JPS63192250A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置基体から発生する熱を冷却装置に伝
達するための構成及び技法に関する。更に具体的には１
本発明は半導体装！基体が微少はんだボールで基板に取
付けられた。単−装置基体若しくは多重装置基体を含む
集積回路パッケージ組立体中の半導体装置基体と冷却す
る熱伝導冷却モジュール装置に関する。

〔従来の技術〕

従来において、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、もって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、即ちＬａｒｇｅ
　５ｃａｌｅ　ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ
　（以下ＬＳＩと言う）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を電
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
、もって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、上記ＬＳＩチップは上記回路基板上に多数個実装
され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するとともに、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出する補助的冷却手段が必要
である。

補助的冷却手段の一例として提案されているものに、１
以上の冷却されるべき半導体チップの如き熱発生装置を
ガスとともにカプセル封止した冷却モジュール装置があ
る。これは、（１）米国特許第３９９３１２３号に開示
されている。熱発生装置はアルミナ基板上に搭載され、
上記基板とキャップにより密閉さ九、この密閉空間に不
活性ガスが充填されるとともに、熱伝導部材が配置され
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
装置と同一中心上を延びる細長い開孔を有している。上
記開孔の内方端部には弾性部材が配置されている。熱伝
導性部材が上記の各開孔内に配置されており、各開孔の
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。上記弾性部材は上記熱伝導性部材
を上記熱発生装置に圧接するような力を、上記熱伝導性
部材に付与している。上記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り上記周辺間隙及
び上記熱発生装置と上記熱伝導性部材間の界面を満して
いる。熱発生装置で生じた熱は、不活性ガスや熱伝導性
部材を径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。

一方、米国特許（２）第４０３４４６８号及び（３）４
０８１８２５号には、１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じてのパッケ
ージのキャン又はカバーとの間に優れた熱輸送路を形成
する低融点ソルダからなる熱伝導パッドを設けた熱伝導
冷却回路パッケージが開示されている。半導体チップは
アルミナ基板上に搭載され、上記基板と銅又は真鍮から
なるキャン又はカバーとに・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如くにイン
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。この熱伝導パッドは、上記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、
金属的接合のなされない他方の係合部は非金属的１例え
ば単に接触界面を形成する如くに接合されている。金属
的接合をなす部分にはクロム−銅−金の如き多層薄膜に
て金属化されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記先行技術例（１）に開示されているカプセル封止冷
却モジュール装置には、キャップ材及び熱伝導性部材と
して銅やアルミニウムが用いられる。しかしながら、キ
ャップ及び熱伝導性部材はカプセル封止冷却モジュール
装置の全重量の５０％以上を占める。−例を示すと、上
記熱発生装置としての■、ＳＩチップを９０個搭載した
典型的な冷却モジュール装置で効率的な冷却を行なわし
める場合、上記熱伝導部材及びキャップに銅を使用する
と、これらだけで１．５　ｋｇにも達する。冷却モジュ
ール装置は、一般に上記基板に全−賜ろう材の如きもの
で固定された多数の接続ピンによって、補助回路等を担
持するプリント基板にはんだの如きもので接続され、冷
却モジュール装置の全荷重が上記ピンと金−錫ろう材や
はんだからなる接続部材で支持されるように実装される
。冷却モジュール装置は、筐体から上記プリント基板を
介し機械的振動を受ける。この際、過大な荷重により、
冷却モジュール装置を支持する接続ピン並びに接続部材
の機械的劣化が加速され、これに伴う故障を生ずるに至
る。

上記開孔壁面と熱伝導性部材間には間隙が存在し、振動
運転に伴って、軟らかい銅からなる熱伝導性部材は上記
熱発生装置との接触部で摩耗される。この結果、微粉状
となって封入モジュール内部に飛散した導電性物質は、
相互に電気絶縁されている導電路間に付着し、導通状態
に至らしめ、所定の回路機能を消失せしめる。同様の摩
耗は、キャップの開孔壁面と熱伝導性部材間においても
生ずる。又、上記摩耗の問題は、キャップ材及び熱伝導
部材にアルミニウムを用いた場合にも共通する問題であ
る。又、上記熱伝導性部材の振動は、単に熱発生装置と
熱伝導性部材間の接触面のすべり運動のみを引起す訳で
はない。例えば、熱発生装置の主要面に対して垂直な成
分と平行な成分からなる合力振動が与えられた場合、熱
伝導部材が重いと、合力振動の垂直成分を上記弾性部材
で吸収しきれなくなり、熱伝導性部材は上記主要面に対
して点接触若しくは線接触の如き界面の係合状態を呈す
ることとなり、熱伝達機能の低下にあいまって上記熱発
生装置の局所に集中した押力ないしショックを付与する
に至る。このような場合は。

