JP5554444B1

JP5554444B1 - 半導体パッケージの複合冷却構造

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Publication number: JP5554444B1
Application number: JP2013181041A
Authority: JP
Inventors: ジャリルバンドアハマド; 正孝望月
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: JP2015050323A

Abstract

【課題】半導体を３次元実装して構成された半導体パッケージの冷却性能に優れた冷却構造を提供する。
【解決手段】マザーボード１上に半導体２，４，５が複数層に積層されて構成された半導体パッケージの複合冷却構造において、最上層の半導体５の上に、加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動流体が封入されたベーパーチャンバー型熱拡散板８が前記最上層の半導体５との間で熱授受するように配置され、その熱拡散板８上にヒートシンク１１が設けられ、前記熱拡散板８は、前記マザーボード１の上面に配置された第１層の半導体２の上面に向けて延びるとともにその第１層の半導体の上面に熱授受可能に接触させられた中空構造の脚部８ｂを備え、この脚部８ｂの内部を含む前記熱拡散板８の内部に、液相の前記作動流体が浸透しかつ毛管力を発生するウィック９が収容されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体パッケージからの放熱を促進して半導体パッケージの冷却を行うための冷却構造に関し、特に複数のチップを３次元方向に積層して実装された半導体パッケージを冷却する構造に関するものである。

メモリやマイコンをはじめとした複数のチップやシリコンダイを積層して実装することが従来行われており、このような技術は３次元実装と称されている。それらのチップやシリコンダイなどは、バンプを使用したフリップチップ接続や貫通電極などによって接続され、このような接続技術により同一寸法のチップやシリコンダイを積層できるようになった。

３次元実装によってチップなどを積層して構成された半導体パッケージは、素子や回路の実装密度が高くなるのに対して、周囲の空気に接触する面積が小さくなる。そのため、放熱面となる外面の単位面積当たりの放熱量が増大し、放熱が確実かつ十分に行われなければ、チップ自体や接点などが異常もしくは不均一に高温になってしまい、動作不良の原因になる可能性がある。また、３次元実装された半導体パッケージでは、機能を増大させるために、電気的もしくは光学的信号などの各種の信号の入出力のための広い表面が必要となり、これが放熱のための面積を減じる要因になっている。そして、１００層程度の多層に３次元実装した場合の電気的な性能や製造方法などが積極的に研究されており、これと同時にその冷却が重要な課題となっている。より多層に積層した場合、下層のチップと外気との間の熱抵抗が大きくなり、それに伴ってチップにおける接点の温度が高くなる。従来では、２次元実装における冷却技術によって３次元実装の半導体パッケージもしくはチップの冷却を行っていた。その一例を説明すると、基板もしくはマザーボート上に複数層に積層された半導体チップの上に、熱伝達材を介在させて熱拡散板を配置し、その熱拡散板を介してヒートシンクに熱を伝達するように構成されている。しかしながら、このような構成では、３次元実装した半導体パッケージの冷却を必ずしも十分に行うことができなかった。一方、特許文献１には、二種類の半導体チップを重ね合わせ、これを金属伝熱板によって挟み付け、さらにその外側に冷媒チューブを配置した半導体装置が記載されている。

特開２００１−３０８２４５号公報

半導体チップやシリコンダイなどを積層する場合、各層の間に絶縁層を設ける場合があり、その絶縁層は熱伝導性が劣るから、３次元実装による集積度の増大と相まって、半導体パッケージの温度管理が難しくなる。上述した特許文献１に記載されているような冷却構造は、二層に積層された半導体チップをその両面側に設けた冷媒チューブによって冷却するように構成され、したがって一つの半導体チップに対して一つの冷媒チューブを設けた構成となっている。これは、従来の２次元実装の半導体パッケージの冷却技術と相違がなく、その放熱面積が限られるなど冷却能力が必ずしも高くないから、３次元実装の半導体パッケージの冷却に使用した場合には、接点温度が高くなるなどの可能性があり、３次元実装の半導体パッケージの冷却に適した技術を開発する必要がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、３次元実装された半導体パッケージにおける下層のチップもしくはシリコンダイなどの冷却をも十分に行うことのできる複合冷却構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、マザーボード上に半導体が複数層に積層されて構成された半導体パッケージの複合冷却構造において、最上層の半導体の上に、加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動流体が封入されたベーパーチャンバー型熱拡散板が前記最上層の半導体との間で熱授受するように配置され、その熱拡散板上にヒートシンクが設けられ、前記熱拡散板は、前記マザーボードの上面に配置された第１層の半導体の上面に向けて延びるとともにその第１層の半導体の基板の上面に熱授受可能に接触させられた中空構造の脚部を備え、この脚部の内部を含む前記熱拡散板の内部に、液相の前記作動流体が浸透しかつ毛管力を発生するウィックが収容されていることを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記マザーボードの下面に他のヒートシンクが前記マザーボードと熱授受可能に配置されていることを特徴とする半導体パッケージの複合冷却構造である。

