DE69530466T2 - Kühlvorrichtung für Mehrchipmodul - Google Patents

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DE69530466T2
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cooling
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cooling device
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Takahiro Daikoku
Fumiyuki Kobayashi
Noriyuki Ashiwake
Kenichi Kasai
Keizou Niihari-gun Kawamura
Akio Idei
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    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
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    • H01L23/4338Pistons, e.g. spring-loaded members
    • HELECTRICITY
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung, wobei das Mehrchipmodul eine große Anzahl von Mikrobaueinheiten aufweist, wobei jede darin eine integrierte Schaltung, einen Halbleiter-Chip, eingeschlossen oder eingebaut hat, und insbesondere auf eine Kühlvorrichtung zum Abführen von Wärme, die von einem Chip erzeugt wird, der hoch integriert, hoch konzentriert an wärmeerzeugenden Quellen oder einer Elementendichte (im Folgenden als „Wärmeerzeugungsdichte" bezeichnet) und vergrößert ist, um so in einem Großrechner oder einem Supercomputer verwendet zu werden.
  • Da von dem Großrechner und dem Supercomputer eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit gefordert wird, hat sich ein in solchen Computern verwendeter hoch integrierter Schaltkreis (im Folgenden mit LSI abgekürzt) in den vergangenen Jahren dahingehend verändert, dass er hoch integriert, hoch konzentriert in der Dichte der Wärmeerzeugung und größer ist. Andererseits muss die Länge der die LSIs verbindenden Verdrahtung für die Hochgeschwindigkeitsübertragung von Signalen so kurz wie möglich sein, und deshalb wird eine Mehrchipmodulstruktur vorgesehen, in der eine große Anzahl von LSIs auf einem Mehrlagensubstrat angeordnet sind.
  • In einer Kühlvorrichtung zur Abgabe von Wärme, die von dieser Art eines LSIs eines Mehrchipmoduls erzeugt wird, ist im Allgemeinen ein flexibler Wärmeleitpfad zwischen dem LSI und dem Kühlelement eingerichtet. Dieser flexible Wärmeleitpfad ist notwendig zum Einschränken der Genauigkeit der Herstellung oder Fertigung und der Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung und zum Sichern der Zuverlässigkeit der Verbindung des LSIs.
  • Zum Beispiel offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung 52-53547 einen wie in 7 gezeigten Wärmeleitpfad.
  • In diesem herkömmlichen Beispiel ist ein Gehäuse 5 an ein Mehrlagensubstrat 2 befestigt, um so eine große Zahl von LSI Chips 1 abzudecken, die mittels kleiner Lötkugeln 3 auf dem Mehrlagensubstrat 2 angeordnet sind, wobei das Gehäuse 5 Zylinder 6 an den Stellen aufweist, die denen der jeweiligen LSI Chips entsprechen. In jeden der Zylinder 6 ist ein kolbenähnlicher Wärmeleiter oder ein Wärmeleitelement 7, der/das von dem LSI erzeugte Wärme über die rückwärtige Oberfläche des LSI Chips 1 ableitet oder ermöglicht, diese abzuführen, und eine Feder 8 eingefügt, welche einen Druck auf das Wärmeleitelement 7 ausübt.
  • In diesem Fall kann sich das kolbenähnliche Wärmeleitelement 7 innerhalb des Zylinders 6 bewegen, so dass ein flexibler Wärmeleitpfad gebildet wird. Ferner ist die Spitze oder das distale Ende des Wärmeleitelements 7 kugelförmig ausgebildet, so dass, auch wenn der LSI Chip 1 geneigt angeordnet ist, ein Kontakt des LSI Chips 1 mit dem Wärmeleitelement 7 jederzeit gewährleistet ist.
  • Währenddessen wird die Kühleffizienz oder Leistung des flexiblen Wärmeleitpfades gesichert, indem ein von dem Mehrlagensubstrat 2 und dem Gehäuse 5 gebildeter abgeschlossener Raum 9 mit hoch wärmeleitendem Heliumgas gefüllt wird. Genauer ausgedrückt, die von dem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wird an das Wärmeleitelement 7 über eine Schicht aus Heliumgas übertragen, die im Kontaktbereich zwischen dem kolbenähnlichen Wärmeleitelement 7 und der rückwärtigen Oberfläche des LSI Chips 1 vorhanden ist. Ferner wird die Wärme durch das Heliumgas über den Abstand übertragen, der von dem kolbenähnlichen Wärmeleitelement 7 und dem Zylinder 6 gebildet wird, um zum Gehäuse 5 abgeleitet zu werden. Dann wird die Wärme schließlich durch Kühlung oder kaltes Wasser oder Kühl luft abgeleitet, die durch ein an der Oberseite des Gehäuses 5 angebrachtes Kühlelement 10 fließen.
  • Als weiteres herkömmliches Beispiel offenbart die geprüfte japanische Patentveröffentlichung 5-78183 einen wie in 8 gezeigten Wärmeleitpfad.
