JP2001053206A - マルチチップモジュールの冷却装置 - Google Patents

マルチチップモジュールの冷却装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】ＬＳＩの温度上昇を一様に、かつ効率良く小さ
くし、マルチチップモジュールの組み立て性・分解性な
どの生産性に優れたマルチチップモジュールの冷却装置
を提供することである。 【解決手段】半導体デバイスの発生熱を除去するＭＣＭ
の封止天板に、複数の平行状冷却流路溝と複数の冷却流
路溝断面の一部を横切る貫通溝２６とを設け、更に冷却
流路溝の全域を覆う冷却流路カバーの内壁面に、冷却流
路カバーと一体に形成された乱流促進体３１を設け、か
つ前記乱流促進体と前記貫通溝を隣接する半導体デバイ
ス間の中央付近に設置し、冷却流路カバーをＭＣＭの封
止天板に被せることで、前記乱流促進体３１が前記貫通
溝２６に挿入され、冷却流路溝内を流れる冷却流体の流
れが乱れ、冷却流路の冷却性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速化、高集積
化、高発熱密度化、高消費電力化、大寸法化した半導体
素子集積回路チップ（以下、ＬＳＩと略記）を対象と
し、特に，上記ＬＳＩを多数高密度に実装したマルチチ
ップモジュール（以下、ＭＣＭと略記）から発生する熱
を低熱抵抗で除去する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】大型コンピュータ、或いはスーパーコン
ピュータなどの電子計算機は、演算処理速度の高速化、
記憶容量の増加に伴って、使用されるＬＳＩの高速化、
高集積化、大寸法化、高発熱密度化が進められている。
そして、多数のＬＳＩ間でやり取りする信号を高速に伝
送するため、多数のＬＳＩを互いに接続する電気配線長
を出来る限り短くする必要性から、多層配線基板に多数
のＬＳＩを搭載する高密度実装のＭＣＭが適用される。
この様なＭＣＭにとって、ＬＳＩの信号伝送の遅延ずれ
が発生しないように、ＬＳＩの温度上昇を小さく、ま
た，ＬＳＩ内部の温度分布を一様にし、更にＬＳＩ間の
温度差を小さくするなどにより、多数のＬＳＩを安定に
動作させる冷却装置を備えることが重要な技術課題であ
る。
【０００３】従来、この様なＭＣＭに搭載されたＬＳＩ
から発生する熱を除去するための冷却機構は、水冷ジャ
ケットがＭＣＭの上部を覆うように設置され、所定の温
度にした冷却水を水冷ジャケット内部に流して冷却する
装置が採用されている。例えば、特開平０８−２７９５
７８号公報にＭＣＭの冷却装置が開示されている。この
従来技術の冷却装置は、複数の冷却フィンを互いに平行
に配置した冷却流路が水冷ジャケット内部に形成され、
冷却流路の端部領域には、冷却水の流れ方向を反転させ
るためのヘッダー部が形成され、水冷ジャケット内を流
れる冷却水が流れ方向を反転しながら次々冷却流路を流
れることにより、ＭＣＭ内のＬＳＩから発生する熱を除
去するものである。
【０００４】また，水冷ジャケットの冷却性能を向上さ
せる方法として、一般的には、冷却流路の溝深さを大き
くしたり或いは冷却流路の溝幅を狭くするなどの方法が
採られる。例えば、冷却流路の溝高さを大きくすること
で伝熱面積が増大し、冷却性能は向上させることが出来
る。しかし、同じ冷却水循環用ポンプを使用した場合に
は、冷却流体の圧力損失の減少で冷却水の総循環流量は
増えるが、冷却流路の溝深さが大きくなるほど、冷却流
路の総断面積が大きくなることで、冷却流体の平均流速
が減少しかつフィン効率も低下するので、冷却性能が悪
化して行く。従って、上記の両作用の働きにより、水冷
ジャケットの冷却性能を向上させるには限度が生ずる。
【０００５】一方、総循環流量が一定であるならば、冷
却流路の溝幅を狭くするほど冷却流体の平均流速が増大
するため冷却性能は向上するが、冷却流体の圧力損失は
