JPH0447461B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 この発明は冷却デバイスを結合した半導体回路
チツプからなる電子回路システムを製造する方法
に関し、より具体的にはチツプと冷却デバイスと
の間に酸化物を生成することなく、熱電導合金の
押出しにより、冷却デバイスを回路チツプに結合
する方法に関する。

Ｂ 従来技術 共通基板内の導体によつて相互接続された電子
回路チツプのアレイを用いて電子システムを製造
する際、チツプ内部を流れる電流によつて生じる
熱を除去するために何らかの形の冷却デバイスを
回路チツプに熱的に接続するのが常套手段であ
る。チツプから冷却デバイスの熱の流れが良好な
ことは、冷却効率を高め所期の動作温度を維持す
るために重要である。

冷却デバイスをチツプに相互結合する一つの方
法は、低温はんだなどの可融合金を冷却デバイス
とチツプとの界面に配置することである。通常、
合金は薄い箔として作成し、それを液化温度前後
まで加熱して合金を軟化させて、合金を界面に沿
つて押出しまたはリフロー可能にし、熱伝導性結
合層を形成する。押出し合金を界面に形状を細部
まで適合させることにより、熱的結合が得られ
る。

Ｃ 発明が解決しようとする問題点 金属合金とチツプとの界面に、ボイド、フラツ
クス残渣、酸化物などの欠陥があると、結合層の
熱伝導度が低下するという問題がある。酸化物
は、ホイルまたは他の形の合金材料の表面に生成
しやすいため、特に問題である。界面の間に合金
を配置すると、結合層の熱伝導率を大幅に低下さ
せるだけの酸化物が生じて、それだけチツプの冷
却効率を低下させる。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明では、酸化物を含まない丸薬状の合金の
プレフオームを作成することにより、上記の問題
を克服し、その他の利点を実現する。本発明の一
つの実施例では、中央のチヤンバが周辺の空洞と
連絡したガラス・ブロツクから金型を作る。酸化
物被覆を含む合金材料の装入物を中央チヤンバに
入れ、高温で空洞中に押し出す。押出し中、合金
が空洞中に押し出されるとき、酸化物被覆は中央
チヤンバ内に留まる。空洞中の合金は基本的に酸
化物を含まず、金型と合金とを冷却するとき、空
洞によつて合金はレンズ状（丸薬状）の形をとる
ことになる。

本発明の別の実施例では、酸化物被覆をもつ合
金材料の比較的厚いホイルの切片を２枚のガラス
板の間に置いて合金に非濡れ面を付与し、高温で
ガラス板を圧縮して、合金をガラス板の周辺部分
に押し出す。押出し中、酸化物被覆はガラス板の
中央部分に残り、ガラス板の周辺部分に入つた合
金は、酸化物を基本的に含まない薄膜状になる。

本発明はどちらの実施例でも、合金を軟化させ
て押出しを容易にするため、液化温度またはそれ
よりやや高い高温を採用する。次に、第１の実施
例の丸薬状合金または第２の実施例の薄膜を、高
温で冷却デバイスまたは他の熱伝導性要素の界面
と回路チツプの界面との間に挿入し、界面に沿つ
て押し出して熱伝導性結合層を形成する。この結
合層は、基本的に酸化物を含まず、当伝導度が向
上している。

Ｅ 実施例 本発明は、熱伝導性要素を電子回路チツプとの
間の熱伝導性を向上させるやり方で、当伝導性要
素を電子回路チツプに接合することに関する。こ
れは、まず第１図に示すような回路チツプの冷却
を備えた電子システムの構造を考えると、最もう
まく説明できる。

第２図は、基通基板２４上に支持された１組の
電子回路チツプ２２を含む電子システム２０を単
純化して示したものである。基板２４は、チツプ
２２の回路間に電気的接続を設けるための周知の
電気導体（図示せず）を含む。チツプ２２の回路
接点を基板２４の個々の導体と電気的に接続する
ために、チツプ２２と基板２４の間に軟金属製の
球形接点２６が配置されている。チツプ２２の各
回路はそれによつて相互接続され、システム２０
の機能を実現する。