そして、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記マザーボードには、前記上面から下面に貫通して前記他のヒートシンクに熱を伝達する熱伝達部材が設けられていることを特徴とする半導体パッケージの複合冷却構造である。

この発明によれば、積層された半導体が動作することにより熱が発生する。最上層の半導体側にはベーパーチャンバー型熱拡散板が配置されているので、その熱拡散板の内部の作動流体は半導体から熱を奪って蒸発し、その蒸気が熱拡散板の内部に広がる。一方、その熱拡散板の上面側にヒートシンクが配置されているから、熱拡散板の上面は、半導体に接触している下面より低温になっており、したがって作動流体の蒸気が熱拡散板の上面に接触して放熱し、凝縮する。すなわち、作動流体がその潜熱としてヒートシンクに対して熱を輸送する。そして、そのヒートシンクから周囲の空気に放熱する。

また、熱拡散板は、第１層の半導体の上面に熱授受可能に接触する脚部を備えており、その脚部の内部にも作動流体が存在している。したがって、第１層の半導体の温度が低い場合には、上層の半導体の熱が第１層の半導体に対して輸送され、第１層の半導体を放熱部として熱を放散し、上層の半導体を冷却することができる。あるいは第１層の半導体の温度が高い場合には、脚部の内部の作動流体が第１層の半導体から熱を奪って蒸発し、その熱を上側のヒートシンクに運んで放熱させる。この場合は、熱拡散板は上層の半導体だけでなく、第１層の半導体の放熱手段としても機能する。そして、熱拡散板を構成しているベーパーチャンバーは、液相の作動流体が浸透することにより毛管圧を生じるウイックをその内部に収容しているから、半導体から熱を受ける箇所に対して液相の作動流体を十分にもしくは確実に行き渡らせて、半導体からヒートシンクに対する熱輸送を必要十分に行うことができる。

また、この発明によれば、第１層の半導体からの放熱を促進することができるので、ハンダ付け時の熱による半導体の損傷を回避するべく低融点のハンダを使用したとしても、そのハンダが軟化もしくは溶融して接続不良が生じるなどの事態を防止することができる。

この発明の具体例を説明するための模式的な断面図である。

図１はこの発明の一具体例を模式的に示す断面図であって、マザーボード１上に半導体を複数層に積層して半導体パッケージが構成されている。マザーボート１は従来知られている構成のものであって、その上面に回路が形成されており、電子素子や回路を有する第１層の半導体であるセラミック基板２が、マザーボート１の上面側に配置されている。このセラミック基板２の回路とマザーボート１の回路とは、銅を含有する低融点のハンダ３によって接続されている。

セラミック基板２の上には、そのセラミック基板２より外形寸法が小さい（言い換えれば面積が小さい）複数のシリコンダイ４，５が積層されている。これらのシリコンダイ４，５はこの発明における上層側の半導体に相当していて電子素子もしくは回路を有し、前記ハンダ３より融点の高いバンプ６を使用したフリップチップ接続によって相互に接続され、また前記セラミック基板２に接続されている。

最上層のシリコンダイ５の上面には、熱伝達物質７を介してベーパーチャンバー型熱拡散板８が配置されている。この熱伝達物質７は熱伝導率の高い物質を含有するグリース状もしくは薄膜状の物質であり、サーマル・インターフェイス・マテリアル（Thermal Interface material：ＴＩＭ）として従来知られているものである。また、ベーパーチャンバー型熱拡散板８は、加熱されて蒸発しかつ放熱して凝縮する作動流体を封入した中空部材であり、特に図１に示す例では、最上層のシリコンダイ５の上面に接触させられる平板部８ａと、その平板部８ａの周辺部から下側に延びた脚部８ｂとを有している。

