JP2009164152A - 積層型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各基板に生じた熱の排出効率を向上させることができる積層型半導体装置を提供する。
【解決手段】 それぞれが間隔をおいて積層された複数の半導体チップ１２を備える積層型半導体装置１０において、各半導体チップ１２間に、該各半導体チップ間での熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材１６を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の基板を積層することにより形成される積層型半導体装置に関する。

従来、例えば回路素子が設けられた基板を積層して接合することにより形成される積層型半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この積層型半導体装置によれば、例えば電子機器への実装面積を増大させることなく、実装される基板の個数を増加させることができる。
特開平１１−２６１０００号公報

しかしながら、複数の基板が積層されていることから、各基板のうち積層方向の中心部に配置された各基板に熱が発生したとき、その熱は積層型半導体装置の外方へ排出され難い。

特に、各基板間にそれぞれ互いに隣接する各基板をそれぞれ接着するための合成樹脂からなるアンダーフィルと称される接着剤が充填されている場合、アンダーフィルが各基板間の隙間内での熱伝導の抵抗になるため、各基板の熱を積層型半導体装置の外方へ排出し難くなる。各基板の熱が排出されることなく各基板に篭ると、各基板に形成された回路の異常動作や各基板の破損を招く。

そこで、本発明の目的は、各基板に生じた熱の排出効率を向上させることができる積層型半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る積層型半導体装置は、それぞれが間隔をおいて積層された複数の基板を備える積層型半導体装置であって、前記各基板間には、該基板間における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、積層された各基板間に該各基板間における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることから、各基板に熱が生じたとき、その熱を熱伝導性部材に容易に吸収させることができる。これにより、各基板の熱を熱伝導性部材を介して各基板間から積層型半導体装置の外方へ容易に排出することができる。従って、各基板間に合成樹脂からなるアンダーフィルが充填されている場合に比べて、各基板の熱の排出効率が確実に向上する。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る積層型半導体装置は、積層された複数の基板を備える積層型半導体装置であって、前記各基板には、該各基板をその積層方向に連続して貫通する貫通孔が形成されており、該貫通孔内には、該貫通孔内における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、積層された各基板をその積層方向に連続して貫通する貫通孔内に、該貫通孔内における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることから、各基板に熱が生じたとき、その熱を熱伝導性部材に容易に吸収させることができる。これにより、各基板間に合成樹脂からなるアンダーフィルが充填されているか否かに拘らず、また、各基板間に隙間が形成されているか否かに拘らず、各基板の熱を熱伝導性部材により各基板の積層方向に伝達することができる。従って、各基板の熱を熱伝導性部材を介して積層型半導体装置内からその外方へ容易に排出することができる。

本発明によれば、各基板に生じた熱の排出効率を従来に比べて確実に向上させることができるので、各基板の熱が各基板に篭ることによって各基板の回路の異常動作や各基板の破損が生じることを、確実に防止することができる。

以下、本発明を図示の実施例に沿って説明する。

本発明に係る積層型半導体装置１０は、図１に示すように、それぞれの間に間隔をおいて上下方向に積層された複数の基板１２を備える。

各基板１２は、図示の例では、それぞれ半導体チップ１２で構成されている。各半導体チップ１２は、従来よく知られているように、それぞれトランジスタ、抵抗体及びキャパシタ等の回路素子が形成された基板であり、半導体材料である単結晶シリコンからなる円形のウエハを切断して分離することにより形成される。

各半導体チップ１２には、隣接して配置される各半導体チップ１２を互いに接続するための図示しない複数の接続部が形成されている。前記各接続部は、例えば互いに各半導体チップ１２の下面１２ａに設けられており、該下面から突出している。前記各接続部によって各半導体チップ１２がそれぞれ接続されることにより、各半導体チップ１２間には、前記各接続部の突出量とほぼ等しい大きさの間隙Ｓが形成される。各間隙Ｓの大きさは、図示の例では、２μｍ〜３０μｍである。

各半導体チップ１２のうち最下層を構成する半導体チップ１２の下方には、図示の例では、マイクロプロセッサ１４（以下、ＭＰＵと称す。）が配置されている。ＭＰＵ１４は、図示の例では、その上面１４ａで最下層の半導体チップ１２の下面１２ａに接触している。

また、図示の例では、最上層を構成する半導体チップ１２の上方には、各半導体チップ１２及びＭＰＵ１４に生じた熱を吸収及び発散するためのヒートシンク１５が配置されている。ヒートシンク１５は、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導性が高い金属で形成された板部材であり、最上層の半導体チップ１２に当接するように配置されている。

各半導体チップ１２間の間隙Ｓ内には、それぞれ該間隙内における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材１６が配置されている。

熱伝導性部材１６は、各半導体チップ１２間の間隙Ｓを充填するように配置されており、図示の例では、ダイヤモンド薄膜１６で構成されている。

ダイヤモンド薄膜１６は、例えばマイクロ波プラズマCVD法により成膜される。各間隙Ｓ内でダイヤモンド薄膜１６が成膜されることにより、各間隙Ｓ内はダイヤモンド薄膜１６で充填される。

