JPH0461364A - 冷却手段を備えた半導体素子、およびそれを用いた装置 - 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、冷却材を使用して素子本体を直接冷却するこ
とができる、冷却手段を備えた半導体素子に関する。

「従来の技術」 一般的なＩＣやＬＳＩ等の集積回路は、調合金製のリー
ドフレーム上に、電子回路が形成されたノリコンチップ
を固定し、このチップの端子接続部とリードフレームの
各端子とを金属細線によりワイヤポンディングした後、
エボキン樹脂等により樹脂パッケージを形成した構造が
主流になっている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで上記の構造では、通電によりシリコンチップが
発熱すると、各部の熱膨張係数の違いによって接合界面
に熱応力が生じ、接合界面の剥離や微小破壊、ボンディ
ングワイヤの断線等が生じる場合がある。特に最近では
、素子の高集積度化に伴い、チップが大形化しかつ発熱
量か増大する傾向にあることから、重大な問題になって
いる。

従来製品における上記各部の具体的な熱膨張係数を挙げ
ると以下の通りである。

ノリコンチップ：３〜４　Ｘ　Ｉ　Ｏ−６／’Ｃエポキ
ン樹脂：　２０Ｘ　１０−６／’Ｃ銅合金；　１６〜！
８ＸＩＯ−６／’にのように、シリコンチップの熱膨張
係数は封止樹脂やリードフレームに比して小さく、接合
界面の熱応力を低下させる目的で、エポキシ樹脂および
リードフレームの熱膨張係数を低下させることが強く望
まれている。

この問題を軽減する手段として、封止樹脂に関しては、
最近では樹脂中に５ｉＯｚの粒子を均一に分散させた海
島構造の樹脂パッケージか開発されている。この海島構
造によれば、パッケージの熱膨張係数を９〜ｌ０ＸＩＯ
−６／’Ｃ程度にまで低下させることが可能である。

このため、残るリードフレームの熱膨張係数を低下させ
ることか重要な課題となっているが、リードフレームに
要求される他の特性、すなわち高導電性および低コスト
等の要望を満たしつつ、帆影張係数を低下させることは
困難で、満足のいく結果は得られていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、半導体素子
の内部に冷却材通路を設け、ここに冷却材を流すことに
より半導体素子の温度上昇そのものを防止して、熱応力
の発生を低減させうる半導体素子の提供を課題としてい
る。

「課題を解決するたぬの手段Ｊ 上記課題を解決するために、本発明の冷却手段を備えた
半導体素子は、内部に冷却材通路を存する平板状の冷却
基板と、この冷却基板の一面に設けられ、複数の端子接
続部を有する素子本体と、この素子本体を気密的に覆っ
てパッケージを構成する封止樹脂と、素子本体の前記各
端子接続部にそれぞれ接続され、先端が前記パッケージ
の外に露出した複数の金属端子とを具備したことを特徴
とする。

なお、冷却基板は、一対の金属板を張り合わせ、これら
金属板のうち素子本体とは反対側の金属板を断面半円状
に膨出させることにより、これら金属板の・間に、供給
口および排出口を有する中空の冷却材通路を形成したも
のであってもよい。

素子本体は、電子回路が形成された半導体チップであっ
てもよいし、あるいは、複数の半導体素子を有する回路
基板であってしよい。

「作用」 この半導体素子によれば、冷却基板の冷却材通路に冷却
材を流すことにより、発熱する素子本体を強制的に冷却
し、その温度上昇を防いで熱膨張率を低下させ、各部の
接合界面における熱応力の発生が低減できる。したがっ
て、この種の熱応力に起因する各部の剥離や損傷が防止
でき、素子の高集積度化および大形化に対する制限が大
幅に緩和できる。

「実施例」 第１図および第２図は、本発明に係わる冷却手段を備え
た半導体素子の一実施例を示す縦断面図および平面図で
ある。

概略を説明すると、図中符号ＩＯは矩形状の冷却基板で
あり、その上面中央には接合層１６を介して半導体チッ
プ１８か固定されている。この半導体チップ１８の周囲
では、冷却基板１０上に一定幅の絶縁フィルム２０が固
定され、この絶縁フィルム２０の上面には、第２図に示
すように半導体チップ１８の両側に、各１列づつ金属端
子２２が整列して固定されている。

また、冷却基板ＩＯ上には、半導体デツプ１８を覆って
保護用のインナーコーティング２５が形成され、さらに
インナーコーティング２５および各端子２２の内周側を
一体的に封止する樹脂パッケージ２６が形成されている
。

