(57)【要約】【課題】半導体チップなどを冷却する冷媒の流れを、必要に応じて乱すことで、半導体デバイスなどからの熱を効率よく放散することが可能である半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】配線基板１０１上に搭載された半導体チップ１０２の裏面１０３に対向して設けられ、冷媒１４０の流路１１０を形成する冷媒流路壁面部材１２０と、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに流路１１０に突出可能に配設された乱流形成部材１３０とを具備し、この乱流形成部材１３０が流路側に突出することで、冷媒１４０の流れが乱され、半導体チップ１０２の裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進され、半導体チップ１０２などの冷却を促進することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に絶縁された半導体チップの裏面または表面に対向して設けられ、冷媒の流路を形成する冷媒流路壁面部材と、
前記冷媒流路壁面部材の流路側の面に、前記流路に突出可能に配設された乱流形成部材と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記乱流形成部材が、前記半導体チップの直上、および／または前記冷媒の流れ方向における前記半導体チップの直前に対応する前記冷媒流路壁面部材の流路側の面に配設されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記乱流形成部材が、異種材料の積層により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記冷媒流路壁面部材を介して、前記異種材料の積層構造に通電する通電装置を具備することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記冷媒流路壁面部材を介して、前記異種材料の積層構造を加熱する加熱装置を具備することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
前記加熱装置が、赤外線発生装置であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱する半導体チップなどの冷却を促進可能な機構を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体チップには、更なる小型化や大容量化が要求されている。この半導体チップの小型化や大容量化に伴い、単位面積当たりに発生する熱量は増加し、この発熱した熱量を効率よく放散することが必須となる。
【０００３】
従来の半導体装置における冷却装置としては、例えば、半導体チップをパッケージした半導体デバイスの裏面を、冷却流路溝が形成された封止天板と接合し、その冷却流路溝を封止するカバーの内壁面に、乱流を促進する突起部を設けて、半導体チップの冷却を促進するものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−５３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の半導体装置では、乱流を促進する突起部は、常に冷却流路に突出した状態で設置されているため、冷却流路内における圧力損失が大きくなるという欠点を有していた。
【０００５】
また、一般的に、半導体チップの冷却効果を促進するために、冷却流路を流れる流体の速度を増加して乱流を形成し、それによって熱伝達率を増加させて、発熱した熱を放散することも考えられるが、半導体装置においては、経済的な理由により、増加させられる流速には限界がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に対処するためになされたものであり、半導体チップなどを冷却する冷媒の流れを、必要に応じて乱すことで、半導体チップなどからの熱を効率よく放散することが可能である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】
【０００７】
本発明の一態様に係る半導体装置は、電気的に絶縁された半導体チップの裏面または表面に対向して設けられ、冷媒の流路を形成する冷媒流路壁面部材と、前記冷媒流路壁面部材の流路側の面に、前記流路に突出可能に配設された乱流形成部材とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様による半導体装置によれば、半導体チップなどを冷却する冷却媒体の流れを、必要に応じて乱すことで、半導体チップなどからの熱を効率よく放散することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体装置１０の構造を模式的に示す断面図である。図２は、乱流形成部材１３０が突出した状態における半導体装置１０の構造を模式的に示す断面図である。
【００１１】
図１に示すように、半導体装置１０は、配線基板１０１上に搭載された半導体チップ１０２の裏面１０３に対向して設けられ、冷媒１４０の流路１１０を形成する冷媒流路壁面部材１２０と、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに配設された乱流形成部材１３０とから主に構成されている。
【００１２】
半導体チップ１０２として、例えば、ワイヤーボンディングにより配線されるタイプの半導体チップや、半導体チップの接続面を下側にして配線基板上に搭載し、半導体チップの下面で全ての配線接続を行うフリップチップなどが用いられる。
