JPH03257953A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロチャンネル構造放熱フィンを用いて
半導体内で発生した熱を外部へ速やかに除去することに
より、超高速、超高集積の電子回路を実現可能な半導体
素子に関するものである。

［発明の概要］ 放熱フィンの構造をマイクロチャンネル構造とすること
により、放熱のために十分な面積が得られ、かつ、熱伝
達率を大きくすることが可能となり、非常に大きな放熱
効率が得られる半導体素子である。

［従来の技＃Ｉ］ 半導体集積回路は、超高速、超高密度の要求に従って年
と共に集積化が進行しているが、すでに現在においても
、高速動作のため消費電力を要する集積回路の集積度は
、放熱限界で制限されつつある。

しかし、半導体集積回路の高性能化・高速化の要求にと
もなって、ｌチップあたりの消費電力は急激に増加して
いる。消費される電力のほとんどは熱となり、この発生
した熱はチップ全体の温度を上昇させ、素子特性の劣化
や信頼性の低下を引き起こす。

しかしながら、現在の構造の冷却技術では、水冷で約３
０Ｗ／ｃｄ程度であり、半導体チップ内で発生した熱を
外部へ速やかに取り去るための新しい技術が必要である
。従来の放熱の熱流回路で、最も伝熱性能の悪い部分は
、固体壁から冷媒（空気・水）への熱伝達部である。

集積回路における従来技術の熱流回路を、熱抵抗、熱容
量を用いて表すと第１５図のようになる。

同図は、例えばチップ要約５００μｍ、チップサイズ約
１ａｉの集積回路の熱流回路を表し、Ｒｆ。

Ｒｐ　、　Ｃｐ　、　Ｒｓｉ　、　Ｃｓｉ　、　Ｒｂの
意味は以下の通りである。

Ｒｆ：チップ表面側から熱伝導による熱抵抗ＲＰ：チッ
プ表面側のパッシベーション膜中の熱伝導による熱抵抗
（厚さ約５μｍ） Ｃｐ：パッシベーション膜の熱容量（定常状態では無視
できる） Ｒｓｉ：Ｓｉ基板中の熱伝導による熱抵抗（厚さ約４９
４μｍ） Ｃｓｉ：Ｓｉ基板中の熱容量（定常状態では無視できる
） Ｒｂ：チップ表面側からの熱伝達による熱抵抗従来技術
で使われているパッシベーション膜がＳｉＯ２の場合の
熱流回路の定常状態の等価回路の一具体例を第１６図に
示す、第１６図（ａ）は表面は自然対流、裏面は強制空
冷、第１６図（ｂ）は表面は自然対流、裏面は水冷とし
た場合である。

定常状態では熱容量は無視できる。また放熱の境界条件
としては、従来技術の代表的な実験値を使い、強制空冷
で熱伝達率＝０．２Ｗ／ｃＪ−Ｋ、水冷で熱伝達率＝Ｉ
Ｗ／ｃｄ−Ｋ、自然対流の場合で熱伝達率＝　Ｉ　Ｘ　
１０−”Ｗ／ａ＃−Ｋ、の値から熱抵抗に換算して表示
した。

第１６図かられかるように、従来の放熱技術では、半導
体チップの固体内部では、熱抵抗は十分低く、１０−２
に／Ｗのオーダーであるにもかかわらず、冷媒への熱抵
抗が強制空冷で約５に／Ｗ、水冷で約ＩＫ／Ｗと２桁近
く熱抵抗が大きい。

また、例えばり、Ｂ、Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ　ａｎｄ　Ｆ
、Ｐｅａｓｅ（ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃ
ｅ　Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、ＥＤＬ−２，Ｎａ５＊　ｐｐ
１２６−１２９、　Ｍａｙ１９８１．“Ｈｉｇｈ　Ｐｅ
ｒｆｏｍａｎｃｅ　ｔ（ｅａｔ　Ｓｉｎｋｉｎｇｆｏｒ
　ＶＬＳＩ”）は、Ｓｉ基板の裏面に直接約５０μｍＸ
３００μｍのマイクロチャンネルを櫛型に形成し、水を
流すことで、極めて大きな発熱密度を扱うことができる
ことを示した。

