく強固に接合される。

本発明によれば、冷却能が非常に高いと共に、簡易な構成で小型化可能な冷却機構を備えた半導体装置を提供することが可能である。

以下、本発明について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には、全図面通して同じ符合を付与して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す概略構成図である。

本実施形態に係る半導体装置は、実装基板１０上に、表面に集積回路（図示せず）が形成された２つの半導体チップ１２（例えばＩＣチップ、ＬＳＩチップなど）が実装されており、さらに複数の半導体チップ１２上に、樹脂層１４を介して、循環型冷却機構１６が設けられている。

なお、本実施形態では２つの半導体チップ１２を実装した形態を説明するが、これに限定されず、１つでも３つ以上の半導体チップ１２を実装した形態でもよい。

循環型冷却機構１６は、冷却液を循環させるためのポンプ１８と、半導体チップ１２の集積回路面を冷却液により冷却させると共に循環流路２０ａが形成された循環流路プレート２０（循環流路２０ａの構成部材）と、ポンプ１８に連結された流路管１８ａから冷却液を循環流路２０ａに流入・排出させるための流入排出用プレート２２と、から構成されている。

各半導体チップ１２上の循環流路２０ａは、それぞれ、流入排出用プレート２２に設けられた流入路２２ａ、排出路２２ｂと連通されている。そして、各半導体チップ１２上の循環流路２０ａは、流入排出用プレート２２に設けられた連通流路２２ｃを介して連通している。

このように、循環型冷却機構１６では、ポンプ１８により、循環流路２０ａに冷却液を循環させることができる（図流矢印参照）。

循環流路プレート２０は、シリコン単結晶基板をウエットエッチング或いはドライエッチングなどの公知の半導体プロセスのエッチング処理を施して、循環流路２０ａが形成された３次元構造となっている。この半導体プロセスのエッチング処理を施すことで、循環流路プレート２０には複雑な形状でも簡易に循環流路２０ａを形成することができる。

循環流路プレート２０は、シリコン単結晶材料から構成され、半導体チップの熱膨張係数と同一な材料で構成されている。このように半導体チップ１２と循環流路プレート２０との熱膨張係数を同一とすることで、半導体チップ１２の集積回路からの熱や、冷却液による冷却によって、双方の部材が熱膨張或いは収縮たときでも、熱膨張差が同一なので半導体チップ１２と循環流路プレート２０（循環型冷却機構１６）との配置ズレが防止され、冷却液漏れなどを効果的に抑制される。

流入排出用プレート２２は、循環流路プレート２０と同様に、シリコン単結晶基板をウエットエッチング或いはドライエッチングなどの公知のエッチング処理を施して、流入路２２ａ、排出路２２ｂ、及び連通流路２２ｃが形成されている。また、流入排出用プレート２２は、金属材料（例えばステンレス）、プラスチック、シリコンゴム、ガラスにより構成されていてもよい。

樹脂層１４は、半導体チップ１２の集積回路面全面に設けられており、半導体チップ１２の集積回路を冷却液から保護するための機能、及び半導体チップ１２と循環型冷却機構１６とを静電接合させるための機能を兼ねている。このため、途、保護膜を形成したりする必要がないため簡易な構成となる。

樹脂層１４の厚さは、例えば、１〜２００μｍ（好ましくは５〜３０μｍ）である。但し、この樹脂層１４が厚くなりすぎると循環型冷却機構１６の冷却能が低下してしまうため好ましくない。

樹脂層１４の構成材料としては、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂（例えばＳＵ−８：ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社製）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂などの熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂などが挙げられるが、効果的に半導体チップ１２と循環型冷却機構１６とを強固に接合できる観点から、ポリイミド樹脂が好ましい。