上記熱発生装置若しくは上記熱発生装置と上記基板間の
電気接続を担う微少はんだボールの如き接続部材の劣化
、即ち割れ、欠け、つぶれ等を加速せしめる。この種の
問題は、上記熱伝導性部材の荷重が大きい程、上記キャ
ップと上記熱伝導性部材間のギャップの公差が増大する
程顕著になる。

更に、封入カプセル内の基板には、熱発生装置が可及的
高密度に実装されている。それぞれの熱発生装置は、限
定された半導体基体中に多数個集積した半導体素子を有
している。各々の半導体素子が電気回路を形成するため
には、必要に応じて個々の素子を電気絶縁しなければな
らない。したがって、一般に半導体素子は、ｐｎ接合を
逆バイアスすることによって電気的に分離された、通常
島と呼ばれる半導体領域に形成される。問題は、上記ｐ
ｎ接合を逆バイアスするための電圧が上記半導体基体、
即ち熱伝導性部材と接触界面を形成する熱発生装置基体
に与えられることである。基体上に実装される熱発生装
置の全てが同一機能を有する半導体基体からなる場合は
稀で、一般には機能の異なる２種ないしそれ以上の熱発
生装置が同一冷却モジュール装置内に実装されると考え
ねばならない。このような場合は上記逆バイアス電圧を
２ないしそれ以上の水準に維持する必要がある。ところ
で、異なる逆バイアス電圧の与えられた上記熱発生装置
どうしは、導電性の上記熱伝導性部材９弾性部材、ギャ
ップ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ず、冷却モジュー
ル装置全体の回路機能が損なわれる。又、冷却モジュー
ル装置内の実装された全ての熱発生装置の逆バイアス条
件が全く同一である場合は上述の問題は解消される。し
かしながら、上記キャップに連なって接触界面を形成す
るヒートシンクないし冷媒中の不純物や汚染物質を通じ
て冷却モジュール装置相互が電気的に連絡されたり、更
に筐体中に高密度実）装されたプリント基板上の、冷却
モジュール装置どうしの振動接触による電気連絡網を形
成する危険を伴う。したがって、基板上に実装された熱
発生装置どうしは、あらかじめ予定された導電路以外で
電気的連絡されることは好ましくなく、この意味で具体
的にはキャップないし熱伝導性部材に電気絶縁機能を付
与しておくことが望ましい。

又、上記先行技術例（２）、（３）に開示されるパッケ
ージでは、熱伝導中継部材としての熱伝導パッドにおい
て、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伴う劣化１例えば
熱疲労破壊の如き故障を生じにくい。しかし、熱伝導路
を形成する上記非金属的接合部は、金属的接合界面に比
べ熱伝導性能が劣ることは明白でおる。したがって、よ
り冷却効率の高い熱伝導路を形成するには、半導体チッ
プからヒートシンクへ係合されるキャン又はカバーに至
る熱伝導路に、上記半導体チップとキャン又はカバーの
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
望ましい。

しかし、この場゛合は上記先行技術例では発生しない新
たな問題を生ずる。即ち、双方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
生ずるとき、熱膨張係数差に起因して上記パッドに熱応
力が印加され、この熱応力のくり返し印加によって熱疲
労破壊、例えばクラックを生ずるに至る。この種の破壊
は熱伝導路の熱抵抗を高める要因となり、特に発熱量の
大きい場合は致命的である。したがって、上記破壊の防
止策が施されねばならない。

又、熱伝導性空間を維持するためには、熱伝導性封入ガ
スを閉込めるため、キャン又はカバーと基板の間は直接
的あるいは間接的に封止されねばならない。上記封止が
ろう材を用いてなされる場合は、キャン又はカバーと基
板間の熱膨張係数差が大きいと、上述と同様の熱疲労問
題を生ずる。

