JPH0439782B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置基体によつて発生される熱
を冷却装置に伝達するための構成及び技法に関す
る。更に具体的には、本発明は半導体装置基体が
微少はんだボールで基板に取付けられた、単一装
置基体もしくは多重装置基体を含む集積回路パツ
ケージ組立体中の半導体装置基体を冷却する熱伝
導冷却モジユール装置に関する。

〔発明の背景〕

従来において、大型電子計算機では計算速度の
速いことが要求されるため、近年、限定された半
導体基体中に半導体素子を多数個集積し、もつて
各素子間の電気的連絡配線長を可及的に短縮した
半導体装置、即ちLarge Scale Integrated
Circuit（以下LSIと言う）チツプが開発されてい
る。又、そのLSIチツプを搭載し、同チツプと外
部回路とを電気的中継接続する基板も多層かつ高
密度に電気配線され、もつて中継接続配線長を実
質的に短縮した回路基板が開発されている。更に
上記LSIチツプは上記回路基板上に多数個実装さ
れる方法が開発されている。LSIチツプの動作パ
ラメータを予定の範囲内に保持するとともに、過
熱による同チツプの破壊を防止するためには、動
作によつて発生した熱を効率的に外部へ放散させ
る必要がある。

上記LSIチツプの実装密度が低く、発生熱量が
少ない場合は、従来、熱発生源としてのLSIチツ
プから熱中継媒体を経由して連なる放熱体を、空
気による強制対流方式の冷却法が採られてきた。
しかしながら、上記チツプの実装密度が高くな
り、発生熱量の増大を招くにつれ、限られた表面
積の放熱体を十分冷却する必要があるが、このた
めには空気速度を増さねばならず、これに伴なう
騒音問題を無視できなくなる。したがつて、この
強制空冷方式に代り得る何等かの補助的冷却手段
を施さなければ、LSIチツプをこれらにとつて適
切な動作温度範囲に維持することはできない。

補助的冷却手段の一例として提案されているも
のに、空冷と液体冷却を併用した冷却システムが
ある。これは、米国特許第3741292号に示されて
いるように、カプセル内に封入された低融点の誘
電性液体で包囲された部分に、熱発生成分を浸漬
したモジユールである。これに多用される液体
は、低沸点を有するフロロカーボン液で、比較的
低い温度のもとで沸騰を生ずる。即ち、熱発生成
分が伝熱された上記液体は蒸気となり、液面より
上部に位置した蒸気部分に移動し、容器から内部
へ向けて連なつた凝縮器として作用する内部フイ
ンで冷却されて再び液化されるサイクルをくり返
す。この際、容器から外方に延びている外部フイ
ンが空冷され、内部フインから伝達された熱に対
する放熱体の役割を担う。以上の過程のもとで熱
発生成分の熱放散が達成される。しかし、この種
の液体カプセル封入モジユールは、沸騰−凝縮の
基本プロセスが確実に遂行されるように維持され
ねばならないが、このためには極端に高純度で汚
染物質の無い冷却剤液体を必要とする。又、この
冷却概念は、上記LSIチツプの如き発生成分を冷
却する場合には、容易に適用できない。液体及び
同液体に取込まれた不純物質又は汚染物質により
LSI構成物質が腐蝕されたり、これに伴なう故障
を併発する危険が極めて大きいからである。

米国特許第3993123号には、１以上の冷却され
るべき半導体チツプの如き熱発生装置をガスとと
もにカプセル封止した冷却モジユール装置が開示
されている。熱発生装置はアルミナ基板上に搭載
され、上記基板とキヤツプにより密閉され、この
密閉空間に不活性ガスが充填されるとともに、熱
伝導性部材が配置されている。基板に対向するキ
ヤツプの壁面は熱発生装置に向つて該装置と同一
中心上を延びる細長い開孔を有している。上記開
孔の内方端部には弾性部材が配置されている。熱
伝導性部材が上記の各開孔内に配置されており、
各開孔の壁面とそれに関連する熱伝導性部材との
間に狭い周辺間隙が形成されている。上記弾性部
材は上記熱伝導性部材を上記熱発生装置に圧接す
るような力を、上記熱伝導性部材に付与してい
る。上記気密空間内には不活性ガスが充填されて
いて、この不活性ガスにより上記周辺間隙及び上
記熱発生装置と上記熱伝導性部材間の界面を満し
ている。熱発生成分で生じた熱は、不活性ガスや
熱伝導性部材を経由してキヤツプに至り、同キヤ
ツプと結合したヒートシンクへ放出される。

