JPH0786471A - 半導体モジュ−ル - Google Patents

半導体モジュ−ル

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JPH0786471A
JPH0786471A JP5232796A JP23279693A JPH0786471A JP H0786471 A JPH0786471 A JP H0786471A JP 5232796 A JP5232796 A JP 5232796A JP 23279693 A JP23279693 A JP 23279693A JP H0786471 A JPH0786471 A JP H0786471A
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JP
Japan
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housing
heat
semiconductor device
conducting member
circuit board
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JP5232796A
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Noriyuki Ashiwake
範之 芦分
Takahiro Oguro
崇弘 大黒
Kenichi Kasai
憲一 笠井
Keizo Kawamura
圭三 川村
Hideyuki Kimura
秀行 木村
Atsuo Nishihara
淳夫 西原
Toshio Hatada
敏夫 畑田
Toshiyoshi Iino
利喜 飯野
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4338—Pistons, e.g. spring-loaded members
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、熱変形の吸収能力が高くする
とともに放熱性に優れ、かつ保守作業が容易な構造の半
導体モジュ−ルを提供することに有る。 【構成】半導体デバイス３またはハウジング７内壁との
間に接触面を有し、かつ互いに対向する伝熱面を持つ熱
伝導体を設けるとともにハウジング７に放熱手段を一体
に形成した構造の半導体モジュ−ル。 【効果】高発熱密度化に伴う第熱変形を吸収すると同時
に、半導体デバイスからの熱を効率良く放熱することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は発熱密度の高い電子装置
に用いられる半導体モジュ−ルに係り、特に大形汎用コ
ンピュ−タおよびス−パ−コンピュ−タに電子装置に用
いるのに好適な半導体モジュ−ル関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスとハウジングとの間に柔
軟性を有する熱伝導体を設け、半導体デバイスから発生
する熱を、熱伝導体を介してハウジングに伝えて冷却す
る構造のモジュ−ルとしては、例えば米国特許５００５
６３８号明細書において開示されているものがある。こ
の従来例においては、ハウジングに個々のチップに対応
する位置に円筒状の孔が設けられ、個々の孔にピストン
状の熱伝導体をはめこみ、この熱伝導体の先端をばねに
より、半導体チップに接触させ、チップの発熱をハウジ
ングに伝えるようになっている。また、ハウジングには
冷却水を通す水冷ジャケットが取り付けられており、ハ
ウジングと水冷ジャケットは別体の構成となっている。
【０００３】又、他の従来例としては、特開昭６０−１
２６８５３号公報に記載されているように、熱伝導体と
して平板フィンを互いに組み合わせる構造のものが開示
されている。この場合にも、熱伝導体は、ばねにより半
導体チップ面に押しつけられているが、ハウジングそれ
自体は放熱手段をもたず、別体の水ジャケット等を取り
付ける構造となっている。
【０００４】又、特開昭６１−２３１７４４号公報に
は、熱伝導体を半導体チップ面およびハウジング内壁の
双方にばねにより接触させる構造のものが開示されてい
る。この従来例においてもハウジング自体は放熱手段を
もたず、別体の水冷ジャケット等を取り付ける構成とな
っている。
【０００５】又、特公昭６１−３２８１９号公報には、
平板フィンを互いに組み合わせた熱伝導体を半導体チッ
プおよびハウジング内壁に固着する構造のものが開示さ
れている。この従来例においてもハウジング自体は放熱
手段をもたず、別体の水冷ジャケットを取り付ける構造
になっている。
【０００６】他方、米国特許４８００９５６号明細書に
は、平板フィンを互いに組み合わせた熱伝導体を半導体
チップおよびハウジングの内壁に固着し、ハウジングに
水冷ジャケットを一体に形成する構造のものが開示され
ている。
【０００７】又、特開平２−１００３５１号公報には、
ハウジングと水冷ジャケットを一体に形成し、ハウジン
グ内壁と半導体デバイス表面との間に生じる間隙に熱伝
導性のグリ−スを充填する構造のものが開示されてい
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】回路基板上に搭載され
