JP4334542B2 - パッケージ構造 - Google Patents

Description

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（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージの固定に好適である他、ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）等のパッケー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、マザーボードなど）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。

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、ＢＧＡパッケージが従来から提案されている。ＢＧＡ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「マザーボード」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ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）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ＣＰＵとして機能するＩＣやＬＳＩを搭載し、ＣＰＵの性能向上に伴ってその発熱量も増加する。そこで、ＣＰＵを熱的に保護するために、ＣＰＵには、ヒートシンクと呼ばれる冷却装置がヒートス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、ＣＰＵに近接して自然冷却によってＣＰＵの放熱を行う。

以下、第１２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１２図は、従来のＢＧＡパッケージ１０００を説明するための概略断面図である。第１２図に示すように、バンプ１２００及びアンダーフィル１３００を介してＬＳＩ１１００を搭載したセラミック製のパッケージ基板１４００をＢＧＡ１５００を介してプリント基板１６００に搭載すると共に蓋（Ｌｉｄ）構造のヒートスプレッダ１７００を介して図示しないヒートシンクを熱的に接続する。ＬＳＩ１１００とヒートスプレッダ１７００とは接合層１８００によって接着される。

このように、従来のＢＧＡパッケージ１０００においては、セラミック製のパッケージ基板１４００にＬＳＩ１１００を搭載していた。これは、ＬＳＩ１１００とセラミックの熱膨張率が近いため、ＬＳＩ１１００搭載時にＬＳＩ１１００やパッケージ基板１４００に反りを発生させないためである。なお、パッケージ基板１４００に直接接触しているのはアンダーフィル１３００であるが、アンダーフィル１３００の厚さが薄いためにＬＳＩ１１００とパッケージ基板１４００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ＬＳＩ１１００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、ＬＳＩ１１００の背面には、接合層１８００を介してヒートスプレッダ１７００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１７００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、ＬＳＩ１１００とヒートスプレッダ１７００の間の接合層１８００に熱伝導性の低い樹脂や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１８００が温度ギャップになってしまうためである。接合層１８００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、ＬＳＩ１１００とヒートスプレッダ１７００との熱膨張率の差がＬＳＩ１１００の温度上昇に伴い両者間に強力な熱応力を生み、接合層１８００及び／又はＬＳＩ１１００を破壊してしまうため容易にはできない。

そこで、接合層１８００に液体金属等の熱伝導性の高い液体を用いることでＬＳＩ１１００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１３図は、接合層に液体金属を用いたＢＧＡパッケージ２０００の製造を説明するための概略断面図である。ＢＧＡパッケージ２０００は、第１３図（ａ）に示すＬＳＩ２１００にエッチング加工を施し、第１３図（ｂ）に示すような、凹部２２００を形成する。次いで、かかる凹部２２００に液体金属２３００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２３００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、ＬＳＩ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ＢＧＡパッケージ構造もある。
特許文献１

特開昭６０−８４８４８号公報

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ＬＳＩとの熱膨張率が異なることから、ＬＳＩ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、ＬＳＩとの熱膨張率の差が大きいため、ＬＳＩの反りが発生し、ＬＳＩ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ＬＳＩ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１４図及び第１５図に示すように、接合層１８００の剥離が発生し、ＬＳＩ１１００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ＬＳＩ１１００が破損してしまう。勿論、ＬＳＩ１１００の反りに起因する物理的なＬＳＩ１１００、接合層１８００及びヒートスプレッダ１７００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ＢＧＡパッケージの概略断面図であり、第１４図（ａ）は、ＬＳＩが高温の場合、第１４図（ｂ）は、ＬＳＩが低温の場合を示している。第１５図は、接合層の剥離によってＬＳＩ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ＢＧＡパッケージは、エッチング等の微細加工技術や熱伝導性被膜の成膜及び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、ＬＳＩ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ＬＳＩ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、樹脂性のパッケージ基板とＬＳＩとの熱膨張率の差によってＬＳＩ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、ＢＧＡパッケージ２０００は、第１６図に示すように、熱伝導性被膜２４００で液体金属２３００を封止したＬＳＩ２１００を冷却フィン２５００で囲うように一体構造としてパッケージ基板２６００に搭載し、熱伝導性被膜２４００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２４００とヒートシンク２５００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ＬＳＩとの接合部やＬＳＩ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。

