JPH04158558A - 冷却フィン付半導体パッケージおよび半導体冷却装置 - 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、フィンを空冷することにより、半導体チップ
を冷却する構成の冷却フィン付半導体パッケージ、およ
び基板上の半導体を空冷する半導体冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体パッケージ冷却用のフィンは、特開昭５８−２５
２４９号公報に示されているように、押シ出シ成形加工
による平行平板が基本的なものであるが、その他にも様
々な形状のものが提案されている。

従来、冷却用フィンの仕様を決定する際には、予め何種
類かのフィンを作成し、その１つ１つに対して実験を行
い、実験結果が最も良かったものを採用するようにして
いた６なお、平行平板の冷却フィンの性能を予測する方
法は文献等にも報告されているが、これらはいずれも開
放気流中にさらされた冷却フィンに対する予測法であり
、実装された半導体パッケージについては伝熱性能が過
少評価させる傾向にある。

また、半導体パッケージの内部構造は、第２７図に示す
ように、フィン１とチップ１５との間に熱拡散板１２が
設けられ、この熱拡散板１２にはチップ１５と配線基板
１４との間の配線を容易にするため中央が凸型に形成さ
れている。熱拡散板１２として比較的安価で熱伝導性の
良い銅やアルミニュームなどを用いた場合、熱拡散板１
２とチツブＩＳとの間の接着層には熱伝導性の低いシリ
コンゴムなどの接着剤が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術では、接着剤として用いた
シリコンゴムが熱抵抗が大きいために、チップ内に熱が
蓄積され易く、また接着層の厚さとチップ内に発熱箇所
にもばらつきがあるため、チップ内に温度分布が生じて
しまい、チップ全体を効率良く冷却することができない
。

また、熱拡散板は中央の凸部がプレス加工により形成さ
れるが、熱拡散板の面積が大きいため強力なプレス力を
必要とし、プレス装置が大型化する欠点がある。

さらに、冷却フィンは接着剤により熱拡散板に固定され
ているので、ユーザー自身が冷却フィンを他のサイズの
冷却フィンに自由に取替えることができないという問題
がある。最近では半導体パッケージの冷却性能をユーザ
ー側で設定することもあり、この場合はユーザー自身が
冷却フィンを取替える必要がある。

また、複数の半導体パッケージが搭載された基板を空冷
する場合、従来は冷却用空気を基板に沿って平行に流す
だけであり、流した空気の全てが冷却用として有効に使
われていないという問題もある。

本発明の第１の目的は、チップ全体を効率良く冷却する
ことができる空冷フィン付半導体パッケージを提供する
ことである。

また、本発明の第２の目的は、大型プレス装置等を必要
とせず、製造コストの低下が図れる冷却フィン付半導体
パッケージを提供することである。

さらに、本発明の第３の目的は、冷却フィンの着脱を容
易に行うことができる冷却フィン付半導体パッケージを
提供することである。

またさらに、本発明の第４の目的は、冷却用空気の全て
が半導体基板に当たるようにして、半導体基板を効率良
く冷却することができる半導体冷却装置を提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的を達成するために、本発明は。

熱拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面側に
フィンが固着されて、該フィンを空冷することにより、
前記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半導体
パッケージにおいて、前記フィンの一辺の長さを５０〜
７０ｎｎとするとともに、該フィンの厚さを０．８〜２
０ｍｍに、フィンの間隔を３〜５ｍｏに、フィンの高さ
を３０ｍｍ以下にそれぞれ設定したことを特徴としてい
る。

さらに、本発明は、熱拡散板の一面側に半導体チップが
接着され、他面側にフィンが固着されて、該フィンを空
冷することにより、前記半導体チップを冷却する構成の
冷却フィン付半導体パッケージにおいて、前記フィンの
表面に微小な凹凸を設けたこと、あるいはフィンをＳ字
状またはジグザグ状に形成したことを特徴としている。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明は、熱
拡散板の中央突出部の表面に半導体チップが接着され、
前記中央突出部の反対側の面にフィンが固着されて、該
フィンを空冷することにより、前記半導体チップを冷却
する構成の冷却フィン付半導体パッケージにおいて、前
記熱拡散板を、前記中央突出部と中央突出部以外の平板
部とからなる分割構造にしたことを特徴としている。

