JP2507561B2 - 半導体の冷却装置 - Google Patents
半導体の冷却装置Info
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- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
- H01L23/3733—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon having a heterogeneous or anisotropic structure, e.g. powder or fibres in a matrix, wire mesh, porous structures
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
- F28F2255/18—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes sintered
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- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体あるいは集積回路チップ、特に大型
電子計算機における大規模集積回路チップなどから発生
する熱を除去するための冷却装置に関するものである。
電子計算機における大規模集積回路チップなどから発生
する熱を除去するための冷却装置に関するものである。
大型電子計算機では処理速度の速いことが要求される
ため、近年半導体素子を大規模に集積した回路チップが
開発されている。また、その集積回路チップを互いに接
続する電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパ
ッケージに多数の集積回路チップを実装する方法が開発
されている。
ため、近年半導体素子を大規模に集積した回路チップが
開発されている。また、その集積回路チップを互いに接
続する電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパ
ッケージに多数の集積回路チップを実装する方法が開発
されている。
従来、特に大型電子計算機用集積回路チップの冷却装
置に関し種々の提案がされているが、例えば、第７図に
示すように冷却性能が優れ、組立誤差や熱変形を上下左
右に吸収できる柔構造とする半導体チップの冷却装置が
特開昭60-126853号に示されている。同装置において、
熱伝導性の良好な材料で作られたハウジング15の内面に
は、多数のプレート状のフイン16が互いに平行に設けら
れている。多層配線基板１に実装されたLSIチップ２の
背面には熱伝導体ベース17が置かれ、このベース上にも
前記フインと同ピッチでプレート状のフイン18がベース
17と一体に多数設けられている。フイン16と18とは、互
いに微小間隙19を保って嵌め合わされている。ハウジン
グ15と基板１とで囲まれた密閉空間20には、熱伝導率の
良好な気体、例えばヘリウムガスあるいは水素ガスなど
が充満されている。LSIチップ２で発生した熱は、チッ
プ背面に全面接触する熱伝導体ベース17に伝わり、ベー
ス内で一様に拡散された後、各フイン18に伝わる。そし
て微小間隙19のヘリウムガス層を介してフイン16に伝わ
り、最終的にハウジング15の上部に取り付けられた冷却
器（図示せず）により運び去られる。
置に関し種々の提案がされているが、例えば、第７図に
示すように冷却性能が優れ、組立誤差や熱変形を上下左
右に吸収できる柔構造とする半導体チップの冷却装置が
特開昭60-126853号に示されている。同装置において、
熱伝導性の良好な材料で作られたハウジング15の内面に
は、多数のプレート状のフイン16が互いに平行に設けら
れている。多層配線基板１に実装されたLSIチップ２の
背面には熱伝導体ベース17が置かれ、このベース上にも
前記フインと同ピッチでプレート状のフイン18がベース
17と一体に多数設けられている。フイン16と18とは、互
いに微小間隙19を保って嵌め合わされている。ハウジン
グ15と基板１とで囲まれた密閉空間20には、熱伝導率の
良好な気体、例えばヘリウムガスあるいは水素ガスなど
が充満されている。LSIチップ２で発生した熱は、チッ
プ背面に全面接触する熱伝導体ベース17に伝わり、ベー
ス内で一様に拡散された後、各フイン18に伝わる。そし
て微小間隙19のヘリウムガス層を介してフイン16に伝わ
り、最終的にハウジング15の上部に取り付けられた冷却
器（図示せず）により運び去られる。
なお、上記冷却構造の基板１は、高密度の多層電気配
線を内蔵するためアルミナなどセラミックス材から出来
ており、そして、ハウジング15も基板との熱膨張率の整
