(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ或はそれ以上の半導体チップを収納し、冷却液を受ける第一の端及び前記冷却液を排出する第２の端を含む冷却チャンネルに使用される制御プレートであって、
該プレートに形成され、各々が対応するチップを内部に収めるような形状とされた一つ或はそれ以上の開口と；
前記第１のチャンネル端近くで前記チャンネル内に配置された該プレートに取り付けられる一つ或はそれ以上の衝撃吸収要素と
よりなる制御プレート。
【請求項２】
少なくとも一つはチャンネルの幅より狭い幅を有する一つ或はそれ以上の半導体チップを収納し、冷却液を受ける第一の端及び前記冷却液
を排出する第２の端を含む冷却チャンネルに使用される制御プレートであって、
該プレートに形成され、各々が対応するチップを内部に収めるような形状とされた一つ或いはそれ以上の開口と；
該より狭いチップのエッジに隣接するチャンネルの領域内における流れ抵抗が、該より狭いチップ上部の流れ抵抗に近似的に等しいか或いはより大きいように、該より狭いチップの一つのエッジに隣接する該チャンネル内に設けられた流れ制御手段と
よりなる制御プレート。
【請求項３】
一つ或はそれ以上の半導体チップを収納し、冷却液を受け第一の端と、前記冷却液を排出する第２の端を含む冷却チャンネルに使用される制御プレートであって、
該プレートに形成され、各々が対応するチップを内部に受容するような形状とされた一つ或はそれ以上の開口と；
液の流れを前記チャンネル内に滑らかに導くような形状とされた、前記チャンネルの第１の端近くの流線型化された前縁と
よりなる制御プレート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体チップや他の熱発生電子部品を冷却する手段に関する。特に、本発明は、２或は３層チップパッケージング技術においてＩＣチップを冷却するためのヒートシンクに関する。更に、本発明は、チップヒートシンク上の冷却液の流れを制御し、冷却液のキャビテーションを防ぐ冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータなどのための高性能システムは、そのシステムの半導体集積回路（ＩＣ）を高速マルチチップ配列に収納する方向性で発展している。それら高性能システムのＩＣチップの多くは、比較的大量の電力（例えばチップあたり２０−１２５ワット／平方センチ）を消費し、除去されなければならない大量の熱を結果的に発生する。残念なことに、この熱発生はＩＣチップの集積度を実際上制限する。上述のような高性能システムの設計においては、この熱発生の問題を認識し、チップ間の高速信号相互結合の構築を大幅に妥協することなく、そのようなチップの高集積度を可能とする解決策を提供する必要がある。
【０００３】
ＩＣチップ群からの熱を除去する従来技術のある方法は、ＩＣチップの背面を熱伝導ベースプレートに取り付け、ワイヤボンド相互結合を用いてＩＣチップを相互にかつ外部信号線と相互結合する。これによって良好な熱伝導が達成されるが、ワイヤボンド相互結合は、各々のワイヤボンド相互結合の比較的大きなインダクタンスのために、他の多くの相互結合技術（例えば、フリップチップソルダーバンプ技術）と比べると比較的低速な信号の伝播をもたらす。一般的に、この方法は高密度の高速ＩＣパッケージングには適していない。
【０００４】
第２の従来技術は、むしろより２次元パッケージに適しており、ＩＣチップの前面を主支持基板にＣ４  はんだバンプ（例えばフリップチップボンディング）で取り付け、この主支持基板がチップに電源を、またチップ間の電気的相互結合を提供するものである。ＩＣチップの背面に機械的に接続されたバネ付きのヒートシンクがＩＣチップから熱を除去する。これは２次元パッケージングに適した方法である一方で、バネ付きのヒートシンクは主基板上のかなりの空間（容量）を占有し、複数の相互結合基板の近接積み重ねを妨げるので、３次元パッケージングには好適ではない。
【０００５】
Ｄａｖｉｄｓｏｎの米国特許第５，０７９，６１９  号に詳述されているように、第３の従来技術の方法においては、ＩＣチップは互いに重ね合わされてもよい平面ボードに格納される。２つのスロットが、ボードの主面の一つに形成され、そのスロット内に熱交換プレートが配置される。熱交換プレートはその内部に形成された数多くの内部管を有し、この内部管は冷却液を通す。冷却管配置のために、熱交換プレートは比較的厚く、ＩＣチップを格納する平面ボードは結果として厚くなる。これは、信号が長い垂直距離を伝播する必要があるため、平面ボード間の高速な信号伝達に対して不利である。
【０００６】
Ｔｕｃｋｅｒｍａｎ  の米国特許第４，４５０，４７２  号に詳述されているように、また他の方法においては、複数のマイクロチャンネルがＩＣチップの背面にエッチングされ、覆いが背面に取り付けられて複数のマイクロ冷却管を形成する。このチャンネルは層流熱伝導水を運ぶよう設計される。冷却水を受け取り排出するための多岐管がマイクロ冷却管の端に取り付けられる。残念なことに、マイクロチャンネルと多岐管の構築は高価かつ困難である。更に、各チップは各々別のパッケージに格納されるが、これはＩＣチップの高密度パッケージングの面から好ましくない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
