JPH0321094B2 - - Google Patents
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- JPH0321094B2 JPH0321094B2 JP60059653A JP5965385A JPH0321094B2 JP H0321094 B2 JPH0321094 B2 JP H0321094B2 JP 60059653 A JP60059653 A JP 60059653A JP 5965385 A JP5965385 A JP 5965385A JP H0321094 B2 JPH0321094 B2 JP H0321094B2
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Classifications
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
- H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
- H01L23/4336—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons in combination with jet impingement
-
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
-
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
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- H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
- H01L2224/73253—Bump and layer connectors
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、多層配線基板上に複数の半導体チツ
プを塔載した半導体マルチチツプモジユールにお
いて各チツプを個別に冷却可能な封入型液体冷却
装置に係り、特に伸縮可能な微小なベローズを複
数個含む冷却構造体に関する。
プを塔載した半導体マルチチツプモジユールにお
いて各チツプを個別に冷却可能な封入型液体冷却
装置に係り、特に伸縮可能な微小なベローズを複
数個含む冷却構造体に関する。
従来、半導体の電子回路が高集積化されるにつ
れ１個の半導体チツプから発生する熱量は増加を
続け、これに対処するため、より冷却効率の優れ
た新たなチツプの冷却手段が研究されている。特
に計算機のようにチツプ発熱量が10Wを越え、し
かもチツプの作動温度範囲を厳しく管理する必要
のある高速データ処理装置に対しては、例えば特
公昭56−31743号公報に開示されているような液
体を用いた冷却装置が提案されている。この種の
装置では、半導体チツプから冷却媒体までの熱抵
抗を小さくするため両者の間を高熱伝導体で結合
する必要があり、また同時に個々のチツプが基板
の変形やソルダリングの不均一によつて高さや傾
きが異なるため、冷却媒体を供給する配管系と半
導体チツプを熱的に連結する結合部に伸縮可能な
可動部が必要である。この可動部の構造として
は、真空容器などでよく見られるように、ベロー
ズが最も柔軟で最適な構造と考えられる。しか
し、実際の高速データ処理装置では100mm角の基
板に対して100個近い半導体チツプを搭載するた
め、１個のチツプに対して冷却ブロツクを１個接
続しベローズを少なくとも１個取付けるとして
も、その外径寸法は10mm以下となり、従来の技術
では電気メツキの手法でしか微小なベローズをつ
くることができない。電気メツキ法でつくつた電
鋳ベローズは、形状に制約があるため単位長当り
の山数を多くすることができず、メツキ膜質が硬
くなるため、バネ定数の高いベローズしかできな
い。また、配管系とベローズあるいはベローズと
冷却ブロツクの接合では、電鋳ベローズの構造上
接合面に圧力をかけることができないため、接合
は置きろうによるろう付けの手段しかない。しか
し、このろう付けではろうの湯流れやぬれ性を向
上させ接合性を良くするためにフラツクスを用い
なければならず、残渣が残つた場合腐食に対する
悪影響が著しい。またろう付部に欠陥も生じやす
く気密性に対する信頼性にも乏しい。更に、構造
材料とろう材とは組成を同じにできないため、冷
却流体に水を用いた場合ろう材層の近傍に電気化
学的腐食が生じ、耐食性が著しく劣化するという
問題がある。他方、ハウジングあるいは冷却ブロ
ツクの材料には、多層配線基板あるいは冷却ブロ
ツクの電気的絶縁層として用いるSiCセラミツク
との熱膨張差を考慮して、一般にコバール材を用
いるが、ベローズ材質としても電気化学的腐食の
観点から言えば同質のコバール材が望ましい。し
かし、従来の電気メツキ法では合金製のベローズ
をつくることが難しく、Niのような純粋金属に
限られるという問題がある。更に、電鋳ベローズ
を用いて冷却構造体を組立てる場合には、配管系
を内蔵する100mm角程のハウジングに対して約100
個ものベローズをろう付けしなければならず、ベ
