JPS6129161A - 熱伝導冷却モジユ−ル装置 - 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〕 本発明は半導体装置基体によって発生される熱を冷却装
置に伝達するための構成に関する。更に具体的には、本
発明は半導体装置基体が微少はんだで基板に取付けられ
た牟−装置基体、もしくは、多重装置基体を含む集積回
路パッケージ糸且立体中の半導体装置基体を冷却する熱
伝導冷却モジュール装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、大型電子計算機では計算速度の速いことが要求さ
れるため、近年、限定された半導体基体中に半導体素子
を多数個集積し、各素子間の電気的連絡配線長を可及的
に短縮した半導体装置（以下ＬＳＩと醒う）チップが開
発されている。又、そのＬＳＩチップを搭載し、同チッ
プと外部回路と全電気的中継接続する基板も多層、かつ
、高密度に電気配線され、中継接続配線長を実質的に短
縮した回路基板が開発されている。更に、ＬＳＩチップ
を回路基板上に多数個実装する方法が開発されている。

ＬＳＩチップの動作パラメータを予定の範囲内に保持し
、過熱による同チップの破壊を防止するためには、動作
によって発生した熱を効率的に外部へ放散させる、補助
的手段を施こす必要がある。

補助的冷却手段の一例として°榎案されているものに、
空冷と液体冷却を併用した冷却システムがある。これは
、米国特許公報第３７４１２９２号に示されているよう
に、カプセル内に封入された低沸点の誘電性液体で包囲
された部分に、熱発生成分を浸漬したモジュールである
。これに多用される液体は、低沸点のフロロカーボン液
で、比較的低い温度のもので沸騰を生じる。即ち、熱発
生成分から伝熱された液体は蒸気となり、液面より上部
に位置した蒸気部分に移動し、容器から内部へ向けて連
なった凝縮器として作用する内部フィンで冷却されて再
び液化されるサイクルをくり返す。この際、容器から外
方へ延びている外部フィンが空冷され、内部フィンから
伝達された熱に対する放熱体の役割を担う。この過程の
もとで、熱発生成分の熱放散が達成される。しかし、こ
の種の液体カプセル封入モジュールは、沸騰−凝縮の基
本プロセスが確実に遂行されるように維持されねばなら
ないが、このためには、極端に高純度で汚染物質の無い
冷却剤液体を必要とする。又、この冷却概念は、ＬＳＩ
チップのような、熱発生成分を冷却する場合には、容易
に適用できない。液体及び同液体に取込まれた不純物質
又は汚染物質によりＬＳＩ構成物質が腐蝕されたり、こ
れに伴う故障を併発する危険が極めて太きいからである
。

米国特許公報第３９９．３１２３号には、冷却されるべ
き半導体チップのような熱発生装置をガスとともにカプ
セル封止した冷却モジュール装置が開示されている。熱
発生装置はアルミナ基板上に搭載され、この基板とキャ
ップにより密閉され、この密閉空間に不活性ガスが充填
され、熱伝導性部材が配置されている。基板に対向する
キャップの壁面は熱発生装置に向って該装置と同−中心
上を延びる細昆い孔をもつ。この孔の内方端部には弾性
部材が配置されている。熱伝導性部材が各孔内に配置さ
れており、番孔の壁面とそれに関連する熱伝導性部材と
の間に狭い周辺間隙が形成されている。弾性部材は熱伝
導性部材を熱発生装置に圧接するような力を、熱伝導性
部材に付与している。気密空間内には不活性ガスが充填
されていて、この不活性ガスによね周辺間隙及び熱発生
装置と熱伝導性部材間の界面を満している。熱発生成分
で生じた熱は、不活性ガスや熱伝導性部材を経由してキ
ャップに至り、同キャップと結合したヒートシンクへ放
出される。

カプセル封止冷却モジュール装置には、キャップ利及び
熱伝導性部材として銅やアルミニウム、そし１封大ガス
としてヘリウム、水素、二酸化炭素が用いられている。

これらは熱伝導性の優れた相料であって、熱発生装置か
らヒートシンクへ至る熱伝導経路をこれらの材料で構成
することにより、効率のよい熱放散を実現している。し
かし、このカプセル封入冷却モジュール装置では、占有
面積が大きくなり、同モジュール装置をプリント基板に
実装する際に密度を高めることが困難である。これは、
高気密空間を形成するために、キャップとの間で封止部
を形成する部分に、アルミナ板の周辺から封止部へ向け
て延びるフランジを設けており、そして場合によっては
封止部を形成するため、キャップとフランジを圧着する
締結手段が付加されるからである。

