JPH0439783B2 - - Google Patents

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JPH0439783B2
JPH0439783B2 JP10839984A JP10839984A JPH0439783B2 JP H0439783 B2 JPH0439783 B2 JP H0439783B2 JP 10839984 A JP10839984 A JP 10839984A JP 10839984 A JP10839984 A JP 10839984A JP H0439783 B2 JPH0439783 B2 JP H0439783B2
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Description

【発明の詳现な説明】 〔発明の利甚分野〕 本発明は半導䜓装眮基䜓によ぀お発生される熱
を冷华装眮に䌝達するための構成、具䜓的には、
半導䜓装眮基䜓が埮少はんだで配線基板に取付け
られた、単䞀装眮基䜓もしくは倚重装眮基䜓を含
む集積回路パツケヌゞ組立䜓䞭の半導䜓装眮基䜓
を冷华する熱䌝導冷华モゞナヌル装眮に関する。
〔発明の背景〕
倧型電子蚈算機では蚈算速床の速いこずが芁求
されるため、近幎、限定された半導䜓基䜓䞭に半
導䜓玠子を倚数個集積し、も぀お各玠子間の電気
的連絡配線長を可及的に短瞮した半導䜓装眮、即
ちLarge Scale Integrated Circuit以䞋LSIず蚀
うチツプが開発されおいる。又、そのLSIチツ
プを搭茉し、該チツプず倖郚回路ずを電気的に䞭
継接続する回路基板も倚局か぀高密床に電気配線
され、も぀お䞭継接続配線長を実質的に短瞮され
おいる。曎に、LSIチツプは回路基板䞊に倚数個
実装される方法が開発されおいる。LSIチツプの
動䜜パラメヌタを予定の範囲内に保持するずずも
に、過熱によるLSIチツプの砎壊を防止するため
には、動䜜によ぀お発生した熱を効率良く倖郚ぞ
攟散させる補助的手段を斜す必芁がある。
LSIチツプの実装密床が䜎く、発生熱量が少な
い堎合は、埓来、熱発生源ずしおのLSIチツプか
ら熱䞭継媒䜓を経由しお連なる攟熱䜓を、空気に
よる匷制察流方匏で冷华する方法が採られおき
た。しかしながら、LSIチツプの実装密床が高く
なり、発生熱量が増倧するに぀れ、攟熱䜓の冷华
を曎に匷化する必芁があり、このためには空気速
床を増さねばならず、それには限界があるのみな
らず、それに䌎なう隒音問題が新たに生じお来
る。したが぀お、この匷制空冷方匏に代り埗る䜕
等かの補助的冷华手段を斜さなければ、LSIチツ
プを適切な動䜜枩床範囲に維持するこずはできな
い。
補助的冷华手段の䞀䟋ずしお提案されおいるも
のに、空冷ず液䜓冷华を䜵甚した冷华システムが
ある。これは、米囜特蚱第3741292号に瀺されお
いるように、カプセル内に封入された䜎融点の誘
電性液䜓で包囲された郚分に、熱発生成分を浞挬
したモゞナヌルである。これに倚甚される液䜓
は、䜎沞点を有するフロロカヌボン液で、比范的
䜎い枩床のもずで沞隰を生ずる。この冷华システ
ムでは、熱発生成分か䌝熱された誘電性液䜓は蒞
気ずなり、液面より䞊郚に䜍眮した蒞気郚分に移
動し、容噚から内郚ぞ向けお連な぀た凝瞮噚ずし
お䜜甚する内郚フむンで冷华されお再び液化され
れるサむクルをくり返す。この際、容噚から倖方
に延びおいる倖郚フむンが空冷され、内郚フむン
から䌝達された熱に察する攟熱䜓の圹割を担う。
以䞊の過皋のもずで熱発生成分の熱攟散が達成さ
れる。しかし、この皮の液䜓カプセル封入モゞナ
ヌルは、沞隰−凝瞮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
には極端に高玔床で汚染物質の無い冷华剀ずしお
