JP3241639B2 - マルチチップモジュールの冷却構造およびその製造方法 - Google Patents

マルチチップモジュールの冷却構造およびその製造方法

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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
ュールの冷却構造およびその製造方法に関し、特にマル
チチップモジュールに搭載された複数の集積回路装置を
１つのヒートシンクにより冷却するマルチチップモジュ
ールの冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来この種のマルチチップモジュールの
冷却構造では、マルチチップモジュールの基板に搭載さ
れた複数のLarge Scale Integration（ＬＳＩ）の各々
の放熱面のそれぞれを１つのヒートシンクに当接させて
各ＬＳＩからの発熱を放熱させていた。しかしながら、
複数のＬＳＩは規格が異なっていることがあるため、ま
たは、各ＬＳＩの規格が同一であっても各ＬＳＩが基板
に搭載されたときの製造誤差のためや基板自体の反り等
のため各ＬＳＩの実装高さは均一ではなくばらついてお
り、各ＬＳＩの上面の傾きもそれぞれ異なっている。各
ＬＳＩの実装高さのばらつきは、たいていの場合、０．
５ミリメートル程度に達する。各ＬＳＩの実装高さや傾
きのばらつきにより放熱面の高さや傾きがばらついてい
るため、放熱面がヒートシンクと当接できないＬＳＩが
存在してしまい、この結果、該ＬＳＩが放熱されないと
いう問題が生じる。
【０００３】この問題を解決するため、各ＬＳＩの放熱
面とヒートシンクの下面との間隙に柔軟性を有する伝熱
シートを設け、上記放熱面の高さや傾きのばらつきを吸
収する技術が用いられている（以下、従来技術１とい
う）。
【０００４】また、特公昭６２−５９８８７号公報には
各ＬＳＩの放熱面とヒートシンクの下面との間隙に熱伝
導性が良好な接着剤をそれぞれ設け、同様に、上記放熱
面の高さや傾きのばらつきを吸収させるようにした技術
が開示されている（以下、従来技術２という）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術１およ
び２は、マルチチップモジュールに搭載された各ＬＳＩ
の発熱量が大きい場合には適用することができないとい
う問題がある。
【０００６】従来技術１および２において用いられる伝
熱シートや熱伝導性接着剤はアルミナフィラ等のような
熱伝導性粒子を含む。発熱量が大きいＬＳＩの放熱のた
め、該熱伝導性粒子の数を増加させ熱伝導率を大きくす
ると、伝熱シートや硬化前の熱伝導性接着剤の柔軟性が
損なわれてしまう。熱伝導性粒子の密度が大きくなって
しまうためである。柔軟性が損なわれると、放熱面の実
装高さのばらつきを吸収するため放熱面に過度な応力を
加えざるをえなくなってしまう。すなわち、伝熱シート
や硬化前の熱伝導性接着剤は十分な柔軟性が必要であ
り、熱伝導性粒子の数は増やすことができないため、こ
れらの熱伝導率はたかだか１Ｗ／ｍ・Ｋ程度が限界であ
る。このように、上述の従来技術１および２の伝熱シー
トや熱伝導性接着剤では熱抵抗を小さくすることができ
ない。
【０００７】本発明の目的は、マルチチップモジュール
の複数のＬＳＩの各々の放熱面の高さや傾きのばらつき
を良好に吸収できるマルチチップモジュールの冷却構造
を提供することにある。
【０００８】また、本発明の他の目的は、マルチチップ
モジュールの複数のＬＳＩの各々の放熱面から１つのヒ
ートシンクへの熱伝導特性を向上させることができるマ
ルチチップモジュールの冷却構造を提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のマルチチップモ
ジュールの冷却構造の製造方法は、複数の集積回路装置
が設けられたマルチチップモジュールと、凹部を有し前
記マルチチップモジュールの上部に設けられるヒートシ
ンクと、前記マルチチップモジュールおよび前記ヒート
