JPH02281747A - マルチチツプモジユールの封止冷却機構 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、マルチチップモジュールの冷却機構に係り、
特に、電子計算機等に用いる複数の半導体デバイスを実
装したマルチチップモジュールの封止冷却機構に関する
。

［従来の技術］ マルチチップモジュールの封止冷却機構に関する従来技
術として、例えば、特開昭５８−２４７６５３号公報等
に記載された技術が知られている。

この種従来技術による封止冷却機構は、その封止冷却キ
ャップの形状が置型に構成され、その内側に熱伝導手段
が設けられて構成されている。

一般に、マルチチップモジュールとして配線基板上に実
装される半導体デバイスは、１０〜数１０　Ｗ　／　ａ
ｍ”　もの大きな発熱密度を有しており、このような半
導体デバイスを正常に動作させるためには、冷却機構の
冷却性能を高性能にする必要がある。

このためには、前記従来技術における、置型の形状を持
つ冷却キャップ内に設けられる熱伝導手段を、高精度に
加工し、高精度に組み立てる必要がある。しかし、置型
の形状を持つ冷却キャップ内に、該キャップの底に接し
てこのような熱伝導手段を精密に加工し、組み立てるこ
とは、極めて困難であった。すなわち、前記従来技術は
、このような組み立てを行う場合に、置型のキャップの
側面が邪魔をして、熱伝導手段の加工法及び組み立て法
に大きな制約を生じ、必要とする熱伝導特性が得られな
いものであり、また、極めて時間のかかる加工法や組み
立て法しか選択できないものであった。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来技術は、冷却キャップ内に作り込む熱伝導手段
の加工、組み立てを精密に行うことに対する配慮がなさ
れておらず、必要とする熱伝導性能を備えた冷却機構を
得ることができず、必然的に半導体デバイスの集積度に
制約を生じ、電子計算機等の処理性能を向上させること
ができないという問題点を有していた。また、前記従来
技術は、必要とする熱伝導性能が得られる場合にも、熱
伝導手段の加工、組み立てに大きな時間と費用を要し、
マルチチップモジュールのコストを上昇させてしまうと
いう問題点を有していた。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、熱伝
導手段の加工、組み立てが容易で、高価なキャップ材料
を節約することができ、コストダウンを図ることが可能
なマルチチップモジュールの封止冷却機構を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば前記目的は、置型の冷却キャップを、桝
の底に相当するキャップ板と、桝の側面に相当するフレ
ームとに分割し、このキャップ板に、必要とする加工精
度、組み立て精度を得ることのできる最適で妥当なコス
トの工法を用いて熱伝導手段を加工、組み立てた後、キ
ャップ板とフレームとを固着して冷却キャップを得るよ
うにすることにより達成される。

［作　用］ 置型の側面に相当するフレームを冷却キャップから分離
したことにより、キャップ板に熱伝導手段を形成する際
、フレームに邪魔されること無く、必要とする加工精度
と、組み立て精度とを得ることのできる工法で、最もコ
ストの安い工法を選択することができる。

また、フレームは、必ずしもキャップ板と同一の材料で
形成する必要は無く、キャップ板あるいは配線基板に近
い熱膨張係数を持つコストの低い材料を用いて形成する
ことができる。一般に、冷却キャップの材料は、その高
熱伝導性、低熱膨張率という特殊な性質のため高価であ
るが、冷却キャップのフレームを分離したことにより、
その材料を節約することができ、マルチチップモジュー
ルのコストを低減することができる。

［実施例］ 以下、本発明によるマルチチップモジュールの封止冷却
機構の一実施例を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例の構成を示す断面図である。

第１図において、１は配線基板、２は半導体デバイス、
３はビン、４はキャップ板、５はフレーム、６ａは上ク
シ歯、６ｂは下クシ歯、７は冷却ヒートシンク、８は熱
伝導グリースである。

本発明による封止冷却機構により封止、冷却されるマル
チチップモジュールは、配線基板１と、該配線基板１の
第１主面上に搭載された複数の半導体デバイス２と、該
配線基板１の第２主面にろう付けされた電源供給及び信
号接続用のビン３とにより構成されている。

