JP3311191B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップの冷却が
効率的に行えるようにした半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の能動回路素子や受動回路素子及び
配線が形成された半導体チップを備えた半導体装置を図
１４の概略の断面図を参照して説明する。

【０００３】図１４において、１は半導体チップで、そ
の片面を回路形成面２として能動回路素子や受動回路素
子及び配線が形成されている。３はパッケージで、その
片面側に半導体チップ１を収納するための凹部４が形成
されており、この凹部４の底部に半導体チップ１がその
他面を接着するようにして固定されている。そして、半
導体チップ１が収納された凹部４の開口は蓋５によって
気密に閉塞され、凹部４内には不活性ガスが充填されて
いる。

【０００４】また、パッケージ３の他面側には放熱フィ
ン等の冷却装置６が設けられている。このため、半導体
チップ１の能動回路素子等で発生した熱は、回路形成面
２から半導体チップ１内部を熱伝導により半導体チップ
１とパッケージ３の接着面からパッケージ３に至るか、
凹部４内の不活性ガスの自然対流によりパッケージ３に
伝えられ、さらにパッケージ３内部を熱伝導により冷却
装置６に至る伝熱経路をたどり、冷却装置６で白抜き矢
印で示すように流れる空気などの冷却媒体７に伝えられ
て外部に放出される。なお、８はパッケージ３の他面側
に立設された外部リードで、これは半導体チップ１の対
応する部位とボンディングワイヤ９によって接続されて
いる。

【０００５】しかしながら上記の従来技術においては、
回路形成面２から冷却装置６に至までの伝熱経路の熱抵
抗が大きいために、発熱部である回路形成面２の温度を
冷却装置６によって効率的に冷却して十分に下げること
は難しい。また、冷却されている回路形成面２の温度と
冷却装置６の温度との温度差は、発熱部における発熱量
が増大するにしたがって拡大するため、今後、半導体チ
ップ１に形成される能動回路素子の集積密度が上がって
いった場合、発熱密度も上昇し冷却媒体として液体を使
用しても熱的限界によって回路形成が成り立たなくなる
ということが予測され、より効率的な冷却が行える半導
体装置の実現が強く望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来は、
半導体チップの能動回路素子等で発生した熱が半導体チ
ップ及びパッケージでの熱伝導による伝熱経路を経て冷
却装置に至り放出されるため、伝熱経路の熱抵抗が高
く、効率的且つ十分に半導体チップを冷却することがで
きず、半導体チップに形成される能動回路素子等が高集
積化していった場合に回路形成ができなくなることが想
定される。このような状況に鑑みて本発明はなされたも
ので、その目的とするところは半導体チップを効率的且
つ十分に冷却することができ、能動回路素子等を半導体
チップに高い集積度で形成することができる半導体装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
回路素子が形成された半導体チップと、この半導体チッ
プを貫通するように設けられる貫通孔と、前記半導体チ
ップを冷却媒体を用いて冷却する冷却手段とを具備し、
前記回路素子の少なくとも一つは、前記貫通孔の内壁面
に臨ませて形成されていることを特徴とするものであ
り、さらに、前記冷却手段は、前記貫通孔内に前記冷却
媒体を通流させる対流冷却手段であることを特徴とする
ものであり、さらに、前記冷却手段は、前記貫通孔を沸
騰核とする沸騰冷却手段であることを特徴とするもので
あり、また、回路素子が形成された半導体チップと、こ
の半導体チップに設けられる溝と、前記半導体チップを
冷却媒体を用いて冷却する冷却手段とを具備し、前記回
路素子の少なくとも一つは、前記溝の内壁面に臨ませて
形成されていることを特徴とするものであり、さらに、
前記冷却手段は、前記溝内に前記冷却媒体を通流させる
対流冷却手段であることを特徴とするものであり、さら
に、前記冷却手段は、前記溝を沸騰核とする沸騰冷却手
段であることを特徴とするものであり、また、少なくと
も一つの貫通孔を有する半導体チップと、少なくとも一
つの開口部を有し、該開口部と前記貫通孔とが連通する
ように前記半導体チップが実装される実装部材と、前記
貫通孔及び前記開口部を介して冷却媒体を通流させる手
段とを有することを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】上記のように構成された半導体装置は、半導体
チップに冷却孔が形成されており、これによって冷却孔
内に冷却媒体を流したときの熱伝達率は、従来の放熱フ
ィン等のように平板表面に沿って冷却媒体を流したとき
の熱伝達率より数十倍と大幅に大きくなり、また直接冷
却媒体が半導体チップの能動回路素子等に直接接触して
流れるために非常に効率的な冷却ができる。

