JPH09129791A - 基板に取り付けられた熱だめおよび複数の集積回路のための熱接続構造 - Google Patents

基板に取り付けられた熱だめおよび複数の集積回路のための熱接続構造

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JPH09129791A
JPH09129791A JP8247250A JP24725096A JPH09129791A JP H09129791 A JPH09129791 A JP H09129791A JP 8247250 A JP8247250 A JP 8247250A JP 24725096 A JP24725096 A JP 24725096A JP H09129791 A JPH09129791 A JP H09129791A
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heat
substrate
heat sink
chip
connection structure
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Chandrakant Patel
チャンドラカント・パテル
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】熱だめとマルチチップモジュール（ＭＣＭ）内
部のチップとの間の熱接続構造。 【解決手段】ＭＣＭの基板４４の内部に形成されたくぼ
み４３に貫入する支持リング５１の付いた熱だめ４０か
ら構成し、熱だめ４０とチップとの間に設けた伝熱媒体
４５が低熱抵抗の熱接続構造を形成する。これはチップ
を冷却してＭＣＭの動作を確実にする。くぼみ４３には
硬化し得る接着剤４１が詰められ、熱だめ４０をＭＣＭ
の基板４４に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は基板に取り付けられた熱
だめおよび複数の集積回路のための熱接続構造に関す
る。
【０００２】
【発明の背景と概要】高性能且つ低価格の最近の小型コ
ンピュータは集積回路（ＩＣ）内部で達成し得る高い装
置密度および高いクロック速度の賜物である。小型コン
ピュータに使用されるＩＣは多数の入出力（Ｉ/Ｏ）相
互接続を必要とし、高クロック速度で動作し、隣接ＩＣ
間の導体経路が短いことが必要である。フリップチップ
・マルチチップモジュールは、ＭＣＭとも言われるが、
Ｉ/Ｏ相互接続および短導体経路を提供する。ＭＣＭで
は、多数の未実装ＩＣまたはチップが各チップの装置側
を共通の基板に向けて取り付けられている。チップはは
んだバンプを使用して基板に取り付けられているが、チ
ップ間の導体経路は基板によって与えられている。各チ
ップの裏側はチップを冷却するのに使用される熱だめに
対する熱接続構造となっている。
【０００３】チップの装置密度およびクロック速度の高
いことは対応して電力密度および消費電力を増大させ
る。たとえば、ＭＣＭ内の単一チップはわずか300平方
ミリメートルの面積であるが、60ワットもの電力を消費
する。小型コンピュータの性能が更に高い装置密度およ
び更に高いクロック速度に向かう集積回路を駆動する傾
向にあるので、チップの電力密度および消費電力も増大
すると予想される。したがって、チップの裏側と熱だめ
との間の熱接続構造で熱抵抗が低いことはチップを冷却
し、ＭＣＭの確実な動作を確保するのに不可欠である。
残念ながら、基板平坦度の変動、寸法公差の累積、およ
びチップ、基板、および熱だめの熱膨張係数の不整合が
簡単な費用効果的方法でチップを冷却することを困難に
している。
【０００４】従来技術のチップ冷却法はDarveauxおよび
Turlik著「マルチチップモジュール内のフリップチップ
装置の裏側冷却」、ＩＣＭＣＭ会報、1992、PP.230-241
に述べられている。この方法は熱伝導モジュール（ＴＣ
Ｍ）に用いられ、ＴＣＭ内の各チップの裏側に接触する
ばね負荷型銅ピストンの付いた水冷熱だめを組み込んで
いる。ピストンは寸法公差の累積および熱だめ、チッ
