(57)【要約】  【課題】  半導体チップが発生する熱を効果的に吸収し、これによって温度上昇が確実に抑えられるようにした半導体装置の冷却装置を提供する。  【解決手段】  数１０μｍの厚さの板状金属材料３８をエッチングして凹部４０を形成するとともに、上記板状金属材料３８を接合して内部に凹部４０を整合して形成される還流通路４２を有する冷却ブロック１１を半導体チップ１０と重合うか近接するように取付け、上記還流通路４２内に冷却水あるいは冷媒を循環させて強制冷却を行なう。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体素子を冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
【請求項２】
前記冷却ブロックが、溝加工された複数枚の板状体を拡散接合法によって積層するとともに、該複数枚の板状体の溝を整合させて還流通路を形成して成り、半導体素子の電極面とは反対側の面に接合されるように取付けることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却ブロックが、少なくとも２枚の板状体の組合わせから成り、その一方または双方に冷却用流体を還流させる溝を形成して貼合わせ、前記溝部と接続される少なくとも２つの還流口を設け、該還流口に冷却用流体を還流させる接続手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項４】
前記接続手段が半導体素子を実装するインターポーザ基板を貫通することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項５】
前記接続手段がこの半導体装置を実装する実装基板を貫通することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項６】
リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、
内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを前記半導体チップに接するか近接するように取付け、前記絶縁材料によって一体化し、
前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体チップを冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
【請求項７】
前記冷却ブロックは前記リードフレームに対して前記半導体チップとは反対側に取付けられることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項８】
前記冷却ブロックは前記半導体チップと前記リードフレームとの間に挟着されるように取付けられることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項９】
前記冷却ブロックは還流通路と連通する少なくとも２つの還流口を有し、該還流口を通して前記還流通路に冷却用流体を還流させることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項１０】
前記冷却ブロックの還流通路は、冷却する半導体素子が発する熱に応じてその形状または寸法を変えることを特徴とする請求項１または請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項１１】
前記冷却ブロックは管路によってラジエタと接続され、ポンプによって圧送された流体が強制循環されることを特徴とする請求項１または請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【請求項１２】
前記冷却ブロックがエバポレータを構成し、管路によってコンデンサと接続され、圧縮機によって圧送される流体が前記コンデンサで液化されて前記エバポレータに供給され、該エバポレータで熱を奪いながら気化する循環を繰返すことを特徴とする請求項１または請求項６に記載の半導体装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の冷却装置に係り、とくに半導体集積回路（半導体素子）の放熱性の改善に関し、とくに発熱量の大きなＣＰＵやＭＰＵ等に用いて好適な強制冷却が可能な半導体素子のパッケージ構造とその実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、半導体チップを絶縁材料である合成樹脂やセラミックによって封止して形成され、その電極の部分を通して外部の回路と接続されるようになっている。そして半導体素子はとくにその中を流れる電流のジュール熱によって発熱する。従ってその放熱を適正に行なわないと温度が上昇することになる。
