JP6007681B2

JP6007681B2 - 冷却モジュールおよび半導体装置

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Publication number: JP6007681B2
Application number: JP2012191956A
Authority: JP
Inventors: 塩賀　健司; 健司塩賀; 水野　義博; 義博水野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: JP2014049634A

Description

本願は、冷却モジュールおよび半導体装置に関する。

コンピュータ等の電子装置に搭載されるＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導
体素子には、基板に接合される面の反対側の面にヒートスプレッダやヒートシンク等の放熱部材を接触させた空冷の冷却方式が比較的多く適用されている。よって、半導体素子の高速化や高機能化に伴って半導体素子の発熱量が増加すると、放熱部材の大型化や形状の複雑化により、電子装置の実装設計に影響を与える虞がある。

また、近年では、半導体素子の高速化や高機能化に対応するため、例えば、ＴＳＶ（Through Silicon Via）技術を使って半導体素子を積層する手法が提案されている（例えば
、非特許文献１を参照）。図１８は、従来技術に係る半導体素子を積層した半導体装置を示した図の一例である。積層された各半導体素子１２１Ａ〜Ｅを冷却する場合、ヒートシンク１２２のような放熱部材を用いた冷却方式では、放熱部材に比較的近い半導体素子１２１Ａから冷却が行なわれる。このため、放熱部材から比較的遠い半導体素子１２１Ｅは冷却されにくい。

そこで、例えば、半導体素子の内外に形成した微細な流路に冷媒を流して半導体素子を冷却する手法が提案されている。図１９は、従来技術に係る半導体素子に形成した微細な流路を示した図の一例である。例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を活用したシリコンエッチングにより、半導体素子１２１Ａ〜Ｅに形成された各ＴＳＶ１２３間に微細な流路（「マイクロチャネル」と呼ばれることもある）１０５を形成し、流路１０５内に冷媒を流通する。各半導体素子１２１Ａ〜Ｅを流路１０５内の冷媒で冷却すれば、特定の半導体素子が高温になることを防止することが可能である。

この他の手法としては、例えば、積層した各半導体素子の間に、微細な流路を形成した板を挿入して各半導体素子を冷却する手法（例えば、特許文献１−２を参照）が提案されている。

山地泰弘，安藤達也，森藤忠洋，佐藤知稔，高橋健司、「３次元積層モジュールにおける熱設計」、電子情報通信学会技術研究報告（ＣＰＭ）［電子部品・材料］、一般社団法人電子情報通信学会、2001年12月13日、信学技報Vol.101, No.516、p.45−52

特表２００９−５１２２１５号公報特開昭６２−１２１４６号公報特開２００８−２０５２５１号公報

半導体素子の内外に形成した流路に冷媒を流して冷却を行う場合、冷媒に接触する部分を電気的に絶縁することが求められる。また、半導体素子の内外に流路を形成することは、半導体装置の製造プロセスを複雑化する。更に、複雑な製造プロセスを経る過程で蓄積
される熱履歴により、半導体装置に反りやうねりが発生する可能性がある。製造プロセスを経る過程で発生した反りやうねりは、例えば、半導体装置の基板への実装を困難にする虞がある。

また、流路を形成した部材を各半導体素子間に挟み込む場合、当該部材自体が熱抵抗となって冷却効果が低下する可能性や、各半導体素子間に挟み込んだ各部材の流路へ冷媒を分配する分岐経路を設けることにより冷却システムが複雑化する可能性がある。

そこで、本願は、半導体素子の内外に流路を形成することなく、半導体素子を効果的に冷却可能な冷却モジュールおよび半導体装置を提供することを目的とする。

本願は、次のような冷却モジュールを開示する。
半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有する中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備える、
冷却モジュール。

また、本願は、次のような半導体装置を開示する。
半導体素子と、
前記半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有する中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備える、
半導体装置。

