(57)【要約】      （修正有）【課題】パッケージ基板、半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置の、半導体素子を効率よく冷却する手段を提供する。【解決手段】パッケージ基板１１、半導体素子１３１および実装基板２を順に積層した半導体装置であって、一次接続バンプ１２２を介して前記パッケージ基板と前記半導体素子とを電気的に接続し、前記半導体素子と前記実装基板との間に、前記半導体素子を液冷媒によって冷却するための液冷モジュールの受熱部３１を設置し、前記パッケージ基板と前記実装基板との間に複数個の二次接続バンプ１５を設置する。【選択図】図１
2010161184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ基板、半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置であって、一次接続バンプを介して前記パッケージ基板と前記半導体素子とを電気的に接続し、前記半導体素子と前記実装基板との間に、前記半導体素子を液冷媒によって冷却するための液冷モジュールの受熱部を設置し、前記パッケージ基板と前記実装基板との間に複数個の二次接続バンプを設置したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
第一の半導体素子、パッケージ基板、第二の半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置であって、一次接続バンプと前記パッケージ基板に設けた貫通電極とを介して前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子とを電気的に接続し、前記第二の半導体素子と前記実装基板との間に、前記半導体素子を液冷媒によって冷却するための液冷モジュールの受熱部を設置し、前記パッケージ基板と前記実装基板との間に複数個の二次接続バンプを設置したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記液冷モジュールの受熱部を、前記半導体素子に密着させたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記液冷モジュールの受熱部を、前記第二の半導体素子に密着させたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記パッケージ基板と前記実装基板との間に前記液冷モジュールの導管部を収納したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記パッケージ基板と前記実装基板との間に、前記液冷モジュールの導管部を収納した領域と、前記二次接続バンプを設置した領域とを有することを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記二次接続バンプの配置が、前記パッケージ基板の前記二次接続バンプと接する面の中心軸を通る少なくとも一軸に対して略線対称、または前記パッケージ基板の前記二次接続バンプと接する面の中心軸に対して略回転対称であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記実装基板に貫通孔を設け、この貫通孔に前記液冷モジュールの導管部を収納したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第二の半導体素子の発熱量が、前記第一の半導体素子の発熱量よりも大きいことを特徴とする請求項２または４に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記液冷モジュールの受熱部の厚さが、前記二次接続バンプの実装高さより小さいことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記液冷モジュールが、金属箔の両面を樹脂薄膜で挟んだ構造を有する積層フィルムで形成され、二枚重ねた前記積層フィルムの圧着部が、前記液冷モジュールの流路壁を構成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記実装基板に凹部を設け、この凹部と前記ロジック素子との間に前記液冷モジュールの受熱部を設置したことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１３】
