JPH0330457A - 半導体装置の冷却方法および半導体装置 - 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、半導体装置技術に関し、特に、半導体装置の
冷却技術に適用して有効な技術に関する。

［従来の技術〕 半導体装置の冷却技術としては、たとえば、半導体装置
に放熱フィンなどを設けて半導体装置を空気の自然対流
によって半導体装置を冷却する自然空冷式、あるいは冷
却水などの液体を強制循環させて半導体装置を冷却する
強制循環水冷式などの技術がある。

たとえば、その後者の強制循環水冷式による冷却技術と
しては、液体冷媒流路にノズルを配設し、このノズルか
ら水やフルオロカーボン液などの液体を半導体装置の伝
熱板などの発熱部に流して冷却するようにしたものなど
がある（特開昭６０−１６０１５０号公報記載）。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、近年、ＬＳＩの高密度化、高集積化により、
消費電力密度の上昇１消費電力の増大などが急速化して
いるが、このような現状に対して、従来の自然空冷式や
強制循環水冷式などの冷却技術では、対応し得なくなっ
ている。

このため、従来の冷却技術に比べ、冷却効率の高い半導
体装置の冷却技術が要望されている。

また、前記した水やフルオロカーボン液を冷媒とした強
制循環水冷式の冷却技術（特開昭６０−１６０１５０号
公報記載）においては、複雑な伝熱経路が必要とされる
など、構造が複雑化し大型化され、また冷媒による腐食
や汚染などの問題が生じる。

本発明の目的は、冷却効率や半導体装置の信頼性の向上
、冷却構造の簡易化や小型化、冷媒による腐食性や汚染
の防止を図ることができる半導体装置の冷却技術を提供
することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、本発明の半導体装置の冷却方法は、半導体装
置の発熱部に、たとえばＣＯ２などの所定の液体を供給
して気化させ、その気化潜熱により前記発熱部を冷却す
るものである。

また、本発明の半導体装置は、半導体装置の発熱部に所
定の液体を供給して気化させ、その気化潜熱により前記
発熱部を冷却する液体供給用手段を備えているものであ
る。

［作用］ 前記した半導体装置の冷却方法によれば、たとえば液化
ＣＯ２などの所定の液体を半導体装置の発熱部に供給し
て気化させ、その気化潜熱により発熱部が冷却されるの
で、冷却効率の向上や冷却構造の簡易化ないし小型化を
図ることができ、また冷媒による腐食や汚染の防止を図
ることができる。

また、前記した半導体装置の構造によれば、半導体装置
の発熱部に所定の液体を供給して気化させ、その気化潜
熱により前記発熱部を冷却する液体供給用手段を備えて
いることにより、その液体供給用手段によって、たとえ
ば液化ＣＯ２などの所定の液体が発熱部に供給されて気
化され、その気化潜熱により発熱部が冷却されるので、
冷却効率の向上や冷却構造の簡易化ないし小型化を図る
ことができ、また冷媒による腐食や汚染の防止を図るこ
とができる。

［実施例１〕 第１図は本発明の一実施例である半導体装置を示す断面
図、第２図はその冷却方法の一例を示す半導体装置の断
面図である。

第１図に右いて、ＬＳＩなどの半導体装置の配線基板ｌ
上には、たとえば、はんだなどからなるフリップ・チッ
プバンブ２ａを介して半導体チップ２が実装されている
。

半導体チップ２の上方には、耐圧性の液体供給用ノズル
３（液体供給用手段）が設けられ、この筏、５体供給用
バ／Ｌ、　３　Ｏ液体供給用０３°“半導体チップ２の
上面に対向して位置されている。

液体供給用ノズル３内には、液化ＣＯａ４が７−たされ
、その液体供給用口３ａから液化ＣＯ２４の微粒体が半
導体チップ２の裏面２ｂ（発熱部）に向かって噴出され
るようになっている。

そして、半導体チップ２の裏面２ｂに均一に噴霧された
液化ＣＯ２４の微粒体が気化する際に、半導体チップ２
の裏面２ｂ上から潜熱を奪うことにより、界面での熱交
換が行われｃｏ２ガス５が発生して半導体チップ２の裏
面２ｂが直接的に冷却されて半導体装置が冷却される構
造とされている。

この液体供給用ノズル３から噴出される液化ＣＯ３４は
、−５６，６℃以下で、５．ｌｌａｔｍ以上の圧力を有
する。このため、前記液体供給用ノズル３は、極低温で
の耐圧性ノズルが用いられその液化ＣＯ２４の高圧性に
より液体供給用ノズル３からの液化ＣＯ３４の微粒体の
噴出が可能とされている。

そして、この液化ＣＯ２４の飯粒化により、その気化表
面積の増大化と均一化とが図られている。

また、液化ＣＯ２４はその気化熱がｌ　３　Ｑｃａｌ／
ｇであり、Ｈ２０などの腐食性を有する液体以外では最
も大きく、気化後の体積膨張も０℃、ｌａｔｍで２２４
倍となるため、ＣＯ２ガス５は熱伝達の媒体となり得る
。