周知のように、チツプ２２中を流れる電流は熱
を発生するが、チツプ２２の動作を所定の範囲の
動作温度で維持するために、その熱を除去しなけ
ればならない。一連の冷却デバイス２８がそれぞ
れ一つのチツプ２２に熱的に接続され、さらにマ
ニホルド３２の冷媒導管３０によつて冷却器３４
に接続されている。冷却器３４は、チツプ２２か
ら熱を除去し、それによつて適正なチツプ２２の
動作温度を維持するために、液状冷媒を冷却デバ
イス２８に送る。

本発明によれば、冷却デバイス２８とチツプ２
２の界面に沿つて配置された酸化物を含まない押
出し合金層３６によつて、各冷却デバイス２８を
対応するチツプ２２に結合する。結合層３６は、
融点が比較的低い可融金属合金、たとえば液化温
度が60〜100℃の範囲にある鉛−インジウム−ス
ズ−ビスマス合金などの低温はんだから形成する
ことが好ましい。かかる合金は、一般にシリコン
に対して非濡れ性であるが、接合すべき表面に細
部まで形状を適合させることにより良好な熱的結
合を作る。結合層３６は、一般に冷却デバイス２
８とチツプ２２の界面領域の寸法に合わせて切断
された、厚さ0.5〜３ミル（0.0127〜0.0762mm）の
薄い合金ホイルを使用する。

合金結合層を使用する際に、しばしば結合層の
作成に十分な量の合金を、接合すべき２つの物体
の間に挿入するのに適した断面のホイルなど、プ
レフオームと呼ばれる便利な形に調製する。２つ
の物体は、前記のチツプ２２と冷却デバイス２８
などである。ただし、かかるホイルは、酸化を起
こして、結合層の熱伝導度を不都合に低下させる
酸化物被覆を生じる傾向がある。本発明は、酸化
物が存在しない、ホイル状または丸薬状のプレフ
オームなどの好都合な形で合金材料を調製し、し
たがつて結合層内の熱伝導性を向上させることが
できる。

結合層３６用の酸化物を含まない合金の調製
が、第１図、第３図および第４図に示されてい
る。２つの同一のガラス・ブロツク３８と４０
（第１図）から金型が形成されている。第３図お
よび第４図に示したブロツク３８について詳しく
説明するが、当然のことながらブロツク４０にも
その説明があてはまる。ブロツク３８は中央チヤ
ンバ４２を有し、この中央チヤンバ４２はポート
４４によつて中央チヤンバ４２の周囲に配置され
た一連の空洞４６に結合されている。チヤンバ４
２は、第３図に示すように星形または円形（図示
せず）など他の何らかの好都合な形にすることが
できる。図には空洞４６が８個示してあるが、当
然のことながら都合に合わせてそれよりも多数ま
たは少数の空洞４６をチヤンバ４２の周りに対称
的に配置することができる。チヤンバ４２の深さ
および空洞４６の深さは、チヤンバ４２および空
洞４６の横寸法に比べて非常に少さい。各空洞
は、直径約８インチ（203.2mm）の球の断面形の
平滑な表面を有する。各空洞４６の深さは１ミル
（0.0254mm）であり、直径は、たとえばチツプの
寸法が4.5mm平方の場合４mm、チツプの寸法が６
〜７mm平方の場合は６mmとすることができる。チ
ヤンバ４２の底面は一般に平坦で深さ１ミル
（0.0254mm）である。チヤンバ４２の直径は約１
インチ（25.4mm）である。２つのブロツク３８お
よび４０中のチヤンバ４２と空銅４６の構造は鏡
像であり、したがつて一方のブロツクをもう一方
の上に載せると（第１図）、チヤンバ４２同志が
接合し空洞４６同志が接合して、合金材料を入れ
る金型４８となる。

