(57)【要約】【課題】マイクロプロセッサの性能向上により、熱設計がさらにクリティカルになってきた。【解決手段】プロセッサのダイ１６裏面に平面上の中空ガラス板２０を接合し、中に冷媒を流す。赤外線カメラ２４でダイ１６を撮像し、熱検出部３４が温度分布を取得する。解析部３６はダイ１６のいずれかの個所が高温異常になったとき、ポンプ２６の駆動力を高めるか、プロセッサ１８に動作周波数を下げるよう指示をする。【選択図】  図１
2005303245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像型のセンサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路を冷却する手段を制御する冷却制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記熱検出部は、前記検査画像から前記半導体集積回路の温度分布を取得し、前記半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、前記冷却制御部は、前記冷却する手段の冷却能力を高めることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項３】
撮像型のセンサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路の動作状態を制御する動作制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記熱検出部は、前記検査画像から前記半導体集積回路の温度分布を取得し、前記半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、前記動作制御部は、温度がしきい値を超えた個所における単位時間当たりの処理の負荷を軽減することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項５】
二次元的に密な解像度で半導体集積回路の発熱状態を取得するステップと、
取得された発熱状態に応じて半導体集積回路の発熱状態を変化させるための制御を行うステップと、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御方法。
【請求項６】
半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構と、
前記冷却機構を介して前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサによって撮像された検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態を解析する解析部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項７】
前記冷却機構は、シリコン製のヒートスプレッダであって、
さらに前記ヒートスプレッダを冷却する手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の回路の発熱制御装置。
【請求項８】
シリコン基板上に形成される半導体集積回路の発熱部分から離反方向にシリコン基板を延伸してなるヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダを冷却する冷却装置と、
前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサによって撮像された検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態を解析する解析部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項９】
前記冷却機構は中空な部分を有し、
さらに前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構を備えることを特徴とする請求項６に記載の回路の発熱制御装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、前記中空な部分は、前記半導体集積回路の主要部分を覆うよう穿設され、前記センサによる前記半導体集積回路の撮像が前記中空な部分を介してなされることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置において、前記センサによる前記半導体集積回路の撮像が前記中空な部分を介さないよう、当該中空な部分が前記半導体集積回路から所定のクリアランスをもって穿設されていることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれかに記載の装置において、前記駆動機構は適宜冷媒の流通方向を変化させることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置において、前記解析部は冷媒の流通方向が変化する前後で検出された発熱状態を統合して解析することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１４】
請求項９から１１のいずれかに記載の装置において、前記解析部は前記冷媒の流通方向による温度傾斜を加味して発熱状態を解析することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１５】
中空な部分を有し、半導体集積回路を冷却する冷却機構と、
前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構と、
