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JPH06252300A - 冷却装置を備えた集積回路チップ及びその製造方法 - Google Patents

冷却装置を備えた集積回路チップ及びその製造方法

Info

Publication number
JPH06252300A
JPH06252300A JP5330529A JP33052993A JPH06252300A JP H06252300 A JPH06252300 A JP H06252300A JP 5330529 A JP5330529 A JP 5330529A JP 33052993 A JP33052993 A JP 33052993A JP H06252300 A JPH06252300 A JP H06252300A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
integrated circuit
circuit chip
cooling
silicon
cooling body
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP5330529A
Other languages
English (en)
Inventor
Keiichiro Nakanishi
敬一郎 中西
Tsuneyo Chiba
常世 千葉
Hiroyuki Itou
博之 以頭
Tatsuya Saito
達也 齊藤
Takeshi Kato
猛 加藤
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP5330529A priority Critical patent/JPH06252300A/ja
Publication of JPH06252300A publication Critical patent/JPH06252300A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2924/153—Connection portion
    • H01L2924/1531—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15312—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a pin array, e.g. PGA

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

Abstract

(57)【要約】 【目的】集積回路チップの歩留りを低下させることな
く、集積回路チップの直接冷却フィンを形成した場合と
同等の冷却性能を有する集積回路チップ冷却装置および
実装モジュール構造を提供する。 【構成】シリコン板にフィン１を形成した冷却体１００
と、シリコン製の集積回路チップ３の結合面を鏡面加工
し、元素同士の結合を用いて両者を固着し、集積回路と
冷却体を一体化する。 【効果】冷却能力が高く、集積回路チップの高密度実装
が可能な集積回路チップ冷却装置を用いた実装モジュー
ルを提供できる。さらに、低コストで処理能力の高い大
型電子計算機を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、集積回路チップを冷却
するための冷却装置、および前記冷却装置を適用した集
積回路チップ実装モジュール、および前記集積回路チッ
プ実装モジュールを適用した電子計算機装置に係り、特
に、消費電力の大きな集積回路チップを高密度に実装す
る大型電子計算機等の実装に好適な集積回路チップ冷却
装置および実装モジュールおよび電子計算機装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】最近の大型電子計算機では処理速度向上
のため、ゲート集積度が高く消費電力の大きな集積回路
チップを高密度に実装するモジュール実装技術が広く使
われている。現在、モジュール実装に適用中の集積回路
チップの一例をあげると、約１５ｍｍ角の大きさで３０
Ｗ以上の電力を消費するものが実用化されている。従っ
て、その冷却装置も小型で高性能なものが必要となり、
各種の冷却方式が提案されている。このうち、将来に向
けてさらに冷却性能を向上するため、シリコンウエーハ
上に微細な冷却フィンを加工し冷媒を流す冷却方式が、
ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ，ｖｏｌ．ＥＤＬ−２，ｎｏ．５，ｐｐ．１２６
−１２９，Ｍａｙ １９８１に報告されている。また、
シリコン製冷却体と集積回路チップとの間の微細キャピ
ラリ構造が、Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉ
ｃａｌ Ｐａｐｅｒ［３ｒｄ］，Ｍａｕｉ，ｓｅｐｔ．
１９８３に提案されている。
【０００３】冷却性能を向上するため、集積回路チップ
に冷却体を固着することは、通常広く行なわれている。
アルミニウム製の冷却体をフィン形状に加工し、これを
集積回路チップを封入したパッケージに、接着剤、はん
だ、ろう材などを用いて固着することは、冷却性能の改
善方法としてよく知られている。
【０００４】さらに、特開昭６０−２２９３５３におい
ては、内部に多数の空洞を有する銅製の冷却体を直接、
集積回路チップ上に固着する冷却方式が提案されてい
る。ここでは、空洞を有する冷却体を形成する方法とし
ては、多数の銅板を、ろう接や拡散接合により積層固着
する方法が示されているが、集積回路チップと冷却体の
接合方法については明記されていない。
【０００５】また、上記冷却体の他の例が、特開平４−
１４４１５８にある。この例では、内部に冷却水が循環
する冷却体が、冷却体下面の底板を介して集積回路チッ
プに接続されている。
【０００６】これら冷却体には、従来からアルミニウム
や銅が多く使用されているが、上記特開昭６０−２２９
３５３には、これに加えて、他の金属、ベリリウムやＳ
ｉＣなどの高熱伝導性セラミクス、シリコン等を使用し
てもよいことが記載されている。
【０００７】冷却体としてシリコンを使用することによ
り、シリコン製の集積回路チップの熱膨張係数に良く一
致した冷却体を形成することが可能となり、両者間の固
着時の歪を低減し、より大型のチップに対応することが
可能となる。
【０００８】しかし、このようなシリコン製の冷却体
を、従来の接着剤やはんだやろう材を用いて、集積回路
チップに固着しようとすると以下の問題点がある。第１
に接着剤は、シリコンに比べ熱伝導率が低く、シリコン
冷却体の性能を生かすことができない。第２には、はん
だは直接シリコンに接合することはできないので、チタ
ン、ニッケル、金などの薄膜メタライズを必要とし、作
業工程が増えてしまう。第３にろう材は７００℃近い接
合温度を必要とするので、集積回路チップの特性が劣化
してしまう。
【０００９】一方、特公昭３９−１７８６９には、複数
のシリコン半導体を接続して、より大きな半導体装置を
生成する技術が提案されている。ここでは、ふたつのシ
リコン基板を接続するときに、両者を密接に接触させた
上で、酸素雰囲気中で加熱し、酸化シリコンを形成し、
それにより両者を結合している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の冷却方式では、
故障等による集積回路チップの交換に対処するため、冷
却装置と集積回路チップとの間が分離可能となっている
ものが代表的である。この分離可能部分には、グリース
状やオイル状の熱伝導部材が充填されており冷却性能の
改善が図られているが、これらの熱伝導部材は一般の金
属部材よりは熱伝導率が劣るので、分離可能部分の存在
が将来の冷却性能向上のボトルネックとなる可能性があ
る。
【００１１】一方、シリコン製集積回路チップの背面に
シリコン製冷却フィンを一体に接合する上記他の方式
は、固着に伴う熱膨張係数の差による応力の発生防止の
観点から、同一材質の組合せを採用するものである。固
着方法すなわち、複雑な半導体プロセスにより能動回路
を形成した高価なウエーハの裏面に、如何にして冷却フ
ィンを形成するかについて、上記公報には具体的な方法
が開示されていない。
【００１２】本発明の目的は、集積回路チップのコスト
を増加することなく、集積回路チップの背面に直接冷却
フィンを形成した場合とほぼ同等の冷却性能を有する集
積回路チップや実装モジュール及びその製造方法を提供
することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明では、集積回路チ
ップと同一材質の部材で冷却体を形成し、この集積回路
チップの平坦面と冷却体の平坦面を対向させ、元素同士
の結合を用いて冷却体を集積回路チップに固着すること
により上記目的を達成する。
【００１４】また、集積回路チップの形成に用いる部材
の純度に比べて純度の低い部材を用いて冷却体を形成す