現在まで、従来技術の冷却システムは、２或いは３次元のシステムにおける高速信号伝達及びそのようなシステムの効率的な冷却という２面的な必要性に対して適切な解決策を与えていない。従って、比較的単純な方法で製造でき、高密度で高速なＩＣチップに適した、コンパクトで、信頼性があり、高効率の冷却システムに対する必要性が存在する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体チップの背面に別個のヒートシンク配列を形成し、チップの活動面を相互結合基板に取り付け、直接にチップを冷却するためにヒートシンク配列上に冷却液を通すことで、コンパクトで信頼性のある効率的な半導体チップの冷却法が達成されるという認識に基づいている。チップは列状に配置されてもよく、ヒートシンク配列上の冷却液の流れを統合することで冷却効率を上げるために、その列の周りに一つ或はそれ以上のチャンネルが形成されてもよい。効率の増加と共に、各冷却チャンネルの高さはかなり低減され、３次元パッケージングのための相互結合基板の近接積み重ねを可能にし、相互結合基板間の垂直伝達時間を短縮する。本発明のヒートシンク配列は、半導体チップが相互結合基板上で取り付けられる近接の度合を実質上制限しないので、同一の基板上に取り付けられるＩＣチップ間の短距離高速相互結合の構築を実質上妨げない。
【０００９】
大略、本発明による冷却システムは、一つ或はそれ以上の半導体チップへの電気的結合を可能にする主基板と、主基板に結合される活動面を有する各々のチップと、背面上に冷却液を流すために主基板と各チップ上に形成されるチャンネルとよりなる。このチャンネルは、主基板の位置にある底面と、その底面の上に位置される上面と、冷却液を受けとる第１の端と、冷却液を排出する第２の端とを含む。本冷却システムは、選択された数のチップの各々に対するヒートシンク配列を更に含み、このヒートシンク配列は対応するチップの背面に形成され、そのチップの背面に取り付けられる複数の熱伝導要素を含む。好ましい実施例において、本冷却システムは、冷却チャンネルの底面に置かれ、一つ或はそれ以上の半導体チップの周りに形成されるキャビテーション／流れ制御プレートを更に有する。このプレートは、チップのエッジの周りの冷却液の流れを制御し、冷却液の圧力変化に起因する液内の低圧気泡の突然の生成と崩壊である冷却液のキャビテーションの防止を助ける。
【００１０】
本発明によるヒートシンク配列は、半導体チップ等の背面に形成される複数の熱伝導要素よりなる。各熱伝導要素は半導体の背面に取り付けられたボディーよりなる。ある好ましい実施例に置いて、熱伝導要素はワイヤよりなり、ワイヤボンディング装置によってチップの背面に取り付けられる。そのようなワイヤは、ラウンドワイヤやリボンワイヤを含むワイヤボンディングに用いられる一般に入手可能なタイプの任意のものでよい。他の好ましい実施例において、熱伝導要素は、パターン化されたスペーサー層内に熱伝導材料を形成することでチップの背面上に構築されたポストよりなる。
【００１１】
本発明によるキャビテーション／流れ制御プレートは、プレート内に形成された一つ或はそれ以上の開口よりなり、各開口は対応する半導体チップをその内部に収めるように形成される。ある好ましい実施例においては、衝撃吸収構造が、冷却液に存在する力学的衝撃を吸収するために、冷却液を受け取る第１のチャンネル端近隣に配置される。この衝撃吸収構造は、ヒートシンク配列の熱伝導要素に類似の複数の要素よりなる。他の実施例において、第１のチャンネル端に近いプレートの前縁は、半導体チップ上を流れる前に液の流れをチャンネル内とプレート上に滑らかに導く流線型の面よりなる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、大量の熱を効率的に除去でき、高速伝達用チップの近接配置が可能な、半導体チップのための熱除去冷却システムを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、複数の相互結合半導体ＩＣチップを対象とし、ＩＣチップ間の高速信号相互結合の構築を大幅に妥協することなく、そのようなチップの高密度を可能にする効率的なシステムを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、容易に構築可能な、半導体チップのための効率的で信頼性のある冷却手段を提供することである。
【００１５】
本発明の更なる目的は、冷却効率、及び液によって冷却される半導体チップの動作に、悪影響を与える冷却液内の流れの乱れを最小限に抑えかつ防ぐことである。
【００１６】
本発明のそれらのまた他の目的は、後述の本発明の詳細な説明、添付図面、及び特許請求の範囲から当業者にとって明らかになるだろう。
【００１７】
【作用】
本発明においては、主基板に結合された活動面を有するチップの背面上に冷却液を流すために主基板とチップ上に冷却チャンネルが形成され、複数の熱伝導要素を含むヒートシンク配列がチップの背面に形成されるので、熱を冷却液へ容易に伝達することで大量の熱を効率的に除去でき、また効率の増加と共に各冷却チャンネルの高さが低減される。
【００１８】
更に本発明においては、冷却チャンネルの底面で半導体チップの周りにキャビテーション／流れ制御プレートが形成されるので、チップのエッジの周りの冷却液の流れを制御し、冷却液の圧力変化に起因する液内の低圧気泡の突然の生成と崩壊である冷却液のキャビテーションの防止を助勢することができる。