また、上記第３の目的を達成するために、本発明は、熱
拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面側にフ
ィンが設けられて、該フィンを空冷することにより、前
記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半導体パ
ッケージにおいて前記フィンを前記熱拡散板から分離可
能な構成にしたことを特徴としている。

また、上記第４の目的を達成するために、本発明は、基
板上に搭載された複数の半導体パッケージの周囲に空気
流を生じさせることにより、前記半導体パッケージを冷
却する半導体冷却装置において、前記空気流の上流から
下流に沿って空気流の流路面積を漸次狭くするガイド板
を設けたこと、または前記空気流に対して前記基板を傾
斜させ、半導体パッケージの全てに前記空気流が当る構
成にしたこと、または前記基板の複数箇所に穴を設ける
とともに、前記基板を中空の二重構造にして、前記二重
構造内にも空気を送る構成としたことをそれぞれ特徴と
している。

〔作用〕

平行平板を組み合わせた冷却フィンの冷却性能は以下の
手順■〜■を用いて算出することができる。

■Ｕ　１　ｎからＵｒｓａｘ　（式（Ｉ８））　、　Ｕ
＊　（式（９）　〜（１４）　）を求める（くり返し計
算）。

■ｈ、を求める。（式（６）〜（８））。

■ｈｚを求める。（式（４）〜（５））。

■ｈｐｔｔ　ｈｐｓ、　ｈｐｒを求める（式（１５）　
〜（１７））　。

■Ａ　ｔ　、　Ａ　ｐ　ｒ　＋　Ａ　ｐ　ｓ　、　Ａ　
ｐ　ｒを求める（式（３））。

■ｈ□を求める（式（２））。

■冷却フィンの熱抵抗（Ｒ＝１／ｈ１ＡＢ）を求める。

ここで、 Ｕ、・・・基板入口風速 Ｕ　ｗａｘ・・・流れに垂直方向のパッケージ列間の最
小断面積に対する風速 Ｕ＊°・・フィン間風速 であり、伝熱を支配する風速は ・・・（１） である。

第１列めのフィン付パッケージでのフィン底部面積Ａｓ
を基準にした熱伝達率ｈ工をり、＝　（Ｑ／ＡＢ）／　
（ＴＩＩｎ　７ω）で定義すると、ｈｌは以下のように
表わされる。

ｈ　ｘ　”　（Ａｔ　ｈ　ｉ＋　Ａｐｔ　ｈ　ｒｔ＋　
Ａｐｓｈ　ｐｓ＋Ａｐｒ　ｈ　ｐｒ）／　Ａｓ＝４２）
ここで、Ａ、、Ａ□ｇ　Ａｐｓ）　Ａｐｒはフィン間、
パッケージ前面、側面、後面の伝熱面積であり、ｈｅｒ
　ｈｐｔｔ　ｈｐｓｙ　ｈｐｒはフィン間、パッケージ
前面、側面、後面の熱伝達率である。

伝熱面積は、第５図に示すフィン形状に対してで与えら
れる。

また、フィン間の熱伝達率は、 ξ で与えられる。ここでｈｚは、入口空気温度と壁温の差
で定義した熱伝達率であり、ｈ、はフィン間を流れる空
気のバルク平均温度と壁温で定義した熱伝達率である。

ここで、 ・・・（６） Ｄ６＝２ｐ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（７）ν　ａｌｒ ・・・（９） 　ＨＦ Ｋ＝ＫＣ＋Ｋｅ　　　　　　　　　　　　　　　・・・
（１１）Ｋｃ＝０．４　　（１ａ”）　　＋β　　　　
　−（１２）Ｋｅ＝（１ａ２）−βａ　　　　　　　　
　−（１３）である。また、フィン付パッケージの前面
、側面、後面に対する熱伝達率は、 で与えられる。

なお、Ｕｍａｘは第６図および第７図に示すような配列
パラメータに対して Ｐ工５−ＷＨ Ｕ＊＊＝συ本　　　　　　　　　　・・・（Ｉ９）で
与えられる。

また、冷却フィンにおける圧力損失は次式で予測するこ
とができる。

ΔＰ　”　　　Ｉ’　（Ｕ”＊ｎ−Ｕ＊　＊２）　ＸＷ
Ｈ−（２０）上式を用いて、様々の基板入口風速Ｕ　ｌ
ｎに対して決められた熱抵抗値を実現できるフィン仕様
を見出すことにより、基板入口風速ないし冷却フィンで
の圧力損失が最小値を持つ冷却フィンの枚数とピッチが
決定される。