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、ヒートスプレッダ及び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、板バネの機能を有するために、２００μｍ以上１ｍｍ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、ヘリウ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ー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する第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。

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ＬＳＩ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ＬＳＩとヒートスプレッダとの別の接続状態を示すＬＳＩ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１０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１１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ーチャートである。

第１２図は、従来のＢＧＡパッケージを説明するための概略断面図である。

第１３図は、接合層に液体金属を用いたＢＧＡ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１４図は、従来のＢＧＡパッケージの問題を示す概略断面図である。

第１５図は、接合層の剥離によってＬＳＩ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１６図は、冷却フィンと一体構造とした第１３図に示すＢＧＡパッケージの概略断面図である。

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１００、パッケージモジュール１００を搭載したプリント基板２００、プリント基板２００を搭載した電子機器３００について説明する。ここで、第１図は、電子機器３００の概略斜視図である。第２図は、電子機器３００に搭載されるプリント基板２００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ァベットのない参照番号によっ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３００は、例示的に、ラックマウント型のＵＮＩＸサーバーとして具体化されている。電子機器３００は、一対の取り付け部３０２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２００を筐体３１０内に搭載している。

筐体３１０にはファンモジュール３２０が設けられている。ファンモジュール３２０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１５０が接続するヒートシンク１９０を強制的に冷却する。ファンモジュール３２０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たベアリングと、ベアリングハウスと、モー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。動力部とプロペ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２００は、パッケージモジュール１００と、パッケージモジュール１００周辺のＬＳＩモジュール２１０と、メモリカード２４０を挿入するための複数のブロックプレート２２０と、ハードディスクやＬＡＮなどの外部機器とのコネクタ２３０とを有する。

パッケージモジュール１００は、ＬＳＩ１０２を搭載してプリント基板２００とＢＧＡ１２０を介して接続するＢＧＡ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１００は、第２図及び第３図に示すように、パッケージ基板１１０と、ＢＧＡ１２０と、補強金属１３０と、接合部材１４０と、ヒートスプレッダ１５０と、液体金属１６０と、ヒートシンク１９０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１００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１９０は省略している。

パッケージ基板１１０は、厚みが５００μｍ乃至１ｍｍ程度で樹脂から構成される。樹脂基板は、厚みが約２ｍｍ乃至３ｍｍ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いう長所を有する。

パッケージ基板１１０は、ＣＰＵとして機能するＬＳＩ１０２を上面に搭載し、ＢＧＡ１２０及びコンデンサーその他の回路部品１０８を底面に搭載している。本実施形態のパッケージ基板１１０は、一のＬＳＩ１０２が搭載されたシングルチップ型である。

パッケージ基板１１０の厚さは約５００μｍであるのに対して、後述するアンダーフィル１０６の厚さは約１００μｍであるので、パッケージ基板１１０とアンダーフィル１０６との間の熱膨張差よりもパッケージ基板１１０とＬＳＩ１０２との間の熱膨張差が支配的になる。

ＬＳＩ１０２は、発熱性回路素子であり、端子としてのバンプ１０４によってパッケージ基板１１０にハンダ付けされ、ＬＳＩ１０２とパッケージ基板１１０との間には、バンプ１０４の接続信頼性を保証するためにフリップチップ（バ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１０６が充填され、バンプ１０４を封止している。