を備え、前記冷却機構の所定個所には前記中空な部分に通じる開口が穿設され、少なくともこの開口の縁部は前記半導体集積回路の対応個所に密に固着され、前記冷媒がこの開口を通して前記半導体集積回路の少なくとも一部に直接触れる構造としたことを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１６】
半導体集積回路と、
半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路を冷却する手段を制御する冷却制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御システム。
【請求項１７】
半導体集積回路と、
半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路の動作状態を制御する動作制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御システム。
【請求項１８】
半導体集積回路と、
中空な部分を有し、半導体集積回路を冷却する冷却機構と、
前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構と、
を備え、前記冷却機構の所定個所には前記中空な部分に通じる開口が穿設され、少なくともこの開口の縁部は前記半導体集積回路の対応個所に密に固着され、前記冷媒がこの開口を通して前記半導体集積回路の少なくとも一部に直接触れる構造としたことを特徴とする回路の発熱制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発熱制御技術に関し、特に半導体集積回路の発熱を制御する方法、装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ設計において製造プロセスの微細化と素子の高集積化が一段と進み、チップの性能限界として発熱量を考慮することがＬＳＩの設計上非常に重要になった。チップが高温になると、動作不良を起こしたり、長期信頼性が低下するため、様々な発熱対策がとられている。たとえば、チップの上部にヒートシンクを設けて、チップから発生する熱を逃がす方法がとられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
昨今のＬＳＩ、とくに高性能のマイクロプロセッサでは、ヒートシンクでもとりきれない発熱が生じうるため、放熱効率の改善と発熱自体の抑制は永続的な課題である。ＬＳＩを搭載する製品を開発する際、セットレベルで放熱効果または発熱抑制効果を保証する必要があり、その前提として、製品開発の途上でそれらの効果を正しく評価する必要が生じる。
【０００４】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体集積回路の効率的な熱制御技術を提供することにある。本発明の別の目的は、熱制御の効果を正しく評価する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は回路の発熱制御技術であり、二次元的に密な解像度で半導体集積回路の発熱状態を取得し、取得された発熱状態に応じて半導体集積回路の発熱状態を変化させるための制御を行うものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体集積回路の発熱を効率的に制御でき、または、熱制御の効果を正しく評価できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態の概要  
マイクロプロセッサ（以下単にプロセッサという）のダイ上の温度を測定する方法として、サーマルダイオードのＰＮ接合の順方向電圧やリングオシレータの周波数の温度特性を利用する方法が考えられる。しかし、いずれも実装面積その他の事情で、実デバイスに埋め込むことは容易ではない。また、正確な温度分布測定のためには、こうした温度センサを多数埋め込む必要があり、設計上のデメリットが大きい。
【０００８】
実施の形態はこうした観点から、まず二次元的に密な解像度で半導体集積回路の発熱状態を取得し、取得された発熱状態に応じて半導体集積回路の発熱状態を変化させるための制御を行う。ここで「発熱状態を変化させる」とは、まず放熱状態を変化させ、結果として発熱状態が変化するような場合も含む。二次元的に密な、赤外線センサのような撮像型のセンサを利用すると、いちどに、解像度に応じたポイント数の温度測定が実現する。このため上記の問題が解決される。
【０００９】
なお、撮像型のセンサの例として以下赤外線センサを用いるが、実施の形態では赤外線センサとレンズ等の光学系機構を組み合わせた赤外線カメラを用いる。このカメラは、赤外線サーモグラフィ技術の分野で知られるものであり、物体の表面温度または温度分布を計測し画像化する装置である。実施の形態では、撮像という手法で温度を検出するため、対象物である半導体回路装置から離れた位置から非接触で温度測定が可能であり、半導体回路装置とセットの配置上の設計自由度を高めることができる。また、面の温度分布として捉える手法であるため、面上の点どうしの相対的な測定が可能となり、簡単な構成で高温個所を特定することが容易である。実施の形態は、より具体的には以下の技術に関する。
【００１０】