製作上の制約等から、上述した冷却フィンが実現できな
い場合、冷却フィンの高さを基板間隔等の制約までいっ
ばいにとり、かつ押し出し成形の限界を示すトング比（
これについては後述する）を製作上可能な上限とするよ
う冷却フィンの枚数とピッチを決定すると、製作上の制
約を考慮した最適な冷却フィンを選ぶことができる。

基板入口流速および冷却フィンの高さが固定されている
場合、トング比の上限内で冷却フィンの熱抵抗値が最小
となるように、フィン枚数とピッチを決定すると最適な
冷却フィンを選ぶことができる。

基板上に配列された冷却フィン付半導体パッケージの冷
却性能を、前述した手順に従って予測した結果を第８図
に示す。

熱伝達率ｈ１の予測値は、基板間隔と半導体パッケージ
高さとの比（Ｓ／Ｉ（）や基板入口風速（Ｕｔｎ）に対
して実測値と良く一致している。したがって、各種仕様
に対する冷却性能の詳細な予測が可能となる。

半導体パッケージの冷却フィンの寸法および基板間隔を
設定した場合、冷却フィンの伝熱性能を前述の予測式を
用いて各種基板入口風速およびフィンピッチまたはフィ
ン枚数について予測すると、第９図の実線Ａ−Ｃのよう
な曲線を得る。第９図は、所定のフィン高さ、フィン底
部面積、熱抵抗値を満足するダクト入口風速（またはフ
ィン部圧力損失）とフィン枚数との関係を示したもので
あり、Ａ点において極小値を持つ。したがって、Ａ点に
対応するフィン枚数Ｎ工を選択す九ば最少の基板入口風
速または圧力損失で所望の熱抵抗値を達成することがで
きる。なお、Ａ点において極小値を持つのは、フィン枚
数が少ない場合にはフィン枚数が増大するとフィンの面
積増加の影響が強く表われるのに対し、フィン枚数が多
い場合にはフィン枚数’ｈ＜増大するとフィン間の隙間
が小さくなり、冷却空気が流れにくくなる影響が現われ
るためである。

平行平板状のフィンの加工方法としては、切削加工、押
し出し成型加工等の様々な方法が考えられるが、生産コ
スト的に最もメリットのあるのが押し出し成型加工であ
る。これは、予め作成した型の中をアルミ等の材料を通
過させて所望の形状に加工する方法である。この方法で
冷却フィンを製造すると大量生産が可能なため、大幅な
コスト低減を達成することができる。しかし、この方法
では、型の強度の関係から、製作可能な形状が限定され
る。最も代表的なものは開口面積と開口幅の自乗の比で
定義されるトング比である。トング比は、フィン１高さ
Ｌ□フィン１間隔Ｐ（第５図参照）の場合については次
式で定義される。

押し出し成形可能なトング比の上限値は１．５〜４程度
である。

また、冷却用フィンを押し出し成形する場合の伝熱性能
はトング比により制約を受け、一般に一点鎖線Ｂ−Ｃの
ような左下がりのカーブになる。

フィン底部面積が一定である場合、フィン枚数が増大す
るとフィン１の間隔Ｐが減少する。成形可能なトング比
の値は加工性により決まっているので、式（２１）より
フィン１の高さり、が減少する。このため、加工性の制
限を受けない場合の最適枚数Ｎ工では、Ｂ点のような伝
熱性能となり、最適なポイントではなくなる。トング比
により制約を受ける場合には、最適なポイントはフィン
枚数が少ない方（すなわちフィン高さが大きい方）にず
九、０点に相当するフィン枚数Ｎ２が最適なものになる
。なお、−点鎖線Ｂ−Ｃ上でＢ点から０点に向うに従っ
てフィン高さは増大し、実線Ａ−Ｃとの交点Ｃにおいて
は、基板間隔等の制約から決定された実線Ａ−Ｃのフィ
ン高さと等しくなる。なお、実際にはフィン枚数は不連
続であり、条件によっては交点Ｃはフィン枚数値の中間
にくることがあるが、この場合にはその付近のフィン枚
数を選定すれば良い。