【０００３】
そこで例えば特開平６−１９６５９６号公報には、半導体集積回路素子とこの素子に接続されたリードフレームとを樹脂で封止して封止樹脂部が形成された半導体装置において、封止樹脂部に冷却管を設けるようにし、冷却管に空気または水を流すことによって、半導体素子から発生した熱が樹脂封止部を通じ、その空気または水を介して外部に効率良く放熱するようにした半導体装置が開示されている。
【０００４】
また特開２００３−２９７９９４号公報には、半導体チップと、半導体チップを封止する封止樹脂部と、半導体チップと接合するチップ接合面と反対側の裏面が封止部の表面に露出するタブと、半導体チップのボンディングパッドとをそれぞれ金線などのワイヤによって電気的に接続された複数のインナリードと、インナリードとそれぞれ一体で繋がり、かつ封止部の外部に突出する複数のアウタリードとから成り、タブと複数のインナリードとアウタリードのそれぞれの全面がパラジウムめっきによって被覆されていることにより、タブの裏面に放熱部が取付けられている場合に、半田リフロー等の際にパラジウムめっきは溶融しないために、放熱部材の脱落を防止でき、これによって信頼性を向上できるようにした半導体装置が開示されている。
【０００５】
このように半導体装置の放熱性を改善するために、封止樹脂の半導体の表面積を広げたり、直接放熱板が大気に接する構造を採用したり、放熱フィン等を半導体装置に取付ける構造を採用するようにしている。また最近では半導体素子の高集積化と消費電力の増大とともに発熱量もそれに伴って増加の一途にあることから、上記放熱方法に加えて強制的に冷却する方法が一部の機器で見られるようになった。
【０００６】
すなわちファンによる強制空冷やヒートパイプの利用、あるいはペルチェ素子の活用（特許第３２４６１９９号公報）等が挙げられる。一部では、さらに効果を上げるために、従来は大型コンピュータのＣＰＵの冷却や特殊な用途でしか用いられなかった水冷式による冷却も行なわれるようになってきた。
【０００７】
このように半導体素子を冷却する場合に、放熱が必要な半導体装置に対して、従来例に見られるような何等かの工夫を行なうことが必要になる。このことは放熱効果を上げようとする半導体素子に対して何等かの装置あるいは機材を半導体装置の下面または上面に取付け、自然放熱、強制空冷、強制液冷またはペルチェ素子による熱の強制移動等によって冷却するものである。
【０００８】
従ってこのような装置あるいは機材を取付けることによって、半導体装置の厚みと同等またはそれ以上の寸法になるために、これを電子機器に組込む際に、半導体装置と冷却用の装置あるいは機材の厚みを勘案する必要があり、これが電子機器のデザイン上の制約になっている。また比較的構造が簡単なファンによる強制空冷方式を採用しても、半導体装置とファンとの配置に距離的な問題と配置上の問題で構造上の制約を受けることになる。
【特許文献１】特開平６−１９６５９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７９９４号公報
【特許文献３】特許第３２４６１９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明の課題は、半導体素子が発生する熱を強制的に奪って冷却を行なう半導体装置の冷却装置を提供することである。
【００１０】
本願発明の別の課題は、半導体装置の寸法を大きく増大させることなくしかも強制冷却の機能を有する半導体装置の冷却装置を提供することである。
【００１１】
本願発明の別の課題は、従来の方式による制限を緩和することと、放熱部の薄型化と、半導体装置の実装とを、従来方式を逸脱することなく低コストで行なうようにした半導体装置を提供することである。
【００１２】
本願発明のさらに別の課題は、半導体素子の放熱を効率よく行なうとともに、半導体素子を実装する際に、半導体素子部の厚みをほぼ従来と同様に保つことが可能であり、また従来の方式に比べて放熱機器の取付け工数や機材を削減することが可能な半導体装置を提供することである。
【００１３】
本願発明の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の主要な発明は、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体素子を冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置に関するものである。
【００１５】
