JPH0689956A - 半導体ペレット及びそれを実装した冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却装置２０の循環冷却媒体２５で裏面が直
接冷却される半導体ペレット１において、耐腐食性及び
機械的強度を高める。又、これを実現できる冷却装置２
０を提供する。 【構成】 半導体基板の１つの素子形成面に複数個の半
導体素子が形成された半導体ペレット１において、前記
半導体基板の素子形成面と対向する裏面及び側面の全域
に、循環冷却媒体２５に対して化学的に安定な性質を有
し、かつ前記半導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を
有する金属層４を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ペレットの冷却
技術に関し、特に、半導体ペレットを直接冷却媒体で冷
却する冷却技術に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】大型コンピュータやスーパコンピュータ
の演算処理を行なうＩＣ，ＬＳＩ等の半導体ペレットは
高速バイポーラトランジスタを主体に搭載される。この
種の半導体ペレットはバイポーラトランジスタの動作速
度の高速化に比例し消費電力が増大し、半導体ペレット
の素子形成面からの発熱量が増大する傾向にある。半導
体ペレットの素子形成面の温度上昇はバイポーラトラン
ジスタの動作特性に変化を及ぼすだけに留まらず、素子
間を接続する配線が断線する等、半導体ペレットに回復
不可能な破損が発生する。したがって、半導体ペレット
の冷却技術が必要不可欠になる。

【０００３】一般的な冷却技術は、半導体ペレットが封
止されたセラミックパッケージ若しくはプラスチックパ
ッケージを冷却システムの実装基板に複数個実装し、前
記パッケージに放熱フィンを形成し、この放熱フィンが
前記冷却システムの水冷ジャケットに連結される。前記
水冷ジャケットは冷却水が循環し、この冷却水は半導体
ペレットから発生する熱を放熱フィンを通して吸収す
る。

【０００４】この種の冷却技術においては、半導体ペレ
ットと水冷ジャケットとの間の熱伝導経路にパツケージ
及び放熱フィンが介在されるので、放熱効率が充分でな
い。そこで、最近、このような課題を解決できる技術が
例えば特願平２−２４４４３２号（出願日 平成２年９
月１３日）に開示されている。この開示された冷却技術
は、冷却システムの実装基板の実装面にフェイスダウン
ボンディング方式において半導体ペレットが実装され、
この半導体ペレットの裏面に循環冷却流体を直接々触さ
せ、この半導体ペレットを冷却する。半導体ペレットは
所謂ベアチップとして実装される。この冷却技術によれ
ば、半導体ペレットと循環冷却流体との間の熱伝導経路
の熱抵抗をほとんどなくせるので、放熱効率を飛躍的に
高められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
冷却技術においては、以下の解決すべき点が配慮されて
いない。

【０００６】（１）前記半導体ペレットの裏面を直接循
環冷却流体で冷却する場合、半導体ペレットの裏面及び
側面がむき出しになっているので、半導体ペレットに直
接循環冷却流体中に混入された不純物が侵入する。不純
物としてはＮａイオンやＣｌイオン等があげられ、この
不純物は半導体ペレットの側面において半導体基板の素
子形成面とパッシベーション層との界面から侵入しやす
い。このため、特に半導体ペレットの素子形成面の周辺
領域においてアルミニウム配線や拡散層に腐食が多発す
る。

【０００７】（２）前記半導体ペレットは裏面及び側面
がむき出しになっているので、半導体ペレットを冷却シ
ステムに実装するとき、又この実装に先立ち搬送すると
きに半導体ペレットに欠け等の破損が多発する。

【０００８】本発明の目的は、冷却システムの冷却媒体
で裏面が直接冷却される半導体ペレットにおいて、耐腐
食性及び機械的強度を高めることが可能な技術を提供す
ることにある。

【０００９】本発明の他の目的は、冷却媒体で裏面を直
接冷却する半導体ペレットが実装される冷却システムに
おいて、前記半導体ペレットの耐腐食性を高めることが
可能な技術を提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。

