JPH04230057A - 熱放散装置およびその方法 - Google Patents
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
、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。
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。
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。
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。
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。
ある。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904019091 DE4019091A1 (de) | 1990-06-15 | 1990-06-15 | Waermeableitungseinrichtung fuer halbleiterbauelemente und verfahren zu deren herstellung |
DE4019091.9 | 1990-06-15 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04230057A true JPH04230057A (ja) | 1992-08-19 |
Family
ID=6408430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3160079A Pending JPH04230057A (ja) | 1990-06-15 | 1991-06-03 | 熱放散装置およびその方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5223747A (ja) |
EP (1) | EP0461544A1 (ja) |
JP (1) | JPH04230057A (ja) |
DE (1) | DE4019091A1 (ja) |
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---|---|---|---|---|
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