次に、各部を詳細に説明する。

冷却基板１０は、２枚の金属板１０Ａ　　ＪＯＢを接合
し、一方の金属板１０Ｂに断面半円状の連続的な凸部を
形成することにより内部に冷却材通路１２を形成したも
ので、図示の例における冷却材通路１２は、両端が開口
したＵ字状に形成されている。

冷却材通路１２を形成するには以下の２方法か可能であ
る。

■　一方の金属板１０Ｂに冷却材通路１２の形状をなす
凸部を予めプレス成形したうえ、これに他方の金属板１
０Ａを拡散接合またはろう付けする。

■　いずれか一方の金属板１０Ａ（１０Ｂ）にカーボン
、各種インキ、各種塗料等の圧着防止剤の皮膜を冷却材
通路Ｉ２の形状にプリントした後、この上に他方の金属
板１０Ｂ（ＩＯＡ）を圧延接合し、この接合板を、形成
すべき冷却材通路Ｉ２と同形状の凹部を有する金型（図
示路）にセットし、前記圧着防止剤皮膜に沿って接合板
の端部から高圧流体を吹き込み、膨管加工する。

冷却材通路１２の両端部のみは、一定長に亙って断面円
形に膨管加工されており、その内部にそれぞれ銅製等の
接続パイプ１４か差し込まれ、銀ろう等を用いてろう付
けされている。そして各接続パイプ１４には、後述する
管継手３０を介してそれぞれ供給管２８に接続され、図
示しない冷媒供給機構から液化フロンガスや純水、各種
液体等の冷却材か供給される。

金属板１０Ａ、１０Ｂのうち少なくとも平坦な側の金属
板１０Ａの材質としては、Ｆｅ：０．０５〜３ｗｔ％、
Ｐ：０．０１〜０．１５ｗｔ％、残部Ｃｕの組成を有す
る銅合金が好適である。この場合、ＺｎＰｂ、Ｂ　、Ｍ
ｇ、Ａ　１．ｓ　ｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｚｒ、
Ｓ　ｎ等の元素を一種または複数種を０．５ｔｖｔ％以
下含有した場合にも、冷却基板１０の性能に本質的な悪
影響を及ぼさない。

前記組成のうち、Ｆｅは金属板の強度を高めてばね性を
向上するために添加されており、その含有量が０，０５
ｗｔ％未満では十分な効果は得られない。また３ｔｖｔ
％未満では冷却基板１０の熱伝導性を低下させる。

Ｐは素材を製造する過程での脱酸剤として使用され、含
有量０，０１ｗｔ％未満では効果が得られず、Ｏ，ｌ５
ｗｔ％より大では効果が飽和するうえ熱伝導性を低下さ
せる。

金属板の一方＋ＯＡのみを上記組成の銅合金で成形しｆ
二場合、他方の金属板１０Ｂは熱伝導性および成形性の
良好な純銅で成形されることが望ましい。ここでいう純
銅とは、Ｃｕ含有量か９９９ｖｔ％以」二の鋼材を意味
する。純銅製の金属板ｌＯＢは、軟質であるから膨管等
の加工が容易に行なえる利点を有する。

なお、金属板１０Ａ、ＩＯＨの材質としては上述した２
種以外の金属も勿論使用可能で、本発明は上記材質のみ
に限定されない。例えば４２アロ１′（４２ｖｔ％Ｎｉ
−残部Ｆｅ）等も比較的良好な特性を有することが本発
明者らの実験で判明している。

金属板の一方１０Ｂのみを膨出させて冷却材通路１２を
成形する場合には、膨管加工する側の金属板１０Ｂを若
干薄くすると、膨管加工が容易となり好ましい。この場
合、金属板１０Ｂの厚さを、他方の金属板！ＯＡの厚さ
の３０〜８０％程度、望ましくは４０〜７０％とすると
よい。３０％未満ては薄すぎて耐久性の点で問題が生じ
る。また８０％より大では加工困難となる。

なお、供給する冷却材の種類、温度、流量は半導体チッ
プ１８が適正温度範囲に保たれるように、かつ冷却基板
１０およびパッケージ２６等に結露が生じないように考
慮して決定される。

結露を防止するには、冷却基板ＩＯに結露センサーを取
り付け、結露を検出すると冷媒流量を低減または停止す
る流量制御機構を設けたり、あるいは温度センサーを冷
却基板１０に取り付け、環境温度が変わっても冷却基板
ＩＯの温度を一定に保つ温度制御機構を設けてらよい。

