JPH04230057A - 熱放散装置およびその方法 - Google Patents

熱放散装置およびその方法

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JPH04230057A
JPH04230057A JP3160079A JP16007991A JPH04230057A JP H04230057 A JPH04230057 A JP H04230057A JP 3160079 A JP3160079 A JP 3160079A JP 16007991 A JP16007991 A JP 16007991A JP H04230057 A JPH04230057 A JP H04230057A
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heat
heat dissipation
semiconductor
dissipation device
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Guido Dr Tschulena
ギド　チュレナ
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Battelle Institut eV
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、とくにエレクトロニッ
ク半導体構成要素の熱放散装置ならびにこの装置の製造
方法および請求項１または６に記載の上位概念における
装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】多くの普通のエレクトロニック半導体構
成要素、たとえば集積回路や場合によってはシリコンセ
ンサ−のような簡単な構成要素は、たとえば図３のよう
な半導体チップ１の形で台座または基台４に接着または
ハンダを介して設けられる。チップの片側はケ−スまた
はその基台によって環境から保護されている。他方ケ−
ス基台は、それに設けられたコンタクト片３とこれに接
続されたリ−ド線２を介して構成要素のケ−スまたは導
体プレ−ト８と解放可能に結合できる。さらにチップに
生じる損失熱量はケ−ス底部４と導体プレ−ト８のコン
タクト片３を経て伝熱板に移行される。チップとケ−ス
の間の熱分配は、熱収支の観察で行われる。
【０００３】シリコンチップに生じる熱は伝熱（主とし
て熱拡散）によりチップからケ−スに移行する。そこで
熱はケ−スの底部４にひろがり、これをいくらか暖める
。この熱は一方では伝熱により底部４から蓋部７に、他
方では空気中に放散される。さらに熱放散はコンタクト
片３を経て底部からその下にある伝熱プレ−ト８または
ハイブリッドエレクトロニックセラミックに起こる。 この観察は例えばＴ０５−およびＳＯＴケ−ス並びに特
殊ケ−スにも当てはまる。ＳＭＤ−ケ−スでは、熱を発
生するチップの熱放散はカプセルの中と脚部と同じであ
る。その際シリコンチップは一般に台座に接着されてい
る。電気的コンタクトはシリコンチップから金属棒につ
ながる。
【０００４】放散すべき熱は一般にシリコン半導体チッ
プ表面の集積回路に生ずる。発生した損失熱はそこから
先ず一般に１００μｍと６００μｍの間のシリコンに導
かれ、そこから熱前線の拡がりが起こる。熱は接着剤ま
たはハンダを介してさらにケ−スの金属台座に伝わる。 そのときの接着剤の熱伝導抵抗は約０、４２Ｗ／Ｋと見
られる。通常の固定技術では、シリコンチップから放散
される熱量は、チップの表面温度が発生熱と放散熱との
間で平衡に調整されるから、ほんの限られたものである
。図４には半導体装置の種々な領域と移行部の温度経過
が示されている。チップ表面の温度は、シリコンの場合
最高１２５℃と１５０℃の間になることを１が示してい
る。
【０００５】このうえに接着またはハンダ部６、ケ−ス
台座４、この４とプレ−トまたは台８との間の接触熱伝
