JPH02224265A - 半導体チップの冷却装置及びその製造方法 - 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、半導体チップの冷却装置及びその製造方法に
係り、特に、回路基板上に多数配置された半導体チップ
の発生熱の冷却に好適な半導体チップの冷却装置とその
製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の半導体チップの冷却装置は、一般に特開昭６０−
１２６８５３号公報（対応米国特許第４７７０２４２号
明細書）記載の如く熱伝達部材をＳｉＣの如き絶縁性材
料で形成していた。これは導電性材料を用いることによ
り半導体チップ同士が互いにショートすることを回避し
たものである。同公報には導電性材料を用いる場合も提
案されているが半導体チップと熱伝達部材との間に電気
絶縁処理を施こすことを開示するに止まる。

一方、放熱体を絶縁性の樹脂で被覆しようとする発想が
特開昭６１−１３７３５１号公報に開示されている。こ
の皮膜はリード部分と放熱体との直接接触を回避すべく
両者間に設けた介在物である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが熱伝達部材同士の作る微小間隙は極めて幅が狭
い為１組立時や回路基板の熱応力変形、或いは運搬や、
運転中の何らかの外部因子による振動等により簡単に接
触してしまい、必然的に摺動をきたす、特に金属は摺動
に際して損傷を受は易く、微量、微小ながら金属屑が発
生し、これが回路基板に落下すると回路配線上でショー
トが起こってしまう危険性が内在する。上記従来技術の
いずれも微小間隙での摺動に対策する技術は開示してお
らず、特に近年の高電実装への対処が強く望まれている
。

本発明の目的は、熱伝導性が良く、フィンの接触面から
金属ダストの発生しない半導体チップの冷却装置及びそ
の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点を達成する手段としては、２つのものが考え
られる。一方は植成部材にセラミック等の絶縁材を用い
るもので、他方は構成部材の表面を絶縁処理する方法で
ある。しかし、難削材であるセラミック材を前記冷却装
置のハウジング及び熱伝達子の形状に成形加工するより
も材質及び加工上の問題点を考慮し、冷却装置を加工が
容易な金属を構成材料として成形加工した後、その表面
を絶縁性高分子膜等で皮覆し絶縁化する方が簡便であり
、実効がある。また摺動による切削屑防止という意味で
はセラミクス材や金属材の表面を絶縁性の損傷防護膜で
覆うことが効果的である。

更に、当該冷却装置構成部材の目的である熱伝導性を大
きく阻害しないよう、皮膜厚さは薄くする必要があり、
この目的に対流する高分子膜装置方法は、電着法、蒸着
法、等を用いた製造方法が適している。

本発明の半導体チップの冷却装置は次の内少なくとも１
の構成を特徴とする。

（１）回路基板上に実装された半導体チップの背面に接
するように搭載された第１の熱伝達部材と。

該第１の熱伝達部材に微小間隙を介して対向配置されて
冷却媒体への放熱経路となる第２の熱伝達部材とを備え
て成る半導体チップの冷却装置において、前記第１．第
２の各熱伝達部材は導電性材料で形成され、かつ該第１
の熱伝達部材若しくは第２の熱伝達部材または相方の熱
伝達部材について少なくとも前記微小間隙に面する部位
の一部または全部に絶縁性皮膜を形成して成る。

（２）回路基板上に実装された半導体チップの背面に接
するように搭載された第１の熱伝達部材と。

該第１の熱伝達部材との間で互いに摺動し得る位置関係
になるよう対向配置されて冷却媒体への放熱経路となる
第２の熱伝達部材とを備えて成る半導体チップの冷却装
置において、前記第１の熱伝達部材若しくは第２の熱伝
達部材または相方の熱伝達部材について少なくとも前記
摺動可能性部位の一部または全部に絶縁性皮膜を形成し
て成ることを特徴とする。

（３）前記＜１）又は（２）において前記絶縁性皮膜は
前記熱伝達部材の損傷乃至微細破片落下を防止する損傷
防護膜であることを特徴とする。

（４）回路基板上に実装された半導体チップの背面に接
するように搭載された第１の熱伝達部材と。

該第１の熱伝達部材に対向配置されて冷却媒体への放熱
経路となる第２の熱伝達部材とを備えて成る半導体チッ
プの冷却装置において、少なくとも前記第１の熱伝達部
材は導電性材料で形成され、かつ前記第１の熱伝達部材
の少なくとも前記回路基板に対向する面の一部又は全部
に絶縁性皮膜を形成して成ることを特徴とする。

（５）回路基板上に実装された半導体チップの背面に接
するように搭載された第１の熱伝達部材と、該第１の熱
伝達部材に対向配置されて冷却媒体への放熱経路となる
第２の熱伝達部材とを備えて成る半導体チップの冷却装
置において、少なくとも前記第１の熱伝達部材は導電性
材料で形成され、かつ該第１の熱伝達部材と前記回路基
板との対峙された空間内に絶縁性シートを配置して成る
ことを特徴とする。

（６）回路基板上に実装された半導体チップの発生熱を
ハウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導体
チップ背面に接触し他方が微小間隙を介してハウジング
側と係合する熱伝達子を備え、前記ハウジングに形成し
た複数のフィンと前記熱伝達子に形成した複数のフィン
とを噛合した半導体チップの冷却装置において、前記ハ
ウジング及び熱伝達の少なくとも一方が導電性材料で成
り、前記ハウジングに形成した複数のフィン及び前記熱
伝達子の一方または一方の少なくとも一部を絶縁性皮膜
を施こして成ることを特徴とする。

（７）回路基板上に実装された半導体チップの発生熱を
ハウジングに伝えて冷却するために、夫々の一端が前記
半導体チップ背面に接触する複数の熱伝達子を前記ハウ
ジング内面に形成した複数の凹部の夫々に微小間隙をも
って嵌挿して成る半導体チップの冷却装置において、前
記ハウジング及び熱伝達子の少なくとも一方が導電性材
料で成り、少なくとも前記微小間隙に面する前記ハウジ
ング及び／または熱伝達子の一部又は全部に絶縁性皮膜
を施こして成ることを特徴とする。

（８）上記（４）、　（６）又は（７）において前記絶
縁性皮膜は前記熱伝達部材の損傷乃至微細破片落下を防
止する損傷防護膜であることを特徴とする。

（９）上記（ｉ）、　（２）、　（４）、　（６）若し
くは（７）の絶縁性皮膜、ａ求項３若しくは８記載の損
傷防護膜又は請求項５記載の絶縁性シートの材質は高分
子樹脂、セラミクス、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭
素の群から選ばれるものであることを特徴とする。

（１０）上記（９）の高分子樹脂はエポキシ樹脂、アク
リル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリパラキシリジン樹脂
の群から選ばれるものであることを特徴とする。

（１１）上記（９）の高分子樹脂から成る絶縁性皮膜の
厚さが１〜１５μｍであることを特徴とする。

（１２）回路基板上に実装された半導体チップの発生熱
をハウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導
体チップ背面に接触し他方が微／Ｊ％間隙を介してハウ
ジング側と係合する熱伝達子を備え、前記ハウジングに
形成した複数のフィンと前記熱伝達子に形成した複数の
フィンとを互いに嵌め合わせるようにした半導体チップ
の冷却装置において、前記ハウジング及び熱伝達子の材
質が導電性材からなる場合、回路基板上に実装された半
導体チップ部のみ除外した絶縁性シートを回路基板上に
配置したことを特徴とする。

（１３）半導体チップを収納するハウジング内面に突設
した冷却フィンと、半導体素子の背面に突設した冷却フ
ィンを噛合せるものにおいて、少なくとも半導体素子側
の冷却フィンにダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状
炭素膜をコーティングしたことを特徴とする。

（１４）回路基板上に実装された半導体チップの発生熱
をハウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導
体チップの表面に接触し、他方が微小間隙を介してハウ
ジング側と係合する熱伝導体と、該熱伝導体と前記ハウ
ジング間に介装された弾性部材とを備え、前記熱伝導体
は前記半導体チップの表面積よりも大きな底面積を有す
るベースと、該ベース上に一体に形成された複数の第１
フインとを備え、一方該複数の第１フインが係合する第
２フインをハウジング側に設けた半導体チップの冷却装
置の半導体冷却用フィンにおいて、本体を銅で形成し、
その表面層の表面に酸化アルミニウム層を成形したこと
を特徴とする。