【０００９】また、半導体チップに形成された冷却孔あ
るいは冷却溝を沸騰核として、沸騰冷却を行わせること
も可能である。

【００１０】一方、半導体チップに形成された冷却孔あ
るいは冷却溝の内壁面に能動回路素子を設けるようにし
ているので、熱伝達率が大きくなると共に直接冷却媒体
が能動回路素子に接触して流れることになって熱抵抗が
非常に小さい状態で熱放散が行え効率的な冷却ができ、
さらに構造の微細化を要することなく能動回路素子等の
集積度を増すことが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。先ず第１の実施例を図１及び図２により説明す
る。図１は概略の断面図であり、図２は一部を断面で示
す要部の断面図である。

【００１２】図１及び図２において、１１は半導体装置
で、実装部材であるパッケージ１２の凹部１３の内底面
１４に、例えば数ｍｍ〜数十ｍｍ角で厚さが１００μｍ
〜５００μｍ程度の方形板状の半導体チップ１５を収納
するようにして構成されている。尚、ここで実装部材は
パッケージのみでなく、短なる基板であっても良い。こ
れは以下の実施例でも同様である。半導体チップ１５
は、例えば複数の半導体回路が形成されたＳｉウエハを
分割することにより形成され、能動回路素子１６や図示
しない受動回路素子及び配線１７がその片面の回路形成
面１８に、表面から深さδの範囲で形成されている。

【００１３】そして半導体チップ１５は、回路形成面１
８に設けられた半導体回路に導通するバンプ１９を介し
て凹部１３の内底面１４に設けられた対応するパッド部
２０に固着される。このパッド部２０は図示しない外部
リードに導通するように凹部１３の内底面１４に固定さ
れている。これにより回路形成面１８と凹部１３の内底
面１４の間にはバンプ１９の高さに対応する隙間２１が
形成される。

【００１４】また半導体チップ１５には、能動回路素子
１６が形成されている部位の近傍に回路形成面１８であ
る片面から他面にかけて貫通するよう、例えば数μｍ〜
数十μｍ程度、場合によっては発生熱量の大きさ等に合
わせ数百μｍ程度の直径を有する円形断面の複数の冷却
孔２２が形成されている。この冷却孔２２は凹部１３の
内底面１４との間の隙間２１に連通したものとなってい
る。

【００１５】一方、半導体チップ１５の他面には、冷却
孔２２の開口部分を内側に含むようにして冷却媒体支管
２３の片端が気密に密着するよう取り付けられている。
そして、冷却媒体支管２３の他端は、凹部１３の開口部
２４を気密に管壁外面を固着させて閉塞する冷却媒体管
２５の側口２６に連通するよう取り付けられている。こ
こで、冷却媒体支管２３は、例えば蛇腹状に形成された
ベローのようなものでも良い。

【００１６】さらに、パッケージ１２には凹部１３内に
連通するよう冷却媒体導入口２７が形成されていて、こ
の冷却媒体導入口２７を通じて凹部１３内に図示しない
冷却媒体供給源から冷却媒体の例えば冷却空気を導入す
るようになっている。その結果、冷却媒体導入口２７を
通じて凹部１３内に導入された冷却媒体は、実線矢印で
示すように隙間２１から冷却孔２２内を通流し、さらに
冷却媒体支管２３を通り冷却媒体管２５に流れる。

【００１７】以上のように構成された本実施例では、半
導体装置１１を動作させる際に冷却媒体を冷却媒体源か
ら冷却媒体導入口２７に供給することで半導体装置１
１、すなわち半導体チップ１５の冷却が行われる。

【００１８】この冷却は冷却媒体導入口２７を通じて冷
却媒体を凹部１３内に導入し、冷却媒体を凹部１３内よ
りも負圧となっている冷却媒体管２５に向けて流すこと
により行われる。凹部１３内に導入され拡散した冷却媒
体は隙間２１を半導体チップ１５の回路形成面１８に沿
って流れ、この回路形成面１８から冷却孔２２を半導体
チップ１５の他面側に貫通して流れる。そして半導体チ
ップ１５の他面に至った冷却媒体は、冷却媒体支管２３
を流れて側口２６から冷却媒体管２５に流れる。

【００１９】尚、図示しないが、凹部１３内を冷却媒体
管２５よりも負圧にして、冷却媒体管２５から冷却媒体
支管２３を介して半導体チップ１５に冷却媒体を供給す
るようにしても良い。この場合、図１の実線矢印で示し
た経路と反対の経路で冷却媒体が通流することとなる。

