JPH0617312Y2 - Semiconductor device cooling structure - Google Patents

Semiconductor device cooling structure

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JPH0617312Y2
JPH0617312Y2 JP500888U JP500888U JPH0617312Y2 JP H0617312 Y2 JPH0617312 Y2 JP H0617312Y2 JP 500888 U JP500888 U JP 500888U JP 500888 U JP500888 U JP 500888U JP H0617312 Y2 JPH0617312 Y2 JP H0617312Y2
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damper
flange
cooling
lsi
cooling structure
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浩三 清水
茂樹 岡本
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Fujitsu Ltd
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【考案の詳細な説明】 〔概要〕 LSIモジュールを冷却する冷却構造に関し、 冷却構造の信頼性を向上することを目的とし、 多層セラミック基板上に複数個のLSIを搭載し、該多層
セラミック基板の裏面に該LSIと回路接続する複数のリ
ードピンを突出して形成されるLSIモジュールの周辺に
メタライズ処理を施した後、該LSIモジュールのメタラ
イズ層と、プレートとダンパとを溶接して形成したフラ
ンジのダンパ水平部とを高温半田を用いて熔着した後、
該フランジをOリングを介して冷却容器の底部にネジ止
めして密封容器を作り、該密封容器中に冷媒を封入して
なる冷却構造において、前記LSIモジュールを冷却容器
に固定するフランジのダンパが従来よりも厚さの薄いダ
ンパ垂直部と従来よりも厚いダンパ水平部とを熔着して
半導体装置の冷却構造を構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Overview] Regarding a cooling structure for cooling an LSI module, a plurality of LSIs are mounted on a multilayer ceramic substrate for the purpose of improving the reliability of the cooling structure. After a metallizing process is applied to the periphery of an LSI module formed by projecting a plurality of lead pins for circuit connection with the LSI on the back surface, a metallized layer of the LSI module and a damper of a flange formed by welding a plate and a damper. After welding the horizontal part with high temperature solder,
In a cooling structure in which the flange is screwed to the bottom of the cooling container via an O-ring to form a sealed container, and a refrigerant is enclosed in the sealed container, a damper of a flange for fixing the LSI module to the cooling container is provided. A cooling structure for a semiconductor device is configured by welding a damper vertical portion having a smaller thickness than conventional and a damper horizontal portion thicker than conventional.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本考案は信頼性を向上した半導体装置の冷却構造に関す
る。
The present invention relates to a semiconductor device cooling structure having improved reliability.

大量の情報を迅速に処理するため、情報処理装置の主体
を占める半導体装置は単位素子の小形化による集積化が
進んで、LSIやVLSIが実用化されている。
In order to process a large amount of information quickly, semiconductor devices, which are the main components of information processing devices, have been integrated by miniaturization of unit elements, and LSIs and VLSIs have been put to practical use.

また、パッケージング方法も改良され、従来は半導体ッ
プ毎にハーメチック・シール・パッケージに格納し、こ
れをプリント配線基板に装着する方法がとられていた
が、パッシベーション技術の進歩と共に多数の半導体チ
ップをセラミック多層配線基板に密に搭載してLSIモジ
ュールを作り、これを取替え単位として配線基板に搭載
する形態がとられつゝある。
In addition, the packaging method has also been improved. Conventionally, each semiconductor chip was stored in a hermetically sealed package and mounted on a printed wiring board, but with the progress of passivation technology, many semiconductor chips have been adopted. There is a form in which an LSI module is densely mounted on a ceramic multilayer wiring board, and this is mounted on the wiring board as a replacement unit.