（１５）前記（１４）の表面層が１表面から順に酸化ア
ルミニウム層、アルミニウム合金層・アルミニウム合金
層で成形されていることを特徴とする。

本発明の半導体チップの冷却装置（特に例えばフィン）
の製造方法は次の内少なくとも１の工程を特徴とする。

（１′）酸化アルミニウムコート。

（２′）ダイヤモンドコート。

（３′）ダイヤモンド状炭素コート。

（４′）電着コート。

（５′）蒸着コート。

上記（１′）の代表的な工程（表面層の成形工程）ま、
次の２つである。

Ａ、（ａ）銅の表面にアルミニウム層を加熱処理を含ん
で、その界面に銅・アルミニウム合金層を成形する工程
と。

（ｂ）前記アルミニウム層表面を酸化処理し、酸化アル
ミニウム層を成形する工程と からなることを特徴とする。

Ｂ、（ａ）銅の表面に酸化アルミニウムをコーティング
する工程と、 （ｂ）コーティング後に真空中で加熱し、アルミニウム
、銅界面に合金層を形成する工程と からなることを特徴とする。

上記（４′）の電着コートは水性塗料の塗料粒子成分を
荷重し電気泳動させて被塗物たる熱伝達部材表面上にそ
の成分を電気的に凝固・析出させることによるものであ
る。具体的には熱伝達部材を脱脂洗浄し、次いで上記電
着工程を経てコーティングを行い、その後順次水洗、脱
水、焼付けを行うことにより電着コートを施すことにな
る。

上記（５′）の蒸着コートは高分子材料を蒸発させて被
塗物たる熱伝達部材に付着させる蒸着工程により形成す
るものである。具体的には熱伝達部材を脱脂洗條した後
上記蒸着工程を経てコーティングすることになる。

〔作用〕

半導体チップの背面に搭載された第１の熱伝導部材と、
これに対向配置されるハウジング側の第２の熱伝導部材
とは熱伝達を考慮して極微細間隙をもって対峙している
１組立に際しては回路基板の熱膨張等の影響によって第
１の熱伝導部材には傾きが生じることがある。また第１
と第２の熱伝導部材を噛合、嵌合等組み合わせる作業に
おいては必然的に相互に接触が起こり、これに起因して
相互に部材が摺動することによりなる。更には装置の運
搬過程や運転過程において外力により振動が発生した程
度でも両部材は互いに接触し摺動することがある。

これらの振動現象は両部材間に微小間隙を積極的に設け
ている為であり、固着関係にはないからである。これは
組立工程の便宜や冷却効率、絶縁等を配慮した結果であ
る。この微小間隙や隣接する冷却装置間にはヘリウムガ
ス等が流通して冷却促進を図る。冷却流体の主流はハウ
ジングの上方に別途冷却室或いは冷却管路を形成してこ
れに純水等が流通している。従って２つの熱伝導部材は
半導体チップの放熱経路となる。

ところで上記の如く部材相互が摺動すれば前述したよう
に必然的に切削屑が発生するであろうところ本発明にお
いては所定部位に絶縁性皮膜や損傷防護膜がある為被膜
を仮に傷つけても本体（被塗物）に傷が発生せずそれど
ころか膜質次第で膜には傷すらも付かない。塗膜は一見
熱伝導を阻害しそうであるが膜厚、膜質を考慮すれば充
分熱伝導ロスを防げることを本発明者は実験的に確認し
た。この−見当たり前の技術が従来実施されていなかっ
たのは第１に非常に微細な間隙を却って狭めることにな
り摺動の自由を奪いかねないと考えられていたこと、第
２に今日はどコンピュータが高密度配線されておらず極
微小な切削屑の発生はそれ程問題視されていなかったこ
と、更に第３として複雑形状の熱伝達部材に対する適当
なコーティング方法が考えられていなかったこと等にあ
る。

本発明者はこれらを実験の積み重ねによって解決し本発
明に至ったものである。特にこの熱伝達部材の所定部位
への高分子樹脂の電着法、蒸着法は工程上極めて簡便な
ものである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例につき図面に従って説明する。

本発明の代表的な実施例を第１図に示す。

この図に示すように本実施例の冷却Ｖｔ置は熱伝達子４
（第１の熱伝達部材）のベース底面１０が半導体チップ
３の背面に接触している。半導体チップ３は半田球３に
て回路基板１に接合され実装されている１回路基板１の
下面には信号の入出力を行うＩ１０ビン９が設置されて
いる。熱伝達子４のフィン７はハウジング５（第２の熱
伝達部材）に形成したフィン８と嵌め合い、フィン７．
８同士は極微小間隙１７をもって各側面が対向している
。熱伝達子４とハウジング５の間に配置したばね６によ
って熱伝達子４が半導体チップ３に押し付けられる構造
になっている。

更にハウジング５には熱伝導体グリース層１５を介して
水冷ジャケット１６が接合されており、水冷ジャケット
１６内は純水１３が流通している。

尚、水冷ジャケット１６内の純水流路は平板状空間でも
隔壁で仕切られる等して形成された管路でも差し支えな
い。また本例では水冷ジャケット１６を例示しているが
冷却手段はこれに限定されない、フィン７．８の配置さ
れた密閉空間には例えばヘリウムガス１４が充満して熱
伝導と冷却に寄与している。この密閉空間への充填ガス
は水素ガス等他の熱伝導率の良好なガスでも差し支えな
い。

半導体チップ３及びフィン７．８から成る冷却装置の単
位構造物は通常複数単位が一つのパッケージ内に収納さ
れており１回路基板１．ハウジング５．水冷ジャケット
１６は一つのパッケージ内の各冷却装置の単位構造物に
共用される。

本例においては熱伝達子４の全域に絶縁性皮膜１１が、
またハウジング５のフィン８を含む面全域にも絶縁性皮
膜１２を施こしである。

次に本実施例を適用したパッケージを第２図に示す。第
２図はパッケージの１単位を４分の１に分割した斜視断
面図である。尚、水冷ジャケット１６は図示省略しであ
る。また本例では半導体チップ３の数は４行×４列の計
１６ケとし回路基板１上に等間隔で配置されている。ハ
ウジング５は箱状を呈し、その外周が内面に形成したフ
ィン８の上面より高くなり、外周の大きさは１回転基板
２の外周とほぼ等しい。

第２図において、銅或いアルミニウムのような熱伝導性
の良好な材料により作られたハウジング５の内面には、
多数のプレート状のフィン８が第１図の要領で互いに平
行に設けられている。一方。

半導体チップ３の背面の伝熱面積より大きな面積を有す
る熱伝達子４のベースの上にも、前記フィン８と同ピツ
チでプレート状のフィン７が多数ベースと一体に設けら
れている。

回路基板１の半導体チップ３実装面の外周付近に設けた
接続部とハウジング５の外周とは、熱伝達子４及びばね
６を内包した状態で半田２３で接続した。

ハウジング５のフィン８と熱伝達子４のベース上のフィ
ン７とは、互いに微小間隙１７を保って嵌め合わされて
いる。熱伝達子４のベースは、半導体チップ３の接続用
の半田球２に影響を及ぼさぬ様にはね定数が柔わらかい
ぼね６によって半導体チップ３に押し付けられ、半導体
チップ３の背面と互いに面接触している。ばね６は、フ
ィン８の隙間に作られたばね穴２ｏ内に挿入され、ハウ
ジング５に設刑られた穴１８と熱伝達子４のベース中央
に設けられた穴１９とで固定されている。

この場合、ばねの作用点が熱伝達子４ベース及びハウジ
ング５の両端に設けられるので、熱伝達子４を半導体チ
ップ３に対して安定に押し付けることができると共に、
ばね６の長さを充分長くとることができる。更に、熱伝
達子４のベースが半導体チップ３の上からずれ落ちない
ように防止することもでき、そして常に半導体チップ３
の中央に熱伝達子４を面接触させることができる。