本発明の方法を実施するには、酸化物被覆５４
（第１図）を伴う合金５２を含む合金材料５０の
装入物をブロツク４０の中央チヤンバ４２に入
れ、次にブロツク４０の上にブロツク３８を載せ
て金型４８を形成する。２つのブロツク３８と４
０を合わせると、合金５２が上側および下側の酸
化物被覆５４の間にはさまれた形で、合金材料５
０がチヤンバ４２内に閉じこめられる。合金材料
５０は、ブロツク３８および４０のガラスと非濡
れ式に接触する。ブロツク３８および４０を合金
５２の液化温度前後に加熱し、それによつて材料
５０を軟化させて押出ししやすくなる。ブロツク
３８と４０をさらに圧縮し、合金５２をポート４
４から空洞４６に押し出すと、チヤンバ４２内に
酸化物被覆５４が残る。とくに、酸化物は空洞４
６中に入らず、したがつて空洞４６は酸化物を含
まない合金５２を含むようになることが留意され
る。空洞４６によつて合金５２は好都合な形状の
丸薬状プレフオーム５６に成形され、ブロツク３
８と４０を冷却して開いた後、ナイフ５８を使つ
てプレフオーム５６を抜き出す。この切断処理を
機械的にもまた入手によつても実行できる。ナイ
フ５８を使つて、合金５２の一部分をポート４４
の所で切断し、それによつてプレフオーム５６を
空洞４６から取り出す。

第５図は、第２図の冷却デバイス２８とチツプ
２２を概略的に示した図である。本発明の方法に
よれば、プレフオーム５６上に酸化物被覆を生成
させる前に冷却デバイス２８とチツプ２２の間に
プレフオーム５６を挿入する。一般に、少くとも
数時間プレフオーム５６を空気に露出しなければ
プレフオームの表面に過剰の酸化物が形成されな
い。システム２０の製造に先立つてプレフオーム
を作成する場合、冷却デバイス２８とチツプ２２
に接合するために必要となるまで、プレフオーム
を酸素や他の汚染物質を含まない環境で保存する
ことになる。

冷却デバイス２８をチツプ２８に結合するには
通常の空気式オーブンを用いる。その際、温度は
液化温度近くまで上昇されて冷却デバイス２８お
よびチツプ２２の界面に沿つて合金が押し出され
るようにする。プレフオームは表面全体にわたつ
て凸形状となつているので空気ボイドの混入を防
止できる。

第５図に示すように、接合工程中、冷却デバイ
ス２８とチツプ２２を高温で圧縮してプレフオー
ムを平坦にし、次にプレフオームの合金をさらに
押し出して結合層３６を形成する。

本発明の別の実施例として、第６図に示すよう
に、合金の一部分を丸薬状ではなくてホイルの切
片として形成することができる。第６図の方法で
は、互いに向かい合つた頂板６０と底板６２を使
用する。頂面６０に面する底面６２の表面の周囲
の短辺と長辺に沿つて、挟み金６４と６６を配置
する。ウエハなど合金材料６８の一部分を、２枚
の板６０と６２の間に中心合せする。合金材料６
８は、酸化物被覆７２と頂面および底面で接する
金属合金７０の中央部分を有する。合金材料６８
および板６０と６２の温度を合金７０の液化温度
前後にまで上げて、合金材料６８を軟化させ押出
ししやすくする。２枚の板６０と６２を押しつけ
て、被覆７２の間から合金７０をホイルとして押
し出させ、挟み金６４と６６で囲まれる空間の大
部分を充填する。第６図に、押出しの前後の合金
材料６８の平面図および断面図を示す。押出し
中、酸化物被覆７２は板６０と６２に付着し、そ
れによつて合金材料６８の残りの部分、すなわち
合金７０は酸化物を含まなくなる。板６０と６２
は、合金７０に非濡れ性表面を付与するためにガ
ラス製とすることができる。その後、ブロツク６
０と６２を分離し、ナイフ５８を使つて合金ホイ
ル７４の切片を切り離す。次に丸薬状プレフオー
ム５６の代りにホイル７４の切片を使用して第５
図の方法を実施し、冷却デバイス２８をチツプ２
２に接合する。ただし、ホイル７４の切片を使用
するときは、冷却デバイス２８とチツプ２２の間
で空気を閉じ込めるのを避けるため、真空炉でリ
フロー操作を行なう。リフロー操作は、冷却デバ
イス２８とチツプ２２を真空炉内に置き、その間
にホイル７４の切片を挟むことによつて行なう。
次に炉を排気し、炉温度をホイルのリフローが行
なわれる温度まで上げる。次に炉に不活性ガスま
たは空気を再圧入して、冷却させる。板６０と６
２を使つて、合金７０を汚染から保護するために
板同志を密着させてホイルを保管することもでき
る。