上記冷却モジュールおよび半導体装置であれば、半導体素子の内外に流路を形成することなく、半導体素子を効果的に冷却することが可能となる。

冷却モジュールを示した図の一例である。中空部材を形成するための基板を示した図の一例である。熱伝導性部材を形成したい部位に孔を加工した基板を示した図の一例である。シード層およびレジストを形成した基板を示した図の一例である。熱伝導性部材を形成した基板を示した図の一例である。流路を形成した基板を示した図の一例である。カバー部材を接合した基板を示した図の一例である。冷却モジュールを適用した半導体装置を示した図の一例である。冷却モジュールに冷媒を供給する冷却システムを示した図の一例である。冷却モジュールの第１変形例を示した図の一例である。冷却モジュールの第２変形例を示した図の一例である。冷却モジュールを適用した半導体装置の変形例を示した図の一例である。ヒートシンクを取り付けただけの従来の冷却方式の熱抵抗（比較例１）を表した図である。冷却モジュールを用いた半導体装置の冷却方式の熱抵抗を表した図である。半導体素子の回路面の裏側の面にヒートシンクを取り付けただけの従来の冷却方式の熱抵抗（比較例２）を表した図である。積層体のＴＳＶにＣｕを用いた場合の熱伝導率の見積もりを示したグラフである。本変形例に係る半導体装置と、電子回路から電気的に絶縁されている従来のサーマルビアを使用した半導体装置（比較例３）の熱コンダクタンスの見積もりを示したグラフである。従来技術に係る半導体素子を積層した半導体装置の一例を示した図の一例である。従来技術に係る半導体素子に形成した微細な流路を示した図の一例である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本願の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

＜冷却モジュールの実施形態＞
図１は、冷却モジュールを示した図の一例である。冷却モジュール１は、中空部材２と熱伝導性部材３とを備える。中空部材２は、半導体素子の表面と対峙する被接合面４を外側に有し、冷媒が流通する流路５を内側に有する。熱伝導性部材３は、被接合面４のうち、半導体素子の表面に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、はんだバンプが溶着される被溶着面６の裏側の熱交換面７が流路５内に露出している。熱伝導性部材３は、少なくとも中空部材２を形成する材料よりも熱伝導率の高い材料で形成される。熱伝導性部材３は、例えば、導電性の材料で形成された場合、電極パッドのような態様を呈することになるが、電極としての役割を奏するものではない。

また、熱伝導性部材３は、はんだバンプと接合可能な形状であれば、図１に示すように被溶着面６側が凹状のものに限定されるものでなく、例えば、電極パッドのように平坦状に形成されていてもよい。熱伝導性部材３の配置や材質、大きさは、冷却効率や生産効率等の観点に基づいて適宜選択される。

冷却モジュール１は、例えば、以下のような製造方法で製造することが可能である。

図２は、中空部材２を形成するための基板を示した図である。冷却モジュール１を製造する際は、板状の基板１０を用意する。基板１０の材質は如何なるものであってもよく、例えば、シリコンやプラスチック、ガラス等を適用可能である。なお、基板１０がシリコンであれば、流路５や熱伝導性部材３を半導体素子と同様の製造プロセスで形成可能である。

図３は、被接合面４のうち熱伝導性部材３を形成したい部位に孔を加工した基板１０を示した図の一例である。板状の基板１０を用意した後は、熱伝導性部材３を形成したい部位に凹状の孔１１を形成する。孔１１を形成する際の加工方法は如何なるものであってもよく、例えば、Si DRIE（Deep Reactive Ion Etching of Silicon）プロセスやサンドブ
ラスト、ドリル加工等を適用可能である。

図４は、シード層およびレジストを形成した基板１０を示した図の一例である。孔１１を形成した後は、シード層１２を成膜し、次いで孔１１を取り囲むようにパターニングしたレジスト１３を形成する。シード層１２は、次工程のめっき処理を行う際の導体となる材料であれば如何なるもので形成されていてもよく、例えば、ＣｕやＣｕ／Ｔｉを適用す
ることが可能である。

図５は、熱伝導性部材３を形成した基板１０を示した図の一例である。シード層１２およびレジスト１３を形成した後は、めっき処理を行うことにより、シード層１２の表面のうちレジスト１３に覆われていない孔１１の部分にめっき層である熱伝導性部材３が形成される。めっき処理に用いる材料は特に限定されるものでなく、例えば、Ｔｉ等を用いることが可能である。