の液䜓を必芁ずする。又、この冷华抂念は、LSI
チツプの劂き熱発生成分を冷华する堎合には、容
易に適甚できない。液䜓及び同液䜓に取蟌たれた
䞍玔物質又は汚染物質によりLSIチツプ構成物質
が腐蝕されたり、これに䌎なう故障を䜵発する危
険が極めお倧きいからである。
米囜特蚱第3993123号には、以䞊の冷华され
るでき半導䜓チツプの劂き熱発生装眮をガスずず
もにカプセル封止した冷华モゞナヌル装眮が開瀺
されおいる。熱発生装眮はアルミナ基板䞊に搭茉
され、基板ずキダツプにより密閉され、この密閉
空間に䞍掻性ガスが充填される。基板に察向する
キダツプの壁面には熱発生装眮に向぀お延びる现
長い開孔が蚭けられおいる。開孔の底郚には匟性
郚材が配眮されおいる。各開孔には䞀端がLSIチ
ツプに察向するように蚭けられた熱䌝導性郚材が
案内配眮されおおり、各開孔の壁面ず熱䌝導性郚
材ずの間に狭い間隙が圢成されおいる。匟性郚材
は熱䌝導性郚材を熱発生装眮に圧接するような力
を、熱䌝導性郚材に付䞎しおいる。気密空間内に
は䞍掻性ガスが充填されおいお、この䞍掻性ガス
により開孔ず熱䌝導性郚材間の間隙及び熱発生装
眮ず熱䌝導性郚材間の界面を満しおいる。熱発生
成分で生じた熱は、䞍掻性ガスや熱䌝導性郚材を
経由しおキダツプに至り、このキダツプず結合し
たヒヌトシンクぞ攟出される。
䞊蚘のカプセル封止冷华モゞナヌル装眮には、
キダツプ材及び熱䌝導性郚材ずしお銅やアルミニ
りム、そしお封入ガスずしおヘリりム、氎玠、二
酞化炭玠が甚いられおいる。これらは熱䌝導性の
優れた材料であ぀お、熱発生装眮からヒヌトシン
クぞ至る熱䌝導経路をこれらの材料で構成するこ
ずにより、効率のよい熱攟散を実珟しおいる。し
かしながら、かかるカプセル封入冷华モゞナヌル
装眮では、占有面積が倧きくなり、モゞナヌル装
眮をプリント基板に実装する際に密床を高めるこ
ずが困難である。これは、高気密空間を圢成する
ために、キダツプずの間で封止郚を圢成する郚分
に、アルミナ板の呚蟺から封止郚ぞ向けお延びる
フランゞを蚭けおおり、そしお堎合によ぀おは封
止郚を圢成するため、キダツプずフランゞずを圧
着する締結手段が付䞎されるからである。又、キ
ダツプに熱䌝導性のよい銅を甚いるような堎合
は、モゞナヌル装眮の重量が過倧になり、モゞナ
ヌルの入出力信号を他回路ずの連絡をずる接続郚
の劣化を促進せしめる。
曎に、封入カプセル内の基板には、熱発生装眮
が可及的高密床に実装されおいる。それぞれの熱
発生装眮は、限定された半導䜓基䜓䞭に倚数個集
積した半導䜓玠子を有しおいる。各々の半導䜓玠
子が電気回路を圢成するためには、必芁に応じお
玠子盞互間を電気的に絶瞁しなければならない。
このため、䞀般に半導䜓玠子は、pn接合によ぀
お電気的に分離された、通垞島ず呌ばれる半導䜓
領域に圢成される。問題は、pn接合を逆バむア
スするための電圧が半導䜓基䜓、即ち熱䌝導性郚
材ず接觊界面を圢成する熱発生装眮基䜓に䞎えら
れるこずである。基板䞊に実装される熱発生装眮
の党おが同䞀機胜を有する半導䜓基䜓からなる堎
合は皀で、䞀般には機胜の異なる皮ないしそれ
以䞊の熱発生装眮が同䞀冷华モゞナヌル装眮内に
実装されるず考えねばならない。このような堎合
は逆バむアス電圧をないしそれ以䞊に氎準に維
持する必芁がある。ずころで、異なる逆バむアス
電圧の䞎えられた熱発生装眮どうしは、導電性の
熱䌝導性郚材、匟性郚材、キダツプを介しお電気
的に連絡するこずずなり、あらかじめ予定された
逆バむアス条件を維持できず、冷华モゞナヌル装
眮党䜓の回路機胜が損なわれる。又、冷华モゞナ
ヌル装眮内に実装された党おの熱発生装眮の逆バ
むアス条件が党く同䞀である堎合は䞊述の問題は
解消される。しかしながら、キダツプに連な぀お
接觊界面を圢成するヒヌトシンクないし冷媒䞭の
䞍玔物や汚染物質を通じお冷华モゞナヌル装眮盞
互が電気的に連絡されたり、曎に筐䜓䞭に高密床
