JPH09219473A - 電子部品冷却構造を備えたパッケージおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便で、かつ放熱特性および接続信頼性に優
れた電子部品冷却構造を備えたパッケージおよびその製
造方法を提供すること。 【解決手段】 回路基板１０上に半田ボール等の接続手
段１２で搭載された電子部品１１と、電子部品１１の上
面の反りを型取りするように表面が形成された伝熱層１
４とが、伝熱ブロックの開口部１５ａを通じて対向し、
電子部品１１の上面の反りより小さい一定の間隙で保持
される。冷却手段１３と回路基板１０は周縁部におい
て、前記一定の間隙を規定するための封止材１７で封止
接続される。これにより、熱伝導率の低いガスを封入し
ても熱抵抗は増大せず、発熱量約１０Ｗ以上の電子部品
１１を充分冷却することが可能になる。また、電子部品
１１と冷却手段１３は水平方向に変位可能なので、電子
部品１１の接続手段１２に加わる応力が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子部品冷却構造を
備えたパッケージおよびその製造方法に関し、特に、放
熱特性と接続信頼性の両面に優れた電子部品冷却構造を
備えたパッケージおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子部品は、例えば大規模集積回
路（ＬＳＩ；Ｌarge Ｓcale Ｉntegrated Ｃircuit）チ
ップのように高集積化されて搭載されることが多くなっ
ている。電子部品を高集積化した場合には、動作時に個
々の電子部品から発生する熱は微少であっても単位面積
当たりの発熱量が増大するため電子部品が劣化する恐れ
がある。従って、電子部品を劣化させないために、簡便
かつ放熱性に優れた電子部品の冷却構造が強く要望され
ている。

【０００３】従来、この種の電子部品の冷却構造として
は、例えば、特開平７−１０６４７７号公報に開示され
ているものがある。この公報に開示された構造例を図１
７に示す。図１７において、参照符号１０は回路基板、
１１は集積回路チップなどの電子部品、１２は半田バン
プなどの接続手段、４０は回路基板の電子部品等が搭載
される表面である。また、４１は半田あるいはシリコン
オイル中に金属または金属酸化物の粒子を混ぜた熱ペー
ストなどの第一の熱伝達部材、４２は炭化珪素や銅タン
グステン合金からなる非可塑性の熱伝導板、４３は熱ペ
ーストなどの第二の熱伝達部材、４４はヒートシンク、
４５は扁平フレキシブルケーブル、４６は支持板、４７
は支持板４６とヒートシンク４４とで形成される空洞、
４８は支持板４６とヒートシンク４４を固着するネジを
それぞれ示している。一般に、ヒートシンクとは、電子
部品に熱的に結合されて電子部品から発生される熱を吸
収する装置で、例えば、複数のフィンを有するアルミニ
ウム板から構成される。

【０００４】このように構成される従来の冷却構造にお
いて、動作時に電子部品１１が発生する熱は、まず第一
の熱伝達部材４１に伝わり、さらに非可塑性の熱伝導板
４２および第二の熱伝達部材（熱ペースト）４３におい
て垂直方向および斜め上方方向に伝導して、ヒートシン
ク４４に達する。この構成において、冷却ファンなどを
用いて外部雰囲気を強制的に対流させることにより、電
子部品１１の放熱が促進される。一方、動作時または非
動作時に生じる熱的な膨張または収縮に伴って電子部品
１１へ加わる応力は、摺動を容易にする非可塑性の熱伝
導板４２と、熱ペーストなどからなる変形可能な第一の
熱伝達部材４１あるいは第二の熱伝達部材４３によって
吸収される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術の冷
却構造を採用した場合、第一の熱伝達部材４１は比較的
良好な熱伝導度（１.６〜２.６Ｗ／ｍ・Ｋ）を備えてい
るので、１.７ｃｍ×１.７ｃｍの面積を有する電子部品
の上面に厚さ約０.４ｍｍ塗布しても、その熱抵抗は０.
９〜０.５℃／Ｗである。非可塑性の熱伝導板４２やヒ
ートシンク４４など他の熱抵抗が加わることを考慮して
も、発熱量約１０Ｗ以上の電子部品を充分冷却すること
が可能である。しかしながら、上述したように、第一の
熱伝達部材４１として半田あるいはシリコンオイル中に
金属または金属酸化物の粒子を充填部材として混ぜた熱
ペーストを用いる場合には次のような別の問題が生ず
る。

