JPH01187840A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体素子あるいは集積回路チップから発生す
る熱を効率良く除去できる半導体装置に係り、特に半導
体素子あるいは集積回路間の電気的絶縁を保ち、且つ高
い冷却性能を維持するに好適な半導体装置に関する。

［従来の技術］ 大型電子計算機の演算速度の高速化の要求に対応するた
め、近年益々半導体素子は大規模に集積化される傾向に
ある。また、さらにその高集積化した回路チップ間を接
続する電気配線での信号遅延を出来るだけ少なくするた
めに、マイクロパッケージに多数の集積回路チップを実
装し、配線長を短くする方法が種々開発されている。

しかしながら、このような半導体素子の大規模集積化、
実装密度の向上に伴って当然集積回路チップからの発熱
量及び発熱密度が増大し、これらの熱を除去するための
冷却構造が必要となってきている。また、この冷却構造
には、基板の反り、半導体チップ接続時の変位、冷却構
造組み立て時の変形、冷却構造の熱変形など製造及び使
用時の種々の変位を吸収する機能も要求される。

従来、特に大型計算機システムの冷却構造に関して、第
３図に示すような冷却装置が提案されている。大規模集
積回路（以下ＬＳＩと略記）チップ１は、多数の導電層
及び絶縁層からなる多層配線基板２（以下基板と略記）
上に、はんだ３によってフリップ・チップ接続され、基
板２内の前記導電層を介して基板２の裏面に設けられた
多数のビン４に電気接続されている。更に基板２には多
数のＬＳＩチップ１を覆うようにハウジング５が装着さ
れている。ハウジング５内には多数のシリンダ６が形成
され、シリンダ６の中にはＬＳＩチップ１の背面から熱
を導く熱伝導部材としてのピストン７と、ピストン７に
押圧力を加えるバネ８が挿入されている。基板２とハウ
ジング５とで囲まれた密閉空間９には、ヘリウムガスが
満たされている。ＬＳＩチップ１からの発生熱は、ピス
トン７の球面状先端とＬＳＩチップ１の背面との接触部
に介在するヘリウムガス層を介してピストン７に伝えら
れ、ピストン７から更にピストン７とシリンダ６との隙
間に介在するヘリウムガス層を伝わり、ハウジング５に
導かれる。そして、最終的に、ハウジング５の上部に設
けられた冷水又は冷却空気の流通する冷却器１０により
除去される。

しかし、このような従来技術には次のような問題点があ
る。ヘリウムガスの熱伝導率は、気体の中では大きい方
であるが、ピストン７あるいはシリンダ６などの金属体
に比べ非常に小さい。従って、ヘリウム層の熱抵抗を小
さく抑えるためにはピストン７とシリンダ６との隙間を
小さくする必要がある。このためピストン７あるいはシ
リンダ６己は高い加工精度が要求され、加工精度が低け
れば、ピストン７の動きが阻害されたり、ＬＳＩチップ
１の温度が大きくばらづいたりする恐れがある。

上記の欠点を改善するために、例えば第４図に示すよう
な冷却構造体が、米国特許第４２６３９６５号に開示さ
れている。第３図の冷却構造に対して第４図の冷却構造
は、ＬＳＩチップ１に対向するハウジング１１内に多数
の平行溝１２を設け、各平行溝１２内に、各々薄い長方
形の熱伝導板１３と熱伝導板１３に押圧力を加える板バ
ネ１４が挿入されている。第４図の冷却構造は、第３図
の冷却構造に比べ熱伝導板１３と平行溝１２の側壁との
熱交換する伝熱面積を大きくとれ、また熱伝導板１３と
ＬＳＩチップ１との接触状態を熱伝導板１３の板幅分の
面接触に改善されている。

しかし、第４図の冷却構造においても、下記のような問
題点が残される。即ち、多数の熱伝導板１３が各々切り
離され独立し、平行溝１２の中に挿入されているので、
各熱伝導板１３間相互の熱交換がほとんど行なわれない
。ところがＬＳＩチップ１の集積回路は、多数の電気回
路から構成されているため、一般に一様に発熱すること
は極めて希である。またＬＳＩチップ１内の発熱分布も
、時間と共に変動する。従って、例えばＬＳＩチップ１
の端のみで発熱している場合には、発熱部分に近い熱伝
導板１３しか熱を奪い去ることができず、遠くの熱伝導
板１３からは、ＬＳＩチップ１内を介して伝わってきた
熱しか持ち去ることが出来ない。すなわち、多数の熱伝
導板１３をＬＳＩチップ１の上においても、各熱伝導板
１３間の熱移動がほとんど行なわれないため、全熱伝導
板の熱輸送効率が低下してしまう。また、熱伝導板１３
の設置面積がＬＳＩチップ１の幅によって制限されるた
め、冷却性能向上には制限がある。