合性、高熱伝導性及び電気絶縁性などを考慮して、例え
ばSiCあるいはAlNなどセラミックス材で構成される。
線を内蔵するためアルミナなどセラミックス材から出来
ており、そして、ハウジング15も基板との熱膨張率の整
合性、高熱伝導性及び電気絶縁性などを考慮して、例え
ばSiCあるいはAlNなどセラミックス材で構成される。
しかし、上記従来冷却構造は、多数のフインを有する
微細構造であり、しかもSiCやAlNのような加工性の悪い
材料を用いるので、工業的に量産するには、冷却性能が
優れていてもコスト上他の冷却方式と競合できないなど
生産技術上大きな問題があった。
微細構造であり、しかもSiCやAlNのような加工性の悪い
材料を用いるので、工業的に量産するには、冷却性能が
優れていてもコスト上他の冷却方式と競合できないなど
生産技術上大きな問題があった。
更に、大型電子計算機など高速処理が要求される半導
体電子回路では、回路の動作温度によって回路の出力レ
ベルが異なるので、各LSIチップの温度は、所定の温度
差以内に収める必要がある。また、マイクロパッケージ
に実装される多数のLSIチップは、電子計算機の論理設
計上すべて発熱量が同じになるように使用されているわ
けではない。一方、上記冷却構造のフインは、形状、枚
数、材質などが同じ様に構成されるなら、互いに嵌め合
ったフインの冷却性能も同じになる。したがって、従来
の冷却構造において、各々発熱量が異なるLSIチップの
温度を所定温度範囲内に収めるには、フインの形状、枚
数を各々変えなれればならない。この点、工業的に量産
するにはコスト上大きな問題があった。
体電子回路では、回路の動作温度によって回路の出力レ
ベルが異なるので、各LSIチップの温度は、所定の温度
差以内に収める必要がある。また、マイクロパッケージ
に実装される多数のLSIチップは、電子計算機の論理設
計上すべて発熱量が同じになるように使用されているわ
けではない。一方、上記冷却構造のフインは、形状、枚
数、材質などが同じ様に構成されるなら、互いに嵌め合
ったフインの冷却性能も同じになる。したがって、従来
の冷却構造において、各々発熱量が異なるLSIチップの
温度を所定温度範囲内に収めるには、フインの形状、枚
数を各々変えなれればならない。この点、工業的に量産
するにはコスト上大きな問題があった。
本発明は、工業的に低コストで生産し、かつ冷却構造
のフイン形状、枚数などを同じにしながらLSIチップの
発熱量に適合した伝熱性能を有する半導体チップの冷却
装置を提供することを目的とする。
のフイン形状、枚数などを同じにしながらLSIチップの
発熱量に適合した伝熱性能を有する半導体チップの冷却
装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、１個ないし多数の半導体
チップあるいは半導体パッケージから熱伝導冷却素子を
介して冷却体に半導体の発生熱を伝える冷却構造におい
て、熱伝導冷却素子あるいは冷却体に、熱伝導率が２次
元面方向に著しく高く、２次元面と垂直方向には熱伝導
率が低いという熱伝導の異方性を示し、かつ熱伝導率が
等方性のAlNに比べて切削、研削、研磨などに優れた加
工性を示すAlNとBNとの複合焼結材を用いることに特徴
がある。
チップあるいは半導体パッケージから熱伝導冷却素子を
介して冷却体に半導体の発生熱を伝える冷却構造におい
て、熱伝導冷却素子あるいは冷却体に、熱伝導率が２次
元面方向に著しく高く、２次元面と垂直方向には熱伝導
率が低いという熱伝導の異方性を示し、かつ熱伝導率が
等方性のAlNに比べて切削、研削、研磨などに優れた加
工性を示すAlNとBNとの複合焼結材を用いることに特徴
がある。
また、熱伝導冷却素子を半導体チップ上に取付けて
も、半導体チップの温度分布を出来るだけ一様にするた
めに、熱伝導冷却素子は、半導体チップに接触する部分
を高熱伝導率である等方性のセラミックス（例えばAl
N）で、その他の部分を熱伝導率異方性のAlNとBNの複合
焼結材で構成したことも特徴を有する。
も、半導体チップの温度分布を出来るだけ一様にするた
めに、熱伝導冷却素子は、半導体チップに接触する部分
を高熱伝導率である等方性のセラミックス（例えばAl
N）で、その他の部分を熱伝導率異方性のAlNとBNの複合
焼結材で構成したことも特徴を有する。
さらに、例えば半導体チップのハウジングとなる冷却
体に、水あるいは空気で冷却する外部冷却器を取り付た
場合でも、冷却体の温度分布を均一にし、外部冷却器と
冷却体との熱抵抗を小さくするために、冷却体は、外部
冷却器と接触する部分に高熱伝導率である等方性のセラ
ミックス（例えばAlN）をその他の部分に熱伝導率異方
性のAlNとBNとの複合焼結材で構成した点にも特徴を有
する。
体に、水あるいは空気で冷却する外部冷却器を取り付た
場合でも、冷却体の温度分布を均一にし、外部冷却器と
