JPS61290743A - 半導体デバイスの冷却装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体デバイスの冷却装置に係り、特に、半
導体チップあるいは半導体パッケージから発生する熱を
除去するのに好適な半導体デバイスの冷却装置に関する
ものである。

〔発明の背景〕

まず、従来の半導体デバイスの冷却装置を第５図および
第６図を参照して説明する。

第５図は、一般的な半導体チップの冷却装置の略示構成
図、第６図は、従来の半導体パッケージの冷却構成を示
す構・成因である。

従来の基本的な半導体チップの冷却装置は、第５図に示
すように、半導体チップ１は、多数の導体層および絶縁
層からぼる基板２の上に微小な半田ボール３を介してフ
ェイスダウンボンディング加工により面間の接合がなさ
れ、基板２の裏面の多数のピン４に電気接続されている
。半導体チップ１の背面には熱伝導体１２が接触してい
る。

半導体チップ１で発生した熱は、半導体チップ１の背面
に接触している前記熱伝導体１２に伝えられ、熱伝導体
１２の周囲に配置される各種の冷却媒体（図示せず）に
よって外部に放散されるように構成されていた。

このように、半導体チップ１に熱伝導体１２を接合する
構成のものは、次に述べる点で冷却構造に制約を受けて
いた。

１）基板２に実装された各半導体チップ１の高さ、傾き
はそれぞれ異なっている。

２）半田ボール３は非常に小さいものであるため、半導
体チップ１には大きな荷重を加えることができない。

このような制約条件に加えて、基板２は多層配線構造と
なっているため、一般に製造時に、基板２に反りが発生
するので、熱伝導体１２には可撓性が要求される。また
、半導体チップ１．熱伝導体１２．基板２．熱伝導体１
２を支持する部材（図示せず）などの構成部材は、半導
体チップ１の発熱によって温度分布が生じる。このため
、半導体チップ１に対し各構成部材から熱応力が加わる
。

以上の諸条件を緩和させるため、熱伝導体１２に可撓性
を持たせ、かつ熱伝導体１２は半導体チップ１面に対し
て低荷重で接触し、半導体チップ１面上をなめらかに滑
るようになっている。

このような構造のもとでは、熱伝導体１２と半導体チッ
プ１の面との間に接触熱抵抗が生じ、その値は一般に大
きい。この接触熱抵抗を小さくするため、接触面は高精
度に、かつ、低い面粗さに仕上げる必要があり、また、
少しでも傷が付いたす、あるいは接触界面間に塵埃など
が介在すると、接触熱抵抗が上昇してしまう欠点があっ
た。

そこで、上記の制約条件を満足させるものとして、特公
昭５６−２４１９号公報記載の半導体パッケージが提案
されており、その半導体パッケージの冷却構造の一例を
示したものが第６図である。

第６図において、半導体チップ１は、多数の導体層およ
び絶縁層からなる基板２の上に微小な半田ボール３を介
してフェイスダウンボンディングされ、基板２の裏面の
多数のピン４に電気接続されている。基板２は下部ケー
シング５によって支持され、その上から半導体チップ１
を覆うように、キャップ６が装着されている。キャップ
６の内部には、半導体チップ１の上方に配置されたシリ
ンダ７を有しており、このシリンダ７内にはスプリング
８により半導体チップの方向にバイアスされている移動
可能なピストン９が設けられている。

各ピストン９と各半導体チップ１との間には、多孔性材
料のブロック１０が配置されており、この多孔性材料の
ブロック１０は、半導体チップ１と適合する界面を形成
する適当な液体で含浸されている。半導体チップ１で発
生した熱は、半導体チップ１の背面に接触しているブロ
ック１０を介してピストン９に伝えられ、ピストン９か
らガス層を介してキャップ６に伝えられる。キャップ６
に伝えられた熱は、最終的にキャップ６の上部に取り付
けられた、冷却液１１ａの流通する冷却器１１によって
除去される。

