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JP2006019595A - Semiconductor device cooling system - Google Patents

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JP2006019595A
JP2006019595A JP2004197361A JP2004197361A JP2006019595A JP 2006019595 A JP2006019595 A JP 2006019595A JP 2004197361 A JP2004197361 A JP 2004197361A JP 2004197361 A JP2004197361 A JP 2004197361A JP 2006019595 A JP2006019595 A JP 2006019595A
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JP
Japan
Prior art keywords
cooling
semiconductor device
semiconductor
cooling block
reflux
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004197361A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiro Yoneyama
勝廣 米山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2004197361A priority Critical patent/JP2006019595A/en
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    • H10W72/5522
    • H10W72/884
    • H10W74/00
    • H10W74/15
    • H10W90/724
    • H10W90/734
    • H10W90/754

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

【課題】
半導体チップが発生する熱を効果的に吸収し、これによって温度上昇が確実に抑えられるようにした半導体装置の冷却装置を提供する。
【解決手段】
数10μmの厚さの板状金属材料38をエッチングして凹部40を形成するとともに、上記板状金属材料38を接合して内部に凹部40を整合して形成される還流通路42を有する冷却ブロック11を半導体チップ10と重合うか近接するように取付け、上記還流通路42内に冷却水あるいは冷媒を循環させて強制冷却を行なう。
【選択図】 図5
【Task】
Provided is a cooling device for a semiconductor device that effectively absorbs heat generated by a semiconductor chip and thereby reliably suppresses a temperature rise.
[Solution]
A cooling block having a reflux passage 42 formed by etching the plate-shaped metal material 38 having a thickness of several tens of μm to form the recess 40 and joining the plate-shaped metal material 38 to align the recess 40 therein. 11 is attached so as to overlap or be close to the semiconductor chip 10, and cooling water or a coolant is circulated in the reflux passage 42 to perform forced cooling.
[Selection] Figure 5

Description

本発明は半導体装置の冷却装置に係り、とくに半導体集積回路(半導体素子)の放熱性の改善に関し、とくに発熱量の大きなCPUやMPU等に用いて好適な強制冷却が可能な半導体素子のパッケージ構造とその実装構造に関する。   The present invention relates to a cooling device for a semiconductor device, and more particularly to improvement of heat dissipation of a semiconductor integrated circuit (semiconductor element). In particular, the package structure of a semiconductor element capable of forced cooling suitable for use in a CPU or MPU having a large heat generation amount. And its mounting structure.

半導体装置は、半導体チップを絶縁材料である合成樹脂やセラミックによって封止して形成され、その電極の部分を通して外部の回路と接続されるようになっている。そして半導体素子はとくにその中を流れる電流のジュール熱によって発熱する。従ってその放熱を適正に行なわないと温度が上昇することになる。   A semiconductor device is formed by sealing a semiconductor chip with a synthetic resin or ceramic as an insulating material, and is connected to an external circuit through the electrode portion. The semiconductor element generates heat particularly due to the Joule heat of the current flowing therethrough. Therefore, the temperature rises if the heat dissipation is not performed properly.

そこで例えば特開平6−196596号公報には、半導体集積回路素子とこの素子に接続されたリードフレームとを樹脂で封止して封止樹脂部が形成された半導体装置において、封止樹脂部に冷却管を設けるようにし、冷却管に空気または水を流すことによって、半導体素子から発生した熱が樹脂封止部を通じ、その空気または水を介して外部に効率良く放熱するようにした半導体装置が開示されている。   Therefore, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-196596, in a semiconductor device in which a semiconductor integrated circuit element and a lead frame connected to the element are sealed with resin to form a sealing resin part, By providing a cooling pipe and flowing air or water through the cooling pipe, a semiconductor device in which heat generated from the semiconductor element is efficiently radiated to the outside through the air or water through the resin sealing portion It is disclosed.

また特開2003−297994号公報には、半導体チップと、半導体チップを封止する封止樹脂部と、半導体チップと接合するチップ接合面と反対側の裏面が封止部の表面に露出するタブと、半導体チップのボンディングパッドとをそれぞれ金線などのワイヤによって電気的に接続された複数のインナリードと、インナリードとそれぞれ一体で繋がり、かつ封止部の外部に突出する複数のアウタリードとから成り、タブと複数のインナリードとアウタリードのそれぞれの全面がパラジウムめっきによって被覆されていることにより、タブの裏面に放熱部が取付けられている場合に、半田リフロー等の際にパラジウムめっきは溶融しないために、放熱部材の脱落を防止でき、これによって信頼性を向上できるようにした半導体装置が開示されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2003-297994 discloses a semiconductor chip, a sealing resin portion for sealing the semiconductor chip, and a tab whose back surface opposite to the chip bonding surface to be bonded to the semiconductor chip is exposed on the surface of the sealing portion. And a plurality of inner leads electrically connected to the bonding pads of the semiconductor chip by wires such as gold wires, and a plurality of outer leads that are integrally connected to the inner leads and project outside the sealing portion. Because the entire surface of each of the tab, the plurality of inner leads, and the outer lead is covered with palladium plating, the palladium plating does not melt during solder reflow when the heat dissipation part is attached to the back surface of the tab. Therefore, a semiconductor device that can prevent the heat dissipation member from falling off and thereby improve the reliability is disclosed. There.

このように半導体装置の放熱性を改善するために、封止樹脂の半導体の表面積を広げたり、直接放熱板が大気に接する構造を採用したり、放熱フィン等を半導体装置に取付ける構造を採用するようにしている。また最近では半導体素子の高集積化と消費電力の増大とともに発熱量もそれに伴って増加の一途にあることから、上記放熱方法に加えて強制的に冷却する方法が一部の機器で見られるようになった。   Thus, in order to improve the heat dissipation of the semiconductor device, the surface area of the semiconductor of the sealing resin is increased, a structure in which the heat dissipation plate is in direct contact with the atmosphere, or a structure in which heat dissipation fins are attached to the semiconductor device is employed. I am doing so. Recently, as the integration of semiconductor elements and the increase in power consumption, the amount of heat generation is also increasing along with it, so a method of forced cooling in addition to the above heat dissipation method can be seen in some devices. Became.

すなわちファンによる強制空冷やヒートパイプの利用、あるいはペルチェ素子の活用(特許第3246199号公報)等が挙げられる。一部では、さらに効果を上げるために、従来は大型コンピュータのCPUの冷却や特殊な用途でしか用いられなかった水冷式による冷却も行なわれるようになってきた。   That is, for example, forced air cooling with a fan, use of a heat pipe, use of a Peltier element (Japanese Patent No. 3246199), and the like. In some cases, in order to further improve the effect, cooling of a CPU of a large-sized computer or cooling by a water-cooling method that has been used only for special purposes has come to be performed.

このように半導体素子を冷却する場合に、放熱が必要な半導体装置に対して、従来例に見られるような何等かの工夫を行なうことが必要になる。このことは放熱効果を上げようとする半導体素子に対して何等かの装置あるいは機材を半導体装置の下面または上面に取付け、自然放熱、強制空冷、強制液冷またはペルチェ素子による熱の強制移動等によって冷却するものである。   Thus, when cooling a semiconductor element, it is necessary to devise some kind of device as seen in the conventional example for a semiconductor device that requires heat dissipation. This can be achieved by attaching any device or equipment to the lower or upper surface of the semiconductor device to increase the heat dissipation effect, by natural heat dissipation, forced air cooling, forced liquid cooling, or forced transfer of heat by a Peltier element. It is to be cooled.

従ってこのような装置あるいは機材を取付けることによって、半導体装置の厚みと同等またはそれ以上の寸法になるために、これを電子機器に組込む際に、半導体装置と冷却用の装置あるいは機材の厚みを勘案する必要があり、これが電子機器のデザイン上の制約になっている。また比較的構造が簡単なファンによる強制空冷方式を採用しても、半導体装置とファンとの配置に距離的な問題と配置上の問題で構造上の制約を受けることになる。
特開平6−196596号公報 特開2003−297994号公報 特許第3246199号公報
Therefore, the size of the semiconductor device is equal to or greater than the thickness of the semiconductor device by attaching such a device or equipment. Therefore, the thickness of the semiconductor device and the cooling device or equipment is taken into account when incorporating it into an electronic device. This is a limitation in the design of electronic devices. Even if a forced air cooling method using a fan having a relatively simple structure is employed, the arrangement of the semiconductor device and the fan is restricted by a structural problem due to a distance problem and an arrangement problem.
JP-A-6-196596 JP 2003-297994 A Japanese Patent No. 3246199

本願発明の課題は、半導体素子が発生する熱を強制的に奪って冷却を行なう半導体装置の冷却装置を提供することである。   The subject of this invention is providing the cooling device of the semiconductor device which cools by forcibly taking in the heat which a semiconductor element generate | occur | produces.

