(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージの内部に囲われた集積回路チップを有する集積回路であって、前記パッケージは前記集積回路チップと外部の電気回路との電気的インターフェースと前記集積回路チップに対する環境保護とを提供しており、半導体基板を有する前記集積回路チップと、前記半導体基板上に形成された前記集積回路の電気回路部分と、前記半導体基板をオーバレイし前記電気回路部分を包囲するメタライゼーション層のフレーム状部分と、前記フレーム状部分から前記パッケージへの高伝導率の熱伝達経路を形成する手段と、から構成されている集積回路において、
前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、前記半導体基板をオーバレイする材料の絶縁層を貫通するバイアを含み、前記バイアは、前記絶縁層の一方の側において前記メタライゼーション層と導電的かつ熱伝達的な接触関係を有し、前記絶縁層の他方の側において前記高伝導率の熱伝達経路の付加的な構造と熱伝達的な接触関係を有する導電性で熱伝導性の材料を含み、
前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、更に、前記絶縁層をオーバレイする別のメタライゼーション層を含み、前記バイアの前記熱伝導性の材料は、前記絶縁層の前記他方の側で前記別のメタライゼーション層と熱伝達的な接触関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項２】
請求項１記載の集積回路において、前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、更に、電気的接続手段と電気的及び熱伝達的に接続している前記別のメタライゼーション層を含んでおり、前記電気的接続手段は、前記パッケージと直接に電気的かつ熱伝達的な接触関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項３】
請求項２記載の集積回路において、前記電気的接続手段は、前記集積回路チップによって支持される半田ボンディング・バンプを含み、前記半田ボンディング・バンプは、前記パッケージの電気的接続にボンディングされており、それと直接の熱伝達的な接続関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項４】
請求項１記載の集積回路において、前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、前記半導体基板と前記メタライゼーション層とをオーバレイする絶縁性材料から成る第１の層であって、絶縁性材料から成る前記第１の層はそれ自体を貫通する第１のバイアを定義し、前記第１のバイアは、それ自体を通過して延長し絶縁性材料から成る前記第１の層の一方の側では前記メタライゼーション層の前記フレーム状部分と電気的かつ熱伝達的な接触関係を有する導電性かつ熱伝導性の材料を含む、第１の層と、絶縁性材料から成る前記第１の層をオーバレイする別のメタライゼーション層であって、前記第１のバイアの前記熱伝導性の材料は、絶縁性材料から成る前記第１の層の反対側で前記別のメタライゼーションと熱伝達的な接触関係を有する、別のメタライゼーション層と、前記別のメタライゼーション層をオーバレイしそれ自体を貫通する第２のバイアを定義する絶縁性材料から成る第２の層であって、前記第２のバイアは、それ自体を通過して延長し絶縁性材料から成る前記第２の層の一方の側では前記第２のメタライゼーション層と電気的かつ熱伝達的な接触関係を有する導電性かつ熱伝導性の材料を含む、第２の層と、絶縁性材料から成る前記第２の層をオーバレイする第３のメタライゼーション層であって、前記第２のバイアの前記熱伝導性の材料は、絶縁性材料から成る前記第２の層の反対側で前記第３のメタライゼーションと熱伝達的な接触関係を有する、第３のメタライゼーション層と、前記第３のメタライゼーションによって支持される電気的接続手段であって、前記パッケージと直接の電気的かつ熱伝達的な接触関係を有する電気的接続手段と、を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項５】
請求項４記載の集積回路において、前記第１及び第２のバイアは相互に整列していることを特徴とする集積回路。