液冷媒を流すための流路を有する受熱部と導管部とを含み、この受熱部と導管部とが、金属箔の両面を樹脂薄膜で挟んだ構造を有する積層フィルムを重ねて形成されたものであり、二枚または三枚重ねた前記積層フィルムの圧着部が前記流路の流路壁を構成することを特徴とする液冷モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体パッケージにおける高速大容量化のために、一つのパッケージにメモリ素子を多数個積層する例、またはメモリ素子とロジック素子とを混載する例などがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、樹脂インターポーザ（パッケージ基板に相当）の上面に多数の半導体メモリを設置し、その上段にインターフェースチップを配線距離が短い貫通電極で積層した半導体装置が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、ロジックチップと大容量メモリチップとの間にＦＴＩ（Ｆｅｅｄｔｈｏｕｇｈ  Ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ）と呼ばれる微細な配線体（パッケージ基板に相当）を挿入した構造の汎用ＬＳＩパッケージが記載されている。
【０００５】
半導体パッケージでは、半導体素子の発熱量が許容値以上に大きい場合、半導体素子温度の上昇を抑制するため、パッケージに放熱器を設置して冷却する。このため、放熱器と半導体素子との間の熱抵抗を低減する技術が求められる。
【０００６】
例えば、特許文献１には、発熱量の大きいインターフェースチップを放熱板に近い最上段に配置する構成が記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、半導体素子の下面と実装基板との間に熱伝導率の高い伝熱板を設ける半導体パッケージが記載されている。
【０００８】
特許文献３には、パッケージの上面に半導体素子の裏面を露出させ、接着剤を介して金属性の放熱フィンを設置する構成が記載されている。
【０００９】
最近では、静音化と高い放熱性とを両立可能とした液冷方式が実用化されてきている。例えば、非特許文献２の図２には、マイクロプロセッサの上に受熱部を設置し、離れた位置に設置した放熱部まで熱輸送する実用例が記載されている。水冷モジュールは、主な構成要素として、受熱部（吸熱部ともいう）、リザーバタンク、放熱部（熱交換器ともいう）、ポンプおよびそれらをつなぐパイプを含む。
【００１０】
また、液冷の構成部材を薄型化するために、シートを利用する例がある。例えば、特許文献４には、放熱部を耐熱性が高く、熱伝導性が高い可撓性シートにより袋状に形成する構成が記載されている。特許文献５には、放熱器や吸熱器を耐水性シートからなる袋で形成した構成が記載されている。
【００１１】
最高級レベルの液冷方式としては、２００μｍ以下の微小なマイクロチャネルを利用した効率の高い冷却モジュールの開発例がある。例えば、非特許文献２の図７には、シリコンの薄板にＭＥＭＳ技術で幅１５０μｍ以下、深さ２００μｍの溝を形成して、マイクロチャネル・ヒートシンクを形成し、マイクロプロセッサ上部にグリースを介して設置する構成が記載されている。
【００１２】
また、チップが積層された場合に、パッケージ内部の個々のチップを冷却する例もある。例えば、特許文献６には、半導体素子をバンプ積層してできた空洞部を流路とし、パッケージ内部を液冷する構成が記載されている。
【００１３】
貫通電極による積層メモリで高速伝送特性を得るには、インターフェースチップの配置は、積層メモリの上段ではなく、下段が望ましい。信号分配を制御するインターフェースチップが積層メモリの上段にある場合、積層メモリの厚み分だけ伝送経路が長くなるため、パッケージの入出力端子である半田ボールから受けた信号が、遅延してしまう。
【００１４】
しかしながら、非特許文献１記載のように、パッケージ基板の下面ロジックチップがあると、信号伝送の点では有利であるが、ロジックチップの発熱量の大きくなった場合には、特許文献３に記載されたフィンや、非特許文献２の図２に記載された水冷ジャケットなどを設置する隙間を確保できない。一方、特許文献２に記載されているように、隙間に伝熱板を設けることは可能であるが、発熱量の大きい（数十Ｗの）ロジック素子の冷却には実装基板の放熱能力は小さすぎる。
【００１５】
また、ロジックチップの周囲は実装バンプで取り囲まれているため、非特許文献２の図７に記載されたマイクロチャネルを有する薄型の冷却ジャケットを設置しても、パイプを通す空間を設けることができない。一方、特許文献６に記載された、パッケージ内部のチップ間隙に冷媒を流す液冷方式は、チップ間の回路面や上下チップの電気接続部に腐食を生じるおそれがある。
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−２４４１４３号公報
【特許文献２】特開平９−２６０５５４号公報
【特許文献３】特開平９−２９３８０８号公報
【特許文献４】特開２００１−２３７５８２号公報
【特許文献５】特開２００７−１０２７７号公報
【特許文献６】特開２００５−５５２９号公報
【非特許文献１】「広帯域・大容量メモリ搭載ＳＭＡＦＴＩパッケージ技術」、ＮＥＣ技報ｖｏｌ．５９、Ｎｏ．５／２００６、ｐｐ４６−４９
