JPH08116005A

JPH08116005A - 半導体モジュール

Info

Publication number: JPH08116005A
Application number: JP6270892A
Authority: JP
Inventors: Keizo Kawamura; 圭三川村; Noriyuki Ashiwake; 範行芦分; Hideyuki Kimura; 秀行木村; Atsuo Nishihara; 淳夫西原; Shigeyuki Sasaki; 重幸佐々木; Takahiro Oguro; 崇弘大黒; Akio Idei; 昭男出居; Kenichi Kasai; 憲一笠井; Toshio Hatada; 敏夫畑田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1996-05-07
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JP3395409B2

Abstract

(57)【要約】【目的】熱変形の吸収能力を高くするとともに放熱性
に優れ、かつ小型で、かつ保守作業が容易な構造の半導
体モジュールを提供する。【構成】半導体モジュールにおいて、半導体デバイス
(3)又はハウジング(7)内壁との間に接触面を有し、互い
に対向する伝熱面を持つ熱伝導体を設け、そのフィン(1
4,18)間の間隙を小さくし、フィン厚さを比較的厚く保
ちながらフィン高さを低くした。モジュール内の封入液
面を最上部の半導体デバイスに固着した第１フィン(14)
の上下端の中間高さに制御し、モジュール内の液体を導
入し排出するバルブ機構を、第１及び第２フィン(14,1
8)の長手方向に平行な方向にモジュールの１辺の長さに
ほぼ等しい距離をおいて２個所に設けた。【効果】量産性を確保しながら、高い冷却性能が得ら
れると同時にモジュールを小型化でき、かつ分解組立て
も容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体モジュールに係
り、特に、大形コンピュータおよびスーパーコンピュー
タ等の発熱密度の高い電子装置に好適な半導体モジュー
ルに関する。

【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
構造のモジュールは、例えば、特開昭５７−１０３３３
７号公報に開示されている。この例では、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が開示されている。

【０００３】また特開昭６０−１２６８５３号公報に
は、平板フィンを互いに組み合わせる構造の。熱伝導体
をばねにより半導体チップ面に押し付ける構造が開示さ
れている。また、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する構造が開示さ
れている。また、米国特許４４９８５３０号明細書に
は、柔軟性を有する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の双方に
接触させる構造が開示されている。

【０００４】また、IBM Journal of Research and Deve
lopment Vol.35 No.3 (1991)には、金属ピストンを半
導体チップに接触させる構造において、伝熱媒体として
オイルを用いた例が記載されている。

【０００５】

【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のに、前述の柔軟性を有す
る熱伝導体が用いられるのは次の理由による。

【０００６】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ある。また、半導体デバ
イスが作動状態にあるときと休止状態にあるときでは温
度が異なるために熱変形が生じ、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をと
る。このような組み立て精度や熱変形による静的および
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。柔軟熱
伝導体には柔軟性と同時に熱抵抗が低いことが要求され
る。また、量産性に優れることも実用上極めて重要であ
る。

【０００７】半導体デバイスの温度は信頼性の点から通
常８０〜９０℃に抑える必要がある。室温または冷却水
の温度は通常２５〜３０℃程度であるから、室温または
冷却水からの温度上昇の許容値は５０〜６５℃程度であ
る。従来の半導体モジュールでは発熱密度は１０Ｗ／ｃ
ｍ²程度であったため、前述の柔軟熱伝導体にはそれほ
ど低い熱抵抗値は要求されなかった。しかしながら、半
導体モジュールの発熱量は年々増加の一途をたどってお
り、近い将来に５０Ｗ／ｃｍ²のレベルに達することが
予想されている。従来の技術ではこのような高発熱密度
モジュールを冷却することは極めて困難であり、熱伝導
体の大幅な低熱抵抗化を量産性を考慮しながら達成する
ことが大きな課題となってきている。

【０００８】例えば、特開昭５７−１０３３３７号公報
に開示されている平板フィンを組み合わせた柔軟熱伝導
体の例では、熱抵抗は単位断面積当たり約２.５℃ｃｍ²
／Ｗと大きく、５０Ｗ／ｃｍ²級の高発熱密度モジュー
ルはとても冷却できない。このような対向伝熱面を有す
る熱伝導体ではフィン間の間隙を小さくすることが低熱
抵抗化のためには基本的に重要であるが、この例ではフ
ィン間の間隙は２００μｍと大きく、５０Ｗ／ｃｍ²級
のモジュールを冷却できるだけの低熱抵抗化に対する配
慮がなされているとは考えられない。また、フィン厚さ
が０.２ｍｍと薄いにもかかわらず、高さ１０ｍｍの背
の高いフィンを用いており、量産性に対する配慮も十分
ではない。

