(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板上に実装される電子部品と、
前記第１の基板上に実装される第２の基板と
前記第２の基板上に実装される第３の基板と、
前記第１の基板上に実装された前記電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を有する冷却路を含み、
前記冷却路は、
前記第２の基板と前記第３の基板を接続する第２の接合材、前記第２の基板、及び前記第３の基板で区画された第１の流路と、
前記第２の基板に形成され、前記電子部品の上方に配置された貫通孔と、前記第３の基板と、前記電子部品に取り付けられた受熱部材とで形成され、前記第１の流路に連結される第２の流路と、
前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材、前記第１の基板、及び前記第２の基板で区画され、かつ前記第２の流路に連結されると共に冷媒が流れる第３の流路と、
を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記受熱部材には溝が形成されおり、前記受熱部材の溝が前記冷却路に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記受熱部材上で、かつ前記第２の流路内に多孔質体を配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記受熱部材及び前記多孔質体は、前記第２の基板の前記貫通孔に挿入されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の流路に冷媒が供給され、前記第２の流路には前記第１の流路に供給された冷媒が下向きに流れた後、前記第３の流路に流出するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
第１の基板上に電子部品を実装する工程と、
前記第１の基板上に接合材による流路パターンを形成する工程と、
前記電子部品が実装されると共に前記流路パターンが形成された前記第１の基板上に、前記電子部品の実装位置に併せて貫通孔が形成された第２の基板を、前記接合材を用いて接合する工程と、
を含み、
前記第１の基板上に前記第２の基板を接合することで、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材と、前記第１の基板と、前記第２の基板とによって、前記電子部品を冷却する冷媒が流れる冷却路が形成されると共に、前記第２の基板の前記貫通孔を通る冷媒が前記電子部品と熱交換可能な流路が前記貫通孔と前記電子部品に取り付けられた受熱部材とを用いて形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータなどの電子装置では、ＬＳＩ（Large Scale Integration；半導体集積回路）素子を有する半導体装置を有する。一般的に、ＬＳＩ素子は、処理に伴って熱を生じるので、ＬＳＩ素子を冷却して熱を取り除く必要がある。ＬＳＩ素子を冷却するときは、例えば回路配線基板に実装したＬＳＩ素子の上面を放熱面に設定し、放熱面にヒートスプレッダーやヒートシンクを熱的に接触させる。さらに、ファンを用いてヒートスプレッダーやヒートシンクに付設するフィンに送風することで、ＬＳＩ素子の熱を大気に放出させる。
【０００３】
ここで、ＬＳＩ素子の処理が高速化したりすると、ＬＳＩ素子の発熱量が増加する。この場合にＬＳＩ素子を十分に冷却するためには、ヒートスプレッダーやヒートシンクを大型化したり、形状を複雑にしたりする必要があり、電子装置の部品設計や実装設計に大きな影響を与える。
【０００４】
また、近年では、半導体装置の高性能化に対応するために、ＬＳＩ素子やパッケージ基板を積層するような実装、いわゆる３次元実装が提案されている。３次元実装によって製造された半導体装置では、例えば、積層した複数の基板のそれぞれにＬＳＩ素子が実装されており、一番上の基板上に放熱フィンが設けられる。しかしながら、この構成では、最上部のＬＳＩ素子は放熱フィンで排熱できるが、下層のＬＳＩ素子は、放熱フィンから離れて配置されているので、熱を十分に放出させることが難しかった。従って、下層のＬＳＩ素子を冷却することが困難であった。
【０００５】
そこで、従来では、パッケージ基板上に３次元に積層されたＬＳＩ素子のそれぞれの基板の裏面に複数の溝を形成してヒートパイプを設置し、ヒートパイプによる熱移動によってＬＳＩ素子を冷却することが図られている。
また、従来では、流路が複数形成されたヒートシンクをＬＳＩ素子のそれぞれに取り付け、流路に冷媒を流すことでＬＳＩ素子を冷却している。各ＬＳＩ素子の上にヒートシンクが取り付けられるので、ＬＳＩ素子間は、パッケージ基板の外周部分に設けられたソケットを介して電気的に接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６８２５５
