JPH10321775A - マルチチップモジュールの実装構造体 - Google Patents

マルチチップモジュールの実装構造体

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JPH10321775A
JPH10321775A JP9125576A JP12557697A JPH10321775A JP H10321775 A JPH10321775 A JP H10321775A JP 9125576 A JP9125576 A JP 9125576A JP 12557697 A JP12557697 A JP 12557697A JP H10321775 A JPH10321775 A JP H10321775A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体マルチチップモジュールより発生する大
量の熱を熱伝導のみで効率よく放熱できる高信頼性の実
装構造体を実現する。 【解決手段】ＣＳＰ１裏面に貼り付けた熱伝導性シート
４に金属放熱体３を接触させ、更に金属放熱体３に設け
た熱拡散用溝１２に金属放熱板９を挿入し、これをプリ
ント配線基板８表面のＣＳＰ実装面に立てた金属放熱柱
にネジ止めし、銅箔パターン６ａはプリント配線板８の
スルーホール７を介しプリント配線板８の他面の銅箔パ
ターン６ｂに熱的に結合したマルチチップモジュールの
実装構造体で、金属放熱体３と熱伝導性シート４の押し
圧力は金属放熱柱５に設けたスペーサー１０により自由
に調整でき、ＣＳＰ１とＣＳＰ実装基板２間の金属バン
プに対し、熱的・機械的な引っ張り応力の発生を未然に
防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速・高発熱半導
体素子を複数個搭載したマルチチップモジュールの実装
構造体に関し、特にノート型パソコンなど薄型筐体の電
子機器システムに適応可能な放熱構造を有するマルチチ
ップモジュール実装構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器にはより高速・高機能な
半導体素子の実装と、機器のより小型・薄型・軽量化が
求められている。その代表的な例がノート型パソコンで
あり、高速・高機能・低価格で更に小型・薄型ほど市場
での需要が高い。
【０００３】高速・高機能化と小型・薄型・軽量化の関
係は熱的に相反しており、熱を考慮した半導体素子の実
装構造が益々重要になってきている。
【０００４】従来、ノート型パソコンへの半導体実装構
造としては、図２に示す様な高発熱半導体パッケージ上
にヒートシンク２０を搭載して熱伝導で冷却する方式の
ものや、図示していないがヒートシンク付きマイクロフ
ァンを搭載した強制空冷方式のものなどがある。又、ヒ
ートパイプやマイクロファンを組み合わせた冷却方式の
ものなども報告されている。
【０００５】又、関連する放熱構造として、特開平５−
９５０６０号公報（以下文献１と称す）には半導体素子
上に割り溝と切欠きの形成された固定式バネ金具を回路
基板に取り付け、切り欠き溝に放熱フィンをスライドし
て装着することで半導体素子と放熱フィン間が面接触か
つバネ効果で適度の引っ張りによって保持した放熱構造
が開示されている。
【０００６】また、特開平４−１０５５８号公報（以下
文献２と称す）には、クワッドフラットパッケージ（以
下ＱＦＰ）に波状に曲げた金属放熱体を密着しかつ抱き
込む状態でカシメ固定し、該放熱体の一部をプリント配
線基板にカシメ固定した半導体の放熱構造が開示されて
いる。
【０００７】特開平６−２１２７７号公報（以下文献３
と称す）には、ピングリッドアレイ（以下ＰＧＡ）、Ｑ
ＦＰなどの半導体パッケージと、これらのパッケージを
実装するプリント配線基板の隙間に放熱板を備え、熱伝
導により半導体素子より発生する熱をプリント配線基板
に伝導する放熱構造が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のヒートシンクや
マイクロファンを用いた冷却方式では、特に、より筐体
薄型化の要求に対してヒートシンクやマイクロファンの
高さが制限されるので、ハイパワー化の進む最近の半導
体素子の冷却には対応できなくなってきており、また半
導体装置上面にヒートシンクを設置する際、過剰なスト
