JPH06268109A - 半導体チップおよびこの半導体チップを組み込んだ電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップの冷却効率の高い小型の電子装
置を提供する。 【構成】 電子装置５は、モジュール基板の主面に複数
のチップ搭載基板４を有するとともに、これらチップ搭
載基板４の主面には半導体チップ１が半田バンプ２を介
して接続されている。また、電子装置５はノズル６等か
らなる冷却機構を有している。前記ノズル６から噴射さ
れた冷却体７は、前記半導体チップ１の電極２が設けら
れない裏面（上面）に吹き付けられる。半導体チップ１
の裏面には放熱のための凹凸パターン３が設けられ冷却
効果増大が図られている。本発明の電子装置５は直接半
導体チップ１を冷却するため冷却効率が高い。本発明に
よれば、半導体チップ１の裏面に冷却体７を吹き付ける
構造となっていることから、装置全体の小型化も達成で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体チップおよびこの
半導体チップを組み込んだ電子装置に係わり、たとえ
ば、チップ搭載基板に実装された半導体チップの露出面
に冷却体を吹き付けて半導体チップの冷却を図る技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等に使用されるＩＣ（集積
回路），ＬＳＩ等半導体装置は、信頼性が高いものが要
求されている。たとえば、日経ＢＰ社発行「日経エレク
トロニクス」1990年12月10日号、P209〜P241「大型コン
ピュータＭ−８８０の処理方式とハードウエア技術」に
は、コンピュータに組み込まれるＬＳＩの実装構造につ
いて記載されている。また、同様の内容が日立評論社発
行「日立評論」1991年第２号、同年２月25日発行、Ｐ41
〜Ｐ48「超大形プロセッサグループ“ＨＩＴＡＣＭ−８
８０”のハードウェア技術」にも記載されている。

【０００３】これらの文献によれば、コンピュータを構
成する命令プロセサおよびシステム制御装置のＬＳＩチ
ップは、新たに開発されたＭＣＣ（micro carrier for
LSIchip）と呼ぶパッケージに封止されている。命令プ
ロセサを構成する大型のプロセッサ・ボードは、４６層
の多層プリント基板と、この多層プリント基板の一面に
配設された２０個のモジュール・コネクタと、これらモ
ジュール・コネクタに取り付けられた高密度モジュール
と、前記高密度モジュールの水冷ジャケットに冷却水を
循環させる冷却機構等とからなっている。

【０００４】高密度モジュールは、４４層のＡｌＮを主
体とする多層セラミック基板（モジュール基板）と、こ
のモジュール基板に搭載される３６〜４１個のＭＣＣ
と、前記ＭＣＣの上に載るセラミック（ＡｌＮ：窒化ア
ルミ）製の小型フィン（マイクロフィン）と、前記モジ
ュール基板に気密的に取り付けられかつ前記ＭＣＣ等を
被うＡｌＮからなるセラミック・キャップ（モジュール
・キャップ）と、前記モジュール・キャップ上に熱伝導
グリースを介して接触する水冷ジャケットとからなって
いる。前記モジュール基板の層数は、表裏２層，信号１
８層，整合用１１層，電源・接地１３層の合計４４層で
ある。表面層には、ＭＣＣのボンディング・パッド、設
計変更や製造欠陥などの補修用パターン、インサーキッ
ト・テスト用のプロービング・パッドなど約４万個のパ
ターンがある。また、モジュール基板の裏面層には端子
ピンのろう付け用パッドと、裏面補修用パッドが準備さ
れている。裏面の端子ピンは合計２５２１ピンである。
端子ピンは２．７ｍｍピッチの面心格子配列となってい
る。隣接するピンとの間隔は１．９１ｍｍである。一
方、前記マイクロフィンの上部は櫛の歯状に切り込み
（下櫛歯）が入っているとともに、モジュール・キャッ
プの前記ＭＣＣに対面する内面（天井面）にも櫛の歯状
に切り込み（上櫛歯）が入り、上・下櫛歯が噛み合って
熱を伝えるようになっている。また、セラミック・キャ
ップ内には、熱伝導性と不活性雰囲気を確保するために
Ｈｅガスが充填され、櫛歯間の微小な隙間では、Ｈｅガ
スを介して放熱がされる。