以上の説明では、フィン底部面積、フィン高さ上限値、
熱抵抗値を一定とした場合の半導体パッケージ冷却用フ
ィンの最適化方法および構造について述べたが、次に、
基板入口風速（フィン圧力損失）、フィン底部面積、フ
ィン高さを一定とするような冷却用フィンの最適化方法
および構造について第１０図を用いて説明する。第１０
図は、基板入口風速、フィン底部面積、フィン高さが与
えられた際に、フィン枚数（またはフィン間隔Ｐ）によ
り冷却用フィンの熱抵抗がどう変化するかを示したもの
である。曲線Ｄ−ＥはＥ点において極小値を持つ。この
ため、トング比等の製作上の制約がない場合には、Ｅ点
に対応するフィン枚数Ｎ４を選択すれば良い。トング比
による制約を考える場合には、加工可能なフィン枚数の
上限が存在する。もし、上限がＦ点（フィン枚数Ｎ、）
にあれば、最適なフィン枚数としては、Ｆ点よりも左側
の領域にある極小値Ｅ点（Ｎ　４枚）を選択すればよく
、上限がＤ点にあればその点（Ｎ３枚）を選択すれば良
い。

第１１図は、フィン底部が大きさ６０　ｍｇｎ　Ｘ　６
０Ｉ、フィン高さ２０ｍｍの冷却フィンに適用した場合
である。ただし、第１１図においては横軸にフィン枚数
の代りにフィン間隔Ｐをとっである。フィンの肉厚は１
ｍｍ〜２Ｗｎを考えた。冷却フィンの熱抵抗値１．４〜
１．５℃／Ｗを達成するのに必要な風速は、フィン間隔
３．０ｍｍ〜３．６ａｅ付近で極小値を持ちこの部分が
最適な領域であることがわかる。

なお、押し出し加工による製作において、加工可能なト
ング比の上限を４とすると、式（２１）により実現可能
なフィン間隔はこの例の場合４．５ｍｍ以上となる。し
たがって、加工上の制約がある場合にはこの付近が最適
な領域である。

以上のように、フィンの伝熱性能を、各種の仕様および
周回条件について事前予測し、それを整理することによ
り、最も少ない風量ないしフィン部での圧力損失で所定
の熱抵抗値を達成できる冷却フィンの構造（平行平板状
フィンでは、フィン枚数、フィンピッチ）を求めること
ができる。

基板入口風速またはフィンでの圧力損失を最小とすれば
、冷却ファンおよび冷却ファンを駆動する動力源も小型
にすることができ、騒音まで考慮した形で最適な冷却用
フィンを設計することができる。

チップと熱拡散板とを低熱抵抗で接着できる材質として
は、Ａ　Ｑ　Ｎ　、　Ｃｕ　Ｗ　、　Ｓ　ｉ　Ｃなどが
考えられる。これらの材料を用いるとＡｕ−５ｎの共晶
や、薄いＡ　ｇ　ｍ　Ａ　ｎペースト等で接着が可能で
あり、この接着層での熱抵抗は非常に小さくなる。

しかし、これらの材料はいずれもＣｕなどと比較して高
価である。この材料を熱拡散板のチップ側の突起部のみ
に用い、残りをＣｕなど安価な材料にすることにより、
全体のコストを殆ど上げることなく、チップと熱拡散板
の間の接着層での熱抵抗を低減できる。また、チップ内
部での発熱にばらつきがあった場合でも、熱拡散板内で
熱が拡がるために、チップを効率良く冷却することがで
きる。

また、冷却フィンの表面に微小な凹凸を設けたり、冷却
フィンをＳ字状またはジグザグ状にしたりすれば、冷却
フィンの表面積を増加させることができ、チップを一層
効率良く冷却することが可能となる。

さらに、冷却フィンが熱拡散板から分離できる構成にし
ておけば、冷却フィンを他のサイズの冷却フィンにユー
ザー側で自由に取替えることができるため、ユーザーは
自分達が要求した冷却性能にマツチした冷却用フィン付
半導体パッケージを得ることができる。

