半导体集成电路装置及 其半导体集成电路芯片 【技术领域】
本发明涉及在例如包含电子计算机等的电子设备中广泛使用的半导体集成电路装置，特别涉及通过在半导体芯片内传送(扩散)因其工作而在这样的装置的集成电路内产生的热，使元件内部的温度分布平坦化，从而可以抑制在集成电路装置的半导体芯片内的局部温升的半导体集成电路装置及用于它的半导体集成电路芯片。
背景技术
迄今，作为用于扩散(传送)来自安装在电子设备中的半导体元件等发热体的热的装置，例如，从下面地专利文献1已知有例如，在由高热传导材料构成的上板与下板的接合面上形成环状的槽，以该环状槽相对置的方式把这两个板叠合并接合起来，从而在其内部形成了热管的热扩散板。
此外，一般说来，作为输送来自发热体的热的装置，已知例如，通过驱动封入到内部中的流体来输送热。例如，在下面的专利文献2中公开的装置中，为了从在其上安装了多个半导体元件(发热体)的布线基板输送热，由毛细管构成所形成的液体流路的一部分，而且在该一部分中包括电加热单元，由此使毛细管内部的液体脉冲地加热而崩沸，利用与该崩沸时的气化相伴随的急剧的压力上升来驱动上述液体。
再有，在例如下面的非专利文献1中详述了利用液体的振动来传送热的原理。
此外，在下面的非专利文献2的图10中，公开了：使用内装有利用热管或液体的振动来传送热的装置的容器，用于分散耗电多的半导体芯片的放热的结构。
(专利文献1)
日本特开2002-130964号公报
<专利文献2>
日本特开平7-286788号公报
<非专利文献1>
小泽守等5人，“依靠液体振动的热传送的促进”(第228-235页)、第56卷530号(1990-10)、日本机械学会论文集(B编)
<非专利文献2>
Z.J.Zuo、L.R.Hoover和A.L.Phillips，“An integrated thermalarchitecture for thermal management of high power electronics”，第317-336页，Suresh V.Garinella，《Thermal Challenges in NextGeneration Electronic System》(PROCEEDINGS OF INTERNATIONALCONFERENCE THER MES 2002)，SANTA FE，NEW MEXICO，USA，13-16 JANUARY 2002。
可是，近年来，强烈希望在这样的计算机等中，在运算处理等中使用的高集成化的半导体芯片的芯片模尺寸的进一步小型化并提高运算处理速度，同时，降低与低耗电相伴随的每一个芯片的电力密度，为了兼顾此二者，例如采用在同一芯片内安装逻辑元件及存储元件的技术(通称“系统在芯片上”)等正在研究中。
在这样的半导体芯片中，由于与逻辑元件相比电力密度小的存储元件部与该逻辑元件一起混合安装在同一半导体芯片上，故每一个该芯片的电力密度与现有的半导体芯片相比是较小的。但是，作为半导体芯片，在芯片内产生了大的电力密度之差。进而，由于在该逻辑元件部中同样也产生电力密度分布，结果在芯片内发生了大的电力密度之差。
在半导体芯片中，由于上述电力密度差原样不变地表现为发热密度之差，故这样的在同一芯片内安装了逻辑元件及存储元件的芯片工作时，产生大的温度分布，具体地说，在逻辑元件部内产生了局部的温升(所谓的热点)。而且，由于这样的热点达到晶体管的结上限温度时，半导体元件就发生热击穿，故用于消除这样的热点的某种手段或对策是必需的。此外，这样的热点的发生也成为使安装该半导体芯片的集成电路封装的允许工作温度(为了保证安装在该封装内的半导体芯片的电路正常地进行工作，封装允许的最高温度)降低的重要原因。因此，整个冷却结构大型化，特别是，在移动性成为必要的、例如称为台式或笔记本大小的小型计算机或小型电子设备中采用，或者在高密度地安装了多个称为机架固定服务器及刀片形服务器的集成电路封装的计算机中采用，都是困难的。
