JPH05243430A - 冷却構造体及びチツプパツケージモジユール - Google Patents

冷却構造体及びチツプパツケージモジユール

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JPH05243430A
JPH05243430A JP4110704A JP11070492A JPH05243430A JP H05243430 A JPH05243430 A JP H05243430A JP 4110704 A JP4110704 A JP 4110704A JP 11070492 A JP11070492 A JP 11070492A JP H05243430 A JPH05243430 A JP H05243430A
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ブツクマン・ペーター・レオ
Peter Unger
ウンゲル・ペーター
Peter Vettiger
フエテイゲル・ペーター
Otto Voegeli
フオーゲリ・オツトー
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International Business Machines Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は電子素子が形成されるチツプ内の活性
層及び熱シンク間に熱を直接伝達する冷却構造体を提案
する。 【構成】本発明の冷却構造体３０は、絶縁層４７１によ
つて部分的に覆われてその後熱伝達構造部４８に覆われ
た金属構造部４３、４４、４５及び絶縁スペーサ４６
１、４６２、４６３、４６４及び又は絶縁層をもつ電流
／電圧供給レベル３４から構成される。熱伝達ブリツジ
２５１を熱伝達構造部４８に熱接続することにより、本
発明の冷却構造体及び熱シンク間に熱流量を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷却構造体及びチツプパ
ツケージモジユールに関し、特に光電子装置における半
導体装置について、熱が活性表面から本発明の冷却構造
体を介して熱シンクに直接伝わるように熱発生素子が配
置された活性面の頂部に形成された冷却構造体に適用し
て好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】今日、広範囲に亘つて使用されている高
密度集積回路の利点を十分に実現させる場合に主要な障
害となつているのは、パツケージング技術である。回路
の接続、回路の冷却及び回路のハウジングをパツケージ
ングと言う。電子回路及び光電子回路の集積度は急速に
高くなつている。今日非常に多くのトランジスタ、コン
デンサ、抵抗及び他の素子をチツプ上に集積することが
できる。光電子装置の面積についても似たような傾向が
ある。
【０００３】集積度が向上するに従つて集積回路の熱の
発生が一段と問題になつて来ている。消費電力密度及び
これと関係があるこれらの回路の熱発生問題が増大して
来ている。電子素子及び光電子素子の性能はその温度に
よつて影響され、温度を安定させることは動作の信頼生
にとつて基本的に重要な事項である。同様に半導体及び
半導体素子を過熱させると当該素子を破壊する結果にな
る。回路の密度を高める技術開発が個々の回路の消費電
力を削減する技術開発より早いという事実は、熱エネル
ギーの消散を増大させる必要があるということを意味
し、従つて集積回路を均等に効果的に冷却することが一
段と重要になつてくる。
【０００４】基本的に集積回路を冷却する方法には従来
２つの異なる方法がある。第１の方法は、熱は熱傾斜に
沿つて本体の高温部分から本体の低温部分に伝導すると
いう物理的法則（以下の熱力学概念）に基づいた熱伝導
として知られている。熱源から熱を除去する第２の方法
は、熱源から熱源を通る冷却流体に熱を伝導する対流を
用いる。流体冷却システムは非常に大きく、しかも当該
流体の循環に必要な自動駆動ポンプは問題を生じ易く、
電磁妨害を引き起こすおそれがある。
【０００５】一段と信頼性が高く、小型で単純なのは上
述の第１の熱伝導に基づいた冷却構造体である。熱の伝
導原理に基づく異々の冷却構造体が従来の技術としてあ
る。図９はチツプパツケージモジユールの断面図であ
り、活性層１１１をもつ半導体チツプ１０１が基板１２
上に固定されている。活性層１１１に配置された電子素
