JPH02229456A - 半導体垂直型パワーデバイス用の改善された冷却組立体 - 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】 許請求の範囲第６項記載の冷却組立体。

本発明は、半導体垂直型パワーデバイス（高出力半導体
デバイス）に関するものであり、特には作動中こうした
デバイスを冷却するための改善された冷却組立体及び冷
却方法に関する。

１來ユ逝 現在の半導体デバイス小型化の傾向は、それらが分離さ
れたデバイスであれ或いは大型の集積回路であれ、半導
体チップにおける出力発生の大幅な増大をもたらした．
増大せる出力密度は作動温度を増大せしめ、この因子は
デバイス寿命に悪影響を与えそしてその性能を制約した
． 従来からの冷却方法は、デバイス作動温度を充分に低く
維持し得なかった。タツカーマン及びビースによるｒＩ
ＥＥＥ　　エレクトロン・デバイス・レターズＪ　　（
１９８１年）は、シリコンチップの裏側においてエッチ
ングにより形成された微小チャネル（導通溝）を通して
の流体の強制対流がデバイス冷却に有力な方法であるこ
とを示した。彼等の方法は，魅力的ではあったが、多く
の実用的上での問題を有していた． よ　　と 即ち、チップにおける微小チャネルの存在はチップを機
械的に弱体化し、堅牢なパッケージへの実装を困難なら
しめた．更に、微小チャネルを形成するブフセスは、微
細すぎるが故に、信頼性と収率を低下することが多かっ
た．チップの背面に微小チャネルを形成することが可能
ではない多数の用途が存在する．これは特に、基材の底
面が端子の一つを形成するような垂直型パワーデバイス
に対して云えることである．そうした場合、半導体は、
半導体とパッケージケースとの間に通常ベリリア或いは
アルミナであるセラミックパッドを挿入することにより
パッケージケースから電気的に隔絶される．パッケージ
はその後、ヒートシンク上に設置される．ヒートシンク
は、慣例的に重くそしてしばしば嵩高い銅製のブロック
である。

残念ながら、セラミックは一般に、乏しい熱伝導体であ
り、従ってチップとヒートシンクとの間に高い熱抵抗を
導入した。

本発明の課題は、先行技術の上述した欠点並びに他の欠
点を低減することである。

本発明の別の課題は、循回流体を作動している半導体デ
バイスに近接して持ちきたすことを可能ならしめる冷却
組立体を開発することである。

本発明の課題は、設置された半導体デバイスから冷却組
立体へと流れる熱の行路における界面の数を減少する冷
却組立体を開発することである。

本発明の更に別の課題は、半導体デバイスパッケージに
対して非常に低い熱抵抗を与える冷却組立体を開発する
ことである． 本発明の更に別の課題は、何ら特殊な半導体処理を必要
としない半導体デバイス用冷却組立体を開発することで
ある． 本発明は、軽量で且つ寸法においてもコンパクトな冷却
組立体を開発することをも課題とする。