与此不同，在例如上述专利文献1及专利文献2中示出的热扩散机构中，采用了夹着高热传导润滑脂、高热传导性粘接材料、或高热传导性橡胶等把作为发热部件的半导体元件(芯片)安装到该热扩散板上的结构。因此，在该发热部件内产生热点的情况下，该热点通过直接与该发热部件热接触的润滑脂、粘接材料、或橡胶扩散到热扩散板。可是，这样的润滑脂、粘接剂、或橡胶的热传导率最大至多为10W/(m·K)的量级，这相对于例如铝或硅等的金属或半导体的热传导率(例如，100W/(m·K)的量级)来说是很小的。因此，在根据上述现有技术的通过润滑脂、粘接剂、或橡胶把作为发热部件的半导体芯片安装到热扩散板上的结构中，也存在在半导体芯片内产生起因于热点的大的温度差的问题。
【发明内容】
因此，本发明正是鉴于上述现有技术中的问题而提出的，更具体地说，其目的在于，通过可靠地减少由于芯片的小型化及电力密度差而在半导体芯片内产生的热点，并抑制在半导体芯片内发生的热分布差，提供一种不降低安装了半导体芯片的集成电路封装的允许温度降低，且结果可以容易实现整个冷却结构的小型轻量化的半导体集成电路装置及用于它的半导体集成电路芯片。
即，在本发明中，为了达到上述目的，首先，提供一种半导体集成电路芯片，该半导体集成电路芯片是板状的半导体芯片，在其一侧面上形成有多个电路的电路形成层，且把热传送层与和形成了上述电路形成层的侧面相反的侧面接合成一体，其特征在于：上述热传送层由与该半导体芯片相同的材料形成，且在其内部具有闭合流路、封入到上述闭合流路内的工作流体、及上述工作流体的驱动单元。
再有，按照本发明，上述板状的半导体芯片及上述热传送层都由硅形成，上述工作流体的驱动单元由对封入到上述闭合流路内的工作流体提供振动的单元构成，上述振动提供单元由电阻层形成。此外，把上述电阻层配置在发热密度比上述整个半导体集成电路芯片的平均发热密度小的区域上。
此外，按照本发明，上述工作流体是水。上述板状的半导体集成电路芯片是在形成了电路的一侧面内分离地形成有逻辑元件及存储元件的芯片。
此外，按照本发明，在上述半导体集成电路芯片中，在上述基板上形成的闭合流路沿着上述半导体芯片的一侧边形成了多条。上述形成了多条的闭合流路包括分别独立地对封入到其内部中的工作流体进行驱动的单元。也可以以下述方式来构成，在上述半导体芯片内设置多个温度检测单元，且根据来自上述温度检测单元的温度检测输出对上述独立地设置的多个驱动单元进行控制。或者，沿着上述半导体芯片的另外的一侧边、与上述形成了的多条闭合流路相交叉地还形成其它的多条闭合流通，上述形成了多条的闭合流路包括分别独立地、对封入到其内部中的工作流体进行驱动的单元。也可以以下述方式来构成，在上述半导体芯片内设置多个温度检测单元，且根据来自上述温度检测单元的温度检测输出对上述独立地设置的多个驱动单元进行控制。
此外，按照本发明，为了达到上述目的，还提供一种半导体集成电路芯片，其中：在板状的半导体芯片的一侧面上形成其中形成有多个电路的电路形成层，并且，把用于抑制该半导体芯片的电路形成层内的电路放热导致的局部温升的基板层、与和形成了上述电路形成层的侧面相反的侧面接合成一体。
此外，按照本发明，为了达到上述目的，还提供一种半导体集成电路装置，该半导体集成电路装置包括：在一部分上形成了多个电路的半导体集成电路芯片；在一部分上形成布线图形且安装上述集成电路芯片的安装基板；在内部收容安装了上述集成电路芯片的上述安装基板的外壳；以及从上述外壳或上述安装基板伸到外部并与在上述半导体集成电路芯片上形成的电路电连接的多个端子，其特征在于：上述集成电路芯片是上面所述的集成电路芯片。
