JPH0612794B2 - 半導体実装モジユール及び冷却構造体 - Google Patents
半導体実装モジユール及び冷却構造体Info
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- JPH0612794B2 JPH0612794B2 JP21135889A JP21135889A JPH0612794B2 JP H0612794 B2 JPH0612794 B2 JP H0612794B2 JP 21135889 A JP21135889 A JP 21135889A JP 21135889 A JP21135889 A JP 21135889A JP H0612794 B2 JPH0612794 B2 JP H0612794B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子から発生する熱を除去するための
半導体実装モジユール及びそれに用いられる冷却構造体
に関する。特に本発明は複数の半導体素子あるいは高密
度に集積化された複数の集積回路を１つのハウジング内
に収納した半導体実装モジユールに適用するのに適して
いる。
半導体実装モジユール及びそれに用いられる冷却構造体
に関する。特に本発明は複数の半導体素子あるいは高密
度に集積化された複数の集積回路を１つのハウジング内
に収納した半導体実装モジユールに適用するのに適して
いる。
近年の大型計算機では、処理速度が早いことが要求され
るため、高度に集積化が進み、一つの集積回路から発生
する熱量も飛躍的に増大してきた。このため、従来は問
題にされなかつた集積回路の過剰な温度上昇が懸念さ
れ、集積回路の冷却が大型計算機実装での重大な課題と
なつてきた。
るため、高度に集積化が進み、一つの集積回路から発生
する熱量も飛躍的に増大してきた。このため、従来は問
題にされなかつた集積回路の過剰な温度上昇が懸念さ
れ、集積回路の冷却が大型計算機実装での重大な課題と
なつてきた。
大型電子計算機システムの冷却装置に関する従来技術は
特開昭63−250848号記載の冷却構造体がある。これは発
熱体である集積回路チツプ上にスライド可能に装着され
ている冷却用熱伝導中間ブロツクを設ける方法であり、
発熱による熱膨張、収縮等の変形を冷却用熱伝導中間ブ
ロツクの横移動、縦移動によつて吸収し、常に冷却部と
発熱部である集積回路チツプの密着をよくし、熱抵抗を
低減しようとする方法である。また特開昭58−91665 号
記載の冷却構造体がある。これは発熱体である集積回路
チツプ上にスライド可能に装着されている冷却ピストン
を設ける方法であり、発熱による熱膨張、収縮等の変形
を冷却ピストンの横移動、縦移動によつて吸収し、常に
冷却部と発熱部である集積回路チツプの密着をよくし、
熱抵抗を低減しようとする方法である。この方法では冷
却ピストンと冷媒によつて冷却される伝熱シリンダー
間、及び冷却ピストンと集積回路チツプ間に熱伝導性グ
リースを使用しなければ構造的に完成しない例である
が、適度な接触圧力がバネで加えられ、良好な伝熱特性
が得られる。
特開昭63−250848号記載の冷却構造体がある。これは発
熱体である集積回路チツプ上にスライド可能に装着され
ている冷却用熱伝導中間ブロツクを設ける方法であり、
発熱による熱膨張、収縮等の変形を冷却用熱伝導中間ブ
ロツクの横移動、縦移動によつて吸収し、常に冷却部と
発熱部である集積回路チツプの密着をよくし、熱抵抗を
低減しようとする方法である。また特開昭58−91665 号
記載の冷却構造体がある。これは発熱体である集積回路
チツプ上にスライド可能に装着されている冷却ピストン
を設ける方法であり、発熱による熱膨張、収縮等の変形
を冷却ピストンの横移動、縦移動によつて吸収し、常に
冷却部と発熱部である集積回路チツプの密着をよくし、
熱抵抗を低減しようとする方法である。この方法では冷
却ピストンと冷媒によつて冷却される伝熱シリンダー
間、及び冷却ピストンと集積回路チツプ間に熱伝導性グ
リースを使用しなければ構造的に完成しない例である
が、適度な接触圧力がバネで加えられ、良好な伝熱特性
が得られる。
従来技術では、集積回路チツプは動作時はかなりの熱量
を発生するため、熱膨張及び収縮が発生し、伝熱部及び
被伝熱部で微細摺動が発生し、無潤滑では摺動部で摩耗
粉が発生する。すなわち発塵する。摩耗粉は摺動部の間
隔を広げ接触熱抵抗を増加するため、伝熱特性が極端に
悪くなる。更に導電性の摩耗粉は、基板上に落ちた場合
様々なトラブルを生じさせる原因となる。
を発生するため、熱膨張及び収縮が発生し、伝熱部及び
被伝熱部で微細摺動が発生し、無潤滑では摺動部で摩耗
粉が発生する。すなわち発塵する。摩耗粉は摺動部の間
隔を広げ接触熱抵抗を増加するため、伝熱特性が極端に
悪くなる。更に導電性の摩耗粉は、基板上に落ちた場合
様々なトラブルを生じさせる原因となる。
そのため特開昭55−6888号公報および特開昭58−91665
号公報の例では、熱伝導グリースを使用し潤滑性を向上
させているが、グリース中に含有している油の蒸気が実
装モジユール内部を汚染し、またグリースは長期間高温
に曝されると内部に保持してある油分の流出が発生し、
グリースは硬化してくるため長期の潤滑性を保持出来な
い問題がある。
号公報の例では、熱伝導グリースを使用し潤滑性を向上
させているが、グリース中に含有している油の蒸気が実
装モジユール内部を汚染し、またグリースは長期間高温
に曝されると内部に保持してある油分の流出が発生し、
グリースは硬化してくるため長期の潤滑性を保持出来な
い問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、特に大型計算機に適
した冷却特性を持つ半導体実装モジユール及びそれに用
