JPH04171849A - ウェファ冷却方式 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ウェファの冷却方式に関し、特にウェファス
ケールインチグレイジョン（ＷＳＩ）等を用いて半導体
システムが実装されるウェファにおけるウェファ冷却方
式に関する。

（従来の技術） 従来、一つのシステムとして構成する際には、１枚のウ
ェファ上に多数の半導体システムを集積し、この集積さ
れた多数の半導体システムを個々の半導体システム毎に
微細なチップに切断し、このチップをパッケージに入れ
、さらにこのパッケージを他の半導体システムが集積さ
れたチップ等を組み入れたパッケージと組み合わせるよ
うにしていた。

一方、近年において半導体技術及びフォールトトレラン
ト技術の進歩による高集積化、実装密度及び半導体に対
する信頼度の向上によって、ウェファスケールインテグ
レーション、すなわち１枚のウェファ上に集積された多
数の半導体システムを個々の半導体システム毎に切断す
ることなくシステムとして構成し、動作させることがで
きるようになってきた。

このウェファスケールインテグレーションの採用により
、パッケージによる配線上の制約を回避でき、実装密度
の向上をはかる事ができる。

しかしながら、このようなウェファスケールインテグレ
ーションにおいても、現状ではウェファ間を接続するた
めには、従来のチップとパッケージ間の接続と同様のボ
ンディング方式をとっているため、ウェファ間の配線に
おいては従来のチップとパッケージ間の配線密度と同等
、またはそれ以下しか得られていない。

同様に、例えば格子結合される並列システムを構築する
場合、ウェファ上でプロセッサを２次元格子状にウェフ
ァスケールインテグレーションにより実装して実装密度
を向上することができても、従来のチップとパッケージ
間と同様のボンディング方式をとる制約から、ウェファ
間に及ぶ３次元格子は実質的には実装できないというよ
うなことが十分起こり得る。

そこで、より密度の高いウェファ間結合を実現するため
に、ウェファを積み重ね、その間を光学的に結合すると
いう提案が既になされている。

しかしながら、ウェファを積み重ねて実装密度を向上さ
せようとすると、ウェファの中央部付近においては各プ
ロセッサ等で発生した熱の逃げ場が無くなってしまう。

そのためこの蓄積された熱によってウェファ及びプロセ
ッサ等が容易に加熱されてしまい、該プロセッサ等の正
常な動作を期待できなくなる。このためウェファを積み
重ねたシステムは、現時点では存在し得ないものとなっ
ている。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来のウェファスケールインテグレー
ションを用いたシステムでは、ウェファ間の配線を多く
できない事から、システム全体としての実装密度は向上
しないという問題があり、またウェファを積み重ね実装
密度を向上させようとすると、ウェファの中央部付近は
熱の逃げ場か無いことから加熱してしまい当該プロセッ
サ等が正常に動作できなくなる。そのためウェファを積
み重ねたシステムを構築することはできなかった。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本願箱１の発明は、ウェフ
ァに該ウェファの一側面から他側面に貫通する孔を設け
たことを要旨とする。

また、本願箱２の発明は上記請求項１に記載のウェファ
冷却方式において、複数のウェファに設けた孔がそれぞ
れ対向して配設されることを要旨とする。

さらに、本願箱３の発明は上記請求項１．２に記載のウ
ェファ冷却方式において、前記ウェファに設けた孔を通
して配管される管体を設け、当該管体内に流体を流して
当該ウェファを冷却することを要旨とする。

（作用） 本願箱１の発明は、ウェファに該ウェファの一側面から
他側面に貫通する孔を設け、この孔の内壁という新たな
冷却面を作ることにより冷却効果を高めたことを特徴と
する。

また、本願箱２の発明は複数のウェファに設けた孔がそ
れぞれ対向して配設されることから該複数のウェファを
貫通するバイブ状の空間が形成される。このバイブ状の
空間はウェファの中央部付近にも作る事が可能なので、
このバイブ状の空間を流れる流体によってウェファ等に
蓄積される熱が奪われ、ウェファの中央部付近も冷却す
る事ができる。また複数のウェファを密着して配設する
ことができるため極めて高密度の実装ができる。