１．撮像型のセンサを設ける。このセンサで半導体集積回路を撮像する。フリップチップパッケージの半導体集積回路は、ダイ裏面が露出しているため撮像に好都合である。ただし、通常のプラスチック等のパッケージに封入された半導体集積回路であっても問題はない。熱検出部は、撮像で得られた画像（これを「検査画像」とよぶ）から半導体集積回路の発熱状態を取得する。冷却制御部は、取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路を冷却する手段、たとえばファンの回転数や冷媒の流通速度を制御する（主に実施の形態４）。
【００１１】
２．熱検出部は、検査画像から半導体集積回路、とくにその露出面の温度分布を取得し、半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、冷却制御部は、冷却手段の冷却能力を高める（主に実施の形態１、２、３、４）。
【００１２】
３．冷却制御部の代わりに、またはそれに加えて、取得された発熱状態に応じて半導体集積回路の動作状態を制御する動作制御部を設ける。半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、動作制御部は、温度がしきい値を超えた個所（これを「高温個所」という）における単位時間当たりの処理の負荷を軽減する。そのために、半導体集積回路の動作周波数を落としてもよい（主に実施の形態４）。
【００１３】
４．半導体集積回路、とくにその露出面に密着して固定される透明な冷却機構を設ける。ここでの「透明」とは、温度測定を妨げないという意味での透明である。すなわち、赤外線センサによる温度測定を行う場合には、発熱体から放出される赤外線を検知するため、赤外領域において透明であることが重要であって、見た目に透明である必要はない。また、赤外領域においても完全に透明である必要はなく、補正によって発熱体である半導体集積回路の温度が検出できる透過率を有していればよい。冷却機構は、中空な部分を有し、液体や気体などの流体が流通しうる流路が設けられている。中空な部分を有する冷却機構としては、たとえば平面状の配管や、ガラス等の固体内部に冷媒の流路が穿設されているようなものが含まれる。ポンプなどの駆動機構で、冷却機構の内部に液体や気体の冷媒を流通せしめる。撮像型のセンサで、冷却機構を介して半導体集積回路を撮像する。熱検出部で、センサによって撮像された検査画像から半導体集積回路の発熱状態を取得する（主に実施の形態１、２、３、４）。しかる後、解析部で、取得された発熱状態を解析する。なお、「透明」はセンサの検出機能を損なわない意味で透明とし、見た目に透明である必要はない。実際には、センサによる検知は、冷却機構の色、放射率、測定角度等のさまざまなファクターによって影響は受けるため、それらのファクターは最終的に実験で定めればよい（主に実施の形態１、２、３）。
【００１４】
５．４において、駆動機構は適宜冷媒の流通方向を変化させてもよい。これは発熱の評価に役立つ。解析部は冷媒の流通方向が変化する前後で検出された発熱状態を統合して解析してもよい。たとえば、方向を逆転させ、その前後で得られた発熱状態の平均をとって、これを実際の発熱状態ないし温度分布とみなしてもよい。以下、「発熱状態」は「温度分布」で把握できるため、特に必要がないかぎり、両者を峻別しない（主に実施の形態１）。
【００１５】
６．４において、解析部は冷媒の流通方向による温度傾斜を加味して発熱状態を解析してもよい。冷媒は駆動機構から出たあと、上流の方が低温である。これが半導体集積回路、とくにその露出面から熱を奪って下流に向かうにつれ、温度が高くなる。そこで上流の温度をマイナスし、下流の温度をプラスする傾斜補正をかけて得られた温度分布を実際の温度分布とみなしてもよい（主に実施の形態１）。
【００１６】
７．４において、透明な冷却機構は中空な部分を有さずともよい。すなわち冷却機構としては、例えば、透明な平面上のヒートスプレッダなどであってもよい。この場合、ポンプなどに駆動機構に代えて、空冷ファンや、ペルチェ素子、噴流冷却装置などによって冷却機構を構成すればよい（主に実施の形態２）。
【００１７】
８．以上の装置はセンサを利用したが、センサの有無とは別に、半導体集積回路の放熱効果を高める技術は有用である。そのため、前述の冷却機構と駆動機構を設け、冷却機構は半導体集積回路、とくにその露出面に合わせた開口を有し、少なくともその開口の縁部において、半導体集積回路側の対応個所と密に固着されてもよい。この場合、開口部分で冷媒が直接半導体集積回路に触れるため、熱を奪う効果が高い（主に実施の形態５）。
【００１８】
実施の形態１．  
本実施の形態は、開発段階において最終製品であるセット（以下単に「セット」という）において半導体集積回路の発熱がどのようになるかを予め評価する装置に関する。以下、半導体集積回路は発熱量の大きなプロセッサとする。セットにおいて、プロセッサには熱を拡散するためのヒートスプレッダや、さらにその上にヒートシンクが取り付けられる。そのような状態だと、プロセッサの表面温度を計測することができない。そこで、本装置では、ヒートシンク等を外して透明な放熱手段を設け、それを通してプロセッサを赤外線カメラで撮像し、温度分布を取得する。放熱手段はヒートシンク等の作用を模するものであり、セットにおける実使用状態、すなわちヒートシンク等がついた状態における発熱を予測するものである。ヒートシンク等を精度よく模するために、予め既知の熱伝導シミュレータ等を利用して冷却機構の形状と材質、冷媒の種類と流速等を設定することができる。ただし、シミュレーションには限界もあり、実験と組み合わされるべきであるから、本実施の形態の装置はシミュレーションと相互補完の関係にある。
【００１９】