しかしながら、この方法は、Ｓｉ基板を直接加工してマ
イクロチャンネルを形成するため、実用的にみて、製造
上の問題が多々ある。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したように、従来の放熱技術では、放熱フィンは冷
却フィンの冷媒への熱抵抗が大きすぎ効率の良い放熱が
行えない。

また、シリコン基板にマイクロチャンネルを形成する方
法では、実用上加工製作において問題がある。

［発明の目的］ 本発明の目的は、実用上製造容易なマイクロチャンネル
型フィンを設けることにより、冷媒への熱抵抗を飛躍的
に小さくすることを可能とするにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために複数のマイクロチ
ャンネル流路を有するマイクロチャンネル構造フィンを
半導体素子に設けたことを要旨とする。

［作用コ 熱の放熱量又は冷却効率を上げるには、１つは放熱又は
冷却のために冷媒との接触面において十分な表面積を確
保することであり、さらに冷媒の使用状態の制限内で熱
伝達率をできる限り大きくすることである。

本発明の放熱フィンはマイクロチャンネル構造を有して
いるため、上述の熱伝達率の高い、大きな表面積を小型
に形成でき、かつ製造も容易である。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明の各実施例について説
明する。

第１図は、本発明によるマイクロチャンネル構造フィン
の一実施例である。同図において、１は半導体チップ、
２はマイクロチャンネル構造フィン、３はマイクロチャ
ンネル流路である。マイクロチャンネル構造フィン２に
おける流路３の寸法と段数は、目的に応じて決定される
が、実用範囲で寸法を小さくし、かつ段数を多くとると
効果があった。第１図では冷媒の流路３となるマイクロ
チャンネルが縦に４段並んだ構造となっている。

冷媒の流路３の断面は略々５０μｍ　Ｘ　２５０μｍと
し、流路長は約１３とした。各流路３は約５０μｍ厚の
壁３′で仕切られている。マイクロチャンネル構造フィ
ン２の材質は、熱伝達率の良い材質であれば何でもよい
が、金属系では、Ａｌ、　Ａ１合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、
などが適当であった。又。

絶縁体材料では、ＡＩＮ、ＢＮなどが適当であった。冷
媒としては、水、圧縮空気、フレオンあるいは極低温動
作には液体窒素、液体ヘリウムなどが適当であるが、簡
便な水又は圧縮空気が最も適当であった。冷媒の温度は
低い方が効果があるが、簡便さから実用上約り℃〜約２
５℃がよい。

本実施例では、半導体チップ１とマイクロチャンネル構
造フィン２とは直接ボンディング技術により接着されて
いる。

第１表に、マイクロチャンネル管内流として、１０℃の
水、１７℃の水、５℃の空気、１７℃の空気の場合の上
述した約５０μｍ×２５０μｍにおける管内流の熱伝達
率と各々の冷媒が約１ａＩｌ長の管内を通り抜ける際の
圧力損失を示した。

（、）冷媒が水の場合 第１表 管内流の熱伝達率と圧力損失 第１表から得られたように常圧付近（圧力１ｋｇｆ／ｃ
ｄ）の空気では、冷却能力を示す熱伝達率は著しく低か
った。従って、本実施例では、冷媒として管内圧力損失
約１０ｋｇｆ／ｃｊ以下の液体もしくは水か管内圧力損
失約０．５ｋｇｆ／ｃｄ以下の圧縮ガスもしくは圧縮空
気を用いた。冷媒の流速は、速い方が効果があるが、実
用上、上述の管内圧力損失以下で最大得られる流速が適
当であった。

第２図に本実施例の一実施態様として、冷媒として約１
７℃の水の流速が約６　ｍ　／　ｓ、半導体チップでの
表面発熱が約２ｋＷ／ａｄ、マイクロチャンネル構造フ
ィンの材質がＡｌの場合を示した。

第２図には、チップとフィンの一部を示しであるが、全
体を表す代表的温度分布としてよい。

このように、半導体チップ表面では、約２ｋＷ／ｄとい
う大きな発熱があるにもかかわらず、半導体チップ表面
は、約９６℃に抑えられている。

ＬＳＩ等の半導体チップは１通常、接合温度１２５℃以
下で使用されるため、上述の約９６℃という値は実用で
きるものであった。

第３図は、第１図の実施例の他の実施態様として、マイ
クロチャンネル構造フィンの材質をＡｌからＣｕに変え
た場合を示した。その他の条件は、第２図と同じであっ
て、冷媒としての１７℃の水の流速が約６ｍ／ｓである
が、半導体チップ表面での発熱量が材質をＣｕにするこ
とによって約２．５ｋＷ／ａａｆであっても、半導体チ
ップ表面は約９６℃に抑えられている。