冷却体との熱抵抗を小さくするために、冷却体は、外部
冷却器と接触する部分に高熱伝導率である等方性のセラ
ミックス（例えばAlN）をその他の部分に熱伝導率異方
性のAlNとBNとの複合焼結材で構成した点にも特徴を有
する。
上記のように冷却構造体の外壁表層の一部、あるいは
すべてを例えばAlNとすると、AlN-BN焼結体に比べて接
続上極めて重要なメタライズを施すことが容易となるこ
とも大きな利点である。
すべてを例えばAlNとすると、AlN-BN焼結体に比べて接
続上極めて重要なメタライズを施すことが容易となるこ
とも大きな利点である。
また逆に冷却構造体の外壁表層にBN層を設けるなら
ば、AlNに比し水に犯されにくくなることが利点として
挙げられる。
ば、AlNに比し水に犯されにくくなることが利点として
挙げられる。
このようにAlN-BN複合焼結体、ならびに層構成要素が
AlNであったり、あるいはBNであったりする複合焼結体
はホットプレス成形によって容易に生産することが出来
る。
AlNであったり、あるいはBNであったりする複合焼結体
はホットプレス成形によって容易に生産することが出来
る。
AlN-BNの割合は、如何ようにも選択できるが、現在得
られているデータをみて、熱膨張率の異方性が少ないこ
とを一つの選定基準にするならばBN30％が好ましく、こ
の点では通常得られる熱伝導率160W/mKのAlNに比べ、熱
伝導率は二次元面で180W/mK、それに直行する面で40と
することが出来、この値では熱抵抗上差のない構成を与
えることが可能である。特に熱伝導率のすぐれた配合比
はBN50％付近にあり、この点であれば熱抵抗は上記AlN
に比して著しく下げることが可能となる。
られているデータをみて、熱膨張率の異方性が少ないこ
とを一つの選定基準にするならばBN30％が好ましく、こ
の点では通常得られる熱伝導率160W/mKのAlNに比べ、熱
伝導率は二次元面で180W/mK、それに直行する面で40と
することが出来、この値では熱抵抗上差のない構成を与
えることが可能である。特に熱伝導率のすぐれた配合比
はBN50％付近にあり、この点であれば熱抵抗は上記AlN
に比して著しく下げることが可能となる。
熱伝導冷却素子あるいは冷却体に熱伝導率の異方性を
示すAlN-BN複合焼結材を用いる場合には、熱伝導冷却素
子から冷却体に半導体チップの発生熱を伝える熱流方向
に、AlN-BN複合焼結材の熱伝導率の最も高い２次元平面
を平行に、あるいは傾斜させたり、あるいは直角に設置
すれば、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の伝熱性能につ
いて、上限値から下限値までの間で任意に、変更可能で
ある。それによって、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の
構造を同じように作っても、各LSIチップの発熱量に適
合した伝熱性能を持つ冷却装置が、低コストに量産でき
る。
示すAlN-BN複合焼結材を用いる場合には、熱伝導冷却素
子から冷却体に半導体チップの発生熱を伝える熱流方向
に、AlN-BN複合焼結材の熱伝導率の最も高い２次元平面
を平行に、あるいは傾斜させたり、あるいは直角に設置
すれば、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の伝熱性能につ
いて、上限値から下限値までの間で任意に、変更可能で
ある。それによって、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の
構造を同じように作っても、各LSIチップの発熱量に適
合した伝熱性能を持つ冷却装置が、低コストに量産でき
る。
更に、AlN-BN複合焼結材のビッカース硬度は従来の熱
伝導等方性のAlNに比べ、約1/5以下になることから、Al
N-BN材の加工性は著しく向上する。それによって、熱伝
導冷却素子あるいは冷却体は、容易に加工することがで
きる。特に、微細寸法形状をした多数の平行フイン構造
の熱伝導冷却素子及び冷却体は、工業上、低コストで量
産することができる。
伝導等方性のAlNに比べ、約1/5以下になることから、Al
N-BN材の加工性は著しく向上する。それによって、熱伝
導冷却素子あるいは冷却体は、容易に加工することがで
きる。特に、微細寸法形状をした多数の平行フイン構造
の熱伝導冷却素子及び冷却体は、工業上、低コストで量
産することができる。
次に本発明に使用するAlN-BN系焼結体に薄刃砥石で溝
加工を施した場合の加工性について詳細に説明する。
加工を施した場合の加工性について詳細に説明する。
表１は厚さ0.6mmで粒度＃200のダイヤモンド砥石によ
り深さ4mmの溝加工を行なった時の研削抵抗の値を従来
のAlNの加工との比較において示したものである。本発
明におけるAlN-BN系焼結体は従来のAlNに比べて法線方
