JPH063831B2 - 冷却装置及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents
冷却装置及びそれを用いた半導体装置Info
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- JPH063831B2 JPH063831B2 JP62084786A JP8478687A JPH063831B2 JP H063831 B2 JPH063831 B2 JP H063831B2 JP 62084786 A JP62084786 A JP 62084786A JP 8478687 A JP8478687 A JP 8478687A JP H063831 B2 JPH063831 B2 JP H063831B2
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- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
- H01L23/433—Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- 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
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子あるいは高密度に集積化された集
積回路から発生する熱を効率良く除去するための新規な
冷却装置，半導体装置及びコンピュータ実装構造に関す
る。
積回路から発生する熱を効率良く除去するための新規な
冷却装置，半導体装置及びコンピュータ実装構造に関す
る。
近年の大型計算機では、処理速度の速いことが要求され
るため、高度に集積化が進み、一つの集積回路から発生
する熱量も飛躍的に増大してきた。このため、従来は問
題とされなかった集積回路の過剰な温度上昇が懸念さ
れ、集積回路の冷却が大型計算機実装での重大な課題と
なってきた。また、その集積回路チップを互いに接触す
る電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパッケ
ージに多数の集積回路チップを施す方法が開発されてい
る。
るため、高度に集積化が進み、一つの集積回路から発生
する熱量も飛躍的に増大してきた。このため、従来は問
題とされなかった集積回路の過剰な温度上昇が懸念さ
れ、集積回路の冷却が大型計算機実装での重大な課題と
なってきた。また、その集積回路チップを互いに接触す
る電気配線をできるだけ短くするため、マイクロパッケ
ージに多数の集積回路チップを施す方法が開発されてい
る。
従来、特に大型計算機システムの冷却装置に関し、第４
図に示すように冷却装置が提案されている。第４図は特
開昭61-15353号公報で公開されているガス封入式伝導冷
却法でる。大規模集積回路（以下ＬＳＩと略記）チップ
１１は、多数の導電層及び絶縁層からなる多層配線基板
（以下基板と称す）８上に非常に小さな半田ボール１７
と接続され、多層基板８の裏面の多数のピン１２に電気
接続されている。多数のＬＳＩチップ１１の上面にはハ
ウジング１５が基板８に装着されている。ハウジング１
５内には多数のシリンダ１８が設けられ、シリンダ１８
の中にはＬＳＩチップ１１の背面から熱を導くピストン
１３と、ピストン１３に圧力を加えるばね１４が挿入さ
れている。基板８とハウジング１５とが接触する界面に
は熱伝導性に優れたヘリウムガスが満たされている。
図に示すように冷却装置が提案されている。第４図は特
開昭61-15353号公報で公開されているガス封入式伝導冷
却法でる。大規模集積回路（以下ＬＳＩと略記）チップ
１１は、多数の導電層及び絶縁層からなる多層配線基板
（以下基板と称す）８上に非常に小さな半田ボール１７
と接続され、多層基板８の裏面の多数のピン１２に電気
接続されている。多数のＬＳＩチップ１１の上面にはハ
ウジング１５が基板８に装着されている。ハウジング１
５内には多数のシリンダ１８が設けられ、シリンダ１８
の中にはＬＳＩチップ１１の背面から熱を導くピストン
１３と、ピストン１３に圧力を加えるばね１４が挿入さ
れている。基板８とハウジング１５とが接触する界面に
は熱伝導性に優れたヘリウムガスが満たされている。
ＬＳＩチップ１０からの発生熱は、ＬＳＩチップ１１内
部の熱抵抗Ｒｃ，ピストン１３の球面上先端とＬＳＩチ
ップ１１の背面との接触部に介在するヘリウムガスの熱
抵抗ＲC-Pを介してピストン１３に伝えられる。更にピ
ストン１３自身の熱抵抗Ｒf、ピストン１３とシリンダ
１８の空間に介在するヘリウムによる熱抵抗ＲP-hを経
てハウジング１５に導かれる。そして、ハウジング１５
の熱抵抗Ｒh、上部に設けらえた冷水または冷却後期に
流通する冷却器１６とハウジングの熱抵抗Ｒexfを経て
除去される。
部の熱抵抗Ｒｃ，ピストン１３の球面上先端とＬＳＩチ
ップ１１の背面との接触部に介在するヘリウムガスの熱
抵抗ＲC-Pを介してピストン１３に伝えられる。更にピ
ストン１３自身の熱抵抗Ｒf、ピストン１３とシリンダ
１８の空間に介在するヘリウムによる熱抵抗ＲP-hを経
てハウジング１５に導かれる。そして、ハウジング１５
の熱抵抗Ｒh、上部に設けらえた冷水または冷却後期に
流通する冷却器１６とハウジングの熱抵抗Ｒexfを経て
除去される。
更に、特開昭58-91665号公報には同様のピストン及びシ
リンダとの組合せで、ピストン素子への加圧方向をシリ
ンダの方向へも接触させる構造が示されている。
リンダとの組合せで、ピストン素子への加圧方向をシリ
ンダの方向へも接触させる構造が示されている。
先行技術に基づく構造では、熱伝導素子としてのピスト