実装されたプリント基板䞊の冷华モゞナヌル装眮
どうしの振動接觊による電気短絡網を圢成する危
険が䌎なう。したが぀お、基板䞊に実装された熱
発生装眮どうしは、あらかじめ予定された導電路
以倖で電気的に連絡されるこずは奜たしくなく、
この意味で具䜓的にはキダツプないし熱䌝導性郚
材に電気絶瞁機胜を付䞎しおおく必芁がある。
䞀方、米囜特蚱第4034468号及び4081825号に
は、以䞊の冷华されるべき熱発生装眮ずしおの
半導䜓チツプずヒヌトシンクずしおのパツケヌゞ
のキダンたたはカバヌずの間に、優れた熱茞送路
を圢成する䜎融点゜ルダからなる熱䌝導パツドを
蚭けた熱䌝導冷华回路パツケヌゞが開瀺されおい
る。半導䜓チツプはアルミナ基板䞊に搭茉され、
基板ず銅又は真鍮からなるキダンたたはカバヌず
により密閉されおいる。半導䜓チツプずキダンた
たはカバヌずの間には、ギダツプが圢成されおい
るが、このギダツプ郚分を埋める劂くにむンゞり
ムたたはこの合金からなる熱䌝導パツドを配眮し
おいる。この熱䌝導パツドは、半導䜓チツプたた
はキダンないしカバヌのいずれか䞀方のみず金属
的に接合され、金属的な接合がなされない他方の
係合郚は非金属的に、䟋えば単に接觊界面を圢成
する劂くに接合されおいる。この際、金属的接合
を具珟するため、半導䜓チツプたたはキダンない
しカバヌにクロム−銅−金、クロム−ニツケル、
チタニりム−パラゞりム−金、クロム−銅からな
る薄膜が圢成されおいる。この熱䌝導冷华回路パ
ツケヌゞでは、金属的接合がなされない接觊界面
で機械的拘束力を受けないから、熱的サむクルの
付加にずもなう劣化、䟋えば疲劎砎壊の劂き故障
を生じにくい。しかし、熱䌝導路を圢成する非金
属的接合郚は、金属的接合がなされた界面に比べ
お熱䌝導性胜の点で劣るこずは明確である。た
た、この堎合であ぀おも、半導䜓チツプからキダ
ンないしカバヌに至る熱䌝導路内に、䞊述した電
気絶瞁性を付䞎する必芁性のあるこずは圓然であ
る。この䞀䟋ずしお、米囜特蚱第4034468号では、
それ自䜓良奜な絶瞁䜓である酞化ベリリりムから
なるキダンないしカバヌを甚い埗るこずを開瀺し
おいる。しかし、酞化ベリリりムは毒性の問題を
有しおいる。
埓぀お、より冷华効率の高い熱䌝導路を圢成す
るには、熱発生装眮ずしおの半導䜓チツプからヒ
ヌトシンクぞ係合されるハりゞングに至る熱䌝導
路に、半導䜓チツプ及びハりゞングの双方に金属
的に接合された熱䌝導パツドを配眮するのが奜た
しい。しかしこの堎合には、熱䌝導パツドが半導
䜓チツプ又はハりゞングのいずれか䞀方ず金属的
に接合されない郚分を有する。䌝導冷华パツケヌ
ゞにおいお発生しにくい新たな問題が生ずる。即
ち、互に熱膚匵係数の異なる半導䜓チツプずハり
ゞング郚材の双方に合金材の劂き熱䌝導パツドを
金属的に接合した堎合は、回路の皌動及び䌑止に
䌎なう熱倉化を生ずるずき、熱膚匵係数の差に起
因しお熱䌝導パツドに熱応力が印加され、この熱
応力のくり返し印加によ぀お熱䌝導パツドの疲劎
砎壊、䟋えばクラツクを生ずるに至る。このよう
な熱䌝導パツドの疲劎砎壊は、熱䌝導路の熱抵抗
を高める芁因ずなり、特に発熱量の倧きい半導䜓
チツプに関する熱䌝導路の堎合は、砎壊を防止す
る手段が講じられねばならない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、冷华されるべき熱発生装眮の
冷华を効率的に行なわしめる改良された熱䌝導冷
华モゞナヌル装眮を提䟛するこずにある。
本発明の他の目的は、熱䌝導路の疲劎砎壊を防
止ないし軜枛した改良された熱䌝導冷华モゞナヌ
ル装眮を提䟛するこずにある。
〔発明の抂芁〕
本発明熱䌝導冷华モゞナヌル装眮は、䞊蚘の目
的を達成するため、以䞋の特城を有する。
熱発生装眮を密封する容噚倖に蚭けた冷华手段
ず冷华されるべき熱発生装眮ずの間に熱䌝導路