図６は、流路５を形成した基板１０を示した図の一例である。熱伝導性部材３を形成した後は、熱伝導性部材３が形成されている被接合面４の裏側の面に、深さが熱伝導性部材３に到達する程度の凹状の孔である流路５を形成する。流路５を形成する際の加工方法は如何なるものであってもよく、例えば、Si DRIEプロセスやサンドブラスト、ドリル加工
等を適用可能である。深さが熱伝導性部材３に到達する程度の凹状の孔を形成することにより、熱伝導性部材３の熱交換面７が流路５に露出することになる。

流路５をシリコンエッチングにより形成する際は、例えば、紫外線を照射すると粘着力が低下するＵＶテープや加熱すると発砲する熱発泡テープで、基板１０を支持台座に固定する。支持台座は、如何なる材質のものであってもよいが、例えば、テンパックスガラスであれば耐熱性等に優れるので好適である。そして、支持台座に固定した基板１０に、熱伝導性部材３が露出するまでエッチングを施す。

図７は、カバー部材を接合した基板１０を示した図の一例である。流路５を形成した後は、流路５を覆う板状のカバー部材１４を基板１０に接合する。これにより、単なる凹状の孔であった流路５は、冷媒を流すことが可能な流通経路となる。カバー部材１４の接合方法は、冷媒の漏れ防止の観点から決定される設計強度を確保可能なものであれば如何なるものであってもよく、例えば、常温接合や陽極接合などの方法を適用可能である。なお、基板１０やカバー部材１４が熱可塑性樹脂であれば、樹脂溶着接合などの方法を用いることも可能である。

冷却モジュール１は、上記一連の製造方法により製造可能である。なお、冷却モジュール１の製造方法は、このような方法に限定されるものでなく、その他の方法で製造してもよい。

＜半導体装置の実施形態＞
図８は、冷却モジュール１を適用した半導体装置を示した図の一例である。半導体装置２０は、集積回路が形成されている半導体素子２１と、半導体素子２１を冷却する冷却モジュール１とを備える。冷却モジュール１は、被接合面４が半導体素子２１の表面に対峙する状態となるように半導体素子２１に搭載されている。半導体素子２１には、半導体素子２１を搭載する基板と電気的に接続するためのはんだバンプ２２Ｅの他に、半導体素子２１の熱を冷却モジュール１へ伝熱することを目的とするはんだバンプ２２Ｔが接合されている。

はんだバンプ２２Ｔは、冷却モジュール１に設けられている熱伝導性部材３の被溶着面６に溶着されている。はんだバンプ２２Ｔは、半導体素子２１のＴＳＶ２３に接触しているパッド２４にアライメントボンディングされたものである。ＴＳＶ２３やパッド２４、はんだバンプ２２Ｔ、熱伝導性部材３は、半導体装置２０に使われている材料の中でも熱伝導性に優れる金属系の材料によって形成される。よって、半導体素子２１内で発生する熱は、ＴＳＶ２３、パッド２４、はんだバンプ２２Ｔ、熱伝導性部材３を経由して冷媒へ伝達される。

なお、ＴＳＶ２３は、半導体素子２１の回路と電気的に繋がっていてもよいし、繋がっていなくてもよい。但し、半導体素子２１の回路から電気的に絶縁されたものか、或いは、接地されたものであれば、導電性の水等を冷媒として使用することが可能である。

冷却モジュール１には、冷媒を流すための配管を接続する接続口２５Ｉ，２５Ｏが設けられる。接続口２５Ｉから流入する冷媒が流路５内を通過し、接続口２５Ｏから流出すると、熱伝導性部材３の熱交換面７に接触する冷媒が熱伝導性部材３の熱を除去することになる。

上記冷却モジュール１によれば、熱伝導性部材３を設けることなく、中空部材をＴＩＭ（Thermal Interface Material）などの熱接触用材料で半導体素子に熱接触させた場合に比べ、半導体素子２１を効果的に冷却することが可能となる。また、上記冷却モジュール１は、熱伝導性部材３の被溶着面６が外側に向かって広げるように開口しているため、冷却モジュール１を半導体素子２１に実装する際に位置決めが適切になされ、ひずみや反りが矯正される。

なお、はんだバンプ２２Ｔを配置する間隔や、ＴＳＶ２３やパッド２４、はんだバンプ２２Ｔ、熱伝導性部材３の材質、大きさは、冷却効率や生産効率等の観点に基づいて適宜選択される。

