JPS6238859B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置によつて発生する熱エネル
ギを消散するための技法及び構成に関する。さら
に具体的には、本発明は装置がはんだボンドで基
板に取付けられ、キヤツプが装置に近接して取付
けられた、単一装置もしくは多重装置集積回路パ
ツケージ組立体中の半導体装置を冷却する熱伝導
素子に関する。

現代の集積回路半導体装置の高い回路密度は装
置の動作パラメータを予定の範囲内に保持し同様
に過熱による装置の破壊を防止するために、動作
によつて発生した熱を有効に除去する事を必要と
する。熱除去の問題は装置が該装置を基板上の適
切な端子に電気的に接続するはんだ端子によつて
支持基板に接続される時には増大する。この様な
はんだ接続装置上でははんだボンドによつて達成
され得る熱移動は裏面ボンド装置と比較して制限
される。半導体装置の冷却は適切な液体冷却剤中
に装置を浸漬する事によつて達成され得る。しか
しながら、これ等の冷却技法は装置及び基板冶金
の腐食を生じ、もしパツケージが再生処理されな
ければならない時には問題が生ずる。冷却は同様
に装置及びキヤツプもしくは冷却板間に熱伝導性
ピストンもしくはばね素子の如き熱伝導性材料の
リンクを与える事によつて達成され得る。これ等
の素子は低熱抵抗を保持するために出来るだけ広
い領域上で良好なインターフエイス・コンタクト
を形成しなくてはならない。冷却ピストンでは、
この様なインターフエイスを形成する事は困難で
ある。なんとなれば装置が傾斜する事があつて、
不満足な点もしくは線コンタクトを生ずるからで
ある。一般に、冷却ピストンは空気よりも高い熱
伝導率を有する不活性気体の雰囲気中で使用され
なくてはならず、グリースもしくは他の適合した
手段がピストン端−装置のインターフエイスに与
えられている。他の欠点はパツケージが慣性力を
受ける時にピストンが冷却される装置にシヨツク
を与える点にある。装置及び冷却板間に熱伝導を
与えるばね素子は周知である。関連問題は十分な
熱伝導を与え、しかもひび割れもしくは欠けを生
じない様な力を装置に加え得る十分重いばねを設
計する事である。装置とキヤツプ間のギヤツプの
公差が増大する時には問題はより重大となる。

背景技法 次の文献ははんだボンド半導体装置から熱を除
去するための種々の構造体に関連する。米国特許
第3993123号は熱を装置から冷却板に伝導させる
様にはんだボンド半導体装置の裏側と接触する様
に可動熱伝導ピストンが置かれた半導体パツケー
ジを開示している。米国特許第4034468号及び第
4081825号は共に装置から熱を除去する様に低融
点はんだがはんだボンド装置及びモジユール・キ
ヤツプと接触された半導体パツケージを開示して
いる。米国特許第4156458号は装置の裏面と熱は
け間に延出す可撓性熱伝導性金属箔束を含む冷却
配列体を開示している。IBM Technical
Disclosure Bulletin Vol.21 No.３ Aug.1978
p.1141ははんだボンド半導体装置並びに長方形の
中心部及びキヤツプと接触する一対の発散翼より
成るモジユール・キヤツプ間に配向された熱的シ
ヤント素子を開示している。IBM TDB Vol.20
No.６ Nov.1977 p.2214及び米国特許第4146458
号は装置から熱を除去するために互に入れ子式に
され、はんだボンド半導体装置及びハウジング間
に配向された複数個の予じめ形成されたアルミニ
ウム箔のシートを開示している。IBM TDB
Vol.19 No.12 May 1977 p.4683は複数の交互に
介在して相対的に滑行可能なひれを特徴とするは
んだボンド半導体装置及びキヤツプ間の熱伝導性
ブリツジ素子を開示している。米国特許出願第
249262号は少なく共１個のタブ素子を画定する切
断部が与えられた比較的厚い金属シートを開示し
ている。

本発明の開示 本発明は装置とキヤツプもしくは冷却板間に熱
伝導性ブリツジを形成するためはんだボンド半導
体装置及びモジユール・キヤツプもしくは冷却板
間に位置付けられるに適した改良冷却素子であ
る。冷却素子はたとえ装置の上部表面がキヤツプ
もしくは冷却板表面に関連して傾けられたとして
も、冷却素子の端が膨張可能で同様に装置と密接
に接触出来る様に調節可能に配置された複数個の
交互にさしはさまれた薄板を有する。熱的素子は
可撓性板ばね素子の第１の組、板ばね素子間のス
ペーサ素子の組、一部分が上記第１の組の板ばね
素子に滑行可能な関係に配向されている可撓性板
ばね素子の第２の組、第１及び第２の板ばね素子
を組立て、延出可能な関係に保持する装置、及び
延出された関係に板ばね素子をバイアスするばね
を有する。本発明の熱的ブリツジ素子は素子の端
が装置及びカバーもしくはキヤツプの裏面に直接
接触する様に十分に柔軟性があり、これによつて
装置からキヤツプもしくは冷却板へ熱伝導を可能
とする低い全体的熱抵抗を達成する事が可能であ
る。

