JP2000353773A - 冷却部品取付方法及びモジュール封止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＬＳＩと水冷部品をはんだ材等で固着する冷却
構造においても、冷却性能が向上した冷却部品取付方法
を提供することにある。 【解決手段】多層配線基板１０４に取り付けられたＬＳ
Ｉ１０６に、冷却ジャケット１００をハンダ１１０，１
１２により固着する。ハンダ固着時には、加圧雰囲気中
で、ＬＳＩ１０６と冷却ジャケット１００を固着し、そ
の後、大気戻しをする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＳＩチップ等の
電子部品に、放熱フィンの形成された冷却ジャケット等
の冷却部品を取り付ける冷却部品取付方法及び、冷却部
品の取り付けられたモジュール封止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子計算機に使用されるモジュー
ルでは、例えば、特開平４−３１４３５８号公報や特開
平４−１４７６５６号公報に記載されているように、Ｌ
ＳＩを多数実装したセラミック基板に、放熱フィンの形
成された水冷ジャケットを取り付けて形成するととも
に、モジュール内に伝熱効果のある液体冷却媒体を封入
し、ＬＳＩ等からの発熱を、冷媒及び放熱フィンを介し
て、外部に放熱している。

【０００３】しかしながら、高密度電子計算機の小型化
および処理速度向上に伴い、モジュール内に実装される
ＬＳＩは高密度化，高集積化が進み、ＬＳＩの発熱量が
増大してきている。その結果、従来のような冷媒及び放
熱フィンを介した冷却構造では、充分な冷却が出来ない
ものである。

【０００４】そこで、例えば、特開平８−１７２１４８
号公報に記載されているように、ＬＳＩとジャケットを
はんだ材等で固着する冷却構造が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−１７２１４８号公報に記載されているはんだ材によ
る固着構造では、固着部にボイドが発生すると、熱伝導
率が低下するため、冷却性能が低下するという問題があ
ることが判明した。本発明の第１の目的は、ＬＳＩと水
冷部品をはんだ材等で固着する冷却構造においても、冷
却性能が向上した冷却部品取付方法を提供することにあ
る。

【０００６】また、第１の目的を達成するための方法と
して、はんだ材による加圧固着方式を取った際、モジュ
ール内部が加圧状態で封止されることとなるため、モジ
ュールの動作時にモジュール内部が高温になると、内部
圧がさらに高まるため、ＬＳＩ等の破壊の問題が発生す
ることが判明した。本発明の第２の目的は、モジュール
の内部圧を低圧に保つことのできるモジュール封止方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、基板に取り付けられた電子部品
に、冷却部品をハンダ固着により取り付ける冷却部品取
付方法において、上記電子部品と上記冷却部品を溶融し
たハンダを介して接触させるとともに、加圧雰囲気中
で、上記電子部品と上記冷却部品を固着した後、大気戻
しをするようにしたものである。かかる方法により、電
子部品と冷却部品とは加圧雰囲気中でハンダ固着される
ため、ハンダ中のボイドの体積を小さくして、電子部品
の発熱を冷却部品から放熱することによる冷却効率を向
上し得るものとなる。

【０００８】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明は、基板に取り付けられた電子部品に、冷却部品
をハンダ固着により取り付けてモジュールを形成後、こ
のモジュールを気密封止するモジュール封止方法におい
て、上記モジュールは、ハンダ固着時にはモジュール内
部を外部に連通する気密封止穴を備え、所定圧力の不活
性ガス雰囲気中で、上記気密封止穴を封止するようにし
たものである。かかる方法により、モジュール内の封止
圧を所定圧とすることにより、電子部品への通電時に
も、モジュール内部圧を低圧に保持し得るものとなる。

【０００９】

【発明実施の形態】以下、図１〜図９を用いて、本発明
の一実施形態による冷却部品取付方法及びモジュール封
止方法について説明する。最初に、図１を用いて、本実
施形態による冷却部品取付装置の全体構成について説明
する。なお、本実施形態においては、熱伝導部材として
ハンダを用い、ハンダにより冷却部品と多層配線基板上
に搭載されたＬＳＩとを接続するものである。

【００１０】チャンバー１０の内部には、下ヒータ２０
と、上ヒータ３０が配置されている。下ヒータ２０は、
電源２２によって通電されることにより、発熱する。下
ヒータ２０の近傍には、熱電対のような温度センサ２４
が配置されており、下ヒータ２０や下ヒータ２０に取り
付けられる部材の温度を検出している。また、下ヒータ
２０は、固定されている。

【００１１】上ヒータ３０は、複数のスプリング３２に
よって支持板３４に懸架されている。下ヒータ３０は、
電源３６によって通電されることにより、発熱する。上
ヒータ３０を支持する支持板３６は、シャフト４２を介
して、クラッチ機構４０に接続されている。また、クラ
ッチ機構４０は、ベルト５２によってステッピングモー
ター５０に連結されている。ステッピングモーター５０
の駆動力は、ベルト５２及びクラッチ機構５０を介し
て、支持板３４に伝達され、上ヒータ３０を上下動す
る。クラッチ機構５０は、速度を切り替えるために用い
られており、内部のギアの切替により、上ヒータ３０の
上下動の速度を、高速と中速と低速の３種類の速度に切
り替える。また、上ヒータ３０の近傍には、熱電対のよ
うな温度センサ３８が配置されており、上ヒータ３０や
上ヒータ３０に取り付けられる部材の温度を検出してい
る。