子はボンドワイヤ１５１を介してピン１４１に電気的に
接続されている。基板１２上に実装されたチツプは、基
板１２に固定される金属キヤツプ１３によつて保護され
る。活性層１１１の電子素子が発生する熱は、矢印Ｑで
示すように、チツプ１０１及び基板１２を介して金属キ
ヤツプ１３に伝導する。図９に示すようにチツプ１０１
は、活性層１１１が上になるような向きに取り付けら
れ、かつ活性層に発生した熱がチツプ１０１及び基板１
２を介して熱シンク１３に伝導するように実装される。
【０００６】他の冷却構造体を図１０に示す。活性層１
１２をもつ半導体チツプ１０２は、活性層１１２がその
下側になるようにはんだボール２４により実装される。
活性層１１２の電子素子は伝導ライン２３及び伝導構造
部２１を介して金属ピン２２に電気的に接続される。上
述の伝導構造部２１は金属キヤツプ１３に固定された基
板２０内に配置される。基板２０は無機樹脂、セラミツ
ク又は適正な誘電材料で構成され得る。図１０のモジユ
ールの上部分は柔軟性のある熱ブリツジ２５１を含み、
この熱ブリツジ２５１は金属キヤツプ１３からチツプ１
０２の裏面まで延長している。熱流量Ｑはチツプ１０２
及び熱ブリツジ２５１を通つて金属キヤツプ１３に伝導
する。この構造体において、活性層１１２は、図９の配
置とは対照的に基板２０側に配設されるが、それにもか
かわらず熱は活性層１１２からチツプ１０２を介して熱
ブリツジ２５１に伝導し、その後熱シンク１３に伝導す
る。
【０００７】図９及び図１０に示す冷却構造体は、それ
ぞれ「マイクロエレクトロニクス・パツケージング・ハ
ンドブツク」及び1977年10月発行、「ＩＢＭ・テクニカ
ル・デイスクロージヤ・ブレテイン」第20巻、第５号、
1768頁に述べられている。
【０００８】上述の物理的法則に基づいた同様の従来の
冷却構造体が数多くある。例えば欧州特許出願第 97782
号、「ＩＢＭ・テクニカル・デイスクロージヤ・ブレテ
イン」第27巻、第7B号、4413〜4415頁、1984年12月発行
及び「ＩＢＭ・テクニカル・デイスクロージヤ・ブレテ
イン」第20巻、第８号、1978年１月発行がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】高出力レーザダイオー
ドの接合部を下側にして、例えば上述の金属冷却構造体
のような熱シンクにレーザダイオードをはんだ付けする
ことによつて高出力レーザダイオードは冷却される。活
性素子は上述の熱シンクに直接熱結合される。このパツ
ケージング方法は、熱シンクを構造化するのに時間を必
要とし、かつ整合に費用がかかるという欠点を有する。
さらに光入力ポート及び光出力ポートを必要とする場合
には接合部を下側にできないという欠点がある。
【００１０】上述したすべての構造体及び他の構造体に
おける主要な欠点は、熱は熱源からチツプを介して伝導
し、基板又は熱ブリツジを介して除去されて行くことで
ある（上述の接合部を下側にしたレーザダイオードを除
いて）。活性層の熱発生素子及び熱シンク間の熱抵抗は
実質的にチツプの厚さによつて主に生じ、このチツプの
熱伝導率の劣悪が過熱状態を引き起こし、これらチツプ
の信頼性を低減させる。
【００１１】本発明の主要な目的は、電子チツプ又は光
電子チツプの活性層及び熱シンク間に熱を直接伝達する
冷却構造体を提供することである。
【００１２】本発明の他の主要な目的は、チツプの頂部
に冷却構造体を設けることにより、パツケージング問題
を削減することである。
【００１３】本発明の他の目的は、装置又はチツプを上
側で接合できるように光入力ポート及び光出力ポートを
もつ光電子装置又はチツプのための冷却構造体を提供す
ることである。
【００１４】本発明のさらに他の目的は、例えばレー
ザ、ダイオード及びトランジスタのような単一で熱を発
生する素子を冷却する場合に用いることができる冷却構
造体を提供することである。
【００１５】本発明の他の目的は、本発明による冷却構
造体を含む電子チツプ又は光電子チツプに完全なパツケ
ージングモジユールを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、半導体チツプ１０３の活性層１１
３に形成された電子素子及び熱シンク１３間に熱を伝達
する冷却構造体３０において、活性層１１３に形成さ
れ、電子素子の電力供給ライン及び又は信号ラインとし
ての電流導体配線４３、４４、４５並びに電流導体配線