ＢＧＡ１２０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１１０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、ＢＧＡ１２０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２００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、ＢＧＡ１２０によって接続するので、ＢＧＡ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。ＢＧＡ１２０は、本実施形態のように、パッケージ基板１１０の底面に回路部品１０８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１０８がない場合は、パッケージ基板１１０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１３０は、パッケージ基板１１０の上面に設けられ、パッケージ基板１１０を補強する機能を有する。具体的には、補強金属１３０は、パッケージ基板１１０のねじれを矯正する。補強金属１３０は、例えば、アルミニウム、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１３０を設けるかどうかは選択的である。

接合部材１４０は、ＬＳＩ１０２と後述するヒートスプレッダ１５０との間を封止し、ＬＳＩ１０２及びヒートスプレッダ１５０と協同して封止空間ＣＡを形成する機能を有する。接合部材１４０は、ＬＳＩ１０２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１４０は、高さ２０μｍ乃至２００μｍ及び幅２ｍｍ乃至６ｍｍ程度の寸法を有する。

接合部材１４０は、例えば、熱伝導率の高い銅や窒化アルミニウムなどの固体金属で構成され、ＬＳＩ１０２の外周においてＬＳＩ１０２と後述するヒートスプレッダ１５０とを接続する。換言すれば、接合部材１４０は、ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０とを固体接合（金属接合）している。接合部材１４０を設置する位置をＬＳＩ１０２の外周に限定することで、ＬＳＩ１０２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ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０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１４０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、ＬＳＩ１０２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１１０とヒートスプレッダ１５０）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１５０は、パッケージ基板１１０とヒートシンク１９０との間に配置され、ＬＳＩ１０２に接合部材１４０によって接続されている。ヒートスプレッダ１５０は、ＬＳＩ１０２からの熱をヒートシンク１９０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バイト（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１５０は、第３図に示すように、接合部材１４０と接続している第１の部材１５２と、第１の部材１５２とは分割されている第２の部材１５４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１６０を封止する封止空間ＣＡ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１５２は、接合部材１４０と接合する底部１５２ａが、パッケージ基板１１０の形状と類似の略正方形状で中空部１５２ｂを有する。中空部１５２ｂの形状も接合部材１４０（ＬＳＩ１０２）の外形に従った略正方形状であり、後述する第２の部材１５４の凸部１５４ａを収納する。但し、中空部１５２ｂは、第２の部材１５４の凸部１５４ａを密着して収納するのではなく、凸部１５４ａとの間に間隙を有して収納し、かかる間隙が封止空間ＣＡの一部を構成する。

第１の部材１５２の底部１５２ａには、第２の部材１５４が嵌合する嵌合部１５２ｃが設けられている。嵌合部１５２ｃは、底部１５２ａから突出するように設けられており、第２の部材１５４が嵌合した際に、底部１５２ａと第２の部材１５４との間に間隙を形成し、かかる間隙が封止空間ＣＡの一部を構成する。これにより、封止空間ＣＡ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ＣＡは、１００μｍ程度の厚さを必要とするため、嵌合部１５２ｃは、底部１５２ａから１００μｍ程度突出するように設けることが好ましい。

第２の部材１５４は、ＬＳＩ１０２側に凸部１５４ａを有し、断面凸形状を有する。なお、第２の部材１５４の凸部１５４ａは、０．５ｍｍ乃至２．０ｍｍ程度の高さを有する。第２の部材１５４は、凸部１５４ａが中空部１５２ｂに収納するように第１の部材１５２に嵌合する。換言すれば、第２の部材１５４は、第１の部材１５２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１６０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ＣＡに液体金属１６０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１５０は、第９図に示すように、封止空間ＣＡを形成する第１の部材１５２及び第２の部材１５４の面（即ち、液体金属１６０を内包する面）に凹凸形状１５２ｄ及び１５４ｂを形成することで、後述する液体金属１６０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１５２ｄ及び１５４ｂが形成されたヒートスプレッダ１５０を有するパッケージモジュール１００の概略断面図である。

液体金属１６０は、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０が協同して形成した封止空間ＣＡに封止される。液体金属１６０は、例えば、インジウムやカリウムなどの常温で液体の金属であり、ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０、及び、ヒートスプレッダ１５０における第１の部材１５２と第２の部材１５４を高い熱伝導性で接続する機能を有する。