【０００６】(i)時間の経過とともに、熱ペースト中の
金属または金属酸化物の粒子からなる充填粉体が徐々に
凝集してシリコンオイルから分離するという現象が生じ
る。そのためシリコンオイル成分のみが塗布エリアから
流出し、充填粉体（金属または金属酸化物の粒子）の比
率が増大して熱ペーストの流動性が低下する。その結
果、熱ペーストによって吸収していた電子部品への応力
が増大し、電子部品の劣化や半田バンプの接続信頼性の
低下を引き起こす。 (ii)また、上記塗布エリアから流出したオイル成分が電
子部品、回路基板あるいは半田バンプに付着し、絶縁不
良の原因になる。 (iii)さらに、電子部品を個別にリペア（交換）する場
合に、ヒートシンクを熱伝導板と一緒に電子部品から引
き剥がす必要があるが、一般に熱ペーストは垂直方向の
力に対して変形しにくいので、引き剥がすために大きな
力が必要となり、その結果、リペアしない電子部品の電
極や半田バンプが破壊される恐れがある。

【０００７】また、熱ペーストの使用を避ける方法とし
ては、例えば、第二の熱伝達部材４３として半田などの
低融点金属を用い、第一の熱伝達部材４１としてヘリウ
ムや窒素、空気のようなガスを充填する方法が考えられ
る。しかしながら、ヘリウムを充填する場合は、ガス漏
れが生じると熱伝導率が大幅に低下してしまうので、気
密性の高い封止構造を採用することが必須条件となる。
その際、半田を用いることにより高気密封止を達成でき
るが、高気密封止用の半田を溶融した際に第二の熱伝達
部材４３や接続手段１２に用いた半田が溶融してしまわ
ないように、高気密封止用の半田は第二の熱伝達部材４
３や接続手段１２に用いた半田に比較して充分に融点の
低いものを用いる必要がある。またチップリペアの際
は、高気密封止用の半田の剥離、再供給などの作業を行
う必要がある。

【０００８】一方、第一の熱伝達部材４１として窒素や
空気を充填する場合は高気密封止を必要としないが、熱
伝導率が熱ペーストの約１００分の１（０.０３Ｗ／ｍ
・Ｋ）なので、前記熱ペーストを使った場合と同等の熱
抵抗を達成するためには、ガスを充填するすき間、すな
わち電子部品１１の上面と熱伝導板４２との間隙を約４
μｍ以下に狭小化しなければならない。しかしながら、
ＬＳＩチップの上面は、デバイスの形成に起因する残留
応力のため通常約１０μｍ程度の反りを有しているのが
普通であり、平坦性の高い熱伝導板を使用したとして
も、ガスを充填するすき間を１０μｍ以下にすることは
不可能である。本発明の目的は、上記問題点を解消し、
簡便で、かつ放熱特性および接続信頼性に優れた電子部
品冷却構造を備えたパッケージおよびその製造方法を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子部品冷
却構造を備えたパッケージは、上記目的を達成するため
に、電子部品（１１）が装着されている回路基板（１
０）と、電子部品（１１）を冷却する冷却手段（１３）
と、該冷却手段（１３）と前記電子部品（１１）の間に
配置され、前記電子部品（１１）の表面が型取りされた
可塑性伝熱材料からなる伝熱層（１４）と、伝熱層（１
４）と電子部品（１１）との間に配置された非可塑性伝
熱材料からなる伝熱ブロック（１５）とからなる電子部
品冷却構造を備えたパッケージであって、伝熱ブロック
（１５）は電子部品（１１）の外形よりも小さい開口部
（１５ａ）を有し、該開口部（１５ａ）において伝熱層
（１４）と電子部品（１１）との間に実質的に均一かつ
一定の間隙（ｇ）を保持するようにしたことを特徴とし
ている。

【００１０】また、冷却手段（１３）の周縁部と回路基
板（１０）の周縁部を、実質的に均一かつ一定の間隙を
規定するためにＣリングやＯリングなどの封止材（１
７）を用いて封止接続することを特徴としている。さら
に、伝熱層（１４）として電子部品（１１）と回路基板
（１０）を接続する接続手段（１２）より低融点の金属
を用いることを特徴としている。そして、前記冷却手段
（１３）と回路基板（１０）とで囲まれた前記間隙を含
む全領域に化学的に不活性な気体、例えば、ヘリウム、
窒素、湿度を低くコントロールした空気のいずれかを封
入することを特徴としている。