゛　るこ　の 上述した課題は，本発明の一様相において、垂直型半導
体パワーデバイス用の新規にして改善された冷却組立体
により解決される．この冷却組立体は大きなアスペクト
比を有する複数の微小チャネル或いは溝を一面に形成し
たセラミックパッドを含み、半導体デバイスがパッドの
他方側に設置される． 本明細書においては、用語「微小チャネル」と「溝」と
は互換的に使用される． 複数の隔置された入口／出口を備えるコンパクトな給送
・排出（フィーダ）プレートが循回手段に対する界面と
して機能するようにセラミックパッドの溝付き側面に付
設されうる． 循回手段が、送給プレートの入口に流体を導入し、それ
に際して流体は溝を通して巡回しそして出口手段を通し
て排出される．流体は、それが溝を通して流れるに際し
てデバイスから熱を吸収する．溝に対しては多くの可能
な幾何学的模様が存在するけれども、溝並びに入口／出
口手段の長さ及び形態は熱交換を最大限とするべきであ
る．本発明のまた別の様相において、組立体は、介在プ
レート、ろう接手段並びにシール手段を含んでいる．介
在プレートは給送・排出プレートとセラミックパッドと
の間に配置されて、介在プレートの入口／出口手段が給
送・排出プレートの対応する入口／出口手段と整列され
る密着した組立体を提供する．ろう接手段がセラミック
パッドの溝付き表面を介在プレートにろう接する．シー
ル手段は、循回流体を保納するようセラミックパッドの
外面にエボキシシールを適用する． 及五五立盈ｊ 第ＩＡ図は、本発明に従う付設冷却組立体を備える半導
体デバイスパッケージの概略側面図である．図示のよう
に、冷却組立体は、介在プレート４０上に取付けられた
セラミックバツド２０から成る．介在プレート４０には
、コンパクトな送給プレート５０が付設される．半導体
垂直型パワーデバイス１０がセラミックバツド２０の上
面に付設される． 組立に先立って、個別に或いは包括的に参照番号２１に
より表示する大きなアスペクト比を有する微小チャネル
が、生成する溝がセラミックパッド２０の長手力向を横
切って走るようにセラミックパッドの一面に形成される
．別の具体例においては、溝の幾何学的輪郭は、その輪
郭がセラミック面の表面積を増大するかぎり異なったも
のと為しつる．前述したように、溝と微小チャネルとい
う用語は互換的に使用される．ろう接プロセスによって
、入口／出口を構成する開口４１及び４２が溝に露出す
るようにセラミックバッド２０の溝付き面を介在プレー
トにろう接或いはハンダ付けする． コンパクトな給送・排出プレート５０が介在プレート４
０に開口４ｌ及び４２が給送・排出ブレ一ト５０の入口
／出口を構成する開口５ｌ及び５２それぞれと整列する
ように付設される．加圧流体が入口５ｌ及び４ｌを通し
て冷却組立体に流入しそしてセラミックパッド溝を通し
て流通した後、出口４２及び５２を通して流出する．流
れは層流でありそして流量は小さいから循回要件は控目
である． 第ｌＢ図は、第ＩＡ図のまる印の部分の詳細拡大図であ
る．第ＩＢ図に示されるように，流体は、入口４１及び
５１を通して流れそしてデバイス１０に近接して流通し
しかも複数の溝一微小チャネルの一つを通して流れる．
この循回は、流体が半導体デバイス１０によって発生し
そしてセラミックを通して流体に伝わった熱を吸収する
ことを可能ならしめる．水のような高い比熱を有する流
体が、この熱吸収を最大限とするために使用されつる． 平滑なセラミックパッドに比較して、本発明に従うセラ
ミックパッドは、熱が流体に伝わるセラミック表面積を
有効に増大する．更に、バツケージの全体熱抵抗は流体
がデバイス表面に近接して流れるから減少される． 第２図は、本発明の好ましい具体例に従うセラミックパ
ッドの全長を横切っての単一溝の側面からの断面図であ
る．冷却組立体の要素は第ＩＡ及びＢ図に相当する参照
番号を有している．第２図の半導体デバイスパッケージ
を参照すると、ペリリア製のセラミックバッド２０が、
その下面において、取付け手段４５によりコンパクトな
送給プレート５０に付設される密着した組立体を提供す
るようコバール（商品名）製の介在プレート４０に付設
される．ベリリア製のセラミックバッド２０を介在プレ
ート４０にろう接或いは半田付けするに先立って、パッ
ド２０は、両面をメタライズ化されそして溝２１のよう
な大きなアスペクト比を有する微小チャネルがメタライ
ズ化された下面に形成される。溝付き表面は、Ｃｕ／Ａ
ｇ合金３０でもってコバール製介在プレートにろう接さ
れる．ベリリア製のセラミックパッド２０及びコバール
製介在プレート４０は、溝がプレート４０の入口４ｌ及
び出口４２の外縁に延在するようにろう接に先立って整
列される。他の具体例では、溝がまた別の入口及ぶ出口
の外縁に延在するとき最大の熱伝達が起こるように、複
数の入口及び出口が存在しうる．加えて、高い熱伝導率
を有する他の種セラミックが別の具体例において使用さ
れ得る． 組立体は、半導体デバイスが共晶接合されるセラミック
パッド２０の上面に２４ｋＴ金でめっきされる．エボキ
シスロットシール２５が、流体を保納するようにセラミ
ックパッドの端面に被覆される．コンパクトな送給プレ
ート５０が、コバール介在プレート４０に入口４ｌ及び
出口４２が送給プレート５０の入口５ｌ及び出口５２に
それぞれ整列するように付設される．単一の微小チャネ
ルに対して第２図に示したように、流体は、入口５１及
び４１を通して流入しそして溝２１を通して流れ、その
後出口４２及び５２を通して流出する．類似の流体循回
路が複数の溝の各々に対して存在する． 第３図は、セラミックパッド２０及び介在プレート４０
のセラミックパッドの一部を除いた斜視図である．矢印
により示されるように、流体は、介在プレート４０の入
口４ｌを通して流入しそして複数の溝２１を通過する．
循回流体はデバイス１０により発生せしめられた熱を吸
収し、そして出口４２を通して組立体を流出する。溝は
、セラミックバッド２０の全長に沿って存在するけれど
も、溝は第ＩＢ図に示唆したように入口４１及び出口４
２の外縁まで伸延すればよい．全長に沿って存在するよ
うにする方が作製が容易なことが多い．エボキシシール
２５がそれが入口４ｌ及び出口４２の外縁に達するまで
溝端に充填被覆されつる． 及ＩＲと先呈 以上説明したように、半導体垂直型型パワーデバイス用
の改善された冷却組立体が提供された。

