JPH03273669A

JPH03273669A - 冷却機構付き半導体装置

Info

Publication number: JPH03273669A
Application number: JP2072001A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Henmi; 和弘逸見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1991-12-04

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、冷却機能を備えた半導体装置に係わり、特に
冷却機構と半導体素子を一体形成した冷却機構付き半導
体装置に関する。

（従来の技術）近年、大型コンピュータ等において、小型且つ大容量の
ＬＳＩを高密度に実装するために、基板から放出される
単位面積当りの熱量は非常に大きくなり、さらに小型化
及び高速化が進むにつれ発熱量は急激に増加している。

発熱による温度上昇は半導体素子の特性低下を引き起こ
すため、特に冷却技術が重要となり、様々な冷却方法が
開発されている。

冷却方法としては、第６図に示すような熱伝導度の高い
アルミニウム等の金属で形成された放熱フィンを半導体
装置の表面に取り付け、自然対流で放熱を行う方法、第
７図に示すような軸流ファンによる強制空冷法、第８図
に示すような伝導液を利用する伝導冷却方法、さらに第
９図に示すようなヒートパイプを用いる方法等がある。

なお、第６図において６１はＬＳＩチップ、６２はセラ
ミックキャップ、６３はボンディングワイヤ、６４は封
止ガラス、６５はリード、６６は放熱フィンを示し、第
７図において７１はＬＳＩチップ、７２はプリント基板
、７３は軸流ファン、７４は筐体を示し、第８図におい
て８１はＬＳＩチップ、８２は伝熱板、８３は伝熱基板
、８４はノズル、８５は伝熱流体、８６は筐体を示し、
第９図において９１はＬＳＩチップ、９２は伝熱板、９
３はプリント基板、９４は放熱フィン、９５はヒートパ
イプを示している。

しかしながら、この種の冷却機構にあっては次のような
問題があった。即ち、半導体素子の発熱量の増加に伴い
これらの冷却機構も大型化するために、装置全体が大き
くなってしまう、或いは重量が増す、さらに冷却装置の
消費電力が装置全体の大半を占める等、半導体装置全体
の小型化に対し問題が生じてくる。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、発熱量の大きな半導体装置においては
、半導体装置の小型化という点で冷却機構の冷却能力が
制約を受けたり、逆に冷却機構の性能を優先すると半導
体装置全体が大きくなってしまうという間層があった。

さらに将来、より発熱量の大きな半導体装置が現れた場
合、いくら大型の冷却機構を用いても従来の方法ではも
はや不十分で、発熱源である半導体素子部分を直接冷却
する方法が必要となる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、半導体素子を直接冷却することがで
き、且つ装置構成の小型化をはかり得る冷却機構付き半
導体装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、素子形成基板内にループ型ヒートバイ
ブ等の冷却機構を設けることにより、発熱源である半導
体素子と冷却機構を一体化して、半導体素子を直接冷却
することにある。

即ち本発明は、半導体基板と、この基板上の一部分に形
成された半導体素子と、前記基板内に該基板の面方向に
沿って熱媒体を循環させるための流路を設けてなる熱交
換器（例えばループ型ヒートバイブ）とを備えた冷却機
構付き半導体装置であって、前記熱交換器の前記半導体
素子直下部分を受熱部、それ以外の部分を放熱部として
該素子を冷却するようにしたものである。

（作用）本発明によれば、半導体素子と冷却機構とが基板レベル
で一体化されているため、半導体素子の冷却が非常に効
率良く行われると共に、装置全体としては極めてコンパ
クトなものとなる。

さらに、半導体基板内で冷却機構の熱交換ループが閉じ
ているため、冷却のための外部との接続が全く不要であ
り、組み立て工程が容易になり、且つ信頼性が高くなる
。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる冷却機構付き半導体
装置の概略構成を一部切欠して示す斜視図であり、第２
図（ａ）は第１図の矢視Ａ−Ａ断面図、第２図（ｂ）は
第１図の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。図中１０はＳｉ等の
半導体基板（チップ）であり、この基板１０上の一部（
中央部）１１には所定の半導体素子が形成されている。

