WO2005024940A1 - パッケージ構造、それを搭載したプリント基板、並びに、かかるプリント基板を有する電子機器 - Google Patents

パッケージ構造、それを搭載したプリント基板、並びに、かかるプリント基板を有する電子機器 Download PDF

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WO2005024940A1
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Hideo Kubo
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Fujitsu Limited
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Definitions

  • the present invention generally relates to fixing a substrate, and more particularly to fixing a package substrate having a heat dissipation mechanism.
  • the present invention is suitable, for example, for fixing a heat sink and a BGA (Ball Grid Array) package, and a package such as an LGA (L and Grid Array) or a PGA (P in Grid Array). It is also suitable for fixation.
  • the present invention also relates to a printed circuit board (for example, a mother board) on which such a package substrate is mounted and an electronic device (for example, a server or the like) including the same.
  • a BGA package is a type of package board that is connected to a printed circuit board (sometimes called a “system board” or “mother board”) by soldering.
  • a printed circuit board sometimes called a “system board” or “mother board”
  • the BGA package has narrower lead pitch and more pins (multiple leads) without increasing the package size. It achieves high performance and miniaturization of electronic devices by increasing the package density.
  • BGA packages are generally equipped with I C and L S I that function as CPUs, and their heat generation increases as the performance of CPUs improves. Therefore, in order to protect the CPU thermally, the CPU is thermally connected to the CPU via a heat-reader, a cooling device called "-".
  • the heat sink includes cooling fins and dissipates heat from the CPU by natural cooling close to the CPU.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional BGA package 100.
  • the ceramic package board 1400 with the LSI 1100 mounted via the bump 1200 and the underfill 1300 is connected to the printed circuit board 1 via the BGA 1500.
  • the heat sink (not shown) is thermally connected via a heat spreader 1700 having a lid (Lid) structure while being mounted on 600.
  • the LSI 110 and the heat spreader 1700 are bonded by a bonding layer 1800.
  • the LSI 110 was mounted on the ceramic package substrate 1400. This is because since the thermal expansion coefficient of LSI 110 is close to that of ceramic, warpage does not occur in the LSI 110 and the package substrate 1400 when the LSI 110 is mounted.
  • the underfill 1300 is in direct contact with the package substrate 1400, the thermal expansion between the LSI 1100 and the package substrate 1400 is due to the small thickness of the underfill 1300. The difference becomes dominant.
  • the package substrate 1400 and the LSI 1100 which have almost the same coefficient of thermal expansion, are used, so the stress generated between them due to thermal expansion and thermal contraction is very small. .
  • a heat spreader 1700 is attached to the back of the LSI 1100 via a bonding layer 1800.
  • a material having high thermal conductivity such as Cu
  • Overall heat transfer efficiency could not be increased.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the manufacture of a BGA package 2000 using a liquid metal for the bonding layer.
  • the LS 1200 shown in FIG. 13A is etched to form a recess 2200 as shown in FIG. 13B.
  • a liquid metal 230 is injected into the recess 2200, and sealed by a heat conductive film 2400. Since the chemical properties of the liquid metal 2300 easily cause corrosion such as hydroxylation and oxidation due to the chemical properties of the liquid metal 2300, the liquid metal 2300 is completely separated from the air and the substrate by the heat conductive coating 2400.
  • a BGA package structure having a structure in which a coolant is brought into contact with the upper surface of an LSI and the coolant is circulated.
  • Patent Document 1
  • the use of resin instead of ceramic for the package substrate is being studied to further improve the performance. Since the resin substrate is thinner than the ceramic substrate, it can be expected that the resin substrate has improved electrical characteristics compared to the ceramic substrate.
  • the thermal expansion coefficients of the resin package substrate and the LSI are different, thermal stress is generated between the LSI and the LSI as the temperature rises.
  • the resin substrate has a large difference in the coefficient of thermal expansion from the LSI, so the LSI is warped, and the heat spreader bonded to the back of the LSI is also affected by the warpage that occurs when the package substrate and the LSI are joined. Warpage occurs. Then, as shown in FIGS. 14 and 15, the bonding layer 1800 peels off, and the thermal connection between the LSI 110 and the heat sink (not shown) is cut off. 00 will be damaged.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a BGA package for explaining a conventional problem.
  • FIG. 14 (a) shows a case where the LSI is at a high temperature
  • FIG. This shows the case where the temperature of the LSI is low.
  • FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which the thermal connection between the LSI and the heat spreader has been cut by peeling of the bonding layer.
  • BGA packages that use liquid metal for the bonding layer require advanced processing technologies such as fine processing technology such as etching, thermal conductive film formation, and liquid metal sealing.
  • fine processing technology such as etching, thermal conductive film formation, and liquid metal sealing.
  • a thermally conductive film of the same size as an LSI does not have a thermal diffusion capability, and the amount of heat generated increases with the improvement in performance.
  • warpage of the LSI may occur due to a difference in thermal expansion coefficient between the resin package substrate and the LSI, which may damage the thermally conductive film.
  • the expansion of the liquid metal can damage the thermally conductive coating. Therefore, as shown in Fig.
  • the BGA package 2000 is composed of a cooling fin 250 and an LSI 210 that encapsulates the liquid metal 230 with a thermally conductive coating 240. It may be possible to reduce the damage to the thermally conductive film 240 by mounting it on the package substrate 260 as an integrated structure surrounded by 0, but the structure becomes large and complicated. In addition, there remains a problem regarding the thermal conductivity of the joint between the thermal conductive film 2400 and the heat sink 2500.
  • the present invention provides a package structure that can improve reliability by preventing destruction of a junction between a package substrate and an LSI and a junction between an LSI and a heat spreader while having a simple configuration, and a printed circuit board on which the package structure is mounted. It is an exemplary object to provide an electronic device having such a print substrate.
  • a package structure is a package structure mountable on an external printed board, the package substrate having a heat-generating circuit element mounted thereon, and the heat-generating circuit element A heat spreader for transmitting heat from the heat generating circuit element to a heat sink for radiating the heat generating circuit element, sealing between the heat generating circuit element and the heat spreader, and cooperating with the heat generating circuit element and the heat spreader. And a liquid metal sealed in the sealed space.
  • the heat generating circuit element, the heat spreader, and the liquid metal sealed in the sealing space formed by the joining member are thermally connected to the heat generating circuit element and the heat spreader by the joining member.
  • the joining member connects the heat generating circuit element and the heat spreader at an outer periphery of the heat generating circuit element. This can minimize the thermal stress applied to the joining material.
  • the heat spreader includes a first member connected to the joining member, and a second member that is divided from the first member.
  • the heat spreader includes a first member having a bottom portion connected to the joining member, a second member having a convex cross section having a convex portion on the heat-generating circuit element side, the second member being fitted to the first member. May be provided. This makes it possible to form a sealing structure that seals the liquid metal with a simple configuration.
  • the bottom of the first member preferably has a thickness of not less than 200 im and not more than 1 mm in order to have a function of a panel panel. It is preferable that the projection has a notch that allows thermal expansion of the liquid metal. Thereby, the concentrated stress due to the liquid metal can be reduced.
  • the joining member may be an adhesive or a solid metal.
  • the liquid crystal display further includes an allowance that allows thermal expansion of the liquid metal. Thereby, the thermal expansion of the liquid metal can be reduced.
  • the permitting portion may be a gas sealed in the sealing space.
  • the gas is one of nitrogen, argon and helium inert gas. Thereby, the chemical reaction of the liquid metal can be prevented.
  • the permitting portion may be an elastic member provided in the sealing space.
  • the heat spreader has an uneven shape on a surface forming the sealing space. Thereby, the surface area of the heat spreader in contact with the liquid metal can be increased.
  • the heat spreader may be formed of an elastic member.
  • the package substrate may have a plurality of the heat generating circuit elements mounted thereon.
  • the package substrate is made of resin. As described above, the resin substrate provides lower cost, higher performance, and easier processing than the ceramic substrate, but has a difference in the coefficient of thermal expansion from the heat-generating circuit element, so that the configuration of the present invention is particularly preferable. is there.
  • a printed circuit board having the above-described package structure and an electronic device having such a printed circuit board also constitute one aspect of the present invention.
  • a heat spreader for transmitting heat from a heat-generating circuit element mounted on a package substrate to a heat sink for radiating the heat-generating circuit element, the heat spreader including a joining member.
  • a first member for connecting to the conductive element; Manufacturing a package structure that has a heat spreader that fits into the first member and has a second member that forms a sealing space between the heat generating circuit element and the heat generating circuit element, and that can be mounted on an external printed circuit board.
  • a method comprising: connecting the exothermic circuit element and the first member via the joining member; and between the exothermic circuit element and the first member connected in the connecting step.
  • a liquid metal sealing structure can be formed without requiring advanced processing techniques, and the sealing structure can be prevented from being enlarged.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an electronic device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the internal configuration of the electronic device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the package module shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic top view of an LSI showing a connection state with a heat spreader in the package module shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of the package module shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of the package module shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic top view of the LSI showing another connection state between the LSI shown in FIG. 4 and the heat spreader.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view showing an example of the package module shown in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view showing an example of the package module shown in FIG.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a package module having a multi-chip type package substrate.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a package module according to the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic sectional view for explaining a conventional BGA package.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the manufacture of a BGA package using a liquid metal for the bonding layer.