上記カプセル封止冷却モジユール装置には、キ
ヤツプ材及び熱伝導性部材として銅やアルミニウ
ム、そして封入ガスとしてヘリウム、水素、二酸
化炭素が用いられている。これらは熱伝導性の優
れた材料であつて、熱発生装置からヒートシンク
へ至る熱伝導経路をこれらの材料で構成すること
により、効率のよい熱放散を実現している。しか
しながら、キヤツプ及び熱伝導性部材はカプセル
封止冷却モジユール装置の全重量の50％以上を占
める。一例を示すと、上記熱発生装置としての
LSIチツプを90個搭載した典型的な冷却モジユー
ル装置で効率的な冷却を行なわしめる場合、上記
熱伝導性部材及びキヤツプに銅を使用すると、こ
れらだけで1.5Kgにも達する。冷却モジユール装
置は、一般に上記基板の熱発生装置を搭載した面
と反対側の面から垂直方法に突出し、金−錫ろう
材の如きもので固定された多数の接続ピンによつ
て、補助回路等を担持するプリント基板にはんだ
の如きもので接続され、しかも上記プリント基板
面が引力方向に対して平行になるように実装され
る。したがつて、冷却モジユール装置の全荷重
は、上記ピンとこれに連なる接続部材、例えば金
−錫系ろう材やはんだで支持される。冷却モジユ
ール装置は、稼動時にはそれを実装する筐体から
上記プリント基板を経て伝達される機械的振動を
受ける。この際、過大な荷重により、冷却モジユ
ール装置を支持する接続ピン並びに接続部材の機
械的劣化が加速され、これに伴なう故障を生ずる
に至る。

又、典型的上記冷却モジユール装置では、効率
的冷却能力を維持するため、上記熱伝導性部材は
約3.3grの荷重を有する。上記熱発生装置の主要
平面に対して垂直な方向の振動は弾性部材によつ
て吸収されるが、同主要平面に対して平行な方向
の振動はこれによつては吸収されにくい。即ち、
上記開孔壁面と熱伝導性部材間には間隙が存在
し、振動運動に伴なつて、軟らかい銅からなる熱
伝導性部材は上記熱発生装置との接触部で摩耗さ
れる。この結果、微粉状となつて封入モジユール
内部に飛散した導電性物質は、相互に電気絶縁さ
れている導電路間に付着し、導通状態に至らし
め、所定の回路機能を消失せしめる。同様の摩耗
は、キヤツプの開孔壁面と熱伝導性部材間におい
ても生ずる。又、上記摩耗の問題は、キヤツプ材
及び熱伝導部材にアルミニウムを用いた場合にも
共通する問題である。又、上記熱伝導性部材の振
動は、単に熱発生装置と熱伝導性部材間の接触面
のすべり運動のみを引起す訳ではない。例えば、
熱発生装置の主要面に対して垂直な成分と平行な
成分からなる合力振動が与えられた場合、熱伝導
部材が重いと、合力振動の垂直成分を上記弾性部
材で吸収しきれなくなり、熱伝導性部材は上記主
要面に対して点接触若しくは線接触の如き界面の
係合状態を呈することとなり、熱伝達機能の低下
にあいまつて上記熱発生装置の局所に集中した押
力ないしシヨツクを付与するに至る。このような
場合は、上記熱発生装置若しくは上記熱発生装置
と上記基板間の電気接続を担う微少はんだボール
の如き接続部材の劣化、即ち割れ、欠れ、つぶれ
等を加速せしめる。この種の問題は、上記熱伝導
性部材の荷重が大きい程、上記キヤツプと上記熱
伝導性部材間のギヤツプの公差が増大する程顕著
になる。

