(57)【要約】【課題】半導体素子のホットスポットを効果的に冷却できるような冷却手段を具えた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体素子と、前記半導体素子に近接して設けた放熱フィンとを具え、前記放熱フィンは前記半導体素子中、ホットスポットに相当する箇所でフィンが密に配置され、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させるようにして半導体装置を構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に近接して設けた放熱フィンとを具え、
前記放熱フィンは前記半導体素子中、ホットスポットに相当する箇所でフィンが密に配置され、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
半導体素子と、
前記半導体素子の、ホットスポットの少なくとも一部と接触するようにして設けた高熱伝導部材とを具え、
前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置。
【請求項３】
半導体素子と、
前記半導体素子に近接して設けた気泡核生成手段とを具え、
前記気泡核生成手段は、前記半導体素中、ホットスポットに相当する箇所で気泡核を高密度に発生させ、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と、
前記半導体素子の、ホットスポットの少なくとも一部と対応させて設けた温度遷移領域排除手段とを具え、
前記温度遷移領域排除手段を駆動させることにより、前記半導体素子の、前記ホットスポット上における温度遷移領域を除去し、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置。
【請求項５】
半導体素子と、
前記半導体素子からの熱を放熱する放熱部材と、
前記放熱部材上に設けた温度遷移領域排除手段とを具え、
前記温度遷移領域排除手段は、前記放熱部材上を移動させることによって前記放熱部材上に形成された温度遷移領域を除去することを特徴とする、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高性能動作が要求される回路部分での高温化を抑制するような冷却手段を具える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＬＳＩチップなどの半導体装置においては、トランジスタ性能の向上とＬＳＩチップあたりのトランジスタ数が増加することで、ＬＳＩチップにおける消費電力の増大が問題となっている。この際、高性能動作が要求される回路部分で特に高温化してしまうため（以後、かかる回路部分を“ホットスポット”と呼ぶ場合がある）、動作温度の上昇による特性劣化が問題となってくる。このような動作温度の上昇を抑制するために、従来は、空冷、水冷などの手段を積極的に採るとともに、所定の冷凍機を用いて前記ホットスポットを積極的に冷却し、上述した動作温度の上昇及びこれに基づく特性劣化を抑制する試みがなされていた。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、半導体素子の主面あるいは裏面に接触するようにして冷却装置を設けるとともに、前記冷却装置から前記半導体素子へ向けて、特にホットスポットに相当する箇所に小孔やスリットを設け、それらの内部を水などの液冷媒が流れるように構成することによって、前記半導体素子の冷却性能を向上させるような試みがなされている。
【０００４】
また、特許文献２においては、半導体素子の主面あるいは裏面に接触するようにして冷却装置を設けるとともに、前記冷却装置の、前記半導体素子が直接接触する部分において、例えば円錐形のヒートポイントを設け、これによって前記半導体素子の冷却性能を向上させる試みがなされている。
【０００５】
一方、特許文献３においては、半導体素子のホットスポット背後のチップ厚を部分的に厚くし、かかる部分の熱電材料を薄くすることによって、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の温度上昇を抑制するようにしている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法は、半導体素子の特にホットスポットを冷却するものであるが、水などの熱伝導率（約０．６１Ｗ／ｍＫ）の低い液媒体を用いるとともに、小孔やスリットを狭小化してホットスポットの冷却性能を高めようとしても、逆に熱を吸収した水が滞留するようになるため前記ホットスポットの冷却は十分でない。
【０００７】
また、上記特許文献２に記載の方法では、半導体素子を全体的に冷却するものであるので、ホットスポットの冷却を効果的に行うことができない。すなわち、前記半導体素子の、前記ホットスポットとその他の領域（部分）とは同じ程度で冷却されることになるので、前記ホットスポットを所定の温度まで冷却しようとすると、その他の領域（部分）はより低温度まで冷却されることになり、極めて冷却性能が悪くなる。