以上のような問題点を解決する方法として、特開昭６０
−１２６８５３号公報において第５図に示すような冷却
構造体が開示されている。第５図に示した冷却構造体に
おいては、半導体チップ１の表面積すなわち放熱面積よ
り大きな底面積を有する熱伝導部材１７に一体に複数の
第１フイン１８を設け、この第１フインと、ハウジング
１５の内面側に設けられた複数の第２フイン１６とを、
互いに微小間隙１９を保ってはめ合わせ、更に前記熱伝
導部材１７とハウジング１５の間に介装されたバネ２０
によって熱伝導部材１７の底面を半導体チップ１の表面
に押しつけるように構成されている。バネ２０は、フィ
ン１６の隙間２３内に挿入され、ハウジング１５に設け
られた穴２１と熱伝導部材１７のベース中央に設けられ
た穴２２とで固定されている。ハウジング１５と基板２
とで囲まれた密閉空間２４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。従ってＬＳＩチップ１で発生した熱は、ＬＳＩ
チップ１と全面接触する熱伝導部材１７のベース部に一
旦伝えられ、ベース内で一様に拡散された後、熱伝導部
材１７の各フィン１８に伝わり、そして、各々微小間隙
１９のヘリウムガス層からハウジング１５のフィン１６
へと伝わり、最終的にハウジング１５上部に取付けられ
ている冷却器により持ち去られる。熱伝導部材１７のフ
ィン１８は、ベースと一体に形成されているので、たと
えＬＳＩチップ１内の発熱分布が不均一であっても、発
生する熱はベース内で均一に拡散させることが出来る。

従って、熱伝導部材１７の各フィン１８の熱輸送効率を
最大限に高めることが出来る。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような第３図、第４図又は第５図のいずれの場合
においても、熱伝導部材及びハウジングの材質は、高い
熱伝導性を有することが必要不可欠であり、−数的には
銅あるいはアルミニウムといった金属が用いられる。し
かしながら、ＬＳＩチップ１の背面は、特別の電気絶縁
処理を施さない限り電気伝導性であるため、これに銅あ
るいはアルミニウム製の熱伝導部材を押し付けると、各
ＬＳＩチップが互いにショートしてしまうという問題が
ある。前記特開昭８０−１２６８５３号公報においては
、熱伝導部材あるいはハウジングの材質を、電気絶縁性
に富み、高い熱伝導性を有するＳｉＣ材とする方法が開
示されているが、この方法には材料コスト及びＳｉＣが
難加工性であることによる加工コストの面での問題が残
されている。

本発明の目的は、半導体素子または集積回路チップ間の
電気的絶縁を確保し、且つ高い冷却性能を有する半導体
装置を安価に提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、回路基板上に搭載された複数個の半導体チッ
プと、該半導体チップに対向する熱伝導性金属製のハウ
ジングと、各半導体チップから発生した熱を該ハウジン
グに伝えるために各半導体チップの表面とハウジングと
の間にそれらと接触するように夫々配置された複数個の
熱伝導性金属製の熱伝導部材と、該熱伝導部材を半導体
チップの表面に押圧する弾性部材とを備えた半導体装置
において、前記熱伝導部材とハウジングとの接触面の少
なくとも一方に薄い電気絶縁層を形成したことを特徴と
する。

［作　　　用］ 本発明の如上の構成において、前記薄い電気絶縁層は、
各熱伝導部材からハウジングへの熱伝達に関しては殆ん
ど熱抵抗を与えず、これら両者間の電気的絶縁は十分に
果す。よって半導体チップに対する冷却効果を確保しな
がら、各チップが互に電気的にショートすることを防止
できる。