第２図、第３図の各実施態様において、半導体チップと
は１発熱するＭＯＳトランジスタ、バイポーラ型トラン
ジスタ、半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体素
子の単体あるいは集積回路などであり、いずれにおいて
も効果があった。

第４図は、冷媒に圧縮空気を用いた場合の実施例である
。約１７℃の圧縮空気（圧力＝約５ｋｇｆ／ａりが流速
的２４　ｍ　／　ｓで、マイクロチャンネルの管路３の
中を流れており、マイクロチャンネル構造フィンの材質
はＡＩである。半導体チップ１表面の発熱が約３０Ｗ／
＋ｆｆｌのときに、半導体チップ表面の温度が約９６℃
に抑えられた。これは、水冷の場合よりも放熱効率はか
なり小さいが、通常の強制空冷に比較すればはるかに大
きい。マイクロチャンネル構造フィンの材質をＡＩから
Ｃｕに変えても、水冷のときほど差は見られなかった。

これは冷媒の空気への熱伝達率が小さく、すなわち熱抵
抗が大きくかつ、フィンの固体中の熱伝導による熱抵抗
よりはるかに空気への熱抵抗より大きいため、フィンの
固体材質の差は影響しないからである。従って、フィン
の材質は、固体材料であれば、ＡＩ、Ｃｕに限らず、何
でも使用できる。

また、半導体チップとは前述したように発熱する半導体
素子の単体、集積回路であり、何れでも効果があった。

　　　　　　　　　　　（城下＃自〕（ａ）水冷の場合 第２表 マイクロチャンネルフィンの熱抵抗と等偏熱伝達率［面
積１ｄあたリコ 第２表（ａ）に、上記各実施態様において、（ａ）は水
冷の場合で、水温、流速、フィンの材質を変えたときに
、フィン表面に接続された半導体チップ表面からみた面
積１ｄあたりの熱抵抗（’Ｃ／Ｗ）と等偏熱伝達率（Ｗ
／ａ＃・℃）の得られた数値を示す。

この表の中で１例えば、Ｃｕのマイクロチャンネル構造
フィン（４段型）を用い、水温１０℃の水を約１５ｍ／
ｓで流す場合、半導体チップ表面から冷媒側をみた熱抵
抗は約０．０２５℃／Ｗが得られた。

これは、半導体チップ表面の発熱量が、１００Ｗ／ａＪ
のとき、１０℃から約２．５℃の温度上昇に抑えられた
。半導体チップの１０℃からの温度上昇を約８５℃に抑
えるなら、約３４００Ｗ／Ｊの半導体チップ表面の発熱
量を許容できた。又、この表の中で例えば、Ａｌのマイ
クロチャンネル構造フィン（４段型）を用い、水温１７
℃の水を約６ｍ／ｓで流す場合、半導体チップ表面から
冷媒側をみた熱抵抗は約０．０３９℃／Ｗが得られた１
例えば半導体チップ表面の発熱量が約１００Ｗ／ｃｓｉ
のとき、約４℃の温度上昇に抑えられた。

又、半導体チップの温度上昇を約８５℃に抑えるなら、
約２１８０Ｗ／ａＪの半導体チップ表面の発熱量を許容
できた。

第２表（ｂ）に、空冷の場合について、気温。

流速、フィンの材質を変えたときの上記各実施態様にお
いて、フィン表面に接続された半導体チップ表面側から
冷媒側をみた面積１ｄあたりの熱抵抗（”Ｃ／Ｗ）と等
偏熱伝達率（Ｗ／ｃｄ・℃）の得られた数値を示す。