【００１９】
更に本発明においては、チップの背面に形成される複数の熱伝導要素は、ワイヤボンディング装置によって取り付けられるラウンドワイヤやリボンワイヤ等の一般に入手可能なワイヤでよく、或は、熱伝導要素はパターン化されたスペーサー層内に熱伝導材料を形成することでチップの背面上に構築されたポストであってもよいので、容易に構築可能である。
【００２０】
また更に本発明においては、衝撃吸収構造がチャンネル端近接に配置されるので、冷却液に存在する力学的衝撃を吸収することができる。
【００２１】
【実施例】
本発明による半導体チップ冷却システムの第１の実施例の斜視図が図１の１０に示され、その断面図が図２に示される。冷却システム１０は、複数の半導体チップを収める主基板１２と、主基板１２の対向する２つのエッジにおかれそこに取り付けられた側壁１４及び１６と、主基板１２の上に位置し側壁１４及び１６に取り付けられる上部基板１８とよりなる。冷却チャンネル２０は、基板１２及び１８と、側壁１４及び１６とによって囲まれる空間内に形成される。半導体チップ３０は冷却チャンネル２０内におかれ、図２を参照して以下により詳しく説明するように、はんだバンプ４９のような相互結合手段によって、主基板１２の活動面上に装着、取り付け、或は接続される。他の相互結合手段、例えばインターポーザが使われてもよい。チップ３０は一列に配置されてもよく、或は２列または３列に配置されてもよい。上部基板１８は、チップ３０の装着を可能にするために取り外し可能であることが好ましい。
【００２２】
主基板１２は、好ましくは半導体チップ３０に電気信号を接続するための電気的結合手段を含む。好ましい実施例においては、結合手段はチップ間の相互結合を提供することが可能である。付加的に、３次元マルチチップモジュール実施例において、上部基板１８はその上面に装着された半導体チップを有してもよく、その上に形成された第２の冷却チャンネルを有してもよい。上部基板１８はまた、基板１２のものに類似の電気的結合手段を有してもよい。側壁１４及び１６は電気的結合手段を有してもよく、それは基板１２及び１８の間の電気信号を接続する。
【００２３】
チャンネル２０は、チップ３０の背面上に冷却液を流す。液流の方向は図の流れ線２６によって示される。チャンネル２０は主基板１２で底面、その底面より上に上部基板１８で上面、冷却液を受ける第１の端２２、及び冷却液を排出する第２の端２４を有する。冷却液は適切に非導電性かつ非酸蝕性である。最大限の熱除去のため、冷却液は液体である。チャンネル２０の長さは端２２と２４の間にわたり、チャンネル２０の幅は側壁１４と１６の間にわたる。チャンネル２０の高さ、或は深さは、チャンネルの上面と底面（即ち、基板１２と１８）の間にわたる。
【００２４】
ここで説明された冷却液に接触或は埋没する部品は、冷却液と化学的にコンパーチブルであるべきである（即ち、部品は好ましくは冷却液と悪影響のある反応をしない）。冷却液は、例えば３Ｍ株式会社製造のＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴシリーズの液体などの化学的に不活性な物質であってもよい。代わりに、部品は特定の冷却液と固有にコンパーチブルな物質からなっていてもよく、その液体とコンパーチブルな物質の保護層で覆われていてもよい。例えば、冷却液が水であるなら、シリコンゲルダイコートが部品が水と反応することを防ぐために用いられる。特に注意すべきは、ＩＣチップの活動面の保護である。一般の冷却液と、一般のＩＣチップ材質、コーティング材質、及びＭＣＭ材料との間のコンパーチビリティーに関する知識、或は決定は、ＭＣＭ及びパッケージング技術の通常の知識範囲内のものである。従って、化学的にコンパーチブルな物質の詳細なリスト、或は不活性冷却液及び保護コーティングの更なる例は、本発明を理解するために、また通常の当業者が本発明を構成し使用するために必要ではない。
【００２５】
キャビテーション／流れ制御プレート５０は、好ましくはチャンネル２０の底面におかれ、一つ或はそれ以上の半導体チップ３０のエッジの周りに形成され、望ましくは完全に平坦である。プレート５０は、チャンネル２０の底面に接する第１の主面５１、第１の主面５１に実質的に共面である第２の主面５２、プレートのボディーを通してプレートの主面５１及び５２の間に形成される幾つかの開口５３を含む。各開口５３は、対応するチップ３０をその内部に収めるように形成、即ち形作られる。好ましくは、第２の主面５２はチップ３０の背面と実質的に連続な面を形成するように、チップ３０の背面に実質的に平坦である。プレート５０が冷却チャンネル２０の内部におかれた状態で、冷却液はチャンネルの断面のかなりの部分を通って流れるが、プレート５０の厚みのため全体の断面を通ってではない。
【００２６】
プレート５０は、チップのエッジの周りの冷却液の流れを制御し、繰り返し流れる渦が隣接するチップ３０の間の空間に形成されることを防ぐ。そのような渦はチャンネルに沿った圧力低下を増大させ、従って液をチャンネル２０を通して移動させることをより困難にする。そのような渦はまたキャビテーションを引き起こす。キャビテーションによって起こされる気泡の急速な生成と崩壊は、側壁１４及び１６と基板１２及び１８とに対する比較的高い圧力を生成し、それらの部品とチップ３０から材料を崩落させる。そのような気泡はまた、液の冷却効率を低下させる。従って、プレート５０は、チャンネル２０の好ましくない圧力低下を低減し、その内部のキャビテーションを防ぐ。プレート５０の更なる特徴と利点は以下に説明される。