尚、フィン７．８夫々表面には、第１図に説明したよう
に全面に絶縁皮膜が塗工されている。

半導体チップ３により発生した熱は、半導体チップ３の
背面から半導体チップ３背面に全面接触している熱伝達
子４のベースに一旦伝えられ、ベース内で一様に拡散さ
れた後に熱伝達子４のベース上に形成されたフィン７に
伝わる。そして、各各機小間隙１７のヘリウムガス層か
ら、ハウジング５内面のフィン８へと伝わり、最終的に
ハウジング５上部に取付けられた水冷ジャケット１６内
の純水１３により持ち去られる。この伝熱経路において
熱を効率良く伝えるため、半導体チップ３の背面と熱伝
達子４のベース底面とは密着性を良くし、ハウジング５
内のフィン８と熱伝達子４のフィン７とはできるだけ近
接させる必要がある。

このような構造から成る冷却装置のハウジング５及び熱
伝達子４の材質が金属等の導電性材料の場合、冷却装置
組立時及び温度変化に伴う相対変化に起因した摺動によ
り、フィン７とフィン８の嵌め合い部及び、熱伝達子４
のベースとチップ３の接触部から必然的に金属屑が発生
するところ、本例ではこの摺動領域に絶縁性皮膜１１．
１２が存在する為にこのような問題は起きない、一方半
導体チツブ３が多数配置された回路基板１には微細配線
が形成されており、最小配線間隔以上の導電性屑が基板
１上に落下した場合、配線間を短絡し、半導体チップ３
の異常な動作を生じさせるという問題が従来あったが金
属屑は発生しないのでそのような問題や発生しなくなっ
た。

尚、かかかる構造における冷却装置の組立て、または稼
動時に構成部材の熱膨張係数差もしくは温度分布等に起
因して発生する相対変化によって、半導体チップ３と熱
伝達子４のベース底面１０゜及び熱伝達子４のフィン７
とハウジング５のフィン８が必然的に互いに摺動する１
本実施例の構造においては、構造部材の材質が金属であ
っても前記摺動による摩耗粉の発生は、熱伝達子４及び
ハウジング５に反覆した絶縁皮膜１１．１２により防止
される。従って、冷却装置内の基板１への金属摩耗粉の
落下はなく、基板１に形成された配線間の短絡も防止で
き、冷却装置稼動時の信頼性が確保できる。

第１図のハウジング５が高熱伝導性の絶縁材、たとえば
高熱伝導セラミックスで構成された場合には、熱伝達子
４のみを絶縁膜で反覆しても同様の効果が得られる。

更に、第１図におけるばね６を同様に絶縁膜で皮膜する
と信頼性は、より向上する。

つぎに皮膜厚さは、冷却装置としての熱抵抗を低くする
ためには薄くするべきである。

しかし、冷却装置構造全体の熱抵抗設計により膜厚さの
許容範囲は大きく変わるため、限定できない、また、摺
動による金属摩耗粉の発生防止のためには厚くする必要
がある。更に成膜方法の制限特に熱伝達子ベース底面の
平坦性により最小。

最大厚さが決まる０本発明においては、これらの点につ
き行った実験結果から耐摩耗の点から１μｍ以上、成膜
方法の限界から１５μｍ以下とし。

絶縁皮膜厚さを１μｍ〜１５μｍの範囲が好ましい。

具体的には熱伝達子４の全体及びハウジング５の内面に
はエポキシ皮膜を反覆しである１回路基板１の材質とし
てアルミナセラミックスを用いた。

また熱伝達子４及びハウジング５ともに高熱伝導（０，
４７ｃ　ａ　Ｑ　／ａ＋＋’　ｓ　・’Ｃ）でアルミナ
セラミックスの熱膨張率に近い熱膨張率（７，２Ｘ　１
０−’／”Ｃ）の特性を持つ銅モリブデン合金を用いた
。

熱伝達子４及びハウジング５の台面へのエポキシ皮膜の
反覆は電着法を用いて行った。尚、電着法の詳細につい
ては後述する。電着はカチオン電着法により行い、次表
に示す条件で反覆処理を行った後、１７５℃で３０分の
加熱処理を行い、皮膜厚さ５μｍの強固な絶縁膜を得た
。この反覆処理において、ハウジング５の外周面及び回
路基板１との半田接合をするためにあらかじめメタライ
ズを施こした部分にはテーピングにより反覆防止処理を
行い電着作業に供した。

このような反覆処理後、冷却構造体の組立てを行い、そ
の後分解して熱伝達子４のベース底面１０及びフィン７
等をＳＥＭ等により調査したが、摺動の痕跡は認められ
なかった。したがって本実施例によれば金属摩耗粉の発
生はなく、金属材からなる冷却装置の絶縁化技術として
の効果がある。

第３図に他の実施例を示す、第２図の実施例に対し、ハ
ウジング５に設けられるフィン８が、各半導体チップ３
個々に対応するように個別に設けられてる。その他の点
は、第２図の実施例と同じである。フィン８を分割した
ため、たとえハウジング５が熱変形あるいは外力などに
よる応力変形を生じても、熱伝達子４のフィン７とハウ
ジング５のフィン８が互いに噛み合って損傷し合う確率
が低くなる。

尚、第３図の例ではハウジング５の内面を突出させてフ
ィン８を形成したが、他の案として第４図に示した如く
フィン８を半導体チップ３側における熱伝達子４と同じ
ようにハウジング５側の熱伝達子２１のフィン８として
製作し、その後、熱伝達子２１をハウジング５の内面に
接合しても良い０本実施例の場合、面熱伝達素子４，２
１は、同一のプロセス中で作ることができるため、フィ
ン７．８を容易に同一精度で作ることができる。

また、ハウジング５に直接フィン加工するよりも別々に
製作した方が、ハウジングの生産性を高めることができ
る。

第５図に示す実施例は、各熱伝達子２１の底面積の大き
さをチップ１個当りの最大占有面積に等しくなるように
すると共に、各熱伝達子２１をハウジング５から分離し
て摺動自在としたものである。この実施例によれば、隣
接する熱伝達子２１が互いに接触するので、各熱伝達子
２１の水平方向の移動が阻止され、ハウジング５内の各
熱伝達子の位置が自動的に決まる。従って、ハウジング
５、熱伝達子２１，４を各々、独立に形成することがで
き、生産性が向上する。隣接する熱伝達子２１同士も摺
動するが本例ではこの摺動面にも絶縁性皮膜を施こしで
あるので問題はない。

以上、上記の実施例では、各ＬＳＩチップに対していず
れも熱伝導体のフィンの高さを一定の長さあるいはフィ
ン枚数を同じとして説明してきたが、半導体チップは、
動作状態あるいは電気回路が異なるので、その発生熱量
も異なる。半導体チップの動作信頼性を向上させるため
、半導体チップの温度を一定に保つ必要がある。従って
、各半導体チップの状態によって、熱伝達子のフィン、
あるいはハウジングのフィンの長さ、または各々フィン
枚数を調整すれば、簡単に温度コントロールできる。特
に、熱伝導体のフィンを低くしても、熱伝達子の押付用
ばねの長さは変化しない。

また、熱伝達子あるいはハウジングの材質は。

高い熱伝導率を有する銅あるいはアルミニウムが一般的
であるが、半導体チップの背面は、特別の電気絶縁処理
を施さないかぎり、電気伝導性であるため、銅或いはア
ルミニウム製の熱伝達子を押し付けたら、各半導体チッ
プは互いにショートしてしまう、従って、熱伝達子或い
はハウジングを電気絶縁性に富み、高熱伝導率を有する
微意のベリリウムを含有するＳ　ｉ　−Ｃ材にすれば、
銅とアルミニウムとの中間の高い熱伝導率を確保するこ
とができると共に、基板あるいは半導体チップとの熱膨
張率の差を小さくできる。

なお、本発明の範囲から離れることなく、各フィンの枚
数、及び半導体チップ搭載数などは当然変更してもよい
、また半導体チップとしては裸のＬＳＩチップの代わり
に多段のＬＳＩチップを予めマイクロチップキャリア内
に実装して収容したマルチ・チップ・モジュールに以上
の各実施例構造を適用しても良い、すなわち本発明の半
導体チップはマルチ・チップ・モジュールを包含する概
念である。