ここで前記冷却ブロックが、溝加工された複数枚の板状体を拡散接合法によって積層するとともに、該複数枚の板状体の溝を整合させて還流通路を形成して成り、半導体素子の電極面とは反対側の面に接合されるように取付けてよい。また前記冷却ブロックが、少なくとも２枚の板状体の組合わせから成り、その一方または双方に冷却用流体を還流させる溝を形成して貼合わせ、前記溝部と接続される少なくとも２つの還流口を設け、該還流口に冷却用流体を還流させる接続手段を設けてよい。また前記接続手段が半導体素子を実装するインターポーザ基板を貫通してよい。また前記接続手段がこの半導体装置を実装する実装基板を貫通してよい。
【００１６】
本願の別の主要な発明は、リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、
内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを前記半導体チップに接するか近接するように取付け、前記絶縁材料によって一体化し、
前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体チップを冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置に関するものである。
【００１７】
ここで前記冷却ブロックは前記リードフレームに対して前記半導体チップとは反対側に取付けられてよい。また前記冷却ブロックは前記半導体チップと前記リードフレームとの間に挟着されるように取付けられてよい。また前記冷却ブロックは還流通路と連通する少なくとも２つの還流口を有し、該還流口を通して前記還流通路に冷却用流体を還流させてよい。
【００１８】
また上記のような発明において、前記冷却ブロックの還流通路は、冷却する半導体素子が発する熱に応じてその形状または寸法を変えてよい。また前記冷却ブロックは管路によってラジエタと接続され、ポンプによって圧送された流体が強制循環されてよい。また前記冷却ブロックがエバポレータを構成し、管路によってコンデンサと接続され、圧縮機によって圧縮される流体が前記コンデンサで液化されて前記エバポレータに供給され、該エバポレータで熱を奪いながら気化する循環を繰返してよい。
【００１９】
本願発明の好ましい態様は、従来技術の課題を解決すべく、半導体装置の冷却部の構造について、厚みを増加することがないように、使用する部材の厚みを１０μｍ程度から１００μｍ程度（厚みは必要であれば、さらに厚くすることも可能である。）とし、流体が還流する還流路の形成において、薄型の部材の加工に適したエッチングの手法を採用する。ここでエッチングの手法としては、母材の半分程度をエッチングするハーフエッチングを多用し、還流路の大小をレジストマスクの開口を加減することによって可能としている。またエッチング加工した部材を積層して本願発明の冷却構造を形成するための最大の要素として、冷却流体還流路からの冷却流体の漏れを生ずることがないように層間を接着剤、ロウ材、スポット溶接等に頼ることなく、層間を拡散接合方式により接合することによって、漏れに対する危惧をなくす構造を採用する。またコスト的な配慮としては、同時に多数個の冷却構造体が形成できるように、ワークサイズの拡大と多段積層方式とを採用する。
【００２０】
上記のような態様によれば、半導体装置の発生する熱は、冷却構造体に熱伝導され、冷却構造体の内部を流れる冷却流体に熱変換され、冷却流体還流口を通って外部に効率よく放熱することが可能になる。また半導体素子装置の実装において、予めマザー基板側の搭載される場所に冷却流体還流路の取入れ口と排出口のための穴加工を行なっておくことにより、従来の半導体素子装置の高さ方向での厚みを大幅に逸脱することなくしかも放熱の機能を付加した実装を行なうことが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本願の主要な発明は、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって半導体素子を冷却するようにしたものである。
【００２２】
従ってこのような半導体装置の冷却装置によれば、冷却ブロックの管状通路を還流する流体によって半導体チップが発生した熱が強制的に奪われ、これによって半導体チップの強制冷却が可能になる。
【００２３】
本願の別の主要な発明は、リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを半導体チップに接するか近接するように取付け、絶縁材料によって一体化し、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって半導体チップを冷却するようにしたものである。
【００２４】