【００１３】
例えば、ワイヤーボンディングにより配線されるタイプの半導体チップを用いる場合には、半導体チップの表面は、半導体チップ１０２などで発生した熱を流路１１０側に伝達するのに優れた、つまり高い熱伝導率を有するシリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などの電気絶縁材料で封止される。また、配線基板上の配線回路なども、上記した電気絶縁材料などで覆われ、配線回路などが直接冷媒１４０と接触するのを防止している。
【００１４】
また、例えば、フリップチップを用いる場合には、リップチップの裏面側は、電気絶縁材料で形成されているので、直接、流路１１０を流れる冷媒１４０と接触して、半導体チップ１０２などで発生した熱を冷媒１４０に伝達する。なお、図１に示した半導体装置１０には、フリップチップを用いた一例を示している。フリップチップと配線基板１０１との間には、フリップチップのバンプに対応して開孔が形成された電気絶縁層（図示しない）が形成され、この開孔を介して、配線基板上に形成され配線と接続される。また、配線基板上の配線回路なども、上記した電気絶縁材料などで覆われ、配線回路などが直接冷媒１４０と接触するのを防止している。
【００１５】
なお、半導体チップ１０２や配線基板１０１の構成は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、配線基板１０１がセラミック基板、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板などで構成され、別の半導体チップを搭載してもよい。
【００１６】
冷媒流路壁面部材１２０は、半導体チップ１０２の裏面１０３と所定の間隔をおいて、半導体チップ１０２の裏面１０３に対向して配置されている。冷媒流路壁面部材１２０、図示しない他の壁面部材および半導体チップ１０２の裏面１０３などにより、冷媒が流れる流路１１０が形成される。冷媒流路壁面部材１２０は、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、金属、ガラス、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂などで構成される。
【００１７】
乱流形成部材１３０は、冷媒１４０の流れ方向における一端を流路１１０に突出して、流路１１０を流れる冷媒１４０の流れを乱すものであり、例えば、流れを乱流またはそれに近い状態にする。また、乱流形成部材１３０は、例えば、乱流形成部材１３０の温度条件などによって、自動的に、図２に示すように、自動的に流路１１０に突出した状態となったり、図１に示すように、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となる。
【００１８】
乱流形成部材１３０は、例えば、熱膨張率の異なる二種の金属から形成されたバイメタルで形成され、板状に構成されている。微細なバイメタル構造は、例えば、Ｓｉウェハ上に、蒸着・エッチング等の半導体製造プロセス、あるいはＭＥＭＳ製造プロセスにより形成される。この場合、バリアメタルの金属は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｗなどから選択される。このバイメタルは、温度の上昇に伴って低膨張の金属板側へ湾曲する。ここでは、冷媒１４０の温度や冷媒流路壁面部材１２０の温度が上昇したときに、乱流形成部材１３０を流路側に突出させるために、バイメタルの低膨張率の金属板が流路側となるように配設される。また、バリアメタルにおいて、その表面に配線を設け、通電することでバリアメタルの温度を局所的に上昇させ、突出させる構造にしてもよいし、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などの圧電体層を導体層で挟む構造として、湾曲・突出させる構造にしてもよい。
【００１９】
ここで、乱流形成部材１３０は、冷媒１４０の流れ方向に対して、上流側の端部が冷媒流路壁面部材１２０に固定され、図２に示すように、流路側に突出する際には、その上流側の端部を支軸として、下流側の端部が流路側に突出する。また、冷媒１４０の流れ方向の乱流形成部材１３０の長さは、流路側に最も突出した際、下流側の端部が流路１１０のほぼ中央まで突出する程度に構成されることが好ましい。この長さに乱流形成部材１３０を構成することで、大きな圧力損失を伴うことなく冷媒１４０の流れの乱れを助長させることができる。
【００２０】
なお、ここでは、乱流形成部材１３０の上流側の端部を冷媒流路壁面部材１２０に固定した一例を示したが、乱流形成部材１３０の下流側の端部を冷媒流路壁面部材１２０に固定し、その下流側の端部を支軸として、上流側の端部が流路側に突出するように構成してもよい。
【００２１】
冷媒１４０として、例えば、水、アルコール、水とアルコールの混合物、空気、Ｎ２などを用いることができ、その中でも、比熱の大きな水などを用いるのが好ましい。
【００２２】
次に、半導体装置１０における乱流形成部材１３０の動作について説明する。
【００２３】
流路１１０を流れる冷媒１４０の温度や冷媒流路壁面部材１２０の温度が上昇していないときには、図１に示すように、乱流形成部材１３０は、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となっている。
【００２４】
一方、例えば、配線基板１０１上に搭載された半導体チップ１０２が発熱した場合には、その熱が流路１１０を流れる冷媒１４０に伝達され、冷媒１４０を加熱する。そして、冷媒１４０から伝わる熱によって、乱流形成部材１３０の温度が徐々に増加すると、図２に示すように、下流側の端部が徐々に流路側に突出する。
