JPH02180057A - 半導体装置の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、冷却技術に関し、特に、半導体装置の冷却技
術に適用して有効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体装置のパッケージ内に封止された半導体ペレット
は単位面積当りの発熱量が増加する傾向にある。本発明
者が開発中の高速バイポーラトランジスタを集積化した
半導体ペレットにおいて、発熱量は２０〜１００［Ｗ／
ｄ］にも達する。

この種の半導体装置は特開昭５７−１０３３３７号公報
に記載される冷却方法により半導体ペレットの動作で発
生する熱を強制的に冷却している。

この冷却方法は、半導体ペレットの裏面に放熱フィンを
介在させて水冷管を配置し、半導体ペレットの動作で発
生する熱を水冷管に流れる水で間接的に吸収している。

半導体ペレットはその表面を実装基板の実装面に対向さ
せたフェースダウンボンディング法で実装基板に実装さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の冷却方法は、熱発生源である半導体ペレットと冷
却媒体である水との間に放熱フィンを介在させて間接的
に冷却している。このため、前記放熱フィンが熱抵抗と
なるので、半導体装置の冷却効率が低下するという問題
点があった。

この問題点を解決するため、本発明者は、冷却媒体とし
て水、フロロカーボン系液体、液体窒素等の液体系冷却
媒体により、半導体装置の発熱部を直接冷却する技術に
ついて検討を行った。しかしながら、液体系冷却媒体は
、個々に以下のような新たな問題点が生じることが判明
した。

（１）冷却媒体として水を使用する冷却方法。水は約５
８６　［ｃａｌ／ｇ１以上の熱量を奪うので冷却媒体と
しては最適である。ところが、水に限らず液体系冷却媒
体は発熱部との間に気化層（境界層）が形成される。こ
の気化層は、熱抵抗となり、発熱部から冷却媒体へ伝達
される熱量を低下させるので、半導体装置の冷却効率が
低下する。また、水は不純物の混入が避けられないので
、半導体ペレットの表面に形成されるＡＱ等の金属層が
腐食されてしまう。このため、半導体装置の冷却におけ
る信頼性が低下する。

（２）冷却媒体としてフロロカーボン系液体を使用する
冷却方法。フロロカーボン系液体は約−６０［℃コの低
温度で発熱部を冷却することができる。

ところが、前述のように、気化層が形成されるので、半
導体装置の冷却効率が低下する。また、フロロカーボン
系液体は高温度で分解し易く、この分解された物質は冷
却媒体の供給経路をつまらせたり、分解された物質のう
ちＦは半導体ペレットをエツチングしてしまう。また、
分解された物質のうちＣＱは有毒である。

（３）冷却媒体として液体窒素を使用する冷却方法。液
体窒素は約−１９５［’Ｃ］と超低温である。

ところが、前述のように気化層が形成されるので、半導
体装置の冷却効率が低下する。また、液体窒素は温度が
極端に下がりすぎるので、半導体装置特に半導体ペレッ
トの内部応力が著しく増大し、半導体ペレットの損傷や
破壊が生じる。

本発明の目的は、半導体装置の冷却技術において、冷却
効率を向上することが可能な技術を提供することにある
。

本発明の他の目的は、発熱部と冷却媒体との間に形成さ
れる気化層を低減し、前記目的を達成することが可能な
技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、発熱部の冷却温度を均一化し、安
定な冷却を行うことが可能な技術を提供することにある
。

本発明の他の目的は、半導体ペレットの金属層を腐食す
ることなく、前記目的を達成することが可能な技術を提
供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

（１）半導体装置の冷却方法において、低温度状態にお
いて固体から直接気化する冷却媒体を半導体装置の発熱
部に直接々触させ、この冷却媒体を気化させながら半導
体装置の発熱部を冷却する。

（２）前記冷却媒体は固体状態の二酸化炭素（ドライア
イス）を使用する。

（３）前記冷却媒体は微粉体化されており、この微粉体
化された冷却媒体を前記半導体装置の発熱部に直接々触
させる。

〔作　　用〕

上述した手段（１）によれば、液体系冷却媒体に比べて
、半導体装置の発熱部と冷却媒体との間に形成される気
化層（境界層）を小さくする或は部分的に瞬時に気化層
の存在をなくすことができるので、半導体装置の発熱部
から冷却媒体に放出される熱量を増加し、冷却効率を向
上することができる。

上述した手段（２）によれば、前記冷却媒体は水が存在
せず又水が存在しても固体状態で存在しているので、半
導体装置特に金属層の腐食を低減し、半導体装置の冷却
における信頼性を向上することができる。

