JPH02138762A

JPH02138762A - 実装冷却方法

Info

Publication number: JPH02138762A
Application number: JP1201176A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Morihara; 淳森原; Yoshio Naganuma; 永沼　義男; Hiroshi Yokoyama; 宏横山; Keizo Kawamura; 圭三川村; Mitsuo Miyamoto; 宮本　光男; Yasushi Sato; 康司佐藤; Kazunori Ouchi; 大内　和紀; Hiroshi Miyadera; 博宮寺; Fumiyuki Kobayashi; 小林　二三幸; Shizuo Zushi; 頭士　鎮夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-08-08
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1990-05-28

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高密度に集積化された集
積回路から発生する熱を効率良く除去するための新規な
冷却方法に係り、特に半導体装置及びコンピュータの実
装冷却方法に関する。

〔従来の技術〕

近年の大型計算機では、処理速度の速いことが要求され
るため、高度に集積化が進み、一つの集積回路から発生
する熱量も飛請的に増大してきた。

このため、従来は問題とされなかった集積回路の過剰な
温度上昇が懸念され、集積回路の冷却は大型計算機実装
での重大な課題となってきた。また、その集積回路チッ
プを互いに接触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施す方
法が開発されている。

従来、特に大型計算機システムの冷却装置に関して、特
開昭６１−１５３５３号公報でピストン及びシリンダー
を用いたガス封入式伝導冷却法が公開され、更に、特開
昭５８−９１６６５号公報には同様のピストン及びシリ
ンダとの組合せで、ピストン素子への加圧方向をシリン
ダの方向へも接触させる構造が示されている。また、特
開昭６２−１０６６９９号公報には三角形状の冷却ブロ
ックとの移動可能なスライダーとの組合せによって半導
体素子と冷却板との接触を行わせる冷却構造が示されて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

先行技術に基づく構造では、１チツプあたり数十Ｗ以上
の発熱を有するチップを冷却することは困難である。ま
た、気体の中でもヘリウムガスの熱伝導率は、他の気体
の１０倍程度と、大きく優れているが、ピストンあるい
はシリンダなど金属体に比べ非常に小さい。したがって
、最も大きな熱抵抗となるのは、ヘリウム層の熱抵抗Ｒ
である。

これを低くするためにはピストンとシリンダとの空間を
小さくする必要がある。このため、ピストンあるいはシ
リンダは、高い加工精度が要求される。もし、加工精度
が低ければ、ピストンの移動状態に支障をきたし、ＬＳ
Ｉチップの温度が大きくばらつく恐れがある。

前記の欠点を改善するため、特開昭６０−１２６８５３
号ではピストンとシリンダを用いる代わりに複数のフィ
ンから構成されている。これにより、ヘリウム層の熱抵
抗を極力低下させようとしている。

この方式は、構造が複雑であるが、極めて低い熱抵抗を
達成する。また、ヘリウムの代わりにピストンとシリン
ダの中間部に熱伝導性の媒体を使用した例が特開昭６１
−１５３５３号に見られる。この例では熱伝導性の媒体
を使用しなければ構造的に、完成しない例ではあるが、
ピストンを円錐状として、伝熱面積を大きくすると同時
に、ピストンとシリンダの中間部にグリースを介して適
度な接触圧力が加えられるが、シリンダとピストンとの
直接の接触は得られない。グリースの熱伝導率は直接接
触の約１／１０ときわめて小さい。

更に、上述の従来技術では、半導体素子の前後左右の傾
きに追従するものではないし、構造が複雑であったり、
熱伝導性の媒体を使用しなければ熱抵抗を低減できない
など、現在の大型計算機に要求される性能を満たしてい
ない。

本発明の目的は、半導体素子の前後左右の傾きに追従し
て移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を与えずに面
接触での効果的な冷却を可能にした冷却方法、特に半導
体装置及びコンピュータの実装冷却方法を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は、平面１を含む構造体Ａ、平面１と間隔
を隔て角度αを成す平面２を含む構造体Ｂ、平面１と面
接触する平面３を有し、且つ、凸状にわん曲し平面２と
線接触する曲面４を有する構造体Ｃより成り、構造体Ｃ
は、熱伝導性の部材で構成され平面１と平面２を伝熱し
、構造体Ｃは、平面１に対して０〈βくα＋５°なる式
で限定された角度βの方向に弾性体で加圧され、構造体
Ｃは、平面１及び平面２の傾きに適応して１面接触。