【００２５】
この突出した乱流形成部材１３０に、冷媒１４０の流れが衝突して乱されたり、乱流形成部材１３０の下流側の端部において、流れが剥離することで渦流が発生し、流れが乱される。この乱された流れによって、半導体チップ１０２の裏面１０３近傍における温度境界層を薄く、つまり裏面１０３近傍における温度勾配を大きくすることができるので、裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進される。これによって、効率よく裏面１０３から冷媒１４０に熱が移動し、半導体チップ１０２が冷却される。
【００２６】
また、冷却が促進され、乱流形成部材１３０の温度が低下すると、乱流形成部材１３０の下流側の端部が徐々に元に戻り、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となる。
【００２７】
上記したように、第１の実施の形態の半導体装置１０によれば、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに、乱流形成部材１３０を設け、乱流形成部材１３０が加熱されることによって、乱流形成部材１３０の一方の端部を自動的に流路側に突出させることができる。この乱流形成部材１３０が流路側に突出することで、冷媒１４０の流れが乱され、半導体チップ１０２の裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進され、半導体チップ１０２の冷却を促進することができる。
【００２８】
また、乱流形成部材１３０は、例えば、冷媒１４０などの温度が上昇したときに、流路側に突出し、それらの温度が低下したときには、流路側に突出せずに、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となる。すなわち、乱流形成部材１３０は、常に突出した状態ではないので、流路内の圧力損失を小さくすることができる。
【００２９】
また、各半導体チップ１０２に対応して、乱流形成部材１３０を配設することで、温度上昇によって、冷却を促進することが必要な半導体チップ１０２に対応する部分を、局所的に集中して冷却することができ、流路全体にわたる乱流形成部材１３０による圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００３０】
なお、ここでは、半導体チップ１０２に対して、１つの乱流形成部材１３０を設けた一例について説明したが、１つの半導体チップ１０２に対して、複数の乱流形成部材１３０を設けてもよい。この場合、半導体チップ１０２の直上、冷媒１４０の流れ方向における半導体チップ１０２の直前に対応する冷媒流路壁面部材１２０の壁面１２０ａに、乱流形成部材１３０を配設することが好ましい。この場合、乱流形成部材１３０としての各バリアメタルにおいて、その表面に配線を設け、特定のバリアメタルのみ通電することで、そのバリアメタルの温度を局所的に上昇させ、突出させる構造にしてもよいし、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などの圧電体層を導体層で挟む構造として、特定のものに通電、信号を与え、湾曲・突出させる構造にしてもよい。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体装置２０の構造を模式的に示す断面図である。また、図４には、乱流形成部材１３０が突出した状態における半導体装置２０の構造を模式的に示す断面図である。なお、第１の実施の形態の半導体装置１０の構成と同一部分には、同一符号を付して、重複する説明を簡略または省略する。
【００３２】
図３に示すように、半導体装置２０は、配線基板１０１上に搭載された半導体チップ１０２の裏面１０３に対向して設けられ、冷媒１４０の流路１１０を形成する冷媒流路壁面部材１２０と、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに配設された乱流形成部材１３０と、乱流形成部材１３０に対応して冷媒流路壁面部材１２０を介して配置された発光体１６０とから主に構成されている。
【００３３】
発光体１６０は、例えば、赤外線１６１を冷媒流路壁面部材１２０を介して乱流形成部材１３０に向けて出射し、乱流形成部材１３０を加熱する赤外線発生装置などで構成される。また、冷媒流路壁面部材１２０には、発光体１６０を制御する電気回路が備えられている。なお、発光体１６０から照射される光は、上記したように、照射することで乱流形成部材１３０を効率よく加熱することができる赤外線を用いることが好ましいが、これに限れるものではない。
【００３４】
また、例えば、半導体チップ１０２の裏面１０３の温度や、この裏面１０３近傍の冷媒１４０の温度を検知する検知センサ（図示しない）を設け、この検知センサからの信号に基づいて、発光体１６０を制御するように構成されている。
【００３５】
なお、検知センサは、半導体チップ１０２の裏面１０３の温度や、この裏面１０３近傍の冷媒１４０の温度を検知するものに限られるものではなく、半導体チップ１０２の温度上昇に伴う情報を検知できるものであればよい。また、検知センサの設置箇所も、特に限定されるものではなく、半導体チップ１０２の温度上昇に伴う情報を検知できるものであればよい。
【００３６】
