JPS5839044A - 半導体装置用集積パツケ−ジ・薄膜熱交換器 - 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】 この発明は、集積回路チップ用の流体冷却薄膜熱交換器
、より詳細には発熱する集積回路装置に対し容易に熱結
合させることができ、かつ通常の・母ツケージに比べ寸
法を大幅に増加させることなく、通常のチップ・パッケ
ージ容積の中に納めることができる内蔵式冷却装置に関
するものである。

電力を消費する能動素子が多数集積されでいるＶＬＳｌ
チップや、そのよりなＶＬＳｌ集積回路チップを数百側
支持している回路板では、放熱が厳しい問題になってい
る。熱に対する設計が捷ずいと、装置の信頼性が低下し
、システムの性能が劣化するばかりでなく重大な製品故
障を起すことがある。これに対し、熱に対する設計が良
いと、電力を消費する装置を低い温度で動作させること
が可能なため、高い信頼性が得られる。一般に、装置の
温度を２０％下げることができれば、装置の故障率は三
分の−に減少するだろうといわれている。このため、超
小形電子素子の実装密度をさらに増加させることができ
るように大幅に改良されたヒート・シンク能力をもつ優
れた設計の冷却装置を求める声は強い。このように十分
な冷却を行なうことを追求していけば矛盾を生じる。す
なわち、テップ回路を小形化してより小さい領域により
多くの装置を実装することについては長足の進〉歩を遂
げつつあるが、他方では、これら多数の複合装置が発生
する熱を逃がすために、もつと大きなヒート・シンク装
置を必要とするのである。ヒート・シンクが結合された
半導体装置が太きくなれば、その結果、１個の回路板に
実装することができる装置数が減少することは明らかで
ある。

このため、第二の問題が生じる。すなわち、半導体テッ
プをこれ以上離して配置すると、ノヤツケージ相互間の
信号伝播時間が長くなるのである。

発熱問題に対する一つの一般的解決策は、小電力消費回
路技術を用いることであるが、大部分は回路性能や実装
密度の点で不利である。そのような引き換えのもつとも
良い例は、Ｎチャンネルモス（ＮＨＯ２）技術から相補
型モス（ＣＭＯ３）技術に切り換えで、テップの実装密
度を犠ｉにして電力消費を減らすことである。

二つの問題に対する最良の解決策は、この発明によって
提供されるものであるが、実質的には従来のテップ・ｉ
ｅクツケージ制約内ですべての必要な冷却を行なうこと
である。この寸法によれば、性能や実装密度で不利であ
り、またシステムの簡潔性やシステムの電子性能、特に
テップ間信号伝播時間を制限する大形の熱交換器配置を
用いなければならない低電力ＩＣ技術へ転換する必要は
ない。

最も一般的なｌＣノ＃ツケージ形式である通常のデュア
ル・インライン（ＤＩＲ）ＩＣノやソケーノは、限られ
た熱量、一般に３ワツト以下の熱量を放散するだけであ
る。実際の放熱能力は、使用するパッケージ材料の熱抵
抗によって決まる。たとえば、セラミック（普通は、ア
ルばす）・・ぐツケージは、高温に耐えうる装置能力に
したがって、標準形プラスチック・ノクツケージの約２
倍の熱を放散し、装置の温度をある最大設定値、通常は
周囲より３０−１００”ｌ：：高い温間以下に維持しよ
う。テップ支持体やほうろう引き金属等のヒートシンク
材料を含む多数のノ・イブリッドなど、最近入手可能な
新しい形式のパッケージはすべて、グリント回路板上に
装置を密集実装するという目先の要求に向けらねでいろ
。

しかしながら、これらのパッケージの大部分は、たとえ
強制対流空気冷却を用いたとしても、各自が放散する熱
はよないし１０ワツト以下である。この実装方法を用い
るためにチップの消費電力をできるだけ少くするという
試みは、その熱性能が非常に制限されるので、回路設計
者の自由度を大きく狭めることになる。

従来、ノｅツケージの放熱能力が不十分な場合は、標準
形パッケージにヒート・シンク装置を接着したり、ある
いは内部に組み入れることが一般に行なわれてきた。こ
の結果、実装密度が小さい、全体に大形のさまざまな構
造になってしまったが、それは、パックー　ジ間信号伝
播時間をできるだけ短くするためＶＬＳｌに極度の簡潔
性を要求するという原理に反する。通常の強制空気冷却
を大いに使用したとしても、／−クツケージ当りの大き
な熱放散と高密度配置の両方を得ること、すなわちプリ
ント回路板の上にそのような大形のヒート・シンク／パ
ッケージ組立体を“実装“することが不可能であること
は、技術者にはわかっている。

低電力レベルにおいては対流空気冷却で十分であること
が立証されたこと、および液体管路を電子装置キャビネ
ット内に配管することは、腐食、洩れ、および結露のお
それがあるなどもつともな理由があって、過去、集積回
路を冷却するために液体装置を使用することはまれであ
った。いくつかの電力装置は液体冷却を採用しているが
、それらは一般に冷媒と発熱素子間の熱結合が悪いため
、比較的大形である。現在使われている液体冷却装置の
大きな欠点は、発熱素子とそれらのヒート・シンクとを
熱接触させる上で非常な注意が必要なことである。その
熱鏡界面は伝導性が悪く、容易に再現可能な低い熱抵抗
が得られない。上記の難点はあるが、液体冷却式ヒート
・シンク装置は、一般に空気冷却式装置に比べて小形で
あり、相対的な必要容積の例として、１２００ｃｍ　　
（ｊｏｏｌｎ　　）のヒート・シンク容積を必要とする
強制空気冷却装置は、り♂≠〜１９乙ざの　（ｚＯ〜八
Ｕ八日１ｎ３液体冷却装置で置き換えることが可能であ
る。液体冷却から得られるもう一つの利点は、キャビネ
ットを空気冷却するときの困難な問題、すなわち音響干
渉を最小限にできることである。