線接触を保つように自由に動くことを特徴とする実装冷
却方法によって達成される。構造体Ｃと構造体Ｂの接触
面にも加圧され、平面４が任意の曲面であることが望ま
しい。

本発明はまた、半導体、超電導素子等の熱を発生する素
子及びこれらの冷却部より構成された電子装置の実装冷
却方法において、平面１を含む熱発生素子Ａ、平面１と
間隔を隔て角度αを成す平面２を含む構造体Ｂ、平面１
と面接触する平面３を有し、且つ、凸状にわん曲し平面
２と線接触する曲面４を有する冷却素子Ｃより成り、冷
却素子Ｃは、熱伝導性の部材で構成され平面１と平面２
を伝熱し、冷却素子Ｃは、平面１に対してＯ＜β＜α＋
５°なる式で限定された角度βの方向に弾性体で加圧さ
れ、冷却素子Ｃは、平面１及び平面２の傾きに適応して
、面接触、線接触を保つように自由に動くことを特徴と
する電子装置の冷却方法を提供する。この場合、 α／２〈β〈（α＋２）２０″〈αく７０＠であり、冷却素子Ｃがセラミック性であり、力を加える
弾性体がバネで、曲面４が円筒面上とすることが望まし
い。周囲を熱伝導性の高い不活性ガスＨｅで封止するこ
とは更に望ましい。

以上により１本発明によって得られる熱伝導素子は半導
体素子との接触面に対して平行移動しながら上下方向へ
移動可能にした構造を有する。

本発明は、複数個の半導体素子を搭載したセラミック多
層回路板と、該回路板を該回路板に設けられたピンを介
して電気的に接続された多層プリント基板と、該多層プ
リント基板を多芯コネクタを介して電気的に接続された
バックボードと、前記セラミック多層回路板に固着され
た冷媒によって冷却されるハウジングと、該ハウジング
と接触した伝熱構造体と、前記半導体素子と伝熱構造体
との両者に接触した熱伝導素子とを備えたものにおいて
、前記熱伝導素子は前記半導体素子の傾きに追従して移
動可能であり、且前記伝熱構造体に接触する面が曲面で
あり、伝熱構造体と素子との間に弾性体が設けられてい
ることを特徴とするコンピュータ実装構造を提供する。

更に、本発明は前述の冷却装置、半導体装置及びコンピ
ュータ実装構造において、伝熱構造体内の熱伝導素子と
の接触部近傍に液体冷媒流路を設け、発熱を伴う素子、
例えば半導体素子を冷却するように実装冷却構造を提供
する。

弾性部材は特にバネが用いられ、コイル、板バネが好ま
しい。金属又はセラミックが用いられる特に電気絶縁性
のものがよい。

更に、各接触面に半固体状の熱伝導媒体を介入させるこ
とはより熱伝導を高める。

熱伝導素子の円柱面と伝熱構造体の平面が線接触を保つ
ので熱を良好に伝えることができる。

〔作用〕

従来の構造での共通した欠点は、上下方向の位置のばら
つきをそのまま、上下方向で吸収しようとしたことによ
り生じたものと考えられる。そこで本発明者等は、集積
回路等の半導体素子の上下方向の位置のばらつきを横方
向に変換することを提案した。これにより、冷却部とチ
ップとの間の構造を簡略化でき、また、冷却部とチップ
との間隔を短くできるので熱抵抗も小さくできる。

また、チップの傾きにも対応するため集積回路の平面の
代わりにその平面と平行な軸を持つ円柱凸面とすること
により集積回路側熱伝導素子は、円柱面の軸を中心に回
転し、また冷却側伝熱構造体平面の面上を回転すること
であらゆる角度の傾きに対応することができる。