一方、米国特許公報第４０３４４６８号及び４０８１８
２５号には、−以上の冷却されるべき熱発生装置として
の半導体チップとヒートシンクとしてのパッケージ又は
カバーとの間に、熱輸送路を形成する低融点ソルダから
なる熱伝導パッドを設けた、伝導冷却回路パッケージが
開示されている。半導体チップはアルミナ基板Ｆに搭載
され、この基板と銅又は真鍮からなるキャン又はカバー
により密閉されている。半導体チップとキャン又はカバ
ーとの間には、ギャップが形成されているが、このギャ
ップ部分を埋めるようにインジウム又はその合金からな
る熱伝導パッドを配置している。この熱伝導性パッドは
、半導体チップ又はキャンないしカバーのいずれか一方
のみと金属的に接合され、金属的な接合がなされない他
方の係合部は非金属的に、例えば単に接触界面を形成す
るように接合されている。この際、金属的接合を具現す
るため、半導体チップ又はキャンないしカバーニクロム
−銅−金、クロム−ニッケル、チタニウム−パラジウム
−金、クロム−銅からなる薄膜が形成されている。この
伝導冷却パッケージでは、金属的接合がなされない接触
界面で機械的拘束力を受けないから、熱的サイクルの付
加にともなう劣化、例えば、疲労破壊のような故障を生
じにくい。しかし、熱伝導路を形成するこの非金属的接
合部は、金属的接合がなされた界面に比べて熱伝導性能
の点で劣ることは明確である。

従って、より冷却効率の高い熱伝導路を形成するには、
熱発生装置としての半導体チップからヒートシンクへ係
合されるハウジングに至る熱伝導路に、半導体チップ及
びハウジングの双方に金属的に接合された熱伝導パッド
を配置するのが好ましい。しかしこの場合には、熱伝導
パッドが金属的に係合されない部分を持つ、熱伝導冷却
パッケージでは発生しにくい、新たな問題を生じる。即
ち、熱膨張係数の異なる半導体チップとハウジング部材
の双方に合金材のように熱伝導パッドを金属的に接合し
た場合は、回路の稼動及び休止に伴う熱変化を生じ、熱
膨張係数差に起因して熱伝導パッドに熱応力が印加され
、この熱応力のくり返し印加によって熱伝導パッドの疲
労破壊、例えばクラックを生じるに至る。このような熱
伝導パッドの疲労破壊は、熱伝導路の熱抵抗を高める要
因となり、特に、発熱量の大きい半導体チップに関する
熱伝導路の場合は、この破壊を防止する手段が構しられ
ねばならない。

一方、半導体チップは熱伝導パッドを介してハウジング
と金属的に接合されているから、ハウジングと基板間の
熱膨張係数差は、半導体チップと基板を接続する微少は
んだの疲労破壊に対しても大きく影響する。これは、ハ
ウジングから半導体チップに至る部分は、微少はんだに
対しては一体化された複合部材として作用し、ハウジン
グと基板間の熱膨張係数差は、複合部材と基板間の熱膨
張係数差にも反映されるからである。この意味でも、ハ
ウジングは基板と近似した熱膨張係数をもつことが望ま
しい。又、熱伝導性空間を維持するためには、熱伝導性
封入ガスを閉じ込めるため、ハウジング及び基板の相互
間は直接的又は間接的に接合されねばならない。この接
合がろう材を用いてなされる場合、ハウジングと基板間
の熱膨張係数が大きいと、上述と同様の疲労問題を生じ
る。

ｌ臣に、この部分の接合部は寸法的に大きくなるため、
疲労破壊の危険は顕著であり、熱伝導性空間を維持する
ことが困難となる。

〔発明の目的〕

本発明の主な目的は、熱発生装置の冷却を効率的に行な
い、熱発生装置から放熱のためのヒートシンクに至る熱
伝導路の伝熱性能を維持する熱伝導パッドとハウジング
からなる熱伝導冷却モジュール装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、熱伝導パッドの疲労破壊を防止な
いし軽減するハウジングをもった熱伝導冷却モジュール
装置を提供するにある。