本実施例では、各半導体チップ１２及び各ダイヤモンド薄膜１６に、半導体チップ１２の板厚方向すなわち半導体チップ１２の積層方向に伸び、各半導体チップ１２及びダイヤモンド薄膜１６を連続して貫通する複数の貫通孔１７が形成されている。

各貫通孔１７の直径は、図示の例では、それぞれ約１００ｎｍに設定されている。各貫通孔１７の一端１７ａは、それぞれ最下層を構成する半導体チップ１２の下面１２ａに開放している。各貫通孔１７の他端１７ｂは、それぞれ最上層を構成する半導体チップ１２の上面１２ｂに開放している。これにより、各貫通孔１７内には、それぞれＭＰＵ１４及びヒートシンク１５がそれぞれ部分的に露出する。

一般的に、ＭＰＵ１４は、その作動時に他の部分よりも温度が高くなる部分である複数のホットスポット１４ｂを有する。ホットスポット１４ｂは、従来よく知られているように、例えばＭＰＵ１４の内部に設けられた各部の作動を制御する制御回路が配置された部分である。各貫通孔１７は、図示の例では、それぞれ一端１７ａがＭＰＵ１４の各ホットスポット１４ｂの近傍に位置するように形成されている。

各貫通孔１７は、例えば従来よく知られた深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、ビーム及びマイクロドリルを用いることにより、各半導体チップ１２及び各ダイヤモンド薄膜１６に形成される。

各貫通孔１７内には、該各貫通孔内における熱伝導率を向上させるための貫通孔用熱伝導性部材１８が配置されている。

貫通孔用熱伝導性部材１８は、各貫通孔内１７を充填するように配置されている。貫通孔用熱伝導性部材１８は、図示の例では、複数の金属粒子で構成されている。

金属粒子には、例えば金や銅のように、数多く知られている金属のうち熱伝導率が比較的高い金属を用いることが望ましい。

また、金属粒子には、その大きさがナノメートルオーダーであるナノ粒子を用いることが望ましい。ナノ粒子は、一般的に、他のナノ粒子との間に働く分子間力によって該他のナノ粒子と結合し易いため、ナノ粒子からなる塊を形成し易い。従って、金属粒子にナノ粒子を用いることにより、各貫通孔１７内に大きな隙間をほとんど形成することなく金属粒子を充填し易くなる。

各半導体チップ１２がそれぞれ発熱したとき、各間隙Ｓ内のダイヤモンド薄膜１６には、各半導体チップ１２の熱の大部分が該各半導体チップから与えられる。ダイヤモンド薄膜１６に熱が与えられると、ダイヤモンド薄膜１６を形成する炭素原子間の共有結合のフォノン振動によって、熱が極めて効率良く伝播されていく。これにより、各半導体チップ１２の熱は、ダイヤモンド薄膜１６を積層型半導体装置１０の側方へ向けて伝うことにより、各間隙Ｓ内から積層型半導体１０の側方へ放出される。

また、最上層を構成する半導体チップ１２の熱の一部は、該半導体チップに当接するヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

更に、各半導体チップ１２に生じた熱の一部は、発熱した各半導体チップ１２から直接又はダイヤモンド薄膜１６を介して、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わる。各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わった熱の一部は、該貫通孔用熱伝導性部材である複数の金属粒子を上方へ向けて順次伝うことにより、各貫通孔１７内から上方へ放出される。各貫通孔１７内から上方へ放出された熱は、ヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

また、ＭＰＵ１４が発熱したとき、ＭＰＵ１４の各ホットスポット１４ｂに生じた熱の大部分は、ＭＰＵ１４の上面１４ａの各ホットスポット１４ｂに対応する領域からＭＰＵ１４の上方へ放出される。このとき、各貫通孔１７の一端１７ａが、前記したように、ＭＰＵ１４の各ホットスポット１４ｂの近傍に位置していることから、各ホットスポット１４ｂに生じた熱の大部分は、各貫通孔１７内にその一端１７ａを経て放出される。各貫通孔１７内に放出された熱は、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８を上方へ向けて伝った後、ヒートシンク１５に伝達され、該ヒートシンクから放出される。これにより、ＭＰＵ１４の部分のうち最も高温になるホットスポット１４ｂの熱をＭＰＵ１４から効率良く排出することができる。

更に、ＭＰＵ１４に生じた熱の一部は、最下層を構成する半導体チップ１２に伝わる。半導体チップ１２に伝わった熱は、前記したと同様に、最下層の半導体チップ１２と該半導体チップに隣接する半導体チップ１２との間の間隙Ｓ内のダイヤモンド薄膜１６、及び、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８である複数の金属粒子をそれぞれ順次伝って、積層型半導体装置１０の外方に排出される。

これにより、ＭＰＵ１４に生じた熱を効率よく排出することができるので、ＭＰＵ１４の温度上昇を抑制することができる。従って、ＭＰＵ１４の温度が許容最高温度を超えることによるＭＰＵ１４の異常動作及び破損等を確実に防止することができる。

本実施例によれば、前記したように、積層された各半導体チップ１２間の間隙Ｓに該間隙内での熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材１６が配置されていることから、各半導体チップ１２に熱が生じたとき、その熱を熱伝導性部材１６に容易に吸収させることができる。

