JPH07106475A - ヒートシンク・アセンブリ - Google Patents

ヒートシンク・アセンブリ

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JPH07106475A
JPH07106475A JP6177507A JP17750794A JPH07106475A JP H07106475 A JPH07106475 A JP H07106475A JP 6177507 A JP6177507 A JP 6177507A JP 17750794 A JP17750794 A JP 17750794A JP H07106475 A JPH07106475 A JP H07106475A
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heat sink
heat
chip
integrated circuit
substrate
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JP6177507A
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Chandrakant Patel
チャンドラカント・パテル
Hannsjoerg Obermaier
ハンスエルク・オーベルマイアー
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Hewlett Packard Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】マルチチップモジュール（ＭＣＭ）上のチップ
によって発生される熱を、チップ等を損傷させることな
く消散することのできるヒートシンク・アセンブリを提
供する。 【構成】本発明の一実施例によれば、基板上にいくつか
の集積回路チップを有するマルチチップモジュール用
の、ばね偏倚されたヒートシンク・アセンブリが提供さ
れる。熱ペーストがヒートシンクとチップとの間の熱的
接合を提供する。ばねが基板の背側を押圧して、シート
シンクに対してチップを押す一定力を維持し、異なる膨
張率などによるチップの横方向移動から生ずる機械的応
力を回避する。偏平フレキシブルケーブルがモジュール
と他の回路とを接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に電子構成要素用ヒ
ートシンクに関し、更に詳細には、マルチチップモジュ
ール基板の一方の側を押圧して基板の他方の側にある集
積回路チップを押し、ヒートシンクと熱接触させるばね
を利用している種類のヒートシンク・アセンブリに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】コンピュータのような最新式電子機器は
数百個の集積回路および他の電子構成要素を備えてお
り、その大部分はプリント回路基板に装着されている。
これら構成要素の多くは正常動作中に熱を発生する。個
別トランジスタまたは小規模集積回路などのように、比
較的大きい、あるいは、その大きさに比較して機能の数
が比較的少い構成部品は、通常それらの熱をヒートシン
ク無しで消散している。このような構成要素の、特にそ
の活性部分と比較して、大きい物理的大きさは、回路基
板上でのそれらの密度を制限するので、ヒートシンクが
必要とされる場合に、それ用の充分な余地が存在する。
したがって、熱を消散するのに援助を必要とする構成要
素はすべてそれ自身のヒートシンクを備えることができ
る。
【０００３】ここで使用するかぎり「ヒートシンク」と
いう語は一般に、電子構成要素に熱的に結合されて構成
要素からの熱を吸収する受動装置、たとえば複数のフィ
ンを有する押出しアルミニウム板、を指す。ヒートシン
クはこの熱を対流により空気中に消散する。
【０００４】電子技術の状態が進歩するにつれて、構成
要素は、それらの数千個を今や一つの集積回路チップに
組合せる程度にまで、ますます小さくなっている。その
他に、構成要素は、コンピュータおよび他の電子装置
の、必要性が増大しつつある計算能力を発揮するよう、
ますます速く動作するようになっている。動作速度が増
大するにつれて、構成要素が消散しなければならない熱
の量が増大する。これらの因子は多数の構成要素にとっ
てそれらの発生する熱を外部ヒートシンクの援助無しで
消散するのを一層困難にしている。同時に、構成要素の
密度の増大は、増大する数の、ヒートシンクを必要とす
る構成要素について個別のヒートシンクを設けることを
実行不能にしている。したがって、多数の構成要素につ
いて一つのヒートシンクを共有することが必要になって
きている。
【０００５】電子回路の速さを増大させる広く利用され