本発明の他の実施方法としては、第６図に示すように、
ハウジング５及び熱伝達子４の一方もしくは一方が金属
性で且つ絶縁皮膜を当該ハウジング５．熱伝達子４に施
こさない場合の絶縁方法として、回路基板１に配置され
た複数の半導体チップ３部のみを除き、回路基板１全面
を隔離シート２２で覆った構造とした。当該隔離シート
２２は、半導体チップ３の周囲に密着する構造とし、絶
縁性、耐熱性を有する材質であることが必要であり。

例えば、２２０℃の耐熱性を持つ絶縁紙であるアラミツ
ド紙等が挙げられる。

本実施例の冷却装置構造及び構成材は、前記第１の実施
例と同じであるが、熱伝達子４及びハウジング５への絶
縁膜の反覆は行わない。本実施例における金属摩耗粉の
回路基板１への落下防止、すなわち絶縁化には第７図に
示す隔離シート２２を用いて対撚した。当該隔離シート
２２は第７図に示すように回路基板１に実装した半導体
チップ３の数だけ穴２４が空き、その形状は半導体チッ
プ３の外径に、またその位置は回路基板１への半導体チ
ップ３の配置位置に一致させた。更に、半導体チップ３
の外径に隔離シート２２の穴２３の周囲が密着するよう
に、第８図に示すような突起形状からなるシール部２５
を形成した。隔離シート２２の材質は、耐熱性と絶縁性
を有するアラミツド紙を用いた。この隔離シート２２を
用い冷却装置の組立てを行った後分解して調査した所非
常にわずかに発生した金属摩耗粉が、当該隔離シート２
２のシール部２５に残留しており隔離シート２２の効果
が確認された。なお、隔離シート２２のシール部２５の
形状として第９図に示すカール状のシール部形状も同様
の効果を示す０以上、本実施例によれば、金属材からな
る冷却装置において、発生する金属摩耗粉を微細配線が
施こされている回路基板１側に落下させることなく稼動
させることができる。

更に、他の実施方法として、摺動により発生した金属摩
耗粉が回路基板１の表面に落下させないように、冷却装
置の構造を反転させ上方に回路基板、下方にハウジング
が位置するようにしても良い、この結果、金属摩耗粉は
熱伝達子４の底面上に留まるか若しくはハウジング５の
フィン８の間に落下した。上記の２つの実施方法ともに
発生した金属摩耗粉は回路基板１上の配線上に落下する
ことなく、短絡の防止ができた。

本発明の他の実施例について、第１（１ｍにより説明す
る０本実施例に用いた冷却装置の外観及び内部冷却構造
は、前記第１の実施例と同じであるが構成材質が異なり
、ハウジング５は高熱伝導率。

低熱膨張係数の窒化アルミニウム、そして回路基板１及
び熱伝達子４の材質は前記第１の実施例と同じで夫々ア
ルミナセラミックス、銅モリブデン合金を用いた。また
、熱伝達子４を半導体チップ３の背面に押しつけるばね
６はステリシスＷ４！ｌｅ！を用いた。これら本実施例
の構成材の中で金属は熱伝達子４とばね６′であり、夫
々半導体チップ３及びハウジング５等の脆性材と接触す
るため１組立て時に摺動に伴う摩耗粉の発生が考えられ
る。

このため両部材に絶縁膜を反覆した。絶縁膜は高分子材
を蒸着法で皮膜する方法を用いた。反覆した高分子材は
ポリバラキシリレンであり、粉末状のダイバラキシリレ
ンを真空中（〜Ｉ　Ｔｏｒｒ）で約１７０℃に加熱して
蒸発させた後、約６８０℃で熱分解させてバラキシリレ
ンとし、真空中に常温で設置した被着部材に蒸着させた
。皮膜厚さは２μｍとした。

反覆処理部材を用い、冷却構造体の組立てを行った後１
分解して熱伝達子４及びばね６をｍ祭したが異常は認め
られず絶縁膜としての効果が確認された。本実施例によ
れば、伝熱部材への反覆処理が常温で行えるため熱的損
傷を排除でき、且つ−様な厚さの絶縁膜を形成でき、金
属摩耗粉の発生を防止できる効果がある。

本発明の他の実施例について、第１１図により説明する
。第１１図は本実施例に用いた半導体チップ冷却装置の
部分断面図である。当該冷却装置の構造は、回路基板１
上に半田球２により実装された複数の半導体チップ３の
背面に熱伝導性の良いＡｆｌ若しくはＣｕからなるピス
トン２５が、当該ピストン２５を収納する穴２６を備え
たハウジング３５の当該穴２６との間に配置した最終組
立状態で反発力を発生するばね６によって当該半導体チ
ップ３に押し付けられ、半導体チップ３から発生する熱
をピストン２５．ハウジング３５、そしてハウジング３
５に接触し流水部２７を持つ水冷ジャケット２８へと導
く形式のものである。かかる構造においてピストン２５
とハウジング３５の穴２６とは所定のギャップを有して
組立てられる。

当該冷却装置の伝熱経路を構成するピストン２５、ハウ
ジング３５．水冷ジャケット２８は。

ともに熱伝導性の良好な材質で構成した６本実施例では
ピストン２５は純ＡＱ、ハウジング３５及び水冷ジャケ
ット２８はＡＱ合金とした。また。

半導体チップ３を実装した回路基板１はアルミナセラミ
ックスから成るため、当該回路基板１とハウジング３５
との結合は、回路基板１の半導体チップ３を実装した面
と反対面の外周に根ロウによって接合したＦｅ−Ｎｉ系
合金から成るフランジ２９、フランジ２９の半導体チッ
プ３面側とハウジング３５との間に配置した金属製０リ
ング３０とを間にし、ハウジング３５とベース３２とを
ハウジング３５の外周部でフランジ２９の外周よりさら
に外側でボルト３１で締め付けることにより行ったー かかる状態において当該冷却装置は半導体チップ３．ピ
ストン２５．バね２６を内包した密閉構造体となる。こ
の後、ハウジング３５に設けたガス置換孔３３に取付け
たパイプ３６が接続したボルト３４を介し、密閉構造体
内部を５Ｘ１０”−’Ｔｏｒｒまで真空排気し、パイプ
３６に取付けたバルブ（図示せず）の切替えによって内
部にヘリウムガスを９．１２Ｘ１０”Ｔｏｒｒまで入れ
た後、パイプ３６の一部を圧着し、当該圧着部をハンダ
で包み込む方法により内部にヘリウムガスを封じた。

以上述べた構造において、本実施例では、ピストン２５
全域及びハウジング３５の穴２６内面にエポキシ樹脂か
ら成る保護膜５０．５１をそれぞれ５μｍ被覆した。被
覆は電着法を用いて行い。

ピストン２５はバね５に接する面に設けたネジ穴により
保持し全体について行った。またハウジング３５への被
覆は、穴２６の中に電着液を満たし。

穴２６の中央に位置するように、且つ全ての穴に配置し
た棒状電極とハウジング３５とに電圧を加える方法によ
り行った。

このような半導体チップ３の冷却装置においては、組立
時にハウジング３５の穴２６内へピストン２５が挿入さ
れるが、かかる場合において、ピストン２５と同２６と
は無接触で組立てられることは無く、少なくともピスト
ン２５のばね６側端面外周部が、穴２６の一部と接触し
ながら組立てられる。この際に、摺動による微少な摩耗
粉が発生する６本実施例は、このような摩耗粉の発生個
所に保護膜を被覆したものであり、摩擦係数の低下によ
るＡＭ粉末の発生防止及び、たとえ摩耗粉の発生があっ
てもエポキシからなるため絶縁性であるという効果があ
る。