いられる冷却構造体を提案することである。特に、微小
摺動を受ける伝熱ブロツクの伝熱特性を損なわず潤滑特
性を向上させる方法を提案することにある。
した冷却特性を持つ半導体実装モジユール及びそれに用
いられる冷却構造体を提案することである。特に、微小
摺動を受ける伝熱ブロツクの伝熱特性を損なわず潤滑特
性を向上させる方法を提案することにある。
本発明は、半導体素子と、冷媒によつて冷却される伝熱
ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者に
接触する摺動可能な熱伝導用中間ブロツクとを備えた半
導体実装モジユールにおいて、各伝熱表面に、あるいは
その一部の表面に５μｍ以下特に０．００１〜１μｍ、
最も好ましくは０．０１〜０．５μｍの薄膜のフツ素系
潤滑層を固定することによつて冷却構造体の伝熱特性を
損なわず潤滑特性を向上させる手段を提供するものであ
る。
ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者に
接触する摺動可能な熱伝導用中間ブロツクとを備えた半
導体実装モジユールにおいて、各伝熱表面に、あるいは
その一部の表面に５μｍ以下特に０．００１〜１μｍ、
最も好ましくは０．０１〜０．５μｍの薄膜のフツ素系
潤滑層を固定することによつて冷却構造体の伝熱特性を
損なわず潤滑特性を向上させる手段を提供するものであ
る。
本発明に用いる薄膜のフツ素系潤滑層は通常のグリース
状潤滑剤、シラノール基を末端に持つ含フツ素系化合物
あるいは表面に含フツ素化合物を含有した有機塗膜であ
るが、熱抵抗を出来るだけ小さくするためにそれぞれの
膜厚を５μｍ以下とする必要がある。
状潤滑剤、シラノール基を末端に持つ含フツ素系化合物
あるいは表面に含フツ素化合物を含有した有機塗膜であ
るが、熱抵抗を出来るだけ小さくするためにそれぞれの
膜厚を５μｍ以下とする必要がある。
グリース状潤滑剤としてはデユポン社製のKrytoxシリー
ズ、モンテフロス社製のFomblinシリーズ及びダイキン
工業(株)製のDemnumシリーズがある。
ズ、モンテフロス社製のFomblinシリーズ及びダイキン
工業(株)製のDemnumシリーズがある。
シラノール基を末端に持つ含フツ素系化合物の例として
は下記一般式 Ｒf−Ｒ−Ｒ′−Ｓ [式中 Ｒf は、パーフルオロポリオキシアルキル基。
Ｒは結合基で、アミド基、エステル基、メチロール基の
いずれかである。Ｒ′はアルキレン基、アミノ置換アル
キレン基または芳香族置換アルキレン基、Ｓはシラノー
ル基、］である。これらのシラノール基を持つ含フツ素
系化合物は約１２０℃付近に加熱されることによつて末
端のシラノール基が各伝熱表面と反応固定し、潤滑性を
持つ冷却構造体を完成させる。
は下記一般式 Ｒf−Ｒ−Ｒ′−Ｓ [式中 Ｒf は、パーフルオロポリオキシアルキル基。
Ｒは結合基で、アミド基、エステル基、メチロール基の
いずれかである。Ｒ′はアルキレン基、アミノ置換アル
キレン基または芳香族置換アルキレン基、Ｓはシラノー
ル基、］である。これらのシラノール基を持つ含フツ素
系化合物は約１２０℃付近に加熱されることによつて末
端のシラノール基が各伝熱表面と反応固定し、潤滑性を
持つ冷却構造体を完成させる。
また、各伝熱表面に有機塗膜を構成する場合、有機塗膜
表面に含有する含フツ素化合物の例としては下記一般式 または [式中ｌは１価または２価を示す。ｍはｌに対応する整
数。Ｚは０または１。ｎは１以上の整数。Ｒf は、パー
フルオロポリオキシアルキル基である。Ｒ1は結合基
で、アミド基、エステル基、メチロール基のいずれかで
ある。Ｒ2は炭素数２〜３のオキシアルキレン基。Ｒ3は
直接結合、エーテル基、カルボニル基、エステル基、ア
ミド基、オキシアルキレン基、又はアルキレン基で繰返
し毎に違つていても良い。]がある。これらの含フツ素
化合物は有機塗膜材と混合した塗料の形で各伝熱表面に
塗布され、潤滑性塗膜を作成する。ここで用いる有機塗
膜材は特に限定されたものでなく、ポリエステル系、エ
ポキシ系、フエノール系、ウレタン系、ポリアミド系、
ポリイミド系、塩ビ系、ポリビニルブチラール系のいず
れを用いても良く、又これらの混合系を用いても良い。
表面に含有する含フツ素化合物の例としては下記一般式 または [式中ｌは１価または２価を示す。ｍはｌに対応する整
数。Ｚは０または１。ｎは１以上の整数。Ｒf は、パー
フルオロポリオキシアルキル基である。Ｒ1は結合基
で、アミド基、エステル基、メチロール基のいずれかで
ある。Ｒ2は炭素数２〜３のオキシアルキレン基。Ｒ3は
直接結合、エーテル基、カルボニル基、エステル基、ア
ミド基、オキシアルキレン基、又はアルキレン基で繰返
し毎に違つていても良い。]がある。これらの含フツ素
化合物は有機塗膜材と混合した塗料の形で各伝熱表面に
塗布され、潤滑性塗膜を作成する。ここで用いる有機塗
膜材は特に限定されたものでなく、ポリエステル系、エ
ポキシ系、フエノール系、ウレタン系、ポリアミド系、
ポリイミド系、塩ビ系、ポリビニルブチラール系のいず
れを用いても良く、又これらの混合系を用いても良い。
シラノール基を末端に持つ含フツ素系化合物の具体的な
例としては下記構造の含フツ素化合物がある。
例としては下記構造の含フツ素化合物がある。
Ｒf−CONH−C3H6−Si(OC2H5)3， Ｒf−CONH−C2H4NHC3H6−Si(OCH3)2(CH3)， Ｒf−CONH−C2H4NHC3H6−Si(OCH3)3， Ｒf−CH2O−C3H6−Si(OCH3)3， Ｒf−COO−C3H6−OC3H6−Si(OCH3)3， また、有機塗膜に含有する含フツ素化合物の例としては
下記構造の含フツ素化合物がある。
下記構造の含フツ素化合物がある。
（式中Ｒf はパーフルオロポリオキシアルキル基で、具
