(57)【要約】【課題】半導体デバイスの冷却構造。【解決手段】電気回路構造を備え、半導体チップを搭載する基板１２、半導体チップ１３及びパッケージ１５より構成される。  半導体チップは、フリップチップ構造により基板１２上に電気的に接続され、その発熱は背面側１３１より熱伝導１４を介して金属製パッケージ１５に熱伝導され、冷却される。  該金属製パッケージ１５の半導体チップと接する面にＣＶＤ、或いはスパッタリングなどによりダイヤモンド構造の炭素被覆層を形成することにより、熱伝導性を向上する。また、微粒状のダイヤモンド構造の炭素を懸濁した電解液を用いた電気めっき法により、或いはこれらの微粒子を混合してダイキャスト法により金属製パッケージにこれらの構造を形成しても良い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ搭載基板、パッケージより構成され、
半導体チップを該基板上面に搭載してその底面との間に電気的接続を形成し、
該パッケージは、その四辺周辺に側壁を形成して該半導体チップの収容空間を形成してなると共に該側壁端面と半導体チップ搭載基板周縁とを接合してパッケージングし、
該半導体チップとパッケージ底面との間に熱伝導層を介挿し、
該パッケージは、金属から構成されると共にダイヤモンド構造の炭素による熱伝導材料からなる皮膜層を形成してなる、
ことを特徴とした、チップ冷却構造。
【請求項２】
前記基板は、電気回路構造を備えてなると共に該半導体チップを支持する材質にてなり、該材質はプラスチックにてなることを特徴とする、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項３】
前記半導体チップは、ＣＰＵであることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項４】
前記熱伝導層は、熱伝導材料にてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項５】
前記熱伝導材料は、冷却グリスにてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項６】
前記熱伝導材料は、冷却フィルムにてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項７】
前記熱伝導材料は、熱伝導係数が高い絶縁性材質にてなることを特徴とした、請求項４に記載のチップ冷却構造。
【請求項８】
前記金属は、銅材質にてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項９】
前記金属は、アルミニウム材質にてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１０】
前記金属は、銀材質にてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１１】
前記金属は、熱伝導係数の高い金属材質にてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１２】
前記ダイヤモンド構造の炭素は、ダイヤモンドにてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１３】
前記熱伝導材料は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて形成されることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１４】
前記熱伝導材料は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて形成されることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１５】
前記熱伝導材料は、ダイヤモンド微粒子を懸濁した溶液の塗布により形成されることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１６】
前記熱伝導材料は、ダイヤモンド微粒子を懸濁した電解液を用いた電気鍍金方式にて形成されることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１７】
前記熱伝導層は、該半導体チップの該上面上の凸部に形成され該パッケージの該下平面に貼合されてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１８】
前記熱伝導層は、該パッケージの該下平面に形成され該液晶チップの該上面に貼合されてなることを特徴とした、請求項１に記載のチップ冷却構造。
【請求項１９】
半導体搭載基板及び半導体チップを準備し、
該半導体チップを該基板上面に配置して搭載し、
ダイキャストにより周辺を壁部で囲んで半導体チップ収容部空間を形成した金属製パッケージを形成し、
該パッケージにダイヤモンド構造の炭素からなる熱伝導材料を被覆層として形成し、
該パッケージ周辺の壁部端面と半導体チップ搭載基板周縁とを接合してパッケージングすることを特徴とした、
半導体チップ冷却構造の製造方法。
【請求項２０】
上記半導体チップの基板搭載側と反対側の面とパッケージ底面との間に熱伝導層を介挿してなることを特徴とした、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２１】
前記半導体チップと基板との間に電気的接続を形成してなることを特徴とした、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２２】
前記基板は、電気回路を形成したプラスチックにてなることを特徴とした、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２３】
前記ダイヤモンド構造の炭素がダイヤモンドであることを特徴とする、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２４】