本発明のさらに他の目的は、熱伝導性封止空間を維持す
るハウジングをもつ熱伝導冷却モジュール装置を提供す
るにある。

〔発明の概要〕

本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、これら目的を達
成するため、以下の特徴をもつ。

（１）少くとも一つの冷却されるべき熱発生装置と、こ
の熱発生装置の各々に対向するように熱伝導路内にぎ筐
れている、異種の複数の金属層が互いに直接接着された
積層構造をもつ複合金属からなるハウジングと、この熱
発生装置１ｑとハウジングとのＩＸｔｊに、熱伝導パッ
ドを配置したこと。

（２）少くとも一つの冷却されるべき熱発生装置を搭載
する基板と、熱発生装置の各々に対向するように熱発生
装置の熱伝導路内に含才れているハウジング゛をもつ熱
伝導冷却モジュール装置において、ハウジングが異種の
複数の金属層が互いに直接接着された積層構造の複合金
属からなり、熱発生装置とハウジングに金属的に接合さ
れた低融点金属からなる熱伝導性パッドをもち、基板と
ハウジングとが金属ろうを介して接合されて密封空間を
形成したこと。

（３）ハウジングの熱膨張係数を、熱発生装置のそれと
基板のそれとの間の値に調節したこと。

本発明において、ハウジングは熱発生装置〆ｔＶｃ門連
する熱伝導路に用いられるので、１怖い熱伝導性が必要
であるほか、好ましくは、ハウジングは熱膨張係数が熱
発生装置や基板のそれと近似し、高い気密性をもつ必要
がある。これは熱伝導パッド、微少はんだ、セして封止
部の疲労劣化を避け、封入カプセル内の高気密性を維持
するためである。

そこで、こうした性能をもつ材料を探索し比較検討した
結果、ハウジング用材料として金属マトリックスに繊維
を埋込んだ複合金属が好適な性能をもつことが確認され
た。本発明において、複合金属は熱膨張係数の小さい繊
維を熱伝導率の高い金属マトリックス中に埋設するよう
に直接一体化されたものであり、複合金属の全体として
の熱膨張係数が調節されたものである。この複合金属の
全体としての熱膨張係数αＭとは、複合金属板の主面に
平行な方向の見かけのそれであり、例えば、繊維を一方
向に整列させマ）　ＩＪノックス埋込んだ複合材におい
て、繊維の長手方向の熱膨張係数α旧は、 ここで、αｆ：繊維の熱膨張係数 αｍ＝マトリックスの熱膨張係数 Ｅｆ：繊維の弾性係数 Ｅｍ：マトリックスの弾性係数 ■ｆ：繊維の含量比 一方、繊維の断面方向の熱膨張係数αＭ２は、（２）式
で近似される。

αＭ２−ａｆＶｆ＋αｍ（１−Ｖｆ）　　　　・・・・
・・・・・（２）本発明において、繊維は小さい熱膨張
係数又は負の熱膨張係数を持つものであり、式（１）よ
り複合金属の低熱膨張係数化が可能である。しかし、繊
維方向を一方向のみにすると、式（１）及び式（２）か
ら繊維の長手方向と断面方向とでは熱膨張係数に異方性
を生じる。本発明の熱伝導冷却モジュール装置では、ハ
ウジングは等方向な熱膨張係数αＭをもつことが要求さ
れる。等方向熱膨張係数をもつ複合金属の複合構造は、
繊維を（１）二方向にする、（２）網目状にする、（３
）方射状にする、（４）環状にする、（５）うす巻き状
にする、そして（６）無方向にする等して、金属マトリ
ックスに配列した構造をとることができる。

特に、熱伝導パッドや封止部の耐ヒートサイクル性を高
めるために、ハウジングの熱膨張係数α、（＝αＭ）を
熱発生装置、即ち、半導体チップのαＣや熱発生装置を
搭載する基板のそれα８に可及的に近似させるか、又は
、より好ましくは、αＨをαＣとαＳの間とするもので
ある。本発明において、ハウジングは熱発生装置から熱
伝導パッドを経由して伝達された熱を冷却板等の放熱手
段へ効果的に伝達するための熱拡散板としても働く。特
に、素子の集積度を高めたＬＳＩチップになるほど発熱
も多く、又チップの搭載数を増すほど大型のパッケージ
が必要になることもあって、ハウシックの面積の大きな
ものが必要になる。このような場合は、熱伝導パッドや
封止部の疲労に対して寸法の影響が強く反映される。即
ち、大型パッケージになるほど疲労の問題は顕著に女る
が、このような疲労を防ぐには、上述の熱膨張係数の関
係を満足させる必要があることがわかった。