本発明を遂行するための最良モード 図面を参照するに、第１図には半導体パツケー
ジ１０及び本発明の熱伝導素子２０との関連を示
す。パツケージ１０は半導体装置１４を互に相互
接続しそして基板１２の底表面から突出するピン
１６に相互接続する上部表面の内側もしくは表面
上にある冶金パターンを含む誘電体基板１２を有
する。

装置１４ははんだボンド１８によつて基板１２
中もしくは上の冶金パターンに接続されている。
カバー素子２２はその表面２４が半導体装置１４
の上部表面に間隔をへだてた関係になる様に装置
１４上に位置付けられている。基板１２に固定も
しくはろう付けされたフランジ部材２６がキヤツ
プ２２に結合されている。通路３０並びに入口３
２及び出口３４を有する冷却板２８はキヤツプ及
び装置１４から熱を除去させる目的のためにキヤ
ツプ２２上に取付けられている。使用に際して、
冷却流体が入口３２へ導入され、出口３４を通し
て除去される。これとは別にキヤツプ２２には冷
却板２８の互換体としてひれ等が与えられ得る。
本発明の熱伝導素子２０は装置１４から使用中に
装置に依存して一慣性のある冷却を与える、全体
的に熱抵抗の低いキヤツプへの熱的経路を与え
る。

第２図及び第３図を参照するに、本発明の熱的
ブリツジ素子が開示されている。素子２０は平坦
で、薄い、可撓性板ばね素子３６及び素子３６間
に介在するスペーサ素子３８を有する第１の組を
有する。板ばね素子及びスペーサは一対のボルト
もしくはリベツト４０によつて一体にしめつけら
れている。第３図に示された如く、各板ばね３６
の一部はスペーサ素子３８を十分に越えて延出し
ている。スペーサ素子４４によつて分離された平
坦な、薄い、可撓性板ばね素子４２より成りスペ
ーサ素子から延出す部分を有する第２の組は板ば
ね素子３６と交互に配置されている。板ばね素子
４２及びスペーサ素子４４は一対のリベツトもし
くはボルト４０によつて一体に保持されている。
第４及び第５図は板ばね素子３６及びスペーサ素
子３８の形状を示している。板ばね素子４２及び
スペーサ素子４４は夫々板ばね及びスペーサ素子
３６及び３８と同一の形状を有する事が好まし
い。

第１及び第２の組の板ばね素子が分離するのを
防止するため、板ばね素子の組の各端には第２図
に示された如く一体の端板４６及び４８が与えら
れている。端板はリベツト４０によつて板ばね素
子の組にしめつけられている。端板４６は内方に
延出た突出部５２に終る２つの下方に延びる間隔
を隔てた延長部５０を有する。端板４８は突出部
５２と相互作用し、第１及び第２の組の板ばね素
子が分離するのを防止する外方に延出す突出部５
４を有する。第３図に示された如く、板ばねの組
は互に縦方向に自由に滑行出来、対向する平坦な
表面５６及び５８が互に種々の距離で位置付けら
れる様にされている。同様に、板ばね素子３６及
び４２の可撓性は表面５６及び５８の傾斜を制限
する。ブリツジ素子の分離部分をバイアスするた
め、ばね６０が与えられる。ばね６０は対向する
端板４６及び４８と係合し、両組の板ばね素子を
外方に伸張関係にバイアスしている。動作時に
は、表面５６がキヤツプ２２の下側表面２４と接
触し、表面５８が装置１４と接触する様に第１図
に示された位置に置かれた熱的ブリツジ素子２０
は装置１４から冷却板２８に熱を伝導する。ブリ
ツジ素子２０は装置１４の上部表面及びキヤツプ
２２の表面２４間の間隔の変動を調節するのに適
している。これははんだボンド１８の変動による
チツプ１４の傾斜を調節し得る。系の熱効率はキ
ヤツプ及び装置の裏面に対して表面５６及び５８
をはんだ付けするか、もしくはこのインターフエ
イスに適切なグリースもしくは他の型の物質を与
える事によつてさらに向上させる事が出来る。