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により前記熱伝導材料を形成することを特徴とする、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２５】
ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により前記熱伝導材料を形成することを特徴とする、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２６】
ダイヤモンド微粒子を懸濁した溶液の塗布により前記熱伝導材料を形成することを特徴とする、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【請求項２７】
ダイヤモンド微粒子を懸濁した電解液を用いた電気鍍金により前記熱伝導材料を形成することを特徴とする、請求項１９に記載のチップ冷却構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスなどの冷却構造及びその構造の製造方法に関してなり、金属及びダイヤモンド構造の炭素よりなる熱伝導材料の製造方法に関してなることを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
科学技術の進歩、発展に従い、半導体デバイスは体積が小さく且つ高密度化へと発展し、必要とされる機能効率は益々高まり、それにつれて発熱量の増加を伴っている。もし発生された熱が適時に排除されなければ、半導体デバイスの効率の低下を招き、更には損傷を招くことがある。これに対して様々な熱伝導材料の運用により、冷却効率の向上が期待されている。
【０００３】
公知の技術に示されるように、冷却構造に応用される材料は通常、銅或いはアルミ合金が主流となっている。パッケージング技術においては、ＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）及びＦＣ−ＢＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）が主として採用されている。前者は交換可能な部材、例えばＣＰＵ類に用いられ、後者は交換不可な機器、例えばグラフィック、ブリッジ類に用いられる。フリップチップ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ）は半導体チップを基板に露出させることにより集積回路が発生する熱を直接冷却する方式である。上述のパッケージ技術では、通常は更にＩＨＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）を加え、コアを保護する効果を持たせ、冷却器を組み立てる際の加圧力による損傷を防ぐと共に冷却効果を増強することができる。
【０００４】
（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）を含むＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）パッケージング技術は図１に従い詳細に説明され、図はＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）及びＩＨＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）のパッケージング技術構造の断面図である。その構造は公知の技術に従って、実施例はＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）、更にＩＨＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）のパッケージング技術を含んでいる。このパッケージング技術は複数のピン１１、基板１２、半導体チップ１３、熱伝導層１４、及びパッケージ１５から構成されてなり、前記基板１２は公知技術に従い、電気回路構造を備えるプラスチックの板にてなり、公知の技術では一般に前記基板はプリント基板（Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｂｌｏｃｋ；ＰＣＢ）にてなる。前記基板は半導体チップ１３上の集積回路とその他の制御素子の連結に利用されると同時に、基板１２の上面１２１の縁部１２１１はパッケージ１５と貼合される箇所となる。前記半導体チップ１３は、フリップチップのパッケージング技術の下、半導体チップ１３の底面１３２は集積回路の平面と基板１２の上面１２１が直接に電気的接触をできるようにしてなり、前記半導体チップ１３の上面１３１は基板の平面が半導体チップ１３の底面１３２の集積回路の平面と相互に対応するようにしてなり、同時に前記半導体チップ１３の上面１３１は外部に露出した状態とすることができる。半導体チップ１３の上面１３１は熱伝導層１４を介してパッケージ１５の下面１５２と接している。このパッケージ１５は通常はアルミ合金或いは銅質材料にて形成され、コアチップの保護に用いられ、冷却器の圧力による損壊を防ぎ冷却効果を増強する。
【０００５】
しかしながら、半導体技術の絶え間ない発展により、パッケージング技術の改良と共に、銅質或いはアルミ合金による熱伝導作用は高密度化に伴なって増加する発熱量の伝導、除去には既に充分とはいえず、これらの発熱量の増加に対処してよりすぐれた熱伝導材料の開発が緊急に望まれるところである。
【０００６】
ところで、一般にダイヤモンド状炭素は、材料の中で最大の硬度、高い熱伝導特性、広範囲の波長に対する光透過特性、耐腐蝕性等の特性を備える為、以前より一層プロセス上での重要な材料の一つになっている。その熱伝導係数は常温下では銅の５倍であり、高温時はダイヤモンドの赤外線輻射は更に強まり、冷却され易く熱膨張係数は小さくなるため、高温時における冷却効率の向上は明確である。ダイヤモンドの冷却効果が高い特性は、一般的にはそのダイヤモンドが本物であるかどうかの判断にまで広く利用されている。