尚、特公昭５７−４９１３９号公報に、炭素繊維を銅マ
トリックスに埋込んだ複合材を、半導体基体搭載用の支
持板に適用した半導体装置が開示されている。ここで、
この複合材を適用することにより半導体基体のわん曲防
市や優れた熱放散性が得られることを開示している。し
かし、本発明の熱伝導冷却モジュール装置で新たに発生
する課題並びに解決法については開示されてい々い。新
たなる課題は、半導体基体の一方の側が微少はんだで基
板と金属的に接合され、他方の側が熱伝導パッドを介し
てハウジングと金属的に接合された場合の疲労破壊の問
題や、大型のハウジングと基板間で高気密の密閉空間を
維持するための課題である。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を更に詳細に説明する。第１図はＬＳＩ
チップ１０として示されている熱発生装置と、これを冷
却するための補助的冷却手段をもった気体封入熱伝導冷
却モジュール装置を示す斜視図、第２図は第１図の■−
■矢視図である。両図を参照して説明するに、シリコン
基体に固体回路を形成してなるチップ１０の約百個が面
積約９０＋ｎ＋ｎＸ９０ｍｍのセラミックの多層配線基
板１２の一方の側に微少はんだ１１により装着されてい
る。基板１２はその他方の側から突出する約千五百本も
の接続ピン１４をもっている。これらのピン１４を補助
回路等を担持した配線ボード１３に差し込み、熱伝導モ
ジュール装置が支持される。

基板１２のチップ１０を搭載した側の周辺部には金属又
はセラミックからなるスペーサ１５が、そして、スペー
サ１５の他方の側には複合金属板からなるキャップ、即
ち、ハウジング１６が連らなって配置され、はんだ等の
ろう材のような封着部材１７．１８により固着されてい
る。この際、基板１２の封着部には、封着部材１７に対
するぬれ性を付与する金属化手段（（２）示せず）を設
けている。これらの部材構成によって密閉空間１９が形
成されているが、この部分にはヘリウムガスのような熱
伝導性気体３１が充填されている（第２図参照）。チッ
プ１０とチップ１０の各々に対向するハウジング１６の
間には、チップ１０とハウジング１６に金属的に接合さ
れた低融点金属からなる熱伝導性バンド２０が設けられ
、チップ１０からハウジング１６に至る熱伝導路を形成
している。

この際の金属的接合は熱伝導性バンド２０に対するぬれ
性を付与する金属化手段（図示せず）を−・ウジンク１
６とチップ１０に設けることにより達成されている。第
１１図及び第２図において、ハウジング１６は炭素繊維
が網目状に配列されて銅マトリツクス中に埋設された複
合金属板からなる。

以下、ハウジング１６の詳細を説明する。

第３図はチップ１０とともに用いられた基板１２、熱伝
導性パッド２０及びハウジング１６の断面拡大図を模式
的に示す。同図において、ハウジング１６は、直径７々
ｍの炭素繊維に銅めっきを施こした複合化繊維束（約三
千本）を網目状に編んだ複合化繊維網を、四枚重ねてホ
ットプレス（１０００℃、２４．５ＭＰａ、３０分、水
素−窒素混合ガス中、通電加熱）して、めっき形成した
銅どうしを拡散接合させて一体化した複合金属板であり
、厚さ約１瑞そして面積は基板１２と同等である。この
ハウジングの見かけの熱膨張係数は５、５　Ｘ　１０−
’／ｌで、チップ１０の素材であるシリコンの熱膨張係
数（３，５Ｘ　１０−”／’Ｃ）と基板１２の母材であ
るアルミナの熱膨張係数（６３×１０−’／’Ｃ）の間
の値に調節されている。

