JPS604244A - 半導体冷却装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 この発明はコンピュータに装備されたＬＳＩの冷却装置
に設けられ耐久性が良く、しかも熱変形吸収に優れた半
導体冷却装置に係る発明である。

〔発明の背景〕

ＬＳＩの冷却装置の基本的な態様として第１図に示すよ
うなものが採用されてきた。

即ち、ヒートシンク１とケース２に囲まれた内　部には
該ケース２の表面内面に設けた基板３に半導体チップ４
が半田ボール５を介して固定され、これに対して上記ヒ
ートシンク１にその基端を固定したべローズ６の先端に
所定の冷却素子７が設けられ、上記半導体チップ４に圧
接されるようにされて該ベローズ６内の不活性ガスによ
り該半導体チップ４の熱を吸収して上記ヒートシンク１
に放熱するようにしていた。

しかしながら、上記のような冷却装置９においてはベロ
ーズ６の内封不活性ガスの熱伝導率が悪いために超大型
コンピュータにおいてはその冷却効率がわるいという不
具合があシ、その解決が望まれるようになってきた。

これに対処するに第２図に示す様な特公昭５６−３１７
４３号公報に示される発明の如く上記ベローズ６内に水
銀やガリュウム合金等の液体金属の冷却材８′を封入し
て、その熱伝尋性を向上させるようにし、又、該種液体
金属の冷却材８１についてはその温度勾配を出来るだけ
急にするようにその厚みを薄くするべく上記ヒートシン
ク１から冷却素子８，７に対してスタッド１０を突出さ
せていた。

さシながら、上述従来技術に基づく冷却装置９′におい
てはその冷却効率を良くするためには上記スタッド１０
′とベローズ６との間に封入される冷却材８′を確実に
充分所定の容量でいれなければならず、もしそ杆が不充
分であると設計冷却効率が得られないという不具合があ
る。

ところが、゛′上記冷却拐８′はその表面張力が極めて
大きくベローズ６とスタッド１００間隔が狭いためにこ
れに設定量を正確に封入するのは著しく困難性が伴う難
点があった。

又、実装コンピュータのＬＳＩの発熱を冷却するには上
記半導体チップ４に発生した熱を確実にヒートシンク１
に伝達しなければならないが、この場合該半導体チップ
４とこれに対する冷却素子７の対応当接面１１からの熱
伝達が良いことが条件である。

したがって、そのためには該冷却素子７が該半導体チッ
プ４に確実に当接していることが前提となる。

さシながら、一般にプレート３はその製造工程において
不可避的に誤差が避けられず、一方、又、半導体チップ
４も半田ボール５による接着固定過程において該半田ボ
ール５のネジ収縮により変形し、又、稼動中に於ける熱
の影響により該基板３が反る等しこれらの条件が競合し
て該半導体チップは位置、及び、姿勢の変動をする。

極端な場合には、その変動量は最大１胴にも及び、これ
を上記冷却素子７が吸収するにはそれ相当のベローズ６
のバネ定数を大きくしてその圧縮荷重による該半導体チ
ップ４の位置姿勢の変位を吸収するようにしなければな
らないが、実際には上記半田ボール５の寿命が著しく低
下してしまい、実質重態機能を保証するだめには該ベロ
ーズ６の荷重としては２００ｇを越えることは許されな
い。

而して、これらの条件を満たすベローズ６の実際上の成
形加工としては肉厚にして１００μ以下とするしかなく
これを可能とする技術としては現在のところ電鋳ベロー
ズしかない。

しかし、該電鋳ベローズはその製造過程、及び、その後
の組付は等の過程において微小なピンホールを全くない
ようにすることは極めて困難であシ、したがって、大型
コンピュータの稼動中に経時的にピンホールから上記冷
却月８′がリークし、その結果冷却性能が低下するとい
う欠点があり、更にリークする液体金属の冷却材８′が
半導体チップ４の発熱温度程度で溶融するような材料で
ある場合には上記冷却素子７や、場合によってはベロー
ズ６も一部腐蝕し、その結果重大な結果に陥る虞がある
不利点があった。