【０００８】
さらに、特許文献３に記載の方法では、単に半導体素子のチップ厚を加工したのみであって、ホットスポットに特別の冷却手段が設けられているわけではないので、半導体素子のヒートポイント（ホットスポット）を効果的に冷却することができない。
【特許文献１】特開２００６−５９８５０号
【特許文献２】特開２００２−２３１８６８号
【特許文献３】特開２００５−１７５４８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子のホットスポットを効果的に冷却できるような冷却手段を具えた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
半導体素子と、
前記半導体素子に近接して設けた放熱フィンとを具え、
前記放熱フィンは前記半導体素子中、ホットスポットに相当する箇所でフィンが密に配置され、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置に関する。
【００１１】
また、本発明の一態様は、
半導体素子と、
前記半導体素子の、ホットスポットの少なくとも一部と接触するようにして設けた高熱伝導部材とを具え、
前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置に関する。
【００１２】
さらに、本発明の一態様は、
半導体素子と、
前記半導体素子に近接して設けた気泡核生成手段とを具え、
前記気泡核生成手段は、前記半導体素中、ホットスポットに相当する箇所で気泡核を高密度に発生させ、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置に関する。
【００１３】
また、本発明の一態様は、
半導体素子と、
前記半導体素子の、ホットスポットの少なくとも一部と対応させて設けた温度遷移領域排除手段とを具え、
前記温度遷移領域排除手段を駆動させることにより、前記半導体素子の、前記ホットスポット上における温度遷移領域を除去し、前記半導体素子の前記ホットスポット部分の冷却性能を、前記半導体素子のその他の部分の冷却性能と比較して増大させたことを特徴とする、半導体装置に関する。
【００１４】
さらに、本発明の一態様は、
半導体素子と、
前記半導体素子からの熱を放熱する放熱部材と、
前記放熱部材上に設けた温度遷移領域排除手段とを具え、
前記温度遷移領域排除手段は、前記放熱部材上を移動させることによって前記放熱部材上に形成された温度遷移領域を除去することを特徴とする、半導体装置に関する。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明の上記態様によれば、半導体素子のホットスポットを効果的に冷却できるような冷却手段を具えた半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一例における半導体装置の冷却方法を概念的に示す説明図であり、図２は、従来の半導体装置の冷却方法を概念的に示す説明図である。
【００１８】
図１に示すように、チップＡにおいては、その動作特性に応じて温度の異なる領域Ａ１、Ａ２及びＡ３が形成される。この場合、領域Ａ２が、高性能動作が行われる箇所であり、それに応じて温度が例えば１２０℃まで上昇する。すなわち、チップＡにおいては領域Ａ２がホットスポットに相当する。したがって、本例では、領域Ａ２に関し、領域Ａ１及びＡ３と比較して冷却性能を高め、集中的に冷却することによって、領域Ａ１及びＡ３とほぼ同一の温度とし、チップＡ全体としての冷却性能を向上させるようにしている。
【００１９】
例えば、領域Ａ２を２Ｘ（Ｗ）で冷却し、領域Ａ１をＸ／３（Ｗ）で冷却し、領域Ａ２を２Ｘ／３（Ｗ）で冷却することによって、領域Ａ１〜Ａ３総ての領域を６０℃の同じ温度まで冷却することができる。
【００２０】
一方、図２に示すように、チップＢにおいても、その動作特性に応じて温度の異なる領域Ｂ１、Ｂ２及びＢ３が形成される。この場合、領域Ｂ２が、高性能動作が行われる箇所であり、それに応じて温度が例えば１２０℃まで上昇する。すなわち、チップＢにおいては領域Ｂ２がホットスポットに相当する。しかしながら、従来においては、領域Ｂ１〜Ｂ３を総て同じようにＸ（Ｗ）の冷却性能で冷却していたため、領域Ｂ１〜Ｂ３それぞれに対する冷却度合いが同じになる。したがって、領域Ｂ１〜Ｂ３の温度はそれぞれ同じ割合だけ低下し、冷却後においても、ホットスポットに相当する領域Ｂ２はそれに依存して領域Ｂ１及びＢ３よりも高くなる。
【００２１】