プ、および基板の間の熱膨張係数の不整合に適応する機
械的コンプライアンスを与える。このＴＣＭは本体コン
ピュータのチップを冷却するには実行可能であるが、こ
の方法は低価格の小型コンピュータに組み込むのには経
費がかかりすぎる。
【０００５】他の従来技術のチップ冷却法は1995年７月
４日に発行された米国特許第5,430,611号でPatel等によ
り教示されている。この方法はフリップチップ・マルチ
チップモジュール（ＭＣＭ）を封入した熱だめを使用し
ている。ＭＣＭ内部のチップの裏側は基板の、チップが
取り付けられている側とは反対の側に設置されたばね機
構により熱だめに対して片寄せられている。この方法は
チップを効果的に冷却するが、ばね機構が存在するの
で、ピングリッドアレイのような普通の電気コネクタを
使用して基板の裏側を通してＭＣＭ内に電気相互接続を
持ってくることは困難である。
【０００６】本発明の例示好適実施例によれば、位置参
照機構がフリップチップ・マルチチップモジュール（Ｍ
ＣＭ）内のチップと熱だめとの間の熱抵抗が低い低価格
の熱接続構造を与える。参照機構はＭＣＭの基板内に形
成されたくぼみに嵌まっている支持リングを有する熱だ
めから構成されている。支持リングがくぼみに入る深さ
は、チップを冷却してＭＣＭの確実な動作を確保する、
チップの裏側に対する熱だめの位置の基準となる。くぼ
みには硬化し得る接着剤を詰めてあり、接着剤が硬化す
ると、熱だめが基板に固着される。
【０００７】
【好適実施例の説明】図１は本発明の好適実施例に従っ
て構成されているフリップチップ・マルチチップモジュ
ール（ＭＣＭ）２の斜視図を示す。１個のＶＬＳＩ（非
常に大規模な集積）チップ５および10個のＲＡＭチップ
７を示してある。多数のチップ５および７はムライト、
アルミナ、または他の適切な材料から構成された基板４
に取り付けられている。しばしば、基板は各層にチップ
間配線となる導体を備えた多数の平面状層を使用して製
作される。未実装ＩＣまたはチップ５および７は、それ
らの装置側を基板４に向けて、はんだバンプ（図示せ
ず）を用いて基板４に取り付けられている。はんだバン
プはチップ５および７と基板４との間の電気的接続およ
び物理的取り付けを行なう。チップは互いに密接してチ
ップを高クロック速度で動作できるようにする短い導体
経路を確定している。小型コンピュータ用途に使用され
る典型的ＭＣＭ２は、各々が60ワットより多く消費する
一つ以上のＶＬＳＩチツプ５、および各々が４ワットよ
り多く消費するキャッシュＲＡＭチップ７のような一揃
いの他のチツプを備えることができる。このＭＣＭ２で
は、ＶＬＳＩチツプ５およびキャッシュＲＡＭチップ７
は全部で100ワツトより多く消費する。
【０００８】図２はＭＣＭ２の各チップ５および７の裏
側と本発明の好適実施例に従って構成された熱だめ10
（概略図示してある）との間の熱抵抗の概略表現であ
る。１個のＶＬＳＩチップ５および２個のキャッシュＲ
ＡＭチップ７が基板４に取り付けられて図示されてい
る。RvはＶＬＳＩチップ５の裏側と熱だめ10との間の熱
抵抗の概略表現であり、Rsは熱だめ10と周囲空気13との
間の熱抵抗を表す。ＭＣＭ２が確実に動作するために
は、ＶＬＳＩチップ５およびキャッシュＲＡＭチップ７
の内部の装置の接合温度を、熱だめ10を温度40℃の周囲
空気に曝したとき、85℃より下に維持する。
【０００９】一例として、熱抵抗Rhsは熱だめ10の冷却
能力を示し、0.35℃/Ｗに等しい。チップ５および７の
全消費電力は100ワツトである。周囲空気13が40℃であ
るとき、熱だめの温度は約75℃であり、これは40℃にRh
s（0.35℃/Ｗ）とＭＣＭ２による全消費電力（100Ｗ）
との積を加えたものである。熱だめ10の温度はしたがっ
て接合温度を85℃より低く維持するのに必要な熱抵抗値
RvおよびRsを決定する。ＶＬＳＩチップ５は60ワットを
消費するので、Rvを（85℃−75℃）/60Ｗと計算するこ
とができ、これは約0.17℃/Ｗに等しい。同様に、Rsを
(85℃−75℃）/４Ｗと計算することができ、これは約2.