従ってこのような半導体装置の冷却装置によれば、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって熱を奪うことにより、半導体チップを強制冷却することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態に係る半導体装置を示しており、この半導体装置はＣＳＰ（ｃｈｉｐ  ｓｉｚｅ  ｐａｃｋａｇｅまたはｃｈｉｐ  ｓｃａｌｅ  ｐａｃｋａｇｅ）、ＢＧＡ（ｂａｌｌ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ）と称される半導体装置を図示して示したものである。
【００２６】
半導体チップ１０はインターポーザ基板１２にＡｇペースト等で固定され、かつ半導体チップ１０の電極パッド１６とインターポーザ基板１２の電極１８とを、Ａｕ、Ａｌ等の金属ワイヤ１７によって接続し、半導体チップ１０とワイヤ１７とを保護するためにモールド樹脂１３が印刷または成形により形成される。そして上記半導体チップ１０とインターポーザ基板１２との間に冷却ブロック１１を挟着して配した構造になっている。
【００２７】
インターポーザ基板１２は通常エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂の有機材料と銅箔とを積層して成る多層基板、あるいはガラス・セラミック等の材料で構成され、４〜８層程度の多層構造基板によって構成される。またインターポーザ基板１２はＣＳＰやＢＧＡ等のパッケージで、半導体チップ１０とプリント配線基板２１接続用端子との整合、あるいはグリッド変換を行なうために半導体チップ１０を搭載する中間基板のことである。
【００２８】
インターポーザ基板１２は、マザーボード２１上に形成されたバンプ電極２３の配置に合わせて、バンプ基板２２が形成されており、これらを球状をなすバンプ２４によって接続し、マザーボード２１とインターポーザ基板１２とが回路接続されるようになっている。なお図１においては半導体チップ１０は、冷却ブロック１１に取付けられ、通常のＣＳＰやＢＧＡの構造とは異なっている。
【００２９】
冷却ブロック１１は、後述する図３および図４に示す製造方法によって形成され、図７のシステム図に示すように接続されてその効果を発揮する。図１においては半導体チップ１０を冷却ブロック１１にＡｇペースト等の導電性または非導電性のペーストを用い、これらのペーストを半導体チップ１０と冷却ブロック１１の接合面に塗布した後に硬化し、しかも冷却ブロック１１はインターポーザ基板１２と同様にして固定される。
【００３０】
冷却ブロック１１は、少なくとも２個所の還流口２７を備えており、インターポーザ基板１２を貫通して筒状接続具２８と接続されて締結される。なおインターポーザ基板１２およびマザーボード２１にはそれぞれ上記還流口２７および筒状接続具２８を貫通させるための穴加工を予め行なっておくことが必要である。なお筒状接続具２８には管路が接続され、一方の還流口はポンプ４８と接続されるとともに、排熱側の還流口２７がラジエータ５２に接続される（図７参照）。
【００３１】
冷却ブロック１１は後述する製造方法および材料によって形成されるが、極めて熱伝導性の高い材料を選択して用いるとともに、この構造体の内部を冷却用流体が還流できる中空の還流通路４２が形成されている。なおＡｇペーストについても同様に熱伝導性の高い材料が用いられる。
【００３２】
発熱体である半導体チップ１０から発生する熱を次の経路で伝熱し、これによって半導体チップ１０の温度上昇を抑える。すなわち半導体チップ１０、Ａｇペースト（１０−１１間の接合）、冷却ブロック１１、ラジエータ５２の順に熱を伝達して半導体チップ１０の強制冷却を行なう。
【００３３】
図２は図１と同様にＣＳＰ、ＢＧＡと称する半導体パッケージの一例であるが、半導体チップ１０がワイヤボンディングによることなく、半導体チップ１０側またはインターポーザ基板１２側に形成されたバンプ３３によって接続された形態の変形例を示している。なおこの変形例は、通常フリップ−チップタイプのＣＳＰまたはＢＧＡと称される。
【００３４】
半導体素子１０は、バンプ３３によってインターポーザ基板１２に回路接続されるが、ここでバンプ３３は、半田ボール、Ａｕ、Ｕｉ等のメッキによる方法、Ａｕワイヤを超音波と熱によりバンプ１６またはバンプ３３に接続して必要な寸法で切断し、上部を叩いて高さを揃える方法等により形成される。
【００３５】
接続方法としては、半田の場合にはインターポーザ基板１２の電極１８側にクリーム半田を塗布しておいて、その上にバンプ３３を含めた素子１０を搭載し、リフロー装置を通して溶融結合する方法を採る。Ｎｉバンプも同様の方法となる。バンプ材料がＡｕの場合には、超音波接合またはＡＣＦ（異方性導電膜）をバンプ３３と電極１６との間に挟んで熱圧着することにより接続される。なおＡＣＦ（異方性導電膜）は、通常シート状のものもあるが、ペースト状のものも存在する。