ン１３，シリンダ１８の構造，組み立て上の問題から能
力に限界がある。特に、１チップあたり数十Ｗ以上のチ
ップを冷却することは困難である。
ン１３，シリンダ１８の構造，組み立て上の問題から能
力に限界がある。特に、１チップあたり数十Ｗ以上のチ
ップを冷却することは困難である。
また、気体の中でもヘリウムガスの熱伝導率は、他の気
体の１０倍程度と、大きく優れているが、ピストン１３
あるいはシリンダ１８など金属体に比べ非常に小さい。
したがって、最も大きな熱抵抗となるのは、ヘリウム層
の熱抵抗ＲP-hである。これを低くするためにはピスト
ン１３とシリンダ１８との空間を小さくする必要があ
る。このため、ピストン１３あるいはシリンダ１８は、
高い加工精度が要求される。もし、加工精度が低けれ
ば、ピストン１３の移動状態に支障をきたし、ＬＳＩチ
ップ１０の温度が大きくばらつく恐れがある。
体の１０倍程度と、大きく優れているが、ピストン１３
あるいはシリンダ１８など金属体に比べ非常に小さい。
したがって、最も大きな熱抵抗となるのは、ヘリウム層
の熱抵抗ＲP-hである。これを低くするためにはピスト
ン１３とシリンダ１８との空間を小さくする必要があ
る。このため、ピストン１３あるいはシリンダ１８は、
高い加工精度が要求される。もし、加工精度が低けれ
ば、ピストン１３の移動状態に支障をきたし、ＬＳＩチ
ップ１０の温度が大きくばらつく恐れがある。
前記の欠点を改善するため、特開昭60-126853ではピス
トン１３とシリンダ１８を用いる代わりに複数のフィン
から構成されている。これにより、ヘリウム層の熱抵抗
を極力低下させようとしている。この方式は、構造が複
雑であるが、極めて低い熱抵抗を達成する。
トン１３とシリンダ１８を用いる代わりに複数のフィン
から構成されている。これにより、ヘリウム層の熱抵抗
を極力低下させようとしている。この方式は、構造が複
雑であるが、極めて低い熱抵抗を達成する。
また、ヘリウムの代わりにピストン１３とシリンダ１８
の中間部に熱伝導性の媒体を使用した例が特開昭61-153
53に見られる。この例では熱伝導性の媒体を使用しなけ
れば構造的に、完成しない例ではあるが、ピストン１３
を円錐状として、伝熱面積を大きくすると同時に、ピス
トン１３とシリンダ１８の中間部にグリースを介して適
度な接触圧力が加えられるが、シリンダ１８とピストン
１３との直接の接触は得られない。グリースの熱伝導率
は直接接触の約1/10ときわめて小さい。
の中間部に熱伝導性の媒体を使用した例が特開昭61-153
53に見られる。この例では熱伝導性の媒体を使用しなけ
れば構造的に、完成しない例ではあるが、ピストン１３
を円錐状として、伝熱面積を大きくすると同時に、ピス
トン１３とシリンダ１８の中間部にグリースを介して適
度な接触圧力が加えられるが、シリンダ１８とピストン
１３との直接の接触は得られない。グリースの熱伝導率
は直接接触の約1/10ときわめて小さい。
更に、上述の従来技術では、半導体素子の前後左右への
傾きに追従するものではないし、構造が複雑であった
り、熱伝導性の媒体を使用しなければ熱抵抗を低減でき
ないなど、現在の大型計算機に要求される性能を満たし
ていない。
傾きに追従するものではないし、構造が複雑であった
り、熱伝導性の媒体を使用しなければ熱抵抗を低減でき
ないなど、現在の大型計算機に要求される性能を満たし
ていない。
本発明の目的は、半導体素子の前後左右の傾きに追従し
て移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を与えずに面
接触での冷却を可能にした冷却装置、半導体装置及びコ
ンピュータ実装構造を提供するにある。
て移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を与えずに面
接触での冷却を可能にした冷却装置、半導体装置及びコ
ンピュータ実装構造を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、冷媒によって冷却される伝熱ブロツクと、該
伝熱ブロツクと半導体素子との両者に接触する熱伝導デ
ィスクとを備えた冷却装置において、前記熱伝導ディス
クは前記半導体素子との接触面に対して垂直な切断面が
三角形状を有しており、前記伝熱ブロツクは前記熱伝導
ディスクの該三角形状の傾斜面に嵌合するように該熱伝
導ディスクとほぼ同一の三角形状の凹みを有しており、
前記伝熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形
状が一方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝
導ディスクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との
両者に所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けら
れていることを特徴とする冷却装置にある。
伝熱ブロツクと半導体素子との両者に接触する熱伝導デ
ィスクとを備えた冷却装置において、前記熱伝導ディス
クは前記半導体素子との接触面に対して垂直な切断面が
三角形状を有しており、前記伝熱ブロツクは前記熱伝導
ディスクの該三角形状の傾斜面に嵌合するように該熱伝
導ディスクとほぼ同一の三角形状の凹みを有しており、
前記伝熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形
状が一方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝
導ディスクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との