さらに、本願箱３の発明は前記ウェファに設けた孔を嵌
通して配管される管体を設け、当該管体内に流体を流す
ようにしたので、ウェファをそれほど密着させなくても
流体はスムースに流れる。

このためウェファに応力をかける事なくウェファの中央
部付近を冷却する事ができる。またウェファ表面に凹凸
があったり、密着度が足りなかったりした場合でも、ウ
ェファ間の隙間を伝って外周部に流体が滲み出して来る
危険性が無い。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。なお、
図面は本発明の技術的思想を説明するためのもので、構
成等の概略を説明するものである。

第１図は、本願第１の発明にかかるウェファ冷却法を用
いたウェファ１の形状をしめずために、ウェファ１の一
部を切り欠いて示す斜視図である。

この第１図に示される切断面から明らかなように、孔５
はウェファ１上にマトリクス状に、ウェファ１の一側面
から他側面に貫通して穿設され、またウェファ１が有す
る厚みによって、孔５の内壁という新たな冷却面をウェ
ファｌの任意の領域に確保することができる。

各ウェファ１には、プロセッサとしての論理回路３が構
成されているチップ領域と孔５の領域とが形成される。

さらに、この孔５はチップ領域の角に当たる位置等に配
置されるので、チップ間の配線を行う配線領域が該チッ
プ間に確保され、そのためチップ間の配線７をウェファ
スケールインテグレーションによって行うことができる
。

上述したように、本実施例によれば、ウェファ１に孔５
を穿設し、この孔５の内壁という新たな冷却面を作るこ
とにより冷却効果を高める事ができる。

とくに複数のウェファ１を積み重ねた場合に、冷えに＜
＜、蓄熱されやすいウェファ１の中央部付近にも容易に
冷却面を設ける事かでき、非常に優れた冷却方式とする
ことができる。また論理回路３での発熱量に応じて孔５
の大きさ、個数、配置、分布などを適宜選択する事によ
り冷却むらを防いだり、流体の循環速度や冷却能力を調
整できる。

次に、第２図の構成図を参照して、本願第２の発明にか
かるウェファ冷却装置を説明する。

本実施例のウェファ冷却装置１１は、積層される複数の
ウェファ１と、冷却用媒体としての流体を循環する一対
の循環ポンプ１３Ａ、１３Ｂと、この循環ポンプ１３Ａ
、１３Ｂによって循環される流体がウェファ１を通過す
る際に該ウェファ１で発生する熱を奪って上昇した温度
を冷却する冷凍装置１５とで構成される。

積層される複数のウェファ１に穿設される孔５の位置は
、全てのウェファ１で一致するように配置される。この
ように一致させることにより、各ウェファスタックを一
直線状に貫くパイプ状の空間を作る事ができる。

また、ウェファ１には通常０．５ｍｍ程度の厚みがある
ため、例えば積層される２００枚のウェファ１を密着さ
せても、全体の厚みは１０ｃｍ程度にしか過ぎない。従
って、例えばウェファ１単体にそれぞれ１００チツプを
搭載した場合には、１チツプに１プロセツサを組み込む
ものとしても１０ｃｍ角の中に２万個もの並列計算機が
実装できる事になる。

しかも、ウェファ１間の配線はウェファ１の周辺部に限
られず、ウェファ１面に垂直な方向に、面発光する半導
体レーザと受光素子を用いて光学的に結合されるため、
多くの信号線により各ウェファ１を結合できる。

このため３次元格子のようなウェファ１間の配線が多く
なるような結合方式も実現可能となる。

さらに、各ウェファ１が密着しているため、ウェファ１
間の配線は必ずしも光のように非接触的結合が必要とさ
れないため、電気的な接触による結合を採用する事もで
きる。

なお、ウェファｌを密着して積層すると単位体積当たり
のプロセッサ等の発熱体の数が増加することから、単位
体積当たりの消費エネルギー、すなわち発熱量が増加す
る。例えば１チツプあたり０、ＩＷに抑えたとしても２
００００チツプのシステムならば１０ｃｍＸ１０ｃｍＸ
１０ｃｍ角内で２ＫＷもの熱が発生することになる。そ
ればかりではなく全体としての表面積が減るために、特
に中央部付近の熱の発散が困難になることが、容易に推
測される。

