JPS6229151A - 半導体装置の冷却モジユ−ル - Google Patents
半導体装置の冷却モジユ−ルInfo
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- JPS6229151A JPS6229151A JP16758485A JP16758485A JPS6229151A JP S6229151 A JPS6229151 A JP S6229151A JP 16758485 A JP16758485 A JP 16758485A JP 16758485 A JP16758485 A JP 16758485A JP S6229151 A JPS6229151 A JP S6229151A
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- Japan
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- H01L23/4332—Bellows
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- H—ELECTRICITY
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- H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
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- H01L2924/1531—Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
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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。
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、半導体装置の冷却モジュールに係り、特に基
板上に多数配置された半導体チップを個別に水冷却する
ために好適な冷却モジュールに関する。
板上に多数配置された半導体チップを個別に水冷却する
ために好適な冷却モジュールに関する。
従来において、半導体技術の発達に伴い１個のチップ素
子から発生される熱量は増加をつづけ。
子から発生される熱量は増加をつづけ。
強制空冷型の手段等では半導体チップを充分に冷却する
ことができず、事実上はほぼ冷却性能の限界に達してい
る。このため、特に高速データ処理装置等の半導体装置
に関しては、例えば特許公報５６−３１７４３に開示さ
れているような水を用いる冷却モジュールが考案されて
いる。この種の水冷方式の構造では、半導体チップから
効率よく熱を奪って冷却するために、冷却水と半導体チ
ップの間の中間熱伝達体を熱伝導性の良い材料で構成す
ることが必要である。また、半導体の電気的性質上、冷
却モジュールと半導体チップの間を電気的に絶縁する必
要もある。この両者の条件を満す材料として、ベリリア
を助剤として焼結したＳｉＣセラミックが最も適してい
る。このＳｉＣセラミックは熱伝導性がＡＱ並に高く、
電気絶縁性も１０１２Ω・１以上と高い性質をもってい
る。しかし。
ことができず、事実上はほぼ冷却性能の限界に達してい
る。このため、特に高速データ処理装置等の半導体装置
に関しては、例えば特許公報５６−３１７４３に開示さ
れているような水を用いる冷却モジュールが考案されて
いる。この種の水冷方式の構造では、半導体チップから
効率よく熱を奪って冷却するために、冷却水と半導体チ
ップの間の中間熱伝達体を熱伝導性の良い材料で構成す
ることが必要である。また、半導体の電気的性質上、冷
却モジュールと半導体チップの間を電気的に絶縁する必
要もある。この両者の条件を満す材料として、ベリリア
を助剤として焼結したＳｉＣセラミックが最も適してい
る。このＳｉＣセラミックは熱伝導性がＡＱ並に高く、
電気絶縁性も１０１２Ω・１以上と高い性質をもってい
る。しかし。
ＳｉＣセラミックは加工が難しいため、水との熱交換効
率を高めるような構造にすることが困難で、できても高
価なものとなる。そこで、水と熱交換を行うところを加
工が容易な熱伝導性の良い金属材料例えばＣｕやＡＱ等
でつくり、そのチップ側にＳｉＣセラミックを金属的に
接合する構造にすればよい。この構造での技術的難しさ
は、水との熱交換効率を高める構造体をつくること、及
び上記金属の熱交換体とＳｉＣセラミックを金属的に接