  • Eine Kühlvorrichtung mit diesem flexiblen Wärmeleitpfad ist so aufgebaut, dass eine große Anzahl von tafelförmigen Kühlrippen 16, die in einem Gehäuse 15 den LSI Chips 1 gegenüberstehen, mit Wärmeleitelementen 17 kombiniert werden, die jeweils eine große Anzahl von tafelförmigen Kühlrippen 18 aufweisen, die mit der Basis aus einem Stück bestehen, und eine flache Grundfläche jedes Wärmeleitelements 17 wird mittels einer Feder 20 gegen die Rückseite des zugehörigen LSI Chips 1 gedrückt.
  • In diesem Fall greifen die tafelförmigen Kühlrippen 16 und 18 ineinander und lassen zwischen sich einen Mikro-Abstand 19. Deswegen kann sich das Wärmeleitelement 17 mit den integrierten tafelförmigen Kühlrippen 18 in Bezug auf das Gehäuse 15 bewegen.
  • Mittlerweile wird auf den auf einem Mehrlagensubstrat angeordneten LSI Chip eine in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 62-249429 gezeigte Mikrobaueinheitenstruktur vom Standpunkt der Verlässlichkeit und der Kühleffizienz oder -leistung angewendet.
  • Genauer ausgedrückt, um den mit Mikroverdrahtung gemusterten LSI Chip gegen die äußere Umgebung zu schützen, wird der LSI Chip hermetisch in der Mikrobaueinheit eingeschlossen. Um ferner die von dem LSI Chip erzeugte Wärme effizient an die Baueinheit zu übertragen, ist die Rückseite des LSI Chips mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials (wie Lötmetall) mit der inneren Wandoberfläche der Baueinheit metallurgisch fest verbunden.
  • Da von dem neuen Großrechner und Supercomputer eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit gefordert wird, wurde der zu verwendende LSI Chip immer weiter entwickelt, um hoch integriert, hoch konzentriert oder größer in der Dichte der Wärmeerzeugung und großflächiger zu sein. Zum Beispiel wird geschätzt, dass die Größe eines LSI Chips 15–20 mal 15–20 Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte eines LSI-Chips 50-100 W/cm2 erreichen wird.
  • In einem Mehrchipmodul, in dem eine große Anzahl von den großflächigen LSI Chips mit hoher Wärmeerzeugungsdichte angeordnet sind, werden die folgenden Probleme als ernsthaft betrachtet, die, wenn in einem herkömmlichen Mehrchipmodul der LSI Chip eine Größe von ungefähr 10 mal 10 Quadratmillimeter aufweist oder der Grad der Wärmeerzeugungsdichte eines LSI-Chips bei ungefähr 10 W/cm2 liegt, einer Betrachtung nicht wert sind.
  • Ein erstes Problem liegt darin, da die Rückseite des LSI Chips mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials (wie Lötmetall) mit der inneren Wandoberfläche der Baueinheit metallurgisch fest verbunden ist, dass eine größere Verkrümmung in der Mikrobaueinheitenoberfläche auftritt.
  • Vom Standpunkt der Kühleffizienz oder Kühlleistung ist es ein Problem für die Wärme ableitende Kühlstruktur, die durch Drücken des Wärmeleitelements gegen die Mikrobaueinheitenoberfläche ein Kühlen herbeiführt, dass ein Abstand zwischen den Kontaktoberflächen der Mikrobaueinheit und des Wärmeleitelements wegen der Verkrümmung größer wird.
  • Besonders in dem Fall, in dem Wärme von der begrenzten Oberfläche der Mikrobaueinheiten freigesetzt oder abgeleitet werden muss, kann sich die Kontaktoberfläche nicht über die Mikrobaueinheitenoberfläche ausdehnen, und deswegen besteht hinsichtlich der Kühleffizienz oder -Leistung ein Problem, dass ein Kontakt-Wärmewiderstand (das ist ein relativ hoher Wärmewiderstand an der Kontaktstelle) in dem Bereich vorhanden ist, in dem die Hitze höchst konzentriert auftritt.
  • Ein zweites Problem liegt darin, dass das Ausmaß an Verformung der Mikrobaueinheit durch Wärme erhöht wird, wenn der LSI Chip höher konzentriert in der Wärmeerzeugungsdichte und großflächiger entwickelt wird. Wegen der Erzeugung von Wärme durch den in der Mikrobaueinheit eingeschlossenen LSI Chip entsteht eine ungleiche Temperaturverteilung in der Mikrobaueinheit und die Mikrobaueinheit wird durch Wärme verformt.
  • Als Folge wird, gemäß der herkömmlichen Kühlstruktur, der Abstand zwischen den Kontaktoberflächen der Mikrobaueinheit und dem Wärmeleitelement vergrößert. Auch wenn sich der Kontakt-Wärmewiderstand leicht ändert, ändert sich die Temperatur des LSI Chips wegen der großen Menge der von dem LSI Chip erzeugten Wärme erheblich.
  • Deswegen ist es sehr schwierig, dass die Temperatur des LSI Chips von der herkömmlichen Kühlstruktur gleich bleibend gesteuert wird. Es ist wichtig, dass die Temperatur einer großen Anzahl von auf dem Mehrchipmodul angeordneten LSI Chips vom Standpunkt der elektrischen Charakteristiken so gleichmäßig wie möglich gehalten wird.