体的にはデイポン社製Krytox １５７ＦＳまたはホンブ
リンＺ−ＤＩＡＣを主鎖に持つ。
体的にはデイポン社製Krytox １５７ＦＳまたはホンブ
リンＺ−ＤＩＡＣを主鎖に持つ。
本発明のフツ素系潤滑層を設けた熱伝導用中間ブロツ
ク、例えば、第１図の特開昭63−250848号公報に示した
熱伝導用中間ブロツクの表面を潤滑薄膜で被覆すること
によつて、シリンダ及び集積回路チツプとの摺動によつ
ても摩耗粉が発生せず、長期の潤滑性を保持することが
出来る。
ク、例えば、第１図の特開昭63−250848号公報に示した
熱伝導用中間ブロツクの表面を潤滑薄膜で被覆すること
によつて、シリンダ及び集積回路チツプとの摺動によつ
ても摩耗粉が発生せず、長期の潤滑性を保持することが
出来る。
また潤滑膜として含フツ素系潤滑剤を含有する有機塗膜
を設けた場合、従来の技術では問題となつている金属製
の熱伝導用中間ブロツクと熱伝導ブロツクとの間に封入
する熱伝導グリースの組み合わせが可能になる。即ち、
熱伝導グリース中に存在する水分及び添加物が金属製熱
伝導用中間ブロツクと接触することによつて金属表面が
腐食するが、有機薄膜で表面を被覆しているため熱伝導
用中間ブロツクに腐食が発生しない効果があり、著しい
伝熱効果が発揮される。
を設けた場合、従来の技術では問題となつている金属製
の熱伝導用中間ブロツクと熱伝導ブロツクとの間に封入
する熱伝導グリースの組み合わせが可能になる。即ち、
熱伝導グリース中に存在する水分及び添加物が金属製熱
伝導用中間ブロツクと接触することによつて金属表面が
腐食するが、有機薄膜で表面を被覆しているため熱伝導
用中間ブロツクに腐食が発生しない効果があり、著しい
伝熱効果が発揮される。
以下、本発明の効果を実施例により更に具体的に説明す
る。本実施例の効果を第１図に示す冷却構造体を用いて
述べる。
る。本実施例の効果を第１図に示す冷却構造体を用いて
述べる。
第１図に示す冷却構造体の構成を以下に示す。全体は、
基板１，半導体素子２，熱伝導用中間ブロツク３より構
成される半導体モジユールである。
基板１，半導体素子２，熱伝導用中間ブロツク３より構
成される半導体モジユールである。
本冷却構造体に用いた材料は熱伝導性の良い窒化アルミ
ニウム焼結体を用いた。
ニウム焼結体を用いた。
基板１には、複数の素子２がはんだ接続４により接続さ
れる。素子２に接するべく熱伝導用中間ブロツク３が設
置される。熱伝導用中間ブロツク３は弾性体５により伝
熱ブロツク６と接続される。熱伝導中間ブロツク３は、
伝熱ブロツク６と接し、伝熱ブロツク６は冷却水ユニツ
ト７と熱的に接して設置される。
れる。素子２に接するべく熱伝導用中間ブロツク３が設
置される。熱伝導用中間ブロツク３は弾性体５により伝
熱ブロツク６と接続される。熱伝導中間ブロツク３は、
伝熱ブロツク６と接し、伝熱ブロツク６は冷却水ユニツ
ト７と熱的に接して設置される。
半導体素子２には、ピン８を通して基板１に送られた電
機信号あるいは電力が、接続子４を通して供給される。
素子２では、演算速度を高速化するために高度に集積化
されており、非常に小さい面積に大量の電流を供給する
ために、大量の熱を発生する。
機信号あるいは電力が、接続子４を通して供給される。
素子２では、演算速度を高速化するために高度に集積化
されており、非常に小さい面積に大量の電流を供給する
ために、大量の熱を発生する。
この大量に発生した熱は、接続子４を通過するには接続
子４及び基板１、ピン８の熱抵抗が大き過ぎるために、
素子２の裏面より逃してやる必要がある。
子４及び基板１、ピン８の熱抵抗が大き過ぎるために、
素子２の裏面より逃してやる必要がある。
熱伝導中間ブロツク３は、底面９が平面で、上面１０が
円筒面あるいはそれに類する形状をした３角柱である。
上面１０と反対側の傾斜面には開孔部１１があり、そこ
には弾性体としてのばね５が設置されている。ばね５の
熱伝導中間ブロツクは反対側には同様な開孔部１２を有
する伝熱ブロツク６がある。
円筒面あるいはそれに類する形状をした３角柱である。
上面１０と反対側の傾斜面には開孔部１１があり、そこ
には弾性体としてのばね５が設置されている。ばね５の
熱伝導中間ブロツクは反対側には同様な開孔部１２を有
する伝熱ブロツク６がある。
半導体素子２で大量に発生した熱は、素子２の裏面に接
している熱伝導中間ブロツク３の底面９より接触により
伝熱が行われる。接触する部分には、熱を良好に伝えさ
せるために熱伝導度の高い例えばヘリウムガスガスによ
つて封止される。
している熱伝導中間ブロツク３の底面９より接触により
伝熱が行われる。接触する部分には、熱を良好に伝えさ
せるために熱伝導度の高い例えばヘリウムガスガスによ
つて封止される。
伝熱ブロツク６には熱伝導用中間ブロツク３の投影形状
と等しいＶ状の溝が存在する。Ｖ状の溝の片面は平面で
あり、そこには熱伝導用中間ブロツク３の円筒状の上面
１０が接する。
と等しいＶ状の溝が存在する。Ｖ状の溝の片面は平面で
あり、そこには熱伝導用中間ブロツク３の円筒状の上面
１０が接する。
熱伝導用中間ブロツク３に伝えられた熱は、熱伝導用中
間ブロツクの円筒状の上面１０からＶ状の溝の平面に伝
えられる。
間ブロツクの円筒状の上面１０からＶ状の溝の平面に伝
えられる。
この部分には、熱を良好に伝えさせる熱伝導度の高いガ
スによつて封止される。
スによつて封止される。
更に伝熱ブロツク６の上面には、冷却水ユニツト７が設
置される。冷却水ユニツトには、素子２で発生した熱を
系外に排出する冷却水が流れている。冷却水ユニツト７
の底面と伝熱ブロツク６の上面とは、面接触により伝熱
が行われる。
置される。冷却水ユニツトには、素子２で発生した熱を
系外に排出する冷却水が流れている。冷却水ユニツト７
の底面と伝熱ブロツク６の上面とは、面接触により伝熱
が行われる。