平板部８ａはシリコンダイ５の上面より広い面積をもった中空平板体であり、その平板部８ａの内部には、狭い間隔で互いに平行に多数の仕切り板を設けることによりマイクロチャネルが形成されている。また、脚部８ｂは中空の柱状もしくは立て壁状の部分であって、その内部は上記の平板部８ａに連通している。そして、その脚部８ｂの下面は、熱伝達物質９を介して、前述したセラミック基板２の上面に熱授受可能に接触している。さらに、上記の平板部８ａおよび脚部８ｂの内面に沿わせてウイック１０が配置されている。このウイック１０は、液相の作動流体が浸透することにより毛管圧を発生する多孔構造体であって、一例として銅粒子などの焼結材によって構成されている。なお、作動流体は水が一般的であり、これに替えてアルコールなどの他の流体を使用してもよい。

熱拡散板８の上面に熱伝達物質１１を介してヒートシンク１２が接触させられている。ヒートシンク１２は周囲の空気に対して熱を放散するためのものであるから、多数の放熱フィンを有する一般的な構造のヒートシンクであってよいが、図１に示す例では、マイクロチャネルが形成された冷却板によって構成されている。その構造を説明すると、全体として中空の平板状に形成されるとともに、その内部には狭い間隔で互いに平行に配列した多数のフィン（もしくは仕切り板）が設けられ、それらのフィンによってスリット状の通気路（チャネル）が多数形成されている。

ヒートシンク１２は外周側に突出しているフランジ部１３を有しており、ヒートシンク１２はこのフランジ部１３を介してマザーボート１に取り付けられている。すなわち、フランジ部１３の少なくとも２箇所には、フランジ部１３およびマザーボート１を貫通する締結ボルト１４が設けられており、その締結ボルト１４の頭部とフランジ部１３の上面との間にスプリング１５が介在させられ、かつ締結ボルト１４のマザーボート１の下面側に突き出た先端部にナット１６が締め込まれている。したがって、そのスプリング１５の弾性力がヒートシンク１２とマザーボート１とを近づける荷重として作用し、その結果、ヒートシンク１２が熱拡散板８の上面に押し付けられて接触している。同時に、セラミック基板２およびその上に積層されたシリコンダイ４，５ならびに熱拡散板８が、上記のスプリング１５の弾性力によって、マザーボート１とヒートシンク１２との間に挟み込まれている。なお、図１で符号１７はマザーボート１の上面に設けられた補強板を示す。

さらに、マザーボート１の下面には、他のヒートシンク１８が取り付けられている。これは、熱が溜まって温度が上昇しやすい第１層の半導体であるセラミック基板２からの放熱を促進するためのものであり、上記の熱拡散板８から放熱させるための前記ヒートシンク１２と同様に、マイクロチャネル型の冷却板によって構成されている。当該他のヒートシンク１８は、熱伝達物質１９を介在させた状態でマザーボート１の下面に接触させられている。このヒートシンク１８は外周側に突出したフランジ部２０を有し、そのフランジ部２０に下面側から挿入された取り付けビス２１の先端部が、マザーボート１に埋め込んであるナット２２にねじ込まれている。また、その取り付けビス２１の頭部とフランジ部２０の下面との間にスプリング２３が介在させられており、このスプリング２３によってヒートシンク１８がマザーボート１の下面に押し付けられて密着させられている。

そして、このヒートシンク１８に対する熱伝導を促進するために、マザーボート１にはサーマルビア（Thermal Via）と称される熱伝達部材２４が設けられている。この熱伝達部材２４は、金属などの熱伝導率の高い素材からなる細い軸状もしくはピン状の部材であって、マザーボート１における電子素子や回路を避けた位置にその厚さ方向に貫通して端部が上下両面側に露出した状態に埋め込まれている。