【００１１】

【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。

【００１２】（１）半導体基板の１つの素子形成面に複
数個の半導体素子が形成された半導体ペレットにおい
て、前記半導体基板の素子形成面と対向する裏面及び側
面の全域に、冷却媒体に対して化学的に安定な性質を有
し、かつ前記半導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を
有する金属層又は合金層を構成する。

【００１３】（２）半導体基板の１つの素子形成面に複
数個の半導体素子を形成した半導体ペレットが前記素子
形成面と実装基板の実装面とを向かい合わせたフェイス
ダウンボンディング方式で前記実装基板に実装され、前
記半導体ペレットの半導体基板の素子形成面と対向する
裏面に冷却媒体を直接々触させ冷却する冷却装置におい
て、前記半導体ペレットの半導体基板の裏面及び側面の
全域に、冷却媒体に対して化学的に安定な性質を有し、
かつ前記半導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を有す
る金属層又は合金層を構成する。

【００１４】

【作用】上述した手段（１）によれば、以下の作用効果
が得られる。（Ａ）前記半導体ペレットの裏面及び側面
が熱伝導率が高い金属層又は合金層で被覆されるので、
半導体ペレットで発生する熱の放熱効率を高められる。
（Ｂ）前記半導体ペレットの裏面及び側面が化学的に安
定な性質を有する金属層又は合金層で被覆されるので、
半導体ペレットの耐腐食性を向上できる。（Ｃ）前記半
導体ペレットの裏面及び側面が金属層又は合金層で被覆
されるので、半導体ペレットの機械的強度を高められ
る。

【００１５】上述した手段（２）によれば、前記手段
（１）の作用効果が得られる冷却装置を提供できる。

【００１６】以下、本発明の構成について、一実施例と
ともに説明する。

【００１７】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００１８】

【実施例】本発明の一実施例である冷却装置に実装され
る半導体ペレットの概略構成について、図１（概略断面
図）で示す。

【００１９】図１に示すように、本実施例の半導体ペレ
ット１は単結晶珪素（Ｓｉ）からなる半導体基板を主体
に構成される。この半導体基板は１.４５〔Ｊ／cm・s・
Ｋ〕の熱伝導率を有する。半導体基板の素子形成面、図
１中、上側表面には図示しないが複数個の半導体素子が
形成され、この半導体素子は所定の回路システムを構成
する。半導体素子としては例えば高速バイポーラトラン
ジスタが主体として形成される。

【００２０】前記半導体ペレット１の半導体基板の素子
形成面上には、前記半導体素子間若しくは半導体素子で
形成された回路間を結線する配線層、絶縁層の夫々が交
互に積層された多層配線部２が構成される。この多層配
線部２の配線層はアルミニウム若しくはアルミニウム合
金又はそれを主体とした配線（例えば、バリアメタル層
上にアルミニウム合金を積層した積層配線）が配置され
る。前記アルミニウム合金はアロイスパイク耐性を高め
るＳｉ、マイグレーション耐性を高めるＣｕの少なくと
もいずれか一方が添加されたアルミニウムが使用され
る。絶縁層は例えば酸化珪素を主体に形成される。

【００２１】前記多層配線部２の表面上つまり多層配線
部２の最上層の最終保護膜の表面上には半導体ペレット
１の外部端子（ボンディングパッド）に対応した位置に
この外部端子に電気的に接続された電極３が配置され
る。この電極３は半導体ペレット１を冷却装置２０に実
装する際に使用される半田電極（バンプ電極）１０との
濡れ性が高く、この半田電極１０が電気的かつ機械的に
接続される。