モジユール構造である場合には、素子２の上面は基板１
の製造ばらつき、接続子４の取り付けばらつき等によ
り、素子２間で高さや傾きが様々に異なつている。しか
し本冷却構造体では、そのような高さや傾きのばらつき
が起こつても、熱伝導用中間ブロツク３が柔軟に移動
し、素子２の上面と熱伝導用中間ブロツク３の底面の面
接触、伝熱ブロツク３の底面１３とは熱伝導用中間ブロ
ツクの円筒面１０との線接触が安定して起こり良好な熱
伝達を実現できる。
の製造ばらつき、接続子４の取り付けばらつき等によ
り、素子２間で高さや傾きが様々に異なつている。しか
し本冷却構造体では、そのような高さや傾きのばらつき
が起こつても、熱伝導用中間ブロツク３が柔軟に移動
し、素子２の上面と熱伝導用中間ブロツク３の底面の面
接触、伝熱ブロツク３の底面１３とは熱伝導用中間ブロ
ツクの円筒面１０との線接触が安定して起こり良好な熱
伝達を実現できる。
素子２の高さのばらつきに対しては、熱伝導用中間ブロ
ツク３が素子２の上面とは平行、熱伝導用中間ブロツク
３の円筒面１０の軸とは垂直な方向に移動して追従す
る。すなわち、素子２と伝熱ブロツク６の間隔が短くな
つた時には、第１図において、熱伝導用中間ブロツク３
が左右に移動し、また素子２と伝熱ブロツク６の間隔が
長くなつた時には、前述と反対方向に移動して高さのば
らつきに追従する。
ツク３が素子２の上面とは平行、熱伝導用中間ブロツク
３の円筒面１０の軸とは垂直な方向に移動して追従す
る。すなわち、素子２と伝熱ブロツク６の間隔が短くな
つた時には、第１図において、熱伝導用中間ブロツク３
が左右に移動し、また素子２と伝熱ブロツク６の間隔が
長くなつた時には、前述と反対方向に移動して高さのば
らつきに追従する。
一方、素子２の傾きに対しては、熱伝導用中間ブロツク
３が回転することにより追従する。素子２が、熱伝導用
中間ブロツク３の円筒面１０の軸を中心として傾いた場
合には、熱伝導用中間ブロツクの円筒面１０とブロツク
６の底面の間の線接触部分が移動することにより追従す
る。
３が回転することにより追従する。素子２が、熱伝導用
中間ブロツク３の円筒面１０の軸を中心として傾いた場
合には、熱伝導用中間ブロツクの円筒面１０とブロツク
６の底面の間の線接触部分が移動することにより追従す
る。
また、素子２が熱伝導用中間ブロツク３の円筒面１０の
軸と平行な方向に傾いていた場合には、線接触部分が移
動する伝熱ブロツク６の底面９の上面を回転することに
よつて追従する。
軸と平行な方向に傾いていた場合には、線接触部分が移
動する伝熱ブロツク６の底面９の上面を回転することに
よつて追従する。
また、接触面の表面は、伝熱を良好にすべく、また摩擦
力を最小にすべく表面加工される。
力を最小にすべく表面加工される。
熱伝導用中間ブロツク３の半導体素子２と反対側の表面
は、角度θで傾斜させ、表面は円柱面加工を行う。この
角度θは、伝熱特性、熱伝導用中間ブロツク３の可動特
性を決定する重要なファクタである。角度θは大きけれ
ば大きいほど伝熱面積（熱伝導用中間ブロツク３と伝熱
ブロツク６との接触面積）は増大するが、その一方で伝
熱ブロツク６と半導体素子２との間隔が広がり不利にな
る。熱伝導用中間ブロツク３の奥行きをＨ、幅をＬとし
た時、傾斜部分の熱抵抗（Ａ−Ａ′部分）での全熱抵抗
ＲＴは以下の式で表される。
は、角度θで傾斜させ、表面は円柱面加工を行う。この
角度θは、伝熱特性、熱伝導用中間ブロツク３の可動特
性を決定する重要なファクタである。角度θは大きけれ
ば大きいほど伝熱面積（熱伝導用中間ブロツク３と伝熱
ブロツク６との接触面積）は増大するが、その一方で伝
熱ブロツク６と半導体素子２との間隔が広がり不利にな
る。熱伝導用中間ブロツク３の奥行きをＨ、幅をＬとし
た時、傾斜部分の熱抵抗（Ａ−Ａ′部分）での全熱抵抗
ＲＴは以下の式で表される。
ｋｂは熱伝導用中間ブロツク３の熱伝導度、ｈは接触面
での伝熱係数を表し、右辺の第１項は接触面での熱抵
抗、第２項は熱伝導用中間ブロツク３での熱抵抗を表
す。上式により熱伝導用中間ブロツク３の熱伝導度と接
触面での伝熱係数等により最適な角度を選択する。
での伝熱係数を表し、右辺の第１項は接触面での熱抵
抗、第２項は熱伝導用中間ブロツク３での熱抵抗を表
す。上式により熱伝導用中間ブロツク３の熱伝導度と接
触面での伝熱係数等により最適な角度を選択する。
本冷却構造体１の性能計算及び実装結果を第２〜３図で
説明する。第２図は半導体素子２の基板の高さが発熱等
により変化した場合の熱抵抗に及ぼす影響を示す。実線
は計算値、プロツトは実測値を示す。また第３図は半導
体素子２が発熱で反り等の傾斜が発生した場合の熱抵抗
の変動について示す。半導体素子２の基板の高さが１mm
程度変化しても充分に線接触を保ち、熱抵抗が一定して
いることを示す。また半導体素子２が発熱で反り等の傾
斜は１度程度であれば充分に線接触を保ち、熱抵抗が一
定しており、実用上の問題は発生しない。薄膜の潤滑層
は冷却構造体全体に設けても良いが、本実施例では熱伝
導用中間ブロツクに薄膜の潤滑層１３を設ける。
説明する。第２図は半導体素子２の基板の高さが発熱等
により変化した場合の熱抵抗に及ぼす影響を示す。実線
は計算値、プロツトは実測値を示す。また第３図は半導
体素子２が発熱で反り等の傾斜が発生した場合の熱抵抗
の変動について示す。半導体素子２の基板の高さが１mm
程度変化しても充分に線接触を保ち、熱抵抗が一定して
いることを示す。また半導体素子２が発熱で反り等の傾
斜は１度程度であれば充分に線接触を保ち、熱抵抗が一
定しており、実用上の問題は発生しない。薄膜の潤滑層
は冷却構造体全体に設けても良いが、本実施例では熱伝
導用中間ブロツクに薄膜の潤滑層１３を設ける。
従つて、本実施例で用いる冷却構造体の信頼性は高い。