導に優れた金属−ガラス結合１０、例えば冷却板の形の
熱放散体９および室温にある周囲１１が続く。図に示す
温度変化は上記平衡により調整される熱交換の結果であ
る。熱交換によるシリコンの最高許容温度は１２５℃と
１５０℃の間をこえてはならないことが確認される。何
故ならば、高温ではシリコンは自己導しエレクトロニッ
ク構成要素としての機能を保持しなくなるからである。
【０００６】さらに１００℃と１２５℃との間の温度で
は、ダイオ−ド、トランジスタおよび他のパラメ〜タの
遮断電圧が悪化するからである。チップを空気冷却する
ことによって若干のワットの出力損が除去できることが
わかった。強制空気冷却でも約５ワットは除去できる。 これはいわゆる共融ダイボンドの接着結合の代わりに熱
移動の結果生じる０．３３Ｗ／Ｋの熱移動抵抗が利用さ
れるときである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、これまで
は半導体の稼動中に冷却ブレテイン体による熱管理で十
分冷却が達成できるという考えの、消極的な冷却方法が
提案された。ＤＥ３７３５８１８Ａ１には、Ｓｉ−補助
チップまたは−下地の消極的な冷却装置が記載されてい
る。これは、同時にその表面におかれるチップの形の発
光要素の冷却体および保護体として役立ちその裏側で、
より大きなこれまでの冷却体上に固定される。この冷却
体は再度枠構造に取り付けられる。しかしながら、この
ような方法は前記問題点を十分に解決するものではない
。
【０００８】熱放散を改善するため、たとえば下地また
はプレ−トの冷却が行われた。しかし熱伝導抵抗なしに
チップの直接冷却はなされず、熱伝導性の中間層と有効
に結合するだけであった。このシステムの大きい熱容量
は、特に急速に連続的に起こる短い熱インパルスを、冷
却システムの完全加熱なしに除くのを妨げる。直接的に
かつ速やかな熱除去の可能性は、Ａ．Ｈｅｕｂｅｒｇｅ
ｒ著．［ミクロ構造シリコンの熱除去の改良」、１９８
９、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ刊行、４８０−４８３頁に記載が
ある。そこではシリコンの溝に熱伝導を高めるため、金
、銅、銀などの金属を充填することが提案されている。 金属小球で充填された溝に、チップの金属接続を経て熱
伝導がなされる。
【０００９】もしもシリコンチップの下側に形成された
れ溝にたとえば水のような冷却液を通すと、さらに効果
的な冷却ができる。このために必要な比較的深い溝また
は通路は、のこぎりまたは、前記書籍の第１２８−１４
０ペ−ジの３．２．１「アニソトロ−プ　　エッチング
」に記載の特殊結晶化エッチング法により作られる。こ
れは種々な可能性のエッチング液による、ミクロメカニ
カル構成要素のための湿式化学的エッチングである。溝
は、０．１μｍから数１０μｍの範囲の深さと幅で直接
作られる。
【００１０】記載の液体冷却法は、ポンプ速度に応じて
ひとつのチップに理論的に１０００ワットまでの、きわ
めて良好な熱放散がなされる。しかし、特に短時間の熱
インパルスは流速が相当高いとき、急速に除去される。
【００１１】さらに、ＩＢＭ　　テクニカル、デイスク
ロ−ジャ、ブレチン、第８巻、１９８３，４１１８−４
１１９ペ−ジから知られる装置は、冷チップの表面にア
ニソトロ−プエッチング法により形成され、半導体チッ
プの裏面に結合しない装置である。この配置はいわゆる
ヒ−トパイプ構造のなかにあり、半導体チップの熱発生
によって蒸発する液体が、ヒ−トパイプの冷たい端末に
達し、そこで凝縮する。温度降下によって冷却された凝
縮物は毛細管現象により溝内に返される。チップの溝は
、その表面が広がるので熱移動が良くなる。
【００１２】これらの、実質的にガスまたは液体の輸送
機構による密閉型熱放散装置の欠点は明らかである。装
置全体は本来の半導体チップに比較して非常に大きく、
毛細管現象による溝の再度または連続充填は長時間を要