特にこの部材の接合は寸法的に大きくなるため、上記疲
労破壊の危険は顕著であり、熱伝導空間を維持すること
が困難である。

本発明の目的は、上記冷却されるべき熱発生装置の冷却
を効率的に行なわしめ、上記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
伝導中継部材ないしハウジングを有する熱伝導冷却モジ
ュール装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記接続ビン並びに接続部材の劣
化を防止ないし軽減する、軽量な熱伝導冷却モジュール
装置、及び上記熱発生装置を基板配線に電気連絡する接
続部材ないし上記熱発生装置の劣化、損傷を防止ないし
軽減する。軽量な熱伝導中継部材を有する熱伝導冷却モ
ジュール装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記摩耗とこれに伴う導電路間の
電気的導通を防止ないし軽減し、併せて電圧を付与され
た１ないしそれ以上の熱発生装置相互間の電気的連絡を
防止するため、耐摩耗性と電気絶縁性を維持できる熱伝
導中継部材ないしハウジングを有する熱伝導冷却モジュ
ール装置を提供することである。

本発明の他の目的は、上記熱伝導中継部材としての熱伝
導パッドが破損しにくい熱伝導冷却モジ）ニール装置を
提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の熱伝導冷却モジュール装置は、少なくとも１の
冷却されるべき熱発生装置と、上記熱発生装置の各々に
対向する如くに熱伝導路内に含まれているハウジングと
、上記ハウジングの表壁との間で熱交換を行なうように
配置されている熱伝導中継部材とを備えた熱伝導冷却モ
ジュール装置であって、ハウジング又は熱伝導中継部材
が窒化アルミニウムを主成分とする焼結体であることを
特徴とする。

又、上記ハウジングないし熱伝導中継部材ＩＱＩＯΩ１
以上の電気抵抗率を有する焼結体であること、室温で１
００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すること、４．０〜
５．５　Ｘ　１０−”／’Ｃの熱膨張・係数を有するこ
と、しや光性を有することが好ましい。

更に、上記ハウジングと上記熱発生装置とが上記熱伝導
中継部材としての低融点金属からなる熱伝導パッドによ
って相互に金属的に接合されていることを特徴とする。

〔作用〕

ハウジングが最低限具備すべき主な性質は、（１）熱伝
導性が銅やアルミニウム等に略凹適し、（２）可及的に
軽量かつ電気絶縁性に優れ、（３）熱膨張係数が熱発生
装置や基板に近似し、（４）半導体チップの誤動作を誘
発する光をしゃ断し、（５）気密性が可及的に優れ、そ
して（６）微細な加工性に優れていることである。そこ
で、こうした性能を有する材料を探索し比較検討した結
果、陽イオ゛ン不純物総量２００ｐｐｍ以下、炭素量約
０．０５重量％、酸素量約１．１重量％の高純度窒化ア
ルミニウム焼結体（ホットプレス：　１６５０℃以上、
２００ｋｇ／ａｄ、窒素中常圧焼結：１７００℃以上、
窒素中）が上記（１）〜（５）の性能を有することを試
作品により確認した。具体的には、上記窒化アルミニウ
ム焼結体は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上（室温〜１５
ｏ℃）、密度３．０〜３．３　　ｇ／ｄ、ｆｌｌ低抵抗
率１０１０〜１０１３Ω■室温）、熱膨張係数４．０〜
５．５　ｘ　１０−’／’Ｃなる物性値を有し、しかも
例えば砥石研削によって幅０．５ｍ、ピッチｌ＋ｍ＋の
多数溝形成が容易であり、ハウジング用材料として好適
な性能を有していることに着目した。尚、上記性質は熱
伝導中継部材としても好ましいものである。

上記窒化アルミニウム焼結体は、可及的に高純度化され
、理論的電気絶縁性（真性半導体化、エネルギギャップ
６．２ｅＶ）及び熱伝導性（３２０Ｗ　／　ｍ　Ｋ　）
に近ずけられている。しかしながら。

出発原料中に含まれている各種不純物は窒化アルミニウ
ム焼結体にも一部引継がれるが、その主なものはＮｉ　
（３０ｐｐ＋ａ）　ｖ　Ｆｅ　（２１ｐｐＩｌ）　ｅ　
Ｚｎ（９ｐｐｍ）＋Ｓ　ｉ　（９１ｐｐｍ）　、　Ｃｒ
　（１９ｐｐｍ　）であり、他にＭｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｔ
ｉ、Ｇｏ　（いずれね５　ｐｐｍ以下）が含有されてい
る。