  • FIG. 14 is a schematic sectional view showing a problem of the conventional BGA package.
  • FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which the thermal connection between the LSI and the heat spreader has been cut by peeling of the bonding layer.
  • FIG. 16 is a schematic sectional view of the BGA package shown in FIG. 13 integrated with the cooling fin.
  • a package module 100 which is an embodiment of the package structure of the present invention, and a printed circuit board on which the package module 100 is mounted
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the electronic device 300.
  • FIG. 2 is an external perspective view of a system board as a printed circuit board 200 mounted on the electronic device 300.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the electronic device 300.
  • FIG. 2 is an external perspective view of a system board as a printed circuit board 200 mounted on the electronic device 300.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the electronic device 300.
  • FIG. 2 is an external perspective view of a system board as a printed circuit board 200 mounted on the electronic device 300.
  • FIG. in the following description reference numerals with uppercase alphabets are summarized by reference numbers without alphabets.
  • the electronic device 300 of the present embodiment is illustratively embodied as a rack-mount type UNIX server.
  • the electronic device 300 is screwed to a rack (not shown) by a pair of mounting portions 302 and mounts a printed circuit board 200 shown in FIG.
  • the housing 310 is provided with a fan module 320.
  • Fan module 320 Fan module
  • the 320 forcibly cools a heat sink 190 to which a heat spreader 150 described later is connected by rotating a built-in cooling fan to generate an air flow.
  • the fan module 320 has a power unit (not shown) and a propeller unit (not shown) fixed to the power unit.
  • the power section can typically use any structure known in the art, such as a rotating shaft, bearings, bearing houses, and magnets that are provided around the rotating shaft and that make up the motor. Here, detailed description is omitted.
  • the propeller section has a desired number of rotors formed at a desired angle.
  • the rotating blades are arranged conformally or non-conformally and have the desired dimensions. Power unit and professional
  • the rubber part may be dividable or indivisible.
  • the printed circuit board 200 includes a package module 100, an LSI module 210 around the package module 100, and a plurality of block boards for inserting a memory card 240. And a connector 230 for connecting to an external device such as a hard disk or a LAN.
  • the package module 100 functions as a BGA package in which the LSI 102 is mounted and connected to the printed circuit board 200 via the BGA 120. More specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the package module 100 includes a package substrate 110, a BGA 120, a reinforcing metal 130, and a bonding member. 140, a heat spreader 150, a liquid metal 160, and a heat sink 190.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of the package module 100 shown in FIG. However, the heat sink 190 shown in FIG. 2 is omitted in FIG.
  • the package substrate 110 has a thickness of about 500; m to about 1 mm and is made of resin. Compared with a ceramic substrate having a thickness of about 2 mm to 3 mm, a resin substrate has excellent electrical characteristics due to its small thickness, is inexpensive than ceramic, and has advantages in that it is easy to process.
  • the package substrate 110 has LSI 102 functioning as a CPU mounted on the top surface, and BGA 120 and capacitors and other circuit components 108 mounted on the bottom surface.
  • the package substrate 110 of this embodiment is a single-chip type on which one LSI 102 is mounted.
  • the thickness of the package substrate 110 is about 500 ⁇ m, while the thickness of the underfill 106 described later is about 100 ⁇ m.
  • the difference in thermal expansion between the package substrate 110 and the LSI 102 becomes dominant over the difference in thermal expansion between the underfill 106 and the underfill 106.
  • the LSI 102 is a heat-generating circuit element, and is soldered to the package substrate 110 by a bump 104 as a terminal, and a bump 110 is provided between the LSI 102 and the package substrate 110.
  • the flip chip (chip with a pump) is filled with a resin underfill 106, which is generally used, to seal the bump 104.
  • the BGAs 120 are configured as ball-shaped solder bumps (solder balls), and are arranged in a grid at the connection points with the printed circuit board 200 on the bottom surface of the package substrate 110. In other words, the BGA 120 functions as a terminal and is firmly connected to the printed circuit board 200 by solder balls (solder).
  • the BGA 120 Rather than being connected by the leads provided on the four sides as in the QFP package, they are connected by the BGA120, so the BGA package requires a narrower pitch between the terminals and a larger number of terminals. It is possible to achieve high density without increasing the package size, which contributes to high performance and miniaturization.
  • the solder bumps may be arranged in a substantially square shape having a substantially square hollow, If the circuit component 108 is not provided, solder bumps may be arranged on the entire bottom surface of the package substrate 110.
  • the reinforcing metal 130 is provided on the upper surface of the package substrate 110, and has a function of reinforcing the package substrate 110.
  • the reinforcing metal 130 corrects the twist of the package substrate 110.
  • the reinforcing metal 130 is made of, for example, aluminum, copper, or the like, and has a substantially square shape having a substantially square hollow. However, it is optional to provide reinforcing metal 130.
  • the joining member 140 has a function of sealing between the LSI 102 and a heat spreader 150 described later, and forming a sealed space CA in cooperation with the LSI 102 and the heat spreader 150.
  • the joining member 140 has a substantially square shape according to the outer shape of LSI 102 and has a hollow shape.
  • the joining member 140 has dimensions of about 20 ⁇ m to 200 ⁇ m in height and about 2 mm to 6 mm in width.
  • the joining member 140 is made of, for example, a solid metal such as copper / aluminum nitride having a high thermal conductivity, and connects the LSI 102 and a heat spreader 150 described later on the outer periphery of the LSI 102.
  • the joining member 140 solid-contacts (metal-joins) the LSI 102 and the heat spreader 150.
  • the joining member 140 since the joining member 140 is made of a material having high thermal conductivity, the joining member 140 does not form a temperature gap between the LSI 102 and the heat spreader 150, and excellent thermal conductivity can be realized.
  • the joining member 140 may be an adhesive sheet or an adhesive. However, the adhesive sheet or adhesive is used when the heat generation of LSI 102 is small or when the two substrates (here, package substrate 110 and heat spreader 150) have similar thermal expansion coefficients. Used for If there is a difference in the coefficient of thermal expansion, the adhesive function may be lost due to warpage (the sealing of the sealing space CA may be impaired).
  • the heat spreader 150 is arranged between the package substrate 110 and the heat sink 190, and is connected to the LSI 102 by a joining member 140.
  • the heat spreader 150 has a function to transfer heat from the LSI 102 to the heat sink 190, and has high thermal conductivity such as copper, aluminum carbide, aluminum, aluminum silicon carbide (aluminum containing silicon), and silicon carbide. Etc.
  • the heat spreader 150 includes a first member 152 connected to the joining member 140 and a second member 150 divided from the first member 152. 54 and a two-part structure. This makes it possible to form a sealing space CA for sealing a liquid metal 160 described later, and to prevent an increase in the size of the sealing structure.
  • the first member 152 has a bottom portion 152 a force S to be bonded to the bonding member 140, and a substantially square hollow portion 152 b similar to the shape of the package substrate 110.
  • the shape of the hollow portion 152b is also substantially square according to the outer shape of the joining member 140 (LSI 102), and accommodates a convex portion 154a of a second member 154 described later.
  • the hollow portion 152b does not closely house the convex portion 154a of the second member 154, but houses the convex portion 154a with a gap between it and the convex portion 154a. Constitutes a part of the sealed space CA.
  • the bottom part 152 a of the first member 152 is provided with a fitting part 152 c into which the second member 154 fits.
  • the fitting portion 152c is provided so as to project from the bottom portion 152a, and when the second member 154 is fitted, the bottom portion 152a and the second member 154 are connected to each other. A gap is formed therebetween, and such a gap forms a part of the sealed space CA.
  • the surface area (volume) of the sealed space GA is increased, and the heat conduction efficiency can be increased. Since the sealing space CA needs a thickness of about 100, it is preferable to provide the fitting portion 152c so as to protrude about 100 / m from the bottom 152a. .
  • the second member 154 has a convex portion 154a on the LSI 102 side, and has a convex cross section.
  • the projection 154a of the second member 154 has a height of about 0.5 mm to 2.0 mm.
  • the second member 154 is fitted to the first member 152 such that the convex portion 154a is housed in the hollow portion 152b.
  • the second member 154 has a function like a lid with respect to the first member 152, defines the sealing space CA, and seals the liquid metal 160. This makes it possible to realize a sealing structure for sealing the liquid metal 160 in the sealing space CA with a simple configuration without requiring advanced processing technology, as described later.
  • the heat spreader 150 has surfaces of the first member 152 and the second member 154 forming the sealing space CA (that is, the surface containing the liquid metal 160).
  • the sealing space CA that is, the surface containing the liquid metal 160.
  • the liquid metal 160 is sealed in a sealing space CA formed by the LSI 102, the joining member 140, and the heat spreader 150 in cooperation.
  • the liquid metal 160 is, for example, a liquid metal at room temperature, such as an aluminum alloy, and includes the LSI 102 and the heat spreader 150, and the first member 152 and the second member of the heat spreader 150. It has the function of connecting the members 154 with high thermal conductivity.