する。エレクトロニック単位を囲む雰囲気はすべて理想
外である。
【００１３】ＥＰ　　０２５１　　８３６Ａ１は原則的
に類似のヒ−トパイプ構造で、蒸発した液で部分的に満
たされる溝は、直接チップに形成されるか、同一材料か
らなるチップの形のうえに接着されたキャップに形成さ
れる。熱放散と凝縮物の返送のため、芯状の輸送装置が
用意される。熱導出は、実質的に冷却体および凝縮物返
送のため蒸気輸送の前記循環機構により達成される。
【００１４】ＤＥ−ＡＳ　　２４４１６１３によれば、
半導体チップ上にＳｉ３　Ｎ４　からなある上下被覆層
にＳｉＯ２　からなる誘電性熱伝導層が設けられ、その
半導体チップから離れた側に内方に広がる溝がエッチン
グされる。ここでも、熱伝導層に吸収された液の蒸発が
利用され、邪魔されない蒸発のために熱伝導層に遮断が
設けられる。凝縮物の必要な返送のためにケ−ス内にふ
たたび芯構造が用意される。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、回路中に短時
間にインパルス的な熱発生のときでも、確実に改良され
た熱放散ができる装置および簡単で特にコンパクトな製
造方法を提供しようとするものである。この課題は特許
請求の範囲１ないし６により解決される。
【００１６】本発明によれば、エレクトロニック半導体
チップの下側に、またはチップに固定された熱放散−半
導体チップ中に設けられる溝に、特定温度以上および、
とくにはエレクトロ−半導体チップから短時間の熱イン
パルスにおいても、固体から液体への相変換して発熱す
る溶融物質を受け入れ、短時間の熱尖頭の即時解除がな
される。この増大された熱導出とこの装置のわずかな熱
容量によって、短時間の熱インパルスがエレクトロニッ
ク半導体チップを、半導体材料の最高許容温度付近また
はそれ以上にするのを確実に防止できる。
【００１７】液体蒸発についての効果的冷却をもつ公知
のヒ−トパイプ構造にたいする決定的利点は、全体の装
置がここで避ける物質輸送についての熱交換の結果非常
にコンパクトで耐久性があり、密閉構造として形成でき
、溶融物質の溝中への導入になんらの追加的な構造を必
要としないことである。
【００１８】トランジスター技術の初期には、低溶融点
物質を半導体チップの外側に埋没マスとして用いること
が提案された。しかしこれは、製造時の熱を積極的に放
出するのに役立つのみで、固化した埋没マスを介して消
極的熱放散が利用されるときで、トランジスタ−稼働時
ではない。
【００１９】そこでＤＥ−ＡＳ　　１０４１６００に記
載の金属性充填物が役立つ、これはケ−ス中にトランジ
スタ−とその接続片を薄い絶縁層を介して埋め込まれ、
トランジスタ−稼働中に金属ケ−スへの良好な消極的熱
放散を保証するものである。充填物はそれ自体ケ−スの
ハンダとして利用され、トランジスタ−の埋め込みのた
めケ−ス内に液状で注入されるから、これは亜鉛、カド
ミウム、鉛またはビスマスあるいは溶融点が１５０度以
下とくには７０度以下の合金が用いられる。
【００２０】ＤＥ−ＡＳ　　１０４２１３２により、ト
ランジスタ−のチップとケ−スの間の充填マスとしてパ
ラフインを、液状でケ−スに充填することが提案された
。 　　パラフインの凝固後ケ−スの封鎖とともに、充填剤
の溶融に際し消費された熱によって、ケ−スをとかすと
きの熱添加にかかわらず、充填材がすべて溶解したとき
、はじめて温度は溶融温度以上になる。しかし、この充
填物の効果的冷却は、もっぱらケ−スを封鎖する際に利
用される。
【００２１】これに対し、本願発明によれば一方で溶融
マスは埋め込みのためでなく、熱放散装置の溝を部分的
に充填するのに使用され、他方ではとくに突然発生する
熱尖頭の際、繰り返し利用される相変換によって稼働中
の半導体構成要素の積極的冷却がなされる。
【００２２】本発明による熱放散装置は、エレクトロニ
ック−チップとケ−ス台座との間のとくに薄い熱放散チ
ップからなり、熱放散チップは、エレクトロニック−チ