5℃/Ｗに等しい。要約すれば、この例のＭＣＭ２は100
ワツトを消費し、熱抵抗Rhsは0.35℃/Ｗに等しく、Rvは
0.17℃/Ｗに等しく、Rsは2.5℃/Ｗに等しい。
【００１０】図３はＭＣＭ32のチップ９と熱だめ30との
間の熱接続構造Ｈに対する従来技術の参照技法を示す。
熱だめ30と伝熱媒体34は寸法公差の累積を例示する目的
で基板36およびチップ９から分離して図示してある。Ｍ
ＣＭ32は通常、基板36に取り付けられた熱だめ30を備え
ており、伝熱媒体34は熱だめ30の接触面33とチップ９と
の間に挾み込まれ、熱接続構造を形成している。間隙厚
さｔは接触面33とチップ９との間に形成された間隙によ
り規定される。幾つかの要因が伝熱媒体34の間隙厚さｔ
の制御を困難にしている。集積回路製造プロセスの制限
のためおよび基板36および熱だめ30に各々幾らかの固有
の量の不平坦度があるためチップの厚さを精密に制御す
ることができない。製造プロセスの制限のためはんだバ
ンプ38の大きさの変動も存在し、これはチップ９を取り
付けるとき基板36上のチップ９の高さに影響する。熱だ
め30のリップ31の長さｘの寸法公差も存在する。これら
因子のすべてが累積して、方向矢印ｚで示した、ｚ方向
の寸法公差累積を形成する。ｚ方向の公差累積は、チッ
プ９の裏側と基板36の表面との間の距離として示してあ
る距離ｄを精密に確定するのを困難にしている。
【００１１】従来技術の参照技法は熱だめ30を基板36の
表面に対して位置決めしている。したがって、リップ31
が基板36に接触すると、距離ｄを確定するのが困難であ
るから、今度は、チップ９と熱だめ30の接触面33との間
の間隙の間隙厚さｔを制御するのが困難である。この間
隙に伝熱媒体34が詰めてあり、その間隙厚さｔは熱接続
構造の熱抵抗に大きな影響を与える。ｚ方向の寸法公差
累積に適応するため、リップ31の長さｘをリップ31が熱
だめ30の表面33をチップ９の裏側に接触せずに基板36に
接触するのに十分な長さにする必要がある。しかし、長
さｘを最悪の場合の寸法公差累積に適応するに十分な長
さにすれば、75mm×75mmの大きさの基板36に対して、間
隙の間隙厚さｔは伝熱媒体34を0.3mmもの厚さになる。
熱伝導性エポキシまたは熱ペーストのような現在入手し
得る伝熱媒体34の熱伝導率は0.5から3.0Ｗ/m-℃であ
る。熱抵抗Rvを伝熱媒体34の厚さｔ（0.3mm）を伝熱媒
体34の熱伝導率（3.0Ｗ/m-℃）およびＶＬＳＩチップの
面積（300mm2）で割ったものにより近似することができ
る。これにより約0.33℃/Ｗに等しい熱抵抗Rvが得ら
れ、これは所要熱抵抗値0.17℃/Ｗより大きい。その結
果、この従来技術の参照技法はチップ９の接合温度を所
要値85℃より高くし、ＭＣＭ２の信頼性にマイナスの影
響を与える。
【００１２】図４はＭＣＭ32のチップ49と本発明に従っ
て構成された熱だめ40との間の熱接続構造に対する参照
機構を示す。熱だめ40は熱を熱接続構造から周囲空気に
伝える。基板44に形成されたくぼみ43は熱だめ40の、ｚ
方向の、位置がフリップチップ・マルチチップモジュー
ル（ＭＣＭ）42のチップ49の裏側を参照できるようにす
る。チップ49の厚さの変動、基板44および熱だめ40の不
平坦度、およびはんだバンプ47の大きさの変動によるｚ
方向の寸法公差累積が存在することがあるが、チップ49
の裏側と熱だめ40との間に形成される間隙57の厚さthは
精密に制御される。間隙57に伝熱媒体45を詰めてある。
間隙57は十分薄く、熱だめ40とチップ49との間の熱抵抗
を十分低くしてチップ内の装置の接合温度をＭＣＭ42の
確実な動作を確保するのに十分な冷たさにしている。
【００１３】付着させた伝熱媒体45の厚さは所要熱抵抗
Rv、伝熱媒体45の熱伝導率、およびチップ49の面積の積
によって決まる。この例では、所要熱抵抗Rvは0.17℃/
Ｗより少なく、伝熱媒体45の熱伝導率は2.5Ｗ/m-℃であ
り、チップの面積は300mm2である。伝熱媒体45の厚さth
は0.0025Ｗ/mm-℃に0.17℃/Ｗを乗じ、更に300mm2を乗
じたものに等しく、これは0.13mmに等しい。厚さthが0.