装置の設計および密集実装が、それぞれ／Ｑ０−ｉｏｏ
ｏワットを放熱できるようにするには、液体冷却を必要
とすることは明らかであり、その改良が必要である。そ
の改良は装置を回路板上に密に実装することができるよ
うに、かきを大幅に減少させることを含んでいなければ
ならない。冷却される装置（半導体テップ）は、冷媒に
さらされる可能性が、たとえＰＰＭ　（百方分率）の程
度であってもないように、高度の水密性がなければなら
ない。そして、ユーザが“きつく締った“配管接続部を
切り離すことなく、装置をプリント回路板に容易に取り
付けたり、取り外したりすることが可能でなければなら
ない。

以上のことから、この発明の目的は、標準形としての基
本的なりＩＲすなわちチップ支持体形態を保持しながら
、そのような／やツケージを回路板に近接して配置する
ことができ、なお、それぞれが１ｏｏ−ｔｏｏｏワット
放熱することができろ実装方法を提供することである。

これにより、回路設計者は常に性能が最適になるように
設計する左とができよう。この目的は、この発明の場合
、すぐれた熱伝達特性をもつヒート・シンク装置を提供
することによって達成されており、このヒートシンク装
置では装置・母ツケージ内に熱交換器が組み込まれてい
るので、ユーザに重要な接続な°させることはない。

液体冷却は、要求された小形で、大きな熱容量のヒート
・シンクの実現を可能にする技術であることは間違いな
い。その方法の一つ力１、アイビーエム技術会報（ＩＢ
Ｍ　ＴｅａｈｎｌｃａｌＤｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌ
ｌｅｔｉｎ　）　、第、２０巻、第２号、ｌり７ｇ年２
月号第３７≠２頁及び第３７グ３頁に掲載された「集積
回路テップの液体冷却（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｏｏｌｌｎｇ
　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｃｌ　Ｃ１ｒｃｕｉｔＣｈ
ｉｐｓ　）　Ｊと題する論文に開示されているＯその論
文はシリコン回路テップ１に溝付き冷却チップ２を接合
した形式の熱交換器を開示している。冷却チップには、
幅／２７μｍ　　（５ミル）、深さ６００μｍ　　（２
４４＜ル）の放電加工溝５が間隔２ｊ≠μｍ　　（ｉｏ
ｔル）で設けられでおり、そこを通して適当な冷媒が入
口ポートから出口ポートへ流れるようになっている。冷
却チップの厚さは回路チップのそれの≠倍であり、冷却
テップを組み込んだノｅツケージは比較的小形にするこ
とができる。この冷却方式の大きな欠点は、清浄さが重
要である能動装置の裏面に直かに作られる冷却溝の形成
方法が、複雑かつコスト高であることである。その他の
欠点としては溝のあるシリコンが脆弱なこと、溝の幅と
深さに制限があること、および放電加工に用いる工具の
寿命が短かいことである。なお、はマ標準外形を有する
汎用パッケージにこの冷却装置を組み込むことは、何ら
表示されでいない。

以下の検討゛において、用語、ノクツケージの［熱抵抗
Ｊは、慣用されているように、電気抵抗に類似する仕方
で使用されている。熱の通過に対する抵抗は、消費した
電力単位当シの温度上昇すなわち℃／ｗａｔｔで定義さ
れる。したがって、装置の温度上昇は、℃／ｗａｔｔ（
熱抵抗）と消費されるワット数との積である。

アイ・イー・イー・イー電子装置論文誌（ＩＥＥＥＥｌ
ｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）第１
巻ＥＤＬ　−２、第５芳、／９ｇ／年Ｓ月号に掲載され
た、夕・ツカ−マン及びビーズ（Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ　
ａｎｄ　Ｐｅａｓｅ　）両氏による最近の論文、表題「
ＶＬｓＩ用の高性能ヒート・７ンク（Ｈｉｇｈ−Ｐｅｒ
ｆＯｍａｎｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｓｉｎｋｉｎｇ　ｆｏｒＶ
ＬＳ　＋目の中に、半導体、異方性エツチング法を用い
て集積回路の裏側に直かに溝を形成する超小形の実験用
液体冷却熱交換器が記載されている。このヒート・シン
ク構造は、チップ面積／ｃＩ！当り７０００ワット以上
の回路出力密度をもつ装置を冷却することが可能である
と考えられる。第１図に示されているように、集積回路
チップに組み込まれた強制液体熱交換器は、幅５０ミク
ロンのリプによって分ＮＩ］れた幅Ａ−０ミクロンの一
連の微細溝に、異方性を考慮してエツチングされた１ｃ
シリコン基板から成っておシ、その微細溝の深さは、全
厚４００ミクロンのシリコ２、・チップに対し約３００
ミクロンである。溝をおおってノぐイレツクス・カバー
・プレートがシリコン基板に接着されておシ、そのおお
われた溝に強制的に水が通される。この熱交換器／チッ
プ構造は、ａ、、ｏｑ℃／　Ｗａ　ｔ　ｔの熱抵抗を示
すことがわかった。りｑ。

ｗａｔｔ／ｃｒ！の出力密度において、／ｃｒＩの電力
消費シリコン装置について測定された基板温度上昇は、
入口水温から最高７／’Ｃであった。この結果は、望ま
しい範囲に十分入っている。前記１８Ｍ技術会報記載の
ヒート・シンクよシすぐれている前記ｌ　ＥＥＥ　　電
子装置論文誌記載のヒート・シンクによって実証された
重要な改良点は、より微細な溝形を可能にし、その結果
熱伝達の効率をよくするすぐれた溝形成方法にある。