本発明において、熱伝導中継部材やハウジングとして必
要な抵抗率はｌＱ１０Ω０以上、そして熱伝導率は１ｏ
ｏｋ／ｍＫ以上であることが望ましい。又、ハウジング
として必要な熱膨張係数は４．０〜５．５　Ｘ　１０″
″Ｂ　／　’Ｃであることが望ましい。

これらを達成するためには上記高純度化窒化アルミニウ
ム焼結体が適するが、理論密度の９０％以上の緻密体で
あればＣａｂ、Ｂａｄ、Ｙｚ○３゜Ｌａｚｏａ、Ｓｍｚ
Ｏａ　、ＢＮ、Ｃ等を添加した場合であっても適用可能
である。

又、特にハウジングは、基板や他の部材とともに熱発生
装置を包囲する空間を形成し、熱伝導中継部材とハウジ
ング又は熱発生装置間界面の伝熱を補助するヘリウムガ
スの如き気体を封入する容器を兼ねるため、高気密性を
有していなければならない。ヘリウムガスは原子半径の
小さい気体であって、極めて微少な間隙や気孔を通して
散逸しやすいからである。このような気密性の問題は、
ハウジング用素材として金属を用いる場合と異なり、セ
ラミック材を適用する場合に特に解決しなければならな
い点である。この気密性は、ヘリウムガスのもれ量に換
算して１０″″７ａｔ１１ｍＱ／ｓ以下が好ましい値で
あるが、焼結窒化アルミニウムにこの程度の気密性を付
与するには、同焼結体の相対密度を９０％以上にするこ
とが望ましい。上述したＣａＯをはじめとする助剤の添
加は、ｍ、密化した窒化アルミニウム焼結体を得るのに
有利である。

ハウジングは半導体チップの光誤差動作を避けるだめに
光の入射を防止する役割を担う、光しゃ断を図る観点か
らは、窒化アルミニウム焼結体は上述した不純物を添加
したものであることが望ましいが、高純度化した焼結体
であっても半導体チップの誤動作に影響の大きい短波長
の光に対しては光しゃ断性を有しているので適用可能で
ある。

〔実施例〕

次に、図面を参照して１本発明の実施例を更に詳細に説
明する。第１図は第１実施例としての熱伝導冷却モジュ
ール装置であり、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有
した気体封入熱伝導冷却モジュール装置を示す概略断面
図である。

チップ１０は、一般に知られているように、高密度に実
装された素子や配線を有する固体回路を形成しているも
ので、チップ内の回路において消費された電力が熱に変
換される。したがって、同回路を所定の動作パラメータ
の範囲内で安定動作させるため、以下の熱伝導放熱手段
が取られる。

チップ１０は、一般にセラミックの多層配線基板１２の
一方の側に微少はんだボール１１により装着されており
、基板１２はその他方の側から突出する接続ピン１４を
有している。これらのピン１４を補助回路等を担持した
配線ボード１３のスルーホール１３ａに差込み、この部
分をはんだ等のろう材の如き接続部材１３ｂで固着する
ことにより、基板１２並びにこれに連なる各種部材から
なる熱伝導冷却モジュール装置が支持される。この際、
接続ピン１４は基板１２に金−錫ろう１４ａにより接続
とれている。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如き封
着部材１７゜１８により固着されている。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。ハウジ
ング１６の材質は、熱伝導性及び電気絶縁性に優れ軽量
かつ加工性の良い材料であって、熱膨張係数が基板１２
に近似している観点、更に好ましくはスペーサ１５のそ
れに近似している観点で選択されるべきである。熱膨張
係数の観点を優先する理由は基板１２又はスペーサ１５
との間の熱膨張係数差に起因して、熱的サイクルが与え
られたとき生ずる封着部材の疲労破壊を避ける必要から
である。例えば基板１２がアルミナセラミック、ムライ
トセラミックの場合、これらの諸条件を満し得る材料と
して上述した窒化アルミニウム焼結体が適合する。ハウ
ジング１６は後述するように複雑な形状に加工される必
要があるが、窒化アルミニウム焼結体はこの点において
も好適な素材になり得る。又、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が窒化アルミニウ
ム焼結体の場合、アルミナセラミック、ムライトセラミ
ック、窒化アルミニウム。