【００２０】このように半導体チップ１５に形成された
能動回路素子１６等は、冷却媒体の流れに直接接っする
ことになり、従来のごとく熱抵抗の大きい半導体チップ
１５本体やパッケージ１２等における熱伝導を介さずに
極めて熱抵抗が小さい状態で冷却される。また半導体チ
ップ１５に形成された冷却孔２２内に冷却媒体を流す場
合に関わる熱伝達率は、従来の冷却装置（図１４参照）
のごとく平板表面に沿って冷却媒体を流す場合の熱伝達
率より数十倍と大幅に大きくなるため非常に効率的な冷
却がなされる。

【００２１】なお、上記の実施例の半導体チップ１５に
形成された冷却孔２２は円形断面を有するものとした
が、これに限るものではなく、例えば方形断面を有する
ものでも同様の作用、効果が得られる。

【００２２】こうした本実施例の冷却の状況を確認する
ためコンピュータを用いてシミュレーションを実施し
た。このシミュレーションにおいては、能動回路素子で
あるトランジスタ素子を５ｍｍ角の半導体チップの片面
中央に形成した５ＷのパワーＦＥＴをモデルとした。こ
こで本実施例に対応するものとして半導体チップの中央
に０．２ｍｍ角の方形断面の冷却孔を貫通するように設
け、この冷却孔中を通過するよう冷却媒体の空気を流し
て冷却した時のトランジスタの温度を算出した。

【００２３】また、比較例として半導体チップのトラン
ジスタが形成されていない他面に放熱フィンを設け、こ
の放熱フィンに空気を流して冷却した時のトランジスタ
の温度を算出した。そして、本実施例におけるトランジ
スタの算出温度と比較例におけるトランジスタの算出温
度とを対比したところ、本実施例のほうが約５０Ｋ低く
なることがわかった。この結果より、本実施例によれば
効率的な冷却を行えることが確認できた。

【００２４】次に、第２の実施例を図３により説明す
る。図３は一部を断面で示す要部の斜視図である。

【００２５】図３において、２７は半導体装置であり、
実装部材であるパッケージ２８の凹部１３の内底面１４
に半導体チップ１５を収納するようにして構成されてい
る。半導体チップ１５は、複数の半導体回路が形成され
た半導体ウエハを分割することにより形成され、能動回
路素子１６や図示しない受動回路素子及び配線１７がそ
の片面の回路形成面１８に、表面から深さδの範囲で形
成されている。

【００２６】そして半導体チップ１５は、回路形成面１
８に設けられた半導体回路に導通するバンプ１９を介し
て凹部１３の内底面１４に設けられた対応する図示しな
いパッド部に固着される。このパッド部は外部リードに
導通するように内底面１４に固定されている。これによ
り回路形成面１８と凹部１３の内底面１４の間にはバン
プ１９の高さに対応する隙間２１が形成される。

【００２７】また半導体チップ１５には、能動回路素子
１６が形成されている部位の近傍に回路形成面１８であ
る片面から他面にかけて貫通するよう複数の冷却孔２２
が形成されており、冷却孔２０は凹部１３の内底面１４
との間の隙間２１に連通したものとなっている。

【００２８】さらに、パッケージ２８の凹部１３内には
図示しない冷却媒体供給源から供給された冷却媒体の液
体が凹部１３内を満たし、実線矢印で示すように隙間２
１から半導体チップ１５の冷却孔２２内を通るように流
れ、その後、凹部１３内から流れ出るようになってい
る。そして、この間に冷却媒体中に浸積された半導体チ
ップ１５の沸騰冷却が行われる。

【００２９】以上のように構成された本実施例では、半
導体装置２７を動作させることにより半導体チップ１５
が発熱するが、半導体チップ１５に形成された能動回路
素子１６等は冷却媒体の流れに直接接っするため、極め
て熱抵抗が小さい状態で冷却されることになり、非常に
効率的な冷却がなされる。また、凹部１３内に満たされ
た冷却媒体が半導体チップ１５の冷却孔２２内を通流す
る際には冷却孔２２が沸騰核となって沸騰冷却が行わ
れ、伝熱が促進されることになる。

【００３０】なお、冷却孔２２の形状については図示し
た円形断面に限るものではなく、方形断面等であっても
よい。また、沸騰核となるようにして伝熱の促進を行う
場合には貫通した孔に限るものではなく、有底の穴や溝
を沸騰核とするようにしてもよい。

【００３１】また、本実施例のごとく冷却媒体を強制的
に通流させずに、沸騰冷却のみを行わせるようにしても
よい。

【００３２】次に上記した第１及び第２の実施例の変形
例について説明する。図４は一部を断面で示す要部の断
面図である。

【００３３】図４において、半導体チップ２９を貫通す
るように、複数の長孔情の冷却孔３０を能動回路素子１
６の近傍に形成している。このような構成でも、上記し
た第１及び第２の実施例と同様の作用、効果が得られ
る。