図９は、冷却モジュール１に冷媒を供給する冷却システムを示した図の一例である。冷却システム３０は、冷却モジュール１を経由する冷媒循環配管３１の途中にポンプ３２およびラジエータ３３を備える。ポンプ３２は、液体の冷媒を循環させるポンプであり、半導体装置２０の発熱状態に応じて作動する。冷媒循環配管３１は、如何なる材質で形成されていてもよく、例えば、ブチルゴムやフッ素ゴムなどの樹脂材、或いは、ＣｕやＳＵＳのような金属材により形成可能である。ラジエータ３３は、冷媒を空気で冷却する空冷式のラジエータであり、管内を流れる冷媒の熱をフィンで放熱し、冷媒を冷却する。ポンプ３２の作動により冷媒が循環すると、熱伝導性部材３の熱交換面７に接触しながら通過する流路５内の冷媒が、熱伝導性部材３の熱を除去する。冷却システム３０は、熱伝導性部材３の熱を除去した冷媒を、ラジエータ３３で冷却した後に再び冷却モジュール１へ送ることで、半導体装置２０を冷却し続ける。

なお、冷却モジュール１に冷媒を供給する冷却システムは、このような態様に限定されるものではない。冷却モジュール１に冷媒を供給する冷却システムは、例えば、ヒートポンプを使ったものや、流路５を通過した冷媒をそのまま系外へ排出するものであってもよい。

＜冷却モジュールの第１変形例＞
図１０は、冷却モジュール１の第１変形例を示した図の一例である。冷却モジュール１は、例えば、図１０に示すように、中空部材２の内部が複数の流路５に分かれており、各々の流路５に熱伝導性部材３が配置されていてもよい。複数の流路５は、例えば、Si DRIEプロセスやサンドブラストで形成する場合であれば、流路形成のためのレジストを予め
パターニングしておくことにより形成可能である。中空部材２の流路５を適宜分けることにより、半導体素子２１の表面の温度分布に対応したパターンの流路５を形成し、温度分布のばらつきを抑制する冷却を実現することが可能となる。

＜冷却モジュールの第２変形例＞
図１１は、冷却モジュール１の第２変形例を示した図の一例である。冷却モジュール１は、例えば、図１１に示すように、流路５の底面が、熱伝導性部材３の一部である金属膜８で覆われるようにしてもよい。流路５の底面が、熱伝導性部材３の一部である金属膜８
に覆われていれば、冷媒に接触する熱伝導性部材３の熱交換面７が拡大するため、熱伝導性部材３の熱を冷媒で速やかに除去することが可能となる。

なお、金属膜８は、表面が平坦に形成されていてもよいが、例えば、伝熱面積を拡大するために凹凸が形成されていてもよい。

＜半導体装置の変形例＞
図１２は、冷却モジュール１を適用した半導体装置の変形例を示した図の一例である。半導体装置２０は、集積回路が形成されている半導体素子２１を多数重ねた積層体２６と、半導体素子２１を冷却する冷却モジュール１とを備える。積層体２６を形成する各半導体素子２１には、上側あるいは下側に積層される半導体素子２１と電気的に繋がるためのＴＳＶ２３が設けられている。半導体素子を積層した一般的な多層式の半導体装置の場合、層間を電気的に繋ぐＴＳＶのうち約９０％は電力供給あるいは接地の役割を司る。そこで、本変形例に係る半導体装置２０では、例えば、接地の役割を司るＴＳＶ２３（全ＴＳＶ２３の約４５％）を、各半導体素子２１の熱の冷却モジュール１への伝熱目的に併用している。このため、本変形例に係る半導体装置２０は、ＴＳＶ２３の一部がはんだバンプ２２Ｔを介して冷却モジュール１に接合されている。なお、冷却モジュール１や冷媒の電位レベルを電源の電位レベルとする場合であれば、電力供給の役割を司るＴＳＶ２３を冷却モジュール１への伝熱目的に併用することが可能である。また、冷却モジュール１や冷媒が非導電性であれば、電力供給や接地の役割を司るＴＳＶ２３のみならず、信号伝送の役割を司るＴＳＶ２３についても冷却モジュール１への伝熱目的に併用することが可能である。