【００２７】
プレート５０がないと、液流２６はチャンネルの先頭のチップ３０の前縁に対して圧力を加え、従ってチップ３０の活動面を主基板１２に接続する相互結合（例えば、はんだバンプ４９）にストレスを加える。そのような加えられた圧力は、相互結合が疲労し損傷するチャンスを増大させる。プレート５０は、先頭のチップ３０の前縁を直接の液のインパクトから保護し、先頭のチップにかかるストレスを低減する。
【００２８】
冷却システム１０はまた数多くヒートシンク配列４０よりなり、各々は、チップ３０の背面上に形成された各々複数の熱伝導要素４４よりなる。ヒートシンク配列４４は、チップ３０から液への熱伝達を向上させるために冷却液の流れの中に位置される。ヒートシンク配列はチップ３０の背面の表面積を増加させ、以下に更に説明されるように、チップ背面近くの液内に乱れを生成してチップから液への熱伝達率を増加させる。図５は、チップ３０上に形成されたものとして、ヒートシンク配列４０の部分斜視図を示し、図６はその部分断面図を示す。チップ３０の活動面は参照番号３１によって示され、その背面は参照番号３２によって示される。図６に最もよく示されるように、各熱伝導要素４４は第１の端と第２の端を有するボディー４５よりなる。各第１の端はチップ３０の背面３２に取り付けられる。図６はまた、主基板に装着される前に形成された電気的相互結合パッド４８を有する活動面を示す。パッド４８は、図２に示されるＣ４  はんだバンプ４９のような、当該技術に周知の様々な方法で主基板１２に取り付けられることができる。
【００２９】
図５及び６に示される実施例において、各ヒートシンク要素ボディー４５は熱伝導材料を延ばしたポストよりなる。このポストは好ましくは、互いに、実質上同一の直径と実質上同一の高さを有する。ポストは好ましくは、チップ背面の面積の約１／３以上の総体的な露出表面積を提供する密度で形成される。模範的なポスト直径は、約５  μｍ  から約５００  μｍ  の範囲であり、模範的なポストの高さは約１０μｍ  から約１，０００  μｍの範囲である。
【００３０】
本発明のあるヒートシンク配列の実施例において、ポストは約４０μｍ  の高さを有し、約１２．５μｍ  の直径を有し（第１の端４６で約１０μｍ  、第２の端４７で約１５μｍ  細い）、約３０μｍ  の小さな中心間距離を有し、正方グリッドパターンに形成されたとき１平方センチ当たり約１１０，０００  迄の密度に対応する。本発明の他のヒートシンク配列の実施例において、ポストは約３８０  μｍ  の高さを有し、約２５４  μｍ  の直径を有し、約５００  μｍ
の中心間距離を有する。
【００３１】
それらはチップの背面の小さな部分に接触するだけであるが、熱伝導要素４４は液流の主要部分内に位置されており、従って熱を冷却材へ容易に伝達することができる。熱伝導要素４４はまた、チップの背面での熱伝導率を増加するチップ背面３２近傍での液流内の乱れを生成する。当該技術に周知のように、層流熱伝導の液が平面Ｓ上を速度Ｖで流れると、速度Ｖよりかなり小さな速度を有する小さな液層が面Ｓのすぐ上に形成され、層流熱伝導の流れがこの小さな層の上に発生することになる。この層はしばしば定常境界層と呼ばれ、熱は流れによって除去される前にこの層を通過して伝導しなくてはならないので、面から液流への熱伝達を大幅に妨げる可能性がある。伝導要素によってなされるように面の近くに乱れを導入することで、定常境界層の厚みは大幅に低減され、熱伝導率は大幅に改善される。
【００３２】
ヒートシンク配列４０は好ましくは、背面３２上に形成される粘着面より更になる。熱伝導要素４４は、好ましくは一つ或はそれ以上の金属層によって設けられる粘着面４２に取り付けられる。
【００３３】
粘着面４２とポスト要素４４は好ましくは、標準半導体工程によって生成される。粘着面４２の一つまたはそれ以上の金属層は、スパッタ、蒸着、電気メッキ、或はそれらの適切な組み合せなどの任意の適切な工程によって、チップの背面に形成されることができる。ポスト熱伝導要素４４は好ましくは、フォトリソグラフィー、即ち、チップ背面にスペーサ層を形成し、要素４４が形成されるスペーサ層の複数部分を除去し、除去された部分内に熱伝導材料を形成する各段階によって粘着面４２に形成される。スペーサ層の残留部分は、その後除去される。本発明のある実施例において、粘着面は、クロムやチタンの薄いスパッタされた層とそれに続く銅の薄いスパッタされた層とよりなり、スペーサ層は上記スペーサ部分を除去するために露光され現像されるフォトレジスト材料よりなり、ポスト用路４４は除去された部分に電気メッキされる銅よりなる。クロムやチタンのスパッタされた層は、少なくとも約３０ｎｍの厚みを有し、スパッタされた銅の層は、少なくとも約１００ｎｍ  の厚みを有する。それらの方法によって、非常に高密度の熱伝導要素４４が得られ得る。
【００３４】