レスがかかる問題があった。前記ヒートパイプなどを用
いた冷却方式ではコスト的な問題があった。
【０００９】文献１の方式は、半導体装置から発生した
熱を最終的に対流によって放熱フィンから大気中に放散
する強制空冷方式であり、大量に発生する熱の放散は十
分でなく、また、半導体装置にばね金具を押圧し、ばね
金具は基板に固定するため、半導体装置表面に熱ストレ
ス等による過剰な押圧がかかることをある程度防止でき
るが、この種の一体型の固定式バネ金具では本願の金属
バンプへの押し圧力を均一化することは困難であり、依
然として過剰な熱ストレスが半導体装置や基板にかかり
やすい欠点があった。
【００１０】文献２の方式においては、放熱体とＱＦＰ
の押圧の調整が難しく、放熱体とＱＦＰの応力特異点で
亀裂や破断が生じやすく、また、基板のカシメ固定部に
熱ストレスによる亀裂が生じやすい欠点があった。
【００１１】文献３の方式においては、放熱は主とし
て、基板と熱伝導部材との接触で行うため、放熱効果は
十分でない等の欠点があった。
【００１２】本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解
決した半導体実装放熱構造、特にノート型パソコンに代
表される薄型の筐体サイズにも適用可能で、電気的性能
および放熱性能にも優れ、なおかつ実装コストを低価格
に抑えたマルチチップモジュールの実装構造体を提供す
ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は下記（ａ）〜
（ｄ）の実装構成からなることを特徴とするマルチチッ
プモジュール実装構造体である。 （ａ）半導体素子裏面側から空気中や周辺部材へ効率的
に放熱させるために、熱拡散用溝を複数設けた金属放熱
体を半導体素子上に配置する。 （ｂ）マルチチップモジュールの実装されるプリント配
線基板の表面に良熱伝導性の金属放熱柱と該金属放熱柱
を装着するための専用銅箔パターンを設け、更にプリン
ト配線基板裏面側にも同様の銅箔パターンを設け、それ
ぞれ銅箔パターン同士がスルーホールによって熱的に結
合する。 （ｃ）前記金属放熱柱の上部に前記金属放熱体に設けた
前記熱拡散用溝の幅より僅かに厚みが薄く固定部分に逆
曲げ加工を施した良熱伝導性の金属放熱板を備え、前記
金属放熱板先端部分を前記金属放熱体に設けた前記熱拡
散溝に複数挿入する。 （ｄ）前記金属放熱柱の上部に備えた複数の前記金属放
熱板の高さを金属製スペーサーで調整した後、止めネジ
で固定し、前記金属放熱板の挿入部分が前記熱拡散用溝
の下壁面に対し適度の押し圧力で保持する。
【００１４】以上のような実装構成により、放熱性能に
優れ、金属バンプやプリント配線板への熱ストレスを軽
減したマルチチップモジュールの実装構造体を提供する
ことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態
を示すマルチチップモジュールの実装構造体の断面図で
ある。プリント配線基板８表裏面には部品搭載用のパッ
ドやＧＮＤ・電源などの銅箔パターンと共に金属放熱柱
５を装着するため専用銅箔パータン６ａ、６ｂを設け、
これらの専用銅箔パターン６ａ、６ｂ同士がスルーホー
ル７によって熱的に通じる構成となっている。プリント
配線板８には、チップサイズパッケージ（ＣＳＰ１）を
実装したＣＳＰ実装基板２がはんだ付けされている。Ｃ
ＳＰ１裏面側には複数個のＣＳＰ１の僅かな厚みバラツ
キに対応するために熱伝導性シート４を貼り付け、更に
その上に金属放熱体３が接合されている。ＣＳＰ１は図
３に示すように半導体素子３０は金属バンプ３１ａを介
してキャリア基板３２と電気的に接続された構造のパッ
ケージである。マルチチップモジュール（Ｍｕｌｔｉ
ＣｈｉｐＭｏｄｕｌｅ）は、ＣＳＰ１複数個とＣＳＰ実
装基板２が金属バンプ３１ｂによって接合された状態を
総じて称号される。
【００１６】尚、ＣＳＰ１を構成するキャリア基板３２
は半導体素子３０の熱膨張係数に近いガラスセラミック
を主材料とし、ＣＳＰ実装基板２はプリント配線基板上
に薄膜多層配線層を施した高密度実装配線基板である。
【００１７】金属放熱体３は良熱伝導性で軽量なことか
らアルミニウムやアルミニウム合金板などが好ましく、
また、ノート型パソコンの薄型筐体に対応するためにそ
の板厚はなるべく薄いほうがよい。実施例に於いては、