ップよりも大きく形成されたエッチング溝をもっている
。そのためより大型の熱放散構造では台座への熱流が広
がり、それによってシリコン表面からケ−ス底部までの
良好な熱放散が行われる。これはエレクトロニック−チ
ップ表面をたえまなく加熱する連続操業の改善になる。
【００２３】さらにまた、本発明による特殊熱放散体の
溝は、溶融体のかたちの相変換物で部分的（約３／４）
に充填される。これらの溶融体または溶融マスはシリコ
ン−エレクトロニックチップが１００℃と１５０℃の間
で最も頻繁に相移行するものから選ばれる。標準−シリ
コンチップの表面温度が上がるとまもなく、溶融加熱体
に相の変換が始り、それが溶解して熱量の大部分を吸収
する。
【００２４】本発明による熱放散チップの他の利点は、
これを製造後直接ＩＣ−台座にハンダ付けできるので、
エレクトロニック−チップ製造者は、製造の変更なしに
その仕上げチップを、ハンダまたはアノ−ド結合等によ
り熱放散チップ上につけることができる点にある。それ
にたいし、エレクトロニッック−チップ下側に溝をもう
ける場合はシリコンウエハ−は分割前に処理される。
【００２５】別の利点は、溶融体で充填された熱放散チ
ップは、約２ないし６ファクタ−大きい熱伝導と、シリ
コンチップよりも高い熱容量を持つことである。これに
よって熱放散が高められる。相変換温度を越える場合は
溶融体は液状になる。液状では、熱伝導が固体以上であ
るため、熱放散能がさらに向上する。
【００２６】溶液のための溶融マスとしては、すず、亜
鉛、ビスマス、インジウム、または鉛をベ−スとする金
属および合金が適当である。しかし密蝋およびステアリ
ンのような他の材料も用いられる。これらは前記温度範
囲で相変換し、さらに大きな融解熱を有し、固体−液体
間に大きな熱膨張がなく、さらにシリコンと物質、技術
が比べられるものである。
【００２７】本発明による、熱放散装置は、例えシリコ
ンまたはシリコン技術で比べられる物質、たとえばガリ
ウム−砒素のような物質から形成される、あらゆる可能
な構成要素に適する。そこで本発明による　　臨海温度
を越える拡大された熱放散は、集積回路、サイリスタ−
、半導体レ−ザ、たとえばマグネットメ−タ−またはボ
ロメ−タのようなセンサ−に応用することができる。
【００２８】必要な溝の形成は、前述の本に提案された
特殊な精密機械技術により行われ、溝はエッチングで、
相変換物質を充填するに十分な深さにされる。従来の平
面的エッチング法はチップ表面の溝つけにはあまり適当
でない。とくに溶融マスを充填するには、本発明により
特別に開発した高温スピン−コ−テイング法が採用され
る。
【００２９】
【実施例】以下本発明を図に基づいて詳細に説明する。 　　図１は本発明の熱放散装置の実施例であるが、従来
技術と同様シリコンチップ１はリ−ド線を経てケ−ス底
部を通る図に示していないプレ−トをもつコンタクト片
と結合する。チップの下側とケ−ス底部４との間にはひ
ろくて薄いシリコンチップ形の本発明による熱放散装置
がある。これらは、長時間の稼働でも改良された熱放出
ができるように、とくにエレクトロチップ１よりも大き
い寸法である。チップ１と放熱チップまたは放熱体１２
の間にアノ−ドボンドによる結合のためガラス膜１５が
設けられている。放熱体１２には溝１３が作られ、その
約半分が溶融マスまたは溶融体１４で満たされる。
【００３０】この実施例の他に、放熱体を省いて溝１３
を直接チップ１の下側に設けて溶融マスまたは溶融体で
充填することも可能である。
【００３１】このようなエレクトロニッック−シリコン
チップに設ける熱放散装置を製造する方法について述べ
る。ここでは通常のシリコン構成素子から出発する。し
かしこの場合シリコン板またはウエハ−は、裏側にフォ
トリトグラフイ−またはエッチングができるように、両
面が研磨されているものとする。チップ全面の性質に関
して裏側にエッチングすべき溝の調整が必要であるが、
この場合調製の精度は強く要求されない。約５μｍの精
度で十分である。ここではシリコンウエハ−の結晶学的