このような液化ＣＣｈ４が噴出される液体供給用口３ａ
およびその液化ＣＯ２４の供給により冷却される半導体
チップ２は、外壁６によって外部と遮断されている気化
室７に夫々位置されている。

気化室７には、排気口８が設けられ、気化室７において
気化したＣＯ２ガス５が排気口８より強制的に排気され
、この排気口８からの強制的な排熱により排熱効率の向
上が図られている。

排気口８は、？！通用管９によってコンプレッサなどか
らなる圧縮液化機構１０を介して液体供給用ノズル３に
接続されていて、排気口８より排気されたＣ　Ｏ２ガス
５が圧縮液化機構１０を通じて圧１１１！化されて液化
ＣＯ２４に還元され、液体供ブ２の裏面２ｂに再び供給
されて循環される構造とされている。

したがって、本実施例によれば、圧縮液化機構１０など
によって００２が循環されて半導体装置が冷却されるた
め、新たな液化ＣＣｈ４を外部から供給することなく、
半導体装置を冷却し続けることができる。この結果、冷
却システムの小型化ないし簡素化および冷却維持費の低
減化を図ることができる。

次に、本実施例の作用について説明する。

先ず、たとえば液体供給用ノズル３内の液化ｃｏ、４は
その液体供給用口３ａから半導体チップ２の裏面２ｂに
向かって噴出される。

液体供給用口３ａから噴出された液化ＣＯ２４は、半導
体チップ２の裏面２ｂに均一に噴霧され、この液化ＣＣ
ｈ４の微粒体が気化する際に、半導体チップ２の裏面２
ｂから潜熱を奪うことにより、界面での熱交換が行われ
てＣＯ２ガス５が発生して半導体チップ２が冷却される
。

この場合に、本発明においては、たとえば気化室７の雰
囲気中の所定圧の減圧やその外部雰囲気との熱の出入り
の遮断などにより、第２図に示すように液体供給用口３
ａから噴出した液化ＣＯ２４の微粒液体４ａが断熱膨張
し、気化潜熱による自己冷却により雪状の微粒固体４ｂ
（ドライアイス）となり、この微粒固体４ｂが半導体チ
ップ２の裏面２ｂに接触して昇華することにより、半導
体チップ２が、たとえば−８０℃程度に冷却されるよう
にしても良い。

このような冷却方法によると、単位重量あたりの気化潜
熱が極大で、しかも無湿状態における半導体装置の冷却
を行うことができ、またその微粒固体４ｂのＣＯ２は、
固体状態ではなく、液化ＣＯ２４、すなわち液体状態の
液化ＣＯ３４で供給されるため、この液体状態の供給に
より冷却システムの小型化を図ることができる。

次に、このようにして、液化ｃｏｔ４から気化した気化
室７内のＣＯ２ガス５、すなわち、液化ＣＯ２４の微粒
液体４ａから直接的に、あるいはその微粒固体４ｂから
気化したＣＯ，ガス５は、排気口８より排気され、循環
用管９を通じて圧縮液化機構ＩＯに導入される。

そして、圧縮液化機構１０に導入されたＣＯ２ガス５は
、圧縮液化機構ｌＯによって圧縮液化され、液体供給用
ノズル３内に還元される。

液体供給用ノズル３内に還元された液化ＣＯ２４ガスは
、液体供給用口３ａから半導体チップ２の裏面２ｂに向
かって再び噴出され、その液化ＣＣｈ　　４の微粒液体
４ａないし微粒固体４ｂが気化してその気化潜熱により
半導体チップ２が冷却される。

本実施例においては、このように、半導体チップ２を液
化ＣＣｈ４ガスの気化潜熱により半導体チップ２を直接
的に冷却するので、半導体装置を効率的に、しかも簡素
化ないし小型化された構造によって半導体装置を冷却す
ることができ、また水やフルオロカーボン液などを冷媒
とした冷却手段と異なり、冷媒による腐食や汚染を生じ
させることなく、クリーンな冷却を行うことができる。

０２４の供給量を所定の制御手段によって制御すること
により、半導体チップ２に対する冷却温度の制御が可能
となる。

また、圧縮液化機構１０を介した循環機構により、新た
な液化ＣＯ２４を外部から供給することなく、半導体装
置を冷却し続けることができるので、冷却化システムの
小型化ないし簡素化、および冷却維持費の低減化を図る
ことができる。

［実施例２］ 第３図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図である。

この実施例２においては、半導体チップ２がパッケージ
１１によって保護され、このパッケージ１１のキャップ
表面１１ａ　（発熱部）に液化ＣＯ，４が供給されて冷
却されるようにしたものである。

また、液体供給用ノズル３には、液体供給用口３ａが複
数配設され、この複数の液体供給用口３ａにより、液化
ＣＯ３４の微粒体のパッケージ１１のキャップ表面１１
ａに対する単位面積当りの供給量を増大させて半導体装
置の高発熱に対応できるようにしたものである。