つぎに上記の複合冷却構造の作用について説明すると、セラミック基板２やシリコンダイ４，５などに通電して動作させると、不可避的に熱が生じ、その温度が上昇する。その熱の一部は、それぞれの表面から周囲の空気に放散させられ、また他の一部は、セラミック基板２からその上層側にシリコンダイ４，５を経て熱拡散板８に伝達される。その熱によって、熱拡散板８の内部の作動流体が蒸発し、その蒸気は温度が低いことにより圧力が相対的に低くなっている箇所、すなわちヒートシンク１２に接触している上面側に流動する。そして、作動流体蒸気は、熱拡散板８の上面に接触することにより放熱して凝縮する。こうしてヒートシンク１２に伝達された熱は、周囲の空気に対して伝達され、ヒートシンク１２が冷却される。このように最上層のシリコンダイ５からヒートシンク１２への熱の伝達は、作動流体の潜熱として運ばれて行われるから、作動流体の潜熱の熱量が大きいことにより、最上層のシリコンダイ５とヒートシンク１２との間の熱抵抗が小さくなり、半導体パッケージの全体としての冷却が効率よく行われる。

また、この発明に係る上記の構造では、熱拡散板８が前述した脚部８ｂを有し、セラミック基板２からヒートシンク１２への熱の伝達を媒介するように構成されているので、熱抵抗の大きいシリコンダイ４，５を介することなくセラミック基板２からヒートシンク１２に対して熱を伝達することができ、しかもその熱伝達は熱拡散板８に封入されている作動流体が潜熱として熱輸送することにより行われる。そのため、セラミック基板２とヒートシンク１２との間の熱抵抗を小さくすることができ、最下層に配置されているセラミック基板２を効果的に冷却することができる。なお、セラミック基板２の温度が最上層のシリコンダイ５の温度より低温になっている場合には、熱拡散板８における作動流体の蒸気が、脚部８ｂの内部を下降してセラミック基板２に対して放熱して凝縮する。すなわち、セラミック基板２を放熱板として熱を放散し、最上層のシリコンダイ５を冷却することができる。その場合、凝縮した作動流体はウイック１０によって上側に還流させられ、作動流体による熱輸送が継続される。

また、最下層のセラミック基板２は図１に示す例では、それより上層のシリコンダイ４，５よりも大型で、発熱量が多い。その熱は、上述したように、シリコンダイ４，５を介して図１の上方向に伝達され、また脚部８ｂを介して上方向に運ばれる。これに加えて、マザーボート１の下面に他のヒートシンク１８が取り付けられるとともに、上面から下面に貫通した熱伝達部材２４が多数埋設されているから、セラミック基板２の熱（特にセラミック基板２とマザーボード１との接続部の熱）が下面側のヒートシンク１８に伝達されて周囲の空気に放熱される。すなわち、セラミック基板２やそのマザーボード１に対する接続部が下面側のヒートシンク１８を介して空冷される。したがって、その接続に用いられているハンダ３が低融点のものであっても接続不良などの不都合が生じることが回避される。

１…マザーボード、２…セラミック基板、３…ハンダ、４，５…シリコンダイ、６…バンプ、７…熱伝達物質、８…ベーパーチャンバー型熱拡散板、８ａ…平板部、８ｂ…脚部、９…熱伝達物質、１０…ウイック、１１…熱伝達物質、１２…ヒートシンク、１３…フランジ部、１４…締結ボルト、１５…スプリング、１６…ナット、１７…補強板、１８…他のヒートシンク、１９…熱伝達物質、２０…フランジ部、２１…取り付けビス、２２…ナット、２３…スプリング、２４…熱伝達部材（サーマルビア：Thermal Via）。

Claims

マザーボード上に半導体が複数層に積層されて構成された半導体パッケージの複合冷却構造において、
最上層の半導体の上に、加熱されて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動流体が封入されたベーパーチャンバー型熱拡散板が前記最上層の半導体との間で熱授受するように配置され、その熱拡散板上にヒートシンクが設けられ、前記熱拡散板は、前記マザーボードの上面に配置された第１層の半導体の上面に向けて延びるとともにその第１層の半導体の上面に熱授受可能に接触させられた中空構造の脚部を備え、この脚部の内部を含む前記熱拡散板の内部に、液相の前記作動流体が浸透しかつ毛管力を発生するウィックが収容されていることを特徴とする半導体パッケージの複合冷却構造。
前記マザーボードの下面に他のヒートシンクが前記マザーボードと熱授受可能に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの複合冷却構造。
前記マザーボードには、前記上面から下面に貫通して前記他のヒートシンクに熱を伝達する熱伝達部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージの複合冷却構造。