この表の中で例えば、ＡＩのマイクロチャンネル構造フ
ィン（４段型）を用い、気温１７℃の圧縮空気を（約５
　ｋｇ　ｆ　／ｆｆ１）を約２４ｍ／ｓで流す場合、半
導体チップ表面から冷媒側をみた熱抵抗は約２．６３℃
／Ｗが得られた。半導体チップの発熱量が、例えば約Ｉ
　Ｗ／ｃｗｔのとき、１７℃から約２．７℃の温度上昇
に抑えられた。又、半導体チップの１７℃からの温度上
昇を約８５℃に抑えるなら、約３２Ｗ／ｃｄの半導体チ
ップ表面の発熱量を許容できた。空冷の場合、フィンの
材質にＣｕを用いても結果はＡＩとほぼ同じであった。

又、前述したように発熱する半導体素子として、いかな
る単体、集積回路でも効果があった。

第５図に半導体チップｌとマイクロチャンネル構造フィ
ン２との間に接着層４を用いた実施例を示す、接着層４
を用いることにより、半導体チップとマイクロチャンネ
ル構造フィンとの熱膨張差による歪をよりよく緩和でき
た。接着層の材質としては、低温はんだ、Ｉｎ、Ｍｏ、
Ｃｕ−Ｗ合金などが有効であった。又、高熱伝導性絶縁
体薄膜のＡＩＮ、ＢＮ、ＳｉＣなどと併用することも有
効であった。マイクロチャンネル構造フィン２の構成は
、第１図に示した実施例と同様である。

第６図に、第５図の実施例に示した構成で、接着層とし
てＩｎ（厚さ約５０μｍ）を用いたものの結果を示す。

冷媒として１７℃の水の流速が約６　ｍ　／　ｓ、半導
体チップ１表面の発熱が約２ｋＷ／ｄ、マイクロチャン
ネル構造フィンの材質がＡ１の場合を示した。第６図に
は、約１ｄの半導体チップとフィンの一部の面積の温度
分布を示しであるが、全体を表す代表的温度分布として
よい。

このように、半導体チップ表面では、約２ｋＷ／ｄとい
う大きな発熱があるにもかかわらず、半導体チップ表面
は、約１０９℃に抑えられている。

接着層４であるＩｎの層には、大きな温度勾配が見られ
るが、実用上問題にならない程度であった。

第７図は、第６図とは、マイクロチャンネル構造フィン
の材質をＡ１からＣｕに変え、冷媒の水温を約１０℃に
した点が異なるだけで、他は第６図と同様とした場合の
実施態様（放熱フィンの温度分布）を示す。この場合、
半導体チップ１表面での発熱量が約２．５ｋＷ／ａＪで
あったが、半導体チップ表面は、約１０６℃に抑えられ
た。やはり、接着層であるＩｎの層には、大きな温度勾
配が見られるが、実用上問題にならない程度であった。

第８図は、冷媒に圧縮空気を用いた他の実施態様でその
他の構成は、第６図と同様である。約１７℃の圧縮空気
（圧カニ約５　ｋｇ　ｆ　／ａＪ）が流速約２４ｍ／ｓ
で、マイクロチャンネルの管路３の中を流れており、マ
イクロチャンネル構造フィンの材質はＡＩである。半導
体チップ１の内部の発熱が約３０Ｗ／ｃｓｆのときに、
半導体チップ表面の温度が約９６℃に抑えられたａ　Ｉ
ｎの接着層が入ったことによる放熱性能の低下は見られ
なかった。

これは、Ｉｎ接着層内の熱伝導による熱抵抗が、管内流
の冷媒への熱伝達における熱抵抗と比較して小さいため
である。従って、空冷の場合、冷媒への熱伝達率による
熱抵抗より小さい接着材料であれば、何を使用してもよ
く、エポキ系シレジン、ポリイミド樹脂、シリコングリ
ースなどの接着剤も有効であった。

又、フィンの材質は第４図で示したように固体材料であ
れば、Ａ　ｌ、　Ｃｕに限らず何でも使える。

（風下余白） 第３表 （ａ）水冷の場合（６ｍ／ｓ） マイクロチャンネルフィンの熱抵抗・等価熱伝達率団消
責１ｄあたり］ 第３表（ａ）に水冷の場合について、接着層４としてＩ
ｎ（厚さ約５０μｍ）を用いたとき、流速約６　ｍ　／
　ｓにて水温、フィンの材質を変えたときの各実施態様
で得られた半導体チップ表面からみた面積１ｄあたりの
熱抵抗（”Ｃ／Ｗ）と等偏熱伝達率（Ｗ／ｃｄ・℃）の
数値を示す、この表の中で。