ることにより、より効果的に目的を達成することができ
る。
【００１５】さらに、冷却体の形成に用いる純度の低い
部材としては、ポリシリコンまたはアモルファスシリコ
ンとすることにより、より効果的に目的を達成すること
ができる。
【００１６】また、元素同士の結合として、シリコン−
酸素結合、またはシリコン−シリコン結合、または金−
金結合を用いることにより、より効果的に目的を達成す
ることができる。
【００１７】また、集積回路チップ実装モジュール内部
に、複数の集積回路チップの各々の背面に集積回路チッ
プと同一材質からなる冷却体を搭載し、かつ冷却体と集
積回路チップを元素同士の結合を用いて固着し、集積回
路チップの冷却を行なう冷却装置を実装することにより
目的を達成することができる。
【００１８】さらに、複数の集積回路チップの各々の背
面に集積回路チップと同一材質からなる冷却体を元素同
士の結合を用いて固着し、集積回路チップの冷却を行な
う冷却装置を内部に有する集積回路チップ実装モジュー
ルを用いて計算機装置を構成することにより目的を達成
することができる。
【００１９】
【作用】集積回路チップと冷却体を同一材料から別々に
形成し、両者を固着するので、冷却体の高さや形状を自
由に選ぶことができ、冷却性能が向上する。
【００２０】集積回路チップと冷却体との固着に、元素
同士の結合を用いることにより、従来の集積回路チップ
と冷却体の間にグリースまたはオイル状の熱伝導部材を
介在させる方式に対し、接触界面の熱抵抗を格段に小さ
くすることができる。これは、元素同士の結合による接
触界面の熱伝導率が、グリース状の熱伝導部材の熱伝導
率に対し、数倍から数１００倍良いためである。
【００２１】元素同士の結合のうち、特にシリコン−酸
素，シリコン−シリコン，金−金などの結合を用いるこ
とにより、グリース状の熱伝導部材の熱伝導率１．０Ｗ
／ｍ・Ｋに対し、接触界面の熱伝導率を、それぞれ、５
Ｗ／ｍ・Ｋ，１６８Ｗ／ｍ・Ｋ，３１９Ｗ／ｍ・Ｋと大
幅に改善することができる。
【００２２】集積回路チップと冷却体との固着に合金を
用いることにより、，従来の集積回路チップと冷却体の
間にグリースまたはオイル状の熱伝導部材を介在させる
方式に対し、接触界面の熱抵抗を格段に小さくすること
ができる。これは、元素同士の結合による接触界面の熱
伝導率が、グリース状の熱伝導部材の熱伝導率に対し、
数１０倍良いためである。
【００２３】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す斜視図で
ある。シリコン板にフィン１を切削加工した冷却体１０
０の表面とシリコン製の集積回路チップ３の背面を、接
合面２において元素同士の結合により一体に固着してい
る。また、集積回路チップ３の能動素子形成面４には、
この構造体を配線基板（図示せず）上に搭載し電気的接
続を得るための半田端子９が用意してある。ここで、シ
リコン板上のフィン１の形状に関しては、後述のように
他の構成を選択することも可能である。
【００２４】冷却体１００の高さＴＨは、シリコン製の
集積回路チップ３の厚みＴＣよりも大きい。冷却性能の
面からは冷却フィンの高さをできるだけ高くすることが
望ましいが、現状の半導体ウエーハの厚さは約５００μ
ｍであり、冷却フィンの高さはこの値に制限されてしま
う。また、冷却フィンの高さを増そうとすることは、特
別に厚い高純度の半導体ウエーハを特注し、かつ半導体
プロセス装置に改良を加えることになるので、集積回路
チップの大幅なコスト増加をまねく可能性がある。
【００２５】本発明によれば、集積回路チップ３と冷却
体１００を独立に形成した後一体化するので、冷却体の
高さＴＨは半導体ウエーハの厚さにとらわれず自由に選
べる。これにより冷却性能を向上させることが出来る。
【００２６】また、集積回路チップ形成時の歩留りを
α，冷却フィン形成の歩留りをβ，集積回路チップと冷
却フィンを固着する場合の歩留りをγとおくと、従来の
同一のウエーハ上に集積回路と冷却フィンを形成する場
合の歩留りＹ1は、Ｙ1＝α・βとなる。これに対し、本
発明のように集積回路チップと冷却体を別々に形成し両
者を組み立てる方式の歩留りＹ2は、α・γとβ・γの
うち小さい値となるが、通常α＜βであるので、Ｙ2＝
α・γとなる。ここで、通常β＜γであるので、結果的
にＹ１＜Ｙ2となり、本発明が有利となる。
【００２７】さらに、現在最も一般的な半導体の材質は
シリコンであるので、冷却体の材質もシリコンとするこ
とにより、半導体の熱膨張特性に良く一致した冷却体を
形成することが可能である。