【請求項６】
請求項１記載の集積回路において、前記半導体基板は、更に、前記メタライゼーション層の前記フレーム状部分と整列し前記基板の前記半導体材料の中に延長する伸長ホールと、前記基板の前記ホールの中に受け取られる金属製で熱伝導性の伸長プラグ部材と、を定義し、前記金属製で熱伝導性の伸長プラグ部材は、その一端において前記メタライゼーション層の前記フレーム状部分と熱伝達的な接触関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項７】
パッケージの内部に囲われた集積回路チップを有する集積回路において、前記パッケージは前記集積回路チップと外部の電気回路との電気的インターフェースと前記集積回路チップに対する環境保護とを提供しており、半導体基板を有する前記集積回路チップと、前記半導体基板上に形成されており前記集積回路の動作の間に熱を前記半導体基板の中に解放する前記集積回路の電気回路部分であって、前記半導体基板は、更に、前記電気回路部分に隣接し前記基板の前記半導体材料の中に延長する伸長ホールと、前記基板の前記ホールの中に受け取られる金属製で熱伝導性の伸長プラグ部材と、を定義する、電気回路部分と、前記半導体基板をオーバレイするメタライゼーション層であって、前記金属製で熱伝導性の伸長プラグ部材は、その一端において前記メタライゼーション層と熱伝達的な接触関係を有する、メタライゼーション層と、前記プラグ部材及びメタライゼーション層から前記パッケージへの高伝導率の熱伝達経路を形成する手段と、から構成されており、
前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、前記メタライゼーション層をオーバレイする絶縁性材料から成り、それ自体を貫通するバイアを定義する層と、前記バイアの中に受け入れられ、前記絶縁層の一方の側において前記メタライゼーション層と導電的かつ熱伝達的な接触関係を有し、前記絶縁層の他方の側において前記高伝導率の熱伝達経路の付加的な構造と熱伝達的な接触関係を有する導電性で熱伝導性の材料と、を含み、
前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、更に、前記絶縁性材料から成る層をオーバレイする別のメタライゼーション層を含み、前記バイアの前記熱伝導性の材料は、前記絶縁性材料から成る層の前記他方の側で前記別のメタライゼーション層と熱伝達的な接触関係を有し、
前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、更に、電気的接続手段と電気的及び熱伝達的に接続している前記別のメタライゼーション層を含んでおり、前記電気的接続手段は、前記パッケージと直接に電気的かつ熱伝達的な接触関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項８】
請求項７記載の集積回路において、前記電気的接続手段は、前記集積回路チップによって支持される半田ボンディング・バンプを含み、前記半田ボンディング・バンプは、前記パッケージの電気的接続にボンディングされ、それと直接の熱伝達的な接続関係を有することを特徴とする集積回路。
【請求項９】
請求項７記載の集積回路において、前記高伝導率の熱伝達経路を形成する手段は、前記半導体基板と前記メタライゼーション層とをオーバレイし、それ自体を貫通する第１のバイアを定義する、絶縁性材料から成る第１の層と、前記第１のバイアの中に受け取られ、それを通過して延長し、絶縁性材料から成る前記第１の層の一方の側では前記メタライゼーション層と電気的かつ熱伝達的な接触関係を有する導電性かつ熱伝導性の材料と、絶縁性材料から成る前記第１の層をオーバレイする別のメタライゼーション層であって、前記第１のバイアの中の前記導電性かつ熱伝導性の材料は、絶縁性材料から成る前記第１の層の反対側で前記別のメタライゼーションと熱伝達的な接触関係を有する、別のメタライゼーション層と、前記別のメタライゼーション層と電気的かつ熱伝達的に接続し、前記パッケージと直接に電気的かつ熱伝達的な接触関係を有する、電気的接続手段と、を含むことを特徴とする集積回路。
【請求項１０】
請求項９記載の集積回路において、前記第１のバイアと前記プラグ部材とは相互に整列していることを特徴とする集積回路。
【請求項１１】