た半導体デバイスを冷却するために、前述した柔軟性を
有する熱伝導体が用いられるのは次のような理由によ
る。
【０００９】一般に、回路基板上に搭載された半導体デ
バイスの表面は、同一平面上にはなく、組み立て精度に
起因する高さや傾きのばらつきが生じる。これらは半導
体デバイスが休止状態にあるときの静的な変位であり、
半導体デバイスが作動状態にあるときでは、発生する熱
による温度分布が生じるため熱変形が生じるという動的
な変位が生じ、これらの高さや傾きのばらつきは、作動
状態と休止状態では異なった値となる。このような組み
立て精度や熱変形による静的及び動的な変位を吸収しつ
つ半導体デバイスの発生熱をハウジングに伝えるのが柔
軟熱伝導体の機能である。
【００１０】又、上記した柔軟熱伝導体と同じ機能をも
つ代替え技術として熱伝導グリ−スを用いるものがあ
る。従来の半導体モジュ−ルでは、回路基板面積当りの
発熱密度は、約１０Ｗ／ｃｍ2程度であり、静的な変位
が支配的であったため、前述の従来技術で充分対応可能
であった。しかしながら、半導体モジュ−ルの発熱密度
は年々増加の一途をたどっており、近い将来には回路基
板面積当りの発熱密度が５０〜１００Ｗ／ｃｍ2に達す
ると予想されている。
【００１１】このような高発熱密度のモジュ−ルでは、
従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発熱密度のモジュ−ルでは
さほど問題にならなかった次の点が極めて重要になる。
【００１２】その１つはモジュ−ルの熱変形、即ち動的
変位の問題である。一般に、厚さ方向の熱変形の大きさ
は、温度勾配、即ち発熱密度に比例すると考えられる。
従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発熱密度では厚さ方向の熱
変形の大きさは、数ミクロン程度であり、例えば特開平
２−１００３５１号公報に記載されているような熱伝導
グリ−ス層によっても充分に吸収することが可能であっ
た。しかしながら発熱密度が５倍から１０倍と高くなっ
てくると、厚さ方向の熱変形の大きさは数１０ミクロン
に達すると予想される。一方、熱抵抗の点から許容でき
るグリ−ス層の厚さは数１０ミクロン程度である。この
数１０ミクロン程度のグリ−ス層で、前述の数１０ミク
ロンの厚さ方向の動的変位を吸収することは極めて困難
である。
【００１３】この点から、大発熱量の半導体デバイスを
用いる高発熱密度のモジュ−ルでは、熱伝導体として特
開平２−１００３５１号公報に記載されているような、
単純なグリ−ス層を用いることは困難であり、グリ−ス
層よりも厚さ方向の動的変位吸収能力が大きく、かつ熱
抵抗の小さい熱伝導体が不可欠になる。
【００１４】米国特許５００５６３８号明細書、特開昭
６０−１２６８５３号公報、特開昭６１−２３１７４４
号公報、および特公昭６１−３２８１９号公報に開示さ
れている対向する伝熱面を有する構造の熱伝導体は、こ
のような要求に答えるポテンシャルを持つ構造であると
考えられる。しかしながら、これらの従来技術において
も、モジュ−ルの高発熱密度化に伴う厚さ方向の動的変
位の問題に対する配慮は充分されていない。これらの従
来の構造においては、ハウジング自体は放熱手段を持た
ず、ハウジングにハウジングとは別体の放熱器（例えば
水冷ジャケット）を取り付ける構造になっている。ハウ
ジングと放熱器を別体にすることの利点は、加工が容易
になることと、半導体装置に組み込まれたモジュ−ルを
交換する必要が生じた場合に、放熱器とモジュ−ルとを
切り離して、モジュ−ルのみを交換することができるこ
との２点つである。
【００１５】従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発熱密度のモ
ジュ−ルでは、この利点を充分に利用することができ
た。その理由は、上述したように従来の発熱密度では動
的変位は小さく、基板上の半導体デバイスの高さや傾き
等の静的変位が支配的であったからである。しかし、５
０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高発熱密度モジュ−ルでは厚
さ方向の動的変位が大きくなるために、ハウジング自身
も動的に変形し、水冷ジャケット等の放熱器との密着性
を保つことが難しくなる。
【００１６】このように５０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高
発熱密度モジュ−ルでは、厚さ方向の動的変位が大きく
なる点は、従来構造では配慮されていなかった新たな課
題であり、５０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高発熱密度で
は、局所的に密着の悪い部分が生じる可能性が大きく、
その部分の熱抵抗が許容できないものになる。従って、
ハウジングと水冷ジャケット等の放熱器との接触面を全
面にわたってかなり細かいピッチでボルト等で締結する
ことが必要になり、このためにハウジング厚さもある程
度厚くしなければならない。このことは、５０〜１００
Ｗ／ｃｍ2級の高発熱密度モジュ−ルに必要な低熱抵抗
を達成する上で、極めて重大な問題となる。熱伝導を利
用して冷却する構造のモジュ−ルでは、熱抵抗を低下さ