【００１１】本発明に係る電子部品冷却構造を備えたパ
ッケージの製造方法は、冷却手段（１３）の中央部に可
塑性伝熱材料からなる伝熱層（１４）を形成するステッ
プと、非可塑性伝熱材料から成り、電子部品（１１）の
外形よりも小さい開口部（１５ａ）を有する伝熱ブロッ
ク（１５）を前記冷却手段（１３）上に形成された伝熱
層（１４）に接着するステップと、回路基板上に予め接
続された電子部品（１１）を前記伝熱層（１４）に接着
された伝熱ブロック（１５）の上面に当接するステップ
と、前記伝熱層（１４）を加熱して溶融状態に保ちなが
ら前記回路基板（１０）に荷重を加えて前記伝熱ブロッ
ク（１５）と前記電子部品（１１）とを互いに押圧する
ステップと、前記伝熱層（１４）を凝固するステップ
と、前記電子部品（１１）と前記伝熱ブロック（１５）
との間に実質的に均一かつ一定の間隙（ｇ）を保って回
路基板（１０）の周縁部と冷却手段（１３）の周縁部と
を封止接続するステップと、を含むことを特徴とするも
のである。

【００１２】ここで、前記回路基板（１０）の周縁部と
前記冷却手段（１３）の周縁部とを封止接続するステッ
プは、前記所定の間隙を規定する封止材（１７）により
封止接続するステップであることを特徴としている。ま
た、前記伝熱層（１４）を凝固するステップは、前記伝
熱ブロック（１５）と前記電子部品（１１）を互いに押
圧した状態で凝固するステップであることを特徴として
いる。さらに、前記伝熱層（１４）を凝固するステップ
の後に、前記冷却手段（１３）と回路基板（１０）とで
囲まれた前記間隙を含む全領域に、例えば、ヘリウム、
窒素、湿度を低くコントロールした空気などの化学的に
不活性な気体を封入するステップを追加することを特徴
としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、回路基板上に半田ボー
ル等の接続手段で搭載された電子部品と、電子部品の上
面の反りを型取りするように表面が形成された伝熱層と
を、伝熱ブロック上の電子部品の外形よりも小さい開口
部を通じて対向させ、この対向部分において両者は電子
部品１１の上面の反りより小さいほぼ一定の間隙を保っ
て保持される。冷却手段と回路基板は、周縁部におい
て、前記一定の間隙を規定するためにＣリングやＯリン
グなどの封止材によって封止接続される。これにより、
熱伝導率の低いガスを封入しても熱抵抗は増大せず、発
熱量約１０Ｗ以上の電子部品１１を充分冷却することが
可能になる。また、電子部品と冷却手段は水平方向に変
位可能なので、電子部品の接続手段に加わる応力が低減
される。

【００１４】また、本発明は、まず、冷却手段の表面中
央部に可塑性伝熱材料からなる伝熱層を形成するととも
に、非可塑性伝熱材料から成り電子部品の外形よりも小
さい開口部を有する伝熱ブロックを前記冷却手段上に形
成された伝熱層に接着する。次に、回路基板上に予め接
続された電子部品を前記伝熱層に接着された伝熱ブロッ
クの上面に当接し、前記伝熱層を加熱して溶融状態に保
ちながら前記回路基板に荷重を加えて前記伝熱ブロック
と前記電子部品とを互いに押圧する。その後、伝熱層を
凝固する。この型取り処理により、電子部品と伝熱ブロ
ックとの対向面が同一形状になり、両者の間をほぼ一定
の間隙を保つように保持することができる。最後に、回
路基板の周縁部と冷却手段の周縁部とをＣリングやＯリ
ングなどを用いて封止接続することによって、簡便で放
熱特性および接続信頼性の優れたパッケージを製造する
ことができる。

【００１５】次に、本発明に係る電子部品冷却構造を備
えたパッケージの一実施例を図面を参照して詳細に説明
する。図１は本発明に係る電子部品冷却構造を備えたパ
ッケージの一実施例を示す断面図である。同図におい
て、参照符号１０は回路基板を示している。回路基板１
０としては、例えば、アルミナまたはムライト製のセラ
ミクス基板を用いることができる。回路基板１０の上面
には、Ｐｂ／Ｓｎ（９５／５ｗｔ％）からなる半田ボー
ルを接続手段１２として複数の電子部品１１が搭載され
ている。電子部品１１は、プラスチックモールド、ある
いはセラミック製キャップにより封止されたＬＳＩチッ
プでもよいし、直接ＬＳＩチップを回路基板１０に搭載
してもよい。回路基板１０の下面には、入出力端子１６
として、金メッキ等が施されたコバール製のＩ／Ｏピン
が、半田またはＡｕ／Ｇｅなどのろう材により固着され
ており、外部装置との電気的接続に用いられるようにな
っている。

【００１６】電子部品１１の上部には、冷却手段１３が
電子部品１１を覆うように配置されている。この冷却手
段１３は、熱伝導率が大きく、かつ空冷のための冷却フ
ィンや液冷のための冷媒流路を成形しやすい材料である
窒化アルミニウム等のセラミクスで構成すれば好適であ
る。さらに、生産コストを低減する必要がある場合に
は、アルミニウムや銅などの金属を用いてもよい。