  • Ein drittes Problem besteht darin, dass der Wärmeleitpfad vom LSI Chip zum im oberen Teil des Gehäuses vorgesehenen Kühlelement in der herkömmlichen Kühlstruktur lang ist. Um den in der Wärmeerzeugungsdichte hoch konzentrierten LSI Chip wirksam zu kühlen, ist es notwendig, dass der Wärmewiderstand des Wärmeleitpfads niedrig ist. Es ist deswegen wichtig, den Wärmeleitpfad kurz zu halten.
  • Dementsprechend weisen alle der oben erwähnten herkömmlichen Technologien wegen des Fehlens einer umfassenden Betrachtung der Zunahme der Wärmeerzeugungsdichte und der Zunahme der Größe des hoch integrierten LSI Chips das Problem hinsichtlich der Wirksamkeit der LSI-Kühlung auf.
  • Das Dokument „Patent Abstracts of Japan, vol. 017, no. 150 (E-1339), 25 March 1993 & JP 04 315456 A (Hitachi Ltd.), 6 November 1992" zeigt ein Halbleiterbauelement einer Mikro-Chip-Träger-Struktur, welche die Wirksamkeit einer Wärmeableitung von der Rückseite eines Halbleiter-Pellets an eine einschließende Abdeckung verbessern soll.
  • Das Dokument EP 0 169 270 A bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Halbleiterchips, die so ausgebildet ist, um Wärme über in einem kleinen Zwischenraum angebrachte dünne Kühlrippenelemente zu übertragen.
  • Das Dokument EP 0 344 084 zeigt ein hoch leitendes Kühlmodul mit internen Kühlrippen und normgerechten Schnittstellen für eine VLSI Chip Technologie, die eine gerippte interne Wärmevorrichtung mit einer die Chips berührende flachen Unterseite aufweisen, während entsprechende Kühlrippen in einem gerippten Kühlhut, der an einer kalten Platte befestigt ist, Abstände bilden, in welche die Kühlrippen der gerippten internen Wärmevorrichtungen verschiebbar befestigt sind.
  • Das Dokument „Patent Abstracts of Japan, vol. 014, no. 175 (E-0914), 6 April 1990 & JP 02 028351 A (Hitachi Ltd.; Others: 01), 30 January 1990" zeigt eine Halbleitervorrichtung, die versucht, eine verbesserte Zuverlässigkeit zu verwirklichen, indem sie ein Binde- und Dichtungsmittel aus der Legierung von Gold und Zinn herstellt.
  • Die oben angeführten Dokumente gemäß dem Stand der Technik zeigen, dass die als Wärmeleitelemente fungierenden ersten Kühlrippen als separate Teile der Abdeckung der Mikrobaueinheit ausgebildet sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Multichipmodul mit einer Kühlvorrichtung vorzusehen, wobei die Kühlvorrichtung hochintegrierte LSI Chips wirksam kühlen kann, die jeweils luftdicht in einer Mikrobaueinheit zum Schutz gegen die externe Umgebung eingeschlossen sind.
  • Weiterhin soll die Erfindung die Temperatur mehrerer LSIs einheitlich halten, und ferner den Vorgang des Zusammenbaus und der Zerlegung der Mikrobaueinheit vereinfachen, währenddessen die Genauigkeit der Herstellung oder Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert, sowie die Zuverlässigkeit der Verbindung der Mikrobaueinheit gesichert wird. Zusätzlich soll die Erfindung vorsehen eine Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls, wobei ein Wärmeleitelement oder Wärmeleiter zum wirksamen Ableiten von dem LSI Chip erzeugter Wärme eine große Berührungsfläche zum Verringern des Kontakt-Wärmewiderstands aufweist, eine Kühlvorrichtung, die eine Wärmeleitungsstruktur mit bester elektrischer Isolierung aufweist, und eine Kühlvorrichtung, die eine hohe Produktivität ermöglicht und nur durch den Austausch des Kühlelements auch auf ein solches Mehrchipmodul angewendet werden kann, das einen großen Bereich von Kühlleistung benötigt.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung vorgesehen, wobei die Kühlvorrichtung eine große Anzahl von Mikrobaueinheiten mit jeweils einem hermetisch darin eingeschlossenen LSI-Chip, ein Mehrlagensubstrat mit den darauf angeordneten Mikrobaueinheiten, ein das Mehrlagensubstrat abdeckendes Gehäuse, und Wärmeleitelemente aufweist, die jeweils zwischen den Mikrobaueinheiten und dem Gehäuse vorgesehen sind, und die von den LSI Chips erzeugte Wärme an das Gehäuse ableiten, wobei jede der Mikrobaueinheiten aufweist: ein erstes Wärmeleitelement mit einer Abdeckung zur Aufnahme des LSI-Chips und einer ersten Kühlrippe, die einteilig aus dem gleichen Material ausgebildet sind, und ein Substrat, das an der Abdeckung des ersten Wärmeleitelements befestigt ist, wobei jeder der LSI-Chips auf dem sicher an der Abdeckung des ersten Wärmeleitelements befestigten Substrat angeordnet und mit seiner rückwärtigen Oberfläche an einer inneren Fläche der Abdeckung des ersten Wärmeleitelements befestigt ist, ein Kühlelement zur endgültigen Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme, das mit dem Gehäuse des Mehrchipmoduls eine Einheit bildet und so als eines der Bestandteile des Gehäuses dient, und zweite Wärmeleitelemente, die jeweils eine zweite Kühlrippe aufweisen und in Bezug auf das zugehörige erste Wärmeleitelement und das Kühlelement beweglich sind, um einen flexiblen Wärmeleitpfad zu schaffen, und die entsprechend angeordnet sind, dass sie in Kontaktbeziehung mit dem Kühlelement stehen und sich mit dem ersten Wärmeleitelement über die ersten und zweiten Kühlrippen in Eingriff befinden.
