JPS63111654A - 回路モジュ−ル冷却用ヒ−ト・シンク - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は広い意味でヒート・シンクの分野に関するも
のであり、詳細にいえば、半導体集積回路モジュールと
ともに使用される環境の点で安全で、熱効率のよいヒー
ト・シンクに関するものである。

Ｂ、従来技術 半導体製品に蓄積する熱は長い間問題となっており、し
たがって半導体製品の作動温度をそれ未満であれば半導
体回路が損傷することのないレベルに維持することに、
多大の注意が払われてきた。

ＶＬＳ　Ｉ回路などの進歩により、回路密度が増大する
にしたがい、それぞれのチップ内の熱源が増加する。そ
れ故、チップの各々から熱を除去する装置がしばしば必
要となる。これが特にあてはまるのは、複数個のチップ
・サイトを含む回路モジュールの場合である。

半導体チップを低温に保っておく問題が長年にわたって
取り上げられてきたものであるから、半導体チップが使
用される各種のシステムの要件を溝たす、さまざまなヒ
ート・シンクの設計が開発されている。ヒート・シンク
の一例が、ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・プル
テンＶｏ　ｌ。

２７、Ｎｏ、ＩＬ　　１９８５年４月、６７２６ページ
に記載されている。この文献に示されている装置は、各
々が基板上のチップ・サイトに隣接して配置されている
複数個のばね偏倚ピストンを有している。ピストンはす
べてモジュールΦキャップによって担持されており、モ
ジュール・キャップはこれから延びている複数個のフィ
ンを有している。空気が上方へ延びているフィンに向か
って下方へ送られる。しかしながら、モジュール・キャ
ップと基板の間に環境上安全な結合をもたらす機構は、
何ら示されていない。

同様な構成がＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・プ
ルテンＶｏ　１．２８、Ｎｏ、７．１９８５年１２月、
３０５８ページに示されている。しかしながら、この構
成においては、接着結合部５をモジュールの周縁に設け
、キャップ３をモジュールに固定している。このために
使用される材料の性質は開示されていない。テストによ
って、接着剤をキャップを基板に結合するために使用で
きることが示されたが、このような接着剤のほとんどは
周囲雰囲気を浸透させるものであって、比較的短時間の
うちに、モジュール内の雰囲気は周囲雰囲気と平衡に達
する。このことによって、水蒸気がモジュール内に侵入
することがあるが、これは内部の配線に対してきわめて
有害なものである。

メタル・ボンディングも同様に使用することができるが
、これも通常有害な影響をもたらす。はんだを使用した
場合、キャップおよび基板は密封される。温度変化が十
分な大きさであり、キャップの熱膨張係数と基板の熱膨
張係数の相違が十分なものであると、応力が生じ、はん
だに割れを発生させ、これによって環境に対するシール
が破壊される。低融点はんだを使用した場合、はんだは
作動温度よりも低い温度で溶融し、これによって熱サイ
クリングによって生じる問題が除去されるが、いったん
はんだが溶融すると、キャップと基板を機械的に保持し
ておく手段は残されていない。それ故、このシールも環
境上安全なものでなくなることがある。

他の類似した冷却アセンブリがＩＢＭテクニカル・ディ
スクロージャ・プルテンＶｏ１．２７、Ｎｏ、７Ａ１１
９８４年１２月、３９１５ページに示されている。キャ
ップ１４を基板１２に固定するための適切なシール部材
１８が示されているが、どのような材料が適するのかは
正確に定義されていない。キャップ１４にはフィン・ア
センブリが取り付けられている。キャップと基板の熱膨
張係数がほぼ同じでない限り、このアセンブリはシール
部材１８に関し、上記で概略を述べたものと同じ問題を
こうむる。セラミック基板の場合、熱膨張係数が類似し
ている材料は通常良好な熱導体ではなく、それ故、良好
なヒート・シンクとはならない。この問題は、熱伝導性
材料のフィン書アセンブリをキャップに結合することに
よる、この文献で検討されている構成によっである程度
除去される。