13mmより少ない伝熱媒体45は熱抵抗Rvを0.17℃/Ｗより
少なくすることができ、したがって接合温度が確実に85
℃より低くなる。
【００１４】本発明の位置実施例では、伝熱媒体45はチ
ツプ49を熱だめ40に取り付ける材料である。このような
材料の例にははんだおよび熱伝導性エポキシがある。伝
熱媒体45としてチップ49の裏側に付着された熱伝導性エ
ポキシは熱だめ40をチップ49に取り付ける。はんだは伝
導性エポキシよりはるかに低い熱抵抗を示すが、はんだ
はチップ49の裏側を金属化するはんだ接続を使用する必
要がある。はんだまたは伝導性エポキシを使用するとき
は、熱だめの熱膨張係数（ＴＣＥ）は基板44のＴＣＥに
厳密に整合すべきである。ＴＣＥが整合していると、温
度変化により生ずる熱だめ49および基板44の寸法変化の
相違が減ることによりチップ49およびはんだバンプに加
わる機械的応力が減少する。体積で約70パーセントアル
ミニウムのアルミニウム炭化珪素のようなアルミニウム
・セラミック複合体は優れた熱伝導率を示し、そのＴＣ
Ｅは、普通の基板材料であるアルミナのＴＣＥと整合し
ている。アルミニウム炭化珪素はＡＬＣＯＡ社から入手
でき、熱だめ40を形成するのに整形しやすい。基板44の
ＴＣＥおよび熱だめ40のＴＣＥが整合しているので、く
ぼみ43に詰めるのに使用する接着剤41をエポキシまたは
樹脂のように剛くすることができる。
【００１５】代わりの実施例では、伝熱媒体45は熱だめ
40とチップ49との間を相対移動させる、ペーストまたは
熱コンパウンドのような、材料である。チップ49の裏側
に付着した熱伝導性ペーストまたは熱コンパウンドは伝
熱媒体45として作用するが、チップ49を熱だめ40に取り
付けない。この代わりの実施例では、熱だめ40のＴＣＥ
は、熱コンパウンドが、チップ49と熱だめ40との間の相
対移動を可能とすることによりチップ49およびはんだバ
ンプ47に加わる機械的応力を減らすので、基板44のＴＣ
Ｅと整合している必要はない。相対移動は、不整合ＴＣ
Ｅにより生ずる温度変化から生ずる熱だめ40および基板
44の寸法変化が異なることから生ずる。不整合ＴＣＥは
熱だめを、アルミニウム、銅、または他の良好な熱伝導
体のような、多様な共通材料から形成することができる
ようにする。この代わりの実施例では、基板44を支持リ
ング51に取り付けるのに使用する硬化し得る接着剤41は
柔軟であり、エラストマまたは軟らかい樹脂から構成さ
れている。硬化し得るエラストマの一例は、ダウ・コー
ニング会社により製造されているＳylgardである。
【００１６】図５は本発明の好適実施例に従って構成さ
れたくぼみ43の詳細図を示す。くぼみの深さａはＭＣＭ
の構成要素のｚ方向の全寸法公差累積より深い。支持リ
ング51がくぼみ43に貫入する深さｃにより熱だめ40が伝
熱媒体45と確実に接触して設置される。これは熱だめの
位置をチップ49の裏側と関連させる。くぼみ幅ｂは温度
変化による熱だめ40および基板44の寸法変化の差に適応
する。くぼみ幅ｂは支持リング51の幅ｄに熱だめ40の長
さ、温度範囲、および基板44と熱だめ40との間のＴＣＥ
の差の積を加えたものより大きい。硬化し得る接着剤41
はくぼみ43を埋め、接着剤41が硬化すると、熱だめ40は
基板44に固着される。くぼみ43は熱だめ40と基板44との
間に接着剤により取り付けるための適切な表面積を与え
る。くぼみ43は、ＭＣＭ42がＰＧＡ54または他の電気コ
ネクタにより他の回路に接続されるとき力がしばしば熱
だめ40に加わるので、熱だめ40の支持体ともなる。
【００１７】図６はＭＣＭ42のチップと本発明の代わり
の適実施例に従って構成された熱だめ50との間の熱界面
に対する選択的参照機構の断面図を示す。しばしば、Ｍ
ＣＭ42の基板44に取り付けられたＶＬＳＩ55のような特
定のチップがＭＣＭ42の他のチップ49より消費電力また
は電力密度が高い。ＶＬＳＩチップ55と熱だめ50との間
で、他のチップ49と熱だめ50との間の熱抵抗に対して、
最低の熱抵抗を達成するのが望ましい。選択的参照はＶ
ＬＳＩチップ55が熱だめ・チップ界面で確実に最低熱抵
抗を示すようにする。ＶＬＳＩチップ55を選択的参照す
るには、台56をＶＬＳＩチップ55の位置に対応する領域
で熱だめ50に形成し、ＶＬＳＩ55と熱だめ50との間で伝
熱媒体46を、他のチップ49と熱だめ50との間で薄い伝熱
媒体48より薄くすることができる。
【００１８】参照機構は熱接続構造を形成し、チップと
熱だめとの間に低い熱抵抗を与える。フリップチップ・
マルチモジュール（ＭＣＭ）内のチップに対する好適実
施例は高速マイクロプロセッサを備えているもののよう
な単一チップモジュールに適用できる。参照機構も集積