基板１０内には、基板１０の面方向に沿って熱媒体を循
環させるための流路１２が形成され、この流路１２は半
導体素子部分１１の直下を通過するように形成されてい
る。流路１２内には熱媒体が封入されており、また流路
１２は１つのループを形威し系としては閉じている。

上記流路１２は熱交換器を構成するものであり、その熱
交換動作は次のようにして行われる。

即ち、半導体素子部分１１の下部が受熱部（高湿部）と
して、それ以外の領域が放熱部（低温部）として振る舞
い、熱媒体の循環（熱媒体の相変化を伴う場合もある、
例えばヒートバイブの場合）により熱交換が行われるも
のとなっている。なお、図中１３は熱媒体を一方向に循
環させるためのポンプを示しているが、このポンプは熱
交換器の種類によっては不要である。また、図には示し
ていないが、基板１０はヒートシンク等に搭載されるも
のとなっている。

次に、前記流路１２の形成方法について、第３図を参照
して説明する。

まず、第３図（ａ）に示す如く、Ｓｉ基板１０ａ上にレ
ジスト３１を塗布し、このレジスト３１を流路のパター
ンに露光して現像する。次いで、弗化水素酸＋硝酸等の
等方性エツチング液により、第３図（ｂ）に示す如くレ
ジスト３１をマスクとして基板１０ａを選択エツチング
する。このエツチングは等方性エツチングであるため、
エツチング断面は３２に示すように半円の形状となる。

その後、第３図（Ｃ）に示す如く、レジスト３１を除去
する。

一方、第３図（ａ）〜（Ｃ）の工程と同様にして、もう
１枚の基板１０ｂに対して流路パターンのエツチングを
行い、第３図（ｄ）（ｅ）に示す如く、これらを陽極接
合（シリコン基板同士に電界印加及び加熱を行い直接接
合する技術）等により接合する。このようなプロセスに
より、基板１０内に断面が真円の流路１２を形成するこ
とができる。なお、熱媒体の封入手段としては、熱媒体
に使用する気体、例えばフロンＲ１１４等の雰囲気にお
いて陽極接合を行えばよい。また、流路を形成する材料
はシリコンに限らず、ガラス或いは金属等でも略同様の
プロセスで流路を形成することができる。

ところで、熱媒体の循環を促す駆動源としては、次のよ
うなものがある。まず第１に、熱交換器を流路と熱媒体
と逆止弁からなるループ型ヒートバイブ構造にすること
により、半導体素子部分下部の受熱部とその他の放熱部
との温度差を駆動源とする方法である。ループ型ヒート
バイブとは前記の構造により受熱部で沸騰した熱媒体の
パルス振動、圧力差で生じる呼吸作用と増幅作用、弁の
働き等により熱媒体が所定の方向に自動的に循環するも
のである。

このループ型ヒートバイブ構造では、熱媒体の駆動源は
受熱部と放熱部との温度差であるから、機械的な駆動源
は必要なく、流路内に幾つか逆止弁を設けてやればよい
。逆止弁の構造としては、第４図に示すようなものがあ
る。第４図（ａ）は流路１２の一部に設けたオリフィス
４１と球４２の組み合わせで逆止弁を構成した例で、第
４図（ｂ）は受動型の逆止弁４３の構成例である。いず
れも、先に説明した流路の形成方法と同様なプロセスで
形成可能な構造である。