上述した手段（３）によれば、前記半導体装置の発熱部
の単位面積当りに冷却媒体が接触する割合を増加するこ
とができるので、より冷却効率を向上することができる
。

以下、本発明の構成について、一実施例とともに説明す
る。

なお、実施例を説明するための全回において、同一機能
を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は
省略する。

〔発明の実施例〕

（実施例Ｉ） 本発明の実施例■である半導体装置の冷却システムを第
１図（概略構成図）で示す。

第１図に示すように、半導体装置１は実装基板２に半導
体ペレット３を実装している。半導体ペレット３は例え
ば単結晶珪素基板で形成され、この単結晶珪素基板の活
性面（素子形成面）には高速バイポーラトランジスタを
集積している。

この半導体装置１には冷却システムが組み込まれている
。冷却システムは、主に、冷却媒体の固体化処理装置１
１０、冷却媒体の粉体化処理装置１１、粉体供給管１２
、冷却部１３、排気管１４で構成されている。

前記冷却媒体の粉体化処理装置１１は冷却媒体を粉体化
するように構成されている。冷却媒体としては固体状態
の二酸化炭素（Ｃ○２ニドライアイス）を使用する。こ
の固体状態の二酸化炭素は、低温（約−７８，５［’Ｃ
］）かつ常圧において固体から直接気化（昇華）し、こ
の気化の際に約１３２．４［Ｋｃａｌ／ｇ］の熱量を吸
収することができる。水は気化の際に約５８６　［Ｋｃ
ａｌ／ｇ］の熱量を吸収することができるので、前記二
酸化炭素はこの熱量の吸収の点においては水に劣るが、
二酸化炭素は不活性である特徴がある。不活性な気体と
しては他にヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）の夫々があ
る。ヘリウムは約５［Ｋｃａｌ／ｇ］の熱量を吸収し、
窒素は約４８　、８　［Ｋｃａｌ／　ｇ］の熱量を吸収
することができ、いずれも熱量の吸収の点においては二
酸化炭素が優れている。

冷却媒体の粉体化処理装置１１は、例えば冷却された刃
物で固体状態の二酸化炭、素を削り取ることにより、微
細に粉体化された固体状態の二酸化炭素２０を形成する
ように構成されている。この粉体化された固体状態の二
酸化炭素２０は例えば約数〜数＋［μｍ］程度の粒径で
形成されている。

前記冷却媒体の粉体化処理装置１１で粉体化された固体
状態の二酸化炭素２０は粉体供給管１２を介在させて半
導体装置１の発熱部に供給される。半導体装置１の発熱
部つまり半導体ペレット３は冷却部１３内に配置され外
気から遮蔽させている。粉体供給管１２は断熱性に優れ
た例えばフッ素系樹脂、高分子材等で形成されている。

また、粉体供給管１２はさらに断熱性を向上するために
真空絶縁した２重管構造で構成してもよい。粉体供給管
１２は、例えばヘリウムガスをキャリアガスとして、前
記粉体化された固体状態の二酸化炭素２０を過剰に供給
するように構成されている・。キャリアガスとして使用
するヘリウムガスは，発熱部の周囲を充満させ、発熱部
と粉体化された固体状態の二酸化炭素２０との間の熱伝
達性を高めることができるので、冷却効率を向上するこ
とができる。

前記粉体供給管１２で供給される粉体化された固体状態
の二酸化炭素２０は、第２図（要部拡大図）に示すよう
に、発熱部である半導体ペレット３の活性面に直接々触
させている。粉体化された固体状態の二酸化炭素２０は
、半導体ペレット３の動作で発生する熱により発熱部と
接触する部分から気化し、二酸化炭素ガス（ｃｏ２）２
１となる。この二酸化炭素ガス２１は、不活性であるの
で、半導体ペレット３の金属層例えばアルミニウム配線
が腐食されることがない。

前記二酸化炭素ガス２１は排気管１４を通して冷却媒体
の固体化処理装置１０に排出される。排気管１４は粉体
供給管１２の配管に沿って配管されており、二酸化炭素
ガス２１が持つ低温を粉体供給管１２に伝達し、粉体供
給管１２内の二酸化炭素２０が気化することを低減して
いる。前記冷却媒体の固体化処理装置１０は、二酸化炭
素ガス２１を再度断熱膨張により固体化し、固体状態の
二酸化炭素２０を形成するように構成されている。この
二酸化炭素２０は冷却媒体の粉体化処理装置１１に供給
される。

このように、半導体装置１の冷却方法において、低温度
状態において固体から直接気化する冷却媒体を半導体装
置１の発熱部に直接々触させ、この冷却媒体を気化させ
ながら半導体装置１の発熱部を冷却する。冷却媒体とし
ては二酸化炭素２０を使用する。この冷却方法により、
直接冷却でしかも液体系冷却媒体に比べて半導体装置１
の発熱部と冷却媒体との間に形成される気化層（境界層
）を小さくする或は部分的に瞬時に気化層の存在をなく
すことができるので、半導体装置１の発熱部から冷却媒
体に放出される熱量を増加し、冷却効率を向上すること
ができる。