向研削抵抗にして約1/3,接続方向研削抵抗にして約1/5
であり、極めて加工性が良いことがわかる。この結果、
砥石の摩耗に対する寿命も従来のものにくらべて著しく
長くなり、量産加工に対して極めて有利になる。
り深さ4mmの溝加工を行なった時の研削抵抗の値を従来
のAlNの加工との比較において示したものである。本発
明におけるAlN-BN系焼結体は従来のAlNに比べて法線方
向研削抵抗にして約1/3,接続方向研削抵抗にして約1/5
であり、極めて加工性が良いことがわかる。この結果、
砥石の摩耗に対する寿命も従来のものにくらべて著しく
長くなり、量産加工に対して極めて有利になる。
また、熱伝導冷却素子あるいは冷却体の一部に熱伝導
等方性のセラミックスを、熱伝導異方性のAlN-BN材上に
設ければ、熱伝導等方性のセラミックスによって、均等
に熱流を拡げることができる。それによって、半導体チ
ップの温度分布を効率よく均一にするよう動作させるこ
とができる。更に、冷却体では、外部冷却器との熱移動
の熱抵抗を小さくすることができるなどの性能を高めな
がら、低コストの半導体の冷却構造を量産することがで
きる。
等方性のセラミックスを、熱伝導異方性のAlN-BN材上に
設ければ、熱伝導等方性のセラミックスによって、均等
に熱流を拡げることができる。それによって、半導体チ
ップの温度分布を効率よく均一にするよう動作させるこ
とができる。更に、冷却体では、外部冷却器との熱移動
の熱抵抗を小さくすることができるなどの性能を高めな
がら、低コストの半導体の冷却構造を量産することがで
きる。
以下、本発明の一実施例を第１図と第２図を用いて説
明する。
明する。
第１図において、セラミックス製の電気配線基板１の
上に多数のLSIチップ２が実装され、LSIチップ２と外部
冷却器５によって冷却される冷却体４との間に熱伝導冷
却素子３が組み込まれている。LSIチップ２から発生し
た熱は、熱伝導冷却素子3,冷却体４を矢印６の方向に流
れ、最終的に外部冷却器５から運び去られる。
上に多数のLSIチップ２が実装され、LSIチップ２と外部
冷却器５によって冷却される冷却体４との間に熱伝導冷
却素子３が組み込まれている。LSIチップ２から発生し
た熱は、熱伝導冷却素子3,冷却体４を矢印６の方向に流
れ、最終的に外部冷却器５から運び去られる。
熱伝導冷却素子３は、AlNとBNとの複合焼結体で作ら
れている。AlNとBNとの複合焼結体を第２図に示すよう
に、単位立方体で表わすと、ｘ−ｚ軸で示される２次元
面方向の熱伝導率（λx,λｚ）は著しく高く、上記２次
元面と直行するｙ方向の熱伝導率（λｙ）が著しく低い
特徴をもっている。このAlNとBNとの複合焼結体の熱伝
導率の高い２次元面方向をLSIチップの熱流方向を示す
第１図の矢印６の方向に対して平行となるように、熱伝
導冷却素子３を構成することにより、熱伝導冷却素子３
の伝熱性能を最も大きくすることができる。逆に矢印６
と直行する方向に配置すれば、伝熱性能は、最も小さく
なる。なお、上記２次元面を矢印６と傾斜角度をもって
構成すれば、熱伝導冷却素子は、最大の伝熱性能から最
小の伝熱性能に至る中間の伝熱性能を設定することがで
きる。
れている。AlNとBNとの複合焼結体を第２図に示すよう
に、単位立方体で表わすと、ｘ−ｚ軸で示される２次元
面方向の熱伝導率（λx,λｚ）は著しく高く、上記２次
元面と直行するｙ方向の熱伝導率（λｙ）が著しく低い
特徴をもっている。このAlNとBNとの複合焼結体の熱伝
導率の高い２次元面方向をLSIチップの熱流方向を示す
第１図の矢印６の方向に対して平行となるように、熱伝
導冷却素子３を構成することにより、熱伝導冷却素子３
の伝熱性能を最も大きくすることができる。逆に矢印６
と直行する方向に配置すれば、伝熱性能は、最も小さく
なる。なお、上記２次元面を矢印６と傾斜角度をもって
構成すれば、熱伝導冷却素子は、最大の伝熱性能から最
小の伝熱性能に至る中間の伝熱性能を設定することがで
きる。
上記のように熱伝導冷却素子あるいは冷却体がAlN-BN
複合焼結体であり、しかも熱伝導率の高い２次元面方向
をLSIチップの熱流方向に対し、平行から直角まで角度
をもって設定することによって、基板に実装された多数
のLSIチップの発熱量が個々に異なっても、各LSIチップ
に対応する熱伝導冷却素子の伝熱性能を変更でき、LSI
チップの温度をほぼ一様にそろえることができる。
複合焼結体であり、しかも熱伝導率の高い２次元面方向
をLSIチップの熱流方向に対し、平行から直角まで角度
をもって設定することによって、基板に実装された多数
のLSIチップの発熱量が個々に異なっても、各LSIチップ
に対応する熱伝導冷却素子の伝熱性能を変更でき、LSI
チップの温度をほぼ一様にそろえることができる。
また、通常のAlNのビッカース硬度が約1000kgf/mm2に
対し、AlN-BN複合焼結材は、AlNの1/5以下にすることが