本願発明の別の課題は、半導体装置の寸法を大きく増大させることなくしかも強制冷却の機能を有する半導体装置の冷却装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a cooling device for a semiconductor device which has a function of forced cooling without greatly increasing the size of the semiconductor device.

本願発明の別の課題は、従来の方式による制限を緩和することと、放熱部の薄型化と、半導体装置の実装とを、従来方式を逸脱することなく低コストで行なうようにした半導体装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device that relaxes the limitations imposed by the conventional method, thins the heat dissipation portion, and mounts the semiconductor device at a low cost without departing from the conventional method. Is to provide.

本願発明のさらに別の課題は、半導体素子の放熱を効率よく行なうとともに、半導体素子を実装する際に、半導体素子部の厚みをほぼ従来と同様に保つことが可能であり、また従来の方式に比べて放熱機器の取付け工数や機材を削減することが可能な半導体装置を提供することである。   Still another problem of the present invention is to efficiently dissipate heat from the semiconductor element, and when mounting the semiconductor element, it is possible to keep the thickness of the semiconductor element part almost the same as the conventional one. In comparison, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of reducing the number of man-hours and equipment for installing a heat dissipation device.

本願発明の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。   The problems of the present invention and other problems will be clarified by the technical idea of the present invention and the embodiments thereof described below.

本願の主要な発明は、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体素子を冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置に関するものである。   The main invention of the present application is to attach a cooling block having a cooling fluid return passage formed therein in contact with or close to the outer surface of a single or a plurality of semiconductor elements, and to return the cooling block through the return passage. The present invention relates to a cooling device for a semiconductor device, wherein the semiconductor element is cooled by a fluid.

ここで前記冷却ブロックが、溝加工された複数枚の板状体を拡散接合法によって積層するとともに、該複数枚の板状体の溝を整合させて還流通路を形成して成り、半導体素子の電極面とは反対側の面に接合されるように取付けてよい。また前記冷却ブロックが、少なくとも2枚の板状体の組合わせから成り、その一方または双方に冷却用流体を還流させる溝を形成して貼合わせ、前記溝部と接続される少なくとも2つの還流口を設け、該還流口に冷却用流体を還流させる接続手段を設けてよい。また前記接続手段が半導体素子を実装するインターポーザ基板を貫通してよい。また前記接続手段がこの半導体装置を実装する実装基板を貫通してよい。   Here, the cooling block is formed by laminating a plurality of grooved plate-like bodies by a diffusion bonding method, and aligning the grooves of the plurality of plate-like bodies to form a reflux path. You may attach so that it may join to the surface on the opposite side to an electrode surface. Further, the cooling block is composed of a combination of at least two plate-like bodies, and a groove for refluxing the cooling fluid is formed on one or both of them, and at least two reflux ports connected to the groove are provided. A connecting means for returning the cooling fluid to the reflux port may be provided. The connecting means may penetrate an interposer substrate on which a semiconductor element is mounted. Further, the connecting means may penetrate a mounting substrate on which the semiconductor device is mounted.

本願の別の主要な発明は、リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、
内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを前記半導体チップに接するか近接するように取付け、前記絶縁材料によって一体化し、
前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体チップを冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置に関するものである。
Another main invention of the present application is a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a lead frame and sealed with an insulating material.
A cooling block having a cooling fluid return passage formed therein is attached so as to be in contact with or close to the semiconductor chip, and is integrated by the insulating material,
The present invention relates to a cooling device for a semiconductor device, wherein the semiconductor chip is cooled by a fluid returning through a return passage of the cooling block.

ここで前記冷却ブロックは前記リードフレームに対して前記半導体チップとは反対側に取付けられてよい。また前記冷却ブロックは前記半導体チップと前記リードフレームとの間に挟着されるように取付けられてよい。また前記冷却ブロックは還流通路と連通する少なくとも2つの還流口を有し、該還流口を通して前記還流通路に冷却用流体を還流させてよい。   Here, the cooling block may be attached to the lead frame opposite to the semiconductor chip. The cooling block may be attached so as to be sandwiched between the semiconductor chip and the lead frame. The cooling block may have at least two reflux ports communicating with the reflux passage, and the cooling fluid may be refluxed to the reflux passage through the reflux port.

また上記のような発明において、前記冷却ブロックの還流通路は、冷却する半導体素子が発する熱に応じてその形状または寸法を変えてよい。また前記冷却ブロックは管路によってラジエタと接続され、ポンプによって圧送された流体が強制循環されてよい。また前記冷却ブロックがエバポレータを構成し、管路によってコンデンサと接続され、圧縮機によって圧縮される流体が前記コンデンサで液化されて前記エバポレータに供給され、該エバポレータで熱を奪いながら気化する循環を繰返してよい。   In the invention as described above, the reflux passage of the cooling block may be changed in shape or size in accordance with heat generated by the semiconductor element to be cooled. The cooling block may be connected to a radiator by a pipe line, and the fluid pumped by the pump may be forcibly circulated. The cooling block constitutes an evaporator, and is connected to a condenser by a pipe line. The fluid compressed by the compressor is liquefied by the condenser, supplied to the evaporator, and repeatedly vaporized while removing heat from the evaporator. It's okay.

本願発明の好ましい態様は、従来技術の課題を解決すべく、半導体装置の冷却部の構造について、厚みを増加することがないように、使用する部材の厚みを10μm程度から100μm程度(厚みは必要であれば、さらに厚くすることも可能である。)とし、流体が還流する還流路の形成において、薄型の部材の加工に適したエッチングの手法を採用する。ここでエッチングの手法としては、母材の半分程度をエッチングするハーフエッチングを多用し、還流路の大小をレジストマスクの開口を加減することによって可能としている。またエッチング加工した部材を積層して本願発明の冷却構造を形成するための最大の要素として、冷却流体還流路からの冷却流体の漏れを生ずることがないように層間を接着剤、ロウ材、スポット溶接等に頼ることなく、層間を拡散接合方式により接合することによって、漏れに対する危惧をなくす構造を採用する。またコスト的な配慮としては、同時に多数個の冷却構造体が形成できるように、ワークサイズの拡大と多段積層方式とを採用する。   In a preferred embodiment of the present invention, in order to solve the problems of the prior art, the thickness of the member to be used is about 10 to 100 μm (thickness is necessary) so that the thickness of the cooling unit structure of the semiconductor device is not increased. If it is, it is possible to make it thicker.) In forming the reflux path through which the fluid circulates, an etching technique suitable for processing a thin member is adopted. Here, as an etching method, half-etching that etches about half of the base material is frequently used, and the size of the reflux path is made possible by adjusting the opening of the resist mask. In addition, as the most important element for forming the cooling structure of the present invention by laminating the etched members, the adhesive layer, the brazing material, the spot are used between the layers so as not to cause leakage of the cooling fluid from the cooling fluid return path. Adopting a structure that eliminates the risk of leakage by joining the layers by diffusion bonding without relying on welding or the like. Further, as cost considerations, an enlargement of the work size and a multi-layer stacking method are adopted so that a large number of cooling structures can be formed at the same time.