【００１２】チャンバー１０の内部は、真空ポンプ６０
によって真空引きされる。チャンバー１０の内部の圧力
は、圧力センサ１２によって測定される。また、チャン
バー１０の内部の酸素濃度は、Ｏ２センサ１４によって
測定される。また、図示しない窒素ガス供給源に収容さ
れた窒素（Ｎ２）ガス及びヘリウムガス供給源に収容さ
れたヘリウム（Ｈｅ）ガスは、制御手段８０を用いて、
ＯＮ／ＯＦＦバルブ７４，７６の開閉を切り替え、チャ
ンバー１０の内部に導入される。

【００１３】制御手段８０は、温度センサ２４，３８に
よって検出された温度が、所定温度になるように、電源
２２，３６のオン・オフや通電量を制御する。制御手段
８０は、クラッチ機構４０の速度切替やステッピングモ
ーター５０のオン・オフを制御して、上ヒータ３０の上
下動制御を行う。また、制御手段８０は、圧力センサ１
２によって測定されたチャンバー１０の内部の圧力や、
Ｏ２センサによって検出されたチャンバー１０の内部の
酸素濃度に基づいて、真空ポンプ６０のオン・オフや、
ＯＮ／ＯＦＦバルブ７４，７６のオン・オフ切替を制御
する。

【００１４】次に、図２〜図６を用いて、本実施形態に
よる冷却部品取付装置を用いた冷却部品の取付工程につ
いて説明する。図２は、冷却部品の取付工程の途中状態
を示す側面図であり、図３は、冷却部品の取付工程の取
付完了状態を示す側面図であり、図４は、冷却部品の取
付工程におけるチャンバー内圧力の変化を示すタイミン
グチャートであり、図５は、冷却部品の取付工程におけ
る上下ヒータ間の距離の変化を示すタイミングチャート
であり、図６は、冷却部品の取付工程における部品の温
度変化を示すタイミングチャートである。なお、図１と
同一符号は、同一部分を示している。

【００１５】最初に、図２を用いて、ＬＳＩの搭載され
た多層配線基板に、水冷ジャケットを取り付ける場合の
構成について説明する。下ヒータ２０には、均熱治具９
０を用いて、放熱フィンの形成された冷却部品である水
冷ジャケット１００が位置決めされ、固定されている。
均熱治具９０は、水冷ジャケット１００を位置決めした
上で、保持するとともに、下ヒータ２０の熱を水冷ジャ
ケット１００に熱伝達する際に、下ヒータ２０からの熱
を拡散して伝達することにより、水冷ジャケット１００
の熱バラツキを低減している。下ヒータ２０自体も、熱
バラツキの少ない面ヒータを用いているが、それでも、
加熱面内における熱のバラツキは、±１０℃程度あるの
に対して、均熱治具９０を用いることにより、加熱対象
である水冷ジャケット１００の熱バラツキを±２℃まで
低減することができる。均熱治具９０には、複数の位置
決めピン９２と、この位置決めピン９２に挿入されたス
プリング９４が設けられている。水冷ジャケット１００
の上には、ハンダ１１０が予め供給されている。また、
水冷ジャケット１００の外周に設けられた封止部１０２
の上面にも、ハンダ１１４が供給されている。

【００１６】また、上ヒータ３０には、均熱治具９６を
用いて、複数のＬＳＩ１０６が取り付けられた多層配線
基板１０４が位置決めされ、固定されている。均熱治具
９６は、均熱治具９０と同様に、多層配線基板１０４を
位置決めした上で、保持するとともに、上ヒータ３０の
熱を多層配線基板１０４に熱伝達する際に、上ヒータ３
０からの熱を拡散して伝達することにより、多層配線基
板１０４の熱バラツキを低減している。均熱治具９６に
は、均熱治具９０に設けられた位置決めピン９２に対応
して、位置決め穴９８が形成されている。ＬＳＩ１０６
の上面（図示する状態では、下面）には、ハンダ１１２
が予め供給されている。このとき、上下の均熱治具は、
位置決めピンに取り付けられたバネにより、両者を引き
離す反発力を受け、冷却部品とＬＳＩ上のハンダが接触
しない距離を保っている。

【００１７】なお、水冷ジャケット１００に供給されて
いるハンダ１１０の位置は、ＬＳＩ１０６の上面の位置
に対応する位置である。また、ＬＳＩ１０６は、ハンダ
ボール等を用いて、多層配線基板１０４に接合されてい
るが、このとき用いるハンダボールの融点は、ハンダ１
１０，１１２，１１４よりも高いものである。例えば、
ハンダ１１０，１１２，１１４として、錫−鉛系の融点
が１８３℃のハンダを用いる場合には、ＬＳＩ１０６の
固着用のハンダは、これらのハンダの融点よりも、融点
が約３０℃高い錫−銀系のハンダを用いている。

【００１８】また、加熱は、窒素やヘリウムなどの不活
性ガスが充填されたチャンバ内で実施し、ハンダの酸化
を抑制している。さらに、このガスの圧力は、制御手段
８０により、ＯＮ／ＯＦＦバルブ７４，７６を操作し、
数Torr〜1500Torrまで任意に変化させることができる。