これにより、各半導体チップ１２の熱を熱伝導性部材１６を介して各半導体チップ１２間から積層型半導体装置１０の外方へ容易に排出することができるので、各半導体チップ１２間に従来のような合成樹脂からなるアンダーフィルが充填されている場合に比べて、各半導体チップ１２の熱の排出効率が確実に向上する。

従って、各半導体チップ１２の熱が該各半導体チップに篭ることによって該各半導体チップの回路の異常動作や各半導体チップ１２の破損が生じることを、確実に防止することができる。

また、前記したように、各半導体チップ１２及び各ダイヤモンド薄膜１６にそれらを貫通して形成された複数の貫通孔１７内に、該各貫通孔内における熱伝導率を向上させるための貫通孔用熱伝導性部材１８が配置されている。このことから、各半導体チップ１２に生じた熱を、各半導体チップ１２間の熱伝導性部材１６により積層型半導体装置１０の側方へ排出することができることに加えて、貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８により積層型半導体装置１０の上方又は下方へ排出することができる。これにより、各半導体チップ１２に生じた熱の排出効率をより向上させることができる。

更に、各半導体チップ１２間の間隙Ｓ内に熱伝導性部材１６が充填されていることから、積層型半導体装置１０に各半導体チップ１２の積層方向に荷重が作用したとき、該外力は各半導体チップ１２間の間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６を圧縮する圧縮力として該熱伝導性部材で受け止められる。これにより、各半導体チップ１２の積層方向に作用する荷重に対する強度が積層型半導体装置１０に確保される。

本実施例では、熱伝導性部材１６がダイヤモンド薄膜で構成された例を示したが、これに代えて、図２に示すように、複数の筒状のカーボンナノチューブ１９（以下、ＣＮＴと称す。）で熱伝導性部材１６を構成することができる。

ＣＮＴ１９は、従来よく知られているように、０．５〜２．０ｎｍ程度の直径を有し、１〜１００μｍ程度の長さを有する繊維状の炭素材料である。また、ＣＮＴ１９は、ダイヤモンドの熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。ＣＮＴ１９には、単層ＣＮＴや、二層ＣＮＴ及び三層ＣＮＴのような多層ＣＮＴがあり、また、結晶構造及び直径等が異なる複数の種類があり、層の数、結晶構造及び直径等に応じて導電性が異なる。本実施例では、このような多くの種類のうち、導電性が低いＣＮＴ１９が用いられる。

各半導体チップ１２がそれぞれ発熱したとき、各間隙Ｓ内の複数のＣＮＴ１９には、各半導体チップ１２の熱の大部分が該各半導体チップから与えられる。ＣＮＴ１９に各半導体チップ１２から熱が与えられると、ＣＮＴ１９には格子振動が生じる。これにより、各半導体チップ１２の熱は、各ＣＮＴ１９がそれぞれ接触することなく離れていたとしても各ＣＮＴ１９間で伝達される。各間隙Ｓ内で複数のＣＮＴ１９間を積層型半導体装置１０の側方へ向けて伝達された熱は、各間隙Ｓ内から積層型半導体１０の側方へ放出される。

また、最上層を構成する半導体チップ１２の熱の一部は、該半導体チップに当接するヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

更に、各半導体チップ１２に生じた熱の一部は、発熱した各半導体チップ１２から直接又は複数のＣＮＴ１９を介して、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わる。各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わった熱は、該貫通孔用熱伝導性部材を介してヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

図２に示す例によれば、前記したように、複数のＣＮＴ１９がそれぞれ離れていても該ＣＮＴの格子振動により熱が伝達される。このことから、各間隙Ｓ内に従来のように単なる合成樹脂材料を注入する場合に比べて、各間隙Ｓ内での熱伝導性を確実に向上させることができる。

また、各ＣＮＴの格子振動により熱が伝達されることから、各間隙Ｓ内でのＣＮＴ１９の配置態様に拘らず、熱を確実に伝達することができる。これにより、複数のＣＮＴ１９をそれぞれ接触させる必要はないので、複数のＣＮＴ１９のような熱伝導性材料を各間隙Ｓ内に挿入した後に該熱伝導性材料をそれぞれ接触させる作業を行う場合に比べて、各間隙Ｓ内への熱伝導性部材１６の配置を容易に行うことができる。

更に、図２に示す例によれば、導電性が低いＣＮＴ１９が用いられていることから、各半導体チップ１２がそれぞれ各ＣＮＴ１９によって電気的に接続されることを、確実に抑制することができる。

図２に示す例では、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に複数の金属粒子が用いられた例を示したが、これに代えて、複数の金属粒子以外の貫通孔用熱伝導性部材１８を用いることができる。

図２に示す例において、複数のＣＮＴ１９を各間隙Ｓ内に挿入する際、誘電泳動力により、各ＣＮＴ１９の軸線が各半導体チップ１２の板厚方向に直交する方向を向くように配置することができる。

この場合、例えば図３に示すような誘電泳動装置２０が用いられる。誘電泳動装置２０は、一対の電極板２１，２２と、該各電極板に交流電圧を印加するための交流電源２３とを備える。各電極板２１，２２は、それぞれ積層型半導体装置１０の両側方から該積層型半導体装置を挟むように配置されている。