図４に示す２方向に熱拡散用溝１２を３段６カ所設けて
いる。この熱拡散用溝１２は０．５ｍｍ程度の隙間であ
り自然対流の環境で用いることを前提としているので、
金属放熱体３の伝熱面積が小さくならないよう配慮して
いる。
【００１８】金属放熱柱５は、プリント配線基板８表面
に設けられた専用銅箔パターン６ａ上に半田接続されて
いる。金属放熱柱５は図５に示すように、良熱伝導性の
Ｃｕ材からなる棒状形であり、上部に金属放熱板固定用
ネジ部５０を有する構造になっている。
【００１９】ＣＳＰ１の裏面に貼り付けた熱伝導性シー
ト４には熱拡散用溝１２を有する金属放熱体３が載置さ
れ、図６に示すように、熱拡散用溝１２の溝幅より僅か
に厚みが薄く、逆曲げ加工が施された構造の金属放熱板
９の一端を前熱拡散用溝１２に挿入し、他端は金属放熱
板止めネジ１１で前記金属放熱柱５に固定されている。
ここで、金属放熱体３は熱伝導シート面に適度の押し圧
力が加わる様に、高さ調整用スペーサー１０を用いて調
整される。なお、前記金属放熱板９や高さ調整用スペー
サ１０の材質としては、良熱伝導性の銅やアルミニウム
等の金属を使用することができる。
【００２０】図１の実装構造体では、半導体素子３０よ
り発生する熱は半導体素子裏面から熱伝導性シート４，
金属放熱体３から空気中に放散する経路と、金属放熱板
９と金属放熱柱５を経由してプリント配線基板に熱伝導
する経路と、個々のキャリア基板３２から金属バンブ３
１ｂを通じＣＳＰ実装基板２、プリント配線基板８に熱
伝導で放熱する３つの経路が考えられる。
【００２１】プリント配線基板８の高密度化の進展で良
熱伝導性のプリント配線板８中の銅箔面積比率が増加
し、見かけの熱伝導率は主材料であるガラスエポキシ系
の数十倍にもなっており、本発明の実装構造体のプリン
ト配線基板８を介しての放熱は有効である。そして、前
述したプリント配線基板８表裏の専用銅箔パターン６
ａ、６ｂをスルーホール７で接続することで半導体素子
３０から発する大量の熱をプリント配線基板８内に均一
に熱拡散して冷却効果を一段と高めることができる。
【００２２】図１に示した発明の実施の形態では、金属
放熱体３の熱拡散溝１２は３段６カ所設け、ここに６個
の金属放熱板９を挿入し効率的な熱伝達を行ったが、熱
拡散用溝１２の段数が多いほど放熱性能は向上するの
で、搭載する半導体素子の消費電力に応じ段数を決める
のが望ましい。
【００２３】本発明の実装構造体では、金属製のスペー
サーで、それぞれの金属放熱板９の高さ調整を行った後
止めネジで固定し、金属放熱板９の挿入部分が前記熱拡
散用溝１２の下壁面に適度の押し圧力で保持することが
でき、ＣＳＰ１とＣＳＰ実装基板２を接続する金属バン
プ３１ｂに対し、熱的および機械的な引っ張り応力の発
生を未然に防止できる大きな効果を得ることができる。
【００２４】次に、図１の実装構造体の組立手順を図７
を参照して説明する。尚、前述した内容と重複するので
簡単に説明する。まず、図７（ａ）の如く、ＣＳＰ実装
基板２上にＣＳＰ１を金属バンプ３１ｂを介して接続
し、更にＣＳＰ実装基板２裏面側のプリント配線基板８
の接続パッドが金属バンプによって接続したマルチチッ
プモジュールを準備する。次に、手順（ｂ）でＣＳＰ１
裏面側、即ち半導体素子３０裏面に当たる複数個のＣＳ
Ｐ１裏面に熱伝導性シート４を貼り付け、その上に金属
放熱体３を接合させる。更に、プリント配線８表面の銅
箔パターン６ａ上に金属放熱柱５を半田接続する。手順
（ｃ）では、それぞれの金属放熱板９の先端部分を熱拡
散用溝１２下壁面に高さ調整用スペーサー１０と金属放
熱板９を交互に積み上げ、最後の手順（ｄ）で金属放熱
板止めネジによって金属発熱体３に設けた熱拡散用溝１
２下壁面に適度の押し圧力が加わるように固定する。
【００２５】上記実施の形態に於いて、金属放熱体３の
熱拡散溝１２と金属放熱柱５の間に備えた複数の金属放
熱板９は自然対流時の用途について述べているが、例え
ばマルチチップモジュールの近傍に小型マイクロファン
などを備えることで放熱フィンとしての効果が期待でき
る。又、金属放熱体３の熱拡散溝１２について、実施例
では３段６カ所設けているが、更に段数を増やすことで
熱拡散を良好となるので放熱性能が向上する。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係わるマル