ている方法の一つは接続ワイヤの長さを減らすことであ
る。或る程度、これは各集積回路チップを、多数のチッ
プを次に互いに一つの基板上に装着するために別々のパ
ッケージに収納するという古い慣習を放棄することによ
って行われている。チップおよび基板のこのようなアセ
ンブリは一般にマルチチップモジュール（「ＭＣＭ」）
と言われている。ＭＣＭ上のチップはあまりにも小さ
く、また、通常はＭＣＭ上で互いに非常に近づけて設置
しなければならないので、個別のチップに対して別々の
ヒートシンクを使用することができない。したがって、
ＭＣＭ上のチップにより発生された熱を消散するために
は、単独ヒートシンクを使用しなければならない。
【０００６】一つの形式のＭＣＭでは、各チップは共通
のヒートシンクに、たとえばはんだまたは接着剤によ
り、機械的に固定されている。チップはフレキシブルワ
イヤを介して、たとえばテープ自動化結合（「ＴＡ
Ｂ」）法により基板に接続されている。チップがチップ
とヒートシンクとの膨脹の割合が異なる結果互いに横方
向に移動すれば、フレキシブルワイヤはこの運動を吸収
する。したがって、チップの横方向相対運動はチップま
たはそれらの電気接続のいずれにも重大な機械的応力を
発生させない。
【０００７】フレキシブルワイヤには短所がある。その
ような短所の一つは配線アセンブリが比較的複雑なこと
である。他の短所はワイヤの寄生効果が装置全体が動作
し得る速さを効果的に制限することである。したがっ
て、多数の用途についてチップをはんだバンプを用いて
基板に直接取付けることが必要である。これを「フリッ
プチップ」実装と言う。
【０００８】チップが基板に直接はんだ付けされている
ＭＣＭを冷やす一つの方法はヒートシンクを基板の、チ
ップと反対側に熱的に結合することである。こうすると
熱はチップから、はんだバンプおよび基板を通って、ヒ
ートシンクまで伝わる。この方法はしばしば、特にＭＣ
Ｍが高電力チップを備えている場合、不適当である。
【０００９】単独ヒートシンクをエポキシまたははんだ
の薄層によりＭＣＭのすべてのチップの上に固定するこ
とは最も簡単な方法であるが、高電力回路ではこれは満
足ではなかった。チップと基板との間の電気接続を行う
はんだバンプはＭＣＭの中で最も弱い機械的連結部であ
る。チップをヒートシンクに堅く結合すると、チップと
ヒートシンクとの膨脹係数の相違により、チップおよび
ヒートシンクが温まるにつれて、チップのお互いの横方
向移動が生ずる。この横方向膨脹のためはんだバンプに
機械的応力が発生し、究極的に電気接続が故障すること
になる。その他に、ＭＣＭを保守すること、たとえばチ
ップの一つを取換えること、が必要になった場合、チッ
プに触れ得るようにヒートシンクを取外すことは非常に
困難である。
【００１０】代案はチップを熱ペーストによりヒートシ
ンクに結合することである。この案は、ペーストがチッ
プとヒートシンクとをはんだバンプに応力を発生させず
に互いに横方向に滑らせるので膨脹差の問題を解決す
る。しかし、チップは必らずしも全部が、たとえばチッ
プ自身の厚さが相違するためまたはハンダバンプの高さ
のまたは基板の平坦度の変動のため、基板上同じ高さで
ないことが非常に多い。これら高さの変動を補償するに
は、ペーストの比較的厚い層を使用しなければならな
い。ペーストの熱伝導性は、はんだ程良くはなく、その
結果、高電力チップが関係しているときは、伝熱が不適
当である。
【００１１】ＭＣＭの高電力集積回路チップにより発生
される熱を消散するという問題を解決するのに多数の試
みが行われてきた。例を挙げれば、この問題に対する幾
つかの方法が次の参照文献に説明されている。Darveaux
とTurlikの「Backside Cooling of Flip Chip Devices
in Multichip Modules（マルチチップモジュール内のフ
リップチップ装置の背面冷却）」、ＩＣＭＣＭ Proceed
ings、1992、pp.230-241；1990年5月16日、Turlikその
他の名前で発行されたヨーロッパ特許第ＥＯ 0368 743
Ａ２号の「High Performance Integrated Circuit Chip
Package and Method of Making Same（高性能集積回路
チップパッケージおよびその製造方法）」；1977年7月1
2日、Koopmanに対して発行された米国特許第4,034,468
号；1992年3月10日、Anderson，Jr.その他に対して発行
された米国特許第5,094,769号；およびDarveauxその他
の「Thermal Analysis of a Multichip Package Design
（マルチチップパッケージ設計の熱的解析）」、Journa
l of Electronic Materials、Vol.18、No.2（1989）、p