上記のような態様によれば、半導体装置の発生する熱は、冷却構造体に熱伝導され、冷却構造体の内部を流れる冷却流体に熱変換され、冷却流体還流口を通って外部に効率よく放熱することが可能になる。また半導体素子装置の実装において、予めマザー基板側の搭載される場所に冷却流体還流路の取入れ口と排出口のための穴加工を行なっておくことにより、従来の半導体素子装置の高さ方向での厚みを大幅に逸脱することなくしかも放熱の機能を付加した実装を行なうことが可能になる。   According to the above aspect, the heat generated by the semiconductor device is thermally transferred to the cooling structure, converted into the cooling fluid flowing inside the cooling structure, and efficiently passed to the outside through the cooling fluid return port. It becomes possible to dissipate heat. Also, in mounting the semiconductor element device, by drilling holes for the inlet and outlet of the cooling fluid return path in the place where the mother board side is mounted in advance, in the height direction of the conventional semiconductor element device Thus, it is possible to perform mounting without greatly deviating from the thickness of the substrate and adding a heat radiation function.

本願の主要な発明は、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって半導体素子を冷却するようにしたものである。   The main invention of the present application is that a cooling block having a cooling fluid return passage formed therein is attached so as to be in contact with or close to the outer surface of a single or a plurality of semiconductor elements, and the fluid that flows back through the return passage of the cooling block. Thus, the semiconductor element is cooled.

従ってこのような半導体装置の冷却装置によれば、冷却ブロックの管状通路を還流する流体によって半導体チップが発生した熱が強制的に奪われ、これによって半導体チップの強制冷却が可能になる。   Therefore, according to such a cooling device for a semiconductor device, the heat generated by the semiconductor chip is forcibly taken away by the fluid flowing back through the tubular passage of the cooling block, and thus the semiconductor chip can be forcibly cooled.

本願の別の主要な発明は、リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを半導体チップに接するか近接するように取付け、絶縁材料によって一体化し、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって半導体チップを冷却するようにしたものである。   According to another main invention of the present application, in a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a lead frame and sealed with an insulating material, a cooling block having a cooling fluid return passage formed therein is formed in the semiconductor chip. The semiconductor chip is attached so as to be in contact with or close to each other, integrated with an insulating material, and the semiconductor chip is cooled by a fluid that flows back through the return passage of the cooling block.

従ってこのような半導体装置の冷却装置によれば、冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって熱を奪うことにより、半導体チップを強制冷却することが可能になる。   Therefore, according to such a cooling device for a semiconductor device, it is possible to forcibly cool the semiconductor chip by taking heat away from the fluid returning through the return passage of the cooling block.

以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図1は本実施の形態に係る半導体装置を示しており、この半導体装置はCSP(chip size packageまたはchip scale package)、BGA(ball grid array)と称される半導体装置を図示して示したものである。   The present invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings. FIG. 1 shows a semiconductor device according to the present embodiment. This semiconductor device is a semiconductor device called a CSP (chip size package or chip scale package) or BGA (ball grid array). It is.

半導体チップ10はインターポーザ基板12にAgペースト等で固定され、かつ半導体チップ10の電極パッド16とインターポーザ基板12の電極18とを、Au、Al等の金属ワイヤ17によって接続し、半導体チップ10とワイヤ17とを保護するためにモールド樹脂13が印刷または成形により形成される。そして上記半導体チップ10とインターポーザ基板12との間に冷却ブロック11を挟着して配した構造になっている。   The semiconductor chip 10 is fixed to the interposer substrate 12 with Ag paste or the like, and the electrode pad 16 of the semiconductor chip 10 and the electrode 18 of the interposer substrate 12 are connected by a metal wire 17 such as Au or Al. 17 is formed by printing or molding. The cooling block 11 is sandwiched between the semiconductor chip 10 and the interposer substrate 12.

インターポーザ基板12は通常エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂の有機材料と銅箔とを積層して成る多層基板、あるいはガラス・セラミック等の材料で構成され、4〜8層程度の多層構造基板によって構成される。またインターポーザ基板12はCSPやBGA等のパッケージで、半導体チップ10とプリント配線基板21接続用端子との整合、あるいはグリッド変換を行なうために半導体チップ10を搭載する中間基板のことである。   The interposer substrate 12 is usually composed of a multilayer substrate formed by laminating an organic material of a thermosetting resin such as an epoxy resin or a polyimide resin and a copper foil, or a multilayer structure of about 4 to 8 layers made of a material such as glass or ceramic. Consists of a substrate. The interposer substrate 12 is a package such as CSP or BGA, and is an intermediate substrate on which the semiconductor chip 10 is mounted in order to perform matching between the semiconductor chip 10 and the terminal for connecting the printed wiring board 21 or grid conversion.

インターポーザ基板12は、マザーボード21上に形成されたバンプ電極23の配置に合わせて、バンプ基板22が形成されており、これらを球状をなすバンプ24によって接続し、マザーボード21とインターポーザ基板12とが回路接続されるようになっている。なお図1においては半導体チップ10は、冷却ブロック11に取付けられ、通常のCSPやBGAの構造とは異なっている。   The interposer substrate 12 is formed with a bump substrate 22 in accordance with the arrangement of the bump electrodes 23 formed on the mother board 21, and these are connected by a spherical bump 24, and the mother board 21 and the interposer substrate 12 are connected to each other. Connected. In FIG. 1, a semiconductor chip 10 is attached to a cooling block 11 and is different from a normal CSP or BGA structure.

冷却ブロック11は、後述する図3および図4に示す製造方法によって形成され、図7のシステム図に示すように接続されてその効果を発揮する。図1においては半導体チップ10を冷却ブロック11にAgペースト等の導電性または非導電性のペーストを用い、これらのペーストを半導体チップ10と冷却ブロック11の接合面に塗布した後に硬化し、しかも冷却ブロック11はインターポーザ基板12と同様にして固定される。   The cooling block 11 is formed by the manufacturing method shown in FIGS. 3 and 4 to be described later, and is connected as shown in the system diagram of FIG. 7 to exert its effect. In FIG. 1, a conductive or non-conductive paste such as an Ag paste is used for the cooling block 11 in the semiconductor chip 10, these pastes are applied to the bonding surface of the semiconductor chip 10 and the cooling block 11, and then cured and cooled. The block 11 is fixed in the same manner as the interposer substrate 12.

冷却ブロック11は、少なくとも2個所の還流口27を備えており、インターポーザ基板12を貫通して筒状接続具28と接続されて締結される。なおインターポーザ基板12およびマザーボード21にはそれぞれ上記還流口27および筒状接続具28を貫通させるための穴加工を予め行なっておくことが必要である。なお筒状接続具28には管路が接続され、一方の還流口はポンプ48と接続されるとともに、排熱側の還流口27がラジエータ52に接続される(図7参照)。   The cooling block 11 includes at least two reflux ports 27, penetrates the interposer substrate 12, is connected to the cylindrical connector 28, and is fastened. The interposer substrate 12 and the mother board 21 need to be drilled in advance for passing through the reflux port 27 and the cylindrical connector 28, respectively. A pipe line is connected to the tubular connector 28, one of the reflux ports is connected to the pump 48, and the exhaust port 27 on the exhaust heat side is connected to the radiator 52 (see FIG. 7).

冷却ブロック11は後述する製造方法および材料によって形成されるが、極めて熱伝導性の高い材料を選択して用いるとともに、この構造体の内部を冷却用流体が還流できる中空の還流通路42が形成されている。なおAgペーストについても同様に熱伝導性の高い材料が用いられる。   The cooling block 11 is formed by a manufacturing method and a material to be described later, and a material having extremely high thermal conductivity is selected and used, and a hollow reflux passage 42 through which a cooling fluid can circulate inside the structure is formed. ing. Note that a material having high thermal conductivity is also used for the Ag paste.

発熱体である半導体チップ10から発生する熱を次の経路で伝熱し、これによって半導体チップ10の温度上昇を抑える。すなわち半導体チップ10、Agペースト(10−11間の接合)、冷却ブロック11、ラジエータ52の順に熱を伝達して半導体チップ10の強制冷却を行なう。   Heat generated from the semiconductor chip 10 as a heating element is transferred through the following path, thereby suppressing a temperature rise of the semiconductor chip 10. That is, the semiconductor chip 10 is forcibly cooled by transferring heat in the order of the semiconductor chip 10, Ag paste (bonding between 10-11), the cooling block 11, and the radiator 52.