例えば、Ｉｎ接着層（約５０μｍ）を用い、前述したＣ
ｕのマイクロチャンネル構造（４段型）フィンを用いて
、水温的１０℃、流速約６ｍ／ｓで流す場合、半導体チ
ップ表面から冷媒側をみた熱抵抗は約０．０３８　（”
Ｃ／Ｗ）の値が得られた。

このとき１例えば半導体チップの発熱量が、約１００Ｗ
／＆のとき、１０℃からの半導体チップ表面の温度上昇
は約３．８℃に抑えられた。半導体チップ表面の１０℃
からの温度上昇を約８５℃に抑えるのならば、約２２０
０Ｗ／Ｑｌｆの半導体チップ表面での発熱量を許容でき
た。

第３表（ｂ）に、空冷（流速約２４　ｍ　／　ｓ　、圧
縮空気的５　ｋｇ　ｆ　／ａ＃）の場合について、フィ
ンの材質を変えたときの前記各実施態様で得られた半導
体チップ表面側から冷媒側をみた面積１ｄあたりの熱抵
抗（”Ｃ／Ｗ）と等偏熱伝達率（Ｗ／ａ！・℃）の値を
示す。

フィン材質がＡ１とＣｕで、はぼ同じ熱抵抗値＝約２．
６３℃／Ｗが得られた。半導体チップ表面の発熱量が１
例えば約Ｉ　Ｗ／ｄＴのとき、１７℃からの温度上昇が
約２．７℃に抑えられた。又、半導体チップの１７℃か
らの温度上昇を約８５℃に抑えるなら、約３２Ｗ／ｄの
半導体チップの発熱量を許容できた。

第５図から第８図及び第３表まで示した半導体チップと
は、前述したように発熱する半導体素子として、いかな
る単体・集積回路でも効果があった。

第９図に示した実施例は、本発明による集積回路の一部
でさらに過渡的熱応答が改善されるように、マイクロチ
ャンネル構造フィンに結合される半導体チップにあらか
じめ熱拡散構造を付加しである。マイクロチャンネル構
造フィンの能力を最大限に利用するには、半導体チップ
内部において、局所的に発生した熱を高速に拡散させる
熱流回路を設けることが効果的であった。

第９図に示した例は、半導体チップとしてバイポーラ・
トランジスタを例にして図示されているが、半導体チッ
プとは、過渡的に発熱するＭＯ８型トランジスタ、バイ
ポーラ型トランジスタ、半導体レーザ、発光ダイオード
などのＳ　ｌ　ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　。

ＩｎＰなど各種半導体基板を用いた半導体素子の単体、
あるいは集積回路など何であっても効果があった。

集積化バイポーラ型トランジスタを例にとると、集積さ
れたトランジスタ素子の各々の内部の特にベース９とコ
レクタ１０間付近で局所的な発熱が生じる。

第９図において、５は半導体基板（この例ではＳｉ）、
６は熱拡散層としての高熱伝導性絶縁層、７は配線（Ａ
Ｉ）、８はエミッタ、９はベース、１０はコレクタ、１
１はベースとコレクタ間の空乏層である。

高熱伝導性絶縁層６は、金属なみの熱伝達率をもち、か
つ絶縁体であれば、何でもよいが、例えばＡＩＮ、ＢＮ
が適当であった。また、この高熱伝導性絶縁層６は、第
９図では層間絶縁層、パッシベーション膜すべてに一様
に用いた例を示したが、これらの一部に、従来使われて
いるｍ　ｓｉｏ。

膜、Ｓｉ、Ｎ、膜、Ａ１．０．膜などと併用しても効果
があった。

第１０図は、熱拡散構造をもつ第９図の一実施態様にお
けるバイポーラｌ素子あたり約４ｍＷの消費電力がある
ときの、電流を流し始めてから、約５μｓｅｃたったと
きの（ａ）内部から表面の温度分布、（ｂ）温度分布を
示した領域に対応するデバイスの平面図である。

このように、高熱伝導性絶縁層６の熱拡散構造をもつ構
成では、約５μｓｅｃという短時間に、局所的にベース
・コレクタ間の空乏層付近で発生した熱が、広く表面上
で拡がっているのがわかる。