更に、封入カプセル内の基板には、熱発生装置
が可及的高密度に実装されている。それぞれの熱
発生装置は、限定された半導体基体中に多数個集
積した半導体素子を有している。各々の半導体素
子が電気回路を形成するためには、必要に応じて
個々の素子を電気絶縁しなければならない。した
がつて、一般に半導体素子は、pn接合を逆バイ
アスすることによつて電気的に分離された、通常
島と呼ばれる半導体領域に形成される。問題は、
上記pn接合を逆バイアスするための電圧が上記
半導体基体、即ち熱伝導性部材と接触界面を形成
する熱発生装置基体に与えられることである。基
板上に実装される熱発生装置の全てが同一機能を
有する半導体基体からなる場合は稀で、一般には
機能の異なる２種ないしそれ以上の熱発生装置が
同一冷却モジユール装置内に実装されると考えね
ばならない。このような場合は上記逆バイアス電
圧を２ないしそれ以上の水準に維持する必要があ
る。ところで、異なる逆バイアス電圧の与えられ
た上記熱発生装置どうしは、導電性の上記熱伝導
性部材、弾性部材、キヤツプを介して電気的に連
絡することとなり、あらかじめ予定された逆バイ
アス条件を維持できず、冷却モジユール装置全体
の回路機能が損なわれる。又、冷却モジユール装
置内に実装された全ての熱発生装置に逆バイアス
条件が全く同一である場合は上述の問題は解消さ
れる。しかしながら、上記キヤツプに連なつて接
触界面を形成するヒートシンクないし冷媒中の不
純物や汚染物質を通じて冷却モジユール装置相互
が電気的に連絡されたり、更に筐体中に高密度実
装されたプリント基板上の、冷却モジユール装置
どうしの振動接触による電気連絡網を形成する危
険を伴なう。したがつて、基板上に実装された熱
発生装置どうしは、あらかじめ予定された導電路
以外で電気的連絡されることは好ましくなく、こ
の意味で具体的にはキヤツプないし熱伝導性部材
に電気絶縁機能を付与しておくことが望ましい。

〔発明の目的〕

本発明の主な目的は、上記冷却されるべき熱発
生装置の冷却を効率的に行なわしめ、上記熱発生
装置から放熱のためのヒートシンクに至る熱伝導
路の伝熱性能を維持する熱伝導中継部材またはハ
ウジングを有する熱伝導冷却モジユール装置を提
供することである。

本発明の他の目的は、上記接続ピン並びに接続
部材の劣化を防止または軽減する、軽量な熱伝導
冷却モジユール装置、及び上記熱発生装置を基板
配線に電気連絡する接続部材または上記熱発生装
置の劣化、損傷を防止または軽減する、軽量な熱
伝導中継部材を有する熱伝導冷却モジユール装置
を提供することである。

本発明の他の目的は、上記摩耗とこれに伴なう
導電路間の電気的導通を防止または軽減し、併せ
て電圧を付与された熱発生装置相互間の電気的連
絡を防止するため、耐摩耗性と電気絶縁性を維持
できる熱伝導中継部材ないしハウジングを有する
熱伝導冷却モジユール装置を提供することであ
る。

〔発明の概要〕 本発明熱伝導冷却モジユール装置は、以下の特
徴を有する。即ち、本発明の熱伝導冷却モジユー
ル装置は、少なくとも１の冷却されるべき熱発生
装置と、上記熱発生装置の各々に対向する如くに
熱伝導路内に含まれているハウジングと、上記熱
発生装置と上記ハウジングの表壁との間で熱交換
を行なうように配置されている熱伝導中継部材
と、上記熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧接
して上記両者間に熱伝導界面を形成する弾性手段
とを含む熱伝導冷却モジユール装置であつて、上
記ハウジングまたは上記熱伝導中継部材の少なく
とも一方が炭化ケイ素を主成分とする焼結体であ
ることを特徴とする。

又、本発明の熱伝導冷却モジユール装置は、上
記ハウジングまたは上記熱伝導中継部材が炭化ケ
イ素を主成分とし、ベリリウム、酸化ベリリウ
ム、窒化ホウ素の少くとも１種を含む焼結体であ
れば好ましい。

又、本発明の熱伝導冷却モジユール装置は、上
記ハウジングまたは上記熱伝導中継部材が炭化ケ
イ素を主成分とし、ベリリウム、酸化ベリリウ
ム、窒化ホウ素の少くとも１種と、アルミニウ
ム、シリコン、鉄、チタニウム、ニツケルの少く
とも１種の単体又は酸化物または炭化物を含む焼
結体であればさらに好ましい。