微細な溝を加工し、ＩＣチップの裏側を水冷す多概念は
、高出力密度実装問題を解決する方法として非常に期待
できるものであることが立証されだが、経済性があって
大形のＶＬＳ　Ｉの信頼性のある製品設計の形では、ま
だ実際に実施されていゼい。その障害の理由は、明らか
に、どの熱交換器の設計であれ、既存のＩＣ製造工程を
変更し、もしくは複雑にするものは、少なくとも短期間
は、生産が落ちてコストが上昇するからである。前記Ｉ
ＥＥＥ電子装置論文誌によって教示されたシリコン装置
に直かに冷却溝をエツチングすることを含む冷却方法の
実施は、この範ちゅうに入る。特に、最大深さの個所に
、多数の溝が入シ込むことに付随して応力が集中し、チ
ップはますます脆弱になる。その上、水その他の冷媒が
シリコン基板に直接接触しているため、残っているシリ
コン基板材料を透過し、または冷媒から能動装置区域を
隔離するために必要なチップの周縁シーリング面を通過
して、水まだは水中の不純物が浸入する危険がある。さ
らに、使用中、先に述べた鋭い溝の先端に、冷媒圧力（
とその変動）による大きな、応力集中が生じ、そのため
脆い先端が最後には折れてしまうであろう。また、広範
囲にわたって周縁シールを配置して、冷媒の洩れを防止
し、シールの能動装置側の水蒸気の凝結を！；　Ｏｐｐ
ｍ以下にすることは、難かしい問題である。そのシール
は、チップとカバーとの境界面もしくはチップ自体の面
内のある周囲層とｑつのチップ縁との境界層のいずれか
に形成することができる。前者の場合（第２図参照）、
シール面に対し有効な溝のある熱交換器面を設けること
はあきらめざるを得す、後者の場合には、複雑な非平面
の接合を行なわなければならない。

前記Ｉ　ＥＥＥ　　電子装置論文誌　　に述べられてい
るように、熱源すなわち電力を消費する能動ｖＬｓ　＋
回路素子とヒート・シンクすなわち流れている冷媒との
間の全熱抵抗θ工。工け、独立した抵抗成分θ　　（伝
導項）、θ　　（対流項）、おＧＯＮＤ　　　　　　　
Ｃ０ＮＶ よびθ　　（冷媒−加熱項）の和として取扱うとＥＡＴ とができ＼や。構台された微細溝付きシリコン・ヒート
シンク／チラノ構造の全熱抵抗は、消費された電力単位
当りの能動回路素子の温度上昇、すなわち’Ｃ／ｗａｔ
ｔ単位として表わされる。発熱する能動素子面と溝のも
つとも深く入り込んだ点との間の熱抵抗はθ　　で与え
られる。θ　　は、溝にＣ０ＮＤ　　　　　　　　　Ｃ
０ＮＶ 沿って、そのとき溝から冷媒への熱の伝達に関係する熱
抵抗から成っている。溝壁内の熱伝導は便宜上θ　　項
に一括されている。θ　　は冷媒にＣ０ＮＶ　　　　　
　　　　　　　ＨＥＡＴよる熱の受容のし易さに関係す
る熱抵抗から成つ実施に伴う障害は、この発明に係る改
良された薄りにまさっているこの発明の諸利点の一つは
、シリコン自体に直接ではなく製造形態において液体冷
却用微細溝の概念を実際に実施で１きることである。さ
らに、この薄膜熱交換器は、冷却される溝のないＩＣチ
ップに接合し、直接熱接触させることを意図しているの
で、シリコンよ勺も大きな熱伝導率をもつ選ばれた金属
で作ることができるため、改善された熱性能を得ること
ができる。これにより、熱対流の効率は改善されて、全
部シリコンの方法を上まわり、この結果、θ　　項の緩
和ＯＮＤ すなわち大きくすることが許されるので、シリコンから
溝をなくして適度に厚クシ、割れに対する抵抗を大きく
することができる。前記Ｉ　ＥＥＥＥＥＥ子装置論文誌
の方法と同じ熱抵抗を有し、かつ前述した欠点がない構
造という目標は、溝のないシリコンＩＣを使用し、優秀
な金属熱交換器をそれに組み付けることによって達成さ
れている。この金属ヒート・シンクをＩＣチップより若
干大きく作ることによって、チップ全体を均一に冷却す
ることができ、またその面積の１００％を最大限熱交換
に利用することができる。さらに、この発明の改良され
た薄膜熱交換器−け、利用可能な大きなシール面を有し
、そのいずれもが冷媒と能動チップとを隔離することに
依存していない閉じた集積ユニットになろう。

この発明の一つの形態は、発熱する能動電子回路素子が
塔載されている集積回路半導体チップのだめの集積パッ
ケージ・薄膜熱交換器である。熱交換器は、チップの片
側に直接熱接触しているダクト・プレートと、ダクト・
プレートに密閉して接触しているダクト・プレート・カ
バーとを有し、ダクト・プレートには微細溝区域によっ
て隔てられた入口側冷媒室と出口側冷媒室とがあシ、ダ
クト・プレート・カバーには両冷媒室と一直線をなす入
口ポートと出口ポートとがある。これらにより、ダクト
・プレートとダクト・プレート・カバーとは、協同して
冷媒が流れる空胴を形成し、この空胴内を、冷媒が半導
体チップに近接して、しかしチップには物理的に接触す
ることなく通過するようになっている。

この発明とそれに付随する諸利点は、添付図面に関する
以下の説明を読むことによって、いっそう理解すること
ができよう。

次に、図面について詳細に説明する。第１図は前記Ｉ　
ＥＥＥ電子装置論文誌に開示された微細溝付きヒート・
シンク・シリコン・チップを示す。テップ１０の上面に
は多数の能動回路装置１２が配置されている。その実験
用チップの面積は／ｃｒｌ。

厚さは約７００ミクロンである。チップの下面には幅約
５０ミクロンのリブ１６で隔られた深さ約３ｏｏミクｏ
ン、幅約５θミクロンの溝１４から成る微細溝のパター
ンがエツチングされている。