本発明のもう一つの実施例として、第６図の教
示を利用して、ホイル７４の切片を別に形成せず
に、冷却デバイス２８をチツプ２２に直接接合す
ることも可能である。これは、合金材料６８を板
６０と６２ではなく直接に冷却デバイス２８とチ
ツプ２２の間に置くことによつて実行される。温
度を上げて冷却デバイス２８とチツプ２２を押し
つけると、合金材料６８は第６図に示したのと同
様の形で外へ広がつて結合層をもたらす。この結
合層は、酸化物被覆７２が層の真中にあり、層の
残りの部分は酸化物を含まない合金７０からなる
点で、結合層３６（第２図）とは違つている。こ
の手順は、簡単なことが利点であるが、層の真中
にある酸化物被覆７２のために結合層が余り良い
熱伝導体ではないという欠点がある。

熱伝導性結合層の形状に使われるはんだまたは
合金プレフオームの形状については、丸薬状プレ
フオーム５６の方が、第５図を検討すると明らか
なように、ホイル７４の切片よりも好ましい。プ
レフオーム５６は、空洞４６の表面が平滑なため
に、当初表面が非常に平滑である。冷却デバイス
２８とチツプ２２が近づくにつれて、ブレフオー
ム５６は横方向に均一に膨張して、押出し装置内
にある周囲ガラスを逐い出す。このため、熱伝導
を妨げる恐れのあるボイドの形成が防止される。
ホイル７４の切片の場合、ホイルはすでに平坦で
あり、したがつて押出し中の膨張モードがボイド
の形成を防止する可能性はより小さく、そのため
前述のように真空炉内で操作を実施することが必
要となる。以上の理由から、第１図、第３図ない
し第５図に開示した如き丸薬状のプレフオームを
使用する方法の方が好ましい。

Ｆ 発明の効果 以上説明したようにこの発明によればチヤンバ
内の溶融状態の熱伝導性合金を外部に押し出す際
に、酸化物がチヤンバ内に留まるようにしている
ため、酸化物を含まない固体熱伝導性合金を得る
ことできる。そしてこれを用いて冷却デバイスと
回路チツプとを結合することにより回路チツプの
熱放出を効率良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷却デバイスと回路チツプを結合する
ために用いる丸薬状合金をこの発明の一実施例に
したがつて形成する各ステツプを示す図、第２図
は冷却デバイスを熱伝導性を介して固定した回路
チツプからなる電子システムを示す図、第３図は
第１図の丸薬状合金を製造するのに用いる金型ブ
ロツクの平面図、第４図は第３図の４−４線に沿
う断面図、第５図は第１図の丸薬状合金を用いて
冷却デバイスを回路チツプに結合するステツプを
示す図、第６図は第１図の丸薬状合金のかわりに
ホイル状合金を用いる、この発明の他の実施例を
示す図である。 ２２……回路チツプ、２８……冷却デバイス、
３８，４０……ガラス・ブロツク、４２……チヤ
ンバ、４４……ポート、４６……空洞、５０……
合金材料、５６……プレフオーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ チヤンバ組立体に熱伝導性合金を充填するス
   テツプと、 上記熱伝導性合金を押し出させるようにほぼ融
   解温度まで加熱するステツプと、 上記チヤンバ組立体中の上記熱伝導性合金を加
   圧してその一部を上記チヤンバ組立体外部に押し
   出すステツプと、 押し出された熱伝導性合金部分を熱伝導要素お
   よび電子回路チツプの間に配置するステツプと、 上記熱電導要素および電子回路の間に荷重を加
   え上記熱伝導性合金部分が上記熱電導要素および
   電子回路チツプの界面に広がるようにするステツ
   プとを有することを特徴とする熱伝導性要素およ
   び電子回路チツプの熱結合方法。