【００３４】次に、第３の実施例を図５により説明す
る。図５は概略の断面図である。

【００３５】図５において、３１は半導体装置で、その
パッケージ３２の内部には空洞部３３が形成されてお
り、空洞部３３の内部は仕切り部３４により上流空間３
５と下流空間３６に２分割されている。そして空洞部３
３の上流空間３５及び下流空間３６の側壁部には冷却媒
体導入口３７と冷却媒体排出口３８が形成され、仕切り
部３４には中央部に開口３９が形成されている。

【００３６】また仕切り部３４の上流空間３５側の片面
には、開口３９を覆うように半導体チップ４０がその周
縁部を仕切り部３４に気密となるよう接着され固定され
ている。即ち、本実施例においては、仕切り部３４が実
装部材となる。半導体チップ４０は、複数の半導体回路
が形成された半導体ウエハを分割することによって形成
された第１の実施例のものと略同じに形成されたもの
で、その片面の回路形成面１８に図示しないが能動回路
素子や受動回路素子及び配線が、表面から所定の深さの
範囲で形成されている。

【００３７】また半導体チップ４０には、その中央部及
びその周囲部分に形成された能動回路素子の近傍に、回
路形成面１８である片面から他面側にかけて貫通するよ
うに円形断面の複数の冷却孔２２が形成されている。こ
れにより、仕切り部３４により２分割された上流空間３
５と下流空間３６とが冷却孔２２を通じて連通したもの
になる。

【００３８】さらに半導体チップ４０には、回路形成面
１８に設けられた半導体回路に導通するようボンディン
グワイヤ４１の片端が固着されており、このボンディン
グワイヤ４１の他端は図示しないが仕切り部３４の片面
に設けられた対応するパッド部に外部リードに導通する
よう固着されている。

【００３９】そして、冷却媒体導入口３７には図示しな
い冷却媒体供給源から冷却媒体が供給される。その結
果、冷却媒体導入口３７を通じて上流空間３５内に導入
された冷却媒体は、実線矢印で示すように半導体チップ
４０の冷却孔２２内を通流して下流空間３６に至り、冷
却媒体排出口３８から排出される。

【００４０】尚、図示しないが、冷却媒体の通流方向
は、図５の実線矢印で示した方向と反対方向でもよい。

【００４１】以上のように構成された本実施例では、半
導体装置３１を動作させる際に冷却媒体を冷却媒体供給
源から冷却媒体導入口３７に供給することで半導体装置
３１、すなわち半導体チップ４０の冷却が行われる。

【００４２】冷却は冷却媒体導入口３７を通じて導入さ
れた冷却媒体が上流空間３５内に拡散し、半導体チップ
４０の回路形成面１８の片面から冷却孔２２を他面側に
貫通して流れる。そして半導体チップ４０の他面側の下
流空間３６に至った冷却媒体は、冷却媒体排出口３８か
ら外部に排出される。

【００４３】このように半導体チップ４０及びこれに形
成された能動回路素子等は、冷却媒体の流れに直接接し
て冷却されることになる。従って、本実施例においても
第１の実施例と同様の効率的な冷却がなされる。

【００４４】次に第４の実施例を図６により説明する。
図６は一部を断面で示す半導体チップの要部の斜視図で
ある。

【００４５】図６において、４２は半導体チップで、そ
の表裏両面間を貫通するように円形断面の複数の冷却孔
４３が形成されている。そして、半導体チップ４２を例
えば図示しないが第１又は第３の実施例と同様に構成さ
れたパッケージ内に収納し、冷却孔４３に冷却媒体を通
流させるように備えて半導体装置が形成されている。

【００４６】また、半導体チップ４２は、半導体回路を
構成する能動回路素子１６や図示しない受動回路素子及
び配線１７が片面１８に設けられている。さらに、半導
体チップ４２は半導体回路に導通するバンプ１９を介し
て図示しないパッド部に固着される。さらに冷却孔４３
の内壁面部には、その面に臨ませて複数の能動回路素子
１６と配線１７が形成されている。ここで、配線１７は
図示したごとく冷却孔４３の延設方向のものに限定され
ない。

