JPH04176151A - 半導体装置およびその冷却装置 - 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】 ［発明の目的１ （産業上の利用分野） 本発明は、複数枚のウェファを積み重ねて構成される半
導体装置およびその冷却装置に関するものである。

（従来の技術） 最近、半導体技術やフォールトトレラン！・技術の進歩
は目覚ましいものがあり、例えば、１枚のウェファ上に
形成されるシステムをチップ状に切断することなく、シ
ステムとして十分に目的を達せられるような動作を可能
にすることができるようになっている。つまり、このよ
うなウェファスケールインテグレーション（ＷＳｒ）を
実現することにより、従来のチップ毎にパッケージを用
いた場合の配線」二の制約を回避できるとともに、実装
密度を向上させることが可能になっている。

ところが、このようにして得られたウェファを接続して
使用する場合、それぞれのウェファについて、従来のチ
ップとパッケージ間のボンディングと同様にウェファ周
辺に配線が集中する方式が採られるため、これらウェフ
ァ間を結合する配線数が制約され、配線密度をそれはと
高めることができなかった。

このため、これらウェファにより構成されるシステムを
用いて、例えば格子結合される並列システムを構築した
場合、上述したウエファスケールインテグレーンヨンに
よりプロセッサの実装密度が向上しても、配線密度の制
約から２次元格子結合までなら実装できても、３次元格
子結合までは実装できないことがあった。

そこで、このような密なウェファ間結合を実現するため
ウェファを複数枚積み重ね、各ウェファの間の結合を光
などを用いて可能にしたものが提案されている。ところ
が、複数のウェファを積み重ねて実装密度を向上させる
構成とすると、積み重ね構造の中央部分に位置されるウ
ェファから発生する熱の逃げ場かなくなるため、この部
分のウェファが異常に加熱されることがあり、ウェファ
としての正常な動作か難しくなる欠点かあった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のウェファスケールインテグレーション
を用いたものでは、ウェファ間の配線密度を高めること
ができないばかりか、ウェファを積み重ねて実装密度を
向」ニさせようとすると、積み重ね構造の中央部分に位
置されるウェファの発熱を効率よく処理できないことか
ら、この部分でのウェファか異常に加熱されることがあ
り、正常な動作が難しくなるなど動作不良の原因を招く
虞があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ウェファ
を積み重ねて実装密度の向上を図ることができるととも
に、良好な冷却効果も確保することか可能な半導体装置
およびその冷却装置を提供することを目的とする。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明は、多数のチップが搭載され且つ複数枚積み重ね
て設けられるウェファのそれぞれの間に該ウェファの面
方向に沿って冷却媒体が供給される空間部を形成すると
ともに、上記ウェファの少なくとも冷却媒体の通らない
部分に、その積み重ね方向に位置される各ウェファ間の
信号授受を行う配線部を設けるように構成したものであ
る。

また、本発明は、多数のチップが搭載され且つ複数枚積
み重ねて設けられるウェファ、これらウェファの間に該
ウェファの面方向に沿って形成され且つ冷却媒体が供給
される空間部および上記ウェファの少なくとも冷却媒体
の通らない部分に設けられ」−下方向に位置される各ウ
ェファ間の信号授受を行う配線部を具備した半導体装置
の各ウェファの間に形成される空間部を複数グループに
区分して複数の冷却路を接続し、これら冷却路に対して
異なる方向から冷却媒体を供給し上記空間部を通して上
記各ウェファを冷却するように構成したものである。

（作用） この結果、本発明によれば、積み重ねられたウェファの
中央部分に対しても冷却媒体が供給される空間部が形成
されるので、積み重ね構造の中央部分に位置されるウェ
ファ部分での蓄熱を効果的に排除することができるよう
になり、多くのウェファの積み重ね実装を可能にすると
ともに、積み重ね構造のすべての位置のウェファの不要
な加熱を防止できることから、すべてのウェファの正常
な動作を確保することができる。

また、本発明は、各ウェファの間に形成される空間部を
複数グループに区分して複数の冷却路より異なる方向か
ら冷却媒体を供給し各空間部を通してそれぞれウェファ
を冷却するようにできるので、各ウェファの冷却をむら
をなくして平均的な冷却を行うことか可能になり、冷却
むらに原因する熱膨張の違いによる各部の反りの発生、
内部応力の発生による変形、そして、変形による位置ず
れからくるウェファ間結合への悪影響をすべて除去する
ことかできる。