図2は図1と同様にCSP、BGAと称する半導体パッケージの一例であるが、半導体チップ10がワイヤボンディングによることなく、半導体チップ10側またはインターポーザ基板12側に形成されたバンプ33によって接続された形態の変形例を示している。なおこの変形例は、通常フリップ−チップタイプのCSPまたはBGAと称される。   FIG. 2 shows an example of a semiconductor package called CSP or BGA as in FIG. 1, but the semiconductor chip 10 is connected by bumps 33 formed on the semiconductor chip 10 side or the interposer substrate 12 side without wire bonding. The modification of a form is shown. This modification is generally called a flip-chip type CSP or BGA.

半導体素子10は、バンプ33によってインターポーザ基板12に回路接続されるが、ここでバンプ33は、半田ボール、Au、Ui等のメッキによる方法、Auワイヤを超音波と熱によりバンプ16またはバンプ33に接続して必要な寸法で切断し、上部を叩いて高さを揃える方法等により形成される。   The semiconductor element 10 is circuit-connected to the interposer substrate 12 by bumps 33. Here, the bumps 33 are solder balls, a method by plating of Au, Ui, etc. It is formed by a method of connecting and cutting with a necessary dimension and hitting the upper part to make the height uniform.

接続方法としては、半田の場合にはインターポーザ基板12の電極18側にクリーム半田を塗布しておいて、その上にバンプ33を含めた素子10を搭載し、リフロー装置を通して溶融結合する方法を採る。Niバンプも同様の方法となる。バンプ材料がAuの場合には、超音波接合またはACF(異方性導電膜)をバンプ33と電極16との間に挟んで熱圧着することにより接続される。なおACF(異方性導電膜)は、通常シート状のものもあるが、ペースト状のものも存在する。   As a connection method, in the case of solder, cream solder is applied to the electrode 18 side of the interposer substrate 12, and the element 10 including the bumps 33 is mounted thereon and melt-bonded through a reflow apparatus. . The Ni bump is the same method. When the bump material is Au, the connection is established by ultrasonic bonding or thermocompression bonding with an ACF (anisotropic conductive film) sandwiched between the bump 33 and the electrode 16. ACF (anisotropic conductive film) is usually sheet-like, but paste-like is also present.

アンダーフィル樹脂32は、バンプ33が半田の場合に、接続完了までに洗浄工程を経て半導体チップ10の電極16とインターポーザ基板12の電極18間に注入される。ACF(異方性導電膜)または異方性導電ペーストを用いる場合には、アンダーフィル樹脂32は必要としない。   When the bump 33 is solder, the underfill resin 32 is injected between the electrode 16 of the semiconductor chip 10 and the electrode 18 of the interposer substrate 12 through a cleaning process until the connection is completed. When using ACF (anisotropic conductive film) or anisotropic conductive paste, the underfill resin 32 is not required.

図2において、冷却ブロック11は半導体チップ10の裏面(上面)に図1と同様にAgペースト等の極めて導電性の高い材料で固定される。図2においてはアンダーフィル樹脂32が半導体チップ10の高さよりも低い位置でしかもアンダーフィル樹脂32の拡がりは半導体チップ10のサイズとほぼ同じくなる。   In FIG. 2, the cooling block 11 is fixed to the back surface (upper surface) of the semiconductor chip 10 with a material having extremely high conductivity such as Ag paste as in FIG. In FIG. 2, the underfill resin 32 is at a position lower than the height of the semiconductor chip 10 and the spread of the underfill resin 32 is substantially the same as the size of the semiconductor chip 10.

このことは半導体チップ10とインターポーザ基板12との間の接続面の強度が不足することが予想されるから、何等かの衝撃が加わった際に、半導体チップ10とインターポーザ基板12との間の接続不良が懸念される。これをカバーするために、押え金具34による固定を採用する。押え金具34は冷却ブロック11に形成された還流口27にねじで固定する等の対策を施し、インターポーザ基板12の周縁部に半田付け等により、あるいはまたねじ止め等の手段によって固定することによりその強度を高めることができる。   This is because the strength of the connection surface between the semiconductor chip 10 and the interposer substrate 12 is expected to be insufficient. Therefore, when any impact is applied, the connection between the semiconductor chip 10 and the interposer substrate 12 is performed. There is concern about defects. In order to cover this, fixing by the presser fitting 34 is employed. The holding metal fitting 34 is provided with a countermeasure such as fixing to the reflux port 27 formed in the cooling block 11 with screws, and is fixed to the peripheral portion of the interposer substrate 12 by soldering or by means such as screwing. Strength can be increased.

図2に示す構造は、従来の方式とあまり変らないように見受けられるが、放熱構造体を極力薄型化にし、しかも最良の材料および接続法により半導体チップ10と締結されていることから、放熱機器の取付けが簡略化され、しかも高さ方向の寸法を極力抑えた実装が可能になる。   Although the structure shown in FIG. 2 seems to be not much different from the conventional system, the heat dissipation structure is made as thin as possible and is fastened to the semiconductor chip 10 by the best material and connection method. Mounting is simplified, and the mounting in the height direction can be minimized.

次に半導体チップ10と接合するように取付けられる冷却ブロック11の構成を図3および図4によって説明する。まずこの冷却ブロック11の製造方法の特徴は拡散接合を用いることによって組立てられることに大きな特徴を有する。   Next, the configuration of the cooling block 11 attached to be joined to the semiconductor chip 10 will be described with reference to FIGS. First, the feature of the manufacturing method of the cooling block 11 is that it is assembled by using diffusion bonding.

拡散接合とは、2つの部材を加圧、加熱すると接合部分で原子の相互拡散が生じて、2つの部材が接合される。この作用を利用した接合方法が拡散接合である。拡散接合には、固相拡散接合と液相拡散接合があるが、固相拡散接合は、溶かさずに接合する方式であって、液相拡散接合は、接合する材料間にインサート材を用い、母材を接合間で溶融させて接合する方式である。雰囲気は、主に真空中で行なうが、不活性気体(例えばアルゴンガス)でも行なう場合がある。   In diffusion bonding, when two members are pressurized and heated, mutual diffusion of atoms occurs at the bonded portion, and the two members are bonded. A bonding method using this action is diffusion bonding. Diffusion bonding includes solid phase diffusion bonding and liquid phase diffusion bonding, but solid phase diffusion bonding is a method of bonding without melting, and liquid phase diffusion bonding uses an insert material between the materials to be bonded, In this method, the base material is melted between the joints. The atmosphere is mainly performed in a vacuum, but it may also be performed with an inert gas (for example, argon gas).

拡散接合の温度は、使用する材料によって異なるが、一般に1000℃以上で行なうことが多い。同種の金属に拡散接合を行なった場合に、接合部に反応が起らず、均質な接合界面が得られる。これは接合界面が実質的に発生しないことを意味する。また異種接合材料の場合には、接合界面が形成される。   The temperature of diffusion bonding varies depending on the material used, but generally it is often 1000 ° C. or higher. When diffusion bonding is performed on the same kind of metal, no reaction occurs in the bonded portion, and a uniform bonded interface is obtained. This means that a joining interface is not substantially generated. In the case of dissimilar bonding materials, a bonding interface is formed.

一般に拡散接合の特徴は、薄板の面接合が可能で、複数枚の薄板の積層接合が可能で、しかも溶融接合が困難な金属の接合が可能で、また異種材料の接合が可能で、組立て精度が比較的高く、複雑で中空部品の接合が可能な点にある。   In general, diffusion bonding is characterized by thin plate surface bonding, multiple thin plate lamination bonding, metal bonding that is difficult to melt, and dissimilar material bonding, assembly accuracy Is relatively high, complex and capable of joining hollow parts.

拡散接合で接合できる材料として、Ni系材料、鉄系材料、銅系材料、アルミ系材料、チタン系材料、セラミックス系材料、銅材料および他の材料と組合わせが可能としている。具体的素材としては、ステンレス(SUS304、SUS316等)、ニッケルおよびニッケル合金(42FN、50FN等)、チタン、Cu(無酸素Cu、純銅)、アルミニウム、Al等の広範囲の材料から選択が可能になっている。 As materials that can be joined by diffusion bonding, Ni-based materials, iron-based materials, copper-based materials, aluminum-based materials, titanium-based materials, ceramic-based materials, copper materials, and other materials can be combined. Specific materials are selected from a wide range of materials such as stainless steel (SUS304, SUS316, etc.), nickel and nickel alloys (42FN, 50FN, etc.), titanium, Cu (oxygen-free Cu, pure copper), aluminum, Al 2 O 3 and the like. It is possible.