なお、本実施例では構成部材の材質は、純ＡＱ及びＡ１
合金であるが、Ｃｕ系材、ＣｕＭｏ。

ＣｕＷ等の焼結合金でも同様の効果が得られる。

本発明の他の実施例について、第１２図により説明する
。第１２図は、本実施例に用いた半導体チップ冷却装置
の部分断面図である。当該冷却装置の構造は、回路基板
１上に半田球２により実装された複数の半導体チップ３
の背面に、その断面のハウジング４０に接触する部分が
円弧面４５゜半導体チップ３への接触面が平面、ばね穴
４３を備える面が平面の３面からなり、その長さが半導
体チップ３の配置間隔よりわずかに小さい大きさの熱伝
達子４１を、ばね穴４３を備える面が対抗するように２
ケ配置し、ばね穴４３にはばね４２を挿入した状態で、
ハウジング４０のＶＮ部４４に押付けられるものである
。

本実施例で用いた主な部材材質は、回路基板１がアルミ
ナ、ハウジング４０がＡＩＮ、熱伝達子４１がアルミニ
ウム又はアルミニウム系合金である。かかる構造体にお
いて、本発明の効果を付与した部材は熱伝達子４１であ
り、冷却装置内に実装される全てに対し全面に１μｍの
厚さからなるポリバラキシレン膜を皮覆した。反覆方法
は前述の実施例に詳述した電着法に準じた。

本実施例に述べた半導体チップ冷却装置の構造では、組
立て時にばね４２で連結した熱伝達子４１２ケを第１２
図に示すように当該熱伝達子４１の円弧面４５をハウジ
ング４０のＶ溝部４４に沿わせて所定位置まで押し込ん
だ状態で接合部４６でハウジング４０と回路基板１とを
接合する。

この場合に、熱伝達子４１は、円弧面４５がハウジング
４０のＶ溝部４４と、半導体チップ３に接する平面部が
半導体チップ３と摺動するが、本実施例では、前述の毎
く、熱伝達子４１にはポリバラキシリレンｌｌ！Ｉ５０
を皮覆しているため、ハウジング４０のＡＱＮ及び半導
体チップ３のＳｉと伝熱子４１のアミニウムとが直接摺
動することがない、したがって、金属摩耗粉の発生もな
く、半導体チップの正常動作が得られた。

以上の各実施例において採用した絶縁性皮膜の形成方法
は主に電着法であるが蒸着法も大変有効である。以下電
着法、蒸看法夫々により熱伝達子に樹脂を成膜させる方
法を詳述する。

（電着法） 電着法は、水性塗料の塗料粒子成分を荷重し電気泳動さ
せ、被塗物上にその成分を電気的に凝固析出させて反覆
する方法である。皮覆工程は、１）被塗物の脱脂洗條、
２）電着、３）水洗、４）脱水、５）焼付けからなる。

電着工程は、第１３図に示すように被塗物たる熱伝達子
４を陰極（−）。

塗料６０は正極（＋）とし陽極の材質は金属イオンの溶
出を抑えるためステンレス鋼を用い、固形分濃度１５〜
２０％の電着液６１を用いるカチオン電着法により行っ
た。１！！圧、電着時間は被塗物へ付着させる皮膜厚さ
により異なるが、電圧は３５０ｖ以下、電着時間は２分
以下とした。また、被塗物の保持は第１４図に示すよう
に、実施例で述べた熱伝達子４は、他部品との接触のな
い端面をばね構造の保持具６５ではさみ込む方法を用い
た。

更に、電着膜の焼付は条件は１７０〜１７５℃。

２５〜３０分とした。焼付は炉への被塗物のセットは針
状突起を多数設けた治具上に他部品との接触のない面を
載せて行った。

（蒸着法） 本皮積法は、高分子を蒸発させ被塗物に付着させる方法
である。皮覆工程は、１）脱脂洗條、２）装置への被塗
物セット、３）蒸着、からなり、試料のセットは他部品
と非接着の面を保持面とし、高分子蒸気流がスムーズに
流れるように、被塗物の向きを考慮した。

具体的には、第１０図の実施例に示す熱伝達子４のフィ
ンへ反覆する場合には蒸気流方向にフィン長手方向を合
わせ、第１２図の実施例では伝熱子４１への反覆を、伝
熱子４１へのバネ穴へ突起状治具を挿入しハウジング４
０のＶ溝部４４及び半導体チップ３と摺動する両面を蒸
気流方向に向ける方法により行った。

以上の実施例は皮膜を高分子樹脂としたが本発明はこれ
に限定されず以上の如き無機材料も有効である。

（ダイヤモンドコーティング） 本実施例は、加工性に優れるＣ　ｕ　、　Ａ　Ｑ等で形
成した前記冷却用フィンに絶縁性、熱伝導性、耐摩耗性
に優れるダイヤモンド薄膜、あるいはダイヤモンド状炭
素膜をコーティングすることにより達成される。

ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜は、製法
によって、ＡＱ以上の熱伝導性、１０６Ω’Ｑ１以上の
絶縁性、　１０００〜３０００Ｈｖ（ｉ’）硬度が得ら
れ、耐摩耗性膜としても優れた特性を有する。従って、
ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜をコーテ
ィングすることによって。

Ｃｕ或いはＡ１１３１Ｉの冷却用フィンは、熱伝導性を
損なうことなく、表面の絶縁性、耐摩耗性が著しく増し
、導電性ダストの発生が防げる。

本例では第１図の絶縁性皮膜１１．１２を損傷防護膜に
置き換え、この損傷防護膜として、ダイヤモンド膜ある
いはダイヤモンド状炭素膜を適用しである。

従来は、組立時に、この冷却フィン７．８間で摩擦等に
より金属ダストが発生し、前記のごとくショートの問題
を引き起こしていたが、冷却フィン７．８の表面に設け
られたダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜は
、冷却フィン７．８間の摩擦、摩耗を低減し、導電性の
ダストの発生を防ぐものである。

次に第１５．１６図により、各熱伝達子の冷却フィンに
ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜をコーテ
ィングする方法を以下に説明する。

第１５図はイオンビームスパッタ法によって。

ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜を冷却フ
ィン上に形成する装置の概略図である。

７は冷却フィン、７０は真空チャンバ、７１はターゲッ
トであり、本実施例では９９．９９９％のグラファイト
（φ１００■）を用いた。７２はイオンガン、７３はイ
オンガン用電源、７４はマスフローコントローラ、７５
は水素ガスボンベ、７６はアルゴンガスボンベである。

７７は水晶振動子型の膜厚測定子、７８は膜厚計である
。７９は回転導入端子であり、ターゲット７１をイオン
スパッタ中回転させるものである。８０は冷却フィンを
保持するホルダであり、ターゲット７１同様に、回転導
入端子７９によって回転することができる。

すなわち、ホルダ８０に多数の冷却フィン７を設置し、
真空を破ることなく次々とダイヤモンド膜あるいはダイ
ヤモンド状炭素膜のコーティングをすることが可能であ
る。８１は油拡散ポンプ、８２はゲートバルブであり、
油回転ポンプ８３と共に、コーティング前の容器内に真
空排気に用し）る。

まず、容器７０内を、Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以下に
真空排気する６次にイオンガンを７２からイオンビーム
をターゲット７１に照射し、ターゲットのグラファイト
をスパッタして、冷却フィン７上に堆積させる。膜厚は
膜厚計７８でモニタする。スパッタガスは、アルゴン、
水素の混合ガスで、全圧Ｉ　Ｘ　１０”−’Ｔｏｒｒ〜
５　Ｘ　１０一番Ｔｏｒｒであり、アルゴン、水素の分
圧比は１：１〜１：４である。イオンビームのエネルギ
は約１０００ｅＶ〜１２００ｅｖ、ビーム電流は４０〜
５０ｍＡとする。冷却フィン７は、Ｃｕ或いはＡＭ製で
あり、スパッタ時は室温である。形成される膜は、電子
線回折によると、アモルファス状の炭素膜であり、結晶
構造はダイヤモンド構造ではない、しかしながら。

比抵抗Ｉ　Ｘ　１０”〜５　Ｘ　１０”Ω・１．膜厚約
１〜２μｍに対してビッカース硬度１０００〜２０００
Ｈｖというダイヤモンドに近い性質のアモルファスカー
ボン膜、いわゆるダイヤモンド状炭素膜である。膜表面
は極めて平滑で、各種ＣＶＤ法で作られるダイヤモンド
膜のような凸凹はない、従って、摩擦、摩耗を問題とす
る冷却フィンのコーティングには好適である。