ＴＳＶ２３やはんだバンプ２２Ｔが設けられていない場合、冷却モジュール１から比較的近い半導体素子２１が冷却されることになる。しかし、本変形例に係る半導体装置２０の積層体２６は、各半導体素子２１の熱がＴＳＶ２３およびはんだバンプ２２Ｔにより冷却モジュール１に伝達される。このため、冷却モジュール１から比較的近い上層部の半導体素子２１の他、冷却モジュール１から比較的遠い下層部の半導体素子２１についても冷却が期待できる。また、積層体２６の内部には冷媒を流す流路等が形成されていないため、半導体素子２１を積層する際のひずみや反りが少なく、積層工程における実装位置のずれや反りを予防可能である。

半導体素子２１を多数重ねた積層体２６を冷却モジュール１で冷却する本方式は、積層体２６内に形成した微細な流路に冷媒を流して冷却する方式と比較して簡易である。また、本方式は、ＴＳＶにより伝熱される熱がＴＩＭ等を介することなく冷媒に直接伝わるので、積層体２６の上にヒートシンク等を取り付けて冷却する従来の方式と比較すると熱伝達経路の熱抵抗が小さい。よって、本方式は、従来の方式と比較すると冷却能力が高い。

図１３は、冷却モジュール１を用いた半導体装置２０の冷却方式の熱抵抗を表した図である。また、図１４は、ヒートシンクを取り付けただけの従来の冷却方式の熱抵抗（比較例１）を表した図である。従来から用いられているＴＩＭおよびヒートシンクを用いた比較例１に係る冷却方式の場合、半導体素子に形成されているトランジスタ等の熱源から冷媒である空気までの間に、再配線層や保護膜、ＴＩＭ、ヒートスプレッダ、放熱フィンといった各種の部材が存在する。一方、冷却モジュール１を用いた半導体装置２０の冷却方式の場合、半導体素子に形成されているトランジスタ等の熱源から冷却モジュール１内の冷媒までの間には、ＴＳＶ等の導電性部材しか存在しない。

熱抵抗の試算条件として、例えば、半導体素子周りを以下のような条件にした場合を考える。
半導体素子の厚さ：０．３ｍｍ
半導体素子のサイズ：２１ｍｍ角
はんだバンプ数：１０，０００個（そのうち、伝熱に用いるＴＳＶは４，５００個）
はんだバンプの高さ：０．０４ｍｍ、ピッチ０．２ｍｍ

半導体素子周りをこのような条件とした場合、冷却モジュール１を用いた半導体装置２０の冷却方式の熱抵抗は、
Ｒ_TSV＝ｋ・Ａ／Ｌ＝３８６（Ｗ／ｍＫ）・（０．１ｍｍ×０．１ｍｍ）／０．１ｍ
ｍ
＝０．０３８６（Ｗ／Ｋ）≒０．０４（Ｗ／Ｋ）
となる。

一方、比較例１の熱抵抗は、一般的な値を用いるとＲ_LINE＝０．１（Ｗ／Ｋ）、Ｒ_PAS
＝０．２（Ｗ／Ｋ）、Ｒ_TIM＝０．０３（Ｗ／Ｋ）、Ｒ_SP＝０．０７（Ｗ／Ｋ）、Ｒ_FIN＝０．０５（Ｗ／Ｋ）であるから、合計すると全熱抵抗は０．４５Ｗ／Ｋとなる。

算出した各熱抵抗を比較すると明らかなように、冷却モジュール１を用いた半導体装置２０の冷却方式の熱抵抗は、比較例１の熱抵抗の１／１０程度であり、冷却効率の向上が見込めることが判る。

図１５は、半導体素子の回路面の裏側の面にヒートシンクを取り付けただけの従来の冷却方式の熱抵抗（比較例２）を表した図である。半導体素子の回路面の裏側の面に取り付けたヒートシンクで冷却を行う方式の場合の熱抵抗は、一般的な値を用いるとＲ_S＝０．
１（Ｗ／Ｋ）であるから、合計すると全熱抵抗は０．２５Ｗ／Ｋとなる。