せるためには、半導体デバイスから放熱器に至るまでの
熱伝導経路の長さを短縮すること、及び充分な伝熱面積
を確保することが最も重要である。
【００１７】しかるに、ハウジングの厚さを厚くするこ
とは熱伝導経路の長さが長くなることを意味し、多数の
ボルトを用いることは伝熱面積を減少させることにつな
がる。従って、米国特許５００５６３８号明細書、特開
昭６０−１２６８５３号公報、特開昭６１−２３１７４
４号公報、及び特公昭６１−３２８１９号公報に開示さ
れている従来技術では、５０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高
発熱密度モジュ−ルの冷却は困難であると考えられる。
【００１８】他方、米国特許４８００９５６号明細書に
は、平板フィンを互いに組み合わせた熱伝導体を半導体
チップおよびハウジングの内壁に固着し、ハウジングに
水冷ジャケットを一体に形成する構造が開示されてい
る。この構造を５０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高発熱密度
モジュ−ルに適用した場合、前述のように厚さ方向の動
的変位は吸収可能であると考えられる。しかしながら、
この構造においてもやはり熱変形に起因する動的変位の
問題に対する配慮が充分にはなされていない。
【００１９】すなわち、大形コンピュ−タ等の半導体装
置の実装密度の増大に伴って半導体モジュ−ルは大面積
化してきている。このような大面積モジュ−ルでは、面
方向の熱変形、即ち動的変位が大きくなる。米国特許４
８００９５６号明細書に開示されている構造では、熱伝
導体が半導体チップとハウジング内壁の双方に固着され
ているために、面方向の動的変位は対向しているフィン
間の間隙によって吸収せざるを得ない。従って、面方向
の動的変位が大きくなるにつれ、フィン間の間隙を大き
くとることが必要になる。このことは、５０〜１００Ｗ
／ｃｍ2級の高発熱密度モジュ−ルに必要な低い熱抵抗
を達成する上で、極めて重大な問題となる。対向する伝
熱面を有する熱伝導体の熱抵抗を下げるためには、伝熱
面間の間隙を小さくすることが最も重要であるからであ
る。従って、米国特許４８００９５６号明細書に開示さ
れている構造では熱抵抗を低化させるには限界がある。
【００２０】以上で述べたように、従来技術では、将来
の大面積、高発熱密度のモジュ−ルにおいて予想される
大きな動的変位の問題への配慮が充分になされていな
い。
【００２１】従来の技術において充分な配慮がなされて
いなく、将来の５０〜１００Ｗ／ｃｍ2の高発熱密度モ
ジュ−ルでは極めて重要になると予想されるにもかかわ
らず、従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発熱密度のモジュ−
ルにおいてはさほど問題にならなかった他の１つは、接
触熱抵抗の問題である。
【００２２】すなわち、従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発
熱密度のモジュ−ルでは、半導体デバイスから放熱器に
至るまでの熱抵抗をそれほど小さくしなくてもすむた
め、半導体デバイスと熱伝導部材間の接触熱抵抗や熱伝
導部材とハウジング内壁との間の接触熱抵抗はそれほど
問題にはならなかった。
【００２３】例えば、米国特許５００５６３８号明細書
や特開昭６０−１２６８５３号公報に開示されている構
造では、半導体チップ面と第１の熱伝導部材とが接触
し、第２の熱伝導部材はハウジングに一体に形成されて
いる。半導体チップ面に第１の熱伝導部材を固着せずに
単に接触させるのは、面方向の熱変形を吸収するためと
モジュ−ルの分解、組み立てを容易にするためである。
従来の１０Ｗ／ｃｍ2程度の発熱密度のモジュ−ルで
は、この構成でも大きな問題は生じなかった。しかし、
将来の５０〜１００Ｗ／ｃｍ2の高発熱密度モジュ−ル
では、熱伝導体自身の熱抵抗の低下を図るためには、相
対的に接触熱抵抗の占める割合が大きくなる。この点、
前述の従来技術では次の点から見て、接触熱抵抗への配
慮が充分になされているとは考えられない。
【００２４】１つは接触面積の問題である。一般に、基
板上に多数搭載された個々の半導体デバイスの面積は、
基板上に１つの半導体デバイスが占有する面積よりも小
さく、１つの半導体デバイスが有する冷却面積のなかで
最小になる。接触熱抵抗を下げるためには、できるだけ
大きな接触面積をとる必要があるが、従来の１０Ｗ／ｃ
ｍ2程度の発熱密度のモジュ−ルでは接触熱抵抗はそれ
ほど大きな問題ではなかったため、米国特許５００５６
３８号明細書や特開昭６０−１２６８５３号公報に開示
されている構造では、熱伝導体が半導体デバイス面に接
触する構造となっている。
【００２５】従来構造のように熱伝導体を半導体デバイ
ス面で接触させることのもう１つの問題点は、半導体デ
バイス面の反りの問題である。ＬＳＩチップ等の半導体
デバイスは大面積化する傾向にあり、それに伴ってチッ
プ面の反りの抑制が、非常に難しくなってきている。接
触熱抵抗は、接触面の反りに大きく影響されるので、従
来の構造では接触熱抵抗の制御が非常に困難になり、放
熱性能のばらつきが大きくなる。
【００２６】本発明の第１の目的は、上記従来技術の問
題点を解決した冷却構造を備えた半導体モジュ−ル、即