【００２８】また、冷却体の形成に用いるシリコンは、
冷却体の加工が可能であれば良く、集積回路チップの形
成に用いるような高純度の単結晶シリコンである必要は
ない。従って、冷却体の形成に用いるシリコンの純度を
低くすることにより、安価に材料を入手することが可能
となり、冷却体のコストを低減することができる。
【００２９】しかも、ポリシリコンは集積回路チップ形
成に用いる高純度のシリコン単結晶ウエーハを形成する
ための原材料であるので、低純度のシリコン材料として
現在最も安価に最も大量に入手可能である。従って、冷
却体の形成材料にポリシリコンを用いることにより、安
価な冷却体を安定して供給することが可能となる。
【００３０】第１の実施例では、冷却体１００上部に配
置したノズル６から電気絶縁性の冷媒５を冷却フィン１
に吹き付け集積回路チップ３の冷却を行なう。この冷却
方式では、冷却体１００と冷媒流出ノズル６が構造的に
分離されているので、冷媒流出ノズル６を含む冷媒供給
部（図示せず）が半田端子９に大規模な歪みを加えるこ
とがなく、半田端子９の接続信頼性が向上する。また、
冷媒５が電気絶縁性なので、集積回路チップ３を冷媒５
から封止する必要がなく、冷却性能や実装密度の向上を
図ることができる。第１の実施例では、冷媒として米国
３Ｍ社のフロリナート（登録商標）を用いた。
【００３１】図２は、集積回路チップ３および冷却体１
００の加工・組立手順を示したものである。なお、この
例では冷却体材料にシリコンを用い、かつ冷却体にフィ
ンを形成しているが、本発明はシリコン材料やフィン付
き冷却体に限定されるものではない。例えば、半導体の
材料として、ＧａＡｓを用いる場合にも同様に適用でき
る。
【００３２】まず集積回路チップ３は、ポリシリコン２
００を原材料として単結晶シリコンウエーハ２０２を作
成し（ａ）、該ウエーハ上に半導体プロセスを適用し
（ｂ）、回路形成後これをチップ単位にスクライブして
形成する（ｃ）もので、従来手法を特に変更する必要は
ない。
【００３３】次に、冷却体１００の形成に用いるシリコ
ンは、冷却体の加工が可能であればよく、集積回路チッ
プの形成に用いるような高純度の単結晶シリコンである
必要はない。そこで、冷却体の形成に用いるシリコンの
純度を低くすることにより、安価に材料を入手すること
が可能となり、冷却体のコストを低減することができ
る。具体的には、集積回路チップ形成に用いる高純度の
シリコン単結晶ウエーハの原材料であるポリシリコン２
００を用いることにより、低純度のシリコン材料を安価
にかつ大量に入手可能とする。また、ポリシリコンが安
価に入手できることから、図２の（ｅ）に示すように、
単結晶ウエーハに比べて厚いインゴット２０４を形成
し、これを用いて高さが高く冷却性能が高いフィンを形
成することができる（ｆ）。
【００３４】なお、シリコン製冷却体１００としてシリ
コン上に冷却フィン１を形成する場合には、その加工方
法として、機械的切削加工を適用することができる。機
械的加工は、加工時間が短く有効な方法である。例え
ば、厚さ３５μｍのダイアモンドブレードを用いること
により、幅５０μｍ、ピッチ１００μｍ、高さ４００μ
ｍの冷却フィンを、１秒間に２５ｍｍの速さでシリコン
上に形成することができる。この場合、フィン表面に加
工時の応力が残留し、フィンの強度が低下する可能性が
ある。このような場合、水酸化カリウム溶液等を用いて
ウエットエッチングを行うことにより、残留応力を開放
しフィン強度を増加することができる。
【００３５】冷却体１００の加工方法としては、上記機
械的切削加工の他に、ウエットエッチング、ドライエッ
チング等を適用することもできる。
【００３６】次に、集積回路チップ３とシリコン製冷却
体１００の固着に関しては、固着時の作業温度が一定値
を越えると集積回路チップの特性に悪影響を及ぼし、正
常な回路動作が不可能となる。本発明では、固着時の作
業温度を摂氏４５０度以下とすることにより、問題のな
い回路動作を行わせることができた。
【００３７】この条件がかなう固着方法としては、本実
施例では元素同志の結合を用いる。本実施例ではこの元
素同士の結合を用いる方法として二つの方法を用いる。
のうち、シリコン結合を用いた固着は、図２において
（ｃ）〜（ｈ）に示すように、集積回路チップの裏面
と、（ｇ）に示す冷却体１００の裏面を、表面のそりと
粗さを改善し、かつ酸化物を取り除くため各々鏡面研磨
し、真空中または還元性雰囲気中、または非酸化性雰囲
気中、代表的にはチッ素ガス中などで両者を例えば互い
に押しあてることにより、両者を密接に接触後４００℃