シンクを熱的に結合する熱伝導ブロックと、この熱伝導
ブロックおよび前記集積回路装置の間に設けられるサー
マルコンパウンドと、前記ヒートシンクの凹部と前記熱
伝導ブロックとの間に設けられる低融点金属とを含むマ
ルチチップモジュールの冷却構造の製造方法であって、
前記ヒートシンクを前記凹部が設けられた面が上向きと
なるように位置づけ、該凹部に前記低融点金属を設ける
ステップと、前記低融点金属を溶融させ前記熱伝導ブロ
ックを前記凹部に挿入するステップと、前記熱伝導ブロ
ックの上に断熱シートを載せ、該断熱シートの上にマル
チチップモジュールを載せるステップと、前記低融点金
属を凝固させ前記マルチチップモジュールと前記断熱シ
ートとを除去するステップと、前記熱伝導ブロックの上
に前記サーマルコンパウンドを載せ、該サーマルコンパ
ウンドおよび前記マルチチップモジュールの前記集積回
路装置を接続するステップとを含む。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【発明の実施の形態】次に本発明のマルチチップモジュ
ールの冷却構造の実施の形態について図面を参照して詳
細に説明する。
【００２０】図１を参照すると、本発明のマルチチップ
モジュールの冷却構造の第一の実施の形態は、マルチチ
ップモジュール１００と、ヒートシンク２００と、熱伝
導ブロック３００とを含む。
【００２１】マルチチップモジュール１００は、基板１
１０と、複数のＬＳＩ１２０とを含む。基板１１０はセ
ラミック基板やプリント基板等により構成される。複数
のＬＳＩ１２０は基板１１０の上面に搭載されている。
複数のＬＳＩ１２０はそれぞれフェイスダウンで実装さ
れている。各ＬＳＩ１２０の放熱面は基板１１０の搭載
面と対向しない向きとなっている。複数のＬＳＩ１２０
と基板１１０とは半田ボールにより電気的かつ機械的に
接続されている。
【００２２】複数のＬＳＩ１２０の各々は、外形や厚さ
の規格が異なっているため、または規格が同一であって
も搭載時の製造誤差のためや基板１１０自体の反りのた
め放熱面の高さや傾きがばらついている。
【００２３】複数のＬＳＩ１２０の各々の放熱面には熱
伝導ブロック３００がそれぞれ設けられている。複数の
熱伝導ブロック３００の各々は熱伝導率が良好な金属か
らなり、より好ましくはアルミ合金や銅から構成され
る。複数の熱伝導ブロック３００の各々は平板部３０１
と円錐部３０２とを含む。平板部３０１は平板状を呈
し、外形がＬＳＩ１２０の外形と同一かまたは類似の形
状を呈する。円錐部３０２は平板部３０１上に設けられ
ており、円錐部３０２の底面と平板部３０１の上面とが
当接している。
【００２４】各ＬＳＩ１２０と各熱伝導ブロック３００
とはサーマルコンパウンド４００により接続されてい
る。サーマルコンパウンド４００はシリコンオイルに熱
伝導性が良好な小径の粒子が混入されて形成されてい
る。このような粒子は、例えば、アルミナフィラ等のよ
うな金属酸化物からなる。サーマルコンパウンド４００
はＬＳＩ１２０と熱伝導ブロック３００との間の数十マ
イクロメートル程度の間隙に充填されてＬＳＩ１２０と
熱伝導ブロック３００との熱膨張係数の差を吸収する。
ＬＳＩ１２０と熱伝導ブロック３００との熱膨張係数は
約５〜６倍違うためである。サーマルコンパウンド４０
０は流動性にも優れているため、力をほとんど印可する
こと無く圧縮させることが可能である。
【００２５】ヒートシンク２００は複数の熱伝導ブロッ
ク３００の上に設けられている。ヒートシンク２００は
ベース部２１０と複数のフィン２２０とを含む。
【００２６】ベース部２１０は複数の凹部２１１を含
む。複数の凹部２１１はベース部２１０の下面に設けら
れている。複数の凹部２１１の各々は複数の熱伝導ブロ
ック３００の各々と対応する位置に設けられている。複
数の凹部２１１と複数の熱伝導ブロック３００との組に
より、複数のＬＳＩ１２０の放熱面の高さや傾きのばら
つきに影響を受けることが無い常に最適な熱伝導径路
を、複数のＬＳＩ１２０とヒートシンク２００との間に
