JP2001267485A - マルチチップモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】はんだ固着伝熱方式の冷却法を採用したマルチ
チップモジュールにおいて、はんだ接合部の信頼性を維
持しつつ、冷却体と回路素子との間の伝熱経路に含まれ
る接触熱抵抗の抑制を図る。 【解決手段】キャップ型の冷却部品３０は、複数の半導
体集積回路素子２０の背面側から配線基板１０の素子搭
載面１０ａにかぶせられている。冷却部品３０の接合面
３４には、配線基板１０の素子搭載面１０ａ内において
隣りあっている半導体集積回路素子２０の間を通過する
溝３６が形成されている。各溝３６の溝底には、溝両側
の素子２０の一方側と他方側とに溝内部を仕切る仕切り
壁３７が形成されている。各半導体集積回路素子２０の
メタライズ２２に対向するメタライズ３５の形成面に接
した溝内壁面にはメタライズ３８が形成されている。こ
の溝内壁のメタライズ３８は、溝縁部で溝外部のメタラ
イズ３５から分離している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチチップモジ
ュールにおける冷却用部品の接合構造に係り、特に、冷
却用部品と複数の電子部品との接合部における過剰なは
んだの吸収構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】マルチチップモジュールに搭載されてい
る半導体集積回路素子(以下、回路素子と呼ぶ)の冷却法
として、(１)回路素子に密着させたフィン等の熱伝導体
から放熱させる自然空冷、(２)回路素子に密着させたフ
ィン等の熱伝導体に、ファンからの冷却風を吹き付ける
風冷、(３)回路素子に熱伝導体を介して冷却体を密着さ
せ、この冷却体内部の流路に冷却液(水等)を流す液冷、
の３つの方式が知られている。これらの冷却法のなかで
は、液冷方式がもっとも冷却性能が高い。

【０００３】そして、このような冷却法の伝熱方式とし
ては、くし歯方式、熱伝導グリース(または接着剤伝熱
方式)、はんだ固着伝熱方式が知られている。熱伝導率
の高いはんだ(低融点金属)で熱伝導体に回路素子を固着
するはんだ固着伝熱方式は、これらの伝熱方式のなかで
冷却性能がもっとも高い。このはんだ固着伝熱方式を採
用したパッケージ構造は、例えば、ＵＳＰ５３２５２６
５号、特開昭６０−２５３２４８号公報、特開昭５４−
７８９８２号公報、特開平６−７７３６１号公報、特開
平６−２１２７８号公報、特開平５−１６０３０６号公
報等に記載された技術において採用されている。

【０００４】ところが、基板に搭載された複数の回路素
子の上面(基板と反対側の面)に熱伝導体をはんだで固着
する場合に、基板から各回路素子の上面までの高さにバ
ラツキがあると、各回路素子の上面と熱伝導体との間隙
寸法にバラツキが生じるため、すべての回路素子の上面
と熱伝導体との間に単に一定量のはんだを供給しただけ
では、いずれかの回路素子と熱伝導体の間から過剰なは
んだがはみだしてしまう。このような過剰なはんだのは
みだしは、はんだ接合部の信頼性を低下させる。板およ
び冷却部材のうちの少なくとも一方に、そり等の変形、
厚さのバラツキ、表面の凹凸等があっても同様である。

【０００５】特開平５−１６０３０６号公報には、この
ような過剰なはんだを処理するための技術が記載されて
いる。具体的には、各回路素子の上面に面した貫通孔を
それぞれ熱伝導体にあけておくことによって、各回路素
子の上面と熱伝導体との間隙寸法のバラツキによって生
じた過剰なはんだを溶融中に貫通孔の内部に逃がすよう
にしている。

【０００６】また、特開昭５４−７８９８２号公報およ
び特開平６−２１２７８号公報にも、回路素子の上面に
対応する位置に貫通孔があけられた熱伝導体を用いる技
術が記載されている。ただし、これら２つの公報の記載
技術においては、各回路素子の上面と熱伝導体との間へ
のはんだの供給路としても貫通孔を利用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】回路素子と冷却体とが
分離されたパッケージ構造においては、冷却体と回路素
子との間の伝熱経路に含まれる接触熱抵抗の増大が冷却
性能を低下させる。