ローズ及びろう材とフラツクスのセツテイングに
時間を要し、生産性に劣る。
れ１個の半導体チツプから発生する熱量は増加を
続け、これに対処するため、より冷却効率の優れ
た新たなチツプの冷却手段が研究されている。特
に計算機のようにチツプ発熱量が10Wを越え、し
かもチツプの作動温度範囲を厳しく管理する必要
のある高速データ処理装置に対しては、例えば特
公昭56−31743号公報に開示されているような液
体を用いた冷却装置が提案されている。この種の
装置では、半導体チツプから冷却媒体までの熱抵
抗を小さくするため両者の間を高熱伝導体で結合
する必要があり、また同時に個々のチツプが基板
の変形やソルダリングの不均一によつて高さや傾
きが異なるため、冷却媒体を供給する配管系と半
導体チツプを熱的に連結する結合部に伸縮可能な
可動部が必要である。この可動部の構造として
は、真空容器などでよく見られるように、ベロー
ズが最も柔軟で最適な構造と考えられる。しか
し、実際の高速データ処理装置では100mm角の基
板に対して100個近い半導体チツプを搭載するた
め、１個のチツプに対して冷却ブロツクを１個接
続しベローズを少なくとも１個取付けるとして
も、その外径寸法は10mm以下となり、従来の技術
では電気メツキの手法でしか微小なベローズをつ
くることができない。電気メツキ法でつくつた電
鋳ベローズは、形状に制約があるため単位長当り
の山数を多くすることができず、メツキ膜質が硬
くなるため、バネ定数の高いベローズしかできな
い。また、配管系とベローズあるいはベローズと
冷却ブロツクの接合では、電鋳ベローズの構造上
接合面に圧力をかけることができないため、接合
は置きろうによるろう付けの手段しかない。しか
し、このろう付けではろうの湯流れやぬれ性を向
上させ接合性を良くするためにフラツクスを用い
なければならず、残渣が残つた場合腐食に対する
悪影響が著しい。またろう付部に欠陥も生じやす
く気密性に対する信頼性にも乏しい。更に、構造
材料とろう材とは組成を同じにできないため、冷
却流体に水を用いた場合ろう材層の近傍に電気化
学的腐食が生じ、耐食性が著しく劣化するという
問題がある。他方、ハウジングあるいは冷却ブロ
ツクの材料には、多層配線基板あるいは冷却ブロ
ツクの電気的絶縁層として用いるSiCセラミツク
との熱膨張差を考慮して、一般にコバール材を用
いるが、ベローズ材質としても電気化学的腐食の
観点から言えば同質のコバール材が望ましい。し
かし、従来の電気メツキ法では合金製のベローズ
をつくることが難しく、Niのような純粋金属に
限られるという問題がある。更に、電鋳ベローズ
を用いて冷却構造体を組立てる場合には、配管系
を内蔵する100mm角程のハウジングに対して約100
個ものベローズをろう付けしなければならず、ベ
ローズ及びろう材とフラツクスのセツテイングに
時間を要し、生産性に劣る。
本発明の目的は、計算機などの高速データ処理
装置における半導体モジユール用冷却構造体にお
いて、複数のLSIチツプを高効率に冷却可能でし
かも各LSIチツプに外力が加わらないような柔軟
性に富んだベローズを含む複雑な冷却構造体を、
容易に組立て製造できる構造を提供することにあ
る。
装置における半導体モジユール用冷却構造体にお
いて、複数のLSIチツプを高効率に冷却可能でし
かも各LSIチツプに外力が加わらないような柔軟
性に富んだベローズを含む複雑な冷却構造体を、
容易に組立て製造できる構造を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、冷却構造体の材質及び多
数の継手部の耐食性を向上させた冷却構造体を提
供することにある。
数の継手部の耐食性を向上させた冷却構造体を提
供することにある。
本発明を概説すれば、本発明は半導体モジユー
ル冷却構造体に関する発明であつて、冷却流体を
供給及び排出する通路を形成したハウジング、半
導体チツプに金属的に接合されかつ底部に電気的
絶縁層を有する冷却ブロツク、及び該ハウジング
と該冷却ブロツクとをフレキシブルにかつ気密性
をもたせて結合するベローズを包含する冷却構造
体において、該ベローズが、リング状の薄板に加
圧接合処理を含む加工を施してなる接合ベローズ
であることを特徴とする。
ル冷却構造体に関する発明であつて、冷却流体を
供給及び排出する通路を形成したハウジング、半
導体チツプに金属的に接合されかつ底部に電気的
絶縁層を有する冷却ブロツク、及び該ハウジング
と該冷却ブロツクとをフレキシブルにかつ気密性
をもたせて結合するベローズを包含する冷却構造
体において、該ベローズが、リング状の薄板に加
圧接合処理を含む加工を施してなる接合ベローズ
であることを特徴とする。
前記のように、本発明におけるベローズは、リ
ング状の薄板を積層し、加圧接合し、それを引伸
し成形したジヤバラ状のものである。本発明を第
１図で具体的に説明する。すなわち第１図は、本
発明の冷却構造体を製造する方法の１例の工程図
である。Ａ〜Ｃは、ベローズを組立てる部品を加
工する工程である。
ング状の薄板を積層し、加圧接合し、それを引伸
し成形したジヤバラ状のものである。本発明を第
１図で具体的に説明する。すなわち第１図は、本
発明の冷却構造体を製造する方法の１例の工程図
である。Ａ〜Ｃは、ベローズを組立てる部品を加