急激に増加する。同じ冷却水循環用ポンプを使用した場
合は、圧力損失の増加により総循環流量が低下するの
で、水冷ジャケットの冷却性能の向上に限度がある。
【０００６】また、冷却流路の溝幅を狭くするほど、冷
却流路の流れ状態は層流状態に遷移して行く。このこと
を説明するため、冷却流路の流れ状態を表す特性数であ
るレイノルズ数Ｒｅ（以下，「Ｒｅ数」という。）を用
いる。Ｒｅ数は、冷却流路の等価直径に冷却流体の平均
流速を掛け、冷却流体の動粘性係数で割ったものであ
る。このＲｅ数が約２３００〜３０００の範囲以上にな
れば，流れは乱流状態を示し、Ｒｅ数が約２３００〜３
０００の範囲以下になれば，流れは層流状態を示すと言
われている。冷却流路の溝幅が狭くなるほど、冷却流路
の等価直径はほぼ比例して小さくなる。一方、冷却流体
の平均流速は冷却流路の溝幅に反比例して増加するが、
総循環流量が低下するので、冷却流体の平均流速の増加
率は小さくなる。その結果、Ｒｅ数は単調に減少するこ
とになる。従って、冷却流路の溝幅が狭くなるほど、冷
却流路の流れ状態は層流状態に遷移して行くことにな
る。なお、ここでは、冷却流路の溝数が一定として説明
して来たが、冷却流路の溝幅を狭くすると共にフィンの
厚さも薄くすれば、冷却流路の溝数が増大し、冷却流路
の総断面積は大きくなる。このため、冷却流体の平均流
速は小さくなり、Ｒｅ数は益々小さくなる。一般的に、
冷却流路の流れ状態が乱流から層流に移行するほど、Ｒ
ｅ数は小さくなり、冷却流路の伝熱性能は低下すること
が知られている。従って、単に、冷却流路の溝深さを大
きくしたり、或いは冷却流路の溝幅を狭くするだけで
は、水冷ジャケットの冷却性能の向上に限度がある。
【０００７】上記した一般的な水冷ジャケットの冷却性
能向上法の欠点を改善するため、特開平７−７０８５２
号公報には、冷却流路全域の寸法を変えずに冷却流路の
断面積を局部的に小さくして、水冷ジャケットの冷却性
能を向上させる従来技術が開示されている。図７は、従
来技術の水冷ジャケットの冷却性能向上を説明する原理
断面図である。
【０００８】従来技術の冷却装置は、流通路４４を有す
る冷却プレート４１に電子部品４２を当接させ、電子部
品４２が当接する個所４３に対向する流通路４４の内壁
４５に突起部材４６を設けた構成である。この場合、突
起部材４６によって、流通路４４内の冷却流体の流れを
局部的に加速させ、加速流に当てられた所の伝熱性能を
向上させるものである。しかし、突起部材４６の直前、
或いは直後では、冷却流体の流れに剥離現象が発生し、
かえって伝熱性能は低下する。この現象は、昭和５９年
１０月５日、養賢堂発行の「伝熱学特論」、代表者著
作、甲藤好郎の著書のページ２１１に記載されている。
従って、突起部材４６と電子部品４２は冷却プレート４
１の内壁４５を挟んで同じ位置に存在するため、突起部
材４６が電子部品４２の当接個所４３の面積より小さい
と、電子部品４２が当接する個所４３の平均冷却性能
は、突起部材４６の前後の伝熱性能低下と突起部材４６
直下の伝熱性能上昇が互いに打ち消し合うように作用す
るので、冷却プレート４１の冷却性能向上には限度があ
る。一方、突起部材４６が電子部品４２の当接個所４３
の面積より大きいと、冷却流体の加速領域が長くなるの
で、冷却流体の圧力損失が増大する。従って、いずれも
冷却プレート４１の冷却性能向上には限度がある。
【０００９】更に、特開平２−２５７６６４号公報で開
示されているＭＣＭの冷却装置では、ＬＳＩチップは多
層配線回路基板上に多数実装され、マイクロチャンネル
構造の冷却流路を内蔵し、一体に形成された水冷ジャケ
ットの背面にＬＳＩチップの裏面をはんだ材で固着し、
水冷ジャケット内を流れる冷却水によってＬＳＩチップ
から発生する熱を除去している。そして、上記水冷ジャ
ケットは、ＭＣＭの気密封止キャップの役割を果たして
いる。