【０００８】ところが、特開平５−１６０３０６号公
報、特開昭５４−７８９８２号公報、特開平６−２１２
７８号公報にそれぞれ記載されている技術においては、
熱伝導体を冷却体と回路素子との間に介在させる必要が
ある。そのうえ、この熱伝導体には複数の貫通孔があい
ているため、これらの貫通孔のすべてにはんだが完全に
充填され、かつ、冷却体との接触面が滑らかにされてい
なければ、熱伝導体と冷却体との間に隙間が形成されて
しまい、冷却体と回路素子との間の伝熱経路に含まれる
接触熱抵抗がますます増加することになる。そこで、特
開平６−２１２７８号公報記載の技術においては、低粘
性の熱伝導材料(グリース等)を冷却体と熱伝導体との間
に介在させることによって、冷却体と回路素子との間の
伝熱経路に含まれる接触熱抵抗の抑制を図っている。

【０００９】ところで、マルチチップモジュールに搭載
されている回路素子は、動作周波数の高速化に伴い発熱
量を増している。このため、冷却性能が最も高い液冷方
式にはんだ固着伝熱方式を適用した場合であっても、マ
ルチチップモジュールの回路素子の冷却法としてはさら
に冷却性能の向上が求められている。

【００１０】そこで、本発明は、はんだ固着伝熱方式の
冷却法を採用したマルチチップモジュールにおいて、は
んだ接合部の信頼性を維持しつつ、搭載電子部品の冷却
効率をさらに向上させることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、マルチチップモジュールの冷却部品の接
合面に、前記基板内において隣り合っている電子部品の
間に位置する凹部を形成することとした。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１３】まず、本実施の形態に係るマルチチップモ
ジュールの構造について説明する。

【００１４】図１に示すように、本マルチチップモジュ
ール１００は、配線層(不図示)および電極層を含んだ多
層配線基板１０、厚さｔが異なる複数種類の半導体集積
回路素子２０、複数の外部接続用ピン４０、キャップ型
の冷却部品３０を有している。これらは、以下のように
組み立てられている。

【００１５】複数の半導体集積回路素子２０は、多層配
線基板１０の素子搭載面１０ａ上に所定のレイアウトで
配置されている。これらの各半導体集積回路素子２０の
一方の面(多層配線基板１０と反対側の面：以下、背面
と呼ぶ)はメタライズ２２で覆われている。また、それ
と反対側の面(多層配線基板１０側の面：以下、正面と
呼ぶ)には複数のボンディングパッド(不図示)が形成さ
れている。そして、これらのボンディングパッド(不図
示)が、それぞれ、多層配線基板１０の最上配線層(不図
示)にはんだ５１によって接合されている。具体的に
は、複数の半導体集積回路素子２０の正面側のボンディ
ングパッドにそれぞれはんだバンプ５１を形成し、それ
らのはんだバンプ５１をフェイスダウンで多層配線基板
１０の最上配線層に重ね合わせてから、リフローはんだ
付け法によってはんだ付けしてある。

【００１６】そして、複数の外部接続用ピン４０は、そ
れぞれ、多層配線基板１０の電極層(不図示)に、素子搭
載面１０ａの裏側からはんだ５２で接合されている。

【００１７】また、キャップ型の冷却部品３０は、これ
らの半導体集積回路２０の背面側から多層配線基板１０
の素子搭載面１０ａにかぶせられている。そして、冷却
部品３０の外周部３２の端面３２ａが多層配線基板１０
の素子搭載面１０ａの外周領域にはんだ５０で封止され
ている。このような封止構造によって、キャップ型の冷
却部品３０の内側面と多層配線基板１０の素子搭載面１
０ａとによって囲まれたキャビティ３３が気密構造とな
り、その内部に収納されている複数の半導体集積回路素
子２０および配線層が外部環境から保護されている。

【００１８】このキャップ型の冷却部品３０の内側面内
の領域のうち、半導体回路素子２０の背面上の領域３４
は、多層配線基板１０の素子搭載面１０ａに適当な間隔
ｄをおいて相対している(以下、この領域３４を接合面
３４と呼ぶ)。この接合面３４と各半導体回路素子２０
の背面のメタライズ２２との間は、はんだ５３で接合さ
れている。なお、この接合構造については後述する。

【００１９】そして、このキャップ型の冷却部品３０の
内部には、各半導体集積回路素子２０の背面上部を通過
する冷媒流路３１が形成されている。これらの冷媒流路
３１内部にはそれぞれ冷却媒体(例えば、冷却水等の冷
却液)が流される。動作中の各半導体集積回路素子２０
から発生した熱は、はんだ５３および冷却部品３０によ
って形成された伝熱経路を介して冷却媒体へと伝わって
ゆく。これにより、動作中の半導体集積回路素子２０が
冷却される。