工する工程である。
第１図において、符合１は薄板、２及び３は接
合リング、４はベローズリング、５及び６は接合
膜、７は接合防止膜、８はハウジング、９は冷却
ブロツク、１０はベローズ、１１はブリツジ、１
２は枠を意味する。
合リング、４はベローズリング、５及び６は接合
膜、７は接合防止膜、８はハウジング、９は冷却
ブロツク、１０はベローズ、１１はブリツジ、１
２は枠を意味する。
第１図に示すように、ベローズの素材である耐
食性の高いNi、コバール、ステンレス鋼等の薄
板１から、エツチングの方法により、ベローズリ
ング４、外周接合リング３、内周接合リング２を
パターニング加工する。このとき、工程Ｂで示す
ように、各部品がバラバラにならないように、枠
１２にブリツジ１１で固定した状態につくる。ベ
ローズの大きさあるいは配置は、冷却する半導体
モジユールにおけるLSIチツプの発熱量あるいは
配置に合せてつくる。次に、各接合リング２と３
には、接合用合金膜として母材元素からなる純金
属あるいは合金にホウ素及び／又はケイ素を添加
した合金を両面に数μm以下の厚さに物理的蒸着
法あるいはメツキ法によつて膜形成する。他方ベ
ローズリングには、PVDあるいはCVDとドライ
エツチングを組合せた方法、リフトオフ法、メタ
ルマスクを施した後PVDを行う方法等により、
接合温度でベローズ材の金属と反応せず化学的に
安定な酸化物や窒化物あるいは炭化物系の無機質
を、ベローズリングの接合しない部分に接合防止
膜７としてコーテイングする。次に、内周接合リ
ング２をブリツジ１１から切離し、外周接合リン
グ３及びベローズリング４は枠１２に固定したま
ま、Ｆの工程で示すように、ハウジング８と冷却
ブロツク９の間に、必要な山数に合せてベローズ
部品２，３及び４を積層する。そして、真空ある
いは不活性雰囲気下で数〜数百ｇ／mm2の圧力を加
え、温度を1100℃以上に加熱して接合する。接合
後、ベローズ部品についているブリツジ１１及び
枠１２を必要に応じて切断除去し、ベローズを引
伸して成形する。
食性の高いNi、コバール、ステンレス鋼等の薄
板１から、エツチングの方法により、ベローズリ
ング４、外周接合リング３、内周接合リング２を
パターニング加工する。このとき、工程Ｂで示す
ように、各部品がバラバラにならないように、枠
１２にブリツジ１１で固定した状態につくる。ベ
ローズの大きさあるいは配置は、冷却する半導体
モジユールにおけるLSIチツプの発熱量あるいは
配置に合せてつくる。次に、各接合リング２と３
には、接合用合金膜として母材元素からなる純金
属あるいは合金にホウ素及び／又はケイ素を添加
した合金を両面に数μm以下の厚さに物理的蒸着
法あるいはメツキ法によつて膜形成する。他方ベ
ローズリングには、PVDあるいはCVDとドライ
エツチングを組合せた方法、リフトオフ法、メタ
ルマスクを施した後PVDを行う方法等により、
接合温度でベローズ材の金属と反応せず化学的に
安定な酸化物や窒化物あるいは炭化物系の無機質
を、ベローズリングの接合しない部分に接合防止
膜７としてコーテイングする。次に、内周接合リ
ング２をブリツジ１１から切離し、外周接合リン
グ３及びベローズリング４は枠１２に固定したま
ま、Ｆの工程で示すように、ハウジング８と冷却
ブロツク９の間に、必要な山数に合せてベローズ
部品２，３及び４を積層する。そして、真空ある
いは不活性雰囲気下で数〜数百ｇ／mm2の圧力を加
え、温度を1100℃以上に加熱して接合する。接合
後、ベローズ部品についているブリツジ１１及び
枠１２を必要に応じて切断除去し、ベローズを引
伸して成形する。
上記のプロセスは１例であり、したがつて本発
明の半導体モジユール冷却構造体には、以下に示
すような各種の実施態様が含まれる。
明の半導体モジユール冷却構造体には、以下に示
すような各種の実施態様が含まれる。
本発明の１実施の態様は、ベローズ部品をフオ
トエツチング等によりパターニングした板と、ハ
ウジング及び冷却ブロツクを構成する例えば溝あ
るいは穴加工を施した板を、同時に多数枚積層し
て加圧接合することにより組立てられる冷却構造
体の構造にある。このことにより、微小で変形能
の大きいベローズが多数ハウジングに接続された
複雑な冷却構造体を簡単なプロセスで容易に組立
てることができる。また、従来はメツキ法でしか
作れなかつた微小なベローズを接合によつて組立
てるため、ベローズの材質としてハウジングや冷
却ブロツクと同質なものを選ぶことができ、接合
の信頼性を高めることができる。
トエツチング等によりパターニングした板と、ハ
ウジング及び冷却ブロツクを構成する例えば溝あ
るいは穴加工を施した板を、同時に多数枚積層し
て加圧接合することにより組立てられる冷却構造
体の構造にある。このことにより、微小で変形能
の大きいベローズが多数ハウジングに接続された
複雑な冷却構造体を簡単なプロセスで容易に組立
てることができる。また、従来はメツキ法でしか
作れなかつた微小なベローズを接合によつて組立
てるため、ベローズの材質としてハウジングや冷
却ブロツクと同質なものを選ぶことができ、接合
の信頼性を高めることができる。
本発明の第２の態様は、接合部に低融点合金膜
として母材質にケイ素（Si）あるいはホウ素
（Ｂ）の少なくとも１種類以上を添加した合金を