４３、４４、４５を電気的に分離する絶縁スペーサ４６
１、４６２、４６３、４６４及び又は絶縁層から構成さ
れる電流／電圧供給レベル３４と、電流／電圧供給レベ
ル３４すなわち電流／電圧供給レベル３４の選択された
部分を覆う絶縁層４７１と、絶縁層４７１の頂部及び電
流／電圧供給レベル３４の露出部分に形成され、電流導
体配線４３、４４、４５に熱接続され、その上部表面３
２が少なくとも１つの熱コンタクトエリアを提供する熱
伝達手段４８と、熱コンタクトエリア３２及び熱シンク
１３間に熱接続を形成する少なくとも１つの熱ブリツジ
２５１とを具え、電流電圧／供給レベル３４、絶縁層４
７１、熱伝達手段４８及び熱ブリツジ２５１は、電子素
子に発生する熱を冷却構造体３０を介して熱シンク１３
に伝達するために熱抵抗が低くなるように配列されるよ
うにする。
【００１７】
【作用】本発明はこれらの目的に適合するように周知の
冷却構造体及び半導体パツケージの他の欠陥を改善す
る。かかる目的は、本発明の冷却構造体においては、冷
却構造体を活性層の頂部に直接形成することによつて実
現させる。冷却構造体は、活性層において発生した熱が
当該冷却構造体を介して熱シンクに伝わるように配列さ
れた電流／電圧供給レベル、絶縁層及び熱伝達構造体を
含む。冷却構造体それ自体は電気的導体レベルとして部
分的に動作し得る。
【００１８】本発明の冷却構造体によつて得られる主要
な利点は、当該冷却構造体の熱抵抗が非常に小さいので
チツプ及び装置を効果的に冷却することができる点であ
る。さらに強力な熱源を選択して冷却することができ、
その結果活性層及び活性層の下の基板の温度を全体的に
均等にする。
【００１９】他の利点は、隣接する電子素子間の相互熱
結合を削減することにより電子素子の動作の信頼性が一
段と高まることである。さらに単一の素子を熱分離する
必要がある場合、本発明の冷却構造体は熱障害を統合す
ることができる。他方個々の素子間を熱結合する必要が
ある場合、本発明により特定のブリツジを統合すること
ができる。
【００２０】本発明のさらに他の利点は、接合部を上側
にした光電子チツプ又は光電子装置（例えばレーザを放
射する表面）を外部フアイバ、レンズ又はミラーに容易
に接続することができることである。チツプエリア内に
表面に放射入力−出力ポートを有するＬＳＬＩ（大規模
レーザ集積化）をパツケージすることができる。
【００２１】他の利点は、熱伝達構造体を熱シンクとし
て用いることによつて外部に設けた熱シンクを用いずに
単一の電子素子又は光電子素子を冷却することができる
ことである。
【００２２】
【実施例】以下図面について、本発明の一実施例を詳述
する。
【００２３】図１は本発明の説明に供する冷却構造体の
断面図である。図のように本発明の冷却構造体３０は、
チツプ実装パツドすなわち基板３１上に実装された活性
層１１３をもつチツプ１０３の頂部に形成される。この
基板３１は金属キヤツプ１３に固定される。熱発生電子
素子をもつ活性層１１３の頂部に配列された冷却構造体
３０は、例えば電子入出力ポートとして用いられるボン
デイングパツド８８及び平坦な上部表面３２をもつ電子
コンタクトエリア、すなわち当該明細書においては熱コ
ンタクトエリアを有する。当該モジユールは熱コンタク
トエリア３２及び熱シンクとして用いられる金属キヤツ
プ１３に熱接続された熱伝達ブリツジ２５１を含む。図
１に示すようにチツプは、ボンドワイヤ１５１を介して
上述のモジユール内の基板３１に固定されたピン１４１
に接続される。
【００２４】活性層１１３の電子素子から発生される熱
はこれら熱源から本発明の冷却構造体３０及び熱ブリツ
ジ２５１に直接伝わる。実際上冷却構造体３０はチツプ
１０３と比較して極めて薄く、主に金属材料から構成さ
れるので熱抵抗は小さい。図１の装置の詳細を図２に示
す。図２はｐ型すなわち半導体基板４０及びｎ型にドー
プされた層４１上に形成され、ゲート領域４２並びにゲ
ートコンタクト４４、ソースコンタクト４３及びドレイ
ンコンタクト４５を有するＭＥＳＦＥＴ（金属半導体電
界効果トランジスタ）の断面図である。本発明の冷却構
造体３０の一部であるこれらの金属コンタクト４３、４
４及び４５は絶縁スペーサ４６１〜４６４によつて分離
される。コンタクト及びスペーサは一体となつて非常に
平坦な表面を形成する。冷却構造体３０のこの下方部分
を電流／電圧（ｃ／ｖ）供給レベル３４とする。図２に
示すように電流／電圧供給レベル３４を部分的に覆う絶