シールドされない限り、第１のチャンネル端２２に最も近い熱伝導要素４４は冷却液の初期流力を吸収し、チップの活動面を主基板１２に固着する相互結合にストレスを加えることになる。この衝撃吸収と相互結合へのストレスを最小限に抑えるために、キャビテーション／流れ制御プレート５０は好ましくは、第１のチャンネル端２２に近く、ＩＣチップ３０の正面で、プレート５０の主面５２の上面に取り付けられる複数の衝撃吸収要素５４よりなる。要素５４は、冷却液（２６）が最初にチャンネル２０に流入したときの初期インパクト、或は初期力学的衝撃を吸収する。更に、要素５４は、システムパワーアップ直後の液流開始により冷却液中に存在するあらゆる衝撃波を吸収する。衝撃の吸収は、先頭のチップの熱伝導要素４４への液力と、先頭チップの相互結合へのストレスを低減する。衝撃吸収要素の更なる例は、以下に説明される図３、４、７、及び１２に示される。
【００３５】
衝撃吸収要素５４は熱伝導材料で形成される必要はなく、射出成型によって形成されるなど、プレート５０の一部として一体的に形成されてもよい。要素５４は好ましくは、熱伝導要素４４の形状に類似或は実質的に類似の形状を有し、要素４４のパターンに実質的に従うパターンに配置されてもよい（即ち、要素４４と５４は共通のパターンに配置される）。
【００３６】
好ましい実施例において、プレート５０は、冷却液の流れを滑らかにチャンネル２０に流入・流出させ、流れの断面の跳び不連続を最小にするために、チャンネル端２２と２４の近くで流線型化されたエッジを更に有する。そのようなエッジは、プレート５０のエッジにおける渦やキャビテーションの防止、及びチャンネル２０での圧力低下の減少に役立つ。流線型化されたエッジは、角取りされてもよくまた曲面化されても（即ち、丸められても）よい。一例として、角取りされた前エッジ５６がチャンネル端２２に示され、曲面化された後ろエッジ５７がチャンネル端２４に示され、これらは図２において最もよく観察される。しかしながら、前エッジ５６は曲面化されるか或は流線型化されてもよく、後ろエッジ５７は角取りされるか或は流線型化されてもよい。流線型化されたエッジの更なる例が、以下に説明される図３、４、７、１２に示される。
【００３７】
幾つかの応用においては、例えばチャンネル端２４近くの小さいＩＣチップ３０’によって図１及び２に示されるように、あるチップ３０は他のチップ３０より小さいサイズである。チャンネル幅より狭く、チャンネル２０の全体幅にまで実質的には広がらないチップ３０’上に熱伝導要素４４が置かれるとき、冷却液（２６）はその周りをバイパスし、上流のより大きなチップ３０ほど効果的には冷却しない。バイパスを最小限に抑えるために、プレート５０は、図１に最もよく示されるように、小さなチップ３０’用の開口５３の各横エッジに沿う近傍で、上部の主面５２に取り付けられた流れ制御手段６１及び６２より更になる。流れ制御手段６１及び６２は、冷却液の流れ方向２６に実質的に平行に走り、一般的に互いに対向して（即ち、流れに平行に走る開口５３の対向する横エッジに）置かれる。流れ制御手段６１及び６２は、開口５３上の冷却液の流れを収束させ、従って小さなチップ３０’の周りへの冷却液のバイパスを最小化或は防止する。
【００３８】
各々の流れ制限手段６１及び６２は好ましくは、チャンネルの高さ引くプレート５０の厚みに、実質的に等しい高さを有する面画成要素よりなる。各面画成要素は、開口５３に向かいその上に冷却液の流れを導くように形成された前面部分６４と、開口から液流れが流れ去るに従いその幅を広げるよう形成された後面部分６６と、前及び後面部分６４及び６６の間に置かれた中間面部分６５を有する。前面部分６４は液流れが開口５３に近づくに従いその断面幅を狭め、後面部分６６は液流れが開口５３から流れ去るに従いその断面幅を拡大する。前面部分６４は好ましくは、プレート５０の一方の側近くで開口５３の上流の点から、開口の上流端近くの第２の点に延在する。中間面部分６５は好ましくは、この第２の点から開口５３の下流端近くの第３の点に下流に向かって延在し、そして好ましくは、開口５３の対応するもう一つの側のエッジに近接する。後面部分６６はこの第３の点から、プレート側近くで開口５３から更に下流に位置する第４の点に延在する。本発明の好ましい実施例において、チップ３０’はチャンネル２０の中心におかれ、流れ制限手段６２は流れ制限手段６１の鏡像をなす。
【００３９】
図１に示される面６４−６６は平坦であるが、それらの面は曲面でもよく、或は、小さなチップ３０’にわたる流れの速度プロファイルを改善し、渦を低減させ、チャンネル２０での圧力低下を減少し、キャビテーションを防ぐように形成されてもよい。更に、中間面部分６５は開口５３の横エッジに近接するように示されているが、流れの断面積拡大によってチャンネル２０における圧力低下を減少するために、このエッジから離れておかれてもよい。この拡大は、冷却液の幾分かが小さいチップ３０’の周りにバイパスすることを許容するが、流れ制限手段６１が小さいチップ３０’上での冷却液の流れ速度を増大させることによって補償する。好ましくは、流れ制御手段６１及び６２は、開口の横エッジに隣接するチャンネルの領域における流れ抵抗が、開口でのチップ３０’上の流れ抵抗より大きくなるようにする。更に、面画成要素は図１において充填物として示されるが、この面画成要素は中空構造を有してもよい。
【００４０】