【００４７】以上のように構成された半導体チップ４２
を備える本実施例では、半導体装置を動作させる際に冷
却媒体を冷却媒体供給源から半導体チップ４２の冷却孔
４３を貫通して流れるように供給して半導体チップ４２
の冷却が行われる。このため、半導体チップ４２の片面
１８及び冷却孔４３の内壁面部に形成された能動回路素
子１６等は、冷却媒体の流れに直接接して冷却されるこ
とになる。従って、本実施例においても第１の実施例と
同様の効率的な冷却がなされる。

【００４８】また一方、本実施例によれば、冷却孔４３
の内壁面部に能動回路素子１６等を設けるようにしてい
るので、構造の微細化を要することなく集積度を増加さ
せることが可能となる。

【００４９】尚、本実施例にかかる半導体チップ４２を
第２の実施例に適用し沸騰冷却を行っても良い。

【００５０】次に第５の実施例を図７及び図８により説
明する。図７は一部を断面で示す半導体チップの要部の
斜視図であり、図８は部分回路図である。

【００５１】図７及び図８において、４４は半導体回路
が形成された半導体チップで、その表裏両面間を貫通す
るように円形断面の複数の冷却孔４５が形成されてい
る。そして、半導体チップ４４は図示しないが図１又は
図５に示した第１又は第３の実施例と同様に構成された
パッケージ内に収納され、冷却孔４５に冷却媒体を通流
させるようにして半導体装置が形成されている。

【００５２】半導体チップ４４は、例えばエピタキシャ
ル成長やＳｉウェハの直接接合技術などにより、図７に
おける最下層である第１層４６₁ 、第２層４６₂ 、…、
最上層４６_n の順に積層して形成されている。各層４６
₁ ，４６₂ ，…，４６_n には、図８に示すように半導体
回路を構成する能動回路素子のトランジスタ４７及び受
動回路素子のコンデンサ４８、ビットライン４９が形成
されている。

【００５３】すなわち、冷却孔４５の周囲には各層４６
₁ ，４６₂ ，…，４６_n に離間して第１の不純物注入領
域５０₁ ，５０₂ ，…，５０_n と第２の不純物注入領域
５１₁ ，５１₂ ，…，５１_n が設けられ、さらに冷却孔
４５の内壁面部を形成するように各層４６₁ ，４６₂ ，
…，４６_n に共通して酸化膜５２と第１の配線５３とが
成層されている。また、各層４６₁ ，４６₂ ，…，４６
_n には第１の不純物注入領域５０₁ ，５０₂ ，…，５０
_n に接続する第２の配線４９₁ ，４９₂ ，…，４９_n が
設けられている。

【００５４】これによりトランジスタ４７₁ ，４７₂ ，
…，４７_n は、第１の配線５３をゲート電極とし、酸化
膜５２をゲート絶縁膜とし、第１の不純物注入領域５０
₁ ，５０₂ ，…，５０_n と第２の不純物注入領域５
１₁ ，５１₂ ，…，５１_n をソース、ドレイン領域とし
て形成される。さらにコンデンサ４８₁ ，４８₂ ，…，
４８_n は、第２の不純物注入領域５１₁ ，５１₂ ，…，
５１_n と各層４６₁ ，４６₂ ，…，４６_n の基材とで形
成される。なお、第１の配線５３がワードラインとな
り、第２の配線４９₁ ，４９₂ ，…，４９_n がビットラ
インとなる。

【００５５】そして、半導体回路に導通するよう図示し
ないボンディングワイヤの片端が固着され、他端は図示
しないがパッケージに設けられた対応するパッド部に外
部リードに導通するよう固着される。

【００５６】以上のように構成された半導体チップ４４
を備える本実施例では、半導体装置を動作させる際に冷
却媒体を冷却媒体供給源から半導体チップ４４の冷却孔
４５を貫通して流れるように供給して半導体チップ４４
の冷却が行われる。このため、半導体チップ４４の最上
層４６_n 表面及び冷却孔４５の内壁面部分に形成された
能動回路素子のトランジスタ４７₁ ，４７₂ ，…，４７
_n 等は、冷却媒体の流れにより冷却されることになる。
従って、本実施例においても第１の実施例と同様の効率
的な冷却がなされる。

【００５７】尚、本実施例にかかる半導体チップ４４を
第２の実施例に適用し、沸騰冷却を行っても良い。

【００５８】さらに、冷却孔４５の内壁面部分に臨ませ
てトランジスタ４７₁ ，４７₂ ，…，４７_n 等を設ける
ようにしているので、第４の実施例と同様に構造の微細
化を要することなく集積度を増加させることが可能とな
る。