合することである。従来において、ＣｕやＡＱ等のブロ
ックに直径１００μｍ以下の貫通孔を多数設けることは
非常に難しく、機械加工で可能な穴明けは最小径が２０
０μｍ程度であった。しかし、熱交換効率を上げるには
水と金属との接触表面積を増すことが必要で、微細な穴
を断面全面に渡ってできるだけ多く明けねばならない。
率を高めるような構造にすることが困難で、できても高
価なものとなる。そこで、水と熱交換を行うところを加
工が容易な熱伝導性の良い金属材料例えばＣｕやＡＱ等
でつくり、そのチップ側にＳｉＣセラミックを金属的に
接合する構造にすればよい。この構造での技術的難しさ
は、水との熱交換効率を高める構造体をつくること、及
び上記金属の熱交換体とＳｉＣセラミックを金属的に接
合することである。従来において、ＣｕやＡＱ等のブロ
ックに直径１００μｍ以下の貫通孔を多数設けることは
非常に難しく、機械加工で可能な穴明けは最小径が２０
０μｍ程度であった。しかし、熱交換効率を上げるには
水と金属との接触表面積を増すことが必要で、微細な穴
を断面全面に渡ってできるだけ多く明けねばならない。
一方、Ｃ１１やＡＤ、のブロックとＳｉＣセラミックを
直接接合する従来技術としては、第３図に示すように、
ＳｉＣセラミック３７にメタライズ３６を施した後では
んだ３５により接合するか、あるいは第４図に示すよう
に、ＣｕやＡΩの金属３４とＳｉＣセラミック３７の間
に熱応力を緩和するバッファ材３９を挿入しそれぞれを
ろう材３８．４０で接合する方法しかない。しかし、前
者の接合構造では熱サイクルが加わった場合にはんだが
疲労破壊して熱伝達率が低下するという問題がある。後
者の接合構造では接合時の加熱温度６００℃以上の高温
から冷却してもセラミックを破壊しないバッファ材とし
て従来ではポーラスな素材を用いているが、熱伝導率が
小さいという問題がある。
直接接合する従来技術としては、第３図に示すように、
ＳｉＣセラミック３７にメタライズ３６を施した後では
んだ３５により接合するか、あるいは第４図に示すよう
に、ＣｕやＡΩの金属３４とＳｉＣセラミック３７の間
に熱応力を緩和するバッファ材３９を挿入しそれぞれを
ろう材３８．４０で接合する方法しかない。しかし、前
者の接合構造では熱サイクルが加わった場合にはんだが
疲労破壊して熱伝達率が低下するという問題がある。後
者の接合構造では接合時の加熱温度６００℃以上の高温
から冷却してもセラミックを破壊しないバッファ材とし
て従来ではポーラスな素材を用いているが、熱伝導率が
小さいという問題がある。
本発明の目的は、半導体チップの熱を内部に冷却水が流
れる冷却ブロックによって除去する方法において、水と
中間熱伝達体との熱交換効率を高めた構造と、電気絶縁
体であるＳｉＣセラミックと金属製の中間熱伝達体との
継手部に発生する熱応力を緩和し熱伝達率を高めた接合
構造を実現し、冷却効率並びに長期に渡る信頼性に優れ
た半導体装置の冷却モジュールを提供することにある。
れる冷却ブロックによって除去する方法において、水と
中間熱伝達体との熱交換効率を高めた構造と、電気絶縁
体であるＳｉＣセラミックと金属製の中間熱伝達体との
継手部に発生する熱応力を緩和し熱伝達率を高めた接合
構造を実現し、冷却効率並びに長期に渡る信頼性に優れ
た半導体装置の冷却モジュールを提供することにある。
本発の特徴は、第１に金属製の熱交換体とＳｉＣセラミ
ックを接合する場合に、両者の間に炭素繊維とＣｕある
いはＡＱなどの金属から成る複合材料の板を挿入して、
Ｃｕ合金あるいはＡＱ合金などのろう材をインサート材
として直接加熱加圧接合した点にある。この接合構造で
は、 ＳｉＣセラミックと熱交換体の間に熱伝導率の高
いＣｕやＡＱをマトリックスとする緻密な複合材を用い
ているため、両者間の熱伝達率が高く冷極効率が向上す
る。また、熱膨張率の低い炭素繊維を混合した複合材で
あるため熱膨張率をタングステンの４．５ Ｘ １０−
’／’Ｃ以下にでき剛性も低いため、高温で接合しても
ＳｉＣセラミックを熱応力で破損することがなく、また
熱サイクルに対する疲労寿命が伸びて半導体装置の信頼
性が増す。
ックを接合する場合に、両者の間に炭素繊維とＣｕある
いはＡＱなどの金属から成る複合材料の板を挿入して、
Ｃｕ合金あるいはＡＱ合金などのろう材をインサート材
として直接加熱加圧接合した点にある。この接合構造で
は、 ＳｉＣセラミックと熱交換体の間に熱伝導率の高
いＣｕやＡＱをマトリックスとする緻密な複合材を用い
ているため、両者間の熱伝達率が高く冷極効率が向上す
る。また、熱膨張率の低い炭素繊維を混合した複合材で
あるため熱膨張率をタングステンの４．５ Ｘ １０−