実施例１． 冷却構造体１の熱伝導用中間ブロツク３をトリフルオロ
トリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄
し、洗浄後良く乾燥する。このようにして準備した熱伝
導用中間ブロツク３を第１表に示したフツ素系潤滑剤で
あるKrytox 143AD、又は Fomblin ＹＲ、又はDemnum
Ｓ２００を0.1 重量％溶解したトリフルオロトリクロロ
エタン中に浸し、熱伝導用中間ブロツク３表面をフツ素
系潤滑剤で被覆し、その後乾燥する。
トリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄
し、洗浄後良く乾燥する。このようにして準備した熱伝
導用中間ブロツク３を第１表に示したフツ素系潤滑剤で
あるKrytox 143AD、又は Fomblin ＹＲ、又はDemnum
Ｓ２００を0.1 重量％溶解したトリフルオロトリクロロ
エタン中に浸し、熱伝導用中間ブロツク３表面をフツ素
系潤滑剤で被覆し、その後乾燥する。
完成した潤滑膜厚は５〜１０ｎｍになるように制御す
る。こうして得られた熱伝導用中間ブロツク３の潤滑性
を微動摺動時の発塵量の大小で評価した。発塵試験装置
の概略を第４図に示す。すなわち、振動するデイスク２
１上に表面粗さ(Ｒａ)０．１μｍ以下の窒化アルミ製の
板２２を貼り付け、これに潤滑処理した熱伝導用中間ブ
ロツク２３を任意の加重で押しつける。この時発生する
摩耗粉は、微動振動するデイスクの下部にシリコンウエ
ハーを置き、落下した摩耗粉を回収する。このシリコン
ウエハー上の摩耗粉量は、すなわち発塵量はレーザ表面
検査装置（日立製作所製：ＨＬＤ−３００Ｂ型）で発塵
量と発塵粒径を同時に測定する。
る。こうして得られた熱伝導用中間ブロツク３の潤滑性
を微動摺動時の発塵量の大小で評価した。発塵試験装置
の概略を第４図に示す。すなわち、振動するデイスク２
１上に表面粗さ(Ｒａ)０．１μｍ以下の窒化アルミ製の
板２２を貼り付け、これに潤滑処理した熱伝導用中間ブ
ロツク２３を任意の加重で押しつける。この時発生する
摩耗粉は、微動振動するデイスクの下部にシリコンウエ
ハーを置き、落下した摩耗粉を回収する。このシリコン
ウエハー上の摩耗粉量は、すなわち発塵量はレーザ表面
検査装置（日立製作所製：ＨＬＤ−３００Ｂ型）で発塵
量と発塵粒径を同時に測定する。
又、表面を潤滑処理した熱伝導用中間ブロツク３を冷却
構造体に組み込んだときの熱抵抗を測定した。
構造体に組み込んだときの熱抵抗を測定した。
これらの潤滑性、及び熱抵抗の評価に用いた比較材料
は、潤滑処理しない熱伝導用中間ブロツク３を用いた。
は、潤滑処理しない熱伝導用中間ブロツク３を用いた。
発塵試験の評価結果を第５図に示すが、潤滑処理無しの
ものに比べ初期の発塵量は非常に小さくなり、潤滑性が
格段に向上したことがわかる。熱抵抗の測定結果は第２
表に示すように潤滑処理したにも係らず熱抵抗はほとん
ど増加しない優れた表面処理であることがわかる。
ものに比べ初期の発塵量は非常に小さくなり、潤滑性が
格段に向上したことがわかる。熱抵抗の測定結果は第２
表に示すように潤滑処理したにも係らず熱抵抗はほとん
ど増加しない優れた表面処理であることがわかる。
実施例２． 熱伝導用中間ブロツク３をトリフルオロトリクロロエタ
ン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄し、洗浄後良く乾
燥する。このようにして準備した熱伝導用中間ブロツク
３を第３表に示す末端シラノール型フツ素系潤滑剤を
０．２重量％溶解したトリフルオロトリクロロエタン中
に浸漬塗布後、１２０℃で５分熱処理する。その後、ト
リフルオロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄
機で洗浄し、余分な末端シラノール型フツ素系潤滑剤を
除去する。
ン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄し、洗浄後良く乾
燥する。このようにして準備した熱伝導用中間ブロツク
３を第３表に示す末端シラノール型フツ素系潤滑剤を
０．２重量％溶解したトリフルオロトリクロロエタン中
に浸漬塗布後、１２０℃で５分熱処理する。その後、ト
リフルオロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄
機で洗浄し、余分な末端シラノール型フツ素系潤滑剤を
除去する。
完成した潤滑膜厚は約５ｎｍである。こうして得られた
熱伝導用中間ブロツク３の潤滑性を実施例１と同様に発
塵試験で評価し、また冷却構造体に組み込んだときの熱
抵抗を測定した。
熱伝導用中間ブロツク３の潤滑性を実施例１と同様に発
塵試験で評価し、また冷却構造体に組み込んだときの熱
抵抗を測定した。
これらの潤滑性、及び熱抵抗の評価に用いた比較材料
は、実施例１と同様に潤滑処理しない熱伝導用中間ブロ
ツク３を用いた。
は、実施例１と同様に潤滑処理しない熱伝導用中間ブロ
ツク３を用いた。
発塵試験の評価結果を第６図に示すが、末端シラノール
型フツ素系潤滑剤で表面処理したものは、処理無しのも
のに比べ初期の発塵量は非常に小さくなり、潤滑性が格
段に向上したことがわかる。熱抵抗の測定結果は第４表
に示すように潤滑処理したにも係らず熱抵抗はほとんど
増加しない優れた表面処理であることがわかる。
型フツ素系潤滑剤で表面処理したものは、処理無しのも
のに比べ初期の発塵量は非常に小さくなり、潤滑性が格
段に向上したことがわかる。熱抵抗の測定結果は第４表
に示すように潤滑処理したにも係らず熱抵抗はほとんど
増加しない優れた表面処理であることがわかる。
実施例３． 熱伝導用中間ブロツク３をトリフルオロトリクロロエタ