回路部分がその上に定義されている半導体基板を有する半導体集積回路チップに高い熱伝導率の熱伝達による冷却を行う方法において、前記回路部分は、前記集積回路チップの動作の間に熱を前記半導体基板の中に解放し、前記回路部分は、前記基板をオーバレイする絶縁性材料から成る層を含んでおり、前記半導体基板の中を貫通して前記絶縁性材料から成る層を通過し、前記回路部分に隣接する伸長ホールを形成するステップと、前記絶縁性材料から成る層よりも著しく大きな熱伝達係数を有する熱伝導性の伸長プラグ部材を提供するステップと、前記プラグ部材を、前記半導体基板と熱伝達的に接触させるステップと、前記プラグ部材の一端を前記プラグ部材の一端から周囲に通じる高い導電率の熱伝達経路と熱伝達的に接触させるステップと、を含み、
前記伸長プラグ部材の一端を前記プラグ部材の一端から周囲に通じる高い導電率の熱伝達経路と熱伝達的に接触させるステップは、前記半導体基板と前記絶縁性材料から成る層とをオーバレイするメタライゼーション層を形成するステップと、前記熱伝導性のプラグ部材をその前記一端において前記メタライゼーション層と接触させるステップと、前記プラグ部材及びメタライゼーション層から前記集積回路チップに対するパッケージへの高い熱伝導率の熱伝達経路を形成するステップと、を含み、
前記プラグ部材及びメタライゼーション層から前記パッケージへの高い熱伝導率の熱伝達経路を形成するステップは、前記メタライゼーション層をオーバレイする絶縁性材料から成る付加的な層を形成し、前記絶縁性材料から成る付加的な層にそれを貫通するバイアを定義するステップと、前記バイアの中に、導電性かつ熱伝導性材料を、絶縁性材料から成る前記付加的な層の一方の側において前記メタライゼーション層と電気的かつ熱伝達的な接触関係を有するように配置するステップと、前記導電性かつ熱導電性材料を、絶縁性材料から成る前記付加的な層の反対側において、前記高い熱導電率の熱伝達経路を形成する付加的な構造と熱伝達的な接触関係を有するように置くステップと、を含み、
前記導電性かつ熱導電性材料を絶縁性材料から成る前記付加的な層の反対側において前記高い熱導電率の熱伝達経路を形成する付加的な構造と熱伝達的な接触関係を有するように置くステップは、前記集積回路チップによって支持される半田ボンディング・バンプを提供するステップと、前記半田ボンディング・バンプを前記パッケージと電気的に接続し、直接に熱伝達的に接続するようにボンディングするステップと、を含み、
前記バイアとその中の導電性かつ熱伝導性の材料とを前記プラグ部材と整列するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路の分野に属する。更に詳しくは、本発明は、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）型及び極大規模集積回路（ＵＬＳＩ）型の高密度ＣＭＯＳ技術集積回路に関し、これらは、集積回路構造の残りの部分及び集積回路のパッケージと協調するように位置が決められ配列されており集積回路の高熱発生領域から直接にパッケージに迅速に熱を伝導させ周囲に散逸させる、熱伝導性の高い物質から成る構造を含む。
【０００２】
【従来の技術】
歴史的には、半導体の処理と製造は、１９７０年代及び１９８０年代に用いられたＮＭＯＳ技術から今日用いられるＣＭＯＳ技術に変化してきた。この技術変化の要因は、集積回路チップの内部での、電力消費とそれに伴う熱の散逸とであった。ＣＭＯＳ技術を用いる集積回路は、ＮＭＯＳ回路と同等の電気的特性を有するが、電力消費と熱散逸とはＮＭＯＳ回路よりも低いという利点を有する。熱散逸がより低いために、ＣＭＯＳ集積回路では、より安価なパッケージを用いることができ、それにより、ＣＭＯＳ技術を用いる集積回路の製造に伴う高い処理コストが部分的にオフセットされる。ＣＭＯＳ技術集積回路は、また、チップとそのパッケージとに対する動作温度が低いことに起因して信頼性が向上しているという利点を有する。
【０００３】
しかし、ＶＳＬＩ集積回路の発展に伴い、ＣＭＯＳへの変更によっても、不十分又は不適切な熱散逸と過剰な動作温度との問題は、完全に回避されたのではなく、単に、遅延されたに過ぎないことが明らかになった。すなわち、高密度タイプのＶＳＬＩ型ＣＭＯＳ集積回路における近時の発達は、再び、過剰な動作温度と不適切な冷却とに伴う深刻な問題を提出している。これらの問題は、集積回路のパッケージに付属した単に従来型の受動（パッシブ）ヒート・シンクの使用により提供され得る冷却の範囲を超える。その中でシャーシ冷却ファンが用いられるようなパッケージされた集積回路に対する通常の使用環境においても、ある集積回路からの熱散逸は不適切であり、過渡に高く寿命を短縮することになる温度が経験される。