又、本発明の熱伝導冷却モジユール装置は、少
くとも１の冷却されるべき熱発生装置と、上記熱
発生装置の各々に対向する突出部を有して熱伝導
路内に含まれているハウジングと、開孔部を有し
上記開孔部側壁と上記突出部の表壁との間で熱交
換を行なうように上記突出部に上記開孔部を配置
されている熱伝導中継部材と、上記熱発生装置に
上記熱伝導中継部材を圧接して上記両者間に熱伝
導界面を形成する弾性手段とを含む構造であれば
好ましい。

又、本発明の熱伝導冷却モジユール装置は、上
記ハウジングまたは上記熱伝導中継部材が10¹⁰Ω
cm以上の電気抵抗率が付与されている焼結体であ
れば好ましい。

又、本発明の熱伝導モジユール装置は、上記熱
伝導路の熱抵抗が上記ハウジングの突出部表壁と
上記熱伝導中継部材の開孔部側壁との間の対向面
積により調節できることが好ましい。

ところで、前述した熱伝導中継部材とハウジン
グが具備すべき主な性質は、(1)熱伝導性が銅やア
ルミニウム等の金属にほぼ匹敵する程に優れ、(2)
可及的に軽量であり、(3)耐摩耗性に優れ、そして
(4)電気絶縁性を有していることである。そこで、
こうした性能を有する材料を探索し比較検討した
結果、ベリリウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素
の少くとも１種を含む高密度焼結体炭化ケイ素が
上記(1)〜(4)の性能を有することを試作品により確
認した。具体的には炭化ケイ素100重量部に対し
ベリリウム含有量（酸化ベリリウム換算）、窒化
ホウ素含有量が２重量部以上である焼結炭化ケイ
素は、熱伝導率0.7cal／℃・cm・Ｓ（室温）、密度
3.2g／cm³、ビツカース硬さ約4000、曲げ強さ（三
点支持）45Kgｆ／mm²、及び電気抵抗率10¹³Ω・cm
以上（室温）と、上記熱伝導中継部材並びにハウ
ジング用材料として好適な能性を有していること
に着目した。

上記炭化ケイ素焼結体からなる熱伝導中継部材
及びハウジングは、ベリリウム、酸化ベリリウ
ム、窒化ホウ素により炭化ケイ素結果粒界の電気
抵抗を高められ、炭化ケイ素焼結体の電気絶縁性
が付与されていると同時に熱伝導性が付与されて
いる。焼結炭化ケイ素には、出発原料中に不純物
の形で含有されているシリコン、アルミニウム、
鉄、チタニウム、ニツケルの単体又はこれらの酸
化物、炭化物及び遊離炭素が残留している。これ
らの不純物の中で、アルミニウムは炭化ケイ素焼
結体の抵抗率を低下させる働きを有するので少な
いことが望ましい。しかし、一方においてアルミ
ニウムは焼結炭化ケイ素の高密度化、即ち気孔率
の低減に重要な役割を演ずるものでもある。この
気孔率の低減の必要性は後述するパツケージの高
気密化に無視できない意味を持つ。したがつて、
このような場合はアルミニウムの存在によつて低
下した抵抗率を相殺する分量の上記ベリリウム、
酸化ベリリウム、窒化ホウ素を添加することが望
ましい。

本発明の熱伝導性冷却モジユール装置におい
て、熱伝導中継部材やハウジングとして必要な抵
抗率は10¹⁰Ωcm以上、そして熱伝導率は少くとも
アルミニウム（0.53cal／cm・℃・Ｓ）と同等若
しくはそれ以上であることが望ましい。これを達
成するための望ましい添加量は、酸化ベリリウム
によつてベリリウムを添加する場合の添加量及び
窒化ホウ素の添加量を主成分となる炭化ケイ素
100重量部に対して２重量部以上である。