【特許文献２】特開２００２−１５１６４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＬＳＩ素子の基板を利用してヒートパイプを形成するケースでは、ＬＳＩ素子間に埋設されるヒートパイプによって、近接するＬＳＩ素子の間の相互の電気的接続が妨げられるため、ＬＳＩパッケージの高速化の障害となる。また、ＬＳＩ素子の製造方法が複雑になってコストが増大し、ＬＳＩ素子および配線基板の設計自由度が低下することが問題となる。
また、冷媒の流路を有するヒートシンクをＬＳＩ素子のそれぞれに取り付けるケースでは、ＬＳＩ素子のサイズに合わせたヒートシンク内に冷媒の流路を形成する必要があるの
で、製造工程が複雑化する。さらに、ＬＳＩ素子から出力された信号は、パッケージ基板外周部にあるソケットを介して他の層のＬＳＩ素子に伝達されるので、信号遅延が生じ易く、電子機器の処理の高速化が困難になる。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層構造を有する半導体装置において、ＬＳＩ素子の熱を効率良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】
【０００８】
実施形態の一観点によれば、第１の基板と、前記第１の基板上に実装される電子部品と、前記第１の基板上に実装される第２の基板と、前記第２の基板上に実装される第３の基板と、前記第１の基板上に実装された前記電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を有する冷却路を含み、前記冷却路は、前記第２の基板と前記第３の基板を接続する第２の接合材、前記第２の基板、及び前記第３の基板で区画された第１の流路と、前記第２の基板に形成され、前記電子部品の上方に配置された貫通孔と、前記第３の基板と、前記電子部品に取り付けられた受熱部材とで形成され、前記第１の流路に連結される第２の流路と、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材、前記第１の基板、及び前記第２の基板で区画され、かつ前記第２の流路に連結されると共に冷媒が流れる第３の流路と、を含むことを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００９】
また、実施形態の別の観点によれば、第１の基板上に電子部品を実装する工程と、前記第１の基板上に接合材による流路パターンを形成する工程と、前記電子部品が実装されると共に前記流路パターンが形成された前記第１の基板上に、前記電子部品の実装位置に併せて貫通孔が形成された第２の基板を、前記接合材を用いて接合する工程と、を含み、前記第１の基板上に前記第２の基板を接合することで、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材と、前記第１の基板と、前記第２の基板とによって、前記電子部品を冷却する冷媒が流れる冷却路が形成されると共に、前記第２の基板の前記貫通孔を通る冷媒が前記電子部品と熱交換可能な流路が前記貫通孔と前記電子部品に取り付けられた受熱部材とを用いて形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
上下に配置された基板の間に形成された冷却路に冷媒を流すことで、電子部品の熱を半導体装置の外に効率良く排出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った平面図であって、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る電子部品と受熱部材の一例を示す斜視図である。
【図４】図４は、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図であって、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の第１の冷却路の一例を示す図である。
【図５】図５は、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図であって、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の第３の冷却路の一例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置と冷却システムの一例を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。（その１）
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。（その２）
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。（その３）
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【図９】図９は、図８のＤ−Ｄ線に沿った断面図であって、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図１のＥ−Ｅ線に沿った断面図であって、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の第１の冷却路の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置と冷却システムの一例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。（その１）
