JPS59202657A - 1体構造ヒ−トシンク - Google Patents

1体構造ヒ−トシンク

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JPS59202657A
JPS59202657A JP58224556A JP22455683A JPS59202657A JP S59202657 A JPS59202657 A JP S59202657A JP 58224556 A JP58224556 A JP 58224556A JP 22455683 A JP22455683 A JP 22455683A JP S59202657 A JPS59202657 A JP S59202657A
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JP
Japan
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heat sink
cooling
lid
heat
fin
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JP58224556A
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English (en)
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ジヨセフ・ルイス・ホ−ヴアス
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International Business Machines Corp
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International Business Machines Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367Cooling facilitated by shape of device
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は一般的にいえば熱移送機構に関するものであり
、具体的にいえば電子回路モジュール組立体が発生する
熱を除去するための熱移送機構に関する。
最近の集積回路半導体デバイスの回路密度は高いので、
デバイスの動作パラメータが予定の範囲を越えないよう
制限内にデバイスの温度を維持するため、及び過熱によ
るデバイスの破損を防止するため、デバイスの動作によ
り生じる熱を効果的に除去する必要がある。熱の除去に
関連した問題は、デバイスを基板上の適当な端子へ電気
的に接続する半田端子を有する支持基板にデバイスが接
続される場合には支持基板がヒートシンクとして働らく
バック・ボンデツド・デバイスに較べて増大する。その
ような半田ボンデツド・デバイスにおいて半田を介して
達成される熱移送は、バンク・ボンデツド・デバイスに
較べて制限される。半導体デバイスは通常筐体内に収容
されヒートシンクに又はヒートシンクに接して装着され
る。ヒートシンクは液体又は空気で冷却される。しかし
冷却条件が適合するときは空気流で(もしも望むならは
冷却空気で)熱を消散する方が通常安くつく。
動作デバイスを支持している基板の寸法が増大するにつ
れて半導体パッケージの素子の材料、の膨張係数の相異
が益々重大になる。使用中にパッケージの温度は固有の
周期化変化を示す。かくて支持基板がセラミック製で且
つそのリッ1−(帽体)がセラミック製であるときは、
デバイスを封止するリッド又は筐体は同じ膨張係数を有
するセラミック製であるのが望ましい。しかしセラミッ
クは金属はど熱を伝えない。従ってセラミックで形成さ
れた冷却フィンは金属に較へて相対的に効果が低く、冷
却条件に適合させるのには向がない。膨張係数の相異の
問題に打勝つために個別的な金属フィンをセラミックに
接着することができる。しかしフィンの接着されたリッ
ドはこわれ易く、しかもフィン螢個別的に接着する作業
は退屈で時間の掛る作業なので高価につく。大きい1体
構造のフィン組立体をリッドの表面に接着してもよい。
しかし金属とセラミックの膨張係数は全く相異するので
、熱せられたときフィンとリッドが分離したりその組立
体が曲ったすする。少くとも、パッケージの寿命の信頼
性を損なうストレスが発生する。
[先行分相] 米国特許第4277816号は複数の個別的に溝のつけ
られた中空金属管が半導体デバイスを封止するリッドの
上にろう付は又は半田づけにより装着されて成る、半導
体パッケージのための冷却装置を開示している。パッケ
ージの冷却を良くするためにブロワとバッフル付の小室
が設けられて、リッドの上に装着された管へ軸方向に空
気が導入される。
[本発明の要約コ 本発明の主目的は効果的に熱を除去し且つセラミック材
料に適合する大規模集積回路(LSI)モジュール用熱
移送機構を提供することである。
本発明の更に具体的な目的はリッドに破壊的な又は有害
なストレスを与えることなく熱循環しうる、セラミック
のリッド上に装着するための効果的且つ有効な金属ヒー
トシンクを提供することである。