炭化ケイ素、コバール、５８Ｆｅ−４２Ｎｉ、タングス
テンカーバイドの如き材質を選ぶことができる。

ハウジング１６の内方には、相対して配置されているチ
ップ１０の各々に対向してストライプ状突出部１６ａ及
び溝部１６ｂが形成されて、この突出部１６ａは厚さ０
．５　ｍ長さ７ｍａであり、ピッチは１．０　ｍである
。この突出部１６ａに案内されるように開孔２０ａと突
出部２０ｂを有する熱伝導中継部材２０が配置され、突
出部１６ａと開孔２０ａで形成される空間にばね２１が
配置されている。このばね２１の抑圧によりチップ１０
と熱伝導部材２０との接触を維持している。熱伝導中継
部材２０の材質は、前記した性質を兼備している点で窒
化アルミニウム焼結体が最も適切である。熱伝導中継部
材２０の開孔２０ａはハウジング１６の突出部１６ａの
側壁との間に小さい間隙３０が形成されている。この間
隙３０は、熱伝導中継部材２０とチップ１０間の係合が
平担面による面接触的に接触されるように、ゆとりが存
在するような幅を有している。又、熱伝導中継部材２０
は種々の高さを有しているチップ１０に適合できるよう
にばね２１の弾性力が与えられるようになっている。基
板１２．スペーサ１５．そしてハウジング１６で構成さ
れる空間１９には、ヘリウムガス３１が導入されていて
、チップ１０と熱伝導中継部材２０との間の微少間隙や
熱伝導中継部材２０とハウジング１６との間の間隙を満
して、気体による熱伝導路を形成している。ヘリウムガ
スは周知の如く、低分子量気体であって微少間隙に侵入
して満しやすく、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も安全性が高く、腐蝕性や毒性が
無く、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
がある場合は、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上記気体の２種類以
上の混合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１
０の発生熱量と熱伝導冷却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．スペーサ１５゜ハウジング１６とこれら
各部材を固着している封止部材１７．１８により気密性
を維持し、封入ヘリウムガス３１の散逸を防ぐと同時に
外気の侵入による腐蝕等から保護されるようになってい
る。

このような気密性保持や疲労破壊防止の観点で選択され
る限りにおいては封止部材１７．１８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なくとも１種を含む
金糸合金材や、錫、鉛。

銀、アンチモン、インジウム、ビスマス、銅、亜鉛、金
、カドミウムから選択されて少なくとも１種を含む鉛又
は錫又は銀合金等のろう材が好ましい。又、金属ろう材
による固着手段以外にガラス組成物により封止すること
も可能である。しかしながら、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
のような場合には、熱伝導冷却モジュール装置全体の構
成を全て交換するか、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
、封止部を開放してチップ１０の交換が可能な状態にす
ること、即ち熱伝導冷却モジュール装置には開封性が付
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１例えば微少はんだボール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１７又は１８を選択するな
らば、例えば微少はんだボール１１の材質として９５鉛
−５錫系はんだを用いた場合は、少なくとも同はんだ材
の固相点よりも低い融点を有するろう材、即ち９５錫−
５銀。

６３１！；−３７鉛、８ｏインジウム−１５鉛−５銀。

５ｏ錫−５０インジウム、３４錫−２０鉛−４６ビスマ
ス、１４錫−２９鉛−４８ビスマス−１０アンチモン等
のろう材が好ましい。このような場合は、ハウジング１
６の所要面に、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕの如き多層金属メタラ
イズ、Ｔｉ−Ａｇ−Ｃｕ系厚膜メタライズ等を施すとよ
い。

熱伝導中継部材２０の各々からハウジング１６に伝達さ
れた熱は、ハウジング１６に取付けられている冷却板３
２の如きヒートシンクに伝達される。第１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坦に形成さ
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
冷却液体として、水の如き液体が望ましい。

以上に説明した構成により、本発明熱伝導冷却モジュー
ル装置は３．５　°Ｃ／Ｗ　（チップ１０−ハウジング
１６／冷却板３２界面間）なる熱抵抗を保有する。又、
第２図は熱抵抗の変化量を、−５５〜＋１５０℃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、封止
部材１７゜１８の疲労破壊やヘリウムガス３１の散逸を
生じていないことが認められる。ヘリウムガス３１散逸
防止には、ハウジング１６自体が良好な気密性を有して
いる点に加えて、上述したようにハウジング１６の金属
化層が強固かつ気密性よく形成されていることも寄与し
ている。