【００１０】しかし、上記のＭＣＭの冷却装置では、冷
却性能を確保するために水冷ジャケットを大型化する
と、一体に形成された水冷ジャケットは熱容量が益々大
きくなる。即ち，一体に形成された水冷ジャケットの背
面が複数のＬＳＩの裏面とはんだ材で固着されているの
で、ＭＣＭの冷却装置の組み立て或いは分解時には、Ｌ
ＳＩの裏面のはんだ材を溶解、凝固しなければならない
が，その際に，水冷ジャケット自体に或いは水冷ジャケ
ットと他の部材間に大きな温度分布が生じ、ＬＳＩの接
続信頼性とＭＣＭの気密封止信頼性を劣化させる問題点
が生ずる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】近年、大型コンピュー
タ、或いはスーパーコンピュータなど電子計算機は、演
算処理速度の高速化が一段と強く要求されるため、使用
されるＬＳＩは益々高集積化、高発熱密度化、大寸法
化、高消費電力化、高密度実装化が進められている。例
えば、ＬＳＩチップサイズは１５〜２０ｍｍ角に、ＬＳ
Ｉチップの発熱密度は１００〜１５０Ｗ／ｃｍ2に達す
る。この様に高発熱密度化、大寸法化、高消費電力化し
たＬＳＩチップを多数搭載するＭＣＭの冷却装置におい
ては、約１０mm角のＬＳＩチップサイズレベル或いは１
０〜５０Ｗ／ｃｍ2程度のＬＳＩチップの発熱密度レベ
ルのものを冷却していた従来の冷却装置ではさほど問題
にならなかった次のような問題点が極めて重要になる。
【００１２】第一点は、ＬＳＩチップの発熱密度や発熱
量が非常に大きいため、冷却条件が僅かに変わってもＬ
ＳＩチップの温度が大きく変化するので、ＬＳＩチップ
の温度上昇を低くかつほぼ同じ温度に揃えることが従来
に比べて困難になった点である。電子計算機の高性能を
確保するためには、ＭＣＭに多数搭載されるＬＳＩチッ
プ同士の電気特性を揃えることが大切だからである。従
って、ＬＳＩの信号伝送の遅延ずれが発生しないよう
に、ＬＳＩの温度上昇を小さくかつＬＳＩ間の温度差を
小さくするなどにより、多数のＬＳＩを安定に動作させ
る冷却機構を備えることは重要な課題である。
【００１３】第二点は、ＬＳＩチップの大寸法化と高発
熱密度化に伴って、個々のＬＳＩチップ内の温度分布を
一様にすることが従来に比べて困難になった点である。
高集積化されたＬＳＩチップ内の回路素子の電気特性を
揃えるためには、ＬＳＩチップ内の温度分布を一様にす
ることが非常に重要だからである。更に、温度分布の不
均一性によって発生する熱歪みを小さくすることは、Ｍ
ＣＭの信頼性劣化を防止するためにも重要な課題であ
る。
【００１４】第三点は、ＭＣＭの大発熱量化が進められ
ると、ＭＣＭを冷却する冷却流体の流量を大量に流さな
ければならない点である。そのため、冷却流体の圧力損
失を増加させないで、冷却性能を向上させることが重要
な課題である。
【００１５】第四点は、ＭＣＭの大型化が進められる
と、ＭＣＭの組み立て性・分解性などの生産性が従来に
比べて非常に重要視される点である。特に、半導体デバ
イスの裏面とＭＣＭの封止天板とをはんだ材で固着する
際、或いはＭＣＭをはんだ材等で気密封止する際、はん
だ材の溶解と凝固を行うために、ＭＣＭ全体の温度を高
めたり、温度を下げたりする必要がある。この際、加熱
昇温時や冷却降温時に発生する熱歪みを小さく抑えるの
に、構成材料の熱膨張率を揃えたり、各部材の熱容量を
小さくしたすることが重要な課題である。
【００１６】本発明の目的は、高集積化、高発熱密度
化、大寸法化、高消費電力化、高密度実装化されたＬＳ
Ｉの温度上昇を一様に、かつ効率良く低減し、ＭＣＭの
組み立て性・分解性などの生産性に優れ、長期間信頼性
良く上記ＬＳＩを保護することが出来るＭＣＭの冷却機
構を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記第一及び第二の目的
を達成するため、本発明のＭＣＭの冷却装置は、ＬＳＩ