形成することができる。複数の凹部２１１は、熱伝導ブ
ロック３００がＬＳＩ１２０の放熱面に追従して高さや
傾きを変えることができるような形状に形成される。本
実施の形態では、複数の熱伝導ブロック３００の各々が
円錐部３０２を有していることに対応して、複数の凹部
２１１の各々の内面は円錐面状の形状を呈している。
【００２７】熱伝導ブロック３００の円錐部３０２とヒ
ートシンク２００の凹部２１１とは半田５００によって
接続されている。半田５００の融点が熱伝導ブロック３
００の融点よりも低いことを利用して熱伝導ブロック３
００の高さと傾きとが固定される。熱伝導ブロック３０
０は、後述する理由により、半田５００よりも比重が小
さくなければならない。熱伝導ブロック３００の材料は
この条件を満たすように選択される。半田５００が用い
られるときは熱伝導ブロック３００としてアルミ合金を
用いるのが望ましい。
【００２８】ヒートシンク２００の各凹部２１１および
各熱伝導ブロック３００の大きさは複数のＬＳＩ１２０
の各々の電力、大きさや許容温度等から最適に選択され
る。
【００２９】このように、本実施の形態では、複数のＬ
ＳＩ１２０の各々に複数の熱伝導ブロック３００をそれ
ぞれ設け、熱伝導ブロック３００の円錐部３０２の一部
がヒートシンク２００に設けられた凹部２１１に収容さ
れＬＳＩ１２０の放熱面に追従して稼動できるため、複
数のＬＳＩ１２０の高さや傾きのばらつきを吸収できる
とともに複数のＬＳＩ１２０からヒートシンク２００へ
の熱伝導特性を向上させることができる。
【００３０】また、熱伝導ブロック３００とヒートシン
ク２００のベース部２１０とを融点が低い金属である半
田５００により接続しているため、ＬＳＩ１２０からヒ
ートシンク２００への熱伝導特性を向上させることがで
きる。
【００３１】次に、本発明のマルチチップモジュール１
００の冷却構造の製造方法について図面を参照して詳細
に説明する。この製造方法では、複数の熱伝導ブロック
３００の高さおよび傾きが、対向する複数のＬＳＩ１２
０の高さおよび傾きと対応するように成形される。
【００３２】図２を参照すると、第１のステップにおい
て、ヒートシンク２００を複数の凹部２１１が設けられ
ている面を上に向けておき、複数の凹部２１１の各々に
半田５００が設けられる。半田５００はディスペンサ等
により溶融された状態で凹部２１１に供給されてもよい
し、粒状の固体の状態で供給されてもよい。半田５００
の量は、後述する第２のステップにおいて熱伝導ブロッ
ク３００の一部が凹部２１１に所望の位置まで押し沈め
られても溶融した半田５００が溢れ出ないとともに熱伝
導ブロック３００の円錐部３０２を十分に覆い尽くすよ
うに調整される。
【００３３】図３を参照すると、第２のステップにおい
て、半田５００を図示していないヒータにより溶融さ
せ、熱伝導ブロック３００を凹部２１１の溶融液化した
半田５００内に挿入する。熱伝導ブロック３００は、上
述したように、半田５００よりも比重が小さいため溶融
した半田５００に浮遊する。熱伝導ブロック３００は凹
部２１１の中を自由に動くことができ、高さおよび傾き
を自由に変えることができる。
【００３４】図４を参照すると、第３のステップにおい
て、複数の熱伝導ブロック３００の上に断熱性シート６
００を載せ、マルチチップモジュール１００が断熱性シ
ート６００の上から搭載される。マルチチップモジュー
ル１００は、複数のＬＳＩ１２０が断熱性シート６００
と対向する向きに向けられ、複数のＬＳＩ１２０の各々
が複数の熱伝導ブロック３００の各々と対応するように
位置決めされる。
【００３５】断熱性シート６００は複数のＬＳＩ１２０
の各々が複数の熱伝導ブロック３００の各々と直接接触
することを防ぐために用いられる。各熱伝導ブロック３
００は半田５００の溶融温度まで熱せられているため、
各熱伝導ブロック３００と各ＬＳＩ１２０とを直接接触
させてしまうと各ＬＳＩ１２０が熱的なダメージを受け
てしまったり、両者の熱膨張係数の差により各ＬＳＩ１
２０が破壊されてしまうためである。断熱性シート６０