複合金属板の見かけの熱膨張係数は、素材として用いる
繊維やマトリックス用金属の種類や、繊維ないしマトリ
ックスの含量比、即ち、体積比を変えることにより、調
整可能である。例えば、上述の炭素繊維−銅マ）　ＩＪ
ソックス合金属板は、めっき形成される銅の量を調節す
ることにより、炭素繊維が実質的に５４ｖｏ１％含有さ
れるようになされ、熱膨張係数が確保されている。又、
他の例では、炭素繊維含有量が４５　ｖｏｌチの場合は
、約８　ｘ　Ｉ　Ｃｒ’／’ｃとなり、５４　ｖｏｌ　
％　ｆ　モ炭ｆＪｔｔｍがうず巻き状に編まれた場合は
約４　Ｘ　１０−’／’Ｃとなる。

ハウジング１６の繊維は熱膨張係数が負又は小さく、金
属マ）　ＩＪソックス熱膨張を抑制するという観点から
選ばれる。この観点で選ばれ得る繊維素材は、上述の炭
素以外にガラス、炭化ケイ素、４２７０イ、アンバー、
タングステン、モリブデン等があけられる。一方、マ）
　ＩＪソックス熱伝導性が高いという観点から選ばれる
。この観点で選ばれ得る金属には、上述の銅板外にアル
ミニウム、ニッケル、亜鉛、金、銀、鉛、パラジウム、
コバルト、真鍮、青銅等があげられる。尚、複合繊維の
製法は、上述のめつき法の他、スパッタリング、イオン
プレーテインク、蒸着、気相成長、溶射等の方法を用い
得る。ホットプレスに際しては、マトリックス金属が軟
化して空間を埋め、マトリックス金属どうしの金属的接
合がなされ得る売件が選ばれるべきで、雰囲気は他の遺
元性又は不活性カス雰囲気、あるいは、真空であっても
よく、温度や圧力は素材の組合せによって種々選ばれる
べきである。

ハウジング１６は、基板１２等とともに、密閉空間を形
成して高気密性を維持する必要があり、この意味でハウ
ジング素材としての複合金属板自身にも気密性を付与し
ておく必要がある。しかし、炭素繊維−銅マ）　ＩＪソ
ックス合金属では、繊維−マトリックス間の化学的又は
合金的反応性が極めて小さく、高気密化は容易に達成さ
れにくい。このような場合、複合金属板の主表面に銅箔
を同時にホットプレスして気密性保持手段を施こしてお
くことが好ましい。例えば、炭素繊維含有量５４ｖｏ１
％の複合金属板の場合、゛銅箔の厚さが１０μｍあれば
、ヘリウムリーク量に換算して１ｏ−７ａ　ｔｍ　ｍｌ
／　Ｓ以下の気密性が得られる。気密性保持手段は銅板
外の金属箔を用いて形成されてもよく、又、ホットプレ
ス以外の方法、例えば、複合繊維の製法と同様の方法を
適用できる。

熱伝導路内にある熱伝導性パッド２ｏは、６７チビスマ
ス一１６％鉛−１７％錫はんだで、固相点９５’ｃ、液
相点１４９　’ｃをもつ低融点金属で、チップ１０に設
けられた金属化層１０ａとハウジング１６のチップ１ｏ
との対向部に設けた金属化層１６ｅにぬれることにより
、金属的に接合されている。熱伝導性パッド２ｏは、組
成のはんだ材以外にビスマス、錫、インジウム、水銀の
ように単体金属や、鉛、錫、ビスマス、インジウム、カ
ドミウム、水銀、アンチモンの少くとも一種を含む合金
材で代替することも可能である。

チップ１０は、−辺が６．５■の正方形状をしており、
同チップの微少はんだ１１の設けられていない側にクロ
ム−ニッケルー銀積層金属層からなる金属化層１０ａが
設けられ、又、ハウジング１６のチップ１０との対向部
に略同寸法のクロム−ニッケルー銀積層金属層からなる
金属化層１６ｅが設けられ、金属的接合の実現に寄与し
ている。

金属化層１０ａや１６ｅのクロム層はチップ１０゜又は
、ハウジング１６との接合強度を保つための役割、ニッ
ケル層は熱伝導性パッド２ｏの構成金属とクロム層の反
応を抑制するためのストッパとしての役割、そして銀層
は熱伝導性パッド２０に対するぬれ性を付与する役割を
それぞれ担っている。従って、それぞれの金属層は上述
の役割を果し得る限りにおいて、他の金属を代替できる
。例えば、接着強度を保つための層としては、クロムの
他にチタニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル
、アルミニウムなどの金属、ストッパとしてはニッケル
の他に銅、パラジウム、白金、アルミニウムの金属、そ
してぬれ性を付与するための層とには銀の他、金、白金
、銅、ニッケルの金属を適用できる。必要なら、クロム
層とニッケル層との間にクロム−ニッケル混合層を設け
て、接着力を強化する手段を講じてもよい。これらの積
層金属層は真空蒸着法によって形成されるが、必要なら
スパッタリング法、イオンブレーティング法を用いて形
成してもよい。金属化層１０ａ。