程度に加熱するものである。真空中またはチッ素ガス中
などで作業を行なうのはシリコンの接合界面が酸化する
のを防ぐものであるが、いわゆる自然酸化膜程度のもの
が存在しても、特に接合の信頼性に影響を与えるもので
はない。この方式は、接合のために、特に複雑な界面処
理をする必要がなく、集積回路にもなんら悪影響のない
有効な方法である。
【００３８】上記元素同志の結合を用いる第２の方法
は、シリコン一酸素結合を用いた固着であり、この方法
は、表面が鏡面仕上げされた２枚のシリコン板のうち、
すくなくとも片方に熱酸化膜を形成しておき、両者を接
触させ、４００℃程度に加熱するものである。この方式
は、シリコン表面に熱酸化膜が存在するので、上述のシ
リコン−シリコン結合を用いる場合のように、真空中ま
たはチッ素雰囲気中で作業を行なう必要がなく、より簡
便な方式である。
【００３９】上記シリコン−シリコン結合のごとく直接
半導体同志を結合する方法は、カリウムヒ素等の他の半
導体にも適用できる。
【００４０】合金を二つの表面の間にはさんで加熱する
方法のうち、錫と鉛を主成分とする合金を用いた固着
は、加熱温度が（合金の融点以上）が摂氏２００度から
３００度と低く集積回路チップへの影響が少ない。一方
の表面に錫を付着させ、もう一方の表面に鉛を付着さ
せ、それを接触させた後、加熱しても良い。
【００４１】また、特殊な材料を必要とせず安価な点が
有利である。金とシリコンを主成分とする合金は、化学
的に安定で腐食し固着強度が劣化するようなことがな
い。また、熱伝導性がよいことも有利な点である。
【００４２】すなわち、合金として、特に錫と鉛を主成
分とするもの、金とシリコンを主成分とするものを用い
ることにより、グリース状の熱伝導部材の熱伝導率１．
０Ｗ／ｍ・Ｋに対し、接触界面の熱伝導率を、約３０Ｗ
／ｍ・Ｋと大幅に改善することができる。
【００４３】図４は、表面に凹凸を有する柱状のフィン
を直立させた冷却体の構造を示したものである。このフ
ィンは異方性エッチングにより形成される。この構造に
よれば、冷却体の中心部から周辺部に向かっての冷媒の
流れが均一となり、冷却性能を向上させることができ
る。
【００４４】冷却フィンの表面に凹凸を形成することに
より、フィン表面の熱伝達に寄与する面積が増加する、
あるいは微細な凹凸が沸騰核となってフィン表面で沸騰
が起こりやすくなるなどの理由により、冷却性能を向上
することができる。
【００４５】冷却フィンの形成には異方性のウエットエ
ッチングを用いることにより、半導体の加工技術を応用
し、幅フィン幅が約５０μｍと微細で、幅と高さの比が
１０以上のフィンを形成することが可能となり、冷却性
能を向上することができる。
【００４６】なお、冷却フィンを機械加工により形成
し、その後ウエットエッチングを行なうことにより、機
械加工時に発生したフィン表面の応力歪みを緩和し、フ
ィンの強度を向上することができる。
【００４７】また、冷却フィンを塩素系のドライエッチ
ングにより形成し、その後ウエットエッチングを行なう
ことにより、ドライエッチング時に発生したフィン表面
の応力歪みを緩和し、フィンの強度を向上することがで
きる。
【００４８】冷却フィンの配置方法として、または柱状
フィンの格子状配置を行なうことにより、フィン間を流
れる冷媒の圧力損失を低減し、冷却性能を向上させるこ
とができる。
【００４９】図５は、底面にテーパ８を付けた冷却体１
００の構造を示したものである。底面にテーパを設ける
ことにより、冷却体１００中心部の冷媒５吹き付け部か
ら冷却体１００周辺部へ向けて冷媒５が流れやすくな
り、底面近くで冷媒の流れない死水域の発生を防ぐこと
ができる。
【００５０】図６は本発明の第２の実施例を示す斜視図
である。第２の実施例では、冷却体１００がフィン部１
０１と蓋１０２及びこれらの表面を元素結合する接合面
１０３から構成される。冷却体１００の側面から電気絶
縁性の冷媒５を冷媒流路１２に流し込み冷却体１００内
部を循環させることにより集積回路チップ３の冷却を行
なう。この冷却方式でも、冷却流路１２に冷媒５を導く
ためのパイプ部材を冷却体１００に固着することはして
いないので、半田端子９に大規模な歪みが加わることが
なく、半田端子９の接続信頼性が向上する。また、冷媒
５が電気絶縁性なので、集積回路チップ３を冷媒から封
止する必要がなく、冷却性能や実装密度の向上を図るこ
とができる。
【００５１】第２の実施例における冷却体１００は、シ
リコン板内部に冷媒流路１２を形成したものである。冷