０の材料は、耐熱温度が半田５００の溶融温度より高
く、熱伝導率が小さく、かつ、剛性の低いものがよい。
具体的には、ポリイミドやテフロンが適用できる。断熱
性シート６００の厚さは数１０マイクロメートル程度で
あればよい。
【００３６】マルチチップモジュール１００とヒートシ
ンク２００とには両者を互いに固着させるための図示し
ていない取り付け部材が備えられている。第３のステッ
プでは、取り付け部材も調整される。この調整により、
マルチチップモジュール１００とヒートシンク２００と
が適切な間隔で取り付けられる。具体的には、断熱シー
ト６００が取り去りマルチチップモジュール１００のみ
を複数の熱伝導ブロック３００の上に搭載したときに、
マルチチップモジュール１００の複数のＬＳＩ１２０の
各々と複数の熱伝導ブロック３００の各々との間の間隔
が数１０〜１００マイクロメートルとなるように調整さ
れる。
【００３７】図５を参照すると、第４のステップにおい
て、ヒータの加熱が止められ、半田５００を凝固させる
ため全体が冷却される。冷却時間はヒートシンク２００
の熱容量にもよるが数分もかからない。半田５００が凝
固した後にマルチチップモジュール１００を断熱性シー
ト６００から取り外し、断熱性シート６００を熱伝導ブ
ロック３００の上から除去する。
【００３８】図６を参照すると、第５のステップにおい
て、マルチチップモジュール１００は複数のＬＳＩ１２
０が搭載されている面が下向きとなるように向けられ、
複数の熱伝導ブロック３００の各々と複数のＬＳＩ１２
０の各々とが対応する位置に位置づけられ、熱伝導ブロ
ック３００の各々の上にはサーマルコンパウンド４００
が設けられる。マルチチップモジュール１００が複数の
サーマルコンパウンド４００上に搭載される。
【００３９】このように、本実施の形態では、溶融した
半田５００中に浮遊した熱伝導ブロック３００の上にマ
ルチチップモジュール１００を載せ、熱伝導ブロック３
００の高さと傾きとをＬＳＩ１２０の高さと傾きとに追
従させた状態で半田５００を凝固させるようにしたた
め、各ＬＳＩ１２０の高さや傾きのばらつきが吸収され
たマルチチップモジュールの冷却構造を形成できる。
【００４０】また、溶融した半田５００中に浮遊した熱
伝導ブロック３００の上に断熱性シート６００を介して
マルチチップモジュール１００のＬＳＩ１２０を載せる
ようにしたため、熱伝導ブロック３００からの熱をＬＳ
Ｉ１２０に直接伝えずにすみ、この結果、ＬＳＩ１２０
が故障したり破壊されたりするのを防ぐことができる。
【００４１】次に、本発明の第二の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。この第二の実施の
形態の特徴は熱伝導ブロックの形状にある。
【００４２】図７を参照すると、複数のＬＳＩ１２０の
上面に複数の熱伝導ブロック３０１がそれぞれ設けられ
ている。複数の熱伝導ブロック３０１の各々は、平板部
３１１と半球部３１２とを含む。本実施の形態では、複
数の熱伝導ブロック３００の各々が半球部３１２を有し
ていることに対応して、複数の凹部２２１の各々の内面
は半球面状の形状を呈している。
【００４３】本実施の形態では、サーマルコンパウンド
４００としてシリコンオイルにアルミナフィラを混入さ
せたものを用いる構成としたが、シリコンオイルに銀フ
ィラまたはダイヤモンドフィラ等を混入させたものを用
いるようにしてもよい。
【００４４】また、本実施の形態では、熱伝導ブロック
３００は平板部３０１と円錐部３０２とから構成される
ものとしたが、熱伝導ブロックが一体的に形成されてい
てもよい。
【００４５】さらに、本実施の形態では、熱伝導ブロッ
ク３００の円錐部３０２とヒートシンク２００の凹部２
１１とを半田５００によって接続する構成としたが、低
融点金属であればいかなるものであってもよい。ただ
し、熱伝導ブロックの比重が半田５００の比重よりも小
さくなければならない。低融点金属および熱伝導ブロッ
クの材料はこの関係を満たすように適宜選択される。