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。（その２）
【図１３】図１３は、本発明の変形例に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【００１３】
図１に半導体装置の断面図を示す。さらに、図２に図１のＡ−Ａ線に沿った側部断面図を示す。半導体装置１は、回路配線基板２を有し、回路配線基板２上にパッケージ基板１０（第１の基板）がはんだバンプ４を用いて実装されている。パッケージ基板１０上には、第１のＬＳＩ素子１５（電子部品）や、その他の電子部品１６、第１のインターポーザ基板２０（第２の基板）がはんだバンプ１７，１８を用いて実装されている。第１のインターポーザ基板２０上には、第２のインターポーザ基板３０（第３の基板）がパッケージ接合材２２を用いて実装されている。第２のインターポーザ基板３０には、電子部品３５及び第２のＬＳＩ素子３６がはんだバンプ３２を用いて実装されている。はんだバンプ４，１７，１８，１９，３２は、例えば格子状に配列されており、ＢＧＡ（Ball Grid Array）又はＢＧＡ端子と呼ばれることもある。はんだ材料には、例えば、Ｓｎ−Ａｇが用いられる。さらに、ヒートシンク４０によってパッケージ基板１０及びインターポーザ基板２０，３０、その他の部品１５，１６，３５，３６が覆われている。
【００１４】
回路配線基板２は、例えば、樹脂に配線や電極を印刷したプリント基板などが用いられる。回路配線基板２の上面には、複数の電極３が配列されており、各電極３にはんだバンプ４が１つずつ接合されている。
パッケージ基板１０の下面には、複数の電極５が配列されており、各電極５にはんだバンプ４が１つずつ接合されている。図２に示すように、パッケージ基板１０の上面には、複数の電極１１，１２と、下地パターン３７が形成されている。各電極１１，１２の上にははんだバンプ１７，１８が１つずつ接合されている。下地パターン３７の上には、パッケージ接合材３８（第１の接合材）が接合されている。ここで、下面の電極５と上面の電極１１，１２の少なくとも一部は、例えば配線や貫通ビア（ＴＳＶ；through-silicon via）によって電気的に接続されている。
【００１５】
その他の電子部品１６としては、例えば、コンデンサや抵抗がある。電子部品１６は、下面の電極１６Ａにはんだバンプ１７が接合されており、はんだバンプ１７を介して上下に対向配置された電極１１，１６Ａが電気的に接続される。同様に、第１のＬＳＩ素子１５は、下面の電極１５Ａにはんだバンプ１７が接合されており、はんだバンプ１７を介して上下に対向配置された電極１１，１５Ａが電気的に接続される。さらに、第１のインターポーザ基板２０の下面には、電極１９が配列されている。電極１９にはんだバンプ１８を接合することで、はんだバンプ１８を介して上下に配列された電極１２，１９が電気的に接続される。
【００１６】
ここで、図２と、図３の斜視図に示すように、第１のＬＳＩ素子１５の上面には、受熱部材２５が取り付けられている。受熱部材２５の上部は、複数の溝２６が並列に形成されることで放熱フィンを形成している。さらに、受熱部材２５は、溝２６の一方の端部側が第１のＬＳＩ素子１５を越えて延び、第１のＬＳＩ素子１５の側方に垂れ下がっている。
このような受熱部材２５は、熱伝導性が良好な材料、例えば、銅やアルミニウムを用いて製造される。ここで、第１のＬＳＩ素子１５の冷却を効率化する観点からは、受熱部材２５と第１のＬＳＩ素子１５の接触面積は大きいことが好ましい。このために、受熱部材２５の下面の大きさは、第１のＬＳＩ素子１５の上面の面積以上になっている。しかしながら、受熱部材２５の下面の大きさは、第１のＬＳＩ素子１５より小さくても良い。
【００１７】
図１及び図２に示すように、第１のインターポーザ基板２０の上面には、多数の下地パターン２１が形成されている。下地パターン２１は、例えば、基板内部に形成された不図示の配線や貫通ビアによって、下面に形成された電極１９の少なくとも一部に電気的に接続されている。さらに、第１のインターポーザ基板２０には、開口部２７（貫通孔）が第１のＬＳＩ素子１５の実装位置に併せて形成されている。
【００１８】
開口部２７の上部は、受熱部材２５を上から抑えるようにひさし状に延びており、延出部分２８によって開口部２７の大きさが減少させられている。図２に示すように、延出部分２８より下方の領域では、開口部２７の平面形状は、受熱部材２５の平面形状に加えて一部を延出させた領域２９を加えて形状になっており、この領域２９においては、開口部２７の側面と、受熱部材２５の側面との間にスペースが形成されている。受熱部材２５の他の３つの側面は、開口部２７に密着している。ここで、領域２９は、パッケージ基板１０上のパッケージ接合材３８によって形成されたパターンの上方に配置されている。
【００１９】