【００１９】なお、図２に示した状態は、冷却部品の取
付工程の途中状態を示しており、このとき、ハンダ１１
０とハンダ１１２は、接触する直前の状態である。この
ときの下ヒータ２０と、上ヒータ３０の間の距離を、Ｄ
３とする。

【００２０】この後、ヒータ移動速度を低速に切替え、
図４に示す固着完了時のＤ４の位置までヒータを接近さ
せる。その後、この位置を維持したまま冷却を行うこと
により、冷却部品の取付が完了する。

【００２１】次に、本実施形態による冷却部品取付装置
の動作について、図４〜図６を用いて、説明する。図４
に示すように、チャンバー１０内の下ヒータ２０及び上
ヒータ３０に、ワークである水冷ジャケット１００及び
多層配線基板１０４をセットした後、図１に示した制御
手段８０は、真空ポンプ６０の動作を開始して、チャン
バー１０の内部を真空引きして、減圧する。ここで、図
４の縦軸は、チャンバー１０の内部圧力を示している。
例えば、図４の時刻ｔ０に真空ポンプ６０を作動したと
すると、真空ポンプ６０の動作開始前のチャンバー１０
の内部圧力Ｐ１は、大気圧（約７６０Ｔｏｒｒ）であ
る。そして、真空引きが開始することにより、チャンバ
ー１０の内部が減圧される。チャンバー１０の内部を減
圧することによって、チャンバー１０の内部の酸素濃度
を低減する。

【００２２】制御手段８０は、圧力センサ１２を用い
て、チャンバー１０の内部圧力を検出し、内部圧力が、
例えば、時刻ｔ１において、Ｐ２になると、真空ポンプ
６０を停止する。例えば、圧力Ｐ２は、０．２Ｔｏｒｒ
に設定する。

【００２３】次に、制御手段８０は、バルブ７４を開き
窒素ガスを、チャンバー１０の内部に導入する。制御手
段８０は、圧力センサ１２を用いて、チャンバー１０の
内部圧力を監視して、内部圧力がＰ１になるまで、窒素
ガスをチャンバー１０の内部に導入する。例えば、時刻
ｔ２に、内部圧力がＰ１になると、制御手段８０は、バ
ルブ７４を閉じる。上述の方法によって、チャンバー内
部の酸素濃度が低下する。そこで、制御手段８０は、酸
素濃度センサ１４を用いて、チャンバー１０の内部の酸
素濃度を検出する。チャンバー内に、酸素ガスの残留量
が多いと、ハンダ１１０，１１２，１１４が溶融した
後、ハンダ１１０とハンダ１１２の固着が完了するまで
の間（ハンダの溶融時間）に、ハンダ１１０，１１２の
表面に酸化膜が形成され、酸化膜が形成されると、ハン
ダ固着後のボイドの原因となるため、残留酸素ガスの濃
度が所定濃度以下になるようにしている。チャンバー内
部の残留酸素濃度と、ハンダ溶融時間との関係について
調べたところ、残留酸素濃度が０．３ｐｐｍ以下であれ
ば、酸化膜の成長は、一定の厚さまで成長した後は、そ
れ以上成長しないことが判明した。そこで、窒素ガス封
入後の酸素濃度は、０．３ｐｐｍ以下になるようにして
いる。酸素濃度が所定濃度以下になると、次の工程に進
む。酸素濃度が所定濃度以下でない場合には、時刻ｔ０
〜ｔ３の工程，即ち、チャンバー１０内部の減圧，チャ
ンバー１０への窒素ガスの導入，酸素濃度チェックの工
程を繰り返す。

【００２４】酸素濃度が、所定濃度以下であれば、制御
手段８０は、時刻ｔ３において再び、真空ポンプ６０を
作動させて、チャンバー１０の内部を減圧する。そし
て、チャンバー１０の内部の圧力が、再び、Ｐ２になる
と、時刻ｔ４において、制御手段８０は、バルブ７６を
開くと共に、流路切替弁７８を作動させて、ヘリウムガ
スを、チャンバー１０の内部に導入する。制御手段８０
は、圧力センサ１２を用いて、チャンバー１０の内部圧
力を監視して、内部圧力がＰ１になるまで、ヘリウムガ
スをチャンバー１０の内部に導入する。内部圧力がＰ１
になると、制御手段８０は、バルブ７６を閉じる。そこ
で、制御手段８０は、酸素濃度センサ１４を用いて、チ
ャンバー１０の内部の酸素濃度を検出して、所定濃度以
下であることを確認する。