ン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄し、洗浄後良く乾
燥する。
ン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄し、洗浄後良く乾
燥する。
一方、デユポン社製のエポキシ樹脂（商品名：ＥＰ１０
０４）４．８ｇ、及びフェノール樹脂であるヒタノール
１５０１（日立化成（株）製）０．８８ｇと硬化促進剤
であるトリエチルアンモニウムカルボール塩（北興化学
（株）製、商品名：ＴＥＡ−Ｋ）０．０６ｇをメチルエ
チルケトン２００ｇに溶解し、溶液１を作成する。次に
第５表に示したフツ素化合物０．５６ｇをメチルエチル
ケトン１０ｇに溶解し、これを溶液１に溶解し、溶液２
を作成する。
０４）４．８ｇ、及びフェノール樹脂であるヒタノール
１５０１（日立化成（株）製）０．８８ｇと硬化促進剤
であるトリエチルアンモニウムカルボール塩（北興化学
（株）製、商品名：ＴＥＡ−Ｋ）０．０６ｇをメチルエ
チルケトン２００ｇに溶解し、溶液１を作成する。次に
第５表に示したフツ素化合物０．５６ｇをメチルエチル
ケトン１０ｇに溶解し、これを溶液１に溶解し、溶液２
を作成する。
このようにして準備した溶液２に先に洗浄した熱伝導用
中間ブロツク３を浸し、その後、溶液から取り出し、２
３０℃−６０分熱処理する。その後、トリフルオロトリ
クロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄する。
完成したバインダー層の膜厚は２０ｎｍ，潤滑膜厚は約
４ｎｍである。こうして得られた熱伝導用中間ブロツク
３の潤滑性を実施例１と同様に発塵試験で評価し、また
冷却構造体に組み込んだときの熱抵抗を測定した。
中間ブロツク３を浸し、その後、溶液から取り出し、２
３０℃−６０分熱処理する。その後、トリフルオロトリ
クロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗浄する。
完成したバインダー層の膜厚は２０ｎｍ，潤滑膜厚は約
４ｎｍである。こうして得られた熱伝導用中間ブロツク
３の潤滑性を実施例１と同様に発塵試験で評価し、また
冷却構造体に組み込んだときの熱抵抗を測定した。
これらの潤滑性、及び熱抵抗の評価に用いた比較材料
は、実施例１と同様に潤滑処理しない熱伝導用中間ブロ
ツク３を用いた。
は、実施例１と同様に潤滑処理しない熱伝導用中間ブロ
ツク３を用いた。
発塵試験の評価結果を第７図に示すが、潤滑表面処理し
たものは、処理無しのものに比べ初期の発塵量は非常に
小さくなり、潤滑性が格段に向上したことがわかる。熱
抵抗の測定結果は第６表に示すように潤滑処理したにも
係らず熱抵抗はほとんど増加しない優れた表面処理であ
ることがわかる。
たものは、処理無しのものに比べ初期の発塵量は非常に
小さくなり、潤滑性が格段に向上したことがわかる。熱
抵抗の測定結果は第６表に示すように潤滑処理したにも
係らず熱抵抗はほとんど増加しない優れた表面処理であ
ることがわかる。
実施例４． 熱伝導用中間ブロツク３を純銅で作成し、これをトリフ
ルオロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で
洗浄し、洗浄後良く乾燥する。
ルオロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で
洗浄し、洗浄後良く乾燥する。
一方、実施例３．と同様にして第５表に示したフツ素化
合物を含有した溶液２を作成する。
合物を含有した溶液２を作成する。
このようにして準備した溶液２に先に洗浄した純銅製の
熱伝導用中間ブロツク３を浸し、その後、溶液から取り
出し、２３０℃−６０分熱処理する。その後、トリフル
オロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗
浄する。
熱伝導用中間ブロツク３を浸し、その後、溶液から取り
出し、２３０℃−６０分熱処理する。その後、トリフル
オロトリクロロエタン溶液を満たした超音波洗浄機で洗
浄する。
完成したバインダー層の膜厚は２５ｎｍ，潤滑膜厚は約
４ｎｍである。こうして得られた純銅製の熱伝導用中間
ブロツク３を冷却構造体に組込、更に純銅製の熱伝導用
中間ブロツク３とＬＳＩ素子との接触面及び伝熱ブロツ
クとの接触面に伝熱グリース（商品名：伝熱グリースＹ
Ｇ６２４０Ｓ、東芝シリコン社製）を介在させた。
４ｎｍである。こうして得られた純銅製の熱伝導用中間
ブロツク３を冷却構造体に組込、更に純銅製の熱伝導用
中間ブロツク３とＬＳＩ素子との接触面及び伝熱ブロツ
クとの接触面に伝熱グリース（商品名：伝熱グリースＹ
Ｇ６２４０Ｓ、東芝シリコン社製）を介在させた。
このようにして作成した冷却構造体の熱抵抗、及び純銅
製の熱伝導用中間ブロツク３表面の腐食状況を観察し
た。腐食観察は純銅製熱伝導用中間ブロツク３表面の変
色の有無で判定した。
製の熱伝導用中間ブロツク３表面の腐食状況を観察し
た。腐食観察は純銅製熱伝導用中間ブロツク３表面の変
色の有無で判定した。
これらの腐食状況の評価に用いた比較材料は、表面処理
をしない熱伝導用中間ブロツク３を用いた。熱抵抗の評
価に用いた比較材料は実施例１の表面処理しない熱伝導
用中間ブロツク３を用いた。
をしない熱伝導用中間ブロツク３を用いた。熱抵抗の評
価に用いた比較材料は実施例１の表面処理しない熱伝導
用中間ブロツク３を用いた。
腐食状況の観察結果を第７表、熱抵抗の測定結果を第８
表に示した。その結果、本発明の表面潤滑処理は、腐食
による純銅製熱伝導用中間ブロツク３の変色は全く見ら
れず、優れた耐食皮膜であることがわかる。また熱抵抗
は純銅製熱伝導用中間ブロツク３と熱伝導グリースを併
用することによつて優れた冷却構造体を形成することが
わかる。
表に示した。その結果、本発明の表面潤滑処理は、腐食