【非特許文献２】「ホットな機器に水冷技術  標準化とスリム化で普及狙う」、日経エレクトロニクス、２００３．７．２１、ｐｐ５９−６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、パッケージ基板、半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置の、半導体素子を効率よく冷却することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の半導体装置は、パッケージ基板、半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置であって、一次接続バンプを介して前記パッケージ基板と前記半導体素子とを電気的に接続し、前記半導体素子と前記実装基板との間に、前記半導体素子を液冷媒によって冷却するための液冷モジュールの受熱部を設置し、前記パッケージ基板と前記実装基板との間に複数個の二次接続バンプを設置したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の半導体装置は、第一の半導体素子、パッケージ基板、第二の半導体素子および実装基板を順に積層した半導体装置であって、一次接続バンプと前記パッケージ基板に設けた貫通電極とを介して前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子とを電気的に接続し、前記第二の半導体素子と前記実装基板との間に、前記半導体素子を液冷媒によって冷却するための液冷モジュールの受熱部を設置し、前記パッケージ基板と前記実装基板との間に複数個の二次接続バンプを設置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体素子を液冷モジュールで冷却でき、許容発熱量を大きくすることができる。
【００２１】
また、本発明によれば、液冷モジュールを薄型にすることができ、液冷モジュールを半導体素子と実装基板との狭い隙間に設置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の半導体装置は、パッケージ基板と、その上面側に一次接続で積層したメモリ素子と、その下面側に一次接続した半導体素子と、その半導体素子を取り囲む二次接続バンプを備え、二次接続バンプ列のうち、内周から外周方向に至る少なくとも一列を間引いてパッケージ外から半導体素子に至る空間を設け、その空間に別体の液冷モジュールと導管とを配置する。二次接続バンプの配置は、パッケージ基板面の縦中心軸または横中心軸の少なくとも一軸に関して線対称、あるいはパッケージ基板面の中心点に関して回転対称となるようにすることが望ましい。液冷モジュールは、樹脂薄膜と金属薄膜と含む積層フィルムであって、熱圧着により流路を形成する。望ましくは、実装基板と半導体素子との間隙の、実装基板側に液冷モジュール形状の寸法と同等以上の凹部を形成する。
【００２３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明による第一実施例の側方縦断面図であり、構成の概要を示す。本図において、符号１００で表すロジック素子最下積層構造パッケージは、パッケージ基板１１の上面側に積層メモリ１２を、下面側にロジック素子１３１を備えている。
【００２５】
積層メモリ１２は、一次接続バンプ１２２を介して複数のメモリ素子１２１を積層したものであり、メモリ素子１２１内部に形成したシリコン貫通電極１２３により積層方向に導通されている。メモリ素子１２１とその電気接続部は、モールド樹脂１４により保護されている。ロジック素子１３１は、パッケージ基板１１に一次接続バンプ１２２を介して電気的に接続し、アンダーフィル１３２でその電気接続部が保護されている。ロジック素子１３１と積層メモリ１２とは、基板内スルーホール１１１で電気的に接続されている。このロジック素子最下積層構造パッケージ１００が、実装基板２に二次接続バンプ１５を介して電気的に接続されている。この構成において、二次接続バンプ１５から入力した電気信号の伝わる経路は、ロジック素子１３１、積層メモリ１２の順になる。
【００２６】
したがって、複数のメモリ素子１２１への信号の振り分けをロジック素子が事前に制御できるため、信号遅延を最小化することができる。ロジック素子１３１の底面と実装基板２上面との隙間には、積層シートで作られた薄型液冷モジュールの受熱部３１を密着させている。二次接続バンプ１５が半田ボールである場合、実装高さａは、一般に０．５ｍｍ以下であり、ロジック素子１３１の厚みがあるため、液冷モジュールの受熱部３１の厚さｈはａより小さい。したがって、液冷モジュールの受熱部３１の流路高さｈ１は、ｈより小さい。
【００２７】