なお、第４図（ｂ）の構造は、２枚の基板の貼り合わせ
で形成するのは難しく、３枚の基板１０ａ。

１０ｂ、　　１０Ｃの貼り合わせで形成すればよい。

第２の方法は、熱媒体の駆動源にマイクロポンプを使用
する方法である。第５図はポンプの一構成例を示したも
のである。基本的には逆止弁５２を２つとポンプ５１を
１つの組み合わせである。逆止弁５２は、第４図（ｂ）
で示したものと同じ構造である。ポンプ５１は、２つの
逆止弁５２の間の流路の隔壁の一部分に圧電素子を貼り
付けた構造である。圧電素子に交流電圧を印加すると、
この圧電素子は面方向に伸縮する。圧電素子と接着され
た隔壁とでユニモルフ構造を形成しているので、圧電素
子の伸縮に伴い隔壁は図示の如く振動して、逆止弁間の
流路の体積を変化させる。この体積変化と逆止弁の設定
により熱媒体は所定の方向に循環することになる。

上記熱交換器の製造方法は全てシリコン・プロセスと同
等であるため、半導体素子部分１１の形成はプロセス的
には特に制約を受けない。

即ち、半導体素子部分１１を予め形成した基板１０に上
記熱交換器を形成することも可能であり、逆に熱交換器
が形成された基板１０上に半導体素子部分１０を形成す
ることもできる。また、半導体素子基板と熱交換器部分
は別に形成した後に接合するという方法も可能である。

このように本実施例によれば、シリコン基板１０内に熱
媒体の流路１２を形成し、熱交換器（例えば、ループ型
ヒートバイブ）と半導体素子部分１１を一体化している
ので、半導体素子を直接的に効率良く冷却することがで
きる。しかも、熱交換器の付加による体積の増大はなく
、装置全体が極めて小型化することになる。さらに、シ
リコン基板１０内で冷却手段の熱ループが閉じているた
め、冷却のための外部との接続が全く不要であり、組み
立て工程が容易になり、且つ信頼性が高くなる。また、
熱交換器をループ型ヒートパイプ構造とすることにより
、ポンプ等の駆動源を省略することができ、装置構成の
簡略化をはかることが可能である。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では、熱交換器の放熱部における冷却は自然
放冷としたが、より発熱量の大きい半導体素子に対して
は、熱交換器の放熱部を圧電ファン等により強制空冷し
てもよい。

また、本発明は装置はＣＯＧ　（Ｃｈｉｐ　Ｏｎ　Ｇｌ
ａｓｓ　）等のペアチップ実装に適しているが、パッケ
ージに実装しても使用可能であり、パッケージへの実装
には従来と同様の方法を適用することができる。その他
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施
することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、発熱源である半導
体素子と冷却手段としての熱交換器が基板レベルで一体
化されているため、半導体素子を直接冷却することがで
き、且つ装置構成の小型化をはかり得る冷却機構付き半
導体装置を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例に係わる冷却機構付き半導体
装置の概略構成を示す斜視図、第２図は第１図の要部構
成を示す断面図、第３図は流路形成工程を示す断面図、
第４図は逆止弁の構成例を示す断面図、第５図は駆動源
としてのポンプの構成例を示す断面図、第６図乃至第９
図はそれぞれ従来の冷却装置の概略構成を示す図である
。１０・・・シリコン基板、１１・・・半導体素子部分、１２・・・流路、１３・・・熱媒体駆動手段、３１・・・レジスト、３２・・・半円形状の溝、４１・・・オリフィス、４２・・・球、４３．５２−・・逆止弁、５１・・・ポンプ（圧電素子）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板と、この基板上の一部分に形成された
半導体素子と、前記基板内に該基板の面方向に沿って熱
媒体を循環させるための流路を設けてなる熱交換器とを
具備し、前記熱交換器の前記半導体素子直下部分を受熱部、それ
以外の部分を放熱部として該素子を冷却することを特徴
とする冷却機構付き半導体装置。
（２）前記熱交換器は、前記流路に逆止弁を設けると共
に、熱媒体の温度差により熱媒体を一方向に循環させる
ループ型ヒートパイプであることを特徴とする請求項１
記載の冷却機構付き半導体装置。