による純銅製熱伝導用中間ブロツク３の変色は全く見ら
れず、優れた耐食皮膜であることがわかる。また熱抵抗
は純銅製熱伝導用中間ブロツク３と熱伝導グリースを併
用することによつて優れた冷却構造体を形成することが
わかる。
〔発明の効果〕 本発明によれば、伝熱部表面にフツ素系の潤滑処理する
ことにより、伝熱特性に優れた半導体実装モジユール及
びそれに用いられる冷却構造体を構成できる。
ことにより、伝熱特性に優れた半導体実装モジユール及
びそれに用いられる冷却構造体を構成できる。
第１図は本発明による半導体実装モジユールの一部断面
図、第２図は、本発明による冷却構造体における半導体
素子の厚さ変化と熱抵抗との関係を示すグラフ、第３図
は、本発明による冷却構造体における半導体素子の傾き
と熱抵抗との関係を示すグラフ、第４図は本発明の冷却
構造体の伝熱体間の摺動特性を測定するために用いられ
た試験装置の概略図、第５図ないし第７図は本発明によ
る冷却構造体の摺動試験の結果を示し、いずれも伝熱体
の往復回数と発塵量との関係を示すグラフである。 １……基板、２……ＬＳＩ素子、３……熱伝導用中間ブ
ロツク、４……接続用はんだボール、５……ばね、６…
…伝熱ブロツク、７……冷却水ユニツト、８……ピン、
１３……薄膜潤滑層。
図、第２図は、本発明による冷却構造体における半導体
素子の厚さ変化と熱抵抗との関係を示すグラフ、第３図
は、本発明による冷却構造体における半導体素子の傾き
と熱抵抗との関係を示すグラフ、第４図は本発明の冷却
構造体の伝熱体間の摺動特性を測定するために用いられ
た試験装置の概略図、第５図ないし第７図は本発明によ
る冷却構造体の摺動試験の結果を示し、いずれも伝熱体
の往復回数と発塵量との関係を示すグラフである。 １……基板、２……ＬＳＩ素子、３……熱伝導用中間ブ
ロツク、４……接続用はんだボール、５……ばね、６…
…伝熱ブロツク、７……冷却水ユニツト、８……ピン、
１３……薄膜潤滑層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 豊 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 小松崎 茂樹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 永沼 義男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 横山 宏 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 中川 雄策 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭56−122148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−91665（ＪＰ，Ａ)
Claims (12)
- 【請求項１】半導体素子と、冷媒によつて冷却される伝
熱ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者
に摺動可能に接触する熱伝導用中間ブロツクとを備えた
半導体実装モジユールにおいて、各伝熱表面に、あるい
はその一部の表面に形成した厚さ５μｍ以下のフツ素系
薄膜潤滑層を有することを特徴とする半導体実装モジユ
ール。 - 【請求項２】半導体素子と、冷媒によつて冷却される伝
熱ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者
に摺動可能に接触する熱伝導用中間ブロツクとを備えた
半導体実装モジユールにおいて、各伝熱表面に、あるい
はその一部の表面に含フツ素化合物を含有した有機薄膜
層を固定したことを特徴とする半導体実装モジユール。 - 【請求項３】半導体素子と、冷媒によつて冷却される伝
熱ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者
に摺動可能に接触する熱伝導用中間ブロツクとを備えた
半導体実装モジユールにおいて、各伝熱表面に、あるい
はその一部の表面に含フツ素化合物を含有した有機薄膜
を設け、しかも該摺動可能な熱伝導用中間ブロツクと伝
熱ブロツク及び半導体素子の間に熱伝導グリースを介し
て伝熱流路を形成したことを特徴とする半導体実装モジ
ユール。 - 【請求項４】前記含フツ素化合物は下記一般式 Ｒf−Ｒ−Ｒ′−Ｓ [式中Ｒｆは、パーフルオロポリオキシアルキル基。Ｒ
は結合基で、アミド基、エステル基、メチロール基のい
ずれかである。Ｒ′はアルキレン基、アミノ置換アルキ
レン基または芳香族置換アルキレン基、Ｓはシラノール
基、]であることを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の半導体実装モジユール。 - 【請求項５】前記含フツ素化合物は下記一般式 [式中ｌは１価または２価を示す。ｍはｌに対応する整
数。Ｚは０または１。ｎは１以上の整数。Ｒf は、パー
フルオロポリオキシアルキル基である。Ｒ1は結合基
で、アミド基、エステル基、メチロール基のいずれかで
ある。Ｒ2は炭素数２〜３のオキシアルキレン基。Ｒ3は
直接結合、エーテル基、カルボニル基、エステル基、ア
ミド基、オキシアルキレン基、又はアルキレン基で繰返
し毎に違つていても良い。]で表されることを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体実装モジ
ユール。 - 【請求項６】前記含フツ素化合物は下記一般式 [式中ｎは１以上の整数。Ｒfは、パーフルオロポリオキ
シアルキル基である。Ｒ1は結合基で、アミド基、エス
テル基、メチロール基のいずれかである。Ｒ3は直接結