前記接合層１６としては、Ａｇまたはハンダ等の低融点
金属が使用され、冷却基板１０と半導体チップＩ８とを
強固に固定している。

半導体チップ１８としては、この例の場合、ノリコンチ
ップ、あるいは他の半導体チップの上に電子回路を形成
したものが使用される。

絶縁フィルム２０としては、絶縁性および耐熱性に優れ
ているプラスチックか使用される。具体的にはエポキシ
樹脂、ンリコノ樹脂等のプラスチックが好適で、接着材
を用いて冷却基板上に接合されている。絶縁フィルム２
０の厚さは必要に応じて決定すべきである。

各端子２２は、例えばエツチング等の手法を用いて絶縁
フィルム２０上に形成された銅箔片、あるいは他の金属
薄片等であり、その内方側の端部と、半導体チップ１８
の各端子接続部との間は、金線またはアルミニウム線等
のボンディングワイヤ２４により接続されている。

樹脂パッケージ２６の材質としては、エポキシ樹脂など
従来使用されていたいかなるプラスチックも使用可能で
ある。また、樹脂中に５ｉＯｚ粒子を分散して海島構造
としてもよく、この場合は熱膨張係数を半導体チップ１
８に近付けることができ、熱応力緩和の点から好適であ
る。パッケージ２６の成形方法としては、従来と同様で
よい。

なお、この半導体素子を使用する場合には、回路基板（
図示路）上に直立状態で固定してもよいし、あるいは回
路基板と平行に固定してもよい。冷却材の供給方法とし
ては、例えば第２図に示すように、回路基板に沿って冷
却材の主配管２７を設け、この主配管２７から分岐しに
供給管２８に、管継手３０を介して接続される。

このような配管方法であれば、この半導体素子を取り外
した場合にも、空いた供給管２８を端栓で塞いでおくこ
とにより、同じ主配管２７に接続された他の半導体素子
には冷却材が供給できる。

なお、配管方法は図示の例以外にも、直列配管や並列配
管などに適宜変更してよい。

また、第５図および第６図は、接続バイブ１４を供給管
２８に接続するための管継手の具体例を示すものである
。第５図で示す管継手３０は、両端が拡大した円筒状を
なし、その両端部３２，３４の内部には０リノグ３６が
それぞれ収納されている。

そして各端部３２．３４に、接続バイブ１４の先端に形
成された拡管部１４Ａ、および供給管２８の端部に形成
された同様の拡管部を圧入することにより、端部３２．
３４の内壁面に前記各拡管部か気密的に圧接し、接続か
完了する。

一方、第６図の例では、円筒状の継手本体４０の両端の
テーパ部に、接続バイブ１４の拡管部１４Ａおよび供給
管２８の拡管部をそれぞれ当接させ、継手本体の周面に
螺合するナツト４２でそれぞれを固定する。

上記のような冷却手段を備えた半導体素子によれば、冷
却材通路１２に冷却材を流すことにより、発熱する半導
体チップ１８を強制的に冷却することができ、温度上昇
を防いて熱膨張率を低下さけ、各接合界面における熱応
力発生か防止できる。したがって、熱応力に起因する各
部の剥離や損傷が防止でき、半導体チップ１８の高集積
度化、大形化、および大電力化に対する制限が大幅に緩
和できる。

また、冷却基板ＩＯをパッケージ２６内に一体的に収容
したものなので、冷却手段を半導体素子とは別に設けた
構成に比して、必要な素子のみを局部的かつ効果的に冷
却することができ、冷却材の消費量ら比較的少なくて済
む。この１こめ、周囲に位置する他の素子に対する熱影
響も少なし１うえ、大掛かりな冷却材供給装置は不要で
、設備コストら安いという利点を有する。

また、冷却基板ｌＯにおける冷却材通路１２の、位置は
任意に変更できるから、例えば発熱量の大きい素子の近
傍では冷却効率を高め、発Ｓ、１１の小さい部分ては冷
却効率を下げる等の対応が容易であり、素子の局部的な
過熱や冷却しすぎによる誤動作を低減するとともに、温
度補正か困難な素子も、素子温度をより狭い一定範囲に
保つことか容易で、機器の動作安定性を格段に向上する
ことが可能である。

さらに、管継手３０により自在に供給管２８からの着脱
か行なえるうえ、冷却基板ｌＯと素子本体１８が一体化
されているから、この半導体素子の交換や補修等が容易
に行なえる。

なお、冷却材通路１２の形状は前述の平面視Ｕ字状かつ
断面半円状に限定されず、例えば、第７図に示すように
冷却材通路１２を断面偏平にして冷却材と冷却基板の内
面との接触効率を高めてもよいし、冷却材通路１２を直
線状あるいはＳ字状等に形成して、冷却基板ＩＯの異な
る辺にそれぞれ接続バイブ１４を設けてもよい。