  • the liquid metal 160 is completely separated from the package substrate 1.10 and the outside air (air), and can prevent chemical reactions such as hydroxylation and oxidation due to chemical properties. As a result, a decrease in thermal conductivity due to corrosion of the liquid metal 160 can be prevented, and a high thermal conductivity can be maintained.
  • the liquid metal 160 since the liquid metal 160 has fluidity, it can absorb thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the LSI 102 and the heat spreader 150.
  • the liquid metal 1-6 CL has a function of blocking thermal stress of the LSI 1 ⁇ 2.
  • the warp due to the liquid metal 160 having fluidity causes the heat spreader 150 Heat spreader without transmission to the heat spreader 1 50 can be prevented from being damaged.
  • the liquid metal 160 is not damaged by the warpage of the LSI 102, and the thermal connection with the heat spreader 150 (and the heat sink) is maintained.
  • the heat sink 190 has a base and cooling fins.
  • the base is, for example, a flat plate made of a high thermal conductive material such as aluminum, copper, aluminum nitride, artificial diamond, and plastic, and is joined to the heat spreader 150.
  • the heat sink 190 is manufactured by sheet metal working, aluminum die casting, or another method. If it is made of plastic, it may be formed by, for example, injection molding.
  • the cooling fin is composed of, for example, a large number of plate-like fins arranged.
  • the cooling fins 10 have a convex shape and increase the surface area, thereby increasing the heat radiation effect.
  • the shape of the cooling fin is not limited to a plate shape, and any arrangement shape such as a pin shape and a curved shape can be adopted.
  • cooling fins do not need to be arranged horizontally at regular intervals, but may be arranged radially or may be arranged inclined with respect to the base.
  • the number of cooling fins can also be set arbitrarily. Cooling fins are made of aluminum, copper,
  • the cooling fins are formed by molding, press-fitting, welding, welding, and injection molding.
  • the package module 100 is different from the conventional heat spreader 170 with a lid structure in the conventional BGA package 100 shown in FIG. Package board 1
  • the package module 100 is connected to the LSI 102 and the heat spreader 150 by the bonding member 140 and the liquid metal 160, so that the solid-state bonding is performed. While taking advantage of the weaknesses of liquid and liquid bonding, it is possible to make the most of the superior properties of both, high thermal conductivity. As a result, as shown in FIGS. 14 and 15, the package module 100
  • thermal resistance of the junction was about 0.2 ° C / W, but in the package module 100 of the present embodiment, the thermal resistance of the junction was 1/1/10. Of 0. Q)
  • FIG. 4 is a schematic top view of an LSI 102 showing a connection state with a heat spreader 150 in the package module 100 shown in FIG. 3.
  • the liquid metal 160 may cause thermal expansion due to the heat generated by the LSI 102.
  • the thermally expanded liquid metal 160 presses the LSI 102, the joining member 140 and the heat spreader 150, causing breakage and thermal disconnection. Therefore, the package module 100 is provided with an allowance portion 170 that allows the thermal expansion of the liquid metal 160.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a package module 100 having an allowable portion 17 OA.
  • the gas 17 OA is composed of, for example, nitrogen, argon, helium, etc., which are one of the inert gases. Therefore, even if the gas 17 OA is sealed in the sealing space CA, a chemical reaction such as oxidation and hydroxylation does not occur in the liquid metal 160, and high heat conductivity is maintained.
  • the amount (volume) of 17 OA gas required for this purpose is about 3 cc.
  • the allowance portion 170 As shown in FIG. 6, it is embodied as an elastic member 170B provided in the sealing space CA. Since the elastic member 17 OA has an elastic force, the thermal expansion of the liquid metal 160 can be buffered. Thus, it is possible to prevent the thermally expanded liquid metal 60 from being damaged due to pressing the LSI 102 bonding member 140 and the heat spreader 150 and from thermally disconnecting the connection.
  • the elastic member 100B is arranged near the fitting portion 152c of the first member 152, but the thermal expansion of the liquid metal 160 is buffered. Can do Needless to say, it may exist anywhere in the sealed space CA.
  • the elastic member 170B is made of, for example, a buffer rubber such as an O-ring or a gel.
  • the elastic member 170B has a diameter ⁇ of about 20 mm to 30 mm and a cross section ⁇ of about 0.5 mm to 1.0 mm.
  • the elastic member 170B is made of a halogen-based material5, even when the elastic member 170B is installed in the sealed space CA, no chemical reaction of oxidation and hydroxylation occurs in the liquid metal 160, and high heat Conductivity is maintained.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a package module 100 having a permission portion 170B.
  • the allowance portion 170 is embodied as an arc-shaped notch 170C provided in the convex portion 154a of the second member 154.
  • the notch 170 C can buffer the thermal expansion of the liquid metal 160. This can prevent the thermally expanded liquid metal 160 from being damaged by pressing the LSI 102, the joining member 140 and the heat spreader 150, and the thermal disconnection of the connection.
  • the notch 170 C needs a diameter of about 2 mm to 4 mm.
  • FIG. 7 is a schematic top view of the LSI 102 showing another connection state between the LSI 102 and the heat spreader 150 shown in FIG.
  • the LSI 102 and the package substrate 110 may be deformed (distorted) by thermal stress. If the LSI 102 and the package substrate 110 are deformed, the thermal connection is cut off due to peeling of the bonding member 140 or breakage of the heat spreader 150. Therefore, as shown in FIG.
  • the bottom portion 152 of 52 By forming the bottom portion 152 of 52 into a foil shape, it is possible to cope with deformation of the LSI 102 and the package substrate 110 due to thermal stress.
  • the deformation of the LSI 102 and the package substrate 110 can be absorbed, and the joining member 140 can be absorbed. Can be prevented, and the heat spreader 150-can be prevented from being damaged.
  • the bottom 152a is formed to have a thickness of 200 ⁇ m or more and 1 mm or less. Liquid metal 1 if the thickness of the bottom 1 5 2a is less than 200 ⁇
  • FIG. 8 is a package showing a state in which the bottom part 152 a of the first member 152 having the function of a panel panel absorbs the deformation of the LSI 102 and the package substrate 110.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of module 100.
  • a single-chip type package substrate 110 on which one LSI 102 is mounted has been described as an example. However, as shown in FIG. This does not preclude the multi-chip package substrate 1102 on which 102 is mounted. In such a case, the first member 15
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a package module having a multi-chip type package substrate 11OA.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining the manufacturing method 800 of the package module 100 of the present invention.
  • the LSI 102 is soldered to the package substrate 110 with bumps 104, and the underfill 106 is filled between the LSI 102 and the package substrate 110 (step 8002). ).
  • the LSI 102 and the first member 152 as the heat spreader 150 are connected via the connection member 140 (step 804). At this time, providing the connection member 140 on the outer periphery of the LSI 102 is as described above.
  • a liquid metal 160 is injected between the LSI 102 connected in step 804 and the first member 152 (step 806).
  • an amount of the liquid metal 160 that fills the sealing space CA- to be formed (that is, the volume of the sealing space CA) is injected.
  • the second member 154 as the heat spreader 150 is fitted to the first member 152, and the liquid metal 160 injected in step 806 is sealed in the sealing space CA.
  • the package module 100 in which the liquid metal 160 is sealed in the sealing space CA is manufactured without requiring advanced processing technology such as microfabrication technology such as etching. can do.
  • the electronic device 300 can be downsized without increasing the size of the sealing structure.
  • the electronic device 300 is inexpensive because it uses the package substrate 110 made of resin, and can provide high electrical characteristics with little noise and the like because its thickness is thin. Due to the liquid metal 160 sealed in the sealing space CA formed by the joining member 140 and the LSI 102, the joining member 140 and the heat spreader 150, the LSI 102 and the heat spreader 150 Since the thermal connection can be prevented from being cut and high thermal conductivity can be achieved, the heat generated in the LSI 102 is appropriately radiated by the heat sink 190. The cooling fins of heat sink 190 are cooled by a cooling fan built in terminal module 320. Therefore, electronic device 300 can maintain the stability of the operation of LSI 102. Further, by forming the heat spreader 160 into a two-piece structure, it is possible to realize a simple and compact sealing structure that seals the liquid metal 160.
  • the electronic device of the present invention is not limited to a rack-mount type server, but is also applicable to a bookshelf type, and is not limited to a server, but may be a personal computer, a network device, a PDA, and other peripheral devices. Is also applicable.
  • the package module of the present invention is applicable to an LGA package connected to a printed circuit board via an LGA (L and Grid Array) socket without soldering. Further, the package module of the present invention can be applied to a heat-generating circuit element that does not function as a CPU, such as a chip set. Industrial potential
  • a package structure capable of improving reliability by preventing destruction of a junction between a package substrate and an LSI and a junction between an LSI and a heat spreader while having a simple configuration, and a printed circuit board mounted with the package structure , And an electronic device having such a printed circuit board can be provided.