すなわち、従来においては、領域Ｂ２の温度を所定の温度にまで冷却しようとすると、領域Ｂ１及びＢ３の温度はそれより低い所望の温度未満にまで冷却される。従って、チップＢ全体として見た場合、ホットスポットＢ２の温度に併せてチップの冷却をしようとすると、その他の部分Ｂ１及びＢ３は所望の温度より低い温度にまで冷却されてしまい、消費電力の増大を招いてしまう。逆にその他の領域Ｂ１及びＢ３を所望の温度に併せて冷却すると、ホットスポットＢ２は所望の温度より高い温度までしか冷却されなくなってしまう。
【００２２】
したがって、図２に示すような従来の半導体装置における均一な冷却では、極めて冷却性能が悪いのに対し、図１に示すような半導体装置におけるホットスポットを狙った局所的な冷却を行うことによって、チップ全体として見た場合の冷却性能は著しく改善されるようになる。
以下に、半導体装置の具体的な態様について説明する。
【００２３】
（第１の半導体装置）
図３〜５は、第１の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。本例における半導体装置１０は、半導体チップ（半導体素子）１１１と、この半導体チップ１１１と接触するようにして設けられた放熱フィン１２とを具えている。
【００２４】
ここで、半導体チップ１１１は金属製（例えばＣｕ製）の筐体１１３内の内下面上に設置されるとともに、熱伝導部材１１２を介して有機部材１１４で封止されるような構成を取っている。そして、熱伝導グリース１３によって放熱フィン１２と熱的に接続されている。また、有機部材１１４の外側にはサーマルボール１１５が設けられている。
【００２５】
放熱フィン１２は、図３に示すように、上部に向けて立設した複数のフィンを具えているが、図４に示すように、フィンの巾及び／フィン間のチャネル巾が狭小化するにつれて熱拡散係数が増大する傾向を呈することが分かる。したがって、図５に示すように、放熱フィン１２の、半導体チップ１１１のホットスポットが位置する部分のフィン巾及び／又はチャネル巾を狭小化してフィンを密に配置することにより、前記ホットスポット部分を効果的に冷却することができるようになる。また、半導体チップ１１１の全体に亘って放熱フィン１２を設けているので、前記ホットスポットを集中的に冷却できることに加えて、半導体チップ１１１全体の冷却性能を増大させることができるようになる。
【００２６】
本実施例においては、ホットスポットが位置する部分のフィン巾及び／又はチャネル巾を狭小化しても、液媒体が侵入する小孔やスリットを狭小化する従来技術の場合のように、熱を吸収した液媒体が滞留してしまうような問題は発生し難い。ここで、具体的なフィン巾及びチャネル巾のサイズは適宜に設定することができるが、図４に示すように、通常はμｍオーダーからｍｍオーダーである。
【００２７】
（第２の半導体装置）
図６及び７は、第２の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。本例における半導体装置２０は、半導体チップ（半導体素子）２１１と、この半導体チップ２１１と接触するようにして設けられた放熱フィン２２とを具えている。
【００２８】
ここで、半導体チップ２１１は金属製（例えばＣｕ製）の筐体２１３内の内下面上に設置されるとともに、熱伝導部材２１２を介して有機部材２１４で封止されるような構成を取っている。そして、熱伝導グリース２３によって放熱フィン２２と接続されている。さらに、筐体２１３及び熱伝導グリース２３を貫通するとともに、半導体チップ２１１の一部及び放熱フィン２２の一部に埋設するようにして高熱伝導部材２４が設けられている。また、有機部材２１４の外側にはサーマルボール２１５が設けられている。
【００２９】
したがって、図７に示すように、高熱伝導部材２４を半導体チップ２１１のホットスポットの少なくとも一部と接触するようにして配置することにより、前記ホットスポット部分のみを効果的に冷却することができるようになる。その結果、半導体チップ２１１全体の冷却性能を増大させることができるようになる。
【００３０】
なお、高熱伝導部材２４は、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上の物質、例えばＣｕ，カーボンナノチューブ及びダイヤモンドなどから構成することができる。
【００３１】
上述した特許文献１に記載の方法では、水などの熱伝導率（約０．６１Ｗ／ｍＫ）の低い物質を液冷媒として用いるとともに、前記水が熱を吸収した後に滞留するようになる。したがって、ホットスポットの冷却を十分に行うことができない。一方、本実施例では、半導体装置２０内に上述のような高熱伝導率の物質を予め埋設するようにして配置しているので、上述したような問題が生じることなく、ホットスポットの冷却を効果的に行うことができるようになる。
【００３２】
また、本例では、高熱伝導部材２４を放熱フィン２２の一部に埋設するようにしているが、少なくとも筐体２１３に接触し、好ましくは熱伝導グリース２３に接触するようにして設ける。なお、高熱伝導部材２４を放熱フィン２２の一部などに埋設し、さらに熱伝導グリース２３などを貫通する際には、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）などの手法を用いて予め開口を形成し、この開口内に挿入あるいは埋設するようにする。