ち熱変形に起因する動的変位の吸収能力が高く、かつ放
熱性に優れた半導体モジュ−ルを提供することにある。
【００２７】本発明の第２の目的は、高性能な放熱構造
を備え、かつ保守作業が容易な半導体モジュ−ルを提供
することにある。
【００２８】本発明の第３の目的は、高性能でかつ性能
のばらつきが小さい放熱構造を備えた半導体モジュ−ル
を提供することにある。
【００２９】本発明の第４の目的は、電気的な絶縁性に
優れた放熱構造を備えた半導体モジュ−ルを提供するこ
とにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の半導体モジュ−ルは、回路基板と、
該回路基板上に実装された複数の半導体デバイスと、回
路基板を覆うハウジングを備え、前記半導体デバイスと
前記ハウジングとの間に設けられ前記半導体デバイス面
から前記ハウジングへ熱伝導させるための熱伝導部材を
介在させた半導体モジュ−ルにおいて、半導体デバイス
面から前記ハウジングに熱伝導された熱を放熱するため
の放熱器が前記ハウジングに一体に形成されていること
を特徴とするものである。
【００３１】前記熱伝導部材が半導体デバイス面の面積
より大きい面積で接触されているものであって、該熱伝
導部材と前記ハウジングとの間に弾性部材が介在されて
熱伝導部材がハウジングに設けられた穴に隙間を有して
挿入されるように構成され、半導体デバイス面から前記
ハウジングに熱伝導された熱を放熱するための放熱器が
前記ハウジングに一体に形成されていることを特徴とす
るものである。
【００３２】又、前記熱伝導部材が半導体デバイス面の
面積より大きい面積で接触されているベ−スに形成され
ている第１のフィンを具備する第１の熱伝導部材と、ハ
ウジングに形成された第２のフィンを具備する第２の熱
伝導部材からなるものであって、該第１のフィンの底面
と第２のフィンの底面との間に弾性部材が介在されて第
１のフィンと第２のフィンが係合され、半導体デバイス
面から前記ハウジングに熱伝導された熱を放熱するため
の放熱器が前記ハウジングに一体に形成されていること
を特徴とするものである。
【００３３】又、前記第１の熱伝導部材の第１のフィン
がベ−スの半導体デバイス面に対し垂直に複数形成され
た平板状に、前記第２のフィンが前記第１のフィンに微
小な間隙を介して係合されるように複数平板状に形成さ
れたものであって、前記第２の熱伝導部材が前記弾性部
材のばね力により前記ハウジングの内壁に接触している
ものである。又、前記第１の熱伝導部材の第１のフィン
がベ−スの半導体デバイス面に対し垂直に複数形成され
た平板状に、前記第２のフィンが前記第１のフィンに微
小な間隙を介して係合されるように複数平板状に形成さ
れたものであって、前記第１の熱伝導部材が前記弾性部
材のばね力により前記半導体デバイス面に接触している
ものである。又、前記ハウジングが、外壁側に一体に放
熱器が形成されているものであって、内壁側が平坦に形
成されているものである。又、前記第２の熱伝導部材
は、前記半導体デバイスの各々が回路基板上に占有する
面積にほぼ等しい面積を有するものである。又、前記放
熱器が、ハウジングに一体に形成された複数のフィンで
あるものである。
【００３４】上記第２の目的を達成するために、本発明
の半導体モジュ−ルは、回路基板と、該回路基板上に実
装された複数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウ
ジングを備え、前記半導体デバイスと前記ハウジングと
の間に設けられ前記半導体デバイス面から前記ハウジン
グへ熱伝導させるための熱伝導部材を介在させた半導体
モジュ−ルにおいて、前記ハウジングがハウジングに加
工された流路を有するものであって、該流路に冷却流体
を供給、排出するための配管を接続、切り離しするため
のバルブ内蔵型カプラを備えていることを特徴とするも
のである。
【００３５】又、前記放熱器が、ハウジングに一体に形
成された複数の流路と、該流路に冷却流体を供給、排出
するための配管を接続、切り離しすることが可能なバル
ブ内蔵型カプラを備えているものである。
【００３６】上記第３の目的を達成するために、本発明
の半導体モジュ−ルは、回路基板と、該回路基板上に実
装された複数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウ
ジングを備え、前記半導体デバイスと前記ハウジングと
の間に設けられ前記半導体デバイス面から前記ハウジン
グへ熱伝導させるための熱伝導部材を介在させた半導体
モジュ−ルにおいて、前記熱伝導部材が半導体デバイス
面に固着されている第１の熱伝導部材とハウジングの内
壁に接触される第２の熱伝導部材からなるものであっ
て、該第１の熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材との間
に弾性部材が介在されて、前記第１の熱伝導部材が第２
の熱伝導部材に設けられた穴に隙間を有して挿入される
ように構成され、半導体デバイス面から前記ハウジング
に熱伝導された熱を放熱するための放熱器が前記ハウジ
ングに一体に形成されていることを特徴とするものであ
る。
【００３７】又、前記熱伝導部材が半導体デバイス面に
固着されているベ−スに形成された第１のフィンを具備