方位に方向づけるよう考慮すべきである。
【００３２】エレクトロニック半導体構成要素の標準は
、シリコンウエハ−の［１００］−方位である。この場
合溝は前記方位に依存するエッチング法を利用し、好ま
しくは［１００］方向に方向づけられる。この方法の応
用では［１１１］−の深いＶ形溝が得られる。こうして
得られた溝は本発明による溶融マスで満たされる。
【００３３】シリコンウエ−ハの他の方位は、方位づけ
に依存するエッチングが［１１０］−方位で、直角な［
１１１］−壁をもつ深い長方形の溝の製造を許す。ここ
でもこの溝は本発明の溶融マスにより満たされる。
【００３４】このために最近開発された、いわゆる高温
−スピン−コ−テイング法が用いられる。これは従来ウ
エハ−の積層に利用されていたものである（ドイツ特許
出願Ｐ４０１９０９０．０−４５参照）。その際ウエハ
−はそれに形成された溝とともに加熱可能な回転皿上で
減圧下に真空固定される。シリコン薄板またはウエハ−
は回転皿上で溶融液体の丁度溶融温度以上に加熱される
。同様に加熱された熱安定性の貯蔵容器から、たとえば
亜鉛合金などの溶融液体の数滴が回転ウエハ−上に加え
られる。回転速度および添加液の粘度に依存して厚さ数
ミクロンメタ−の層が形成される。表面張力により溶融
液体は、ウエハ−が冷却され、固化するとき溝中に一様
に落ち着く。
【００３５】加熱されたスピン−コ−テイング装置によ
る上記開発された方法は、その他ウエハ−上に金属層を
設けるのに一般によく利用される。この場合従来の方法
に比べてとくに構造化された表面の成層に著しい長所が
ある。この方法ではウエハ−は通常のように個々のチッ
プに分割される。
【００３６】さらに個々のチップは台座またはケ−ス底
部に固定されるが、あまり高温では行なわれない。これ
については接着剤による方が台座との良好な熱伝導結合
が得られるので推奨される。
【００３７】本発明による熱放散装置の製造方法では、
ケ−ス底部とエレクトロニック−チップ下側との間の付
加的チップの形態は同様である。シリコンチップの研磨
された下側には前記方法で作られた溝が形成され、溶融
マスで充填される。さらにウエハ−はぞのうえにおかれ
るエレクトロニック−チップよりも大きい個々のチップ
に分割される。これらの熱放散チップは、ついで直接Ｉ
Ｃ台座またはケ−ス底部にハンダ付けされる。そうして
作られた高性能の熱放散台座上にＩＣメ−カ−によって
そのときどきのエレクトロニック−チップがハンダ付ま
たはアノ−ド結合などで設けられ、図３に示す構造にな
る。
【００３８】つぎの表１には、適当な溶融マスのデ−タ
が要約されている。
【００３９】
【表１】
【００４０】これらの溶融マスまたは他の低融点の金属
合金の単独または組み合わせ使用のほかに、熱膨張とそ
のときどきの半導体物質に同調し、当然シリコンでない
条件を満たす他の任意物質も使用できる。溝の充填度は
その都度のパラメ−タに適合される。
【００４１】構成要素チップに作られた溶融物資で充填
された溝または追加チップが使用されていても、使用さ
れる相変換物質に関係なく図４に基づく明白な効果がえ
られ。そこにはチップ表面の異なる高い熱インパルスＱ
にたいする温度経過が示されている。熱効率はチップ表
面の熱容量効果にもとづき、時間的に遅延した温度上昇
と降下を前部側面と後部側面に生じる。最初の熱インパ
ルスにより生じる最高温度は、なお明白に溝に使用した
充填物質の変換温度ＴＭ以下であるが、第２の熱インパ
ルスによって生じる最高温度は変換温度に達する。
【００４２】第３のインパルスでは、変換温度を超過し
、熱尖頭が切断されて変換温度または溶融温度のＴＭ以
上になり、相変換によって熱効率が吸収される。吸収さ
れた熱量はついで温度経過の消滅相中で時間的に遅延し
、新たな熱インパルスが生じる前に再び現れる。言い換
えれば、チップ表面温度がすでに消滅しようとしている
時間の相における熱量の受け入れから放散への転換によ
って、さもなければ不可避的に発生する短時間の熱尖頭