【０００４】
当座しのぎの性格ではあるが最近の解決策の１つとして、小さな専用の冷却ファンを集積回路チップの設置パッケージに直接に設置することもある。やはり当座しのぎの性格の解決策の別のものとして、集積回路チップの動作電圧を通常の５ボルトから、３．３ボルトまで、又は更に、２．５ボルトまで下げることがある。しかし、専用のチップ冷却用ファンを用いることは、この専用ファンが万一故障した場合には、高価な集積回路の寿命を危険にさらすことになる。電圧を下げる方策は、集積回路チップとより高い及び通常の５ボルトのレベルで動作するように設計された他の回路とを容易にインターフェースする能力を損なう。ＵＬＳＩレベルのチップ・サイズ及び回路密度では、集積回路チップの冷却は、適切な解決策が存在しない深刻な問題であると認識されてきている。集積回路チップ自体と接触するように延長しバネを含む冷却用フィンガを有していたり、大型のメインフレーム又はスーパーコンピュータなどで用いられるような、集積回路の液体冷却を行うなどの、液体を漏らさない特別の熱伝導パッケージを用いる従来の冷却手段は、多くのＵＬＳＩが用いられるより低コストでより小型のシステムに対しては、経済的に適切でないと考えられている。
【０００５】
ＣＭＯＳ集積回路では、散逸する熱のかなりの部分は、出力ドライバとして発生される。よって、出力ドライバ回路は、集積回路チップ内部の熱発生全体の特に大きな部分を占める。この熱は、一般に、チップ全体に拡がり、影響する。更に、チップ内部で発生する熱は、効果的に除去されなければならないが、その理由は、ほとんどすべての故障のメカニズムは動作温度の上昇によって強化されてしまうからである。電気移動（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）及び酸化物ブレークダウンの影響は、温度の上昇と共に悪化する。更に、逆バイアスされた接合及びオフされたＭＯＳトランジスタにおける漏れ電流は、温度の上昇と共に増加する。温度が高くなると、腐食メカニズムが加速し、ハンダ付け及びワイヤ・ボンディングされた接合点等の材料インターフェースや、半導体材料と集積回路の導体などの金属構造との間のインターフェースなどにおいて、より大きな示差熱膨張歪み（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ  ｓｔｒｅｓｓ）が発生する。
【０００６】
集積回路チップがそのパッケージの中にあると、放射が必要な熱散逸に与える寄与は非常に小さいので、集積回路を冷却する際の重要なファクタであるとは考えられない。熱発生領域からの、及び、チップからパッケージへ、そして周囲へ解放される熱の伝導は、パッケージされた集積回路チップを冷却するためだけに有効なメカニズムである。上述のように、シャーシ・ファンやパッケージに取り付けられたファンなどの冷却手段は、熱をパッケージから周囲に解放するのに用いられ得る。集積回路チップからのパワー（熱）の散逸の必要性は、集積密度、ダイのサイズ、及び回路速度の増加と共に増加する。周囲の温度は、通常は、室温である。結果として、チップからのパワーの散逸が増加するにつれて、チップ内部、パッケージから周囲へ、パッケージ内部、パッケージから周囲へ、の伝導性の熱伝達速度（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｒａｔｅ）は、チップ内部の温度を受け入れられるレベルに維持するために、指定されなければならない。
【０００７】
次に挙げる表では、集積回路及びそのパッケージの製造に用いられる様々な材料の熱伝導率を示している。
【０００８】
材料                          熱伝導率（Ｗ／ｃｍ−°Ｋ）
銀                            ４．３
銅                            ４．０
アルミニウム                  ２．３
タングステン                  １．７
モリブデン                    １．４