他の熱除去構造がＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ
・プルテンｖ０１．２２、Ｎｏ、６．１９７９年１１月
、２２９４−２２９８ページに示されている。この構成
においては、低融点はんだがチップと、セラミック・モ
ジュール・キャップに埋め込まれたヒート・シンクとの
間のギャップに使用されている。ヒート拳シンクがアル
ミニウムまたは銅で作られている場合のように、ヒート
・シンクの熱膨張係数がセラミックのものときわめて相
違しているのであれば、ヒート・シンクとセラミック・
キャップとの間に環境上安全なシールを維持することは
きわめて困難である。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 したがって、この発明の主たる目的は、環境上安全で、
熱効率のよいヒート・シンクを提供することである。

この発明の他の目的は、複数個のチップ・サイトを上面
に宵する半導体モジュール用の環境上安全で、熱効率の
よいヒート・シンクを提供することである。

この発明のさらに他の目的は、複数個のチップ・サイト
を上面に有する半導体モジュール用の、モジュール上の
回路構成に対する影響を最小限とするようになされた、
環境上安全で、熱効率のよいヒート・シンクを提供する
ことである。

この発明のさらにまた他の目的は、複数個のチップ・サ
イトを上面に有する半導体モジュール用の、モジュール
上の回路構成に対する影響を最小限とするようになされ
た、環境上安全で、熱効率のよいヒート・シンクであっ
て、このヒート・シンクがもたらす冷却を妨げることな
く、モジュールの表面上の技術変更の配線のための空間
も利用できるものを提供することである。

Ｄ０問題点を解決するための手段 この発明の環境上安全なヒート・シンクはモジュールの
サイズに対する影響を最小限とし、同時にモジュールを
効率よく冷却し、かつ技術変更の配線を追加することも
可能とするようになされている。このことは２つの部分
からなるヒート・シンク・アセンブリによって達成され
る。第１の部分すなわちフレーム部材は、基板の熱膨張
係数とほぼ等しい熱膨張係数を有する相当な強度の材料
製であり、かつ冷却の対象となるモジュールの周縁の細
い帯状領域に接触するような大きさおよび形状の周縁リ
ムを含んでいる。フレーム部材はそのリムに沿って適宜
金属化され、はんだビーズその他によって基板に接着す
るようになっている。

フレーム部材は周縁に配置された複数個のフィンを含ん
でいる。また、周縁のフィン内側に配置された支持表面
を含んでいる。高熱伝導性のインサート部材がフレーム
部材周縁のフィンの内側に配置されており、かつフレー
ム部材の支持表面上に乗置した下面を有している。高熱
伝導性のインサート部材は、熱伝導性が高く、かつフレ
ーム部材の熱膨張係数とまったく異なる熱膨張係数を有
していてもかまわない材料製である。高熱伝導性のイン
サート部材は、通常この発明のヒート・シンクの典型的
な用途において発生する熱サイクルの応力に耐えること
のできる、環境上安全な封止結合によって、フレーム部
材に結合される。

それぞれの大きさおよび形状がほぼ冷却されるチップの
ものである下面を有している複数個の突起が、高熱伝導
性のインサート部材から下方へ突出している。これらの
突起の下面は使用時に基板上面のチップφサイトに近接
配置される。複数個の横断溝が突起の間に形成されてい
る。複数個の横断溝は通路を形成し、この内部を技術変
更の配線がヒートＯシンクの作動を妨げない態様で通過
することができる。

複数個のフィンが高熱伝導性のインサート部材の下部か
ら上方へ突出している。これらのフィンは、空気がヒー
ト・シンクへ向かって、基板に垂直な方向で流れること
ができ、かつ良好な流れがフィンの間に生じるような態
様で構成されている。