ここで、第１のＬＳＩ素子１５及び電子部品１６は、第１のインターポーザ基板２０の下面以下に配置されている。受熱部材２５は、少なくとも一部が第１のインターポーザ基板２０の開口部２７内に収容されている。これは、パッケージ基板１０の上面から第１のインターポーザ基板２０の実装高さが、第１のＬＳＩ素子１５及び電子部品１６の実装時のそれぞれの上面の高さ以上であるためである。
【００２０】
第１のインターポーザ基板２０上の下地パターン２１には、パッケージ接合材２２（第２の接合材）が接合されている。パッケージ接合材２２は、はんだ材料、例えばＳｎ−Ａｇはんだめっき、はんだペーストや、導電性ペースト、例えばＡｇペーストが用いられる。
【００２１】
また、第２のインターポーザ基板３０は、下面に電極２３が多数形成されている。これら電極２３は、パッケージ接合材２２を介して第１のインターポーザ基板２０の下地パターン２１に電気的に接続される。電極２３は第２のインターポーザ基板３０に形成された不図示の配線や貫通ビアによって、上面に形成された電極３１の少なくとも一部に電気的に接続されている。第２のインターポーザ基板３０の上面には、電子部品３５や、第２のＬＳＩ素子３６がはんだバンプ３２を用いて電極３１上に実装されている。
【００２２】
図１に示すように、ヒートシンク４０は、回路配線基板２に固定され、内部に各基板１０，２０，３０やＬＳＩ素子１５，３６などを収容する箱形状を有する。ヒートシンク４０の上蓋４０Ａの下面には、第２のＬＳＩ素子３６の上面が熱伝導性グリースなどを介して熱的に接触させられる。上蓋４０Ａの上面からは複数の放熱フィン４１が上方に伸びている。
【００２３】
ここで、半導体装置１には、第１のＬＳＩ素子１５を冷却する冷却路５１が形成されている。図２と、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である図４に示すように、冷却路５１は、第１のインターポーザ基板２０と第２のインターポーザ基板３０との間に形成される上部流路５２（第１の流路）を有する。上部流路５２は、第１のインターポーザ基板２０上に形成されたパッケージ接合材２２によって主に区画されている。パッケージ接合材２２は、第１のインターポーザ基板２０の一方の側面から中央の開口部２７に向けて平行な２つ
のラインとして形成され、第１のインターポーザ基板２０の中央付近で開口部２７を囲むように四角形に閉じている。パッケージ接合材３８は、上部流路５２の区画と共に、２つのインターポーザ基板２０，１５の接合にも寄与する。このために、上部流路５２の高さは、接合部の高さ、即ち第１のインターポーザ基板２０の上面から第２のインターポーザ基板３０の下面までの距離に等しい。
【００２４】
また、冷却路５１は、連結流路５３（第２の流路）を有する。連結流路５３は、上部流路５２に連結され、第２のインターポーザ基板３０と、開口部２７と、受熱部材２５とを利用して形成されている。このような連結流路５３は、第１のインターポーザ基板２０の上方から、開口部２７を通って第１のインターポーザ基板２０の下側へと導く流路であり、この経路中において冷媒が第１のＬＳＩ素子１５と熱的に接続される。
【００２５】
さらに、図２と、図２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である図５に示すように、冷却路５１は、下部流路５４（第３の流路）を有する。下部流路５４は、連結流路５３に連結され、パッケージ基板１０上に形成されたパッケージ接合材３８によって主に区画され、パッケージ基板１０の外端部まで延びる流路である。パッケージ接合材３８は、パッケージ基板１０の中央部分において第１のＬＳＩ素子１５の側方の領域を四角形に囲むと共に、第１のＬＳＩ素子１５から突出する受熱部材２５の下面に接続され、これによって下部流路５４が、開口部２７の領域２９に連結される。このために、連結流路５３から下部流路５４に至る過程で冷媒が冷却路５１の外に漏れることはない。さらに、下部流路５４は、四角形の中央部分から、パッケージ基板１０の他方側面に向けて平行な２つのラインとして延びる。パッケージ接合材３８は、下部流路５４の区画と共に、パッケージ基板１０と第１のインターポーザ基板２０の接合にも寄与する。このために、下部流路５４の高さは、はんだ接合部の高さ、即ちパッケージ基板１０の上面から第１のインターポーザ基板２０の下面までの距離に等しい。
【００２６】
ここで、図６に半導体装置の冷却システムを模式的に示す。冷却システム６１は、冷媒を加圧して吐出するポンプ６２を有し、ポンプ６２の吐出口には、配管６４として、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの樹脂チューブや、銅製の配管などが接続されている。配管６４は、半導体装置１の上部流路５２の一方の端部に接着剤などを用いて接続される。続いて、半導体装置１の下部流路５４の他方の端部には、配管６５が接着剤などを用いて接続される。配管６５は、放熱部６６を経てポンプ６２の吸入口に接続される。放熱部６６には、例えば、複数の放熱フィン６６Ａが設けられている。
【００２７】