が確実に避けられる。これは臨界的熱インパルスを消滅
させるのに、本発明による装置が特別有効であることを
証明するものである。
【００４３】
【発明の効果】本発明による熱放散装置は、すべての可
能なチップ装置に適している。そこで最も狭い回路、セ
ンサ−またはいわゆるマザ−ボ−ドのオプトエレクトロ
ニック成分にも同時に配線される。このような圧縮され
たチップシステムでは、本発明による熱放散装置は多大
の改良を示し、下地配置は変更されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による熱放散装置の実施例を示す
断面図である。
【図２】図２はチップ表面における熱インパルスの時間
的経過とそれに対応する温度経過を示す線図である。
【図３】図３は公知の熱放散装置をもつエレクトロチッ
プの断面図である。
【図４】図４は図３の装置内部の温度経過を示す線図で
ある。
【符号の説明】
１：チップ ２：リ−ド線 ３：コンタクト片 ４：台座、ケ−ス底部 ５：ハンダ付け部 １２：半導体チップ １３：溝 １４：溶融マス

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　半導体チップの裏側に熱放散のために
    設けられた溝をもつシリコンおよび他の半導体チップか
    らなるエレクトロニック構成要素の熱放散装置であって
    、この溝（１３）中に半導体機能の臨界温度を越えると
    き、固体から液体への相変換をして熱吸収する一つまた
    は数個の溶融マス形態の物質（１４）を収容してなるこ
    とを特徴とする熱放散装置。
  2. 【請求項２】　　溶融マスで満たされた溝（１３）に、
    さらに可及的薄い熱放散性半導体チップ（１２）が構成
    要素半導体チップ（１）の下側とチップ台座（４）の間
    に配置されるか、または構成要素半導体チップ（１）の
    下側領域に設けられる請求項１に記載の熱放散装置。
  3. 【請求項３】　　溶融マス（１４）は、融点が１００〜
    １５０℃の範囲の大きな溶融熱をもち固相と液相の間で
    、非常に大きな膨張を示さず、シリコンおよび比較しう
    る半導体物質の材料と技術に矛盾しないものである請求
    項１および２に記載の熱放散装置。
  4. 【請求項４】　　溶融マスが亜鉛、インヂウム、他の低
    融点金属−合金、または洗剤またはステアリンまたはこ
    れらの組み合わせからなる請求項１、２または３のいず
    れかに記載の熱放散装置。
  5. 【請求項５】　　熱放散チップ（１２）が、構成要素チ
    ップ（１）よりも大きい請求項２から４のいずれかに記
    載の熱放散装置。
  6. 【請求項６】　　溝が部分的に溶融マスで充填され、溶
    融マスは加熱されたスピンコ−テイング装置により半導
    体ウエ−ハの表面に作られ、ウエ−ハ−が個々のチップ
    に分割されるまえに溝中に挿入されることを特徴とする
    、溝が特にミクロメカニカルエッチングにより半導体ウ
    エ−ハ−の表面につくられる前記請求項のいずれかの項
    に記載の熱放散装置の製造方法。
  7. 【請求項７】　　溝はウエハ−の研磨前にその下側に作
    られ、ウエ−ハの個々のチップは、構成要素チップとし
    て使用され、充填される溝が統合されてそれぞれのチッ
    プ台座に固定される請求項６に記載の熱放散装置。
  8. 【請求項８】　　溝を追加半導体ウエ−ハ−の研磨され
    た上側または下側につくり、充填される溝をもつ個々の
    チップをこのウエ−ハ−からＩＣ台座にハンダづけ、ま
    たは結合させ、その上側と接着、ハンダまたはアノ−ド
    結合させ、構成要素の下側と結合させることを特徴とす
    る請求項６に記載の方法。
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