チップに、或いはＬＳＩチップを内蔵したＬＳＩパッケ
ージなどの半導体デバイスの発生熱を除去する冷却流路
板、或いはＭＣＭの気密封止と冷却を兼ねる封止天板
に、複数の平行状冷却流路溝と冷却流路溝断面の一部を
横切り貫く貫通溝とを設け、更に冷却流路溝の全域を覆
う冷却流路カバーの内壁面に、冷却流路カバーと一体に
形成された乱流促進体を設ける。そして、前記貫通溝を
隣接する半導体デバイスとの間の中央付近に設置し、前
記乱流促進体を上記貫通溝に挿入することにより、冷却
流路溝内を流れる冷却流体の流れを乱して、冷却流路の
冷却性能を向上させたことを特徴とするものである。
【００１８】上記第二の目的を達成するため、本発明の
ＭＣＭの冷却装置は、冷却流路の伝熱性能が半導体デバ
イスの中央付近で局所的に最大に成るように、乱流促進
体の高さを半導体デバイスの配列ピッチの１/１０〜１/
１６にしたことを特徴とするものである。
【００１９】上記第三の目的を達成するため、本発明の
ＭＣＭの冷却装置は、冷却流路板、或いは封止天板に、
複数平行状の冷却流路溝とこれら冷却流路溝断面の一部
を横切って乱流促進体を挿入する貫通溝とを設け、冷却
流路カバーの内壁面に冷却流路カバーと一体に形成され
た乱流促進体と、冷却流路溝上に冷却流体が一部迂回し
て流れるバイパス流溝とを設ける。この手段によって、
冷却流路の圧力損失低減と冷却流路の冷却性能向上を共
に達成させたことを特徴とするものである。
【００２０】上記第四の目的を達成するため、本発明の
ＭＣＭの冷却装置は、冷却流路溝を形成するＭＣＭの封
止天板を、多層配線基板と熱膨張率が整合される高熱伝
導性のセラミック製とし、冷却流路溝の全域上を覆う冷
却流路カバーと金属製の別部材とし、ＬＳＩチップ、或
いはＬＳＩチップを内蔵したＬＳＩパッケージなどの半
導体デバイスの裏面に直接はんだ固着する際には、冷却
流路カバーを外しておき、前記封止天板の熱容量を小さ
くする。そして、封止天板の周縁部と冷却流路カバーの
間にＯリング等のパッキン材を単に挟み、金属製冷却流
路カバーとＭＣＭの気密封止フレームとを相互に締結手
段によって締め付けることで、セラミック製封止天板の
強度を確保しながら冷却媒体の漏れを防止しする。従っ
て、本発明のＭＣＭの冷却装置は、これらの構成によっ
て、ＭＣＭの組み立て性・分解性などの生産性が高めた
ことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第一の実施例を図
１から図４を用いて詳細に説明する。
【００２２】図１は、本実施例を適用したマルチチップ
モジュールの冷却装置の構成を示す断面図である。図２
は、図１で示すマルチチップモジュールの冷却装置のＡ
-Ａ断面図である。図３は、図１及び図２で示す封止天
板に溝を切った構造を示す平面図である。図４は、図１
及び図２で示す半導体デバイスの詳細を示す要部断面図
である。
【００２３】図１において、複数の半導体デバイス１０
はセラミック製多層配線基板１１上に微小なはんだボー
ル１２を介して実装されている。半導体デバイス１０
は、図４で詳細を示すように、内部にＬＳＩチップ１が
微小なはんだボール２を介してセラミック製マイクロ基
板３上に実装され、ＬＳＩチップ１の裏面がマイクロパ
ッケージ４の内壁面とはんだ固着されると共に、ＬＳＩ
チップ１全体をマイクロパッケージ４で覆われてＬＳＩ
チップ１が密封されている。多層配線基板１１の裏面に
は入出力ピン１３が設けられ、半導体デバイス１０への
電源給電と信号伝送等が行われる。
【００２４】マイクロ基板３及び多層配線基板１１のセ
ラミックは、ＬＳＩチップ１と熱膨張率が整合する材料
であると共に、低抵抗電気配線を内蔵し、低誘電率で、
高速信号伝送に優れた材料であり、例えば，ガラスセラ
ミック或いはムライトセラミックなどが好適である。
【００２５】フレーム１４は、熱膨張率が多層配線基板
１１と整合する材料である鉄−ニッケル合金からなり、