而且，在本发明中，在上述的半导体集成电路装置中，在上述外壳的外表面的一部分上安装了散热片。或者，向在上述半导体集成电路芯片的上述热传送基板上形成的上述驱动单元供给的电力，是通过上述半导体集成电路装置的端子向上述半导体集成电路芯片供给的电力的一部分。
【附图说明】
图1为示出本发明实施方式的半导体集成电路芯片中的驱动单元的细节的部分放大剖面图。
图2用于说明具备本发明实施方式的半导体芯片的半导体集成电路装置安装到设备上的状态。
图3为示出内装本发明实施方式的半导体芯片的半导体集成电路装置的内部结构的剖面图。
图4为示出本发明实施方式的半导体集成电路芯片的外观及内部结构的斜视图。
图5为从上述图4中的箭头A及B的方向看到的、本发明实施方式的半导体集成电路芯片的侧视图及俯视图。
图6示出在本发明的半导体集成电路芯片中的流路(热传送)基板上形成的通路管的另一个例子。
图7同样地示出在本发明的半导体集成电路芯片中的流路(热传送)基板上形成的通路管的又一个例子。
【具体实施方式】
下面，参照附图，详细地说明本发明的实施方式。
后附的图2示出本发明的半导体集成电路装置的外观(包含一部分展开图)。即，正如从图中看到的那样，在半导体集成电路装置100中，把由例如高热传导性的陶瓷构成的外形为大致立方形的封装外壳105与布线基板(安装基板)103叠合而形成封闭空间，在其内部中安装了例如由矩形硅板构成的电路元件即半导体芯片101。此外，把该半导体芯片101安装到布线基板(安装基板)103上，并电连接。然后，通过布线基板103，把半导体芯片101内的电路(例如，CPU及存储器等)与在这里未图示的、为了与外部电连接而设置的多个外部端子201电连接起来。
此外，如图示那样，上述本发明的半导体集成电路装置100在该封装外壳的状态下，把用于放热的散热片300安装在其上表面上，并将其安装到服务器等的机箱(筐体)400内的规定位置上。或者，也可以不安装上述散热片，将其照原样安装到包括例如移动型个人计算机的电子设备内。
此外，图3的剖面图示出了下述状态，在图2示出了的上述本发明的半导体集成电路装置100中，把上述半导体芯片101安装到在下表面上竖装了多个管脚(外部端子)201的布线基板103上。图中，与上述图2中相同的符号表示相同的结构部件，此外，图中的符号104是插入到半导体芯片100与封装外壳105之间的高热传导润滑脂、高热传导性粘接材料、或高热传导性橡胶。
其次，后附的图4用虚线透视地示出安装在上述本发明的半导体集成电路装置100中的半导体芯片(芯片模)101的即集成电路基板1的详细结构。即，图中，作为上述半导体芯片101的集成电路基板1的下表面侧，是利用已知的半导体装置的制造方法、例如采用上述的“系统在芯片上”，把在同一芯片内形成逻辑元件(CPU)及存储元件(存储器)的电路分割成多个区域而形成的多个层，即所谓的电子电路(电路形成)层2。
另一方面，在作为上述半导体芯片101的集成电路基板1的上表面(与芯片模上的上述电子电路层2相反的面)侧，利用多个通路管3把闭合流路与该芯片(芯片模)形成为一体，把工作流体4封入其内部中。此外，在各通路管3的一端部附近形成构成工作流体的驱动单元的电阻膜5，同时，在该各通路管3的另一端部形成作为互相连通的空间的缓冲器6。
图5(A)示出作为上述半导体芯片101的集成电路基板1从上述图4中的箭头A方向看到的状态。在该图中，符号102表示插入到集成电路基板1的电子电路层2与安装基板103之间的焊锡球。此外，图5(B)示出作为上述半导体芯片101的集成电路基板1从上述图4中的箭头B方向看到的状态。