【０００９】また、特開昭６０−１２６８５３号公報に
開示されている柔軟熱伝導体の例では単位断面積当たり
の熱抵抗は最も低い例でも約１.２℃ｃｍ²／Ｗである。
この場合でも、５０Ｗ／ｃｍ²級のモジュールに適用す
ると熱伝導体の部分だけで約６０℃の温度差がつくこと
になり、室温または冷却水からの温度上昇を許容値の５
０〜６５℃以下に抑えることは極めて困難である。この
例では、フィン間の間隙は２５〜２００μｍの範囲にあ
り、代表的には５０μｍである。また、フィン厚の範囲
は０.２〜２.６ｍｍ、フィン高さは約３〜１０ｍｍであ
る。

【００１０】また、米国特許４８００９５６号明細書に
開示されている柔軟熱伝導体の例ではフィンの厚さとフ
ィン間の間隙を等しくとる設計法が記載されている。さ
らに設計例として厚さ６９μｍ、高さ７.３８ｍｍの銅
フィンを間隙６９μｍで組み合わせて単位断面積当たり
１.０℃ｃｍ²／Ｗ程度の熱抵抗値が得られるとしてい
る。この場合でも５０Ｗ／ｃｍ²級のモジュールに適用
すると熱伝導体の部分だけで約５０℃の温度差がつくこ
とになり、室温または冷却水からの温度上昇を許容値の
５０〜６５℃以下に抑えることは困難である。また、厚
さ６９μｍ、高さ７.３８ｍｍの薄く、かつ、背の高い
フィンを精度良く製作することは非常に困難であるた
め、量産性に対する配慮が十分になされているとは考え
られない。

【００１１】また、米国特許４４９８５３０号明細書に
開示されている柔軟熱伝導体の例では、フィン間の間隙
をフィンの厚さの１／２にとる設計法が記載されてい
る。この場合は熱抵抗の計算例は記載されていないが、
５.０８〜１２７μｍの薄い柔軟性のあるフィンをスペ
ーサを介して多数枚積層する構造に成っており、やはり
量産性に対する配慮が十分ではない。

【００１２】従来技術において十分な配慮がなされてい
ない他の問題は、モジュール内へ封入する伝熱媒体の量
と実装時のモジュールの姿勢の関係である。この問題
は、媒体がオイル等の液体である場合に重要になる。オ
イルを用いることの利点は、ヘリウム等の気体を用いた
場合よりも冷却効率を上げられる点にある。

【００１３】例えば、IBM Journal of Research and De
velopment Vol.35 No.3 (1991) に記載されている構造
では、オイルの熱膨張によるモジュールの内圧の上昇を
緩和するために、モジュール内に膨張吸収室を設けてい
る。計算機の処理速度の点からはモジュールはできるか
ぎり小型化する必要があるが、この例では膨張吸収室を
設けたためにモジュールのサイズが大きくなっている。
平板フィンを組み合わせた熱伝導体を用いたモジュール
に適した、モジュールの小型化が可能であるようなオイ
ル封入量、封入構造、実装時のモジュールの姿勢につい
ては従来技術では十分な配慮がなされていない。

【００１４】以上で述べたように、従来技術では将来の
５０Ｗ／ｃｍ²級の高発熱密度モジュールを、量産性と
モジュールのコンパクト性を確保しつつ冷却することは
困難であった。

【００１５】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ールを提
供することにある。即ち、冷却性能が高く、かつ、量産
性に優れた半導体モジュール構造を提供することにあ
る。

【００１６】本発明の第２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ール、即
ち、小型で、かつ、高性能な放熱構造を備えた半導体モ
ジュールを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、回路基板と、前記回路基板上に実装された
複数の半導体デバイスと、前記回路基板を覆うハウジン
グと、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設
けられた、前記半導体デバイス面に垂直な方向にのび、
かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を有する第１お
よび第２の熱伝導部材から構成される熱伝導体とから成
る半導体モジュールにおいて、前記第１および第２の熱
伝導部材のそれぞれに形成されたフィンどうしの間隙
が、５〜２５μｍの範囲の構造であることを特徴とし、
また、前記第１および第２のフィンの厚みが０.３〜０.
５ｍｍの範囲、また、前記第１および第２のフィンの高
さが１.５〜４ｍｍの範囲であることを特徴とする。