【００３６】
アンダーフィル樹脂３２は、バンプ３３が半田の場合に、接続完了までに洗浄工程を経て半導体チップ１０の電極１６とインターポーザ基板１２の電極１８間に注入される。ＡＣＦ（異方性導電膜）または異方性導電ペーストを用いる場合には、アンダーフィル樹脂３２は必要としない。
【００３７】
図２において、冷却ブロック１１は半導体チップ１０の裏面（上面）に図１と同様にＡｇペースト等の極めて導電性の高い材料で固定される。図２においてはアンダーフィル樹脂３２が半導体チップ１０の高さよりも低い位置でしかもアンダーフィル樹脂３２の拡がりは半導体チップ１０のサイズとほぼ同じくなる。
【００３８】
このことは半導体チップ１０とインターポーザ基板１２との間の接続面の強度が不足することが予想されるから、何等かの衝撃が加わった際に、半導体チップ１０とインターポーザ基板１２との間の接続不良が懸念される。これをカバーするために、押え金具３４による固定を採用する。押え金具３４は冷却ブロック１１に形成された還流口２７にねじで固定する等の対策を施し、インターポーザ基板１２の周縁部に半田付け等により、あるいはまたねじ止め等の手段によって固定することによりその強度を高めることができる。
【００３９】
図２に示す構造は、従来の方式とあまり変らないように見受けられるが、放熱構造体を極力薄型化にし、しかも最良の材料および接続法により半導体チップ１０と締結されていることから、放熱機器の取付けが簡略化され、しかも高さ方向の寸法を極力抑えた実装が可能になる。
【００４０】
次に半導体チップ１０と接合するように取付けられる冷却ブロック１１の構成を図３および図４によって説明する。まずこの冷却ブロック１１の製造方法の特徴は拡散接合を用いることによって組立てられることに大きな特徴を有する。
【００４１】
拡散接合とは、２つの部材を加圧、加熱すると接合部分で原子の相互拡散が生じて、２つの部材が接合される。この作用を利用した接合方法が拡散接合である。拡散接合には、固相拡散接合と液相拡散接合があるが、固相拡散接合は、溶かさずに接合する方式であって、液相拡散接合は、接合する材料間にインサート材を用い、母材を接合間で溶融させて接合する方式である。雰囲気は、主に真空中で行なうが、不活性気体（例えばアルゴンガス）でも行なう場合がある。
【００４２】
拡散接合の温度は、使用する材料によって異なるが、一般に１０００℃以上で行なうことが多い。同種の金属に拡散接合を行なった場合に、接合部に反応が起らず、均質な接合界面が得られる。これは接合界面が実質的に発生しないことを意味する。また異種接合材料の場合には、接合界面が形成される。
【００４３】
一般に拡散接合の特徴は、薄板の面接合が可能で、複数枚の薄板の積層接合が可能で、しかも溶融接合が困難な金属の接合が可能で、また異種材料の接合が可能で、組立て精度が比較的高く、複雑で中空部品の接合が可能な点にある。
【００４４】
拡散接合で接合できる材料として、Ｎｉ系材料、鉄系材料、銅系材料、アルミ系材料、チタン系材料、セラミックス系材料、銅材料および他の材料と組合わせが可能としている。具体的素材としては、ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）、ニッケルおよびニッケル合金（４２ＦＮ、５０ＦＮ等）、チタン、Ｃｕ（無酸素Ｃｕ、純銅）、アルミニウム、Ａｌ  ２Ｏ３  等の広範囲の材料から選択が可能になっている。
【００４５】
積層時のワークサイズは、プレス機の仕様によるが、概ね５００×５００ｍｍ程度まだ可能となってきている。以上が拡散接合についての概要であるが、接合面の清浄や表面状態が大きく接合品質に影響する。
【００４６】
図３の工程１の材料３８は上記のような拡散接合が可能な材料が選択される。本実施の形態においては、ＳＵＳまたはＮｉ系合金、あるいはＣｕ系材料を用いている。また材料３８の厚みは、最小２０μｍの板厚の材料から選択可能である。ワークサイズは、必要とする固片を同種多面付けしたものである。
【００４７】
このような板状金属材料３８は、そのエッチング工程に投入する前にマスク３９によって所定の部位を被覆する（工程１）。ここでは樹脂系のレジスト材を用いている。なお図面においては裏面側のレジストはその図示を省略しているが、裏面はその全面にレジストが施される。またエッチングする個所のレジスト開口は、レジストに光感光性のものを選択し、露光してエッチングされる部分と対応する部分を洗浄することにより形成する。
【００４８】