又、特にハウジングは、基板や他の部材ととも
に熱発生装置を包囲する空間を形成し、熱伝導中
継部材とハウジング又は熱発生装置間界面の伝熱
を補助するヘリウムガスの如き気体を封入する容
器を兼ねるため、高気密性を有していなければな
らない。ヘリウムガスは原子半径の小さい気体で
あつて、極めて微少な間隙や気孔を通して散逸し
やすいからである。このような気密性の問題は、
ハウジング用素材として金属を用いる場合と異な
り、セラミクス材を適用する場合に特に解決しな
ければならない点である。この気密性は、ヘリウ
ムガスのもれ量に換算して10^-7atmml／ｓ以下が
好ましい値であるが、焼結炭化ケイ素にこの程度
の気密性を付与するには、同焼結体の相対密度が
97％以上にすることが望ましい。このような炭化
ケイ素焼結体を得るには、典型的には粒径2μm以
下の炭化ケイ素粉末を同等の粒径の絶縁性、熱伝
導性を付与する添加物とともに均一に混合し、同
混合物を98MP_a程度の圧力で仮成形後、温度
2050℃、圧力30MP_aで１時間程度真空ホツトプ
レス（真空度10^-6MP_a）するのがよい。この際、
焼結炭化ケイ素中には、絶縁性や熱伝導性を付与
するための添加物以外に、出発原料中に含まれる
不純物としてのシリコン、アルミニウム、鉄、チ
タニウム、ニツケルの単体又はこれらの酸化物や
炭化物及び遊離炭素が含まれている。これらの不
純物は炭化ケイ素結晶粒相互間を緻密にさせるた
めに有効な働きを持つものである。したがつて、
積極的に焼結炭化ケイ素に気密性を付与するため
に、上記シリコン、アルミニウム、鉄、チタニウ
ム、ニツケルの単体又はこれらの酸化物、炭化物
を添加するのは好ましいことである。

又、熱伝導路内に含まれている熱発生装置と熱
伝導中継部材間及び熱伝導中継部材とハウジング
間の熱交換を効率的に遂行するためには、両者間
の対向面積が可及的に広く、かつ間隙が小さいこ
とが望ましい。この意味で、熱発生装置及びハウ
ジングとの対向界面を形成する熱伝導中継部材は
できるだけ大寸法である方がよい。しかしなが
ら、上記熱伝導中継部材の大寸法化は、その重量
の増大を伴なうこととなり、前述の熱発生装置及
び同装置と基板間接続部材の劣化または損傷が促
進される。つまり、熱伝導中継部材と熱発生装
置、ハウジング間の対向面積を同一に維持する場
合、熱発生装置とこれに対向する部分に開孔を設
けたハウジング間に略柱状の熱伝導中継部材を配
置した構造をとるよりも、熱発生装置とこれに対
向する部分に突起を設けたハウジング間に、上記
突起に対向する部分に開孔部を設けた熱伝導中継
部材を配置した構造をとる方が、熱伝導中継部材
自体を軽量化でき、上述の熱発生装置及び接続部
材の劣化ないし損傷を防止できる。

〔発明の実施例〕

次に、図面を参照して、本発明の実施例を更に
詳細に説明する。第１図はLSIチツプ１０として
示されている熱発生装置とこれを冷却するための
補助的冷却手段を有した気体封入熱伝導冷却モジ
ユール装置を示す概略断面図である。チツプ１０
は、一般に知られているように、高密度に実装さ
れた素子や配線を有する固体回路を形成している
もので、チツプ内の回路において消費された電力
が熱に変換される。したがつて、同回路を所定の
動作パラメータの範囲内で安定動作させるため、
以下の熱伝導放熱手段が取られる。