【００１８】また、前記第１および第２のフィンの長手
方向が鉛直方向と実質的に一致するように立てた場合
に、モジュール内に封入する伝熱液体の液面が、モジュ
ールの最上部に位置する半導体デバイスに固着された第
１フィンの下端から上端の間の高さ、好ましくは、上下
端の中央の高さから上端の高さの間にあることを特徴と
する。又、前記第２の熱伝導部材のベース部に前記ハウ
ジングと接触する面と第２フィンの根元部が貫通する微
細な穴を一つあるいは複数個設け、かつ、前記ハウジン
グの内壁には前記第２の熱伝導部材のベース部の接触面
と交わるように微細な溝を一つあるいは複数個設け、前
記熱伝導性かつ電気絶縁性の流体の液面が、前記ハウジ
ングの内壁に設けられた微細な溝の一部に接触するよう
に制御し、モジュールを、ハウジングの微細な溝の長手
方向が鉛直方向と実質的に一致するように立てて実装す
ることを特徴とする。また、前記モジュールの上下の各
端部に、前記伝熱液体を導入し排出するバルブ機構を設
けたことを特徴とするものである。そして、前記モジュ
ールを、第１および第２のフィンの長手方向が鉛直方向
に実質的に一致するように立てて実装したものである。

【００１９】

【作用】上記構成による本発明では、平板フィンを組み
合わせた熱伝導体のフィン間の間隙を必要最小限にする
ことによりフィン間の介在流体の熱抵抗の低く抑えるこ
とができ、さらに、フィン厚さを比較的厚く保ちながら
フィン高さを低くすることにより、フィン内部の熱伝導
抵抗を低く抑えることができる。また、この二つの相乗
作用により熱伝導体の熱抵抗を極めて低く抑えることが
できる。さらに、比較的厚いフィンを用いるため、フィ
ンの加工が容易になり、例えばフィンの材質として窒化
アルミニウムを用いた場合は高精度の加工が容易に行え
る。

【００２０】また、本発明では、モジュールに封入する
液体の量を、モジュールを第１および第２のフィンの長
手方向が鉛直方向と実質的に一致するように立てた場合
に、液面が、モジュールの最上部に位置する半導体デバ
イスに固着された第１フィンの下端から上端の間の高
さ、好ましくは、前記第１フィンの下端と上端の中央の
高さから上端の高さの間の高さにくるような量にし、モ
ジュールを、第１および第２のフィンの長手方向が鉛直
方向と実質的に一致するように立てて実装することのよ
り、液体の表面張力によって、フィン間および第２フィ
ンとハウジング内壁間の接触面に液体を供給しながらモ
ジュール内に液体の膨張を吸収するための空間を作り出
すことができ、余分な膨張吸収室を設ける必要が無いた
め、伝熱媒体として液体を用いて高い冷却性能を得なが
らモジュールを小型化できる。

【００２１】また、更に、本発明では、第２の熱伝導部
材のベース部にハウジングと接触する面と第２フィンの
根元部が貫通する微細な穴を設け、かつ、ハウジングの
内壁には第２の熱伝導部材のベース部の接触面と交わる
ように微細な溝を設け、液体の液面をハウジングの内壁
に設けられた微細な溝の一部に接触するようにモジュー
ルに封入する液体の量を制御し、モジュールを、ハウジ
ングの微細な溝の長手方向が鉛直方向と実質的に一致す
るように立てて実装することのより、液体の表面張力に
よって、ハウジングの微細な溝を伝わり第２の熱伝導部
材のベース部とハウジング内壁間の接触面、接触面から
第２の熱伝導部材のベース部に設けられた微細な穴を介
してフィン間および第２フィンに液体を供給しながらモ
ジュール内に液体の膨張を吸収するための更に大きな空
間を作り出すことができ、余分な膨張吸収室を設ける必
要が無いため、伝熱媒体として液体を用いて高い冷却性
能を得ながらモジュールを更に、小型化できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を
参照して説明する。

【００２３】本発明の第１の実施例を図１および図２に
より説明する。図１は、本実施例の半導体モジュールを
示す縦断面図である。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
体デバイス３が、微小な半田ボール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７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９を気密封止している。

【００２４】ハウジング７と基板２で囲まれた空間９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１０がハウジング７と一体的
に形成され、この流路１０を覆うように上蓋１１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１
１には、バルブ機構を内蔵したカプラ１２が設けられて
おり、このカプラ１２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。

【００２５】半導体デバイス３には、ベース１３および
ベース１３と一体にベース１３に垂直に形成された平板
状の第１のフィン１４を有する第１の熱伝導部材１５
が、半田層１６により固着されている。第１の熱伝導部
材１５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。