【００１７】冷却手段１３の周縁部は、電子部品を気密
封止するために凸状の出っ張り（縁）を持つように加工
されており、この部分と回路基板１０の周縁部とが封止
材１７を介して固定される。冷却手段１３の凸状の周縁
部としては、枠形状に加工された、冷却手段１３の本体
部分とは別個で構成される部材を用いてもよい。封止材
１７としては、通常、ＯリングやＣリングを使用する
が、さらに気密性を高めるために、伝熱層１４（後述す
る）より融点の低い半田、低融点ガラス、または樹脂封
止材等を用いてもよい。ここで、半田や低融点ガラスを
単独で使用する場合には溶融状態で厚さを一定に保持で
きず、従って後述する間隙ｇを精度良く規定できないの
で、ＯリングやＣリングと一緒に使用することが望まし
い。

【００１８】前記冷却手段１３の中央の凹部３０の中央
には、可塑性伝熱材料からなる伝熱層１４が設けられて
いる。この伝熱層１４としては、接続手段１２より融点
が低い材料、例えば、Ｐｂ／Ｓｎ（３７／６３ｗｔ％）
からなる低融点半田が好適である。これは、後述する製
造方法の説明で述べるように、接続手段１２が溶融しな
い温度において伝熱層１４を溶融状態に保持する必要が
あるためである。なお、伝熱層１４に低融点半田を用い
る場合には、この低融点半田と冷却手段１３との接着性
を確保するために、冷却手段１３側にＣｒ／Ｎｉ／Ａｕ
またはＮｉ／Ａｕ等からなる金属膜を形成しておくとよ
い（図示せず）。

【００１９】さらに、伝熱層１４と電子部品１１との間
には、非可塑性伝熱材料からなる枠形状の伝熱ブロック
１５が、伝熱層１４と接するように配置されている。伝
熱ブロック１５の中央部には、電子部品１１の外形より
小さい開口部１５ａが設けられており、該開口部を通じ
て伝熱層１４と電子部品１１が実質的に均一かつ一定の
間隙を保持しながら近接している（図２を用いて後述す
る）。伝熱ブロック１５の材料としては、伝熱層１４を
溶融状態に保持しても変形せず、かつ熱伝導率の高い材
料、例えば、アルミニウムや銅等の金属材料、あるいは
窒化アルミニウム、シリコン等の無機材料が好適であ
る。

【００２０】次に、図１の領域Ｒ（伝熱層１４と伝熱ブ
ロック１５と電子部品１１の接近部分）の詳細を説明す
る。図２は領域Ｒの拡大図である。同図において、ＬＳ
Ｉチップ等の電子部品１１の上面は、デバイスの形成に
起因する残留応力が原因で通常約１０μｍ程度の反りｗ
を有している。伝熱ブロック１５の開口部１５ａには伝
熱層１４が充填されており、伝熱層１４の表面と電子部
品１１の表面の間隙ｇは反りｗより小さく、約４μｍの
ほぼ一定間隙を保持している。なお、伝熱ブロック１５
としてアルミニウムや窒化アルミニウム、およびシリコ
ンのように低融点半田と接着しにくい材料を用いる場合
は、伝熱ブロック１５と伝熱層１４が接着される領域面
に低融点半田と接着性のよい金属膜２４を形成してお
く。逆に、銅のように低融点半田と接着しやすい材料を
用いる場合は、低融点半田が過度に流動して電子部品１
１や回路基板１０と接触しないように、伝熱ブロック１
５の側面１５ｂおよび底面１５ｃに予め低融点半田と濡
れにくい膜、例えば熱酸化膜（図示せず）を形成してお
く。

【００２１】前記伝熱ブロック１５と前記電子部品１１
との間に形成される空間３１には、不活性ガスである窒
素あるいは湿度を低くコントロールした空気を充填する
が、さらに熱伝導率を高めるためにヘリウムを充填して
もよい。低湿度にコントロールされた空気を充填する場
合には、湿度の影響による半田等の劣化が少なくなり信
頼性が向上する。

【００２２】次に、伝熱層１４の表面と電子部品１１の
表面の間隙ｇを反りｗより小さく実質的に均一かつ一定
にするための具体的実施例を説明する。本実施例では型
取り法を用いる。すなわち、まず、溶融状態の伝熱層１
４を伝熱ブロック１５の開口部１５ａを通じて電子部品
１１の上面と直接接触させる。これにより、伝熱層１４
の表面は、電子部品１１の反りｗが型取りされるように
形成される。伝熱層１４の凝固後も上記型取りされた表
面は保持され、間隙ｇを規定するためにＯリングやＣリ
ングなどの封止材とバネ，ネジなどを用いることによ
り、電子部品１１の反りｗより小さいほぼ一定間隙ｇで
伝熱層１４と電子部品１１の上面を保持できる。この詳
細は後述する。上述したように、図１７に示した従来構
造では開口部のない平坦な熱伝導板４２を用いているの
で、間隙ｇを反りｗより小さくすることができず、ガス
を充填するすき間を１０μｍ以下にすることができなか
ったため冷却効率が悪かった。これに対して、本実施例
の構造および製造方法を用いた場合、間隙ｇを約４μｍ
のほぼ一定な値に制御することが容易となり、発熱量約
１０Ｗ以上の電子部品を充分冷却することができる。