あるいは、強制空気流をアセンブリにおいて、高熱伝導
性のインサート部材の下面に平行に流し、良好な冷却を
行なうこともできる。

Ｅ、実施例 第１図はヒート・シンクのフレーム部材１０の側面図を
示すものである。フレーム部材１０は基部１２を有して
おり、これは第１図に示すように、水平面上にあり、両
頭の矢印りで示すような厚さを有している。基部１２の
下面１４から下方へ、リム１６が延びており、このリム
は下面１４の周縁に配置されている。リム１６は下面１
４の下方へ、両頭の矢印Ｅで示す距離だけ延びている。

リム１６はフレーム部材１０の周縁に配置されており、
その下面は使用時にこの発明のヒート・シンクによって
冷却されるモジュールに結合される面を実質的に形成す
る。

基部１２の上面１８から上方へ、複数個の保護放熱手段
２０が延びている。放熱手段２０は第２図に最もよく示
されている態様で、フレーム部材１０の周縁に配置され
ている。かかる放熱手段２０の各々は両頭の矢印Ｆで示
されている距離だけ、上面１８の上方へ延びている。

この発明の好ましい実施例において、フレーム部材１０
はペンシルバニア州リーディングのカーペンタ・テクノ
ロジ・コーポレーション（Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、　Ｒｅａｄ
ｉｎｇ＋Ｐｅｎｎ５ｙｌｖａｎｉａ　）が製造している
「コバール（ＫＯＶＡＲ）　Ｊ合金という材料製である
（コバールはカーペンタ拳テクノロジ・コーポレーショ
ンの登録商標である）。この材料は主として２９重量％
のニッケル、１７重量％のコバルトからなっており、残
余部分は鉄である。好ましい実施例において、第２図に
示すように、フレーム部材１０の寸法は各辺が約２．５
インチである。コーナ部の放熱手段２０の各々はほぼ正
方形の断面形状を有しており、コーナのひとつに切欠か
あり、断面は基部１２に平行な面上に置かれている。コ
ーナ部の放熱手段２０の断面の各辺は、約０．１２６イ
ンチである。フレーム部材の周縁に配置されている他の
放熱手段２０は、第１図のシートに垂直な方向に約０．
０９０インチＸ０．１２Ｅ３インチの断面形状を存して
いる。さらに、両頭の矢印りの長さは約０．０７５イン
チであり、両頭の矢印Ｅの長さは約０．０５インチであ
り、両頭の矢印Ｆの長さは約１．０７５インチである。

これらの寸法はほぼ矩形で、各辺の長さが約２．５イン
チの基板とともに使用される冷却装置に適するものとし
て選択されたものである。しかしながら、これらの寸法
はこの発明の冷却装置の他の用途に適するように変更し
てもかまわないものであって、」１記で定義したものと
まったく同じものである必要はない。

この発明のフレーム部材１０に選択された材料は既に定
義したように、コバール合金または同等品であ′る。こ
の特定の材料を選択したのは、これがすぐれた強度特性
を有しており、しかも金属化リム１６と基板（図示せず
）の上面の金属化バンドとの間のはんだ接続によって、
フレーム部材１０に結合されるようになされたセラミッ
クΦモジュールの熱膨張係数とほぼ同一な熱膨張係数を
有しているからである。この材料を選択した理由は、こ
の発明の正規の用途における熱サイクルのため、基板が
膨張収縮した場合に、フレーム部材１０およびこれが結
合される基板が同じ割合で膨張収縮し、これによってフ
レーム部材と基板の間の結合が破壊されない点にある。

したがって、フレーム部材１０と基板の間にもたらされ
る雰囲気は、このような熱サイクルによって損なわれる
ことがない。

第２図に示すように、総括的に矢印２２で示されるフレ
ーム部材１０の中央部分は、開口２４などのこれを貫通
する３６個の矩形の開口を有している。これらの開口２
４は中央グリッド部材２３によって画定され、この発明
の冷却装置によって冷却される基板上に配置されるチッ
プ・サイト真上の位置に対応する位置に配置されている
。あるいは、開口２４を第２図に示す位置以外の位置に
配置することも、異なる寸法とすることもできる。