’／’Ｃ以下にでき剛性も低いため、高温で接合しても
ＳｉＣセラミックを熱応力で破損することがなく、また
熱サイクルに対する疲労寿命が伸びて半導体装置の信頼
性が増す。
本発明の第２の特徴は、熱交換体を、微細な溝を多数設
けた金属の薄板を多数積層接合することにより組立てた
点にある。この方法により、直径が２００μｍ以下の微
細な穴を金属のブロック内に多数形成することが可能と
なり、水との接触表面積を大きくできるため熱交換効率
すなわち冷却効率を向上することができる。
けた金属の薄板を多数積層接合することにより組立てた
点にある。この方法により、直径が２００μｍ以下の微
細な穴を金属のブロック内に多数形成することが可能と
なり、水との接触表面積を大きくできるため熱交換効率
すなわち冷却効率を向上することができる。
以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は、本発明による冷却ブロックを用いた冷却モジ
ュールの基本構成を示す。図の（Ａ）は全体構成で、（
Ｂ）は冷却ブロック中央のＡ−Ａ’断面構造を示す。ま
た（Ｃ）は熱交換体を組立てる方法を示す。まず図の（
Ｃ）において、熱交換体１は、幅及び深さが１００μｍ
の溝を片面あるいは両面にフォトエツチングにより加工
した金属製の板１３．１４をその接合面に板材より低融
点で板材とぬれ性がよくしかも脆い金属間化合物をつく
らない合金を数μｍの厚さに膜形成した後、必要枚数積
層し、真空炉中で加圧と加熱を行い、合金層１５を溶融
して接合し組立てている。次に図の（Ｂ）においては、
片面にメタライズ膜６を形成したＳｉＣセラミック２と
内部に微細な冷却水路を形成した熱交換体１の間に、炭
素繊維とＣｕやＡＭ等の熱伝導性のよい金属とを混合し
て熱膨張率を下げた複合材の板３を挿入し、Ｃｕ−Ｍｎ
やＡＱ−５ｉ系等の低融点のろう材４，５を用いて、熱
交換体１と複合材の板３とＳｉＣセラミック２を一体物
に接合して組立てている。次に図の（Ａ）においては、
冷却水の流入流出口を設けた冷却ブロック７を、２個の
ベローズ８を介して、給水及び排水ダクト１０．ｌｉを
設けたハウジング９に気密に接合して冷却モジュールを
構成している。
ュールの基本構成を示す。図の（Ａ）は全体構成で、（
Ｂ）は冷却ブロック中央のＡ−Ａ’断面構造を示す。ま
た（Ｃ）は熱交換体を組立てる方法を示す。まず図の（
Ｃ）において、熱交換体１は、幅及び深さが１００μｍ
の溝を片面あるいは両面にフォトエツチングにより加工
した金属製の板１３．１４をその接合面に板材より低融
点で板材とぬれ性がよくしかも脆い金属間化合物をつく
らない合金を数μｍの厚さに膜形成した後、必要枚数積
層し、真空炉中で加圧と加熱を行い、合金層１５を溶融
して接合し組立てている。次に図の（Ｂ）においては、
片面にメタライズ膜６を形成したＳｉＣセラミック２と
内部に微細な冷却水路を形成した熱交換体１の間に、炭
素繊維とＣｕやＡＭ等の熱伝導性のよい金属とを混合し
て熱膨張率を下げた複合材の板３を挿入し、Ｃｕ−Ｍｎ
やＡＱ−５ｉ系等の低融点のろう材４，５を用いて、熱
交換体１と複合材の板３とＳｉＣセラミック２を一体物
に接合して組立てている。次に図の（Ａ）においては、
冷却水の流入流出口を設けた冷却ブロック７を、２個の
ベローズ８を介して、給水及び排水ダクト１０．ｌｉを
設けたハウジング９に気密に接合して冷却モジュールを
構成している。
本実施例によれば、金属の熱交換体に微細な冷却水路を
多数形成できるため、水への熱伝達率を大幅に向上でき
、さらにＳｉＣセラミックと熱交換体を熱伝導性のよい
複合材を介して金属的に接合しているため、Ｓ ｊ、
Ｃセラミックから熱交換体までの熱伝達率を向上でき、
冷却モジュールとしての冷却効率を高めることができる
。また、ＳｉＣセラミックと熱交換体の熱膨張率の差は
間に挿入した複合材が吸収して熱応力を緩和するため、
冷却ブロックの破壊がなくなり、信頼性が向上する。
多数形成できるため、水への熱伝達率を大幅に向上でき
、さらにＳｉＣセラミックと熱交換体を熱伝導性のよい
複合材を介して金属的に接合しているため、Ｓ ｊ、
Ｃセラミックから熱交換体までの熱伝達率を向上でき、
冷却モジュールとしての冷却効率を高めることができる
。また、ＳｉＣセラミックと熱交換体の熱膨張率の差は
間に挿入した複合材が吸収して熱応力を緩和するため、
冷却ブロックの破壊がなくなり、信頼性が向上する。
第２図は、本発明の半導体装置への適用例を示す。図に
おいて、多層配線基板３０−ヒには、ＳｉのＬＳＩチッ
プ２６がはんだ２８により接続されて塔載されている。