〔発明の目的〕

この発明の目的は上述従来技術に基づく半導体チップに
対する先端の問題点を解決すべき技術的課題とし、該半
導体チップに対する該半導体チップの発熱を確実に吸収
して冷却効率を上げることが出来るようにするばかりで
なく、そのベローズ６内封入の冷却材のリークを確実に
阻止する優れた半導体冷却装置を提供せんとするもので
ある。

〔発明の概要〕

この発明は、前述問題点を解決するために、ヒートシン
クとケースとの内部に該ケースの内側表面に設けた基板
に対して半田ボールを介して半導体チップを設けておき
これに対して上記ヒートシンク１に固定したプレートに
対して該半導体チップに内側が対向する形でベローズ６
をその外側に耐蝕加工した薄膜体を設けて一体固定し、
而して該ベローズの上底にスタッドの基端を固定すると
共にその先端を該半導体チップに押圧当接させて該半導
体チップの姿勢変位、及び、基板の変形を常に吸収する
ようにして常に該半導体チップの熱を該スタッドを介し
てベローズに伝達し、而して該ベローズの周囲に設けた
冷却材によりヒートシンクに対して確実に放熱して冷却
することが出来法に、この発明の実施例を第３図以下の
図面に基づいて説明すれば以下の通りである。尚、第１
゜２図と同一態様部分は同一符号を用いて説明するもの
とする。

第３図に示す実施例において９１はこの発明の要旨を成
す半導体冷却装屑であシ、超大型コンピュータに装備さ
れるＬＳＩの各モジュールのユニットに設けられ、その
ヒートシンク１とケース２の内側には在来態様同様に該
ケース２の内側表面にセラミック製の基板３が適宜接着
手段により固定させており、該基板３の表面には所定の
半導体チップ４，４・・・が各々球状の半田ポール５．
５・・・を介して固定されている。

一方、これに対し上記ヒートシンク１の内側端部の段差
面にはプレート１２が該半導体チップ４に対する孔を有
して固定されており、該プレート１２の半導体チップ４
対応孔には該半導体チップ４に内側を向けて銅製、或い
は、ニッケル製のベローズ６が適宜手段で固定されてい
る。

而して、該ベローズ６の外側には蓋着手段によυ厚さ約
５μのポリバラキシレン（商品名パリレン）の耐蝕膜１
３が一体に耐蝕加工されてお９、その内側にはスタッド
１０がその上底内面に一体溶接固定させており、又、そ
の先端は該ベローズ６の圧縮力によｐバネ力を与えられ
て上記半導体テップ４に圧接されている。

そして、上記ヒートシンク１とプレート１２及びベロー
ズ６との間には液体金属のガリウムーインジュームース
ズ合金、及び、ヘリウム、或イハ、窒素ガスの混合体が
冷却材８１として封入されて上記ベローズのバネ力と共
にスタッド１０のす導体チップ４に対する押圧力として
作用している。

尚、前記ケース２とプレー）１２、及び、ヒートシンク
１、ベローズ６間に封入されている窒素ガスの圧力より
これらの総合押圧力が大きくされていることは勿論であ
る。

このようにすることにより上記冷却材８１はベローズ６
からリークすることは少なくとも１０年程度は有シ得カ
い設計が出来る。

上述構成において、ＬＳＩは上記半導体チップの発熱に
よって温度を上昇するが、該各半導体チップ４０発熱は
スタッド１１を介してベローズ６に伝達され、更に冷却
材８１を介してヒートシンク１に放散されて常に冷却さ
れ、その高速演算は設計通りに行われ、超大型コンピュ
ータの機能は経時的に充分に維持される。

而して、上記稼動中において組付は誤差、或いは、発生
温度による変形等により基板３が反り返ったシ、半導体
チップ４が姿勢変位しても上記ベローズ６の設定押圧力
により常にスタッド１１は確実に上記変形変位を吸収し
て安定して半導体チップ４に当接し、その発生熱を吸収
してベローズ６に伝達することが出来る。