両者に所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けら
れていることを特徴とする冷却装置にある。
本発明の熱伝導ディスクは複数個有し、各々半導体素子
及び伝熱ブロツクとの両者に対し常に所定の加圧力で接
触しており、且つ前記伝熱ブロツクに接触して上下方向
に移動可能にした構造を有することが好ましい。また複
数個の熱伝導ディスクは同形状でほぼ同じ大きさとする
ことが好ましい。弾性部材は複数個の熱伝導ディスクが
互いに遠ざかる方向に設けることが好ましい。
及び伝熱ブロツクとの両者に対し常に所定の加圧力で接
触しており、且つ前記伝熱ブロツクに接触して上下方向
に移動可能にした構造を有することが好ましい。また複
数個の熱伝導ディスクは同形状でほぼ同じ大きさとする
ことが好ましい。弾性部材は複数個の熱伝導ディスクが
互いに遠ざかる方向に設けることが好ましい。
本発明は、セラミック多層回路板に搭載された複数個の
半導体素子と、冷媒によって冷却されるハウジングと、
該ハウジングに接触した伝熱ブロツクと、該伝熱ブロツ
クと該半導体素子との両者に接触する熱伝導ディスクと
を備えた半導体装置において、前記熱伝導ディスクは前
記半導体素子との接触面に対して垂直な切断面が三角形
状を有しており、前記伝熱ブロツクは前記熱伝導ディス
クの該三角形状の傾斜面に嵌合するように該熱伝導ディ
スクとほぼ同一の三角形状の凹みを有しており、前記伝
熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形状が一
方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝導ディ
スクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との両者に
所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けられてい
ることを特徴とする。
半導体素子と、冷媒によって冷却されるハウジングと、
該ハウジングに接触した伝熱ブロツクと、該伝熱ブロツ
クと該半導体素子との両者に接触する熱伝導ディスクと
を備えた半導体装置において、前記熱伝導ディスクは前
記半導体素子との接触面に対して垂直な切断面が三角形
状を有しており、前記伝熱ブロツクは前記熱伝導ディス
クの該三角形状の傾斜面に嵌合するように該熱伝導ディ
スクとほぼ同一の三角形状の凹みを有しており、前記伝
熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形状が一
方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝導ディ
スクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との両者に
所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けられてい
ることを特徴とする。
前記ハウジングは前記セラミック多層回路板に固着され
ており、前記セラミック多層回路板上の複数個の半導体
装置が搭載されていること、前記半導体素子は前記セラ
ミック多層回路板との間に該多層回路板と同等の熱膨脹
係数を有するセラミックキャリア基板を介して搭載され
ており、前記半導体素子とセラミックキャリア基板との
フリップフロップ半田接合されている間隙が該接合部材
の熱膨脹係数より小さいゴム状粒子及び、無機粉末を含
む樹脂組成物で接合されていることが好ましい。
ており、前記セラミック多層回路板上の複数個の半導体
装置が搭載されていること、前記半導体素子は前記セラ
ミック多層回路板との間に該多層回路板と同等の熱膨脹
係数を有するセラミックキャリア基板を介して搭載され
ており、前記半導体素子とセラミックキャリア基板との
フリップフロップ半田接合されている間隙が該接合部材
の熱膨脹係数より小さいゴム状粒子及び、無機粉末を含
む樹脂組成物で接合されていることが好ましい。
本発明は、複数個の半導体素子を搭載したセラミック多
層回路板と、該回路板を該回路板に設けられたピンを介
して電気的に接続した多層プリント基板と、該多層プリ
ント基板を多芯コネクタを介して電気的に接続したバッ
クボードと、前記セラミック多層回路板に固着され冷媒
によって冷却されるハウジングと、該ハウジングに接触
した伝熱ブロツクと、該伝熱ブロツクと該半導体素子と
の両者に接触する熱伝導ディスクとを備えたものにおい
て、前記熱伝導ディスクは前記半導体素子との接触面に
対して垂直な切断面が三角形状を有しており、前記伝熱
ブロツクは前記熱伝導ディスクの該三角形状の傾斜面に
嵌合するように該熱伝導ディスクとほぼ同一の三角形状
の凹みを有しており、前記伝熱ブロツクと前記熱伝導デ
ィスクとの接触面の形状が一方は曲面形状で他方が平面
形状であり、前記熱伝導ディスクが前記伝熱ブロツク及
び前記半導体素子との両者に所定の加圧力で接触するよ
うに弾性部材が設けられていることを特徴とするコンピ
ュータ実装構造にある。
層回路板と、該回路板を該回路板に設けられたピンを介
して電気的に接続した多層プリント基板と、該多層プリ
ント基板を多芯コネクタを介して電気的に接続したバッ
クボードと、前記セラミック多層回路板に固着され冷媒
によって冷却されるハウジングと、該ハウジングに接触
した伝熱ブロツクと、該伝熱ブロツクと該半導体素子と
の両者に接触する熱伝導ディスクとを備えたものにおい
て、前記熱伝導ディスクは前記半導体素子との接触面に
対して垂直な切断面が三角形状を有しており、前記伝熱
ブロツクは前記熱伝導ディスクの該三角形状の傾斜面に
嵌合するように該熱伝導ディスクとほぼ同一の三角形状
の凹みを有しており、前記伝熱ブロツクと前記熱伝導デ