更に、熱伝導素子は、冷却しようとするチップに弾性部
材によって正確に固定されるので冷却能力が安定し、隣
の冷却素子との接触が生じないために、冷却素子同士が
衝突することで生じるチッピングを抑制することができ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の冷却装置の一実施例を示す断面図であ
る。

全体は、多層基板１２．半導体素子（以下チップ）１０
．熱伝導素子４．伝熱ブロック３より構成される。

基板１２には、複数のチップ１０がはんだ接続１１によ
り接続される。チップ１０に接すべく熱伝導素子４が設
置される。熱伝導素子４は５弾性体８により伝熱ブロッ
ク３と接続され、伝熱ブロック３と接する。伝熱ブロッ
ク３は冷却水ユニット１と熱的に接して設置される。

次に動作について説明する。チップ１０には、電気的信
号及び電力が、ピン１３．基板１２．接続子１１を通し
て供給される。チップ１ｏでは、演算速度を高速化する
ため高度に集積化されており、小さい面積に大量の電流
を供給するので、大量の熱を発生する。

接続子１１．基板１２及び、ピン１３の熱抵抗が大き過
ぎるために、この大量に発生した熱のうち、接続子１１
を通過する量は小さい。したがって、チップ１０の裏面
１５より逃がしてやる必要がある。

熱伝導素子４は、底面６が平面で、上面５が円筒面ある
いはそれに類する形状をした３角柱である。上面５と反
対側の傾斜面には開孔部９があり、そこには弾性体とし
てのばね８が設置される。ばね８の熱伝導素子４とは反
対側には、伝熱ブロック３の同様の開孔部分７が設置さ
れる。

チップ１０で大量に発生した熱は、チップ１０の裏面１
５に接している熱伝導素子４の底面６より接触により伝
熱が行われる。接触する部分には。

熱を良好に伝えさせるために熱伝導度の高いガス１６に
よって封止される。

伝熱ブロック３には、熱伝導素子４の投影形状と等しい
Ｖ状の溝が存在する。Ｖ状の溝の片面１４は平面であり
、そこには熱伝導素子４の円筒状の上面５が接する。熱
伝導素子４に伝えられた熱は、熱伝導素子４の円筒状の
上面５からＶ状の溝の平面１４より伝えられる。この接
触する部分には、熱を良好に触えさせる熱伝導度の高い
ガス１６によって封止される。

更に伝熱ブロック３の上面には、冷却水ユニット１が設
置される。冷却水ユニット１には、チップ１０で発生し
た熱を系外に排出する冷却水２が流れている。冷却水ユ
ニット１の底面と伝熱ブロック３の上面とは、面接触に
より伝熱が行われる。

モジュール構造では、チップ１０の上面１５は基板１２
の製造ばらつき、接続子１１の取り付けばらつき等によ
り、チップ１０の上面の高さや傾きが様々に異なってい
る。本発明では、この高さや傾きのばらつきがあっても
、熱伝導素子４が柔軟に移動して、チップ１０の上面１
５と熱伝導素子４の底面６の面接触、伝熱ブロック３の
底面１４とは熱伝導素子４の円筒面５との線接触が安定
して起こり良好な熱伝達を実現できる。

チップ１０の高さのばらつきに対しては、熱伝導素子４
がチップ１ｏの上面とは平行、熱伝導素子４の円筒面５
の軸とは垂直な方向に移動して追従する。すなわち、チ
ップ１０と伝熱ブロック３の間隔が短くなった時には、
第１図で、熱伝導素子４が左方向に移動し、またチップ
１０と伝熱ブロック３の間隔が長くなった時には、前述
と反対の方向に移動して高さのばらつきに追従する。

一方、チップ１０の傾きに対しては、熱伝導素子４が回
転することにより追従する。チップ１０が、熱伝導素子
４の円筒面５の軸を中心として傾いていた場合には、熱
伝導素子の円筒面５とブロック３の底面１４の間の線接
触部分が移動することにより追従する。