次に、直流グロー放電を用いたＣＶＤ法で、冷却フィン
にダイヤモンド膜或いはダイヤモンド状炭素膜を形成す
る方法を第１６図により以下に説明する。

第１６図は、直流グロー放電法によってダイヤモンド膜
あるいはダイヤモンド状炭素膜を形成する装置の概略図
である。８４は電極であり１本実施例では約φ５０ｍの
タングステン板を用いた。

８５は電極間にガスを送るノズルであり、その組成、流
量はマスフローコントローラ７４で制御する。７５は水
素ガスボンベ、８５はメタンガスボンベである。８６は
グロー放重用の直流電源。

８７は流量調節バルブ、８８は油回転ポンプ、８９はス
トップ）＜ルブである。

まず、油拡散ポンプ８１．油回転ポンプ８８によって、
容器７０内をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以下に真空排気
する０次にゲートバルブ８２．バルブ８９を閉じ、容気
内に水素、メタン混合ガスをノズル８５から流し込む、
流量調節バルブ８７．マスフローコントローラ７４によ
り、容気内圧力を平衡状態に保つ１本実施例では、全圧
１〜５　Ｔｏｒｒ、水素、メタンの分圧比は、５０：１
〜１００：１とした。圧力が平衡状態に達した後、電極
８４を陽極、冷却フィンを設けたホルダ８０を陰極とし
て両極間にグロー放電を生じさせる６両極間距離は１０
〜２０　ｔｍ、グロー電流は１０〜５０ｍＡとする。グ
ロー放電中でメタンガスが分解し、熱伝達子４の冷却フ
ィン上に堆積して炭素膜を形成する。

この際、熱伝達子４のフィン間をガスが流れ易いように
、ガスの流れ方向に対し、冷却フィンを平行に設置する
方がよい、なお本実施例の冷却フィンはＣｕ及びＡＱ＠
である。成膜中の冷却フィンの温度は、グロー放電によ
って多少上がるが全んど室温である０本実施例で形成さ
れる炭素膜は、電子線回折によると、微量にダイヤモン
ド微結晶を含むアモルファスカーボン膜である。厚み約
０．５μｍの膜の測定によると比抵抗１０’Ω・１以上
であり、いわゆるダイヤモンド状炭素膜である６表面は
平滑であり、他のＣＶＤ法で形成されるダイヤモンド膜
のような凸凹はなく、好適である。

イオンビームスパッタ法及び直流グロー放電法共に、炭
素膜を形成する前に、冷却フィン表面にＴｉＮ薄膜を形
成しておくと、炭素膜の接着力が増し都合がよいａ　Ｔ
　ｘ　Ｎ薄膜は熱伝導性を損なわない程度の厚み約１０
〜１１００ｎが良い、　ＴｉＮの成膜方法は反応性蒸着
、スパッタリング法等何でもよく、特に制限はない。

また、冷却フィンのダイヤモンド膜あるいはダイヤモン
ド状炭素膜のコーティング法も、ＡＱあるいはＣｕ製の
冷却フィンが耐えうる温度で形成できれば、他の制限は
ない、すなわち、イオン化蒸着法、イオンブレーティン
グ法、レーザスパッタ法等各種ＰＶＤ法、ＥＣＲプラズ
マ法、高周波プラズマ法、マイクロ波プラズマ法等各種
ＣＶＤ法などを用いてもよい、形成する膜は、凸凹のあ
るダイヤモンド結晶膜よりも、膜表面の平滑性に優れる
ダイヤモンド状炭素膜の方が都合がよい。

本実施例によれば、熱伝導性の優れるＣ　ｕ　。

ＡΩ製の冷却用フィンの表面を、熱伝導性を損うことな
く絶縁化することができ、さらに耐摩耗性も増すため導
電性ダストの発生が防げる。そのため、金属ダストによ
る半導体チップ配線間のショートが減り１組立後の素子
の信頼性を増し、コストを下げる等の数多くの効果があ
る。

（酸化アルミニウム層コーディング） 本実施例は、特性及びコストに優れるＣｕ１ｌの半導体
素子冷却用フィンの表面に、絶縁性、耐摩耗性に優れ、
熱伝導性が比較的よい酸化アルミニウム層を成形したも
のである。また鋼製の本体と表面層の強固に接着させる
ために、銅・アルミニウム合金層を成形したものである
。

酸化アルミニウムは１０工δΩ・ｍの絶縁性を有し、か
つモース硬度９と極めて硬く、熱伝導率は３０Ｗ／ｍ−
にと比較的良い、従って、Ｃｕ１ｌのフィン表面に酸化
アルミニウム層を成形することによって、フィン全体と
してはＣｕの熱伝導性を損なうことなく、耐摩耗性が増
し、金属ダストすなわち導電性ダストの発生を防止する
ことができる。従って、冷却特性の優れたフィンを低コ
ストで成形することができる。

また、酸化アルミニウム層の下に成形したアルミニウム
層及び銅・アルミニウム合金層は、ｍ化アルミニウム層
を銅フィンに強固に接着させ、酸化アルミニウム層の剥
離を防ぐことができる。

本例では、第１図、第２図の絶縁性皮膜１１゜１２を損
傷防護膜に置き換え、この損傷防護膜として酸化アルミ
ニウム皮膜乃至この膜を含む多層膜を適用しである。

本例においてもハウジング５と回路基板１とで囲まれた
密閉空間には、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。なお
、微小間隙１７内にだけ熱伝導性グリースなどの高熱伝
導性の液体を充てんしてもよい。

熱伝達子４のベースは、ＬＳＩチップ３に単に接触して
いるだけであるので、ＬＳＩチップ面に自由に追従し可
動することができる。一方、熱伝達子４をＬＳＩチップ
３から自由に引き離すことができる。

従来技術では冷却用フィンに熱伝導性の良いＣｕを用い
た場合、組立時に冷却用フィン７と８とのかじり、冷却
用フィンが自由に追従し、可動するため、摩擦等により
金属ダストが発生し、前記のごとくショートを引き起こ
す問題点を有していた。これを解決するため、本実施例
は、冷却用フィン７．８の表面に形成した酸化アルミニ
ウム層を形成し、冷却用フィン７と８間の摩耗を低減し
、導電性ダストの発生を防ぐようにしたものである０本
例ではセラミック基板１に搭載されたＬＳＩチップ３の
背面に本例によるＣｕ１ｌの本体の表面に酸化アルミニ
ウム層を成形した冷却用フィン７をばね６によって押し
付け、更にチップ全体を覆うハウジング５の内面に形成
された前記冷却フィンと同様の構成を有する冷却用フィ
ン７と前記冷却用フィン８とが嵌合されている構成とな
っている。

ＬＳＩチップで生じた熱はばね６によって背面に押し付
けられている冷却用フィン７に伝導し。

銅製のフィン本体（熱伝達子４の中核部）１表面に酸化
アルミニウム層を有する表面層１１．冷却用フィン８の
表面層１２．銅製のフィン本体８を順に熱伝達し、ハウ
ジング５へ伝わり、ハウジング上部に設けられた冷却器
により持ち去られる。

前記したように、半田球２に過大な応力がかからないよ
うに、熱伝達子４のベースは、ＬＳＩチップ３に単に接
触しているだけであるので、ＬＳＩチップ面に自由に追
従し可動することができる。

そのため、係合された冷却フィン７．８の表面は、互い
に摩擦接触する１本実施例の冷却フィンにおいては、前
記したようにフィン本体を銅で形成し、その表面に酸化
アルミニウム及層を成形しているので、耐摩耗性が良く
、絶縁性を有する。又、酸化アルミニウムの熱発導率は
３０Ｗ／ｍ−にと比較的良く、銅は熱伝導率が３９５Ｗ
／ｍ−にと優れているので高熱伝導性を有する。よって
、半導体冷却装置に適用することにより、熱伝導性が高
く、金属ダストの発生が極めて少ないため、信頼性を大
幅に向上でき、かつ冷却性能も高めることができる。又
、組立時にも金属ダストが発生することがなくなる効果
がある。