する第１の熱伝導部材と、ハウジングの内壁に接触され
るベ−スに形成された第２のフィンを具備する第２の熱
伝導部材からなるものであって、該第１のフィンの底面
と第２のフィンの底面との間に弾性部材が介在されて第
１のフィンと第２のフィンが係合され、半導体デバイス
面から前記ハウジングに熱伝導された熱を放熱するため
の放熱器が前記ハウジングに一体に形成されていること
を特徴とするものである。
【００３８】上記第４の目的を達成するために、本発明
の半導体モジュ−ルは、前記回路基板と前記ハウジング
で形成される封入されているものである。
【００３９】又、前記半導体デバイスに固着される第１
の熱伝導部材が、電気絶縁性を有するとともに線膨張率
が半導体デバイス材料の線膨張率に近い材料で形成され
ることを特徴とするものである。
【００４０】
【作用】上記第１の目的を達成するために、上記のよう
に構成しているので、半導体デバイス又はハウジング内
壁との間に接触面を有して熱伝導し、かつ互いに対向す
る伝熱面を持つ熱伝導体により熱伝導して、放熱器を一
体に形成したハウジングを用いているので、高発熱密度
化に伴う大熱変形を吸収すると同時に半導体デバイスか
らの発生熱を効率良く放熱する。
【００４１】上記第２の目的を達成するために、上記の
ように構成しているので、放熱器を一体に形成したハウ
ジングに、バルブ内蔵型のカプラを設けたから、冷却流
体として水等の液体を用いる場合でも、半導体装置から
モジュ−ルを容易にとり外すことができ、故障が生じた
場合のモジュ−ルの交換が容易になる。
【００４２】上記第３の目的を達成するために、上記の
ように構成しているので、半導体デバイスに熱伝導体を
固着することにより熱伝導体とハウジング内壁とが接触
するようにしたので、接触面積を大きくとることがで
き、かつ反りの制御も容易になり、接触熱抵抗を低減す
ることができる。
【００４３】上記第４の目的を達成するために、上記の
ように構成しているので、空間内には熱伝導性かつ電気
絶縁性の流体が電気的信頼性を確保するように作用す
る。又、半導体デバイスに固着する熱伝導体を電気絶縁
性を有するので、電気的信頼性を確保するように作用
し、線膨張率が半導体デバイス材料に近い材料で形成し
たから、熱変形に対し機械的信頼性を確保しながら放熱
性を高める。
【００４４】
【実施例】以下、本発明の第１の実施例を図１及び図２
により説明する。図１は、本実施例の半導体モジュ−ル
を示す縦断面図、図２は、カプラの取付け状態を示す外
観図である。
【００４５】図１に示すように、多数のＩ／Ｏピン１を
有するセラミクスの多層基板２上に複数の半導体チップ
３が、微小な半田ボ−ル４を介して搭載されている。基
板２にはフランジ５が取り付けられており、このフラン
ジ５とハウジング８とはＯリング６を介在させてボルト
８により固定されて、フランジ５と基板２で囲まれる空
間１２を気密封止されている。ハウジング８の内壁に
は、各々の半導体チップ３が搭載されている位置とそれ
ぞれ対応する位置に円筒状の孔９が設けられており、そ
の円筒状の穴９の中にはピストン状の伝熱部材１０が上
下運動が可能なように嵌め込まれている。ピストンの伝
熱部材１０の一方の端面と円筒状の穴９の底面との間に
は、ばね１１が挿入され、他方の端面は半導体チップ３
と当接されるようになっており、ばね１１により伝熱部
材１０が半導体チップ３の表面に押圧されている。ハウ
ジング７と基板２で囲まれた空間１２には、ヘリウムガ
スまたは電気絶縁性のオイル等の液体が封入されてい
る。ハウジング７の上端面部には、冷却流体を通すため
の複数の流路１３がハウジング７と一体的に形成され、
この流路１３を覆うように上蓋８ａが取り付けられてい
る。さらに、ハウジング７あるいは上蓋８ａには、バル
ブ機構を内蔵したカプラ１４が設けられており、このカ
プラ１４を介して冷却流体が、外部から流入、流出され
るようになっている。なお、上記したバルブ機構は、カ
プラ１４を取り外したときに、空間１２の冷却流体が外
部に流れださないように構成されている。
【００４６】このように構成された本実施例の半導体モ
ジュ−ルの動作を説明する。ピストンの伝熱部材１０
は、円筒孔９内で上下に動くことができるので、半導体
モジュ−ルの厚さ方向の動的変位を吸収でき、かつ半導
体チップ３に接触して半導体チップ３の発生熱をハウジ
ング７に伝える。半導体チップ３とピストンの伝熱部材
１０の接触面は、熱を伝えると同時に半導体モジュ−ル
３の面方向の熱変形を吸収する。ハウジング７に形成さ
れた複数の流路１３を構成する壁は、ハウジング７に伝
えられた熱を冷却流体に伝える放熱フィンとして作用す
ると共に強度部材としてはたらき、ハウジング７の動的
変位を抑える。その結果として、ピストンの伝熱部材１
０の長さを短く、ハウジング７の厚さを薄くすることが
可能になるため、半導体チップ３から冷却流体に至るま
での伝熱経路の長さを短くすることができる。これによ
り、半導体モジュ−ル３の熱抵抗を低くすることがで
き、５０〜１００Ｗ／ｃｍ2級の高発熱密度の半導体の
冷却が可能になる。
【００４７】半導体装置からモジュ−ルを取り外す必要
が生じた場合には、図２に示すように、カプラ１４を取
り外すことにより、冷却流体の配管系とモジュ−ルを容
易に分離することができる。このとき、カプラ１４には