小さなチップ３０’の周りへの液流れのバイパスを最小化或は防止する代替的な方法として、好ましくは要素４４と５４に類似の流れ制御要素が、小さなチップ３０’の横エッジの周りでプレート５０の上面５２に配置される。この代替策は、図３と４の１００に示される本発明に従った半導体チップ冷却システムの第２の実施例に参照して説明される。図３はその等角図を示し、図４はその断面図を示す。冷却システム１０と同様に、冷却システム１００は主基板１２、側壁１４及び１６、チャンネル２０、及び冷却液（２６）よりなる。システム１０と対照し、システム１００は代替的キャビテーション／流れ制御プレート５０’よりなる。プレート５０のように、プレート５０’は主面５１及び５２、及び幾つかの開口５３を含み、第２の主面５２はチップ３０の背面と実質的に共平面である。対照的に、プレート５０’は、小さなチップ３０’用の開口５３のエッジ周囲に配置される複数の流れ制御要素７４よりなる。数多くの流れ制御要素７４は好ましくは、冷却液の流れ２６に実質的に平行である開口横エッジに沿って配置される。それらの要素は好ましくは、チップの幅にわたる速度プロファイルをより均一にする。好ましくは、流れ制御要素７４は、開口横エッジに隣接するチャンネル領域における流れ抵抗が、開口内チップ３０’上での流れ抵抗に近似的に等しいか大きくなるようにする。数多くの要素７４は、冷却液の流れ２６に実質的に垂直である開口の横エッジに沿って、衝撃吸収要素として配置されてもよい。酵素７４は熱伝導材料で形成される必要はなく、プレート５０’の一部として一体的に形成されてもよい。
【００４１】
システム１００は更に、代替的上部基板１８’、主基板１２に類似でその下部に位置される第２の主基板１１２、各々側壁１４と１６に類似の側壁１１４と１１６よりなる。上部基板１８’は、冷却液の流れ２６をチャンネル２０により良好に導入・導出して渦を防ぐために形成された、流線型化された前縁１１８と流線型化された後縁１１９を含む。主基板１１２及び１２、そして側壁１１４及び１１６は、第１のチャンネル２０のすぐ下に第２の冷却チャンネル１２０を形成するため配置される。半導体チップは、基板１２上のチップ３０の近傍で基板１１２に装着され（図４参照）、信号伝達線（図示せず）は、基板１１２と１２の間で側壁１１４と１１６の一方或は両方を貫通するように形成され、従って高性能集積回路チップ等に対するコンパクトな３次元パッケージを提供する。
【００４２】
プレート５０と同様に、プレート５０’はまた、チャンネル端２２近くに流線型化された前縁５６’とチャンネル端２４近くに流線型化された後縁５７’を有し、それぞれは液流れをチャンネル２０により良好に導くように形作られる。冷却液を第２のチャンネル１２０に導くために、プレート５０’はまた、凹部５５がチャンネル端２２と２４で主基板１２上にはまり、そこで垂れ下がる縁を形成するように、主面５１に形成された凹部５５を含む。凹部５５はプレート底面５１がチャンネル１２０の上面（基板１２の底）近傍に位置することを可能にし、従って、縁５６’及び５７’がまた、図３と４に示されるように液を第２のチャンネル１２０に導くように流線型化されてもよい。好ましくは、凹部５５は主基板１２の厚みに実質的に等しい深さを有し、プレートの底面５１は実質的にチャンネル１２０の上面と平坦面を形成し、従って、それと連続面を形成する。更に、凹部５５が基板１２の前縁と一致するとき、冷却液が前縁５６’に加えた力は、チップ３０の前縁ではなく基板１２に伝えられる。
【００４３】
プレート５０と５０’の各々は、様々な手段によって各々の位置に保持される。例えば、プレート５０と５０’は、接着され、はんだ付けされ、機械的に固定され、或は上部基板１８に対して強くはめ込まれるようにチャンネル２０の高さ方向に延在する側壁によって保持されてもよい。後者の手段は、本発明によるキャビテーション／流れ制御プレートの第３の実施例における図７の１５０に示される。面５１と５２、開口５３、凹部５５、縁５６’と５７’、及び流れ制御要素７４に加えて、プレート１５０は、プレート面５２に取り付けられ、プレート１５０の横エッジに沿って配置される側壁１５２及び１５６を含む。側壁１５２及び１５６の各々は好ましくは、冷却チャンネル２０の高さ引くプレートの厚みに実質的に等しい高さを有し、従って、上部基板１８と上部プレート面５２の間にはまり、プレート１５０の垂直運動を実質的に防止する。側壁１５２及び１５６は好ましくは、流線型化された前縁１５３及び１５７と流線型化された後縁１５４及び１５８を各々含み、それらは液をチャンネル２０に導入・導出し、前述の流線型化された縁と同じ利点を提供するよう形成される。
【００４４】
側壁１５２と１５６は好ましくは、チャンネルの幅に沿ったプレート１５０の横方向運動を防止するために、各々側壁１４と１６に接する。凹部５５は、チャンネルの長さに沿ったプレート１５０の横方向の運動を防止するために用いられてもよい。凹部５５と側壁１５２及び１５６は、従って、他の装着手段を必要とせずにチャンネル内にプレート１５０を固定することができる。このように、プレート１５０は上部基板１８が取り除かれたときに容易に除去され得る。
【００４５】
本発明によるヒートシンク配列の更なる実施例がここに説明される。チップ３０上に形成されるものとして、第２の実施例の等角図が図８の１４０に示され、その断面図が図９に示される。チップ３０、相互結合パッド４８を有する活動面３１、及びその背面３２が図８と９に示される。チップ３０上の冷却液とその流れ方向が２６に示される。ヒートシンク配列１４０は、ワイヤボンディング装置やワイヤボンディング法によってチップ３０の背面３２に形成される複数のポスト形状の熱伝導要素１４４よりなる。図９に最もよく示されるように、各熱伝導要素１４４は、第１の端１４６と第２の端１４７を有するワイヤボディー１４５よりなる。第１の端１４６は背面３２に取り付けられ、第２の端１４７は冷却液と接触するように露出したままにされる。図１−６に示されるヒートシンク配列４０と同様に、粘着面４２が背面３２に形成され、端１４６は粘着面４２に取り付けられる。