ィスクとの接触面の形状が一方は曲面形状で他方が平面
形状であり、前記熱伝導ディスクが前記伝熱ブロツク及
び前記半導体素子との両者に所定の加圧力で接触するよ
うに弾性部材が設けられていることを特徴とするコンピ
ュータ実装構造にある。
従来の構造での共通した欠点は、上下方向の位置のばら
つきをそのまま、上下方向で吸収しようとしたことによ
り生じたものと考えられる。そこで本発明者等は、集積
回路等の半導体素子の上下方向の位置のばらつきを横方
向に変換することをが考案した。これにより、冷却部と
チップとの間の構造を簡略化でき、また、冷却部とチッ
プとの間隔を短くできるので熱抵抗も小さくできる。
つきをそのまま、上下方向で吸収しようとしたことによ
り生じたものと考えられる。そこで本発明者等は、集積
回路等の半導体素子の上下方向の位置のばらつきを横方
向に変換することをが考案した。これにより、冷却部と
チップとの間の構造を簡略化でき、また、冷却部とチッ
プとの間隔を短くできるので熱抵抗も小さくできる。
以下に発明の概要を述べる。集積回路冷却装置を以下の
３つの部分に分割する。
３つの部分に分割する。
(1) 集積回路部。
(2) 流体等で冷却された冷却部。
(3) 集積回路部、冷却部の熱伝達を行なう伝熱ブロツ
ク部。
ク部。
これらの３つの部分のうち、本発明では更に、(3)を以
下の２つの部分に分割する。
下の２つの部分に分割する。
(1) 集積回路側熱伝導ディスク…集積回路の特定表面
と接触・平行移動する平面Ａ、平面Ａ′と非平行な平面
Ｂ、を同時に持つ。
と接触・平行移動する平面Ａ、平面Ａ′と非平行な平面
Ｂ、を同時に持つ。
(2) 冷却側伝熱ブロツク…冷却部の特定面と接触・固
定した平面Ｃ、平面Ｂと接触・平行移動する平面Ｄ、を
同時に持つ。
定した平面Ｃ、平面Ｂと接触・平行移動する平面Ｄ、を
同時に持つ。
集積回路側熱伝導ディスクと冷却側伝熱ブロツクとの接
触面に傾斜をつけることで集積回路側伝熱導ディスクを
集積回路上面にすべらせ、上下方向のばらつきを吸収さ
せる。またチップに要求される伝熱性能を満たすために
集積回路側熱伝導ディスクの平面Ａ，平面Ｂを、前記集
積回路表面，冷却側伝熱ブロツクの平面Ｄ、にそれぞれ
密着させる方向に力を加えるスプリングを配置し各接触
面に一定圧力を加える。
触面に傾斜をつけることで集積回路側伝熱導ディスクを
集積回路上面にすべらせ、上下方向のばらつきを吸収さ
せる。またチップに要求される伝熱性能を満たすために
集積回路側熱伝導ディスクの平面Ａ，平面Ｂを、前記集
積回路表面，冷却側伝熱ブロツクの平面Ｄ、にそれぞれ
密着させる方向に力を加えるスプリングを配置し各接触
面に一定圧力を加える。
また、チップの傾きにも対応するため集積回路の平面Ｂ
の代わりに平面Ａと平行な軸を持つ円柱凸面Ｂ1、また
円柱凸面Ｂ1と類似した多角形面Ｂ2を用いる。これによ
り集積回路側熱伝導ディスクは、円柱面の軸を中心に回
転し、また冷却側伝熱ブロツク平面Ｄの面上を回転する
ことであらゆる角度の傾きに対応することができる。
の代わりに平面Ａと平行な軸を持つ円柱凸面Ｂ1、また
円柱凸面Ｂ1と類似した多角形面Ｂ2を用いる。これによ
り集積回路側熱伝導ディスクは、円柱面の軸を中心に回
転し、また冷却側伝熱ブロツク平面Ｄの面上を回転する
ことであらゆる角度の傾きに対応することができる。
また、集積回路側熱伝導ディスクに集積回路の特性表面
との接触・平行移動する平面Ａ、平面Ａと平行な軸を持
ち半径αの円柱凸面Ｂを形成させ、冷却側伝熱ブロツク
には冷却部の特定面と接触・固定した平面Ｃ、円柱凸面
Ｂとの接触・平行移動する半径α以上の円中凹面Ｄ、ま
たは円柱凸面Ｄと類似した多角形面Ｄ2、を形成させる
構造とする。
との接触・平行移動する平面Ａ、平面Ａと平行な軸を持
ち半径αの円柱凸面Ｂを形成させ、冷却側伝熱ブロツク
には冷却部の特定面と接触・固定した平面Ｃ、円柱凸面
Ｂとの接触・平行移動する半径α以上の円中凹面Ｄ、ま
たは円柱凸面Ｄと類似した多角形面Ｄ2、を形成させる
構造とする。
また、集積回路側熱伝導ディスクには集積回路の特定表
面と接触・固定する平面Ａ、平面Ａと非平行な平面Ｂ、
を同時に持たせ、冷却側熱伝導ディスクには冷却部の特
定面と接触・平行移動する平面Ｃ、平面Ｂと接触・平行
移動する平面Ｄ、を同時に持たせる構造とする。
面と接触・固定する平面Ａ、平面Ａと非平行な平面Ｂ、
を同時に持たせ、冷却側熱伝導ディスクには冷却部の特
定面と接触・平行移動する平面Ｃ、平面Ｂと接触・平行
移動する平面Ｄ、を同時に持たせる構造とする。
また、各接触面に熱伝導媒体を挿入する構造も可能であ
る。
る。
〔実施例１〕 第１図は本発明の冷却装置の１実施例の側断面図、第２
図は鳥瞰図、第３図が第１図の冷却装置を使用した半導
体モジュールの部分断面図である。
図は鳥瞰図、第３図が第１図の冷却装置を使用した半導
体モジュールの部分断面図である。
第１図に示すように集積回路１１の下面に存在する数百
の配線は、球状のはんだバンプ１７によってセラミック
等で形成された多層基板８に接続される。集積回路１１
の上面は熱伝導ディスク３と接触される。両者の表面
は、伝熱を良好にすべく、また摩擦力を最小にすべく表
面加工される。本実施例では熱伝導ディスク３は２ケ有
し、同一の断面形状を有し、四角形状の半導体素子の接
触面より２ケ並設したときに大きい面を有するようにす
る。奥行も同様にするのが好ましい。
の配線は、球状のはんだバンプ１７によってセラミック
等で形成された多層基板８に接続される。集積回路１１
の上面は熱伝導ディスク３と接触される。両者の表面
は、伝熱を良好にすべく、また摩擦力を最小にすべく表
面加工される。本実施例では熱伝導ディスク３は２ケ有
し、同一の断面形状を有し、四角形状の半導体素子の接
触面より２ケ並設したときに大きい面を有するようにす