  • Ein elastisches oder federndes Element ist zwischen jedes ineinander greifende Paar der ersten und zweiten Wärmeleitelemente angeordnet, so dass das zweite Wärmeleitelement durch das elastische Element in Druckkontakt mit einer unteren Fläche des Kühlelements bleibt, die als eine innere Wandfläche des Gehäuses dient.
  • Es ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Kühlrippen ineinander greifen und dadurch einen Mikro-Abstand zwischen sich lassen.
  • Die Kontaktfläche jedes der zweiten Wärmeleitelemente mit der unteren Fläche des Kühlelements ist größer als eine Fläche der Mikrobaueinheit, aber im Wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten auf dem Mehrlagensubstrat zugeteilten Fläche.
  • Zumindest eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente besteht aus dielektrischem Material.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das erste Wärmeleitelement zur Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme aus dem gleichen Material wie die Mikrobaueinheit, mit der es eine Einheit bildet, und deswegen ist es möglich, auch wenn der LSI Chip luftdicht in der Mikrobaueinheit eingeschlossen ist und die rückwärtige Oberfläche des LSI Chips an einer inneren Fläche der Mikrobaueinheit befestigt ist, ein herkömmliches Problem zu beseitigen, das darin liegt, dass der Kontakt-Wärmewiderstand wegen der wärmebedingten Verformung der Mikrobaueinheit vergrößert wird. Es ist nämlich kein Kontakt-Wärmewiderstand mit großem Wärmewiderstand in dem Bereich vorhanden, in dem die Wärme am höchsten konzentriert auftritt, und deswegen wird der Wärmewiderstand niedrig und stabil gehalten. Währenddessen können die Mikrobaueinheit und das Wärmeleitelement, die auf herkömmliche Weise getrennt ausgebildet wurden, in der Dickenabmessung reduziert werden, da sie einstöckig aus demselben Material geformt sind, und deswegen kann der Wärmewiderstand gegenüber der Wärmeleitung, d. h. der Widerstand der Wärmeableitung, um einen Betrag verringert werden, welcher der Reduzierung ihrer Dickenabmessung entspricht.
  • Ferner bildet in der Erfindung das Kühlelement zur endgültigen Abgabe der von den LSI Chips erzeugten Wärme mit dem Gehäuse des Mehrchipmoduls eine Einheit, um so als eines der Bestandteile des Gehäuses zu dienen, und jedes der zweiten Wärmeleitelemente, die zwischen dem ersten Wärmeleitelement und dem Kühlelement angeordnet sind, bleibt mit der unteren Fläche des Kühlelements, die als die innere Wandfläche des Gehäuses dient, durch das zwischen dem ersten und zweiten Wärmeleitelement angeordnete elastische Element in Kontakt, um so in Bezug auf das erste Wärmeleitelement und das Kühlelement beweglich zu sein und den flexiblen Wärmeleitpfad zu schaffen. Gemäß der Erfindung kann somit eine Kühlvorrichtung für ein Mehrchipmodul vorgesehen werden, welche die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegung der Mikrobaueinheit erleichtert, während die Genauigkeit der Herstellung oder Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert, sowie die Zuverlässigkeit der Verbindung der Mikrobaueinheit gesichert wird. Es ist auch möglich, den LSI Chip stabil zu kühlen, da die Wärmeübertragungsfläche des zweiten Wärmeleitelements, das mit der unteren Fläche des Kühlelements in Kontakt bleibt, und die untere Fläche des Kühlelements von einer wärmebedingten Verformung nicht betroffen sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Größe der Wärmeübertragungsfläche des zweiten Wärmeleitelements, das mit der unteren Fläche des Kühlelements in Kontakt bleibt, größer als die der Mikrobaueinheit und im wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten auf dem Mehrlagensubstrat zugeteilten Fläche. Deswegen kann der Kontakt-Wärmewiderstand zwischen der unteren Fläche des Kühlelements und der Fläche des zweiten Wärmeleitelements, die in Kontakt zueinander stehen, verringert werden.
  • Gemäß der Erfindung weist das erste Leitelement, das aus dem gleichen Material wie das der Mikrobaueinheit besteht und mit ihr eine Einheit bildet, die erste Kühlrippe auf, während das zweiten Wärmeleitelement die zweite Kühlrippe aufweist, und die ersten und zweiten Kühlrippen greifen ineinander und lassen dadurch einen Mikro-Abstand zwischen sich. Deswegen kann der Wärmewiderstand zwischen den ersten und zweiten Kühlrippen niedrig gehalten werden. Aufgrunddessen kann die Genauigkeit der Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert und die Verbindungszuverlässigkeit der Mikrobaueinheit sichergestellt werden, um so den Aufbau und den Abbau der Mikrobaueinheit zu erleichtern.