一般に、メモリ素子１２１の一枚あたりの発熱量は数百ｍＷ以下であるが、ロジック素子１３１の発熱量は数十Ｗと大きく、ロジック素子１３１に液冷モジュールの受熱部３１を接触させて冷却すると、後述するように許容発熱量を大幅に増加できる。
【００２８】
本実施例においては、積層メモリ１２は、複数のメモリ素子１２１を積層したものであるが、単体メモリでもよい。また、積層メモリ１２がメモリ素子１２１およびロジック素子を積層した構成であってもよい。すなわち、複数のメモリ素子１２１の間にロジック素子が配置された構成でもよい。さらに、複数のロジック素子の間に一個または複数個のメモリ素子１２１が配置された構成でもよい。さらには、符号１２で示す部材を、単一もしくは複数のロジック素子または単一もしくは複数のその他の半導体素子としてもよい。
【００２９】
また、本実施例においては、符号１００で示す部材をロジック素子最下積層構造パッケージとし、ロジック素子１３１を液冷モジュールで冷却する対象としたが、冷却対象はロジック素子に限定されるものではなく、メモリ素子やその他の半導体素子でもよい。
【００３０】
ここで、符号１２で示す部材を第一の半導体素子と呼ぶことにする。また、この場合、液冷モジュール受熱部３１と接する符号１３１で示す部材を第二の半導体素子と呼ぶことにする。
【００３１】
第二の半導体素子の発熱量は、第一の半導体素子の発熱量よりも大きいことが望ましい。
【００３２】
さらに、符号１２に位置する第一の半導体素子が、半導体装置の構成要素として存在しない場合、すなわち、符号１３１に位置する第二の半導体素子（この場合、単に半導体素子と呼んでもよい）だけが一次接続バンプ１２２を介してパッケージ基板１１と電気的に接続されている場合も、本発明の特徴を有する半導体装置である。
【００３３】
図２は、本発明の第一実施例における液冷モジュールおよび二次接続バンプの配置例を示す。本発明においては、パッケージ基板１１と実装基板２とに挟まれる形で設置する二次接続バンプ１５を設置しない領域を設け、この領域に液冷モジュールの受熱部３１および液冷モジュール導管路３２を設置する。点線の円１６は、通常、設置される二次接続バンプ１５の位置を示したものである。本発明では、点線の円１６の位置に二次接続バンプ１５を設置していない。ここで、液冷モジュール導管路３２は導管部と呼んでもよい。
【００３４】
本実施例では、液冷モジュールの受熱部３１および液冷モジュール導管路３２の配置は、パッケージ基板１１の横中心軸（ｘ軸）および縦中心軸（ｙ軸）に関して、略線対称である。また、点線の円１６の位置に二次接続バンプ１５を設置していないため、液冷モジュール導管路３２を挟んで隣り合う二次接続バンプ１５の間隔ｐ２は、通常の実装パンプ間隔ｐ１より大きくなる。
【００３５】
これにより、液冷モジュール導管路３２を幅広くでき、液冷モジュールの圧損が低減できる。二次接続バンプ１５の配置は、パッケージ基板１１の横中心軸（ｘ軸）および縦中心軸（ｙ軸）に関して、略線対称であるため、半導体パッケージ内部にある複数本の配線の配置に関する対称性が保たれ、それらの複数本の配線の長さがほぼ等しくすることができる。このため、複数本の配線の抵抗をほぼ等しくすることができ、半導体パッケージの電気特性が損なわれないようにすることができる。
【００３６】
図３は、本発明の第一実施例による液冷モジュール内部の流路を模式的に示した平断面図である。本図において、冷媒３３（液冷媒）は、矢印で示すように流入口３２１から流入し、液冷モジュール内部の流路３４を通過して流出口３２２へ流出するようになっている。流路３４は、液冷モジュール受熱部３１内で外壁３５および内壁３６によって分岐されるとともに、流れの向きを変え、液冷モジュール受熱部３１全域を流れるように形成されている。
【００３７】
図４Ａ、４Ｂ、５および６は、図３に示した液冷モジュール受熱部の製造工程を示したものである。
【００３８】
図４Ａは、液冷モジュールを構成する積層フィルムを示す斜視図である。図４Ｂは、積層フィルムの部分断面図である。図５は、液冷モジュールを構成する積層フィルムにおいて熱圧着を施す部位を示す平面図である。図６は、完成した液冷モジュールを示す斜視図である。
【００３９】
液冷モジュール受熱部を製造する際は、まず、図４Ａに示すように、二枚の積層フィルム３８ａ、３８ｂを重ねる。ここで、少なくとも一枚の積層フィルム３８ａには、予め流路の目印３８３が印刷されていることが望ましい。
【００４０】
積層フィルム３８は、例えばポリイミドなどの耐熱性樹脂フィルム３８１、アルミ箔３８２などを複数枚積層したものである。図４Ｂは、二枚の耐熱性樹脂フィルム３８１の間にアルミ箔３８２を挟み込んだ積層フィルム３８の断面を示すものである。耐熱性と耐水性とを兼ね備える。樹脂フィルムの厚みｔは数〜数十μｍ程度である。
【００４１】