薄膜状、例えば10μm以下の厚さに形成し、接合
温度を低融点合金の融点以上に加熱し接合して組
立てた点にある。このことにより、低い接合圧力
でも気密性の高い継手を得ることができ、部材の
変形を防止できる。また、合金膜が薄いためSiや
Ｂの添加元素が容易に母材中へ拡散消失し、接合
層が母材と均質化される。このため継手部の耐食
性が大幅に向上する。
として母材質にケイ素（Si）あるいはホウ素
（Ｂ）の少なくとも１種類以上を添加した合金を
薄膜状、例えば10μm以下の厚さに形成し、接合
温度を低融点合金の融点以上に加熱し接合して組
立てた点にある。このことにより、低い接合圧力
でも気密性の高い継手を得ることができ、部材の
変形を防止できる。また、合金膜が薄いためSiや
Ｂの添加元素が容易に母材中へ拡散消失し、接合
層が母材と均質化される。このため継手部の耐食
性が大幅に向上する。
本発明の第３の態様は、LSIチツプに対応する
ベローズあるいは冷却ブロツクの大きさを、チツ
プの発熱量によつて種々違えた点にある。このこ
とにより、各LSIチツプの温度をその動作が最も
高速かつ安定になる特定の温度範囲内に保持する
ことができる。
ベローズあるいは冷却ブロツクの大きさを、チツ
プの発熱量によつて種々違えた点にある。このこ
とにより、各LSIチツプの温度をその動作が最も
高速かつ安定になる特定の温度範囲内に保持する
ことができる。
本発明の第４の態様は、接合部に接合面と同じ
形状をした、構造材と同じ材質の薄板を挿入して
接合した点にある。このことにより、組立てる冷
却構造体が大きくなつた場合でも、圧力を接合面
に集中できるため、トータルの加圧力を小さくで
き装置の小型化が図れ、接合の信頼性も向上す
る。
形状をした、構造材と同じ材質の薄板を挿入して
接合した点にある。このことにより、組立てる冷
却構造体が大きくなつた場合でも、圧力を接合面
に集中できるため、トータルの加圧力を小さくで
き装置の小型化が図れ、接合の信頼性も向上す
る。
本発明の第５の態様は、該ハウジング、ベロー
ズ及び冷却ブロツクの金属材料が、多層配線基板
材料の熱膨張率に近い熱膨張率をもつ材質で統一
されており、接合用の低融点合金材が、構造体材
料の成分にホウ素及び／又はケイ素を添加した合
金であり、冷却ブロツクの電気的絶縁層の材料
が、高熱伝導性のSiCセラミツクである点にあ
る。特にこの場合、多層配線基板の熱膨張率が５
×10-6／℃以下のときには、該金属材料が、Fe
−Ni合金又はFe−Ni−Co合金で統一されている
ことが好適である。
ズ及び冷却ブロツクの金属材料が、多層配線基板
材料の熱膨張率に近い熱膨張率をもつ材質で統一
されており、接合用の低融点合金材が、構造体材
料の成分にホウ素及び／又はケイ素を添加した合
金であり、冷却ブロツクの電気的絶縁層の材料
が、高熱伝導性のSiCセラミツクである点にあ
る。特にこの場合、多層配線基板の熱膨張率が５
×10-6／℃以下のときには、該金属材料が、Fe
−Ni合金又はFe−Ni−Co合金で統一されている
ことが好適である。
第２図に、従来の電鋳ベローズを用いて組立て
た冷却構造体と、本発明の冷却構造体とにおける
冷却ブロツクの上下方向の柔軟性の比較結果を示
す。すなわち第２図は、ベローズ長（mm、横軸）
と、冷却ブロツクの柔軟性（ｇ／mm、縦軸）との
関係を示すグラフであり、○印は従来品、△印は
本発明品の曲線である。
た冷却構造体と、本発明の冷却構造体とにおける
冷却ブロツクの上下方向の柔軟性の比較結果を示
す。すなわち第２図は、ベローズ長（mm、横軸）
と、冷却ブロツクの柔軟性（ｇ／mm、縦軸）との
関係を示すグラフであり、○印は従来品、△印は
本発明品の曲線である。
第２図から明らかなように、冷却ブロツクの柔
軟性100ｇ／mmを得るには、従来品ではベローズ
長を28mmとする必要がある。それに対して、本発
明品では10mmでよく、したがつて、冷却構造体を
コンパクトにすることができる。
軟性100ｇ／mmを得るには、従来品ではベローズ
長を28mmとする必要がある。それに対して、本発
明品では10mmでよく、したがつて、冷却構造体を
コンパクトにすることができる。
以下、本発明を、添付図面を参照して実施例に
より更に具体的に説明するが、本発明はこれら実
施例に限定されない。
より更に具体的に説明するが、本発明はこれら実
施例に限定されない。
なお、第３図及び第４図は、本発明によるベロ
ーズリングの部品に接合防止膜をパターンコーテ
イングする方法の１例の工程図、第５図〜第８図
はいずれもベローズの形状例を示す概要図、第９
図及び第１０図は本発明の冷却構造体を半導体モ
ジユールに実装した１例の断面概略図である。
ーズリングの部品に接合防止膜をパターンコーテ
イングする方法の１例の工程図、第５図〜第８図
はいずれもベローズの形状例を示す概要図、第９
図及び第１０図は本発明の冷却構造体を半導体モ
ジユールに実装した１例の断面概略図である。
実施例 １
第１図により組立てプロセスの１例を示す。
ベローズの素材となるコバールの薄板１から、
フオトレジスト膜をかけてエツチングする方法に
より、ベローズリング４、外周接合用リング３、
内周接合用リング２を加工する。このとき、工程
Ｂで示すように、各部品はバラバラにならないよ