本発明に従う溝付きセラミックパッドは、平坦表面のセ
ラミックパッドより循回流体により一層高い熱吸収を可
能ならしめる．流体が作動デバイスにより近接して流れ
るから熱抵抗も少ない。溝付きセラミックパッドの使用
は、ヒートシンクとしての嵩高い銅ブロックの必要性を
排除する．本発明の冷却方法は、半導体レーザ及びマル
チチップ用途のような高出力密度が存在するときには、
いかなるものであれ使用出来る．本方法はまた、溝がＩ
Ｃチップを設置するセラミックパッドに作製されるから
、チップ信頼性や収率に重大な影響を与えることなく、
ＩＣチップを冷却するのに使用されつる． 更に、本方法は、特別な半導体組立体処理プロセスを必
要としない．外側スペースでのパワーデバイスの使用は
デバイスパッケージが軽量で且つ小さいことを必要とす
るから、本発明冷却組立体は特にこうした用途に適合す
る。

以上、本発明の好ましい具体例について説明したが、本
発明に範囲内で多くの変更を為し得ることを銘記された
い．

【図面の簡単な説明】

第ＩＡ図は、本発明に従う半導体垂直型パワーデバイス
に対する冷却組立体の概略側面図である。 第ＩＢ図は、第ＩＡ図のまる印部分の拡大断面図である
。 第２図は、第ＩＡ図の本発明の好ましい具体例に従う、
単一溝を通しての流体循回行路全体を示す、冷却組立体
の側方からの拡大断面図である．第３図は、第ＩＡ図の
冷却組立体のセラミックパッド及び介在プレートの、セ
ラミックパッドの一部を除いた斜視図である． ３０：ろう接合金 １０：垂直型パワーデバイス ２０：セラミックパッド ４０：介在プレート ５０：送給・排出プレート ２１：微小チャネル（溝） ４１、５１：入口 ４２、５２：出口 ２５：シール

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体垂直型パワーデバイスの冷却を改善する方
   法であって、 セラミックパッドの２つの対向する主面の一方に大きな
   アスペクト比の微小溝を形成して、該一方表面に複数の
   溝を形成する段階と、 前記セラミックパッドの溝付き表面に該溝に露出する複
   数の入口／出口を有する介在プレートを付設する段階と
   、 前記デバイスの少なくとも一つを前記溝付きセラミック
   パッドの、他方の主面に付設する段階と、 流体を、前記溝を通して流れるように前記入口を通して
   循回せしめた後、前記出口を通して排出し、該循回流体
   によりデバイスが発生した熱をを包含する半導体デバイ
   ス冷却方法。
2. （２）介在プレートに該介在プレートの入口／出口と整
   合する複数の入口／出口を有する給送・排出プレートを
   付設する段階と、 循回流体を保納するようセラミックパッドの外面をシー
   ルする段階と を更に含む特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）介在プレートを付設する段階がセラミックパッド
   の溝付き表面を介在プレートにろう接することを含む特
   許請求の範囲第１項記載の方法。
4. （４）流体が高い比熱を有する特許請求の範囲第１項記
   載の方法。
5. （５）セラミックパッドが高い熱伝導率を有する特許請
   求の範囲第１項記載の方法。
6. （６）作動中循回流体をデバイスに近接状態に持ちきた
   すことを可能ならしめる改善された冷却組立体を備える
   半導体垂直型パワーデバイスパッケージであって、 ２つの対向する主面を有するセラミックパッドにして、
   該セラミックパッドの主面の一方に大きなアスペクト比
   の微小溝を形成する複数の溝を有するセラミックパッド
   と、 　前記セラミックパッドの溝付き表面に付設されそして
   該溝に露出する複数の入口／出口を有する介在プレート
   と、 　前記溝を通して流れるように前記入口を通して流体を
   循回せしめた後前記出口を通して排出する手段と を包含し、前記デバイスの少なくとも一つを前記溝付き
   セラミックパッドの他方の主面に付設しそして該循回流
   体によりデバイスが発生した熱を吸収することを特徴と
   する半導体垂直型パワーデバイスパッケージ。 ７）介在プレートに付設されそして該介在プレートの入
   口／出口と整合する複数の入口／出口を有する給送・排
   出プレートと、 　セラミックパッドの溝付き表面を介在プレートにろう
   接する手段と、 　循回流体を保納するようセラミックパッドの外面をシ
   ールする手段と を更に含む特許請求の範囲第６項記載の冷却組立体。 ８）流体が高い比熱を有する特許請求の範囲第６項記載
   の冷却組立体。 ９）セラミックパッドが高い熱伝導率を有する特許請求
   の範囲第６項記載の冷却組立体。