できるから、加工性を著しく向上できるので、熱伝導冷
却素子に対して低コストで容易に切削，研削，研磨など
の加工を行なうことができる。
対し、AlN-BN複合焼結材は、AlNの1/5以下にすることが
できるから、加工性を著しく向上できるので、熱伝導冷
却素子に対して低コストで容易に切削，研削，研磨など
の加工を行なうことができる。
更に、AlN-BN複合焼結体の熱膨張率は約４×106（1/
℃）程度であるので、セラミックス基板とLSIチップな
どとの熱膨張の整合がとれ、熱歪を著しく小さく出来
る。このため、半導体チップの冷却装置の信頼性を高め
ることができる。
℃）程度であるので、セラミックス基板とLSIチップな
どとの熱膨張の整合がとれ、熱歪を著しく小さく出来
る。このため、半導体チップの冷却装置の信頼性を高め
ることができる。
第３図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子の伝熱性
能を著しく高め、かつ冷却部品の加工公差や組立誤差及
びLSIチップの発熱による熱応力を緩和するために柔構
造としたものである。
能を著しく高め、かつ冷却部品の加工公差や組立誤差及
びLSIチップの発熱による熱応力を緩和するために柔構
造としたものである。
すなわち、熱伝導冷却素子は、LSIチップ２に接触す
る面をベース６とし、その上に多数の薄板状の第１のフ
イン７が互いに平行に、かつベースと一体に設けられて
いる。一方、冷却体４は、基板１上に実装したLSIチッ
プ２をおおうように封止するハウジング８である。この
ハウジング８の内面には、前記第１のフイン７と同ピッ
チの薄板状の第２のフイン９が設けられている。これら
第１のフイン７と第２のフイン９は互いに微小間隙を保
って嵌め合わされている。熱伝導冷却素子３は、LSIチ
ップ２に対し必要以上の荷重を加えることのないばね力
で接触し、かつバネ10がLSIチップ２に対する熱伝導冷
却素子３の位置決めを行っている。第１のフイン７とベ
ース６から構成される熱伝導冷却素子３、あるいはハウ
ジング８と第２のフイン９とから構成される冷却体４
は、第１図の実施例と同様にAlNとBNとの複合焼結体か
ら出来ており、その構成も同じであるので、その説明は
省略する。
る面をベース６とし、その上に多数の薄板状の第１のフ
イン７が互いに平行に、かつベースと一体に設けられて
いる。一方、冷却体４は、基板１上に実装したLSIチッ
プ２をおおうように封止するハウジング８である。この
ハウジング８の内面には、前記第１のフイン７と同ピッ
チの薄板状の第２のフイン９が設けられている。これら
第１のフイン７と第２のフイン９は互いに微小間隙を保
って嵌め合わされている。熱伝導冷却素子３は、LSIチ
ップ２に対し必要以上の荷重を加えることのないばね力
で接触し、かつバネ10がLSIチップ２に対する熱伝導冷
却素子３の位置決めを行っている。第１のフイン７とベ
ース６から構成される熱伝導冷却素子３、あるいはハウ
ジング８と第２のフイン９とから構成される冷却体４
は、第１図の実施例と同様にAlNとBNとの複合焼結体か
ら出来ており、その構成も同じであるので、その説明は
省略する。
第３図の実施例では、特に熱伝導冷却素子と冷却体の
伝熱性能を高めるため、第１と第２のフイン7,9が非常
に薄く、その枚数が非常に多い構成となっている。しか
し、AlN-BN複合焼結体を用いることにより、LSIチップ
の温度を制御出来ることはもちろん、複雑な構造でも容
易に加工できる。特に、多数のフインを同時に加工する
際、高価なダイヤモンド砥石を多数使用せず、安価なア
ルミナ砥石を用い、砥石寿命を長くすることができる効
果がある。その理由は、AlN-BN複合焼結体の硬度が通常
のAlNと比べて1/5以下であるためである。また、フイン
の加工精度も高めることができるので、上記実施例で
は、高い伝熱性能を有する冷却構造を工業的に低コスト
で量産することができる効果もある。
伝熱性能を高めるため、第１と第２のフイン7,9が非常
に薄く、その枚数が非常に多い構成となっている。しか
し、AlN-BN複合焼結体を用いることにより、LSIチップ
の温度を制御出来ることはもちろん、複雑な構造でも容
易に加工できる。特に、多数のフインを同時に加工する
際、高価なダイヤモンド砥石を多数使用せず、安価なア
ルミナ砥石を用い、砥石寿命を長くすることができる効
果がある。その理由は、AlN-BN複合焼結体の硬度が通常
のAlNと比べて1/5以下であるためである。また、フイン
の加工精度も高めることができるので、上記実施例で
は、高い伝熱性能を有する冷却構造を工業的に低コスト
で量産することができる効果もある。
第４図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子のベース
６上に高熱伝導であり等方性のセラミック材（例えばAl