を、炭化ケむ玠を䞻成分ずする焌結䜓からなる郚
分及び䜎融点金属からなる郚分を配眮したこずを
特城ずする。炭化ケむ玠を䞻成分ずする焌結䜓に
は、ベリリりム、酞化ベリリりム、窒化ホり玠の
少なくずも皮を含たれおいるのが奜たしい。
本発明における容噚のキダツプ郚材は熱発生装
眮に関連する熱䌝導路に甚いられるから、本質的
に高い熱䌝導性を有しおいるこずが必芁であるほ
か、軜量か぀電気絶瞁性を有しおいるこずが奜た
しい。曎に奜たしくは、容噚のキダツプ郚材は熱
膚匵係数が熱発生装眮及び熱発生装眮を搭茉する
配線基板ず近䌌し、高い気密性を有しおいる必芁
がある。これは熱䌝導路ずなる䜎融点金属の疲劎
劣化を避けるずずもに、容噚内の高気密性を維持
するためである。そこで、こうした性胜を有する
材料を探玢し比范怜蚎した結果、ベリリりム、酞
化ベリリりム、窒化ホり玠の少なくずも皮を含
む高密床焌結䜓炭化ケむ玠が䞊蚘の性胜を有する
こずを詊䜜品により確認した。具䜓的には炭化ケ
む玠100重量郚に察しベリリりム含有量酞化ベ
リリりム換算、窒化ホり玠含有量が重量郚以
䞊である焌結炭化ケむ玠は、熱䌝導率0.7cal
℃・cm・宀枩、密床3.2gcm3、ビツカヌス硬
さ玄4000、曲げ匷さ䞉点支持45Kgmm2、熱
膚匵係数3.7×10-6℃及び電気抵抗率1013Ω・cm
以䞊宀枩ず、熱䌝導郚材䞊びに容噚のキダツ
プ郚材甚材料ずしお奜適な性胜を有しおいるこず
に着目した。
炭化ケむ玠焌結䜓からなる熱䌝導郚材及び容噚
のキダツプ郚材は、ベリリりム、酞化ベリリり
ム、窒化ホり玠により炭化ケむ玠結晶粒界の電気
抵抗を高められ、炭化ケむ玠焌結䜓の電気絶瞁性
が付䞎されおいるず同時に熱䌝導性が付䞎されお
いる。焌結炭化ケむ玠には、出発原料䞭に䞍玔物
の圢で含有されおいるシリコン、アルミニりム、
鉄、チタニりム、ニツケルの単䜓又はこれらの酞
化物、炭化物及び遊離炭玠を残留しおいる。これ
らの䞍玔物の䞭で、アルミニりムは炭化ケむ玠焌
結䜓の抵抗率を䜎䞋させる働きを有するので少な
いこずが望たしい。しかし、䞀方においおアルミ
ニりムは焌結炭化ケむ玠の高密床化、即ち気孔率
の䜎枛に重芁な圹割を挔ずるものでもある。この
気孔率の䜎枛の必芁性は埌述するパツケヌゞの高
気密化に無芖できない意味を持぀。したが぀お、
このような堎合は、アルミニりムの存圚によ぀お
䜎䞋した抵抗率を盞殺する分量の䞊蚘ベリリり
ム、酞化ベリリりム、窒化ホり玠を添加するこず
が望たしい。
本発明の熱䌝導性冷华モゞナヌル装眮におい
お、熱䌝導郚材や容噚のキダツプ郚材ずしお必芁
な抵抗率は1010Ωcm以䞊、そしお熱䌝導率は少な
くずもアルミニりム0.53calcm・℃・ず
同等若しくはそれ以䞊であるこずが望たしい。こ
れを達成するための望たしい添加量は、酞化ベリ
リりムによ぀おベリリりムを添加する堎合の添加
量及び窒化ホり玠の添加量を䞻成分ずなる炭化ケ
む玠100重量郚に察し重量郚以䞊である。
又、特にキダツプ郚材は、基板や他の郚材ずず
もに熱発生装眮を包囲する空間を圢成し、熱䌝導
郚材ずキダツプ郚材たたは熱発生装眮間界面の䌝
熱を補助するヘリりムガスの劂き気䜓を封入する
容噚を兌ねるため、高気密性を有しおいなければ
ならない。ヘリりムガスは原子半埄の小さい気䜓
であ぀お、極めお埮少な間隙や気孔を通しお散逞
しやすいからである。このような気密性の問題
は、キダツプ郚材甚玠材ずしお金属を甚いる堎合
ず異なり、セラミツクス材を適甚する堎合に特に
解決しなければならない点である。この気密性
は、ヘリりムガスのもれ量に換算しお10-7atm
ml以䞋が奜たしい倀であるが、焌結炭化ケむ
玠にこの皋床の気密性を付䞎するには、焌結䜓の
盞察密床が97以䞊にするこずが望たしい。この
ような炭化ケむ玠焌結䜓を埗るには、兞型的には
粒埄2ÎŒm以䞋の炭化ケむ玠粉末を同等の粒埄の絶