（実施例） 以下、本発明の第１の実施例を図面にしたがい説明する
。

第１図は、ウェファ１０の外観を示すもので、ここでは
理解し易くするため、その一部分を切り取って切断面が
見えるようにしている。

図において、１１はウェファ基板で、このウェファ基板
１１は、円盤状に形成されている。このウェファ基板１
］」二には、多数のチップ］２がそれぞれ整然と並へて
形成されている。この場合、各チップ１２の後述する一
方のり一ド１２ａは、ウェファ基板１１を貫通して裏面
に導出されている。

そして、このウェファ基板１１上のチップ１２が形成さ
れていない部分に、それぞれ同じ方向に沿って複数の帯
状突起１３を並設している。この帯状突起１３は、絶縁
物より形成されるもので、各チップ１２に対応させて垂
直方向に導電体１４を埋設している。これら導電体１４
は、対応するチップ］２の後述する他のリード］、　２
　ｂと電気的に接続され、また、その頭部分を僅かに突
起１３より露出している。この場合、これら導電体１４
は、後述するようにウェファ１０を積み重ねた状態で、
上側に位置するウェファ基板１１裏面に導出されたチッ
プ１２の一方のリード１．２　ａに、その頭部分を接触
可能にしている。

第２図は、第１図に示す構成のウェファ１０を複数枚密
着して積み重ねた場合の断面図を示すものである。

この場合、各ウェファ１０は、各帯状突起］３を上側ウ
ェファ１０のウェファ基板１］裏面に当接するようにし
て積み重ね半導体装置１５として構成するとともに、こ
の状態で、各帯状突起１３の間で冷却路１６を形成する
ようにしている。また、各ウェファ１０の帯状突起１３
は、それぞれチップ１２の他のリード１．２　ｂを接続
した導電体１４の頭部分を上側ウェファ］０のウェファ
基板１１裏面に導出されたチップ］２の一方のり−ド１
２ａに接触して、積み重ね方向に位置される各ウェファ
１０間の信号の授受を可能にしている。

かくして、このようにすると各ウェファ１０を複数密着
して積み重ね半導体装置１５に構成すると、各帯状突起
１３の間で冷却路１６が形成されるので、例えば、第３
図に示すように、半導体装置１５に対して冷却装置１７
により冷却された冷却媒体１８を循環ポンプ１９を介し
て強制的に循環させると、半導体装置］５の各冷却路］
６に対して冷却媒体］８が供給される。これにより、半
導体装置］５の積み重ね構造の中央部分に位置さ’１す
るウェファ１０での発熱を良好に排除して、効果的な冷
却を行うことができるので、ウエファコ０を多数積み重
ねて実装密度の向上を図ることができるととともに、こ
の中央部分でのウェファ１０の異常な加熱を防止して、
ウェファ１０の正常な動作を確保することができる。ま
た、冷却媒体１８は、発熱源であるチップ１２の表面を
直接通過するようになるので、チップ１２表面を直接冷
却することができるようになり、−層効率の良い冷却を
行うことかできる。

この場合、積み重ね構成の各ウェファ１０間は突起］３
によって接触支持されるので、ウェファ基板１１上に形
成されるチップ１２に応力がかかることがなく、しかも
各チップ１２は突起１３の間に位置されこれら突起１３
により保護されるようになるので、損傷などを受ける虞
も皆無にできる。

また、このような構成とすると、例えば、ウェファ基板
１の厚みを０．５ｍｍ程度とし、突起３の高さ寸法も０
．５＋ｎｍ程度とすると、このようなウェファ１０を１
００枚を密着して積み重ねたとしても全体で１０ｃｍ程
度の厚みをもった半導体装置１５として構成できる。こ
の場合、各ウェファ１０のウェファ基板１］に形成され
るチップ１２の数を１００個とすると、１チツプ１プロ
セツサの場合、１０ｃｍ角の構成中に１万個の並列計算
機を実装できることになる。

しかも、各ウェファ１０間の配線は、ウェファ１０の周
辺に限らず、積み重ね方向に位置される各ウェファ１０
間の配線も直接行うことができるので、多くの信号線に
よる配線が可能となり、３次元格子のようにウェファ１
０間の配線が多くなる結合方式も実現することができる
。

次に、第４図は、本発明の第２の実施例を示すものであ
る。この場合、積み重ね実装される各ウェファ２０は、
ウェファ基板２］上のチップ２２が形成されている部分
を避けて、冷却のための複数の溝部２３を形成している
。また、ウェファ基板２１上のチップ２２の形成部分に
は、これらチップ２２のリード（図示せず）が接続され
る導電体突起２４を形成するとともに、チップ２２の他
のリード２２ａをウェファ基板２１を貫通して裏面に導
出している。