却体１００とシリコン製の集積回路チップ３の固着に
は、第１の実施例の図２で説明したものと同様の手法を
適用することができる。冷媒流路１２は、平行な溝を形
成したシリコン板に、別のシリコン板を固着することに
より形成する。シリコン板へ溝を形成する方法として
は、第１の実施例の図３で説明したシリコン板へ冷却フ
ィンを形成する方法を適用することができる。また、溝
を形成したシリコン板１０１と蓋１０２となるシリコン
板の固着には、第１の実施例の図２で説明した冷却体１
００と集積回路チップ３との固着手法を適用することが
できる。
【００５２】図１や図６で示した冷却体１００および集
積回路チップ３を一体化した構造体は、電気絶縁性の液
体冷媒中に浸漬し、冷却フィン１表面で冷媒を沸騰させ
ることにより集積回路チップ３の冷却を行なうこともで
きる。この冷却方式でも、特別な構造体が冷却体１００
に固着されることはないので、半田端子９に大規模な歪
みが加わることがなく、半田端子９の接続信頼性が向上
する。また、冷媒が電気絶縁性なので、集積回路チップ
を冷媒から封止する必要がなく、冷却性能や実装密度の
向上を図ることができる。
【００５３】図７は本発明の第３の実施例を示す断面図
である。実装モジュール３００は、内部に、配線基板１
１と封止キャップ１０から形成された空間を有してい
る。空間内部には第１、第２の実施例と同様の方法で、
各々シリコン製の冷却フィン１を固着した複数のシリコ
ン製の集積回路チップ３が半田端子９により配線基板上
１１上に搭載されている。配線基板１１の内部には電源
および信号を集積回路チップ３に供給するため金属導体
製の配線（図示せず）が形成してあり、半田端子９によ
り集積回路チップ３と接続されている。また冷却フィン
１の上部には、冷媒流出ノズル６が集積回路チップ３の
各々に対して設けられており、この冷媒流出ノズル６か
ら冷却フィン１に冷媒５を吹き付けることにより、集積
回路チップ３の冷却を行なう。また、封止キャップの内
部には、実装モジュール３００の外部から冷媒流出ノズ
ル６へ冷媒を供給するための流路、およびフィンに吹き
付けられて温度の上昇した冷媒を回収し実装モジュール
３００外部へ排出するための流路が設けられている（図
示せず）。さらに、配線基板３の下面には、配線基板内
の信号および電源配線を実装モジュール３００外部と接
続するための入出力ピン１５が設けられている。このよ
うな、実装モジュールを大型電子計算機等に用いること
により、より消費電力の大きく高速動作が可能な集積回
路チップをより高密度に実装することが可能となり、結
果として大型電子計算機等の処理能力を向上させること
ができる。
【００５４】なお、以上の第３の実施例の説明には、モ
ジュール３００内部の冷却方式として第１の実施例に示
した方式を例にとり説明を行なった。しかし、モジュー
ル内の冷却方式として、沸騰冷却のような他の冷却方式
を用いたとしても、同様な効果の得られることは明らか
である。さらに、冷却に液体冷媒を用いず、空冷技術を
適用したとしても、本発明の効果を妨げるものではな
い。
【００５５】以上の例では、単一の集積回路チップ上に
単一の冷却フインを形成する場合について述べてきた
が、図８に示すように、複数の冷却体１００を一個の集
積回路チップ３上に固着することも可能である。複数の
冷却体１００の個々の形成及び集積回路チップ３上への
固着は、これまで述べてきた手法を用いればよく、本構
造は本発明の実施になんら制限を設けるものではない。
【００５６】予め複数の冷却体１００を別々に形成し、
これらを一個の集積回路チップ３上に固着する手法を用
いることにより、各冷却体１００の大きさは集積回路チ
ップ３より小さくてよく、フィン１を有する複雑な形状
の冷却体であっても加工が容易になる。従って、形成の
歩留まりを向上させることができる。
【００５７】また、冷却能力の異なる冷却体を複数種類
（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…）用意し、集積回路
チップ３上で局所的に発熱量が大きい部分に、他の部分
より冷却能力の高い冷却体を固着することにより、集積
回路チップの能動素子形成面の温度をチップ全面に渡っ
て均一にすることが可能となり、回路動作速度の温度依
存性をなくし、チップの高速動作が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】本発明によれば、より冷却能力が高く、
かつ高密度実装が可能な集積回路チップが得られる。ま
たこの集積回路チップ冷却装置を用いた実装モジュール