【００２６】また、ベース１７と平板状の第２フィン１
８からなる第２の熱伝導部材１９が、微小な間隙を介し
て第１の熱伝導部材１５と係合しており、第１の熱伝導
部材と対をなして一つの熱伝導体を形成する。第２の熱
伝導部材１９のベース部１７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１９のベース部１７は、
第１の熱伝導部材１５と第２の熱伝導部材１９の間に設
けられた弾性部材（図には示されていない）によりハウ
ジングの平坦な内壁２０に押し当てられる。ハウジング
７の内壁と第２の熱伝導部材１９のベース部の接触面は
伝熱面として作用するとともにモジュールの面方向の変
形を吸収するようになっている。

【００２７】基板２とハウジング７で囲まれた空間９に
は、電気絶縁性を有し、かつ、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。第１の熱
伝導部材１５に設けられた第１フィン１４および第２の
熱伝導部材１９に設けられた第２フィン１８の寸法は、
本実施例ではフィン厚が０.３〜０.５ｍｍ、フィン高さ
が１.５〜４ｍｍ、フィン間の間隙（片側）が５〜２５
μｍの範囲にある。

【００２８】次に本実施例の作用について説明する。

【００２９】本実施例では、半導体デバイス３に、第１
の熱伝導部材１５が半田層１６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。また、第２の熱伝導部材１９
のベース部１７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。

【００３０】また、ハウジング７の内壁および第２の熱
伝導部材１９のベース部１７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２０に第２の熱伝導部材のベース部１７間の接触
熱抵抗を小さく抑えることが可能である。さらに、本実
施例ではフィン厚さを比較的厚く保ちながらフィン間の
間隙を小さく、かつ、フィン高さを低くするため第１お
よび第２の熱伝導部材の加工の容易さを保ちながら熱抵
抗を極めて小さくすることができる。

【００３１】図２に、本実施例の熱伝導体の単位断面積
当たりの熱抵抗の計算例を示す。横軸はフィンの高さを
表し、縦軸は単位断面積当たりの熱抵抗を表す。この例
では、第１フィンの材質は窒化アルミニウムであり、第
２フィンの材質は銅である。また、伝熱媒体は鉱物油で
ある。パラメータはフィン間の間隙（片側）であり、本
実施例では、従来の熱伝導体では検討されていない狭間
隙の領域に着目している。また本実施例では加工の容易
さを保つために、フィン厚さの比較的厚い領域に着目し
ており、この計算例ではフィン厚さは０.５ｍｍであ
る。狭間隙の領域を用いることにより、このような比較
的厚いフィンを用いながら単位断面積当たり０.５〜０.
７５℃ｃｍ²／Ｗ程度の極めて低い熱抵抗値を得ること
ができる。

【００３２】さらに、このような狭間隙の領域を用いる
ことにより、熱抵抗を最小にするフィン高さが、１.５
〜４ｍｍと従来の熱伝導体よりも低くなり、フィンの加
工もさらに容易になる。図２の計算例ではフィン厚さは
０.５ｍｍであるが、加工の容易さからはフィン厚さは
０.３〜０.５ｍｍであることが望ましい。また、第１お
よび第２フィンの材質としては図２の計算例の他にも、
例えば双方とも窒化アルミニウムの場合、シリコンを用
いる場合等、種々考えられる。

【００３３】図３に本発明の第２の実施例を示す。

【００３４】本実施例では伝熱媒体として熱伝導性かつ
電気絶縁性の液体を用いている。このような液体として
は、例えば鉱物油がある。本実施例ではモジュールを、
前記第１フィン１４および第２のフィン１８の長手方向
が鉛直方向と実質的に一致するように実装し、液体の封
入量は、液面２１が、モジュールの最上部に位置する半
導体デバイスに固着された第１フィン１４の下端から上
端の間の高さにくるように制御されている。また、この
ようにしてモジュール内に作り出された空間２２には、
窒素等の不活性気体が満たされる。

【００３５】このような構成とすることにより、液体の
表面張力によって、フィン間および第２フィンとハウジ
ング内壁間の接触面２３に液体を供給しながらモジュー
ル内に液体の膨張を吸収するための空間を作り出すこと
ができ、余分な膨張吸収室を設ける必要が無いため、伝
熱媒体として液体を用いて高い冷却性能を得ながらモジ
ュールを小型化できる。