【００２３】また、図１および図２に示した伝熱ブロッ
ク１５の側面は、電子部品１１の側面よりも外側に張り
出しているため、伝熱層１４の凸部１４ａが電子部品１
１の側面と機械的に接触することはない。また、電子部
品１１の上面と伝熱層１４の間隙ｇを約４μｍのほぼ一
定な値に保持することができるので、電子部品１１と冷
却手段１３は、接触せずに水平方向に数10μｍ変位する
ことが可能になる。よって半導体装置の膨張および収縮
時に、電子部品１１の上面を介して接続手段１２に水平
方向に加わる応力の低減が可能となり、電子部品１１の
接続信頼性を十分確保することができる。

【００２４】次に、このような本発明に係る電子部品冷
却構造を備えたパッケージの製造方法を図面を用いて詳
細に説明する。図３ないし図８は、本発明に係る電子部
品冷却構造を備えたパッケージの製造方法の主要工程を
順に示した断面図である。図３において、冷却手段１３
中央の凹部３０の内側には、半田との接着性を確保する
ための前述したＣｒ／Ｎｉ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕなど
の金属膜が予め形成されているものとする（図示略）。
この凹部３０の中央には低融点のプリホーム半田を配置
し、ヒータにより半田の融点以上に加熱して伝熱層１４
を形成する。このとき、伝熱層１４となるプリホーム半
田の体積は、回路基板１０に搭載された各電子部品１１
上面の高さバラツキ１００〜５００μｍに追従できるだ
けの十分な厚みが必要なので、少なくとも６００μｍの
厚みとなるように設定する。

【００２５】次に、図４に示すように、位置合わせ治具
２０の上面に、予め開口部１５ａが設けられた伝熱ブロ
ック１５を、後述する電子部品１１と対向する部分にそ
れぞれ配置した後、それらの上方から図３の工程で形成
された伝熱層１４を有する冷却手段１３を被せて位置合
わせ治具２０で位置合わせをする。その後、位置合わせ
治具２０の下面からヒータで全体を加熱し、伝熱層１４
となる低融点半田を再溶融して、伝熱ブロック１５と伝
熱層１４を接着する。なお、このとき図２に示したよう
に予め伝熱ブロック１５の表面には、半田との接着性を
確保するための金属膜２４を形成しておく。また、伝熱
層１４が次の工程で過度に流動して電子部品１１の側面
に接することのないように、予め伝熱ブロック１５の外
側側面に熱酸化膜を形成しておくとよい。

【００２６】次に、図５に示すように、予め電子部品１
１が搭載された回路基板１０を用意し、この回路基板１
０を、図４までの工程で形成した、伝熱ブロック１５が
所要箇所に接着された伝熱層１４を内部に有する冷却手
段１３の上に被せる。ここで伝熱層１４の表面は、溶融
時の表面張力のため図５に示すように伝熱ブロック１５
の開口部１５ａの上面よりわずかに突出した状態になっ
ている。

【００２７】次に、図６において、ヒータを用いて全体
を加熱し、伝熱層１４となる半田のみを再溶融する（す
なわち、回路基板１０と電子部品１１との接続手段１２
が溶融しない温度とする）。伝熱層１４が溶融状態にあ
るとき、伝熱ブロック１５は溶融半田の表面張力により
上向きの力を受ける。この力に対向するように、回路基
板１０の上方から荷重Ｆを加えると、非可塑性伝熱材料
からなる伝熱ブロック１５は各電子部品１１の上面と完
全に接触し、その結果、各電子部品１１の高さのバラツ
キや傾きのバラツキに正確に追従するように上下方向に
変位する。

【００２８】同時に、図５において伝熱ブロック１５の
開口部１５ａよりわずかに突出していた伝熱層１４は、
各電子部品１１の反りｗに追従し、その反りを型取りす
るように表面が形成される。さらに、伝熱ブロック１５
同士の間に溶融半田が流動し、凸部１４ａが形成され
る。次いで、ヒータによる加熱を停止して伝熱層１４と
なる半田を凝固させる。この場合、伝熱層１４の凝固速
度が場所によって異なると、最後に凝固する領域は体積
収縮による空洞や凹部が集積しやすくなるという現象が
生じる。このような現象を避けるために、半田が液相か
ら固相に遷移する間は、前記空洞や凹部を圧縮するよう
に上方からの荷重Ｆを継続して加える。このようにし
て、伝熱層１４は、各電子部品１１の反りｗを正確に型
取りするように表面が形成されて凝固する。