また、チップ１０が熱伝導素子４の円筒面５の軸と平行
な方向に傾いていた場合には、線接触部分が移動し、伝
熱ブロック３の底面１４の上面を回転することによって
追従する。

複数のチップ１０を冷却するモジュール構造である場合
には、ばね８によって伝熱ブロック３と熱伝導素子４の
位置が固定されるために良好に冷却する位置に拘束する
。

これによりチップ１０を良好に冷却するとともに隣の熱
伝導素子４と接触しないために熱伝導素子４の衝突を抑
制することができる。

第１図に示すように集積回路１０の下面に存在する数百
の配線は、球状のはんだバンプ１１によってセラミック
等で形成された多層基板１２に接続される。集積回路１
０の上面は熱伝導素子４と接触される。両者の表面は、
伝熱は良好にすべく、また摩擦力を最小にすへく表面加
工される。熱伝導素子４の集積回路１０と反対側の表面
は、角度θで傾斜させ、表面半径Ｒの円柱面加工を行な
うのが好ましい。この角度α、半径ｒは、伝熱特性。

素子の可動特性を決定する重要なファクターである。角
度αは大きければ大きいほど、伝熱面積（熱伝導素子４
と冷却伝熱ブロック３との接触面積）は増大するが、そ
の一方で冷却面と集積回路１０の間隔が広がり、不利に
なる。αは２０〜７０°が好ましい。

熱伝導素子４はチップ１０上面をすベリ自由に可動する
。したがって、スプリング４が第１図のごとく傾斜して
いると、集積回路側熱伝導素子４゜冷却側伝熱ブロック
３の側面及び、チップ１１の」二面にスプリング４によ
って各々定められた圧力で接触する。スプリング４と半
導体素子１１との接触面とのなす角度βはα／２＜β＜
（α＋２）の範囲にあるのが望ましい。

また、チップ１０が円柱面の軸方向に傾斜した場合には
、熱伝導素子４が冷却側伝熱ブロック３との接触面に垂
直な方向で回転し、これと、円柱面の軸を中心とした回
転により適切な位置に回転移動する。

第１図において、伝熱ブロック３は冷却面に直接接触さ
せた冷媒によって冷却されるハウジングが設けられる。

伝熱ブロック３そのものに冷媒を流す通路を設けた構造
の一体型のものでよい。

熱伝導素子４の両者間には半導体素子の傾きに追従して
移動可能にするために所定の間隙が設けられる。更に、
頂部先端は平らにすることにより上方への移動をより大
きくするようにすることが好ましい。

第２図はチップ１０及び本実施例の冷却装置を組合せた
半導体装置の部分断面図、第３図は本発明のモジュール
状ｆＢにおける斜視図である。本発明の冷却装置は、金
属製（例えばＡＱ、Ｃｕ、ステンレス鋼製）の水冷ハウ
ジング３内に設けられ、複数の多数の半導体素子１０を
セラミック多層基板１２に搭載し、ハウジング３は多層
基板１２に接合される。ハウジング３には冷媒として水
が導入される孔２が設けられており、伝熱ブロック３と
接合されている。伝熱ブロック３はハウジングｌを兼用
した形で一体で形成される。セラミック多層板１２には
アルミナ、ムライト系、Ｓｉｎ。

ＡＱＮ系を主成分とした焼結体が用いられ、導電層とし
てＷ、Ｍｏ系のペースとが用いられる。更に、多層板１
２にはピン１３が設けられ、多層プリン！へ基板２５に
設けられたスルーホール２３に挿入され、電気的に導通
される。冷却用の水は２から導入される。

本発明に係る伝熱ブロック３及び熱伝導素子４はＣｕ、
ＡＱ、Ｓ　ｉＣ，Ａｌ１Ｎ、Ｃｕ−Ｍｏ複合材のいずれ
も使用することができる。特に、前者にはＡＱＮ又はＣ
ｕ　−Ｍ　ｏ材、後者にはＡＱ又はＣｕを使用するのが
好ましい。ＳｉＣ焼結体にはＢｅを０．１〜３．５重量
％を含む室温の熱伝導率が０．２５ｃａ１２／■・ｓｅ
ｅ・℃以上のものが良い。