【００２５】酸素濃度が、所定濃度以下であれば、制御
手段８０は、時刻ｔ５において再び、真空ポンプ６０を
作動させて、チャンバー１０の内部を減圧する。そし
て、チャンバー１０の内部の圧力が、再び、Ｐ２になる
と、時刻ｔ６において、制御手段８０は、バルブ７６を
開いて、ヘリウムガスを、チャンバー１０の内部に導入
する。制御手段８０は、圧力センサ１２を用いて、チャ
ンバー１０の内部圧力を監視して、内部圧力がＰ３にな
るまで、ヘリウムガスをチャンバー１０の内部に導入す
る。内部圧力がＰ３になると、制御手段８０は、バルブ
７６を閉じる。ここで、内部圧力Ｐ３は、例えば、５０
Ｔｏｏｒとしている。大気圧よりも減圧した状態として
いることによって、この後、ハンダを溶融した際に、ハ
ンダ内部に存在するボイドが、外部に取り出される。こ
のように、圧力をＰ３とするのは、ハンダ内部に存在す
るボイドを取り出すためのものであるため、大気圧より
も低くすればよいものである。また、このときの圧力
は、ヒーターの熱を均熱治具，多層配線基板，水冷ジャ
ケットに効率的に伝えることが可能な最低限のガス量に
より決まる。例えば、圧力Ｐ３は、５０Ｔｏｏｒ〜７６
０Ｔｏｏｒの間で可変できる。

【００２６】ここで、ガスの種類の切替は、以下の理由
で行っている。ヘリウムガスは、窒素ガスに比べて、熱
伝導率が高いため、ハンダの溶融・固着時には、チャン
バー１０の内部をヘリウムガス雰囲気としている。但
し、ヘリウムガスは、窒素ガスに比べて高価であるた
め、チャンバー１０の内部の酸素濃度が所定濃度になる
までは、チャンバーの減圧と窒素ガス導入を行うことに
より、使用するガスのコストを低減するようにしてい
る。

【００２７】次に、時刻ｔ７において、チャンバー１０
の内部の圧力がＰ３になると、図５に示すように、制御
手段８０は、モータ５０を駆動して、上ヒータ３０を下
降させる。ここで、図５の縦軸は、図２に示した下ヒー
タ２０の均熱治具９０との接触面と上ヒータ３０の均熱
治具９４との接触面の間の距離Ｄを示している。時刻ｔ
０〜ｔ７間での間、上ヒータ３０と下ヒータ２０の間の
距離は、Ｄ１である。距離Ｄ１は、冷却部品の取付工程
開始時の距離であり、図５に示す距離Ｄ４は、冷却部品
取り付け完了時の上ヒータ３０と下ヒータ２０の間の距
離である。距離Ｄ４が、例えば、３５ｍｍであるとき、
距離Ｄ１は、例えば、８５ｍｍである。即ち、固着開始
前から固着完了時までの上ヒータ３０の移動量は、５０
ｍｍ（＝８５−３５）である。

【００２８】制御手段８０は、ステッピングモータ５０
に供給するパルス数によって、上ヒータ３０の移動量を
制御できるため、上ヒータ３０と下ヒータ２０の間の距
離がＤ２になるまで、上ヒータ３０を下降する。距離Ｄ
２は、例えば、４０ｍｍである。このとき、制御手段８
０は、クラッチ機構４０の内部のギア比を切り替えて、
上ヒータ３０を高速度ｖ１で下降させる。上ヒータ３０
の下降速度は、例えば、２ｍｍ／ｓとしている。上ヒー
タ３０の下降量は、約４５ｍｍであるため、約２２．５
秒間の短時間で、上ヒータ３０を距離Ｄ２の位置まで高
速で下降できる。

【００２９】時刻ｔ８において、上ヒータ３０と下ヒー
タ２０の間の距離がＤ２になると、制御手段８０は、モ
ータ５０の駆動を停止して、上ヒータ３０の下降を停止
するとともに、電源２２，３６をオンして、下ヒータ２
０及び上ヒータ３０への通電を開始する。

【００３０】ここで、図６は、下ヒータ２０によって加
熱される下側の均熱治具９０の温度及び上ヒータ３０に
よって加熱される上側の均熱治具９６の温度Ｔを示して
いる。水冷ジャケット９０は、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）製であり、一方、多層配線基板１０４は、セラミッ
クスや金属の接合体製であるため、両者の材質が異なる
とともに、両者の重量も異なるため、両者の熱容量が異
なっている。そこで、本実施形態においては、図１若し
くは図２に示したように、水冷ジャケット９０を加熱す
るためのヒータ２０と、多層配線基板１０４を加熱する
ためのヒータ３０を独立のヒータとするとともに、ヒー
タ電源２２，３６も独立したものを用いることにより、
両者を独立して温度制御できるようにしている。

【００３１】図６に示すように、時刻ｔ８において、通
電を開始したとすると、通電開始前の温度Ｔ１は常温で
あり、その後、通電の経過とともに、温度が上昇する。
そして、温度センサ２４，３８を用いて、均熱治具９
０，９６の温度を監視して、時刻ｔ９に、温度がＴ２に
なると、その温度を維持するように、電源２２，３６を
制御する。ここで、温度Ｔ２は、ハンダ１１０，１１
２，１１４の融点よりも、３０℃高い温度としている。
例えば、ハンダ１１０，１１２，１１４の融点が、１８
３℃の場合、温度Ｔ３を２１０℃としている。ハンダ１
１０，１１２，１１４の温度が融点以上になると、ハン
ダ１１０，１１２，１１４は、溶融を開始する。