バルブ機構が設けられているので、冷却流体が外部に漏
れることはない。
【００４８】本発明の第２の実施例を図３により説明す
る。図３は本実施例の半導体モジュ−ルの縦断面図であ
る。
【００４９】本実施例では、ハウジング７の空間１２側
の内壁に複数の第２のフィン１５が設けられている。半
導体チップ３とハウジング７との間には、ハウジング７
の内壁に設けられた複数の第２のフィン１５間に挿入さ
れる複数の第１フィン１７及びベ−ス１６を有する熱伝
導部材１８が配置されており、第１のフィン１７と第２
のフィン１５は互いに係合されて熱伝導部材１８が上下
運動が可能なようになっている。熱伝導部材１８には、
第１のフィン１７にばね１９を装着するための凹部が設
けられており、その凹部の底面と第２のフィンの底部と
それぞればね１９が当接するようにばね１９が装着され
ている。そして、ばね１９により熱伝導部材１８が半導
体チップ３の表面に押圧されて、ベ−ス１６の底面が半
導体チップ３に接触している。その他の構成は図１に示
す実施例と同様である。
【００５０】本実施例では、第１のフィン１７と第２の
フィン１５との対向面積を大きくとることができるの
で、熱抵抗を第１の実施例に比べてさらに小さくするこ
とができる。
【００５１】本発明の第３の実施例を図４及び図５によ
り説明する。図４は本実施例の半導体モジュ−ルの縦断
面図、図５はベ−ス１６とベ−ス２１とが組み合わされ
た状態を示す斜視図である。
【００５２】図４に示すように、基板２及びその上に搭
載された半導体デバイスの構成は、ハウジング７に流路
１３が加工されて設けられており、カプラ１４が設けら
れる点等は図３に示す実施例と同様であるが、図３に示
す実施例では第２のフィン１５がハウジング７に形成さ
れているのに対し、本実施例では、ベ−ス２１が別体で
形成され、ハウジング７は平坦な内壁１９に形成されて
いる。又、半導体デバイス３には、ベ−ス１６及びベ−
ス１６と一体にベ−ス１６に垂直に形成された平板状の
第１のフィン１７を有する第１の熱伝導部材１８が、半
田層２０により固着されている。
【００５３】第１の熱伝導部材１８の材質は、電気絶縁
性を有するとともに熱伝導率が高く、かつ、線膨張率が
半導体デバイス材料に近いことが望ましい。このような
材料としては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）があ
る。又、ベ−ス１６と平板状の第２フィン２２からなる
第２の熱伝導部材２３は、微小な間隙を介して第１の熱
伝導部材１８と係合しており、第２の熱伝導部材２３の
ベ−ス部は、個々の半導体デバイス３が基板２上で占有
している面積とほぼ等しい面積を有し、半導体デバイス
３の面積より大きくなるように形成されている。第２の
熱伝導部材２３のベ−ス部２１は、ばね２４によりハウ
ジングの平坦な内壁１９に押し当てられるとともに、ハ
ウジング７の内壁と第２の熱伝導部材２３のベ−ス部の
接触面は伝熱面として作用するとともにモジュ−ルの面
方向の変形を吸収するようになっている。基板２とハウ
ジング７で囲まれた空間２５には、電気絶縁性を有し熱
伝導率の高い流体、例えばヘリウムガスやオイルが満た
されている。
【００５４】次に本実施例に特有の効果について説明す
る。本実施例では、半導体デバイス３に、第１の熱伝導
部材１８が半田層２０により固着されているので、抑制
しにくいデバイス面の反りに起因する接触熱抵抗のばら
つきは生じない。
【００５５】第２の熱伝導部材２３のベ−ス部２１の面
積は個々の半導体デバイス３が基板２上に占有する面積
とほぼ等しく、半導体デバイス３の面積よりも大きいか
ら、熱伝導部材をデバイス面に接触させる場合に比べ
て、接触面積を大きくとることができる。又、ハウジン
グ７の内壁及び第２の熱伝導部材２３のベ−ス部はとも
に加工が容易な平坦面に形成されており、機械加工面で
あるので、反りの抑制は極めて容易である。このため、
ハウジング７の平坦な内壁１９に第２の熱伝導部材２３
のベ−ス部が接触する。又、ハウジング７に加工されて
形成された複数の流路１３が、ハウジング７の変形を抑
える補強部材として作用し、ハウジング７の平坦面１９
が熱変形に起因する動的変位による反りが生じることを
抑制している。このため、ハウジング７の平坦な内壁１
９に第２の熱伝導部材２３のベ−ス部が接触する。これ
ら３つの効果から接触熱抵抗を極めて低く抑えることが
できる。
【００５６】本発明の第４の実施例を図６により説明す
る。図６は本実施例の半導体モジュ−ルの縦断面図であ
る。
【００５７】本実施例では、図６に示すように、半導体
デバイス３に半田層２０によって固着する第１の熱伝導
部材を円柱２６とし、第２の熱伝導部材を円筒２７とし
たものである。この円柱２６の面と円筒２７の底面との
間には、ばね２９が装着されており、第２の熱伝導部材
のベ−ス部２８がばね２９のばね力により、ハウジング
７の平坦な内壁１９に接触する一方、第１の熱伝導部材
を半導体デバイス３側に押し付けるとともに、面方向の
変形を吸収するようになっている。
【００５８】本実施例では、図４に示す実施例に比べて
熱伝導部材の加工が容易になる。その他の効果は、図４
に示す実施例と同様である。
【００５９】なお、第１から第４の実施例では、ハウジ
ング７にカプラ１４を設けて流路１３に冷却流体を流し