【００２９】次に、図７に示すように、電子部品１１を
搭載した回路基板１０を冷却手段１３から一旦分離す
る。このとき、伝熱層１４は各電子部品１１の反りｗを
正確に型取りするように表面が形成されている。次に、
冷却手段１３の周縁部と回路基板１０の周縁部との間
に、ＯリングまたはＣリング等の封止材１７を挿入す
る。

【００３０】最後に、図８に示すように、封止材１７を
介して回路基板１０を冷却手段１３の上方に被せ、窒素
雰囲気、或いは湿度を低くコントロールした空気雰囲気
中において、各電子部品１１と伝熱ブロック１５の上面
を当接させる。伝熱ブロック１５は、図６の工程におい
てすでに各電子部品１１の高さのバラツキや傾きのバラ
ツキに追従して変位しており、さらに伝熱層１４は、各
電子部品１１の反りｗを型取りするように表面が形成さ
れている。従って、ＯリングやＣリングなどの封止材１
７をねじ等による機械的な力で圧縮して間隙ｇを正確に
規定すれば、図２において述べたように、約１０μｍの
電子部品１１の反りｗより小さい間隙ｇ（例えば、４μ
ｍ）で伝熱層１４と電子部品１１の対向面を一定に保持
でき、発熱量約１０Ｗ以上の電子部品を充分冷却するこ
とができる。

【００３１】次に、図９ないし図１６を用いて、Ｏリン
グやＣリングなどの封止材１７をねじ等による機械的な
力で圧縮して間隙ｇを規定するための具体的な実施例を
詳細に説明する。本実施例は、まず図９に示すように、
回路基板１０の周縁部の外側と冷却手段１３の凸状の周
縁部のさらに外側に、ネジを挿入する穴を設けた押さえ
治具ＡとＢをそれぞれ設置し、次に図１０に示すよう
に、ネジＣとバネＤを用いて押さえ治具ＡとＢを互いに
近接させることにより封止材１７に圧縮荷重を加え、ネ
ジＣの締め角度を調整することにより間隙ｇを最適に規
定するものである。また、この変形例としては、図１１
および図１２に示すように、冷却手段１３の凸状の周縁
部のさらに外側にネジを挿入する穴を設けた押さえ治具
Ｂを設けた図９と異なり、冷却手段１３の凸状の周縁部
自体にネジＣを挿入する穴を加工し、図９および図１０
の場合と同様にネジＣとバネＤを用いて封止材１７に圧
縮荷重を加え、ネジＣの締め角度を調整することにより
間隙ｇを最適に規定するようにしたものも考えられる。

【００３２】次に、間隙ｇを、精度良く均一かつ一定に
するための実施例を説明する。本実施例では、図１３に
示すように、押さえ治具ＡとＢの間に、荷重を測定する
圧力センサＦを設置しておき、図１４に示すように、ネ
ジＣとバネＤを用いて押さえ治具ＡとＢを互いに近接さ
せる。そのとき、圧力センサＦに圧縮荷重が加わり、圧
縮荷重に対応した出力が得られる。この出力によって圧
縮荷重を評価し、この評価結果に基づいてネジＣの締め
具合を調整する。この調整によって間隙ｇを、精度良
く、均一かつ一定に保つことができる。

【００３３】次に、封止材１７に荷重が加わるときの変
形挙動を説明する。図１５は、封止材１７としてＣリン
グを用いたときの断面図を示すものである。荷重が小さ
いときには、図１５（ａ）に示すように、Ｃリングがた
わむことにより圧縮荷重を支える。荷重をさらに増加し
ていくと、図１５（ｂ）に示すように、Ｃリングがつぶ
れてしまい、たわむための隙間がなくなる。さらに荷重
を加えていくと、Ｃリング自身の塑性変形が始まる。