ダイヤモンド皮膜形成技術に関しては、既に様々な技術と製造工程が実用化されているが、炭水化合物を利用して直接分解する方法が最も多く、例えばＭＰＥＣＶＤ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＨＦＣＶＤ（Ｈｏｔ  Ｆｉｌａｍｅｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は多結晶ダイヤモンド膜を基板上に被覆層として形成することができ、この多結晶ダイヤモンド膜の物理特性は天然ダイヤモンドと同等の特性を保持することができる。このようにして、ダイヤモンドを広範囲に応用した各種産業の価値は上昇している。
【特許文献１】特開２００４−１７２３２２号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
公知の技術における半導体デバイスの廃熱排除の効率に対する問題は、半導体デバイスの体積が小さく、高密度、高機能へと発展した為、更に進んだ改善が望まれ、本発明は熱伝導材料をパッケージに応用し更にチップの冷却効率の改善を提供する。この他、本発明が提供する熱伝導材料はチップの冷却に用いられるだけではなく、熱伝導に関するもの或いは冷却機器等にも応用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本考案が提供するパッケージを応用した熱伝導材料は、金属及びダイヤモンド構造の炭素より構成され、前記金属は銅質或いはアルミ合金或いはその他の高い熱伝導係数を持つ金属にてなることができる。又、前記ダイヤモンド構造の炭素はダイヤモンドにてなることができる。この外、前記ダイヤモンド構造の炭素は金属表面を覆うことに利用され或いは金属材料に直接混ぜられ或いは両者を同時に利用されてなる。この熱伝導材料製造方法はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、溶解、電気鍍金、その他材料整備方法からなることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の冷却構造は、半導体チップが発生する熱を伝導することに用いられ、電気回路構造を備える基板、ＣＰＵの半導体チップ及びパッケージより構成されてなり、該パッケージは熱伝導材料としてなり金属及びダイヤモンド構造の炭素より構成され、このダイヤモンド構造の炭素は高い熱伝導係数を備え熱伝導材料の熱伝導効果を向上させる。該熱伝導材料の製造方法は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、電気鍍金、或いはその他の材料の製造方法により完成されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図２は、図１に示すパッケージング技術構造のパッケージ１５の詳細である。図において、詳細に説明される前記パッケージ１５の構造は、点線は下平面１５２と各辺１５２１、１５２２、１５２３、１５２４の範囲を区分している。このパッケージ１５は上平面１５１を備えてなると同時に、上平面１５１に相対する下平面１５２を備えてなる。更に、パッケージ１５の下平面１５２の四つの周辺は側面１５２１、１５２２、１５２３、１５２４として下方向へ延伸してなり、下平面１５２と各側面１５２１、１５２２、１５２３、１５２４に囲まれた凹状空間１５３を形成してなり、図１に示す半導体チップ１３を収容する。各側面１５２１、１５２２、１５２３、１５２４の端面１５２１１、１５２２１、１５２３１、１５２４１は、図１に示す基板１２の上表面１２１の縁部１２１１に貼合される。この外、本発明の実施例のチップ冷却構造に従い、本発明の金属及びダイヤモンド構造の炭素を結合した熱伝導材料は、前記パッケージ１５に応用されると共に、更に熱伝導層１４が前記パッケージ１５の下平面１５２上に形成されることが可能である。この熱伝導層１４は熱伝導材料にてなることができ、例えば冷却グリス或いは冷却フィルム或いはその他の熱伝導係数が高い絶縁材質にてなることができる。
【００１１】
前記パッケージ１５は、図３に示すダイキャスト方式を利用して形成され、この方式は、鋳造原料供給器３１、鋳造原料注射器３２及びダイキャスト金型３３より構成されてなる。鋳造原料を鋳造原料注射器３２に経由してダイキャスト金型３３に形成されるパッケージ形状の型穴３４に注入することにより成型される。鋳造原料は図２に示すようなパッケージ１５を形成すると共に、前記パッケージ１５は上平面１５１及び対応する下平面１５２を備えてなり、該平面の四辺は下方向に垂直に側面１５２１、１５２２、１５２３、１５２４へと延伸してなる。前記鋳造原料は金属或いは金属及びダイヤモンド構造の炭素からなる溶解材料にてなることができる。前記金属は銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他の熱伝導係数が高い金属或いはその結合材質によりなることができる。前記ダイヤモンド構造の炭素の融点は前述の任意の金属において高く、よって結合し鋳造原料を形成することができる。
【００１２】
図４に示すように、半導体チップ１３の上面１３１及び底面１３２の区別は、フリップチップパッケージング技術において、該上面１３１は半導体チップ１３の基板で半導体デバイスとして一般的なケイ素基板であって、該底面１３２は半導体チップ１３の集積回路面にてなる。前記熱伝導層１４は、該半導体チップ１３の上面１３１に直接形成して図２のパッケージ１５の下平面１５２に貼合することができる。この熱伝導層１４は熱伝導材料、例えば冷却グリス或いは冷却フィルム或いはその他の熱伝導係数が高い絶縁材質にてなることができる。
【００１３】
更に、図５に示すように、基板１２の上面１２１は図４の半導体チップ１３の底面１３２の集積回路と電気的接続を備えてなると共に、その上面１２１の点線によって区画される基板周縁の外枠部は、図１に示す基板１２と図２のパッケージ１５と貼合する縁部１２１１になる。
【００１４】