おいて、多層配線基板３０−ヒには、ＳｉのＬＳＩチッ
プ２６がはんだ２８により接続されて塔載されている。
その半導体モジュール上に、本発明による冷却ブロック
３４、ベローズ２１゜水冷ダクト３２．３３を設けたハ
ウジング２２から成る冷却モジュールを、低融点はんだ
２４で気密接合している。また各ＬＳＩチップ２６と各
冷却ブロック３４は、メタライズ層１９．２０を介して
低融点はんだ２８によって金属的に結合されている。各
冷却ブロックには給水用水冷ダクト３２から液温２０℃
の冷却水が定常的に供給され、ＬＳＩチップで発生した
熱を効率的に奪ってＬＳＩチップの温度上昇を防いでい
る。
３４、ベローズ２１゜水冷ダクト３２．３３を設けたハ
ウジング２２から成る冷却モジュールを、低融点はんだ
２４で気密接合している。また各ＬＳＩチップ２６と各
冷却ブロック３４は、メタライズ層１９．２０を介して
低融点はんだ２８によって金属的に結合されている。各
冷却ブロックには給水用水冷ダクト３２から液温２０℃
の冷却水が定常的に供給され、ＬＳＩチップで発生した
熱を効率的に奪ってＬＳＩチップの温度上昇を防いでい
る。
本実施例によれば、ＬＳＩチップの動作回路面から冷却
水までの熱抵抗を０．５℃／Ｗ以下に下げられるため、
ＬＳＩチップの最大発熱量が６０Ｗであってもチップ温
度を５０℃に保つことができ、半導体モジュールを正常
に動作させることが可能である。このため、大集積化し
たＬＳＩを用いて半導体モジュールを構成できるため、
実装密度を大幅に向上できる。また、冷却ブロックはハ
ウジングとベローズで接続しているためハウジングに対
して動きが自由であり、ＬＳＩチップに引張や圧縮など
の荷重をかけることがない。このため、基板とＬＳＩチ
ップを接続しているはんだ部の寿命が向上し、半導体装
置としての信頼性向上が望める。
水までの熱抵抗を０．５℃／Ｗ以下に下げられるため、
ＬＳＩチップの最大発熱量が６０Ｗであってもチップ温
度を５０℃に保つことができ、半導体モジュールを正常
に動作させることが可能である。このため、大集積化し
たＬＳＩを用いて半導体モジュールを構成できるため、
実装密度を大幅に向上できる。また、冷却ブロックはハ
ウジングとベローズで接続しているためハウジングに対
して動きが自由であり、ＬＳＩチップに引張や圧縮など
の荷重をかけることがない。このため、基板とＬＳＩチ
ップを接続しているはんだ部の寿命が向上し、半導体装
置としての信頼性向上が望める。
以上詳細したように、本発明によれば、冷却ブロックの
熱交換体と冷却水との熱交換効率を高めることができ、
また絶縁体であるＳｉＣセラミックと金属製の熱交換体
の間を熱伝導率の高い応力緩知材を用いて高信頼度に直
接接合できるため。
熱交換体と冷却水との熱交換効率を高めることができ、
また絶縁体であるＳｉＣセラミックと金属製の熱交換体
の間を熱伝導率の高い応力緩知材を用いて高信頼度に直
接接合できるため。
冷却率並びに長期に渡る信頼性に優れた半導体装置の冷
却モジュールを提供することが可能となる。
却モジュールを提供することが可能となる。
第１図は本発明による冷却モジュールの基本構成を示す
図、第２図は本発明を半導体装置に適用した場合の装置
の構造を示す図、第３図及び第４図は従来の金属とセラ
ミックの接合構造を示す図である。 １・・・熱交換体、２・・・ＳｉＣセラミック、３・・
・複合材、４．５・・・ろう材、６・・・メタライズ層
、７・・・冷却ブロック、８・・・ベローズ、９・・・
ハウジング、１．０・・・給水ダクト、１１・・・排水
ダクト、１２・・・冷却水路、１３．１４・・・金Ｒ製
の板、１５・・・合金層、１６・・・熱交換体、１７・
・・複合材、１８・・・Ｓｊ、Ｃセラミック、１９．２
０・・・ろう材、２１・・・ベローズ、２２・・・ハウ
ジング、２３．２５・・・メタライズ層、２４・・・低
融点はんだ、２６・・・ＬＳＩチップ、２７・・・配線
電極、２８・・・はんだ、２９・・・メタライズ層、３
０・・・多層配線基板、３１・・・接続ピン、３２・・
・給水ダクト、３３・・・排水ダクト、３４・・・冷却
ブロック、３５・・・はんだ、３６・・・メタライズ層
、３７・・・代理人 弁理士 小川勝馬 ″′ 高高目 図１図 （△〕 （Ｂ） （Ｃ）
図、第２図は本発明を半導体装置に適用した場合の装置
の構造を示す図、第３図及び第４図は従来の金属とセラ
ミックの接合構造を示す図である。 １・・・熱交換体、２・・・ＳｉＣセラミック、３・・
・複合材、４．５・・・ろう材、６・・・メタライズ層
、７・・・冷却ブロック、８・・・ベローズ、９・・・
ハウジング、１．０・・・給水ダクト、１１・・・排水
ダクト、１２・・・冷却水路、１３．１４・・・金Ｒ製