N）の熱拡散板11を接合したもので、その他の点は、上
記実施例と同じである。このように構成すると、熱伝導
冷却素子の熱伝導率異方性の影響がLSIチップに直接及
ばず熱拡散板11によって緩和されるので、LSIチップ内
の温度分布がほぼ一様になる効果がある。
６上に高熱伝導であり等方性のセラミック材（例えばAl
N）の熱拡散板11を接合したもので、その他の点は、上
記実施例と同じである。このように構成すると、熱伝導
冷却素子の熱伝導率異方性の影響がLSIチップに直接及
ばず熱拡散板11によって緩和されるので、LSIチップ内
の温度分布がほぼ一様になる効果がある。
更に、第５図に示す他の実施例は、熱伝導冷却素子の
ベースをすべて高熱伝導であり等方性のセラミック材か
らなる熱拡散ベース12とし、この上に直接AlN-BN複合焼
結材の薄板状の平行フイン13を多数接合したものであ
る。この場合、一段とLSIチップ内の温度分布を均一化
できると共に、熱拡散ベース12内の熱移動が良好になる
ので、各フイン13への熱分配を改善できる。
ベースをすべて高熱伝導であり等方性のセラミック材か
らなる熱拡散ベース12とし、この上に直接AlN-BN複合焼
結材の薄板状の平行フイン13を多数接合したものであ
る。この場合、一段とLSIチップ内の温度分布を均一化
できると共に、熱拡散ベース12内の熱移動が良好になる
ので、各フイン13への熱分配を改善できる。
第６図に示す他の実施例は、冷却体がLSIチップ３を
含むハウジング８で、熱伝導冷却素子がLSIチップ３の
背面及びハウジング８の内面に装着したベース６、14上
に複数の板上フイン7,9を設けた２組の冷却部材から成
り、フイン7,9が互いに微小間隙を保って嵌め合わされ
ている。前記ベース６は、ばね10からの力によってLSI
チップ３の伝熱面に接触し、ベース14はハウジング内面
に半田あるいはロー材などによって固着されている。な
お、ベース14も、ベース６と同様に単に接触するだけで
もよい。そして、２組のフイン7,9が嵌め合わされた熱
伝導冷却素子は、共にAlN-BN複合焼結体から構成されて
いる。
含むハウジング８で、熱伝導冷却素子がLSIチップ３の
背面及びハウジング８の内面に装着したベース６、14上
に複数の板上フイン7,9を設けた２組の冷却部材から成
り、フイン7,9が互いに微小間隙を保って嵌め合わされ
ている。前記ベース６は、ばね10からの力によってLSI
チップ３の伝熱面に接触し、ベース14はハウジング内面
に半田あるいはロー材などによって固着されている。な
お、ベース14も、ベース６と同様に単に接触するだけで
もよい。そして、２組のフイン7,9が嵌め合わされた熱
伝導冷却素子は、共にAlN-BN複合焼結体から構成されて
いる。
このように構成されていると、２組のフインとベース
は、共に熱膨張率が等しいので、前記微小間隙が変化す
ることがない。このため、熱伝導冷却素子の伝熱性能が
安定する効果がある。特に、本実施例では、２組のフイ
ン7,9は、同一加工条件で工業的に低コストで量産する
ことが出来るので、この効果は大きい。更に、ハウジン
グ８の材料は熱伝導冷却素子と同じにする必要がないの
で、ハウジングに適したものを自由に選定できる効果が
ある。
は、共に熱膨張率が等しいので、前記微小間隙が変化す
ることがない。このため、熱伝導冷却素子の伝熱性能が
安定する効果がある。特に、本実施例では、２組のフイ
ン7,9は、同一加工条件で工業的に低コストで量産する
ことが出来るので、この効果は大きい。更に、ハウジン
グ８の材料は熱伝導冷却素子と同じにする必要がないの
で、ハウジングに適したものを自由に選定できる効果が
ある。
本発明は、LSIチップ及び熱伝導冷却素子に限った実
施例で説明したが、上述の実施例に限るものではなく、
半導体パッケージ，集積回路パッケージなど各種の半導
体発熱体にも同様に適用できる。
施例で説明したが、上述の実施例に限るものではなく、
半導体パッケージ，集積回路パッケージなど各種の半導
体発熱体にも同様に適用できる。
本発明で用いるBN-AlN系焼結体は、BNとAlNの組成比
によって熱伝導率などの諸物性値が異なる。本発明に係
る半導体の冷却装置に好適に用いられる素材としては、
BNが50〜20重量％、AlNが50〜80重量％の組成である。B
Nが50重量％を越える組成においては焼結体は比較的高
熱伝導率ではあるものの、曲げ強さがあまり大きくな
く、また熱膨張係数の異方性が大きいため、またAlNが8
0重量％を超える組成においては焼結体の切削加工性が
劣るため本発明の放熱用部品の素材としては適さない。
によって熱伝導率などの諸物性値が異なる。本発明に係
る半導体の冷却装置に好適に用いられる素材としては、
BNが50〜20重量％、AlNが50〜80重量％の組成である。B
Nが50重量％を越える組成においては焼結体は比較的高
熱伝導率ではあるものの、曲げ強さがあまり大きくな
