JPH0770650B2 - 半導体装置の冷却方法 - Google Patents

半導体装置の冷却方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 優れた冷却効率で半導体装置を冷却する方法として冷媒
が循環する冷却構造体と半導体装置との接合層に液相と
固相との混合相からなる半凝固金属を用いる冷却方法。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置の冷却構造に関する。
情報処理装置の処理能力を向上するため、半導体ICを構
成するトランジスタからなる単位素子は電極寸法，導体
パターン幅，半導体領域などが極度に縮小されて小形化
しており、一方、素子数は増大してLSIやVLSIなどの半
導体装置が構成されている。
このように単位素子の小型化と高密度化が進むに従って
半導体装置の発熱量も膨大となり、従来の空冷方法では
半導体素子の温度を最高使用温度範囲内に保持すること
は不可能となった。
すなわち、今までLSIチップの発熱量は最高でも４ワッ
ト程度であったが、VLSIにおいては10ワット程度にまで
達しており、そのため半導体装置の冷却方法は従来の強
制空冷に代わって液冷が必要となった。
〔従来の技術〕
液冷構造として各種のものが実用化されているが、第４
図と第５図はそのうちの一例を示すものである。
すなわち、第４図はフラットパッケージ形半導体装置に
使用されている冷却構造を示すものであり、また第５図
はフリップチップ形半導体装置に使用されている冷却構
造を示すものであるが、これらの冷却構造は何れの形の
半導体装置にも適用できる。
第４図は半導体チップ（以下略してチップ）１が装着さ
れているフラットパッケージ形半導体装置（以下半導体
装置）２の伝熱基板３（例えばアルミナ基板）の上に弾
性伝熱体４を設け、この弾性伝熱体４を介して金属或い
はプラスチックからなるベローズ５を備えた冷却構造体
６に接続する構造になっている。
ここで、冷却構造体６には冷却水を噴出するノズル７と
排水口８が設けられており、冷却水は伝熱板９に噴射し
て冷却する方法をとることによりチップ１の放熱が行わ
れている。
ここで、半導体装置２と冷却構造体６を繋ぐ弾性伝熱体
４として例えばシリコンゴム中に熱伝導性の優れたセラ
ミック粉末を混和したものが用いられている。
第４図はフリップチップ形半導体装置（以下略して半導
体装置）10の冷却法として熱伝導が良く、表面が平滑な
金属ブロック（例えばアルミニウム）11を用いて行う構
造で、金属ブロック11は冷媒貫流管12が設けられ金属ブ
ロック11が挿入する凹部を備えた冷却構造体13にコイル
ばね14を介して嵌入する構造をしている。
ここでコイルばね14は多数配列している半導体装置10に
金属ブロック11を均一に加圧し接触させるためのもの
で、半導体装置10の放熱は金属ブロック11が接する凹部
側面とコイルばね14の存在空間に充填されているヘリウ
ム（He）など熱伝導のよいガスを通じて行われている。
このように各種の液冷構造が実用化されているが、何れ
も半導体装置と液冷装置との間にかなり高い熱抵抗が存
在しており、期待するような放熱効果を上げていない。
そのため熱抵抗を下げる次のような方法が提案されてい
る。
軟金属（例えばインジウム系金属）を圧着する方
法。
液状金属（例えば水銀）を介在させる方法。
半田を用いて両者を融着させる方法。
然し、の方法は圧着面に空気層の存在が避けられない
ために高い熱伝導は望めない。
の方法は粘度が低いために液状金属を流出による回路
の短絡の危険性がある。
また、の方法は半導体装置と液冷装置との熱膨張の違
いから応力の発生が免れず、使用を続けるに従って接合
位置にクラックを生ずると云う問題がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
LSI,VLSIなどの発熱量の大きな半導体装置を多数使用す
る情報処理装置においては従来の強制空冷方法ではチッ
プの温度を最高使用温度以下に保持することは困難であ
り、液冷方法をとる必要があるが、この際に半導体装置
と液冷装置との間の熱抵抗が高く、充分な冷却効果を挙
げていないことが問題である。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の問題はLSI,VLSIなどの半導体装置を冷媒を用いて
強制冷却する構造において、該冷媒が循環する冷却構造
体と半導体装置との接合層として液体と固体との混合相
からなる半凝固金属を用いる半導体装置の冷却方法をと
ることにより解決することができる。
〔作用〕
本発明は冷却構造体と半導体装置との接合層に半凝固金
属を用いるもので、これに該当するものとしてインジウ
ム（In）とガリウム（Ga）の固溶体を挙げることができ
る。
第２図はこの二成分系状態図であって、図に示すように