複数のＣＮＴ１９が分散された溶液２４中に、複数の貫通孔１７が形成される前の積層型半導体装置１０が浸された状態で、交流電源２３を作動させることにより、両電極板２１，２２間に交流電圧を印加する。これにより、溶液２４中の複数のＣＮＴ１９に誘電泳動の原理に基づく力を作用させる。

すなわち、複数のＣＮＴ１９が分散された溶液２４に電場を与えると、溶液２４と各ＣＮＴ１９との分極率の相違により誘起双極子モーメントが発生し、各ＣＮＴ９の両側に形成される電場強度の差が誘起双極子が及ぼす力の差となって、各ＣＮＴ１９に力が作用する。このときに働く誘電泳動力ＦＤＥＰは、次式で表されることが知られている。

Ｆ_ＤＥＰ＝２πε_ｍａ^３Ｒｅ［（ε _ｐ −ε _ｍ ）／（ε _ｐ ＋２ε _ｍ ）］∇Ｅ^２ …（１） 式（１）中の、ａは各ＣＮＴ１９の半径［ｍ］、εは誘電率［Ｆ／ｍ］、添え字ｐ及びｍはそれぞれＣＮＴ１９及び該ＣＮＴが混入された溶液２４を示している。Ｅは電界（Ｖ／ｍ）であり、Ｒｅ［ｆ（ｘ）］は複素数ｆ（ｘ）の実数部分だけを取り出す演算子である。εは、 ε＝ε−（σ／ω）ｊ …（２）で定義される複素誘電率である。σは導電率［Ｓ／ｍ］であり、ω（＝２πｆ）は角周波数［Ｈｚ］であり、ｆは印加周波数［Ｈｚ］である。ｊは虚数単位である。式（１）中のＲｅ［ ］の中身は、Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因子（ＣＭ因子：Ｋ（ω））と呼ばれており、分極の程度を表している。

Ｋ（ω）＝（ε _ｐ −ε _ｍ ）／（ε _ｐ ＋２ε _ｍ ） …（３） 式（２）及び式（３）によれば、このＣＭ因子は、溶液２４及び各ＣＮＴ１９の導電率、誘電率、更に、印加する電圧の周波数に依存し、−０．５〜１．０の値をとる。式（１）によれば、誘電泳動力の方向は、ＣＭ因子に依存する。すなわち、ＣＭ因子の実部が正の場合には誘電泳動力は正となり、各ＣＮＴ１９には電場強度の大きい方に誘導する正の誘電泳動が作用する。他方、ＣＭ因子の実部が負の場合には誘電泳動力は負となり、各ＣＮＴ１９には電場強度の弱い方に誘導する負の誘電泳動力が作用する。

従って、各電極板２１，２２に電圧を印加したときに、各間隙Ｓ内の電場強度が各間隙Ｓの外方における電場強度よりも強い場合には、各ＣＮＴ１９に正の誘電泳動力が作用するように印加電圧の周波数等を設定する。他方、各間隙Ｓ内の電場強度が各間隙Ｓの外方における電場強度よりも弱い場合には、各ＣＮＴ１９に負の誘電泳動力が作用するように印加電圧の周波数等を設定する。これにより、溶液２４中に分散した各ＣＮＴ１９は、誘電泳動力により各間隙Ｓ内に挿入される。このとき、各ＣＮＴ１９は、それぞれの一端が誘電泳動力により各間隙Ｓ内に向けて引っ張られるので、該各間隙内に挿入された各ＣＮＴ１９は、その軸線が各半導体チップ１２の板厚方向に直交する方向を向くように配置される。

図３に示す例によれば、前記したように、複数のＣＮＴ１９が誘電泳動力により各半導体チップ１２の板厚方向に直交する方向を向くように配置されている。このことから、各間隙Ｓ内での熱の伝達方向を一方向にすることができる。ＣＮＴにおいては、熱はフォノン振動およびπ電子によって伝播される。すなわち、熱はグラフェンウォールを伝って流れていく。従って、個々のＣＮＴの長軸方向を揃えて配置することが、熱を伝播する上で最も効率的である。各ＣＮＴ１９のグラフェンウォールを熱が伝播することによって、複数のＣＮＴ１９がそれぞれ不規則な方向を向いて配置されている場合に比べて、効率良く熱を系外へ輸送することができる。これにより、各間隙Ｓ内での熱伝導性をより確実に向上させることができる。

また、全てのＣＮＴ１９が各半導体チップ１２の板厚方向に直交する方向を向いていることから、各ＣＮＴ１９が各半導体チップ１２を跨ぐように配置されることが防止される。これにより、複数のＣＮＴ１９がそれぞれ高い導電性をたとえ有していたとしても、各半導体チップ１２がそれぞれＣＮＴ１９によって電気的に接続されることを、確実に抑制することができる。

図１乃至図３に示す例では、熱伝導性部材１６がダイヤモンド薄膜及び複数のＣＮＴ１９で構成された例を示したが、これに代えて、複数のＣＮＴ１９が混入された合成樹脂材料で熱伝導性部材１６を構成することができる。