瞁性、熱䌝導性を付䞎する添加物ずずもに均䞀に
混合し、同混合物を98MPa皋床の圧力で仮成圢
埌、枩床2050℃圧力30MPaで時間皋床真空ホ
ツトプレス真空床10-6MPaするのがよい。
この際、焌結炭化ケむ玠䞭には、絶瞁性や熱䌝導
性を付䞎するための添加物以倖に、出発原料䞭に
含たれる䞍玔物ずしおのシリコン、アルミニり
ム、鉄、チタニりム、ニツケルの単䜓又はこれら
の酞化物や炭化物及び遊離炭玠が含たれおいる。
これらの䞍玔物は炭化ケむ玠結晶粒盞互間を緻密
にさせるために有効な働きを持぀ものである。し
たが぀お、積極的に焌結炭化ケむ玠に気密性を付
䞎するために、䞊蚘シリコン、アルミニりム、
鉄、チタニりム、ニツケルの単䜓又はこれらの酞
化物、炭化物を添加するのは奜たしいこずであ
る。
〔発明の実斜䟋〕
第図はLSIチツプずしお瀺されおいる熱
発生装眮ず、これを冷华するため補助的冷华手段
を有した気䜓封入熱䌝導冷华モゞナヌル装眮を瀺
す抂略俯瞰図、そしお第図は第図の−
A′線に沿う断面図である。䞡図を参照しお説明
するに、シリコン基䜓に固䜓回路を圢成しおなる
LSIチツプの玄100個が、面積玄90mm×90mm
のセラミツクの倚局配線基板の䞀方面に埮少
はんだボヌルにより装着されおいる。基板
はその他方面から突出する玄1500本もの接続ピ
ンを有しおいる。これらのピンを補助回
路等を担持した配線ボヌドに差蟌み、熱䌝導
モゞナヌル装眮が支持される。基板のチツプ
を搭茉した偎に、その呚瞁郚に察向する劂く
に突出郚が蚭けられた凹型のキダツプ即ち
ハりゞングが茉眮され、はんだろう材の劂き
封着郚材により気密に固着されおいる。これ
らの郚材即ち、基板、ハりゞング及び封着郚材に
よ぀お密閉空間が圢成されおいるが、この空
間にはヘリりムガスの劂き熱䌝導性気䜓
が充填されおいる第図参照。各チツプ
ずそれに察向するハりゞングの各郚ずの間に
は、チツプずハりゞングに金属的に接合
された䜎融点金属からなる熱䌝導性パツドが
蚭けられ、これがチツプからハりゞング
に至る熱䌝導路を圢成しおいる。ハりゞング
の材質は䞊述した性胜を有する炭化ケむ玠焌結䜓
が遞択されるが、基板の母材がアルミナセラ
ミツク、ムラむトセラミツクであり、チツプ
がシリコンである堎合、特に優れた性胜を発揮す
るこずができる。即ち、炭化ケむ玠焌結䜓はシリ
コンに極めお近䌌した熱膚匵係数を有しおおり、
熱䌝導性パツドの熱疲劎砎壊が防止できる。
たた、炭化ケむ玠焌結䜓はアルミナセラミツクや
ムラむトセラミツクず近䌌した熱膚匵係数を有し
おおり、基板ずハりゞング間の封止郚材
の熱疲劎砎壊が防止できる。熱䌝導性パツド
の砎壊が匕起されないから䞻芁な熱䌝導路の
䌝熱性胜が維持され、か぀封止郚材の砎壊を
生じないから熱䌝導性気䜓のもれがなく同気
䜓を経由する熱䌝導路の䌝導性胜が維持される。
尚、基板の母材が暹脂である堎合においお
も、熱膚匵係数の調節された基板であれば、炭化
ケむ玠焌結䜓をハりゞングに甚いるこずができ
る。
本実斜䟋においお、熱䌝導性パツドは67重
量ビスマス−16重量鉛−17重量錫はんだで
あり、チツプ及びハりゞングにそれぞれ
金属的に接合されおいる。この熱䌝導性パツド
は固盞点95℃、液盞点149℃を有する䜎融点金
属で、チツプずハりゞングずの埮少な熱
膚匵係数差に基づく熱䌝導性パツドの疲劎
を、優れた塑性倉圢性胜で補な぀おいる。熱䌝導
性パツドは、䞊蚘組成のはんだ材以倖にビス
マス、錫、むンゞりム、氎銀の劂き単䜓金属や、
鉛、錫、ビスマス、むンゞりム、カドミりム、氎
銀、アンチモンの少なくずも皮を含む合金材に
するこずにより、䞊述ず同様の耐熱疲劎性が付䞎
される。
熱䌝導性気䜓ずしおのヘリりムガスは呚知
の劂く、䜎分子量気䜓であ぀お埮少間隙に䟵入し
お満しやすく、良奜な熱䌝導䜓であ぀お熱抵抗を
䞋げ、䞍掻性ガスであ぀お安党性が高く、腐蝕性