又、該ベローズ６は先述の如く、ガリウムーインジュウ
ムースズ合金の耐蝕薄膜をライニングされているので経
時的にピンホール等が生ぜず、したがって、冷却材８１
がリークするようなこともなく、よって、その冷却性能
は長く変ることなく維持される。

又、第４図に示す実施例においては冷却材にフロロカー
ボン８２を封入させてベローズ６の上面には高熱用の冷
却装置１４を設け、更に、ヒートシンク１の内側には急
熱フィン１５を設けるようにした態様であり、このよう
にすることにより上記フロロカーボンは沸騰し易く、シ
たがって、熱抵抗はより小さくなり冷却効率は著しく促
進させることが出来る。

又、第５図に示す実施例は冷却材８３としてフロロカー
ボンやシリコン油等の不活性流体を流す様にし、又、上
記ベローズ６の上面にフィン１６を設けてよシ放熱効果
が大きいようにして冷却効率を促進させるようにしたも
のである。

当該態様においては前実施例の如く液体金属の如き特殊
な熱伝導冷却材を用いずに、父、沸騰冷却のような不安
定性もなく装置の信頼性を高くすることが出来る。

尚、この発明の実施態様は上述各実施例に限るものでな
いことは勿論であり、種々の態様が採用可能である。

〔発明の効果〕

以上この発明によれば基本的に、冷却材をベローズに対
して確実に設計通りに装備させることが出来る。又、そ
れによってベローズ６のスタッドを介しての半導体チッ
プに対する押圧力を半田ボールを損わない程度に設計通
シにさせることが出来る優れた効果がある。

したがって、半導体チップの姿勢位置変化も確実に吸収
され、しかもその発熱は確実にスタッドやベローズを介
し冷却側放熱されヒートシンクに放散される。

そして、従来の如くスタッドが挿入されているベローズ
内に冷却材を封入する必要もないので組付けにおいて冷
却材の封入の自由度が著しく高まり、その種類の選択も
大幅に緩和されるという利点もある。

更に、該ベローズの外側に４蝕加工を行った有機薄膜を
ライニングするようにすることにより電鋳ベローズに不
可避的に生じやすいピンホール等も防がれ、したがって
、冷却拐の稼動中に於ける経時的リークも生じないとい
う優れた効果が生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は従来技術に基づく半導体冷却装置の概略断
面図、第３図以下はこの発明の詳細な説明図であり、第
３．４．５図は各実施例の説明断面図である。 １・・・ヒートシンク、２・・・ケース、４・・・半導
体チップ、５・・・半田ボール、６・・・ベローズ、１
０・・・スタッド、１２・・・プレート、８１，８２．
８３・・・冷却４１　口 第　／　図 冨　４−　図 ｆＪ５図 第１頁の続き （か発　明　者　中山恒 土浦市神立町５０２番地株式会社 日立製作所機械研究所内 ＠）発　明　者　志田茂 土浦市神立町５０２番地株式会社 日立製作所機械研究所内 の発　明　者　小林二三幸 秦野市堀山下１番地株式会社日 立製作所神奈川工場内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ケース上の基板に半田ボールを介して固定シタ半導
   体チップを押圧するベローズがヒートシンクに連係され
   その内部にスタッドを有すると共に冷却材に接触してい
   る半導体冷却装置において、該ベローズが上記ヒートシ
   ンクに接合されたプレートに設置され、而して上記スタ
   ッドの基端が該ベローズの上底内面に一体化されると共
   にその先端が上記半導体チップに圧接され、又該ベロー
   ズとヒートシンク間に冷却材が介設されていることを特
   徴とする半導体冷却装置。 ２、上記ベローズが耐蝕加工されていることを特徴とす
   る特許 導体冷却装置。 ３、上記冷却材が気体、液体、固体のいずれかにされて
   いることを特徴とする上記特許請求の範囲第１、２項の
   いずれかの半導体冷却装置。 ４、上記冷却材が流動材にされていることを特徴とする
   上記特許請求の範囲第１〜３項記載のいずれかの半導体
   冷却装置。