【００３３】
さらに、本例では、放熱フィン２２を設けているが、この放熱フィン２２は必須の構成要素ではなく、適宜削除することができる。放熱フィン２２がない状態においても、上述した高熱伝導部材２４をホットスポットに接触するようにして設けることにより、前記ホットスポットの冷却を効果的に行うことができる。但し、放熱フィン２２を設けることにより、高熱伝導部材２４を設けたことの効果に加えて、半導体チップ２１１全体の冷却を行うことができるので、前記ホットスポットを含めた全体の冷却をより効果的に行うことができるようになる。
【００３４】
（第３の半導体装置）
図８〜１０は、第３の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。本例における半導体装置３０は、半導体チップ（半導体素子）３１１と、この半導体チップ３１１と接触するようにして設けられた、気泡核生成手段としてのマイクロスケールボーリング３２とを具えている。
【００３５】
ここで、半導体チップ３１１は金属製（例えばＣｕ製）の筐体３１３内の内下面上に設置されるとともに、熱伝導部材３１２を介して有機部材３１４で封止されるような構成を取っている。そして、熱伝導グリース３３によってマイクロスケールボーリング３２と接続されている。また、有機部材３１４の外側にはサーマルボール３１５が設けられている。
【００３６】
図８及び９に示すように、マイクロスケールボーリング３２からは開口３２Ａを通じて気泡核が生成し、この気泡核（具体的には水泡核）が蒸発（水蒸気化）する際の気化熱を利用して半導体チップ３１１の冷却を行うものである。したがって、マイクロスケールボーリング３２の、開口３２Ａの形成密度を半導体チップ３１１のホットスポットが位置する部分で高密度化することによって、前記ホットスポット上での気泡核の生成密度を高めることができ、前記ホットスポットの冷却性能を増大させることができる。
【００３７】
また、このとき、ホットスポットが位置する部分における開口３２Ａの形成密度を高めても、液媒体が侵入する小孔やスリットを狭小化する従来技術の場合のように、熱を吸収した液媒体が滞留してしまうような問題は生じない。さらに、半導体チップ３１１の全体に気泡核を生成するようにしているので、前記ホットスポットを集中的に冷却できるとともに、半導体チップ３１１全体の冷却性能を増大させることができるようになる。
【００３８】
（第４の半導体装置）
図１１及び１２は、第４の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。本例における半導体装置４０は、半導体チップ（半導体素子）４１１と、この半導体チップ４１１と近接するようにして設けられた、例えばＡｌからなるヒートシンク部材４２とを具えている。
【００３９】
ここで、半導体チップ４１１は金属製（例えばＣｕ製）の筐体４１３内の内下面上に設置されるとともに、熱伝導部材４１２を介して有機部材４１４で封止されるような構成を取っている。そして、熱伝導グリース４３によってヒートシンク部材４２と接続されている。また、有機部材４１４の外側にはサーマルボール４１５が設けられている。
【００４０】
このようなヒートシンク部材４２が設けられている構成の半導体装置４０においては、ヒートシンク部材４２の近傍において温度遷移領域が形成され、この温度遷移領域が半導体チップ４１１全体の、したがって特にホットスポットの冷却を阻害する要因となる。
【００４１】
かかる観点より、本例の半導体装置４０においては、ホットスポットと対応させてヒートシンク部材４２上に温度遷移領域排除手段を設けている。具体的には、図１２（ａ）に示すように、金属製のローラー４２Ａを図示しないモータなどを用いて前記ホットスポット上で回転させることにより、あるいは図１２（ｂ）に示すように、金属製のボール４２Ｂを図示しないモータなどを用いて前記ホットスポット上で回転させることにより、特に前記ホットスポット上における温度遷移領域を排除し、前記ホットスポットを効果的に冷却するように構成している。したがって、前記ホットスポットを効果的に冷却することができるようになり、その結果、半導体チップ４１１全体の冷却性能を増大させることができるようになる。
【００４２】
（第５の半導体装置）
図１３及び１４は、第５の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。本例における半導体装置５０は、半導体チップ（半導体素子）５１１と、この半導体チップ５１１と近接するようにして設けられた、例えばＡｌからなるヒートシンク部材５２とを具えている。
【００４３】