この装置による熱評価の結果は、プロセッサの仕様に反映される。たとえば、プロセッサの最高負荷がどの程度の時間つづくと高温個所の温度が動作保証範囲を超えるかなど、本装置によって予め評価できる。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る熱制御システム１００の全体構成を示す。図２は図１の中空ガラス板２０付近を上から見たものである。プロセッサ１８はプリント基板１２上に実装されている。プロセッサ１８はフリップチップタイプで、ダイ１６とＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）タイプの外部端子を有するパッケージ基体１４を備える。
【００２１】
ダイ１６の裏面は露出しており、その面に平板状の中空ガラス板２０が陽極接合等で接着されている。この接合にはサーマルグリース等のインタフェイス剤が不要であり、熱伝導率が高い。
【００２２】
中空ガラス板２０は両端部で細流管２２に接続され、細流管２２の途中にポンプ２６が設けられる。ポンプ２６の駆動により、細流管２２と中空ガラス板２０に内装された冷媒が循環し、ダイ１６の裏面を冷却する。冷媒は液体、気体を問わないが、赤外線カメラ２４による温度検知に影響しない意味において透明なものを選ぶ。図２の矢印ａ、ｂはそれぞれ冷媒の進行方向を示し、ポンプ２６の駆動により方向の反転が可能である。中空ガラス板２０はダイ１６上を冷媒が一様に流れるよう、プロセッサ１８よりも広めの平面とする。このような冷却機構を設けることにより、中空ガラス板２０の中空な部分、すなわち冷媒はプロセッサ１８の主要部分を覆うこととなり、ヒートシンクに近い放熱状態を模することができる。この主要部分とは、プロセッサ１８の半分以上、大部分、あるいは全部や、発熱量の多い部分、中心部分などをいう。
【００２３】
図１の赤外線カメラ２４は中空ガラス板２０を介してダイ１６を撮像する。赤外線カメラ２４は例えば１００×１００程度の空間解像度をもち、したがって、事実上その解像度だけのセンサが密に二次元配列されている効果をもつ。赤外線カメラ２４の時間解像度は、例えば毎秒数十枚の撮像が可能な程度とする。
【００２４】
熱制御装置３２は熱検出部３４と解析部３６を有する。熱検出部３４は赤外線カメラ２４から検査画像を入力し、ダイ１６の温度分布を取得して図示しないメモリに画像データとして記録する。解析部３６は画像データをメモリから読み出し、必要な処理を行う。解析部３６による処理の例は以下のとおりである。
【００２５】
処理１  ダイ１６の温度分布から、ダイ１６のいずれかの高温個所の温度がしきい値を超えたとき（以下そのような状態を「高温異常」という）、ポンプ２６の駆動力を高める。これにより、本装置による熱評価中にプロセッサ１８が熱暴走その他の誤動作をしたり、恒久破壊されることを防止する。解析部３６は高温異常の発生時刻を画像フレームの時刻から特定および記録してもよい。以下の処理でも、高温異常とその対処を時刻と合わせて記録すれば、開発者の熱評価に有用な情報を提供できる。
【００２６】
処理２  高温異常が発生したとき、プロセッサ１８の動作状態を制御する。例えば、割込等を発生させてプロセッサ１８の動作周波数を低減する。そのため、評価用のプロセッサ１８を走らせるＯＳ（オペレーティングシステム）において、解析部３６による割込から動作周波数制御のハンドラが呼び出される構成にしておく。
【００２７】
以上の構成による本装置の動作は以下のとおりである。熱評価に先立ち、ポンプ２６の電源がオンされ、冷媒が流通をはじめる。また、赤外線カメラ２４の電源がオンされ、発熱状態の監視が開始される。
【００２８】
プロセッサ１８は例えば解析部３６からの指示によって動作を開始し、赤外線カメラ２４が撮像する検査画像とプロセッサ１８の動作の同期がとられる。プロセッサ１８が評価用のプログラムを実行しているとき、高温異常が発生すれば、解析部３６からポンプ２６またはプロセッサ１８が制御され、放熱効果が高められるか、または発熱自体が抑制される。
【００２９】
以上により、プロセッサ１８を正常に動作させると同時に、どのようなプログラムを実行したら高温異常が生じるかを解析することができる。また、高温異常を解消するためにどのような対処が有効かも見極めることができる。その結果、プロセッサ１８を市場投入する際にセットメーカへ要請すべき熱対策を定めることができるほか、プロセッサ１８自体のアーキテクチャ設計に熱評価の知見を反映することができる。
【００３０】
なお、より正確に発熱状態を記録するために、冷媒の流通による温度勾配を考慮することには意味がある。たとえば、図２の矢印ａのごとく図中左から右へ冷媒がながれるとき、当然ダイ１６の左側のほうが低温、右側のほうが高温となる。その状態で温度分布を記録および評価すると、必ずしも正しくない結果となる。この点を解消するために、解析部３６は以下の追加処理を実行してもよい。
【００３１】
１．ポンプ２６の駆動を制御し、冷媒の進行方向を適宜反転させる。熱検出部３４によって記録された温度分布のうち、反転の前後で得られたふたつのデータを平均化し、これを温度分布として記録する。平均化によって温度勾配をかなり解消することができる。反転は一定期間ごとにすることが望ましいが、高温の冷媒がダイ１６付近に滞留しないよう、ある程度期間を長くすることも考慮すべきである。
【００３２】
２．１の処理をして、平均化された温度分布を求める。つぎに、その温度分布と冷媒を一方向に流したときの温度分布の差分から、冷媒をその方向にながしたときに現れる温度勾配を計算しておく。以降、冷媒はその方向にだけ流しつつ、取得された温度分布に前記の温度勾配を掛けて正しい温度分布を求める。
【００３３】
実施の形態２．  