【００５９】次に第６の実施例を図９により説明する。
図９は一部を断面で示す半導体チップの要部の斜視図で
ある。

【００６０】図９において、５５は半導体チップで、そ
の表裏両面間を貫通するように円形断面の複数の冷却孔
５６が形成されている。そして、半導体チップ５５は、
図示しないが上記した第１又は第３の実施例と同様に構
成されたパッケージ内に収納され、冷却孔５６に冷却媒
体を通流させるように備えて半導体装置が形成されてい
る。

【００６１】また、半導体チップ５５は、例えばＧａＡ
ｓのエピタキシャル成長により、図８における最下層で
ある第１層５７₁ 、第２層５７₂ 、…、最上層５７_n の
順に積層して形成されている。各層５７₁ ，５７₂ ，
…，５７_n の冷却孔５６の内壁面を形成する縁周囲に
は、能動回路素子のトランジスタ５８₁ ，５８₂ ，…，
５８_n を構成するｎ型領域５９₁ ，５９₂ ，…，５９_n
及び第１のｎ^＋型領域６０₁ ，６０₂ ，…，６０_n 、第
２のｎ^＋型領域６１₁ ，６１₂ ，…，６１_n が露出して
形成されている。

【００６２】さらに、冷却孔５６の内壁面にはｎ型領域
５９₁ ，５９₂ ，…，５９_n 及び第１のｎ^＋型領域６０
₁ ，６０₂ ，…，６０_n 、第２のｎ^＋型領域６１₁ ，６
１₂，…，６１_n を、軸方向に接続するよう第１の配線
６２、第２の配線６３、第３の配線６４が設けられてい
る。これにより、第１の配線６２がゲート電極、第２の
配線６３と第３の配線６４がソース電極、ドレイン電極
となり、多数のトランジスタ５８₁ ，５８₂ ，…，５８
_n が並列に連なった構成の半導体回路となる。

【００６３】そして、半導体回路に導通するよう図示し
ないボンディングワイヤの片端が固着され、またボンデ
ィングワイヤの他端は図示しないがパッケージに設けら
れた対応するパッド部に固着される。

【００６４】以上のように構成された半導体チップ５５
を備える本実施例では、半導体装置を動作させる際に冷
却媒体を冷却媒体供給源から半導体チップ５５の冷却孔
５６を貫通して流れるように供給して半導体チップ５５
の冷却が行われる。このため、半導体チップ５５の冷却
孔５６の内壁面部に露出するように形成された能動回路
素子のトランジスタ５８₁ ，５８₂ ，…，５８_n は、冷
却媒体の流れに直接接して冷却されることになる。従っ
て、本実施例においても第１の実施例と同様の効率的な
冷却がなされる。

【００６５】さらに、冷却孔５６の内壁面にトランジス
タ５８₁ ，５８₂ ，…，５８_n を設けるようにしている
ので、第４の実施例と同様に構造の微細化を要すること
なく集積度を増加させることが可能となる。

【００６６】尚、本実施例にかかる半導体チップ５５を
第２の実施例に適用し、沸騰冷却を行っても良い。

【００６７】次に第７の実施例を図１０により説明す
る。図１０は一部を断面で示す半導体チップの要部の斜
視図である。

【００６８】図１０において、６５は半導体チップで、
その表裏両面間を貫通するように円形断面の複数の冷却
孔６６が形成されている。そして、半導体チップ６５を
図示しないが第３の実施例と同様に構成されたパッケー
ジ内に収納し、冷却孔６６に冷却媒体を通流させるよう
に備えて半導体装置が形成されている。

【００６９】また、半導体チップ６５は、例えばＧａＡ
ｓの単結晶基板に貫通するように形成された冷却孔６６
内壁面に、イオン注入によって軸方向にトランジスタ６
７を構成するｎ型領域６８及び第１のｎ⁺ 型領域６９、
第２のｎ⁺ 型領域７０が露出して形成されている。さら
に、これらの各領域６８，６９，７０には軸方向に伸び
る第１の配線７１、第２の配線７２、第３の配線７３が
設けられ、第１の配線７１がゲート電極、第２の配線７
２と第３の配線７３がソース電極、ドレイン電極となっ
て、冷却孔６６内壁面に大面積のトランジスタ６７が構
成される。

【００７０】そして、トランジスタ６７を備えた半導体
回路に導通するよう図示しないボンディングワイヤの片
端が固着され、またボンディングワイヤの他端は図示し
ないがパッケージに設けられた対応するパッド部に固着
される。

【００７１】以上のように構成された半導体チップ６５
を備える本実施例では、半導体装置を動作させる際に冷
却媒体を冷却媒体供給源から半導体チップ６５の冷却孔
６６を貫通して流れるように供給して半導体チップ６５
の冷却が行われる。このため、半導体チップ６５の冷却
孔６６の内壁面部に露出するように形成された大面積で
大きい電流が流せる能動回路素子のトランジスタ６７
は、冷却媒体の流れにより直接接して冷却されることに
なる。従って、本実施例においても第１の実施例と同様
の効率的な冷却がなされる。