く、また熱膨張係数の異方性が大きいため、またAlNが8
0重量％を超える組成においては焼結体の切削加工性が
劣るため本発明の放熱用部品の素材としては適さない。
以下に本発明に係るAlN-BN焼結体を好適に製造し得る
方法の一例について述べる。平均粒径１μｍ以上の六方
晶BN粉末と平均粒径２μｍ程度のAlN粉末を所定の組成
比となるように配合し、さらに炭化カルシウム，酸化イ
ツトリウム等を焼結助剤として0.2〜５重量部程度配合
する。この混合粉末を窒素ガス気流中で1800℃で２時間
程度,40MPa程度の圧力でホットプレス焼結を行なう。こ
のようにして得られた焼結体は、ホットプレス圧力軸と
平行な軸方向が熱伝導率の低い方向となる。その点を考
慮して、上述したようにフインの配置の仕方を変更し
て、熱伝導率を調整できる。
方法の一例について述べる。平均粒径１μｍ以上の六方
晶BN粉末と平均粒径２μｍ程度のAlN粉末を所定の組成
比となるように配合し、さらに炭化カルシウム，酸化イ
ツトリウム等を焼結助剤として0.2〜５重量部程度配合
する。この混合粉末を窒素ガス気流中で1800℃で２時間
程度,40MPa程度の圧力でホットプレス焼結を行なう。こ
のようにして得られた焼結体は、ホットプレス圧力軸と
平行な軸方向が熱伝導率の低い方向となる。その点を考
慮して、上述したようにフインの配置の仕方を変更し
て、熱伝導率を調整できる。
本発明によれば、ビッカース硬度が通常のAlNの1/5以
下で、２次元平面方向には等熱伝導性のAlNより熱伝導
率が高く、これと直行する方向には熱伝導率の低い熱伝
導率異方性の性質を有するAlN-BN複合焼結材を用いるこ
とにより、形状，寸法などが同じであつても、LSIチッ
プの発熱量に応じた伝熱性能を持つ半導体チップの冷却
装置を、工業的に低コストに量産加工することができ
る。
下で、２次元平面方向には等熱伝導性のAlNより熱伝導
率が高く、これと直行する方向には熱伝導率の低い熱伝
導率異方性の性質を有するAlN-BN複合焼結材を用いるこ
とにより、形状，寸法などが同じであつても、LSIチッ
プの発熱量に応じた伝熱性能を持つ半導体チップの冷却
装置を、工業的に低コストに量産加工することができ
る。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体の冷却装置の縦
断面図、第２図は本発明の半導体の冷却装置に用いるAl
N-BN複合焼結体の熱伝導率異方性を示す単位立方体、第
３図は本発明の他の実施例の斜視図、第４図及び第５図
は本発明に係わる熱伝導冷却素子の他の実施例を示す斜
視図、第６図は本発明の他の実施例の斜視図、第７図は
従来の半導体チップの冷却装置の斜視図である。 １……基板、２……LSIチップ、３……熱伝導冷却素
子、４……冷却体、５……外部冷却体、6,14,17……ベ
ース、7,9,13,16,18……フイン、8,15……ハウジング、
10……ばね、11,12……熱拡散板、19……微小間隙、20
……空間、21……ピン。
断面図、第２図は本発明の半導体の冷却装置に用いるAl
N-BN複合焼結体の熱伝導率異方性を示す単位立方体、第
３図は本発明の他の実施例の斜視図、第４図及び第５図
は本発明に係わる熱伝導冷却素子の他の実施例を示す斜
視図、第６図は本発明の他の実施例の斜視図、第７図は
従来の半導体チップの冷却装置の斜視図である。 １……基板、２……LSIチップ、３……熱伝導冷却素
子、４……冷却体、５……外部冷却体、6,14,17……ベ
ース、7,9,13,16,18……フイン、8,15……ハウジング、
10……ばね、11,12……熱拡散板、19……微小間隙、20
……空間、21……ピン。
フロントページの続き (72)発明者 大黒 崇弘 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 木枝 茂和 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 小林 二三幸 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社 日立製作所神奈川工場内 (72)発明者 頭士 鎖夫 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社 日立製作所神奈川工場内
Claims (6)
- 【請求項１】半導体素子から熱伝導冷却素子を介して半
導体素子からの発生熱を冷却体へ伝える半導体の冷却装
置において、該熱伝導冷却素子あるいは該冷却体のうち
少なくとも一方に、熱伝導率が二次元面に高く、該二次
元面と垂直の方向に低い熱伝導率を示し、かつ切削、研
削、若しくは研磨などの加工性に優れたAlNとBNとを複
合焼結したセラミック材を用いたことを特徴とする半導
体の冷却装置。 - 【請求項２】請求項１記載の半動体の冷却装置におい