チツプ１０は、一般にセラミツクの多層配線基
板１２の一方の側に微少はんだボール１１により
装着されており、基板１２はその他方の側から突
出する接続ピン１４を有している。これらのピン
１４を補助回路等を担持した配線ボード１３のス
ルーホール１３ａに差込み、この部分をはんだ等
のろう材の如き接続部材１３ｂで固着することに
より、基板１２並びにこれに連なる各種部材から
なる熱伝導冷却モジユール装置が支持される。こ
の際、接続ピン１４は基板１２に金−錫ろう１４
ａにより接続されている。基板１２のチツプ１０
を搭載した側の周辺部には金属又はセラミツクか
らなるスペーサ１５が、そしてスペーサ１５の他
方の側にはキヤツプ即ちハウジング１６が連なつ
て配置され、はんだ等のろう材の如き封着部材１
７，１８により固着されている。これらの部材構
成によつて、密閉空間１９が形成されている。ス
ペーサ１５の材質は熱伝導性の観点よりも、むし
ろ基板１２及びハウジング１６と熱膨張係数が一
致又は近似している点を優先して選択されるべき
である。例えば基板１２の材質がアルミナセラミ
ツク、ムライトセラミツクの場合には、スペーサ
１５はアルミナセラミツク、ムライトセラミツ
ク、炭化ケイ素焼結体、コバール、58Fe−42Ni、
タングステンカーバイド等のような材質を選ぶこ
とができる。熱膨張係数の観点を優先する理由
は、基板１２又はハウジング１６との間の熱膨張
係数差に起因して、熱的サイクルが与えられたと
き生ずる封着部材の疲労破壊を避ける必要からで
ある。又、ハウジング１６の材質は、前記した性
質を兼備していることの外に、同様の疲労破壊を
避ける必要からスペーサ１５との熱膨張係数が近
似している観点、更に好ましくは基板１２と熱膨
張係数が近似している観点で選択されるべきで、
これらの諸条件を満し得る材料としてベリリウ
ム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素の少くとも１種
を添加した焼結炭化ケイ素が適合する。ハウジン
グ１６内方には、相対して配置されているチツプ
１０の各各に対向して突出部１６ａが形成されて
おり、この突出部１６ａに案内されるように開孔
２０ａを有する熱伝導中継部材２０が配置され、
突出部１６ａと開孔２０ａで形成される空間にば
ね２１が配置されている。このばね２１の押圧に
よりチツプ１０と熱伝導中継部材２０との接触を
維持している。熱伝導中継部材２０の材質は、前
記した性質を兼備している点でベリリウム、酸化
ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも１種を添加
した焼結炭化ケイ素が最も適切である。熱伝導中
継部材２０の開孔２０ａはハウジング１６の突出
部１６ａの側壁との間に小さい間隙３０が形成さ
れている。この間隙３０は、熱伝導中継部材２０
とチツプ１０間の係合が平坦面による面接触的に
接触されるように、ゆとりが存在するような幅を
有している。又、熱伝導中継部材２０は種々の高
さを有しているチツプ１０に適合できるようにば
ね２１の弾性力が与えられるようになつている。
熱伝導中継部材２０に開孔２０ａを設け、そして
ハウジング１６側に突出部１６ａを設けている理
由は、熱伝導中継部材２０の自重を軽減し、チツ
プ１０と微少はんだボール１１の劣化の進行ない
し損傷を抑制する点に基づく。基板１２、スペー
サ１５、そしてハウジング６で構成される空間１
９にはヘリウムガス３１が導入されていて、チツ
プ１０と熱伝導中継部材２０との間の微少間隙や
熱伝導中継部材２０とハウジング１６との間の間
隙を満して、気体による熱伝導路を形成してい
る。ヘリウムガスは周知の如く、低分子量気体で
あつて微少間隙に侵入して満しやすく、良好な熱
伝導体であつて熱抵抗を下げ、不活性ガスであつ
て安全性が高く、腐蝕性や毒性が無く、最も好ま
しい封入用気体材料になり得る。しかし、チツプ
１０の安定動作を維持する上で放熱能力に余裕が
ある場合は、水素、二酸化炭素、窒素等の気体を
封入すると及びヘリウムガスを含めた上記気体の
２種類以上の混合体を封入することも可能であ
る。この場合、気体の種類や気体の混合組成は冷
却されるべきチツプ１０の発生熱量と熱伝導冷却
モジユール装置全体の放熱能力とのバランスで適
宜選択されるべきである。空間１９は、基板１
２、スペーサ１５、ハウジング１６とこれら各部
材を固着している封止部材１７，１８により気密
性を維持し、封入ヘリウムガス３１の散逸を防ぐ
と同時に外気の侵入による腐蝕等から保護される
ようになつている。このような気密性保持や疲労
破壊防止の観点で選択される限りにおいては封止
部材１７，１８として、錫、鉛、ゲルマニウム、
シリコン、アンチモン、ビスマス、カドミウム、
ガリウムから選択された少くとも１種を含む金系
合金材や、錫、鉛、銀、アンチモン、インジウ
ム、ビスマス、銅、亜鉛、金、カドミウムから選
択された少くとも１種を含む鉛又は錫又は銀合金
等のろう材が好ましい。又、金属ろう材による固
着手段以外に熱硬化性樹脂組成物、熱可塑性樹脂
組成物による封止材を適用することも可能であ
る。この場合、一般に樹脂組成物は金属に比べ気
体に対する気密性に劣るため、封入気体の選択が
必要になる。更に、金属ろう材、樹脂組成物によ
る固着手段以外であつても、圧接法、陽極結合法
等の手法によつて封止することも可能である。し
かしながら、チツプ１０は基板１２上に可及的高
密度に搭載されていて、その中の一部に故障を生
じた場合は所定の回路機能を維持できなくなる。
このような場合には、熱伝導冷却モジユール装置
全体の構成を全て交換するか、あるいはチツプ１
０の一部を交換するか、いずれかの方法によつて
再生を計らねばならない。後者の方法は、前者に
比べて経済的損失を軽微にとどめる点で好ましい
方法と言える。しかしこのためには、封止部を開
放してチツプ１０の交換が可能な状態にするこ
と、即ち熱伝導冷却モジユール装置には開封性が
付与されていなければならず、更に開封並びに再
封止の熱処理によつて他の接続部、例えば微少は
んだボール１１に悪影響を及ぼさないような配慮
がなされねばならない。このような観点で封止部
材１７又は１８を選択するならば、例えば微少は
んだボール１１の材質として95鉛−５錫系はんだ
を用いた場合は、少くとも同はんだ材の固相点よ
りも低い融点を有するろう材、即ち95錫−５銀、
63錫−37鉛、80インジウム−15鉛−５銀、50錫−
50インジウム、34錫−20鉛−46ビスマス、14錫−
29鉛−48ビスマス−10アンチモン等のろう材が好
ましい。