しかし、このような冷却構造では、多孔性材料のブロッ
ク１ｏに含浸されている液体が、振動または熱膨張など
によってブロック１０の内部から飛び出し、基板２に滞
溜して汚染の問題を生じうることについて配慮されてい
なかった。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、半導体チップあるいは半導体パッケージ
から発生する熱を冷却媒体へ伝導するについて、熱抵抗
が小さく、かつ、汚染や腐食に対する信頼性の高い半導
体デバイスの冷却装置の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る半導体の冷却装置の構成は、半導体チップ
あるいは半導体パッケージの背面に、当該半導体チップ
あるいは半導体パッケージからの発生熱を除去する熱伝
導体を設けてなる半導体の冷却装置において、前記半導
体チップあるいは半導体パッケージと前記熱伝導体との
間に、その両者に接触して介在すべき高熱伝導性のシー
トを設け、当該高熱伝導性のシートに、熱伝導性流体を
充填すべき多数の微細な貫通穴と、これら貫通穴を互い
に連通し合う多数の連通溝と、前記多数の貫通穴の素群
を包囲し、かつ前記多数の連通溝と連通ずる周囲溝とを
備えたものである。

なお付記すると、本発明は、半導体チ°ツブあるいは半
導体パッケージと柔軟性を有する熱伝導体との間に、熱
伝導性に富み、多数の微細な貫通穴を有するシートをは
さみ、その微細な貫通穴に熱伝導性流体を充填すること
により、半導体と熱伝導体との熱抵抗を小さくするもの
である。加えて。

前記シートには、各微細な貫通穴を互いに連通する多数
の連通溝が設けられ、前記貫通素群を囲むように設けら
れた液溜の溝と連通している。このため、前記シートに
充填される熱伝導性流体がシートの外部に飛び出さず、
汚染や腐食に対し信頼性の高いものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る半導体チップ
の冷却装置の断面図、第２図は、その高熱伝導性のシー
ト部の斜視図である。第１図中、第５図と同一符号のも
のは従来の基本構成と同等部分であるから、その説明を
省略する。

第１，２図において、１３は、半導体チップ１と柔軟性
を有する構造の熱伝導体１２との間に、その両者に接触
してはさみ込まれた高熱伝導性のシートである。このシ
ート１３は、電気絶縁性に富み、高熱伝導性の特性を有
する、ベリリウムを含有したシリコンカーバイド合金で
形成されている。

１４は、シート１３に設けられた多数の微細な貫通穴で
、これら貫通穴１４は、半導体チップ１の背面に対向し
て垂直状に穿孔された円孔である。

１６は、前記多数の微細な貫通穴１４を互いに連通し合
う多数の連通溝、１７は、前記多数の貫通穴１５の素群
を四周からとり囲むように位置し、かつ、前記多数の連
通溝１６と連通ずる液溜め溝゛　となる周囲溝である。

前記多数の貫通穴１４には、熱伝導性流体１８が充填さ
れている。熱伝導体流体１８は、例えば。

グリス、液体金属などが用いられるもので、半導体チッ
プ１と熱伝導体１２を互いに密着させたとき、半導体チ
ップ１と熱伝導体１２との間の熱抵抗を低減させるもの
である。

多数の貫通穴１４の素群は、半導体チップ１の背面の外
周より内側の小さい面積の範囲に位置するように設けら
れ、貫通穴１４から溢れ出す熱伝導性流体１８が、半導
体チップ１の外に飛散しないように構成されている。

また、前記シート１３は、熱伝導体１２から外れないよ
うにずれ止め用の縁部１９がシート１３の四周に形成さ
れている。

次に、このように構成された半導体チップの冷却装置の
作用および効果を説明する。

半導体チップ１で発生した熱は、半導体チップ１の背面
に接続されている高熱伝導性のシート１３、熱伝導性流
体１８を介して熱伝導体１２に伝えられ、熱伝導体１２
に設けられた冷却媒体（図示せず）によって外部に放散
される。

なお、冷却媒体としては、ヒート・シンクすなわち冷却
素子、例えば冷却フィン、冷却板などや。

第６図に示した冷却器１１などがある。

半導体チップ１の高さのばらつき、傾きおよび基板２の
反りは、柔軟性のある熱伝導体１２で吸収される。

半導体チップ１で発生する熱によって多数の貫通穴１４
内の熱伝導性流体１８が膨張する場合、熱伝導性流体１
８は、連通溝１６を通って周囲溝１７に至る。

また、熱伝導性流体１８が動きうる空間の周囲は密閉さ
れているため、振動や熱膨張などによって熱伝導流体１
８がシート１３の外部に飛び出る心配がない。

本実施例によれば、多数の微細な貫通穴１４に熱伝導性
流体１８を充填した高熱伝導性のシート１３を半導体チ
ップ１と熱伝導体１２との間に設けることにより、半導
体チップ１と熱伝導体１２との間の熱抵抗を小さくする
ことができる６また。