【００３６】図４に本発明の第３の実施例を示す。

【００３７】本実施例は、第２の実施例と次ぎの点で異
なる。すなわち、第２の熱伝導部材１９のベース部１７
にハウジング７と接触する面２３と第２フィン１８の根
元部が貫通する微細な穴２６を設け、ハウジング７の内
壁２０には第２の熱伝導部材１９のベース部１７の接触
面２３と交わるように微細な溝２７を設けられている。
モジュ−ル内には、熱伝導性かつ電気絶縁性を有する液
体が封入されており、その液面２１は、ハウジング７の
内壁２０に設けられた微細な溝２７の一部に接触するよ
うに液体の量が調整されている。モジュールは、ハウジ
ング７の微細な溝２７の長手方向が鉛直方向と実質的に
一致するように立てて実装されている。

【００３８】このような構成とすることにより、液体
は、液体の表面張力によってハウジング７の微細な溝２
７を伝わり第２の熱伝導部材１９のベース部１７とハウ
ジング７の内壁２０間の接触面２３、接触面２３から第
２の熱伝導部材１９のベース部１７に設けられた微細な
穴２６を介して第１フィン１４および第２フィン１８間
に供給される。このように液体の封入量を調整している
ので、液体を供給することができ、かつモジュール内に
液体の膨張を吸収するための更に大きな空間を作り出す
ことができるため、余分な膨張吸収室を設ける必要が無
いため、伝熱媒体として液体を用いて高い冷却性能を得
ながらモジュールを更に、小型化できる。

【００３９】図５に本発明の第４の実施例を示す。

【００４０】本実施例では、フランジ５に前記液体をモ
ジュール内に導入、排出するためのバルブ機構２４、２
５が２個所に設けられ、かつ、それらが第１フィン１４
および第２フィン１８の長手方向に平行な方向にモジュ
ールの１辺の長さにほぼ等しい距離をおいて設けられて
いる。

【００４１】このような構成とすることにより、次のよ
うな作用が生じる。

【００４２】モジュール内に液体を導入する際には、モ
ジュールを第１フィン１４および第２フィン１８の長手
方向が鉛直方向と一致するように立て、バルブ２４が上
に、バルブ２５が下に位置するようにする。この状態
で、これらのバルブを開き、バルブ２５から液体をモジ
ュール内に導入する。本実施例ではバルブ２４が最上部
に位置しているので、モジュール内の空気を液面の上昇
によってバルブ２４から排出することができる。また第
１フィン１４および第２フィン１８の長手方向が鉛直方
向と一致しているのでフィン間の間隙内に空気がトラッ
プされることが少なく、安定した冷却性能を得ることが
できる。

【００４３】逆にモジュール内から液体を排出する際に
は、バルブ２４とバルブ２５の位置関係を前記したのと
同様に保ち、これらのバルブを開くことにより、液体が
バルブ２５から排出されると同時に空気がバルブ２４か
らモジュール内に導入されるので、液体の排出は極めて
容易であり、保守作業時のモジュールの分解も容易であ
る。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下の効果が得られる。

【００４５】第１に、熱伝導体のフィンの厚さを比較的
厚く保ちながらフィン間の間隙を小さく、かつ、フィン
の高さを低くすることにより、フィンの加工が容易にな
ると同時に極めて高い冷却性能を得ることができる。

【００４６】また、第２に、モジュールに封入する液体
の量を、モジュールを第１および第２のフィンの長手方
向が鉛直方向と実質的に一致するように立てた場合に、
液面が、モジュールの最上部に位置する半導体デバイス
に固着された第１フィンの下端から上端の間の高さ、好
ましくは、第１フィンの下端と上端の中央の高さから上
端の高さの間の高さにくるように制御するため、余分な
膨張吸収室を設けること無く、モジュール内に液体の膨
張を吸収するための空間を作り出すことができ、高い冷
却性能を得ながらモジュールを小型化することができ
る。又、第２の熱伝導部材のベース部にハウジングと接
触する面と第２フィンの根元部が貫通する微細な穴を設
け、ハウジングの内壁には第２の熱伝導部材のベース部
の接触面と交わるように微細な溝を設け、液体の液面を
ハウジングの内壁に設けられた微細な溝の一部に接触す
るようにモジュールに封入する液体の量を調整し、モジ
ュールを、ハウジングの微細な溝の長手方向が鉛直方向
と実質的に一致するように立てて実装することにより、
液体は、液体の表面張力によってハウジングの微細な溝
を伝わり第２の熱伝導部材のベース部とハウジング内壁
間の接触面、接触面から第２の熱伝導部材のベース部に
設けられた微細な穴を介してフィン間および第２フィン
に供給される。そして、液体を供給しながらモジュール
内に液体の膨張を吸収するための更に大きな空間を作り
出すことができ、余分な膨張吸収室を設ける必要が無
い。このため、伝熱媒体として液体を用いて高い冷却性
能を得ながらモジュールを更に、小型化できる。