１６ｅは熱伝導路の伝熱性能を高めるのに有効である。

より伝熱性能を高めるには、ハウジング１６の金属化層
１６ｅは、サンドブラスト法等で面に微細な凹凸を設け
た後形成することが望ましい。尚、このような金属化層
は、ハウジング１６の周辺部にも設けられて、封着部材
１７との金属的接合を容易にすることも可能である。特
に、ハウジングに関しては、複合金属板の最表層が銅の
ように、低融点金属からなる熱伝導性パッド２０や封着
部材１７に対するぬれ性をもつ金属である場合は、上述
の金属化層を設けなくてもよいが、逆に、金属化層を設
ける場合であっても積層金属層に限る必要はなく、例え
ば、複合金属板の表面に、ニッケルや金のような金属を
めっき形成してもよい。又、金属化＃１６ｅＦｉ、熱伝
導性パッド２０用低融点金属が無制限にぬれ広がるのを
防止するため、所定の限定された領域に形成されること
が望ましく、この意味で金属化層１６ｅの周囲に低融点
金属の流れ防止用ダムをガラス材、あるいは、二酸化シ
リコン材等で設けておくのも望ましい。

又、チップ１０内には、限定された半導体基体内に多数
個集積された半導体素子をもち、それぞ、　れの素子は
所定の電気配線により電気的な機能を果し得るように電
気回路を形成している。これらの素子は、電気回路を形
成するために、必要に応じて相互に電気的に絶縁された
半導体領域に形成されなければならない。従って、一般
に素子はｐｎ接合を逆バイアスして電気的に分離された
、通常島と呼ばれる領域に形成される。問題は、ｐｎ接
合を逆バイアスするための電圧が半導体基体、即ち、熱
伝導性パッド２０と接合する部分に与えられることであ
る。一般には、機能の異なる二種ないしそれ以上のチッ
プ１０が同一基板１２土に搭載される。このような場合
は、逆バイアス電圧を２ないし、それ以上の水準に維持
する必要がある。異女る逆バイアス電圧の与えられたチ
ップ１０どうしは、導電性の熱伝導性パッド２０やハウ
ジング１６を介して電気的に連絡することとなり、あら
かじめ予定された逆バイアス条件を維持できない。この
ような場合は、第３図に開示されたハウジング１６と金
属化層１６ｅの間、又、チップ１０と金属化層１０ａと
の間の少くとも一方に、絶縁性物質（図示せず）を設け
ておくことが望ましい。この絶縁性物質は、−例として
二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、
窒化シリコン、クロム添加と化ガリウムのような薄膜物
質であることが望ましく、一般に周知なＣｈｅｍｉｃａ
ｌ　ｙａｐｏｒ　Ｉ）ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法、スパッタ
リング法、熱酸化法等により形成される。

熱伝導性気体３１としてのヘリウムガスは、周知のよう
に低分子気体であって微少間隙に侵入して満されやすく
、良好な熱伝導体であって熱抵抗を下げ、不活性ガスで
あって安全性が高く、かつ、腐蝕性や毒性を持たず、最
も好ましい封入用気体材料になり得る。しかし、チップ
１０の安定動作を維持する上で、放熱能力に余裕のある
場合は、水素、二酸化炭素、窒素等の気体を封入するこ
と及びヘリウムガスを含めた気体の二種類以上の混合気
体を封入することも可能である。この場合、気体の種類
や気体の混合組成は冷却されるべきチップ１００発生熱
量とモジュール装置全体の放熱能力とのバランスで適宜
選択されるべきである。

空間１９は、基板１２、ハウジング１６とこれらの部材
を固着している封着部材１７．１８やスペーサ１５によ
り気密性を維持し、封入熱伝導性気体３１の散逸を防ぐ
と同時に、外気の侵入による腐蝕等から内部を保護する
ようになっている。