かゝるLSIモジュールは使用中における電力消費が大き
いために発熱量が著しく、従来の強制空冷構造では半導
体チップの発熱量を最高使用温度である85℃以内に保
持することはもはや不可能になった。
Since such an LSI module consumes a large amount of power during use, it generates a large amount of heat. With the conventional forced air cooling structure, it is no longer possible to keep the amount of heat generated by a semiconductor chip within the maximum operating temperature of 85 ° C. It was

以上のことから半導体装置の冷却方法は従来の強制空冷
に代わって液冷構造が必要になった。
From the above, a liquid cooling structure is required for the semiconductor device cooling method in place of the conventional forced air cooling.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第3図は半導体装置の冷却構造を示す断面図であって、
LSIモジュール1は先に記したように多層セラミック基
板2の上面に複数のLSI3を、また下面には複数のリー
ドピン4を備えて構成されており、下面周辺をフランジ
5のダンパ6と高融点半田を用いて熔着してある。
FIG. 3 is a sectional view showing a cooling structure of a semiconductor device,
As described above, the LSI module 1 is configured to include a plurality of LSIs 3 on the upper surface of the multilayer ceramic substrate 2 and a plurality of lead pins 4 on the lower surface, and the damper 6 of the flange 5 and the high melting point solder on the periphery of the lower surface. It is welded using.

そして、フランジ5はOリング7を介して冷却容器8に
ネジ9を用いて圧接されている。
The flange 5 is pressed against the cooling container 8 via the O-ring 7 with the screw 9.

次に、冷却容器8の中には冷媒10が封入されており、二
重蓋構造をとる冷却容器8には冷却水11が循環して冷媒
10を冷却するよう構成されている。
Next, a cooling medium 10 is enclosed in the cooling container 8, and cooling water 11 circulates in the cooling container 8 having a double lid structure to cool the cooling medium 8.
Configured to cool 10.

このような冷却構造の動作としては、LSIモジュール1
は図示を省略したソケットにリードピン4を挿入するこ
とにより外部回路との接続が行われて使用されている
が、発熱により温度上昇したLSI3は冷媒10により冷や
されるものゝ、やがて冷媒10は加熱されてLSI3の接触
界面から沸騰が始まるようになる。
The operation of such a cooling structure includes the LSI module 1
Is used by connecting it to an external circuit by inserting the lead pin 4 into a socket (not shown), but the LSI 3 whose temperature has risen due to heat generation is cooled by the refrigerant 10, and the refrigerant 10 is eventually heated. Then, boiling starts from the contact interface of LSI3.

そして、沸騰した冷媒10のガスは冷媒10と冷却容器8と
の空隙部12に充満するが、冷却容器8が冷却水で冷やさ
れているために次第に液化して冷媒10の中に滴下して蒸
発・液化を繰り返し、蒸発潜熱によりLSI3の液冷が続
くことになる。
Then, the gas of the boiling refrigerant 10 fills the space 12 between the refrigerant 10 and the cooling container 8, but since the cooling container 8 is cooled by the cooling water, it gradually liquefies and drops into the refrigerant 10. Evaporation and liquefaction are repeated, and liquid cooling of LSI 3 continues due to the latent heat of vaporization.

LSIモジュール3の液冷はこのようにして行われるが、
そのためにはフランジ5とLSIモジュール1との接合が
完全に行われていて液漏れなどがないことが必要であ
る。
Liquid cooling of the LSI module 3 is performed in this way,
For that purpose, it is necessary that the flange 5 and the LSI module 1 are completely joined and that no liquid leaks.

第2図は従来のフランジ5とLSIモジュール1との接合
状態を示す部分拡大図であり、フランジ5は肉厚のプレ
ート14と断面がL字形をしたダンパ6とをレーザ溶接し
て形成されており、ダンパ6の水平部と多層セラミック
基板2のメタライズ層15とを高温半田で16で熔着する方
法がとられていた。
FIG. 2 is a partially enlarged view showing a joint state of the conventional flange 5 and the LSI module 1. The flange 5 is formed by laser welding a thick plate 14 and a damper 6 having an L-shaped cross section. Therefore, a method of welding the horizontal portion of the damper 6 and the metallized layer 15 of the multilayer ceramic substrate 2 with high-temperature solder 16 is used.