この場合、複数のＣＮＴ１９が混入される合成樹脂材料には、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。複数のＣＮＴが混入された合成樹脂材料は、流動性が確保された状態で各間隙Ｓ内に注入された後、硬化することにより各間隙Ｓ内に充填される。

また、この場合において、溶剤２４を液状の合成樹脂材料に置き換えることにより、図３に示した例と同様に、各間隙Ｓ内に注入された合成樹脂材料に混入した各ＣＮＴ１９をそれぞれの軸線が各半導体チップ１２の板厚方向に直交する方向を向くように配置することができる。

また、図１乃至図３に示す例では、熱伝導性部材１６がダイヤモンド薄膜１６又は複数のＣＮＴ１９で構成された例を示したが、これに代えて、図４及び図５に示すように、電気伝導性を有しない合成樹脂材料２５でＣＮＴ２６を包んだ複数の粒状部材２７で熱伝導性部材１６を構成することができる。

各粒状部材２７は、図５に示すように、粒状に形成された合成樹脂材料２５の中に複数のＣＮＴ２６を埋設することにより形成されている。各粒状部材２７は、それぞれＣＮＴ２６と樹脂原料を混練することにより形成される。合成樹脂材料２５には、例えばアクリル系樹脂、スチレン系樹脂、PET樹脂、ブタジエン系樹脂及びフェノール系樹脂が用いられる。

各半導体チップ１２がそれぞれ発熱したとき、各間隙Ｓ内の複数の粒状部材２７には、各半導体チップ１２の熱の大部分が該各半導体チップから与えられる。このとき、各粒状部材２７の各ＣＮＴ２６に合成樹脂材料２５を介して各半導体チップ１２から熱が与えられると、各ＣＮＴ２６にはそれぞれ格子振動が生じる。これにより、各半導体チップ１２の熱は、各ＣＮＴ２６がそれぞれ接触することなく離れていたとしても、熱は各粒状部材２７内で各ＣＮＴ２６間を伝達され、更に、各粒状部材２７間でＣＮＴ２６間を伝達される。各間隙Ｓ内で各粒状部材２７間を積層型半導体装置１０の側方へ向けて順次伝達された熱は、各間隙Ｓ内から積層型半導体１０の側方へ放出される。

また、最上層を構成する半導体チップ１２の熱の一部は、該半導体チップに当接するヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

更に、各半導体チップ１２に生じた熱の一部は、発熱した各半導体チップ１２から直接又は各粒状部材２７の各ＣＮＴ２６を介して、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わる。各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に伝わった熱は、該貫通孔用熱伝導性部材を介してヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

図４及び図５に示す例によれば、複数のＣＮＴ２６が電気伝導性を有しない合成樹脂材料２５により覆われていることから、各ＣＮＴ２６がそれぞれ互いに隣接する各半導体チップ１２間を跨るように配置されることはなく、また、各ＣＮＴ２６が各粒状部材２７間で接触することはない。これにより、各粒状部材２７の各ＣＮＴ２６がそれぞれ高い導電性をたとえ有していたとしても、各半導体チップ１２がそれぞれ各粒状部材２７の各ＣＮＴ２６によって電気的に導通することを、確実に抑制することができる。

図４及び図５に示す例では、各半導体チップ１２間の電気的な導通を阻止し且つ熱伝導率を向上させるために、電気伝導性を有しない合成樹脂材料２５でＣＮＴ２６を包んだ複数の粒状部材２７を熱伝導性部材１６に用いた例を示したが、これに代えて、図６に示すような熱伝導性部材１６を本発明に用いることができる。

図６に示す例では、熱伝導性部材１６は、電気伝導性を有しない合成樹脂材料からなるシート部材３６内に、複数のＣＮＴを固めて形成される複数のブロック３７を埋設することにより形成される。

各ブロック３７は、図示の例では、それぞれシート部材３６の上面３６ａ及び下面３６ｂから露出することなく厚さ方向の中央部に配置されており、且つ、各半導体チップ１２の積層方向に直交する方向へ所定の間隔をおいて配置されている。

図６に示す例によれば、各半導体チップ１２に生じた熱は、シート部材３６内の各ブロック３７を構成するＣＮＴの格子振動により各ブロック３７間を伝達する。シート部材３６内を積層型半導体装置１０の側方へ向けて順次伝達された熱は、各間隙Ｓ内から積層型半導体１０の側方へ放出される。

また、ＣＮＴからなる複数のブロック３７が電気伝導性を有しない合成樹脂材料により覆われていることから、各ブロック３７がそれぞれ互いに隣接する各半導体チップ１２間を跨るように配置されることはなく、また、各ブロック３７が各半導体チップ１２間で接触することはない。これにより、各ブロック３７のＣＮＴがそれぞれ高い導電性をたとえ有していたとしても、各半導体チップ１２がそれぞれ各ブロック３７のＣＮＴによって電気的に導通することを、確実に抑制することができる。

更に、積層型半導体装置１０を形成する際、各半導体チップ１２を積層するときに該各半導体チップ間にシート部材３６を挟み込むことができるので、各半導体チップ１２間への熱伝導性部材１６の配置作業をより容易に行うことができる。