シリコン                      １．５
ゲルマニウム                  ０．７
ガリウムヒ素                  ０．５
シリコン・カーバイド          ２．２
アルミナ                      ０．３
二酸化シリコン                ０．０１
この表から分かるように、これらの様々な材料の熱伝達係数には、かなりの差がある。以下で本発明の好適実施例を説明するが、その際に、これらの値の差を認識しておくべきである。これらの材料の間の同様の差は、これらの様々な材料の熱膨張係数に関しても当てはまる。
【０００９】
【発明が解決すべき手段】
従来の技術の欠点を念頭に置くと、本発明の主な目的は、上述の欠点の１つ又は複数を回避することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、集積回路内部からの熱を散逸させ集積回路の冷却を改善する熱伝達構造を有する高密度ＣＭＯＳ集積回路を提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、集積回路から直接に熱を受け取る集積回路の熱伝達構造とインターフェースする熱伝達構造を提供するパッケージを有する集積回路を与えることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
したがって、その１つの特徴によれば、本発明は、パッケージの中に囲まれた集積回路チップを有する集積回路を提供し、このパッケージは、集積回路チップと外部の電気回路との電気的インターフェースを与え、また、集積回路チップに対する環境的な保護を与える。この集積回路チップは半導体基板を有する。更に、この集積回路は、半導体基板上に形成された集積回路の電気回路部分と、半導体基板をオーバレイし電気回路部分を包囲するメタライゼーション層のフレーム状部分と、フレーム状部分からパッケージへの伝導率の高い熱伝達経路を形成する手段と、を有する。
【００１３】
本発明の更なる目的及び効果は、添付の図面を用いてなされる、本発明の好適実施例の説明を読むことにより明らかになろう。添付の図面では、同一の特徴部、又は、構造又は機能において類似する特徴部を指定する際には、同一の参照番号を用いている。
【００１４】
【実施例】
図１は、本発明を具体化するパッケージされた集積回路１０を示す。このパッケージされた集積回路１０は、ほぼ平坦で矩形に構成され、複数の電気的接触ピン１６がそこから下がっているほぼ平坦な表面１４を有する。当業者であれば理解するように、パッケージ１２は、パッケージの内部に囲まれている集積回路チップ又はダイ（以下で述べる）に対する電気的インターフェース及び環境的保護を与える。また、パッケージ１２の反対側の面（図では見ることができない）では、このパッケージは、平坦な上側表面を定義する。パッケージ１２から周囲に散逸される熱の大部分は、周囲の空気への伝導によってこの上側表面において解放され、結果的に、対流（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）エアフロー電流を形成する。従来のように、ヒートシンクをこの上側表面に取り付けることにより、従来のシャーシ冷却ファンにより提供される冷却エアフローをより良く利用できる。また、専用のチップ・パッケージ冷却ファンを上側表面においてパッケージ１２に取り付けることもできる。
【００１５】
表面１４の中央において、パッケージ１２は、その中に集積回路チップ又はダイ２０が受け入れられる矩形の凹部（リセス）を定義する。集積回路チップ２０は、以下で説明するように、パッケージ１２と電気的かつ物理的にインターフェースする。チップ２０とパッケージ１２との物理的インターフェースは、以下で説明するように、チップ２０の動作の間に発生する熱を、パッケージ１２に伝達させる。パッケージ１２は、従来は、この伝達された熱を周囲に散逸させている。パッケージ１２は、表面１４上の凹部１８の開口を包囲するが、密封領域２２を含む。パッケージ１２のプレート状の閉鎖部材部分２４が、同様に、この閉鎖部材を包囲し密封領域２２の形状に一致する密封領域２６を定義する。閉鎖部材２４は、図１の矢印２８によって示されるように、パッケージ１２の残りの部分に、結合された領域２２及び２６において、永久的に密封して接着され、それにより、集積回路チップは環境的に保護される。例えば、エポキシ樹脂又は半田が、閉鎖部材２４をパッケージ１２の残りの部分に密封して結合するのに用いられ得る。