  • Gemäß der Erfindung besteht zumindest eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente aus einem dielektrischen Material und daher kann die elektrische Zuverlässigkeit sichergestellt werden.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Anschluss durch die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer dargestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ist ein vertikaler Schnitt, der ein erstes Wärmeleitelement und ein zweites Wärmeleitelement von 1 zeigt, die ineinander greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen;
  • 3 ist ein Bruchstück eines Querschnitts, der wesentliche Teile der Kühlvorrichtung des Mehrchipmoduls von 1 zeigt;
  • 4 ist ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 5 ist eine Teilansicht einer perspektivischen Explosionsdarstellung, die ein erstes Wärmeleitelement und ein zweites Wärmeleitelement von 4 zeigt, die ineinander greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen sollen;
  • 6 ist ein vertikaler Schnitt einer Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die wesentliche Teile einer herkömmlichen Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls zeigt; und
  • 8 ist eine perspektivische Teilansicht, die wesentliche Teile einer weiteren herkömmlichen Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 bis 3 detailliert beschrieben.
  • 1 zeigt im vertikalen Schnitt eine Struktur einer Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls, auf welches das vorliegende Ausführungsbeispiel angewendet wird.
  • 2 zeigt eine Struktur in vertikalem Schnitt, wobei ein erstes Wärmeleitelement in Einheit mit einer Mikrobaueinheit und ein zweites Wärmeleitelement ineinander greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand lassen.
  • 3 ist ein Querschnitt, der wesentliche Teile der Kühlvorrichtung des Mehrchipmoduls von 1 zeigt.
  • In den Zeichnungen weist ein Mehrchipmodul 10 ein Gehäuse 11 auf, das so angebracht ist, ein keramisches Mehrlagensubstrat 4 abzudecken, auf dem eine große Anzahl von Mikrobaueinheiten 2, die jeweils einen LSI Chip 1 einschließen, angeordnet sind.
  • Jede der Mikrobaueinheiten 2 wird durch ein sicheres Befestigen des ersten Wärmeleitelements 6, das erste Kühlrippen 6a und eine Abdeckung 6b aufweist, auf einem Einzel- oder Mehrlagensubstrat 14 mittels eines Dicht-Lötmetalls 15 gebildet.
  • Jede der Mikrobaueinheiten 2 ist auf dem keramischen Mehrlagensubstrat 4 über Mikro-Lötkügelchen 5 angeordnet.
  • Der LSI Chip 1 ist luftdicht in der Mikrobaueinheit 2 eingeschlossen.
  • In dem ersten Wärmeleiter oder Wärmeleitelement 6 der Mikrobaueinheit 2, der/das dazu dient, von dem LSI Chip 1 erzeugte Wärme abzuleiten, bestehen die ersten Kühlrippen 6 und die Abdeckung 6b aus dem selben Material und sind einstöckig ausgebildet, um so als luftdicht abschließende Abdeckung der Mikrobaueinheit 2 zu dienen.
  • Um darüber hinaus die von dem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wirksam an das erste Wärmeleitelement 6 zu übertragen, ist die Rückseite des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie Lötmetall) mit der inneren Wandoberfläche der luftdicht abschließenden Abdeckung der Mikrobaueinheit 2 metallurgisch fest verbunden.
  • Der LSI Chip 1 ist auf dem Einzel- oder Mehrlagensubstrat 4 über Mikro-Lötkügelchen 5 angeordnet.
  • Es wird angemerkt, dass die äußere Größe des ersten Wärmeleitelements 6 identisch zur Größe der Abdeckung 6b der Mikrobaueinheit 2 ist.
  • Andererseits bildet ein Kühlelement 12 zur endgültigen Abgabe der von dem LSI Chip 1 erzeugten Wärme mit dem Gehäuse 11 des Mehrchipmoduls 10 eine Einheit, um so als eines der Bestandteile des Gehäuses zu dienen.
  • Zweite Wärmeleiter oder Wärmeleitelemente 7 sind jeweils zwischen dem zugehörigen ersten Wärmeleitelement 6 und dem Kühlelement 12 vorgesehen.
  • Das erste Wärmeleitelement 6 der Mikrobaueinheit 2 ist mit der Abdeckung 6b und einer Vielzahl von ersten Kühlrippen 6a ausgebildet, die aus der Abdeckung 6b herausragen und von tafelförmiger Form sind, während das zweite Wärmeleitelement 7 mit einer Kühlrippenbasis 7b und einer Vielzahl von zweiten Kühlrippen 7a ausgebildet ist, die aus der Kühlrippenbasis 7b herausragen und fast die gleiche tafelförmige Form wie die ersten Kühlrippen 6a aufweisen. Die Kühlrippen können neben der Tafel-Form eine Stift-Form, eine zylindrische Form, eine gerippte Form und so weiter aufweisen.
  • Die ersten Kühlrippen 6a und die zweiten Kühlrippen 7a greifen ineinander und lassen dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand 8.