【００７２】さらに、冷却孔６６の内壁面にトランジス
タ６７を設けるようにしているので、第４の実施例と同
様に構造の微細化を要することなく集積度を増加させる
ことが可能となる。

【００７３】尚、本実施例にかかる半導体チップ６５を
第２の実施例に適用し、沸騰冷却を行っても良い。

【００７４】次に第８の実施例を図１１及び図１２によ
り説明する。図１１は概略の断面図であり、図１２は一
部を断面で示す要部の断面図である。

【００７５】図１１及び図１２において、８１は半導体
装置で、パッケージ１２の凹部１３の内底面１４に、例
えば数ｍｍ〜数十ｍｍ角で厚さが１００μｍ〜５００μ
ｍ程度の方形板状の半導体チップ８２を収納するように
して構成されている。半導体チップ８２は、例えば複数
の半導体回路が形成されたＳｉウエハを分割することに
より形成されている。

【００７６】そして半導体チップ８２は、片面側に半導
体回路に導通するバンプ１９を介して、凹部１３の内底
面１４に設けられた対応する図示しないパッド部に固着
される。このパッド部は、図示しない外部リードに導通
するように凹部１３の内底面１４に固定されている。こ
れにより半導体チップ８２の片面と凹部１３の内底面１
４との間にバンプ１９の高さに対応する隙間が形成され
る。

【００７７】一方、半導体チップ８２の他面には複数条
の方形状断面の冷却溝８３が形成されており、冷却溝８
３の側壁面に臨ませて半導体回路を構成する能動回路素
子８４が形成されている。また、凹部１３内に収納され
た半導体チップ８２の他面には、例えば蛇腹状に形成さ
れた冷却媒体支管２３が、冷却溝８３全ての開口の少な
くとも一部を内に含むように片端を気密に密着させるよ
うにして取り付けられている。

【００７８】そして、パッケージ１２の凹部１３内には
冷却媒体導入口２７を通じて冷却媒体の例えば冷却空気
が導入され、導入された冷却媒体は実線矢印で示すよう
に冷却溝８３内を溝方向に流れて冷却媒体支管２３に集
められ、側口２６から冷却媒体管２５に流れる。

【００７９】以上のように構成された本実施例では、半
導体装置８１を動作させる際に冷却媒体を冷却媒体源か
ら冷却媒体導入口２７に供給することで半導体装置８
１、すなわち半導体チップ８２の冷却が行われる。この
冷却は、冷却媒体導入口２７からそれよりも負圧となて
いる冷却媒体管２５に向かって冷却媒体が流れる際、半
導体チップ８２の冷却溝８３に設けられている能動回路
素子８４に冷却媒体が直接接するように流れることによ
り、能動回路素子８４に発生した熱を放散させることで
行われる。

【００８０】このように能動回路素子８４は、冷却媒体
の流れに直接接し極めて熱抵抗が小さい状態で冷却され
ることになり、非常に効率的な冷却がなされる。

【００８１】なお、上記実施例では冷却溝８３の断面形
状を方形としたが、これに限るものではなく、Ｖ字形状
等であってもよい。また、半導体チップ８２も第５の実
施例や第６の実施例と同じく積層構造としても、上記し
た第８の実施例と同様の作用、効果が得られる。

【００８２】次に第９の実施例を図１３により説明す
る。図１３は概略の断面図である。

【００８３】図１３において、８５は半導体装置で、パ
ッケージ８６の凹部８７の内底面１４に方形板状の半導
体チップ８８を収納するようにして構成されている。半
導体チップ８８は、例えば複数の半導体回路が形成され
たＳｉウエハを分割することにより形成され、図示しな
い能動回路素子や受動回路素子及び配線がその片面の回
路形成面１８に形成されている。

【００８４】そして半導体チップ８８は、片面側に半導
体回路に導通するバンプ１９を介して、凹部８７の内底
面１４に設けられた対応する図示しないパッド部に固着
される。このパッド部は、図示しない外部リードに導通
するように凹部８７の内底面１４に固定されている。こ
れにより半導体チップ８８の片面と凹部８７の内底面１
４との間にバンプ１９の高さに対応する隙間が形成され
る。