【００３２】なお、上述したように、本実施形態におい
ては、水冷ジャケット９０を加熱するためのヒータ２０
と、多層配線基板１０４を加熱するためのヒータ３０を
独立のヒータとするとともに、ヒータ電源２２，３６も
独立したものを用いているので、水冷ジャケット９０の
温度と多層配線基板１０４の温度とが、同一の時刻ｔ９
に、同じ温度Ｔ２となるように制御することができる。
両者が同一の時刻に同一温度となるようにタイミングを
合わせることにより、ハンダが溶融している時間をでき
るだけ短くすることができ、その結果、溶融ハンダの表
面に形成される酸化膜の生成量を低減して、ボイドの発
生を低減することができる。

【００３３】次に、図５に示すように、時刻ｔ９におい
て、均熱治具９０，９６の温度が所定温度Ｔ２以上にな
ると、制御手段８０は、モータ５０を駆動して、上ヒー
タ３０の下降を開始する。このとき、制御手段８０は、
クラッチ機構４０を切り替えて、上ヒータ３０の下降速
度を中速度ｖ２としている。中速度ｖ２は、例えば、５
０μｍ／ｓである。そして、制御手段８０は、上ヒータ
３０と下ヒータ２０の間の距離がＤ３になると、クラッ
チ機構４０を切り替えて、上ヒータ３０の下降速度を低
速度ｖ３としている。低速度ｖ３は、例えば、９μｍ／
ｓである。ここで、距離Ｄ３は、例えば、３６ｍｍであ
る。最終的な固着完了時の距離Ｄ４は、３５ｍｍである
ので、固着完了時よりも、１ｍｍ浮いた位置である。上
ヒータ３０と下ヒータ２０の間の距離がＤ３になると、
水冷ジャケット９０の上に供給されたハンダ１１０と、
ＬＳＩ１０６の上面に供給されたハンダ１１２が接触す
る。ハンダ１１０，１１２の高さは、ハンダの量によっ
て異なるため、ハンダの量に応じて、距離Ｄ３は、下側
のハンダと上側のハンダが接触する直前の距離となるよ
うに設定することができる。従って、ハンダ同士が接触
するまで余分なハンダ溶融時間を短くすることになり、
ハンダぬれ拡がりを阻害する表面酸化膜の形成を低減す
ることができる。

【００３４】上述したように、本実施形態においては、
下側のハンダと上側のハンダが接触を開始すると、上ヒ
ータの下降速度ｖ３を、その前の下降速度ｖ２よりも低
速になるようにしている。その結果、互いに溶融してい
るハンダ同士が、ゆっくりと押しつけられていくことに
なる。

【００３５】ボイドの発生を抑えるためには、溶融した
ハンダ同士を点接触させ、徐々に等方的に接触面積を増
加させることが必要となる。ここで、ハンダ同士の接触
後の上ヒータの下降速度ｖ３が早いと、ハンダのぬれ拡
がりによる流動よりも、強制的な流動が大きく、複数箇
所での接触が生じたり、等方的な拡がりが行えないた
め、チャンバー１０内のヘリウムガスが上下のハンダの
隙間に封じ込められるため、固着したハンダ内にボイド
が発生しやすくなることが判明した。そこで、溶融した
ハンダ同士をゆっくりと接触させることにより、ハンダ
内部にヘリウムガスを封じ込めることを防ぎ、ボイドの
発生を抑制している。ハンダ同士の固着時の上ヒータの
下降速度ｖ３を変えて、ボイドの発生率の変化について
検討したところ、下降速度，即ち、固着速度を２０μｍ
／ｓ以下にすると、ボイドの発生率を３％以下に抑えら
れることが判明した。

【００３６】即ち、本実施形態においては、ハンダ溶融
後において、ハンダ同士が接触するまでの上ヒータの下
降速度ｖ２は、その後の固着速度ｖ３に比べて早くする
ことにより、ハンダが溶融状態にあるハンダ溶融時間を
短縮して、溶融ハンダの表面に形成される酸化膜の発生
を抑制し、良好なぬれ性を維持し、また、ハンダ同士が
接触した後の上ヒータの下降速度，即ち、固着速度ｖ３
を速度ｖ２に比べて遅くすることにより、ハンダ固着時
における溶融ハンダ中へのヘリウムガスの封じ込めによ
るボイドの発生を低減することができる。

【００３７】次に、図５に示すように、制御手段８０
は、上ヒータ３０と下ヒータ２０の間の距離が、時刻ｔ
１０において、距離Ｄ４になるまで、上ヒータ３０を下
降させる。距離Ｄ４は、例えば、３５ｍｍである。この
状態は、図３に示すようになる。なお、図２と同一符号
は、同一部分を示している。このとき、図１に示したよ
うに、上ヒータ３０は、スプリング３２によって、支持
板３４に懸架されているならい構造としているため、水
冷ジャケット１００とＬＳＩ１０６とが互いに平行でな
い場合でも、徐々に上ヒータ３０が下降する過程で、多
層配線基板１０４を、水冷ジャケット１００に均一に押
しつけることができる。上ヒータ３０と下ヒータ２０の
間の距離がＤ４になると、制御手段８０は、上ヒータ３
０の下降を停止して、上ヒータ３０をその位置に保持す
る。即ち、ＬＳＩ１０６の取り付けられた多層配線基板
１０４を、スプリング９４のバネ力に抗して、水冷ジャ
ケット１００に押しつけた状態とする。また、このと
き、図２に示した封止部１０２のハンダも溶融してお
り、多層配線基板１０４に接触する。