また、空気流に沿って流路面積が狭くなるガイド板を設
けたり、空気流に対して半導体基板を傾斜させたり、ま
たは半導体基板を二重構造にして半導体パッケージ搭載
側に複数個の穴を設けたりすれば、基板上の半導体パッ
ケージの１つ１つの十分な空気流を当てることができ、
全ての半導体パッケージを効率良く冷却することが可能
となる。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１２図は本発明の半導体パンケージに設けられた冷却
フィンを示している。ここに示した冷却フィンは、フィ
ン底部面積６０Ｘ６０ｍｍ２、基板間隔２５ｍｍ１１１
＋前後、発熱量２０〜３０Ｗの半導体パッケージの冷却
設計に適用した例である。本実施例においては、基板入
口風速１〜２ｍ／ｓで熱抵抗値１．５℃／Ｗを満足する
ように最適化を行い、高さ１８＋＋ｗａで厚さ１ｍａ＋
程度のアルミニウムでフィン１が構成されている。熱抵
抗値が１．５℃／Ｗの場合、チップの発熱量が２０Ｗと
すると、フィン１の温度は周囲の空気温度に比べて３０
℃高くなる。この条件においては、フィン１の枚数が１
４枚のときに、最も少ない基板入口風速または圧力損失
で所定の熱抵抗値を得ることができる。

第１３図は第１２図で示した冷却フィンの両端に長さ５
＋＋ａ程度の枝フィン２を設けた例である。

このように枝フィン２を設けると、冷却フィン１の伝熱
面積を増加させることができるので、伝熱性能を向上さ
せることが可能となる。また伝熱性能の向上に伴って、
所定の熱抵抗値を得るために必要な基板入口風速を減少
させることができる。

上述した第１２図と第１３図の実施例ではトング比が４
を越えており、押し出し成形加工ができない。そこで、
第１４図と第１５図に示した冷却フィンでは、トング比
が加工可能な上限である４以下となるよう最適化が図ら
れている。なお、上述以外の制約条件は第１２図および
第１３図の実施例と同じである。本実施例においては、
フィン１の枚数は１２枚で、高さは１７．４５ｍｍであ
る。

本実施例の冷却フィンを用いた場合、フィン１の有効面
積が第１２図または第１３図の実施例のものに比べて１
４％程度減少するため、１．５℃／Ｗの熱抵抗値とする
ためには基板入口風速を１７％程度大きくする必要があ
る。

なお、第１３図および第１５図の実施例では、枝フィン
２の枚数が４になっているが、４枚に限るものではない
。

以上の実施例においては、最も少ない基板入口風速で所
定の熱抵抗値を達成することができるため、冷却ファン
の動力も最小にすることができる。

これは冷却のための騒音を低減させる上で効果がある。

第１６図から第２２図は、押し出し成形加工上の制約を
考慮した形で基板入口風速を最小とするユニットフィン
３を、所定の大きさのフィンベース４上に多数搭載した
マルチフィン状の冷却フィンの例である。

第２３図と第２４図は、先の実施例で述べた冷却フィン
の表面に微小な凹凸２０を設けたものである。微小凹凸
２０はフィン１の押し出し加工時に同時に付ければ良く
、コスト増加とはならない。

このような微小凹凸２０により、冷却フィン１の表面積
を増大させることができ、冷却性能の向上に効果がある
。

第２５図は、フィン１の表面を曲面２１にしたものであ
り、このようにしても表面積の増加を図ることができる
。なお、第２５図の実施例において、第１３図と第１５
図で示した枝フィン２を設けても良く、さらに、第２３
図と第２４図で示した微小凹凸を設けても良い。

ここで、上記冷却フィン（例えば第１２図と第１４図に
示すフィン）の形状を決定する方法について第２６図を
用いて説明する。図に示すように、ステップ１００にお
いて、冷却フィンの最大高さ、幅、奥行等の寸法制限と
目標熱抵抗値を設定し、ステップ１０１において、フィ
ン枚数、フィン高さ、フィンの幅、フィンの奥行、各フ
ィンの厚さなどを決定する。次にステップ１０２におい
て、目標熱抵抗値を満足する基板入口風速を仮定し。

ステップ１０３において、その仮定した基板入口風速に
よる熱抵抗値及び圧力損失を求める。そして、ステップ
１０４において、求めた熱抵抗値が目標値を満足してい
るか否かを判断し、満足していればステップ１０６へ進
み、満足していなければステップ１０５で基板入口風速
を修正したのち、ステップ１０３に戻る６次にステップ
１０６において、フィン形状を変更するか否かを判断し
、変更しないならばステップ１０７において、フィン形
状と基板入口風速および圧力損失との関係をプロットし
、これらが極小となるフィン形状を見い出す。また、ス
テップ１０６において、フィン形状を変更すると判断し
たならばステップ１０２に戻る。

