JPH0529501A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】外部よりの衝撃や振動から配線基板に実装され
た半導体チップを保護すると共に、半導体冷却装置の放
熱性を向上させる。 【構成】この半導体冷却装置は、配線基板１に実装され
ている半導体チップ２の放熱面に近接配置され、この放
熱面に対して垂直方向に孔５を有するヒートシンク４
と、ヒートシンク４の孔５に軸方向に移動自在に配置さ
れ、かつ一端が半導体チップ２の放熱面に当接される伝
熱性部材６と、伝熱性部材６を半導体チップ２側に付勢
するバネとを備え、ヒートシンク４の孔５の上方に蓋７
を設けてこの蓋７には、孔５に連通する圧力逃し機構１
２を設け、蓋７と伝熱性部材６間の空間８に伝熱性流体
９を充填した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば配線基板に実
装された半導体チップなどの発熱部品の放熱を行うため
に用いられる半導体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、半導体チップを複数搭載したマル
チチップモジュールなどには、半導体チップの放熱を行
うための半導体冷却装置が具備されている。このような
半導体冷却装置として特開平2-156658号公報では、発熱
部品にたる型のピストンを押しつけてヒートシンクなど
へ逃がす方式の熱伝導モジュールが開示されている。

【０００３】ここで、上述した従来の半導体冷却装置に
ついて説明する。

【０００４】図５は従来の半導体冷却装置を示す断面
図、図６は図５の部分拡大図である。同図において、５
１は配線基板である。この配線基板５１には、フリップ
チップ法などにより複数の半導体チップ５２がバンプ５
３を介して実装されている。これら半導体チップ５２
は、発熱する面が上方に向けられている。

【０００５】この半導体チップ５２と近接してヒートシ
ンク５４が配置されている。このヒートシンク５４に
は、半導体チップ５２の放熱面に対して垂直方向に孔５
５が設けられている。この孔５５には、軸方向に移動自
在に円柱状の伝熱性部材５６が配置されている。この伝
熱性部材５６は一端が半導体チップ５２の放熱面に当接
されている。

【０００６】一方、ヒートシンク５４の孔５５の底面５
７と伝熱性部材５６間には、空間５８が形成されてお
り、半導体チップ５２側に伝熱性部材５６を付勢するバ
ネ５９が取り付けられている。またヒートシンク５４の
上方には、水冷式あるいは空冷式の放熱手段、例えば冷
媒菅６０などが密接配置されている。

【０００７】この半導体冷却装置では、伝熱性部材５６
は、バネ５９の付勢により半導体チップ５２に当接され
ており、個々の半導体チップ５２には、適度な接触圧力
が与えられるようになっている。

【０００８】また、半導体チップ５２に発生した熱の放
熱経路としては、伝熱性部材５６の一端が半導体チップ
５２に当接されており、この一端より伝熱性部材５６が
熱を受け、この熱を自身の側壁と接触するヒートシンク
５４の孔５５の内壁よりヒートシンク５４側に伝熱し、
さらにヒートシンク５４が上方の冷媒菅６０に熱を伝え
る。そして冷媒菅６０は管内に循環させている液体と共
に、この熱を外部へ放出する。

【０００９】しかしながら、上記した半導体冷却装置で
は、外部より何らかの強い衝撃や振動が加えられた場
合、バネ５９の機械的収縮では、これらの力を吸収でき
なくなり、バンプ５３や半導体チップ５２に許容限界以
上の力が働くようになるため、配線基板５１上のバンプ
５３や半導体チップ５２を損傷あるいは破壊させていま
うこともある。特にベアチップ実装方式で実装した半導
体チップ５２などにこの半導体冷却装置を用いた場合、
半導体チップ５２はキャリアに実装されていないため、
バンプ５３が脱落したり、半導体チップ５２にクラック
が入るなど、最悪の場合は半導体チップ５２が割れてし
まうという危険性がある。

【００１０】また、構造上、伝熱性部材５６の上方はバ
ネ５９の取り付け空間となっており放熱経路として使え
ない。したがって、伝熱性部材５６は自身の側壁でしか
熱を逃がすことができない（矢印Ａ）。このため、放熱
経路は横方向へ冗長され結果的に熱抵抗の増大を招いて
いた。