【００１６】
図２は、図１の一部の領域を拡大した部分の断片図である。図２においては、視野の方向は、図１で見られるのと同様に、集積回路チップ２０の反対側からのものである。図２において見られる特徴は、図１で見られるのと同様に、パッケージ１２の向かい側にある。図２において見られるように、集積回路チップ２０は、全体として参照番号３０で示されている回路部分を含むが、この部分が、特に、チップ２０上に形成される回路の電力を消費し熱を解放する部分である。半導体集積回路チップ２０は、半導体材料から成る基板３２によってその上に形成される。従って、回路部分３０は、基板３２のアクティブな面の特定の領域によって表される。単なる例であるが、回路部分３０は、電気的接触ピン１６の中の特定の１つに運ばれる信号を提供する出力ドライバであり得る。集積回路チップ３０は、複数の、このような出力ドライバ部分３０を含み得る。この出力ドライバ回路部分３０は、そのかなりの電力消費のために、かなりの熱を散逸する。従って、回路部分３０の領域内の基板の領域は、かなりの熱入力にさらされ、回路部分３０の外側の周囲の回路に対する熱源を表す。すなわち、熱は、通常は、回路部分３０から、基板３２の半導体材料の内部の伝導と、集積回路チップ２０の様々な回路手段を形成する基板３２上の材料の他方の層の内部の伝導とによって、集積回路チップ２０の周辺部分に伝達される。
【００１７】
しかし、平面図において回路３０を包囲するのは、フレーム状の冷却手段３４である。図３に見られるように、冷却手段３４は、集積回路チップ２０の製造の間に提供された第１のメタライゼーション層から作られる。集積回路チップ２０の継続的に加えられたメタライゼーション層は、図２では、添え字１〜３の付いた文字ｍで示され、これらのメタライゼーション層の印加のシーケンシャルな順序を示す。当業者であれば理解するように、メタライゼーション層ｍ１は、どこでも、集積回路チップ２０の他の回路手段を定義する。また、集積回路チップ２０は、３層のメタライゼーションよりも少ない又は多い層を有し得る。集積回路チップ２０は、本発明の好適実施例の１つの例として、３つのメタライゼーション層ｍ１〜ｍ３を有する。メタライゼーション層ｍ１は、例えば、回路３０と相互接続する導体を定義し、冷却フレーム３４は、それ自体で、回路３０に対するこの導体の一部を定義する。このようにして、冷却フレーム手段３４及びこの冷却フレーム手段を形成するメタライゼーション層が二重の機能を果たすことが分かる。すなわち、一方では、このメタライゼーション層は、導体と集積回路チップ２０の他の電気的な手段とを形成する。他方では、この同じメタライゼーション層が、以下で更に説明するように、高い伝導率の冷却手段を形成する。
【００１８】
冷却手段３４が回路領域３０を包囲することにより、熱が、この領域の内部の回路３０から、半導体基板３２の材料を介して、この手段３４に伝達する。図３に示されているように、後に更に詳細に説明するが、冷却手段３４は、全体として参照番号３６で示されている高い伝導率の経路を介して、集積回路チップ２０によって支持される半田バンプ３８と、高い伝導率での熱伝達関係を有する。冷却手段３４から半田バンプ３８に至る高い伝導率の熱伝達経路３６は、導電性かつ熱伝導性のバイア４０、４２を含み、これらのバイアは、回路３０の相互接続を構成する連続的なメタライゼーション層の中の層４４（メタライゼーションｍ２）及び層４６（メタライゼーションｍ３）に介在することにより、相互に電気的及び熱的に接続される。バイア４０、４２は、導電性かつ熱伝導性の、アルミニウム、銀、タングステン、又は絶縁性の層４３の中に形成される対応するホールを充填する他の適切な材料から形成され得る。絶縁性の層４３によって、メタライゼーション層ｍ２、ｍ３の一部によって形成される導体が、相互に絶縁されることが可能になる。当業者であれば理解するように、導電性の材料は、一般に、熱的にも伝導性がよいので、バイア４０、４２のための材料の選択は、電気的な考慮だけによってなし得る。バイア４０、４２にどのような材料が選択されたとしても、熱伝達度は、半田バンプ３８に至る高い伝導率の経路を定義するのに十分である。最も上のメタライゼーション層４６（ｍ３）は、半田バンプ３８まで延長し、それを支持する。