て、該熱伝導冷却素子と冷却体を、ベースと一体に及び
ほぼ平行に配列された複数の板状のフインを互いに微小
間隙を保って嵌め合わされる冷却部材とすることを特徴
とする半導体の冷却装置。 - 【請求項３】請求項１若しくは２記載の半導体の冷却装
置において、該冷却体が半導体パッケージのハウジング
とし、ハウジング内部に、高熱伝導性流体を封止したこ
とを特徴とする半導体の冷却装置。 - 【請求項４】請求項１記載の半導体の冷却装置におい
て、冷却体は半導体チップあるいは半導体パッケージを
おおうハウジングとし、ハウジング内部に高熱伝導性流
体を封止し、熱伝導冷却素子はベースと、前記ベース上
にほぼ一体に形成された複数の板状フインとからなる２
組の冷却フインを、互いに微小間隙を保って嵌め合わさ
れる冷却部材とし、前記ベースの一方は半導体チップあ
るいは半導体パッケージ表面に、他方のベースはハウジ
ング内面に、ばね力による接触あるいは接合材による固
着などによって装着されることを特徴とする半導体の冷
却装置。 - 【請求項５】請求項２記載の半導体の冷却装置におい
て、該熱伝導冷却素子あるいは該冷却体のうち少なくと
も一方のベースに熱伝導率の等方性のセラミック製熱拡
散板を接合したことを特徴とする半導体の冷却装置。 - 【請求項６】熱伝導冷却素子と冷却体とがベース及び前
記ベースと一体にかつほぼ平行に配列された複数の板状
のフインとから成り、前記フインが互いに微小間隙を保
って嵌め合い、前記熱伝導冷却素子を介して半導体チッ
プあるいは半導体パッケージから前記冷却体へ半導体の
発生熱を伝える半導体の冷却装置であって、 該ベースは、熱伝導率が等方性でかつ高熱伝導性のセラ
ミックを用い、前記フインは熱伝導率異方性のAlNとBN
との複合焼結材を用い、前記ベースと前記フインが互い
に接合されていることを特徴とする半導体の冷却装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63261471A JP2507561B2 (ja) | 1988-10-19 | 1988-10-19 | 半導体の冷却装置 |
| DE3934784A DE3934784C2 (de) | 1988-10-19 | 1989-10-18 | Kühlanordnung für eine Halbleiteranordnung und Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Verbundmaterials für eine Halbleiter-Kühlanordnung |
| US07/423,386 US5133403A (en) | 1988-10-19 | 1989-10-19 | Cooling arrangement for semiconductor devices and method of making the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63261471A JP2507561B2 (ja) | 1988-10-19 | 1988-10-19 | 半導体の冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02109354A JPH02109354A (ja) | 1990-04-23 |
| JP2507561B2 true JP2507561B2 (ja) | 1996-06-12 |
Family
ID=17362366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63261471A Expired - Lifetime JP2507561B2 (ja) | 1988-10-19 | 1988-10-19 | 半導体の冷却装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5133403A (ja) |
| JP (1) | JP2507561B2 (ja) |
| DE (1) | DE3934784C2 (ja) |
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1988
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-
1989
- 1989-10-18 DE DE3934784A patent/DE3934784C2/de not_active Expired - Lifetime
- 1989-10-19 US US07/423,386 patent/US5133403A/en not_active Expired - Lifetime
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