  • Die ersten und zweiten Wärmeleitelemente 6, 7 sind darin im Zentrum angeordnet und weisen jeweils ein Loch auf, wobei ein elastisches Element 9 in dieses Loch eingefügt ist. In dem Ausführungsbeispiel wird als elastisches Element eine Feder verwendet.
  • Wegen der von der Feder 9 ausgeübten Druckkraft wird eine flache Oberfläche der Kühlrippenbasis 7b des zweiten Wärmeleitelements 7 mit einer flachen Grundfläche des Kühlelements 12, das als eine innere Wandfläche des Gehäuses 11 dient, in flächigem Kontakt gehalten.
  • Die Kühlrippenbasis 7b des zweiten Wärmeleitelements 7 weist einen Wärmeübertragungsbereich auf, der größer als die äußere Größe der Mikrobaueinheit 2 und im Wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten 2 auf dem Mehrlagensubstrat 4 zugeteilten Fläche ist.
  • Es ist bevorzugt, dass alle integralen aus dem gleichen Material bestehenden Teile des ersten Wärmeleitelements 6 der Mikrobaueinheit 2 aus einem Material hergestellt werden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen so mit dem LSI Chip 1 konformen oder soweit möglich passenden linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
  • Zumindest eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente 6, 7 muss aus einem dielektrischen Material bestehen, um die elektrische Isolation von dem LSI Chip 1 zu sichern. Beispiele dieser Art von Material umfassen Aluminium-Nitrid (AlN) und Siliziumkarbid (SiC).
  • In einem von dem Gehäuse 11 und dem Mehrlagensubstrat 4 gebildeten eingeschlossenen oder eingekapselten Raum 13 ist ein Gas mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Heliumgas oder Wasserstoffgas, oder eine dielektrische Isolationsflüssigkeit wie Öl, oder eine Inertflüssigkeit eingeschlossen, wie eine Kohlen-Fluorid Typen- oder Gruppen-Kühlflüssigkeit oder eine Kohlenwasserstoff-Halogenid Typen- oder Gruppen-Kühlflüssigkeit.
  • In dem Fall, bei dem eine Flüssigkeit in dem abgedichteten Raum 13 eingeschlossen ist, ist die Flüssigkeit in dem abgedichteten Raum 13 derart eingeschlossen, um Platz für den Ausgleich eines Druckanstiegs innerhalb des eingeschlossenen Raums 13 zu lassen, so dass bei einem Anstieg der Temperatur die wärmebedingte Volumensausdehnung der Flüssigkeit ermöglicht wird.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mit der obigen Anordnung die von dem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wirksam von der Abdeckung 6b des ersten Wärmeleitelements 6 über einen kurzen Wärmeleitpfad an deren erste Kühlrippen 6a übertragen, die aus dem gleichen Material wie die Mikrobaueinheit 2, d. h. die Abdeckung 6b, bestehen, und die eine Einheit bilden.
  • Die Wärme wird dann über eine Flüssigkeitsschicht in einer großen Anzahl von Mikro-Abständen 8 an die zweiten Kühlrippen 7a des zweiten Wärmeleitelements 7 übertragen, und wird endgültig durch das Kühlelement 12 von der Kühlrippenbasis 7b des zweiten Wärmeleitelements 7 entfernt oder abgeführt. Wegen der großen Wärmeübertragungsbereiche der ersten und zweiten Kühlrippen 6a, 7a wird der Widerstand gegenüber der Wärmeleitung der Flüssigkeitslage in den Mikro-Abständen 8 gesenkt.
  • Zusätzlich ist ein großer Kontaktbereich zwischen der flachen Grundfläche des Kühlelements 12 und der Kühlrippenbasis 7b sichergestellt und das Kühlelement 12 ist in das Gehäuse 11 des Mehrchipmoduls 10 integriert, um als eines der Bestandteile des Gehäuses 11 zu dienen. Deswegen kann verhindert werden, dass der Kontakt-Wärmewiderstand von der wärmebedingten Verformung betroffen ist, und der Kontakt-Wärmewiderstand kann niedrig gehalten werden.
  • Ferner ist die Kontaktoberfläche zwischen der Kühlrippenbasis 7b des zweiten Wärmeleitelements 7 und dem Kühlelement 12 flach, und folglich kann die Genauigkeit der Oberflächenfertigung oder -bearbeitung zu einem hohen Grad verbessert werden. Entsprechend ist deren Kontakt-Wärmewiderstand ziemlich gering und der Betrieb wird stabil ausgeführt.
  • Alle Teile des ersten Wärmeleitelements 6 der Mikrobaueinheit 2 sind aus dem gleichen Material und bilden eine Einheit. Auch wenn die Rückseite des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie Lötmetall) mit der inneren Wandoberfläche der luftdichten Abdeckung der Baueinheit metallurgisch fest verbunden ist, dient das erste Wärmeleitelement 6 als mechanische Verstärkung, um eine in der Mikrobaueinheit 2 entstehende Verwerfung und wärmebedingte Verformung zu unterdrücken.
  • Daneben greifen die ersten und zweiten Kühlrippen 6a, 7a ineinander und lassen zwischen sich den Mikro-Abstand 8. Deswegen wird die Genauigkeit der Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert, und die Zuverlässigkeit der Verbindung der Mikrobaueinheit 2 durch die Mikro-Lötkügelchen 5 ist sichergestellt, weswegen die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegens der Mikrobaueinheit erleichtert sind.