上述及び他の目的は半導体パッケージのセラミック・リ
ッiく上に装着するためのヒートシンク組立体で達成さ
れるが、そのヒートシンクはリッドに接着された複数の
細長い冷却フィンより成り、各フィンは下端に複数の溝
を備えて各フィンの下端を複数の区域に分割しており、
上記溝は上端の近くで終端し、複数の平坦な四辺形部分
がリッドの掩い表面に接着されその各四辺形部分は隣接
冷却フィンの各区域のうちの1つの下端に接合され、平
坦な四辺形部分は上記複数の中空冷却フィン柱と接合し
て、熱循環中に冷却板及び掩い表面の材料の膨張係数の
相異により発生されるス1−レスを軽減する一体的冷却
板を形成する。
実施例 第1図に本発明のヒートシンクを採用した高密度集積回
路モジュール用空冷装置が概略的に示される。
大規模集積回路(LSI)チップ(図示せず)がモジュ
ール10の中に実装される。モジュールは印刷回路板1
1で支持される。モジュール10は夫々熱伝導性掩い表
面を有しこの掩い表面には1体的に溝が付けられたヒー
トシンク素子12が取付けられる。空気溜15が集積回
路モジュールの上面から適当な距離を置いて配設される
。空気溜15には空気移動装置16が組合わされている
空気は矢印で示す方向に流れる。空気溜15の内側の集
積回路板組立体に面する表面17に複数の穴18がある
。各穴18の下に本発明の1体的ヒー1−シンク12が
装着されたモジュール10を位置づけるのが望ましい。
空気溜15及び回路板11の下にある組立体の基部には
空気冷却装置から空気を排出できるようにするすき間1
9がある。
第2図乃至第4図に本発明の1体的ヒートシンク12の
望ましい実施例が示される。ヒートシンク12は熱発生
体の表面に、更に望ましくは熱が消散されなければなら
ない半導体パッケージのリッドに、直接的に装着するの
に適合している。ヒートシンクの構造は、接着表面が複
数の小さい表面に分割されそれらが接着された表面の収
縮に合わせるのに必要な程度に移動又は屈曲が自由にな
っているので、異った膨張係数を有する材料へ直接的に
接着する事を可能にしている。
ヒートシンク12は複数の直立冷却フィン素子20を有
し、それらは何れも中空である。各フィン20はその頂
上で接合された4つの直立脚部22を有する。脚部22
はヒー1へシンク12が接着される表面の膨張及び収縮
に順応するため屈曲可能である。脚部22は2つの溝2
6及び28の交差によって形成されるのが望ましい。第
1図と組合せて突当て冷却が熱消散に採用されたときは
、各冷却フィンの頂上部分に穴24が設けら扛る。
穴24は少くども溝26及び28において下向に延び、
冷却媒体が下向きに且つ外方へ流れうるように下部に設
けた開孔と共にフィンをかすめる通路を与える。流体(
通?1ヶは空気)のこの流れは効果的な熱消散を与える
。頂上の開孔24へ入った後4つの脚部22のまわりか
ら外方へ流れる空気によって乱流が発生し、それが通常
は熱の移送を妨げる境界空気層を追い散らず。
第4図に明示されたように、ヒートシンク12は複数の
正方形の平坦な基部30を有し、それが使用状”態で冷
却されるべき物体に接着される。望ましい実施例では部
分30は正方形であるが長方形又は円形であってもよい
。基部30は冷却素子20へ特別な態様で取付けられる
。冷却フィン素子20の各脚部22は夫々別の隣接した
基部30へ取付けられる。かくて各基部30は4つの異
ったフィン素子へ取付けられる64つの基部30の隣接
した角部はかくて唯1つのフィン素子を支持する。従っ
て加熱効果又は冷却効果によって個々の基部30の相対
的な動きが生じても、その動きはフィン素子の脚部22
の屈曲性により吸収される。基部30はすべて冷却フィ
ン20の頂上部分によって相互に連結されているのでヒ
ートシンク構造は1体構造である。それに加えて基部3
0の広い面積が冷却フィン20への効果的な熱移送を与
える。例えば成る活動的な半導体デバイスによって基部
30の下で発生される熱スポットは4つの別々の冷却フ
ィンへ移送されることになり、そのことか熱抵抗を減じ
、しかも熱発生体の温度分布を一層均一化するよう改善
する。
第4図から明らかなように、ヒートシンク12の外縁に
あるフィン素子支持用基部は中央部にある基部30の寸
法の凡そ半分である。このことは、基部の外側列は唯2
つのフィン素子だけの脚部を固定することが要求される
ので必要なのである。
ヒートシンクは特定用途の必要に合わせるのに十分な熱
伝導性を有する適当な材料で作ることができる。しかし
金属が望ましい。望ましい金属は銅及びアルミニムであ
る。ヒートシンクは任意適当な手段、例えはろう付は又
は半田付けにより熱発生体へ接着されてよい。前述のよ
うに、支持素子即ち半導体パッケージのリッドはヒート
シンクの材料と適合した膨張係数を持つ必要がない。取
りわけ大きい半導体モジュールでは基板がセラミック製
であるときセラミックのリッドを用いるのが望ましいこ
とが屡々ある。熱発生体の材料との間の膨張係数の不適
合は接合界面の寸法を減じることにより、即ちヒートシ
ンクの基部の面積を相互に相対的に移動しうる小さい独
立の領域に分割することにより、効果的に減少される。
本発明の1体的ヒートシンクは下記の方法で製造できる
。比較的複雑で入り組んだヒートシンク構造は、単純な
ルーチン機械切削処理を何回も施すことによって作りう