【０００５】ＭＣＣは、ムライト系セラミック（熱膨張
係数３．５×１０^-6／°Ｃ）からなるＭＣＣ基板と、こ
のＭＣＣ基板上にハンダ・バンプを介して搭載（フリッ
プチップ）するシリコン（Ｓｉ：熱膨張係数３．０×１
０^-6／°）からなるＬＳＩチップと、前記ＬＳＩチップ
を被うとともにＭＣＣ基板にハンダ封止されるＡｌＮ
（熱膨張係数３．８×１０^-6／°Ｃ）からなるＭＣＣキ
ャップ（ＡｌＮキャップ）と、前記ＭＣＣ基板の露出面
（下面）に設けられるハンダ・バンプとからなってい
る。また、前記ＬＳＩチップの背面は、放熱（伝熱）の
ためにハンダによってＭＣＣキャップの天井に接続され
ている。前記ＭＣＣ基板は、厚膜導体７層，薄膜導体５
層，薄膜抵抗１層からなる厚膜／薄膜混成基板構造とな
るとともに、ＬＳＩチップのバンプ・ピッチ（最小２５
０μｍ間隔）と、ＭＣＣを搭載するモジュール基板の格
子ピッチ（ハンダ・バンプは４５０μｍ格子）の整合を
とるようになっている。ＭＣＣは１０〜１２ｍｍ角の大
きさとなっている。

【０００６】ＬＳＩチップで発生した熱は、ＬＳＩチッ
プ背面（裏面）のハンダを通ってＭＣＣキャップに伝わ
る。ＭＣＣキャップに伝わった熱は、マイクロフィン，
モジュール・キャップ，グリース，水冷ジャケットと順
次伝わって冷却水に放出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＬＳＩチップの冷却
は、前記の文献に記載されているように、ＬＳＩチップ
をパッケージに組み込み、冷却効率を上げるために放熱
フィンなどを介して冷却する構造となっていることか
ら、サイズが大きくなってしまう。

【０００８】本発明の目的は、装置が大型化しない冷却
効率の高い電子装置およびこの電子装置に組み込まれる
半導体チップを提供することにある。本発明の前記なら
びにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述お
よび添付図面からあきらかになるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。すなわち、本発明の電子装置は、配
線基板構造のモジュール基板の主面に複数のチップ搭載
基板が配設されている。チップ搭載基板は配線基板構造
となり、モジュール基板と所定の回路を構成する。前記
チップ搭載基板の主面には半導体チップがフェイスダウ
ンボンディングによって搭載されている。前記半導体チ
ップの露出面は冷却され易いように凹凸パターンが設け
られている。また、前記各半導体チップの露出面には冷
却機構によって冷却体が吹き付けられて半導体チップが
冷却できるようになっている。冷却機構は各半導体チッ
プの周囲を塞ぎ前記チップ搭載基板の主面に対面する半
導体チップ面側に冷却体が流入しないように作用する遮
蔽体と、この遮蔽体の上部に形成される密閉された冷却
室と、この冷却室内に配設されかつ冷却体を輸送する冷
却管と、前記冷却管に連通状態で取り付けられかつ各半
導体チップの露出面に先端を臨ませるノズルと、前記冷
却室に溜まる冷却体を外部に案内する排出管とからなっ
ている。

【００１０】

【作用】本発明の半導体チップは、露出面に放熱のため
の凹凸パターンが設けられていることから、冷却体がこ
の凹凸パターンに吹き付けられると半導体チップは効果
的に冷却される。

【００１１】また、本発明の電子装置は、チップ搭載基
板に搭載された半導体チップの露出面に冷却体が吹き付
けられることから、半導体チップの冷却効率を高めるこ
とができるとともに、装置全体の小型化が達成できる。
また、この電子装置に組み込まれる半導体チップは、冷
却体が吹き付けられる露出面に放熱のための凹凸パター
ンが設けられていることから、半導体チップはより効果
的に冷却される。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による電子装置に
おける半導体チップの冷却状態の要部を示す断面図、図
２は本発明の電子装置の要部を示す断面図、図３は本発
明の一実施例による半導体チップの斜視図である。

【００１３】本発明の半導体チップ１は、図１に示すよ
うに、電極（半田バンプ）２が設けられない面に放熱の
ための凹凸パターン３が設けられている。この半導体チ
ップ１は、実装基板、すなわち配線基板構造からなるチ
ップ搭載基板４の主面にフェイスダウンボンディングに
よって搭載された状態では、前記放熱のための凹凸パタ
ーン３が設けられた面は露出面となる。そして、前記半
導体チップ１を組み込んだ電子装置５においては、前記
半導体チップ１の露出面、すなわち、放熱のための凹凸
パターン３を有する露出面には、冷却機構のノズル６か
ら矢印で示すように冷却体７が吹き付けられる構造とな
っている。なお、図１において、半導体チップ１の周囲
は遮蔽体９で塞がれ、前記チップ搭載基板４の主面に対
面する半導体チップ１の半田バンプ２が設けられた面側
に冷却体７が流入しないようになっている。