縁層４７１及び熱伝達構造部４８から構成される熱伝達
レベル３３はｃ／ｖ供給レベル３４の頂部に形成され
る。熱伝達構造部４８が金属層である場合には、これを
図２に示すようにｃ／ｖ供給レベル３４の各部分を電気
的に相互に接続する際に用いることができる。この場合
熱伝達構造部４８はドレインコンタクト４５に接続され
る。ソースコンタクト４３及びゲートコンタクト４４は
この断面図には示されていないがボンデイングパツドに
電気的に接続される。ＭＥＳＦＥＴの活性層１１３に発
生する熱は、ｃ／ｖ供給レベル３４及び熱伝達レベル３
３を介して熱伝達ブリツジ２５１に伝導し、この熱伝達
ブリツジ２５１の一方は熱シンクに熱結合され、その他
方は熱伝達構造部４８の熱コンタクトエリア３２に熱結
合される。
【００２５】冷却すべきチツプ又は装置により本発明の
冷却構造体の構成を変えることができる。ｃ／ｖ供給レ
ベル３４は、電子入出力ポートを必要とする各電子素子
の集積度が高まり、それに伴つて一段と複雑になつて来
ている。これら高集積度チツプは絶縁スペーサ及び絶縁
層によつて分離された異なる金属処理がなされた層から
なるｃ／ｖ供給レベル３４を必要とする。従来の異なる
形式の熱伝達ブリツジにはピストン、スタンプ、金属ホ
イル、熱グリース及びスプリング等があるが、熱シンク
として使用できるように熱伝達構造部を形成した場合、
単一の電子素子又は光電子素子を冷却するのに熱シンク
を外部に設ける必要がないことが考えられる。
【００２６】本発明の冷却構造体の一般的な製造プロセ
スを異なる実施例を用いて説明する。
【００２７】本発明の第１の実施例は半導体チツプの冷
却構造体である。第１の実施例は図１及び図２において
述べた冷却構造体と同様であり、これを図３に示す。図
２と同様に数多くの電子素子のうち１つのＭＥＳＦＥＴ
だけを示す。当該ＭＥＳＦＥＴはＧａＡｓウエハの頂部
に成長し、ゲート領域４２がｎ型にドープされたＧａＡ
ｓ層４１内に形成される。ソースコンタクト５１、ゲー
トコンタクト５２及びドレインコンタクト５３は電気め
つき処理によつてめつきベース５０１〜５０３上に形成
される。コンタクト５１、５２及び５３並びにめつきベ
ース５０は絶縁スペーサ４６５〜４６８によつて分離さ
れる。コンタクト５１、５２、５３及びめつきベース５
０１〜５０３並びに絶縁スペーサ４６５〜４６８から構
成されるｃ／ｖ供給レベル３４の上部表面を絶縁層４７
２によつて部分的に覆うことにより、当該コンタクト及
び熱伝達構造部５７１間を短絡しないようにする。ｃ／
ｖ供給レベル３４の被覆部分及び露出部分は、他のめつ
きベース５６１によつて覆われ、めつきベース５６１上
の熱伝達構造部５７１は電気めつきされる。ｃ／ｖ供給
レベル３４及び絶縁層４７２を介してＭＥＳＦＥＴから
熱伝達構造部５７１に伝達された熱は、小型金属ピスト
ン５８を通り冷却構造体の上部面３２１から除去され
る。
【００２８】第１の実施例との関連で述べた冷却構造体
３０と同様の冷却構造体の製造プロセスについて以下に
簡単に述べる。ＭＥＳＦＥＴのソース、ゲート及びドレ
インを金属処理してめつきベース５０１〜５０３として
用いる。従つてその頂部の金属は貴金属（例えば金）で
なければならない。次に例えば重合体材料からなる成形
物４６５〜４６８を製造する。成形物４６５〜４６８は
光学リソグラフイ、Ｘ線リソグラフイ又はｅビームリソ
グラフイによつてパターン化されたホトレジスト又は３
重層のレジストシステムから構成される。電気めつき処
理の際にめつきベース５０１〜５０３を電圧ソースの１
つの極に接続し、電圧ソースの第２の極に接続された電
極をもつ電解槽にチツプを配置する。このような準備を
した後、パターン化された成形物４６５〜４６８を電着
による電解槽からの金属で充填し、金属構造部５１、５
２及び５３を形成する。次の処理の際にはこの例に示す
ようにチツプ１０上に成形物４６５〜４６８を残したま
まにすることができる。電流／電圧供給レベル３４を用
意し、次のステツプにおいて絶縁層４７２によつて電流
／電圧供給レベル３４を連続的に覆う。適正な熱伝導を
提供するために、電圧／電流供給レベル３４はベリリア
（Beryllia（ＢＯ））又はアルミニア（Aluminia（Ａｌ
2 Ｏ2 ））のような薄い誘電体でもよい。熱伝達構造部
５７１及びｃ／ｖ供給レベル３４間に電気的伝導を必要
する場所をエツチング処理の後のフオトリソグラフイマ
スクを用いて、ｃ／ｖ供給レベル３４を覆つている絶縁