ただし、これらの開口は冷却される基板の対応するチッ
プ拳サイトの真上に配置されなければならない。さらに
他の構成として、第２図の３６個の開口が配置される領
域を完全に単一の開口とし、中央グリッド部材２３を残
さないようにしてもかまわない。

第３図および第４図には、総括的に４０で示されるイン
サート部材の２種類の図面が示されている。インサート
部材は第１図および第２図のフレーム部材１０内に嵌合
する形状の金属インサートからなっており、モジュール
に取り付けられたチップの各々から熱を除去するための
高熱伝導性の手段を提供するためのものである。

第４図に示すように、インサート部材４０は矩形の基部
４２を有しており、この基部の外寸は第１図および第２
図に示すようなフレーム部材の放熱手段２０の内側にも
たらされる矩形の領域の寸法よりも小さい。したがって
、インサート部材４０を放熱手段２０によって形成され
る周縁の内側に容易に配置することができる。

インサート部材４０は複数個の突出部分４４を存してい
る。突出部分４４と反対側に、インサート部材４０の基
部４２から、複数個の放熱手段４６が延びている。放熱
手段４６はモジュール上に取り付けられているすべての
チップからできるだけ均一に熱を除去するために、第３
図に示すように、基部４２の上面にほぼ均一に分散され
ている。

この発明の好ましい実施例において、インサート部祠４
０はアルミニウム、銅などの熱伝導性が高い材料製であ
り、かつほぼ２．２インチ角で、厚さ０．０５インチの
基部４２を有している。突出部分４４の各々は約０．１
インチだけ基部４２の下方へ突出している。このような
突出部分４４の各々は第４図に示すように、約０．２４
インチ角の寸法を有している。第３図に示したような上
方へ突出した放熱手段はそれぞれ約０．１インチ角であ
り、基部４２上方へ約０．９５インチ突出している。こ
の寸法関係により、第３図に示す構成においては、基部
４２から上方へ突出している１６９個のかかる放熱手段
４６が存在することになる。当技術分野の技術者には、
フレーム部材１０および放熱部材２０に対して選択され
た寸法が、インサート部材４０を放熱手段２０によって
形成される周縁内に配置し、放熱手段の突出部分４４が
フレーム部材の基部を通って突出し、かつ基部１２の下
面１４の下方へ延びることができるように選択されてい
ることが理解されよう。この構成はたとえば第６図に示
されている。

インサート部材４０は冷却されるモジュールのチップか
ら熱を除去するため、高い熱伝導性を有する材料製であ
ることが好ましい。アルミニウムなどの多くの好適な材
料を利用できる。他の好適な材料はＺ　ｒ　−Ｃｕ、１
５０００であって、これは約９９．８重量％の銅、０．
１５重量％のジルコニウムおよび不純物からなっている
。この材料は約８８０ＢＴＵｃｍ／’Ｃの熱伝導度を有
している。

もっと熱伝導度が高い他の材料があるが、この材料が望
ましいのは、この材料の熱膨張係数が他のものよりもコ
バール合金の熱膨張係数に近く、それ故、他の材料より
もフレーム部材１０に対する環境上安全な結合を確保す
るのが容易だからである。

第５図で総括的に４８で、また第６図で総括的に５０で
示されているように、インサート部材４０の基部４２の
一部は、フレーム部材１ｏの基部１２の一部の上にある
。インサート部材４０の基部４２とフレーム部材の基部
１２の間には、フレームとインサート部材の封止結合部
５２が配置されており、この結合部はインサート部材４
０を基部１２に結合し、さらにインサート部材とフレー
ム部材の間に環境的なシール部をもたらす。この結合部
５企は溶接、ろう付け、はんだ付けでもたらされるもの
であり、あるいは製品の予定寿命の間、限定された浸透
を認めることができるのであれば、単純な接着剤の硬化
によってもたらされるものである。好ましい実施例にお
いて、結合部５２は接着を行なう外側接着バンドと、浸
透に対する抵抗力をもたらす低融点はんだの内側バンド
とによる２重シールによって形成される。はんだはモジ
ュールの正規の作動温度以下で溶融することが好ましい
。はんだを希望する個所のぬれを促進するため、はんだ
バンドの近傍におけるインサート部材およびフレーム部
材の適切な局部表面処理によって、はんだを適切な位置
に配置する。適切な表面処理をはんだバンドの個所に隣
接して行ない、はんだが付かなくなることを防止しなけ
ればならないこともある。このような適切な表面処理は
フレームおよびインサート部材を作成するために使用さ
れる材料によって左右されるものであって、当分野の技
術者には公知のものである。