［実　施　例］ 本発明における前記熱伝導部材およびハウジングは、銅
またはアルミニウムの如き熱伝導性が良好な、且つ加工
性の良い金属材料で作られる。また前記のような微細な
フィンの表面に前記の薄い電気絶縁層を比較的簡単に形
成する方法としては、プラズマ溶射、ＣＶＤ　、グロー
放電などを利用した金属表面の窒化または酸化処理や、
前記熱伝導部材のフィン又はハウジングのフィンの材料
をアルミニウムとして、その表面を電解溶液中で陽極酸
化する方法などを用いることができる。

これらフィン表面に形成される電気絶縁層はフィンを構
成する金属より一般に熱伝導率が小さい。従って、電気
絶縁層を設けたことによる熱抵抗の増加をできるだけ小
さく抑えるためには、電気絶縁層の厚さを、必要な電気
絶縁の確保できる範囲で、できるだけ薄くすることが望
ましい。例えばアルミニウムの熱伝導部材を用いて、そ
の表面に通常の陽極酸化皮膜を設けた場合には、その膜
厚は０．Ｉ　Ｎ１０μｍ　、好ましくは０．１〜５μｍ
以下が好適である。また、ノンポーラス・タイプの硬質
皮膜を形成した場合いには、その膜の耐電圧が高いので
膜厚を更に小さくでき、１〜３０００人、好ましくは１
〜３００人とすることが望ましい。

さらに、熱抵抗をなるべく少くするためには、熱伝導部
材の、半導体チップに接触する面を除いたフィンの表面
にのみ薄い電気絶縁層を形成することが望ましい。熱伝
導部材の、半導体チップに接触する面にも電気絶縁層を
形成した場合には、熱的に見ると該絶縁層の熱抵抗が半
導体チップと熱伝導部材金属の間に直列に加わるため、
この部分の熱抵抗の影響が無視できないのに対して、フ
ィンの表面のみに電気絶縁層を形成した場合には、該絶
縁層の熱抵抗が前記熱伝導部材とハウジングの間でフィ
ンの数に応じて並列に加えられるため全体の熱抵抗に対
する影響は小さく、はとんど無視できるようになる。同
様に、ハウジングの内面に設けたフィンの表面のみに電
気絶縁層を形成した場合にも同じ効果が得られる。本発
明では木質的に前記熱伝導部材のフィン又は　ハウジン
グのフィンの互いに接触する可能性のある部分にのみ電
気絶縁層が形成されていればよく、電気絶縁層形成の作
業性、コスト等を考えて最適の方法が選べる。

さらに半導体チップの背面及びこれと接触する熱伝導部
材のベース底面の表面粗さを小さくすることによって熱
抵抗を一層下げることができる。

このようにして、半導体装置の熱伝導部材及びハウジン
グに安価で、加工も簡単な金属を用いて、かつ熱抵抗を
増大させることなく、ＬＳＩチップ間の電気絶縁を確保
できるものである。

以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図により詳細
に説明する。これらの図において、銅あるい、はアルミ
ニウムのような熱伝導性の良好な金属により作られたハ
ウジング１５の内面には、多数のプレート状のフィン１
６が互いに平行に設けられている。ＬＳＩチップ１の背
面の伝熱面積より大きな面積を有するアルミニウム製の
熱伝導部材１７のベースの上にも、前記フィン１６と同
ピツチでプレート状の多数のフィン１８が該ベースと一
体に設けられている。第２図に示すように、このフィン
１８の表面には、耐食性、絶縁性が極めて良好な硬質皮
膜（例えばＡｊ２．２０３の膜）２５が形成されている
。この硬質皮膜２５は、ｐＨを８に調整した３％酒石酸
アンモニウム溶液中、化成電圧２００ｖ、室温で陽極酸
化して形成し、膜厚は約１００人であった。また、この
酸化皮膜の耐電圧は約１０００Ｖで、ＬＳＩチップ間の
絶縁に要する耐電圧的１００Ｖを充分満足する事が分か
った。また、この熱伝導部材１７のベース面は、表面粗
さが約０．１μｍに仕上げである。

ハウジング１５のフィン１６と熱伝導部材１７のベース
上のフィン１８とは互いに微小間隙１９を保ってはめ合
わされている。熱伝導部材１７のベースは、ＬＳＩチッ
プ１の接続用のはんだボール３に影響を及ぼさないよう
にバネ定数が柔らかいバネ２０によってＬＳＩチップ１
に押し付けられ、ＬＳＩチップ１の背面と互いに面接触
している。バネ２０は、フィン１６の隙間２３内に挿入
され、ハウジング１５に設けられた穴２１と熱伝導部材
１７のベース中央に設けられた穴２２とで固定されてい
る。ハウジング１５と基板２とで囲まれた密閉空間２４
には、熱伝導率の良好なヘリウムガスが充満されている
。なお、微小間隙１９内にだけ熱伝導グリースなどの高
熱伝導性の液体を充填しても良い。