液体金属１６０は、パッケージ基板１１０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１６０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１６０は、流動性を有するために、ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０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１６０は、ＬＳＩ１０２の熱応力を遮断する機能を有する。例えば、ＬＳＩ１０２とパッケージ基板１１０の熱膨張率の差によってＬＳＩ１０２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１６０によってかかる反りがヒートスプレッダ１５０に伝達することなく、ヒートスプレッダ１５０の破損を防止することができる。また、ＬＳＩ１０２の反りによって液体金属１６０が破損することがなく、ヒートスプレッダ１５０（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１９０は、基部と冷却フィンとを有する。基部は、例えば、アルミニウム、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１５０に接合される。ヒートシンク１９０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、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、ロウ付け、溶接、射出成形などによって形成される。

パッケージモジュール１００は、第１２図に示す従来のＢＧＡパッケージ１０００における蓋構造のヒートスプレッダ１７００とは異なり、パッケージ基板１１０に接合していない。また、パッケージモジュール１００は、第４図に示すように、接合部材１４０及び液体金属１６０によってＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０と接続しているため、固体接合と液体接合の弱点を補いながら、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１００は、第１４図及び第１５図に示したように、接合層の剥離によってＬＳＩ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ＢＧＡパッケージでは、接合部の熱抵抗が０．２℃／Ｗ程度であったが、本実施形態のパッケージモジュール１００では、接合部の熱抵抗を１／１０の０．０２℃／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１００において、ヒートスプレッダ１５０との接続状態を示すＬＳＩ１０２の概略上視図である。

また、液体金属１６０は、ＬＳＩ１０２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１６０は、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０を押圧して、破損及び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１００に液体金属１６０の熱膨張を許容する許容部１７０を設ける。

許容部１７０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）１７０Ａとして具現化される。気体１７０Ａは、弾力性を有しているため、液体金属１６０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１６０が、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０を押圧することによる破損及び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１５２の嵌合部１５２ｃの近傍に気体１７０Ａが存在しているが、気体１７０Ａは、液体金属１６０中を移動することができ、液体金属１６０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１７０Ａを有するパッケージモジュール１００の概略断面図である。

気体１７０Ａ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１７０Ａを封止空間ＣＡに封止しても液体金属１６０に酸化及び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１７０Ａの量（体積）は、３ｃｃ程度である。

また、許容部１７０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１７０Ｂとして具現化される。弾性部材１７０Ａは、弾性力を有しているため、液体金属１６０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１６０が、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０を押圧することによる破損及び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１５２の嵌合部１５２ｃの近傍に弾性部材１７０Ｂが配置されているが、液体金属１６０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１７０Ｂ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１７０Ｂは、直径φが２０ｍｍ乃至３０ｍｍ程度、断面φが０．５ｍｍ乃至１．０ｍｍ程度の寸法を有する。なお、弾性部材１７０Ｂをハロゲン系の物質で構成することで、封止空間ＣＡに設置しても液体金属１６０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１７０Ｂを有するパッケージモジュール１００の概略断面図である。

更に、許容部１７０の別の例として、第７図に示すように、第２の部材１５４の凸部１５４ａに設けられた円弧状の切り欠き１７０Ｃとして具現化される。切り欠き１７０Ｃは、液体金属１６０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１６０が、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０を押圧することによる破損及び熱的な接続の切断を防止することができる。切り欠き１７０Ｃは、直径φ２ｍｍ乃至４ｍｍ程度を必要とする。なお、切り欠き１７０Ｃを第２の部材１５４の凸部１５４ａの外周角（四隅）に形成することにより、液体金属１６０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ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０との別の接続状態を示すＬＳＩ１０２の概略上視図である。