つぎに、図５に示すように、流路の目印３８３に沿って熱圧着を施すことにより、外壁３５および内壁３６を作製する。そして、外壁３５の外側にある積層フィルム３８の不要な部分を切除する。図６は、液冷モジュールの流入口３２１、流路３４および流出口３２２に冷媒を流した状態を示したものである。冷媒の流れによって、流入口３２１、流路３４および流出口３２２が膨らんでいる。ここで、熱圧着を施した部位を圧着部と呼ぶことにする。また、外壁３５および内壁３６を流路壁と呼ぶことにする。
【００４２】
図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃは、本発明の第一実施例の断面図で、実装基板上に液冷モジュールおよび半導体パッケージの組み立て工程を示したものである。
【００４３】
まず、図７Ａに示すように、実装基板２の上に液冷モジュールを設置する。本図では、液冷モジュール受熱部３１のみ示す。このとき、液冷モジュール内には冷媒はないため、流路高さｈ０は、ほぼ０（零）である。
【００４４】
つぎに、図７Ｂに示すように、所定の位置に二次接続バンプ１５を配置したロジック素子最下積層構造パッケージ１００を、液冷モジュールの上に設置し、２６０℃のリフローで実装基板２に半田実装する。液冷モジュールの構成部材は、耐熱性を有するポリイミドやアルミ箔などであるため、リフロー温度に対して十分な耐熱性を備えている。また、この段階では、液冷モジュール受熱部３１とロジック素子１３１との間には隙間があるため、二次接続バンプ１５である半田は、セルフアライメント機能により、所定の場所に実装できる。
【００４５】
最後に、液冷モジュールを図示しないポンプやリザーバタンクなどに接続する。図７Ｃに示すように、液冷モジュールの流路に冷媒を注入する。液冷モジュール受熱部３１の流路は、冷媒の注入により膨らんで高さｈ１に達し、液冷モジュール受熱部３１は、実装基板２の上面とロジック素子１３１の下面とに密着する。これにより、ロジック素子１３１の冷却が可能となる。
【００４６】
ここで、本発明による第一実施例の半導体装置の効果について、図８〜１１を用いて説明する。
【００４７】
図８に、比較例であるロジック素子最上積層構造パッケージの断面図を示す。ロジック最上積層構造パッケージ１０１では、ロジック素子１３１がパッケージの最上段にあり、ロジック素子１３１の上面はパッケージ上面に露出している。図９に、比較例であるロジック素子最上積層構造パッケージ１０１の冷却手段の一般的な例として、パッケージ上面に熱伝導部材５（熱伝導シートまたは熱伝導グリース）を介して空冷フィン４を設置する場合を示す。フィン４の間隙に空気を流して冷却する。
【００４８】
つぎに、ロジック素子最下積層構造パッケージ１００の場合と、ロジック素子最上積層構造パッケージ１０１の場合とで、同じ仕様の空冷フィンを搭載して強制対流冷却し、許容発熱量を評価した例を示す。
【００４９】
図１０は、ロジック素子最上積層構造パッケージおよびロジック素子最下積層構造パッケージに空冷フィンを設置して風速をパラメータに熱流体解析した場合のパッケージの許容発熱量を示したグラフである。この図において、空冷フィン装着により、ロジック素子最上積層構造パッケージでは、１０〜２０Ｗの許容発熱量が得られるが、ロジック素子最下積層構造パッケージでは、風速を増加しても２Ｗが限界であることがわかる。これは、最下のロジック素子から空冷フィンまでの放熱経路に、パッケージ基板やメモリ素子などが介在して熱抵抗が大きくなることが原因である。つまり、ロジック素子の許容発熱量拡大には、ロジック素子から放熱器までの熱抵抗低減が重要であることがわかる。
【００５０】
図１１は、図１に示す本発明による第一実施例のロジック素子最下積層構造パッケージの下面に薄型液冷モジュールを密着して、冷媒の種類および流量をパラメータに熱流体解析した場合の許容発熱量を示したグラフである。冷媒は、水または不凍液を使用した。
【００５１】
図１１によれば、冷媒の流量が１０ｍｌ／ｍｉｎ（ミリリットル毎分）の場合でも、許容発熱量が２０Ｗ以上となり、冷媒の流量が１００ｍｌ／ｍｉｎの場合、許容発熱量が５０〜７０Ｗに達することがわかる。
【００５２】
放熱能力は、不凍液より、水が大きいが、ポンプなどの構成部品を腐食する恐れがあるため、不凍液が望ましい。不凍液であっても、流量が１００ｍｌ／ｍｉｎのとき、許容発熱量を５０Ｗとすることができる。このように、薄型液冷モジュールは、ロジック素子最下構造パッケージの許容発熱量を飛躍的に拡大することが可能である。
【００５３】
図１２は、本発明による第一実施例による液冷モジュールおよび二次接続バンプの別の配置を示したものである。二次接続バンプ１５は、パッケージ中心に紙面に対して垂直に立てた軸に対して回転対称になるように配置する。二次接続バンプ１５を配置しない点線の円１６には、液冷モジュール導管路３２を設置する。図１２に示す二次接続バンプ１５の配置は回転対称であるため、半導体パッケージの電気特性が損なわれるおそれはない。
【００５４】