積層時のワークサイズは、プレス機の仕様によるが、概ね500×500mm程度まだ可能となってきている。以上が拡散接合についての概要であるが、接合面の清浄や表面状態が大きく接合品質に影響する。   The work size at the time of lamination depends on the specifications of the press machine, but is still about 500 × 500 mm. The above is an outline of diffusion bonding, but the cleanness and surface condition of the bonding surface greatly affect the bonding quality.

図3の工程1の材料38は上記のような拡散接合が可能な材料が選択される。本実施の形態においては、SUSまたはNi系合金、あるいはCu系材料を用いている。また材料38の厚みは、最小20μmの板厚の材料から選択可能である。ワークサイズは、必要とする固片を同種多面付けしたものである。   As the material 38 in step 1 of FIG. 3, a material capable of diffusion bonding as described above is selected. In the present embodiment, SUS, Ni alloy, or Cu material is used. The thickness of the material 38 can be selected from materials having a minimum thickness of 20 μm. The work size is obtained by applying the same kind of multiple pieces to the required solid.

このような板状金属材料38は、そのエッチング工程に投入する前にマスク39によって所定の部位を被覆する(工程1)。ここでは樹脂系のレジスト材を用いている。なお図面においては裏面側のレジストはその図示を省略しているが、裏面はその全面にレジストが施される。またエッチングする個所のレジスト開口は、レジストに光感光性のものを選択し、露光してエッチングされる部分と対応する部分を洗浄することにより形成する。   Such a plate-shaped metal material 38 covers a predetermined portion with a mask 39 before being put into the etching step (step 1). Here, a resin resist material is used. In the drawing, the illustration of the resist on the back side is omitted, but the resist is applied to the entire back side. In addition, the resist opening at the location to be etched is formed by selecting a photosensitive photo resist and washing the portion corresponding to the portion to be etched by exposure.

工程2はエッチング工程である。すなわち工程1でマスク39が施された部位を残し、エッチング部40をハーフエッチングする工程である。エッチングは、エッチング液の濃度と浸漬する時間の管理を行なうことによって、所定のエッチングレートが得られることから、所定の時間を経過した後に、材料38を引上げれば材料の厚さの半分程度がエッチングされることになる。   Step 2 is an etching step. That is, the etching portion 40 is half-etched while leaving the portion where the mask 39 is applied in the step 1. In etching, a predetermined etching rate can be obtained by controlling the concentration of the etching solution and the immersion time. Therefore, when the material 38 is pulled up after a predetermined time has elapsed, about half of the thickness of the material is reduced. It will be etched.

この後工程3においてレジスト39の剥離を行なう。そしてその後に工程4で材料38の積層および接合を行なう。上記の工程1〜3を経た材料38を拡散接合によって結合する。ハーフエッチングによって形成された凹部40は、積層後に冷却体の還流通路42になる部分である。それぞれの材料38に形成された凹部40を対向して整合するように配置して管路42を形成する。   Thereafter, in step 3, the resist 39 is peeled off. Then, in step 4, the material 38 is laminated and bonded. The material 38 having undergone the above steps 1 to 3 is bonded by diffusion bonding. The recess 40 formed by half-etching is a portion that becomes the reflux passage 42 of the cooling body after lamination. The recesses 40 formed in the respective materials 38 are arranged so as to face each other and are aligned to form the pipe line 42.

この後に拡散接合によって結合された材料38の穴あけや追加工等の機械加工を行ない、還流口27の加工や取付け、あるいは各固片への切離しを行なう。ワークサイズから各固片への切離しは、抜き金型、ダイサー等によって行なう。   Thereafter, machining such as drilling or additional machining of the material 38 bonded by diffusion bonding is performed, and the reflux port 27 is processed or attached, or separated into individual pieces. Separation from the workpiece size into each solid piece is performed by a punching die, a dicer or the like.

図4は冷却ブロック12の還流通路42を形成するためのパターンの一例を示している。還流通路42は図4に示すような単純なパターンにとどまることなく、パターンの大きさまたは経路等、CAD上いかようにも設定可能であって、使用するCADシステムはプリント基板用に用いる装置を流用できる。上記のパターンの両端にそれぞれ還流口27を形成しておくとよい。   FIG. 4 shows an example of a pattern for forming the reflux passage 42 of the cooling block 12. The reflux path 42 is not limited to a simple pattern as shown in FIG. 4, and can be set in any way on the CAD such as the size or path of the pattern. The CAD system to be used is an apparatus used for a printed circuit board. Can be diverted. It is preferable to form reflux ports 27 at both ends of the pattern.

エッチングする母材38と同サイズにして各固片部にこのパターンを感光性樹脂の面に焼付けることによって、パターン部のレジスト39を開口してエッチング液にこの部分が侵食されてパターンが彫り込まれる。なお図4に示すパターン形状は単純なパターンであるが、プリント配線基板と同様の手法によって、各層へのエッチングパターンの形成や、穴あけ指示による層間の還流通路42の形成等が可能である。   The pattern is engraved by opening the resist 39 in the pattern portion and eroding this portion into the etching solution by baking this pattern on the surface of the photosensitive resin to the same size as the base material 38 to be etched. It is. Although the pattern shape shown in FIG. 4 is a simple pattern, it is possible to form an etching pattern on each layer or to form a reflux path 42 between layers by a drilling instruction by the same method as that of the printed wiring board.

図5は本発明の実施例での冷却ブロック11の構造を示している。冷却ブロック11は図3および図4の製造方法を基本に形成され、図5においては2枚の材料38をそれらの凹部40が互いに連通するように接合したものであって、上記凹部40によって還流通路42が形成されている。   FIG. 5 shows the structure of the cooling block 11 in the embodiment of the present invention. The cooling block 11 is formed on the basis of the manufacturing method shown in FIGS. 3 and 4. In FIG. 5, two materials 38 are joined so that the recesses 40 communicate with each other. A passage 42 is formed.

図6に示す構成は、同一または厚さの異なる材料38を5層に積層し、これによって還流通路42を2層にわたって形成した構成を示している。また図6において取付け孔45は、材料38を接合した後に穴加工を施して形成されたものである。このような取付け孔45は、インターポーザ基板12との締結あるいは冷却ブロック11と半導体チップ10との結合のために用いることができるものである。なお取付け孔45は必ずしも必要とするものではない。   The configuration shown in FIG. 6 shows a configuration in which the same or different materials 38 are laminated in five layers, thereby forming the reflux passage 42 in two layers. In FIG. 6, the attachment hole 45 is formed by drilling after joining the material 38. Such an attachment hole 45 can be used for fastening with the interposer substrate 12 or for coupling the cooling block 11 and the semiconductor chip 10. The attachment hole 45 is not necessarily required.

図5あるいは図6に示す冷却ブロック11において、その内部の還流通路42に冷却用流体を還流させる場合に最も危惧されるのが流体の漏れの問題である。塗料やシール等のシール材をねじ部に付加して冷却構造体の加工されたねじ部に取付ける方法や、ねじ等で取付けた後にロウ材により封止する等の対策を行なう。   In the cooling block 11 shown in FIG. 5 or FIG. 6, when the cooling fluid is returned to the return passage 42 in the cooling block 11, the problem of fluid leakage is most concerned. Measures are taken such as adding a sealing material such as paint or seal to the threaded portion and attaching it to the processed threaded portion of the cooling structure, or sealing with a brazing material after mounting with a screw or the like.

またこのような冷却ブロック11と外部機器とは、図7に示すような管路を介してポンプ48やラジエータ52に接続されるが、ここでは比較的柔軟なシリコン樹脂等のチューブを用いて接続することができる。なおこの場合においても、上記チューブとの接続部位における液漏れに対する対策が必要である。   Such a cooling block 11 and an external device are connected to the pump 48 and the radiator 52 through a pipe line as shown in FIG. 7, but here, they are connected using a relatively flexible tube made of silicon resin or the like. can do. Even in this case, it is necessary to take measures against liquid leakage at the connection portion with the tube.