【００４６】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明で
は、複数の集積回路装置の各々に複数の熱伝導ブロック
をそれぞれ設け、該熱伝導ブロックはその一部がヒート
シンクに設けられた凹部に収容され集積回路装置の放熱
面に追従して高さや傾きを変えることができるため、複
数の集積回路装置の高さや傾きのばらつきを吸収できる
とともに複数の集積回路装置からヒートシンクへの熱伝
導特性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の断面図である。
【図２】本発明の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の製造方法を示す断面図である。
【図６】本発明の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第二の実施の形態の上面図である。
【符号の説明】
１００ マルチチップモジュール １１０ 基板 １２０ ＬＳＩ ２００ ヒートシンク ３００ 熱伝導ブロック ４００ サーマルコンパウンド ５００ 半田
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−87843（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−90456（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250848（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−83954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−15353（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−132146（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−274461（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/36 - 23/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の集積回路装置が設けられたマルチ
    チップモジュールと、凹部を有し前記マルチチップモジ
    ュールの上部に設けられるヒートシンクと、前記マルチ
    チップモジュールおよび前記ヒートシンクを熱的に結合
    する熱伝導ブロックと、この熱伝導ブロックおよび前記
    集積回路装置の間に設けられるサーマルコンパウンド
    と、前記ヒートシンクの凹部と前記熱伝導ブロックとの
    間に設けられる低融点金属とを含むマルチチップモジュ
    ールの冷却構造の製造方法において、 前記ヒートシンクを前記凹部が設けられた面が上向きと
    なるように位置づけ、該凹部に前記低融点金属を設ける
    ステップと、 前記低融点金属を溶融させ前記熱伝導ブロックを前記凹
    部に挿入するステップと、 前記熱伝導ブロックの上に断熱シートを載せ、該断熱シ
    ートの上にマルチチップモジュールを載せるステップ
    と、 前記低融点金属を凝固させ前記マルチチップモジュール
    と前記断熱シートとを除去するステップと、 前記熱伝導ブロックの上に前記サーマルコンパウンドを
    載せ、該サーマルコンパウンドおよび前記マルチチップ
    モジュールの前記集積回路装置を接続するステップとを
    含むことを特徴とするマルチチップモジュールの冷却構
    造の製造方法。
JP17414397A 1997-06-30 1997-06-30 マルチチップモジュールの冷却構造およびその製造方法 Expired - Fee Related JP3241639B2 (ja)

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