冷却システム６１中を循環する冷媒としては、例えばＲ３６５ｍｆｃ（沸点４０℃）や、水、エチレングリコールが用いられる。この半導体装置１では、冷却路５１は、電子部品１６やＬＳＩ素子１５に冷媒が直接接触しないので、冷媒の絶縁性は考慮する必要がない。このために、冷媒に水を使用することが可能である。
【００２８】
次に、半導体装置１に製造方法について説明する。
最初に、図７Ａに示す構造を得るまでの工程について説明する。
Ｓｉ製のパッケージ基板１０にドライエッチングによって貫通ビアを形成する。パッケージ基板１０の上下面のそれぞれに例えばスパッタ法を用いて導電膜を形成した後、導電膜をパターニングして電極１１，１２と、流路形成用の下地パターン３７を形成する。
【００２９】
続いて、図７Ｂに示す構造を得るまでの工程について説明する。
最初に、下地パターン３７の上に、パッケージ接合材３８を例えばはんだめっき法によって形成する。これによって、下部流路５４の下部が形成される。
続いて、パッケージ基板１０の上に、第１のＬＳＩ素子１５や電子部品１６を実装する。第１のＬＳＩ素子１５や電子部品１６は、融点２２７℃がＳｎ−Ｃｕ系や、Ｓｎ−Ｃｕ
−Ｎｉ系のはんだを用いてフリップチップ実装される。さらに、第１のＬＳＩ素子１５の上に、受熱部材２５を配置する。受熱部材２５は、溝２６がパッケージ接合材３８のラインと平行になる向きに設置される。このとき、受熱部材２５の一部２５Ｃが第１のＬＳＩ素子１５の側方に延び、パッケージ接合材３８の上面に当接する。
【００３０】
さらに、図７Ｃに示す構造を得るまでの工程について説明する。
まず、パッケージ基板１０の上に第１のインターポーザ基板２０を実装する。第１のインターポーザ基板２０は、Ｓｉ基板を用いて形成されており、予め貫通ビアと開口部２７が例えばドライエッチングによって形成される。また、第１のインターポーザ基板２０の下面には、パッケージ基板１０と電気的に接続される電極１９と、はんだバンプ１８とが形成される。第１のインターポーザ基板２０の上面には、第２のインターポーザ基板３０と電気的に接続される下地パターン２１と、上部流路５２の下地パターン２１とが形成される。下地パターン２１は、例えば、スパッタ法やめっき法で形成される。さらに、パッケージ接合材２２が下地パターン２１と下地パターン２１の上に例えばはんだめっき法で形成される。ここでのはんだ材料は，第１のＬＳＩ素子１５を実装した時のはんだ材料よりも融点の低い材料、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系（融点２１７℃）を選択する。続いて、第１のＬＳＩ素子１５の上面に、銅製の受熱部材２５を配置する。受熱部材２５の厚さは、例えば３００μｍであり、上部は表面積を拡大するために例えば高さ２００μｍの溝２６が複数形成されている。
【００３１】
次に、図１に示す構造を得るまでの工程について説明する。
まず、貫通ビアを有するＳｉ製の第２のインターポーザ基板３０の上下面のそれぞれに電極２３，３１を形成する。さらに、上面の電極３１上に電子部品３５や第２のＬＳＩ素子３６を実装する。この後、第２のインターポーザ基板３０を第１のインターポーザ基板２０に実装する。インターポーザ基板２０，３０同士の接続には，先のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系材料よりも融点が低いＳｎ−Ｂｉ系(融点１３９℃)の材料を用いる。これによって、上部流路５２が形成されると共に、上部、連結、下部流路５２，５３，５４が連結され、冷却路５１が完成する。この後、パッケージ基板１０が回路配線基板２に実装されると共に、冷却路５１に配管６４，６５を接着剤で接続する。さらに、ヒートシンク４０が取り付けられる。
【００３２】
次に、冷却路を用いたＬＳＩ素子の冷却作用について説明する。
図１に示す半導体装置１を動作させると、第１及び第２のＬＳＩ素子１５，３６が発熱する。第２のＬＳＩ素子３６の熱は、ヒートシンク４０を伝って放熱フィン４１から外部に放出される。これに対し、図３に示すように、第１のＬＳＩ素子１５で発生した熱は、上方に配置された受熱部材２５に伝達される。受熱部材２５は、冷却路５１に面しているので、受熱部材２５の熱が冷却路５１を流れる冷媒に伝達される。特に、図３に矢印で示すように、溝２６を流れる冷媒の熱交換によって、第１のＬＳＩ素子１５の冷却が促進される。溝２６は、上部冷却路５２及び下部流路５４に平行に配置されているので、冷媒の流れを阻害することはない。そして、受熱部材２５から熱を受け取った冷媒は、図２に示す領域２９を通って下方に流れ、第３の流路５４に流入し、半導体装置１の外に排出される。
【００３３】
さらに、冷媒は、図６に示す放熱部６６に導かれ、フィン６６Ａによって冷却された後、ポンプ６２に吸入される。ポンプ６２で加圧された冷媒は、配管６４からび半導体装置１に向けて吐出される。冷媒は、図４に示す半導体装置１の上部流路５２に流入し、上部流路５２を経て連結流路５３に流入する。連結流路５３内では、冷媒が上方から下方に向かって流れ、このときに受熱部材２５の熱を奪う。以降は、前記の動作が繰り返されることで、第１のＬＳＩ素子１５が連続して冷却される。
【００３４】