うに枠１２にブリツジ１１で固定した状態につく
る。ベローズの大きさあるいは配置は、冷却する
半導体モジユールのLSIチツプの発熱量あるいは
配置に合せてつくる。次に、各接合用リング２及
び３には接合用合金膜５及び６としてコバール組
成にホウ素（Ｂ）を４％添加した合金を両面に各
1μmの厚さにスパツタリング法によつて形成す
る。他方ベローズリングには、メタルマスクを用
いて接合しない部分にのみ接合防止膜７としてZr
O2−７％Y2O3を約0.5μm厚さに形成する。次に、
内周接合リング２をブリツジ１１から切離し、外
周接合リング３及びベローズリング４は枠１２に
固定したまま、Ｆの工程で示すように、コバール
でつくられたハウジング８と冷却ブロツク９の間
に、必要な山数に合せてベローズ部品を積層す
る。そして真空雰囲気下で数〜数百ｇ／mm2の圧力
を加え、温度を1100℃以上に加熱して接合する。
接合後、ベローズ部品についているブリツジ１１
及び枠１２を切断除去し、ベローズを引伸ばして
成形する。
フオトレジスト膜をかけてエツチングする方法に
より、ベローズリング４、外周接合用リング３、
内周接合用リング２を加工する。このとき、工程
Ｂで示すように、各部品はバラバラにならないよ
うに枠１２にブリツジ１１で固定した状態につく
る。ベローズの大きさあるいは配置は、冷却する
半導体モジユールのLSIチツプの発熱量あるいは
配置に合せてつくる。次に、各接合用リング２及
び３には接合用合金膜５及び６としてコバール組
成にホウ素（Ｂ）を４％添加した合金を両面に各
1μmの厚さにスパツタリング法によつて形成す
る。他方ベローズリングには、メタルマスクを用
いて接合しない部分にのみ接合防止膜７としてZr
O2−７％Y2O3を約0.5μm厚さに形成する。次に、
内周接合リング２をブリツジ１１から切離し、外
周接合リング３及びベローズリング４は枠１２に
固定したまま、Ｆの工程で示すように、コバール
でつくられたハウジング８と冷却ブロツク９の間
に、必要な山数に合せてベローズ部品を積層す
る。そして真空雰囲気下で数〜数百ｇ／mm2の圧力
を加え、温度を1100℃以上に加熱して接合する。
接合後、ベローズ部品についているブリツジ１１
及び枠１２を切断除去し、ベローズを引伸ばして
成形する。
本実施例によれば、ハウジングに多数のベロー
ズが接続された冷却構造体は、１回の接合工程で
組立てることができ、製造プロセスが簡単とな
る。このため、接合部の品質が一定し信頼性の向
上並びに生産性の向上が望める。また、構成材料
をコバールで統一しており、接合部も母材と均質
化できるため、耐食性の優れた冷却構造体とな
る。更に、ベローズの特性としてメツキ法でつく
つたベローズに比べ柔軟性が高いため、実際に半
導体モジユールに組立てて使用したとき、LSIチ
ツプに加わる力を低減でき、はんだバンプの寿命
を向上することができる。
ズが接続された冷却構造体は、１回の接合工程で
組立てることができ、製造プロセスが簡単とな
る。このため、接合部の品質が一定し信頼性の向
上並びに生産性の向上が望める。また、構成材料
をコバールで統一しており、接合部も母材と均質
化できるため、耐食性の優れた冷却構造体とな
る。更に、ベローズの特性としてメツキ法でつく
つたベローズに比べ柔軟性が高いため、実際に半
導体モジユールに組立てて使用したとき、LSIチ
ツプに加わる力を低減でき、はんだバンプの寿命
を向上することができる。
実施例 ２
第３図及び第４図の各工程図により、ベローズ
リングの他の製法例を説明する。第３図はドライ
エツチングを利用する方法であり、第４図はフオ
トレジスト膜をマスクとして用いる方法である。
リングの他の製法例を説明する。第３図はドライ
エツチングを利用する方法であり、第４図はフオ
トレジスト膜をマスクとして用いる方法である。
第３図において、符合１３は接合防止膜、１４
は薄板、１５はベローズリング、１６は枠、１７
はベローズリング部品を意味する。他方、第４図
において、符合１８は枠、１９はフオトレジスト
膜、２０はベローズリング部品、２１は接合防止
膜、２２はベローズリングを意味する。
は薄板、１５はベローズリング、１６は枠、１７
はベローズリング部品を意味する。他方、第４図
において、符合１８は枠、１９はフオトレジスト
膜、２０はベローズリング部品、２１は接合防止
膜、２２はベローズリングを意味する。
第３図に示すプロセスでは、まずベローズの素
材である薄板１４の両面全面に接合防止膜１３を
高周波スパツタリング法によつて形成する。次
に、接合防止膜１３が必要な部分をフオトレジス
ト膜で覆い、全面にイオンビーム照射してドライ
エツチングする。その後で、フオトエツチング法
により、薄板１４をベローズリング１５の形状に
加工し、ベローズ部品とする。他方、第４図に示
すプロセスでは、まずベローズの素材である薄板
からベローズリングの形状にフオトエツチングで
加工する。次に、接合防止膜２１を付けない部分
にマスクとしてフオトレジスト膜１９を形成し、
その上全面に接合防止膜２１を高周波スパツタリ
ング法により形成する。その後、フオトレジスト
膜をはく離して、ベローズ部品とする。
材である薄板１４の両面全面に接合防止膜１３を
高周波スパツタリング法によつて形成する。次