【００１４】このような電子装置では、半導体チップ１
の露出面に直接冷却体７が吹き付けられることから、半
導体チップ１の効果的（効率的）な冷却が可能となる。
また、本発明の半導体チップ１は、一面に放熱のための
凹凸パターン３が設けられていることから、放熱面積が
増大し効果的な冷却が達成できる。

【００１５】つぎに、本発明の電子装置の具体例につい
て、図２を参照しながら説明する。本発明の電子装置５
は、図２に示すように、多層セラミック基板からなるモ
ジュール基板１５を有している。このモジュール基板１
５は、従来の技術の欄で記載した従来の文献に開示され
たコンピュータを構成する命令プロセサおよびシステム
制御装置のＬＳＩチップを組み込んだ高密度モジュール
のモジュール基板と基本的には同様となっている。そし
て、このモジュール基板１５の主面（上面）には、図示
しない電極が設けられ、この電極には前記チップ搭載基
板４が搭載される。また、モジュール基板１５の裏面
（下面）には、モジュール基板１５の主面に設けられた
電極にそれぞれ電気的に繋がるリード１６がピングリッ
ド状に配設されている。

【００１６】前記モジュール基板１５の主面には、複数
のチップ搭載基板４が電極（半田バンプ）１７を介して
取り付けられている。前記チップ搭載基板４の主面（上
面）には、コンピュータを構成する命令プロセサやシス
テム制御装置のＬＳＩチップを構成する半導体チップ１
が、フェイスダウンボンディングによって搭載される。
これによって、前記チップ搭載基板４の主面の図示しな
い電極と、半導体チップ１の主面（下面）に設けられた
電極（半田バンプ）２が接続されることになる。前記チ
ップ搭載基板４は、半導体チップ１のバンプ・ピッチ
と、モジュール基板１５の電極ピッチの整合を図る基板
となっている。

【００１７】一方、前記モジュール基板１５の主面（上
面）側には、カバーを兼ねた遮蔽体９が、図示しない半
田等の接着材を介して取り付けられている。遮蔽体９
は、チップ搭載基板４等を被うが、半導体チップ１の裏
面の放熱のための凹凸パターン３が露出するように一部
で開口されている。また、半導体チップ１の裏面と遮蔽
体９とは、図示しない接着剤等によって冷却体７がモジ
ュール基板１５の主面側に流入しないようになってい
る。この遮蔽体９は、半導体チップ１との間で電気的に
接続状態とならないように、図のように絶縁性のもので
形成されるか、あるいは半導体チップ１との間に絶縁体
が介在される。

【００１８】他方、前記遮蔽体９上には密閉状態にカバ
ー２０が取り付けられ、冷却室２１が形成されている。
また、前記冷却室２１には冷却管２２が配設される。こ
の冷却管２２は前記半導体チップ１の裏面側に延在する
とともに、半導体チップ１の裏面の略中心部分に対応す
る箇所にはノズル６を有している。冷却管２２の一端は
冷却管２２から外に延在する。この冷却管２２には外部
から冷却体７が供給され、ノズル６の先端から半導体チ
ップ１の裏面の凹凸パターン３部分に冷却体７が吹き付
けられるようになっている。また、カバー２０の一側下
方には排出管２３が設けられ、冷却室２１に溜まった冷
却体７を回収するようになっている。半導体チップ１を
冷却する冷却機構は、各半導体チップ１の周囲を塞ぎ前
記チップ搭載基板４の主面に対面する半導体チップ面側
に冷却体７が流入しないように作用する遮蔽体９と、こ
の遮蔽体９の上部に形成される密閉された冷却室２１
と、この冷却室２１内に配設されかつ冷却体７を輸送す
る冷却管２２と、前記冷却管２２に連通状態で取り付け
られかつ各半導体チップ１の露出面に先端を臨ませるノ
ズル６と、前記冷却室２１に溜まる冷却体７を外部に案
内する排出管２３とからなっている。そして、冷却体７
は図示しないポンプの駆動によって冷却管２２に送り込
まれ、ノズル６から噴射される。前記冷却体７として
は、水を始めとする液体やガスが使用される。

【００１９】半導体チップ１の裏面は、冷却体７が吹き
付けられて、半導体チップ１が直接冷却される構造とな
っている。半導体チップ１の冷却効果増大のための凹凸
パターン３は、たとえば図３に示すように、半導体チッ
プ１の裏面中心から外周に向かって流路２５を形成する
ように突部２６を配列した構造でも良い。図３におい
て、中心の円形パターン，この円形パターンの近傍から
外周に向かって延在する方形パターンおよび三角形パタ
ーンはいずれも突部２６となっている。そして、前記各
部の間が流路２５となる。この凹凸パターン３はエッチ
ングによって形成される。