フレーム１４の下面は，多層配線基板１１の半導体デバ
イス１０が搭載された面側の周縁部に，はんだ接合１５
されている。フレーム１４の上部には、冷却流路溝２１
が多数平行に形成された封止天板２０の周縁部２２を支
えるフランジ面１６と、冷却流路溝２１の全域上を覆う
冷却流路カバー３０を固定するフランジ面１７とが設け
られている。
【００２６】冷却流路溝２１が形成された封止天板２０
の真下の裏面２４と半導体デバイス１０の裏面５とが互
いに相対するところに、メタライズ層２５，６が施さ
れ、半導体デバイス１０と封止天板２０は、各メタライ
ズ層２５，６間をはんだ接合７して固着されている。は
んだ接合７の厚さは、マルチチップモジュールの各部材
の加工精度や組み立て精度によって支配されるが、通
常、０.１〜０.２ｍｍの範囲に抑えられる。
【００２７】封止天板２０の周縁部２２底面にもメタラ
イズ層（図示せず）を施し、半導体デバイス１０と封止
天板２０とをはんだ固着する際、同時にフレーム１４の
フランジ面１６と封止天板２０の周縁部２２とがはんだ
接合１８によって、マルチチップモジュールの気密封止
が行われる。はんだ接合１８及びはんだ接合７には，Ｓ
ｎ３７Ｐｂ（共晶はんだ、融点１８３℃）が好適であ
る。
【００２８】冷却流路カバー３０の内壁面には、封止天
板２０の全域上を覆い、冷却流路溝２１を流れる冷却流
体が外に漏れないように、封止天板２０の周縁部２２と
相対するところに、Ｏリング溝３２が形成されている。
Ｏリング溝３２にＯリング３３を挿入して、冷却流路カ
バー３０をフレーム１４のフランジ面１７に合わせてボ
ルト締結することによって、冷却流体のシールと冷却流
路カバー３０の固定が行われる。また、冷却流路カバー
３０は、冷却流体の出入り口３４，３５と、冷却流路溝
２１を流れる冷却流体の流れ方向を反転させるためのヘ
ッダー部３６が設けられいる。なお、冷却流路カバー３
０は金属製が好ましく、冷却流路溝２１を流れる冷却流
体の温度が、マルチチップモジュールの気密封止プロセ
スを完了してマルチチップモジュールを放置した時とほ
とんど同じ程度なら、銅製或いはステンレス製でも良
い。しかし，冷却流体の温度が大きく変化する場合は、
熱膨張率が多層配線基板１１と整合する材料である鉄−
ニッケル合金などが好適である。
【００２９】一方、図１に示すように、封止天板２０に
は、冷却流路溝群２７が半導体デバイス１０の真上に位
置するところに形成されている。この冷却流路溝群２７
は，多数の冷却流路溝２１と平行平板状フィン２３が交
互に並列して配置されてなる。更に、平行平板状フィン
２３には、冷却流路溝群２７を横切り、多数の平行平板
状フィン２３上部の一部を互いに貫く様に貫通溝２６
が、互いに隣接する半導体デバイス１０と半導体デバイ
ス１０と間の中央付近に設けられている。
【００３０】冷却流路カバー３０の内壁面には、冷却流
路カバー３０と一体に形成された乱流促進体３１が貫通
溝２６と相対する同じ位置に設けられいる。即ち、乱流
促進体３１も互いに隣接する半導体デバイス１０と半導
体デバイス１０と間の中央付近に設けられている。そし
て、冷却流路カバー３０を封止天板２０上に被せること
により、乱流促進体３１が貫通溝２６に挿入される。
【００３１】乱流促進体３１の断面形状は、冷却流路溝
２１内を流れる冷却流体が乱流促進体３１を乗り越える
際、乱流促進体３１の先端エッジで流れ１９が良く乱れ
るように、幅の薄い矩形状或いは三角形状またはナイフ
エッジ状等が好ましい。なお、乱流促進体３１を挿入す
ることにより、冷却流路の圧力損失が増大するので、圧
力損失の増大をある程度小さく抑えたい場合には、乱流
促進体３１の断面形状を、円形状或いは半円形状にすれ
ばよい。
【００３２】一方、乱流促進体３１の高さは、互いに隣
接する半導体デバイス１０の冷却流体流れ１９方向の配
列ピッチに対して１/１０〜１/１６にすることにより、