に、接合防止膜１３が必要な部分をフオトレジス
ト膜で覆い、全面にイオンビーム照射してドライ
エツチングする。その後で、フオトエツチング法
により、薄板１４をベローズリング１５の形状に
加工し、ベローズ部品とする。他方、第４図に示
すプロセスでは、まずベローズの素材である薄板
からベローズリングの形状にフオトエツチングで
加工する。次に、接合防止膜２１を付けない部分
にマスクとしてフオトレジスト膜１９を形成し、
その上全面に接合防止膜２１を高周波スパツタリ
ング法により形成する。その後、フオトレジスト
膜をはく離して、ベローズ部品とする。
本実施例によれば、ベローズリングのフオトエ
ツチングあるいは接合防止膜のパターニングを薄
膜形成技術を用いてミクロンオーダーの精度で精
密にできるため、微小なベローズが使われた冷却
構造体を簡単なプロセスで精密に製造できる。
ツチングあるいは接合防止膜のパターニングを薄
膜形成技術を用いてミクロンオーダーの精度で精
密にできるため、微小なベローズが使われた冷却
構造体を簡単なプロセスで精密に製造できる。
実施例 ３
第５図及び第６図は、LSIチツプの大きさある
いはLSIチツプの発熱量が異なつた場合でも、各
LSIチツプの温度を同一温度に保持できるよう
に、冷却性能を調整した冷却構造体における冷却
ブロツクの配置と大きさ及び冷却構造体を組立て
るためのベローズ部品形状の１実施例を示す。
いはLSIチツプの発熱量が異なつた場合でも、各
LSIチツプの温度を同一温度に保持できるよう
に、冷却性能を調整した冷却構造体における冷却
ブロツクの配置と大きさ及び冷却構造体を組立て
るためのベローズ部品形状の１実施例を示す。
第５図において、符合２３，２４及び２５は
LSIチツプ、２６，２７及び２８は冷却ブロツ
ク、２９は基板を意味する。他方、第６図におい
て、符合３０は枠、３１はブリツジ、３２はベロ
ーズリングを意味する。
LSIチツプ、２６，２７及び２８は冷却ブロツ
ク、２９は基板を意味する。他方、第６図におい
て、符合３０は枠、３１はブリツジ、３２はベロ
ーズリングを意味する。
本実施例によれば、小電力のLSIチツプが同一
基板上に大電力のLSIチツプと共に搭載されてい
る場合でも、小電力のLSIチツプをその動作範囲
以下に冷却しすぎることなく、かつ大電力のLSI
チツプをその動作範囲内に十分冷却することがで
きる。
基板上に大電力のLSIチツプと共に搭載されてい
る場合でも、小電力のLSIチツプをその動作範囲
以下に冷却しすぎることなく、かつ大電力のLSI
チツプをその動作範囲内に十分冷却することがで
きる。
実施例 ４
第７図及び第８図は、第６図の実施例における
ベローズの形状を円形から矩形に変えた場合の１
実施例を示す。第８図はベローズリングを形成す
る部品板を示す。なお、図には示さなかつたが、
接合リングの形状もベローズリングに合せて矩形
になつている。
ベローズの形状を円形から矩形に変えた場合の１
実施例を示す。第８図はベローズリングを形成す
る部品板を示す。なお、図には示さなかつたが、
接合リングの形状もベローズリングに合せて矩形
になつている。
第７図において、符号７４は基板、７５は冷却
ブロツクを意味する。他方、第８図において、符
号７６は枠、７７はブリツジ、７８はベローズリ
ングを意味する。
ブロツクを意味する。他方、第８図において、符
号７６は枠、７７はブリツジ、７８はベローズリ
ングを意味する。
本実施例によれば、スペースの限られた領域を
最大限に利用し、ベローズ内の流通断面積を最大
にできるため、冷却効率を高くすることができ
る。
最大限に利用し、ベローズ内の流通断面積を最大
にできるため、冷却効率を高くすることができ
る。
実施例 ５
第９図に、本発明による冷却構造体の１つを半
導体モジユールに実装した場合の１実施例の断面
概略図を示す。
導体モジユールに実装した場合の１実施例の断面
概略図を示す。
第９図において、符号３３はハウジング、３４
はベローズ、３５は冷却ブロツク用キヤツプ、３
６はSiCセラミツク、３７及び３９はメタライズ
膜、３８は低融点はんだ、４０はSiチツプ、４１
及び４３は端子、４２は95Pb−5Snはんだ、４４
は多層配線基板、４５は給水通路、４６は排水通
路、４７は天上板、４８は中板、４９は底板、５
０は内周接合リング、５１は外周接合リング、５
２はベローズリング、５３はパイプ、７０はメタ
ライズ膜、７２は冷却ブロツクを意味する。
はベローズ、３５は冷却ブロツク用キヤツプ、３
６はSiCセラミツク、３７及び３９はメタライズ
膜、３８は低融点はんだ、４０はSiチツプ、４１
及び４３は端子、４２は95Pb−5Snはんだ、４４
は多層配線基板、４５は給水通路、４６は排水通
路、４７は天上板、４８は中板、４９は底板、５
０は内周接合リング、５１は外周接合リング、５
２はベローズリング、５３はパイプ、７０はメタ
ライズ膜、７２は冷却ブロツクを意味する。
組立て手順は、ハウジング３３の底板４９とベ
ローズ３４を構成するための部品５０，５１，５
２と冷却ブロツク用キヤツプ３５を積層し、接合
面に予め形成した接合膜を溶融させて、ハウジン
グの底板から冷却ブロツクのキヤツプまでを組立
てる。次に、各大きさのパイプ５３を所定の位置
に接合した中板４８と天上板４７を重ね、密閉水