【００４６】
熱伝導要素１４４は、図８と９に示されるように、ボールボンドとして形成されてもよく、ここでワイヤ材料のボールが各要素の第１の端１４６に形成され、この端が粘着層４２に接する。熱伝導材料１４４はまた、ウェッジボンドとして形成されてもよく、ここでワイヤの第１の端が粘着層に取り付けられる前にこの第１の端でワイヤの一部が小さく折り曲げられる。更に熱伝導要素１４４は、ワイヤボンディングで用いられる一般に入手可能なタイプのものでよく、それはラウンドワイヤやリボンワイヤを含み、後者は実質的に長方形或はスロットのある断面を有する。
【００４７】
この実施例のある実現において、粘着面４２は、クロムの層とクロム上の金の層とよりなり、各層は通常の工程によって形成され、好ましくは少なくとも約１００ｎｍ  の厚みを有する。ワイヤ要素１４４は約２５０  μｍ  （〜１０ｍｉｌｓ）の高さと約３１μｍ  （〜１．２５ｍｉｌｓ）の直径を有し、約２００  μｍ  （〜８ｍｉｌｓ  ）だけ中心間が離れている。背面３２において、ピックアップ道具用の作業領域を提供するために約１ｍｍ  幅の境界が、チップ３０のエッジ周りに設けられる。１ｃｍ辺の正方形チップにおいて、この構成のワイヤ要素は約０．４８平方センチの表面積を提供し、これは冷却用表面積の約４８％の増加を提供する。
【００４８】
粘着面４２は代わりに、背面３２に形成されるほかの適切な材料か、或は面３２の適切な面処理よりなってもよいことは理解されるだろう。上記説明を考慮すれば、当業者は、粘着面４２は実質上チップ３０の全背面にわたり連続的に形成されてもよく、或は複数の個別のボンディングパッド領域として形成されてもよいことを理解するだろう。更に、ワイヤ要素１４４は異なった高さ、直径、幅、厚み、及び中心間距離で形成されてもよい。ワイヤボンディングに使用される典型的なラウンドワイヤは、〜１２．５μｍ  から〜５００  μｍ  の間の範囲の直径を有し、典型的なリボンワイヤは、〜６．２５μｍ  から〜５０μｍ  の間の範囲の厚みと、〜７５μｍ  から〜１，０００  μｍ  の間の範囲の幅を有する。模範的な高さは〜１０μｍ  から〜１，０００  μｍ  の間に範囲し、中心間距離は１００  μｍ  の狭さかそれよりも短い。要素１４４はそれらの第１の端１４６が正方グリッドパターンになるよう配置されているが、要素１４４は例えば長方形ラティスか６角形ラティスなどの他のパターンに配置されてもよい。
【００４９】
本発明による第３のヒートシンク配列の実施例において、ワイヤ要素１４４は、あるボンディング位置から隣へと回され、第２の端を露出するために切断されるのではなくワイヤの輪のチェインを形成する。図１０はこの実施例の部分的な等角図を２４０として示し、図１１はその部分的な断面図を示す。両方の端は背面３２の粘着面４２に取り付けられ、ボディー１４５が半円形状に形成される。各要素１４４の第２の端１４７は好ましくは、他の一つの第１の端１４６の隣に粘着面４２に取り付けられる。このボンドは従って、ワイヤ切断操作なしで形成され、製造時間を短縮することになる。チェインは、２ボンドのサーモソニックループか或は超音波多重ボンドスティッチによって形成される。
【００５０】
この実施例のある構成において、チェイン状ワイヤボンドは中心間距離２００μｍ  におかれ、３１μｍ  のワイヤ直径が用いられる。ピックアップ道具用の１ｍｍ  の外側境界を有する１平方センチチップにおいて、チェイン状のワイヤボンドは０．５６平方センチの表面積を提供し、これは５６％の増加である。
【００５１】
ある好ましい実施例において、冷却液が半円を通して、即ち半円と背面との間に形成された領域を通して流れるように、複数の要素１４４が方向付けられる。好ましくは半円ボディーの各々は、冷却液の流れ方向に実質的に垂直に向けられた対応する幾何平面内におかれる。
【００５２】
図８−１１に示されるワイヤボンドヒートシンク配列の実施例は、ワイヤボンディング装置によって容易にかつ廉価に構築され得る。更に、ワイヤボンディングは液体や気体流内で冷却される任意の電子装置に対して適用され得る。そのような装置はパッケージされたＩＣチップ、パッケージされた半導体装置（即ち整流器或は電源トランジスタ）、及び抵抗、インダクタ、或はキャパシタなどのパッケージされた受動素子であってもよい。
【００５３】
プレート５０、５０’、及び１５０の衝撃吸収要素５４及び流れ制御要素７４は図１−７に示される用にポストボディーよりなってもよく、或は図８−１１に示されるようにワイヤボディーよりなってもよい。要素がワイヤ形状のボディーを有する本発明による制御プレートの模範的な実施例が図１２の２５０に示される。プレート５０、５０’、及び１５０に対比して、プレート２５０は、ポスト要素５４の場所に輪状の衝撃吸収要素５４’と、ポスト要素７４の場所に輪状のワイヤ流れ制御要素７４’を有する。
【００５４】