本実施の形態も、実施の形態１同様に開発段階における半導体集積回路の発熱状態の評価を目的とする装置に関する。以下、実施の形態１と共通する部分については、その説明を省略する。本実施の形態に係る熱制御システム１００は、図１と同様に構成され、その動作も実施の形態１と同様であるが、中空な部分を有する冷却機構として機能する中空ガラス板２０において、実施の形態１とはその構造を異にしている。すなわち実施の形態１では、平面状の中空ガラス板２０中に冷媒を流通せしめてプロセッサの冷却を行っており、赤外線カメラ２４による撮像は、冷媒を介して行っていた。一方、本実施の形態においては、中空ガラス板２０の中空な部分が、観測対象のダイ１６と赤外線カメラ２４との間に冷媒が介在しないように設けられている。
【００３４】
図３は、本実施の形態に使用される中空ガラス板２０を上から見た図であり、冷媒の流路７０が、赤外線カメラ２４によるダイ１６の撮像を妨げないように、ダイ１６から所定のクリアランスをもって穿設されている。この所定のクリアランスは、熱伝導シミュレータによって、ヒートシンクに近い放熱状態を模すことができるように決められる。また、「所定のクリアランスをもって」とは、ダイ１６の温度分布測定を行いたい部分の撮像を妨げないように流路７０が確保されていることを意味する。従って、例えばダイ１６の中心部のみの撮像を行う場合であれば、中空ガラス板２０を上からみたときに、流路７０は撮像したい中心部を避けていれば良く、ダイ１６の一部と重なっていてもよい。この冷媒の流路７０は、細流管２２に接続されており、ポンプ２６の駆動により、その内部に冷媒が循環する。
【００３５】
このように構成された回路の熱制御システム１００においては、測定対象であるプロセッサのダイ１６と赤外線カメラ２４の間には、冷媒は存在しない。従って冷媒自体は不透明であってもよく、その選択の自由度が高くなる。例えば、その扱いやすさから広く冷媒として使用される水は、赤外領域において完全に透明ではないが、本実施の形態においては、問題なく使用することができる。また、本実施の形態においては、冷媒が赤外線カメラ２４による温度測定に影響を及ぼさないため、冷媒が介在することによる補正が不要となり、精度良くダイ１６の温度分布を測定することが可能となる。さらに、測定された温度分布は、純粋にダイ１６のものであるから、冷媒の流通方向による温度勾配を補正する必要はない。もっとも、冷媒の上流方向の方が下流方向よりも冷却能力は高いため、冷媒の流通方向を都度変化させることは、発熱状態を制御する意味において、有意義である。
【００３６】
実施の形態３．  
本実施の形態も、実施の形態１、２と同様に、熱制御システムに関する。図４は、本実施の形態に係る熱制御システム１００の全体構成を示す図である。同図において、図１同様の構成には同じ符号を与え、適宜説明を略す。図１との違いは、透明な冷却機構として、中空ガラス板２０に代えて、シリコン製のヒートスプレッダ６２を用いられている点である。シリコンは可視光に対しては透明ではないが、赤外光に対しては透明な材料であり、熱伝導率も比較的高い。従って、赤外線カメラ２４によるダイ１６上の平面温度分布の測定を妨げずに、効率の良い熱冷却を行うことができる。本実施の形態に係る熱制御システム１００は、さらに冷媒を循環させるポンプ２６に代えて、噴流冷却装置６４を備える。
【００３７】
噴流冷却装置６４は、冷却ノズル６６と総称される複数の冷却ノズル６６ａ〜６６ｄを備える。噴流冷却装置６４は、局所的な熱電圧効率を大きく取ることができる冷却方法として知られており、冷却ノズルから冷媒を噴射して発熱体に吹き付けることにより冷却する。冷却ノズルから噴射される冷媒は、噴流軸点を中心に広がり、その中心近傍において高い冷却効果が得られる。本実施の形態では、噴流冷却装置６４は、ダイ１６全体を覆うようにして配置される複数の冷却ノズル６６ａ〜６６ｄを備える。冷却ノズルの個数は、ダイ１６の面積、あるいはノズル径等によって定まる個々の冷却ノズルの冷却能力により決定される。
【００３８】
赤外線カメラ２４によりダイ１６上の平面温度分布が取得され、解析部３６はその撮像画像を解析し、局所的に発熱している高温箇所の位置を特定する。解析部３６は、噴流冷却装置６４を制御して、複数の冷却ノズル６６のうち特定された高温箇所に対応する冷却ノズル６６の駆動能力を高める。
また、冷却ノズル６６は、アクチュエータによって冷媒の噴射方向が制御可能となっていてもよい。この場合、解析部３６から高温箇所の位置座標に相当するデータが噴流冷却装置６４に入力され、冷却ノズル６６の噴射方向をアクチュエータによって高温箇所に向けることにより集中的に冷却してもよい。
【００３９】
このように本実施の形態では、シリコン製のヒートスプレッダ６２を用いることにより、スプレッダを介してダイ１６を冷却することが可能となる。このダイ１６の冷却には、噴流冷却装置６４を用いており、赤外線カメラ２４によりダイ１６上の平面温度分布を取得し、高温箇所を噴流冷却装置６４によって集中的に冷却することで、ダイ１６上の発熱状態を平準化することができる。
【００４０】
本実施の形態では、ダイ１６の発熱状態にあわせて、噴流冷却装置６４の動作とともに、プロセッサ１８を制御し、発熱自体を抑制してもよく、より効果的な温度分布の平準化を行うことができる。
【００４１】
本実施の形態におけるヒートスプレッダ６２の冷却には、噴流冷却装置６４による冷却に代えて、赤外線カメラ２４によるダイ１６の撮像を妨げないその他の手段を用いてもよい。例えば、ヒートスプレッダの縁部において、ペルチェ素子や、水冷用のパイプと接触せしめることによって冷却してもよく、あるいは空冷ファンなどを用いてもよい。
【００４２】