の板、１５・・・合金層、１６・・・熱交換体、１７・
・・複合材、１８・・・Ｓｊ、Ｃセラミック、１９．２
０・・・ろう材、２１・・・ベローズ、２２・・・ハウ
ジング、２３．２５・・・メタライズ層、２４・・・低
融点はんだ、２６・・・ＬＳＩチップ、２７・・・配線
電極、２８・・・はんだ、２９・・・メタライズ層、３
０・・・多層配線基板、３１・・・接続ピン、３２・・
・給水ダクト、３３・・・排水ダクト、３４・・・冷却
ブロック、３５・・・はんだ、３６・・・メタライズ層
、３７・・・代理人 弁理士 小川勝馬 ″′ 高高目 図１図 （△〕 （Ｂ） （Ｃ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、多層配線基板上に塔載された複数の半導体チップを
個別に水冷できる構造で、冷却水を供給及び排出できる
ダクトを形成したハウジングと、半導体チップに直接は
んだ付する冷却ブロックと、ハウジングと冷却ブロック
をフレキシブルかつ気密に結合するベローズから成る冷
却モジュールにおいて、冷却ブロックとして金属製のブ
ロック内部に水冷通路用の微細な穴を多数設け、その半
導体チップと対向する面に電気絶縁性で熱伝導の良いＳ
ｉＣセラミックを炭素繊維と銅あるいはアルミニウムか
ら成る複合材料を介して接合した構造としたことを特徴
とする半導体装置の冷却モジュール。 ２、特許請求の範囲第１項において、内部に微細な水冷
用通路の穴を多数設けた銅あるいはアルミニウム製のブ
ロックを、溝加工を施した多数の薄板を積層接合してつ
くることを特徴とする半導体装置の冷却モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16758485A JPS6229151A (ja) | 1985-07-31 | 1985-07-31 | 半導体装置の冷却モジユ−ル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16758485A JPS6229151A (ja) | 1985-07-31 | 1985-07-31 | 半導体装置の冷却モジユ−ル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6229151A true JPS6229151A (ja) | 1987-02-07 |
Family
ID=15852460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16758485A Pending JPS6229151A (ja) | 1985-07-31 | 1985-07-31 | 半導体装置の冷却モジユ−ル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6229151A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0632688A2 (en) * | 1993-06-30 | 1995-01-04 | Simmonds Precision Products Inc. | Composite enclosure for electronic hardware |
| JP2008058019A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Sii Nanotechnology Inc | 熱分析装置 |
-
1985
- 1985-07-31 JP JP16758485A patent/JPS6229151A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0632688A2 (en) * | 1993-06-30 | 1995-01-04 | Simmonds Precision Products Inc. | Composite enclosure for electronic hardware |
| EP0632688A3 (en) * | 1993-06-30 | 1995-07-19 | Simmonds Precision Products | Composite enclosure for electronic equipment. |
| JP2008058019A (ja) * | 2006-08-29 | 2008-03-13 | Sii Nanotechnology Inc | 熱分析装置 |
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