然し、ダンパ6は厚さが0.4mm程度と薄いために、 断面がL字形にプレス成形する際に充分な平面度が得
にくゝ、多層セラミック基板2と接合する場合に気密性
の良い半田接合が困難である。
However, since the damper 6 has a thin thickness of about 0.4 mm, it is difficult to obtain sufficient flatness when press-molding it into an L-shaped cross section, and a solder with good airtightness when joined to the multilayer ceramic substrate 2. Difficult to join.

フランジ5のプレート14をOリング7を介して冷却容
器8に締めつけた際に生ずる応力によりダンパ6が変形
し、多層セラミック基板2との接合部が破壊し易い。
The damper 6 is deformed by the stress generated when the plate 14 of the flange 5 is fastened to the cooling container 8 via the O-ring 7, and the joint with the multilayer ceramic substrate 2 is easily broken.

などの問題があり、解決が必要であった。There was such a problem, and it was necessary to solve it.

〔考案が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

以上記したようにプレス成形によりダンパを作る際に、
充分な平面度が得られないこと、また、フランジを冷却
容器にネジにより締めつけ固定する際に生ずる応力によ
り多層セラミック基板との接合部が破壊するが問題であ
った。
As mentioned above, when making the damper by press molding,
There is a problem that sufficient flatness cannot be obtained and that the joint portion with the multilayer ceramic substrate is broken by the stress generated when the flange is screwed and fixed to the cooling container.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記の問題は多層セラミック基板上に複数個のLSIを搭
載し、該多層セラミック基板の裏面に該LSIと回路接続
する複数のリードピンを突出して形成されるLSIモジュ
ールの周辺にメタライズ処理を施した後、該LSIモジュ
ールのメタライズ層と、プレートとダンパとを溶接して
形成したフランジのダンバ水平部とを高温半田を用いて
熔着した後、該フランジをOリングを介して冷却容器の
底部にネジ止めして密封容器を作り、該密封容器中に冷
媒を封入してなる冷却構造において、前記LSIモジュー
ルを冷却容器に固定するフランジのダンパが従来よりも
厚さの薄いダンパ垂直部と従来よりも厚いダンパ水平部
とを熔着して形成する半導体装置の冷却構造の採用によ
り解決することが可能となる。
The above problem is that after mounting a plurality of LSIs on a multilayer ceramic substrate and projecting a plurality of lead pins for circuit connection with the LSI on the back surface of the multilayer ceramic substrate, the periphery of the LSI module is metalized. After welding the metallized layer of the LSI module and the horizontal part of the flange of the flange formed by welding the plate and the damper using high temperature solder, the flange is screwed to the bottom of the cooling container via the O-ring. In a cooling structure in which a sealed container is stopped and a refrigerant is enclosed in the sealed container, a damper of a flange for fixing the LSI module to the cooling container has a thinner vertical portion and a damper vertical portion than the conventional one. This can be solved by adopting a cooling structure for a semiconductor device, which is formed by welding a thick damper horizontal portion.

〔作用〕[Action]

従来の構造は厚さの薄いダンパを使用することによりフ
ランジを冷却容器に固定する際に生ずる応力を吸収する
ものであった。
The conventional structure absorbs the stress generated when fixing the flange to the cooling container by using a damper having a small thickness.

然し、ダンパの厚さを薄くするとプレス成形する場合の
平面度が低下して多層セラミック基板との接合度が低下
することから中途半端となり、そのため0.4mm程度の厚
さのものが使用されているが、上記のような問題を生じ
ていた。
However, if the thickness of the damper is reduced, the flatness of the press molding will decrease and the degree of bonding with the multilayer ceramic substrate will decrease, so it will be halfway, so a thickness of about 0.4 mm is used. However, the above-mentioned problems occurred.