正如从这些图看到的那样，在作为上述半导体芯片101的集成电路基板1中，在与上述电子电路层2相反的一侧，沿着基板的一侧边(在图5(B)的例子中是半导体芯片的横边)以梳状形成多条通路管3及缓冲部6，把例如水等潜热大的流体(工作流体4)封入这些通路管3的内部。此外，面对着这些通路管3的、与形成上述缓冲部6的一侧相反一侧的端部或其附近，以与通路管大体相同或比其稍大的宽度，分别形成构成上述工作流体的驱动单元的电阻膜5。即，各电阻膜5与封入到通路管3的内部中的工作流体4相接触(参照图5(A))。再有，为了尽可能减小由于作为半导体芯片101的集成电路装置的放热而受到的影响，把上述工作流体的驱动单元配置在发热密度比整个芯片的平均发热密度小的区域中是优选的，在本例中，是在接近集成电路基板1的一端的区域中形成。或者，也可以对应于放热较少的存储器的形成部来设置。
此外，在这些图5(A)和(B)中，符号7是用于检测在作为上述半导体芯片101的集成电路基板1中发生的热点的温度传感器，更具体地说，在上述电子电路层2的下层作为电阻层形成。即，通过测定该温度传感器7电阻值的变化，能够检测在上述集成电路基板1的哪个位置(更具体地说，在图5(B)的集成电路基板1的纵方向上的哪个位置)产生了热点。再有，在本例中，示出了在上述基板1的大体中央部，与多条通路管3的形成位置吻合且在其正交方向上，形成了1列该温度传感器7的例子。但是，本发明并不仅限于此，也可以例如沿着上述集成电路基板1的平面、适当地设置(在平面上分散地形成)这些多条通路管3。
后附的图1是在作为上述半导体芯片101的集成电路基板1中形成的通路管3中，把形成了构成上述工作流体的驱动单元的电阻膜5的端部剖面放大示出的部分放大剖面图。在该图中，与上述图5(A)及(B)的结构不同，图中示出了在上述通路管3的下侧形成了构成上述工作流体的驱动单元的电阻膜5的例子。
正如从图看到的那样，作为上述半导体芯片101的集成电路基板1具备：在其下表面侧上形成了多个电路的电子电路(电路形成)层2，该多个电路在同一芯片内形成逻辑元件(CPU)及存储元件(存储器)。另一方面，在上述集成电路基板1的上表面侧(即，与上述电子电路层2的形成面相反的一侧)，夹着绝缘膜(例如，SiO2层)11层叠电阻层(例如，聚硅、钽化物(TaN)的层等)12，而形成构成上述工作流体的驱动单元的电阻膜5。
进而，在该电阻层12两侧的上表面上形成金属层13，该金属层13形成用于对该电阻层12供给电力的布线，在金属层13的上表面上形成保护层14。然后，在其上表面上，把由与上述集成电路基板1相同的材料即硅板构成的流路(热扩散)层(基板)15、与上述集成电路基板1接合成一体。再有，预先利用例如干式蚀刻等加工技术在构成上述流路(热扩散)基板15的硅板下表面上形成上述多条通路管3及缓冲器6，再把该流路基板15与集成电路基板1接合成一体。
关于工作流体的封入，例如在把上述流路基板15与集成电路基板1接合成一体时，把作为工作流体4的水等流体封入上述多条通路管3及缓冲器6的内部中。此外，在这里虽未图示，但设有在通路管3与半导体芯片101的表面间进行连通的孔，由此封入工作流体4。当封入工作流体4时，根据工作流体4的特性来变更封入压力，或者，在封入时混入不凝结气体的气相部(空气)。
此外，形成上述流路基板15的构件不限于硅，也可以是其膨胀率接近于硅的材料。此外，为了防止该电阻层12直接与水等工作流体4相接触而设置了上述保护层14，但是，通过选择这些电阻层与工作流体的材料，也可以不需要保护层14。