図１３は、図１２の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。本図の流路形状は、流れ方向を四回反転させる九十九折りであるが、流入口３２１から流出口３２２まで淀みなくつながっていれば、この流路形状に限定されるものではない。本実施例では、冷媒３３が左下の流入口３２１から流入し、右上の流出口３２２へ流出する。
【００５５】
図１４は、本発明の第一実施例による液冷モジュールおよび二次接続バンプの別の配置を示したものである。二次接続バンプ１５は、パッケージ中心を通るｙ軸に対して鏡面対称になるように配置する。二次接続バンプ１５を配置しない点線の円１６には、液冷モジュール導管路３２が配置される。図１４に示す二次接続バンプ１５の配置は鏡面対称であるため、半導体パッケージの電気特性が損なわれるおそれはない。
【００５６】
図１５は、図１４の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。本図の流路形状は、流れ方向を五回反転させる九十九折りであるが、流入口３２１から流出口３２２まで淀みなくつながっていれば、本流路形状に限定されるものではない。
【００５７】
図１６は、本発明の第一実施例による液冷モジュールおよび二次接続バンプの別の配置を示したものである。二次接続バンプ１５の配置は、パッケージ中心を通るｙ軸やｘ軸に対して対称ではない。二次接続バンプ１５を配置しない点線の円１６には、液冷モジュール導管路３２が配置される。図１６に示す二次接続バンプ１５の配置は、対称性を失っているが、液冷モジュールの配置が優先される場合は、このような構成もありうる。
【００５８】
図１７は、図１６の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。この流路においては、流入口３２１と流出口３２２とが壁で仕切られた状態で、隣り合って配置されている。本図の流路形状においては、流入口３２１から液冷モジュール受熱部３１に流入した冷媒３３が直進して対辺に達した後、冷媒３３の流れを９０°変え、その後、流れ方向を五回反転させる九十九折りであるが、流入口３２１から流出口３２２まで淀みなくつながっていれば、本流路形状に限定されるものではない。
【００５９】
図１８は、本発明の第一実施例による液冷モジュールおよび二次接続バンプの別の配置を示す。二次接続バンプ１５は、パッケージ中心を通るｘ軸に対して鏡面対称になるように配置する。二次接続バンプ１５を配置しない点線の円１６には、液冷モジュール導管路３２が配置される。図１８に示す二次接続バンプ１５の配置は鏡面対称であり、半導体パッケージの電気特性が損なわれるおそれはない。二次接続バンプ１５の配置は、図１８に限定するものではなく、ｙ軸に対して鏡面対称性を保つ配置でもよい。
【００６０】
図１９は、図１８の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。流入口３２１から液冷モジュール受熱部３１に流入した冷媒３３は、液冷モジュール受熱部３１の半分の領域で五回反転し、液冷モジュール受熱部３１の他の半分の領域で更に五回反転して流出口３２２へ流出する、九十九折りである。流入口３２１から流出口３２２まで淀みなくつながっていれば、本流路形状に限定されるものではない。
【００６１】
図２０は、液冷モジュールの別の内部構造を示した断面図である。図２１は、図２０のＢ−Ｂ’断面図である。
【００６２】
本実施例では、流路が上下立体構造となっている。図２０に示すように、冷媒３３は、流入口３２１から液冷モジュール受熱部３１に流入し、ｘ軸に近い流路ほど流路幅が狭くなるように仕切られた複数の流路を通過して流入口３２１の対辺で反転し、流出口３２２を通って流出する。内壁３６の間隔を変化させることにより、流路抵抗に分布を形成させ、ｘ軸近傍から流入する冷媒３３を分配することができるようにしてある。すなわち、ｘ軸に近い流路における内壁３６の間隔（流路幅）を狭くするとともに、ｘ軸から遠い流路における内壁３６の間隔（流路幅）を広くすることにより、ｘ軸に近い流路における流量を制限するとともに、ｘ軸から遠い流路における流量を確保し、それぞれの分配流路における流速がほぼ等しくなるようにしてある。これにより、液冷モジュール受熱部３１の熱流束（単位面積あたりの熱流量）を、分配流路の領域によらず、ほぼ一様とすることができる。
【００６３】
図２１に示すように、積層フィルム３８ｃで形成された内壁は、積層フィルム３８ａ、３８ｂより短くし、冷媒３３が反転するための流路を確保している。内壁３６の間隔は、本流路形状に限定されるものではない。また、反転前の流路において、図２０に示すように、内壁３６の間隔（流路幅）を変化させて流量（流速）を調整し（ほぼ等しくし）、反転後の流路においては、流路幅をほぼ等しくすることもできる。すなわち、流路の反転前後において内壁３６の間隔（流路幅）を変化させた構造を採用してもよい。
【００６４】