通常の熱伝導性の悪い５ｉｎ２膜、Ｓｉ、Ｎ、膜などの
眉間絶縁膜、パッシベーション膜のみでは、高速に広く
均一には、熱は拡がらなかった。

第１１図は、第９図に示した熱拡散構造をもつ半導体チ
ップに、マイクロチャンネル構造フィンをチップ裏側に
つけた場合の温度変化を示す。

半導体チップは、第９図に示したような例えばバイポー
ラ・トランジスタが、多数個集積化されており、例えば
全体として内部で約１５００Ｗ／ｄの発熱が生じたとき
の温度を計測した。マイクロチャンネル構造フィンは、
第２図に示した条件でダイレクトボンド法で半導体チッ
プの裏側に結合されている。動作開始後約０．１ｓｅｃ
程度で定常温度に達し、温度は約１２０℃以下であり、
実用限界程度に抑えられた。

また、図示はしなかったが、第６図に示した条件で接着
層を用いたマイクロチャンネル構造フィンを、上述の第
９図に示した半導体チップに接続すると、半導体チップ
の発熱が約１２００Ｗ／ａ１程度であれば、やはり動作
開始後、約０．１ｓｅｃ程度で定常温度に達し、温度は
約１２０℃であり実用限界程度に抑えられた。

第１２図は、第９図に示した熱拡散構造をもつ半導体チ
ップに、マイクロチャンネル構造フィンをチップ表側に
つけた場合の温度変化を示す。

上記半導体チップは、第９図に示したような。

例えばバイポーラ・トランジスタが多数個集積化されて
おり、例えば全体として内部で約１５００Ｗ／ａＪの発
熱が生じたときの温度を計測した。又、上記マイクロチ
ャンネル構造フィンは、第２図に示した条件下でダイレ
クトボンド法で、チップの表側に接続されている６動作
開始後、約０．０１ｓｅｃ以下で、定常温度に達し、温
度は約６５℃以下であった。

又、図示はしなかったが、第６図に示した接着層を用い
たマイクロチャンネル構造フィンを、同様に第９図に示
した熱拡散構造をもつ半導体チップの表面側に結合する
と、半導体チップの内部の発熱が約１５００Ｗ／ａｉＴ
程度であれば、やはり動作開始後約Ｑ、Ｑｌｓｅｃ以下
で定常温度に達し。

温度は約８５℃以下であった。又、マイクロチャンネル
構造フィンを熱拡散層をもつ表面側へ付けることによっ
て、第１２図から明らかのように、半導体チップの表面
から内部さらに裏側に至るまで均一な温度分布に抑えら
れ、熱歪の影響を非常に小さくすることができた。

第１３図に、マイクロチャンネル構造フィン２を半導体
チップ１の裏側に実装したＩ１０パッケージ全体の実施
例を示す、半導体チップ１の表側内部には、発熱する動
作領域が多数存在するが、第９図で効果を示したように
１局所的、過渡的に発熱した熱を速やかに拡げるための
高熱伝導性絶縁層６が設けられている。チップの裏側に
は、実施例第５図〜第８図及び第３表で示したように接
着層４によってマイクロチャンネル構造フィン２が接着
されている。あるいは１図示はしなかったが、半導体チ
ップ１の裏側とマイクロチャンネル構造フィン２とは、
第１図〜第４図及び第２表及び第９図で示したようにダ
イレクトボンド法によって接着された。

マイクロチャンネル構造フィン２における流路３の寸法
と、段数は目的に応じて決定されるが、実用範囲で寸法
を小さくシ、かつ段数を多くとることが効果があった。

典型的な例は、第１図及び第５図で示したように例えば
、長さ約１０の各流路の断面を５０μｍｘ２５０μｍと
し、各流路を略々５０μｍ厚の壁で仕切られた構造を横
に約１ｃ＋＋にわたってならべ、かつ４段に設ける。

上記の約１国という寸法は、略々半導体チップ１の面積
にほぼ合わせたという寸法であるので、チップの大小に
よって変化させてもよい。チップ１の厚さは、薄い方が
放熱効率はよかった。通常３５０μｍ〜４５０μｍであ
るが、略々５０μｍ以下にすると良い。

このように、微小なマイクロチャンネル流路の多段構成
によって、放熱効率の非常に良く、かつ１チツプに搭載
できる小さな構成が実現し、工１０ピンパッケージと一
体化できた。