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Description

明 細 書 パッケージ構造、 それを搭載したプリント基板、 並びに、 かかるプリント基板を 有する電子機器
技術分野
本発明は、 一般には、 基板の固定に係り、 特に、 放熱機構を有するパッケージ 基板の固定に関する。 本発明は、 例えば、 ヒートシンクと BGA (B a l l G r i d A r r a y ) パッケージの固定に好適である他、 L G A (L a n d G r i d A r r a y) や PGA (P i n G r i d A r r a y) 等のパッケ一 ジの固定に対しても好適である。 また、 本発明は、 かかるパッケージ基板を搭載 したプリント基板 （例えば、 マザ一ボードなど） やそれを備えた電子機器 （例え ば、 サーバーなど） にも関する。
技術背景
近年の電子機器の普及により、 高性能で小型な電子機器を供給する需要が益々 高まっている。 かかる要求を満足するために、 B GAパッケージが従来から提案 されている。 B G Aパッケージは、ハンダ付けによってプリント基板 (「システム 基板」 や 「マザ一ボード」 と呼ばれる場合もある。） に接続するパッケージ基板の 一種である。 BGAパッケージは、 4辺にガルウィング型のリードを有する QF P (Qu a d F l a t P a c k a g e) に比較して、 パッケージのサイズを 大きくせずにリードの狭ピッチ化及び多ピン化 （多リード化） を実現し、 パッケ ージの高密度化により電子機器の高性能化及び小型化を達成するものである。
BGAパッケージは、 一般に C PUとして機能する I Cや L S Iを搭載し、 C PUの性能向上に伴ってその発熱量も増加する。 そこで、 CPUを熱的に保護す -る. めに、— CPUには、— -ヒ一 シン..夂と經ばれる冷却装置 ヒート プレッダを 介して熱的に接続されている。 ヒートシンクは、 冷却フィンを含み、 C PUに近 接して自然冷却によって C PUの放熱を行う。
以下、 第 1 2図を参照して、 従来の BGAパッケージについて説明する。 ここ で、 第 1 2図は、 従来の BGAパッケージ 1 0 00を説明するための概略断面図 である。 第 1 2図に示すように、 バンプ 1 2 0 0及ぴアンダーフィル 1 3 0 0を 介して L S I 1 1 00を搭載したセラミック製のパッケージ基板 1 400を B G A 1 50 0を介してプリント基板 1 6 0 0に搭載すると共に蓋 （L i d) 構造の ヒートスプレッダ 1 700を介して図示しないヒートシンクを熱的に接続する。 L S I 1 1 00とヒートスプレッダ 1 700とは接合層 1 800によつて接着さ れる。
このように、 従来の BGAパッケージ 1 000においては、 セラミック製のパ ッケージ基板 1 40 0に L S I 1 1 00を搭載していた。 これは、 L S I 1 1 0 0とセラミックの熱膨張率が近いため、 L S I 1 1 00搭載時に L S 1 1 1 00 やパッケージ基板 1 400に反りを発生させないためである。 なお、 パッケージ 基板 1 400に直接接触しているのはアンダーフィル 1 3 00であるが、 アンダ 一フィル 1 300の厚さが薄いために L S I 1 1 0 0とパッケージ基板 1 400 の間の熱膨張差が支配的になる。 このような構成においては、 熱膨張率がほぼ同 等なパッケージ基板 1400と L S I 1 1 00を使用していたため、 熱膨張、 熱 収縮に伴いそれらの間で発生する応力は非常に小さいものとなる。
一方、 L S I 1 1 00の背面には、 接合層 1 8 00を介してヒートスプレッダ 1 700が取り付けられているが、 幾ら熱伝導性の高い材料 （Cu等） をヒート スプレッダ 1 700に用いてもパッケージ全体としての伝熱効率を上げることが できなかった。 それは、 L S I 1 1 00とヒートスプレッダ 1 700の間の接合 層 1 800に熱伝導性の低い樹脂ゃシリコン系の接着剤、 あるいは、 シート又は ペースト状の接合材を使用しなければならない場合が多く、 接合層 1 8 00が温 度ギヤップになってしまうためである。 接合層 1 8 00にハンダ等の熱伝導性の 高い金属を用いることも考えられるが、 L S I 1 1 00とヒートスプレッダ 1 7 00との熱膨張率の差が L S I 1 1 00の温度上昇に伴い両者間に強力な熱応力 を生み 接合層 18 0 Q.及ぴノ又は L S 1 1 1 0—0.を破壊してしまうため容易に はできない。
そこで、 接合層 1 800に液体金属等の熱伝導性の高い液体を用いることで L S I 1 1 00とヒートスプレッダとの間に生じる熱応力を回避し、 伝熱効率の高 い BGAパッケージを提供する提案がされている （例えば、 特許文献 1参照。）。 第 1 3図は、 接合層に液体金属を用いた BG Aパッケージ 20 00の製造を説明 するための概略断面図である。 B GAパッケージ 2000は、 第 1 3図 （a) に 示す L S 1 2 1 00にエッチング加工を施し、 第 1 3図 （b) に示すような、 凹 部 2200を形成する。 次いで、 かかる凹部 2 200に液体金属 2 3 00を注入 し、 熱伝導性被膜 2400で封止することで製造される。 液体金属 2 300の化 学的な性質で水酸化や酸化等の化学反応を起こし易く腐食してしまうため、 熱伝 導性被膜 2400によって空気や基板から完全に分離させた状態にする。
また、 その他の従来技術としては、 L S Iの上面に冷媒を接触させ、 かかる冷 媒を循環させる構造の B GAパッケージ構造もある。
特許文献 1
特開昭 60— 84 848号公報 発明の開示
BGAパッケージは、 更なる高性能化のために、 パッケージ基板にセラミック の代わりに樹脂を使用することが検討されている。 樹脂基板は、 セラミック基板 よりも薄いため、 セラミック基板よりも改善された電気特性を有することが期待 できる。
しかし、 樹脂製のパッケージ基板と L S I との熱膨張率が異なることから、 L S Iの温度上昇に伴い両者間に熱応力が発生してしまう。 特に、 樹脂基板は、 L S Iとの熱膨張率の差が大きいため、 L S Iの反りが発生し、 L S I背面に接着 されるヒートスプレッダもパッケージ基板と L S Iの接合で発生する反りの影響 を受けて、同様に反りが発生する。すると、第 1 4図及び第 1 5図に示すように、 接合層 1 800の剥離が発生し、 L S I 1 1 0 0と図示しないヒートシンクとの 熱的な接続が切断され、 熱によって L S I 1 1 00が破損してしまう。 勿論、 L S I 1 1.00の反りに起因する物理的な L S I 1 1 00、 接合層 1 800及びヒ 一トスプレッダ 1 7 00の破損の可能性もある。 ここで、 第 14図は、 従来の問 題を説明するための B GAパッケージの概略断面図であり、 第 1 4図 （a) は、 L S Iが高温の場合、 第 1 4図 （b) は、 L S Iが低温の場合を示している。 第 1 5図は、 接合層の剥離によって L S I とヒートスプレッダとの熱的な接続が切 断された状態を示す拡大断面図である。
一方、 接合層に液体金属を用いる B G Aパッケージは、 エッチング等の微細加 ェ技術や熱伝導性被膜の成膜及ぴ液体金属の封止等の高度な加工技術を必要とす ることに加えて、 L S Iに対して同等サイズの熱伝導性被膜では熱拡散能力はな く、 性能向上に伴って発熱量も増加する L S Iに対して冷却性能の向上を望むこ とはできない。 また、 上述したのと同様に、 榭脂性のパッケージ基板と L S I と の熱膨張率の差によって L S Iの反りが発生し、 熱伝導性被膜にダメージを与え てしまう場合がある。 更に、 液体金属の膨張によって熱伝導性被膜にダメージを 与えてしまう場合もある。 そこで、 B G Aパッケージ 2 0 0 0は、 第 1 6図に示 すように、 熱伝導性被膜 2 4 0 0で液体金属 2 3 0 0を封止した L S I 2 1 0 0 を冷却フィン 2 5 0 0で囲うように一体構造としてパッケージ基板 2 6 0 0に搭 載し、 熱伝導性被膜 2 4 0 0へのダメージを軽減することも考えられるが、 構造 が大型複雑化してしまう。 また、 熱伝導性被膜 2 4 0 0とヒートシンク 2 5 0 0 間の接合部の熱伝導性についても課題が残る。
そこで、 本発明は、 簡易な構成でありながらパッケージ基板と L S I との接合 部や L S I とヒートスプレッダの接合部の破壊を防止して信頼性を向上すること ができるパッケージ構造、 それを搭載したプリント基板、 並びに、 かかるプリン ト基板を有する電子機器を提供することを例示的な目的とする。