以上説明した冷却フィンを半導体パッケージに搭載した
実施例を第１図乃至第４図に示す。

第１図と第２図の実施例は、第１４図で示した冷却フィ
ンを使用した例である。多数のピン６を有する半導体パ
ッケージ５の上に冷却フィン１が取付けられている。冷
却フィン１は、最も少ない圧力損失で１．５℃／Ｗ以下
の熱抵抗値となるよう最適化されている（基板入口風速
１〜２　ｍ　／　ｓに対して）ため、有効な半導体パッ
ケージ５の冷却が可能である。

第３図と第４図の実施例は、第１５図で示した冷却フィ
ンを使用した例である。本実施例では枝フィン２が付加
されていることにより、冷却フィン１の表面積が増加す
るため、さらに良好な冷却性能を得ることが可能である
。

次に第２８図から第３２図は、半導体パッケージの熱拡
散板に関する実施例である。

第２８図の実施例では、ＣｕまたはＡＱを用いたフィン
側部材（平板部）１２′とＡ１２Ｎ、ＣｕＷまたはＳｉ
Ｃを用いたチップ側部材（中央突出部）１２”と、から
熱拡散板５が構成されており、前記両部材１２″、１２
”はシリコン接着剤で接着され、両部材１２″、１２”
の間には接着層２３が存在している。またチップ側部材
１２″とチップ１５との間には接着層１６が存在してい
る。

この接着層において、ＡｌＮやＣｕＷではＡ　ｕ　−８
などの金属結合を用いることができ、ＳｉＣではチップ
（Ｓｉ）との線膨張係数がほぼ等しいため熱ひずみを考
える必要がなく、ＡｇペーストやＡｕペーストなどの接
着層の厚さを最／Ｊ％限に押さえることができる。これ
により、従来、熱拡散板１２にＣｕを用いた場合に問題
となっていた接着層での熱抵抗を著しく低減させること
ができる。

なお、接着層２３における熱抵抗が無視できなくなるが
、チップ側部材１２″の面積はチップ１５よりも大きく
することができるので、同じシリコン接着剤を用いた場
合の全熱抵抗は、熱拡散枚１２にＣｕのみを用いた場合
に比べ２０〜３０％低減できる。

また、フィン側部材１２′とチップ側部材１２″はいず
れも四角形の平板であるから、加工性を向上させること
ができる。しかも、本実施例のように構成すれば、チッ
プ内での発熱にはらっきがあった場合でも、熱がチップ
側部材１２″′の中で十分拡散するため、熱拡散板１２
内での温度分布のばらつきをほぼなくすことができる。

チップ側凸部１２′′に用いる材料は、第１表に示すよ
うに、Ｃｕなどに比べて割高であるが、本実施例ではフ
ィン側部材１２′とチップ側部材１２″才の体積比が（
１０〜１２）：１であり、材料コストはＣｕやＡＱを単
独で用いた場合と比べて大きな違いはない。

また、フィン側部材１２′にＣｕを、チップ側部材１２
″にＣｕＷをそれぞれ用いると、線膨張係数がＣｕと比
較的近いので、熱ひずみに対する制約が緩くなり、接着
層２３でのシリコン厚さを薄くでき、全熱抵抗の低減に
効果がある。

第２９図の実施例は、フィン側部材１２′に凹部を設け
、この凹部にチップ側部材１２″を嵌合させたものであ
る。このようにすると、チップ側部材１２″の位置決め
作業を容易にすることができる。また、接着面２３の面
積が増加するので、接着層２３での熱抵抗低減に対して
も効果がある。

第３０図の実施例は、２つの材料の接合面に凹凸２２を
設け、接着層２３での熱抵抗の低減を図ったものである
。凹凸２２の形状は第３１図のような帯状でもよく、ま
た第３２図のような複数の独立した凸部でも良い。

第３３図の実施例は冷却フィンのベース４と熱拡散板１
２に８つ張り部を設け、この出っ張り部をネジ１７で固
定できるようにしたものであり、このような構成とする
ことにより冷却フィンの着脱を容易にすることができる
。