図６に示す例では、各ブロック３７がそれぞれシート部材３６の上面３６ａ及び下面３６ｂから露出することなく厚さ方向の中央部に配置された例を示したが、これに代えて、各ブロック３７をそれぞれシート部材３６の上面３６ａ及び下面３６ｂのいずれか一方の面から露出するように配置することができる。この場合、上面３６ａ又は下面３６ｂから露出した各ブロック３７が互いに隣接する各半導体チップ１２の一方に接触しても、該各半導体チップが互いに電気的に導通することはない。

図４及び図６に示す例では、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に複数の金属粒子が用いられた例を示したが、これに代えて、複数の金属粒子以外の貫通孔用熱伝導性部材１８を用いることができる。

図１乃至図６に示す例では、各貫通孔１７内に充填された貫通孔用熱伝導性部材１８が複数の金属粒子で構成された例を示したが、これに代えて、図７に示すように、複数のＣＮＴ２８で貫通孔用熱伝導性部材１８を構成することができる。

この場合、各半導体チップ１２に生じた熱の一部は、発熱した各半導体チップ１２から直接又は各間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６を介して、各貫通孔１７内に放出される。このとき、各貫通孔１７内に充填された各ＣＮＴ２８には、各貫通孔１７内に放出された熱が与えられる。ＣＮＴ２８に熱が与えられると、ＣＮＴ２８の格子振動により、各半導体チップ１２の熱は、各ＣＮＴ２８がそれぞれ接触することなく離れていたとしても、各ＣＮＴ２８間で伝達される。各貫通孔１７内で各ＣＮＴ２８を上方へ向けて順次伝達した熱は、各貫通孔１７内からその上方へ放出される。各貫通孔１７内から上方へ放出された熱は、ヒートシンク１５に伝達された後、該ヒートシンクから放出される。

また、ＭＰＵ１４が発熱したとき、ＭＰＵ１４の各ホットスポット１４ｂに生じた熱の大部分は、ＭＰＵ１４の上面１４ａの各ホットスポット１４ｂに対応する領域からＭＰＵ１４の上方へ放出される。このとき、各貫通孔１７の一端１７ａが、前記したように、ＭＰＵ１４の各ホットスポット１４ｂの近傍に位置していることから、各ホットスポット１４ｂに生じた熱の大部分は、各貫通孔１７内にその一端１７ａを経て放出される。各貫通孔１７内に放出された熱は、各貫通孔１７内の各ＣＮＴ２８を上方へ向けて順次伝った後、ヒートシンク１５に伝達され、該ヒートシンクから放出される。

図７に示す例において、複数のＣＮＴ２８を各貫通孔１７内に詰め込む際、誘電泳動力により、各ＣＮＴ２８の軸線が各貫通孔の伸長方向を向くように該貫通孔内に各ＣＮＴ２８を配置することができる。

この場合、例えば図８に示すような誘電泳動装置２９が用いられる。誘電泳動装置２９は、一対の電極３０，３１板と、該各電極板に交流電圧を印加するための交流電源３２とを備える。各電極３０，３１板は、それぞれ積層型半導体装置１０の上方及び下方から該積層型半導体装置を挟むように配置されている。

図３に示した例と同様に、複数のＣＮＴ２８が分散された溶液３３中に、複数の貫通孔１７が形成された積層型半導体装置１０が浸された状態で、交流電源３２を作動させることにより、両電極３０，３１板間に交流電圧を印加する。これにより、合成樹脂材料中の複数のＣＮＴ２８に誘電泳動力を作用させる。複数のＣＮＴ２８が分散される溶液３３には、例えば純水（脱イオン水である。）や、純水に例えばtween20（登録商標）のような界面活性剤を含有させたもの等を用いることができる。

各電極３０，３１板に電圧を印加したときに、各貫通孔１７内の電場強度が各貫通孔１７の外方における電場強度よりも強い場合には、各ＣＮＴ２８に正の誘電泳動力が作用するように印加電圧の周波数等を設定する。他方、各貫通孔１７内の電場強度が各貫通孔１７の外方における電場強度よりも弱い場合には、各ＣＮＴ２８に負の誘電泳動力が作用するように印加電圧の周波数等を設定する。これにより、溶液３３内に混入した各ＣＮＴ２８は、誘電泳動力により各貫通孔１７内に挿入される。このとき、各ＣＮＴ２８は、それぞれの一端が誘電泳動力により各貫通孔１７内に向けて引っ張られるので、各貫通孔１７内に挿入された各ＣＮＴ２８は、その軸線が各貫通孔１７の伸長方向を向くように配置される。

図８に示す例によれば、複数のＣＮＴ２８が誘電泳動力により各貫通孔１７の伸長方向を向くように配置されている。このことから、各間隙Ｓ内での熱の伝達方向を一方向にすることができる。ＣＮＴにおいては、熱はフォノン振動およびπ電子によって伝播される。すなわち、熱はグラフェンウォールを伝って流れていく。従って、個々のＣＮＴの長軸方向を揃えて配置することが、熱を伝播する上で最も効率的である。各ＣＮＴ１９のグラフェンウォールを熱が伝播することによって、複数のＣＮＴ１９がそれぞれ不規則な方向を向いて配置されている場合に比べて、効率良く熱を系外へ輸送することができる。これにより、各間隙Ｓ内での熱伝導性をより確実に向上させることができる。