図２２および２３に立体構造流路の製造工程の例を示す。図２２に示すように、三枚の積層フィルム３８ａ、３８ｂ、３８ｃを重ね合わせる。そのうち、内壁となる３８ｃには、欠け３８５があり、図中、右端部が他の二枚より短い。図２３に示すように、三枚を重ね合わせて、流路の目印３８３に沿って流路の外壁３５および内壁３６を熱圧着で形成する。ここでは、液冷モジュールの形状にカット済みのフィルムを用いた例を示したが、図４〜６で示したように、大きなシートから切り出して熱圧着後に不要部分を切除してもよい。
【実施例２】
【００６５】
図２４に本発明による第二実施例の側方断面図を示す。ロジック素子最下構造パッケージ１００の構成は、第一実施例と同一であるが、本実施例は、実装基板２に凹部２１を設け、液冷モジュールの流路高さｈ２を拡大可能としたものである。例えば、１．２７ｍｍの実装基板に０．５ｍｍの凹部２１を設ければ、第一実施例より約２倍の流路高さを確保でき、液冷モジュール受熱部３１の流路の圧力損失を低減することができる。
【００６６】
図２５は、本発明の第二実施例における液冷モジュールおよび実装基板のみを示した斜視図である。図２５に示すように、実装基板の凹部２１は、液冷モジュール受熱部３１および液冷モジュール導管路３２の外形寸法以上の大きさに形成する。凹部２１を設けると、液冷モジュール３を設置する際の位置決めも容易になる。
【実施例３】
【００６７】
本発明の第三実施例の側方断面図を図２６に示す。ロジック最下構造パッケージ１００の構成は第一実施例および第二実施例と同一である。本実施例では、第二実施例と同様に、実装基板２に凹部２１を設けて液冷モジュール受熱部３１の流路高さｈ２を拡大するとともに、液冷モジュール導管路３２を通す穴２２（貫通孔）を設ける。実装基板２に液冷モジュール導管路３２を通すことにより、液冷モジュール導管路３２の流路断面積も拡大し、第二実施例に比べて圧力損失を低減することができる。さらに、パッケージ基板１１と実装基板２との間に液冷モジュール導管路３２を設置する必要がなくなるため、パッケージ基板１１と実装基板２との間に配置する二次接続バンプ１５の数、すなわち入出力端子数を多くすることができる。
【００６８】
図２７は、本発明による第三実施例の液冷モジュールおよび実装基板を示す斜視図である。図２７に示すように、実装基板２の凹部２１は、液冷モジュール受熱部３１および液冷モジュール導管路３２の外形寸法以上の大きさとするとともに、液冷モジュール導管路３２より若干大きい穴２２を設ける。
【００６９】
図２８〜３０は、第三実施例による液冷モジュールの組み立て工程を示したものである。図２８は、本発明による第三実施例の液冷モジュールの組み立てにおける第一工程を示す側方縦断面図である。図２９は、本発明による第三実施例の液冷モジュールの組み立てにおける第二工程を示す側方縦断面図である。図３０は、本発明による第三実施例の液冷モジュールを示す断面図である。
【００７０】
まず、図２８に示すように、穴３８４を形成した積層フィルム３８ｂに、フランジ３２３を設けた円筒状の液冷モジュール導管路３２を挿入する。
【００７１】
つぎに、図２９に示すように、液冷モジュール導管路３２のフランジ部３２３を積層フィルム３８ｂに熱圧着した後、積層フィルム３８ａを重ねる。
【００７２】
最後に、図３０に示すように、熱圧着により積層フィルム３８ａ、３８ｂの一部を接着して外壁３５および内壁３６、を形成し、流路３４を設ける。冷媒３３は、流入口３２１から流出口３２２へ流れる。
【００７３】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００７４】
ロジック素子を通じて信号を積層メモリへ最短経路で送ることができ、通信の高速化が可能となる。
【００７５】
また、ロジック素子が、液冷モジュールで冷却でき、許容発熱量を大きくすることができる。
【００７６】
また、液冷モジュールを薄型にすることができ、液冷モジュールをロジック素子と実装基板との狭い隙間に設置することができる。
【００７７】
また、半導体装置外部から液冷モジュールへの導管路が確保できる。
【００７８】
また、二次接続バンプの配置を線対称または回転対称とすることができ、電気特性が損なわれるおそれがない。
【００７９】
また、液冷モジュールは半導体装置と別体であり、ロジック素子の配線回路面と流路とが分離できるため、配線回路面や電気接続部に腐食劣化の懸念がない。
【００８０】
また、液冷モジュールの素材を、耐熱性の樹脂薄膜で金属箔を挟んだ積層フィルムで形成するため、液冷モジュールは耐半田リフロー性を有し、かつ高い耐水性を有する。また、パッケージ実装前に設置でき、かつ冷媒液の漏れを防止できる。
【００８１】
また、実装基板に液冷モジュールに対応する凹部を設けた場合、液冷モジュールの位置決めが容易となる。
【００８２】