第３４図は、出張り部に更に端部出張り部１８を設け、
これにクリップ１９を取り付けることによりワンタッチ
の着脱を可能にしたものである。

この場合、第３５図に示すような係止片１９′を端部出
張り部１８に取り付け、この係止片１９′をビスとナツ
トで押え付けるようにしてもよい。

第３６図の実施例は、本発明の冷却用フィン付半導体パ
ッケージ５を小形高性能電子演算機に実装した場合を示
す。半導体パッケージ５は基板９上に１個ないし複数個
搭載されており、基板９上にはこの他に発熱量の小さい
半導体パッケージ１０も搭載されている。基板９は筺体
７の内部に固定されており、筐体７上部には基板９を冷
却するための空気を流すファン８が設置されている。本
実施例では、半導体パッケージ５の冷却フィンでの圧力
損失が最小となるよう最適化されているため、基板９上
での流速分布の一様性が向上するという利点がある。

さらに、本実施例では冷却風を有効に制御するためのガ
イド板１１が設けられている。このような構成にすると
冷却風がむだなく基板９上を流れるため、ファン８の負
荷を軽くすることができ、筺体７中で発生する騒音を低
減できる利点がある。

第３７図の実施例においては、基板９が流れ方向に対し
て傾いた形状となっている。このような構成にすると冷
却空気は半導体パッケージ９，１０の１つ１つにぶつか
るように流れるため、半導体パッケージ９，１０まわり
の熱伝達率および冷却空気の混合効率が向上するため、
冷却効果が大きい。

なお、本実施例において必ずしも上側の基板９′が流れ
方向に平行である必要はない。また上側の板は基板９′
の代りにガイド板１１であっても良い。

第３８図の実施例においては、基板９は中空の二重構造
となっており、下面および側面がフタ２５により封じら
れ、かつ基板９に複数個の穴２４が設けられている。こ
のような構成においては、中空部を上から下へ流れる空
気は穴２４を通して基板９の表面へ噴出する。この噴出
した空気によ　４す、基板９上を上から下に流れている
空気が混合され、半導体パッケージの冷却効率が向上す
る。

なお、本実施例においては、噴出空気の流量を増大させ
るために、中空部中に小さなファンを内蔵しても良い。

また、基板９とファン８との間にガイドを設け、このガ
イドによって空気を誘導するようにしても良い。

なお１本実施例においては、上面および側面にフタ２５
を設け、冷却空気を基板９に明けた穴２４を通して吸引
するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、最少の冷却ファ
ン動力でチップ全体を効率良く冷却できるので、騒音ま
で考慮した形で最適なスペックを与えることができる。