【００１１】また、上述した半導体冷却装置の他に、実
装したチップ間の高さ方向のばらつきを吸収するための
クッション材として伝熱性シートを半導体チップと伝熱
性部材との間に挟む構成の半導体冷却装置が考案されて
いる。この場合も伝熱性シートの熱抵抗は、接触圧力に
依存する率が高く、小さい熱抵抗を得ようとすれば接触
圧力を高くする必要があり、配線基板上のすべての半導
体チップに対して均一に接触圧力を加えることは難し
い。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
バネを用いた半導体冷却装置では、衝撃や振動によりバ
ンプや発熱部品が損傷を受けたり、伝熱性部材の上方の
空間を放熱に使えないという欠点があった。また、伝熱
性シートを用いた半導体冷却装置では、配線基板上のす
べての発熱部品に対して接触圧力を均一に加えることは
難しい。

【００１３】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、衝撃や振動から発熱部品を保護できる
と共に、放熱性のよい半導体冷却装置を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体冷却装
置は、上記した目的を達成するために、放熱面を有する
発熱部品と、前記発熱部品の放熱面に近接配置され、該
放熱面に対して垂直方向に孔を有する放熱体と、前記放
熱体の孔に軸方向に移動自在に配置され、かつ一端を前
記発熱部品の放熱面に当接される伝熱性部材と、前記放
熱体の孔の底面と前記伝熱性部材間に配設され、前記発
熱部品側に前記伝熱性部材を付勢する付勢手段とを備え
た半導体冷却装置において、前記孔の底面と前記伝熱性
部材間に形成された空間に伝熱性流体を充填すると共
に、前記放熱体に前記空間に連通する圧力逃し機構を設
けたことを特徴としている。

【００１５】

【作用】本発明では、発熱部品に発生した熱は、伝熱性
部材の側壁からだけでなく軸方向の一端からも伝熱性流
体を通じて放熱される。また、個々の半導体チップに対
する伝熱性部材の接触圧力は、圧力逃し機構により均一
に保たれる。

【００１６】この結果、伝熱性部材と放熱体との熱抵抗
が小さくなり半導体冷却装置全体としての放熱性が向上
する。また万一、半導体チップに衝撃が加わった場合で
も圧力逃し機構が働き、バンプの脱落や半導体チップの
クラック、割れなどを未然に防止することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の半導体冷却装置を空冷方式
で用いた場合の一実施例の断面図、図２は図１の部分拡
大図である。

【００１９】同図において、１は配線基板である。この
配線基板１には、フリップチップ法などにより発熱部品
として複数の半導体チップ２がバンプ３を介して実装さ
れており、半導体チップ２の発熱面は上方に向けられて
いる。この半導体チップ２と近接して半導体チップ２の
上方には、放熱体としてのヒートシンク４が配置されて
いる。このヒートシンク４には、半導体チップ２の放熱
面に対して垂直方向に孔５が設けられている。この孔５
には、軸方向に移動自在に円柱状の伝熱性部材６が配置
されている。この伝熱性部材６は一端が半導体チップ２
の放熱面に当接されている。

【００２０】さらに、ヒートシンク４の孔５の上方（従
来例でいう底面部分）には、蓋７が配設されており、こ
の蓋７は伝熱性部材６およびヒートシンク４と同様に伝
熱性を有することが望ましい。また、この蓋７と伝熱性
部材６間には、空間８が形成されており伝熱性流体９が
充填されている。この伝熱性流体９は、例えば水、油な
どが用いられ、その他熱伝導性の高いフロロカーボンな
どを用いてもよい。この伝熱性流体９の漏洩を防ぐた
め、ヒートシンク４と伝熱性部材６の間には、Ｏリング
１０が取り付けられている。また、ヒートシンク４に
は、空冷式あるいは水冷式、例えばフィン１１（空冷
式）が取り付けられている。

【００２１】一方、蓋７には、空間８に連通する圧力逃
し機構１２が設けられている。この圧力逃し機構１２
は、付勢手段としてのバネ１３と、バネ１３の一端に取
り付けられたボール１４と、伝熱性流体９を逃がすため
の流体溜１５から構成されている。

【００２２】この半導体冷却装置では、半導体チップ２
で発生した熱（半導体チップによっては70℃〜75℃まで
上昇するものもある）は、伝熱性部材６の一端よりヒー
トシンク４へ伝えられる。このとき、一部の熱は伝熱性
部材６の側壁からヒートシンク４へ伝わり、残りの熱は
軸方向に向かって伝わり伝熱性流体９を通って蓋７ある
いはヒートシンク４へと伝わっていく（矢印Ｂ）。

【００２３】また、半導体チップ２に対する伝熱性部材
６の接触圧力は、通常、圧力逃し機構１２のバネ１３の
付勢により一定に保持されており、伝熱性部材６の移動
量に応じて圧力逃し機構１２が働く。