以上、説明したように、この実施の形態では、３次元実装される基板１０，２０，３０の隙間を利用して冷却路５１を形成したので、装置構成が簡単になる。インターポーザ基板２０，３０の実装と同時に流路５２，５４が形成されるので、製造工程を簡略化できる。上部流路５２と下部流路５４を異なる基板１０，２０，３０間に設けたので、冷却路５１のレイアウトの自由度を高められる。
また、上部流路５２と下部流路５４と、第１のインターポーザ基板２０の開口部２７を利用して連結したので、上方から下方に冷媒の流れを形成できる。さらに、この流れに面する位置に受熱部材２５を配置したので、第１のＬＳＩ素子１５を効率良く冷却できる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図８の側面図と、図８のＤ−Ｄ線に沿った断面図である図９に示すように、半導体装置７１は、パッケージ基板１０上に第１のＬＳＩ素子１５や電子部品１６が実装され、さらに第１のインターポーザ基板２０が実装されている。第１のＬＳＩ素子１５の上面には、受熱部材２５Ａが取り付けられている。受熱部材２５Ａは、高さが低い点を除けば、第１の実施の形態の受熱部材２５と同様の形状を有し、同様の材料から製造されている。このために、溝２６Ａは、図１に示す溝２６より高さが低い。
【００３６】
さらに、受熱部材２５Ａの上には、多孔質体（ウィック）７２が配置されている。受熱部材２５Ａ及び多孔質体７２は、第１のインターポーザ基板２０に形成された開口部２７Ａに挿入されている。多孔質体７２は、開口部２７Ａの上部から内側延びる延出部分２８Ａによって受熱部材２５Ａに押し付けられている。多孔質体７２と開口部２７Ａの間に隙間は形成されていない。従って、受熱部材２５が配置されていない領域２９上にも多孔質体７２が配置されている。
【００３７】
第１のインターポーザ基板２０上には、パッケージ接合材３８を介して第２のインターポーザ基板３０が実装されている。第２のインターポーザ基板３０には、電子部品３５や第２のＬＳＩ素子３６が実装されている。
【００３８】
ここで、図９と、図９のＥ−Ｅ線に沿った断面図である図１０に示すように、上部流路５２は、第１のインターポーザ基板２０と、第１のインターポーザ基板２０上のパッケージ接合材３８と、第２のインターポーザ基板３０とによって主に形成される。連結流路５３は、第１のインターポーザ８の開口部２７Ａと、受熱部材２５Ａとによって主に区画され、経路中に多孔質体７２が配置されている。図５と同様に、下部流路５４は、パッケージ基板１０と、パッケージ基板１０上のパッケージ接合材３８と、第１のインターポーザ基板２０とによって形成される。
【００３９】
多孔質体７２は、例えば、セラミック多孔質や焼結金属からなり、冷媒が通流可能な気孔を有する。多孔質体の気孔径は、例えば１μｍ〜１０μｍで、体積の４０％〜５０％の空孔率を有することが好ましい。
【００４０】
さらに、図１１にシステム構成の概略を示すように、半導体装置７１の冷却システム７６は、冷媒を通流させる配管６４，６５が半導体装置７１にはんだ材、接着剤などを用いて接続されている。配管６５の途中には、放熱部６６（凝縮部）が設けられている。放熱部６６は、例えば、複数の放熱フィン６６Ａから形成される。この実施の形態では、後述するように、多孔質体７２における毛細管力を利用することによって、ポンプがなくても冷媒を循環させられる。
【００４１】
次に、半導体装置７１に製造方法について説明する。
最初に、図１２Ａに示す構造を得るまでの工程について説明する。
パッケージ基板１０上には、第１のＬＳＩ素子１５や電子部品１６が、融点２２７℃のＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系のはんだバンプ１７を用いてフリップチップ実装される。パッケージ基板１０は、貫通ビアや電極２３、パッケージ接合材２４が予め形成されているものとする。第１のＬＳＩ素子１５の上面には、受熱部材２５Ａが熱伝導性グリースなどを用いて取り付けられる。受熱部材２５Ａの上には、多孔質体７２が配置される。多孔質体７２には、高さ２００μｍのアルミナセラミックが用いられる。受熱部材２５Ａには、溝２６Ａが形成されているので、多孔質体７２は、一部のみが受熱部材２５Ａに当接する。
【００４２】
さらに、図１２Ｂに示す構造を得るまでの工程について説明する。
開口部２７Ａを有する第１のインターポーザ基板２０をパッケージ基板１０にはんだバンプ１８とパッケージ接合材３８を用いて実装する。これによって、連結流路５３と下部流路５４とがそれぞれ形成される。ここで、第１のインターポーザ基板２０の下面には電極１９が、上面には電極３５及び下地パターン２１が予め形成される。また、下地パターン２１上には、パッケージ接合材２２がはんだめっき法で形成される。はんだ材料には、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系材料よりも融点が低い、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系（融点２１７℃）が用いられる。続いて、第１のＬＳＩ素子１５の上面に、銅製の受熱部材２５Ａを配置する。受熱部材２５Ａの厚さは、例えば２００μｍであり、上部は表面積を拡大するために例えば高さ１００μｍの溝２６が複数形成されている。さらに、受熱部材２５Ａの上にアルミナセラミックスからなる多孔質体７２を配置する。多孔質体７２の厚さは、例えば２００μｍとする。