路を形成する形で、ハウジング外周を気密接合す
る。次に、SiCセラミツク３６にメタライズ膜７
０，３７を形成した高熱伝導電気絶縁体を冷却ブ
ロツクのキヤツプ３５に液相拡散接合する。他
方、多層配線基板４４上には、予めメタライズ膜
３９を形成したSiチツプ４０を95Pb−5Snはんだ
４２により接続しておき、最後に、冷却ブロツク
７２とSiチツプ４０を低融点はんだ３８により金
属的に接合し、組立てを終了する。
ローズ３４を構成するための部品５０，５１，５
２と冷却ブロツク用キヤツプ３５を積層し、接合
面に予め形成した接合膜を溶融させて、ハウジン
グの底板から冷却ブロツクのキヤツプまでを組立
てる。次に、各大きさのパイプ５３を所定の位置
に接合した中板４８と天上板４７を重ね、密閉水
路を形成する形で、ハウジング外周を気密接合す
る。次に、SiCセラミツク３６にメタライズ膜７
０，３７を形成した高熱伝導電気絶縁体を冷却ブ
ロツクのキヤツプ３５に液相拡散接合する。他
方、多層配線基板４４上には、予めメタライズ膜
３９を形成したSiチツプ４０を95Pb−5Snはんだ
４２により接続しておき、最後に、冷却ブロツク
７２とSiチツプ４０を低融点はんだ３８により金
属的に接合し、組立てを終了する。
本実施例によれば、冷却媒体をSiチツプ近傍ま
で導くことができ、しかもSiチツプと冷却媒体の
間が高熱伝導材料で接続されているため、非常に
高い冷却効率を得ることができる。同時に、ベロ
ーズが構造上非常に柔軟であるため、基板とハウ
ジングの熱膨張差による歪を完全に吸収し、はん
だ接合部４２に加わる応力を低減でき、半導体モ
ジユールとしての信頼性を向上できる。更に、冷
却構造体の耐食性も、第１図の実施例１で述べた
ように非常に良いため、装置としての信頼性を向
上できる。
で導くことができ、しかもSiチツプと冷却媒体の
間が高熱伝導材料で接続されているため、非常に
高い冷却効率を得ることができる。同時に、ベロ
ーズが構造上非常に柔軟であるため、基板とハウ
ジングの熱膨張差による歪を完全に吸収し、はん
だ接合部４２に加わる応力を低減でき、半導体モ
ジユールとしての信頼性を向上できる。更に、冷
却構造体の耐食性も、第１図の実施例１で述べた
ように非常に良いため、装置としての信頼性を向
上できる。
実施例 ６
第１０図に、本発明による冷却構造体の１つを
半導体モジユールに実装した場合の他の実施例の
断面概略図を示す。
半導体モジユールに実装した場合の他の実施例の
断面概略図を示す。
第１０図において、符号５４はハウジング、５
５は接合リング、５６はベローズ、５７は接合リ
ング、５８は冷却ブロツク、５９は高熱伝導電気
絶縁性板、６０及び６２はメタライズ膜、６１は
低融点はんだ、６３はLSIチツプ、６４及び６６
は端子、６５ははんだ、６７は基板、６８は給水
通路、６９は排水通路、７１は接合層、７３は低
融点はんだ、７９はベローズリング、８０はメタ
ライズ膜を意味する。
５は接合リング、５６はベローズ、５７は接合リ
ング、５８は冷却ブロツク、５９は高熱伝導電気
絶縁性板、６０及び６２はメタライズ膜、６１は
低融点はんだ、６３はLSIチツプ、６４及び６６
は端子、６５ははんだ、６７は基板、６８は給水
通路、６９は排水通路、７１は接合層、７３は低
融点はんだ、７９はベローズリング、８０はメタ
ライズ膜を意味する。
組立て手順は、給水通路６８及び排水通路６９
の水路を加工したハウジング５４と、ベローズ５
６を構成するためのベローズリング７９及び接合
リング５５，５７と、水の入出口を設けた冷却ブ
ロツク５８を積層し、接合面に予め形成しておい
た接合膜を溶融させて、ハウジングから冷却ブロ
ツクまでを一括接合で組立てる。なお接合面以外
の領域には接合防止膜を形成しておき、余分な所
が接合されないように対策している。次に、冷却
ブロツク５８の底部に電気絶縁性で熱伝導性の高
いセラミツク等の無機質の板を、ろう付あるいは
拡散接合の手法によつて接合する。そして、最終
的に、LSIチツプ６３を搭載した基板６７に、上
記冷却構造体を低融点はんだ６１，７３で結合す
る。
の水路を加工したハウジング５４と、ベローズ５
６を構成するためのベローズリング７９及び接合
リング５５，５７と、水の入出口を設けた冷却ブ
ロツク５８を積層し、接合面に予め形成しておい
た接合膜を溶融させて、ハウジングから冷却ブロ
ツクまでを一括接合で組立てる。なお接合面以外
の領域には接合防止膜を形成しておき、余分な所
が接合されないように対策している。次に、冷却
ブロツク５８の底部に電気絶縁性で熱伝導性の高
いセラミツク等の無機質の板を、ろう付あるいは
拡散接合の手法によつて接合する。そして、最終
的に、LSIチツプ６３を搭載した基板６７に、上
記冷却構造体を低融点はんだ６１，７３で結合す
る。
本実施例では、複雑な冷却構造体が１回の接合
工程で組立てられるため、接合部の信頼性が向上
しかつ製造コストが低減される。また、冷却効率
及び半導体モジユールや装置としての信頼性は、
第９図と同様優れた効果が得られる。
工程で組立てられるため、接合部の信頼性が向上
しかつ製造コストが低減される。また、冷却効率
及び半導体モジユールや装置としての信頼性は、
第９図と同様優れた効果が得られる。
以上詳述したように、本発明によれば、計算機
などの高速データ処理装置における半導体モジユ