p.267-274。これら解決法の幾つかは機械的に複雑であ
り、または高価であり、またはＭＣＭを再加工したり保
守したりするのが困難であるかまたは不可能である。こ
れらのおよび他の理由で、従来の方法は問題を適格に解
決していない。
【００１２】これまで述べたことから、限られた物理的
空間にあるＭＣＭのすべての集積回路からの熱を適切に
消散する方法であって、故障につながる可能性のある機
械的応力を発生せずに利用し得る方法の必要性が依然と
して存在することが明らかである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ＭＣ
Ｍ上のチップによって発生される熱を、チップ等を損傷
させることなく消散することのできるヒートシンク・ア
センブリを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、非常に高い電
力のチップが入っているＭＣＭのすべてのチップにより
発生される熱を、ＭＣＭを故障させる可能性のある機械
的応力を発生することなく適格に消散するヒートシンク
・アセンブリを提供する。本発明を具現化するヒートシ
ンク・アセンブリは機械的に簡単で、経済的であり、設
置しやすく、またＭＣＭを保守する必要が生じた場合取
外しやすい。
【００１５】簡潔に且つ一般的に述べれば、本発明によ
るヒートシンク・アセンブリは、ヒートシンク、ＭＣＭ
の集積回路とヒートシンクとの間の熱的境界面となる熱
ペーストまたは類似のもの、およびＭＣＭをヒートシン
クの方に押し、それにより集積回路を、構成要素のどれ
かが熱膨脹または熱収縮することがあっても、実質上変
らない力で、熱的境界面に向って押しつけるばねまたは
他の機械的偏倚源、を備えている。随意選択的にファン
がヒートシンクに装着されてヒートシンクの上の空気の
流動を改善する。
【００１６】好適実施例では基底板がヒートシンクに固
定されている。基底板およびヒートシンクはマルチチッ
プモジュール、熱的境界面、およびばねを納める空洞を
形成している。扁平フレキシブルケーブルが基底板とヒ
ートシンクとの間に張られてマルチチップモジュールと
外部回路との間の電気的連絡を行っている。板ばねが好
適に使用され、基板と基底板との間に拡開力を加えるよ
うに設置され、基板を基底板から向うに、それによりヒ
ートシンクの方に押している。
【００１７】本発明の他の特徴および長所は、例を用い
て本発明の原理を図解する付図に関連して行う、以下の
詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１８】
【実施例】図解の目的で図面に示したとおり、本発明
は、ＭＣＭのすべてのチップにより発生される熱を重大
な機械的応力を生ずることなく消散するヒートシンク・
アセンブリで具現化されている。ＭＣＭのチップにより
発生される熱を消散する種々な方法が試みられてきた
が、それらは膨脹の差から機械的応力を生じ、究極的に
はチップとのはんだ接続の故障を生じている。他の試み
は非常に高価であるかまたは複雑であり、または充分制
限された物理的空間にあるすべてのチップからの熱を適
格には消散しなかった。
【００１９】本発明によるヒートシンク・アセンブリ
は、熱ペーストなどによりＭＣＭのチップに熱的に結合
されているヒートシンク、および熱膨脹に関係なく実質
上変らない力でチップを熱的境界面に向って押圧するば
ねを備えている。このヒートシンク・アセンブリは機械
的に簡単で廉価であり、設置しやすく、ＭＣＭを保守す
るための取外しが極めて容易であり、他の場合にははん
だバンプを故障させる可能性のある機械的応力を防止す
る。本発明は主な用途がＭＣＭの冷却システムにある
が、他の形式の伝熱システムにも同様に良く使用され
る。
【００２０】図１は本発明によるヒートシンク・アセン
ブリの好適実施例を示す。ヒートシンク・アセンブリ
は、基板11、およびはんだバンプなどにより基板に装着
された複数の集積回路チップ13を備えている種類のＭＣ
Ｍ（マルチチップモジュール）との組合せとして示して
ある。ヒートシンク・アセンブリは、ヒートシンク17、
集積回路とヒートシンクとの間に、集積回路からの熱を
ヒートシンクに伝える働きをする、熱ペーストのような
熱的境界面19、および基板をヒートシンクに向って押
し、それにより集積回路を、基板、集積回路、およびヒ
ートシンクのどれかが熱膨脹または熱収縮することがあ
っても実質上変らない力で、熱的境界面に向って押圧す
る機械的偏倚手段（板ばね21として図示してある）、か
ら構成されている。
【００２１】各種熱ペーストが知られており、熱的境界
面19として使用することができる。一般にシリコーンオ
イル中のアルミニウム、窒化アルミニウム、または銀の
ような粒子から成るペーストは比較的良い熱伝導度（1.