工程２はエッチング工程である。すなわち工程１でマスク３９が施された部位を残し、エッチング部４０をハーフエッチングする工程である。エッチングは、エッチング液の濃度と浸漬する時間の管理を行なうことによって、所定のエッチングレートが得られることから、所定の時間を経過した後に、材料３８を引上げれば材料の厚さの半分程度がエッチングされることになる。
【００４９】
この後工程３においてレジスト３９の剥離を行なう。そしてその後に工程４で材料３８の積層および接合を行なう。上記の工程１〜３を経た材料３８を拡散接合によって結合する。ハーフエッチングによって形成された凹部４０は、積層後に冷却体の還流通路４２になる部分である。それぞれの材料３８に形成された凹部４０を対向して整合するように配置して管路４２を形成する。
【００５０】
この後に拡散接合によって結合された材料３８の穴あけや追加工等の機械加工を行ない、還流口２７の加工や取付け、あるいは各固片への切離しを行なう。ワークサイズから各固片への切離しは、抜き金型、ダイサー等によって行なう。
【００５１】
図４は冷却ブロック１２の還流通路４２を形成するためのパターンの一例を示している。還流通路４２は図４に示すような単純なパターンにとどまることなく、パターンの大きさまたは経路等、ＣＡＤ上いかようにも設定可能であって、使用するＣＡＤシステムはプリント基板用に用いる装置を流用できる。上記のパターンの両端にそれぞれ還流口２７を形成しておくとよい。
【００５２】
エッチングする母材３８と同サイズにして各固片部にこのパターンを感光性樹脂の面に焼付けることによって、パターン部のレジスト３９を開口してエッチング液にこの部分が侵食されてパターンが彫り込まれる。なお図４に示すパターン形状は単純なパターンであるが、プリント配線基板と同様の手法によって、各層へのエッチングパターンの形成や、穴あけ指示による層間の還流通路４２の形成等が可能である。
【００５３】
図５は本発明の実施例での冷却ブロック１１の構造を示している。冷却ブロック１１は図３および図４の製造方法を基本に形成され、図５においては２枚の材料３８をそれらの凹部４０が互いに連通するように接合したものであって、上記凹部４０によって還流通路４２が形成されている。
【００５４】
図６に示す構成は、同一または厚さの異なる材料３８を５層に積層し、これによって還流通路４２を２層にわたって形成した構成を示している。また図６において取付け孔４５は、材料３８を接合した後に穴加工を施して形成されたものである。このような取付け孔４５は、インターポーザ基板１２との締結あるいは冷却ブロック１１と半導体チップ１０との結合のために用いることができるものである。なお取付け孔４５は必ずしも必要とするものではない。
【００５５】
図５あるいは図６に示す冷却ブロック１１において、その内部の還流通路４２に冷却用流体を還流させる場合に最も危惧されるのが流体の漏れの問題である。塗料やシール等のシール材をねじ部に付加して冷却構造体の加工されたねじ部に取付ける方法や、ねじ等で取付けた後にロウ材により封止する等の対策を行なう。
【００５６】
またこのような冷却ブロック１１と外部機器とは、図７に示すような管路を介してポンプ４８やラジエータ５２に接続されるが、ここでは比較的柔軟なシリコン樹脂等のチューブを用いて接続することができる。なおこの場合においても、上記チューブとの接続部位における液漏れに対する対策が必要である。
【００５７】
次に以上のような半導体装置の冷却装置の動作を説明する。図５あるいは図６に示すような冷却ブロック１１を半導体チップ１０の下面に図１のように取付けるか、半導体チップ１０の上面に図２のように取付けて、この半導体チップ１０の冷却を行なう動作を図７によって説明する。上述の如く冷却ブロック１１の一対の還流口２７の内の吸入側の還流口２７をポンプ４８に接続するとともに、排出側の還流口２７をラジエータ５２に接続する。なおポンプ４８はモータ４９および駆動回路５０によって駆動される。そしてこのモータ４９を駆動する駆動回路５０は温度センサ５１に接続される。これに対してラジエータ５２は放熱フィン５３を備えるとともに、この放熱フィン５３に対して冷却用ファン５４から冷却風を強制的に送風するようにしている。なお冷却ファン５４はモータ５５および駆動回路５６によって駆動される。
【００５８】
従ってモータ４９によってポンプ４８を駆動すると、冷却用流体、例えば水がポンプ４８、冷却ブロック１１、ラジエータ５２から成る閉管路内を循環し、とくに冷却ブロック１１の還流通路４２内を通過する際に半導体チップ１０が発生する熱を奪うことになる。そしてこれによって加温された冷却水がラジエータ５２に強制的に圧送され、ここで放熱フィン５３によって熱を放出して低温状態になる。そして低温の水が再びポンプ４８によって冷却ブロック１１に強制循環される。このような循環を繰返すことによって、半導体チップ１０の熱が確実に除去されることになる。
【００５９】