次に以上のような半導体装置の冷却装置の動作を説明する。図5あるいは図6に示すような冷却ブロック11を半導体チップ10の下面に図1のように取付けるか、半導体チップ10の上面に図2のように取付けて、この半導体チップ10の冷却を行なう動作を図7によって説明する。上述の如く冷却ブロック11の一対の還流口27の内の吸入側の還流口27をポンプ48に接続するとともに、排出側の還流口27をラジエータ52に接続する。なおポンプ48はモータ49および駆動回路50によって駆動される。そしてこのモータ49を駆動する駆動回路50は温度センサ51に接続される。これに対してラジエータ52は放熱フィン53を備えるとともに、この放熱フィン53に対して冷却用ファン54から冷却風を強制的に送風するようにしている。なお冷却ファン54はモータ55および駆動回路56によって駆動される。   Next, the operation of the semiconductor device cooling apparatus as described above will be described. The cooling block 11 as shown in FIG. 5 or FIG. 6 is attached to the lower surface of the semiconductor chip 10 as shown in FIG. 1 or attached to the upper surface of the semiconductor chip 10 as shown in FIG. Will be described with reference to FIG. As described above, the suction-side reflux port 27 of the pair of reflux ports 27 of the cooling block 11 is connected to the pump 48, and the discharge-side reflux port 27 is connected to the radiator 52. The pump 48 is driven by a motor 49 and a drive circuit 50. A drive circuit 50 for driving the motor 49 is connected to the temperature sensor 51. On the other hand, the radiator 52 includes the radiation fins 53 and the cooling air is forced to be blown from the cooling fans 54 to the radiation fins 53. The cooling fan 54 is driven by a motor 55 and a drive circuit 56.

従ってモータ49によってポンプ48を駆動すると、冷却用流体、例えば水がポンプ48、冷却ブロック11、ラジエータ52から成る閉管路内を循環し、とくに冷却ブロック11の還流通路42内を通過する際に半導体チップ10が発生する熱を奪うことになる。そしてこれによって加温された冷却水がラジエータ52に強制的に圧送され、ここで放熱フィン53によって熱を放出して低温状態になる。そして低温の水が再びポンプ48によって冷却ブロック11に強制循環される。このような循環を繰返すことによって、半導体チップ10の熱が確実に除去されることになる。   Therefore, when the pump 48 is driven by the motor 49, a cooling fluid, for example, water circulates in the closed pipe line composed of the pump 48, the cooling block 11, and the radiator 52, and particularly when passing through the reflux passage 42 of the cooling block 11. The heat generated by the chip 10 is taken away. And the cooling water heated by this is forcibly pumped to the radiator 52, and here, heat is released by the radiation fins 53 to be in a low temperature state. Then, the low-temperature water is forcibly circulated to the cooling block 11 by the pump 48 again. By repeating such circulation, the heat of the semiconductor chip 10 is surely removed.

図8は冷却のためのサイクルとして、冷凍サイクルを用いた構成を示している。すなわちここではポンプ48に代えて圧縮機60が用いられるとともに、この圧縮機60を例えば圧電素子から成るアクチュエータ61によって駆動する。また上記冷却ブロック11の反対側の還流口27にはコンデンサ62が接続されるとともに、コンデンサ62と冷却ブロック11との間に膨張弁63が接続される。   FIG. 8 shows a configuration using a refrigeration cycle as a cycle for cooling. That is, here, a compressor 60 is used in place of the pump 48, and the compressor 60 is driven by an actuator 61 made of, for example, a piezoelectric element. A condenser 62 is connected to the reflux port 27 on the opposite side of the cooling block 11, and an expansion valve 63 is connected between the condenser 62 and the cooling block 11.

このような構成において、とくに冷却用媒体として、アンモニアや代替フロンを用いるようにする。従ってここでは冷却ブロック11がエバポレータとして作用し、半導体チップ10の発生する熱によって冷媒を蒸発させる。そして気化した冷媒が圧縮機60によって圧縮されるとともに、コンデンサ62に供給され、ここで熱を放出して凝集液化する。そして液化された冷媒が膨張弁63を通して冷却ブロック11に戻る循環を繰返す。すなわちここでは冷却ブロック11とコンデンサ61とによって、冷却用媒体が液体と気体とに相変化しながら半導体チップ10の熱を奪うことになる。   In such a configuration, ammonia or alternative chlorofluorocarbon is used as the cooling medium. Accordingly, here, the cooling block 11 acts as an evaporator, and the refrigerant is evaporated by the heat generated by the semiconductor chip 10. The vaporized refrigerant is compressed by the compressor 60 and supplied to the condenser 62, where heat is released and the liquid is condensed and liquefied. The liquefied refrigerant is repeatedly circulated through the expansion valve 63 to return to the cooling block 11. That is, here, the cooling block 11 and the capacitor 61 take away the heat of the semiconductor chip 10 while the cooling medium changes phase between liquid and gas.

次に別の実施の形態を図9〜図11によって説明する。この実施の形態はリードフレーム型の半導体装置に本発明を適用した実施の形態であって、リードフレーム72の保持部73上に絶縁樹脂でモールドされた半導体チップ10の冷却を行なうための装置である。   Next, another embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is an embodiment in which the present invention is applied to a lead frame type semiconductor device, and is a device for cooling a semiconductor chip 10 molded with an insulating resin on a holding portion 73 of a lead frame 72. is there.

広く使用されている半導体装置のパッケージの形態は、面実装タイプ、ディップタイプを問わず、リードフレーム72に半導体チップ10を固定してモールディングし、マザーボードに半田付けするリード75を折曲げ加工してリードフレーム72から切断した形状を採用している。   Regardless of the surface mounting type or the dip type, the package form of the widely used semiconductor device is formed by fixing the semiconductor chip 10 to the lead frame 72 and molding it, and bending the lead 75 to be soldered to the motherboard. A shape cut from the lead frame 72 is employed.

本実施の形態は、従来から普及しているこの種の半導体素子のパッケージ形態を逸脱することなくしかも冷却構造を取付けた形態を提供するものである。まずここでリードフレーム72は、通常42FN、50FN、コパール等を主体とする金属材料であって、半導体用リードフレーム72に多用される材料である。このようなリードフレーム72は、その両側端にそれぞれガイド孔78を備えた帯状の材料であって、所定の位置への半導体チップ10の搭載や、Agペーストの塗布等のための位置確認に用いられる。   The present embodiment provides a form in which a cooling structure is attached without departing from the package form of this type of semiconductor element that has been widely used. First, the lead frame 72 is usually a metal material mainly composed of 42FN, 50FN, copal, etc., and is a material frequently used for the semiconductor lead frame 72. Such a lead frame 72 is a band-shaped material provided with guide holes 78 on both side ends, and is used for mounting the semiconductor chip 10 at a predetermined position, or for confirming the position for applying Ag paste or the like. It is done.

リードフレーム72の保持部73に半導体チップ10を搭載して樹脂によってモールディングした後に、金型によって切断線76のところで切断する。なおこのような切断によって生じたリード75は半田付けされてマザーボード等に実装される。なおリード75は切断線76よりも根元側の折曲げ線77のところで折曲げられる。すなわちこのような半導体装置において、リード75を折曲げてプリント基板に実装するようになっている。そしてとくにリードフレーム72の保持部73の部分に半導体チップ10を実装してモールド樹脂により被覆されるようになっている。   After the semiconductor chip 10 is mounted on the holding portion 73 of the lead frame 72 and molded with resin, it is cut at the cutting line 76 with a mold. The lead 75 generated by such cutting is soldered and mounted on a mother board or the like. The lead 75 is bent at a bending line 77 at the base side of the cutting line 76. That is, in such a semiconductor device, the lead 75 is bent and mounted on a printed board. In particular, the semiconductor chip 10 is mounted on the holding portion 73 of the lead frame 72 and is covered with a mold resin.

ここでリードフレーム72の保持部73に実装される半導体チップ10は図10に示すように、その反対側の面、あるいはまた図11に示すように、半導体チップ10とリードフレーム72との間に、冷却ブロック11が取付けられる。   Here, as shown in FIG. 10, the semiconductor chip 10 mounted on the holding portion 73 of the lead frame 72 is on the opposite surface or between the semiconductor chip 10 and the lead frame 72 as shown in FIG. The cooling block 11 is attached.