当業者であれば理解するように、メタライゼーションｍ１〜ｍ３とバイア４０、４２とによって定義される電気的な経路は、また、冷却フレーム３２から半田バンプ３８に至る高い伝導率の熱伝達経路を与える熱的な経路を形成する。例えば、上述の表で与えられている最もよい熱伝達係数を考慮してみると、基板材料３２がシリコンでありメタライゼーションｍ１がアルミニウムで形成されている場合には、これらの材料の熱伝達率は、それほど異なるようには思えない。しかし、オーバレイしている回路手段や層の多くが、熱伝達係数が０．３にすぎないアルミナや熱伝達係数が０．０１にすぎない二酸化シリコンなどの材料から形成されていることを考えると、著しく抵抗値の大きな絶縁性の１又は複数の層がメタライゼーションｍ１とシリコン基板材料３２との間にほとんどの領域で間におかれていることが分かる。基板３２と第１のメタライゼーション層ｍ１との間のこの１又は複数の絶縁性の層は、図３では、全体として参照番号３７で示されている。
【００１９】
バンプ３８に至る経路３６の与える熱伝達率が高いために、出力ドライバ回路３０からの熱は、半田バンプ３８とパッケージ１２とに伝達される。半田バンプ３８は、パッケージ１２が支持する導体（図示せず）によって、接触ピン１６の中の対応するピンと電気的に接続される。半田バンプ３８と接触ピン１６との間のこの電気的接続は、また、回路３０から延長する高い伝導率の熱伝達経路３６の付加的な延長を与える。冷却フレーム手段は、回路部分３０からの熱を吸収するが、これは、近接及び包囲する関係にあるからである。第１のメタライゼーション層ｍ１は、絶縁性の層３７との密接に接触しており、この絶縁性の層３７は、熱を回路部分３０の回路手段から受け取る。しかし、絶縁性の層３７は、この熱伝達回路において、高抵抗値の要素を表す。従来型の集積回路の場合と同様に、回路部分３０における回路要素からの熱は、以下で説明する本発明の付加的な手段が存在しない場合には、絶縁性の層３７を通過する場合よりもはるかに容易に基板材料３２の内部の部分３０から伝達し得る。従来の集積回路では、基板材料の内部のこの熱伝達の結果として、他の高い電力の熱解放回路要素からの熱伝達のために自らはそれほど熱を解放せず同時に依然として高い温度に露出されている回路要素を生じる。集積回路チップ２０は、図示されているように、かなり異なる熱伝達構造を有する。
【００２０】
図３は、メタライゼーションｍ１と基板３２との間の高い伝導率の熱伝達経路を更に発展させるために、集積回路チップ２０の製造の間の第１のメタライゼーション層ｍ１の形成の前に、基板３２をオーバレイしメタライゼーションｍ１の下にある任意の材料層を通り、基板３２の内部への、ホール４８がエッチングされる。横断方向の断面では、このホール４８は、円形又は矩形であり、又は、基板３２の上側表面に平行に伸長して後に更に説明するように溝（トレンチ）状の断面の形状を有する。化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いることにより、このホール４８は、金属プラグ５０で充填される。トレンチ状のホール４８の場合には、プラグ５０はプレート状になることが分かる。好ましくは、金属プラグ５０は、タングステンの金属で形成されるが、高い熱伝達係数を有する他の材料を用いてもよい。例えば、４．３の熱伝達係数を有する銀を用いてプラグ５０を形成することもできる。第１のメタライゼーション層ｍ１が形成される際には、プラグ５０の上側の表面５０’には、このメタライゼーションｍ１が接触する。
【００２１】
最も好ましくは、ホール４８、プラグ５０、及びバイア４０、４２は、すべて、順に積層される、または、相互に整列され、それにより、熱伝達経路３６は、プラグ５０と半田バンプ３８との間に実現可能な最短で最も直接的な経路を有する。この短く直接的な経路３６は、熱伝達の観点からは、最も望ましい。しかし、これよりも遠回りの経路３６が、従来の技術と比較して、集積回路チップ２０と回路部分３０とのかなり優れた冷却を与える。これは、プラグ５０による低い伝導率の絶縁性の層の介在に起因する。結果的に、図３において矢印５２で図解されているように、高い伝導率の熱伝達経路が、プラグ５０に沿った回路の領域における基板３２から、間に介在する絶縁性の層を通過してメタライゼーション層ｍ１（冷却フレーム３４）の中へ、メタライゼーション層４４（ｍ２）へのバイア４０を通過し、メタライゼーション層４６（ｍ３）へのバイア４２を通過し、半田バンプ３８に至るまで形成される。矢印５２は、基板３４におけるその下側の端部で分岐しているが、これは、プラグ５０が、基板３２の周囲の半導体材料から熱を吸い上げる根（タップルート）のように作用するからである。