【００８５】一方、半導体チップ８８の他面には、この
面に片面を密着するように冷却板８９が設けられてい
る。この冷却板８９は、その主面に平行な方向に複数の
冷却孔９０が形成され、他面の中央部には冷却孔９０に
連通する開口９１が形成されている。また、冷却板８９
の他面には、例えば蛇腹状に形成された冷却媒体支管２
３が開口９１を内側に含むようにして片端を気密に密着
するよう取り付けられている。

【００８６】そして、パッケージ８６の凹部８７内には
冷却媒体導入口２７を通じて冷却媒体の例えば冷却空気
が導入され、導入された冷却媒体は実線矢印で示すよう
に冷却板８９の冷却孔９０内を流れ、開口９１から冷却
媒体支管２３に集められて側口２６から冷却媒体管２５
に流れるようになっている。

【００８７】以上のように構成された本実施例では、半
導体装置８５を動作させる際に冷却媒体を冷却媒体源か
ら冷却媒体導入口２７に供給することで半導体装置８
５、すなわち半導体チップ８８の冷却が行われる。この
冷却は、冷却媒体導入口２７からそれよりも負圧となて
いる冷却媒体管２５に向かって冷却媒体が流れる際、半
導体チップ８８の他面に密着するように設けられた冷却
板８９の冷却孔９０内を冷却媒体が流れることによっ
て、半導体チップ８８の能動回路素子に発生した熱が冷
却板８９を介して冷却媒体に伝えられて放散されること
で行われる。

【００８８】このように能動回路素子を有する半導体チ
ップ８８は、冷却板８９のみを介して冷却媒体の流れに
接して冷却されることになり、パッケージ８６等を介さ
ない熱抵抗が小さい状態で非常に効率的な冷却がなされ
る。

【００８９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、半導体チップを効率的且つ十分に冷却すること
ができ、能動回路素子等を半導体チップに高い集積度で
形成することができる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す概略の断面図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例に係る一部を断面で示す
要部の斜視図である。

【図３】本発明の第２の実施例の一部を断面で示す要部
の斜視図である。

【図４】本発明の第１及び第２の実施例の一部を断面で
示す要部の斜視図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す概略の断面図であ
る。

【図６】本発明の第４の実施例に係る一部を断面で示す
半導体チップの要部の斜視図である。

【図７】本発明の第５の実施例に係る一部を断面で示す
半導体チップの要部の斜視図である。

【図８】本発明の第５の実施例に係る部分回路図であ
る。

【図９】本発明の第６の実施例に係る一部を断面で示す
半導体チップの要部の斜視図である。

【図１０】本発明の第７の実施例に係る一部を断面で示
す半導体チップの要部の斜視図である。

【図１１】本発明の第８の実施例を示す概略の断面図で
ある。

【図１２】本発明の第８の実施例に係る一部を断面で示
す半導体チップの要部の斜視図である。

【図１３】本発明の第９の実施例を示す概略の断面図で
ある。

【図１４】従来例を示す概略の断面図である。

【符号の説明】

１５…半導体チップ １６…能動回路素子 ２２…冷却孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五代儀 靖 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地 株式会社東芝 京浜事業所内 (72)発明者 西堀 一弥 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 松岡 史倫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 平６−268110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−54352（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/34 - 23/473

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路素子が形成された半導体チップと、
   この半導体チップを貫通するように設けられる貫通孔
   と、前記半導体チップを冷却媒体を用いて冷却する冷却
   手段とを具備し、前記回路素子の少なくとも一つは、前
   記貫通孔の内壁面に臨ませて形成されていることを特徴
   とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記冷却手段は、前記貫通孔内に前記冷
   却媒体を通流させる対流冷却手段であることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記冷却手段は、前記貫通孔を沸騰核と
   する沸騰冷却手段であることを特徴とする請求項１記載
   の半導体装置。
4. 【請求項４】 回路素子が形成された半導体チップと、
   この半導体チップに設けられる溝と、前記半導体チップ
   を冷却媒体を用いて冷却する冷却手段とを具備し、前記
   回路素子の少なくとも一つは、前記溝の内壁面に臨ませ
   て形成されていることを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】 前記冷却手段は、前記溝内に前記冷却媒
   体を通流させる対流冷却手段であることを特徴とする請
   求項４記載の半導体装置。
6. 【請求項６】 前記冷却手段は、前記溝を沸騰核とする
   沸騰冷却手段であることを特徴とする請求項４記載の半
   導体装置。
7. 【請求項７】 少なくとも一つの貫通孔を有する半導体
   チップと、少なくとも一つの開口部を有し、該開口部と
   前記貫通孔とが連通するように前記半導体チップが実装
   される実装部材と、前記貫通孔及び前記開口部を介して
   冷却媒体を通流させる手段とを有することを特徴とする
   半導体装置。