设想安装到上述本发明的半导体集成电路装置100中的半导体芯片(芯片模)的芯片尺寸为从十毫米到数十毫米左右的正方形，对此，通路管剖面具有从十微米到百微米左右的正方形的剖面大小。
此外，在这里虽未图示，但设有用于通过由上述金属层13构成的布线以间歇的脉冲状对该电阻层供给电力的单元。此时的脉冲频率取决于工作流体4的种类及通路管3的尺寸，但大致为从数十Hz到数百Hz左右。作为这样的脉冲电力供给单元，例如可在上述集成电路基板1的电子电路层2上形成，或者也可以利用在电子电路层2的形成面上形成的CPU等逻辑元件来形成。并且，虽同样未图示，但也可以利用来自对本发明的半导体集成电路装置100供给驱动电力的电源的电力的一部分(更具体地说，通过上述外部端子对集成电路基板1供给的电力的一部分)，从电路的简化看这样的结构是有利的。
接着，参照上述图1及图5(A)及5(B)，详细地说明在上述的其结构详细说明了的集成电路基板1中的放热的传送(扩散)作用。
首先，如果由上述脉冲电力供给单元以脉冲状供给电力，上述图1示出的电阻层12就放热，通路管3内的工作流体4(例如，在本例中是水)就被急剧(脉冲状)加热，由此而气化(崩沸)并在工作流体4内发生蒸气4a引起的气泡。其后，脉冲状电力的供给一旦停止，电阻层12引起的加热就停止，上述产生的工作流体蒸气4a就消失。
再有，出于对电阻层12因蒸气4a消失时发生的空穴作用而受到损伤的情况进行保护的目的，上述保护层14也是必要的。这样，由于对上述电阻层12间歇地供给脉冲状的电力，在通路管3内的端部，封入到内部中的工作流体4重复进行工作流体蒸气4a引起的气泡的发生与消失。而且，由于当工作流体4崩沸时，与气化相伴随的急剧的压力上升、与急剧的压力上升相伴随的气泡的膨胀而发生振动，由该发生的振动来驱动工作流体4。即，伴随着通路管3内的工作流体4的振动，在集成电路基板1的电子电路层2中发生的热(特别是，热点那样的局部温升)被传送(扩散)(参照图5(A)及(B)的箭头)，从而使集成电路基板1内部的温度分布平坦化，抑制了局部温升的发生。
此外，在上述集成电路基板1中，在基板的上表面侧并排地设置了多条上述的通路管3，并且把各通路管3构成为分别地驱动及工作。因此，上述脉冲电力供给单元利用来自配置在基板内的温度传感器7的温度检测信号来检测局部的温升位置，可以有选择地控制对通路管3供给的驱动电力。即，在集成电路基板1的电子电路层2中，只对与发生了热点那样的局部温升的部分相对应的通路管3的电阻层12间歇地供给脉冲状的电力(进行驱动)。由此，不是在整个基板中，而是可以只在必要的部分中进行热传送(扩散)，可以实现效率更高的集成电路基板1中的热传送(扩散)作用。
再有，在上述实施方式中，只说明了在上述集成电路基板1的上表面侧、只在一方向(即，上述图5(B)中的上下方向)上并排地设置了多条通路管3的结构。但是，本发明并不仅限于此，例如，除了在上述上下方向上并排地设置多条通路管3之外，还可以在其上下的某一层再设置上述图5(B)中的左右方向上并排设置的多条通路管3的层。即，按照这样的结构，特别是在基板平面内分散地配置了温度传感器7的情况下，可以利用来自这些温度传感器7的温度检测信号，在平面上(即，不仅从上下方向，而且还从左右方向)选择进行驱动的通路管3，进行驱动及控制，实现效率更高的热传送(扩散)作用。
此外，在上述实施方式中，描述了利用来自温度传感器7的温度检测信号对进行驱动的通路管3进行选择的结构，但是，也可以在上述集成电路基板1内不设置这样的温度传感器7，而是例如利用对于在上述集成电路基板1的电子电路层2内形成的CPU(放热多的部分)的控制信号计算出放热部分(预测)，从而对进行驱动的通路管3进行选择及控制。再有，在这样的结构中，由于不需要温度传感器7，故利用比较简单的结构就可以实现效率高的热传送(扩散)作用，在经济方面也是有利的。