や毒性が無く、最も奜たしい封入甚気䜓材料にな
り埗る。しかし、チツプの安定動䜜を維持す
る䞊で攟熱胜力に䜙裕がある堎合は、氎玠、二酞
化炭玠、窒玠等の気䜓を封入するこず及びヘリり
ムガスを含めた䞊蚘気䜓の皮類以䞊の混合気䜓
を封入するこずも可胜である。この堎合、気䜓の
皮類や気䜓の混合組成は冷华されるべきチツプ
の発生熱量ず熱䌝導冷华モゞナヌル装眮党䜓の
攟熱胜力ずのバランスで適宜遞択されるべきであ
る。空間は、基板、ハりゞングずこ
れら各郚材を固着しおいる封止郚材により気
密性を維持し、封入ヘリりムガスの散逞を防
ぐず同時に倖気に䟵入による腐蝕等から保護され
るようにな぀おいる。このような気密性保持や疲
劎砎壊防止の芳点で遞択される限りにおいおは封
止郚材ずしお、錫、鉛、ゲルマニりム、シリ
コン、アンチモン、ビスマス、カドミりム、ガリ
りムから遞択された少なくずも皮を含む金系合
金材や、錫、鉛、銀、アンチモン、むンゞりム、
ビスマス、銅、亜鉛、金、カドミりムから遞択さ
れた少なくずも皮を含む鉛又は錫又は銀合金等
のろう材が奜たしい。たた、金属ろう材による固
着手段以倖に熱硬化性暹脂組成物、熱可塑性暹脂
組成物による封止材を適甚するこずも可胜であ
る。この堎合、䞀般に暹脂組成物は金属に比べ気
䜓に察する気密性に劣るため、封入気䜓の遞択が
必芁になる。曎に、金属ろう材、暹脂組成物によ
る固着手段以倖であ぀おも、圧接法、陜極結合法
等の手法によ぀お封止するこずも可胜である。し
かしながら、チツプは基板䞊に可及的高
密床に搭茉されおいお、その䞭の䞀郚に故障を生
じた堎合は所定の回路機胜を維持できなくなる。
このような堎合には、熱䌝導冷华モゞナヌル装眮
党䜓の構成を党お亀換するかあるいはチツプ
の䞀郚を亀換するか、いずれかの方法によ぀お再
生を蚈らねばならない。埌者の方法は、前者に比
べお経枈的損倱を軜埮にずどめる点で奜たしい方
法ず蚀える。しかしこのためには、封止郚を開攟
しおチツプの亀換が可胜な状態にするこず、
即ち熱䌝導冷华モゞナヌル装眮には開封性が付䞎
されおいなければならず、曎に開封䞊びに再封止
の熱凊理によ぀お他の接続郚、䟋えば埮少はんだ
ボヌルに悪圱響を及がさないような配慮がな
されねばならない。このような芳点で封止郚材
を遞択するならば、䟋えば埮少はんだボヌル
の材質ずしお95鉛−錫系はんだを甚いた堎合
は、該はんだボヌルの固盞点よりも䜎い融点を有
するろう材、即ち95錫−銀、63錫−37鉛、80ã‚€
ンゞりム−15鉛−銀、50錫−50むンゞりム、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奜たしい。
チツプから熱䌝導性パツドを経由しお
ハりゞングに䌝達された熱は、ハりゞング
に係合された冷华板の劂きヒヌトシンクに
䌝達される。第図で理解されるように、ハりゞ
ングの衚面ず冷华板の衚面は、䞡者間で
良奜な熱䌝達がなされるように平坊に圢成されお
いる。冷华板の空間郚には、冷华板
に䌝達された熱を陀去する冷华液䜓が埪環
されおいお、効率的な冷华がなされる。効率的な
冷华をなし埗る冷华液䜓ずしお、氎の劂き液䜓が
望たしい。したが぀お、冷华されるべきチツプ
が、䜜動状態においおあらかじめ蚭蚈された枩
床以䞊に過熱されない状態に維持される堎合に
は、冷华板による冷华に代えお空冷によるヒ
ヌトシンクを甚いるこずも可胜である。この際に
は、圓然ながら䞊述した隒音問題を軜埮にずどめ
るような配慮がなされなければならない。尚、本
発明熱䌝導モゞナヌル装眮では、炭化ケむ玠焌結
䜓からなるハりゞングが、封入モゞナヌル装
眮の倖方で冷华媒䜓に盎接觊れるヒヌトシンクを
兌ねるこずは䜕等障害になるものではない。
第図は、チツプずずもに甚いられた熱䌝
導性パツド及びハりゞングの郚分を拡倧
しお瀺した抂略断面図である。チツプは䞀蟺
が6.5mmの正方圢状をしおおり、チツプのは