【００２４】例えば、半導体チップ２が配線基板１に実
装された段階で、個々の半導体チップ２に微小な高さば
らつきが生じた場合、個々の半導体チップ２の高さだけ
伝熱性部材６は軸方向に押し戻されるが、このときの圧
力はごく小さいため、伝熱性流体９を介してボール１４
を微小に押し戻しバネ１３を少し縮ませるだけで、伝熱
性部材６の接触圧力としては変化を生じさせない。つま
り、伝熱性部材６の微小な移動量では、この圧力逃し機
構１２はバネ１３によって圧力を吸収する。

【００２５】また、例えば、半導体チップ２に機械的な
衝撃や振動などにより過大な力が加わった場合、伝熱性
部材６の移動量が大きくなり、この移動量に比例してボ
ール１４は大きく押し戻されて、流体溜１５の入路位置
にかかる。すると伝熱性流体９は、これ以上ボール１４
を押し戻すのを止めて流体溜１５に流れ込むようにな
る。つまり、伝熱性部材６の大きな移動量では、この圧
力逃し機構１２は伝熱性流体９が流体溜１５に流れ込む
ことによって過大な力を吸収する。しかも、バネ１３に
よる付勢は変わらずに続き伝熱性部材６の接触圧力は一
定に保持される。このように本実施例の半導体冷却装置
によれば、半導体チップ２で発生した熱を伝熱性部材６
の側壁からのみでなく、軸方向の上部一端からも逃すこ
とができる。また、半導体チップ２には、一定以上の力
が加わらずバンプ３の破壊や半導体チップ２のクラッ
ク、割れなどの危険から半導体チップ２を保護すること
ができる。

【００２６】次に、本発明の他の実施例について図３お
よび図４を参照して説明する。

【００２７】これら図３および図４図の実施例は、図２
に示した実施例の一部構成を変形した例である。

【００２８】図３の実施例は上述した半導体冷却装置を
水冷式とした例である。すなわち、図２で示したフィン
１１に変えてヒートシンク３１上方には、冷媒菅３２を
密接配置している。この冷媒菅３２には、冷媒として水
３３などが用いられている。また、この冷媒菅３２に
は、水３３の出入り口が設けられている。

【００２９】この半導体冷却装置は冷媒菅３２の出入り
口を通じて水３３の循環を行うことが可能であるため熱
交換が即座にできる。この結果、上述した実施例（フィ
ン１１）に比較して放熱性が飛躍的に向上されている。
したがって、この半導体冷却装置は、特に高温となる半
導体チップに対して有効に用いることができる。

【００３０】また、図４の実施例は図２で示した伝熱性
部材６を加工した例である。

【００３１】同図に示すように、ヒートシンク４１の孔
４２には、一端に孔４３を設けた伝熱性部材４４が配置
されている。また、伝熱性流体４５は、この孔４３を含
む空間４６を満たすように充填されている。

【００３２】この半導体冷却装置では、図２で示した実
施例（穴を設けていない伝熱性部材６）に比較して、伝
熱性流体４５の容量が多くなると共に、半導体チップ４
７に加わる伝熱性部材４４の荷重が軽減されている。

【００３３】この実施例によれば、半導体チップ４８の
熱による伝熱性流体４５の対流が活発になり、ヒートシ
ンク４１への熱の伝導を促進させることができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の半導体冷却装置によれば、外部
よりの衝撃や振動から配線基板に実装した発熱部品を保
護することができる。また、半導体冷却装置自身の放熱
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体冷却装置の一実施例の断面図で
ある。

【図２】図１の半導体冷却装置を説明するための拡大図
である。

【図３】本発明の他の実施例の断面図てある。

【図４】本発明の他の実施例の断面図てある。

【図５】従来の半導体冷却装置の一例を示す断面図であ
る。

【図６】従来の半導体冷却装置の他の例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１…………………配線基板 ２、４７…………半導体チップ ４、３１、４１…ヒートシンク ５、４２…………ヒートシンクの孔 ６、４４…………伝熱性部材 ７…………………蓋 ８…………………空間 ９、４５…………伝熱性流体 １２………………圧力逃し機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 放熱面を有する発熱部品と、前記発熱部
   品の放熱面に近接配置され、該放熱面に対して垂直方向
   に孔を有する放熱体と、前記放熱体の孔に軸方向に移動
   自在に配置され、かつ一端を前記発熱部品の放熱面に当
   接される伝熱性部材と、前記放熱体の孔の底面と前記伝
   熱性部材間に配設され、前記発熱部品側に前記伝熱性部
   材を付勢する付勢手段とを備えた半導体冷却装置におい
   て、 前記孔の底面と前記伝熱性部材間に形成された空間に伝
   熱性流体を充填すると共に、前記放熱体に前記空間に連
   通する圧力逃し機構を設けたことを特徴とする半導体冷
   却装置。