【００３４】図１３および図１４の構成にこのような変
形挙動を有するＣリングを用いた場合のネジＣの回転角
度（締め角度）と圧力センサＦの出力電圧Ｖの関係を、
図１６に模式的に示す。図１６から明らかなように、ネ
ジの回転角度が０からａまでの間は、回転角度と出力電
圧はほぼ比例しており、これは、図１５（ａ）のように
Ｃリングのたわみによるバネ性が働いていることを示し
ている。図１６は、回転角度がａ以上において出力電圧
が急激に増加することを示しており、これは、Ｃリング
自身の塑性変形が始まっていることを意味していると考
えられる。従って、ネジＣの回転角度をａに保持すれ
ば、図１５（ｂ）に示すように、塑性変形直前のＣリン
グ自身の厚みｇを精度良く実現できると考えられる。さ
らに、Ｃリングの円周に沿って複数の圧力センサを設け
ておき、その出力電圧をモニタして、複数のネジＣの回
転角度をａに保持することにより、Ｃリングの全周にわ
たって厚みｇの分布を均一にすることが可能になる。

【００３５】このとき、間隙ｇとして４μｍ程度を確保
すれば、電子部品１１と冷却手段１３は接触することな
く水平方向に数１０μｍ変位可能となるため、半導体装
置の膨張および収縮時に接続手段１２に加わる応力が低
減され、電子部品１１の接続信頼性を十分確保すること
ができる。

【００３６】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は上述した実施例に限定されることな
く、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設
計変更をなし得ることは勿論である。例えば、非可塑性
伝熱材料からなる伝熱ブロック１５の底面は平坦である
必要はなく、電子部品１１の外形よりも小さい開口部を
有し、該開口部において伝熱層１４と電子部品１１との
間に実質的に均一かつ一定の間隙を保持できれば、別の
形状でもかまわない。例えば、図２において、電子部品
１１と接触する伝熱ブロック１５の底面側（１５ｃ）
を、数１００μｍの曲率半径を有する凸面形状にしても
よい。電子部品１１の表面が凹面となる反りモードの場
合、伝熱ブロック１５の底面側（１５ｃ）を凸面形状に
した方が、電子部品１１と伝熱ブロック１５が互いに摺
動しやすくなり、接続手段１２に加わる応力が低減され
る効果がある。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、回路基板上に搭載され
た電子部品の上面の反りを型取りするように表面が形成
された伝熱層が、伝熱ブロックの開口部を通じて電子部
品１１の上面と対向するので、電子部品の上面の反りよ
り小さい一定の間隙で、伝熱層と電子部品の上面を保持
することが可能になる。このため、窒素、あるいは湿度
を低くコントロールした空気のように熱伝導率の低いガ
スを封入した場合でも、前記間隙が充分狭く熱抵抗は増
大しないので、発熱量約１０Ｗ以上の電子部品を充分冷
却することができる。

【００３８】また、本発明によれば、電子部品の上面と
伝熱層の間隙は数μｍの一定で微少な値に保持すること
ができるので、電子部品と冷却手段は互いに接触するこ
となく水平方向に数１０μｍ変位可能である。このた
め、半導体装置の膨張および収縮時に、電子部品の上面
を介して電子部品の接続手段に水平方向に加わる応力が
低減され、電子部品の接続信頼性を十分確保することが
できる。従って、伝熱性能が高く、電子部品の信頼性が
十分に確保され、かつ生産性に優れた電子部品冷却構造
を備えたパッケージを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子部品冷却構造を備えたパッケ
ージの一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明に係る電子部品冷却構造を備えたパッケ
ージの一実施例の一部詳細を示す断面図である。

【図３】図１に示した電子部品冷却構造を備えたパッケ
ージの製造方法を示す工程断面図である。

【図４】図３に示した次の製造工程を示す断面図であ
る。

【図５】図４に示した次の製造工程を示す断面図であ
る。

【図６】図５に示した次の製造工程を示す断面図であ
る。

【図７】図６に示した次の工程を示す断面図である。

【図８】図７に示した次の工程を示す断面図である。

【図９】封止材１７を機械的な力で圧縮して間隙を規定
するために、冷却手段１３の凸状の周縁部の外側にネジ
を挿入する穴を設けた押さえ治具ＡとＢを設置すること
を説明するための図である。