上記Ｉ１０ピンパッケージにおいて、パッケージ基板１
４の材料として、Ａｌ２Ｏ３，ＡＩＮ、ＢＮ。

ＳｉＣなどいずれでもよいが、熱伝導性のすぐれたＡＩ
Ｎ、ＢＮが適当である。Ｉ１０ピン１５は。

配線層１３によって半導体チップのＩ１０端とソルダー
バンプアレイ１２によって接続されている。

又、この実施例では、半導体チップ１は１個の場合を示
したが、目的に応じて、複数個のチップをまとめて一体
化したものでもよい。

第１４図に、マイクロチャンネル構造フィン２゜２″を
半導体チップ１の両面に実装したＩ１０パッケージ全体
の実施例を示す、半導体チップ１の表側内部には、発熱
する動作領域が多数存在するが、第９図で効果を示した
ように１局所的、過渡的に発熱した熱を速やかに拡げる
ための高熱伝導性絶縁層６が設けられている。この絶縁
層６の表側には、実施例第５図〜第８図及び第３表で示
したように接着層４によってマイクロチャンネル構造フ
ィン２と接着されている。

あるいは、図示はしなかったが、半導体チップ１は、層
６をはさんでマイクロチャンネル構造フィン２と、第１
図〜第４図及び第２表及び第１２図で示したようにダイ
レクトボンド法によって接着してもよい、さらに、半導
体チップ１の裏側には、第５図〜第８図及び第３表で示
したように接着層４′によって、マイクロチャンネル構
造フィン２′と接着されている。あるいは、図示はしな
かったが、半導体チップ１の裏側とマイクロチャンネル
構造フィン２′とは第１図〜第４図及び、第２表及び第
１１図で示したようにダイレクトボンド法によって接着
してもよい。

マイクロチャンネル構造フィン２及び２′の構成は、第
１図及び第５図及び第１３図で述べたものとほぼ同様で
ある。

Ｉ１０ピンパッケージのパッケージ基板１４の材料は第
１３図で述べた通りのものである。

Ｉ１０ピン１５は多層配線層１３及び１３’　によって
接続され、チップ１のポンディングパッド１７とワイヤ
ボンドされた。パッケージ組立て後、最終的にパッケー
ジ封止キャップ１６で封止される。

チップ１の厚さは薄い方が、両面からの放熱効果がある
。通常チップ厚さは３５０１１ｍ〜４５０μｍであるが
、略々５０μｍ以下にすると良い。

このように、微小なマイクロチャンネル構造フィンをチ
ップ両面に接着できかつＩ１０ピンパッケージと一体化
できた。

表側のみあるいは裏側のみにマイクロチャンネル構造フ
ィンをつけた構成に比較して、両面につけた構成にする
ことによって放熱効率は、約２倍得られ、かつ過渡熱応
答性にすぐれた放熱特性を示し、効果は多大であった。

又、第１４図の例では、半導体チップは１個の場合を示
したが、目的に応じて複数個のチップをまとめて一体化
してもよい。

［発明の効果〕 以上説明した所から明らかなように本発明によれば、微
小なマイクロチャンネル流路の多段構成からなるマイク
ロチャンネル構造フィンを半導体素子に設けることによ
って、放熱効率が通常のフィンに比較し、約１０〜１０
０倍も良く、かつ、Ｉ１０ピンパッケージと一体化が実
現できる。又、半導体素子内部の局所発熱を均一化する
熱拡散構造を付加して併用するとさらに効果がある。