算出した各熱抵抗を比較すると明らかなように、冷却モジュール１を用いた半導体装置２０の冷却方式の熱抵抗は、比較例２の熱抵抗の１／６程度であり、冷却効率の向上が見込めることが判る。

図１６は、積層体２６のＴＳＶ２３にＣｕを用いた場合の熱伝導率の見積もりを示したグラフである。図１６のグラフは、積層体２６の半導体素子２１の積層数を４とし、はんだバンプ２２Ｔの材料をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕとした場合の、半導体素子２１の厚さ（＝ＴＳＶ２３の高さ）とビア１本分の熱伝導率との関係を見積もっている。半導体素子２１の厚さが３００μｍではんだバンプ２２Ｔの高さが４０μｍの場合、熱伝導率は１９５Ｗ／ｍＫとなり、Ｃｕの熱伝導率の約１／２になる。本変形例に係る半導体装置２０では、熱源である各半導体素子２１の熱を、電力供給、信号伝送あるいは接地の役割を司るＴＳＶ２３を使って冷却モジュール１へ伝達している。積層体２６内に伝熱目的のサーマルビアを配置しようとする場合、半導体素子２１内の配線設計の制約から、半導体素子２１内に形成できるサーマルビアの本数や大きさ（直径）が制限される。ところが、本変形例に係る半導体装置２０では、電力供給、信号伝送あるいは接地の役割を司るＴＳＶ２３を積層体２６の冷却に使用することで、電子回路から電気的に絶縁されている従来のサーマルビアを使用した場合よりも設計自由度を向上させている。

図１７は、本変形例に係る半導体装置２０と、電子回路から電気的に絶縁されている従来のサーマルビアを使用した半導体装置（比較例３）の熱コンダクタンスの見積もりを示したグラフである。見積もり計算条件は以下に示す通りである。
・ＬＳＩ積層数：４
・ＬＳＩ厚さ：０．３ｍｍ
・ＬＳＩ素子サイズ：２１ｍｍ角
・はんだバンプ数：１０，０００個（そのうち、伝熱用ＴＳＶは４，５００個）
・はんだバンプ高さ０．０４ｍｍ、ピッチ０．２ｍｍ

また、比較例３の半導体装置に設けた、電子回路から電気的に絶縁させている従来のサーマルビア（Ｃｕ製）の本数は、半導体素子の中に現実的に形成可能な本数である１００本と仮定した。図１７のグラフから明らかなように、本変形例に係る半導体装置２０は、比較例３に比べて熱コンダクタンスが著しく高いことが判る。例えば、ビア直径が０．１ｍｍの場合、４５００本あるＴＳＶ２３の熱コンダクタンスは、１００本しか設けられていないサーマルビアの約２０倍であり、熱伝導性が良くなって冷却効率が向上することが図１７のグラフに示されている。例えば、比較例３において、本変形例に係る半導体装置２０のＴＳＶ２３と同等の熱コンダクタンスを得るには、サーマルビア（１００本）の直径を０．６ｍｍにする必要があり、半導体素子内の多くの領域がサーマルビアに占有されることになる。すなわち、半導体素子の回路設計に大きな影響を与える。しかし、本変形例に係る半導体装置２０であれば、電力供給、信号伝送あるいは接地の役割を司るＴＳＶ２３を積層体２６の冷却に使用しているので、比較例３のようにサーマルビアを使用した場合に比べて回路設計の自由度が向上する。

以下、第１実施例について説明する。本第１実施例では、基板１０として厚さ５００μｍのシリコン基板を用意する。そして、フォトリソグラフィプロセスにより、凹状の孔１１を形成する部分を開口させたレジストをパターニングする。そして、Ｃ₄Ｆ₈ガスとＳＦ₆ガスを用いたボッシュ法により基板１０をエッチングし、深さ１２０μｍの孔１１を基
板１０に形成する。レジストを除去した後はスパッタリングを行い、Ｔｉが１００ｎｍ、Ｃｕが３００ｎｍの膜厚のシード層１２を成膜する。そして、フォトリソグラフィプロセスにより、熱伝導性部材３を形成する部分を開口させたレジストをパターニングする。次に、Ｎｉを使っためっき成膜（４０μｍ）を行ない、孔１１の部分にめっき層である熱伝導性部材３を形成する。そして、レジストを除去した後にシード層１２をウェットエッチングにより除去する。