て冷却する場合を説明したが、図７から図１０にそれぞ
れ示すように、ハウジング７にフィンを設けて空冷化す
るようにしてもよい。このように、空冷フィンを設けた
ハウジングを用いることによりコストを低下できる他特
別に冷却流体を流すための装置を省略できる効果があ
る。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１に、半導体モジュ−ルの内部には動的変位の吸収能
力の高い対向伝熱面を有する熱伝導体を設け、かつハウ
ジングに放熱手段を一体化してハウジング自身の動的変
位に起因して生じる、ハウジングと放熱手段の間の熱抵
抗の問題を消去したから、高発熱密度のモジュ−ルにお
いて予想される大熱変形を吸収しながら高い放熱性能を
得ることができる。
【００６１】又、第２に、バルブ機構内蔵型のカプラを
設けたから、モジュ−ルの保守作業が容易になる。
【００６２】又、第３に、第１の熱伝導部材を半導体デ
バイスに固着し、第２の熱伝導部材がハウジング内壁に
接触するようにしたから、面方向の熱変形を吸収しなが
ら接触熱抵抗を低く抑え、高い放熱性能を得ることがで
きる。
【００６３】又、第４に、半導体デバイスに固着する熱
伝導部材を、電気絶縁性の材料で形成したから電気信号
に影響を与えることなく高い放熱性能を得ることができ
る。
【００６４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体モジュ−ル
の縦断面図である。
【図２】カプラの取付け状態を示す外観図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す半導体モジュ−ル
の縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す半導体モジュ−ル
の縦断面図である。
【図５】ベ−ス１６とベ−ス２１とが組み合わされた状
態を示す斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施例を示す半導体モジュ−ル
の縦断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図であ
る。
【図８】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図であ
る。
【図９】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図であ
る。
【図１０】本発明のさらに他の実施例を示す縦断面図で
ある。
【符号の説明】
１…Ｉ／Ｏピン、２…多層配線基板、３…半導体デバイ
ス、４…半田ボ−ル、５…フランジ、６…Ｏリング、７
…ハウジング、８…ボルト、９…孔、１０…ピストン、
１１…ばね、１２…空間、１３…流路、１４…カプラ、
１５…第２フィン、１６…ベ−ス、１７…第１フィン、
１８…第１の熱伝導部材、１９…ばね、２０…半田層、
２１…ベ−ス、２２…第２フィン、２３…第２の熱伝導
部材、２４…ばね、２５…空間、２６…円柱熱伝導部
材、２７…円筒熱伝導部材、２８…ベ−ス、２９…ば
ね、３０…放熱器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 圭三 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 木村 秀行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 西原 淳夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 畑田 敏夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 飯野 利喜 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、前記ハウジングがハウジングに加工された流
    路を有するものであって、該流路に冷却流体を供給、排
    出するための配管を接続、切り離しするためのバルブ内
    蔵型カプラを備えていることを特徴とする半導体モジュ
    −ル。
  2. 【請求項２】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、半導体デバイス面から前記ハウジングに熱伝
    導された熱を放熱するための放熱器が前記ハウジングに
    一体に形成されていることを特徴とする半導体モジュ−
    ル。
  3. 【請求項３】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、前記熱伝導部材が半導体デバイス面の面積よ
    り大きい面積で接触されているものであって、該熱伝導
    部材と前記ハウジングとの間に弾性部材が介在されて熱
    伝導部材がハウジングに設けられた穴に隙間を有して挿
    入されるように構成され、半導体デバイス面から前記ハ
    ウジングに熱伝導された熱を放熱するための放熱器が前
    記ハウジングに一体に形成されていることを特徴とする
    半導体モジュ−ル。
  4. 【請求項４】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、前記熱伝導部材が半導体デバイス面の面積よ