前述のマルチチップモジュールにおいて、配線基板１は
、３ＡＱ、Ｏ，・２ＳｉＯ，を主成分とするムライトセ
ラミックからなる多層配線基板である。ムライトセラミ
ックは、一般的になアルミナセラミックよりも低誘電率
で、信号伝播速度が大きく、また、半導体デバイス２と
してのシリコンＬＳＩチップの熱膨張係数に、より近い
特性を有し、マルチチップモジュールの配線基板材料と
して好適なものである。また、半導体デバイス２は、Ｌ
ＳＩチップまたはＬＳＩチップを封じ込めたチップキャ
リアである。

本発明の一実施例による封止冷却機構は、キャップ板４
と、周状に設けられるフレーム５と、この両者で構成さ
れるキャップ内に形成される上クシ歯６ａと下クシ歯６
ｂとによる熱伝導手段と、キャップ板４の上に熱伝導グ
リース８を介して設けられる水冷ヒートシンク７とによ
り構成されている。

このような封止冷却機構において、キャップ板４は、例
えば、高熱伝導性である窒化アルミニウムセラミックか
ら成り、フレーム５は、例えば、４２％Ｎｉ−Ｆｅなる
組成を代表とする鉄−ニッケル合金から成る。これらの
キャップ板４とフレーム５とは、９５ｗｔ％Ｐｂ−５ｕ
（液相線３１４’Ｃ）、Ａｕ−Ｇｅ共晶半田（共晶点３
５６℃）あるいはＡｕ−３ｉ共晶半田（共晶点２８０”
Ｃ）等の高融点半田により半田付けされて固着封止され
、キャップとして構成される。このキャップは、半導体
デバイス２を覆って、配線基板１の第１主面に、Ｐｂ−
５ｕ共晶半田（共晶点１８３℃）あるいはＢｉ入りＰｂ
−５ｕ共晶半田等の低融点半田を用いて半田付けされ、
このキャップと配線基板ｌとにより封止体が形成される
。

キャップ板４の内面には、個々の半導体デバイス２に対
応して、上クシ歯６ａと下クシ歯６ｂとによる熱伝導手
段が配置され、半導体デバイス２からの熱は、この熱伝
導手段と、キャップ板４と、該キャップ板４の外面に熱
伝導グリース８を介して固定されている水冷ヒートシン
ク７とを介して放熱される。

熱伝導手段は、キャップ板４側の上クシ歯６ａと半導体
デバイス側の下クシ歯６ｂとの、それぞれの歯が、丁度
、櫛を上下に対向させて噛み合わせたような断面構造を
有するように構成される。

これらの上クシ歯６ａと下クシ歯６ｂとは、極めて高い
加工精度が要求され、従って、極めて高精度な加工技術
が要求される。特に、上クシ歯６ａとキャップ板４とは
、一体に加工、形成されるので、より高精度な加工技術
が要求される。

上クシ歯６ａと下クシ歯６ｂとは、そのクシ歯間にわず
かの隙間ができるように対向して配置され、下クシ歯６
ｂと半導体デバイス２の上面との接触力を得、熱の伝導
を良好とするために、上クシ歯６ａと下クシ歯６ｂとの
間に図示しないバネが設けられている。また、熱伝導性
能を更に高めるために、封止されたマルチチップモジュ
ール内部には、高熱伝導性であるヘリウムガスが充填さ
れている。

前述のように構成される本発明の一実施例は、キャップ
板４の内面に一体に形成される上クシ歯６ａを加工した
後、フレーム５をキャップ板４に固着し、別途加工され
た下クシ歯６ｂを組み合わせて、熱伝導手段をその内部
に形成した冷却キャップとし、該冷却キャップを、その
フレーム５を配線基板１に半田付けすることにより、固
着して製造される。

前述した本発明の一実施例によれば、フレーム５の無い
キャップ板４の面上で、熱伝導手段となるクシ歯の加工
を行うことができるので、フレーム５が付いたままでは
事実上加工不可能なりシ歯を、要求される極めて高い精
度で加工することができ、また、その加工方法も、妥当
なコストのものを選択することが可能である。

また、フレーム５の材料は、キャップ板４と同−の高価
で加工が比較的困難な、窒化アルミニウムセラミックを
使用する必要は無く、安価で加工が容易な、例えば、４
２％Ｎｉ−Ｆｅ等の合金を使用することができ、このよ
うな本発明の実施例によれば、マルチチップモジュール
のコストを大幅に低下させることができる。