【００２２】
プラグ５０は、上述のように、様々な形状を有している。プラグ５０の最適な形状は、基板３２とプラグ５０との材料の相対的な熱伝達係数と、介在する絶縁性の層の厚さとに依存する。円形又は矩形のホール４８とプラグ５０とは、熱伝達の目的に関しては、プレート・フィンと同様に考え得る。トレンチ状のホール４８とプレート状のプラグ５０とは、熱伝達の目的に関しては、プレート・フィンと同様に考え得る。好ましくは、プラグ５０は、約１０：１又はそれ以上の長さと直径比率との比率を有する。ホール４８と結果的なプラグ５０の直径は、例えば、約０．５ミクロンである。長さと直径との比率が約１０：１であるプラグ５０は、基板３２の中へのプラグ５０の著しい貫入と、この基板からプラグ５０へ更に熱伝達経路３６へのかなりの熱の集合を提供する。また、ホール４８とプラグ５０とは、更に大きな例えば４０：１の長さと直径との比率を有することもある。
【００２３】
更に好ましくは、冷却フレーム３４は、プラグ５０と類似する又は実質的に同一の複数の離間した熱伝達プラグ５０”と熱伝達的に接続している。この複数の熱伝達プラグは、図２では、メタライゼーション層ｍ１の下のプラグ５０”の位置に従い、破線で示されている。この複数の熱伝達プラグ５０”は、回路３０を包囲することにより、この回路部分３０の内部で動作の間に発生した熱は、プラグ５０”と冷却フレーム３４とによって迅速に収集される。次に、この熱は、半田バンプ３８を介して、パッケージ１２に伝わる。結果的に、回路部分３０は、基板と他の回路手段との熱伝達係数だけによりパッケージ１２への熱の伝達が左右される場合よりも、著しく低い伝導率で動作する。更に、その内部でかなりの量の熱が発生する回路３０が基板３２の中に埋め込まれた離間した複数のプラグ５０”によって作られる高い熱伝導率の熱伝達フェンスによって有効に包囲されているので、このフェンスの外部のチップ２０の他の包囲している回路手段は、高い温度に露出されることから免れる。その理由は、回路部分３０から基板３２の中への熱の流れは、少なくとも部分的にはこのフェンスによって阻止されるからである。結果的には、集積回路チップ２０の包囲する回路手段もまた、動作温度のかなりの低下を経験する。
【００２４】
以上から理解されるように、回路部分３０からの熱は、依然として、全体として基板３０を暖め、この基板上の他の回路要素にも到達する。しかし、部分３０から他の回路要素への熱伝達経路の長さが、効果的に長くなる。すなわち、プラグ５０のフェンスを通過する直接の経路は効果的に短縮され、この経路に沿った熱の流れは経路３６に沿って発散される。基板３２の内部へより深くより長い経路だけが、回路部分３０からこの部分の外部の他の回路手段への熱の流れに対して入手可能である。経路が長ければ長いほど、結果的には、熱伝達比率が低くなり、また、部分３０の外部の回路手段での動作温度も低くなる。
【００２５】
以上で本発明をその特定の好適実施例を参照することにより示し説明し定義したが、この参照は、本発明を限定することは意味しておらず、そのような限定は暗示されていない。本発明は、当業者であれば理解するように、形式と機能とにおいて、かなりの修正、改変、及び均等を考慮することが可能である。本発明の示され説明された好適実施例は、単に例示であり、本発明の範囲をすべて尽くしてはいない。従って、本発明は、冒頭の特許請求の範囲の精神と範囲とによってのみ限界付けられ、すべての点における均等物をも含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】パッケージのコネクタ・ピン側の下方向から見たパッケージされた集積回路を示す。
【図２】図１の一部を拡大した断片図であり、集積回路チップのこの部分を下方向に見ているかのように、集積回路チップ自体を断片的に示している。
【図３】図２の線３−３の位置における更に拡大された断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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