熱伝導中継部材２０の各々からハウジング１６
に伝達された熱は、ハウジング１６に取付けられ
ている冷却板３２の如きヒートシンクに伝達され
る。第１図で理解されるように、ハウジング１６
の表面と冷却板３２の表面は、両者間で良好な熱
伝達がなされるように平坦に形成されている。冷
却板３２の空間部３２ａには、冷却板３２に伝達
された熱を除去する冷却液体４２が循環されてい
て、効率的な冷却がなされる。効率的な冷却をな
し得る冷却液体として、水の如き液体が望まし
い。したがつて、冷却されるべきチツプ１０が、
作動状態においてあらかじめ設計された温度以上
に過熱されない状態に維持される場合には、上記
冷却板３２による冷却に代えて空冷によるヒート
シンクを用いることも可能である。この際には、
当然ながら上述した騒音問題を軽微にとどめるよ
うな配慮がなされなければならない。

熱発生装置であるチツプ１０から発生された熱
は、チツプ１０と熱伝導中継部材２０との界面、
熱伝導中継部材２０、熱伝導中継部材２０の開孔
２０ａ内壁面とハウジング１６の突出部１６ａの
表面間の間隙、ハウジング１６、ハウジング１６
と冷却板３２間界面、冷却板３２を順次経由し
て、最終的にヒートシンクである冷却液体４２へ
と伝達される。この熱伝導経路のいかなる部分に
おいても熱伝導を阻害する要因が存在することは
チツプ１０の安定動作を保障する上で好ましくな
い。特に熱伝導中継部材２０の開孔２０ａ内壁面
とハウジング１６の突出部１６ａ表面間の対向面
積は、熱伝導冷却モジユール装置全体としての冷
却能力に対して支配的な影響力を持つ。即ち、上
記対向面積が増すにつれ、冷却能力の増大に寄与
する。この意味で、チツプ１０の発熱量が大きい
場合は、それに応じて上記対向面積を増すことが
重要である。したがつて、所望の対向面積を得る
には、理論的な評価又は好ましくは実際の製造段
階における測定に基づいて、突出部１６ａの寸法
や開孔部２０ａの寸法を調整すればよい。