ろこと明らかである。ヒートシンクを形成するに当り、
所望の寸法を有する材料の長方形又は正方形のブロック
が選択される。
選択されたブロックの底に最初の複数の並行に離隔した
溝26(第4図参照)が機械切削される。
溝の深さはブロックの厚さよりも小である。次に第2の
複数の並行に離隔した溝28が溝26を横切ってブロッ
クの底から機械切削される。これは接着界面として働ら
く基部30の表面形状を形成する。溝26の間に位置す
る第3の複数の溝44がブロックの反対側頂上から(ブ
ロック中で重複するように)機械切削される。次に第4
の複数の並行溝46が溝28の間に位置させて重複関係
でブロックの頂上から機械切削される。これらの溝44
及び46は冷却フィン素子20の外形を形成する。突当
て冷却のためフィンに開孔を開くようにブロックの頂上
から穴24がドリル穿孔される。
第4図に明示されたように、ブロックの頂上からの溝4
4及び46はフィン20の外表面を形成する。ブロック
の底からの溝26及び28はフィン20の下側の4脚部
30を形成するとともに、フィンを支持する下部脚部2
2をも形成する。
本発明のヒートシンクは例えば鋳造のような他の任意の
方法で作ることができる。もしもヒートシンクが鋳造さ
れるなら、溝26.28.44及び46は鋳型からヒー
トシンク12を取外すのを容易化するため僅かにテーパ
ーが付けられてもよい。溝の深さ及び冷却フィン素子の
高さは特定の用途の要件に適合させるため変えてよい。
一般的には溝26及び28の幅はフィン素子200合計
幅の凡そ1/3乃至1/2である。冷却フィン素子20
の全体的な高さに対する溝26及び28の相対的寸法が
構造体の冷却効率及び能力を決定する。溝26又は28
の幅に対する冷却素子20の高さの比率は5乃至50の
範囲が望ましい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のヒートシンク構造を採用した集積回路
モジュールの部分断面斜視図、第2図は本発明のヒート
シンク構造の望ましい実施例を示す平面図、第3図は本
発明のピー1〜シンク構造の斜視図、第4図は動作時に
半導体パッケージのリッドに接着される底面を示したヒ
ートシンク構造の斜視図である。 10・・・・集積回路モジュール、12・・・・ヒート
シンク、20・・・・冷却フィン素子、22・・・・直
立脚部、24・・・・穴、26.28・・・・溝、30
・・・・基部、44.46・・・・溝。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 複数の半導体デバイスを基板上に装着して成る高密度集
    積回路デバイス・モジュール冷却用01体構造ヒートシ
    ンクであって、上記ヒートシンクは夫々半導体デバイス
    を封止したリッド上に接着されて上記半導体デバイスが
    発生する熱を放散するため熱伝導性材料製の複数の冷却
    フィン素子を有し、上記複数の冷却フィン素子は上記リ
    ッドの上面に行列状に直交配置され、上記各冷却フィン
    素子は基部で始まり頂上部の少し手前で終了する上方に
    延びた細長い隙間によって複数の脚部に分割されており
    、上記脚部の下端が夫々隣接したフィン素子の脚部の下
    端と1体的に連結されて成ることを特徴とする1体構造
    ヒートシンク。
JP58224556A 1983-04-29 1983-11-30 1体構造ヒ−トシンク Pending JPS59202657A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US48987583A 1983-04-29 1983-04-29
US489875 1983-04-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS59202657A true JPS59202657A (ja) 1984-11-16

Family

ID=23945634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP58224556A Pending JPS59202657A (ja) 1983-04-29 1983-11-30 1体構造ヒ−トシンク

Country Status (4)

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EP (1) EP0123795B1 (ja)
JP (1) JPS59202657A (ja)
CA (1) CA1204523A (ja)
DE (1) DE3482156D1 (ja)

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CA1204523A (en) 1986-05-13
EP0123795A3 (en) 1986-12-10
EP0123795B1 (en) 1990-05-02
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EP0123795A2 (en) 1984-11-07

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