【００２２】このように構成される半導体ペレット１
は、同図１に示すように、素子形成面と対向する裏面
（図１中、下側表面）及び側面（スクライブされた面）
に金属層４が構成される。この金属層４は、原則的に半
導体ペレット１に搭載された回路の動作で発生する熱の
放熱効率を高めることを目的として、熱伝導率が高い、
特に半導体基板に比べて熱伝導率の高い材料が使用され
る。また、金属層４は、半導体ペレット１が実装される
冷却装置２０において使用される冷却媒体（循環冷却媒
体２５）に対して化学的に安定な性質を有する材料が使
用される。この条件を満たす金属層４としては例えばＡ
ｕ（熱伝導率３.１〔Ｊ／cm・s・Ｋ〕）を使用する。Ａｕ
は電解メッキ法（電解液中において電気分解反応を利用
して生膜する方法）で形成し、例えば数〜数十〔μｍ〕
の膜厚で形成される。電解メッキ法は、スパッタ法、Ｃ
ＶＤ法、蒸着法のいずれの方法に比べても低温度におい
て金属層４を形成できるので、半導体ペレット１の半導
体素子や配線に損傷を与えない。

【００２３】また、前記半導体ペレット１の半導体基板
の単結晶珪素はへき界面が存在し非常に欠けやすいが、
前記金属層４としてのＡｕはこの欠けを抑制できる。つ
まり、金属層４は見かけ上半導体基板の機械的強度を向
上できる。

【００２４】前記半導体ペレット１は、図２（概略断面
図）に示すように、冷却装置２０に実装される。つま
り、冷却装置２０はその実装基板２１に複数個の半導体
ペレット１が実装され、この複数個の半導体ペレット１
は冷却封止体２２で封止される。前記冷却装置２０の実
装基板２１は図示しないが多層配線構造で構成され、実
装基板２１の実装面に配置された電極端子に半田電極１
０を介在して半導体ペレット１の電極３が電気的かつ機
械的に接続される。つまり、半導体ペレット１はこの半
導体ペレット１の素子形成面と実装基板２１の実装面と
を向い合わせたフェイスダウンボンディング方式で実装
基板２１に実装される。前記冷却封止体２２は実装基板
２１の周辺領域において接着層２３を介在して接着さ
れ、冷却封止体２２及び実装基板２１で冷却室２４が形
成される。

【００２５】前記冷却封止体２２の内部には半導体ペレ
ット１が実装された位置に対応した領域に冷却媒体供給
管２２Ｐが配管され、この冷却媒体供給管２２Ｐの半導
体ペレット１が実装された位置に対応した領域に冷却媒
体噴出ノズル２２Ｆが配置される。前記冷却媒体供給管
２２Ｐには図示しない循環冷却媒体供給源から循環冷却
媒体２５が供給され、この循環冷却媒体２５は冷却媒体
噴出ノズル２２Ｆを通して半導体ペレット１の裏面に噴
出される。循環冷却媒体２５は、半導体ペレット１の裏
面の金属層４に直接々触し、半導体ペレット１に搭載さ
れた回路の動作で発生する熱を吸収できる。循環冷却媒
体２５は例えばフロリナート液が使用される。

【００２６】次に、前記半導体ペレット１の裏面及び側
面に金属層４を形成する方法について、図３（各形成工
程毎に示す断面図）を使用し、簡単に説明する。

【００２７】まず、半導体ウエーハにダイシング工程を
施し、図３（Ａ）に示すように、半導体ペレット１を形
成する。

【００２８】次に、図３（Ｂ）に示すように、前記半導
体ペレット１の素子形成面上に保護膜６を形成する。保
護膜６としては例えばフォトリソグラフィ技術を使用し
たフォトレジスト膜を使用する。

【００２９】次に、図３（Ｃ）に示すように、前記半導
体ペレット１の裏面及び側面に電解メッキ法により金属
層４を形成する。

【００３０】次に、図３（Ｄ）に示すように、前記半導
体ペレット１の素子形成面に形成された保護膜６を除去
する。

【００３１】このように、（１）半導体基板の１つの素
子形成面に複数個の半導体素子が形成された半導体ペレ
ット１において、前記半導体基板の素子形成面と対向す
る裏面及び側面の全域に、循環冷却媒体２５に対して化
学的に安定な性質を有し、かつ前記半導体基板に比べて
熱伝導性が高い性質を有する金属層４を構成する。