    り大きい面積で接触されているベ−スに形成されている
    第１のフィンを具備する第１の熱伝導部材と、ハウジン
    グに形成された第２のフィンを具備する第２の熱伝導部
    材からなるものであって、該第１のフィンの底面と第２
    のフィンの底面との間に弾性部材が介在されて第１のフ
    ィンと第２のフィンが係合され、半導体デバイス面から
    前記ハウジングに熱伝導された熱を放熱するための放熱
    器が前記ハウジングに一体に形成されていることを特徴
    とする半導体モジュ−ル。
  5. 【請求項５】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、前記熱伝導部材が半導体デバイス面に固着さ
    れている第１の熱伝導部材とハウジングの内壁に接触さ
    れる第２の熱伝導部材からなるものであって、該第１の
    熱伝導部材と前記第２の熱伝導部材との間に弾性部材が
    介在されて、前記第１の熱伝導部材が第２の熱伝導部材
    に設けられた穴に隙間を有して挿入されるように構成さ
    れ、半導体デバイス面から前記ハウジングに熱伝導され
    た熱を放熱するための放熱器が前記ハウジングに一体に
    形成されていることを特徴とする半導体モジュ−ル。
  6. 【請求項６】回路基板と、該回路基板上に実装された複
    数の半導体デバイスと、回路基板を覆うハウジングを備
    え、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設け
    られ前記半導体デバイス面から前記ハウジングへ熱伝導
    させるための熱伝導部材を介在させた半導体モジュ−ル
    において、前記熱伝導部材が半導体デバイス面に固着さ
    れているベ−スに形成された第１のフィンを具備する第
    １の熱伝導部材と、ハウジングの内壁に接触されるベ−
    スに形成された第２のフィンを具備する第２の熱伝導部
    材からなるものであって、該第１のフィンの底面と第２
    のフィンの底面との間に弾性部材が介在されて第１のフ
    ィンと第２のフィンが係合され、半導体デバイス面から
    前記ハウジングに熱伝導された熱を放熱するための放熱
    器が前記ハウジングに一体に形成されていることを特徴
    とする半導体モジュ−ル。
  7. 【請求項７】前記第１の熱伝導部材の第１のフィンがベ
    −スの半導体デバイス面に対し垂直に複数形成された平
    板状に、前記第２のフィンが前記第１のフィンに微小な
    間隙を介して係合されるように複数平板状に形成された
    ものであって、前記第２の熱伝導部材が前記弾性部材の
    ばね力により前記ハウジングの内壁に接触している請求
    項５又は６に記載の半導体モジュ−ル。
  8. 【請求項８】前記第１の熱伝導部材の第１のフィンがベ
    −スの半導体デバイス面に対し垂直に複数形成された平
    板状に、前記第２のフィンが前記第１のフィンに微小な
    間隙を介して係合されるように複数平板状に形成された
    ものであって、前記第１の熱伝導部材が前記弾性部材の
    ばね力により前記半導体デバイス面に接触している請求
    項５又は６に記載の半導体モジュ−ル。
  9. 【請求項９】前記ハウジングが、外壁側に一体に放熱器
    が形成されているものであって、内壁側が平坦に形成さ
    れている請求項６に記載の半導体モジュ−ル。
  10. 【請求項１０】前記第２の熱伝導部材は、前記半導体デ
    バイスの各々が回路基板上に占有する面積にほぼ等しい
    面積を有するものである請求項５又は６に記載の半導体
    モジュ−ル。
  11. 【請求項１１】前記回路基板と前記ハウジングで形成さ
    れる空間内に熱伝導性を有しかつ電気絶縁性の流体が封
    入されている請求項１から１０のいずれかに記載の半導
    体モジュ−ル。
  12. 【請求項１２】前記放熱器が、ハウジングに一体に形成
    された複数の流路と、該流路に冷却流体を供給、排出す
    るための配管を接続、切り離しすることが可能なバルブ
    内蔵型カプラを備えている請求項２から６のいずれかに
    記載の半導体モジュ−ル。
  13. 【請求項１３】前記放熱器が、ハウジングに一体に形成
    された複数のフィンである請求項２から６のいずれかに
    記載の半導体モジュ−ル。
  14. 【請求項１４】前記回路基板と前記ハウジングで形成さ
    れる密閉空間内には熱伝導性かつ電気絶縁性の流体が封
    入されている請求項１から１３のいずれかに記載の半導
    体モジュ−ル。
  15. 【請求項１５】前記半導体デバイスに固着される第１の
    熱伝導部材が、電気絶縁性を有するとともに線膨張率が
    半導体デバイス材料の線膨張率に近い材料で形成される
    ことを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体モジュ
    −ル。
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