さて、第3図に示す冷却構造においては、フランジ5を
冷却容器8に締めつけ固定する際に発生する応力の他に
冷却容器8と多層セラミック基板2との熱膨張係数の差
により発生する応力があり、これらは総てフランジ5の
ダンパ6で吸収する必要がある。
Now, in the cooling structure shown in FIG. 3, in addition to the stress generated when the flange 5 is fastened and fixed to the cooling container 8, the stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient between the cooling container 8 and the multilayer ceramic substrate 2 is Yes, these must all be absorbed by the damper 6 of the flange 5.

すなわち、冷却容器としては軽量化の見地からアルミニ
ウム(Al)合金を使用することが多いが、このAl合
金の熱膨張係数は23×10-6/K程度であるのに対してガラ
スセラミック基板の熱膨張係数は4.0×10-6/Kと大きく
異なっている。
That is, from the viewpoint of weight reduction, an aluminum (Al) alloy is often used as the cooling container, but the thermal expansion coefficient of this Al alloy is about 23 × 10 −6 / K, while that of the glass ceramic substrate The coefficient of thermal expansion is very different, 4.0 × 10 -6 / K.

そこで、本考案は第1図に示すようにプレス成形により
作る従来のダンパに替えてダンパ垂直部18とダンパ水平
部19とを熔着して使用するものである。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 1, a damper vertical portion 18 and a damper horizontal portion 19 are welded and used instead of the conventional damper made by press molding.

そして、ダンパ垂直部18は従来よりも厚さを薄くして充
分に応力を吸収できるようにし、またダンパ水平部19は
従来よりも厚い材料を使用して充分な平面度をもつよう
にした。
Further, the damper vertical portion 18 is made thinner than before so that the stress can be sufficiently absorbed, and the damper horizontal portion 19 is made of a material thicker than before so as to have sufficient flatness.

このようにすることにより従来の問題点を解決すること
ができる。
By doing so, the conventional problems can be solved.

〔実施例〕〔Example〕

第1図に示すフランジ5を構成するプレート14,ダンパ
垂直部18およびダンパ水平部19の材料としては42アロイ
(Fe-42%Ni)を使用し、ダンパ垂直部18には0.3mmの材料
を、またダンパ水平部19には3.0mmと厚いものを使用し
た。
As a material of the plate 14, the damper vertical portion 18 and the damper horizontal portion 19 which constitute the flange 5 shown in FIG. 1, 42 alloy is used.
(Fe-42% Ni) was used, the damper vertical portion 18 was made of a material having a thickness of 0.3 mm, and the horizontal damper portion 19 was made of a material having a large thickness of 3.0 mm.

そして、プレート14とダンパ垂直部18、またダンパ垂直
部18とダンパ水平部19との熔着にはレーザ溶接を使用
し、治具により両者を隙間がないように密着させ、アル
ゴン(Ar)雰囲気の中で、パルスYAGレーザ溶接機を使用
し、パルス幅3〜4ms,パルス速度60pps,平均出力300
W,溶接速度8.4mm/sの条件で溶接を行った。
Then, laser welding is used to weld the plate 14 and the damper vertical portion 18, and the damper vertical portion 18 and the damper horizontal portion 19, and the two are adhered to each other with a jig so that there is no gap, and an argon (Ar) atmosphere is used. Among them, using pulse YAG laser welding machine, pulse width 3-4ms, pulse speed 60pps, average output 300
Welding was performed under the conditions of W and welding speed of 8.4 mm / s.

そして、従来のように多層セラミック基板2に周辺に設
けてあるメタライズ層15と高温半田16を使用して半田づ
けを行った後、Oリング7を介して冷却容器8とネジに
より圧着固定して冷却構造体を完成させた。
Then, as in the conventional case, the high temperature solder 16 and the metallized layer 15 provided on the periphery of the multilayer ceramic substrate 2 are used for soldering, and then the Ov ring 7 and the cooling container 8 are pressure-bonded and fixed. The cooling structure was completed.