適当な流体冷媒、この場合には水、の流れを溝内に制限
し、かつ加えられた圧力のもとて矢印２゜の方向に流れ
るように、チップの下面にカバー・プレート１８が接合
されている。前記Ｉ　ＥＥＥ電子装置論文誌の内容は、
理論的熱性能の実験的証明を報告しているだけであシ、
製造可能性や信頼性の実際問題には触れていない。たと
えば、量産に適した形態の場合、どのようにして冷媒を
確実に封じ込め能動装置面に至らないようにするかにつ
いては教示していない。

このため、第２図に、量産に適した方法で冷媒を封じ込
めることができるように修正した形式の前記ＩＥＥＥ電
子装置論文誌記載の装置の変形例を示す。シリコン・チ
ップ２２は、チップ縁までは完全に延びていない溝２４
とリプ２６を形作っている微細溝パターンで、エツチン
グすることができる。シーリング・リッジ３０で取シ囲
１れた周囲溝２８は、適当な手段でＩＣチップに接合さ
れたカバー・プレート３２と共に水密室と平面のシール
面を形作っている。カバー・プレートの冷媒入口ポート
３４と冷媒出口ポート３６は、適当な冷媒導管に接続さ
れる。能動回路装置が配置されている区域全部の下に冷
媒がくるのを、シーリング・リツ７’３０が妨げている
ことは、容易に気づかれよう。この結果、テップを通る
冷媒までの熱通路は、周辺にあるいくつかの回路装置に
対しては長くなり、冷却効果と熱の均一性は低下しよう
。

さらに、脆いシリコン・シーリング・リップ面３０は、
取扱いの際に、欠けたり、ひび割れしがちで、このため
冷媒の洩れを招くことがある。

第３図に、標準形側面ろう付はセラミックＤＩＰパッケ
ージと同じ外形をもつ、この発明に係る集積ＩＣノぐツ
ケージ・熱交換器の一つの実施例を示す。この発明のた
めに若干修正されているが、通常の外形をもつセラミッ
ク・デュアル・インライン・ノＪ？ツケージの中にＩＣ
チップ３８が入っている。パッケージは、一般にアルミ
ナなど適当なセラミックで作られた支持層４０から成シ
、その上方にノやツケージ・リード・フレーム４２（あ
らかじめ作られたクモ状の金属電気中間接続部）が配置
され、その内部にチップ空胴が形成されている。

リード・フレームは、普通のセラミックＤＩＰパッケー
ジに使用されているように、再流動化されたガラスなど
適当な融着手段４６により、支持層４０と中間層４４の
間に、融着サンドインチ加工でしつかシ固定されている
。リード・フレームの内側リードからチップ・接合′−
ソツド４８への電気接続は、図示のように電線結合５０
により従来通シ行なうこ′ともできるし、あるいはテー
プ自動化連結接合法によシ完全に自動的に行なうことが
できる。パッケージの縁には、外部リード５１（第を図
参照）がリード・フレーム４２または層４０で支持され
た他の接続パターンに電気的に接続されている。適当な
融着手段５４で中間層４４に接合されたカバー・プレー
ト５２は、既知の仕方で／Ｆツケージの上部を形作って
いる。リード・フレーム４２は、通常の高品質側面ろう
付は水蜜性・母ツケージと同様に、スクリーン焼付けに
よる薄膜連結パターンによって得ることができる。

薄膜熱交換器５５け、ダクト・プレート５６とダクト・
プレート・カバー５８から成っている。

ダクト・プレート５６は金属で作られたものが好ましく
、支持層４０とカバー５８の間にはさまれており、カバ
ー５８はアルミナで作られたものが好ましい。溝の反対
側のダクト・プレート面へのＩＣチップの接合は、θＣ
０ＮＤをできるだけ小さくするため非常に薄い接合層で
行なうようにすべきである。ＩＣの反対側の面には、１
ｃに近接して、すなわち水密性隔壁として働く十分な厚
さを有する溝のない金属部分６４のわずかな厚さの分だ
けＩＣから隔てられている、溝６ｏとリプ６２がら成る
微細溝が、ダクト・プレート５６に設けられている。さ
らに、冷媒入口側室６６と冷媒出口側室６８が設けられ
ている。それらの断面積は個々の溝すなわちダクトの非
常に小さい断面積に比べて大きく、この結果、溝配列自
体の範囲内に冷媒流に対する最大抵抗区域があるため、
確実に最適の性能が得られる。入口ポート７０と出口ポ
ート１２とがマニホルド６６と６８とに一致するように
、ダクト・プレート・カバー５８がダクト・プレート５
６に固定されて、パッケージができ上っている。それゆ
え、冷媒が熱交換器５５を通って流れるとき、冷媒の流
れはパッケージ内の流路に制限され、そこからチップへ
洩れ路ができる可能性はない。チップ全体を確実に均一
に冷却するため）ダクト・プレート５６の微細溝のある
区域はチップの全平面寸法に完全に及ぶようにすること
が好ましい。ダクト・プレートの溝のない周縁区域は、
容易にパッケージの外形寸法と同一外延にすることがで
きるから、ＩＣチップへの可能性のある直接の洩れ路は
まったくない。図示のように、パッケージは、冷媒通路
が内部に適当に設けられている配線板７４（想像線で示
す）などの取付面の上に装置または挿置することができ
る。ノｆツケージと取付は面との間には、圧縮されたシ
ーリング・リング７６と高度に研摩されたシーリング面
からなる防水シーリング装置が設けられている。

図示の簡単な方法により、・ヤツケージの下面は滑らか
でかつ平らなものにすることができる。そのような平滑
な面は容易に得ることができるばかりでなく、たとえ擦
り傷が付いても微細研摩紙でちょっとこするだけで容易
に再研摩することができる。