ここで、検知センサによって、例えば、半導体チップ１０２の裏面１０３の温度や、この裏面１０３近傍の冷媒１４０の温度が所定温度以上に上昇したことを検知した場合には、その信号に基づいて、発光体１６０から赤外線１６１を出射する。乱流形成部材１３０は、赤外線１６１が冷媒流路壁面部材１２０を介して照射されることで加熱され、乱流形成部材１３０の一方の端部を徐々に流路側に突出させる。
【００３７】
そして、上記した第１の実施の形態の半導体装置１０の場合と同様に、この突出した乱流形成部材１３０によって、冷媒１４０の流れが乱され、半導体チップ１０２の裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進される。これによって、効率よく半導体チップ１０２の裏面１０３から冷媒１４０に熱が移動し、半導体チップ１０２が冷却される。
【００３８】
一方、発光体１６０から出射を停止すると、乱流形成部材１３０の温度が低下し、乱流形成部材１３０の下流側の端部が徐々に元に戻り、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となる。
【００３９】
上記したように、発光体１６０を備えた第２の実施の形態の半導体装置２０によれば、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに、乱流形成部材１３０を設け、乱流形成部材１３０が、主に発光体１６０からの赤外線により加熱されることによって、乱流形成部材１３０の一方の端部を自動的に流路側に突出させることができる。この乱流形成部材１３０が流路側に突出することで、冷媒１４０の流れが乱され、半導体チップ１０２の裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進され、半導体チップ１０２の冷却を促進することができる。
【００４０】
また、乱流形成部材１３０は、例えば、半導体チップ１０２や半導体チップ１０２近傍の冷媒１４０の温度が上昇したときに、流路側に突出し、それらの温度が低下したときには、流路側に突出せずに、冷媒流路壁面部材１２０の流路側の壁面１２０ａに当接した状態となる。すなわち、乱流形成部材１３０は、常に突出した状態ではないので、流路内の圧力損失を小さくすることができる。
【００４１】
また、各半導体チップ１０２に対応して、乱流形成部材１３０を配設することで、温度上昇によって、冷却を促進することが必要な半導体チップ１０２に対応する部分を、局所的に集中して冷却することができ、流路全体にわたる乱流形成部材１３０による圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００４２】
なお、ここでは、半導体チップ１０２に対して、１つの乱流形成部材１３０およびそれに対応して配置される発光体１６０を設けた一例について説明したが、１つの半導体チップ１０２に対して、複数の乱流形成部材１３０および各乱流形成部材１３０に対応して配置される発光体１６０を設けてもよい。この場合、半導体チップ１０２の直上、冷媒１４０の流れ方向における半導体チップ１０２の直前に対応する冷媒流路壁面部材１２０の壁面１２０ａに、乱流形成部材１３０を配設することが好ましい。
【００４３】
なお、上記した半導体装置２０では、検知センサを設けて、その検知センサからの信号に基づいて、発光体１６０を発光させ、乱流形成部材１３０を突出させる一例を示したが、検知センサを設けずに構成することもできる。例えば、起動するプログラムなどによって、予め発熱する半導体チップ１０２の部分を特定し、その特定された半導体チップ１０２の部分に対応する発光体１６０を発光させ、乱流形成部材１３０を突出させるようにしてもよい。
【００４４】
なお、ここで示した実施の形態は、これらに限るものではなく、本発明の技術的思想の範囲で拡張、変更することができ、この拡張、変更した実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４５】
例えば、上記した第１の実施の形態の半導体装置１０および第２の実施の形態の半導体装置２０における乱流形成部材１３０の形状は、上記した形状に限られるものではない。
【００４６】
図５に、他の構成を有する乱流形成部材１３０ａの断面図を示す。図５に示すように、乱流形成部材１３０ａにいて、流路側に突出する下流側の端部は、上流側にＬ字形に折り曲げられている。
【００４７】
このように乱流形成部材１３０ａの端部を形成することで、この端部における冷媒１４０の流れの乱れを助長することができる。これによって、さらに、半導体チップ１０２の裏面１０３と冷媒１４０との熱伝達が促進され、半導体チップ１０２を好適に冷却することができる。
【００４８】
なお、乱流形成部材１３０ａの端部の形状は、この形状以外にも、冷媒１４０の流れの乱れを助長する効果を有する形状ならばよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の乱流形成部材が突出した状態を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造を模式的に示す半導体装置の断面図である。
【図４】図３に示す半導体装置の乱流形成部材が突出した状態構造を模式的に示す断面図である。
【図５】他の構成を有する乱流形成部材の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…半導体装置、１０１…配線基板、１０２…半導体チップ、１０３…裏面、１１０…流路、１２０…冷媒流路壁面部材、１２０ａ…壁面、１３０…乱流形成部材、１４０…冷媒。
【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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