しかしながら、本実施例で示したように、ウェファ１を
貫くように孔５が開口していると、この孔５を流れる流
体が孔５の内壁から熱を奪い、ウェファスタックの外部
に熱を逃がす事が可能になる。また、孔５の大きさは適
宜大きくできるので、気体に比べ冷却効率は高いものの
粘性が高い液体を用いることができ、さらに流体の循環
速度をウェファ１の厚みによらず速くする事も可能であ
る。

さらに孔５の大きさ、個数、配置、分布を適宜選択する
事により効率的な冷却をすることができるのは、いうま
でもないことである。

なお、流体が孔５に効率良く流入するように、ウェファ
ｌ全体及び各孔５毎に、ロート状の整流板を適宜設ける
ようにしても良い。

さらに、第２図では冷凍装置１５を用いて循環ポンプ１
３Ａ、１３Ｂにより冷却用の液体若しくは気体をウェフ
ァスタックのバイブ状の空間を通り抜けるように循環さ
せているが、単に空気等による強制空冷で足りる場合は
、冷凍装置１５を介して空気等を循環させずに、送風機
を用いてウェファの片面から風を吹き付け、もう片面か
ら風を吹き抜くようにしても良い。

次に、第３図を参照して本願節３の発明にががるウェフ
ァ冷却法を用いたシステムについて説明する。

第３図に示すウェファ冷却システムは、積層さｔＬル複
数（１）ｆｌエファ１と、冷却用媒体としての流体を循
環する一対の循環ポンプ２３Ａ、２３Ｂと、ウェファ１
を通過する際に該ウェファ１で発生する熱を奪って温度
の上昇した流体を冷却する冷凍装置２５と、前記積層さ
れる複数のウェファ１を一直線状に貫くパイプ状の空間
を貫通して配設される複数のバイブ２７と、各ウェファ
１間に間隙を設けて積層されるウェファ１面に平行な方
向から冷却用の気体、例えば空気を吹き付ける一対の送
風機２９Ａ、２９Ｂとで構成される。

すなわち、積層されるウェファ１を貫くパイプ状の空間
に熱伝導率の高いバイブ２７を孔５の内壁に密着するよ
うに通すことにより、各ウェファ１間に間隙を設けても
流体をスムースに流すことができる。このためウェファ
１にそれほど応力をかけることなしにウェファ１の中央
部付近を冷却することができる。

またウェファ１上に形成される論理回路等によってウェ
ファ１の表面に凹凸か生じていたり、或いはウェファ１
の密着度が足りなかったりした場合でも、本実施例のよ
うに冷却用の流体がバイブの中に閉じこめられているな
らば、ウェファ１間の隙間を伝って外周部に流体が滲み
出して来る虞が無い。

例えば、ウェファ１間の接続を光で行っている場合に、
冷却用の流体がウェファ１間の隙間に流れ出したときに
は、流体の性質によっては屈折率や反射率などが変化し
て、好まし、くない場合が考えられる。また、ウェファ
１上に凹凸があっても良いので、チップ間配線用のウェ
ファ１にチップを張り付けたシステムにも適用できる。

次に、本実施例における作用を１４図を参照して説明す
る。

第４図は、ウェファｌに穿設される孔５を貫通するバイ
ブ２７と、ウェファ１間を通過する空気によって、ウェ
ファ１上に形成される論理回路等で発生される熱を速や
かに、かつ効率的にウェファスタックの外部に廃熱する
様子を示すものである。

まず、第４図を参照して構成を説明する。

積層される複数のウェファＩＡ、ＩＢ、ＩＣ。

ＬＤ、ＩＥ間に、それぞれリング状のスペーサ３１をウ
ェファ１の孔とスペーサ３１リングの孔とを一致させて
介装し、このスペーサ３１の孔にバイブ２７を通すこと
により、各ウェファ１間に隙間を設ける。これにより、
第３図のようにウェファ１面に平行に空気Ａｃを流して
冷却を補助することができる。

すなわち、送風機２９ＡによってウェファＩＡ。

１Ｂ間に吹き込まれた冷風Ａｃは、ウニフッ１Ｂ面に沿
って流れるウニフッ１Ｂ表面から発散される熱ＡＨを奪
い暖かい気流Ａｗとなってバイブ２７に到達する。バイ
ブ２７内を流れる極低温の流体２７ｗがリング状のスペ
ーサ３１を介してウェファＩＡ、ＩＢ間を流れる気流Ａ
ｗの熱の一部を奪う。このようにして気流Ａｗは何回が
バイブ２７により冷却能力を再生されながらバイブ２７
がら離れたウニフッ１Ｂ表面の熱を効率的にウェファス
タックの外部に逃がす。