冷却ブロック11の取付け方法としては、Agペースト、ロウ付け、溶接等による方法がある。図10の構成の場合は、半導体素子10から発生する熱は、この半導体素子10とリードフレーム72との間の接着層のAgペーストを介して、リードフレーム72に伝達され、さらに反対側の面に取付けられた冷却ブロック11に伝達される。ここで冷却ブロック11は上記第1の実施の形態と同様に、その内部の還流通路42に冷却体が還流していることから、冷却ブロック11を経て冷却体との間で熱交換が行なわれ、例えば図7に示すポンプ48あるいは図8に示す圧縮機60の圧力によって、冷却用の流体が強制循環されることになる。   As a method for attaching the cooling block 11, there is a method using Ag paste, brazing, welding or the like. In the case of the configuration of FIG. 10, the heat generated from the semiconductor element 10 is transmitted to the lead frame 72 via the Ag paste of the adhesive layer between the semiconductor element 10 and the lead frame 72, and the opposite surface Is transmitted to the cooling block 11 attached to the. Here, as in the first embodiment, the cooling block 11 circulates in the reflux passage 42 in the cooling block 11, so that heat is exchanged with the cooling body via the cooling block 11. For example, the cooling fluid is forcibly circulated by the pressure of the pump 48 shown in FIG. 7 or the pressure of the compressor 60 shown in FIG.

図10に示す構成は、冷却ブロック11がリードフレーム72に対して半導体チップ10とは反対側に配置されるが、半導体チップ10の搭載面側に図11に示すように搭載してもよい。そして上記冷却ブロック11から直接、あるいはまたリードフレーム12を貫通して、還流口27が取付けられることになる。なお図11の構成の場合は、リードフレーム72に還流口27を形成する位置に開口を形成する必要がある。   In the configuration shown in FIG. 10, the cooling block 11 is disposed on the side opposite to the semiconductor chip 10 with respect to the lead frame 72, but may be mounted on the mounting surface side of the semiconductor chip 10 as shown in FIG. 11. The reflux port 27 is attached directly from the cooling block 11 or through the lead frame 12. In the case of the configuration of FIG. 11, it is necessary to form an opening at a position where the reflux port 27 is formed in the lead frame 72.

半導体チップ10の電極はワイヤボンディング法によって図9に示すリードフレーム72のリード75の対応する端子の部分に接続される。そしてこの後にモールド樹脂成形を行ない、切断線76のところでリード75を切断し、折曲げ線77に沿って折曲げ加工を行なうことにより完成する。モールド成形の際に、金型には、還流口27にモールド樹脂が付着して塞ぐことがないように所定の対策を施す。   The electrodes of the semiconductor chip 10 are connected to corresponding terminal portions of the leads 75 of the lead frame 72 shown in FIG. 9 by wire bonding. Thereafter, molding resin molding is performed, the lead 75 is cut at the cutting line 76, and the bending process is performed along the folding line 77. At the time of molding, a predetermined measure is taken to prevent the mold resin from adhering to the reflux port 27 and closing the mold.

図10あるいは図11に示すようにリードフレーム72上に半導体チップ10とともに取付けられた冷却ブロック11は、例えば図7に示すポンプ48とラジエータ51とに接続される。すなわち冷却ブロック11は少なくとも2個所の還流口27を備えており、これらの還流口27の内の一方をポンプ48に接続し、これによって常に冷却された冷却水を冷却ブロック11内に吸入する。これに対して排出側の還流口27は、ポンプ48によって圧送される流体を押出すように熱交換し、この冷却水を還流口27から排出してラジエータ52に押しやる。ラジエータ52はこの冷却体を通常の温度に下げるべく、放熱フィン53やファン54等の強制的に冷却される冷却手段を備えている。   As shown in FIG. 10 or FIG. 11, the cooling block 11 attached together with the semiconductor chip 10 on the lead frame 72 is connected to, for example, the pump 48 and the radiator 51 shown in FIG. That is, the cooling block 11 is provided with at least two reflux ports 27, and one of these reflux ports 27 is connected to the pump 48, and the cooling water always cooled by this is sucked into the cooling block 11. On the other hand, the discharge-side reflux port 27 exchanges heat so as to extrude the fluid pumped by the pump 48, discharges this cooling water from the reflux port 27, and pushes it to the radiator 52. The radiator 52 is provided with cooling means such as radiating fins 53 and fans 54 that are forcibly cooled in order to lower the cooling body to a normal temperature.

ポンプ48は、発熱体である半導体チップ10あるいは冷却ブロック11に設けた温度センサ51または電源ONからのタイマと連動し、駆動回路50が駆動されると、これによってモータ49を介してポンプ48を循環させるように働く。当然ラジエータ52の制御も先のセンサ51の出力、あるいはタイマ等によって必要な冷却装置を駆動するための制御回路を持つ。   The pump 48 operates in conjunction with a temperature sensor 51 provided on the semiconductor chip 10 or the cooling block 11 that is a heating element or a timer from power ON, and when the drive circuit 50 is driven, the pump 48 is driven via the motor 49 thereby. Work to circulate. Of course, the radiator 52 also has a control circuit for driving a necessary cooling device by the output of the previous sensor 51 or a timer or the like.

ここで冷却用流体としては、水その他の冷却流体を構成する流体や、空気その他の気体をこの冷却系に使用することが可能である。また図8に示すような冷凍サイクルを用いる場合には、アンモニア、代替フロン等の低沸点の冷媒を用いる。   Here, as the cooling fluid, it is possible to use a fluid constituting water or other cooling fluid, air or other gas for this cooling system. When a refrigeration cycle as shown in FIG. 8 is used, a low boiling point refrigerant such as ammonia or chlorofluorocarbon is used.

このような強制冷却方式における最大の課題は、冷却ブロック11とその配管部分での液漏れや、管路の腐蝕である。本実施の形態においては、冷却ブロック11の材料については、ステンレス鋼や耐蝕性の高い材料の選択を行なうようにし、しかも層間の接続においては接着剤やスポット溶接等による継目や隙間が発生しない拡散接合法を用いて接続を行なうようにしている。   The biggest problem in such a forced cooling system is the leakage of liquid at the cooling block 11 and its piping part, and corrosion of the pipe line. In the present embodiment, the material of the cooling block 11 is made of stainless steel or a material having high corrosion resistance, and diffusion that does not generate a joint or a gap due to an adhesive or spot welding in the connection between layers. Connection is performed using a joining method.

また冷却ブロック11の還流口27は、冷却ブロック11にロウ付けを行なって液漏れの心配がないようにするとともに、還流路となるパイプの取付けも十分な配慮を行なうようにしている。また半導体チップ10あるいは冷却ブロック11の温度を検出するセンサは、発熱体の温度を感知するものであるから、例えばサーミスタや熱電対等が用いられる。   Further, the reflux port 27 of the cooling block 11 is brazed to the cooling block 11 so that there is no fear of liquid leakage, and sufficient consideration is given to the attachment of a pipe serving as a reflux path. The sensor that detects the temperature of the semiconductor chip 10 or the cooling block 11 senses the temperature of the heating element, and therefore, for example, a thermistor or a thermocouple is used.

以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態において半導体チップ10の冷却を行なう冷却ブロック11の還流通路42の具体的なパターンや、半導体チップ10に対する取付け構造等については、半導体チップ10の形状等に対応して各種の設計変更が可能である。また複数の半導体チップ10に共通に単一の冷却ブロック11を取付けるようにしてもよい。   Although the present invention has been described above with reference to the illustrated embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the invention included in the present application. For example, in the above embodiment, the specific pattern of the reflux passage 42 of the cooling block 11 that cools the semiconductor chip 10, the mounting structure for the semiconductor chip 10, and the like are various designs corresponding to the shape of the semiconductor chip 10. It can be changed. In addition, a single cooling block 11 may be attached to a plurality of semiconductor chips 10 in common.

本願発明は、CPUやMPU等の温度が上昇し易い半導体素子を備える半導体装置の冷却に広く利用可能である。   The present invention can be widely used for cooling a semiconductor device including a semiconductor element such as a CPU or MPU whose temperature is likely to rise.