さらに、通常のプロセッサは、シリコン基板上に形成されるため、シリコン製のヒートスプレッダとは同一材料である。従って、プロセッサが形成されるシリコン基板を、ヒートスプレッダとして必要とされる面積、厚み等を有するように延伸して設計し、延伸された部分をヒートスプレッダとして利用することができる。言い換えれば、ヒートスプレッダとして必要なシリコン基板の面積、厚み等の特性を具備するシリコン基板を用意し、その上にゲート等のロジックを作り上げても良い。この場合、プロセッサとヒートスプレッダとの間の接着面におけるヒートロスもなくなり、より効率的な冷却を行うことができる。またこの場合、赤外線カメラ２４によって直接ダイ１６の温度分布を測定することになるので、補正の容易性など測定精度の観点からも好適である。
【００４３】
実施の形態４．  
実施の形態１から３は開発段階の評価を目的とする装置であった。本実施の形態は、実際にセットに搭載され、実使用状態のもとで熱制御を行う装置に関する。本実施の形態でも冷媒を流通させる冷却機構を採用するため、凹凸をもつヒートシンクなどの比較的大きな構造物を半導体回路装置に取り付ける必要がなく、セットの機構、構造設計上、柔軟性が増す。
【００４４】
図５は本実施の形態に係る熱制御システム１００の全体構成を示す。同図において図１同様の構成には同じ符号を与え、適宜説明を略す。図１との違いは、赤外線カメラ２４の出力がそのままプロセッサ１８へ入力されていること、およびプロセッサ１８からポンプ２６が制御されていることである。端的にいえば、プロセッサ１８には実施の形態１の熱制御装置３２によって得られた知見がそのまま実装されている。また、本実施の形態における中空ガラス板２０およびポンプ２６を有する冷却機構は、実施の形態２または３で説明したような別の冷却機構であっても良い。
【００４５】
図６はプロセッサ１８の内部構成を示す。プロセッサ１８はメインプロセッサ４０と、それぞれ同一構成の４個のサブプロセッサＡ〜Ｄを備える。メインプロセッサ４０は熱検出部３４、冷却制御部４２、動作制御部４４を備える。メインプロセッサ４０はその他の汎用的な処理をなすが、ここでは図示していない。赤外線カメラ２４によって撮像されたダイ１６の平面温度分布は、熱検出部３４に入力され、ダイ１６上で高温異常の発生している高温箇所を特定する。熱検出部３４の監視の結果、高温異常が発生すると、冷却制御部４２と動作制御部４４のいずれか、または両方により、放熱効率の向上か発熱の抑制が行われる。冷却制御部４２は高温異常の際、ポンプ２６の駆動力を高める。動作制御部４４はプロセスアロケータ４６と周波数マネージャ４８を備え、高温個所の温度を下げる。
【００４６】
プロセスアロケータ４６は、サブプロセッサＡ〜Ｄのいずれかに高温異常が発見されると、そのサブプロセッサに渡すべきプロセスを別のサブプロセッサへ再配置する。通常、並列処理できるプロセスはＬＲＵ（Ｌｅａｓｔ  Ｒｅｃｅｎｔｌｙ  Ｕｓｅｄ）その他の手法で利用可能なサブプロセッサへ順次投入される。しかし、高温異常が発生すれば、プロセスアロケータ４６は例えば高温箇所を含むサブプロセッサのフラグを常に「使用中」にすることにより、新たなプロセスの投入を回避することができる。高温異常が解消すれば、そのフラグをクリアする。
【００４７】
周波数マネージャ４８は、高温異常が発生すれば動作周波数を低減する。動作周波数はメインプロセッサ４０とサブプロセッサＡ〜Ｄに共通であれば全体の動作周波数を一様に下げればよい。一方、動作周波数がメインプロセッサ４０、サブプロセッサＡ〜Ｄのブロックごとに変更できるアーキテクチャであれば、当然、高温個所を含むブロックの動作周波数を低減すれば足りる。
【００４８】
プロセスアロケータ４６、周波数マネージャ４８と冷却制御部４２のいずれの機能をどの程度用いるかは実験によって定めればよく、その際、実施の形態１から３の装置を利用すればよい。このように、本実施の形態では熱検出部３４によって高温異常を検出すると、ポンプ２６の制御にあわせて、プロセスアロケータ４６や周波数マネージャ４８により、高温異常の発生したサブプロセッサＡ〜Ｄの負荷や処理速度を制御することで、高温箇所の発熱を抑制し、ダイ１６の平面温度分布を平準化することができる。
【００４９】
実施の形態５．  
本実施の形態は、中空ガラス板２０による放熱効果をさらに高める装置に関する。本実施の形態は、実施の形態１、２と組み合わせることができるが、それらに限定する必要はなく、熱制御装置として広く利用可能である。本実施の形態に赤外線カメラ２４を用いない場合、中空ガラス板２０は透明である必要はなく、したがってアルミニウム、銅など、熱伝導性に優れた金属その他の材料で形成すればよい。
【００５０】
図７（ａ）は本実施の形態に係るダイ１６付近の拡大図、図７（ｂ）は、それを上から見た図である。中空ガラス板２０は点描、ダイ１６は斜線で示される。中空ガラス板２０には、ダイ１６の露出面に対向する領域に開口５８が設けられ、ダイ１６の周囲部分と幅ｗの部分６０で陽極接合等により、密に接着されている。「密に接着」とは、この場合、中空な部分から冷媒が外に漏れないように固着させることを意味する。この構造により、冷媒は直接ダイ１６の裏面に触れるため、放熱効果が高い。
【００５１】
図８は変形例であり、ダイ１６と中空ガラス板２０が接合される部分６０の一部を示す。同図のごとく、中空ガラス板２０の開口はちょうどダイ１６の外形に合うよう穿たれ、中空ガラス板２０の内面とダイ１６の上面が同一平面上にある。この構造であれば、冷媒の流れはより円滑であり、さらに高い放熱効果を期待することができる。
【００５２】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例である。
【００５３】
実施の形態では赤外線カメラ２４を用いたが、これに限らず別の撮像型センサでもよい。例えば、一般的なＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたデジタルカメラの撮像ユニットでも機能は果たせる。その場合、通常、撮像ユニット内に設けられている赤外線フィルタを外せばよい。この構成であれば、ユニット単価、サイズの両面で有利である。