また、実装基板に液冷モジュール導管路を通す穴を設けた場合、液冷モジュール導管路の流路断面積の拡大が容易となり、圧力損失を低減することができる。さらに、パッケージ基板と実装基板との間に液冷モジュール導管路を設置する必要がなくなるため、パッケージ基板と実装基板との間に配置する入出力端子数を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明による第一実施例のロジック素子最下積層構造パッケージ、実装基板および液冷モジュールを示す側方縦断面図である。
【図２】本発明による第一実施例の液冷モジュールおよび二次接続バンプの配置を示す平面図である。
【図３】本発明による第一実施例の液冷モジュールの内部構造を示す横断面図である。
【図４Ａ】本発明による第一実施例の液冷モジュールの製造過程を示す斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａの積層フィルムの実施例を示す部分断面図である。
【図５】本発明による第一実施例の液冷モジュールの製造過程を示す平面図である。
【図６】本発明による第一実施例の液冷モジュールを示す斜視図である。
【図７Ａ】本発明による第一実施例のパッケージの組み立てにおける第一工程を示す側方縦断面図である。
【図７Ｂ】本発明による第一実施例のパッケージの組み立てにおける第二工程を示す側方縦断面図である。
【図７Ｃ】本発明による第一実施例のパッケージを組み立てた後、液冷モジュールに冷媒を流した状態を示す側方縦断面図である。
【図８】比較例であるロジック素子最上積層構造パッケージを示す断面図である。
【図９】比較例であるロジック素子最上積層構造パッケージに空冷フィンを搭載した実施例を示す断面図である。
【図１０】比較例であるフィン空冷方式のパッケージの許容発熱量を示すグラフである。
【図１１】本発明による液冷パッケージの許容発熱量を示すグラフである。
【図１２】本発明による第一実施例における二次接続バンプおよび液冷モジュールの第一変形例を示すの平面図である。
【図１３】図１２の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図１４】本発明による第一実施例における二次接続バンプおよび液冷モジュールの第二変形例を示す平面図である。
【図１５】図１４の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図１６】本発明による第一実施例における二次接続バンプおよび液冷モジュールの第三変形例を示す平面図である。
【図１７】図１６の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図１８】本発明による第一実施例における二次接続バンプおよび液冷モジュールの第四変形例を示す平面図である。
【図１９】図１８の液冷モジュールの内部構造を示す断面図である。
【図２０】本発明による第一実施例における二次接続バンプおよび液冷モジュールの第五変形例を示す断面図である。
【図２１】図２０のＢ−Ｂ’断面図である。
【図２２】図２０および２１の液冷モジュールの製造過程を示す斜視図である。
【図２３】図２０および２１の液冷モジュールの製造過程を示す平面図である。
【図２４】本発明による第二実施例のロジック素子最下積層構造パッケージ、実装基板および液冷モジュールを示す側方縦断面図である。
【図２５】図２４の実装基板の凹部を示す斜視図である。
【図２６】本発明による第三実施例のロジック素子最下積層構造パッケージ、実装基板および液冷モジュールを示す側方縦断面図である。
【図２７】図２４の実装基板の凹部および穴を示す斜視図である。
【図２８】本発明による第三実施例の液冷モジュールの組み立てにおける第一工程を示す側方縦断面図である。
【図２９】本発明による第三実施例の液冷モジュールの組み立てにおける第二工程を示す側方縦断面図である。
【図３０】本発明による第三実施例の液冷モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
２：実装基板、３：液冷モジュール、４：空冷フィン、５：熱伝導部材、１１：パッケージ基板、１２：積層メモリ、１４：モールド樹脂、１５：二次接続バンプ、２１：実装基板の凹部、２２：実装基板の穴部、３１：液冷モジュール受熱部、３２：液冷モジュール導管路、３３：冷媒、３４：流路、３５：外壁、３６：内壁、３７：熱圧着部、３８：積層フィルム、１００：ロジック素子最下構造パッケージ、１０１：ロジック素子最上構造パッケージ、１１１：基板内スルーホール、１２１：メモリ素子、１２２：一次接続バンプ、１２３：シリコン貫通電極、１３１：ロジック素子、１３２：アンダーフィル、３２１：流入口、３２２：流出口、３２３：フランジ、３２４：フランジ接着部、３８１：樹脂フィルム、３８２：金属箔、３８４：積層フィルムの穴、３８５：積層フィルムの欠け。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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