また、与えられたスペックに対して、製造コストおよび
伝熱性能のうえから最適な冷却フィン付半導体パッケー
ジを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の冷却フィン付半導体パッケージの正面
図、第２図はその底面図、第３図は枝フィンを付けた冷
却フィン付半導体パッケージの正面図、第４図はその底
面図、第５図は冷却フィンの斜視図、第６図は冷却フィ
ン付半導体パッケージを搭載した基板の正面図、第７図
はその平面図、第８図は熱伝達率に対する予測値と実測
値を示す図、第９図は基板入口風速またはフィン圧力損
失とフィン枚数との関係を示す線図、第１０図は熱抵抗
とフィン枚数との関係を示す線図、第１１図は基板入口
風速とフィン間隔との関係を示す線図、第１２図〜第２
５図は冷却フィンの様々な形状を示す説明図、第２６図
はフィン形状を決定する手順を示すフローチャート、第
２７図は冷却フィン付半導体パッケージの内部構造図、
第２８図〜第３２図は熱拡散板を分割した場合の説明図
、第３３図〜第３５図は冷却フィンを着脱自在にした場
合の説明図、第３６図〜第３８図は半導体パッケージを
搭載した基板を冷却する場合の説明図である。 １・パフイン、２・・・枝フィン、４・・・フィンベー
ス、５．１０・・・半導体パッケージ、６・・・ピン、
８・・・ファン、９・・・基板、１１・・・ガイド板、
１２・・・熱拡散板、１３，１６．２３・・・接着層、
１４・・・配線基板、１５・・・チップ、１８・・・端
部品っ張り部、１９・・・クリップ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面
   側にフィンが固着されて、該フィンを空冷することによ
   り、前記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半
   導体パッケージにおいて、前記フィンの一辺の長さを５
   ０〜７０ｍｍとするとともに、該フィンの厚さを０．８
   〜２０ｍｍに、フィンの間隔を３〜５ｍｍに、フィンの
   高さを３０ｍｍ以下にそれぞれ設定したことを特徴とす
   る冷却フィン付半導体パッケージ。 ２、熱拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面
   側にフィンが固着されて、該フィンを空冷することによ
   り、前記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半
   導体パッケージにおいて、前記フィンの表面に微小な凹
   凸を設けたことを特徴とする冷却フィン付半導体パッケ
   ージ。 ３、熱拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面
   側にフィンが固着されて、該フィンを空冷することによ
   り、前記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半
   導体パッケージにおいて、前記フィンをＳ字状またはジ
   グザグ状に形成したことを特徴とする冷却フィン付半導
   体パッケージ。 ４、熱拡散板の中央突出部の表面に半導体チップが接着
   され、前記中央突出部の反対側の面にフィンが固着され
   て、該フィンを空冷することにより、前記半導体チップ
   を冷却する構成の冷却フィン付半導体パッケージにおい
   て、 前記熱拡散板を、前記中央突出部と中央突出部以外の平
   板部とからなる分割構造にしたことを特徴とする冷却フ
   ィン付半導体パッケージ。 ５、請求項４記載の冷却フィン付半導体パッケージにお
   いて、 前記平板部中央には凹部が形成され、該凹部に前記中央
   突出部を嵌合させ固定したことを特徴とする冷却フィン
   付半導体パッケージ。 ６、請求項４記載の冷却フィン付半導体パッケージにお
   いて、 前記中央突出部と平板部の間には複数の凹凸が形成され
   、この凹凸が噛み合って前記中央突出部が前記平板部に
   固定されていることを特徴とする冷却フィン付半導体パ
   ッケージ。 ７、請求項４、５、または６記載の冷却フィン付半導体
   パッケージにおいて、 前記平板部を熱伝導性の良い材料で、前記中央突出部を
   熱伝導性が比較的良く、かつ前記半導体チップと金属接
   合が可能で半導体チップを線膨張率が略等しい材料で構
   成したことを特徴とする冷却フィン付半導体パッケージ
   。 ８、請求項７記載の冷却フィン付半導体パッケージにお
   いて、 前記平板部の材料はＣｕまたはＡｌであり、前記中央突
   出部の材料はＡｌＮまたはＣｕＷであることを特徴とす
   る冷却フィン付半導体パッケージ。 ９、熱拡散板の一面側に半導体チップが接着され、他面
   側にフィンが設けられて、該フィンを空冷することによ
   り、前記半導体チップを冷却する構成の冷却フィン付半
   導体パッケージにおいて、前記フィンを前記熱拡散板か
   ら分離可能な構成にしたことを特徴とする冷却フィン付
   半導体パッケージ。 １０、請求項９記載の冷却フィン付半導体パッケージに
   おいて、 前記フィンと熱拡散板に両者を互いに結合するための出
   っ張り部を設けたことを特徴とする冷却フィン付半導体
   パッケージ。 １１、基板上に搭載された複数の半導体パッケージの周
   囲に空気流を生じさせることにより、前記半導体パッケ
   ージを冷却する半導体冷却装置において、 前記空気流の上流から下流に沿って空気流の流路面積を
   漸次狭くするガイド板を設けたことを特徴とする半導体
   冷却装置。 １２、基板上に搭載された複数の半導体パッケージの周
   囲に空気流を生じさせることにより、前記半導体パッケ
   ージを冷却する半導体冷却装置において、 前記空気流に対して前記基板を傾斜させ、半導体パッケ
   ージの全てに前記空気流が当たる構成にしたことを特徴
   とする半導体冷却装置。 １３、基板上に搭載された複数の半導体パッケージの周
   囲に空気を送ることにより、前記半導体パッケージを冷
   却する半導体冷却装置において、前記基板の複数箇所に
   穴を設けるとともに、前記基板を中空の二重構造にして
   、前記二重構造内にも空気を送る構成としたことを特徴
   とする半導体冷却装置。