【００４７】また、第３に、モジュール内に液体を導入
し排出するためのバルブ機構を２個所に設け、かつ、そ
れらが第１フィンおよび第２フィンの長手方向に平行な
方向にモジュールの１辺の長さにほぼ等しい距離をおい
て設けられるようにしたため、モジュール内への液体の
導入および排出が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すモジュールの縦断
面図である。

【図２】本発明の第１の実施例の熱抵抗を示す図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施例を示すモジュールの縦断
面図である。

【図４】本発明の第３の実施例を示すモジュールの縦断
面図である。

【図５】本発明の第４の実施例を示すモジュールの縦断
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…半田ボール、５…フランジ、６…Ｏリング、７
…ハウジング、８…ボルト、９…密閉空間、１０…流
路、１１…上蓋、１２…カプラ、１３…ベース、１４…
第１フィン、１５…第１の熱伝導部材、１６…半田層、
１７…ベース、１８…第２フィン、１９…第２の熱伝導
部材、２０…平坦な内壁、２１…液面、２２…空間、２
３…接触面、２４、２５…バルブ、２６…穴、２７…
溝、２８…弾性部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者佐々木重幸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)発明者大黒崇弘神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者出居昭男神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者笠井憲一神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立製作所汎用コンピュータ事業部内 (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回路基板と、前記回路基板上に実装された
複数の半導体デバイスと、前記回路基板を覆うハウジン
グと、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設
けられた、前記半導体デバイス面に垂直な方向にのび、
かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を有する第１お
よび第２の熱伝導部材から構成される熱伝導体とから成
る半導体モジュールにおいて、前記第１および第２の熱
伝導部材のそれぞれに形成されたフィンどうしの間隙
が、５〜２５μｍの範囲の構造であることを特徴とする
半導体モジュール。
【請求項２】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
て、前記第１および第２のフィンの厚みが、０.３〜０.
５ｍｍの範囲であることを特徴とする半導体モジュー
ル。
【請求項３】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
て、前記第１および第２のフィンの高さが、１.５〜４
ｍｍの範囲であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項４】請求項１に記載の半導体モジュールを、前
記第１および第２のフィンの長手方向が鉛直方向と実質
的に一致するように立てた場合に、モジュール内に封入
する伝熱液体の液面が、モジュールの最上部に位置する
半導体デバイスに固着された第１フィンの下端から上端
の間の高さにあるようにしたことを特徴とする半導体モ
ジュール。
【請求項５】請求項１に記載の半導体モジュールにおい
て、前記モジュールの上下の各端部に、前記伝熱液体を
導入し排出するバルブ機構を設けたことを特徴とする半
導体モジュール。
【請求項６】回路基板と、前記回路基板上に実装された
複数の半導体デバイスと、前記回路基板を覆うハウジン
グと、前記半導体デバイスと前記ハウジングとの間に設
けられた、前記半導体デバイス面に垂直な方向にのび、
かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を有する第１お
よび第２の熱伝導部材から構成される熱伝導体とから成
る半導体モジュールにおいて、前記第１および第２の熱
伝導部材のそれぞれに形成されたフィンどうしの間隙が
５〜２５μｍ、かつ厚みが０.３〜０.５ｍｍ、かつ高さ
が１.５〜４ｍｍの範囲にあるとともに、前記第１およ
び第２のフィンの長手方向が鉛直方向と実質的に一致す
るように立てた場合に、モジュール内に封入する伝熱液
体の液面が、モジュールの最上部に位置する半導体デバ
イスに固着された第１フィンの上下端の中央の高さから
上端の高さの間にあり、かつ、前記モジュールの上下の
各端部に、前記伝熱液体を導入し排出するバルブ機構を
設けたことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項７】回路基板(2)と、前記回路基板上に実装さ
れた複数の半導体デバイス(3)と、前記回路基板を覆う
ハウジング(7)と、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た、前記半導体デバイス面に垂直な
方向にのび、かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を
有する第１および第２の熱伝導部材(15)、(19)から構成