【００２０】

【発明の効果】（１）本発明の半導体チップは、冷却体
が吹き付けられる露出面は冷却用凹凸パターンが設けら
れていることから、冷却面の増大によって冷却効率が高
くなるという効果が得られる。

【００２１】（２）本発明の電子装置は、チップ搭載基
板に搭載された半導体チップの裏面に直接冷却体を吹き
付けて冷却する構造となっていることから、効率的に半
導体チップの冷却が図れ、半導体チップの安定動作が可
能となるという効果が得られる。

【００２２】（３）上記（２）により、本発明の電子装
置は、半導体チップの裏面に直接冷却体を吹き付けると
ともに、半導体チップの裏面には放熱のための凹凸パタ
ーンが設けられていることから冷却効率はさらに高くな
るという効果が得られる。

【００２３】（４）上記（２）により、本発明の電子装
置は、半導体チップの裏面に直接冷却体を吹き付ける構
造となっていることから、ノズルと半導体チップ間に特
別の部品を必要とせず、装置全体が小型化されるという
効果が得られる。

【００２４】（５）上記（１）〜（４）により、本発明
によれば半導体チップの冷却効率が高い小型の電子装置
を提供することができるという相乗効果が得られる。

【００２５】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、
半導体チップ１の裏面の凹凸パターン３は、図４に示す
ように、丸棒状の突子（スタンド）３０を整列配置した
パターンでも冷却効率は高い。また、凹凸パターン３は
これ以外のパターンでも良い。なお、パターンによって
は、エッチングに代えて機械的研削で形成してもよい。
また、チップ搭載基板４等の配線基板や半導体チップ１
に影響を与えない冷却体７の場合には、遮蔽体９は必ず
しも必要としない。また、ノズル６や冷却管２２に廃し
て、冷却室２１に冷却体７を流入させかつ排出させる構
造で冷却を行ってもよい。

【００２６】図５は本発明の他の実施例による電子装置
の要部を示す模式的断面図である。この例では、半導体
チップ１の凹凸パターン３を有する裏面に対面するノズ
ル６が、矢印で示されるように左右に揺動する構造とな
っている。すなわち、ノズル６を有する冷却管２２が、
カバー２０に対して摺動できる構造となっている。これ
により、半導体チップ１の裏面全体に冷却体７が吹き付
けられることになり、半導体チップ１はより効率的に冷
却され、ＬＳＩチップは常に低温度状態で安定作動する
ことになる。

【００２７】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるコンピ
ュータを構成する命令プロセサおよびシステム制御装置
のＬＳＩチップを搭載した電子装置の製造技術に適用し
た場合について説明したが、それに限定されるものでは
ない。本発明は少なくとも半導体チップの裏面を直接冷
却できる構造の電子装置には適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による電子装置における半
導体チップの冷却状態の要部を示す断面図である。

【図２】 本発明の電子装置の要部を示す断面図であ
る。

【図３】 本発明の一実施例による半導体チップの模式
的斜視図である。

【図４】 本発明の他の実施例による半導体チップの模
式的斜視図である。

【図５】 本発明の他の実施例による電子装置における
半導体チップの冷却状態の要部を示す断面図である。

【符号の説明】

１…半導体チップ、２…電極（半田バンプ）、３…凹凸
パターン、４…チップ搭載基板、５…電子装置、６…ノ
ズル、７…冷却体、９…遮蔽体、１５…モジュール基
板、１６…リード、１７…半田バンプ、２０…カバー、
２１…冷却室、２２…冷却管、２３…排出管、２５…流
路、２６…突部、３０…突子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極が設けられない面に放熱のための凹
   凸パターンが設けられていることを特徴とする半導体チ
   ップ。
2. 【請求項２】 チップ搭載基板と、このチップ搭載基板
   の主面に実装された半導体チップと、前記半導体チップ
   の露出面に冷却体を吹き付けかつこの冷却体を回収する
   冷却機構とを有することを特徴とする電子装置。
3. 【請求項３】 前記冷却体が吹き付けられる半導体チッ
   プの露出面は放熱のための凹凸パターンを有する面とな
   っていることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
4. 【請求項４】 前記半導体チップはその周囲に遮蔽体を
   有しかつ前記冷却体はこの遮蔽体に遮られてチップ搭載
   基板の主面に対面する半導体チップ面側に流入しないよ
   うに構成されていることを特徴とする請求項２記載の電
   子装置。