合、エーテル基、カルボニル基、エステル基、アミド
基、オキシアルキレン基、又はアルキレン基で繰返し毎
に違つていても良い。]で表されることを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の半導体実装モジユー
ル。 - 【請求項７】該伝熱ブロツクと摺動可能な熱伝導用中間
ブロツクの一方か、あるいは両方が金属材料であること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導
体実装モジユール。 - 【請求項８】有機薄膜は５μｍ以下でありしかも含フツ
素化合物はフルオロポリエーテル鎖とフツ素原子を含ま
ない有機基とを結合してなる化合物であり、フルオロポ
リエーテル鎖が有機薄膜層上に析出しており、フツ素原
子を含まない有機基は有機薄膜内に固定されていること
を特徴とする請求項２記載の半導体実装モジユール。 - 【請求項９】半導体素子と、冷媒によつて冷却される伝
熱ブロツクと、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者
に摺動可能に線接触し両者間の熱伝達をする熱伝導用中
間ブロツクとを備えた半導体実装モジユールにおいて、
各伝熱表面、あるいはその一部の表面に形成されたシラ
ノール基を末端に持つ含フツ素化合物によりなる反応膜
を有することを特徴とする半導体実装モジユール。 - 【請求項１０】冷媒によつて冷却される伝熱ブロツク
と、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者に摺動可能
に接触する熱伝導用中間ブロツクとを備え、各伝熱表面
に、あるいはその一部の表面に形成した厚さ５μｍ以下
のフツ素系薄膜潤滑層を有することを特徴とする半導体
実装モジユール用冷却構造体。 - 【請求項１１】冷媒によつて冷却される伝熱ブロツク
と、該半導体素子と該伝熱ブロツクとの両者に摺動可能
に接触する熱伝導用中間ブロツクとを備え、各伝熱表面
に、あるいはその一部の表面に固定された厚さ５μｍ以
下のフツ素系薄膜潤滑層を有することを特徴とする半導
体実装モジユール用冷却構造体。 - 【請求項１２】有機薄膜は５μｍ以下でありしかも含フ
ツ素化合物はフルオロポリエーテル鎖とフツ素原子を含
まない有機基とを結合してなる化合物であり、フルオロ
ポリエーテル鎖が有機薄膜層上に析出しており、フツ素
原子を含まない有機基は有機薄膜内に固定されているこ
とを特徴とする請求項１０または１１記載の半導体実装
モジユール用冷却構造体。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21135889A JPH0612794B2 (ja) | 1989-08-18 | 1989-08-18 | 半導体実装モジユール及び冷却構造体 |
| EP19900308941 EP0413565B1 (en) | 1989-08-18 | 1990-08-14 | Cooling system for a semiconductor element, semiconductor module including such a system and a thermally conductive member therefor |
| DE1990623188 DE69023188T2 (de) | 1989-08-18 | 1990-08-14 | Kühlsystem für ein Halbleiterelement, Halbleitermodul bestehend aus einem solchen System und ein thermisch leitender Kühlkörper dafür. |
| AU61016/90A AU6101690A (en) | 1989-08-18 | 1990-08-15 | Cooling system for a semiconductor element, semiconductor module including such a system and a thermally conductive member therefor |
| CA 2023359 CA2023359A1 (en) | 1989-08-18 | 1990-08-15 | Cooling system for a semiconductor element, semiconductor module including such a system and a thermally conductive member therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21135889A JPH0612794B2 (ja) | 1989-08-18 | 1989-08-18 | 半導体実装モジユール及び冷却構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0376147A JPH0376147A (ja) | 1991-04-02 |
| JPH0612794B2 true JPH0612794B2 (ja) | 1994-02-16 |
Family
ID=16604648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21135889A Expired - Lifetime JPH0612794B2 (ja) | 1989-08-18 | 1989-08-18 | 半導体実装モジユール及び冷却構造体 |
Country Status (5)
| Country | Link |
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