される熱伝導体とから成る半導体モジュールにおいて、
前記半導体デバイス(3)には、ベース(13)に垂直に一体
形成された互いに平行な複数の第１フィン(14)を有し、
かつ、前記第１フィンが前記ハウジング側に垂直に伸長
するように第１の熱伝導部材(15)が固着され、前記ハウ
ジングは、外壁側に一体に形成された放熱器と平坦な内
壁とを備え、前記第２の熱伝導部材(19)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
い面積を有するベースと該ベース上に互いに平行に垂直
に一体形成された複数の第２フィン(18)から成り、前記
半導体デバイス(3)に個々に固着された第１の熱伝導部
材(15)の第１フィン(14)と前記個々の第２の熱伝導部材
(19)の第２フィン(18)とは微小な間隙を介して係合して
おり、前記第１フィン(14)および第２フィン(18)の寸法
は、フィン厚が０.３〜０.５ｍｍ、高さが１.５〜４ｍ
ｍの範囲にあり、かつ、前記第１フィンおよび第２フィ
ンの間の間隙の大きさが５〜２５μｍの範囲にあり、前
記第１の熱伝導部材(15)と第２の熱伝導部材(19)の間に
は弾性部材が設けられ、前記第２の熱伝導部材(19)のベ
ース部のフィン形成面とは逆側の面は、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おり、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こと
を特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】請求項７に記載の半導体モジュールにおい
て、前記第１の熱伝導部材または第２の熱伝導部材は窒
化アルミニウムで形成されている半導体モジュール。
【請求項９】回路基板(2)と、前記回路基板上に実装さ
れた複数の半導体デバイス(3)と、前記回路基板を覆う
ハウジング(7)と、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た、前記半導体デバイス面に垂直な
方向にのび、かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を
有する第１および第２の熱伝導部材(15)、(19)から構成
される熱伝導体とを備えた半導体モジュールにおいて、
前記半導体デバイス(3)には、ベース(13)に垂直に一体
形成された互いに平行な複数の第１フィン(14)を有し、
かつ、前記第１フィンが前記ハウジング側に垂直に伸長
するように第１の熱伝導部材(15)が固着され、前記ハウ
ジングは、外壁側に一体に形成された放熱器と平坦な内
壁とを備え、前記第２の熱伝導部材(19)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
い面積を有するベースと該ベース上に互いに平行に垂直
に一体形成された複数の第２フィン(18)から成り、前記
半導体デバイス(3)に個々に固着された第１の熱伝導部
材(15)の第１フィン(14)と前記個々の第２の熱伝導部材
(19)の第２フィン(18)とは微小な間隙を介して係合して
おり、前記第１の熱伝導部材(15)と第２の熱伝導部材(1
9)の間には弾性部材が設けられ、前記第２の熱伝導部材
(19)のベース部のフィン形成面とは逆側の面は、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
おり、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
いるとともに、その封入量は、前記第１および第２のフ
ィンの長手方向が鉛直方向と実質的に一致するようにモ
ジュールを立てた場合に、液面(21)が、モジュールの最
上部に位置する半導体デバイスに固着された第１フィン
の下端から上端の間の高さにあるように制御されている
ことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】請求項９記載の半導体モジュールにおい
て、前記熱伝導性かつ電気絶縁性の流体の液面(21)が、
モジュールの最上部に位置する半導体デバイス(3)に固
着された第１フィン(14)の下端と上端との中央の高さか
ら上端の高さの間にあるように制御されていることを特
徴とする半導体モジュール。
【請求項１１】回路基板(2)と、前記回路基板上に実装
された複数の半導体デバイス(3)と、前記回路基板に取
り付けられたフランジ(5)と、前記回路基板を覆うハウ
ジング(7)と、前記半導体デバイスと前記ハウジングと
の間に設けられた、前記半導体デバイス面に垂直な方向
にのび、かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を有す
る第１および第２の熱伝導部材から構成される熱伝導体
とを備えた半導体モジュールにおいて、前記半導体デバ
イス(3)には、ベース(13)と該ベースに垂直に一体形成
された互いに平行な複数の第１フィン(14)を有する第１
の熱伝導部材(15)が、前記第１フィンが前記ハウジング
側に垂直に伸長するように固着され、前記ハウジング
(7)は、外壁側に一体に形成された放熱器と平坦な内壁
とを備え、前記第２の熱伝導部材(19)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
面積を有するベースと互いに平行にベース上に垂直に一
体形成された複数の第２フィン(18)から成り、前記半導
体デバイスに個々に固着された第１の熱伝導部材の第１
フィン(14)と前記個々の第２の熱伝導部材の第２フィン