しかしながら、本発明は、フレーム５の材料として、キ
ャップ板４と同一の窒化アルミニウムセラミックを使用
することもできる。

このように、キャップ板４とフレーム５とを窒化アルミ
ニウムセラミックによる同一の材料で形成した本発明の
実施例は、キャップ板４とフレーム５とが同一材質のた
め、キャップ板４とフレーム５との半田付は部の固着信
頼性が高く、また、フレーム５も高熱伝導であるため、
配線基板１そのものに対する冷却効果をも高めることが
できる。

前述した本発明の実施例は、キャップ板４を窒化アルミ
ニウムセラミックにより形成するものとしたが、本発明
は、キャップ板４の材料として、高熱伝導性の、炭化シ
リコン、銅モリブデン、銅タングステン等の焼結合金金
属を使用することが可能である。また、フレーム５の材
料として、キャップ板４と同一の材料や、２９％Ｎｉ−
１７％Ｃｏ−Ｆｅなる組成を代表とする鉄−ニッケル−
コバルト合金金属を用いることも好適である。さらに、
配線基板１の材料として、アルミナ、ガラス等のセラミ
ックを使用することもできる。

第２図は前述した本発明の実施例に使用可能な構造材料
の熱膨張係数と熱伝導率を示す図である。

本発明による封止冷却機構は、できるだけ熱伝導率が高
い材料を用いて構成することが望ましく、また、各部材
毎に異なる材料を使用する場合には、結合される部材間
好熱膨張係数の差が小さいものを選択することが望まし
い。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、置型の冷却キャッ
プを、桝の底に相当するキャップ板と。

桝の側面に相当する周状のフレームとに分割し、このキ
ャップ板に熱伝導手段の加工、組み立てを行うので、フ
レームに邪魔されずに、妥当なコストで容易に精密な加
工、組み立てを行うことができ、これにより、高密度実
装のマルチチップモジュールを実現することが可能であ
る。

また、フレームの材料として、高価なキャップ板の材料
とは異なる安価で加工しやすい材料を選択することがで
きるので、マルチチップモジュールのコストの低減を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示す断面図、第２図
は本発明の実施例に使用可能な構造材料の熱膨張係数と
熱伝導率を示す図である。 １・・・・・・配線基板、２・・・・・・半導体デバイ
ス、３・・・・・・ビン、４・・・・・・キャップ板、
５・・・・・・フレーム、６ａ・・・・・・上クシ歯、
６ｂ・・・・・・下クシ歯、７・・・・・・冷却ヒート
シンク、８・・・・・・熱伝導グリース。 配悶１甚木叉　　　　　　　　５　フレーム２、中厚イ
木デバイス　６ａ、６ｂ　　り−）菌３　ピン　　　　
　　　　　　７　ヒートシンク４　ｉヤ・ソノ＆　　　
　　　　　　　　８　　　熱イ云ａｄリーヌ第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の半導体デバイスと、該複数の半導体デバイス
   を搭載する配線基板とを備えて構成されるマルチチップ
   モジュールの封止冷却機構において、前記配線基板の熱
   膨張係数に等しいか、ほぼ整合する熱膨張係数を有し、
   かつ、前記配線基板より大きな熱伝導率を有する材料か
   ら成り、前記複数の半導体デバイスを覆つて設けられた
   キャップ板と、該キャップ板と前記配線基板との間に周
   状に設けられ、前記配線基板あるいは前記キャップ板の
   熱膨張係数に等しいか、ほぼ整合する熱膨張係数を有す
   る材料から成るフレームと、前記半導体デバイス上面と
   前記キャップ板内面との間に設けた熱伝導手段と、前記
   キャップ板上面に設けた冷却手段とを備え、前記配線基
   板と前記フレームとの間及び該フレームと前記キャップ
   板との間が固着封止されていることを特徴とするマルチ
   チップモジュールの封止冷却機構。 ２、前記配線基板の材料が、ムライト、アルミナ、ガラ
   ス等のセラミックであり、前記キャップ板の材料が、窒
   化アルミニウム、炭化シリコン、酸化ベリリウム等の高
   熱伝導性セラミック、または、銅−モリブデン、銅−タ
   ングステン等の高熱伝導性、低熱膨張性の合金金属であ
   り、前記フレームの材料が、前記キャップ板と同一の材
   料、または、鉄−ニッケル系合金、鉄−ニッケル−コバ
   ルト系合金等の低熱膨張性合金金属であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のマルチチップモジュー
   ルの封止冷却機構。 ３、前記キャップ板及び熱伝導手段の一部あるいは全て
   が、一体に加工形成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または２項記載のマルチチップモジュー
   ルの封止冷却機構。