第４図は本発明の冷却装置を用いた実施例２である。熱
伝導素子４１は太鼓型の一部が斜め方向に切断した形状
を有し、ボール７１を介してばね８によって伝熱ブロッ
ク３に接触するように加圧される。本実施例においても
熱伝導素子４１はチップ１０又は多層基板１２の傾き、
上下方向への変形に追随して動き、常に伝熱ブロック３
と接触するように力が加えられる。その結果、良好な冷
却が得られる。この伝熱ブロック３内の熱伝導素子４の
接触部分近傍に冷媒が流れる流路を設けることができる
。

第５図は本発明の冷却装置を用いた半導体モジュールの
断面図である。本実施例は実施例１．と同じ熱伝導素子
４を用い、その伝熱ブロック３との接触部分近傍に液体
冷媒を流す流路８１が設けられたものである。８２及び
８３は半導体モジュールを一体に封止するためのもので
、はんだによって接合することができる。８４はチップ
１０と多層基板とを樹脂で接合するもので、微細なゴム
状粒子とアルミナ、シリカ粒子の如く熱伝導性の高い無
機フィシが混入した樹脂が用いられる。

第６図は本発明の冷却装置を用いた半導体モジュールの
断面図である。本実施例はキャリア基板１０１に半導体
素子１０をはんだボール１１によってフリップチップ接
続し、その裏面をキャップとなる補助基板１０３に全面
ではんだ接続し、枠体１０４を介して気密封止したもの
である。これらの封止部材としてはセラミック焼結体が
好ましい。補助基板１０３はＡρＮ、ＳｉＣ等の高熱伝
導性焼結体が好ましく、室温で０．１ｃａＱ／■・ｓｅ
ｃ・℃以上の熱伝導率を有し、熱膨張係数から３．５〜
１０”−Ｂ／’Ｃ付近の半導体素子に近似したものが好
ましい。

キャリア基板は１層又は多層の回路基板からなり、いず
れの場合もその裏面に導通するスルーホール導体が設け
られ、多層回路板１２の熱膨張係数と半導体素子のそれ
との間、好ましくは中間付近のものが好ましく、３ＡＱ
２０３・２Ｓｉ○２ムライト焼結体が好ましい、枠体１
０４はセラミック焼結体からなり、同じくムライト焼結
体が好ましく、補助基板１０３とキャリア基１０１とを
はんだ等によって接合され、半導体素子１０を非酸化性
ガスとしてＡｒ、Ｈｅ等のガスで気密封止される。

このように、本発明に係る半導体パッケージ１０２は第
２図に示すように複数個多層回路板１２上に搭載され、
更に全体が気密に封止される。

その内部には非酸化性ガスが封止される。この１ケの半
導体素子１０からなるパッケージは全体の実装の作業上
、安全性の面で好ましい。キャリア基板１０１は多層回
路板１２に同様にはんだボールによってフリップチップ
接続され、前述の実施例１と同様に熱伝導素子４と伝熱
ブロック３との接触によって冷却される。伝熱ブロック
３はその内部又は他に液体冷媒流路を設けた部材を接合
して冷却される。多層回路板１２は更にプリント基板２
５にピン１３を介して接続される。

本実施例によれば、半導体素子１ｏと冷媒流路までの熱
抵抗を２℃／Ｗ以下にすることができ、半導体素子１０
の平均温度を約６０〜７０℃にすることができ、最高温
度を８５℃以下に抑制することができる。冷媒として水
が用いられ、水の温度は室温より若干高めの温度に設定
して循環され、露結を防止できる。

本実施例におけるパッケージは第４図の冷却装置を用い
たものにも適用できる。これらの図中の半導体素子部分
をパッケージに置き換える。

第７図は本実施例１の冷却装置を使用したコンピュータ
実装構造の一例を示す斜視図である。

ＬＳＩマルチチップモジュールパッケージ５８は、水冷
式の多層セラミック基板にＬＳＩが搭載され、その基板
に設けられたピンによって多層プリント基板５５に接合
されている。多層プリント基板５５のいずれの端部にも
接続用の端子が設けられており、コネクタ６０が両端部
に接続され、外部端子に接続される。一方のコネクタは
バックボード５６に設けられた多芯コネクタに接続され
、三次元の実装構造となる。ＬＳＩは冷却用パイプ５９
によって水によって冷却される。