【００５４】
実施の形態では、ダイ１６の裏面が露出する例を挙げた。しかし、その必要はなく、ダイ１６の裏面にヒートスプレッダが乗せられていてもよい。
【００５５】
実施の形態では、冷媒の冷却手段に触れなかったが、当然これを設けてもよい。冷却手段は、その部分において細流管２２の表面積を大きくし、ファンその他で放熱を図るものとする。図１の解析部３６や図４の冷却制御部４２は、この冷却手段を制御してもよい。
【００５６】
プロセッサ１８の動作周波数を低減するとき、発熱状態に応じて段階的に制御してもよい。たとえば、高温異常と判定するためのしきい値を複数設け、徐々に動作周波数を落としていってもよい。ポンプ２６の駆動力の制御も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施の形態１に係る熱制御システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の一部を上から見た状態を示す図である。
【図３】実施の形態２に係る熱制御システムの一部を上から見た状態を示す図である。
【図４】実施の形態３に係る熱制御システムの全体構成を示す図である。
【図５】実施の形態４に係る熱制御システムの全体構成を示す図である。
【図６】図５のプロセッサの内部構成を示す図である。
【図７】図７（ａ）、図７（ｂ）は実施の形態５に係る熱制御システムの一部構成を示す図である。
【図８】図７の変形例の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１６  ダイ、  １８  プロセッサ、  ２０  中空ガラス板、  ２４  赤外線カメラ、  ２６  ポンプ、  ３２  熱制御装置、  ３４  熱検出部、  ３６  解析部、  ４２  冷却制御部、  ４４  動作制御部、  ５８  開口、  ６２  ヒートスプレッダ、  ６４  噴流冷却装置、  ６６  ノズル、  ７０  流路。
【図１】
2005303245.tif 000003
【図２】
2005303245.tif 000004
【図３】
2005303245.tif 000005
【図４】
2005303245.tif 000006
【図５】
2005303245.tif 000007
【図６】
2005303245.tif 000008
【図７】
2005303245.tif 000009
【図８】
2005303245.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月8日(2005.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構を介して当該半導体集積回路を撮像型のセンサにより撮像し、当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路を冷却する手段を制御する冷却制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記熱検出部は、撮像により得られたデータから前記半導体集積回路の温度分布を取得し、前記半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、前記冷却制御部は、前記冷却する手段の冷却能力を高めることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項３】
半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構を介して当該半導体集積回路を撮像型のセンサにより撮像し、当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路の動作状態を制御する動作制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記熱検出部は、撮像により得られたデータから前記半導体集積回路の温度分布を取得し、前記半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、前記動作制御部は、温度がしきい値を超えた個所における単位時間当たりの処理の負荷を軽減することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項５】
撮像型のセンサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じ、前記半導体集積回路を局所的に冷却する手段を制御する冷却制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置において、前記熱検出部は、前記検査画像から前記半導体集積回路の温度分布を取得し、前記半導体集積回路のいずれかの個所において温度が所定のしきい値を超えたとき、前記冷却制御部は、前記冷却する手段の冷却能力を高めることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項７】
半導体集積回路の発熱状態を、前記半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構を介した撮像により二次元的に密な解像度で取得するステップと、
取得された発熱状態に応じて半導体集積回路の発熱状態を変化させるための制御を行うステップと、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御方法。
【請求項８】