次に、基板１０の被接合面４をテンパックスガラスにＵＶテープで貼りつけ、基板１０を固定する。次に、基板１０の被接合面４の裏側の面にレジストをパターニングした後、熱伝導性部材３が露出する深さ（３８０μｍ）まで基板１０をエッチングする。そして、ＵＶ光をＵＶテープに照射して基板１０の固定状態を解除し、あらかじめ接続口２５Ｉ，２５Ｏが設けられているカバー部材１４を基板１０に常温接合し、冷却モジュール１を完成させる。

このような製造プロセスを経て製造された冷却モジュール１を半導体素子２１に取り付け、冷却システム３０にて冷却を行った結果、従来からある空冷方式等に比べて半導体素子２１が効果的に冷却されることが確認された。

第１実施例では基板１０に厚さ５００μｍのシリコン基板を用いたが、本第２実施例では厚さ１ｍｍのポリカーボネートを用意する。そして、切削機械加工により、深さ１００μｍの孔１１を基板１０に形成する。その後は、第１実施例と同様、シード層１２を成膜し、レジストをパターニングしてめっき成膜を行い、孔１１の部分に熱伝導性部材３を形成する。そして、基板１０をテンパックスガラス製の支持台座に固定し、ポリカーボネート製の基板１０の被接合面４の裏側の面に、熱伝導性部材３が露出するまで切削機械加工を施す。その後、基板１０を支持台座から取り外し、あらかじめ接続口２５Ｉ，２５Ｏが設けられているポリカーボネート製のカバー部材１４を基板１０に溶着接合し、冷却モジュール１を完成させた。

第１実施例では基板１０に厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、第２実施例では厚さ１ｍｍのポリカーボネートを用いたが、本第３実施例では、厚さ５００μｍのテンパックスガラス基板を用意する。そして、フォトリソグラフィプロセスにより、凹状の孔１１を形成する部分を開口させたレジストをパターニングする。そして、サンドブラスト法により基板１０をエッチングし、深さ１２０μｍの孔１１を基板１０に形成する。レジストを除去した後はスパッタリングを行い、Ｃｒが５０ｎｍ、Ｃｕが３００ｎｍの膜厚のシード層１２を成膜する。そして、フォトリソグラフィプロセスにより、熱伝導性部材３を形成する部分を開口させたレジストをパターニングする。次に、Ｎｉを使っためっき成膜（４０μｍ）を行ない、孔１１の部分にめっき層である熱伝導性部材３を形成する。そして、レジストを除去した後にシード層１２をウェットエッチングにより除去する。

次に、基板１０の被接合面４をテンパックスガラスにＵＶテープで貼りつけて基板１０を固定する。そして、基板１０の被接合面４の裏側の面に流路形成のためのレジストをパターニングした後、熱伝導性部材３が露出する深さ（３８０μｍ）まで基板１０をサンドブラスト法によりエッチングする。そして、ＵＶ光をＵＶテープに照射して基板１０の固定状態を解除し、あらかじめ接続口２５Ｉ，２５Ｏが設けられているカバー部材１４を基板１０に陽極接合し、冷却モジュール１を完成させる。

本第４実施例は、第１実施例とほぼ同様の工法で冷却モジュール１を作成するが、更に、図１１に示した第２変形例に係る冷却モジュール１のように流路５の底面をＣｕの薄膜で覆い、金属膜８を形成する。

すなわち、熱伝導性部材３が露出する深さまで基板１０をエッチングして流路５を形成した後、スパッタリング法により厚さ２００ｎｍのＣｕ薄膜のシード層を成膜する。そして、シード層の上にレジストをパターニングしてからＣｕめっきを行い、厚さ３０μｍの金属膜８を形成する。その後は、第１実施例と同様、カバー部材１４を基板１０に接合し、第２変形例に係る冷却モジュール１のように流路５の底面をＣｕの薄膜で覆った冷却モジュール１を完成させる。

このような製造プロセスを経て製造された冷却モジュール１を半導体素子２１に取り付け、冷却システム３０にて冷却を行った結果、金属膜８により半導体素子２１が更に効果的に冷却されることが確認された。