前記熱伝導材料が含むダイヤモンド構造の炭素はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）或いはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用して金属表面に形成されてなる。図６に示すように、本発明の実施例における反応のプロセスは反応させたい混合気体を気体送入口６１より気体反応室６６に進入させる。同時に、マイクロウェーブ発信機６２はマイクロウェーブを発生し、混合気体にイオン化反応を起こさせ、徐々に支持部６４上の金属材料６５の表面に堆積しダイヤモンド膜が形成される。前記金属材料６５は図３に示される方法により成型されることができるパッケージであり、該パッケージは銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他の熱伝導係数が高い金属或いはその結合材質によりなることができ、反応後の気体は、廃気排出口６３より排出され、こうしてこの反応プロセスにより表面がダイヤモンドで覆われた熱伝導材料を形成することができる。
【００１５】
本発明の別の実施例の冷却構造製造方法は、図７に示すように、その整備プロセスは、まずダイヤモンド材料によりターゲット７２を作製し、第一イオンガン７１のイオンビーム射出方向と挟角約４５度に設置し、第一イオンガン７１の打撃により飛び散ったダイヤモンド微粒子は第二イオンガン７３の前方へ飛び、更に第二イオンガン７３を経由してダイヤモンド微粒子に十分なエネルギーを与えて皮膜を形成することにより金属材料７４の表面上に均等なダイヤモンド膜が形成される。前記金属材料７４は図３に示される方法により成型されることができるパッケージであり、該パッケージは銅或いはアルミニウム或いは銀或いはその他の熱伝導係数が高い金属或いはその結合材質によりなることができ、反応後の気体は廃気排出口７５より排出され、この反応プロセスにより表面がダイヤモンドで覆われた熱伝導材料が得られる。
【００１６】
上述の実施例のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及びＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による製造方法の外、その他のダイヤモンド微粒子を含む基板材料の製造方法としてダイヤモンド微粒子を懸濁した電解液による電気鍍金、ダイヤモンド微粒子を懸濁した溶液の塗布鋳造等により、金属及びダイヤモンド構造の炭素からなる皮膜を形成した熱伝導材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】公知の技術におけるＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）及びＩＨＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）のパッケージング技術構造の断面図である。
【図２】公知の技術における図１のパッケージング技術構造のパッケージの説明図である。
【図３】本発明の実施例のパッケージダイキャスト方式の説明図である。
【図４】公知の技術における図１のパッケージング技術構造の半導体チップの説明図である。
【図５】公知の技術における図１のパッケージング技術構造の基板とピンの説明図である。
【図６】本発明の実施例のＭＰＥＣＶＤ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の説明図である。
【図７】本発明の実施例のＩＢＳ（Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）の説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ＦＣ−ＰＧＡ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ  Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）及びＩＨＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｈｅａｔ  Ｓｐｒｅａｄｅｒ）のパッケージング技術構造の断面図
１  複数のピン
２  基板
１２１  基板の上面
１２１１  基板の縁部
１３  半導体チップ
１３１  半導体チップの上面
１３２  半導体チップの底面
１４  熱伝導層
１５  パッケージ
１５１  パッケージの上平面
１５２  パッケージの下平面
２  図１の符号１のパッケージング技術構造のパッケージ説明図
１５２１  パッケージの片辺
１５２１１  片辺の底辺
１５２２  パッケージの片辺
１５２２１  片辺の底辺
１５２３  パッケージの片辺
１５２３１  片辺の底辺
１５２４  パッケージの片辺
１５２４１  片辺の底辺
１５３  半導体チップ収容空間
２１  パッケージの俯視角
２２  パッケージの仰視角
３  パッケージダイキャスト方式の説明図
３１  鋳造原料供給器
３２  鋳造原料注射器
３３  ダイキャスト金型
３４  パッケージ形状の型穴
４  図１の符号１のパッケージ技術構造の半導体チップの説明図
５  図１の符号１のパッケージ技術構造の基板とピンの説明図
６  ＭＰＥＣＶＤ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の説明図
６１  気体送入口
６２  マイクロウェーブ発信機
６３  廃気排出口
６４  支持部
６５  金属材料
６６  気体反応室
７  ＩＢＳ（Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）の説明図
７１  第一イオンガン
７２  ターゲット
７３  第二イオンガン
７４  金属材料
７５  廃気排出口
【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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