ール冷却構造体において、LSIチツプを高効率に
冷却可能でしかもLSIチツプに外力が加わらない
ような柔軟性の高いベローズを含む複雑な構造の
冷却構造体を、積層加圧接合によつて容易にかつ
低コストで組立て製造を行うことができる。ま
た、材質及び接合部共に耐食性の高い冷却構造体
を製造することができるという顕著な効果が奏せ
られる。
などの高速データ処理装置における半導体モジユ
ール冷却構造体において、LSIチツプを高効率に
冷却可能でしかもLSIチツプに外力が加わらない
ような柔軟性の高いベローズを含む複雑な構造の
冷却構造体を、積層加圧接合によつて容易にかつ
低コストで組立て製造を行うことができる。ま
た、材質及び接合部共に耐食性の高い冷却構造体
を製造することができるという顕著な効果が奏せ
られる。
第１図は本発明の冷却構造体を製造する方法の
１例の工程図、第２図はベローズ長と冷却ブロツ
クの柔軟性との関係を従来品及び本発明品で示す
グラフ、第３図及び第４図は本発明によりベロー
ズリングの部品に接合防止膜をパターンコーテイ
ングする方法の１例の工程図、第５図〜第８図は
いずれもベローズの形状例を示す概要図、第９図
及び第１０図は本発明の冷却構造体を半導体モジ
ユールに実装した１例の断面概略図である。 １及び１４：薄板、４，１５，２２，３２，７
８，５２及び７９：ベローズリング、７，１３及
び２１：接合防止膜、８，３３及び５４：ハウジ
ング、９，２６〜２８，７５，７２及び５８：冷
却ブロツク、１０，３４及び５６：ベローズ、２
３〜２５及び６３：LSIチツプ。
１例の工程図、第２図はベローズ長と冷却ブロツ
クの柔軟性との関係を従来品及び本発明品で示す
グラフ、第３図及び第４図は本発明によりベロー
ズリングの部品に接合防止膜をパターンコーテイ
ングする方法の１例の工程図、第５図〜第８図は
いずれもベローズの形状例を示す概要図、第９図
及び第１０図は本発明の冷却構造体を半導体モジ
ユールに実装した１例の断面概略図である。 １及び１４：薄板、４，１５，２２，３２，７
８，５２及び７９：ベローズリング、７，１３及
び２１：接合防止膜、８，３３及び５４：ハウジ
ング、９，２６〜２８，７５，７２及び５８：冷
却ブロツク、１０，３４及び５６：ベローズ、２
３〜２５及び６３：LSIチツプ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 冷却流体を供給及び排出する通路を形成した
ハウジング、半導体チツプに金属的に接合されか
つ底部に電気的絶縁層を有する冷却ブロツク、及
び該ハウジングと該冷却ブロツクとをフレキシブ
ルにかつ気密性をもたせて結合するベローズを包
含する冷却構造体において、該ベローズが、リン
グ状の薄板に加圧接合処理を含む加工を施してな
る接合ベローズであることを特徴とする半導体モ
ジユール冷却構造体。 ２ 該冷却構造体が、ベローズ部品をパターニン
グ加工した薄板と、ハウジング及び冷却ブロツク
を構成する加工を施した板とを、同時に多数枚積
層して加圧接合処理を含む加工により組立てられ
たものである特許請求の範囲第１項記載の半導体
モジユール冷却構造体。 ３ 該ベローズ又は冷却ブロツクを組立てるため
の板が、冷却すべき半導体モジユールのLSIチツ
プの配置及び寸法、あるいはチツプの発熱量に見
合つてパターニングされたものである特許請求の
範囲第１項又は第２項記載の半導体モジユール冷
却構造体。 ４ 該加圧接合処理が、接合すべき領域には構造
体材料より融点が低くかつ構造体材料とぬれ性の
良い合金が薄膜としてコーテイングされ、接合さ
せてはならない領域には高温で化学的及び物理的
に安定な無機物がコーテイングされた加工した板
を、積層し、該合金の融点以上の温度で加圧接合
することにより行つたものである特許請求の範囲
第１項〜第３項のいずれかに記載の半導体モジユ
ール冷却構造体。 ５ 該加圧接合処理が、冷却構造体を構成する板
の間に、構造体材料と同じ材質でかつ接合面と同
じ形状の薄板をインサートして行つたものである
特許請求の範囲第４項記載の半導体モジユール冷
却構造体。 ６ 該ハウジング、ベローズ及び冷却ブロツクの
金属材料が、多層配線基板材料の熱膨張率に近い
熱膨張率をもつ材質で統一されており、接合用の
低融点合金材が、構造体材料の成分にホウ素及
び／又はケイ素を添加した合金であり、冷却ブロ
ツクの電気的絶縁層の材料が、高熱伝導性のSiC
セラミツクである特許請求の範囲第１項〜第５項
のいずれかに記載の半導体モジユール冷却構造
体。 ７ 該ハウジング、ベローズ及び冷却ブロツクの
金属材料が、多層配線基板の熱膨張率が５×
10-6／℃以下の場合に、Fe−Ni合金又はFe−Ni
−Co合金で統一されている特許請求の範囲第６
項記載の半導体モジユール冷却構造体。
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| JP60059653A JPS61220359A (ja) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | 半導体モジユ−ル冷却構造体 |
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