を用いて大型電子計算機等を構成することにより、従来
に比べより低コストでより処理能力の高い大型電子計算
機等を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図。
【図２】図１の装置の組立方法を示す図。
【図３】冷却フィンの加工法を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施例になる冷却フィンの形状を
示す斜視図。
【図５】本発明の他の実施例になる冷却フィンの形状を
示す斜視図。
【図６】本発明の他の実施例になる冷却フィンの形状を
示す斜視図。
【図７】本発明の一実施例になる実装モジュールの縦断
面図。
【図８】本発明の他の実施例を示す斜視図。
【符号の説明】
１…シリコン製冷却フィン、２…接着層、３…シリコン
製集積回路チップ、４…能動素子形成面、５…冷媒、６
…冷媒流出ノズル、７…ウエットエッチングによる追加
加工後のフィン表面、８…フィン底面のテーパ、９…半
田端子、１０…封止キャップ、１１…配線基板、１２…
冷媒流路、１３…気泡、１４…機械加工またはドライエ
ッチング後のフィン表面、１５…入出力ピン、１００…
シリコン製冷却体、３００…実装モジュール。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齊藤 達也 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 加藤 猛 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】集積回路チップの背面に該集積回路チップ
    の冷却を行なう冷却体を搭載したものにおいて、前記冷
    却体と前記集積回路チップが同一の材質を有する部材か
    らなり、前記冷却体と前記集積回路チップの背面とが元
    素同士の結合により固着されていることを特徴とする冷
    却装置付集積回路チップ。
  2. 【請求項２】集積回路チップの背面に該集積回路チップ
    の冷却を行なう冷却体を搭載したものにおいて、前記冷
    却体が前記集積回路チップと同一の材質でかつ低純度の
    部材からなり、前記冷却体の平坦面と前記集積回路チッ
    プの平坦な背面とが固着されていることを特徴とする冷
    却装置付集積回路チップ。
  3. 【請求項３】請求項１または２において、前記冷却体の
    高さが前記集積回路チップの厚みよりも大きいことを特
    徴とする冷却装置付集積回路チップ。
  4. 【請求項４】請求項１において、前記集積回路チップ及
    び前記冷却体を構成する部材がシリコンであり、かつ前
    記集積回路チップを構成するシリコンの純度に比べて、
    前記冷却体を構成するシリコンの純度が低いことを特徴
    とする冷却装置付集積回路チップ。
  5. 【請求項５】請求項２において、前記集積回路チップ及
    び前記冷却体を構成する部材がシリコンであり、かつ前
    記集積回路チップを構成するシリコンの純度に比べて、
    前記冷却体を構成するシリコンの純度が低いことを特徴
    とする冷却装置付集積回路チップ。
  6. 【請求項６】請求項４または５において、前記冷却体に
    用いる純度の低いシリコンがポリシリコンからなること
    を特徴とする冷却装置付集積回路チップ。
  7. 【請求項７】請求項４または５において、前記冷却体に
    用いる純度の低いシリコンがアモルファスシリコンから
    なることを特徴とする冷却装置付集積回路チップ。
  8. 【請求項８】集積回路チップの背面に搭載され該集積回
    路チップの冷却を行なう冷却装置において、 前記冷却体が前記集積回路チップと同一材質のシリコン
    でかつ純度の低いポリシリコンからなり、前記集積回路
    チップの平坦な背面と結合する平坦面を備えていること
    を特徴とする集積回路チップ用の冷却装置。
  9. 【請求項９】請求項８において、前記冷却体が冷却フィ
    ンを備え、該冷却フィンの底面が、前記冷却体の中心部
    で最も高く、前記冷却体の周辺部に向かって低くなるよ
    うな傾きを持つことを特徴とする集積回路チップの冷却
    装置。
  10. 【請求項１０】配線基板上に複数の集積回路チップを搭
    載し、前記複数の集積回路チップへの電源供給、前記複
    数の集積回路チップ相互の信号接続、前記複数の集積回