また、前記冷却媒体として固体状態の二酸化炭素（ドラ
イアイス）２０を使用する。この構成により、前記二酸
化炭素２０は水が存在せず又水が存在しても固体状態で
存在しているので、半導体装置１特に半導体ペレット３
の金属層の腐食を低減し、半導体装置１の冷却における
信頼性を向上することができる。

また、前記冷却媒体として固体状態の二酸化炭素２０を
微粉体化し、この微粉体化された固体状態の二酸化炭素
２０を前記半導体装置１の発熱部に直接々触させる。こ
の構成により、前記半導体装置１の発熱部の単位面積当
りに固体状態の二酸化炭素２０が接触する割合を増加す
ることができるので、より冷却効率を向上することがで
きる。

また、固体状態の二酸化炭素２０は半導体装Ｗ１の発熱
部に接触する部分が気化すると瞬時に固体状態のものを
供給することができるので、常時、発熱部の冷却温度を
均一に保持することができる。

つまり、半導体装置１は安定な冷却を行うことができる
。

また、前記固体状態の二酸化炭素２０は半導体装置１の
半導体ペレット３の内部応力を増大させない程度の適度
な低温度に冷却することができる。

また、前記固体状態の二酸化炭素２０は気化しても有害
でない。

（実施例■） 本発明の実施例■である半導体装置の冷却システムを第
３図乃至第５図（要部拡大図）で示す。

第３図に示す半導体装置１の冷却システムは、粉体供給
管１２で供給される固体状態の二酸化炭素１２〜 ２０の粉体化の粒径を前記実施例■のそれに比べて大き
くしている。粉体化された固体状態の二酸化炭素２０の
粒径は例えば数百［μｍ］〜数［ｍｍ］程度で形成され
ている。

第４図に示す半導体装置１は、実装基板２の実装面に突
起電極（バンプ電極）２Ａを介在させて半導体ペレット
３を実装している。つまり、半導体装置１はフェースダ
ウンボンディング法で実装されている。半導体ペレット
３の活性面は実装基板２の実装面に対向している。した
がって、冷却システムの粉体供給管１２で供給される粉
体化された固体状態の二酸化炭素２０は半導体ペレット
３の裏面（発熱面）に供給される。半導体装置１の半導
体ペレット３の周囲と実装基板２との間は封止材２Ｂを
設けており、半導体ペレット３の活性面の信頼性を高め
ている。

第５図に示す半導体装置１は、半導体ペレット３に比べ
て大面積の半導体ウェーハ３Ａを実装基板２に実装して
いる。半導体ウェーハ３Ａの活性面には半導体ペレット
３と同様に例えば高速バイポーラトランジスタを集積し
ている。この種の半導体装置１は、前述と同様に粉体化
された固体状体の二酸化炭素２０で冷却している。冷却
システムは、半導体ウェーハ３Ａの発熱面が大面積なの
で、粉体供給管１２の管径を太くし、この粉体供給管１
２内に複数本の排気管１４を配管している。

これらの半導体装置１の冷却方法は前述の実施例■と実
質的に同様の効果を奏することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に
基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限
定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更可能であることは勿論である。

例えば、本発明は、実装基板２の実装面に複数個の半導
体ペレット３を実装する半導体装置１の冷却システムに
適用してもよい。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。

半導体装置の冷却技術において、冷却効率を向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例Ｉである半導体装置の冷却シ
ステムを示す概略構成図、 第２図は、前記冷却システムの要部拡大図、第３図乃至
第５図は、本発明の実施例■である半導体装置の冷却シ
ステムの要部拡大図である。 図中、１・・・半導体装置、２・・・実装基板、３・・
・半導体ペレット、３Ａ・・・半導体ウェーハ、１０・
・冷却媒体の固体化処理装置、１１・・・冷却媒体の粉
体化処理装置、１２・・・粉体供給管、１３・・・冷却
部、１４・・・排気管、２０・・二酸化炭素、２１・・
・二酸化炭素ガスである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低温度状態において固体から直接気化する冷却媒体
   を半導体装置の発熱部に直接々触させ、該冷却媒体を気
   化させながら半導体装置の発熱部を冷却したことを特徴
   とする半導体装置の冷却方法。 ２、前記冷却媒体は固体状態の二酸化炭素であることを
   特徴とする請求項１に記載の半導体装置の冷却方法。 ３、前記冷却媒体は微粉体化されており、この微粉体化
   された冷却媒体を前記半導体装置の発熱部に直接々触さ
   せることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半
   導体装置の冷却方法。