  • Als ein Ergebnis wird es möglich, den LSI Chip des Mehrchipmoduls zu kühlen, in welchem die Größe eines LSI Chips beispielsweise 15–20 mal 15– 20 Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte eines LSI Chips 50– 100 W/cm2 erreicht.
  • Im Folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen in 1 gezeigten Bestandteile von denselben Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung wird weggelassen.
  • Wie in der Zeichnung gezeigt, weist jede der Mikrobaueinheiten 20 dieselbe Struktur wie die Mikrobaueinheit 2 (oder deren Abdeckung) des ersten Ausführungsbeispiels auf, aber ein darin vorhandenes erstes Wärmeleitelement 60 weist eine zylindrische Kühlrippe 60a auf, die aus dem gleichen Material wie die Mikrobaueinheit 20 besteht und mit der sie einstöckig ausgebildet ist.
  • Jedes der zweiten Wärmeleitelemente 70 ist ein Block in Form eines rechteckigen Quaders und weist eine Basis 70b und einen zentralen kreisförmigen Zylinder 70a auf, so dass die zylindrische Kühlrippe 60a darin eingefügt werden kann.
  • Die zylindrische Kühlrippe 60a und der kreisförmige Zylinder 70a greifen ineinander und lassen dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand 8. Eine Feder 9 wird in eine Öffnung in der Mitte des distalen Endes der zylindrischen Kühlrippe 60a eingeführt. Eine flache Oberfläche der Basis 70b des zweiten Wärmeleitelements 70 wird von der Feder 9 gedrückt und mit einer Grundfläche eines Kühlelements 12 in Flächenkontakt gehalten, das als eine innere Wandfläche eines Gehäuses 11 dient.
  • Die Basis 70b des zweiten Wärmeleitelements 70 weist einen Wärmeübertragungsbereich auf, der größer als die äußere Größe der Mikrobaueinheit 20 und im wesentlichen gleich mit einer jeder der Mikrobaueinheiten 20 auf dem Mehrlagensubstrat 4 zugeteilten Fläche ist.
  • Mit der obigen Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die von jedem LSI Chip 1 erzeugte Wärme wirksam an die zylindrische Kühlrippe 60a, die aus dem gleichen Material wie die (Abdeckung der) Mikrobaueinheit 20 ist und mit der sie eine Einheit bildet, des ersten Wärmeleitelements 60 über einen kurzen Wärmeleitpfad übertragen. Dann wird die Wärme über eine Flüssigkeitsschicht in einer großen Anzahl von Mikro-Abständen 8 an das zweite Wärmeleitelement 70 übertragen, und wird endgültig durch das Kühlelement 12 von der Basis 70b des zweiten Wärmeleitelements 70 entfernt oder abgeführt.
  • Wegen der großen Wärmeübertragungsbereiche der äußeren und inneren peripheren Oberflächen der zylindrischen Kühlrippe 60a und des kreisförmigen Zylinders 70a, eines großen Kontaktbereichs der Basis 70b und einer Beseitigung des Einflusses wärmebedingter Verformung werden der Widerstand für Wärme oder Wärmeleitung und der Kontakt-Wärmewiderstand niedrig gehalten.
  • Weiterhin sind alle Teile des ersten Wärmeleitelements 60 der Mikrobaueinheit 20 aus dem gleichen Material und bilden eine Einheit. Auch wenn die Rückseite des LSI Chips 1 mittels eines hoch wärmeleitenden Lötmaterials 3 (wie Lötmetall) mit der inneren Wandoberfläche der luftdichten Abdeckung der Mikrobaueinheit 20 metallurgisch fest verbunden ist, dient das erste Wärmeleitelement 60 als große Verstärkung der mechanischen Festigkeit, um in der Mikrobaueinheit 20 entstehende Verwerfung und wärmebedingte Verformung zu unterdrücken.
  • Die Kühlrippe 60a und der Zylinder 70a greifen ineinander und lassen dadurch zwischen sich den Mikro-Abstand 8. Deswegen wird die Genauigkeit der Fertigung und die Genauigkeit des Zusammenbaus der Kühlvorrichtung verringert, und die Zuverlässigkeit der Verbindung der Mikrobaueinheit 20 durch die Mikro-Lötkügelchen 5 ist sichergestellt, weswegen die Vorgänge des Zusammenbaus und Zerlegens der Mikrobaueinheit erleichtert sind.
  • Außerdem sind sowohl die Kühlrippe 60a als auch der Zylinder 70a in einer Querschnittsanordnung kreisförmig, und deswegen kann eine hohe Fertigungsgenauigkeit leicht erreicht werden und der Mikro-Abstand 8 zwischen den ineinander greifenden Kühlrippe 60a und Zylinder 70a kann entsprechend einem Grad der Verbesserung bei der Fertigungsgenauigkeit verringert werden.
  • Als Folge wird es möglich, den LSI Chip des Mehrchipmoduls zu kühlen, in welchem die Größe eines LSI Chips beispielsweise 15–20 mal 15–20 Quadratmillimeter und die Wärmeerzeugungsdichte eines LSI Chips 50–100 W/cm2 erreicht.