図８は冷却のためのサイクルとして、冷凍サイクルを用いた構成を示している。すなわちここではポンプ４８に代えて圧縮機６０が用いられるとともに、この圧縮機６０を例えば圧電素子から成るアクチュエータ６１によって駆動する。また上記冷却ブロック１１の反対側の還流口２７にはコンデンサ６２が接続されるとともに、コンデンサ６２と冷却ブロック１１との間に膨張弁６３が接続される。
【００６０】
このような構成において、とくに冷却用媒体として、アンモニアや代替フロンを用いるようにする。従ってここでは冷却ブロック１１がエバポレータとして作用し、半導体チップ１０の発生する熱によって冷媒を蒸発させる。そして気化した冷媒が圧縮機６０によって圧縮されるとともに、コンデンサ６２に供給され、ここで熱を放出して凝集液化する。そして液化された冷媒が膨張弁６３を通して冷却ブロック１１に戻る循環を繰返す。すなわちここでは冷却ブロック１１とコンデンサ６１とによって、冷却用媒体が液体と気体とに相変化しながら半導体チップ１０の熱を奪うことになる。
【００６１】
次に別の実施の形態を図９〜図１１によって説明する。この実施の形態はリードフレーム型の半導体装置に本発明を適用した実施の形態であって、リードフレーム７２の保持部７３上に絶縁樹脂でモールドされた半導体チップ１０の冷却を行なうための装置である。
【００６２】
広く使用されている半導体装置のパッケージの形態は、面実装タイプ、ディップタイプを問わず、リードフレーム７２に半導体チップ１０を固定してモールディングし、マザーボードに半田付けするリード７５を折曲げ加工してリードフレーム７２から切断した形状を採用している。
【００６３】
本実施の形態は、従来から普及しているこの種の半導体素子のパッケージ形態を逸脱することなくしかも冷却構造を取付けた形態を提供するものである。まずここでリードフレーム７２は、通常４２ＦＮ、５０ＦＮ、コパール等を主体とする金属材料であって、半導体用リードフレーム７２に多用される材料である。このようなリードフレーム７２は、その両側端にそれぞれガイド孔７８を備えた帯状の材料であって、所定の位置への半導体チップ１０の搭載や、Ａｇペーストの塗布等のための位置確認に用いられる。
【００６４】
リードフレーム７２の保持部７３に半導体チップ１０を搭載して樹脂によってモールディングした後に、金型によって切断線７６のところで切断する。なおこのような切断によって生じたリード７５は半田付けされてマザーボード等に実装される。なおリード７５は切断線７６よりも根元側の折曲げ線７７のところで折曲げられる。すなわちこのような半導体装置において、リード７５を折曲げてプリント基板に実装するようになっている。そしてとくにリードフレーム７２の保持部７３の部分に半導体チップ１０を実装してモールド樹脂により被覆されるようになっている。
【００６５】
ここでリードフレーム７２の保持部７３に実装される半導体チップ１０は図１０に示すように、その反対側の面、あるいはまた図１１に示すように、半導体チップ１０とリードフレーム７２との間に、冷却ブロック１１が取付けられる。
【００６６】
冷却ブロック１１の取付け方法としては、Ａｇペースト、ロウ付け、溶接等による方法がある。図１０の構成の場合は、半導体素子１０から発生する熱は、この半導体素子１０とリードフレーム７２との間の接着層のＡｇペーストを介して、リードフレーム７２に伝達され、さらに反対側の面に取付けられた冷却ブロック１１に伝達される。ここで冷却ブロック１１は上記第１の実施の形態と同様に、その内部の還流通路４２に冷却体が還流していることから、冷却ブロック１１を経て冷却体との間で熱交換が行なわれ、例えば図７に示すポンプ４８あるいは図８に示す圧縮機６０の圧力によって、冷却用の流体が強制循環されることになる。
【００６７】
図１０に示す構成は、冷却ブロック１１がリードフレーム７２に対して半導体チップ１０とは反対側に配置されるが、半導体チップ１０の搭載面側に図１１に示すように搭載してもよい。そして上記冷却ブロック１１から直接、あるいはまたリードフレーム１２を貫通して、還流口２７が取付けられることになる。なお図１１の構成の場合は、リードフレーム７２に還流口２７を形成する位置に開口を形成する必要がある。
【００６８】
半導体チップ１０の電極はワイヤボンディング法によって図９に示すリードフレーム７２のリード７５の対応する端子の部分に接続される。そしてこの後にモールド樹脂成形を行ない、切断線７６のところでリード７５を切断し、折曲げ線７７に沿って折曲げ加工を行なうことにより完成する。モールド成形の際に、金型には、還流口２７にモールド樹脂が付着して塞ぐことがないように所定の対策を施す。
【００６９】