チチップモジュールの実装構造体は、熱伝導のみで大き
な熱を逃がすための放熱構造と異種材料結合部の熱や機
械的ストレスを未然に防止するので、信頼性の高い極め
て優れた放熱効果が期待できる。 本発明では、半導体
素子より発生する熱を金属放熱体へ伝え、更に熱拡散溝
に挿入した金属放熱板を通じ金属放熱柱へ伝えること
で、良熱伝導性となる銅箔面積比率が高く放熱面積の大
きなプリント配線基板表裏面や内層に対し、表裏に設け
た専用銅箔パターンおよびスルーホールによって効率よ
く熱拡散を行い、動作時の半導体素子最大温度を許容温
度以下に保つことが可能となる。
【００２７】又、熱や機械的ストレスに対しては、逆曲
げ加工の施された金属放熱板の片方をプリント配線表面
の金属放熱柱に接合し、他方を半導体素子上の金属放熱
体の熱拡散溝に挿入し、適度な押し圧力で保持されるよ
うに金属製スペサーで高さ調整して固定することで、特
にＣＳＰとＣＳＰ実装基板接続部の金属バンプに対し、
熱的・機械的な引っ張り応力の発生を緩和し歪みや破断
の問題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のマルチチップモジュールの
実装構造体を示す断面図である。
【図２】従来のマルチチップモジュールの実装構造体を
示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態のＣＳＰの実装構造を説明す
るための断面図である。
【図４】本発明の実施形態の金属放熱体の構造を示す図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】本発明の金属放熱柱の構造を示す図で、（ａ）
は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の金属放熱板の構造を示す図で、（ａ）
は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】図１のマルチチップモジュールの実装構造体の
組立手順を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ＣＳＰ ２ ＣＳＰ実装基板 ３ 金属放熱体 ４ 熱伝導性シート ５ 金属放熱柱 ６ａ 銅箔パーターン ６ｂ 銅箔パターン ７ スルーホール ８ プリント配線基板 ９ 金属放熱板 １０ 高さ調整用スペーサー １１ 金属放熱板止めネジ １２ 熱拡散用溝 ２０ ヒートシンク ３０ 半導体素子 ３１ａ 金属バンプ ３１ｂ 金属パンプ ５０ 金属放熱板固定用ネジ部 ６０ 金属放熱板止めネジ用孔 ６１ 金属放熱板逆曲げ部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下記（ａ）〜（ｄ）の実装構成からなる
    ことを特徴とするマルチチップモジュールの実装構造
    体。 （ａ）半導体素子裏面側から空気中や周辺部材へ効率的
    に放熱させるために、熱拡散用溝を複数設けた金属放熱
    体を半導体素子上に配置する。 （ｂ）マルチチップモジュールの実装されるプリント配
    線基板の表面に良熱伝導性の金属放熱柱と該金属放熱柱
    を装着するための専用銅箔パターンを設け、更にプリン
    ト配線基板裏面側にも同様の銅箔パターンを設け、それ
    ぞれ銅箔パターン同士をスルーホールによって熱的に結
    合する。 （ｃ）前記金属放熱柱の上部に前記金属放熱体に設けた
    前記熱拡散用溝の幅より僅かに厚みが薄く固定部分に逆
    曲げ加工を施した良熱伝導性の金属放熱板を配置し、前
    記金属放熱板先端部分を前記金属放熱体に設けた前記熱
    拡散溝に複数挿入する。 （ｄ）前記金属放熱柱の上部に備えた複数の前記金属放
    熱板の高さを金属製スペーサーで調整した後、止めネジ
    で固定し、前記金属放熱板の挿入部分が前記熱拡散用溝
    の下壁面に対し適度の押し圧力で保持する。
  2. 【請求項２】 前記金属放熱板がアルミニウムまたはそ
    の合金からなる請求項１のマルチチップモジュール実装
    構造体。
  3. 【請求項３】 前記金属放熱柱が銅金属からなる請求項
    １のマルチチップモジュールの実装構造体。
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