層４７２の一部を除去して設ける。その後他のめつきベ
ース５６１（例えば厚さ10〔nm〕のＣｒ、厚さ 100〔n
m〕のＡｕ）を表面上に蒸着する。このめつきベース５
６１をフオトレジストマスク及びリフトオフ処理を用い
てパターン化してボンドパツドを開いたままにする（図
３に示せず）。次に重合体材料からなる他の成形物（図
示せず）を製造する。この成形物は厚さが数十〔μｍ〕
であり、上述のようなフオトレジスト層からなる。この
ステツプの後熱伝達構造部５７１をこの成形物において
電気めつきする。電気めつき処理の際に市販の溶液を用
いて、金のような熱を良く通す金属を堆積する。当該成
形物をチツプ上に残したままにすることもできるし又は
酸化プラズマを用いて除去することもできる。
【００２９】電気的に強めに金属処理することによりそ
の電気抵抗を削減する。金属処理の抵抗が臨界でない場
合、金属処理されたコンタクト（５０１〜５０３）の頂
部に冷却構造体を直接形成することができる。金属構造
部５１〜５３及びめつきベース５０１〜５０３間の空所
が絶縁スペーサとして作用するようにスペーサ４６５〜
４６８を除去することができる。
【００３０】本発明の第２の実施例は集積された複数の
電子素子をもつ半導体チツプ１０の冷却構造体３０であ
り、これを図４に示す。図４の断面図は２つのＭＯＳＦ
ＥＴ（金属酸化物電界効果トランジスタ）を示し、各Ｍ
ＯＳＦＥＴはｐ型にドープされた基板６０内に延長して
いるｎ+ にドープされたソース領域（６１１及び６１
２）及びｎ+ にドープされたドレイン領域（６２１及び
６２２）を有する。チツプ１０はＳｉＯ2 層６５によつ
て部分的に覆われる。ＳｉＯ2 層６５の一部はゲート酸
化物６３１及び６３２を形成する。ゲート領域、ソース
領域及びドレイン領域はめつきベース６４１〜６４６及
び絶縁スペーサ６６１〜６６７によつて互いに反対に分
離された電気めつきされた金属構造部６７１〜６７６に
電気的に接続される。ｃ／ｖ供給レベル３４のこの第１
の部分の頂部面は、２つのコンタクトウインドウ７０１
及び７０２を有する絶縁層６８によつて部分的に覆われ
る。この絶縁層６８は他のめつきベース６９によつて部
分的に覆われる。金属構造部７１１及び７１２並びに絶
縁スペーサ７２からなるｃ／ｖ供給レベル３４の第２の
部分はめつきベース６９及び絶縁層６８の頂部に形成さ
れる。金属構造部７１１は双方のＭＯＳＦＥＴのソース
領域６１１及び６１２を正電圧源＋ＶC に接続する。第
２のｃ／ｖ供給レベル３４の上部面は他の組合わせであ
る絶縁層４７３及びめつきベース５６２によつて覆わ
れ、絶縁層４７３及びめつきベース５６２上に熱伝達構
造部５７２が形成される。この実施例における熱伝達構
造部５７２は接地される。さらに熱伝達構造部５７２及
びめつきベース５６２はシールドを形成する。上述の冷
却構造体のアスペクト比（厚さと幅の比）は大きいの
で、電気めつき処理はこの冷却構造体には有利である。
【００３１】上述の冷却構造体の製造プロセスは第１の
実施例の製造プロセスと同様である。第１の実施例と第
２の実施例の主な相違は、ｃ／ｖ供給レベル３４がチツ
プ１０（例えば２つのＭＯＳＦＥＴ）の各素子に電気的
接続を供給するように部分的に電気的に接続され、かつ
配列された金属構造部のレベルを第１の実施例が１レベ
ルだけしかもたないのに対して第２の実施例は数レベル
もつていることである。従つてフオトリソグラフイステ
ツプ及び電気めつきステツプはこの特別な構成に適用さ
れなければならない。絶縁層６８を蒸着した後、図４に
示すようにコンタクトウインドウ７０１及び７０２をエ
ツチングすることによつてこの構成を構造化することが
できる。この実施例における金属構造部６７１及び６７
４並びに７１１の一部を次のレベルの金属構造部を用い
ることによつて電気的に相互に接続することができる。
【００３２】また酸化物６３１、６３２及び６５を金属
構造部のための絶縁スペーサとして用いることができ
る。ゲート酸化物６３１及び６３２は熱酸化物処理によ
つて形成され、一段と厚い酸化物６５は従来の酸化物ス
テツプによつて形成され得る。
【００３３】本発明の第３の実施例は複数の素子を集積
したチツプ１０の冷却構造体３０である。図５は図４の
ＭＯＳＦＥＴと同様の２つのＭＯＳＦＥＴの断面図を示
す。ソース領域６１１及び６１２、ゲート酸化物層６３
１及び６３２並びにドレイン領域６２１及び６２２は堆
積された金属層７６１〜７６６によつて部分的に覆われ