熱伝導率をできるだけ太きくシ、かつ製作を、容易にす
るため、薄膜熱交換器５５のダクト・プレート５６は銅
もしくはその合金などの金属で作ることが好ましい。そ
れは通常の析出法やエツチング法を使って作ることがで
きる。そのもつとも・簡単な方法は、適当な厚さの金属
シートまたは帯片に多数のダクト・プレートを加工し、
次にそれらを切り離し、接合してノクツケージにするこ
とであろう。極度に薄いダクト・プレートを用いること
が要求される場合には、脆さが大きくなるため、それに
代る製作法が要求されるかも知れない。しかしながら、
はとんどの要求は個別製作によるダクトプレートで満足
させることができるものと思われる。すべての乾式およ
び湿式エツチング法のほか、被覆析出法やのこ引き加工
も可能性のある製作方法の候補である。いずれにせよ、
微細溝の寸法、使用される特定の合金、およびプレート
の必要個数により、もつとも経済的な製作方法が決まろ
う。湿式エツチングを使用する場合は、正しく異方性エ
ツチングをするのは困難であるから、個々のダクトの溝
断面形は、図示の矩形とは異ったものＫなると思われる
。必要なエツチングの異方性を決めるのけ、溝の縦横比
すなわち溝の深さと溝の幅との比である。この比が大き
くなる（深く狭い溝になる）に従って、溝加工に要求さ
れる異方性は大きくなる。

金属はシリコンよシも３倍も熱伝導率が大きく、ダクト
壁内のこの熱伝導は前述の通シθ　　項の０ＮＶ 一部として取り扱われるから、金属ダクト構造は第１図
および第２図に示したそのシリコンの対応、物より覗熱
伝導の効率がよい。シリコン微細溝付き構造（前記Ｉ　
ＥＥＥ電子装置論文誌によって通常のパノケーノ取付け
のヒート・シンクより数段すぐれていることが立証され
た）と同じダクト溝寸法をもつ銅の薄膜ダクト・プレー
トを使用すれば、対流の熱抵抗θ。。ＮＶはｌＩｏチ減
少しよう。対流成分θ。。ＮＶによる熱交換器の最終性
能は／／ＪｋＷに比例するから、これは正しい。ここで
、ｋｌｊダクト壁の材料の熱伝導率である。（前記ＩＥ
ＥＥＥＥＥ電子装置論文誌を参照）。この発明では、ｋ
Ｗは３倍に大きくなるから、θ　　は／／カー倍だけ小
さＯＮＶ くなる。しかし、第３図および第７図に示すように、新
しいθ　　には、厚い溝のないシリコンのＯＮＤ 区域と薄い溝のない銅の区域が含まれる。

前記Ｉ　ＥＥＥ電子装置論文誌の研究において、研究し
た熱交換器の条件に対し、代表的なθＨＥＡＴは約０−
０−２　’ＩＶＷａ、ｔ　ｔ　％θ　　は約０．００７
℃／ｗａｔｔ（厚ＯＮＤ さ１００ミクロンのエツチングしないシリコン区域）、
およびθ　　は約０．θ乙０℃／ｗａｔｔであるＯＮＶ ことがわかった。θ　　項を指示された通りグθＯＮＶ チだけ減少させることによシ、約０．０２４’　Ｖｗａ
ｔｔが得られる。これは、前記Ｉ　ＥＥＥ電子−置Ｎ文
誌の研究におけるθ　　を代表する７００００ミフロン Ｏ３００−ｌＩＯθミクロンのシリコンを追加すること
によって都合よく得ることができる。溝のなイ銅区域を
１００−２ｏθミクロンよす薄くシ、かつチップの材料
自体は減るがそのために厚さが大きく増すことはないダ
イ・アタッチ（ｄ　ｉｅ　ａｔｔａｃｈ）を使うことに
よシ、境界面接合および薄い銅区域が約０．００２−０
．００４１　℃／ｗａｔｔ以下にすることに寄与できる
。はとんどの装置は、前記Ｉ　ＥＥＥ電子装置論文誌に
指示された通りに７９０　ｗａｔｔ／ｃｒｔｔ以上を消
費しないであろうから、θ。。ＮＶをある程度高くする
ことができ、したがって、チップを数百ミクロンの厚さ
、すなわち、装置製造者に供給される普通のシリコンの
厚さ、一般に７ｏθ−１０００ミクロンに等しくするこ
とができる。

微細溝およびマニホールドをエツチングする場合にけ、
正しく溝の形状を制御して、溝６ｏが入り込まない非エ
ツチング部分６４が熱応力に耐える適度な厚さを有し、
かつ冷媒の洩れを防ぐ十分な水密性をもつようにするこ
とが重要である。非エツチング部分の厚さを良好に制御
するため提案された方法は、ダクト・プレートが多層金
属で作られていることに基づいている。溝のない区域は
微細溝のある区域よりも、エツチング速度が２−なり小
さい金属から成っていて、このため、溝のない区域を作
っている金属はエツチング・ストップの役目をする。た
とえば、銅層をニッケル・メッキすることにより、メッ
キは調湿式エツチングに対するエツチング・ストップに
なり、非エツチング区域の厚さ、すなわちニッケル・メ
ッキの厚さを正確に定める。ダクト・プレート金属の非
エツチング部分６４は、極めて薄いが、そのまま残って
、均一な厚さになろう。

は”：　／　０００　ｗａｔｔ／ｃｒ／ｌが得られる高
性能の溝形状は、３０ミクロンの溝で、それぞれの深さ
が３００ミクロン（前記Ｉ　ＥＥＥ電子装置論文誌によ
って提案された）、中心間距離が７００ミクロンで、溝
のない区域の厚さが２００ミクロンにな°ろう。

これにより、ダクトグレート全体の厚さけ５θＯミクロ
ンになる。この溝の形状は、乙：／の太きな縦横比を有
しており、たとえば、被覆析出法、電鋳法、乾式エツチ
ング法あるいは機械的のこ引きなどの製作方法が必要と
なろう。湿式エツチングは適当ではなく、おそらく／に
近い縦横比をもつ大きな非矩形溝の形成に限られよう。