そして、このようなウェファ２０を、図示のように複数
枚積み重ねるが、この状態で、上側に位置するウェファ
基板２１裏面に導出されたチップ２２の一方のリード２
２ａに導電体突起２４の頭部分を接触させて、積み重ね
方向に位置される各ウェファ２０間の７８号の授受を可
能にしている。

このようにしても、各ウェファ２０を複数密着して積み
重ね半導体装置２５に構成すると、各溝部２３により冷
却路２６か形成されているので、この溝部２３による冷
却路２６に対して冷却媒体を供給することにより、」二
連したと同様な効果が期待できる。この場合、各チップ
２２に対する冷却効果は、間接的冷却になるため第１の
実施例のものより多少劣るが、ウェファ２０間結合を行
う導電体突起２４を多く搭載できるので一層の配線密度
の向上を図ることができるとともに、半導体装置２５の
厚み寸法の点でも第１の実施例のものに比べ薄型が可能
になる。

第５図は、本発明の第３の実施例を示すものである。

この第５図は、ウェファの外観を示すもので、ここでも
理解し易くするため、その一部分を切り取って切断面が
見えるようにしている。この場合、ウェファ３０は、ウ
ェファ基板３１上に多数のチップ３２を形成し、また、
これらチップ３２が形成されていない部分に対応するウ
ェファ基板３１の表裏面にそれぞれ発光素子３３と受光
素子３４を埋設している。これら発光素子３３および受
光素子３４は、それぞれ対応して位置されるチップ３２
のリードが接続されるようになっている。

そして、ウェファ基板３１上のチップ３２が形成されて
いない部分の上記発光素子３３および受光素子３４の上
に沿って透明の帯状スペーサ３５を設け、第６図に示す
ようにスペーサ３５を挟み込むようにしてウェファ３０
を積み重ねて半導体装置３７を構成する。

このようにすると、積み重ね方向に位置される各ウェフ
ァ３０間での信号の授受は、透明の帯状スペーサ３５を
通して発光素子３３と受光素子３４の間でやり取りされ
る光信号により実現されるようになる。

かくして、各ウェファ３０を透明なスペーサ３５を介し
て積み重ねる構成としても、各スペーサ３５の間で冷却
路３６が形成されるので、これら冷却路３６に対して冷
却媒体を供給することにより、上述したと同様な効果が
期待てきる。

この場合、冷却媒体は、スペーサ３５により形成される
冷却路３６のみを通り、発光素子３３と受光素子３４の
間の光路と隔てられているので、光路を冷却媒体が横切
ることがなく、冷却媒体の透明度や屈折率が発光素子３
３と受光素子３４の間でやり取りされる光通信に悪影響
を与えるのを防止できる。しかも、冷却媒体は、発熱源
であるチップ３２の表面を直接通過するようになるので
、チップ３２表面を直接冷却することができ、効率の良
い冷却を行うことができる。また、この実施例では、各
ウェファ３０の間の接触する面積を大きく取れるので、
この部分でのウェファ間配線術゛度をさらに高めること
が可能になる。さらに、スペーサ３５をウェファ３０と
別に作ることができるので、製作の面でも有利である。

さらに、スペーサ３５の厚みを多少大きめにすれば、チ
ップ３２部分に凹凸があっても良いので、チップ配線用
のウェファにチップを張り付けたものにも適用すること
ができる。

次に、第７図は、このように構成されたシステムに適用
される冷却システムを示すものである。

＝　１４− この場合、半導体装置４０は、上述したようにウェファ
４］を複数枚積み重ね、各ウェファ４］の間に冷却路４
２を形成したものである。

このようなの各ウェファ４１間の冷却路は、ＡとＢの２
つのグループに分け、各グループＡＳＢごとに冷却パイ
プ４３．４４を取り伺ける。そして、グループＡのパイ
プ４３に、冷却装置４５と循環ポンプ４６を設けて、図
示矢印のように上から下に向かって冷却媒体を供給し、
一方、グループＢのパイプ４４に、冷却装置４７と循環
ポンプ４８を設けて、図示矢印のように下から上に向か
って冷却媒体を供給するようにしている。

このようにすると、各ウェファ４１の冷却をむらなく均
一的に行うことが可能になる。なぜならば、グループＡ
、Ｂのすべての冷却パイプ４３．４４に同し方向に冷却
媒体が流れると、各ウェファ４１を通り抜けるたびに冷
却媒体が熱せられ、冷却能力が落ちていくか、上述した
ようにグループＡの冷却パイプ４３とグループＢの冷却
パイプ４４に流れる冷却媒体の方向が異なると、冷却媒
体の半分が暖まっても、半分は冷えている状態になるの
で、積み重ねられたウェファ４１の上部でも下部でも冷
却能力が平均化され冷却むらがなくなる。そして、冷却
むらの発生を防止することにより、が熱膨張の違いによ
るシステムの反りの発生、内部応力の発生による変形、
そして、変形による位置ずれからくるウェファ４１間結
合への態形響をすべて解決することができるようになる
。