【００４３】
続いて、図９に示す構造を得るまでの工程について説明する。
第２のインターポーザ基板３０の上下面のそれぞれに電極２３，３１を形成する。さらに、上面の電極３１上に電子部品３５や第２のＬＳＩ素子３６を実装する。この後、第２のインターポーザ基板３０を第１のインターポーザ基板２０に実装する。インターポーザ基板２０，３０同士の接続には，先のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系材料よりも融点が低いＳｎ−Ｉｎ系(融点１９８℃)の材料を用いる。これによって、上部流路５２が形成されると共に、上部、連結、下部流路５２，５３，５４が連結され、冷却路５１が完成する。この後、パッケージ基板１０が回路配線基板２に実装されると共に、冷却路５１に配管６４，６５を接着剤で接続する。さらに、ヒートシンク４０が取り付けられる。
【００４４】
この後、上部及び下部流路５２，５４は，例えばＣｕ製の配管６４，６５に接着剤を用いて接続される。冷媒としては、例えば、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（Ｒ３６５ｍｆｃ；沸点４０℃）が充填される。
【００４５】
次に、冷却路５１を用いた第１のＬＳＩ素子１５の冷却作用について説明する。
第１のＬＳＩ素子１５が発熱すると、熱が受熱部材２５Ａを介して多孔質体７２の下面に伝達される。ここで、冷却路５１の上部流路５２内の冷媒が多孔質体７２内に吸収され、多孔質体７２の下部に、第１のＬＳＩ素子１５からの熱が伝わることで冷媒が蒸発する。
【００４６】
このとき、多孔質体７２は毛細管力によって逆止弁として働くので、冷媒の逆流が阻止される。これによって、連結流路５３内の流体（冷媒）のポンピング力が生じ、多孔質体７２内で相変化によって発生した気相の冷媒は、連結流路５３から、下方の下部流路５４を通って、半導体装置７１の外に排出される。排出された気相の冷媒は、図１１に示す放熱部６６での熱交換により液化された後、半導体装置７１に戻り、多孔質体７２に吸引される。半導体装置７１内で、冷媒は上部流路５２から連結流路５３に流入し、多孔質体７２において再び相変化し、気化熱を奪われる。以上が繰り返されることによって、第１の
ＬＳＩ素子１５が連続して冷却される。
【００４７】
以上、説明したように、この実施の形態では、多孔質体７２を連結流路５３内に設けることで、第１のＬＳＩ素子１５の冷却が行える。多孔質体７２の上下の領域の圧力差によって冷媒の流れを形成できるので、冷却システム７６にポンプが不要になる。冷却システム８１にポンプを設けることも可能である。
【００４８】
ここで、この実施の形態の変形例について説明する。
図１３に示す側面図を示すように、半導体装置８１は、パッケージ基板１０の上に、電子部品１６、第１のＬＳＩ素子１５、第２のインターポーザ基板３０が実装されている。第２のインターポーザ基板３０は、パッケージ基板１０の電極１２上に形成されたパッケージ接合材８２を用いて実装されている。第１のＬＳＩ素子１５の接合部は、アンダーフィル材８３で覆われている。この半導体装置８１では、第１のＬＳＩ素子１５を囲むように配置されたインターポーザ基板１０，２０と、パッケージ接合材８２によって冷媒の冷却路８５が形成されている。冷却路８５を用いて、例えば、図６に示す冷却システム６１を構築する。図１３では半導体装置８１内の冷却路形成に使用する基板の数は、２枚であるが、第１の実施の形態に示すように冷却路を３枚の基板を用いて形成した場合と同様の作用及び効果が得られる。このように、この実施の形態では、複数の基板１０，２０，３０のうち、２つの基板１０，２０，３０を接合するのと同時に流路５１の少なくとも一部を形成することができる。
【００４９】
さらに、前記各実施の形態において、半導体装置は、パッケージ基板１０上の複数のＬＳＩ素子のそれぞれに対して、複数の冷却路５１を形成しても良い。また、パッケージ基板１０上の複数のＬＳＩ素子に対して、１つの冷却路５１を形成しても良い。
また、下部流路５４を第１のインターポーザ基板２０と第２のインターポーザ基板の間に形成しても良い。この場合には、上部、連結、下部の３つの流路５２，５３，５４が同時に形成される。
【００５０】
また、パッケージ基板１０、インターポーザ基板２０，３０の母材は、石英ガラスでも良い。基板１０，２０，３０同士の電気的な接続や、流路５１の形成には、パッケージ接合材２２，３７を印刷法によって形成しても良い。
多孔質体７２は、Ｎｉ焼結金属を使用しても良い。冷媒は、エタノール等の有機溶媒や、ブタン、ペンタン等の炭化水素系冷媒でも良い。
受熱部材２７を配置せずに、第１のＬＳＩ素子１５を連結流路５２に面して配置しても良い。
【００５１】
ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。