図７及び図８に示す例では、各貫通孔１７内に複数のＣＮＴ２８を単に詰め込んだ例を示したが、これに代えて、複数のＣＮＴ３４を各貫通孔１７内で成長させることにより各貫通孔１７内に充填させることができる。

各貫通孔１７内で複数のＣＮＴ３４を成長させる際、例えば、各貫通孔１７の一端ａに粒径が数ｎｍのＦｅ微粒子及びＣｏ微粒子を析出させた後、メタン及びエチレン等のハイドロカーボンガス、あるいは、アルコール蒸気を導入しながら、熱ＣＶＤによりＣＮＴ３４を成長させる。各貫通孔１７内で複数のＣＮＴ３４を一端１７ａから他端１７ｂに向けて成長させることにより、それぞれの軸線が貫通孔１７の伸長方向を向くように該貫通孔内に配置され且つＭＰＵ１４からヒートシンク１５に至る複数のＣＮＴ３４が形成される。

この例によれば、各貫通孔１７内で複数のＣＮＴ３４を成長させることにより、約１００ｎｍという極めて小さい孔内にＣＮＴ３４を容易に充填することができる。

図１乃至図８に示す例では、各半導体チップ１２間の間隙Ｓと各貫通孔１７内とに、それぞれ熱伝導率を向上させるための部材を充填させた例を示したが、これに代えて、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８を不要とすることができる。

この場合、各貫通孔１７内には、積層型半導体装置１０に各半導体チップ１２の積層方向に沿った強度を確保すべく従来用いられていた合成樹脂からなるアンダーフィル材を各半導体チップ１２間に充填することができる。

また、図１乃至図８に示す例では、各半導体チップ１２及び熱伝導性部材１６にそれぞれ複数の貫通孔１７が形成された例を示したが、これに代えて、図９に示すように、各貫通孔１７を不要とすることができる。

この場合、各半導体チップ１２及びＭＰＵ１４に生じた熱の一部は、それぞれ各間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６を経て積層型半導体装置１０の外方へ排出される。また、各半導体チップ１２及びＭＰＵ１４に生じた熱の一部は、それぞれ各間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６及び各半導体チップ１２をそれぞれ経てヒートシンク１５に達し、該ヒートシンクから積層型半導体装置１０の外方へ排出される。

更に、図１乃至図９に示す例では、各半導体チップ１２間の間隙Ｓに熱伝導性部材１６が配置された例を示したが、これに代えて、図１０に示すように、各間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６を不要とすることができる。

この場合、各間隙Ｓには、積層型半導体装置１０に各半導体チップ１２の積層方向に沿った強度を確保すべく従来用いられていた合成樹脂からなるアンダーフィル材３５を各半導体チップ１２間に充填することができる。

また、この場合、各半導体チップ１２及びＭＰＵ１４に生じた熱は、それぞれ各貫通孔１６内の貫通孔用熱伝導性部材１８及びヒートシンク１５を経て該ヒートシンクから積層型半導体装置１０の外方へ排出される。

更に、各間隙Ｓ内の熱伝導性部材１６を不要とする場合、図１１に示すように、前記接続部を不要とすることにより、各半導体チップ１２間に間隙Ｓを形成することなく各半導体チップ１２を積層することができる。

この場合、前記接続部による接続に代えて、互いに隣接する半導体チップ１２同士を融着させることにより各半導体チップ１２をそれぞれ接続することができる。

図１０及び図１１に示す例によれば、各貫通孔１７内に、該貫通孔内における熱伝導率を向上させるための貫通孔用熱伝導性部材１８が配置されていることから、各半導体チップ１２に熱が生じたとき、その熱を貫通孔用熱伝導性部材１８に容易に吸収させることができる。これにより、各半導体チップ１２間に従来のような合成樹脂からなるアンダーフィルが充填されているか否かに拘らず、また、各半導体チップ１２間に間隙Ｓが形成されているか否かに拘らず、各半導体チップ１２の熱を貫通孔用熱伝導性部材１８により各半導体チップ１２の積層方向に伝達することができるので、各半導体チップ１２の熱を貫通孔用熱伝導性部材１８を介して積層型半導体装置１０内からその外方へ容易に排出することができる。

図１０及び図１１に示す例では、各貫通孔１７内の貫通孔用熱伝導性部材１８に複数の金属粒子が用いられた例を示したが、これに代えて、複数の金属粒子以外の貫通孔用熱伝導性部材１８を用いることができる。

図１乃至図１１に示す例では、各貫通孔１７の直径がそれぞれ同一である例を示したが、これに代えて、例えば、ＭＰＵ１４のホットスポット１４ｂの近傍に配置された各貫通孔１７の直径を他の各貫通孔１７よりも大きくすることができる。

この場合、ホットスポット１４ｂの近傍の各貫通孔１７が単位時間当たりに取り入れ可能な熱量を増加させることができるので、ホットスポット１４ｂ生じた熱をより短時間で排出することができる。