冷却ブロックを備える半導体装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a semiconductor device provided with a cooling block. 冷却ブロックを備える半導体装置の変形例の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the modification of a semiconductor device provided with a cooling block. 冷却ブロックを構成する板状体のエッチング加工を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the etching process of the plate-shaped body which comprises a cooling block. エッチング加工を行なった板状金属材料の平面図である。It is a top view of the plate-shaped metal material which performed the etching process. 冷却ブロックの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a cooling block. 変形例の冷却ブロックの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the cooling block of a modification. 冷却装置の接続を示す配管図である。It is a piping diagram which shows the connection of a cooling device. 変形例に係る冷却装置の配管図である。It is a piping diagram of the cooling device concerning a modification. 別の実施の形態のリードフレームの平面図である。It is a top view of the lead frame of another embodiment. リードフレームを用いた半導体装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the semiconductor device using a lead frame. 変形例に係るリードフレームを用いた半導体装置の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the semiconductor device using the lead frame concerning a modification.

符号の説明Explanation of symbols

10‥‥半導体チップ、11‥‥冷却ブロック、12‥‥インターポーザ基板、13‥‥モールド樹脂、16‥‥電極パッド、17‥‥接続ワイヤ、18‥‥電極パッド、21‥‥マザーボード(実装基板)、22、23‥‥バンプ電極、24‥‥バンプ、27‥‥還流口、28‥‥筒状接続具、32‥‥アンダーフィル樹脂、33‥‥バンプ、34‥‥押え金具、38‥‥板状金属材料、39‥‥マスク、40‥‥エッチング部(凹部)、42‥‥還流通路、45‥‥取付け孔、48‥‥ポンプ、49‥‥モータ、50‥‥駆動回路、51‥‥温度センサ、52‥‥ラジエータ、53‥‥放熱フィン、54‥‥冷却ファン、55‥‥モータ、56‥‥駆動回路、60‥‥圧縮機、61‥‥アクチュエータ、62‥‥コンデンサ、63‥‥膨張弁、72‥‥リードフレーム、73‥‥保持部、74‥‥連結部、75‥‥リード、76‥‥切断線、77‥‥折曲げ線、78‥‥ガイド孔

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor chip, 11 ... Cooling block, 12 ... Interposer board, 13 ... Mold resin, 16 ... Electrode pad, 17 ... Connection wire, 18 ... Electrode pad, 21 ... Mother board (mounting board) , 22, 23 ... Bump electrode, 24 ... Bump, 27 ... Return port, 28 ... Cylindrical connector, 32 ... Underfill resin, 33 ... Bump, 34 ... Press fitting, 38 ... Plate Metallic material, 39 ... Mask, 40 ... Etching part (concave part), 42 ... Recirculation passage, 45 ... Mounting hole, 48 ... Pump, 49 ... Motor, 50 ... Drive circuit, 51 ... Temperature Sensor, 52 ... Radiator, 53 ... Radiating fin, 54 ... Cooling fan, 55 ... Motor, 56 ... Drive circuit, 60 ... Compressor, 61 ... Actuator, 62 ... Capacitor, 63 ... Expansion Valve, 72 ‥‥ lead frame, 73 ‥‥ holding portion, 74 ‥‥ connecting portion, 75 ‥‥ lead, 76 ‥‥ cutting line, 77 ‥‥ fold lines, 78 ‥‥ guide hole

Claims (12)

内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを単一または複数の半導体素子の外表面に接するか近接するように取付け、前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体素子を冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置。   A cooling block having a cooling fluid return passage formed therein is attached so as to be in contact with or close to the outer surface of one or a plurality of semiconductor elements, and the semiconductor element is cooled by the fluid flowing back through the return passage of the cooling block. A cooling device for a semiconductor device. 前記冷却ブロックが、溝加工された複数枚の板状体を拡散接合法によって積層するとともに、該複数枚の板状体の溝を整合させて還流通路を形成して成り、半導体素子の電極面とは反対側の面に接合されるように取付け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装置。   The cooling block is formed by laminating a plurality of grooved plate-like bodies by a diffusion bonding method, and aligning the grooves of the plurality of plate-like bodies to form a reflux path, and forming an electrode surface of a semiconductor element 2. The cooling device for a semiconductor device according to claim 1, wherein the cooling device is attached so as to be bonded to a surface opposite to the semiconductor device. 前記冷却ブロックが、少なくとも2枚の板状体の組合わせから成り、その一方または双方に冷却用流体を還流させる溝を形成して貼合わせ、前記溝部と接続される少なくとも2つの還流口を設け、該還流口に冷却用流体を還流させる接続手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の冷却装置。   The cooling block is composed of a combination of at least two plate-like bodies, and a groove for refluxing the cooling fluid is formed on one or both of them and bonded, and at least two reflux ports connected to the groove are provided. 2. The cooling device for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a connecting means for returning a cooling fluid to the reflux port. 前記接続手段が半導体素子を実装するインターポーザ基板を貫通することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の冷却装置。   4. The cooling device for a semiconductor device according to claim 3, wherein the connecting means passes through an interposer substrate on which a semiconductor element is mounted. 前記接続手段がこの半導体装置を実装する実装基板を貫通することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の冷却装置。   4. The semiconductor device cooling apparatus according to claim 3, wherein the connecting means penetrates a mounting substrate on which the semiconductor device is mounted. リードフレーム上に半導体チップを実装して絶縁材料によって封止するようにした半導体装置において、
内部に冷却用流体の還流通路が形成された冷却ブロックを前記半導体チップに接するか近接するように取付け、前記絶縁材料によって一体化し、
前記冷却ブロックの還流通路を還流する流体によって前記半導体チップを冷却することを特徴とする半導体装置の冷却装置。
In a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a lead frame and sealed with an insulating material,
A cooling block having a cooling fluid return passage formed therein is attached so as to be in contact with or close to the semiconductor chip, and is integrated by the insulating material,
A semiconductor device cooling apparatus, wherein the semiconductor chip is cooled by a fluid that flows back through a reflux passage of the cooling block.
前記冷却ブロックは前記リードフレームに対して前記半導体チップとは反対側に取付けられることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。   The semiconductor device cooling device according to claim 6, wherein the cooling block is attached to the lead frame opposite to the semiconductor chip. 前記冷却ブロックは前記半導体チップと前記リードフレームとの間に挟着されるように取付けられることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。   The semiconductor device cooling apparatus according to claim 6, wherein the cooling block is attached so as to be sandwiched between the semiconductor chip and the lead frame. 前記冷却ブロックは還流通路と連通する少なくとも2つの還流口を有し、該還流口を通して前記還流通路に冷却用流体を還流させることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。   The cooling device for a semiconductor device according to claim 6, wherein the cooling block has at least two reflux ports communicating with the reflux passage, and the cooling fluid is refluxed to the reflux passage through the reflux port. 前記冷却ブロックの還流通路は、冷却する半導体素子が発する熱に応じてその形状または寸法を変えることを特徴とする請求項1または請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。   The cooling device for a semiconductor device according to claim 1, wherein a shape or a dimension of the reflux passage of the cooling block is changed according to heat generated by a semiconductor element to be cooled. 前記冷却ブロックは管路によってラジエタと接続され、ポンプによって圧送された流体が強制循環されることを特徴とする請求項1または請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。   The cooling device for a semiconductor device according to claim 1, wherein the cooling block is connected to a radiator by a pipe line, and the fluid pumped by the pump is forcibly circulated. 前記冷却ブロックがエバポレータを構成し、管路によってコンデンサと接続され、圧縮機によって圧送される流体が前記コンデンサで液化されて前記エバポレータに供給され、該エバポレータで熱を奪いながら気化する循環を繰返すことを特徴とする請求項1または請求項6に記載の半導体装置の冷却装置。
The cooling block constitutes an evaporator, is connected to a condenser by a pipe line, and fluid that is pumped by a compressor is liquefied by the condenser and supplied to the evaporator, and the evaporator is repeatedly vaporized while removing heat. The semiconductor device cooling device according to claim 1, wherein the cooling device is a semiconductor device cooling device.
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