6から2.6Ｗ／ｍ−Ｋ）を備えており、良い結果を与える
ことがわかっている。役立つペーストの一つは上述の米
国特許第5,094,769号（Anderson,Jr.その他）に更に説
明されている。
【００２２】随意選択的に、図２に示すようにファン23
がヒートシンク17に取付けられ、空気をヒートシンク上
方を、矢25で示すように流動させてファンが存在しない
場合より大きな割合で熱を運び去るようにする。三菱が
製作する47.4cfmのファンが、125mm×100mmの寸法のヒ
ートシンクと共に使用するとき、満足な結果を与えるこ
とがわかっている。ヒートシンク自身は押出しアルミニ
ウムまたは他の適切な材料から好適に作られる。
【００２３】好適にヒートシンク・アセンブリは基底板
27、および図３に最も良く示すように、基底板をヒート
シンクに固定するねじ29のようなファスナ、を備えてい
る。基底板およびヒートシンクは共に、マルチチップモ
ジュール、熱的境界面、および機械的偏倚手段を収納す
る空洞31を形成している。
【００２４】図示した実施例では、機械的偏倚手段は、
基板と基底板との間に拡開力を加えてそれらを押し離
し、それにより基板をヒートシンクの方に押圧する板ば
ね21から構成されている。ばね21はねじ30または類似の
ものにより基底板27に取付けられている。ばねはばねに
より基板に加えられる力から生ずる基板の変形を最小限
にするよう基板に対して好適な向きになっている。たと
えば、ばねは、幾つかのチップ、特に他のチップより表
面積が大きいチップ、の下に好適に設置されている。特
定の構成に便利なように、他の種類のばねなどを機械的
偏倚手段として使用することができる。
【００２５】枠34により支持されている扁平フレキシブ
ルケーブル33が基底板27とヒートシンク17との間に張ら
れて、マルチチップモジュールと多層プリント回路基板
35のような外部回路との間の電気的連絡を行っている。
図４Ａ、図４Ｂに示すように、ケーブル33ははんだバン
プ37により基板11に接続されている。ケーブル33は金対
金圧力接続３９により回路基板35に接続されている。ケ
ーブルと基板11または回路基板35のいずれかとの間に便
宜に応じて他の接続手段を使用してよいことが明らかで
あろう。
【００２６】Hughes Aircraft Co.,が製造している、特
性インピーダンス50オームのマイクロストリップフレッ
クス回路がケーブル33に適している。電源接続および接
地接続を、必要に応じて、スプリット平面層（図示せ
ず）または他の適切な手段により設けることができる。
【００２７】各種素子の寸法は決定的なものではなく、
必要に応じて、ＭＣＭ上のチップの大きさや数、および
使用している特定の材料の熱伝導度のような因子に従っ
て調節することができる。勿論、最適結果は通常、熱ペ
ーストを可能な限り薄くすることにより得られる。たと
えば、一実施例では熱ペーストの厚さは約0.2mmであ
る。
【００２８】ばねにより加えられる力は、チップがヒー
トシンクに対して横方向に滑り運動できるようにしなが
ら、チップとヒートシンクとの間の熱接触を良好にして
おくのに充分なものとすべきである。力はチップまたは
はんだバンプを損傷する程大きくてはならない。力は、
たとえば、ばねの材質および形状を適切に選定すること
により制御される。一実施例では満足な結果は、ばねを
はんだバンプあたり約0.3ニュートンの力を加えるよう
に設計することにより得られている。
【００２９】本発明の一定の実施例を説明し且つ図解し
てきたが、本発明はそのように説明し且つ図解した特定
の形態および部品の配列に限定されるものではなく、種
々の修正および変更を本発明の範囲および精神から逸脱
することなく行うことができる。
【００３０】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施例毎に列挙する。
【実施例１】基板および基板に装着された複数の集積回
路を備えている種類のマルチチップモジュールに使用す
るヒートシンク・アセンブリにおいて、ヒートシンク、
集積回路からヒートシンクに熱を伝える働きをする、集