冷却流路溝郡２７の伝熱性能は、半導体デバイス１０の
中央付近で局所的に最大になる。
【００３３】更に、封止天板２０は、セラミック製多層
配線基板１１の熱膨張率と整合する低膨張率の材料であ
ると共に、半導体デバイス１０から発生した熱を低熱抵
抗で伝えるために高熱伝導率であり、冷却流路溝２１に
流れる冷却流体の圧力に耐える強度を有するなどの特性
を持つセラミックが好ましく、特に、高熱伝導性窒化ア
ルミニウム（ＡＬＮ）が好適である。なお、マイクロパ
ッケージ４も同様に高熱伝導性窒化アルミニウム（ＡＬ
Ｎ）が好適である。
【００３４】上記のように構成したので、ＬＳＩチップ
１の発生熱は、マイクロパッケージ４、はんだ接合７、
封止天板２０の内部を通過して、冷却流路溝２１の中を
流れる冷却流体に効率良く放出される。特に、乱流促進
体３１の断面形状が幅の薄い矩形状，或いは三角形状、
或いはナイフエッジ状になっているので、冷却流路溝２
１内を流れる冷却流体が乱流促進体３１を乗り越える
際、乱流促進体３１の先端エッジで流れ１９が良く乱れ
る。この結果、平行平板状フィン２３面上の熱伝達率を
層流特性から乱流特性に高めることが出来る。
【００３５】更に、乱流促進体３１の高さが互いに隣接
する半導体デバイス１０の冷却流体流れ１９方向の配列
ピッチに対して１/１０〜１/１６であるので、冷却流体
が乱流促進体３１を乗り越えて、流れが剥離し、再び流
れが最付着する位置が半導体デバイスの中央付近にな
る。その結果、冷却流路溝郡２７の伝熱性能は、半導体
デバイス１０の中央付近で局所的に最大にすることが出
来る。
【００３６】更に、はんだ材の熱伝導率は、一般的に高
熱伝導グリースに比べて約１０〜２０倍も大きいので、
半導体デバイス１０から発生した熱は、冷却流路溝２１
内を流れる冷却流体に速やかに低熱抵抗で伝えることが
出来る。
【００３７】また、セラミック製多層配線基板１１面や
封止天板２０のはんだ固着面に反りが有っても、或いは
半導体デバイス１０が傾いたり変位して実装されても、
またフレーム１４のフランジ部１６と封止天板２０の周
縁部２２とのはんだ固着面に反りが有っても、はんだ接
合７とはんだ接合１８がいったん融解して間隙を埋めて
凝固されるので、これらの反りや傾きや変位などを吸収
することが出来る。従って、マルチチップモジュールの
生産は低コストで容易に行うことが出来る。
【００３８】一方、半導体デバイス１０と封止天板２０
とのはんだ固着時、及びフレーム１４のフランジ面１６
と封止天板２０の周縁部２２とのはんだ固着時には、金
属製の冷却流路カバー３０が分離出来るので、封止天板
２０の熱容量は小さく抑えられ、加熱昇温時や冷却降温
時に発生する熱歪みが小さくなり、はんだ接合部の接続
信頼性が高められる。従って、マルチチップモジュール
の組み立て性・分解性などの生産性が向上する。
【００３９】更に、金属製の冷却流路カバー３０をフレ
ーム１４のフランジ面１７に合わせてボルト締結する
際、セラミック製封止天板２０には、Ｏリング３３の面
圧だけしか力が加わらないので、セラミック製封止天板
２０の気密封止信頼性を高めることが出来る。また、冷
却流路カバー３０が金属製であるので、冷却流体の出入
り口３４，３５から冷却流路溝２１に冷却流体を出入り
させる配管接続部の強度が高められる。
【００４０】なお、本実施例は、半導体デバイスがＬＳ
Ｉチップを内蔵したＬＳＩパッケージとした実施例で説
明したが、半導体デバイスがＬＳＩチップ単体であって
もよい。また、封止天板２０がＭＣＭの気密封止と冷却
器の冷却流路板とを兼ねるものと説明したが、ＭＣＭの
気密封止用の封止天板と冷却器の冷却流路板とが別部材
であっても良い。更にまた、乱流促進体３１が冷却流路
カバー３０と一体に形成されたものとして実施例で説明
したが、別部材であってもよい。
【００４１】次に、本発明の第二の実施例を図５、図６
により説明する。なお、本実施例では、図１から図４ま