また、バイブ２７を流す冷却用流体とウェファ１表面を
流す冷却用流体の種類をそれぞれ変えることができる。

すなわち、バイブ２７の中は透明度や屈折率などに優先
させて冷却効率が高い液体を用い、ウェファ１表面を流
す冷却用流体は冷却効率に優先させて透明度や屈折率に
優れた、例えば空気を用いるなどして、ウェファ１間の
光による結合への悪影響を防ぐことができる。

次に、第５図を参照して他のウェファ冷却法を用いたシ
ステムについて説明する。

第５図に示すウェファ冷却システムは、図中右側と左側
の２つのグループに分けられ、それぞれ路間−の構成で
あるので、以下左側のシステムについて説明する。

本実施例のウェファ冷却システムは、積層される複数の
ウェファ１と、冷却用媒体としての流体を循環する一対
の循環ポンプ４３Ａ、４３Ｂと、ウェファ１を通過する
際に該ウェファ１で発生する熱を奪って温度の上昇した
流体を冷却する冷凍装置４５と、前記積層される複数の
ウェファ１を一直線状に貫くパイプ状の空間を貫通して
配設される複数のパイプ２７Ａ、２７Ｂとで構成される
。

なお、ここで右側と左側の２つのシステムは共に図中反
時計回りに流体が循環されることから積層される複数の
ウェファ１部分においては、それぞれ反対方向に流体が
流れることはいうまでもないことである。

従って、パイプ２７Ａ、２７Ｂにおいては下から上に向
かって流体が流れ、他方パイプ２７Ｃ１２７Ｄにおいて
は上から下に流体が流れる。

このようにするとウェファ１の冷え具合にむらが少なく
なる。すなわち、前述した第３図のように全てのパイプ
２７を同じ方向に流体が流れる用に構成するとウェファ
１を通り抜けるたびに流体が熱せられ、上□流から下流
に向かって、除々に冷却能力が落ちていくためである。

しかしながら、本実施例に示すように流れる方向を交互
に異ならせると一側は温まっていても他側は冷えている
という状態になるので、上流側にあるウェファ１でも下
流側にあるウェファ１でも冷却能力が平均化されるため
、冷却むらが少なくなる。

すなわち、冷却むらが生じることによってシステムに熱
膨張の違いによる反りが生じ、内部応力が発生する虞、
或いはこの変形による位置ズレからくるウェファ間結合
への悪影響が考えられるが、本実施例によればそのよう
な問題を回避できる。

また、前述した第３の実施例を併用するとパイプから離
れたウェファ表面の熱を効率的に外部に逃がすことがで
きる。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、ウェファに孔を穿設
し、この孔を介して該孔内を流れる流体に、ウェファ上
のプロセッサ等で発生する熱を伝導してウェファ外部へ
、該熱を放熱する事ができる。従って、特にウェファを
近接して若しくは密着させて積層した場合に、熱が蓄積
されやすいウェファの中央部付近においても効率よく冷
却することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明にかかるウェファ冷却法を用いたウ
ェファの一実施例の形状を表す図、第２図は第２の発明
にかかるウェファ冷却法を用いたシステムの一実施例を
示す図、 第３図は第３の発明にががるウェファ冷却法を用いたシ
ステムの一実施例を示す図、 第４図はシステムのパイプ周辺の断面の一例を示す図、 第５図はウェファ冷却方式を用いたシステムの一実施例
を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウェファに該ウェファの一側面から他側面に貫通
   する孔を設けたことを特徴とするウェファ冷却方式。
2. （２）複数のウェファに設けた孔がそれぞれ対向して配
   設されることを特徴とする請求項１に記載のウェファ冷
   却方式。
3. （３）前記ウェファに設けた孔を嵌通して配管される管
   体を設け、当該管体内に流体を流して当該ウェファを冷
   却することを特徴とする特許請求項１及び２に記載のウ
   ェファ冷却方式。