かかる目的を達成するために、 本発明の一側面としてのパッケージ構造は、 外 部のプリント基板に搭載可能なパッケージ構造であって、 発熱性回路素子を搭載 したパッケージ基板と、 前記発熱性回路素子からの熱を、 前記発熱性回路素子を 放熱するためのヒートシンクに伝達するヒートスプレッダと、 前記発熱性回路素 子と前記ヒートスプレッダとの間を封止し、 前記発熱性回路素子及び前記ヒート スプレッダと協同して封止空間を形成する接合部材と、 前記封止空間に封止され る液体金属とを有することを特徴とする。 かかるパッケージ構造によれば、 発熱 性回路素子、 ヒートスプレツダ及ぴ接合部材が形成した封止空間に封止された液 体金属と、 接合部材によって発熱性回路素子とヒートスプレッダを熱的に接続し ており、 発熱性回路素子の発熱に起因する熱応力を遮断すると共に高い熱伝導性 を実現することができる。 前記接合部材は、 前記発熱性回路素子の外周において 前記発熱性回路素子と前記ヒートスプレッダとを接続する。 これにより、 接合部 材にかかる熱応力を最小限に抑えることができる。 前記ヒートスプレッダは、 前 記接合部材に接続している第 1の部材と、 前記第 1の部材とは分割されている第 2の部材とから構成される。 前記ヒートスプレッダは、 前記接合部材と接続する 底部を有する第 1の部材と、 前記第 1の部材に嵌合すると共に、 前記発熱性回路 素子側に凸部を有する断面凸形状の第 2の部材とを有してもよい。 これにより、 簡易な構成でありながら、液体金属を封止する封止構造を形成することができる。 前記第 1の部材の底部は、 板パネの機能を有するために、 2 0 0 i m以上 l mm 以下の厚さを有することが好ましい。 前記液体金属の熱膨張を許容する切り欠き を前記凸部に有することが好ましい。 これにより、 液体金属による集中応力を緩 和することができる。 前記接合部材は、 接着剤又は固体金属であってもよい。 前 記液体金属の熱膨張を許容する許容部を更に有する。 これにより、 液体金属の熱 膨張を緩和することができる。 前記許容部は、 前記封止空間に封止された気体で あってもよい。前記気体は、窒素、アルゴン、ヘリゥムの不活性ガスの一である。 これにより、 液体金属の化学反応を防止することができる。 前記許容部は、 前記 封止空間に設けられた弾性部材であってもよい。 前記ヒートスプレッダは、 前記 封止空間を形成する面に凹凸形状を有する。 これにより、 液体金属に接触するヒ 一トスプレッダの表面積を大きくすることができる。 前記ヒートスプレッダは、 弾性部材で構成されてもよい。 前記パッケージ基板は、 複数の前記発熱性回路素 子を搭載してもよい。 前記パッケージ基板は、 樹脂製であることを特徴とする。 上述したように、 樹脂基板は、 セラミック基板よりも低価格、 高性能、 加工容易 性をもたらすが、 発熱性回路素子との熱膨張率に差があるため、 本発明の構成は 特に好ましいからである。
上述のパッケージ構造を有するプリント基板やかかるプリン 'ト基板を有する電 -子機器も本発明の一側面を構成する。
本発明の別の側面としてのパッケージ基板に搭載された発熱性回路素子からの 熱を、 前記発熱性回路素子を放熱するためのヒートシンクに伝達するヒートスプ レッダであって、 接合部材を介して前記発熱性素子と接続する第 1の部材と、 前 記第 1の部材に嵌合し、 前記発熱性回路素子との間に封止空間を形成ずる第 2の 部材とを有するヒートスプレッダを有し、 外部のプリント基板に搭載可能なパッ ケージ構造の製造方法であって、 前記発熱性回路素子と前記第 1の部材とを前記 接合部材を介して接続するステップと、 前記接続ステップで接続された前記発熱 性回路素子と前記第 1の部材との間に液体金属を注入するステップと、 前記第 2 の部材を前記第 1の部材に嵌合し、 前記注入ステップで注入された前記液体金属 を前記封止空間に封止するステップとを有することを特徴とする。 かかる製造方 法によれば、 高度な加工技術を必要とせずに、 液体金属の封止構造を形成するこ とができると共に、 かかる封止構造の大型化を防止することができる。
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、 以下、 添付図面を参照して説明され る好ましい実施例によって明らかにされるであろう。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の電子機器の概略斜視図である。
第 2図は、 第 1図に示す電子機器の内部構成を示す概略斜視図である。
第 3図は、 第 2図に示すパッケージモジュールの概略断面図である。
第 4図は、 第 3図に示すパッケージモジュールにおいて、 ヒートスプレッダと の接続状態を示す L S Iの概略上視図である。
第 5図は、第 2図に示すパッケージモジュールの一例を示す概略断面図である。 第 6図は、第 2図に示すパッケージモジュールの一例を示す概略断面図である。 第 7図は、 第 4図に示す L S I とヒートスプレッダとの別の接続状態を示す L S Iの概略上視図である。
第 8図は、第 2図に示すパッケージモジュールの一例を示す概略断面図である。 第 9図は、第 2図に示すパッケージモジュールの一例を示す概略断面図である。 第 1 0図は、 マルチチップ型のパッケージ基板を有するパッケージモジュール の概略断面図である。
第 1 1図は、 本発明のパッケージモジュールの製造方法を説明するためのフロ 一チヤ一トである。
第 1 2図は、 従来の B G Aパッケージを説明するための概略断面図である。 第 1 3図は、 接合層に液体金属を用いた B G Aパッケージの製造を説明するた めの概略断面図である。
第 1 4図は、 従来の B G Aパッケージの問題を示す概略断面図である。
第 1 5図は、 接合層の剥離によって L S I とヒートスプレッダとの熱的な接続 が切断された状態を示す拡大断面図である。
第 1 6図は、 冷却フィンと一体構造とした第 1 3図に示す B G Aパッケージの 概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図面を参照して、 本発明のパッケージ構造の一実施形態であるパッ ケージモジュール 1 0 0、 パッケージモジュール 1 0 0を搭載したプリント基板
2 0 0、 プリント基板 2 0 0を搭載した電子機器 3 0 0について説明する。 ここ で、 第 1図は、 電子機器 3 0 0の概略斜視図である。 第 2図は、 電子機器 3 0 0 に搭載されるプリント基板 2 0 0としてのシステムボードの外観斜視図である。 なお、 以下の説明では、 参照番号に大文字のアルファベットを付したものはアル フアベットのない参照番号によつて総括されるものとする。
第 1図に示すように、 本実施形態の電子機器 3 0 0は、 例示的に、 ラックマウ ント型の U N I Xサーバーとして具体化されている。 電子機器 3 0 0は、 一対の 取り付け部 3 0 2によって図示しないラックにネジ止めされ、 第 2図に示すプリ ント基板 2 0 0を筐体 3 1 0内に搭載している。
筐体 3 1 0にはファンモジュール 3 2 0が設けられている。 ファンモジュール
3 2 0は、 内蔵する冷却ファンが回転して空気流を発生することによって後述す るヒートスプレッダ 1 5 0が接続するヒートシンク 1 9 0を強制的に冷却する。 ファンモジュール 3 2 0は、 図示しない動力部と、 動力部に固定される図示しな いプロペラ部とを有する。 動力部は、 典型的に、 回転軸と、 回転軸の周りに設け られ ベアリング 、 ベアリングハウスと、 ¾一ターを構成する磁石など、 当業 界で周知のいかなる構造も使用することができるので、 ここでは詳細な説明は省 略する。 プロペラ部は、 所望の角度に形成された所望の数の回転翼を有する。 回 転翼は、 等角的又は非等角的に配置され、 所望の寸法を有する。 動力部とプロぺ ラ部とは分割可能でも分割不能でもよい。
第 2図に示すように、プリント基板 2 0 0は、パッケージモジュール 1 0 0と、 パッケージモジュール 1 0 0周辺の L S Iモジュール 2 1 0と、 メモリカード 2 4 0を挿入するための複数のプロックプレ一ト 2 2 0と、 ハードディスクや LA Nなどの外部機器とのコネクタ 2 3 0とを有する。
パッケージモジュール 1 0 0は、 L S I 1 0 2を搭載してプリント基板 2 0 0 と B GA 1 2 0を介して接続する B G Aパッケージとして機能する。 より詳細に は、 パッケージモジュール 1 0 0は、 第 2図及び第 3図に示すように、 パッケ一 ジ基板 1 1 0と、 B GA 1 2 0と、 捕強金属 1 3 0と、 接合部材 1 4 0と、 ヒー トスプレッダ 1 5 0と、 液体金属 1 6 0と、 ヒートシンク 1 9 0とを有する。 こ こで、第 3図は、第 2図に示すパッケージモジュール 1 0 0の概略断面図である。 但し、 第 3図においては、 第 2図に示すヒートシンク 1 9 0は省略している。 パッケージ基板 1 1 0は、 厚みが 5 0 0； m乃至 1 mm程度で樹脂から構成さ れる。樹脂基板は、厚みが約 2 mm乃至 3 mm程度のセラミック基板と比較して、 厚みが薄いために電気特性に優れ、 セラミックよりも安価で、 加工も容易である とレヽぅ長所を有する。
パッケージ基板 1 1 0は、 C PUとして機能する L S I 1 0 2を上面に搭載し、 B GA 1 2 0及ぴコンデンサーその他の回路部品 1 0 8を底面に搭載している。 本実施形態のパッケージ基板 1 1 0は、 一の L S I 1 0 2が搭載されたシングル チップ型である。