    路チップの冷却などを行なう集積回路チップ実装モジュ
    ールにおいて、 前記複数の集積回路チップの各々の背面に、前記集積回
    路チップと同一の材質からなり該集積回路チップの冷却
    を行なう少なくとも１個の冷却体が、元素同士の結合に
    より固着されていることを特徴とする集積回路チップ実
    装モジュール。
  11. 【請求項１１】請求項１０において、前記各集積回路チ
    ップの背面に各々冷却能力の異なる複数種類の冷却体が
    固着されていることを特徴とする集積回路チップ実装モ
    ジュール。
  12. 【請求項１２】配線基板上に複数の集積回路チップ実装
    モジュールを搭載し、前記複数の集積回路チップ実装モ
    ジュールへの電源供給、前記複数の集積回路チップ実装
    モジュール相互の信号接続、及び前記複数の集積回路チ
    ップ実装モジュールの冷却手段を有する電子計算機シス
    テムにおいて、 前記冷却手段として、前記集積回路チップ実装モジュー
    ルの内部に、前記集積回路チップと同一の材質からな
    り、前記複数の集積回路チップの各々の背面に元素同士
    の結合により少なくとも１個固着された、冷却体を有す
    ることを特徴とする電子計算機装置。
  13. 【請求項１３】集積回路チップの背面に該集積回路チッ
    プの冷却を行なう冷却体を一体に搭載するものにおい
    て、 前記冷却体と前記集積回路チップを同一材質の部材から
    形成し、 前記冷却体の表面と前記集積回路チップの背面を各々鏡
    面加工し、 前記冷却体の表面と前記集積回路チップの背面とを接触
    させ加熱して元素同士を結合させて固着することを特徴
    とする冷却装置付集積回路チップの製造方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３において、前記元素同士の結
    合に、シリコン−酸素結合を用いることを特徴とする冷
    却装置付集積回路チップの製造方法。
  15. 【請求項１５】請求項１３において、前記元素同士の結
    合に、シリコン−シリコン結合を用いることを特徴とす
    る冷却装置付集積回路チップの製造方法。
  16. 【請求項１６】請求項１３において、前記元素同士の結
    合に、金−金結合を用いることを特徴とする冷却装置付
    集積回路チップの製造方法。
  17. 【請求項１７】集積回路チップの背面に該集積回路チッ
    プの冷却を行なう冷却体を搭載したものにおいて、 前記冷却体を前記集積回路チップと同一材質でかつ低純
    度の部材から形成し、 前記冷却体の表面と前記集積回路チップの背面を各々鏡
    面加工し、 前記冷却体の表面と前記集積回路チップの背面とを固着
    することを特徴とする冷却装置付集積回路チップの製造
    方法。
  18. 【請求項１８】請求項１７において、前記冷却体と前記
    集積回路チップの固着に合金を用いることを特徴とする
    冷却装置付半導体集積回路チップの製造方法。
  19. 【請求項１９】請求項１８において、前記合金に、鉛と
    錫を主成分とする合金を用いることを特徴とする冷却装
    置付集積回路チップの製造方法。
  20. 【請求項２０】請求項１８において、前記合金に、金と
    シリコンを主成分とする合金を用いることを特徴とする
    冷却装置付集積回路チップの製造方法。
  21. 【請求項２１】請求項１３または１７において、前記冷
    却体に、エッチング加工によって、冷却フィンを形成す
    ることを特徴とする冷却装置付集積回路チップの製造方
    法。
  22. 【請求項２２】請求項２１において、前記冷却フィンの
    表面に異方性のウエットエッチングにより凹凸を形成す
    ることを特徴とする冷却装置付集積回路チップの製造方
    法。
  23. 【請求項２３】請求項２１において、前記冷却フィンを
    機械加工により形成し、該機械加工の後ウエットエッチ
    ングを行なって仕上げることを特徴とする冷却装置付集
    積回路チップの製造方法。
  24. 【請求項２４】請求項２１において、前記フィンを塩素
    系のドライエッチングにより形成し、該ドライエッチン
    グ後ウエットエッチングを行なって仕上げることを特徴
    とする冷却装置付集積回路チップの製造方法。
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