ここで、半導体チップ５１１は金属製（例えばＣｕ製）の筐体５１３内の内下面上に設置されるとともに、熱伝導部材５１２を介して有機部材５１４で封止されるような構成を取っている。そして、熱伝導グリース５３によってヒートシンク部材５２と接続されている。また、有機部材５１４の外側にはサーマルボール５１５が設けられている。
【００４４】
このように、半導体チップ５１１からの熱を放熱する放熱部材としてのヒートシンク部材５２が設けられている構成の半導体装置５０においては、上述したように、ヒートシンク部材５２の近傍において温度遷移領域が形成され、この温度遷移領域が半導体チップ５１１全体の、したがって特にホットスポットの冷却を阻害する要因となる。
【００４５】
かかる観点より、本例の半導体装置５０においては、図１４（ａ）に示すように、高熱伝導板５２Ａを図示しないモータなどを用いてヒートシンク部材５２上でスライドさせることにより、あるいは図１４（ｂ）に示すように、高熱伝導部材５２Ｂを図示しないモータなどを用いてヒートシンク部材５２上で回転させることにより、前記温度遷移領域を排除し、冷却効果を高めている。特に、図１４（ｂ）において、高熱伝導部材５２Ｂを半導体チップ５１１のホットスポットと対応するヒートシンク部材５２上の位置で移動させれば、前記ホットスポットを効果的に冷却することができるようになり、その結果、半導体チップ５１１全体の冷却性能を増大させることができるようになる。
【００４６】
なお、高熱伝導板５２Ａ及び高熱伝導部材５２Ｂは、上記高熱伝導部材２４同様に、熱伝導率が３００Ｗ／ｍＫ以上の物質、例えばＣｕ，カーボンナノチューブ及びダイヤモンドなどから構成することができる。
【００４７】
また、上記第１の半導体装置から第５の半導体装置のいずれにおいても、ホットスポットは赤外線顕微鏡などを用いることによって特定することができる。
【００４８】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一例における半導体装置の冷却方法を概念的に示す説明図である。
【図２】従来の半導体装置の冷却方法を概念的に示す説明図である。
【図３】第１の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図４】同じく、第１の半導体装置の、フィン巾、チャネル巾と熱拡散係数との関係を示す図である。
【図５】同じく、第１の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図６】第２の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図７】同じく、第２の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図８】第３の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図９】同じく、第３の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１０】同じく、第３の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１１】第４の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１２】同じく、第４の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１３】第５の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図１４】同じく、第５の半導体装置の一例を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０，２０，３０，４０，５０  半導体装置
１１１，２１１，３１１，４１１，５１１  半導体チップ
１１２，２１２，３１２，４１２，５１２  熱伝導部材
１１３，２１３，３１３，４１３，５１３  筐体
１１４，２１４，３１４，４１４，５１４  有機部材
１１５，２１５，３１５，４１５，５１５  サーマルボール
１２、２２  放熱フィン  
１３，２３，３３，４３，５３  熱伝導グリース
２４  高熱伝導部材
３２  マイクロスケールボーリング
４２，５２  ヒートシンク部材
４２Ａ  金属製ローラー
４２Ｂ  金属製ボール
５２Ａ  高熱伝導板
５２Ｂ  高熱伝導部材
【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】
2008091677.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008091677.tif 000012
【図１１】
2008091677.tif 000013
【図１２】
2008091677.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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