【００２０】このように、本実施の形態によれば、マル
チチップモジュール１００において複数の半導体集積回
路素子２０と冷却部品３０とをはんだで直接接合したた
め、各半導体集積回路素子と冷却部品との間に伝熱板を
介在させた従来のマルチチップモジュールよりも、伝熱
経路に含まれる接触熱抵抗を抑制することができる。こ
のため、冷却性能が向上し、動作中の各半導体集積回路
素子２０から効率よく放熱させることができる。

【００２１】また、本実施の形態に係るマルチチップモ
ジュールの構造においては、冷却部品３０と複数の半導
体集積回路素子２０とが分離していないため、各半導体
集積回路素子から冷却部品までの伝熱経路に、グリース
等の熱伝導材料を介在させるべき隙間も生じない。

【００２２】ところで、本実施の形態では、このように
複数の半導体集積回路素子２０と冷却部品３０とをはん
だ５３で直接接合することとしているが(過剰なはんだ
を吸収するための貫通孔をあけた伝熱板を用いないこと
としているが)、各半導体集積回路素子２０と冷却部品
３０との間に収容しきれない過剰なはんだを冷却部品３
０の接合面３４内に逃がすことによって、すべての半導
体集積回路素子２０と冷却部品３０との間に適切量のは
んだを充填している。つぎに、図３により、このような
冷却部品３０の構造および半導体集積回路素子２０との
接合構造について説明する。

【００２３】冷却部品３０の接合面３４には、各半導体
集積回路素子２０のメタライズ２２に対向するメタライ
ズ３５がそれぞれ形成されている。これら互いに対向す
るメタライズ２２,３５同士がそれぞれはんだ５３で接
合される(図２参照)。

【００２４】また、冷却部品３０の接合面３４には、隣
りあうメタライズ３５の間を通過する溝３６が形成され
ている。半導体集積回路素子２０と冷却部品３０の対向
メタライズ２２,３５同士がはんだ５３で接合される
と、これらの溝３６は、多層配線基板１０の素子搭載面
内において隣りあっている半導体集積回路素子２０の間
を通過することになる(図２参照)。また、各溝３６の内
部には、溝両側のメタライズ３５の一方側と他方側とに
溝内部を仕切る仕切り壁３７が設けられている。このよ
うな溝３６および仕切り壁３７は、切削加工によって、
隣りあうメタライズ３５の間に２本ずつ溝を入れること
によって形成される。

【００２５】そして、各メタライズ３５ごとに、その形
成面に接した溝内壁面(溝内側壁面および溝底面)にメタ
ライズ３８が形成されている。ただし、この溝内壁のメ
タライズ３８は、溝縁部３６ａで、溝外部のメタライズ
３５から分離している。このように、半導体集積回路素
子２０のメタライズ２２との対向メタライズ３５と、溝
内壁のメタライズ３８とを分離させておくことによっ
て、半導体集積回路素子２０のメタライズ２２との対向
メタライズ３５上へのむかえはんだの供給時に、溝内壁
のメタライズ３８にまではんだがぬれてしまうのを防止
し、半導体集積回路素子２０のメタライズ２２との対向
メタライズ３５上にだけむかえはんだを供給することが
できる(図４(ａ)参照)。

【００２６】このような構造の冷却部品３０を用いれ
ば、各半導体集積回路素子２０のメタライズ２２と冷却
部品３０のメタライズ３５との間隔を考慮することな
く、図４(ａ)に示すように、半導体集積回路素子２０と
冷却部品３０の対向メタライズ２２,３５にそれぞれ適
当量のむかえはんだ５３ａ,５３ｂを供給しておいて
も、図４(ｂ)に示すように、はんだリフロー中に、はん
だ過供給となっている対向メタライズ２２,３５の間か
ら過剰なはんだだけがはみ出し、それが溝内壁のメタラ
イズ３８にぬれひろがって溝３６の内部へと流入する。
したがって、対向メタライズ２２,３５からはみ出した
過剰なはんだが、多層配線基板１０の最上配線層と半導
体集積回路素子２０のボンディングパッドとの接合部５
１への侵入するのを防止することができる。このため、
はんだリフロー中に半導体集積回路素子２０のメタライ
ズ２２と冷却部品３０のメタライズ３５の間からはんだ
がはみだしたとしてもショートが発生することはなく、
はんだ接合部の信頼性を維持することができる。