このような気密性保持や疲労破壊防止の観点では、封着
部材１７として錫、鉛、ゲルマニウム、シリコン、アン
チモン、ビスマス、カドミウム、ガリウムから選択され
た少くとも一種を含む金糸合金材や、錫、鉛、銀、アン
チモノ、インジウム、ビスマス、銅、亜鉛、金、カドミ
ウムから選択された少くとも一種を含む鉛又は錫又は銀
合金等のろう材が好ましい。しかし、チップ１０は基板
１２上に可及的高密度に搭載されていて、その中の一部
に故障を生じた場合は所定の回路機能を維持できなくな
る。このような場合は、モジュール装置全体を交換する
か、あるいは、チップ１０の一部を交換するか、いずれ
かの方法によって再生を計らねばならない。後者の方法
は、前者に比べて経済的損失を軽微にとどめる点で好ま
しい方法と言える。しかし、このためには、封着部を開
放してチップ１０の交換が可能な状態にすること、即ち
、開封性が付与されていなければならず、更に、開封並
びに再封止の熱処理によって他の接続部、例えば、微少
はんだ１１に悪影響を及ぼさないような配慮がなされね
ばならない。このような観点で封止部材を選択するなら
、例えば、９５チ鉛−５チ錫はんだを微少はんだ１１と
して用いた場合は、少なくとも同はんだ拐の固相点より
も低い融点をもつろう材、即ち、９５％錫−５％銀、６
３％錫−３７％鉛、８０％インジウム−１５チ鉛−５％
銀、５０係錫−５０％インジウム、３４％錫−２０％鉛
−４６％ビスマス、１４％錫−２９係船−４８係ビスマ
ス−１０％アンチモン等のろう材が好ましい。尚、封着
部材１７は金属ろう以外に樹脂組成物、特に熱可塑性の
物を適用することも可能である。この場合、一般に樹脂
組成物は金属に比べ気体に対する気密性に劣るため、封
入気体の選択が必要になる。

基板１２は、母材がアルミナであってもよいが、更に、
高速性を高める必要のある場合は、これよりも誘電率の
小さいムライトセラミックや樹脂濁を用いてもよい。い
ずれの場合であっても、ハウジング１６との間で封着部
を形成する部分に、封着部材に対するぬれ性を付与する
手段が施こされていなければならない。

このように、本発明熱伝導冷却モジュール装置は、熱伝
導性パッド２０や封着部材１７．１８の疲労劣化を防止
ないし軽減でき、この結果良好な放熱性を維持できる。

第４図は熱発生装置１０からハウジング１６の外方表面
に至る熱伝導路の熱抵抗の変化量を、−５５’Ｃ〜＋１
５０″Ｃの温度サイクルを与えながら追跡した結果であ
る。温度サイクル数４００回までの間に熱抵抗の変化は
見られず、熱伝導性バッド２０の疲労破壊や、封入熱伝
導性気体３１の散逸を生じていないことが認められる。

この実施例において、基板１２のチップ１０を搭載した
側の周辺部には金属又はセラミックからなるスペーサ１
５が、そしてスペーサ１５の他方の側にはキャップ、即
ち、ハウジング１６が連なって配置され、はんだ等のろ
う材のような封着部材１７．１８により固着されている
。これらの部利構成によって、密閉空間１９が形成され
ている。

スペーサ１５は熱伝導性の観点よりも、むしろ基板１２
及びハウジング１６と熱膨張係数が一致又は近似してい
る点を優先して材質選択されるべきである。例えば、基
板１２がアルミナセラミック、ムライトセラミックそし
てハウジング１６が上述と同様の複合金属板からなる場
合は、スベーサエ５はアルミナセラミック、ムライトセ
ラミック、炭化ケイ素焼結体、コバール、４２アロイ、
タングステンカーバイド等の材料を選定することができ
る。熱膨張係数の観点を優先する理由は、基板、又は、
ハウジング１６との間の熱膨張係数差に起因して、熱的
サイクルが与えられたときに生じる封着材の疲労破壊を
避ける必要からである。