【図１０】ネジＣバネＤを用いて図９の押さえ治具Ａと
Ｂを互いに近接させて封止材に圧縮荷重を加えた状態を
示す図である。

【図１１】図９における押さえ治具Ｂを冷却手段１３の
凸状の周縁部自体にネジを挿入する穴を加工して構成し
た場合の図である。

【図１２】ネジＣバネＤを用いて図１１の押さえ治具Ａ
とＢを互いに近接させて封止材に圧縮荷重を加えた状態
を示す図である。

【図１３】間隙ｇを均一かつ一定にするために、押さえ
治具ＡとＢの間に荷重を測定する圧力センサＦを設置す
ることを説明するための図である。

【図１４】ネジＣとバネＤを用いて押さえ治具ＡとＢを
互いに近接させて圧力センサＦに圧縮荷重を加えた状態
を示す図である。

【図１５】圧縮荷重を加えた場合に封止材１７としての
Ｃリングがどのように変形するかを説明するための断面
図である。

【図１６】図１５において、ネジＣの回転角度と圧力セ
ンサＦの出力電圧Ｖの関係を示す図である。

【図１７】電子部品冷却構造を備えたパッケージの従来
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０：回路基板、１１：電子部品、１２：接続手段、１
３：冷却手段、１４：伝熱層、１４a：伝熱層の凸部、
１５：伝熱ブロック、１５a：伝熱ブロックの開口部、
１６：入出力端子、１７：封止材、２０：位置合わせ治
具、２４：金属膜、３０：冷却手段の凹部、３１：伝熱
ブロックと電子部品との間に形成される空間、ｇ：伝熱
層と電子部品の間の均一かつ一定の間隙、ｗ：電子部品
の反り

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子部品が装着されている回路基板と、
   電子部品を冷却するための冷却手段と、該冷却手段と前
   記電子部品の間に配置され、前記回路基板上の電子部品
   の表面が型取りされた可塑性伝熱材料からなる伝熱層
   と、前記伝熱層と前記電子部品との間に配置された非可
   塑性伝熱材料からなる伝熱ブロックとを有する電子部品
   冷却構造を備えたパッケージであって、 前記伝熱ブロックは、前記電子部品の外形よりも小さい
   開口部を有し、該開口部において前記伝熱層と前記電子
   部品との間の間隙を実質的に均一かつ一定に保持するよ
   うに構成したことを特徴とする電子部品冷却構造を備え
   たパッケージ。
2. 【請求項２】 前記冷却手段の周縁部と前記回路基板の
   周縁部とが、前記実質的に均一かつ一定の間隙を規定す
   るための封止材により封止接続されて構成されることを
   特徴とする請求項１記載の電子部品冷却構造を備えたパ
   ッケージ。
3. 【請求項３】 前記封止材は、ＣリングまはたＯリング
   からなることを特徴とする請求項２記載の電子部品冷却
   構造を備えたパッケージ。
4. 【請求項４】 前記伝熱層は、前記電子部品を前記回路
   基板に接続している金属より融点の低い金属で構成され
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に
   記載の電子部品冷却構造を備えたパッケージ。
5. 【請求項５】 前記冷却手段と前記回路基板とで囲まれ
   た前記間隙を含む全領域に化学的に不活性な気体を封入
   してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
   に記載の電子部品冷却構造を備えたパッケージ。
6. 【請求項６】 前記化学的に不活性な気体は、ヘリウ
   ム、窒素、湿度を低くコントロールした空気のいずれか
   からなる請求項５に記載の電子部品冷却構造を備えたパ
   ッケージ。
7. 【請求項７】 冷却手段中央の凹部に可塑性伝熱材料か
   らなる伝熱層を形成するステップと、 非可塑性伝熱材料から成り、電子部品の外形よりも小さ
   い開口部を有する伝熱ブロックを前記冷却手段上に形成
   された伝熱層に接着するステップと、 回路基板上に予め接続された電子部品を前記伝熱層に接
   着された伝熱ブロックの上面に当接するステップと、 前記伝熱層を加熱して溶融状態に保ちながら前記回路基
   板に荷重を加えて前記伝熱ブロックと前記電子部品とを
   互いに押圧するステップと、 前記伝熱層を凝固するステップと、 前記電子部品と前記伝熱ブロックとの間に実質的に均一
   かつ一定の間隙を保って回路基板の周縁部と冷却手段の
   周縁部とを封止接続するステップと、を含むことを特徴
   とする電子部品冷却構造を備えたパッケージの製造方
   法。
8. 【請求項８】 前記回路基板の周縁部と前記冷却手段の
   周縁部とを封止接続する前記ステップは、前記所定の間
   隙を規定する封止材により封止接続するステップからな
   る請求項７記載の電子部品冷却構造を備えたパッケージ
   の製造方法。
9. 【請求項９】 前記封止材は、ＣリングまたはＯリング
   からなることを特徴とする請求項８記載の電子部品冷却
   構造を備えたパッケージの製造方法。
10. 【請求項１０】 前記伝熱層を凝固するステップは、前
    記伝熱ブロックと前記電子部品を互いに押圧した状態で
    凝固するステップからなる請求項７ないし９のいずれか
    １項に記載の電子部品冷却構造を備えたパッケージの製
    造方法。
11. 【請求項１１】 前記伝熱層を凝固するステップの後
    に、前記冷却手段と回路基板とで囲まれた前記間隙を含
    む全領域に化学的に不活性な気体を封入するステップを
    追加してなる請求項７〜１０のいずれか１項に記載の電
    子部品冷却構造を備えたパッケージの製造方法。