でと同じもの、或いは同一機能を有するものは同一番号
を付けて説明を省略する。図５は、本実施例を適用した
マルチチップモジュールの冷却装置の構成を示す断面図
である。図６は、図５で示すマルチチップモジュールの
冷却装置のＢ-Ｂ断面図である。
【００４２】本実施例の半導体デバイス１０は、多層配
線基板１１０に５個×４個が実装されている。これに応
じて、封止天板２００に形成される冷却流路溝群２７も
奇数個配列されている。ここで，図５をもちいて，冷却
流体の出入り口３４，３５の下に位置する冷却流路溝群
２７について検討する。例えば，冷却流体の入り口３４
から流入した冷却流体は冷却流体の入り口３４の下に位
置する２個の冷却流路溝群２７に並列して流れるが，そ
の２個の冷却流路溝群２７を流れた冷却流体は折り返し
て蛇行し，中央に位置する冷却流路溝群２７に流れ込
む。しかし，中央に位置する冷却流路溝群２７は１個し
か存在しないため，２個分の冷却流体が流れない。その
ため、冷却流路カバー３００には、中央に位置する冷却
流路溝群２７に対応する内壁面位置に、冷却流路溝群２
７上部と冷却流路カバー３００の内壁面との間に、前記
冷却流路溝２１内を流れる冷却流体の一部が迂回出来る
バイパス流溝２８が設けられている。
【００４３】冷却流路カバー３００の内壁面のバイパス
流溝２８が設けられた所には、冷却流路カバー３００と
一体に形成された乱流促進体３１０が、バイパス流溝２
８が無い所には、冷却流路カバー３００と一体に形成さ
れた乱流促進体３１が、貫通溝２６と相対する同じ位置
に設けられている。乱流促進体３１，３１０は、互いに
隣接する半導体デバイス１０と半導体デバイス１０と間
の中央付近に設けられている。そして、冷却流路カバー
３００を封止天板２０上に被せることにより、乱流促進
体３１と乱流促進体３１０が貫通溝２６に挿入される。
【００４４】本構成によれば，冷却流路溝群２７が奇数
配列である場合でも、中央に位置する冷却流路溝群２７
上部の冷却流路カバー３００の内壁面にバイパス流溝２
８が有るため、冷却流体の一部はバイパス流溝２８を迂
回して流れるので、冷却流路溝内を流れる冷却流体の平
均流速が低減し、中央に位置する冷却流路溝群２７の圧
力損失を低減することが出来る。また、冷却流体の平均
流速が低減しても、乱流促進体３１０が存在するので、
乱流促進体３１０によって流れ乱れが発生し，伝熱性能
の向上が確保される。従って、圧力損失の低減と伝熱性
能促進を同時に達成させることが出来る。
【００４５】なお、本発明の第一の実施例および第二の
実施例では、半導体デバイスと封止天板とがはんだ接合
であると説明したが、はんだ接合以外の高熱伝導接合、
例えば高熱伝導接着材、あるいは高熱伝導接着グリース
であってもよい。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高集積化、高発熱密度化、大寸法化、高消費電力化、高
密度実装化されたＬＳＩの温度上昇を一様に、かつ効率
良く低減し、ＭＣＭの組み立て性・分解性などの生産性
に優れ、長期間信頼性良く上記ＬＳＩを保護することが
出来る。
【００４７】なお、本発明の効果を確認するため、下記
の実験を行った。
【００４８】試験した冷却流路板は、厚さ５.５ｍｍの
高熱伝導性窒化アルミニウム（ＡＬＮ）製板に幅０.５
ｍｍ、ピッチ１.０ｍｍ、深さ４.０ｍｍの冷却流路溝を
２２本設け、幅２ｍｍ、深さ２.２ｍｍの乱流促進体挿
入用貫通溝を冷却流体の流れ方向に２６ｍｍ間隔に冷却
流路溝２２本を横切る様に設けた。そして、乱流促進体
として、円柱形状、正方形状、長方形状のものを用いて
試験を行ったが、乱流促進体として幅１ｍｍ、高さ２ｍ
ｍの矩形断面の板を用いて３Ｌ／ｍｉｎから１０Ｌ／ｍ
ｉｎの流量の冷却水を流したところ、冷却水入口から冷
却流路板面までの熱抵抗を最も小さくでき、乱流促進体
を設けなかった場合に比べて、この熱抵抗が１.３〜１.