按照上述实施方式，在作为构成半导体集成电路装置100的半导体芯片101的集成电路基板1的一个面上，形成有多个伴有以上述热点为代表的局部温升的电路元件的电子电路层2，同时，把对于在该电子电路层2内发生的热起到传送(扩散)作用的层(例如形成了多条通路管3的流路层(基板)15、和作为加热和驱动单元的电阻层12)，用与该集成电路基板相同的构件(例如，在本例中的硅)，在与形成了该电子电路层2相反的一侧上形成为一体。因此，由于在作为半导体芯片101的集成电路基板1内发生的热被效率良好地在基板的内部传送(扩散)，故在采用了上述“系统在芯片上”的半导体芯片中也可以大幅度地抑制电力密度之差导致的以热点为代表的局部温升。
进而，与上述相伴随，在安装了这样的半导体芯片的集成电路封装中，在设定其使用时的允许温度时，没有必要考虑局部温升而将其设定为较低的值，因此，可以在较高的允许温度下使用。即，在安装到设备中时，集成电路封装的冷却功能提高或高效率化，而且不伴有冷却结构的大型化，例如，通过安装上述的散热片，可以简单地、在允许温度下使用。此外，特别是，在移动性成为必要的、例如称为台式或笔记本大小的小型计算机或小型电子设备中采用，或者在高密度地安装了多个称为机架座服务器及刀片形服务器的集成电路封装的计算机中采用，当然也都是可以的。
此外，如上述那样，由于把形成了多条通路管3的流路层(基板)15用与该集成电路基板1相同的构件(例如，在本例中是硅)或者其膨胀率接近的材料形成为一体，故对于在集成电路基板1内重复发生的热所引起的应力强度也优异，特别是，可以可靠地防止在电子电路中成为致命的下述事故，即，由于这样的应力所引起的接合部被破坏，封入到通路管3内的水漏到外部。即，可以提供具有安全性优良的热传导(扩散)功能的半导体集成电路装置。
进而，由于其结构为，在作为上述实施方式的半导体芯片101的集成电路基板1中，特别是，在上述基板的与形成了电子电路层2相反一侧的面上层叠形成绝缘膜11、电阻层12、布线用金属膜13、及保护层14，并且接合形成了多条通路管3的硅的流路层(基板)15，故通过使用通常的集成电路基板制造技术，就可以容易地进行制造和实现，在经济方面也是有利的。
后附的图6及图7示出了在构成本发明集成电路基板1的流路(热传送)层(基板)15上形成的通路管3的其它例子。即，图6示出的通路管3是1条，示出了在遍及整个基板的表面上、以锯齿状盘绕而形成了通路管3的例子。如图所示那样，把构成驱动单元的电阻膜5设置在图的上方左侧，此外，在与形成了该电阻膜5的位置相反(图的下侧)的位置上形成缓冲器6。
此外，在图7中，所形成的通路管3同样是1条，在遍及整个基板的表面上、以锯齿状盘绕而形成了通路管3，但将其两端部互相连接，整体上呈圆环状。在该图的例子中，把构成驱动单元的电阻膜5设置在图的右侧中央部分上，此外，在与形成了该电阻膜5的位置相反(图的左侧)的位置上形成缓冲器6。
即，在这些通路管3的其它例子中，由于通路管3是1条，构成其驱动单元的电阻膜5也只是1个，故制造容易，特别适合提供较小型且廉价的集成电路基板。
正如从上面的详细说明看到的那样，按照本发明，通过可靠地减少并抑制与芯片的小型化及“系统在芯片上”等相伴随的、由在半导体芯片内发生的以热点代表的热分布差，可以提供不降低安装该半导体芯片的集成电路封装的允许温度，从而可以容易地实现冷却结构的小型轻量化的半导体集成电路装置及用于它的半导体集成电路芯片。