図１０あるいは図１１に示すようにリードフレーム７２上に半導体チップ１０とともに取付けられた冷却ブロック１１は、例えば図７に示すポンプ４８とラジエータ５１とに接続される。すなわち冷却ブロック１１は少なくとも２個所の還流口２７を備えており、これらの還流口２７の内の一方をポンプ４８に接続し、これによって常に冷却された冷却水を冷却ブロック１１内に吸入する。これに対して排出側の還流口２７は、ポンプ４８によって圧送される流体を押出すように熱交換し、この冷却水を還流口２７から排出してラジエータ５２に押しやる。ラジエータ５２はこの冷却体を通常の温度に下げるべく、放熱フィン５３やファン５４等の強制的に冷却される冷却手段を備えている。
【００７０】
ポンプ４８は、発熱体である半導体チップ１０あるいは冷却ブロック１１に設けた温度センサ５１または電源ＯＮからのタイマと連動し、駆動回路５０が駆動されると、これによってモータ４９を介してポンプ４８を循環させるように働く。当然ラジエータ５２の制御も先のセンサ５１の出力、あるいはタイマ等によって必要な冷却装置を駆動するための制御回路を持つ。
【００７１】
ここで冷却用流体としては、水その他の冷却流体を構成する流体や、空気その他の気体をこの冷却系に使用することが可能である。また図８に示すような冷凍サイクルを用いる場合には、アンモニア、代替フロン等の低沸点の冷媒を用いる。
【００７２】
このような強制冷却方式における最大の課題は、冷却ブロック１１とその配管部分での液漏れや、管路の腐蝕である。本実施の形態においては、冷却ブロック１１の材料については、ステンレス鋼や耐蝕性の高い材料の選択を行なうようにし、しかも層間の接続においては接着剤やスポット溶接等による継目や隙間が発生しない拡散接合法を用いて接続を行なうようにしている。
【００７３】
また冷却ブロック１１の還流口２７は、冷却ブロック１１にロウ付けを行なって液漏れの心配がないようにするとともに、還流路となるパイプの取付けも十分な配慮を行なうようにしている。また半導体チップ１０あるいは冷却ブロック１１の温度を検出するセンサは、発熱体の温度を感知するものであるから、例えばサーミスタや熱電対等が用いられる。
【００７４】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態において半導体チップ１０の冷却を行なう冷却ブロック１１の還流通路４２の具体的なパターンや、半導体チップ１０に対する取付け構造等については、半導体チップ１０の形状等に対応して各種の設計変更が可能である。また複数の半導体チップ１０に共通に単一の冷却ブロック１１を取付けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本願発明は、ＣＰＵやＭＰＵ等の温度が上昇し易い半導体素子を備える半導体装置の冷却に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】冷却ブロックを備える半導体装置の縦断面図である。
【図２】冷却ブロックを備える半導体装置の変形例の縦断面図である。
【図３】冷却ブロックを構成する板状体のエッチング加工を示す縦断面図である。
【図４】エッチング加工を行なった板状金属材料の平面図である。
【図５】冷却ブロックの縦断面図である。
【図６】変形例の冷却ブロックの縦断面図である。
【図７】冷却装置の接続を示す配管図である。
【図８】変形例に係る冷却装置の配管図である。
【図９】別の実施の形態のリードフレームの平面図である。
【図１０】リードフレームを用いた半導体装置の縦断面図である。
【図１１】変形例に係るリードフレームを用いた半導体装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０‥‥半導体チップ、１１‥‥冷却ブロック、１２‥‥インターポーザ基板、１３‥‥モールド樹脂、１６‥‥電極パッド、１７‥‥接続ワイヤ、１８‥‥電極パッド、２１‥‥マザーボード（実装基板）、２２、２３‥‥バンプ電極、２４‥‥バンプ、２７‥‥還流口、２８‥‥筒状接続具、３２‥‥アンダーフィル樹脂、３３‥‥バンプ、３４‥‥押え金具、３８‥‥板状金属材料、３９‥‥マスク、４０‥‥エッチング部（凹部）、４２‥‥還流通路、４５‥‥取付け孔、４８‥‥ポンプ、４９‥‥モータ、５０‥‥駆動回路、５１‥‥温度センサ、５２‥‥ラジエータ、５３‥‥放熱フィン、５４‥‥冷却ファン、５５‥‥モータ、５６‥‥駆動回路、６０‥‥圧縮機、６１‥‥アクチュエータ、６２‥‥コンデンサ、６３‥‥膨張弁、７２‥‥リードフレーム、７３‥‥保持部、７４‥‥連結部、７５‥‥リード、７６‥‥切断線、７７‥‥折曲げ線、７８‥‥ガイド孔
【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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