一方、ＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０が熱応力により変形（歪み）を起こす場合もある。ＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０に変形が生じると、接合部材１４０が剥離したり、ヒートスプレッダ１５０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１５２の底部１５２ａを箔板状にすることで、ＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０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１５２の底部１５２ａに板バネの機能を持たせることで、ＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０の変形を吸収し、接合部材１４０の剥離、ヒートスプレッダ１５０の破損を防止することができる。板バネの機能を第１の部材１５２の底部１５２ａに持たせるためには、底部１５２ａを２００μｍ以上１ｍｍ以下の厚さで構成することが好ましい。底部１５２ａの厚さが２００μｍより小さいと液体金属１６０の圧力によって封止空間ＣＡを十分に封止することができず、１ｍｍより大きいと板バ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、板バネの機能を有する第１の部材１５２の底部１５２ａがＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０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１００の概略断面図である。

更に、ヒートスプレッダ１５０を弾性部材から構成することで、液体金属１６０の熱膨張や、ＬＳＩ１０２及びパッケージ基板１１０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ＬＳＩ１０２を搭載したシングルチップ型のパッケージ基板１１０を例に説明してきたが、本発明は、第１０図に示すように、複数のＬＳＩ１０２が搭載されたマルチチップ型のパッケージ基板１１０Ａを排除するものではない。かかる場合には、複数のＬＳＩ１０２に応じて、第１の部材１５２の中空部１５２ｂ及び第２の部材１５４の凸部１５４ａを設ければよい。ここで、第１０図は、マルチチップ型のパッケージ基板１１０Ａ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１１図を参照して、パッケージモジュール１００の製造方法８００について説明する。ここで、第１１図は、本発明のパッケージモジュール１００の製造方法８００を説明するためのフローチャートである。

まず、ＬＳＩ１０２をバンプ１０４によってパッケージ基板１１０にハンダ付けし、ＬＳＩ１０２とパッケージ基板１１０との間にアンダーフィル１０６を充填する（ステップ８０２）。次に、ＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０としての第１の部材１５２とを接合部材１４０を介して接続する（ステップ８０４）。この際、接合部材１４０をＬＳＩ１０２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８０４で接続されたＬＳＩ１０２と第１の部材１５２との間に液体金属１６０を注入する（ステップ８０６）。この際、形成される封止空間ＣＡを満たす量（即ち、封止空間ＣＡの体積量）の液体金属１６０を注入する。そして、ヒートスプレッダ１５０としての第２の部材１５４を第１の部材１５２に嵌合し、ステップ８０６で注入された液体金属１６０を封止空間ＣＡに封止する（ステップ８０８）。

かかる製造方法８００によれば、エッチング等の微細加工技術などの高度な加工技術を必要とすることなく、液体金属１６０を封止空間ＣＡに封止したパッケージモジュール１００を製造することができる。また、ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０が協同して封止空間ＣＡ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３００は、樹脂製のパッケージ基板１１０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ＬＳＩ１０２、接合部材１４０及びヒートスプレッダ１５０が形成する封止空間ＣＡに封止された液体金属１６０とにより、熱応力によってＬＳＩ１０２とヒートスプレッダ１５０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、ＬＳＩ１０２で発生した熱はヒートシンク１９０によって適切に放熱される。ヒートシンク１９０の冷却フィンは、ファンモジュール３２０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、ＬＳＩ１０２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１５０を２分割構造とすることで、簡易、且つ、小型でありながら、液体金属１６０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び範囲を逸脱せずに、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ＬＧＡ（Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）ソケットを介してプリント基板に接続するＬＧＡ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ＣＰＵとして機能しない発熱性回路素子にも適用可能である。

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ＬＳＩとの接合部やＬＳＩ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 (6)

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、
   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、
   を有し、
   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、
   前記第１の部材の底部は、板バネの機能を有することを特徴とするパッケージ構造。
2. 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、
   を有し、
   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、
   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パッケージ構造。
3. 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、
   前記液体金属の熱膨張を許容する許容部と、
   を有することを特徴とするパッケージ構造。
4. 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３記載のパッケージ構造。
5. 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４記載のパッケージ構造。
6. 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３記載のパッケージ構造。

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