熱的ブリツジ素子２０の寸法及び形状は装置１
４の間隔及び装置の寸法に依存する。一般に装置
１４の間隔がブリツジ素子の寸法を設定する際の
決定因子である。もし、装置１４の間隔がかなり
接近していると、表面５６の表面積は実際の表面
積に合わされなければならない。板ばね素子３６
及び４２に使用される材料は効率的に熱を伝え得
る事が好ましく、即ち高い熱伝導率を有さなけれ
ばならない。さらに、板ばね素子は、下部表面５
８の上部表面５６に関する傾斜を調節出来る様に
十分に可撓性でなければならない。一般に板ばね
素子３６の厚さは任意の適切な厚さのものであり
得るが、半導体チツプの冷却の場合には好ましく
は、0.508×10^-3cm乃至12.7×10^-3cmであり、さら
に好ましくは12.45×10^-3cm乃至2.54×10^-3cmであ
る。板ばね素子の材料は銅、銀、アルミニウムも
しくは熱伝導率に影響を与えないが、材料に対し
てよりばねの弾性を与えるそれ等の合金である事
が好ましい。一般に、スペーサ素子３８及び４４
は板ばね素子３６の厚さの略２倍である。板ばね
素子３６及び４２に対する好ましい材料は99.8％
の銅及び0.2％のジルコニウムより成るジルコニ
ウム−銅合金である。

板ばね素子及びスペーサの組合せ体の互換実施
例が第６図及び第７図に示されている。板ばね素
子−スペーサの組合せはスペーサの部分が２重に
畳まれた部分７２より成る第７図に示された構造
の様に一片の平坦な材料から形成する事が出来
る。

互換ばね配列体は第８図及び第９図に示されて
いる。板ばね素子及び端板は第２図及び第３図に
図示されたものと類似している。ばね８０は第８
図に示された如く端板４６及び４８の表面８２及
び８４間に配列されている。ばね８０は第２図の
ばね６０の場合と同様に板ばね素子の組を拡張す
る関係に外方にバイアスしている。

本発明の熱的ブリツジ素子２０を製造するため
の好ましい技法は、第１０図に示された一般的形
状を有する熱伝導性材料の細長い条片８６を最初
に形成する事より成る。同じ条片は端部９０が重
畳する互違いの関係になる様に対向位置に組立て
られる。同時に所望の幅の素子が組立てられる
迄、スペーサも組立てられる。この時、条片８６
は線９２上で切断され、開孔９４が穿孔される。
端板４６及び４８が積層組立体の各端に位置付け
られ、リベツト４０が固定される。次に第２図及
び第３図もしくは第８図及び第９図に示された形
のバイアス用ばねが定位置に挿入され、組立体は
使用出来る状態になる。もし望まれるならば、組
立体の端面、即ち５６及び５８は研摩され得る。
スペーサ兼板ばね素子７０ももしこの様な実施例
が望まれるならば同様に使用され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は基板にはんだ接着された半導体装置及
び冷却板を含み、熱的ブリツジ素子が半導体装置
及び冷却板に冷却作用を与え得る関係に配向され
た半導体パツケージの立断面図である。第２図は
本発明の熱的ブリツジ素子の構造の拡大立面図で
ある。第３図は本発明の熱的ブリツジ素子の交互
にさしはさまれた構造を示す第２図の線３−３に
沿つて見た断面図である。第４図は本発明の熱的
ブリツジ素子に使用される単一の板ばね素子を示
した図である。第５図は単一のスペーサ素子を示
した図である。第６図は本発明の他の好ましい特
定実施例の改良板ばね素子及びスペーサを示した
図である。第７図は第６図の板ばね素子の側面図
である。第８図は本発明の熱的ブリツジ素子の互
換ばね実施例の正面図である。第９図は第８図の
線９−９に沿つて見た断面図である。第１０図は
本発明の熱的ブリツジ素子を形成する好ましい方
法を示した連続的金属条片の図である。 １０……半導体パツケージ、１２……基板、１
４……半導体装置、１６……ピン、１８……はん
だボンド、２０……熱的ブリツジ素子、２２……
カバー（キヤツプ）、２８……冷却板、３６……
第１の板ばね素子、３８……第１のスペーサ、４
２……第２の板ばね素子、４４……第２のスペー
サ、４６，４８……端板、６０……バイアス用ば
ね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平坦な薄い可撓性の板ばね素子の第１の組
   と、 上記第１の組の個々の板ばね素子を分離する第
   １のスペーサ装置と、 上記各板ばね素子の一部は上記スペーサ装置を
   越えて突出する形状を有することと、 上記板ばね素子を第１のユニツトとして保持す
   る装置と、 上記板ばね素子の第１の組に対して滑行可能な
   重畳関係に配置された平坦な薄い可撓性の板ばね
   素子の第２の組と、 上記第２の組の個々の板ばね素子を分離する第
   ２のスペーサ装置と、 該板ばね素子の一部は上記第２のスペーサ装置
   を越えて突出する形状を有することと、 上記板ばね素子を第２のユニツトとして一体に
   保持する装置と、 上記第１及び第２のユニツトを外方に拡張する
   関係にバイアスするばね装置と、 より成るはんだ接着された半導体装置の裏面か
   ら該半導体装置に接近して位置付けられた冷却板
   に熱を伝えるための、半導体パツケージ中で使用
   されるための熱的ブリツジ素子。