［実施例３］ 第４図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図である。

この実施例３においては、単数の液体供給用ノズル３か
ら複数の半導体チップ２に液化ＣＯ２４が供給されるこ
とにより、複数の半導体チップ２が冷却されるようにし
たものである。

［実施例４コ 第５図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図である。

この実施例４においては、前記した液体供給用ノズル３
の他に、Ｈｅガス１３の供給用ノズル１２を備えていて
、液体供給用ノズル３からの液化ＣＯａ４と、供給用ノ
ズル１２からのＨｅガス１３とが気化室７に共に供給さ
れて半導体チップ２が冷却される構造とされている。

この構造によれば、Ｈｅガス１３の熱伝導度がＣＯ２の
熱伝導度に比べ、約１０倍高いので、このＨｅガス１３
の添加によって冷却効率をより高めることができる。

なお、気化室７に供給されたＨｅガス１３は、気化室７
からＣ（ｈ　ガス５とともに所定の排気口を通じて排出
されそのＣＯ２ガス５と分離された後に、供給用ノズル
１２に還元されてその供給用口から半導体チップ２の裏
面２ｂに再び供給される構造とされている。すなわち、
ＣＯ□と同様に、Ｈｅガス１３も循環されて使用される
構造とされている。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、前記実施例１から実施例４においては、液体
供給用口３ａから液化ＣＯ２４が噴出されて半導体装置
の所定の発熱部に供給されるようになっているが、本発
明においては、たとえば液体供給用口３ａから液化ＣＯ
１４が滴下されて半導体装置の所定の発熱部に供給され
るようにしても良く、その液”化ＣＯ２４の供給方法は
問わない。

また、前記実施例１から４においては、半導体装置の所
定の発熱部に供給される液体として液化ＣＯ２４が用い
られているが、本発明においては、液化Ｃ（ｈ４に限定
されるものではない。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりであ
る。

すなわち、たとえば液化ＣＯ２などの所定の液体を半導
体装置の発熱部に供給して気化させ、その気化潜熱によ
り発熱部が冷却されるので、冷却効率の向上や冷却構造
の簡易化ないし小型化を図ることができ、また冷媒によ
る腐食や汚染の防止を図ることができる。

また、前記した半導体装置の構造によれば、半導体装置
の発熱部に所定の液体を供給して気化させ、その気化潜
熱により前言２発熱部を冷却する液体供給用手段を備え
ていることにより、その液体供給用手段によって、たと
えば液化ＣＯ２４などの所定の液体が発熱部に供給され
て気化されその気化潜熱により発熱部が冷却されるので
、冷却効率の向上や冷却構造の簡易化ないし小型化を図
ることができ、また冷媒による腐食や汚染の防止を図る
ことができる。

また、前記実施例１，２、および４，５においては、半
導体チップ２の熱交換部として半導体チップの裏面２ｂ
が用いられているが、本発明においては、半導体チップ
の裏面２ｂに限定されるものではなく、半導体チップ２
０表面あるいは側面を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半導体装置を示す断面
図、 第２図はその冷却方法の一例を示す半導体装置の断面図
、 第３図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図、 第４図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図、 第５図は本発明の他の実施例である半導体装置を示す要
部断面図である。 １・・・配線基板、２・・・半導体チップ、２ａ・・・
フリップ・チップバンブ、２ｂ・・・半導体チップの裏
面（発熱部）、３・・・液体供給用ノズル（液体供給用
手段）、３ａ・・・液体供給用口、４・・・液化ＣＯ２
（１体）、４ａ・・・微粒液体、４ｂ・・・ｉｉ！ｋｍ
固体、５・・・ＣＯ、ガス、６・・・外壁、７・・・気
化室、８・・・排気口、９・・・ｍｉ用管、１０・・・
圧縮液化機構、１１・・・パッケージ、ｌｌａ・・・パ
ッケージのキャップ表面（発熱部）、１２・・・供給用
ノズル、１３・・・Ｈｅガス。 第 ２ 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体装置の発熱部に所定の液体を供給して気化さ
   せ、その気化潜熱により前記発熱部を冷却することを特
   徴とする半導体装置の冷却方法。 ２、前記所定の液体が液化ＣＯ＿２であることを特徴と
   する請求項１記載の半導体装置の冷却方法。 ３、前記気化した気体を圧縮液化し、この液化した液体
   を前記発熱部に供給して循環させることを特徴とする請
   求項１、または２記載の半導体装置の冷却方法。 ４、半導体装置の発熱部に所定の液体を供給して気化さ
   せ、その気化潜熱により前記半導体装置を冷却する液体
   供給用手段を備えていることを特徴とする半導体装置。 ５、前記気化した気体を圧縮液化し、この液化した液体
   を前記液体供給用手段に供給して循環させる循環機構を
   備えていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置
   。