パッケージ基板 1 1 0の厚さは約 5 0 0 μ mであるのに対して、 後述するアン ダーフィル 1 0 6の厚さは約 1 0 0 μ mであるので、 パッケージ基板 1 1 0とァ ンダーフィル 1 0 6との間の熱膨張差よりもパッケージ基板 1 1 0と L S I 1 0 2との間の熱膨張差が支配的になる。
L S I 1 0 2は、 発熱性回路素子であり、 端子としてのバンプ 1 0 4によって パッケージ基板 1 1 0にハンダ付けされ、 L S I 1 0 2とパッケージ基板 1 1 0 との間には、 バンプ 1 0 4の接続信頼性を保証するためにフリップチップ （パン プを有するチップ） に対して一般に使用される樹脂製のアンダーフィル 1 0 6が 充填され、 バンプ 1 0 4を封止している。 BGA 1 2 0は、 ボール状のハンダバンプ (ハンダボール) として構成され、 パッケージ基板 1 1 0の底面のプリント基板 200との接続箇所に格子状に配列 される。 換言すれば、 BGA1 2 0は端子として機能し、 ハンダボール （ハンダ 付け） によってプリント基板 20 0に強固に接続する。 QFPパッケージのよう に 4辺に設けられたリードで接続されるのではなく、 BGA 1 20によって接続 するので、 BG Aパッケージは、 端子間のピッチを狭め、 且つ、 多くの端子を配 置することが可能であり、 パッケージのサイズを大きくすることなく高密度化を 達成して高性能化及び小型化に寄与する。 BGA 1 20は、本実施形態のように、 パッケージ基板 1 1 0の底面に回路部品 1 0 8がある場合は、 略正方形状の中空 を有する略正方形状にハンダバンプを配置してもよいし、 回路部品 1 08がない 場合は、 パッケージ基板 1 1 0の底面の全体にハンダバンプを配置してもよい。 補強金属 1 3 0は、 パッケージ基板 1 1 0の上面に設けられ、 パッケージ基板 1 1 0を補強する機能を有する。 具体的には、 補強金属 1 30は、 パッケージ基 板 1 1 0のねじれを矯正する。 補強金属 1 3 0は、 例えば、 アルミ-ゥム、 銅な どから構成され、 略正方形状の中空を有する略正方形状を有する。 但し、 補強金 属 1 30を設けるかどうかは選択的である。
接合部材 1 40は、 L S I 1 0 2と後述するヒートスプレッダ 1 50との間を 封止し、 L S I 1 0 2及ぴヒートスプレッダ 1 50と協同して封止空間 C Aを形 成する機能を有する。 接合部材 1 40は、 L S I 1 0 2の外形に従った略四角形 形状を有し、 中空形状を有する。 接合部材 1 40は、 高さ 20 μ m乃至 200 μ m及び幅 2 mm乃至 6 mm程度の寸法を有する。
接合部材 1 40は、 例えば、 熱伝導率の高い銅ゃ窒化アルミニウムなどの固体 金属で構成され、 L S I 1 02の外周において L S I 1 0 2と後述するヒートス プレッダ 1 5 0とを接続する。 換言すれば、 接合部材 14 0は、 L S I 1 02と ヒートスプレッダ 1 50とを固体接食 （金属接合） している。 接合部材 140を 設置する位置を- L S I 1 0 2の外周に限定することで、 L S I 1 0 2にかかる熱 応力の負荷を最小限に抑えることができる。 また、 熱伝導率の高い材料から構成 されるため、 接合部材 140が L S I 1 0 2とヒートスプレッダ 1 5 0との温度 ギャップになることはなく、 優れた熱伝導性を実現することができる。 接合部材 1 40は、 接着シート又は接着剤であってもよい。 但し、 接着シート 又は接着剤は、 L S I 1 0 2の発熱量が小さい場合や 2つの接着される部材 （こ こでは、 パッケージ基板 1 1 0とヒートスプレッダ 1 5 0) の熱膨張率が近い場 合に使用される。 熱膨張率に差があると反りによって接着機能が失われる （封止 空間 CAの封止が損なわれる） 場合があるからである。
ヒートスプレッダ 1 50は、 パッケージ基板 1 1 0とヒートシンク 1 90との 間に配置され、 L S I 1 0 2に接合部材 1 40によって接続されている。 ヒート スプレッダ 1 5 0は、 L S I 1 0 2からの熱をヒートシンク 1 90に伝達する機 能を有し、 熱伝導率の高い銅、 炭化アルミニウム、 アルミニウム、 アルミシリコ ンカーパイ ト （シリコン含有アルミニウム)、炭化シリコンなどから構成される。 ヒートスプレッダ 1 5 0は、 第 3図に示すように、 接合部材 1 40と接続してい る第 1の部材 1 5 2と、 第 1の部材 1 5 2とは分割されている第 2の部材 1 54 とから構成される 2分割構造を有する。 これにより、 後述する液体金属 1 6 0を 封止する封止空間 C Aを形成することが可能となり、 封止構造の大型化を防ぐこ とができる。
第 1の部材 1 5 2は、 接合部材 1 40と接合する底部 1 5 2 a力 S、 パッケージ 基板 1 1 0の形状と類似の略正方形状で中空部 1 52 bを有する。 中空部 1 52 bの形状も接合部材 1 40 (L S I 1 0 2) の外形に従った略正方形状であり、 後述する第 2の部材 1 54の凸部 1 54 aを収納する。但し、中空部 1 52 bは、 第 2の部材 1 54の凸部 1 54 aを密着して収納するのではなく、 凸部 1 54 a との間に間隙を有して収納し、 かかる間隙が封止空間 C Aの一部を構成する。 第 1の部材 1 5 2の底部 1 5 2 aには、 第 2の部材 1 54が嵌合する嵌合部 1 5 2 cが設けられている。 嵌合部 1 5 2 cは、 底部 1 5 2 aから突出するように 設けられており、 第 2の部材 1 54が嵌合した際に、 底部 1 5 2 aと第 2の部材 1 54との間に間隙を形成し、 かかる間隙が封止空間 C Aの一部を構成する。 こ れにより、 封止空間 GAの表面積 （体積） が広がり、 .熱伝導効率—を上げることが できる。 なお、 封止空間 C Aは、 1 00 程度の厚さを必要とするため、 嵌合 部 1 5 2 cは、 底部 1 5 2 aから 1 00 / m程度突出するように設けることが好 ましい。 第 2の部材 1 54は、 L S I 1 0 2側に凸部 1 54 aを有し、 断面凸形状を有 する。 なお、 第 2の部材 1 54の凸部 1 54 aは、 0. 5 mm乃至 2. Omm程 度の高さを有する。 第 2の部材 1 54は、 凸部 1 54 aが中空部 1 5 2 bに収納 するように第 1の部材 1 5 2に嵌合する。 換言すれば、 第 2の部材 1 54は、 第 1の部材 1 5 2に対して蓋のような機能を有して封止空間 CAを規定し、 液体金 属 1 60を封止する。 これにより、 後述するように、 高度な加工技術を必要とせ ず、 封止空間 C Aに液体金属 1 6 0を封止する封止構造を簡易な構成で実現する ことができる。
なお、 ヒートスプレッダ 1 5 0は、 第 9図に示すように、 封止空間 C Aを形成 する第 1の部材 1 52及び第 2の部材 1 54の面 （即ち、 液体金属 1 60を内包 する面） に凹凸形状 1 5 2 d及ぴ 1 54 bを形成することで、 後述する液体金属 1 6 0と接触する表面積を大きくし、 熱伝導効率を向上させることもできる。 こ こで、 第 9図は、 凹凸形状 1 5 2 d及ぴ 1 54 bが形成されたヒートスプレッダ 1 5 0を有するパッケージモジュール 1 00の概略断面図である。
液体金属 1 60は、 L S I 1 02、 接合部材 140及びヒートスプレッダ 1 5 0が協同して形成した封止空間 CAに封止される。 液体金属 1 6 0は、 例えば、 ィンジゥムゃカリゥムなどの常温で液体の金属であり、 L S I 1 0 2とヒートス プレッダ 1 50、 及ぴ、 ヒートスプレッダ 1 5 0における第 1の部材 1 52と第 2の部材 1 54を高い熱伝導性で接続する機能を有する。
液体金属 1 60は、パッケージ基板 1.1 0や外気（空気）から完全に分離され、 化学的な性質に起因する水酸化や酸化等の化学反応を防止することができる。 こ れにより、 液体金属 1 6 0の腐食による熱伝導性の低下を防止し、 高い熱伝導率 を維持することができる。
また、 液体金属 1 6 0は、 流動性を有するために、 L S I 1 02とヒートスプ レッダ 1 50との熱膨張率の差によって生じる熱応力を吸収することができる。 換言すれば、液体金属 1— 6 CLは、 L.S I 1 Ό 2の熱応力を遮断する機能を有する。 例えば、 L S I 1 02とパッケージ基板 1 1 0の熱膨張率の差によって L S I 1 0 2に反りが発生した場合であっても、 流動性を有する液体金属 1 6 0によって かかる反りがヒートスプレッダ 1 5 0に伝達することなく、 ヒートスプレッダ 1 5 0の破損を防止することができる。 また、 L S I 1 0 2の反りによつて液体金 属 1 6 0が破損することがなく、 ヒートスプレッダ 1 5 0 (及びヒートシンク） との熱的な接続が維持される。