【００２７】また、溝内部には仕切り壁３７が設けられ
ており、この仕切り壁３７が、半導体集積回路素子２０
と冷却部品３０の対向メタライズ２２,３５の間から流
れ出すはんだのストッパとして機能するため、半導体集
積回路素子２０と冷却部品３０の対向メタライズ２２,
３５の間からのはんだの流れだし過ぎを防止することが
できる。したがって、半導体集積回路素子２０と冷却部
品３０の対向メタライズ２２,３５との間がはんだ不足
となることもない。これによってもはんだ接合部の信頼
性が維持される。

【００２８】なお、本実施の形態では、搭載素子の厚さ
が異なる場合を例に挙げているが、多層配線基板および
冷却部材のうちの少なくとも一方に、そり等の変形、厚
さのバラツキ、表面の凹凸等がある場合においても同様
な効果を得ることができる。

【００２９】さて、前述したように、過剰なはんだが溜
る溝がメタライズ２２の外部に確保された冷却部品３０
を用いれば、半導体集積回路素子２０のメタライズ２２
と冷却部品３０のメタライズ３５の間からはんだがはみ
だしたとしてもショート等の不具合が起こることはな
い。

【００３０】そこで、本実施の形態に係るマルチチップ
モジュール１００の製造工程においては、従来のように
対向メタライズ間からのはんだのはみだし防止を図るの
ではなく、むしろ意図的に半導体集積回路素子２０のメ
タライズ２２と冷却部品３０のメタライズ３５の間から
はんだをはみださせることによって、半導体集積回路素
子２０のメタライズ全面と冷却部品３０のメタライズ全
面の間にはんだを隙間なく充填させることが望ましい。
例えば、多層配線基板１０上の搭載されている半導体集
積回路素子２０のうち、最も薄い半導体集積回路素子の
メタライズ２２と冷却部品３０のメタライズ３５との間
隔(対向メタライズ２２,３５のうち、最も離れている対
向メタライズの間隔)にあわせて、すべての半導体集積
回路素子２０と冷却部品３０のメタライズ２２,３５に
ほぼ同量のむかえはんだ５３ａ,５３ｂを一律に供給し
ておけば、すべての半導体集積回路素子２０のメタライ
ズ全面と冷却部品３０のメタライズ全面の間にはんだを
隙間なく充填することができる。その結果、各対向メタ
ライズの全面が充分な量のはんだでしっかりと接合され
るため、伝熱経路上の隙間に起因する冷却性能の低下が
ほとんど発生しない。また、前述したように、多層配線
基板１０の配線層と半導体集積回路素子２０のボンディ
ングパッドとの接合部５１へのはんだの侵入、半導体集
積回路素子２０と冷却部品３０の対向メタライズ２２,
３５の間のはんだ不足が防止されるため、はんだ接合部
の信頼性も維持される。また、半導体集積回路素子２０
の各メタライズ２２、冷却部品３０の各メタライズ３５
には、ほぼ同量のむかえはんだ５３ａ,５３ｂを一律に
供給しておくだけでよいため、各メタライズごとにむか
えはんだのはんだ量を計量する手間も省かれる。なお、
多層配線基板および冷却部材のうちの少なくとも一方
に、そり等の変形、厚さのバラツキ、表面の凹凸等の発
生が想定される場合には、むかえはんだ５３ａ,５３ｂ
の供給量を一律に適当量に増加させればよい。

【００３１】なお、本実施の形態に係るマイルチップモ
ジュールにおいては、溝内部については、溝内壁(溝側
壁面および溝底)にだけメタライズ３８を形成している
が、図５に示すように、そのメタライズ３８を仕切り壁
３７の側面にまでおよぼしてもよい。そのようにするこ
とによって、溝側壁面および溝底から仕切り壁側面にお
よぶメタライズ３８にはんだがぬれるため、より多くの
はんだを溝内部に収容することができるようになる。ま
た、溝側壁面および溝底から仕切り壁側面におよぶメタ
ライズ３８にはんだがぬれることによる毛管現象が、対
向メタライズ２２,３５からはみ出した過剰なはんだを
溝３６へと流れ込ませる駆動力を生じさせるため、多層
配線基板１０の最上配線層と半導体集積回路素子２０の
ボンディングパッドとの接合部５１へのはんだの侵入を
より効果的に防止することができる。