５倍小さく出来ることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示すマルチチップモジ
ュールの冷却装置の断面図である。
【図２】図１で示すマルチチップモジュールの冷却装置
のＡ-Ａ断面図である。
【図３】図１及び図２で示す封止天板に溝を切った構造
を示す平面図である。
【図４】図１で示す半導体デバイスの詳細を示す要部断
面図である。
【図５】本発明の第二の実施例を示すマルチチップモジ
ュールの冷却装置の断面図である。
【図６】図５で示すマルチチップモジュールの冷却装置
のＢ-Ｂ断面図である。
【図７】従来技術によるマルチチップモジュールの冷却
装置の冷却性能向上を説明する原理断面図である。
【符号の説明】
１……ＬＳＩチップ ２，１２……はんだボール ３……マイクロ基板 ４……マイクロパッケージ ５、２４……裏面 ６，２５……メタライズ層 １０……半導体デバイス １１……多層配線基板 １３……入出力ピン １４……フレーム ７、１５、１８……はんだ接合 １６，１７……フランジ面 １９……冷却流体の流れを示す矢印 ２０，２００……封止天板 ２１……冷却流路溝 ２２……周縁部 ２３……平行平板状フィン ２６……貫通溝 ２７……冷却流路溝群 ２８……バイパス流溝 ３０，３００……冷却流路カバー ３１，３１０……乱流促進体 ３２……Ｏリング溝 ３３……Ｏリング ３４，３５……冷却流体の出入り口 ４１……冷却プレート ４２……電子部品 ４３……当接個所 ４４……流通路 ４５……内壁 ４６……突起部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西原 淳夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 笠井 憲一 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） 5F036 AA01 BB41 BC06 BD01 BD13

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体デバイスと熱接合するように配置さ
    れ，内部に冷却流体が流れる冷却流路が設けられた半導
    体デバイスの冷却装置であって、 前記冷却装置は、冷却流体と熱交換を行う冷却流路板と
    該冷却流路板を覆う冷却流路カバーとを有し、前記冷却
    流路板により前記冷却流体が流れる複数の平行状の冷却
    流路溝が形成され，前記複数の冷却流路板は，前記冷却
    流路溝が形成されている方向に配列された前記半導体デ
    バイスの互いに相隣接する前記半導体デバイス同士の間
    に対応する部分の一部を横切り貫く貫通溝有し、 前記貫通溝には乱流促進体が配置されていることを特徴
    とする半導体デバイスの冷却装置。
  2. 【請求項２】前記乱流促進体は，前記冷却流路カバーに
    設けられていることを特徴とする特許請求項１に記載の
    半導体デバイスの冷却装置。
  3. 【請求項３】配線基板と、前記配線基板上に搭載された
    複数の半導体デバイスと、前記配線基板の熱膨張率に整
    合する熱膨張率を有する材料から成り前記配線基板に固
    着されたフレームと、前記半導体デバイスと熱接合した
    封止天板とを有する半導体デバイスの冷却装置であっ
    て、 複数の平行状の冷却流路溝を形成する冷却流路板群と前
    記冷却流路板群の一部を横切り貫く貫通溝とを有し、前
    記貫通溝は互いに隣接する前記半導体デバイスとの間の
    中央付近に位置し、その周縁部が前記フレームに装着さ
    れる封止天板と、 前記冷却流路の全域上を覆い、内壁面には乱流促進体が
    前記貫通溝と相対する位置に設けられた冷却流路カバー
    と、 前記冷却流路の冷却流体漏れ防止用パッキン材と、 前記封止天板の周縁部と前記冷却流路カバーの間に前記
    パッキン材を配置し、前記冷却流路カバーと前記フレー
    ムとを相互に締め付ける締結手段と、から成ることを特
    徴とする半導体デバイスの冷却装置。
  4. 【請求項４】前記乱流促進体の形状が幅の薄い矩形状、
    或いは三角形状、或いはナイフエッジ状、或いは円形
    状、或いは半円形状であることを特徴とする特許請求項
    １から特許請求項３に記載の半導体デバイスの冷却装
    置。
  5. 【請求項５】前記乱流促進体の高さが前記半導体デバイ
    スの配列ピッチの１/１０〜１/１６であることを特徴と
    する特許請求項１から特許請求項４に記載の半導体デバ
    イスの冷却装置。
  6. 【請求項６】前記冷却流路カバーの内壁に前記冷却流路
    溝内を流れる冷却流体の一部が迂回出来るバイパス流溝
    を設けたことを特徴とする特許請求項１から特許請求項
    ５に記載の半導体デバイスの冷却装置。
  7. 【請求項７】前記半導体デバイスの裏面が前記封止天板
    とはんだ固着され、前記封止天板の周縁部が前記フレー
    ムとマルチチップモジュール内部の気密封止のために、
    はんだ付けされたことを特徴とする特許請求項３に記載
    の半導体デバイスの冷却装置。
  8. 【請求項８】前記冷却水路溝を形成した前記封止天板が
    高熱伝導率の窒化アルミニウム製セラミックで、前記冷
    却流路溝の全域を覆う前記冷却水路カバーが金属製であ
    ることを特徴とする特許請求項３及び特許請求項７に記
    載の半導体デバイスの冷却装置。
  9. 【請求項９】前記配線基板上に搭載する前記半導体デバ
    イスがＬＳＩチップを内蔵したマイクロパッケージであ
    ることを特徴とする特許請求項１から特許請求項８に記
    載の半導体デバイスの冷却装置。
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