本発明は図解された実施例に関して特に説明された一方で、様々な変更、修整、及び調整が本説明に基づいてなされ得るが、それらが本発明の範囲内と意図されることは理解されるであろう。本発明が現時点で最も現実的で好適な実施例であると考えられるものに関して説明された一方で、本発明は説明された実施例に限定されずに、その逆に、付記請求の範囲内に含まれる様々な修整と等価な構成を含むと意図されることは理解されるべきである。
【００５５】
【発明の効果】
本発明においては、主基板に結合された活動面を有するチップの背面上に冷却液を流すために主基板とチップ上に冷却チャンネルが形成され、複数の熱伝導要素を含むヒートシンク配列がチップの背面に形成されるので、熱を冷却液へ容易に伝達することで大量の熱を効率的に除去でき、また効率の増加と共に各冷却チャンネルの高さが低減されることで相互結合基板間の垂直伝達時間を短縮することができ、更にはチップが相互結合基板上で取り付けられる近接の度合は実質上制限されないので、高速伝達用チップの近接配置が可能となる。
【００５６】
更に本発明においては、冷却チャンネルの底面で半導体チップの周りにキャビテーション／流れ制御プレートが形成されるので、チップのエッジの周りの冷却液の流れを制御し、冷却液の圧力変化に起因する液内の低圧気泡の突然の生成と崩壊である冷却液のキャビテーションの防止を助勢することができ、従って、液によって冷却される半導体チップの動作及び冷却効率に悪影響を与える冷却液内の流れの乱れを最小限に抑えかつ防ぐことができる。
【００５７】
更に本発明においては、チップの背面に形成される複数の熱伝導要素はワイヤボンディング装置によって取り付けられるラウンドワイヤやリボンワイヤ等の一般に入手可能なワイヤでよく、或は、熱伝導要素はパターン化されたスペーサー層内に熱伝導材料を形成することでチップの背面上に構築されたポストであってもよいので、従って容易に構築可能であり、また更に、衝撃吸収構造が冷却液に存在する力学的衝撃を吸収するためにチャンネル端近接に配置されるので、効率性と共に信頼性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置等を冷却する本発明によるシステムの第１の実施例の展開された斜視図である。
【図２】図１に示される断面平面で切裁された、図１に示されるシステムの断面図である。
【図３】半導体装置等を冷却するための本発明によるシステムの第２の実施例の展開された斜視図である。
【図４】図３に示される切断面で切裁された図３に示されるシステムの断面図である。
【図５】本発明による、半導体装置等を冷却する図１−４に示される第１のヒートシンク配列実施例の部分的斜視図である。
【図６】図５の切断面で切裁された図１−５に示されるヒートシンク配列実施例の部分的断面図である。
【図７】本発明による第３のキャビテーション／流れ制御プレートの斜視図である。
【図８】本発明による半導体チップ等を冷却する第２のヒートシンク配列実施例の斜視図である。
【図９】図８の切断面で切裁された図８に示されるヒートシンク配列実施例の断面図である。
【図１０】本発明による半導体チップ等を冷却する第３のヒートシンク配列実施例の斜視図である。
【図１１】図１０の切断面で切裁された図１０に示されるヒートシンク配列実施例の断面図である。
【図１２】衝撃吸収要素と流れ制御要素がワイヤボディーよりなる、本発明によるキャビテーション／流れ制御プレートの他の実施例の斜視図である。
【符号の説明】
１０    冷却システム
１２    主基板
１４、１６    側壁
１８    上部基板
１８’  代替的上部基板
２０    冷却チャンネル
２２    第１の端
２４    第２の端
２６    液の流れ
３０    半導体チップ
３０’  小さいチップ
３１    チップ活動面
３２    チップ背面
４０    ヒートシンク配列
４２    粘着面
４４    熱伝導要素
４５    熱伝導要素ボディー
４６    熱伝導要素第１の端
４７    熱伝導要素第２の端
４８    電気的相互結合パッド
４９    はんだバンプ
５０    キャビテーション／流れ制御プレート
５０’  代替的キャビテイーション／流れ制御システム
５１    第１の主面
５２    第２の主面
５３    開口
５４    衝撃吸収要素
５５    凹部
５６    角取りされた前縁
５６’  流線型化された前縁
５７    曲面化された後縁
５７’  流線型化された後縁
６１、６２    流れ制限手段
６４    前面部分
６５    中間面部分
６６    後面部分
７４    流れ制御要素
１００  代替的システム
１１２  第２の主基板
１１４、１１６  側壁
１１８  流線型化された前縁
１１９  流線型化された後縁
１２０  第２の冷却チャンネル
１４０  ヒートシンク配列の第２実施例
１４４  ポスト形状熱伝導要素
１４５  ワイヤボディー
１４６  第１の端
１４７  第２の端
１５０  プレート
１５２、１５６  側壁
１５３、１５７  流線型化された前縁
１５４、１５８  流線型化された後縁
２４０  ヒートシンク配列の第３の実施例
２５０  ワイヤ形状要素の制御プレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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