また、前述の第１実施例ではワイヤポンディングにより
半導体チップＩ８と端子２２とを接続していたが、その
代わりに、第８図に示すようにＴＡＢ法を用いて接続を
行なってもよい。

第８図に示す例では、絶縁フィルム５０の上面に接合端
５２Ａを有する端子５２を予めエツチング等により一体
形成しておき、半導体チップ１８の周囲に絶縁フィルム
５０を固定した後、各接合端５２Ａを一斉に半導体チッ
プ１８の各端子接続部に圧接させ、これらを接合する。

このようなＴＡＢ法によれば、ワイヤボンディングに比
して端子５２の接続効率を高めることが可能である。

一方、素子本体としては、前述のように単体の半導体チ
ップ１８のみではなく、第９図に示すように複数の半導
体素子（例えばトランジスタ５４および集積回路５６）
を有する回路基板Ｉ８を素子本体として使用し、パッケ
ージ２６内に一体的に収容した構成（ハイブリッド構造
）も可能である。

−発明の効果」 以上説明し１こように、本発明に係わる冷却手段を備え
た半導体素子によれば、以下のような優れた効果が得ら
れる。

■　冷却基板の冷却材通路に冷却材を流すことにより、
発熱する素子本体を強制的に冷却し、内部の温度上昇を
防いで各部の熱膨張率゛を低下させ、接合界面に発生す
る熱応力が低減できる。したがって、熱応力に起因する
各部の剥離や損傷が防止でき、素子本体の高集積度化お
よび大形化に対する制限が緩和できる。

■　冷却基板をパッケージ内に一体的に収容したものな
ので、冷却手段を半導体素子とは別に設けた構成に比し
て、必要な素子のみを局部的かつ効果的に冷却すること
かでき、冷却材の消費量も比較的少なくて済む。このた
め、周囲に位置する他の素子に対する熱影響も少ないう
え、大掛かりな冷却材供給装置は不要で、設備コストも
安いという利点を何する。

■　冷却基板における冷却材通路の位置は任意に変更で
きるから、例えば発熱量の大きい素子の近傍では冷却効
率を高め、発熱量の小さい部分ては冷却効率を下げる等
の対応が容易であり、素子の局部的な過熱や冷却しすぎ
による誤動作を低減するとともに、温度補正が困難な素
子も、素子温度をより狭い一定範囲に保つことが容易で
、機器の動作安定性を格段に向上することが可能である
。

■　冷却基板として、一対の金属板を張り合わせ、これ
ら金属板のうち素子本体とは反対側の金属板を断面半円
状に膨出させたものを使用した場合には、冷却基板の製
造コストが安く済むうえ、素子本体の接合面は平坦にな
るから、素子の製造上の自由度が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明に係わる半導体素子の第
１実施例を示す縦断面図および平面図、第３図および第
４図は冷却基板のみを示す正面図および平面図、第５図
および第６図は給液管への接合方法を示す断面図、第′
７図は冷却基板の変形例を示す平面図、第８図は本発明
の第２実施例の縦断面図、第９図は第３実施例の平面図
である。 １０　冷却基板、１ ２　冷却材通路、１４ 層、１８・素子本体、２ ・・端子、２４　ポンデイ 樹脂、２８・・・給液管、３ 絶縁フィルム、５２・ 夕、５６・・・集積回路。 ＯＡ、ＩＯＢ　　金属板、■ 接続パイプ、１６　接合 ０・・絶縁フィルム、２２ ングワイヤ、２６・封止 ０．４０　・管継手、５０ 端子、５４　トランジス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に冷却材通路を有する平板状の冷却基板と、
   この冷却基板の一面に設けられ、複数の端子接続部を有
   する素子本体と、この素子本体を気密的に覆ってパッケ
   ージを構成する封止樹脂と、素子本体の前記各端子接続
   部にそれぞれ接続され、先端が前記パッケージの外に露
   出した複数の金属端子とを具備したことを特徴とする冷
   却手段を備えた半導体素子。
2. （２）前記冷却基板は、一対の金属板を張り合わせ、こ
   れら金属板のうち前記素子本体とは反対側の金属板を断
   面半円状に膨出させることにより、これら金属板の間に
   、供給口および排出口を有する中空の冷却材通路を形成
   したものであることを特徴とする請求項１記載の冷却手
   段を備えた半導体素子。
3. （３）前記素子本体は、電子回路が形成された半導体チ
   ップであることを特徴とする請求項１または２記載の冷
   却手段を備えた半導体素子。
4. （４）前記素子本体は、複数の半導体素子を有する回路
   基板であることを特徴とする請求項１または２記載の冷
   却手段を備えた半導体素子。