  • Ferner wird ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel werden die gleichen in 1 gezeigten Bestandteile von denselben Bezugsziffern bezeichnet und deren Beschreibung wird weggelassen.
  • Wie in der Zeichnung gezeigt, ist abweichend von dem in 1 gezeigten Kühlelement 12 ein Kühlelement 120, das in ein Gehäuse 11 eines Mehrchipmoduls 10 integriert ist, um als eines der Bestandteile des Gehäuses 11 zu dienen, luftgekühlt und mit einer großen Anzahl von Luftkühlrippen 121 ausgestattet. Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist bis auf das Kühlelement 12 dieselbe Anordnung auf wie das obige Ausführungsbeispiel.
  • Nur durch ein Austauschen des Kühlelements, das die von den LSI Chips erzeugte Wärme endgültig abgibt, von einem flüssigkeitsgekühlten (wie wassergekühlten) Typ zu einem luftgekühlten Typ kann die Kühlvorrichtung der Erfindung auch auf solch ein Mehrchipmodul angewendet werden, das eine hohe Kühlungskapazität benötigt, und die Komponenten der Kühlvorrichtung können gleichartig vorgesehen werden. Dementsprechend kann eine Kühlvorrichtung eines Mehrchipmoduls vorgesehen werden, welche eine hohe Produktivität erreicht und mit geringeren Kosten hergestellt wird.

Claims (9)

  1. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung, das eine große Anzahl an Mikrobaueinheiten (2) mit jeweils einem hermetisch darin eingeschlossenen LSI-Chip (1), ein erstes Substrat (4) mit den darauf angeordneten Mikrobaueinheiten (2), ein das erste Substrat (4) abdeckendes Gehäuse (11), und zweite Wärmeleitelemente (7) aufweist, die jeweils zwischen den Mikrobaueinheiten (2) und dem Gehäuse (11) vorgesehen sind und die vom LSI-Chip (1) erzeugte Wärme an das Gehäuse (11) ableiten, wobei jede der Mikrobaueinheiten (2) aufweist: ein erstes Wärmeleitelement (6) mit einer Abdeckung (6b) zur Aufnahme des LSI-Chips (1), eine erste Kühlrippe (6a) und ein zweites Substrat (14), das an der Abdeckung (6b) des ersten Wärmeleitelements (6) befestigt und auf dem ersten Substrat (4) angeordnet ist; wobei jeder der LSI-Chips (1) auf dem sicher an der Abdeckung (6b) des ersten Wärmeleitelements (6) befestigten zweiten Substrat (14) angeordnet ist, und mit seiner rückwärtigen Oberfläche an einer inneren Fläche der Abdeckung (6b) des ersten Wärmeleitelements (6) befestigt ist, und wobei die zweiten Wärmeleitelemente (7), die jeweils eine zweite Kühlrippe (7a) aufweisen und in Bezug auf das zugehörige erste Wärmeleitelement (6) und das Gehäuse (11) beweglich sind, um einen flexiblen Wärmeleitpfad zu schaffen, dementsprechend angeordnet sind, dass sie in Kontaktbeziehung mit dem Gehäuse (11) stehen und sich mit dem ersten Wärmeleitelement (6) über die ersten und zweiten Kühlrippen (6a, 7a) in Eingriff befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlrippe (6a) mit der Abdeckung (6b) eine Einheit bildet und aus dem gleichen Material wie das der Abdeckung (6b) besteht.
  2. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Kühlelement (12) zur endgültigen Abgabe der von den LSI-Chips (1) erzeugten Wärme in das Gehäuse (11) des Mehrchipmoduls integriert ist, um als eines der Bestandteile des Gehäuses (11) zu dienen.
  3. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein elastisches Element (9) zwischen jedes ineinander greifende Paar der ersten und zweiten Wärmeleitelemente (6, 7) angeordnet ist, sodass das zweite Wärmeleitelement (7) durch das elastisches Element (9) in Druckkontakt mit einer unteren Fläche des Kühlelements (12) bleibt, die als eine innere Wandfläche des Gehäuses (11) dient.
  4. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersten und zweiten Kühlrippen (6a, 7a) ineinander greifen und dadurch zwischen sich einen Mikro-Abstand (8) lassen.
  5. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kontaktfläche jedes der zweiten Wärmeleitelemente (7) mit der unteren Fläche des Kühlelements (12) größer als eine Fläche der Mikrobaueinheit (2) ist, und im Wesentlichen gleich mit einer jedem der Mikrobaueinheiten (2) auf dem ersten Substrat (4) zugeteilten Fläche ist.
  6. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens eines der ersten und zweiten Wärmeleitelemente (6, 7) aus dielektrischem Material besteht.
  7. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die erste Kühlrippe (6a) eine zylindrische Kühlrippe (60a) ist und die zweite Kühlrippe (7a) ein hohler Zylinder (70a) ist.
  8. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Größe des LSI-Chips (1) 15–20 mal 15–20 Quadratmillimeter ist.
  9. Mehrchipmodul mit einer Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmeerzeugungsdichte des LSI-Chips (1) 50–100 W/cm2 ist.
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