る。奥行も同様にするのが好ましい。
熱伝導ディスク３の集積回路１１と反対側の表面は、角
度θで傾斜させ、直線でもよいが表面半径Ｒの円柱面加
工を行なうのが好ましい。この角度θ，ｒは、伝熱特
性，ディスクの可動特性を決定する重要なファクターで
ある。角度θは大きければ大きいほど、伝熱面積（熱伝
導ディスク３と冷却伝熱ブロツク１との接触面積）は増
大するが、その一方で冷却面５と集積回路１１との間隔
が広がり、不利になる。θは３０〜６０°が好ましい。
熱伝導ディスク３の奥行きをＨ，幅をＬとした時、傾斜
部分の熱抵抗（Ａ−Ａ′部分）での全熱抵抗ＲTは以下
の式で表現される。
度θで傾斜させ、直線でもよいが表面半径Ｒの円柱面加
工を行なうのが好ましい。この角度θ，ｒは、伝熱特
性，ディスクの可動特性を決定する重要なファクターで
ある。角度θは大きければ大きいほど、伝熱面積（熱伝
導ディスク３と冷却伝熱ブロツク１との接触面積）は増
大するが、その一方で冷却面５と集積回路１１との間隔
が広がり、不利になる。θは３０〜６０°が好ましい。
熱伝導ディスク３の奥行きをＨ，幅をＬとした時、傾斜
部分の熱抵抗（Ａ−Ａ′部分）での全熱抵抗ＲTは以下
の式で表現される。
ｋｂは伝熱ブロツクの熱伝導度、ｈは接触面での伝熱係
数を表し、右辺の第１項は接触面での熱抵抗、第２項は
ブロツクでの熱抵抗を表す。上式により伝熱ブロツクの
熱伝導度と接触面での伝熱係数等により最適な角度を選
定できる。
数を表し、右辺の第１項は接触面での熱抵抗、第２項は
ブロツクでの熱抵抗を表す。上式により伝熱ブロツクの
熱伝導度と接触面での伝熱係数等により最適な角度を選
定できる。
一方、ｒは、チップの傾斜角度により決定される。すな
わちチップが傾斜した最大角度においても、円柱面２が
冷却側伝熱ブロツク１の接触面に接している必要があ
る。すなわち、 αはチップの最大傾斜角度である。以上により、円柱面
の半径を選定できる。
わちチップが傾斜した最大角度においても、円柱面２が
冷却側伝熱ブロツク１の接触面に接している必要があ
る。すなわち、 αはチップの最大傾斜角度である。以上により、円柱面
の半径を選定できる。
熱伝導ディスク３はチップ１１上面をすべり自由に可動
する。したがって、スプリング４が第１図のごとく傾斜
していると、集積回路側熱伝導ディスク３、冷却側伝熱
ブロツク１の側面及び、チップ１１の上面にスプリング
４によって各々定められた圧力で接触する。スプリング
４と半導体素子１１との接触面とのなす角度βは４５〜
７０°が好ましい。スプリング４は奥行き方向に２ケ設
けるのが良い。尚、スプリング４は熱伝導ディスクを互
いに引き離す方向に並設した中央部に設けることがで
き、奥行き方向に２ケ設けることができる。
する。したがって、スプリング４が第１図のごとく傾斜
していると、集積回路側熱伝導ディスク３、冷却側伝熱
ブロツク１の側面及び、チップ１１の上面にスプリング
４によって各々定められた圧力で接触する。スプリング
４と半導体素子１１との接触面とのなす角度βは４５〜
７０°が好ましい。スプリング４は奥行き方向に２ケ設
けるのが良い。尚、スプリング４は熱伝導ディスクを互
いに引き離す方向に並設した中央部に設けることがで
き、奥行き方向に２ケ設けることができる。
また、チップ１１が円柱面の軸方向に傾斜した場合に
は、熱伝導ディスク３が冷却側伝熱ブロツク１との接触
面に垂直な方向で回転し、これと、円柱面の軸を中心と
した回転により適切な位置に回転移動する。例えば、第
２図において、手前（Ｂ方向）が下がり、反対側（Ｂ′
方向）が上昇した場合、Ｂ方向の熱伝導ディスク３同志
が離れ、Ｂ′方向では互いに近づく。そして、熱伝導デ
ィスク３と冷却ブロツク１との接触部分が集積回路側熱
伝導ディスク３の下方面に移動する。
は、熱伝導ディスク３が冷却側伝熱ブロツク１との接触
面に垂直な方向で回転し、これと、円柱面の軸を中心と
した回転により適切な位置に回転移動する。例えば、第
２図において、手前（Ｂ方向）が下がり、反対側（Ｂ′
方向）が上昇した場合、Ｂ方向の熱伝導ディスク３同志
が離れ、Ｂ′方向では互いに近づく。そして、熱伝導デ
ィスク３と冷却ブロツク１との接触部分が集積回路側熱
伝導ディスク３の下方面に移動する。
以上の機器構成で、チップ１１が多層セラミック基板８
の変位等により上下に駆動した場合の変動状況を第５図
に示す。標準状態（ｂ）と比較してチップ１１が冷却伝
熱ブロツクに近づいた場合（ａ）、集積回路側熱伝導デ
ィスク３同志が近づき変動を吸収する。一方、チップ１
１が冷却伝熱ブロツク１より遠ざかった場合（ｃ）、集
積回路側熱伝導ディスク３同志が離れて変動を吸収す
る。いずれの場合も集積回路側熱伝導ディスク３はチッ
プ１１上面、及び、冷却側伝熱ブロツク１の側面に接触
するので、効率の良い伝熱特性が得られる。
の変位等により上下に駆動した場合の変動状況を第５図
に示す。標準状態（ｂ）と比較してチップ１１が冷却伝
熱ブロツクに近づいた場合（ａ）、集積回路側熱伝導デ
ィスク３同志が近づき変動を吸収する。一方、チップ１
１が冷却伝熱ブロツク１より遠ざかった場合（ｃ）、集
積回路側熱伝導ディスク３同志が離れて変動を吸収す
る。いずれの場合も集積回路側熱伝導ディスク３はチッ
プ１１上面、及び、冷却側伝熱ブロツク１の側面に接触
するので、効率の良い伝熱特性が得られる。
第１図において、伝熱ブロツク１は冷却面５に直接接触
させた冷媒によって冷却されるハウジングが設けられ
る。伝熱ブロツク１そのものに冷媒を流す通路を設けた
構造の一体型のものでよい。
させた冷媒によって冷却されるハウジングが設けられ
る。伝熱ブロツク１そのものに冷媒を流す通路を設けた
構造の一体型のものでよい。
熱伝導ディスク３の両者間には半導体素子の傾きに追従
して移動可能にするために所定の間隔が設けられる。更