ヒートシンク 1 9 0は、 基部と冷却フィンとを有する。 基部は、 例えば、 アル 5 ミニゥム、 銅、 窒化アルミニウム、 人工ダイヤモンド、 プラスチック等の高熱伝 導性材料から構成される平板であり、 ヒートスプレッダ 1 5 0に接合される。 ヒ 一トシンク 1 9 0は、 板金加工、 アルミダイキャスト、 その他の方法によって製 造され、プラスチック製であれば、例えば、射出成形によって形成されてもよい。 冷却フィンは、 例えば、 整列した多数の板状フィンから構成される。 冷却フィン 10 は、 凸形状を有して表面積を増加させることで放熱効果を増加させる。 もっとも 冷却フィンの形状は板状に限定されず、 ピン状、 湾曲形状など任意の配置形状を 採用することができる。 また、 冷却フィンは、 一定間隔で横に整列する必要はな く、 放射状に配置されたり、 基部に対して傾斜して配置されたりしてもよい。 冷 却フィンの数も任意に設定することができる。冷却フィンは、アルミニウム、銅、
15 窒化アルミニウム、 人工ダイヤモンド、 プラスチックなどの高熱伝導性材料で形 成されることが好ましい。 冷却フィンは、 金型成形、 圧入、 口ゥ付け、 溶接、 射 出成形などによつて形成される。
パッケージモジュール 1 0 0は、 第 1 2図に示す従来の B G Aパッケージ 1 0 0 0における蓋構造のヒートスプレッダ 1 7 0 0とは異なり、 ノ、。ッケージ基板 1
20 1 0に接合していない。 また、 パッケージモジュール 1 0 0は、 第 4図に示すよ うに、 接合部材 1 4 0及ぴ液体金属 1 6 0によって L S I 1 0 2とヒートスプレ ッダ 1 5 0と接続しているため、 固体接合と液体接合の弱点を捕いながら、 両者 の優れた特性である高い熱伝導性を最大限に活用することができる。これにより、 パッケージモジュール 1 0 0は、 第 1 4図及ぴ第 1 5図に示したように、 接合層
25 の剥離によって L S I とヒートスプ'レッダとの熱的な接続が切断されることなく、
…―…熱的及び構造的に良好な接合状態を維持することができる。 例えば、 従来の B G - Aパッケージでは、 接合部の熱抵抗が 0 . 2 °Cノ W程度であつたが、 本実施形態 のパッケージモジュール 1 0 0では、 接合部の熱抵抗を 1 / 1 0の 0 . Q)
W程度まで低減させて伝熱効率を向上させることができる。 ここで、 第 4図は、 第 3図に示すパッケージモジュール 1 00において、 ヒートスプレッダ 1 50と の接続状態を示す L S I 1 02の概略上視図である。
また、 液体金属 1 6 0は、 L S I 1 0 2の発熱によって熱膨張を起こす場合が ある。 熱膨張した液体金属 1 6 0は、 L S I 1 0 2、 接合部材 1 40及びヒート スプレッダ 1 50を押圧して、破損及ぴ熱的な接続を切断させてしまう。そこで、 パッケージモジュール 1 00に液体金属 1 60の熱膨張を許容する許容部 1 70 を設ける。
許容部 1 70の一例として、 第 5図に示すように、 封止空間 CAに封止された 気体 （気層） 1 7 OAとして具現化される。 気体 1 7 OAは、 弾力性を有してい るため、 液体金属 1 6 0の熱膨張を緩衝することができる。 これにより、 熱膨張 した液体金属 1 6 0が、 L S I 1 0 2、 接合部材 140及びヒートスプレッダ 1 5 0を押圧することによる破損及ぴ熱的な接続の切断を防止することができる。 なお、 第 5図においては、 第 1の部材 1 5 2の嵌合部 1 5 2 cの近傍に気体 1 7 OAが存在しているが、 気体 1 7 OAは、 液体金属 1 6 0中を移動することがで き、 液体金属 1 60の熱膨張を緩衝することができれば、 封止空間 CAのどこに 存在してもよいことは言うまでもない。 ここで、 第 5図は、 許容部 1 7 OAを有 するパッケージモジュール 1 00の概略断面図である。
気体 1 7 OAは、 例えば、 不活性ガスの一である窒素、 アルゴン、 ヘリウムな どから構成される。 従って、 気体 1 7 OAを封止空間 CAに封止しても液体金属 1 60に酸化及ぴ水酸化等の化学反応が発生することがなく、 高い熱伝導性は維 持される。 なお、 そのために必要な気体 1 7 OAの量 （体積） は、 3 c c程度で ある。
また、 許容部 1 70の別の例として、 第 6図に示すように、 封止空間 CAに設 けられた弾性部材 1 70 Bとして具現化される。 弾性部材 1 7 OAは、 弾性力を 有しているため、液体金属 1 6 0の熱膨張を緩衝することができる。これにより、 熱膨張した液体金属 60が、 L S I 1 0 2 接合部材 140及ぴヒートスプレ ッダ 1 50を押圧することによる破損及ぴ熱的な接続の切断を防止することがで きる。 なお、 第 6図においては、 第 1の部材 1 5 2の嵌合部 1 5 2 cの近傍に弾 性部材 1 Ί 0 Bが配置されているが、 液体金属 1 6 0の熱膨張を緩衝することが できれば、 封止空間 CAのどこに存在してもよいことは言うまでもない。 弾性部 材 1 70 Bは、 例えば、 Oリング等の緩衝ゴム又はゲルで構成される。 弾性部材 1 70 Bは、 直径 φが 2 0 mm乃至 30 mm程度、 断面 φが 0. 5 mm乃至 1. 0mm程度の寸法を有する。 なお、 弾性部材 1 70 Bをハロゲン系の物質で構成 5 することで、 封止空間 C Aに設置しても液体金属 1 6 0に酸化及び水酸化の化学 反応が発生することがなく、 高い熱伝導性は維持される。 ここで、 第 6図は、 許 容部 1 70 Bを有するパッケージモジュール 1 00の概略断面図である。
更に、 許容部 1 70の別の例として、 第 7図に示すように、 第 2の部材 1 54 の凸部 1 54 aに設けられた円弧状の切り欠き 1 70 Cとして具現化される。 切0 り欠き 1 70 Cは、 液体金属 1 6 0の熱膨張を緩衝することができる。 これによ り、 熱膨張した液体金属 1 6 0が、 L S I 1 02、 接合部材 140及ぴヒートス プレッダ 1 50を押圧することによる破損及ぴ熱的な接続の切断を防止すること ができる。 切り欠き 1 7 0 Cは、 直径 φ 2 mm乃至 4 mm程度を必要とする。 な お、 切り欠き 1 70 Cを第 2の部材 1 54の凸部 1 54 aの外周角 （四隅） に形5 成することにより、 液体金属 1 60による集中応力を緩和させることができる。
ここで、 第 7図は、 第 4図に示す L S I 1 0 2とヒートスプレッダ 1 50との別 の接続状態を示す L S I 1 02の概略上視図である。
一方、 L S I 1 02及びパッケージ基板 1 1 0が熱応力により変形 （歪み） を 起こす場合もある。 L S I 1 02及びパッケージ基板 1 1 0に変形が生じると、0 接合部材 1 40が剥離したり、 ヒートスプレッダ 1 5 0が破損したりするなどし て熱的な接続が切断されてしまう。 そこで、 第 8図に示すように、 第 1の部材 1
5 2の底部 1 5 2 aを箔板状にすることで、 L S I 1 02及びパッケージ基板 1 1 0の熱応力による変形に対応することができる。 換言すれば、 第 1の部材 1 5 2の底部 1 5 2 aに板パネの機能を持たせることで、 L S I 1 02及ぴパッケー 5 ジ基板 1 1 0の変形を吸収し、 接合部材 1 40の剥離、 ヒートスプレッダ 1 50 - . の破損を防止することが.できる。 板パネの機能を第 1の都材 1 5 '2の底部 1.52 aに持たせるためには、 底部 1 5 2 aを 200 μ m以上 1 mm以下の厚さで構成 することが好ましい。 底部 1 5 2 aの厚さが 200 μηιより小さいと液体金属 1
6 0の圧力によって封止空間 C Aを十分に封止することができず、 1 mmより大 きいと板パネの機能を持たせることができないからである。 ここで、 第 8図は、 板パネの機能を有する第 1の部材 1 5 2の底部 1 5 2 aが L S I 1 0 2及びパッ ケージ基板 1 1 0の変形を吸収している状態を示すパッケージモジュール 1 0 0 の概略断面図である。
更に、 ヒートスプレッダ 1 5 0を弾性部材から構成することで、 液体金属 1 6
0の熱膨張や、 L S I 1 0 2及びパッケージ基板 1 1 0が熱応力により変形に対 応することも可能である。
なお、 これまでは、 一の L S I 1 0 2を搭載したシングルチップ型のパッケ一 ジ基板 1 1 0を例に説明してきたが、 本発明は、 第 1 0図に示すように、 複数の L S I 1 0 2が搭載されたマルチチップ型のパッケージ基板 1 1 O Aを排除する ものではない。 かかる場合には、 複数の L S I 1 0 2に応じて、 第 1の部材 1 5
2の中空部 1 5 2 b及び第 2の部材 1 5 4の凸部 1 5 4 aを設ければよい。 ここ で、 第 1 0図は、 マルチチップ型のパッケージ基板 1 1 O Aを有するパッケージ モジュールの概略断面図である。