積回路とヒートシンクとの間の熱的境界面、および基板
をヒートシンクの方に押し、それにより集積回路を、基
板、集積回路、およびヒートシンクのどれかが熱膨脹ま
たは熱収縮することがあっても実質上変らない力で、熱
的境界面に向って押し付けるよう動作する機械的備荷手
段、から構成されているヒートシンク・アセンブリ。
【実施例２】熱的境界面は熱ペーストから構成されてい
る実施例１に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【実施例３】熱ペーストはシリコーンオイルと、銀、ア
ルミニウム、および窒化アルミニウムから成るグループ
から選択された粒子との混合物から構成されている実施
例２に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【実施例４】機械的偏倚手段はばねから構成されている
実施例１に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【実施例５】更に、ヒートシンクに装着され、空気をヒ
ートシンク上方を流動させて熱を運び去るように動作す
るファンを備えている実施例１に記載のヒートシンク・
アセンブリ。
【実施例６】更に、基底板および基底板をヒートシンク
に固定するファスナを備えており、基底板およびヒート
シンクはそれらの間に、マルチチップモジュール、熱的
インターフェース、および機械的偏倚手段を納める空洞
を形成している実施例１に記載のヒートシンク・アセン
ブリ。
【実施例７】更に、基底板とヒートシンクとの間に接続
され、マルチチップモジュールと外部回路との間の電気
的連絡を行う扁平フレキシブルケーブルを備えている実
施例６に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【実施例８】機械的偏倚手段は基板と基底板との間に拡
開力を加えるよう動作する板ばねから構成されている実
施例６に記載のヒートシンク・アセンブリ。
【００３１】
【発明の効果】これまで述べたことから、本発明により
提供されるヒートシンク・アセンブリはＭＣＭのチップ
とヒートシンクとの間に効率の良い熱伝導経路を作るこ
とが認められよう。ヒートシンク・アセンブリは、機械
的に簡単で、組立てやすく、またＭＣＭを保守する必要
が生じた場合に非常に取外しやすい。チップの互いに対
する横方向運動から生ずる機械的応力は、膨脹の差によ
り生ずるものを含めて、実質上排除されており、チップ
と基板との間のはんだバンプ電気接続を早過ぎる故障か
ら保護している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヒートシンク・アセンブリの断面
図である。
【図２】図１に示すものと同様で且つヒートシンクにフ
ァンが取付けられているヒートシンク・アセンブリの斜
視図である。
【図３】図１に示すものと同様のヒートシンク・アセン
ブリの破断図である。
【図４Ａ】図１に示すものと同様のヒートシンク・アセ
ンブリにおける、基板と外部回路との間の電気接続を示
す図である。
【図４Ｂ】図４Ａにおける点線円部の拡大図である。
【符号の説明】
11：基板 13：集積回路チップ 17：ヒートシンク 19：熱的境界面 21：板ばね 23：ファン 27：基底板 29、30：小ねじ 31：空洞 33：ケーブル 34：枠 35：回路基板 39：圧力接続

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板および該基板に装着された複数の集積
    回路を備えたマルチチップモジュールに使用するヒート
    シンク・アセンブリであって、 ヒートシンクと、 該ヒートシンクと前記集積回路との間に配置され、前記
    集積回路から前記ヒートシンクに熱を伝える働きをする
    熱的境界部と、 前記基板を前記ヒートシンクに向けて押圧する機械的偏
    倚手段と、 を備えて成るヒートシンク・アセンブリ。
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