に、頂部先端は平らにすることにより上方への移動をよ
り大きくするようにすることが好ましい。
して移動可能にするために所定の間隔が設けられる。更
に、頂部先端は平らにすることにより上方への移動をよ
り大きくするようにすることが好ましい。
第３図はチップ１１及び本実施例の冷却装置を組合せた
半導体装置の部分断面図である。本発明の冷却装置は金
属製、例えばＡｌ，Ｃｕ，ステンレス鋼製の水冷ハウジ
ング５内に設けられ、複数の多数の半導体素子１１をセ
ラミック多層基板８に搭載し、シウジング５は多層基板
８に接合される。ハウジング５には冷媒として水が導入
される孔６が設けられており、伝熱ブロツク１と接合さ
れている。勿論伝熱ブロツク１はハウジング５を兼用し
た形で一体で形成されたものでもよい。セラミック多層
基板８にはアルミナ，ムライト系，ＳｉＯ，ＡｌＮ，Ｓ
ｉ３Ｎ４系を主成分とした焼結体が用いられ、導電層と
してＷ，Ｍｏ系のペーストが用いられる。更に、多層板
８にはピン１２が設けらえ、多層プリント２５に設けら
れたスルーホール２３に挿入され、電気的に導通され
る。冷却用の水は２４から導入される。
半導体装置の部分断面図である。本発明の冷却装置は金
属製、例えばＡｌ，Ｃｕ，ステンレス鋼製の水冷ハウジ
ング５内に設けられ、複数の多数の半導体素子１１をセ
ラミック多層基板８に搭載し、シウジング５は多層基板
８に接合される。ハウジング５には冷媒として水が導入
される孔６が設けられており、伝熱ブロツク１と接合さ
れている。勿論伝熱ブロツク１はハウジング５を兼用し
た形で一体で形成されたものでもよい。セラミック多層
基板８にはアルミナ，ムライト系，ＳｉＯ，ＡｌＮ，Ｓ
ｉ３Ｎ４系を主成分とした焼結体が用いられ、導電層と
してＷ，Ｍｏ系のペーストが用いられる。更に、多層板
８にはピン１２が設けらえ、多層プリント２５に設けら
れたスルーホール２３に挿入され、電気的に導通され
る。冷却用の水は２４から導入される。
本発明に係る伝熱ブロツク１及び熱伝導ディスク３はＣ
ｕ，Ａｌ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，Ｃｕ−Ｍｏ複合材のいずれ
も使用することができる。特に、前者にはＡｌＮ又はＣ
ｕ−Ｍｏ材、後者にはＡｌ又はＣｕを使用するのが好ま
しい。ＳｉＣ焼結体にはＢｅを０．１〜３．５重量％を
含む室温の熱伝導率が０．２５caｌ／cm・sec・℃以
上、１０１３Ωcm以上の比抵抗を有するものが良い。
ｕ，Ａｌ，ＳｉＣ，ＡｌＮ，Ｃｕ−Ｍｏ複合材のいずれ
も使用することができる。特に、前者にはＡｌＮ又はＣ
ｕ−Ｍｏ材、後者にはＡｌ又はＣｕを使用するのが好ま
しい。ＳｉＣ焼結体にはＢｅを０．１〜３．５重量％を
含む室温の熱伝導率が０．２５caｌ／cm・sec・℃以
上、１０１３Ωcm以上の比抵抗を有するものが良い。
〔実施例２〕 第６図の本発明の他の冷却装置の鳥瞰図であり、実施例
１との相違は、集積回路側熱伝導ディスク３が、実施例
１では３角柱であったのに対し、本実施例では３角錐で
ある点である。基本的な動作は、実施例１と同様であ
る。本実施例特有の効果としては、チップの傾斜による
伝熱特性の変化が少ない点である。
１との相違は、集積回路側熱伝導ディスク３が、実施例
１では３角柱であったのに対し、本実施例では３角錐で
ある点である。基本的な動作は、実施例１と同様であ
る。本実施例特有の効果としては、チップの傾斜による
伝熱特性の変化が少ない点である。
〔実施例３〕 第７図は本発明の他の冷却装置の断面図であり、実施例
１との相違は、集積回路側熱伝導ディスク３１，３２，
３３の３つに分割した点にある。すなわち、集積回路の
特定表面と接触・固定する平面Ａ、平面Ａと非平行な平
面Ｂを同時に持つ集積回路側熱伝導ディスク３３，冷却
部の特定面と接触・平行移動する平面Ｃ，平面Ｂと接触
・平行移動する平面Ｄ、を同時に持つ熱伝導ディスク３
１，前記熱伝導ディスク平面Ｃ，平面Ｄを、前記冷却部
の特定面，集積回路側熱伝導ディスクの平面Ｂ、にそれ
ぞれ密着させる方向に力を加えるスプリング３４に変更
した点である。本実施例特有の効果としては、チップ１
１と集積回路側熱伝導ディスク３３を固着するので、チ
ップ１１の温度分布を一定にしやすい点である。
１との相違は、集積回路側熱伝導ディスク３１，３２，
３３の３つに分割した点にある。すなわち、集積回路の
特定表面と接触・固定する平面Ａ、平面Ａと非平行な平
面Ｂを同時に持つ集積回路側熱伝導ディスク３３，冷却
部の特定面と接触・平行移動する平面Ｃ，平面Ｂと接触
・平行移動する平面Ｄ、を同時に持つ熱伝導ディスク３
１，前記熱伝導ディスク平面Ｃ，平面Ｄを、前記冷却部
の特定面，集積回路側熱伝導ディスクの平面Ｂ、にそれ
ぞれ密着させる方向に力を加えるスプリング３４に変更
した点である。本実施例特有の効果としては、チップ１
１と集積回路側熱伝導ディスク３３を固着するので、チ
ップ１１の温度分布を一定にしやすい点である。
〔実施例４〕 第８図は実施例１の冷却装置を使用したコンピュータ実
装構造の一例を示す斜視図である。
装構造の一例を示す斜視図である。
ＬＳＩマルチチップモジュールパッケージ５８は、水冷
式の多層セラミック基板にＬＳＩが搭載され、その基板
に設けられたピンによって多層プリント基板５５に接合
されている。多層プリント基板５５のいずれの端部にも
接続用の端子が設けられており、コネクタ６０が両端部
に接続され、外部端子に接続される。一方のコネクタは
バックボード５６に設けられた多芯コネクタに接続さ
れ、三次元の実装構造となる。ＬＳＩは冷却用パイプ５
９によって水によって冷却される。
式の多層セラミック基板にＬＳＩが搭載され、その基板
に設けられたピンによって多層プリント基板５５に接合
されている。多層プリント基板５５のいずれの端部にも