【００５２】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１）  第１の基板と、前記第１の基板上に実装される電子部品と、前記第１の基板上に実装される第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材、前記第１の基板、及び前記第２の基板によって区画され、前記第１の基板の外端部まで導出された流路と、前記第１の基板上に実装された前記電子部品を冷却する冷媒が流れる前記流路を有する冷却路と、を含む半導体装置。
（付記２）  前記第２の基板上に実装される第３の基板をさらに含み、前記冷却路は、前
記第２の基板と前記第３の基板を接続する第２の接合材、前記第２の基板、及び前記第３の基板で区画された第１の流路と、前記第２の基板において、前記電子部品の上方に相当する位置に形成され、冷媒が流れる貫通孔を含み、前記第１の流路に連結される第２の流路と、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する前記第１の接合材、前記第１の基板、及び前記第２の基板で区画され、かつ前記第２の流路に連結されると共に冷媒が流れる第３の流路と、を含むことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）  前記電子部品には溝が形成された受熱部材が取り付けられおり、前記受熱部材の溝が前記冷却路に配置されていることを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体装置。
（付記４）  前記受熱部材上で、かつ前記第２の流路内に多孔質体を配置したことを特徴とする付記２又は付記３に記載の半導体装置。
（付記５）  第１の基板上に電子部品を実装する工程と、前記第１の基板上に接合材によるパターンを形成する工程と、前記接合材を用いて前記第１の基板上に第２の基板を接合する工程と、を含み、前記第１の基板上に前記第２の基板を接合する工程は、前記第１の基板上に前記第２の基板を接合する工程は、前記第１の基板と前記第２の基板を接続する第１の接合材と、前記第１の基板と、前記第２の基板とによって、前記電子部品を冷却する冷媒が流れる冷却路を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記６）  前記第２の基板は、前記電子部品の実装位置に併せて貫通孔が形成されており、前記第１の基板上に第２の基板を接合する工程は、前記電子部品と冷媒が熱交換可能な流路を形成する工程を含むことを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）  前記第２の基板上に第３の基板を接合する工程を有し、前記第３の基板を接合する工程は、前記第２の基板と前記第３の基板を接続する第２の接合材と、前記第２の基板と、前記第３の基板とによって、前記電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を形成する工程を含むことを特徴とする付記５又は付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）  前記貫通孔内に多孔質を配置する工程を含む付記６又は付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）  複数の基板のうち、下方に配置される前記基板の少なくとも一つに電子部品を実装する工程と、複数の基板のうちの２つの基板を接合材によって接合すると同時に前記電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。（付記１０）  複数の基板のうちの２つの基板と、前記２つの基板を接合する接合材とによって区画され、前記電子部品を冷却する冷媒が流れる流路を有する半導体装置。
【符号の説明】
【００５３】
１  シリコン基板
１０  パッケージ基板（第１の基板）
１５  第１のＬＳＩ素子（電子部品）
２０  第１のインターポーザ基板（第２の基板）
２２  パッケージ接合材（第２の接合材）
２５，２５Ａ  受熱部材
２６，２６Ａ  溝
２７，２７Ａ  開口部
３０  第２のインターポーザ基板（第３の基板）
３８  パッケージ接合材（第１の接合材）
５１  冷却路
５２  第１の流路
５３  第２の流路
５４  第３の流路
７２  多孔質体
【図１】
0005929059.tif 000002
【図２】
0005929059.tif 000003
【図３】
0005929059.tif 000004
【図４】
0005929059.tif 000005
【図５】
0005929059.tif 000006
【図６】
0005929059.tif 000007
【図７Ａ】
0005929059.tif 000008
【図７Ｂ】
0005929059.tif 000009
【図７Ｃ】
0005929059.tif 000010
【図８】
0005929059.tif 000011
【図９】
0005929059.tif 000012
【図１０】
0005929059.tif 000013
【図１１】
0005929059.tif 000014
【図１２Ａ】
0005929059.tif 000015
【図１２Ｂ】
0005929059.tif 000016
【図１３】
0005929059.tif 000017