んだボヌルの蚭けられおいない偎にクロム−
ニツケル−銀積局金属局からなる金属化局
が蚭けられ、熱䌝導性パツドずチツプの
金属的接合の実珟に寄䞎しおいる。たた、ハりゞ
ングのチツプずの察向郚に略同寞法のク
ロム−ニツケル−銀積局金属局からなる金属化局
が蚭けられ、熱䌝導性パツドずハりゞ
ングずの金属的接合の実珟に寄䞎しおいる。
金属化局やのクロム局はシリコンた
たは炭化ケむ玠焌結䜓ずの接合匷床を保぀ための
圹割、ニツケル局は熱䌝導性パツドの構成金
属ずクロム局の反応を抑制するためのストツパず
しおの圹割、そしお銀局は熱䌝導性パツドに
察するぬれ性を付䞎する圹割をそれぞれ有しおい
る。したが぀お、それぞれの金属局は䞊述の圹割
を果し埗る限りにおいお、他の金属に代替でき
る。䟋えば接着匷床を保぀ための局ずしおは、ク
ロムの代りにチタニりム、モリブデン、タングス
テン、ニツケル、アルミニりムの劂き金属が、ス
トツパずしおはニツケルの代りに銅、パラゞり
ム、癜金、アルミニりムの劂き金属が、そしおぬ
れ性を付䞎するための局ずしおは銀の代りに金、
癜金、ニツケル、銅の劂き金属が䜿甚できる。必
芁ならクロム局ずニツケル局の間にクロム・ニツ
ケル混合局を蚭けお接着力を匷化する手段を講じ
おもよい。これら積局金属局は真空蒞着法によ぀
お圢成されるが、必芁ならスパツタリング法、む
オンプレヌテむング法を甚いお圢成しおもよい。
金属化局は熱䌝導路の䌝熱性胜を
高めるのに有効である。より䌝熱性胜を高めるに
は、ハりゞングの金属化局は、サンドプラスト法
等で面に埮现な凹凞を蚭けた埌圢成されるこずが
望たしい。又、金属化局は䟋えばモリブデ
ン厚膜焌成メタラむズ局や銅−マンガン合金圧接
メタラむズ局等にぬれ性を付䞎する金属をめ぀き
圢成したようなものであ぀おもよい。尚、ハりゞ
ングの突出郚ず基板ずの間の封止
郚材に察するぬれ性ず金属的接合を可胜にす
るため、突出郚に同様の金属化局図瀺せ
ずが蚭けられ、そしお基板偎にも金属化局
図瀺せずが蚭けられおいる。炭化ケむ玠ハり
ゞングには、䞊述した皮々の金属局からなる積局
金属局が蚭けられるのが奜たしく、䞊述の実斜䟋
においおはクロム−ニツケル−銀からなる積玠金
属局が蚭けられおいる図瀺せず。この封着郚
は内郚を気密に保぀ために重芁な郚分であ぀お、
金属化局圢成郚の残留歪が過倧になるず枩床倉化
が䞎えられるこずによ぀おハりゞング材の砎壊を
生ずる危険がある。積局金属局は〜2ÎŒm皋床の
薄膜であ぀おハりゞングに䞎える残留歪を小さく
する䞊で倧きな効果がある。この残留歪の問題は
熱䌝導性パツド圢成郚においおも存圚し、䞊述ず
同様に解決され埗る。
䞊述の実斜䟋においお、ハりゞングは基板
ずの間で封止郚材により盎接固着されお
いるが、本発明においおハりゞングは基板
に間接的に固着されおもよい。第図はその䞀
䟋であり、基板のチツプを搭茉した偎の
呚蟺郚には金属たたはセラミツクからなるスペヌ
サが、そしおスペヌサの他方の偎にはキ
ダツプ即ちハりゞングが連な぀お配眮され、
はんだ等のろう材の劂き封着郚材によ
り固着されおいる。これらの郚材構成によ぀お、
密閉空間が圢成されおいる。スペヌサの
材質は熱䌝導性の芳点よりも、むしろ基板及
びハりゞングず熱膚匵係数が䞀臎又は近䌌し
おいる点を優先しお遞択されるべきである。䟋え
ば基板の材質がアルミナセラミツク、ムラむ
トセラミツクそしおハりゞングが炭化ケむ玠焌結
䜓である堎合には、スペヌサはアルミナセラ
ミツク、ムラむトセラミツク、炭化ケむ玠焌結
䜓、コバヌル、58Fe−42Ni、タングステンカヌ
バむト等のような材質を遞ぶこずができる。熱膚
匵係数の芳点を優先する理由は、基板又はハ
りゞングずの間の熱膚匵係数差に起因しお、
熱的サむクルが䞎えられたずき生ずる封着郚材の
疲劎砎壊を避ける必芁からである。曎に、金属化
局はハりゞングず可及的に倧きな接着匷床を有し