前記多数の貫通穴１４と連通ずる液溜りを前記シート１
３に設けることにより、熱伝導性流体１８はシート１３
の外部に出ることがないので、半導体チップ１の汚染や
腐食に対する信頼性が高くなった。

次に、本発明の他の実施例を第３図を参照して説明する
。

第３図は、本発明の他の実施例に係る半導体チップの冷
却装置に供されるシートの断面図で、図中、第１図と同
一符号のものは、第１図の実施例と同等部分であるから
、その説明を省略する。

第３図の実施例で、先の第１図の実施例と相違するとこ
ろは、高熱伝導性のシート１３Ａに設けた多数の微細な
貫通穴１５がテーパー状に形成されていることである。

第３図の実施例によれば、先の第１図の実施例と同様の
効果が期待できる。

次に、本発明のさらに他の実施例を第４図を参照して説
明する。

ここに第４図は１本発明のさらに他の実施例に係る半導
体チップの冷却装置に供されるシートの斜視図であり１
図中、第２図と同一符号のものは、先の第１，２図の実
施例と同等部分であるから、その説明を省略する。

第４＠の実施例で、先の第２図の実施例と相違するとこ
ろは、高熱伝導性のシート１３Ｂが熱伝導体１２から外
れないようにするずれ止め手段として、縁部ではなく、
係止用突起２０を設けたことである。

第４図の実施例によれば、先の第１，２図の実施例と同
様の効果が期待できる。

なお、ずれ止め手段は、前述の各実施例のものに限らず
、シートが熱伝導体１２から外れなければどのような形
状のものでもよい。

また、前述の各実施例は、半導体チップと熱伝導体との
間に介在させる高熱伝導性のシートについて説明したが
、本発明は、半導体チップのみに適用されるものではな
く、前記高熱伝導性のシートは、半導体パッケージから
発生する熱の外部放散にも適用できるものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本実施例によれば、半導体チップあ
るいは半導体パッケージから発生する熱を冷却媒体へ伝
導するについて、熱抵抗が小さく、かつ、汚染や腐蝕に
対する信頼性の高い半導体デバイスの冷却装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る半導体チップの冷却
装置の断面図、第２図は、その高熱伝導性のシート部の
斜視図、第３図は、本発明の他の実施例に係る半導体チ
ップの冷却装置に供されるシートの断面図、第４図は、
本発明のさらに他の実施例に係る半導体チップの冷却装
置に供されるシートの斜視図、第５図は、一般的な半導
体チップの冷却装置の略示構成因、第６図は、従来の半
導体パッケージの冷却機構を示す構成図である。 １・・・半導体チップ、２・・・基板、１２・・・熱伝
導体、１３．１３Ａ、１３Ｂ・・・シート、１４．１５
・・・貫通穴、１６・・・連通溝、１７・・・周囲溝、
１８・・・熱伝導性流体、１９・・・縁部、２０・・・
係止用突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップあるいは半導体パッケージの背面に、
   当該半導体チップあるいは半道体パッケージからの発生
   熱を除去する熱伝導体を設けてなる半導体デバイスの冷
   却装置において、前記半導体チップあるいは半導体パッ
   ケージと前記熱伝導体との間に、その両者に接触して介
   在すべき高熱伝導性のシートを設け、当該高熱伝導性の
   シートに、熱伝導性流体を充填すべき多数の微細な貫通
   穴と、これら貫通穴を互いに連通し合う多数の連通溝と
   、前記多数の貫通穴の穴群をとり囲み、かつ前記多数の
   連通溝と連通する周囲溝とを備えたことを特徴とする半
   導体デバイスの冷却装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、多数の
   貫通穴の穴群が位置する範囲を、半導体チップあるいは
   半導体パッケージの背面より小さく構成したものである
   半導体デバイスの冷却装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、多数の
   貫通穴は、半導体チップあるいは半導体パッケージの背
   面に対向して垂直状に、あるいはテーパー状に穿設され
   たものである半導体デバイスの冷却装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、高熱伝
   導性のシートは、ベリリウムを含有したシリコンカーバ
   イド合金で形成されたものである半導体デバイスの冷却
   装置。