なお、本発明は、上記実施例にのみ限定されず、要旨を
変更しない範囲で適宜変形して実施できる。

例えば、第１の実施例では、ウェファ１０」二に帯状突
起を形成するようにしたが、この突起は帯状でなくブロ
ック状のものでもよい。

［発明の効果コ 本発明は、多数のチップが搭載され且つ複数枚積み重ね
て設けられるウェファのそれぞれの間に該ウェファの面
方向に沿って冷却媒体が供給される空間部を形成すると
ともに、上記ウェファの少なくとも冷却媒体の通らない
部分に、その積み重ね方向に位置される各ウェファ間の
信号授受を行う配線部を設けるように構成したものであ
るから、積み重ねられたウェファの中央部分に対しても
冷却媒体が供給される空間部が形成されるので、積み重
ね構造の中央部分に位置されるウェファ部分での蓄熱を
効果的に排除することができるようになり、多くのウェ
ファの積み重ね実装を可能にするとともに、積み重ね構
造のすべての位置のウェファの不要な加熱を防止でき、
すべてのウェファの正常な動作を確保することができる
。

また、本発明は、多数のチップが搭載され且つ複数枚積
み重ねて設けられるウェファ、これらウェファの間に該
ウェファの面方向に沿って形成され且つ冷却媒体が供給
される空間部および上記ウェファの少なくとも冷却媒体
の通らない部分に設けられ上下方向に位置される各ウェ
ファ間の信号授受を行う配線部を具備した半導体装置の
各ウェファの間に形成される空間部を複数グループに区
分して複数の冷却路を接続し、これら冷却路に対して異
なる方向から冷却媒体を供給し上記空間部を通して上記
各ウェファを冷却するように構成したものであるから、
各ウェファの間に形成される空間部を複数グループに区
分して複数の冷却路より異なる方向から冷却媒体を供給
し空間部を通して各ウェファを冷却するようにできるよ
うになり、各ウェファの冷却むらをなくして平均的な冷
却を効率よく行うことが可能になり、冷却むらに原因し
ていた熱膨張の違いによる各部の反りの発生、内部応力
の発生による変形、そして、変形による位置すれから生
じるウェファ間結合への悪影響などをすべて解決するこ
とかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例に用いられるウェファ
を一部切断して示す外観図、第２図は、同ウェファを複
数枚積み重ねた状態を示す断面図、第３図は、同実施例
に用いられる冷却装置の一例を示す構成図、第４図は、
本発明の第２の実施例を示す断面図、第５図は、第３の
実施例に用いられるウェファを一部切断して示す外観図
、第６図は、同ウェファを複数枚積み重ねた状態を示す
断面図、第７図は、各実施例に適用される冷却装置を示
す構成図である。 １０，２０．３０．４１・・ウェファ、１１゜２１．３
１・・ウェファ基板、１．２，２２．３２　・チップ、
１３・・帯状突起、４・・・導電体、コ５゜２５．３７
．４０・・・半導体装置、１６，２６゜３６．４２・・
・冷却路、１．７．４５・・冷却装置、１８・・・冷却
媒体、１９．４６・・・循環ポンプ、２４・・導電体突
起、３３・・・発光素子、３４・・受光素子、３４・・
スペーサ、４３．４４・・・冷却パイプ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数のチップが搭載され且つ複数枚積み重ねて設
   けられるウェファと、 これらウェファの間に該ウェファの面方向に沿って形成
   され且つ冷却媒体が供給される空間部と、上記ウェファ
   の少なくとも冷却媒体の通らない部分に設けられ積み重
   ね方向に位置される各ウェファ間の信号授受を行う配線
   部とを具備したことを特徴とする半導体装置。
2. （２）多数のチップが搭載され且つ複数枚積み重ねて設
   けられるウェファ、これらウェファの間に該ウェファの
   面方向に沿って形成され且つ冷却媒体が供給される空間
   部および上記ウェファの少なくとも冷却媒体の通らない
   部分に設けられ上下方向に位置される各ウェファ間の信
   号授受を行う配線部を具備した半導体装置と、 上記ウェファの間に形成される空間部を複数グループに
   区分して接続される複数の冷却路と、これら冷却路に対
   して異なる方向の冷却媒体を供給し上記空間部を通して
   上記各ウェファを冷却する冷却媒体供給手段とを具備し
   たことを特徴とする冷却装置。