また、図１乃至図１１に示す例において、ＭＰＵ１４のホットスポット１４ｂの近傍に配置された各貫通孔１７の個数を増加させることができる。

この場合、ホットスポット１４ｂに熱をより多く貫通孔１７内に取り入れることができるので、ホットスポット１４ｂ生じた熱をより短時間で排出することができる。

更に、図１乃至図１１に示す例では、各貫通孔１７がそれぞれＭＰＵ１４のホットスポット１４ｂの近傍に配置された例を示したが、これに代えて、又は、これに加えて、各半導体チップ１２のそれぞれの高温部や、各半導体チップ１２のうち最も高温になる半導体チップの高温部等の近傍に各貫通孔１７が配置されるように該各貫通孔を形成することができる。

また、図１乃至図１１に示す例では、積層型半導体装置１０の下方にＭＰＵ１４が配置された例を示したが、これに代えて、ＭＰＵ１４以外のＬＳＩやＩＣを積層型半導体装置１０の下方に配置することができる。

本発明に係る積層型半導体装置を概略的に示す縦断面図である。 本発明に係る各半導体チップ間の間隙にＣＮＴが挿入された例を概略的に示す縦断面図である。 本発明に係る誘電泳動装置を概略的に示す説明図である。 本発明に係る各半導体チップ間の間隙に、ＣＮＴを合成樹脂に包むことにより形成される粒状部材が挿入された例を概略的に示す縦断面図である。 本発明に係る粒状部材を概略的に示す説明図である。 本発明に係る熱伝導性部材にシート部材が用いられた例を概略的に示す縦断面図である。 本発明に係る各貫通孔内にＣＮＴが挿入された例を概略的に示す縦断面図である。 図３に示す例とは別の誘電泳動装置を概略的に示す説明図である。 図１乃至図８に示す例とは別の実施例に係る積層型半導体装置を概略的に示す縦断面図である。 図１乃至図９に示す例とは別の実施例に係る積層型半導体装置を概略的に示す縦断面図である。 図１乃至図１０に示す例とは別の実施例に係る積層型半導体装置を概略的に示す縦断面図である。

符号の説明

１０ 積層型半導体装置
１２ 基板（半導体チップ）
１６ 熱伝導性部材
１７ 貫通孔
１８ 貫通孔用熱伝導性部材
１９，２６，２８ カーボンナノチューブ
２７ 粒状部材

Claims (16)

1. それぞれが間隔をおいて積層された複数の基板を備える積層型半導体装置であって、前記各基板間には、該各基板間における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることを特徴とする積層型半導体装置。
2. 前記熱伝導性部材はダイヤモンド薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の積層型半導体装置。
3. 前記熱伝導性部材は、複数の筒状のカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の積層型半導体装置。
4. 前記熱伝導性部材は、複数の筒状のカーボンナノチューブが混入された合成樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の積層型半導体装置。
5. 前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれに与えられる誘電泳動力により、それぞれの軸線が前記各基板の板厚方向に直交する方向を向くように配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の積層型半導体装置。
6. 前記熱伝導性部材は、電気伝導性を有しない合成樹脂材料でカーボンナノチューブを包んだ複数の粒状部材であることを特徴とする請求項１に記載の積層型半導体装置。
7. 前記各基板及び該各基板間に配置された前記熱伝導性部材には、前記各基板及び前記熱伝導性部材を前記基板の積層方向に連続して貫通する貫通孔が形成されており、該貫通孔内には、該貫通孔内における熱伝導率を向上させるための貫通孔用熱伝導性部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の積層型半導体装置。
8. 前記貫通孔用熱伝導性部材は複数の金属粒子であることを特徴とする請求項７に記載の積層型半導体装置。
9. 前記貫通孔用熱伝導性部材は複数の筒状のカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項７に記載の積層型半導体装置。
10. 前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれに与えられる誘電泳動力により、それぞれの軸線が前記貫通孔の伸長方向を向くように該貫通孔内に配置されることを特徴とする請求項９に記載の積層型半導体装置。
11. 前記複数のカーボンナノチューブは、前記貫通孔の一端からその他端に向けて成長することにより、それぞれの軸線が前記貫通孔の伸長方向を向くように該貫通孔内に配置されることを特徴とする請求項９に記載の積層型半導体装置。
12. 積層された複数の基板を備える積層型半導体装置であって、前記各基板には、該各基板をその積層方向に連続して貫通する貫通孔が形成されており、該貫通孔内には、該貫通孔内における熱伝導率を向上させるための熱伝導性部材が配置されていることを特徴とする積層型半導体装置。
13. 前記熱伝導性部材は複数の金属粒子であることを特徴とする請求項１２に記載の積層型半導体装置。
14. 前記熱伝導性部材は複数の筒状のカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１２に記載の積層型半導体装置。
15. 前記複数のカーボンナノチューブは、それぞれに与えられる誘電泳動力により、それぞれの軸線が前記貫通孔の伸長方向を向くように該貫通孔内に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の積層型半導体装置。
16. 前記複数のカーボンナノチューブは、前記貫通孔の一端からその他端に向けて成長することにより、それぞれの軸線が前記貫通孔の伸長方向を向くように該貫通孔内に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の積層型半導体装置。

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