本実施例によれば効率の高い冷却が得られよりコンパク
トな構造とすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、簡単な構造で半導体素子の前後左右の
傾き追従して移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を
与えず冷却ができ、更に冷却素子同士が衝突するのを抑
制でき、複数のチップを効率良く冷却できる効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図及び第４図〜第６図は本発明の一例を示
す冷却装置を用いた半導体モジュールの断面図、第３図
は本発明の冷却装置を用いた半導体モジュールの斜視図
、第７図は本発明の冷却装置を用いたコンピュータ実装
構造の斜視図である。Ｊ・・・伝熱ブロック、４・・熱伝導素子、８・・・弾
性部材（ばね）、１ｏ・・発熱素子（半導体素子）、１
１・・・はんだボール、１２・・・多層回路板、１３・
・・ピン、２５・・・多層プリント基板、５６・・・バ
ンクボール、５７・・・コネクタ、７１・・・ボール、
８４・・・樹脂、１０１・・・キャリア基板、１０３・
・・補助基板筒図第図第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

１．平面１を含む構造体Ａ、平面１と間隔を隔て角度α
を成す平面２を含む構造体Ｂ、平面１と面接触する平面
３を有し、且つ、凸状にわん曲し平面２と線接触する曲
面４を有する構造体Ｃより成り、構造体Ｃは、熱伝導性
の部材で構成され平面１と平面２を伝熱し、構造体Ｃは
、平面１に対して０＜β＜α＋５゜なる式で限定された
角度βの方向に弾性体で加圧され、構造体Ｃは、平面１
及び平面２の傾きに適応して、面接触，線接触を保つよ
うに自由に動くことを特徴とする実装冷却方法。
２．請求項１記載の実装冷却方法において、構造体Ｃと
構造体Ｂの接触面にも加圧されることを特徴とする実装
冷却方法。
３．請求項１記載の実装冷却方法において、構造体Ｃの
平面４が任意の曲面であることを特徴とする実装冷却方
法。
４．半導体，超電導素子等の熱を発生する素子及びこれ
らの冷却部より構成された電子装置の実装冷却方法にお
いて、平面１を含む熱発生素子Ａ、平面１と間隔を隔て
角度αを成す平面２を含む冷却部Ｂ、平面１と面接触す
る平面３を有し、且つ、凸状にわん曲し平面２と線接触
する曲面４を有する冷却素子Ｃより成り、冷却素子Ｃは
、熱伝導性の部材で構成され平面１と平面２を伝熱し、
冷却素子Ｃは、平面１に対して０＜β＜α＋５゜なる式
で限定された角度βの方向に弾性体で加圧され、冷却素
子Ｃは、平面１及び平面２の傾きに適応して、面接触，
線接触を保つように自由に動くことを特徴とする実装冷
却方法。
５．請求項４記載の実装冷却方法において、α／２＜β
＜（α＋２゜）であることを特徴とする実装冷却方法。
６．請求項４記載の実装冷却方法において、２０゜＜α
＜７０゜であることを特徴とする実装冷却方法。
７．請求項４記載の実装冷却方法において、冷却素子Ｃ
がセラミック性であることを特徴とする実装冷却方法。　２０゜＜α＜７０゜であること。
８．請求項４記載の実装冷却方法において、冷却素子Ｃ
に力を加える弾性体がバネであることを特徴とする実装
冷却方法。
９．請求項４記載の実装冷却方法において、冷却素子Ｃ
の曲面４が円筒面上であることを特徴とする実装冷却方
法。
１０．請求項４記載の実装冷却方法において、冷却素子
Ｃの周囲を熱伝導性の高い不活性ガスＨｅで封止するこ
とを特徴とする実装冷却方法。