以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図２及び図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、例えば、Ｓｉウエハに設けられた２つの半導体チップ１２の集積回路面に樹脂層１４を形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、循環流路プレート２０を半導体チップ１２の集積回路面に樹脂層１４を介して配置し、基板レベルで静電接合（陽極接合）を行う。この静電接合は、特開２００１−１２９７９９に記載の基板の接合方法に従って順次行われる。この基板の接合方法に従えば、低温で半導体チップに熱的ダメージを与えることなく、半導体チップ１２と循環流路プレート２０とを樹脂層１４により強固に接合させることができる。また、この静電接合は、非電圧印加で行われてもよく、例えば、圧力と熱だけを与えることによって接合が可能である。この非電圧印加の静電接合で接合を行うことで、半導体チップに電気的なダメージを与えることなく、半導体チップ１２と循環流路プレート２０とを樹脂層１４により強固に接合させることができる。

次に、図２（C）に示すように２つの半導体チップの間をダイシングで切り離す。

次に、図２（D）に示すように、循環流路プレート２０を接合した半導体チップ１２を実装基板１０に載置する。この際、半導体チップ１２は、実装基板１０に接着剤などにより固定する。また、図示しないが、半導体チップ１２の集積回路と実装基板１０の配線との電気的接続が行われる。

次に、図３（E）に示すように、循環流路プレート２０上に、流入排出用プレート２２を配置し、循環流路プレート２０と流入排出用プレート２２とを接合する。この接合には、接着剤により接合してもよいし、接合部に樹脂層を設けて上記静電接合により接合してもよい。

そして、図３（F）に示すように、流入排出用プレート２２における流入路２２ａ及び排出路２２ｂに、ポンプ１８に連結された流路管１８ａをそれぞれ連結する。

このようにして、循環型冷却機構１６が設けられた半導体装置が得られる。この循環型冷却機構１６の組み立ては、半導体プロセスに準じて行われる。これにより、高精度なアライメントが可能であり、アライメント不良による冷却液の漏れを防止することができる。

以上、説明したように、本実施形態では、循環型冷却機構１６により、非常に膜厚が薄い樹脂層１４を介して、半導体チップ１２の集積回路面を直接冷却するので、非常に冷却能が高い構成となっている。

また、、循環型冷却機構１６として循環流路プレート２０、流入排出用プレート２２、ポンプ１８を順次設けるので、簡易に取り付け可能であると共に、小型化も可能である。

また、循環型冷却機構１６は、隣合う半導体チップ１２上の各循環流路２０ａが連通しているため、効率よく半導体チップ１２を冷却できると共に、冷却液を循環させるポンプ１８を半導体チップ１２毎に有する必要がなく小型化が可能となる。

なお、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る半導体装置の概略構成図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１０実装基板
１２半導体チップ
１４樹脂層
１６循環型冷却機構
１８ポンプ
１８ａ流路管
２０循環流路プレート
２０ａ循環流路
２２流入排出用プレート
２２ａ流入路
２２ｂ排出路
２２ｃ連通流路

Claims

表面に集積回路が設けられた半導体チップと、
前記半導体チップの集積回路面上に設けられ、前記半導体チップの集積回路面を冷却液により冷却させると共に、前記冷却液を循環させる循環流路を有する循環流路プレートと、前記循環流路プレート上に設けられ、前記冷却液を前記循環流路に流入・排出させる流入路及び排出路を有する流入排出用プレートと、で構成された循環型冷却機構と、
前記半導体チップと前記循環流路プレートとの間に介在すると共に、前記半導体チップの集積回路面の全面に設けられる樹脂層と、
を備え、前記樹脂層は前記冷却液と接触することを特徴とする半導体装置。
前記半導体チップを複数有し、前記循環流露プレートの循環流路が前記複数の半導体チップ毎に設けられると共に、互いの前記循環流路が前記流入排出用プレートに設けられた連通流路を介して連通していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体チップの熱膨張係数と前記循環型冷却機構における前記循環流路プレートの熱膨張係数とが、同一あることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記半導体チップ及び前記循環流路プレートがシリコン単結晶材料で構成され、前記樹脂層がポリイミド樹脂で構成され、
前記半導体チップと前記循環流路プレートとは、樹脂層を介して静電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。