外部接着バンドはポリイミドまたはポリビニルφブチラ
ール製である。他の方法においては、接着剤はミシガン
州ミツドランドのダウ・コーニング・コーポレーション
（Ｄｏｗ　Ｃｏｒｎｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　
ｏｆＭｉｄｌａｎｄ、旧ｃｈｉｇａｎ）がシルガード（
Ｓｙｌｇａｒｄ　）　５７７という名称で市販している
接着剤 （”　Ｓｙ１ｇａｒｄ″はダウ・コーニング・コーポレ
ーションの登録商標である）、または不純物のガスを放
出しない他の接着剤である。しかしながら、この用途に
選択される接着剤自体は、希望するレベルの環境上の安
全性を満たすものでなければならず、またモジュールの
予定寿命の間に受ける熱サイクル応力によって破壊する
ものであってはならないものである。フレームを基板に
、またインサートをフレームに結合する順序は、結合処
理の際に必要な温度の階層によって確立される。

はんだシールがフレーム部材１０とモジュールの基板５
６の間の５４のところに形成され、これによって基板と
フレームの間に環境シールをもたらす。したがって、シ
ール５２および５４がほぼ完全に環境の影響を受けない
ものである限り、基板５６、′フレーム部材１０および
インサート部材４０の間に配置されるアセンブリ内に含
まれる雰囲気は同一の状態に保たれ、したがって、モジ
ュールの性能がこの環境の変動、特に環境湿度の変動に
よる悪影響を受けることはない。

上述のように、この発明の装置はセラミックまたはその
他適切な材料製の基板に取り付けられた複数個のチップ
のそれぞれを冷却するのに有効なものである。これらの
チップの位置は第５図、第６図および第７図において、
５８で示されている。

これらの図面において示されているようにインサート部
材４０の下面の突出部分４４は、各チップ５８の若干上
方に配置されている。突出部分４４と、突出部分４４の
真下に配置されているチップ５８の間のギャップは、６
０で示すような熱伝導性のグリース、またはチップから
各チップに対するヒート・シンクとして働くインサート
部材へ熱を伝えるのに適した他の材料で満たされている
。はとんどの用途において、この発明のヒートφシンク
は放熱部材２０と４６の間に空気を強制的に流し、ヒー
ト・シンクから周辺への熱の流れを増加させている。こ
の発明のヒート−シンクの構成上の理由で、このような
強制空気流を基板５６の上面に対して垂直または平行の
いずれかの方向にすることができる。

第５図、第６図および第７図に示すように、要素の構成
から、フレーム部材１０およびインサート部材４０の形
状を大幅に変更し、同時に」二連の機能を維持できるこ
とが理解されよう。これらの図面で示すように、この構
成の最も重要な点は、フレーム部材が冷却対象のモジュ
ールの表面に接触するためのリムのある基部を有してい
なければならないということである。フレーム部材はこ
れから熱を除去するための放熱手段も有している。

フレーム部材はさらに、これが結合される基板の熱膨張
係数とほぼ同一の熱膨張係数を有する材料製であること
が好ましい。このようにして、フレームを基板に結合す
ることができ、またこれら２つの部材の間の結合が、こ
れに結合されるフレーム部材とのモジュールの熱サイク
ルによって悪影響を受けることがない。