第２図は、チツプ１０とともに用いられた熱伝
導中継部材２０及びハウジング１６の部分を拡大
して示した概略断面図である。チツプ１０に向け
てばね２１により押圧が与えられる熱伝導中継部
材２０の末端部分２０ｂの直径Ｄは約6.5mm、同
部材２０の全長は任意に変えられる。熱伝導中継
部材２０ａの側壁２０ｃとハウジング１６の突出
部１６ａにおける側壁１６ｂの間隙は、約0.025
mmである。上記突出部１６ａの直径はＤ／２に等
しく、その長さは8.0mmである。したがつて、側
壁２０ｃと側壁１６ｂ間の対向面積と相関を有す
る対向長をＬで示しておく。これらの一定パラメ
ータを用いて、チツプ１０からハウジング１６に
至る全熱抵抗（℃／Ｗ）を対向長Ｌ（cm）に対し
てプロツトすることにより、第３図に示す熱特性
曲線が得られる。同図曲線に示される如く、長さ
Ｌが増すにつれ熱抵抗は感じており、上記Ｌの調
節によつて熱伝導冷却モジユール装置の放熱能力
を制御できることが開示される。このことは、同
一基板１２上に発熱量の異なる複数のチツプ１０
が実装された場合であつても、上記Ｌ即ち熱伝導
中継部材２０の寸法を調節することによつて、あ
らかじめ設定された動作温度範囲内にチツプ１０
を維持できることを意味する。

尚、本発明熱伝導冷却モジユール装置では、炭
化ケイ素焼結体からなるハウジング１６が、封入
モジユール装置の外方で冷却媒体に直接触れるヒ
ートシンクを兼ねることは何等障害になるもので
はない。又、炭化ケイ素焼結体からなる熱伝導中
継部材２０は、摩耗問題に対する対策を施すこと
により例えばアルミニウムの如き素材に代替でき
る。この際には、アルミニウムからなる熱伝導中
継部材の表面に酸化アルミニウムの如き耐摩耗性
のよい膜を被覆するような対策がとられる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば冷却効率の
優れた熱伝導冷却モジユール装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱伝導冷却モジユール装置の
概略的断面図であり、第２図は冷却されるべき熱
発生装置の熱伝導路に配置されている特別に形成
された熱伝導中継部材を示す断面図であり、そし
て第３図は熱伝導中継部材とハウジングの係合部
分の長さに関して熱伝導路の熱抵抗を示している
グラフである。 １０……LSIチツプ、１２……基板、１６……
ハウジング、２０……熱伝導中継部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１の冷却されるべき熱発生装置
   と、該熱発生装置の各々に対向する如くに熱伝導
   路内に含まれているハウジングと、上記熱発生装
   置と上記ハウジングの表壁との間で熱交換を行な
   うように配置されている熱伝導中継部材と、上記
   熱発生装置に上記熱伝導中継部材を圧接して上記
   熱発生装置と上記熱伝導中継部材との間に熱伝導
   界面を形成するための弾性手段とを含む熱伝導冷
   却モジユール装置であつて、上記ハウジングまた
   は上記熱伝導中継部材の少なくとも一方が炭化ケ
   イ素を主成分とする焼結体であることを特徴とす
   る熱伝導冷却モジユール装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記ハウジ
   ングまたは上記熱伝導中継部材の少なくとも一方
   が、炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム、酸化
   ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも１種を含む
   焼結体であることを特徴とする熱伝導冷却モジユ
   ール装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記ハウジ
   ングまたは上記熱伝導中継部材の少なくとも一方
   が、炭化ケイ素を主成分とし、ベリリウム、酸化
   ベリリウム、窒化ホウ素の少なくとも１種と、ア
   ルミニウム、シリコン、鉄、チタニウム、ニツケ
   ルの少なくとも１種の単体又は酸化物或いは炭化
   物とを含む焼結体であることを特徴とする熱伝導
   冷却モジユール装置。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項或いは第３項
   において、上記ハウジングが上記熱発生装置の
   各々に対向する突出部を有して熱伝導路内に含ま
   れ、上記熱伝導中継部材が上記ハウジングの突出
   部の表壁との間で熱交換を行なうように上記突出
   部に対向するように配置された開孔部を有するこ
   とを特徴とする熱伝導冷却モジユール装置。 ５ 特許請求の範囲第１項、第２項、第３項或い
   は第４項において、上記ハウジングまたは上記熱
   伝導中継部材の少なくとも一方が10¹⁰Ωcm以上の
   電気抵抗率を有する焼結体であることを特徴とす
   る熱伝導冷却モジユール装置。 ６ 特許請求の範囲第４項或いは第５項におい
   て、上記熱伝導路の熱抵抗を、上記ハウジングの
   突出部表壁と上記熱伝導中継部材の開孔部側壁と
   の間の対向面積により調節することを特徴とする
   熱伝導冷却モジユール装置。