接続用の端子が設けられており、コネクタ６０が両端部
に接続され、外部端子に接続される。一方のコネクタは
バックボード５６に設けられた多芯コネクタに接続さ
れ、三次元の実装構造となる。ＬＳＩは冷却用パイプ５
９によって水によって冷却される。
本実施例によれば効率の高い冷却が得られることからよ
りコンパクトな構造とすることができる。
りコンパクトな構造とすることができる。
以上、本発明によれば半導体素子の前後左右の傾き追従
して移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を与えずに
面接触での冷却ができることから効率の高い冷却が得ら
れる優れた効果が発揮される。
して移動可能で、半導体素子に実質的に拘束を与えずに
面接触での冷却ができることから効率の高い冷却が得ら
れる優れた効果が発揮される。
第１図及び第２図は本発明の一例を示す冷却装置の断面
図及び鳥瞰図、第３図は本発明の冷却装置を用いた半導
体装置の斜視図、第４図は従来の冷却装置、第５図〜第
７図は本発明の他の例の冷却装置の断面図又は鳥瞰図、
第８図は本発明の冷却装置を用いたコンピュータ実装構
造の斜視図である。 １…伝熱ブロツク、３，３１，３２，３３…熱伝導ディ
スク、４，３４…弾性部材、５…ハウジング、８…セラ
ミック多層回路板、１１…半導体素子、１２…ピン、１
７…半田バンプ、２３…スルーホール、２５…多層プリ
ント板。
図及び鳥瞰図、第３図は本発明の冷却装置を用いた半導
体装置の斜視図、第４図は従来の冷却装置、第５図〜第
７図は本発明の他の例の冷却装置の断面図又は鳥瞰図、
第８図は本発明の冷却装置を用いたコンピュータ実装構
造の斜視図である。 １…伝熱ブロツク、３，３１，３２，３３…熱伝導ディ
スク、４，３４…弾性部材、５…ハウジング、８…セラ
ミック多層回路板、１１…半導体素子、１２…ピン、１
７…半田バンプ、２３…スルーホール、２５…多層プリ
ント板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 曽我 太佐男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 荒川 英夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 野北 舜介 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 菱沼 孝夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−91665（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−46056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−15353（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】冷媒によって冷却される伝熱ブロツクと、
該伝熱ブロツクと半導体素子との両者に接触する熱伝導
ディスクとを備えた半導体素子冷却装置において、前記
熱伝導ディスクは前記半導体素子との接触面に対して垂
直な切断面が三角形状を有しており、 前記伝熱ブロツクは前記熱伝導ディスクの該三角形状の
傾斜面に嵌合するように該熱伝導ディスクとほぼ同一の
三角形状の凹みを有しており、 前記伝熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形
状が一方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝
導ディスクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との
両者に所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けら
れていることを特徴とする冷却装置。 - 【請求項２】セラミック多層回路板に搭載された複数個
の半導体素子と、冷媒によって冷却されるハウジング
と、該ハウジングに接触した伝熱ブロツクと、該伝熱ブ
ロツクと該半導体素子との両者に接触する熱伝導ディス
クとを備えた半導体装置において、 前記熱伝導ディスクは前記半導体素子との接触面に対し
て垂直な切断面が三角形状を有しており、 前記伝熱ブロツクは前記熱伝導ディスクの該三角形状の
傾斜面に嵌合するように該熱伝導ディスクとほぼ同一の
三角形状の凹みを有しており、 前記伝熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形
状が一方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝
導ディスクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との
両者に所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けら
れていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】複数個の半導体素子を搭載したセラミック
多層回路板と、該回路板を該回路板に設けられたピンを
介して電気的に接続した多層プリント基板と、該多層プ
リント基板を多芯コネクタを介して電気的に接続したバ
ックボードと、前記セラミック多層回路板に固着され冷
媒によって冷却されるハウジングと、該ハウジングに接
触した伝熱ブロツクと、該伝熱ブロツクと該半導体素子
との両者に接触する熱伝導ディスクとを備えたものにお
いて、 前記熱伝導ディスクは前記半導体素子との接触面に対し
て垂直な切断面が三角形状を有しており、 前記伝熱ブロツクは前記熱伝導ディスクの該三角形状の