(18)とは微小な間隙を介して系合しており、前記第１の
熱伝導部材(15)と第２の熱伝導部材(19)の間には弾性部
材が設けられ、前記第２の熱伝導部材のベース部のフィ
ン形成面とは逆側の面は、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おり、前記回路基板
(2)と前記フランジ(5)と前記ハウジング(7)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
されており、前記ハウジングまたは前記フランジには前
記流体を前記密閉空間内に導入、排出するためのバルブ
機構(24)、(25)が２ヵ所に設けられ、かつ、それらが前
記第１および第２のフィンの長手方向に平行な方向に距
離をおいて設けられていることを特徴とする半導体モジ
ュール。
【請求項１２】回路基板(2)と、前記回路基板上に実装
された複数の半導体デバイス(3)と、前記回路基板に取
り付けられたフランジ(5)と、前記回路基板を覆うハウ
ジング(7)と、前記半導体デバイスと前記ハウジングと
の間に設けられた、前記半導体デバイス面に垂直な方向
にのび、かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面を有す
る第１および第２の熱伝導部材(15)、(19)から構成され
る熱伝導体とを備えた半導体モジュールにおいて、前記
半導体デバイス(3)には、ベース(13)と該ベース上に垂
直に一体形成された互いに平行な複数の第１フィン(14)
を有し、かつ、前記第１フィンが前記ハウジング側に垂
直に伸長するように第１の熱伝導部材(15)が固着され、
前記ハウジングは、外壁側に一体に形成された放熱器と
平坦な内壁とを備え、前記第２の熱伝導部材(19)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ベースと該ベース上に互いに平
行に垂直に一体形成された複数の第２フィン(18)から成
り、前記半導体デバイスに個々に固着された第１の熱伝
導部材の第１フィン(14)と前記個々の第２の熱伝導部材
の第２フィン(18)とは微小な間隙を介して係合してお
り、前記第１の熱伝導部材と第２の熱伝導部材の間には
弾性部材が設けられ、前記第２の熱伝導部材のベース部
のフィン形成面とは逆側の面は、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おり、前記回路
基板(2)と前記フランジ(5)と前記ハウジング(7)で形成
される密閉空間内には熱伝導性かつ電気絶縁性を有する
流体が封入されており、前記ハウジングまたは前記フラ
ンジには前記流体を前記密閉空間内に導入し排出するた
めのバルブ機構(24)、(25)が２ヵ所に設けられ、かつ、
それらが前記第１および第２のフィン(14)、(18)の長手
方向に平行な方向にモジュールの１辺の長さとほぼ等し
い距離をおいて設けられていることを特徴とする半導体
モジュール。
【請求項１３】請求項９または１０に記載の半導体モジ
ュールを、前記第１および第２のフィン(14)、(18)の長
手方向が鉛直方向と実質的に一致するように立てて実装
することを特徴とする半導体モジュ−ル。
【請求項１４】回路基板(2)と、前記回路基板上に実装
された複数の半導体デバイス(3)と、前記回路基板を覆
うハウジング(7)と、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た、前記半導体デバイス面に垂直
な方向にのび、かつ間隙を介して互いに対向する伝熱面
を有する第１および第２の熱伝導部材(15)、(19)から構
成される熱伝導体とを備えた半導体モジュールにおい
て、前記半導体デバイス(3)には、ベース(13)に垂直に
一体形成された互いに平行な複数の第１フィン(14)を有
し、かつ、前記第１フィンが前記ハウジング側に垂直に
伸長するように第１の熱伝導部材(15)が固着され、前記
ハウジングは、外壁側に一体に形成された放熱器と平坦
な内壁とを備え、前記第２の熱伝導部材(19)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ベースと該ベース上に互いに平行に
垂直に一体形成された複数の第２フィン(18)から成り、
前記半導体デバイス(3)に個々に固着された第１の熱伝
導部材(15)の第１フィン(14)と前記個々の第２の熱伝導
部材(19)の第２フィン(18)とは微小な間隙を介して系合
しており、前記第１の熱伝導部材(15)と第２の熱伝導部
材(19)の間には弾性部材が設けられ、前記第２の熱伝導
部材(19)のベース部のフィン形成面とは逆側の面は、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、かつ、前記第２の熱伝導部材(19)のベース部には、
前記ハウジングと接触する面と第２フィン(18)の根元部
が貫通する微細な穴が一つあるいは複数個設けられ、前
記ハウジングの内壁には前記第２の熱伝導部材(19)のベ
ース部の接触面と交わるように微細な溝が一つあるいは
複数個設けられており、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ことを特徴とする半導体モジュー
ル。
【請求項１５】請求項１４記載の半導体モジュールにお
いて、前記半導体モジュールを、前記ハウジングの微細
な溝の長手方向が鉛直方向と実質的に一致するように立
てて実装し、前記熱伝導性かつ電気絶縁性の流体の液面
(21)が、前記ハウジングの内壁に設けられた微細な溝の
一部に接触するように制御されていることを特徴とする
半導体モジュール。