る。この金属層７６１〜７６６は例えばポリイミド又は
石英のような構造化された絶縁層７７１〜７７４によつ
て部分的に覆われる。第２の導電層７８１及び７８２は
絶縁層７７１〜７７４の一部を覆う。めつきベース５６
３及び熱伝達構造部５７３の下にあるさらに構造化され
た絶縁層７９は第２の導電層７８１及び７８２並びに絶
縁層７７１〜７７４の頂部に形成される。金属層の一部
はコンタクトホール７０３〜７０６を介して電気的に相
互に接続される。この実施例においては、ゲート酸化物
６３２は金属処理層７６５、第２の導電層７８２及びめ
つきベース５６３を介して熱伝達構造部５７３に接続さ
れる。
【００３４】本発明の第４の実施例を図６について示
す。ｎ+ ＧａＡｓ基板１０００上に成長した単一のレー
ザ装置１０１の断面をこの図に示す。活性層１０１０は
それぞれｎ型及びｐ型にドープされたＡｌＧａＡｓクラ
ツド層１０２０及び１０３０間に埋設され、垂直にエツ
チングされたレーザ面１０４０によつて限定される。電
流導体１０５０はＡｌＧａＡｓクラツド層１０２０の頂
部に堆積され、絶縁層１０６０によつて覆われる。電流
導体１０５０はめつきベース１０７０、絶縁層１０６０
の頂部に形成された熱伝達構造部１０８０、熱ブリツジ
２５２及び金属キヤツプ１３から電気的に絶縁される。
めつきベース１０７０上に成長した熱伝達構造部１０８
０を用いて活性層１０１０から熱を除去する。当該熱は
活性層から冷却構造体及び金属スプリング２５２を介し
て金属キヤツプ１３に伝わる。金属キヤツプ１３は、レ
ーザによつて放射されかつ45〔°〕の角度の金属ミラー
１０９０によつて反射されたレーザビーム８０の光出力
ポートとして使用されるレンズのような透明な断面８１
を有する。金属ミラー１０９０はめつきベース１０７０
上に電気的にめつきされる。第４の実施例はレーザチツ
プ冷却及びパツケージングを改善するのに重要である。
ダイオードレーザをパツケージングする従来の方法は、
活性層に発生する熱がダイオードレーザからなる厚い基
板を介して伝わるように熱シンクにこの接合したダイオ
ードレーザを実装する。本発明の第４の実施例は冷却構
造体３０及び接合されたレーザ１０１を実装することが
できるパツケージングモジユールを表し、冷却構造体３
０を介して熱を効果的かつ均等に上方に伝達することが
できる。異なる傾度及び方向の金属ミラー１０９を用い
ることができ、同様の冷却構造体を用いてレーザアレイ
及び光電子回路を冷却することができる。
【００３５】本発明の第５の実施例をＬＳＬＩチツプ
（大規模レーザ集積）の概略を示す図７に示し、このＬ
ＳＬＩチツプはウエハ上に種々の形状をもつミラーを有
する。さらに入出力ポートのような２つのフアイバが当
該チツプに接続される。本発明の冷却構造体は同一チツ
プ上にレーザ、光検出器及び光学的構成部分を集積する
ことができ、これらの構成部分は上方にある効果的な熱
伝達と結合する光入出力ポートを必要とする。図７は、
レーザダイオード８３及び光ダイオード（ミラーダイオ
ード）８４のように、基板９３上に集積された複数の光
電子素子を拡大して示す。さらに異なる光入出力ポート
を示す。端が傾斜している入力フアイバ８６は光ダイオ
ード８４に結合され、レーザダイオード（図示せず）は
出力フアイバ８７を介してレーザビームを放射する。ミ
ラー８５１を用いて光９２を光ダイオード８４内に結合
し、他のミラー８５２は当該装置のレーザダイオード８
３によつて放射されたレーザビーム９１を反射する。ボ
ンデイングパツド８８は、ボンドワイヤ１５２がパツド
８８及びチツプ実装構造部９０に固定された金属ピン１
４２間に接続され得るように基板９３に配置される。上
述のＬＳＬＩチツプの冷却システムはチツプ上に集積さ
れた装置上に形成されるパターン化された熱伝達構造部
８２から構成される。図７において熱伝達ブリツジ及び
熱シンクは示されていない。
【００３６】図８は第５の実施例の一部であるレーザダ
イオード８３を詳細に示す。金属層９６はレーザダイオ
ード８３の上部面及びエツチングされたミラー面１０４
０を有するレーザダイオード８３の側壁を覆う。レーザ
ダイオード８３は、金属層９６が上述の側壁に直接形成
されないように誘電体不活性層（例えばＡｌ2 Ｏ3 ）に
よつて部分的に覆われる。金属層９６はボンデイングパ
ツド８８に接続される。めつきベース９７の頂部に成長
した熱伝達構造部８２はボンデイングパツド８８に電気
的に接続される。レーザコンタクトすなわち金属層９６