又、ハウジング１６及び熱伝導中継部材２０はともに電
気絶縁性が付与されているため、チップ１０間の電気的
干渉による問題を全く生じないこと、軽量なモジュール
装置が得られるため接続部材１３ｂの故障を生じにくい
ことと共に、複雑形状のハウジング１６及び熱伝導中継
部材が容易に得られること等、多くの利点を享受できる
。これは、窒化アルミニウム焼結体を適用することによ
り容易になった点である。

第３図は第２実施例としての熱伝導冷却モジュール装置
の断面図である。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熱伝導中継部材としての低融
点金属からなる熱伝導性パッド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
。熱伝導性パッド２０はチップ１０及びハウジング１６
に設けられたクロム−銅−全積層金属層による金属化領
域を介して金属的に接合されている。

本実施例において、ハウジング１６の材質は上述した性
能を有する窒化アルミニウム焼結体が選択されるが、基
板１２の母材がアルミナセラミック。

ムライトセラミックでありチップ１ｏがシリコンである
場合特に優れた性能を維持することができる。窒化アル
ミニウム焼結体はシリコンに極めて近似した熱膨張係数
を有しており、熱伝導性パッド２０の熱疲労破壊が防止
される。又、窒化アルミニウム焼結体はアルミナセラミ
ックやムライトセラミックと近似した熱膨張係数を有し
ており。

基板１２とハウジング１６間の封止部材１７゜１８の熱
疲労破壊が防止される。熱伝導性パッド２０の破壊が引
起されないから、主要な熱伝導路の伝熱性能が維持され
、そして封止部材１７の破壊を生じないから、熱伝導性
気体３１のもれがなく同気体を経由する熱伝導路の伝熱
性能が維持される０例えば、第１実施例と同一の条件で
温度サイクルを与えた結果、チップ−ハウジング１６間
の熱抵抗は初期値と同じ２４℃／Ｗを維持していること
か確認された。

第２実施例において、熱伝導性パッド２０は６７重量％
ビスマス−１６重量％鉛−１７重量％錫はんだであり、
チップ１０及びハウジング１６にそれぞれ金属的に接合
されている。この熱伝導性パッド２０は固相点°９５℃
、液相点１４９℃を有する低融点金属で、チップ１０と
ハウジング１６との微少な熱膨張係数差に基づく熱伝導
性パッド２０の疲労を、優れた塑性変形能で補なってい
る。

熱伝導性パッド２ｏは、上記組成のはんだ材以外にビス
マス、錫、インジウム、水銀の如き単体金属や、鉛、錫
、ビスマス、インジウム、カドミウム、水銀、アンチモ
ンの少なくとも一種を含む合金材にすることにより、上
述と同様の耐熱疲労性が付与される。

次に、第３の実施例として、光しゃ断性を改良したハウ
ジング１６′を有する熱伝導冷却モジュール装置を説明
する。ハウジング１６′は前述の実施例において、高純
度窒化アルミニウム粉末８５重量％、炭化ケイ素粉末１
４重量％、ベリリヤ粉末１重量％からなる混合粉末（粒
径１μｍ以下）を１６５０℃、２００ｋｇ／ａ＃、窒素
中なる条件下でホットプレスして得た焼結体を研削加工
したもので、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上（室温〜１５
０℃）、密度３　、０〜３　、３　ｇ　／　ａｌ電気抵
抗率１０１１〜１ｏ１３Ωａ１１（室温）なる物性値を
有している。この場合であっても機械加工性は窒化アル
ミニウム焼結体の場合と略同等であるほか、光しゃ断性
の点で有用な改善効果が認められた。

例えば厚さＯ，１ｍｍの場合の光透過率は０．０５％以
下（波長０．５　μｍ）　、０．０５　　％以下（同３
　ｕｍ）　、　０．０７％以下（同６μｍ）、０．０１
％以下（同１０μｍ）と極めて良いしや光性が得られた
。これにより、ＬＳＩチップ１０に集積された素子の光
による誤動作を避けることが一層有利になる。しや光性
を付与する観点では、上述の炭化ケイ素やベリリヤ以外
に、Ｃａｂ、Ｂａｄ。