この発明の熱交換器に付随する重要な形態上および温度
低減上の利点のほかに、得られるもう一つの重要な利点
は、その温度サイクルに応じてシリコン・チップに加わ
る疲労を起す繰返しせん断応力を最小にすることである
。せん断応力は、温度変化を受ける二個の堅固に接合さ
れた異種金属間の熱不整合（熱膨張係数の相違）によっ
て生じることがある。シリコン・チップとそれが接合さ
れている支持体との間の伸縮率の相違は、両者間の接合
を引き裂き、あるいは、さらに悪く、チップをひび割れ
させることがある。この発明の場合は、ダクト・プレー
トの溝のない部分６４を十分薄くすることができるので
、大きな膨張率によって剛性の大きなシリコン・チップ
に生じる応力は極めて小さい。ダクト・プレートの溝の
ない部分の厚さは、前述の全面金属ダクト・プレートの
場合、シリコン・チップ厚さの約１０−３０％にするこ
とを推奨する。溝のない区域６４はそのように薄いので
、この区域を、熱伝導率はまあまあであるが極度に薄い
金属よりも水密性がすぐれている非金属材料で作ること
ができるものと思われる。

もし、チップに裏面電気接触のために金属取付は面が必
要ならば、勿論、非金属の溝のない区域に薄いメッキを
施すことができよう。

一般に、ダクト・プレートの溝のない区域の厚すカ弘θ
−３００ミクロンの範囲のとき、ヨイ結果をもたらす。

前述の通り、ダクト・プレートには溝が作られるので、
残っている溝のない区域の厚さはシリコン・チップの厚
さに比べて小さい力；、この区域を薄くし過ぎると、そ
の剛性が低下し、その結果ダイス型取付すの際過大なた
わみを許すだけでなく引き裂かれて冷媒が洩れる可能性
力（犬きくなる。逆に、厚くし過ぎると、そのθ。。、
。およびチップに生じる熱応力が大きくなる。所望であ
れば、熱交換器５５にチップを取り付ける前に、ダクト
・プレート５６にダクト・プレート・カバー５８を接合
すれば、微細溝の反対側の熱交換器面の剛性および曲げ
剛さけ大きく増強されるから、熱交換器とチップの接着
工程の結果は改善されよう。しかしながら、この方法は
、カバー５８が半導体チップの膨張係数にびつだり一致
する膨張係数をもたない限り、非常に大きな熱応力をチ
ップに生じさせる可能性がある。　５．。

もう一つ考察すべきことは、ダクト・プレート５６の溝
のない部分に加わる冷媒圧力の影響である。第２図およ
び第３図構造において、／θｄ／ｓｅｃの冷媒流量と、
７０ｐｓｉの冷媒圧力（前記Ｉ　ＥＥＥ電子装置論文誌
の研究において提案された）により、チップは上方に押
され、ダクト・プレートはねじ曲げられよう。これが起
るのを防ぐため、チップ３８を支持層４０に機械的に接
合するという簡単な方法を用いることができる。

層５６と５８の位置を逆さまにして、グク［・・プレー
ト・“カバー”がシリコン・チップに接触するようにす
ることは、この発明の範囲に含まれる。このようにすれ
ば、簡単な溝のない非常に薄い層５８がチップとの境界
面になろう。この結果、水密性が事実上唯一の考慮事項
になり、ダクト・プレートの溝のない部分の厚さを十分
に大きくすることができるから、溝の深さの制御と、溝
のない部分６４の構造的および熱的完全性は事実上問題
でなくなる。その実施例の構造は、第３図および第り図
実施例に似ていて、熱交換器５５を逆さまにしたものに
なろう。勿論、そ−のときは遠い方のダクト・プレート
に入口および出口マニホールドｓｓ、ｓａ番影形成るこ
とになろう。

シリコン・チップに直接熱交換器をほとんど応力が生じ
ないように取り付けることから得られる利点は、伸縮の
幅がよシ大きな大面積のＶＬＳ　ｌにおいて、いっそう
明白になろう。第３図および第９図に示しだこの発明の
形態の場合でも、溝の方向にダクト・プレートの剛性が
大きいため、溝を横切る方向よりも溝の長手方向の応力
はかな９大きくなろう。そのような大きな面積に使用す
るのに特に適しているこの発明の実施例を第Ｓ図に示す
。この実施例においては、それぞれの溝壁６２に多数の
狭い横スリット７８が設けられている。

これらのスリットは、溝方向の熱交換器５５の機械的剛
性を低くする働きをする。流体冷媒が溝のある区域を通
過するとき、流体冷媒の流れが主として個々の溝に制限
されるように、スリット７８は溝６０よシ狭くすること
が望ましい。

次に、連結接合自動組立工程として知られ、またテープ
自動化接合法と呼ばれることが多い自動製造方法を示し
た第６図について説明する。スプロケット付き非導電性
フィルム８ｏばあらかじめ製作された一連のクモ状の金
属（通常は銅）電気接続部を支持しており、この電気接
続部はチップ端子４８（第３図および第７図参照）に整
合され、それらの内側端部がチップ端子に接合される。