【００３２】この構成により、（Ａ）前記半導体ペレッ
ト１の裏面及び側面が熱伝導率が高い金属層４で被覆さ
れるので、半導体ペレット１で発生する熱の放熱効率を
高められる。（Ｂ）前記半導体ペレット１の裏面及び側
面が化学的に安定な性質を有する金属層４で被覆される
ので、半導体ペレット４の耐腐食性を向上できる。
（Ｃ）前記半導体ペレット１の裏面及び側面が金属層４
で被覆されるので、半導体ペレット１の機械的強度を高
められる。

【００３３】また、（２）半導体基板の１つの素子形成
面に複数個の半導体素子を形成した半導体ペレット１が
前記素子形成面と実装基板２１の実装面とを向かい合わ
せたフェイスダウンボンディング方式で前記実装基板２
１に実装され、前記半導体ペレット１の半導体基板の素
子形成面と対向する裏面に循環冷却媒体２５を直接々触
させ冷却する冷却装置２０において、前記半導体ペレッ
ト１の半導体基板の裏面及び側面の全域に、循環冷却媒
体２５に対して化学的に安定な性質を有し、かつ前記半
導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を有する金属層４
を構成する。

【００３４】この構成により、前記構成（１）の作用効
果が得られる冷却装置２０を提供できる。

【００３５】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００３６】例えば、本発明は、金属層４に変えて、前
記半導体ペレット１の裏面及び側面に合金層具体的には
Ａｕ層の表面上にＣｕ層を積層した２層合金層（実際に
はＡｕ層とＣｕ層との間に両者の合金層が生成されるの
で、Ｃｕ／Ａｕ−Ｃｕ／Ａｕ層の３層合金層になる）を
構成してもよい。

【００３７】また、本発明は、半導体基板としてはＧａ
Ａｓ基板（化合物半導体基板、熱伝導率０.４６〔Ｊ／c
m・s・Ｋ〕）を使用し、金属層としてはＮｉ（熱伝導率
０.９１〔Ｊ／cm・s・Ｋ〕）を使用してもよい。

【００３８】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００３９】冷却システムの冷却媒体で裏面が直接冷却
される半導体ペレットにおいて、耐腐食性及び機械的強
度を高められる。

【００４０】冷却媒体で裏面を直接冷却する半導体ペレ
ットが実装される冷却システムにおいて、前記半導体ペ
レットの耐腐食性を高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である半導体ペレットの断
面図。

【図２】 前記半導体ペレットを実装した冷却装置。

【図３】 （Ａ）乃至（Ｄ）は各形成工程毎に示す概略
断面図。

【符号の説明】

１…半導体ペレット、２…多層配線部、３…電極、４…
金属層、２０…冷却装置、２１…実装基板、２２…冷却
封止体、２２Ｐ…冷却媒体供給管、２２Ｆ…冷却媒体噴
出ノズル、２５…循環冷却媒体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の１つの素子形成面に複数個
   の半導体素子が形成された半導体ペレットにおいて、前
   記半導体基板の素子形成面と対向する裏面及び側面の全
   域に、冷却媒体に対して化学的に安定な性質を有し、か
   つ前記半導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を有する
   金属層又は合金層を構成したことを特徴とする半導体ペ
   レット。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載される半導体基板は
   Ｓｉが使用され、前記金属層はＡｕが使用され、又は前
   記合金層はＡｕ層上にＣｕ層を積層した２層合金が使用
   されることを特徴とする半導体ペレット。
3. 【請求項３】 半導体基板の１つの素子形成面に複数個
   の半導体素子を形成した半導体ペレットが前記素子形成
   面と実装基板の実装面とを向かい合わせたフェイスダウ
   ンボンディング方式で前記実装基板に実装され、前記半
   導体ペレットの半導体基板の素子形成面と対向する裏面
   に冷却媒体を直接々触させ冷却する冷却装置において、
   前記半導体ペレットの半導体基板の裏面及び側面の全域
   に、冷却媒体に対して化学的に安定な性質を有し、かつ
   前記半導体基板に比べて熱伝導性が高い性質を有する金
   属層又は合金層を構成したことを特徴とする冷却装置。