ＹｚＯａ、ＬａｚＯａ、ＳｍｚＯａ、ＢＮ、Ｃ等を用い
てもよい、ただし、これらの添加物量は窒化アルミニウ
ム焼結体の熱的特性に大きな影響を与えない範囲に選定
されるべきである。

第４図及び第５図は１本発明の変形例の断面図である。

第４図は、熱発生装置がセラミックキャリヤ１００上に
搭載されたチップ１０とろう材１０２によってチップ１
０に接合された熱伝導板１０１を有し、樹脂１０３で補
強された構造を有し、同熱発生装置は微少はんだ１１１
により基板１２に取付けられた構成を示す。樹脂１０３
はエポキシ樹脂にそれより熱膨張係数の小さい無機粉末
とゴム状粒子を分散したものからなるのが好ましい、無
機粉末は樹脂に対して３０〜６０体積％とし、これを１
００重量部に対して５〜１５重量部のゴム状粒子を加え
るのがよい、キャリヤ１００は配線を有する多層板とし
てもよい。キャリヤ１００と多層回路板１２は同じαを
有するもの。

又は同じ材質、特にアルミナが好ましい。

又、第５図は、熱発生装置がセラミックキャリヤ１００
上に搭載されたチップ１０を囲うように熱伝導キャップ
１０５が設けられ、そしてチップ１０はろう材１０６に
よってキャップ１０５と接合されるとともに、キャップ
１０５はキャリヤ１００とろう材１０７と接合された構
造を有し。

同熱発生装置は微少はんだ１１１により基板１２に取付
けられた構造を示す。

これらの場合も熱発生装置で生じた熱と同様に熱伝導性
基板１０１をくし歯構造とするか、第３図を同様にパッ
ド２０の低融点金属で接合するか、グリース等で接触さ
せるか同様にハウジング１６に向けて放散される。この
ようにチップ１０が間接的に熱伝導中継部材又はパッド
に熱係合される場合であっても実施例と同様の利点ない
し効果が得られる。

又、ハウジング１６はスペーサ１５と一体に形成された
物、即ちハウジング１６とスペーサ１５が同一材質の窒
化アルミニウム焼結体で形成された場合であっても発明
の効果は変らない。

尚、本発明熱伝導冷却モジュール装置では、窒化アルミ
ニウム焼結体からなるハウジング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
ねることは何等障害になるものではない。又、窒化アル
ミニウム焼結体からなる熱伝導中継部材２０は、摩耗問
題に対する対策を施すことにより例えばアルミニウムの
如き素材に代替できる。この際には、アルミニウムから
なる熱伝導中継部材の表面に酸化アルミニウムの如き耐
摩耗性のよい膜を被覆するような対策がとられる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば冷却効率の優れた熱
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】

第１図及び第３図は本発明の熱伝導冷却モジュール装置
の断面図、第２図は本発明熱伝導冷却モジュール装置の
放熱特性、そして第４図及び第５図は本発明の他の実施
例の熱伝導冷却モジュール装置の断面図である。 １ｏ・・・半導体素子、１２・・・セラミック多層回路
基板、１５・・・スペーサ、１６・・・ハウジング、２
０゜１０１・・・熱伝導中継部材、１００・・・セラミ
ックキネ２−口 鼻声Ｉ寸イクＩＬ、セ丈（ロ） も３図 １ｚ　１５ 荊ｔ＋図 宅Ｓ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１の冷却されるべき熱発生装置と、上記
   熱発生装置の各々に対向する如くに熱伝導路内に含まれ
   ているハウジングと、上記熱発生装置とハウジングとの
   間で熱交換を行なうように配置されている熱伝導中継部
   材を備えた熱伝導冷却モジュール装置であつて、前記ハ
   ウジング窒化アルミニウムを主成分とする焼結体からな
   り、前記ハウジングの熱伝導路にストライプ状溝を設け
   るか又は低融点金属パッドを金属的に接合する手段を設
   けたことを特徴とする熱伝導冷却モジュール装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記ハウジングは
   １０＾１＾０Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を有する焼結体
   である熱伝導冷却モジュール装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記ハウジングは
   室温で１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する熱伝導
   冷却モジュール装置。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記ハウジングは
   ４．０〜５．５×１０＾−＾６／℃の熱膨張係数を有す
   る焼結体からなる熱伝導冷却モジュール装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記ハウジングは
   しや光性を有する熱伝導冷却モジュール装置。