【００３２】また、本実施の形態では、仕切り壁３７を
メタライズ３５の形成面とほぼ同じ高さ(溝底からの高
さ)としているが、必ずしもこのように必要はない。例
えば、図６(ａ)に示すように、仕切り壁３７をメタライ
ズ３５の形成面よりも高くしてもよいし、図６(ｂ)に示
すように、仕切り壁３７をメタライズ３５の形成面より
も低くしてもよい。また、溝の深さも、対向メタライズ
２２,３５の間隔等に応じて適宜に調整してもよい。ま
た、本実施の形態においては、半導体集積回路素子のメ
タライズの間に溝を設けているが、溝以外の形状の凹部
(穴等)を半導体集積回路素子のメタライズの間に設けて
もよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、はんだ固着伝熱方式を
冷却法として採用したマルチチップモジュールにおい
て、はんだ接合部の信頼性を維持しつつ、冷却体と回路
素子との間の伝熱経路に含まれる接触熱抵抗の抑制を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るマルチチップモジ
ュールの断面図である。

【図２】図１の半導体集積回路素子と冷却部品との接合
部の拡大図である。

【図３】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る冷却部品
の部分断面図であり、(ｂ)は、その接合面の部分図であ
る。

【図４】(ａ)は、はんだ付けまえのであり、(ｂ)は、は
んだリフロー後の接合部の断面図である。

【図５】本実施の形態の一形態に係るマルチチップモジ
ュールにおける半導体集積回路素子と冷却部品との接合
部の拡大図である。

【図６】本発明の実施の一形態に係るマルチチップモジ
ュールの断面図である。

【符号の説明】

１０…多層配線基板 ２０…半導体集積回路素子 ２２…半導体集積回路素子のメタライズ ３０…冷却部品 ３１…冷媒流路 ３４…接合面 ３５,３８…冷却部品のメタライズ ４０…外部接続用ピン ５０,５１,５２,５３…はんだ ５３ａ,５３ｂ…むかえはんだ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三井津 健 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 (72)発明者 山下 志郎 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA05 BA10 BA24 BB01 BC06 BD01 BE09

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 前記基板に配置された複数の電子部品と、 前記複数の電子部品を挟んで前記基板に相対する接合面
   を有し、当該接合面に前記各電子部品がそれぞれはんだ
   付けされた冷却用部品とを備え、 前記接合面には、 前記基板内において隣り合っている電子部品の間に位置
   する凹部が形成されることを特徴とするマルチチップモ
   ジュール。
2. 【請求項２】基板と、 前記基板に配置された複数の電子部品と、 前記複数の電子部品を挟んで前記基板に相対する接合面
   を有し、当該接合面に前記各電子部品がそれぞれはんだ
   付けされた冷却用部品とを備え、 前記接合面には、 前記基板内において隣り合っている電子部品の間に位置
   する凹部と、 前記凹部の内部を、当該凹部の両側の電子部品の一方側
   と他方側とに仕切る壁と、 が形成されることを特徴とするマルチチップモジュー
   ル。
3. 【請求項３】請求項１または２記載のマルチチップモジ
   ュールであって、 前記複数の電子部品のなかには、 前記基板からの高さが他の電子部品と異なる１以上の電
   子部品が含まれることを特徴とするマルチチップモジュ
   ール。
4. 【請求項４】請求項１、２および３のうちのいずれか１
   項に記載のマルチチップモジュールであって、 前記冷却用部品は、前記各電子部品ごとにそれぞれ、前
   記接合面内に、 当該電子部品に対向する母材金属面と、 当該母材金属面に接した凹部壁面に設けられ、かつ、当
   該凹部壁面の縁部において当該母材金属面と分離した凹
   部内金属面と、 を有することを特徴とするマルチチップモジュール。
5. 【請求項５】基板に配置された複数の電子部品にはんだ
   付けされる、マルチチップモジュールの冷却用部品であ
   って、 前記複数の電子部品を挟んで前記基板に相対させるため
   の接合面を有し、 前記接合面には、 前記各電子部品がはんだ付けされる領域の間に位置した
   複数の凹部と、 前記各凹部の内部を、当該凹部の両側に配置される電子
   部品の一方の部品側と他方部品側とに仕切る壁と、 が形成されることを特徴とする、マルチチップモジュー
   ルの冷却用部品。
6. 【請求項６】請求項５記載の、マルチチップモジュール
   の冷却用部品であって、 前記各電子部品ごとにそれぞれ、前記接合面内に、 当該電子部品をはんだ付けするためのはんだが供給され
   る母材金属面と、 当該母材金属面に接した凹部壁面に設けられ、かつ、当
   該凹部壁面の縁部において当該母材金属面から分離した
   溝内金属面と、 を有することを特徴とする、マルチチップモジュールの
   放熱用部品。