又、上記表面層は、ＬＳＩチップとの接触面に成形する
と金属ダスト発生を少なくする上で更に良い効果がある
。

更に、酸化アルミニウム層の剥離を防ぐためには１表面
層の酸化アルミニウム層の下に形成するアルミニウム層
と銅との間に銅・アルミニウム合金層を形成させると良
い、これにより、上記信頼性はさらに向上する。

次に、第１７図ないし第１９図により、Ｃｕ製冷却用フ
ィン表面に酸化アルミニウム層を形成する方法を以下に
説明する。第１７図ないし第１９図は本実施例による冷
却用フィンの製造工程を示すフィン縦断面の概略図であ
る。

まず、第１７図に示すような銅製のフィン７（又は８）
を形成する。銅製フィン形成時点ではフィンの肉厚は完
成時点よりも約１００〜１５０μｍ程度薄く加工してお
く０次に上記銅製フィン表面の酸化膜を除去後、加工基
準面を保護しながら約７００℃の溶融アルミニウム中に
一瞬浸たす。

溶融アルミニウムから銅製フィンを引き上げた後直ちに
冷却し、再びフィン形状に加工する。加工の際フィン肉
厚を銅製フィン７（又は８）の肉厚よりも約１００μｍ
程度厚くし、フィン表面がアルミニウム層９０となるよ
うにする。この時点でのフィンは第１８図に示すような
、銅製フィン７（又は８）表面に銅・アルミニウム合金
層（図示せず）を介してアルミニウム層９０が形成され
た構造とする。この時のアルミニウム層の肉厚は３０〜
５０μｍ程度あった方が望ましい６次に上記フィン表面
に陽極酸化法により、膜厚２０〜３０μｍの酸化アルミ
ニウム層を形成する０本実施例では、電解液として１５
％ＨｚＳＯａ、処理中の液温度は０〜１０℃、直流電圧
は１０〜２０Ｖ、電流密度は直流１〜２Ａ／ｄｎ（’、
処理時間約３０分とした。第１９図に陽極酸化処理後の
フィン断面構造の概略を示す（ただしフィン１本の断面
）。

フィンは表面から酸化アルミニウム層９２．アルミニウ
ム層９０（又は銅・アルミニウム合金層９１、そして鋼
本体７，８，４．５）という構造となる。

本実施例では、フィンの側面への付着を重視して、溶融
アルミニウム中へ銅製フィンを浸し冷却後再加工という
方法をとったが、アルミニウムのコーティング法に制限
はなく、電気めっき法、スパッタリング蒸着法、真空蒸
着法でもよい、ただし上記方法でアルミニウムをコーテ
ィングした場合、コーティング後に真空中にフィンを加
熱して、アルミニウム・銅界面に合金層を形成する必要
がある。また、本実施例では陽極酸化法によって酸化ア
ルミニウム層を形成したが、その形成法に制限はなく、
純酸化雰囲気中での加熱、酸化プラズマによる酸化等で
あってもよい、又、コーティングは、窒化アルミニウム
を行っても良い。

以上の工程により、熱伝導性の高い銅製の冷却フィンの
表面に熱伝導性を損なうことなく、耐摩耗性の良い酸化
アルミニウム層と銅フィンに強固に接着する役割を果す
銅・アルミニウム合金層を介して形成できるため、酸化
アルミニウム層の剥離を防止でき、金属ダストの発生が
極めて少ない高熱伝導性の冷却フィンを低コストで製作
できる。

本実施例によれば、熱伝導性、加工性に優れる銅製の冷
却フィンを、熱伝導性を損なわず、また線膨張係数を変
えることなく表面を絶縁化することができる。さらに、
耐摩耗性も増すため、導電性ダストの発生を押えること
ができる。そのため、金属ダストによる半導体チップ配
線間のショートを防止でき、組立後の素子の信頼性を高
めることが可能である。