次に、クモ状ｉｅターンの外側リード端部が相手側のパ
ッケージ端子に接合される。単に接続部の支持体として
の役目をしていたテープの残部は切り捨てられる。この
発明の金属薄膜ダクト・プレート５６をノＪ？ツケージ
に組み込む場合も、同じ方法を用いることができる。自
動的にパッケージを製造する場合、ダクト・プレート５
６も同様に連続スプロケット付きテープ８２上で供給す
ることができる。ダクト・プレートはスプロケット付き
シンスナック・テープの上に配置されており、もしくは
テープ上の薄い金属膜に適当にエツチングされており、
図示のように、シリコン・チップ３８の裏面に正しく合
わされ、接合される。チップとダクト・プレートめ接合
工程の前または後に、冷媒人口１０と冷媒出口１２をも
つカバープレート６８がダクト・プレートに合わされ、
接合されて薄膜熱交換器組立体ができ上る。注目された
いのは、この熱交換器は、パッケージの大きさをほんの
少し増すだけで、本質的に標準形のパッケージ形状内に
未だかつてない密度で高電力装置を密集実装することを
可能としていることである。この結果、通常用いられて
いるかさ張る方法は回避され、短かいパッケージ間信号
伝播時間が首尾よく達成されている。冷媒を再循環させ
る場合には、冷媒自体を冷却する何らかの方法を用いる
ことができる。

この発明の薄膜熱交換器のもう一つの取付は配置は、熱
抵抗をさらに引き下げることができるもので、シリコン
・チップの表側の能動面に薄膜金属熱交換器を取り付け
ることによって得られる。

その場合、熱交換器は非常に薄い電気絶縁性の接着膜で
発熱する装置から隔てられるだけである。

そのようにすれば、シリコン・チップの厚さに帰因する
熱抵抗の項すなわちθ。。ＮＤ−３ｉを除くことができ
る。接着膜に帰因する非常に小さいθ。。ＮＤが入って
くるが、勿論、この項はθ。。ＮＤ　−Ｓ　ｉより小す
い。“この取付は配置を実現する一つの方法を第７図お
よび第Ｓ図に示す。

第７図は、片面に通常のクモ状の１０接続パターン８６
を支持している長いスプロケット付キ多層テープ８４の
一部を示す。クモ状の接続リード９０の内側端部によっ
て形成された矩形開口８８にびったシ一致して、ただし
テープの反対側に、薄膜金属熱交換器のダクト・プレー
ト９２が支持されている。先に述べた通常のテープ自動
化接合方法により、接続リード９０はシリコン・チップ
３８の表面上の接合バンド４８に合わされ、直接接触さ
せられる。同時に、冷却を改善するためダクト・プレー
ト９２がチップの表面に直接接触させられる。次に、ダ
クト・カバー・プレート（図示せず）が熱交換器の上に
かぶせられて、前述のように・母ツケージが完成する。

この実施例は、本質的にθ。。ＮＤ　−Ｓ　ｉを除去し
ているが、チラノ接合ｉ９ツド４８を接続リード接合の
ため自由にしておかなければならないから、熱交換器は
チップ表面全体をカバーしていないという欠点があるこ
とを理解すべきである。冷却要求に合わせるためこの設
計を採る場合には、もつとも発熱の大きな回路素子を熱
交換器の下に置くように設計すべきである。

以上の説明は、流体冷媒として水を選んで述べたが、他
の適当な冷媒を使うことができる。たとえば、とこに述
べた同じ熱交換器について、圧力３０ｐｓｉで周囲空気
を使用しても、低い冷却要求に対しては十分な性能を発
揮するであろう。この方法は水冷構造に比べ数倍も性能
が悪いであろうが、同一の容積の、現在入手可能なすべ
てのＩＣ冷却装置よシもはるかにすぐれておシ、発熱量
が許す場合には、有益に使用することができる。

なお、ダクト・プレートの溝とリプから成る構造を大き
な通気性をもつ焼結粉末金属で置換することは、この発
明の範囲に含まれる。この実質的に同等な剛性薄膜金属
“スポンジ”は、置換される溝とリプから成る構造の面
積とは輩同じ面積を有し、薄い“溝のない”、すなわち
介在する水密性隔離層に直接熱接触させることになろう
。焼結金属“スポンジ”の通気性は、微細溝の方法と同
様に、一定の冷媒流量において最大の熱伝達が得られる
ように、最適の状態にされよう。そのようなスデンジ層
の厚さすなわち高さの寸法は、置換される溝のように制
限されないことは明らかであろう。したがって、その厚
さを溝の深さよシ数倍厚くしてその固有の低い面積通過
率を補償することができる。