尚、第１図及び第２図に開示されるように、チップ１０
から熱伝導性パッド２０を経由してハウジング１６に伝
達された熱は、ハウジング１６に係合された冷却板３２
のようなヒートシンクに伝達される。第２図で理解され
るように、ハウジング１６の表面と冷却板３２の表面は
、両者間で良好な熱伝達がなされるように平担に形成さ
れている。冷却板３２の空間部３２ａには、冷却板３２
に伝達された熱を除去する冷却液体４２が循環されてい
て、効率的な冷却がなされる。効率的な冷却をなし得る
液体として、水が望ましい。従って、冷却されるべきチ
ップ１０が作動状態であらかじめ設定された温度以上に
過熱されない状態に維持される場合には、冷却板３２に
よる冷却に代えて、空冷によるヒートシンクを用いるこ
とも可能である。尚、本発明熱伝導冷却モジュール装置
では、ハウジング１６が封入モジュール装置の外方で冷
却媒体に直接触れるヒートシンクを兼ねることは同等障
害になるものではない。

〔発明の効果〕

本発明によれば熱伝導路の伝熱性能を良好に維持する熱
伝導冷却モジュール装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱発生装置を冷却するための熱伝導路内に、金属マ
   トリックスに繊維を埋込んだ複合金属からなるハウジン
   グを設けたことを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置
   。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記ハウジングは熱伝導率の高い金属からなるマトリッ
   クスに、前記マトリックスより熱膨張係数が小さいか又
   は負の熱膨張係数をもつ繊維を埋込んだ複合金属からな
   ることを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記ハ
   ウジングと前記熱発生装置との間にあつて、前記ハウジ
   ングと前記熱発生装置に金属的に接合された低融点金属
   からなる熱伝導性パッドを設けたことを特徴とする熱伝
   導冷却モジュール装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記ハウジングの
   前記熱伝導性パッドを金属的に接合する部分又は前記熱
   発生装置の前記熱伝導性パッドを金属的に接合する部分
   の少くとも一方に電気的絶縁手段を設けたことを特徴と
   する熱伝導冷却モジュール装置。 ５、特許請求の範囲第３項において、 前記ハウジングの前記熱伝導性パッドを金属的に接合す
   る部分の周囲に、前記熱伝導性パッドに対するぬれ性を
   阻止する手段を設けたことを特徴とする熱伝導冷却モジ
   ュール装置。 ６、特許請求の範囲第３項において、 前記ハウジングは銅からなるマトリックスに炭素からな
   る繊維を埋込んだ複合金属であつて、前記複合金属が前
   記熱伝導性パッドと金属的に接合される側に薄い金属層
   を一体化したものであることを特徴とする熱伝導冷却モ
   ジュール装置。 ７、熱発生装置を搭載した基板と、前記熱発生装置を冷
   却するための熱伝導路内にあり、そして金属マトリック
   スに繊維を埋込んだ複合金属からなるハウジングとが、
   空間を形成するための補助手段を介して封着部材により
   接合されて密閉空間を形成することを特徴とする熱伝導
   冷却モジュール装置。 ８、特許請求の範囲第７項において、 前記ハウジングは熱伝導率の高い金属からなるマトリッ
   クスに、前記マトリックスより熱膨張係数が小さい又は
   負の熱膨張係数をもつ繊維を埋込んだ複合金属からなる
   ことを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。 ９、特許請求の範囲第７項又は第８項において、前記密
   閉空間に熱伝導性気体を封入したことを特徴とする熱伝
   導冷却モジュール装置。 １０、特許請求の範囲第７項又は第８項において、前記
   ハウジングの熱膨張係数が前記熱発生装置の熱膨張係数
   と前記基板の熱膨張係数との間の値に調節されたことを
   特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。 １１、特許請求の範囲第７項又は第８項において、前記
   熱発生装置と前記ハウジングとの間にあつて、前記熱発
   生装置と前記ハウジングに金属的に接合された低融点金
   属からなる熱伝導性パッドを設けたことを特徴とする熱
   伝導冷却モジュール装置。 １２、特許請求の範囲第１１項において、 前記ハウジングの前記熱伝導性パッドを金属的に接合す
   る部分又は前記熱発生装置の前記熱伝導性パッドを金属
   的に接合する部分の少くとも一方に電気的絶縁手段を設
   けたことを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。 １３、特許請求の範囲第１１項において、 前記ハウジングの前記熱伝導性パッドを金属的に接合す
   る部分の周囲に、前記熱伝導性パッドに対するぬれ性を
   阻止する手段を設けたことを特徴とする熱伝導冷却モジ
   ュール装置。