及び熱伝達構造部８２間を電気的に接続する必要がない
場合は、図６に示すようにレーザコンタクト及び熱伝達
構造部８２間に絶縁層を形成することができる。
【００３７】上述の実施例は本発明の数多くの異なる適
用を表す。条件次第では上述の実施例の種々ものが考え
られる。異なる材料又は製造技術を選択し及び又は上述
の実施例を他に適用した場合、これは本発明のさらに他
の実施例となる。熱抵抗が低いすなわち極く僅かな抵抗
の材料を用い、かつ層の厚さを最小限にすることにより
冷却構造体を最適化することができる。
【００３８】異なる量の熱を発生する熱源を１つのチツ
プ上に集積し冷却しなければならない場合、異なる熱抵
抗を有する一段と厚い部分及び一段と薄い部分を冷却構
造体に形成することによつて当該冷却構造体をこの状態
に適合させることが考えられる。冷却構造体に集積され
た熱ブリツジを介して１つのチツプ上に単一の装置を熱
結合し、熱障壁を用いて１つのチツプ上にある装置を熱
分離するのは新たな有用な特徴である。
【００３９】当該冷却構造体はＳＭＤ（装置を実装され
た表面）技術に適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、チツプの
活性層及び熱シンク間に熱を直接伝達する金属材料から
構成される冷却構造体を活性層の頂部に形成してチツプ
を効果的に冷却することにより、電子素子の相互熱結合
を削減でき、これによつて素子の動作の信頼性を簡易か
つ確実に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の原理の説明に供する本発明のチ
ツプパツケージモジユールの断面図である。
【図２】図２は図１に示すモジユールの冷却構造体をさ
らに詳細に示す断面図である。
【図３】図３は本発明の冷却構造体の第１の実施例を統
合するＭＯＳＦＥＴを示す断面図である。
【図４】図４は本発明の冷却構造体の第２の実施例を統
合するＭＯＳＦＥＴを示す断面図である。
【図５】図５は本発明の冷却構造体の第３の実施例を統
合するＭＯＳＦＥＴを示す断面図である。
【図６】図６は本発明の冷却構造体の第４の実施例を統
合する角度45〔°〕のミラーをもつダイオードレーザの
断面図である。
【図７】図７は本発明の冷却構造体の第５の実施例を統
合する異なる入出力ポートをもつＬＳＬＩの斜視図であ
る。
【図８】図８はレーザのコンタクト金属処理を示す図７
の一部を示す斜視図である。
【図９】図９は従来のチツプパツケージモジユールの断
面図である。
【図１０】図１０は他の従来のチツプパツケージモジユ
ールの断面図である。
【符号の説明】
１０、１０１、１０２、１０３……半導体チツプ、１１
１、１１２、１１３、１０１０……活性層、１２、２
０、３１、９３……基板、１３……金属キヤツプ、１４
１、１４２、２２、……金属ピン、１５１、１５２……
ボンドワイヤ、２１……伝導構造部、２３……伝導ライ
ン、２４……はんだボール、２５１……熱伝達ブリツ
ジ、３０……冷却構造体、３２……熱コンタクトエリ
ア、３２１……上部表面、３３……熱伝達レベル、３４
……電流／電圧（ｃ／ｖ）供給レベル、４０、６０……
ｐ型ドープ基板、４１……ｎ型ドープ層、４２……ゲー
ト領域、４３、５１……ソースコンタクト、４４、５２
……ゲートコンタクト、４５、５３……ドレインコンタ
クト、４６１〜４６４、６６１〜６６６、７２……絶縁
スペーサ、４６５〜４６８……成形物、４７１〜４７
３、６８、７７１〜７７４、７９、１０６……絶縁層、
４８、５７１〜５７３、８２、１０８０……熱伝達構造
部、５０１〜５０３、５６１〜５６３、６４１〜６４
６、６９、１０７０……めつきベース、ソース領域……
６１１、６１２、６２１、６２２……ｎ型ドープドレイ
ン領域、６３１、６３２……ゲート酸化物、６５……Ｓ
ｉＯ2 層、６７１〜６７６、７１１、７１２……電気め
つき金属構造部、７０１、７０２……コンタクトウイン
ドウ、７０３〜７０６……コンタクトホール、７６１〜
７６６……金属層、７８１、７８２……導体層、８０、
９１……レーザビーム、８１……透過断面、８３……レ
ーザダイオード、８４……光ダイオード、８５１、８５
２……ミラー、８６……入力フアイバ、８７……出力フ
アイバ、８８……ボンデイングパツド、９０……チツプ
実装構造、９２……光、１０００……ｎ+ ＧａＡｓ基
板、１０２０、１０３０……ｐ型ドープＡｌＧａＡｓク