従って電子回路の高集積化、高電力消費対応化、高速動
作化が実現でき、半導体装置の機能を飛躍的に高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はダイレクトボンド法による本発明のマイクロチ
ャンネル構造フィンと半導体チップの構成の一実施例を
示す概略図、第２図は水冷アルミ製ダイレクトボンド法
によるマイクロチャンネル構造フィンと半導体チップの
温度分布例を示す図、第３図は水冷銅製ダイレクトボン
ド法によるマイクロチャンネル構造フィンと半導体チッ
プの温度分布例を示す図、第４図は空冷ダイレクトボン
ド法によるマイクロチャンネル構造フィンと半導体チッ
プの温度分布例を示す図、第５図は本発明による接着層
を用いたマイクロチャンネル構造フィンと半導体チップ
の構成の実施例を示す概略図、第６図は接着層を用いた
水冷アルミ製マイクロチャンネル構造フィンと半導体チ
ップの温度分布例を示す図、第７図は接着層を用いた水
冷銅製マイクロチャンネル構造フィンと半導体チップの
温度分布例を示す図、第８図は接着層を用いた空冷銅製
マイクロチャンネル構造フィンと半導体チップの温度分
布例を示す図、第９図は本発明による熱拡散構造をもつ
バイポーラ・トランジスタの実施例を示す概略図、第１
０図は熱拡散構造をもつバイポーラ・トランジスタの過
渡温度分布例を示す概略図、第１１図は表面に熱拡散構
造をもつ半導体チップの裏側にマイクロチャンネル構造
フィンをつけた場合の温度分布例を示す図、第１２図は
表面に熱拡散構造をもつ半導体チップの表側にマイクロ
チャンネル構造フィンをつけた場合の温度分布例を示す
図、第１３図は本発明によるマイクロチャンネル構造フ
ィンの実装パッケージの実施例を示す概略図、第１４図
は本発明によるマイクロチャンネル構造フィンの実装パ
ッケージの実施例を示す概略図、第１５図は集積回路に
おける従来の熱流回路の説明図、第１６図はその等価回
路図である。 １・・・・・・・・・半導体チップ、２，２′・・・・
・・・・・マイクロチャンネル構造フィン、３，３′・
・・・・・・・・流路、４．４′・・・・・・・・・接
着層、５・・・・・・・・・半導体基板、６・・・・・
・・・・高熱伝導性絶縁層、７・・・・・・・・・配線
、８・・・・・・・・・エミッタ、９・・・・・・・・
・ベース、１０・・・・・・・・・コレクタ、１１・・
・・・・・・・空乏層、１２・・・・・・・・・ソルダ
ーバンブアレイ、１３．１３’・・・・・・・・・配線
層、１４・・・・・・・・・パッケージ基板、１５・・
・・・・・・・工／○ピン、１６・・・・・・・・・パ
ッケージ封止キャップ、１７・・・・・・・・・ポンデ
ィングパッド。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマイ
   クロチャンネル構造フィンを放熱のために備えたことを
   特徴とする半導体素子。
2. （２）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマイ
   クロチャンネル構造フィンと半導体チップとがダイレク
   トボンドされていることを特徴とする半導体素子。
3. （３）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマイ
   クロチャンネル構造フィンと半導体チップとが接着層を
   介して結合されていることを特徴とする半導体素子。
4. （４）上記マイクロチャンネル構造フィンのマイクロチ
   ャンネル流路に冷媒として液体を供給することを特徴と
   する請求項（１），（２）又は（３）に記載の半導体素
   子。
5. （５）上記マイクロチャンネル構造フィンのマイクロチ
   ャンネル流路に冷媒として気体を供給することを特徴と
   する請求項（１），（２）又は（３）に記載の半導体素
   子。
6. （６）上記マイクロチャンネル構造フィンが半導体素子
   の材料とは異なる材料で作られていることを特徴とする
   請求項（１），（２）又は（３）に記載の半導体素子。
7. （７）上記マイクロチャンネル構造フィンのマイクロチ
   ャンネル流路の断面積を略々１ｍｍ＾２以下にしたこと
   を特徴とする請求項（１），（２）又は（３）に記載の
   半導体素子。
8. （８）上記マイクロチャンネル構造フィンがＩ／Ｏピン
   パッケージと一体的に組み合わされたことを特徴とする
   請求項（１），（２）又は（３）に記載の半導体素子。
9. （９）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマイ
   クロチャンネル構造フィンに結合される半導体チップに
   熱拡散層が形成されていることを特徴とする半導体素子
   。
10. （１０）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマ
    イクロチャンネル構造フィンが半導体チップの動作領域
    に近い表面に設けられていることを特徴とする半導体素
    子。
11. （１１）前記熱拡散層が高熱伝導性絶縁層であることを
    特徴とする請求項（９）に記載の半導体素子。
12. （１２）複数のマイクロチャンネル流路が形成されたマ
    イクロチャンネル構造フィンが半導体チップの両面に設
    けられたことを特徴とする半導体素子。