傾斜面に嵌合するように該熱伝導ディスクとほぼ同一の
三角形状の凹みを有しており、 前記伝熱ブロツクと前記熱伝導ディスクとの接触面の形
状が一方は曲面形状で他方が平面形状であり、前記熱伝
導ディスクが前記伝熱ブロツク及び前記半導体素子との
両者に所定の加圧力で接触するように弾性部材が設けら
れていることを特徴とするコンピュータ実装構造。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62084786A JPH063831B2 (ja) | 1987-04-08 | 1987-04-08 | 冷却装置及びそれを用いた半導体装置 |
| DE88303111T DE3884846T2 (de) | 1987-04-08 | 1988-04-07 | Kühlungsgerät und eine dieses Gerät verwendende Halbleitervorrichtung. |
| US07/178,650 US4908695A (en) | 1987-04-08 | 1988-04-07 | Cooling apparatus and semiconductor device employing the same |
| EP88303111A EP0288183B1 (en) | 1987-04-08 | 1988-04-07 | Cooling apparatus and semiconductor device employing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62084786A JPH063831B2 (ja) | 1987-04-08 | 1987-04-08 | 冷却装置及びそれを用いた半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63250848A JPS63250848A (ja) | 1988-10-18 |
| JPH063831B2 true JPH063831B2 (ja) | 1994-01-12 |
Family
ID=13840381
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62084786A Expired - Lifetime JPH063831B2 (ja) | 1987-04-08 | 1987-04-08 | 冷却装置及びそれを用いた半導体装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4908695A (ja) |
| EP (1) | EP0288183B1 (ja) |
| JP (1) | JPH063831B2 (ja) |
| DE (1) | DE3884846T2 (ja) |
Families Citing this family (35)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| EP0354722A3 (en) * | 1988-08-08 | 1991-04-03 | Hitachi, Ltd. | Heat transfer system especially for cooling semiconductor devices |
| US5005638A (en) * | 1988-10-31 | 1991-04-09 | International Business Machines Corporation | Thermal conduction module with barrel shaped piston for improved heat transfer |
| JPH036848A (ja) * | 1989-06-03 | 1991-01-14 | Hitachi Ltd | 半導体冷却モジュール |
| JPH0612794B2 (ja) * | 1989-08-18 | 1994-02-16 | 株式会社日立製作所 | 半導体実装モジユール及び冷却構造体 |
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-
1987
- 1987-04-08 JP JP62084786A patent/JPH063831B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-04-07 DE DE88303111T patent/DE3884846T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-04-07 EP EP88303111A patent/EP0288183B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-04-07 US US07/178,650 patent/US4908695A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0288183B1 (en) | 1993-10-13 |
| JPS63250848A (ja) | 1988-10-18 |
| DE3884846T2 (de) | 1994-02-03 |
| EP0288183A2 (en) | 1988-10-26 |
| EP0288183A3 (en) | 1989-10-18 |
| US4908695A (en) | 1990-03-13 |
| DE3884846D1 (de) | 1993-11-18 |
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