【発明の効果〕

本発明によれば、基板上に配置した複数個の半導体チッ
プを冷却する装置において、当該装置の構成材が金属か
らなる場合でも、構成部材を絶縁膜で皮覆し金属摩耗粉
の発生を防止、または、発生した金属摩耗粉の基板上へ
の落下防止を図ることができるので、稼動的に金属粉が
原因となる短絡トラブルを排除でき半導体チップ冷却装
置の信頼性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図、第５図、第６図、第１０図。 第１１図、第１２図は夫々本発明の実施例に係る半導体
チップの冷却装置の要部の断面図、第２図。 第３図は夫々本発明の実施例に係る冷却装置の部分断面
斜視図、第７図は第６図の実施例に用いる絶縁シートの
平面図、第８図、第９図は夫々第７図に示した絶縁シー
トの一部を示す斜視図、第１３図は本発明の一実施例に
係る絶縁皮膜形成方法として電着法を採用した場合の製
造装置原理断面図、第１４図は第１３図の方法に用いる
べく熱伝達子を治具にて把持した側面図、第１５図はイ
オンビームスパッタ法によってダイヤモンド膜／ダイヤ
モンド状炭素膜を形成する装置の概略構成図、第１６図
は直流グロー放電ＣＶＤ法によってダイヤモンド膜／ダ
イヤモンド状炭素膜を形成する装置の概略構成図、第１
７図は銅製フィンの縦断面図、第１８図は銅製フィンに
アルミニウムをコーティングしたフィンの縦断面図、第
１９回は本発明の一実施例による酸化アルミニウム表面
層を有する銅製フィン（ただしフィン１本の断面）の縦
断面図である。 １・・・回路基板、２・・・半田球、３・・・半導体チ
ップ、４．２１・・・熱伝達子、５・・・ハウジング、
６・・・ばね、７．８・・・フィン、１１・・・熱伝達
子側絶縁皮膜、１２・・・ハウジング側絶縁皮膜、２２
・・・隔離シート。 ２５・・・シール部、５０．５１・・・絶縁性皮膜、６
゜・・・塗料、９０・・・アルミニウム層、９１・・・
銅・アルネ ２３・・・半田 第 ４−図 ／ム ネ Ｈ，１２・・・疏犠姓曵謀 単 図 第 乙 図 拓１０図 ３１７７図 ＄８図 ネ 凶 革１３図 第 １４−図 卓１４．ｖ１ ４−熱４這） ７ｏ−＠堡ヘッ、・ ３１−−−シ飴拡歓レア ８２−−−ヶ′−トハ゛１シブ゛ ３８−珀旧転ボ５デ ｇｚ−＝　’７−−）−バルフ゛ １７図 ′″８１８Ｉ２Ｉ 鴇１９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回路基板上に実装された半導体チップの背面に接す
   るように搭載された第１の熱伝達部材と、該第１の熱伝
   達部材に微小間隙を介して対向配置されて冷却媒体への
   放熱経路となる、第２の熱伝達部材とを備えて成る半導
   体チップの冷却装置において、前記第１、第２の各熱伝
   達部材は導電性材料で形成され、かつ該第１の熱伝達部
   材若しくは第２の熱伝達部材または相方の熱伝達部材に
   ついて少なくとも前記微小間隙に面する部位の一部また
   は全部に絶縁性皮膜を形成して成ることを特徴とする半
   導体チップ冷却装置。 ２、回路基板上に実装された半導体チップの背面に接す
   るように搭載された第１の熱伝達部材と、該第１の熱伝
   達部材との間で互いに摺動し得る位置関係になるよう対
   向配置されて冷却媒体への放熱経路となる第２の熱伝達
   部材とを備えて成る半導体チップの冷却装置において、
   前記第１の熱伝達部材若レくは第２の熱伝達部材または
   相方の熱伝達部材について少なくとも前記摺動可能性部
   位の一部または全部に絶縁性皮膜を形成して成ることを
   特徴とする半導体チップの冷却装置。 ３、請求項１又は２記載において前記絶縁性皮膜は前記
   熱伝達部材の損傷乃至微細破片落下を防止する損傷防護
   膜であることを特徴とする半導体チップの冷却装置。 ４、回路基板上に実装された半導体チップの背面に接す
   るように搭載された第１の熱伝達部材と、該第１の熱伝
   達部材に対向配置されて冷却媒体への放熱経路となる第
   ２の熱伝達部材とを備えて成る半導体チップの冷却装置
   において、少なくとも前記第１の熱伝達部材は導電性材
   料で形成され、かつ前記第１の熱伝達部材の少なくとも
   前記回路基板に対向する面の一部又は全部に絶縁性皮膜
   を形成して成ることを特徴とする半導体チップの冷却装
   置。 ５、回路基板上に実装された半導体チップの背面に接す
   るように搭載された第１の熱伝達部材と、該第１の熱伝
   達部材に対向配置されて冷却媒体への放熱経路となる第
   ２の熱伝達部材とを備えて成る半導体チップの冷却装置
   において、少なくとも前記第１の熱伝達部材は導電性材
   料で形成され、かつ該第１の熱伝達部材と前記回路基板
   との対峙された空間内に絶縁性シートを配置して成るこ
   とを特徴とする半導体チップの冷却装置。 ６、回路基板上に実装された半導体チップの発生熱をハ
   ウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導体チ
   ップ背面に接触し他方が微小間隙を介してハウジング側
   と係合する熱伝達子を備え、前記ハウジングに形成した
   複数のフィンと前記熱伝達子に形成した複数のフィンと
   を噛合した半導体チップの冷却装置において、前記ハウ
   ジング及び熱伝達子の少なくとも一方が導電性材料で成
   り、前記ハウジングに形成した複数のフィン及び前記熱
   伝達子の一方または一方の少なくとも一部を絶縁性皮膜
   を施こして成ることを特徴とする半導体チップの冷却装
   置。 ７、回路基板上に実装された半導体チップの発生熱をハ
   ウジングに伝えて冷却するために、夫々の一端が前記半
   導体チップ背面に接触する複数の熱伝達子を前記ハウジ
   ング内面に形成した複数の凹部の夫々に微小間隙をもつ
   て嵌挿して成る半導体チップの冷却装置において、前記
   ハウジング及び熱伝達子の少なくとも一方が導電性材料
   で成り、少なくとも前記微小間隙に面する前記ハウジン
   グ及び／または熱伝達子の一部又は全部に絶縁性皮膜を
   施こして成ることを特徴とする半導体チップの冷却装置
   。 ８、請求項４、６又は７記載において前記絶縁性皮膜は
   前記熱伝達部材の損傷乃至微細破片落下を防止する損傷
   防護膜であることを特徴とする半導体チップの冷却装置
   。 ９、請求項１、２、４、６若しくは７記載の絶縁性皮膜
   、請求項３若しくは８記載の損傷防護膜又は請求項５記
   載の絶縁性シートの材質は高分子樹脂、セラミクス、ダ
   イヤモンド、ダイヤモンド状炭素の群から選ばれるもの
   であることを特徴とする半導体チップの冷却装置。 １０、請求項９記載の高分子樹脂はエポキシ樹脂、アク
   リル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリパラキシリシン樹脂
   の群から選ばれるものであることを特徴とする半導体チ
   ップの冷却装置。 １１、請求項９記載の高分子樹脂から成る絶縁性皮膜の
   厚さが１〜１５μｍであることを特徴とする半導体チッ
   プの冷却装置。 １２、回路基板上に実装された半導体チップの発生熱を
   ハウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導体
   チップ背面に接触し他方が微小間隙を介してハウジング
   側と係合する熱伝達子を備え、前記ハウジングに形成し
   た複数のフィンと前記熱伝達子に形成した複数のフィン
   とを互いに嵌め合わせるようにした半導体チップの冷却
   装置において、前記ハウジング及び熱伝達子の材質が導
   電性材からなる場合、回路基板上に実装された半導体チ
   ップ部のみ除外した絶縁性シートを回路基板上に配置し
   たことを特徴とする半導体チップの冷却装置。 １３、半導体チップを収納するハウジング内面に突設し
   た冷却フィンと、半導体素子の背面に突設した冷却フィ
   ンを噛合せるものにおいて、少なくとも半導体素子側の
   冷却フィンにダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭
   素膜をコーティングしたことを特徴とする半導体チップ
   の冷却装置。 １４、回路基板上に実装された半導体チップの発生熱を
   ハウジングに伝えて冷却するために、一方が前記半導体
   チップの表面に接触し、他方が微小間隙を介してハウジ
   ング側と係合する熱伝導体と、該熱伝導体と前記ハウジ
   ング間に介装された弾性部材とを備え、前記熱伝導体は
   前記半導体チップの表面積よりも大きな底面積を有する
   ベースと、該ベース上に一体に形成された複数の第１フ
   ィンとを備え、一方該複数の第１フィンが係合する第２
   フィンをハウジング側に設けた半導体チップの冷却装置
   の半導体冷却用フインにおいて、本体を銅で形成し、そ
   の表面層の表面に酸化アルミニウム層を成形したことを
   特徴とする半導体チップの冷却装置。 １５、前記表面層が、表面から順に酸化アルミニウム層
   、アルミニウム層、銅・アルミニウム合金層で成形され
   ていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体チッ
   プの冷却装置。 １６、前記表面層の成形工程が、 （ａ）銅の表面にアルミニウム層を加熱処理を含んで、
   その界面に銅・アルミニウム合金層を成形する工程と、 （ｂ）前記アルミニウム層表面を酸化処理し、酸化アル
   ミニウム層を成形する工程と からなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体冷
   却用フィンの表面層の成形方法。 １７、前記表面層の成工程が、 （ａ）銅の表面に酸化アルミニウムをコーティングする
   工程と、 （ｂ）コーティング後に真空中で加熱し、アルミニウム
   、銅界面に合金層を形成する工程と、からなる請求項１
   ５に記載の半導体冷却用フィンの表面層の成形方法。 １８、前記絶縁性皮膜は水性塗料の塗料粒子成分を荷重
   し電気泳動させて被塗物たる熱伝達部材表面上にその成
   分を電気的に凝固・析出させることにより形成する電着
   工程によることを特徴とする請求項１、２、４、６、７
   又は１１記載の半導体チップの冷却装置の製造方法。 １９、前記損傷防護膜は水性塗料の塗料粒子成分を荷重
   し電気泳動させて被塗物たる熱伝達部材表面上にその成
   分を電気的に凝固・祈出させることにより形成する電着
   工程によることを特徴とする請求項３又は８記載の半導
   体チップの冷却装置の製造方法。 ２０、前記絶縁性皮膜は被塗物たる熱伝達部材を脱脂洗
   條し、次いで請求項１８記載の電着工程を経て順次水洗
   し、脱水し、焼付けを行うことにより形成することを特
   徴とする請求項１８記載の半導体チップの冷却装置の製
   造方法。 ２１、前記損傷防護膜は被塗物たる熱伝達部材を脱脂洗
   條し、次いで請求項１９記載の電着工程を経て順次水洗
   し、脱水し、焼付けを行うことにより形成することを特
   徴とする請求項１９記載の半導体チップの冷却装置の製
   造方法。 ２２、前記絶縁性皮膜は高分子材料を蒸発させて被塗物
   たる熱伝達部材に付着させる蒸着工程により形成するこ
   とを特徴とする請求項１、２、４、６、７又、は１１記
   載の半導体チップの冷却装置の製造方法。 ２３、前記損傷防護膜は高分子材料を蒸発させて被塗物
   たる熱伝達部材に付着させる蒸着工程により形成するこ
   とを特徴とする請求項３又は８記載の半導体チップの冷
   却装置の製造方法。 ２４、前記絶縁性皮膜は被塗物たる熱伝達部材を脱脂洗
   條した後、請求項２２記載の蒸着工程を行うことにより
   形成することを特徴とする請求項２２記載の半導体チッ
   プの冷却装置の製造方法。 ２５、前記損傷防護膜は被塗物たる熱伝達部材を脱脂洗
   條した後、請求項２３記載の蒸着工程を行うことにより
   形成することを特徴とする請求項２３記載の半導体チッ
   プの冷却装置の製造方法。