なお、上記実施例１〜４の説明で示した寸法や材質等は、単なる例示であり、実施形態に係る冷却モジュール１を上記各実施例の態様に限定するものではない。

＜その他＞
なお、本願は、以下のような付記的事項を含む。
（付記１）
半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有す
る中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備える、
冷却モジュール。
（付記２）
前記熱伝導性部材の前記被溶着面は、外部に向けて開口が広がる凹状に形成されている、
付記１に記載の冷却モジュール。
（付記３）
前記熱交換面は、前記流路の内部に形成された金属膜の表面に形成されている、
付記１または２に記載の冷却モジュール。
（付記４）
前記熱伝導性部材の前記被溶着面に溶着される前記はんだバンプは、半導体素子を積層した積層体の最上層の半導体素子を貫通するビアに溶着されているはんだバンプである、
付記１から３の何れか一項に記載の冷却モジュール。
（付記５）
前記ビアは、前記積層体の各層の半導体素子同士を電気的に接続するためのビアである、
付記４に記載の冷却モジュール。
（付記６）
半導体素子と、
前記半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有する中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備える、
半導体装置。
（付記７）
前記熱伝導性部材の前記被溶着面は、外部に向けて開口が広がる凹状に形成されている、
付記６に記載の半導体装置。
（付記８）
前記熱交換面は、前記流路の内部に形成された金属膜の表面に形成されている、
付記６または７に記載の半導体装置。
（付記９）
前記熱伝導性部材の前記被溶着面に溶着される前記はんだバンプは、半導体素子を積層した積層体の最上層の半導体素子を貫通するビアに溶着されているはんだバンプである、
付記６から８の何れか一項に記載の半導体装置。
（付記１０）
前記ビアは、前記積層体の各層の半導体素子同士を電気的に接続するためのビアである、
付記９に記載の半導体装置。

１・・冷却モジュール：２・・中空部材：３・・熱伝導性部材：４・・被接合面：５，１０５・・流路：６・・被溶着面：７・・熱交換面：８・・金属膜：１０・・基板：１１・・孔：１２・・シード層：１３・・レジスト：１４・・カバー部材：２０・・半導体装置：２１，１２１Ａ〜Ｅ・・半導体素子：２２Ｅ，２２Ｔ・・はんだバンプ：２３，１２３・・ＴＳＶ：２４・・パッド：２５Ｉ，２５Ｏ・・接続口：２６・・積層体：３０・・冷
却システム：３１・・冷媒循環配管：３２・・ポンプ：３３・・ラジエータ：１２２・・ヒートシンク

Claims

半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有する中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備え、
前記中空部材は、前記半導体素子に搭載され、
前記熱交換面は、前記被溶着面の裏面である、
冷却モジュール。
前記熱伝導性部材の前記被溶着面は、外部に向けて開口が広がる凹状に形成されている、
請求項１に記載の冷却モジュール。
前記熱交換面は、前記流路の内部に形成された金属膜の表面に形成されている、
請求項１または２に記載の冷却モジュール。
前記熱伝導性部材の前記被溶着面に溶着される前記はんだバンプは、半導体素子を積層した積層体の最上層の半導体素子を貫通するビアに溶着されているはんだバンプである、
請求項１から３の何れか一項に記載の冷却モジュール。
前記ビアは、前記積層体の各層の半導体素子同士を電気的に接続するためのビアである、
請求項４に記載の冷却モジュール。
前記熱伝導性部材は、前記流路を形成する部材の一部である、
請求項１から５の何れか一項に記載の冷却モジュール。
前記中空部材は、前記半導体素子の最上部に搭載される、
請求項１から６の何れか一項に記載の冷却モジュール。
前記中空部材は、シリコンで形成される、
請求項１から７の何れか一項に記載の冷却モジュール。
半導体素子と、
前記半導体素子の表面と対峙する被接合面を外側に有し、冷媒が流通する流路を内側に有する中空部材と、
前記被接合面のうち、前記半導体素子に取り付けられたはんだバンプに対応する部位に配置され、前記はんだバンプが溶着される被溶着面の裏側の熱交換面が前記流路内に露出している熱伝導性部材と、を備え、
前記中空部材は、前記半導体素子に搭載され、
前記熱交換面は、前記被溶着面の裏面である、
半導体装置。