第５図、第６図および第７図に示されている構成の各々
は、アルミニウムまたはＺｒ−Ｃｕなどの高熱伝導性の
材料製のインサート部材を有しており、かつ基部の対応
する上面に乗置するフランジによって、インサート部材
が溶接、ろう付け、はんだ付けまたは接着剤によってフ
レーム部材に結合されるようになされている。接着剤は
浸透性ではなく、モジュールの熱サイクルの影響に耐え
るように選択されている。

第５図、第６図および第７図に示す関連する設計の変更
の中には、第５図の７０で示すような傾斜フランジおよ
び支持表面を設けることが含まれている。さらに、留意
しなければならないのは、第５図に示す構成が第２図に
２３で示した型式の中央グリッド部材を何ら含んでいな
いことである。

支持表面およびフランジのさらに他の構成が、第６図お
よび第７図に示されている。

当技術分野の技術者には、第５図、第６図および第７図
で総括的に７２で示すような妥当な大きさの開放領域が
形成されることが理解されよう。

この領域７２はモジュールに対する技術変更配線を通す
ことのできる、各構成における空間をもたらすものであ
る。

第５図、第６図および第７図に示す構成から、中央グリ
ッド部材２３の数を適宜変更できることも理解されよう
。たとえば、第５図においては、中央グリッド部材が示
されておらず、また第６図においては、図示の数は第２
図に示した数と対応している。しかしながら、第７図に
おいては、中央グリッド部材２３の数は第６図に示した
実施例の５個から大幅に削減されて、２個になっている
。

したがって、中央グリッド部材２３の数および構成はこ
の発明にとって重要なものではない。

留意しなければならないのは、インサート部材４０をフ
レーム部材１０に結合した場合に、放熱手段２０の寸法
が放熱手段４６の頂部から上方へ延びるものであるとい
うことである。このことはアセンブリを落とした場合に
、インサート部材４０を保護し、放熱手段が破壊されな
いようにするものである。これは基板上のチップが落下
による直接的な衝撃を受けないようにもするものである
。

Ｆ０発明の効果 モジュールと実質的に同じ熱膨張係数を有するフレーム
部材のリム部分をモジュールに封止結合し、フレーム部
材の中を通して高熱伝導性インサート部材をモジールに
熱伝導結合することにより、熱膨張係数の差によるシー
ル部破壊の問題を最小に保ったまま、非常に高い放熱効
果を実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のフレーム部材の側面図である。 第２図は、フレーム部材の平面図である。 第３図は、この発明の高熱伝導性部材の側面図である。 第４図は、高熱伝導性部材を下から見た図である。 第５図は、上面にチップが取り付けられたモジュールに
隣接して配置された他のフレーム部材および他の高熱伝
導性部材の断面図である。 第６図は、上面にチップが取り付けられたモジュールに
隣接して配置されたフレーム部材および高熱伝導性部材
の好ましい実施例の断面図である。 第７図は、モジュールに取り付けられたチップを冷却す
るために、フレーム部材およびこれとともに使用される
複数個の高熱伝導性部材の他の構成の断面図である。 １０・・・・フレーム部材、１２．４２・・・・基部、
１４・・・・下面、１６・・・・リム、１８・・・・上
面、２０１４６・・・・放熱手段、２３・・・・中央グ
リッド部材、４０・・・・高熱伝導性インサート部材、
５６・・・・モジュール基板、５８・・・・チップ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基部と、冷却されるべき回路モジュール表面と接触する
   ための、上記基部から延びたリム部と、該リム部と反対
   側に上記基部の周縁に設けられた第１の放熱手段と、該
   第１の放熱手段の内側の領域に設けられた支持表面とを
   有する、上記モジュールの熱膨張係数と実質的に一致す
   る熱膨張係数を有する材料で形成されたフレーム部材と
   、 上記支持表面に乗るように形成された基部と、上記リム
   部の先端を超えないように該基部から上記リム部の方向
   に延びた複数の突出部と、第２の放熱手段とを有する高
   熱伝導性部材と、 上記高熱伝導性部材と上記フレーム部材とを封止結合す
   る手段と、 を有する回路モジュール冷却用ヒート・シンク。