ラツド層、１０４０……レーザ面、１０５０……電流導
体、１０９０……金属ミラー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウンゲル・ペーター スイス国、タルヴイル ツエーハー8800、 ゾネベルグシユトラツセ 40番地 (72)発明者 フエテイゲル・ペーター スイス国、ラングナウ・アム・アルビス ツエーハー8135、ラングムースシユトラツ セ 33番地 (72)発明者 フオーゲリ・オツトー アメリカ合衆国、カリフオルニア州95037、 モルガン・ヒル、シカモア・アベニユー 13465番地

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チツプの活性層に形成された電子素
    子及び熱シンク間に熱を伝達する冷却構造体において、 上記活性層に形成され、上記電子素子の電力供給ライン
    及び又は信号ラインとしての電流導体配線並びに上記電
    流導体配線を電気的に分離する絶縁スペーサ及び又は絶
    縁層から構成される電流／電圧供給レベルと、 上記電流／電圧供給レベルすなわち電流／電圧供給レベ
    ルの選択された部分を覆う絶縁層と、 上記絶縁層の頂部及び上記電流／電圧供給レベルの露出
    部分に形成され、上記電流導体配線に熱接続され、その
    上部表面が少なくとも１つの熱コンタクトエリアを提供
    する熱伝達手段と、 上記熱コンタクトエリア及び上記熱シンク間に熱接続を
    形成する少なくとも１つの熱ブリツジとを具え、 上記電流／電圧供給レベル、上記絶縁層、上記熱伝達手
    段及び上記熱ブリツジは、上記電子素子に発生する熱を
    上記冷却構造体を介して上記熱シンクに伝達するために
    熱抵抗が低くなるように配列されることを特徴とする冷
    却構造体。
  2. 【請求項２】上記電流／電圧供給レベルの上記電流導体
    配線は、電流導体配線を電流／電圧コネクタに接続する
    ボンデイングパツドを有することを特徴とする請求項１
    に記載の冷却構造体。
  3. 【請求項３】上記電流導体配線は２つ又は２つ以上の金
    属層からなることを特徴とする請求項１に記載の冷却構
    造体。
  4. 【請求項４】上記電流導体配線は上記活性層の頂部に形
    成されためつきベース及び上記めつきベースの頂部に電
    気めつきされた金属構造部から構成されることを特徴と
    する請求項１に記載の冷却構造体。
  5. 【請求項５】上記電流導体配線は金属堆積によつて上記
    活性層の頂部に形成されることを特徴とする請求項１に
    記載の冷却構造体。
  6. 【請求項６】上記電流／電圧供給レベルの頂部面はほぼ
    平面であることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造
    体。
  7. 【請求項７】選択された電子素子又は光電子素子にアク
    セスし、かつ光入出力ポートとして用いられるウインド
    ウを有するように形成されることを特徴とする請求項１
    に記載の冷却構造体。
  8. 【請求項８】電子装置又は光電子装置のためのチツプパ
    ツケージモジユールは、金属コネクタが固定され、チツ
    プが実装され、熱シンクとして金属キヤツプを用いる基
    板から構成され、上記チツプの頂部に形成された冷却構
    造体は、 上記活性層に形成され、上記電子素子の電力供給ライン
    及び又は信号ラインとしての電流導体配線並びに上記電
    流導体配線を電気的に分離する絶縁スペーサ及び又は絶
    縁層から構成される電流／電圧供給レベルと、 上記電流／電圧供給レベル又は電流／電圧レベルの選択
    された部分を覆う絶縁層と、 上記絶縁層の頂部及び上記電流／電圧供給レベルの露出
    部分に形成され、上記電流導体配線に熱接続され、その
    頂部面が少なくとも１つの熱コンタクトエリアを提供す
    る熱伝達手段と、 上記熱コンタクトエリア及び上記熱シンク間に熱接続を
    形成する少なくとも１つの熱ブリツジとを具え、 上記チツプの頂部に形成された上記冷却構造体が上記チ
    ツプ及び上記熱シンク間に熱を直接伝達するように配列
    されることを特徴とするチツプパツケージモジユール。
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