【００３８】次に、図４に示すように、時刻ｔ１１にお
いて、制御手段８０は、バルブ７６を開いて、ヘリウム
ガスをチャンバー１０の内部に導入する。制御手段８０
は、圧力センサ１２を用いて、チャンバー１０の内部圧
力を監視して、内部圧力がＰ４になるまで、ヘリウムガ
スをチャンバー１０の内部に導入する。時刻ｔ１２にお
いて、内部圧力がＰ４になると、制御手段８０は、バル
ブ７６を閉じる。ここで、内部圧力Ｐ４は、例えば、１
４００Ｔｏｏｒとしており、大気圧よりも高い圧力とし
ている。時刻ｔ１０以降においては、ハンダは溶融した
状態であるので、ハンダの内部にヘリウムガスが封じ込
められたとしても、チャンバー１０の内部圧力を封じ込
められたときのヘリウムガスの圧力（Ｐ３）よりも高く
することにより、内部に封じ込められたヘリウムガス
が、外部との圧力差（Ｐ４−Ｐ３）によって潰されるた
め、ボイドの大きさを小さくすることができる。

【００３９】次に、時刻ｔ１３において、制御手段８０
は、ヒータ２０，３０への通電を停止する。これによっ
て、図６に示すように、均熱治具９０，９６の温度は、
自然冷却により低下する。そして、制御手段８０は、温
度センサ２４，３８により、均熱治具９０，９６の温度
がＴ３以下になったことを検出する。温度Ｔ３は、ハン
ダ１１０，１１２，１１４の融点以下の温度である。ハ
ンダの融点が、例えば、１８３℃とすると、温度Ｔ３
は、例えば、１５０℃としている。

【００４０】時刻Ｔ１４において、温度Ｔ３になると、
次に、図５に示すように、制御手段８０は、モータ５０
を駆動して、上ヒータ３０を上昇させる。そして、均熱
治具９０と均熱治具９４の間の距離がＤ１になるまで、
上ヒータ３０を上昇させる。このとき、制御手段８０
は、クラッチ機構４０の内部のギア比を切り替えて、上
ヒータ３０を高速度ｖ１で上昇させる。上ヒータ３０の
上昇速度は、例えば、２ｍｍ／ｓとしている。上ヒータ
３０の上昇量は、約５０ｍｍであるため、約２５秒間の
短時間で、上ヒータ３０を元の位置まで高速で上昇でき
る。時刻ｔ１５において、均熱治具９０と均熱治具９４
の間の距離がＤ１になると、制御手段８０は、モータ５
０の駆動を停止して、上ヒータ３０の上昇を停止する。

【００４１】次に、図６及び図４に示すように、制御手
段８０は、時刻ｔ１６において、チャンバー１０の内部
の温度がＴ４以下になると、チャンバー１０の内部のヘ
リウムガスを外部に放出する。チャンバー１０の内部の
圧力は、Ｐ１（大気圧）となる。温度Ｔ４は、ヘリウム
ガスの温度が高温でなければよいため、例えば、５０℃
〜１００℃としている。

【００４２】以上の工程を経ることによって、多層配線
基板１０４に取り付けられたＬＳＩ１０６と、水冷ジャ
ケット１００を、ハンダ１１０，１１２によって固着す
ることができ、高い冷却性能となる構造のモジュールを
完成することができる。

【００４３】以上説明したように、本実施形態において
は、ハンダを溶融し、固着する際には、チャンバーの内
部圧力Ｐ３を、大気圧よりも減圧した状態としているこ
とによって、ハンダを溶融した際に、ハンダ内部に形成
されているボイド中の気体成分が、ハンダ内部から吸引
され、ハンダ内部にボイドが形成されることを低減する
ことができる。また、溶融したハンダを固着後、チャン
バーの内部圧力を、大気圧よりも高い圧力Ｐ４としてい
るので、溶融・固着したハンダの内部にヘリウムガスが
封じ込められたとしても、チャンバー１０の内部圧力を
封じ込められたときのヘリウムガスの圧力（Ｐ３）より
も高くすることにより、内部に封じ込められたヘリウム
ガスが、外部との圧力差（Ｐ４−Ｐ３）によって潰され
るため、ボイドの大きさを小さくすることができる。ま
た、水冷ジャケットとＬＳＩは、熱伝導率の高いハンダ
によって直接固着しているため、ＬＳＩの発熱量が大き
くなっても、冷却性能を向上することができる。

【００４４】次に、図７〜図９を用いて、本実施形態に
よるモジュールの封止方法について説明する。最初に、
図７を用いて、図１〜図６において説明した工程により
形成されたモジュールの詳細な構造について説明する。
なお、図１〜図６と同一符号は同一部分を示している。

【００４５】図２に示した構成では、図示を省略してい
るが、モジュール１３０を構成する複数のＬＳＩ１０６
は、多層配線基板１０４に、ハンダボール１１６により
接続固定されている。また、多層配線基板１０４には、
フレーム１０５が、例えば、錫−銀系の融点の高いハン
ダによって固着されている。