本実施例では上記のように構成したので、ＬＳＩチップ
１で発生した熱は、ＬＳＩチップ１と全面接触するアル
ミニウム製の熱伝導部材１７のベースに一旦伝えられ、
該ベース内で一様に拡散された後、熱伝導部材１７の各
フィン１８に伝わり、その後、各々のフィン１８の両面
に形成された絶縁層２５及び微小間隙１９に存在するヘ
リウムガス層を通してハウジング１５のフィン１６へと
伝わり、最終的にハウジング１５上部に取付けられてい
る冷却器２６に流れる冷却液により持ち去られる。

本実施例により構成した半導体装置の全熱抵抗は、前記
フィン１８の表面に絶縁層２５を形成していない場合と
ほとんど差が無く、またＬＳＩチップ間の電気絶縁も充
分保たれていることが分かった。

次に、本発明の他の実施例を説明する。前記実施例にお
いてフィン１８を設けたアルミニウム製の熱伝導部材１
７を、ＬＳＩチップに接触するベース面を下にして台に
乗せ、窒素プラズマ中で表面窒化処理してフィン１８の
表面のみに電気絶縁膜２５としての窒化アルミニウム（
ＡＩＬＮ）の層を約１００人設けた。これを用いて、他
は上記実施例と同様にした冷却構造体を構成した。この
場合にも、熱抵抗は前記フィン１８の表面に絶縁層を形
成していない場合とほとんど差が無く、またＬＳＩチッ
プ間の電気絶縁も充分保たれていることが分かった。

また、第６図にはフィン１６を含めたハウジング内面に
電気絶縁ｆｆ！２５を形成した実施例を示した。

［発明の効果］ 本発明によれば、半導体装置の熱伝導部材及びハウジン
グを安価で、加工も簡単な金属で構成することができ、
且つ全熱抵抗を殆んど増大させることなく、ＬＳＩチッ
プ間の電気的絶縁を確保できるので、安価に高い冷却性
能を持フた半導体装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の一実施例を示す縦断面図
、第２図は第１図における熱伝導部材の一部断面とした
斜視図、第３図、第４図は従来の半導体チップの冷却装
置の縦断面図、第５図は、従来の半導体チップの冷却装
置の一部断面とじた斜視図、第６図は本発明の半導体装
置の他の一実施例を示す縦断面図である。 １・・・ＬＳＩチップ　　　２・・・基板３・・・はん
だバンブ　　４・・・ビン５．１１．１５・・・ハウジ
ング ６・・・シリンダ　　　　７・・・ピストン８．２０・
・・バネ　　　９，２４・・・密閉空間１０．２６・・
・冷却器　１２・・・溝１３・・・熱伝導板　　　１４
・・・板バネ１６．１８・・・フィン　１７・・・熱伝
導部材１９・・・微小間隙　　　２１．２２・・・穴２
５・・・電気絶縁層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　回路基板上に搭載された複数個の半導体チップと、
   該半導体チップに対向する熱伝導性金属製のハウジング
   と、各半導体チップから発生した熱を該ハウジングに伝
   えるために各半導体チップの表面とハウジングとの間に
   それらと接触するように夫々配置された複数個の熱伝導
   性金属製の熱伝導部材と、該熱伝導部材を半導体チップ
   の表面に押圧する弾性部材とを備えた半導体装置におい
   て、前記熱伝導部材とハウジングとの接触面の少なくと
   も一方に薄い電気絶縁層を形成したことを特徴とする半
   導体装置。 ２　前記各熱伝導性部材は、各半導体チップの表面に接
   し且つ該表面よりも大きい底面積を有するベースと該ベ
   ース上に一体に形成された複数のフィンとからなり、前
   記ハウジングは該熱伝フィンを有し、前記熱伝導部材の
   フィンの表面又はハウジングのフィンの表面の少くとも
   どちらか一方に薄い電気絶縁層を形成した特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置。 ３　前記熱伝導部材またはハウジングがアルミニウムで
   構成され、前記電気絶縁層として陽極酸化膜または窒化
   膜を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の半導体装置。