この開示内容は、実例として作られたものに過ぎないこ
と、および特許請求の範囲に記載した発明の真の精神と
範囲内において、構造細部、部品の組合せと配列、およ
び前述の製造工程手順の数多くの変更を用いることがで
きることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の流体冷却微細溝熱交換器の上面斜視図、 第２図は周縁シーリング・リップを設けるため修正した
第１図の熱交換器の下面斜視図、第３図はパッケージ内
に取り付けた、この発明の薄膜熱交換器の第一の実施例
の横断面図、第を図は第３図の線ｑ−ｑに沿った断面図
、第Ｓ図は微細溝付き流路構造の第二の実施例の斜視図
、 第６図はこの発明を組み込んだｉＲパッケージ製造する
一つの方法を示す分解斜視図、 第７図は通常の接続ノ４ターンと、この発明の薄膜ダク
ト・プレートを支持しているテープを示す斜視図、およ
び 第３図は第７図のテープを使用する方法を示す斜視図で
ある。 図中の主要な要素の参照番号は下記の通りである。 １０・・・シリコン・チップ、１２・・・能動回路装置
（素子）、１４・・・溝、１６・・・リプ、１Ｂ・・・
カバー・プレート、２２・・・シリコン・チップ、２４
・・・溝、２６・・・リプ、２８・・・周囲溝、３０・
・・シーリング・リップ、３２・・・カバー・グレート
、３４・・・冷媒入口ポート、３６・・・冷媒出口ポー
ト、３８・・・ＩＣチップ、４０・・・支持層、４２・
・・パッケージ・リード・フレーム、４４・・・中間層
、４６・・・融着手段、　。 ４８・・・チップ接合ノＪ？ツド、５０・・・電線結合
、５１・・・外部リード、５２・・・カバー・プレート
、５４・・・融着手段、５５・・・薄膜熱交換器、５６
・・・ダクト・プレート、５８・・・ダクト・プレート
・カバー、６０−・・溝、６２・・・リプ、６４・・・
溝のない金属部分、６６・・・冷媒入口室（マニホール
ド）、６８・・・冷媒出口室（マニホールド）、７０・
・・入口ポート、１２・・・出口ポート、１４・・・配
線板、１６・・・シーリング・リング、７８・・・横ス
リット、８ｏ・・・スプロケット付合非導電性フィルム
、８２・・・スプロケット付きテープ、８４・・・スプ
ロケット付キ多層テープ、８６・・・通常のクモ状１ｃ
接続ノｅターン、９０・・・クモ状接続リード、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　発熱する手段と電気的接触手段とが配＃烙れ
   でいろ半導体装置のだめの集積・Ｑツケージ薄膜熱交換
   器であって、前記）Ｅノケーノは、一端が前記電気的接
   触手段に接合され他端が前記・ぐツケーノから外部の機
   械的電気的接続部まで延びでいる電気的相互接続手段と
   、前記半導体装置の片面全部を囲んでいる保護カバーと
   を有しでいる集積ノクツケージ・薄膜熱交換器においで
   、前記半導体装置に直接熱接触するように前記半導体装
   置の前記片面に隣接する薄膜熱交換器を設け、前記熱交
   換器が前記半導体装置の平面にはソ平行な方向に冷媒通
   路を与える手段、前記半導体装置から冷媒を密閉隔離す
   るため冷媒の流れを前記冷媒通路内に制限する手段、前
   記冷媒通路へ冷媒を取り入れる手段、および前記冷媒通
   路から冷媒を取り出す手段から成ることを特徴とする集
   積・やツケーノ・薄膜熱交換器。 −）前記冷媒通路を与える手段がダクト部材の溝のある
   部分であり、前記制限手段が前記ダクト部材の溝のない
   部分と前記ダクト部材に密閉接触しているダクト・カバ
   ーとの組合せであり、前記溝のない部分と前記ダクト・
   カバーとは、協同して前記溝のある部分を取り囲むよう
   に配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の集積・ぐツケーノ・薄膜熱交換器。 （３）前記冷媒を取り入れる手段と前記冷媒を取り出す
   手段とが、前記ダクト・カバーに設けられた開口である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の集積・ぐ
   ツケージ・薄膜熱交換器。 （リ　前記冷媒通路を与える手段が、さらに前記ダクト
   部材内に入口室と出口室とを備えており、前記両室が前
   記ダクト・カバーの前記両開口に一致しており、かつ前
   記溝のある部分に連通していることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項記載の集積・にツケーノ・薄膜熱交換器
   。 ＜ｒ）前記溝のある部分が、前記入口室と前記出口室の
   間を横゛に交互に延びている溝とリブとから成っている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第を項記載の集積・ぐ
   ツケーノ・薄膜熱交換器。 （６）前記リブの各々に複数の横スリットが付けられで
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の集積
   ・ぐツケージ・薄膜熱交換器。 （７）前記横スリットの各々の幅が、前記溝の幅に等し
   いかまたは小さいことを特徴とする特許請求の範囲第を
   項記載の集積パッケージ・薄膜熱交換器。 （的　前記ダクト部材が金属で作られていることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の集積パッケージ・薄
   膜熱交換器。 （力　前記ダクト部材が非金属で作られていることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の集積パッケージ・
   薄膜熱交換器。 （１０）　　前記ダクト部材の溝のある部分と溝のない
   部分が、異なる材料で作られていることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の集積Ａ’ツケージ・薄膜熱交
   換器。 （／／）　　前記溝のない部分の材料のエツチング速度
   が前記溝のある部分の材料のそれより遅いことを特徴と
   する特許請求の範囲第１Ｏ項記載の集積・ぐツケーノ・
   薄膜熱交換器。 （１２）　　前記発熱する装置を支持している面の反対
   側の前記半導体装置の面に、前記薄膜熱交−器が直接接
   触していることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の集積パッケージ・薄膜熱交換器。 （１３）前記脱熱交換器が前記半導体装置に接合されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の集積
   パッケージ・薄膜熱交換器。 （／＃）　　前記溝のある部分の平面寸法が少なくとも
   前記半導体装置の平面寸法と同等であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第７２項または第１３項記載の集積パ
   ッケージ・薄膜熱交換器。 （／ｊ）前記発熱する装置を支持している前記半導体装
   置の面に、前記薄膜熱交換器が直接熱接触していること
   な特徴とする特許請求の範囲第２項記載の集積ノクツケ
   ージ・薄膜熱交換器。 （／Ａ）　　はソ平面の冷媒通路を与える手段、半導体
   装置から冷媒を密閉隔離するため冷媒の流れを前記冷媒
   通路内に制限する手段、前記冷媒通路に冷媒を取り入れ
   る手段、および前記冷媒通路から冷媒を取り出す手段か
   ら成ることを特徴とし、発熱する半導体装置に直接熱接
   触するように配置され、前記半導体装置を冷却する薄膜
   熱交換器。 （／７）前記冷媒通路を与える手段がダクト部材の溝の
   ある部分であり、前記制限部分が前記ダクト部材の溝の
   ない部分と、前記ダクト部材に密閉接触しているダクト
   ・カバーとの組合せであり、前記溝のない部分と前記ダ
   クト・カバーとは、協同して前記溝のある部分を取り囲
   むように配置されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１６項記載の薄膜熱交換器。 （／Ｉ）　　前記冷媒を取り入れる手段および前記冷媒
   を取り出す手段が前記ダクト・カバーに設けられた開口
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１７項記載の
   薄膜熱交換器。 （／り）前記冷媒通路を提供する手段が、さらに前記ダ
   クト部材内に入口室と出口室とを備えており、前記両室
   が前記ダクト・カバーの前記両開口に一致しており、か
   つ前記溝のある部分に連通していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１７項記載の薄膜熱交換器。