【００４６】図１〜図６に示した冷却部品取付方法によ
り、ＬＳＩ１０６と冷却ジャケット１００は、ハンダ１
１１により固着されている。なお、ハンダ１１１は、図
２に示したハンダ１１０とハンダ１１２が融着したもの
である。また、冷却ジャケット１００とフレーム１０５
は、ハンダ１１４により固着されている。

【００４７】さらに、本実施形態においては、フレーム
１０５の側面には、フレーム１０５の側面には気密封止
穴１１８が形成されている。従って、図１〜図６に示し
た工程の、特に、図４の時刻ｔ１２〜ｔ１６に示す工程
によって加圧雰囲気で、ハンダ接合したときに、モジュ
ール１３０の内部空間１２８も加圧雰囲気となっている
が、その後、大気戻しを行うことによって、モジュール
１３０の内部空間１２８も大気状態となっている。

【００４８】また、気密封止穴１１８には、図８を用い
て後述するモジュール封止装置により、ポートネジ１２
０が取り付けられる。ポートネジ１２０には、Ｏリング
のようなシール材１２２が取り付けられており、シール
材１２２が、気密封止穴１１８の側面と密着することに
より、モジュール１３０の内部を気密封止できる構造と
なっている。

【００４９】次に、図８を用いて、本実施形態によるモ
ジュール封止装置の構成について説明する。図８は、本
発明の一実施形態によるモジュール封止装置の構成を示
す側面図である。

【００５０】モジュール封止装置２００のチャンバー２
０２内部には、ＸＹテーブル２０４が設置されている。
ＸＹテーブル２０４上には、セット治具２０６が設置さ
れている。モジュール１３０は、セット治具２０６の上
に載置されて、位置決めされる。また、位置決めされた
モジュール１３０には、ポートネジセット治具２１０が
セットされる。

【００５１】ここで、図９を用いて、ポートネジセット
治具２１０の構成について説明する。なお、図８と同一
符号は、同一部分を示している。図９は、本発明の一実
施形態によるモジュール封止装置に用いるポートネジセ
ット治具の構成を示す側面図である。

【００５２】モジュール１３０を構成するフレーム１０
５は、締結ネジ穴１０５Ａを有している。締結ネジ穴１
０５Ａは、フレーム１０５と図示しない冷却ジャケット
カバーを締結するため用いられるものである。ポートネ
ジセット治具２１０は、セットネジ２１２を締結ネジ穴
１０５Ａにねじ込むことにより、フレーム１０５に設置
される。次に、ポートネジセット治具２１０には、シー
ル材１２２付きポートネジ１２０が設置される。

【００５３】次に、図７に戻り、モジュール封止装置２
００のチャンバー２０２には、ポートネジ締結ユニット
２３０が配置されている。ポートネジ締結ユニット２３
０は、スライド部２３２上を矢印Ｘ方向に往復動可能で
ある。ポートネジ締結ユニット２３０は、モータ２３４
と、モータ２３４の出力トルクを調整するトルクコント
ロール部２３６と、トルクコントロール部２３６に取り
付けられたドライバービット２３８とから構成されてい
る。モータ２３４の出力トルクは、トルクコントロール
部２３６によって調整されるとともに、モータ２３４の
回転がドライバービット２３８に伝達される。ドライバ
ービット２３８は、ポートネジセット治具２１０にセッ
トされたポートネジ１２０を回転させる。

【００５４】また、モジュール封止装置２００のチャン
バー２０２には、バルブ２２０を介して真空ポンプ２２
２が接続されており、チャンバー２０２の内部を減圧す
ることができる。また、チャンバー２０２には、バルブ
２２４を介して、大気が導入可能である。さらに、チャ
ンバー２０２には、バルブ２２６を介して、ヘリウム
（Ｈｅ）ガス２２８が導入可能である。

【００５５】次に、本実施形態によるモジュール封止装
置２００を用いたモジュール封止方法について説明す
る。モジュール封止装置２００を作動させると、最初
に、バルブ２２０を開き、真空ポンプ２２２を用いてチ
ャンバー２０２内の圧力を第１の圧力Ｐ５まで低下させ
る。ここで、第１の圧力Ｐ５は、例えば、０．２Ｔｏｒ
ｒ以下としている。真空ポンプ２２２を用いて、モジュ
ール１３０内を脱気する。

【００５６】次に、バルブ２２６を開き、チャンバー２
０２に配管された不活性ガスボンベ２２８から、不活性
ガスを導入する。また、このとき、チャンバー２０２内
の圧力が第２の圧力Ｐ６となるように、圧力センサ等を
用いて圧力調整する。ここで、不活性ガスとしては、例
えば、ヘリウムや窒素を用いることができる。また、第
２の圧力Ｐ６は、例えば、大気圧（７６０Ｔｏｏｒ）と
している。

【００５７】次に、ＸＹテーブル２０４を移動させ、モ
ジュール１３０のポートネジ穴部１１８をポートネジ締
結ユニット２３０の横に位置決めする。そして、ポート
ネジ締結ユニット２３０をスライド部２３２を用いて横
行させ、モーター２３４を回転させることにより、ドラ
イバービット２３８でポートネジセット治具２３０に載
置してあるポートネジ１２０を気密封止穴１１８に締結
する。この時、トルクコントロール部２３６にて、任意
のトルクで締結することができる。なお、気密封止穴１
１８は、１カ所としているが、複数箇所ある場合には、
ポートネジ１２０の締結動作を繰り返すことになる。次
に、バルブ２２４を開いて、チャンバー２０２内に大気
を導入し、大気圧戻しが行われた後、モジュールをチャ
ンバーから取り出す。