回路の他に、抵抗器、電力トランジスタ、または他の個
別装置のような、他の熱発生装置に適用できる。本発明
の各用途において、熱だめの位置は熱発生装置を参照
し、それにより伝熱媒体の厚さを制御し、熱発生装置と
熱だめとの間の熱界面で低い熱抵抗を与える。
【００１９】本発明の他の実施例は当業者にはこの明細
書またはここに開示した本発明の実施を考察することに
より明らかであろう。仕様および例は模範に限ると考え
るつもりであり、本発明の真の範囲および精神は特許請
求の範囲に示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例に従って構成されたフリッ
プチップ・マルチモジュール（ＭＣＭ）の斜視図を示
す。
【図２】ＭＣＭのチップと本発明の好適実施例に従って
構成された熱だめとの間の熱抵抗の概略表現を示す。
【図３】ＭＣＭのチップと熱だめとの間の熱界面に対す
る従来技術の参照技法の断面図を示す。
【図４】ＭＣＭのチップと本発明の好適実施例に従って
構成された熱だめとの間の熱接続構造に対する参照機構
の断面図を示す。
【図５】本発明の好適実施例に従って構成されたくぼみ
の詳細図を示す。
【図６】ＭＣＭのチップと本発明の代わりの好適実施例
に従って構成された熱だめとの間の熱接続構造に対する
選択的参照機構の断面図を示す。
【符号の説明】
40…熱だめ 41…硬化し得る接着剤 43…くぼみ 44…基板 45…伝熱媒体 47…はんだバンプ 49、55…集積回路 51…支持リング 54…ピングリッドアレイ電気コネクタ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周囲空気と基板に取り付けられた少なく
    とも一つの集積回路との間の熱接続構造であって、 支持リングを有する熱だめと、 支持リングを受けるようになっている基板内のくぼみ
    と、 支持リングを基板に固定するための、くぼみ内部の硬化
    し得る接着剤、および少なくとも一つの集積回路と熱だ
    めとの間に設置され、熱を少なくとも一つの集積回路か
    ら熱だめに伝えるように動作する、所定厚さの伝熱媒体
    と、を特徴とする熱接続構造。
  2. 【請求項２】 熱だめの熱膨張係数は基板の熱膨張係数
    に等しい請求項１に記載の熱接続構造。
  3. 【請求項３】 伝熱媒体は熱だめおよび少なくとも一つ
    の集積回路の付属品となる請求項２に記載の熱接続構
    造。
  4. 【請求項４】 伝熱媒体は熱伝導エポキシを特徴とする
    請求項３に記載の熱接続構造。
  5. 【請求項５】 伝熱媒体ははんだを特徴とする請求項３
    に記載の熱接続構造。
  6. 【請求項６】 支持リングはアルミニウム炭化珪素を特
    徴とする請求項３に記載の熱接続構造。
  7. 【請求項７】 熱だめは更に台を備えて台と基板に取り
    付けられた、対応する集積回路との間に設置される伝熱
    媒体の厚さを減らすようにした請求項１に記載の熱接続
    構造。
  8. 【請求項８】 くぼみを有する基板と、 基板に取り付けられた少なくとも一つの熱発生装置と、 くぼみに貫入するようになっている支持リングを有する
    熱だめと、 少なくとも一つの熱発生装置と熱だめとの間に設置さ
    れ、熱を少なくとも一つの熱発生装置から熱だめに伝え
    る、所定厚さの伝熱媒体、およびくぼみの内部にあっ
    て、支持リングがくぼみに貫入する深さにより伝熱媒体
    を熱だめおよび少なくとも一つの熱発生装置に接触させ
    て設置する、支持リングを基板に固定する硬化し得る接
    着剤と、を特徴とするモジュールアセンブリ。
  9. 【請求項９】 基板に取り付けられた少なくとも一つの
    熱発生装置ははんだバンプを使用して基板に取り付けら
    れた少なくとも一つの集積回路を含む請求項１０に記載
    のモジュールアセンブリ。
  10. 【請求項１０】 更にピングリッドアレイ電気コネクタ
    を備えている請求項９に記載のモジュールアセンブリ。
  11. 【請求項１１】 基板に取り付けられた少なくとも一つ
    の集積回路を冷却する参照機構であって、 支持リングを有する熱だめと、 熱だめと集積回路との間に設置された、所定厚さの伝熱
    媒体と、 基板内に形成されて支持リングを受けるようになってい
    るくぼみであって、支持リングはくぼみに入って熱だめ
    を伝熱媒体に接触して設置するようにしているくぼみ、
    および支持リングの位置をくぼみ内に固定する接着剤
    と、を特徴とする機構。
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