Inの融点は156.63℃であり、一方Gaの融点は29.78℃で
あり、この系の場合にInの重量％で24.5〜88％の範囲
（原子量％では16.3〜81.7％の範囲）に液相と固相との
混合相がある。
すなわち、同図において液相線15と固相線16により囲ま
れた領域が該当し、この組成範囲の固溶体は半導体装置
の使用温度範囲においては液状のGaの中に固体状のIn−
Ga固溶相が分散した形態をとり、固相と液相との比率お
よびIn−Ga固溶体の構成比は使用するGaとInとの成分比
に依存している。
また、第３図は40℃におけるIn−Ga二成分系のIn組成比
に対する粘度特性であって、50重量％以上の組成で3000
cP（センチポイズ）以上の粘度を示している。
例えば、Inが少ない組成では同図の状態図からGa融液中
にIn−Ga固溶体が僅か分散している状態を示し、Inの構
成比が増大するに従って液相の比率が減り、固溶体の比
率が増す。
本発明はこのような液相と固相とが分散している高粘度
のシャーベット状の二相混合体を半導体装置と冷却構造
体との接合層として用いるものである。
ここで、本発明の特許請求の範囲としてIn32〜93重量
％、残りGaの組成をとる理由は第２図の状態図において
縦軸の40℃の線と液相線15と固相線16との交点がそれぞ
れ32重量％と93重量％であるためで、40℃よりも低い温
度条件は半導体装置の動作状態では存在しないことによ
る。
第１図は本発明に係る半凝固金属を接合層に用いたフリ
ップチップ形半導体装置の断面図であって、第４図の従
来構造に対応している。
すなわち、半導体装置10と金属ブロック11との接合を半
導体の動作温度において高粘度でシャーベット状態を呈
する半凝固金属を用いて行うもので、これにより両者の
接合状態は完全となり、また低粘度化による流出や漏れ
による回路の短絡の恐れもなく、熱抵抗の低減化を実現
することができる。
〔実施例〕 第４図に示すフリップチップ形の半導体装置の冷却に本
発明を適用した。
ここで、熱伝導性のよい金属ブロック11は冷却構造体13
により側面から冷却され、またコイルばね部に充填して
あるHeガスを通じても冷却が行われている。
この場合、金属ブロック11と半導体装置10との接合する
半凝固金属として80重量％In・Ga固溶体を用いた。
この組成の固溶体は15.7〜88℃の範囲で二相混合体であ
り、粘度が高く、流出や漏れの心配はなく、熱的結合は
完全に行われており、半田を用いて融着した場合と同様
の低い熱抵抗値を得ることができた。
〔発明の効果〕
本発明の実施により、少ない接触力で充分な密着性を得
ることができ、また熱伝導度が極めてよいので、高い冷
却効率を得ることができる。
なお、本発明に係る冷却方法はフラットパッケージ形や
フリップチップ形に限らず、液冷構造をとるあらゆる構
造のパッケージに適用することができ、また半導体装置
以外の装置の液冷構造に対しても適用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る半凝固金属を接合層に用いた断面
図、 第２図はGa・In二成分系状態図、 第３図はIn−Ga二成分系合金の粘度特性、 第４図と第５図は従来の液冷構造を説明する断面図、 １はチップ、2,10は半導体装置、 ４は弾性伝熱体、6,13は冷却構造体、 ７はノズル、11は金属ブロック、 15は液相線、16は固相線、 18は半凝固金属、 である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝山 幸寿 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 川村 勲 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 山本 治彦 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 永井 武 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−196041（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−199546（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】LSI,VLSIなどの半導体装置を冷媒を用いて
    強制冷却する構造において、該冷媒が循環する冷却構造
    体と半導体装置との接合層としてインジウム32〜93重量
    ％残部ガリウムの液相と固相の二相混合体よりなりシャ
    ーベット状をした半凝固金属を用いることを特徴とする
    半導体装置の冷却方法。
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