【００５８】以上説明したように、図１〜図６において
説明したように、加圧雰囲気で、ＬＳＩ１０６と水冷ジ
ャケット１００をハンダ１１１によって接着した場合で
も、モジュール１３０には、気密封止穴１１８が設けて
あるため、モジュール１３０の内部が加圧状態に保たれ
ることがないものである。

【００５９】また、モジュール１３０の気密封止は、不
活性ガス雰囲気中で行われるため、モジュール１３０の
内部に湿り気を帯びた大気が封止されることがないもの
である。一般にモジュールの動作時には、モジュールの
内部温度は数十度まで上昇し、また、モジュールを停止
すると常温まで下降する。このとき、モジュール内部に
大気が封入されていると、モジュール内部に結露が生
じ、配線等が酸化したり、マイグレーションしたりする
ことがあるが、内部に不活性ガスを封入することによ
り、かかる事態の発生を防止することができる。

【００６０】また、モジュール内部には、大気圧（１気
圧）の不活性ガスを封入するようにしているため、例
え、モジュールが動作することにより、モジュール内部
の温度が上昇した場合でも、モジュール内部の圧力が異
常に高くなり、ＬＳＩ等が破壊することを防止できる。
例えば、モジュール内部に大気圧の不活性ガスを封入
し、ＬＳＩチップが８０℃まで上昇した場合、モジュー
ルの内圧は、約１．１気圧までしか上昇しないため、Ｌ
ＳＩ等の破壊を防止することができる。モジュール封入
時のモジュールの内圧Ｐ２は、任意の圧力とすることが
できるが、あまり高い圧力では、モジュール動作時の発
熱により、内圧が上昇し過ぎるため、大気圧程度が適当
である。

【００６１】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、モジュールを、密閉したチャンバー内に収納し、こ
のチャンバー内の圧力を低下させ、モジュール内も同様
に減圧脱気した後、チャンバーの内部に不活性ガスを供
給し、任意の第２の圧力とした状態で、封止穴に封止用
ネジを供給・締結し、さらに上記チャンバー内部の圧力
を大気圧になるまで戻すことにより、上記モジュール内
を任意の封止圧で気密封止することができ、また、不活
性ガスを用いることで、結露を防止し得るものとなる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、ＬＳＩと水冷部品をは
んだ材等で固着する冷却構造においても、冷却性能を向
上することができる。また、モジュールの内部圧を低圧
に保つことのできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置の
全体構成を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置に
よる冷却部品の取付工程の途中状態を示す側面図であ
る。

【図３】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置に
よる冷却部品の取付工程の取付完了状態を示す側面図で
ある。

【図４】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置に
よる冷却部品の取付工程におけるチャンバー内圧力の変
化を示すタイミングチャートである。

【図５】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置に
よる冷却部品の取付工程における上下ヒータ間の距離の
変化を示すタイミングチャートである。

【図６】本発明の一実施形態による冷却部品取付装置に
よる冷却部品の取付工程における部品の温度変化を示す
タイミングチャートである。

【図７】本発明の一実施形態による冷却部品取付方法に
より形成されたモジュールの詳細な構造を示す断面図で
ある。

【図８】本発明の一実施形態によるモジュール封止装置
の構成を示す側面図である。

【図９】本発明の一実施形態によるモジュール封止装置
に用いるポートネジセット治具の構成を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１０…チャンバー １２…圧力センサ １４…Ｏ２センサ ２０…下ヒータ ２２，３６…電源 ３０…上ヒータ ３２…スプリング ３４…支持板 ３８…温度センサ ４０…クラッチ機構 ５０…ステッピングモーター ６０…真空ポンプ ８０…制御手段 １００…水冷ジャケット １０４…多層配線基板 １０５…フレーム １１０，１１１，１１２，１１４…ハンダ １１８…気密封止穴 １２０…ポートネジ ２００…モジュール封止装置 ２２２…真空ポンプ ２２８…不活性ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桐生 栄一 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所エンタープライズサーバ事業部内 Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AA03 AB02 5E336 AA04 BB03 CC32 CC36 EE03 GG05 5F036 AA01 BB01 BC06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に取り付けられた電子部品に、冷却部
   品をハンダ固着により取り付ける冷却部品取付方法にお
   いて、 上記電子部品と上記冷却部品を溶融したハンダを介して
   接触させるとともに、加圧雰囲気中で、上記電子部品と
   上記冷却部品を固着した後、大気戻しをすることを特徴
   とする冷却部品取付方法。
2. 【請求項２】基板に取り付けられた電子部品に、冷却部
   品をハンダ固着により取り付けてモジュールを形成後、
   このモジュールを気密封止するモジュール封止方法にお
   いて、 上記モジュールは、ハンダ固着時にはモジュール内部を
   外部に連通する気密封止穴を備え、 所定圧力の不活性ガス雰囲気中で、上記気密封止穴を封
   止することを特徴とするモジュール封止方法。