半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構と、
前記冷却機構を介して前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサによって撮像された検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態を解析する解析部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項９】
前記冷却機構は、シリコン製のヒートスプレッダであって、
さらに前記ヒートスプレッダを冷却する手段を備えることを特徴とする請求項８に記載の回路の発熱制御装置。
【請求項１０】
シリコン基板上に形成される半導体集積回路の発熱部分から離反方向にシリコン基板を延伸してなるヒートスプレッダと、
前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサによって撮像された検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態を解析する解析部と、
発熱状態を解析した結果にもとづき、前記ヒートスプレッダを局所的に冷却する冷却装置と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１１】
前記冷却機構は中空な部分を有し、
さらに前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構を備えることを特徴とする請求項８に記載の回路の発熱制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、前記中空な部分は、前記半導体集積回路の主要部分を覆うよう穿設され、前記センサによる前記半導体集積回路の撮像が前記中空な部分を介してなされることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の装置において、前記センサによる前記半導体集積回路の撮像が前記中空な部分を介さないよう、当該中空な部分が前記半導体集積回路から所定のクリアランスをもって穿設されていることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれかに記載の装置において、前記駆動機構は適宜冷媒の流通方向を変化させることを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、前記解析部は冷媒の流通方向が変化する前後で検出された発熱状態を統合して解析することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１６】
請求項１１から１３のいずれかに記載の装置において、前記解析部は前記冷媒の流通方向による温度傾斜を加味して発熱状態を解析することを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１７】
中空な部分を有し、半導体集積回路を冷却する冷却機構と、
前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構と、
を備え、前記冷却機構の所定個所には前記中空な部分に通じる開口が、前記半導体集積回路の外形と合致するよう穿設され、前記冷却機構と前記半導体集積回路とが、前記冷媒と接触する面において同一平面上となるように密に固着され、前記冷媒がこの開口を通して前記半導体集積回路の少なくとも一部に直接触れる構造としたことを特徴とする回路の発熱制御装置。
【請求項１８】
半導体集積回路と、
前記半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構と、
前記冷却機構を介して前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路を冷却する手段を制御する冷却制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御システム。
【請求項１９】
半導体集積回路と、
前記半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構と、
前記冷却機構を介して前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサで半導体集積回路を撮像して得られた検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
取得された発熱状態に応じて前記半導体集積回路の動作状態を制御する動作制御部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱制御システム。
【請求項２０】
半導体集積回路と、
中空な部分を有し、半導体集積回路を冷却する冷却機構と、
前記中空な部分に冷媒を流通せしめる駆動機構と、
を備え、前記冷却機構の所定個所には前記中空な部分に通じる開口が、前記半導体集積回路の外形と合致するよう穿設され、前記冷却機構と前記半導体集積回路とが、前記冷媒と接触する面において同一平面上となるように密に固着され、前記冷媒がこの開口を通して前記半導体集積回路の少なくとも一部に直接触れる構造としたことを特徴とする回路の発熱制御システム。
【請求項２１】
半導体集積回路に密着して固定される透明な冷却機構と、
前記冷却機構を介して前記半導体集積回路を撮像する撮像型のセンサと、
センサによって撮像された検査画像から当該半導体集積回路の発熱状態を取得する熱検出部と、
を備えることを特徴とする回路の発熱検出装置。