このようにして形成した冷却構造体について、−50〜12
5℃の熱衝撃試験を繰り返し行った後、気密性試験を行
ったが1×10-8atm・cc/s以下の気密性を示し、ダンパ水
平部19と多層セラミック基板2との密着性が良く、また
ダンパ垂直部18が充分に応力を吸収していることが証明
することができた。
Regarding the cooling structure formed in this way, -50 to 12
After repeating the thermal shock test at 5 ° C, the airtightness test was performed. The airtightness was 1 × 10 -8 atm · cc / s or less, and the adhesion between the damper horizontal portion 19 and the multilayer ceramic substrate 2 was It was also possible to prove that the damper vertical portion 18 sufficiently absorbs the stress.

〔考案の効果〕[Effect of device]

以上記したように本考案の実施によりLSIモジュールを
冷却して使用する半導体装置の冷却構造について、信頼
性を向上することができる。
As described above, by implementing the present invention, it is possible to improve the reliability of the cooling structure of the semiconductor device in which the LSI module is cooled and used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本考案に係るフランジを備えた冷却構造の部分
拡大図、 第2図はLSIモジュールとフランジとの接合部の部分拡
大図、 第3図は半導体装置の冷却構造を示す断面図、である。 図において、 1はLSIモジュール、 2は多層セラミック基板、 3はLSI、5はフランジ、 6はダンパ、7はOリング、 8は冷却容器、9はネジ、 14はプレート、15はメタライズ層、 16は高温半田、18はダンパ垂直部、 19はダンパ水平部、 である。
1 is a partially enlarged view of a cooling structure having a flange according to the present invention, FIG. 2 is a partially enlarged view of a joint portion between an LSI module and a flange, and FIG. 3 is a sectional view showing a cooling structure of a semiconductor device, Is. In the figure, 1 is an LSI module, 2 is a multilayer ceramic substrate, 3 is an LSI, 5 is a flange, 6 is a damper, 7 is an O-ring, 8 is a cooling container, 9 is a screw, 14 is a plate, 15 is a metallized layer, 16 Is high temperature solder, 18 is a vertical part of the damper, and 19 is a horizontal part of the damper.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】多層セラミック基板(2)の上に複数個の
LSI(3)を搭載し、該多層セラミック基板(2)の裏
面に該LSI(3)と回路接続する複数のリードピン
(4)を突出して形成されるLSIモジュール(1)の周
辺にメタライズ処理を施した後、該LSIモジュール
(1)のメタライズ層(15)と、 プレート(14)とダンパ(6)とを溶接して形成したフラ
ンジ(5)のダンパ水平部(19)とを高温半田(16)を用い
て熔着した後、該フランジ(5)をOリング(7)を介
して冷却容器(8)の底部にネジ止めして密封容器を作
り、該密封容器中に冷媒(10)を封入してなる冷却構造に
おいて、 前記LSIモジュール(1)を冷却容器(8)に固定する
フランジ(5)のダンパ(6)が従来のダンパに較べて
厚さの薄いダンパ垂直部(18)と従来のダンパに較べて厚
さの厚いダンパ水平部(19)とを熔着してなることを特徴
とする半導体装置の冷却構造。
1. A plurality of layers are provided on a multilayer ceramic substrate (2).
A metallization process is performed around the LSI module (1) formed by mounting the LSI (3) and projecting a plurality of lead pins (4) on the back surface of the multilayer ceramic substrate (2) for circuit connection with the LSI (3). After the application, the metallized layer (15) of the LSI module (1) and the damper horizontal portion (19) of the flange (5) formed by welding the plate (14) and the damper (6) together with high temperature solder ( After fusing with the use of 16), the flange (5) is screwed to the bottom of the cooling container (8) through the O-ring (7) to make a sealed container, and the refrigerant (10) is placed in the sealed container. In a cooling structure in which the damper module (6) of the flange (5) for fixing the LSI module (1) to the cooling container (8) is thinner than the conventional damper, the damper vertical portion (18) is enclosed. It is characterized in that the damper horizontal part (19), which is thicker than the conventional damper, is welded. Cooling structure of the conductor device.
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JPH01110443U JPH01110443U (en) 1989-07-26
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