以下、 第 1 1図を参照して、 パッケージモジュール 1 0 0の製造方法 8 0 0に ついて説明する。 ここで、 第 1 1図は、 本発明のパッケージモジュール 1 0 0の 製造方法 8 0 0を説明するためのフローチャートである。
まず、 L S I 1 0 2をバンプ 1 0 4によってパッケージ基板 1 1 0にハンダ付 けし、 L S I 1 0 2とパッケージ基板 1 1 0との間にアンダーフィル 1 0 6を充 填する （ステップ 8 0 2) 。 次に、 L S I 1 0 2とヒートスプレッダ 1 5 0とし ての第 1の部材 1 5 2とを接続部材 1 4 0を介して接続する (ステップ 8 0 4)。 この際、 接続部材 1 4 0を L S I 1 0 2の外周に設けることは上述した通りであ る。
次いで、 ステップ 8 0 4で接続された L S I 1 0 2と第 1の部材 1 5 2との間 に液体金属 1 6 0を注入する （ステップ 8 0 6 ) 。 この際、 形成される封止空間 CA-を-満-たす量 （即ち、 封止空間 C Aの体積量） の液体金属 1 6 0を注入する。 そして、 ヒートスプレッダ 1 5 0としての第 2の部材 1 5 4を第 1の部材 1 5 2 に嵌合し、 ステップ 8 0 6で注入された液体金属 1 6 0を封止空間 C Aに封止す る （ステップ 8 0 8 ) 。 かかる製造方法 8 00によれば、 エッチング等の微細加工技術などの高度な加 ェ技術を必要とすることなく、 液体金属 1 6 0を封止空間 C Aに封止したパッケ ージモジュール 1 0 0を製造することができる。 また、 L S I 1 0 2、 接合部材 1 40及ぴヒートスプレッダ 1 5 0が協同して封止空間 C Aを形成するため、 封 止構造が大型化することなく、 電子機器 300の小型化に寄与する。
動作において、 電子機器 3 0 0は、 樹脂製のパッケージ基板 1 1 0を使用して いるので安価であると共に、 その厚さが薄いのでノイズなどの少ない高い電気特 性を提供することができる。 接合部材 140と L S I 1 0 2、 接合部材 140及 ぴヒートスプレッダ 1 50が形成する封止空間 C Aに封止された液体金属 1 6 0 とにより、 熱応力によって L S I 1 0 2とヒートスプレッダ 1 50との熱的な接 続が切断することを防止し、 高い熱伝導性を達成することができるので、 L S I 1 0 2で発生した熱はヒートシンク 1 90によって適切に放熱される。 ヒートシ ンク 1 9 0の冷却フィンは、 フ了ンモジュール 3 20に内蔵された冷却ファンに よって冷却される。 従って、 電子機器 300は、 L S I 1 0 2の動作の安定性を 維持することができる。 また、 ヒートスプレッダ 1 6 0を 2分割搆造とすること で、 簡易、 且つ、 小型でありながら、 液体金属 1 6 0を封止する封止構造を実現 することができる。
以上、本発明の好ましい実施態様及びその変形をここで詳細に説明してきたが、 本発明はこれらの実施態様及び変形に正確に限定されるものではなく、 添付の請 求の範囲で画定される発明の本旨及ぴ範囲を逸脱せずに、 様々な変形及び変更が 可能である。 例えば、 本発明の電子機器は、 ラックマウント型のサーバーに限定 されず、 ブックシェルフ型にも適用可能であり、 また、 サーバーに限定されず、 パーソナルコンピューター、 ネッ トワーク機器、 PDA、 その他の周辺装置にも 適用可能である。 また、 本発明のパッケージモジュールは、 ハンダ付けせずに L GA (L a n d G r i d A r r a y) ソケットを介してプリント基板に接続 する LG Aパッケージにも適用—可能である。 更に、 本発明のパッケージモジュールは、 チップセットなど C PUとして機能しない発熱性回路素子にも適用可能で あ ·ο。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 簡易な構成でありながらパッケージ基板と L S I との接合部 や L S I とヒートスプレッダの接合部の破壊を防止して信頼性を向上することが できるパッケージ構造、 それを搭載したプリント基板、 並びに、 かかるプリント 基板を有する電子機器を提供することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 外部のプリント基板に搭載可能なパッケージ構造であって、
発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、
5 前記発熱性回路素子からの熱を、 前記発熱性回路素子を放熱するためのヒート シンクに伝達するヒートスプレッダと、
前記発熱性回路素子と前記ヒートスプレッダとの間を封止し、 前記発熱性回路 素子及び前記ヒートスプレッダと協同して封止空間を形成する接合部材と、 前記封止空間に封止される ί車体金属とを有することを特徴とするパッケージ構 0 造。
2 . 前記接合部材は、 前記発熱性回路素子の外周において前記発熱性回路素 子と前記ヒートスプレッダとを接続することを特徴とする請求項 1記載のパッケ ージ構造。
5
3 . 前記ヒートスプレッダは、 前記接合部材に接続している第 1の部材と、 前記第 1の部材とは分割されている第 2の部材とから構成されることを特徴と する請求項 1記載のパッケ一ジ構造。 0 4 . 前記ヒートスプレッダは、 前記接合部材と接続する底部を有する第 1の 部材と、
前記第 1の部材に嵌合すると共に、 前記発熱性回路素子側に ώ部を有する断面 凸形状の第 2の部材とを有することを特徴とする請求項 1記載のパッケージ構造 c 5 5 . 前記第 1の部材の底部は、 板パネの機能を有することを特徴とする請求
—— 項— 4.記載のパッケ— ジ構造。——. —― ..· .
6 . 前記第 1の部材の底部は、 2 0 0 以上 1 m m以下の厚さを有するこ とを特徴とする請求項 4記載のパッケージ構造。
7. 前記第 2の部材は、 前記液体金属の熱膨張を許容する切り欠きを前記凸 部に有することを特徴とする請求項 4記載のパッケ一ジ構造。
8. 前記接合部材は、 接着剤又は固体金属であることを特徴とする請求項 1 記載のパッケージ構造。
9. 前記液体金属の熱膨張を許容する許容部を更に有することを特徴とする 請求項 1記載のパッケージ構造。
10. 前記許容部は、 前記封止空間に封止された気体であることを特徴とす る請求項 9記載のパッケージ構造。
1 1. 前記気体は、 窒素、 アルゴン、 ヘリウムの不活性ガスの一であること を特徴とする請求項 10記載のパッケージ構造。
12. 前記許容部は、 前記封止空間に設けられた弾性部材であることを特徴 とする請求項 9記載のパッケージ構造。
1 3. 前記ヒー トスプレッダは、 前記封止空間を形成する面に凹凸形状を有 することを特徴とする請求項 1記載のパッケージ構造。
14. 前記ヒー トスプレッダは、 弹性部材で構成されることを特徴とする請 求項 1記載のパッケージ構造。 .
15.― 前記パッケージ基板は、 複数の-前記発熱性回路素子を搭載することを 特徴とする請求項 1記載のパッケ一ジ構造。
1 6. 前記パッケージ基板は、 樹脂製であることを特徴とする請求項 1記載 のパッケージ構造。
1 7 . パッケージ構造を搭載したプリント基板であって、
前記パッケージ構造は、
発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、
前記発熱性回路素子からの熱を、 前記発熱性回路素子を放熱するためのヒート シンクに伝達するヒートスプレッダと、
前記発熱性回路素子と前記ヒートスプレッダとの間を封止し、 前記発熱性回路 素子及ぴ前記ヒートスプレッダと協同して封止空間を形成する接合部材と、 前記封止空間に封止される液体金属とを有することを特徴とするプリント基板 c
1 8 . パッケージ基板を搭載したプリント基板を有する電子機器であって、 前記パッケージ構造は、
発熱性回路素子を搭載したパッケージ基板と、
前記発熱性回路素子からの熱を、 前記発熱性回路素子を放熱するためのヒート シンクに伝達するヒートスプレッダと、
前記発熱性回路素子と前記ヒートスプレッダとの間を封止し、 前記発熱性回路 素子及び前記ヒートスプレッダと協同して封止空間を形成する接合部材と、 前記封止空間に封止される液体金属とを有することを特徴とする電子機器。
1 9 . パッケージ基板に搭載された発熱性回路素子からの熱を、 前記発熱性 回路素子を放熱するためのヒートシンクに伝達するヒートスプレッダであって、 接合部材を介して前記発熱性素子と接続する第 1の部材と、 前記第 1の部材に嵌 合し、 前記発熱性回路素子との間に封止空間を形成する第 2の部材とを有するヒ —トスプレッダを有し、 外部のプリント基板に搭載可能なパッケージ構造の製造 方法であって、 - 前記発熱性回路素子と前記第 1の部材とを前記接合部材を介して接続するステ ップと、
前記接続ステップで接続された前記発熱性回路素子と前記第 1の部材との間に 液体金属を注入するステップと、
前記第 2の部材を前記第 1の部材に嵌合し、 前記注入ステップで注入された前 記液体金属を前記封止空間に封止するステップとを有することを特徴とする製造 方法。
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