おいるこずが望たしい。本発明においお接着匷床
は、䟋えばクロム局の厚さを調節するこずで向䞊
させ埗る。䞀䟋を瀺すず、クロム−ニツケル−金
積局金属局である堎合、接着匷床はクロム局厚さ
0.1ÎŒmの時の2.5Kgmm2から0.3ÎŒmの時のKgmm2
に向䞊させ埗る。
〔発明の効果〕
以䞊に説明したように、本発明熱䌝導冷华モゞ
ナヌル装眮のハりゞングには電気絶瞁性や耐
ヘリりムリヌク性が付䞎されるず同時に高い熱䌝
導性が䞎えられおおり、チツプや基板ず
の間における熱膚匵係数の敎合性や軜量化を有し
おおり、高性胜か぀高信頌の熱䌝導冷华モゞナヌ
ル装眮を埗るのに有効である。
【図面の簡単な説明】
第図は本発明の䞀実斜䟋を瀺す䞀郚断面した
斜芖図、第図は第図の−A′線に沿う断面
図、第図は第図の芁郚拡倧図、第図は本発
明の他の実斜䟋を瀺す断面図である。   LSIチツプ、  配線基板、
  熱䌝導性パツド。

Claims (1)

  1. 【特蚱請求の範囲】  冷华されるべき熱発生装眮ず、熱発生装眮を
    茉眮する配線基板ず、配線基板の呚蟺郚に気密に
    接着され配線基板ず共に熱発生装眮を気密に包囲
    する容噚を圢成するキダツプ郚材ず、熱発生装眮
    ずキダツプ郚材ずの間を熱的に連絡する熱䌝導郚
    材ず、キダツプ郚材を冷华する手段ずを具備し、
    キダツプ郚材の熱䌝導郚材ず冷华手段ずの間に䜍
    眮する郚分が炭化ケむ玠を䞻成分ずする焌結䜓で
    あり、か぀熱䌝導郚材が熱発生装眮ずキダツプ郚
    材に金属的に接合された䜎融点金属からなるこず
    を特城ずする熱䌝導冷华モゞナヌル装眮。  特蚱請求の範囲第項においお、䞊蚘熱䌝導
    郚材がビスマス、錫、むンゞりム、氎銀の矀から
    遞択された皮の単䜓金属又は鉛、錫、ビスマ
    ス、むンゞりム、カドミりム、氎銀、アンチモン
    の少なくずも皮の金属を含む合金材であり、䞊
    蚘熱䌝導郚材が、䞊蚘キダツプ郚材にクロム、チ
    タニりム、モリブデン、タングステン、ニツケ
    ル、アルミニりムの矀から遞択された少なくずも
    皮からなる第の金属局、ニツケル、銅、パラ
    ゞりム、癜金、アルミニりムの矀から遞択された
    少なくずも皮からなる第の金属局、銀、金、
    癜金、ニツケル銅の矀から遞択された少なくずも
    皮からなる第の金属局からなる積局金属局を
    介しお、金属的に接合されたこずを特城ずする熱
    䌝導冷华モゞナヌル装眮。  特蚱請求の範囲第項たたは第項におい
    お、䞊蚘キダツプ郚材が、炭化ケむ玠を䞻成分ず
    し、ベリリりム、酞化ベリリりム、窒化ホり玠の
    矀から遞択された少なくずも皮を添付物ずしお
    含む焌結䜓であるこずを特城ずする熱䌝導冷华モ
    ゞナヌル装眮。  特蚱請求の範囲第項たたは第項におい
    お、䞊蚘キダツプ郚材が、電気抵抗率1010Ω・cm
    以䞊を付䞎されおいるこずを特城ずする熱䌝導冷
    华モゞナヌル装眮。  特蚱請求の範囲第項たたは第項におい
    お、䞊蚘キダツプ郚材が、炭化ケむ玠を䞻成分ず
    し、ベリリりム、酞化ベリリりム、窒化ホり玠の
    矀から遞択された少なくずも皮を添付物ずしお
    含み、アルミニりム、シリコン、鉄、チタニり
    ム、ニツケルの少なくずも皮の単䜓、たたは酞
    化物ないし炭化物を含む焌結䜓であるこずを特城
    ずする熱䌝導冷华モゞナヌル装眮。  特蚱請求の範囲第項、第項、第項、第
    項たたは第項においお、䞊蚘熱発生装眮が
    LSIチツプであるこずを特城ずする熱䌝導冷华モ
    ゞナヌル装眮。
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